JP4173780B2 - 水硬性セメント組成物 - Google Patents

Description

本発明は、主に土木・建築分野において使用される水硬性セメント組成物に関する。

アルミナセメントは、ポルトランドセメントに比べ、初期強度が高く、低温条件で硬化し、硫酸塩による侵食等に優れた耐久性を有するなど、独特の性質を多く有している(非特許文献１参照)。
しかしながら、アルミナセメントを用いたコンクリートは、長期強度が低下するという課題を避けて通れないものとなっている。
また、アルミナセメントを用いたコンクリートは、同じ強度のポルトランドセメントを用いたコンクリートと比較すると中性化に対する抵抗性が小さいという課題があった。

これらアルミナセメントの課題の原因は、常温では、アルミナセメントの主要水和物であるCaO・Al₂O₃・10H₂O(CAH₁₀)が3CaO・Al₂O₃・6H₂O(C₃AH₆)へ転移することが避けられず、この転移に伴って空隙率が増加するため、強度の低下や中性化抵抗性に劣る結果となるのである。
このため、土木・建築分野では、優れた初期強度や高い耐久性を有するにも関わらず、アルミナセメントを構造部材に用いることは敬遠され、もっぱら高温炉用のキャスタブル耐火ライニング材等として用いられてきた。
このアルミナセメントの主要水和物の転移を防止するための技術としては高炉水砕スラグ微粉末を併用する方法、炭酸カルシウムを併用する方法、及びセッコウを併用する方法等が知られている(特許文献１、非特許文献２、及び非特許文献３参照)。

しかしながら、これらの方法は転移による強度の低下を防ぐことはできても、中性化抵抗性については考慮されておらず、性能も劣るものとなっていた。
特開昭６０−１８０９４５号公報 W.チェルニン、セメント・コンクリート化学、pp181〜193、技報堂出版、1969 Fentiman C.H.：Cement and Concrete Research, Vol.15, No.4, pp.622-,1985 杉智光他：セメント技術年報，No.30，pp.118-，1976

本発明者は鋭意努力の結果、特定の材料を使用することによって前記従来技術の持つ課題を解消し、アルミナセメントの持つ特徴を損なうことなく、転移による強度低下を防止し、さらに中性化抵抗性に優れるアルミナセメントを用いた水硬性セメント組成物が得られるとの知見を得て本発明を完成するに至った。

本発明は、アルミナセメント５〜90部と、潜在水硬性物質95〜10部からなる結合材と、該結合材100部に対して、５〜300部であるブレーン比表面積値2,000〜10,000cm ² /gのγ-2CaO・SiO₂粉末を含有してなる水硬性セメント組成物であり、潜在水硬性物質が高炉水砕スラグの急冷スラグ微粉末、フライアッシュ、シリカフューム、及びライスハスクアッシュ(籾殻灰)のうち一種又は二種以上である該水硬性セメント組成物であり、該水硬性セメント組成物を含有してなるセメントコンクリート組成物であり、該セメントコンクリート組成物からなるセメントコンクリート層をその表面に形成してなるセメントコンクリート硬化体である。

本発明により、アルミナセメントの持つ特長を損なうことなく、転移による強度低下を防止し、さらに中性化抵抗性にも優れるセメント組成物が得られる。

以下、本発明を詳しく説明する。
なお、本発明で使用する部や％は特に規定のない限り質量基準である。
また、本発明でいうセメントコンクリートとは、セメントペースト、モルタル、及びコンクリートを総称するものである。

本発明で使用するアルミナセメントは、市販のいかなる種類のアルミナセメントでも使用することが可能であるが、旧JIS R 2511：1995「耐火物用アルミナセメント」に規定されるものが好ましい。

本発明で使用する潜在水硬性物質は特に限定されるものではなく、具体的には、高炉水砕スラグなどの急冷スラグ微粉末、フライアッシュ、シリカフューム、及びライスハスクアッシュ(籾殻灰)等が挙げられ、本発明ではこれらのうち一種又は二種以上の使用が可能である。
潜在水硬性物質の使用量は、アルミナセメントと潜在水硬性物質からなる結合材100部中、10〜95部であり、50〜80部が好ましい。10部未満ではアルミナセメント水和物転移の防止効果が小さくなる場合があり、95部を超えると、所定の強度が得られない場合がある。

本発明で使用するγ-2CaO・SiO₂は、2CaO・SiO₂で表される化合物のうちで、低温相として知られる非水硬性物質であり、高温相で水硬性を有するα-2CaO・SiO₂、α'-2CaO・SiO₂、及びβ-2CaO・SiO₂とは化学的な性質や結晶構造が異なった物質である。セメントクリンカやビーライトセメント中に存在する2CaO・SiO₂はβ-2CaO・SiO₂であり、γ-2CaO・SiO₂は含まれない。
本発明のγ-2CaO・SiO₂は(以下、γ-C₂Sという)を工業的に製造する方法は特に限定されるものではないが、一般的には、生石灰、消石灰、及び炭酸カルシウムなどのカルシウム源と、酸化アルミニウム、水酸化アルミニウム、及びボーキサイトなどのアルミニウム源とを熱処理する方法等が挙げられる。
熱処理温度は特に限定されるものではなく、使用する原料によっても異なるが、通常、850〜1,600℃程度が好ましく、1,000〜1,500℃程度が熱処理効率の面からより好ましい。
γ-C₂Sの粒度は、ブレーン比表面積値(以下、ブレーン値という)で3,000〜8,000cm²/gが好ましく、4,000〜6,000cm²/gがより好ましい。3,000cm²/g未満では中性化抑制効果が充分に得られない場合があり、8,000cm²/gを超えると過剰な粉砕動力が必要となる場合がある。
γ-C₂Sを工業的に製造する際には、Na₂O、MgO、Al₂O₃、TiO₂、MnO、Fe₂O₃、P₂O₅、及びＳなどの不純物の存在は特に限定されるものではなく、本発明の目的を実質的に阻害しない範囲では特に問題とならない。

また、製鋼スラグ、例えば、還元期スラグ、銑鉄スラグ、転炉スラグ、及びステンレススラグなどの中にはγ-C₂Sを含有するものがあり、これらを用いることも可能である。
これらのスラグには、トライカルシウムシリケート3CaO・SiO₂、ランキナイト3CaO・2SiO₂、及びワラストナイトCaO・SiO₂などのγ-C₂S以外のカルシウムシリケート、メルヴィナイト3CaO・MgO・2SiO₂、アケルマナイト2CaO・MgO・2SiO₂、及びモンチセライトCaO・MgO・SiO₂などのカルシウムマグネシウムシリケート、ゲーレナイト2CaO・Al₂O₃・SiO₂やアノーサイトCaO・Al₂O₃・2SiO₂などのカルシウムアルミノシリケート、アケルマナイト2CaO・MgO・2SiO₂とゲーレナイト2CaO・Al₂O₃・SiO₂の混晶であるメリライト、MgO・SiO₂や2MgO・SiO₂などのマグネシウムシリケート、遊離石灰、遊離マグネシア、カルシウムフェライト2CaO・Fe₂O₃、カルシウムアルミノフェライト4CaO・Al₂O₃・Fe₂O₃、リューサイト(K₂O、Na₂O)・Al₂O₃・SiO₂、スピネルMgO・Al₂O₃、並びに、マグネタイトFe₃O₄などが含まれており、本発明の目的を阻害しない範囲であれば、これらの化合物を含む物質を用いることも可能である。

γ-C₂Sの使用量は、アルミナセメントと潜在水硬性物質からなる結合材100部に対して、５〜300部であり、10〜100部がより好ましい。５部未満では中性化抑制効果が得られない場合があり、300部を超えてもさらなる効果の増進が期待できないばかりか、作業性が悪くなる場合がある。

本発明のセメント組成物の粒度は、使用する目的・用途に依存するため特に限定されるものではないが、通常、ブレーン値で3,000cm²/g以上が好ましく、5,000〜50,000cm²/gがより好ましい。3,000cm²/g未満では本発明の効果が充分に得られない場合がある。

本発明で使用する水量は、使用する材料の種類や配合により変わるため一義的に決定されるものではないが、通常、水／セメント比で25〜60％が好ましく、30〜50％がより好ましい。25％未満では所定の作業性を得るために併用する減水剤等の必要量が過剰になる場合があり、60％を超えると充分な強度発現性が得られない場合がある。

本発明では、本発明のセメント組成物や骨材の他に、減水剤、高性能減水剤、ＡＥ減水剤、高性能ＡＥ減水剤、流動化剤、消泡剤、増粘剤、防錆剤、防凍剤、セメント混和用ポリマーディスパージョン、収縮低減剤、凝結調整剤、ベントナイトなどの粘土鉱物、及びハイドロタルサイトなどのアニオン交換体等のセメント混和材又はセメント混和剤や、ビニロン繊維、アクリル繊維、及び炭素繊維等の繊維状物質のうちの一種又は二種以上を、本発明の目的を実質的に阻害しない範囲で使用することが可能である。

本発明における各材料の混合方法は特に限定されるものではなく、それぞれの材料を施工時に混合しても良いし、あらかじめその一部あるいは全部を混合しておいても差し支えない。
混合装置としては、既存の如何なる装置も使用可能であり、例えば、傾胴ミキサ、オムニミキサ、ヘンシェルミキサ、Ｖ型ミキサ、及びナウターミキサなどが挙げられる。

アルミナセメントと表１に示す潜在水硬性物質からなる結合材を用い、水／セメント比45％、結合材／砂比１／３とし、結合材100部に対して、γ-C₂S粗粉をボールミルで粉砕してブレーン値5,000cm²/gとしたγ-C₂S20部を砂20部と置換して配合してセメント組成物とし、それを用いてモルタルを調製した。
また、モルタルのフロー値が175±５cmとなるように、減水剤を併用した。
調製したモルタルを用いて硬化体を作製し、材齢１日で脱型後、20℃水中養生を行い、圧縮強度を測定し、中性化促進試験を行った。結果を表１に併記する。
なお、すべての試験は20℃の恒温室内で行った。

＜使用材料＞
アルミナセメント：市販品、ブレーン値4,750cm²/g、密度3.01g/cm³
潜在水硬性物質Ａ：高炉水砕スラグ微粉末、市販品、ブレーン値6,200cm²/g、密度2.90g/cm³
潜在水硬性物質Ｂ：フライアッシュ、市販品、ブレーン値4,400cm²/g、密度2.35g/cm³
潜在水硬性物質Ｃ：シリカフューム、市販品、ブレーン値135,000cm²/g、密度2.30g/cm³
潜在水硬性物質Ｄ：潜在水硬性物質Ａと潜在水硬性物質Ｂの質量比１：１混合品
γ-C₂S粗粉 ：試薬１級の炭酸カルシウム２モルと二酸化ケイ素１モルを配合して混合粉砕した後、電気炉において1,450℃で３時間焼成し、炉外に取り出して自然放冷により冷却して合成した。この時、ダスティングし、ブレーン値1,800cm²/gまで粉化した粗粉、密度2.99g/cm³
水 ：水道水
減水剤 ：ナフタレンスルホン酸系高性能減水剤、市販品
砂 ：JIS標準砂

＜測定方法＞
圧縮強度 ：４×４×16cmの供試体を作製し、JIS R 5201に準じて１日、７日、28日、及び１年の材齢で測定
圧縮強度低下率：材齢28日の強度を基準とし、材齢１年での強度低下率
中性化深さ：４×４×16cmの供試体を作製し、材齢28日まで20℃水中養生を施した後、大気圧下30℃、相対湿度60％、炭酸ガス濃度５％の環境で中性化促進を行い、８週間後に供試体に曲げ荷重を加え2つに分断し、断面にフェノールフタレインアルコール溶液を塗布して中性化深さを確認

アルミナセメント50部と潜在水硬性物質Ａ50部とを配合し、γ-C₂S粗粉をボールミルで粉砕し、表２に示すブレーン値のγ-C₂Sを使用したこと以外は実施例１と同様に行った。結果を表２に併記する。

アルミナセメント50部と潜在水硬性物質Ａ50部とを配合し、ブレーン値5,000cm²/gのγ-C₂Sを用いて、ブレーン値5,400cm²/gのセメント組成物を調製し、表３に示す水／セメント比を用いたこと以外は実施例１と同様に行った。結果を表３に併記する。

結合材250kg/m³中、アルミナセメントを150kg/m³、潜在水硬性物質Ａを100kg/m³とし、水結合材比45％、s/a45％、スランプ10±３cm、空気量3.0±1.0％のコンクリートを調製し、表４に示す量のブレーン値5,000cm²/gのγ-C₂Sを配合した。
なお、γ-C₂Sは不活性の無機粉末とみなし、その量を細骨材から差し引いた。結果を表５に併記する。

＜使用材料＞
細骨材 ：新潟県姫川産川砂、密度2.56g/cm³
粗骨材 ：新潟県姫川産砕石、密度2.65g/cm³

＜測定方法＞
圧縮強度 ：φ10×20cm供試体を作製しJIS A 1108に準じて材齢28日強度を測定
中性化深さ：10×10×10cmの供試体を作製し、材齢28日まで20℃水中養生を施した後、大気圧下30℃、相対湿度60％、及び炭酸ガス濃度５％の環境で中性化促進を行い、８週間後に供試体を輪切りし、断面にフェノールフタレインアルコール溶液を塗布して中性化深さを測定

Claims (4)

1. アルミナセメント５〜90部と潜在水硬性物質95〜10部からなる結合材100部と、ブレーン比表面積値2,000〜10,000cm ² /gのγ-2CaO・SiO₂５〜300部とを含有してなる水硬性セメント組成物。
2. 潜在水硬性物質が高炉水砕スラグの急冷スラグ微粉末、フライアッシュ、シリカフューム、及びライスハスクアッシュ(籾殻灰)のうち一種又は二種以上である請求項１に記載の水硬性セメント組成物。
3. 請求項１または２記載の水硬性セメント組成物を含有してなるセメントコンクリート組成物。
4. 請求項３に記載のセメントコンクリート組成物からなるセメントコンクリート層をその表面に形成してなることを特徴とするセメントコンクリート硬化体。