JP4248121B2 - セメント混和材、セメント組成物、及びそれを用いた高流動コンクリート - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に、土木・建築業界において使用されるセメント混和材、セメント組成物、及びそれを用いた高流動コンクリートに関する。
なお、本発明における部や％は特に規定しない限り質量基準で示す。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
二酸化炭素排出量に関して、全産業に占める土木・建設業の割合は極めて大きく、環境負荷の低減が切望されている。
一方、近年では、コンクリートに要求される性能は多様化しており、施工の合理化を目的として、締め固めを必要とせず、自己充填性を有する高流動コンクリートが種々提案されている（ＪＣＩ超流動コンクリート研究委員会報告書I及びIIなど)。
これらの高流動コンクリートは、単位結合材量が500kg/m3程度を下回ると、材料分離を生じやすくなるため、通常、500kg/m3程度以上の単位結合材量を有している。単位結合材量の多い高流動コンクリートは水和発熱量が大きく、また、環境負荷も大きいという課題を有していた。
【０００３】
このような課題を解決するために、石灰石微粉末を結合材の一部に置き換えて使用した高流動コンクリートが提案された（特開平5−319889号公報）。
石灰石微粉末はほとんど水硬性を示さないため、材料分離抵抗性のみを与えて余計な水和熱を生じないという利点を有している。
しかしながら、資源の少ない我が国にとって石灰石は貴重な天然資源であり、単にコンクリートに混和するだけの利用は資源の枯渇につながることから、工業原料としてもっと有効に利用するべきであるとの声も多いものであった。
【０００４】
一方、製鉄所から産業廃棄物として産出される高炉スラグはコンクリート分野では広範に利用されている。
【０００５】
高炉スラグは、急冷されてガラス化した高炉水砕スラグと、徐冷されて結晶化した徐冷スラグに大別される。
このうち、高炉水砕スラグはアルカリ潜在水硬性を有しており、セメントと同程度、もしくは、それ以上に細かく粉砕されたものが高炉セメントの原料として利用されている。
ガラス化した高炉水砕スラグはセメントクリンカーに多量に混和しても長期強度は低下しないという優れた潜在水硬性を有していることから、高強度コンクリートや高流動コンクリートなど様々な分野での研究がなされている。
しかしながら、ガラス化した高炉水砕スラグは強度発現性を示す反面、それに伴う水和発熱と自己収縮が大きくなるという課題を有していた。
これらはひび割れを誘起する要因であるため、耐久的な鉄筋コンクリート構造物を構築する上で好ましくない現象である。
【０００６】
一方、徐冷スラグは別名結晶化スラグ又はバラスとも呼ばれ、水硬性を示さない。
そのため、今日まで路盤材、セメント原料、あるいは、コンクリート用骨材としての利用など、比較的消極的な使い方しかされていなかった。
即ち、徐冷スラグを微粉末化して機能性のセメント混和材として高流動コンクリートへ検討した例はないのが現状であった。
【０００７】
本発明者は、徐冷スラグの有効利用について検討した結果、粉末化したものを高流動コンクリートへ適用すると、材料分離抵抗性と流動性の保持性能に優れ、自己収縮が小さく、かつ、水和熱の少ない高流動コンクリートとすることができ、また、低環境負荷型のコンクリートとなることを知見して本発明を完成するに至った。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、ブレーン比表面積が 4,000cm 2 /g を越えガラス化率が 30 ％以下である徐冷スラグを含有してなる高流動コンクリート用セメント混和材であり、セメントと該セメント混和材とを含有してなるセメント組成物であり、該セメント組成物と減水剤とを用いてなる高流動コンクリートであり、スランプフロー値が650±50mmである該高流動コンクリートである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
【００１０】
本発明で使用する徐冷スラグは徐冷されて結晶化した高炉スラグである。
徐冷スラグのブレーン比表面積は4,000cm2/gを越えることが好ましく、4,500cm2/g以上がより好ましく、5,000cm2/g以上が最も好ましい。ブレーン比表面積が4,000cm2/g以下では、材料分離抵抗性が得られない場合がある。
また、本発明で使用する徐冷スラグのガラス化率は30％以下が好ましく、10％以下がより好ましい。ガラス化率が30％を越えると水和熱が大きくなる場合がある。
本発明でいうガラス化率(Ｘ)は Ｘ（％）＝（１−Ｓ／Ｓ0）×100として求められる。ここで、Ｓは粉末Ｘ線回折法により求められる徐冷スラグ中の主要な結晶性化合物であるメリライト（ゲーレナイト2CaO・Al2O3・SiO2とアケルマナイト2CaO・MgO・2SiO2の固溶体）のメインピークの面積であり、Ｓ0は徐冷スラグを1,000℃で３時間加熱し、その後、５℃／分の冷却速度で冷却したもののメリライトのメインピークの面積を表す。
徐冷スラグの成分は高炉水滓スラグと同様の組成を有しており、具体的には、SiO2、CaO、Al2O3、及びMgO等を主要な化学成分とし、その他、TiO2、MnO、Na2O、S、Cr2O3、P2O5、及びFe2O3等が挙げられる。
【００１１】
本発明の高流動コンクリート用セメント混和材（以下、本混和材という）の使用量は特に限定されるものではないが、通常、セメント100部に対して、50〜200部が好ましく、75〜150部がより好ましい。50部未満では水和熱を低くするという本発明の効果が十分に得られない場合があり、200部を越えて使用すると、強度発現性が悪くなる場合がある。
【００１２】
本発明で使用する高流動コンクリートとは、従来の振動締め固めを必要としない自己充填性を有し、材料分離を生じないコンクリートを総称するものであり、流動性の指標となるスランプフロー値が650±50mmであることが好ましい。
通常、高流動コンクリートを調製する際には、通常の減水剤、ＡＥ減水剤、高性能減水剤、及び高性能ＡＥ減水剤等の減水剤を用いて高流動化することが好ましい。
【００１３】
減水剤は液状や粉末状のものが市販されており、いずれも使用可能である。
減水剤はナフタレン系、メラミン系、アミノスルホン酸系、及びポリカルボン酸系に大別される。
本発明では特に高性能ＡＥ減水剤の使用が好ましく、その具体例としては、例えば、ナフタレン系としては、エヌエムビー社製商品名「レオビルドSP-9シリーズ」、花王社製商品名「マイティ2000シリーズ」、及び日本製紙社製商品名「サンフローHS-100」等が挙げられる。
また、メラミン系としては、日本シーカ社製商品名「シーカメント1000シリーズ」や日本製紙社製商品名「サンフローHS-40」などが挙げられる。
さらに、アミノスルホン酸系としては、藤沢薬品工業社製商品名「パリックFP-200シリーズ」などが挙げられる。
そして、ポリカルボン酸系としては、エヌエムビー社製商品名「レオビルドSP-8シリーズ」、グレースケミカルズ社製商品名「ダーレックススーパー100PHX」、及び竹本油脂社製商品名「チューポールHP-8シリーズ」や「チューポールHP-11シリーズ」等が挙げられる。
本発明ではこれら減水剤のうちの一種又は二種以上が使用可能である。
減水剤の使用量は特に限定されるものではないが、通常、各メーカーの指定する範囲内で使用すればよく、具体的には、セメントや本混和材からなる粉体100部に対して、0.5〜3.0部程度である。
【００１４】
本発明で使用するセメントとしては、普通、早強、超早強、低熱、及び中庸熱等の各種ポルトランドセメント、これらポルトランドセメントに、高炉スラグ、フライアッシュ、又はシリカを混合した各種混合セメント、また、石灰石粉末等を混合したフィラーセメント、並びに、アルミナセメント等が挙げられ、これらのうちの一種又は二種以上が使用可能である。
【００１５】
水の使用量は特に限定されるものではないが、通常、コンクリート１m3当たり、125〜225kgが好ましく、140〜185kgがより好ましい。
【００１６】
本発明では、セメント、本混和材、砂や砂利などの骨材、及び減水剤の他に、従来高流動コンクリートに用いられてきた高炉水砕スラグ微粉末、石灰石微粉末、フライアッシュ、及びシリカフューム等の混和材料、消泡剤、増粘剤、防錆剤、防凍剤、収縮低減剤、高分子エマルジョン、凝結調整剤、ベントナイト等の粘土鉱物、並びに、ハイドロタルサイト等のアニオン交換体等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。
【００１７】
本発明において、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、あらかじめ一部を、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、既存のいかなる装置も使用可能であり、例えば、傾胴ミキサー、オムニミキサー、ヘンシェルミキサー、Ｖ型ミキサー、及びナウターミキサー等の使用が可能である。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明の実験例に基づいてさらに説明する。
【００１９】
実験例１
表１に示す配合の高流動コンクリートを調製し、材料分離、スランプフローの経時変化、自己収縮、及び断熱温度上昇量を測定した。
なお、コンクリートのスランプフロー値は650±50mmとなるように減水剤を併用した。結果を表１に併記する。
【００２０】
＜使用材料＞
セメント ：普通ポルトランドセメント、電気化学工業社製、比重3.15
スラグａ ：徐冷スラグ、高炉スラグの結晶化スラグ、ブレーン比表面積6,050cm2/g、ガラス化率５％、比重3.00
水 ：水道水
砂 ：新潟県姫川産、比重2.62
砂利 ：新潟県姫川産、砕石、比重2.64
減水剤 ：高性能ＡＥ減水剤、ポリエーテル系
【００２１】
＜測定方法＞
材料分離 ：目視により観察。材料分離が生じた場合は×、材料分離が生じない場合は○で表示。
スランプフロー：財団法人、沿岸開発技術センター及び漁港漁村建設技術研究所発行、水中不分離性コンクリート・マニュアル、付録１「水中不分離性コンクリートの試験、スランプフロー試験」に基づいてコンクリートの広がりを直角方向に２点測定した平均値
自己収縮 ：JCI自己収縮研究委員会報告書に準じて測定。材齢56日における自己収縮ひずみとして表示。
断熱温度上昇量：東京理工社製の断熱温度上昇量測定装置を用いて打設温度20℃の条件で測定。
【００２２】
【表１】
【００２３】
実験例２
単位セメント量250kg/m3、単位スラグ量250kg/m3、水／粉体比＝30％、s/a＝42％、及び空気量4.5±1.5％のコンクリートを調製し、スラグの種類を表２に示すように変化したこと以外は実験例１と同様に行った。結果を表２に併記する。
【００２４】
＜使用材料＞
スラグｂ ：徐冷スラグ、高炉スラグの結晶化スラグ、ブレーン比表面積4,500cm2/g、ガラス化率５％、比重3.00
スラグｃ ：徐冷スラグ、高炉スラグの結晶化スラグ、ブレーン比表面積5,010cm2/g、ガラス化率５％、比重3.00
スラグｄ ：徐冷スラグ、高炉スラグの結晶化スラグ、ブレーン比表面積6,020cm2/g、ガラス化率10％、比重2.99
スラグｅ ：徐冷スラグ、高炉スラグの結晶化スラグ、ブレーン比表面積6,010cm2/g、ガラス化率30％、比重2.96
スラグｆ ：徐冷スラグ、高炉スラグの結晶化スラグ、ブレーン比表面積3,970cm2/g、ガラス化率５％、比重3.00
スラグｇ ：徐冷スラグ、高炉スラグの結晶化スラグ、ブレーン比表面積6,040cm2/g、ガラス化率50％、比重2.94
スラグｈ ：高炉スラグの非晶質スラグ、ブレーン比表面積6,050cm2/g、ガラス化率95％、比重2.90
【００２５】
【表２】
【００２６】
【発明の効果】
本発明の高流動コンクリート用セメント混和材を使用することにより、材料分離抵抗性が大きく、自己収縮が小さく、かつ、水和発熱量の小さいコンクリートとすることができる等の効果を奏する。
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に、土木・建築業界において使用されるセメント混和材、セメント組成物、及びそれを用いた高流動コンクリートに関する。
なお、本発明における部や％は特に規定しない限り質量基準で示す。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
二酸化炭素排出量に関して、全産業に占める土木・建設業の割合は極めて大きく、環境負荷の低減が切望されている。
一方、近年では、コンクリートに要求される性能は多様化しており、施工の合理化を目的として、締め固めを必要とせず、自己充填性を有する高流動コンクリートが種々提案されている（ＪＣＩ超流動コンクリート研究委員会報告書I及びIIなど)。
これらの高流動コンクリートは、単位結合材量が500kg/m3程度を下回ると、材料分離を生じやすくなるため、通常、500kg/m3程度以上の単位結合材量を有している。単位結合材量の多い高流動コンクリートは水和発熱量が大きく、また、環境負荷も大きいという課題を有していた。
【０００３】
このような課題を解決するために、石灰石微粉末を結合材の一部に置き換えて使用した高流動コンクリートが提案された（特開平5−319889号公報）。
石灰石微粉末はほとんど水硬性を示さないため、材料分離抵抗性のみを与えて余計な水和熱を生じないという利点を有している。
しかしながら、資源の少ない我が国にとって石灰石は貴重な天然資源であり、単にコンクリートに混和するだけの利用は資源の枯渇につながることから、工業原料としてもっと有効に利用するべきであるとの声も多いものであった。
【０００４】
一方、製鉄所から産業廃棄物として産出される高炉スラグはコンクリート分野では広範に利用されている。
【０００５】
高炉スラグは、急冷されてガラス化した高炉水砕スラグと、徐冷されて結晶化した徐冷スラグに大別される。
このうち、高炉水砕スラグはアルカリ潜在水硬性を有しており、セメントと同程度、もしくは、それ以上に細かく粉砕されたものが高炉セメントの原料として利用されている。
ガラス化した高炉水砕スラグはセメントクリンカーに多量に混和しても長期強度は低下しないという優れた潜在水硬性を有していることから、高強度コンクリートや高流動コンクリートなど様々な分野での研究がなされている。
しかしながら、ガラス化した高炉水砕スラグは強度発現性を示す反面、それに伴う水和発熱と自己収縮が大きくなるという課題を有していた。
これらはひび割れを誘起する要因であるため、耐久的な鉄筋コンクリート構造物を構築する上で好ましくない現象である。
【０００６】
一方、徐冷スラグは別名結晶化スラグ又はバラスとも呼ばれ、水硬性を示さない。
そのため、今日まで路盤材、セメント原料、あるいは、コンクリート用骨材としての利用など、比較的消極的な使い方しかされていなかった。
即ち、徐冷スラグを微粉末化して機能性のセメント混和材として高流動コンクリートへ検討した例はないのが現状であった。
【０００７】
本発明者は、徐冷スラグの有効利用について検討した結果、粉末化したものを高流動コンクリートへ適用すると、材料分離抵抗性と流動性の保持性能に優れ、自己収縮が小さく、かつ、水和熱の少ない高流動コンクリートとすることができ、また、低環境負荷型のコンクリートとなることを知見して本発明を完成するに至った。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、ブレーン比表面積が 4,000cm 2 /g を越えガラス化率が 30 ％以下である徐冷スラグを含有してなる高流動コンクリート用セメント混和材であり、セメントと該セメント混和材とを含有してなるセメント組成物であり、該セメント組成物と減水剤とを用いてなる高流動コンクリートであり、スランプフロー値が650±50mmである該高流動コンクリートである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
【００１０】
本発明で使用する徐冷スラグは徐冷されて結晶化した高炉スラグである。
徐冷スラグのブレーン比表面積は4,000cm2/gを越えることが好ましく、4,500cm2/g以上がより好ましく、5,000cm2/g以上が最も好ましい。ブレーン比表面積が4,000cm2/g以下では、材料分離抵抗性が得られない場合がある。
また、本発明で使用する徐冷スラグのガラス化率は30％以下が好ましく、10％以下がより好ましい。ガラス化率が30％を越えると水和熱が大きくなる場合がある。
本発明でいうガラス化率(Ｘ)は Ｘ（％）＝（１−Ｓ／Ｓ0）×100として求められる。ここで、Ｓは粉末Ｘ線回折法により求められる徐冷スラグ中の主要な結晶性化合物であるメリライト（ゲーレナイト2CaO・Al2O3・SiO2とアケルマナイト2CaO・MgO・2SiO2の固溶体）のメインピークの面積であり、Ｓ0は徐冷スラグを1,000℃で３時間加熱し、その後、５℃／分の冷却速度で冷却したもののメリライトのメインピークの面積を表す。
徐冷スラグの成分は高炉水滓スラグと同様の組成を有しており、具体的には、SiO2、CaO、Al2O3、及びMgO等を主要な化学成分とし、その他、TiO2、MnO、Na2O、S、Cr2O3、P2O5、及びFe2O3等が挙げられる。
【００１１】
本発明の高流動コンクリート用セメント混和材（以下、本混和材という）の使用量は特に限定されるものではないが、通常、セメント100部に対して、50〜200部が好ましく、75〜150部がより好ましい。50部未満では水和熱を低くするという本発明の効果が十分に得られない場合があり、200部を越えて使用すると、強度発現性が悪くなる場合がある。
【００１２】
本発明で使用する高流動コンクリートとは、従来の振動締め固めを必要としない自己充填性を有し、材料分離を生じないコンクリートを総称するものであり、流動性の指標となるスランプフロー値が650±50mmであることが好ましい。
通常、高流動コンクリートを調製する際には、通常の減水剤、ＡＥ減水剤、高性能減水剤、及び高性能ＡＥ減水剤等の減水剤を用いて高流動化することが好ましい。
【００１３】
減水剤は液状や粉末状のものが市販されており、いずれも使用可能である。
減水剤はナフタレン系、メラミン系、アミノスルホン酸系、及びポリカルボン酸系に大別される。
本発明では特に高性能ＡＥ減水剤の使用が好ましく、その具体例としては、例えば、ナフタレン系としては、エヌエムビー社製商品名「レオビルドSP-9シリーズ」、花王社製商品名「マイティ2000シリーズ」、及び日本製紙社製商品名「サンフローHS-100」等が挙げられる。
また、メラミン系としては、日本シーカ社製商品名「シーカメント1000シリーズ」や日本製紙社製商品名「サンフローHS-40」などが挙げられる。
さらに、アミノスルホン酸系としては、藤沢薬品工業社製商品名「パリックFP-200シリーズ」などが挙げられる。
そして、ポリカルボン酸系としては、エヌエムビー社製商品名「レオビルドSP-8シリーズ」、グレースケミカルズ社製商品名「ダーレックススーパー100PHX」、及び竹本油脂社製商品名「チューポールHP-8シリーズ」や「チューポールHP-11シリーズ」等が挙げられる。
本発明ではこれら減水剤のうちの一種又は二種以上が使用可能である。
減水剤の使用量は特に限定されるものではないが、通常、各メーカーの指定する範囲内で使用すればよく、具体的には、セメントや本混和材からなる粉体100部に対して、0.5〜3.0部程度である。
【００１４】
本発明で使用するセメントとしては、普通、早強、超早強、低熱、及び中庸熱等の各種ポルトランドセメント、これらポルトランドセメントに、高炉スラグ、フライアッシュ、又はシリカを混合した各種混合セメント、また、石灰石粉末等を混合したフィラーセメント、並びに、アルミナセメント等が挙げられ、これらのうちの一種又は二種以上が使用可能である。
【００１５】
水の使用量は特に限定されるものではないが、通常、コンクリート１m3当たり、125〜225kgが好ましく、140〜185kgがより好ましい。
【００１６】
本発明では、セメント、本混和材、砂や砂利などの骨材、及び減水剤の他に、従来高流動コンクリートに用いられてきた高炉水砕スラグ微粉末、石灰石微粉末、フライアッシュ、及びシリカフューム等の混和材料、消泡剤、増粘剤、防錆剤、防凍剤、収縮低減剤、高分子エマルジョン、凝結調整剤、ベントナイト等の粘土鉱物、並びに、ハイドロタルサイト等のアニオン交換体等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。
【００１７】
本発明において、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、あらかじめ一部を、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、既存のいかなる装置も使用可能であり、例えば、傾胴ミキサー、オムニミキサー、ヘンシェルミキサー、Ｖ型ミキサー、及びナウターミキサー等の使用が可能である。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明の実験例に基づいてさらに説明する。
【００１９】
実験例１
表１に示す配合の高流動コンクリートを調製し、材料分離、スランプフローの経時変化、自己収縮、及び断熱温度上昇量を測定した。
なお、コンクリートのスランプフロー値は650±50mmとなるように減水剤を併用した。結果を表１に併記する。
【００２０】
＜使用材料＞
セメント ：普通ポルトランドセメント、電気化学工業社製、比重3.15
スラグａ ：徐冷スラグ、高炉スラグの結晶化スラグ、ブレーン比表面積6,050cm2/g、ガラス化率５％、比重3.00
水 ：水道水
砂 ：新潟県姫川産、比重2.62
砂利 ：新潟県姫川産、砕石、比重2.64
減水剤 ：高性能ＡＥ減水剤、ポリエーテル系
【００２１】
＜測定方法＞
材料分離 ：目視により観察。材料分離が生じた場合は×、材料分離が生じない場合は○で表示。
スランプフロー：財団法人、沿岸開発技術センター及び漁港漁村建設技術研究所発行、水中不分離性コンクリート・マニュアル、付録１「水中不分離性コンクリートの試験、スランプフロー試験」に基づいてコンクリートの広がりを直角方向に２点測定した平均値
自己収縮 ：JCI自己収縮研究委員会報告書に準じて測定。材齢56日における自己収縮ひずみとして表示。
断熱温度上昇量：東京理工社製の断熱温度上昇量測定装置を用いて打設温度20℃の条件で測定。
【００２２】
【表１】
実験例２
単位セメント量250kg/m3、単位スラグ量250kg/m3、水／粉体比＝30％、s/a＝42％、及び空気量4.5±1.5％のコンクリートを調製し、スラグの種類を表２に示すように変化したこと以外は実験例１と同様に行った。結果を表２に併記する。
【００２４】
＜使用材料＞
スラグｂ ：徐冷スラグ、高炉スラグの結晶化スラグ、ブレーン比表面積4,500cm2/g、ガラス化率５％、比重3.00
スラグｃ ：徐冷スラグ、高炉スラグの結晶化スラグ、ブレーン比表面積5,010cm2/g、ガラス化率５％、比重3.00
スラグｄ ：徐冷スラグ、高炉スラグの結晶化スラグ、ブレーン比表面積6,020cm2/g、ガラス化率10％、比重2.99
スラグｅ ：徐冷スラグ、高炉スラグの結晶化スラグ、ブレーン比表面積6,010cm2/g、ガラス化率30％、比重2.96
スラグｆ ：徐冷スラグ、高炉スラグの結晶化スラグ、ブレーン比表面積3,970cm2/g、ガラス化率５％、比重3.00
スラグｇ ：徐冷スラグ、高炉スラグの結晶化スラグ、ブレーン比表面積6,040cm2/g、ガラス化率50％、比重2.94
スラグｈ ：高炉スラグの非晶質スラグ、ブレーン比表面積6,050cm2/g、ガラス化率95％、比重2.90
【００２５】
【表２】
【発明の効果】
本発明の高流動コンクリート用セメント混和材を使用することにより、材料分離抵抗性が大きく、自己収縮が小さく、かつ、水和発熱量の小さいコンクリートとすることができる等の効果を奏する。
Claims (4)
- ブレーン比表面積が 4,000cm 2 /g を越えガラス化率が 30 ％以下である徐冷スラグを含有してなる高流動コンクリート用セメント混和材。
- セメントと、請求項１記載のセメント混和材とを含有してなるセメント組成物。
- 請求項２記載のセメント組成物と減水剤とを用いてなる高流動コンクリート。
- スランプフロー値が650±50mmであることを特徴とする請求項３記載の高流動コンクリート。
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