JP4291978B2 - コンクリート・モルタル用複合混和材及びセメント組成物 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリカフュームを用いたコンクリート・モルタル用複合混和材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水：セメント比を小さくしても流動性を保ち、モルタル、コンクリートの圧縮強度を保つ手段としてシリカフューム微粉末を混和材としてセメントに混合する方法がある。シリカフューム微粉末の混合による流動性向上効果は、一般に、シリカフューム粒子が、セメント粒子より粒径が小さいため、セメント粒子間に充填し、その場所にある水が自由水となって流動性に寄与すること、並びに、シリカフューム粒子は球形であるため、ボールベアリング効果を生じさせることなどが考えられている。
【０００３】
また、その強度向上効果は、シリカフュームがセメント粒子間を充填するため硬化体組織が緻密になることと、シリカフューム自体がポゾラン反応を生じるため、単なる充填効果だけでなく、硬化体強度を一層向上させる効果を持つものとされており、例えば特開平８−２３９２４９号公報などにシリカフュームを混和材として用いたプレミックスセメントが開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、シリカフュームは、粉体状、顆粒状及びスラリー状の３形態があるが、顆粒状では分散性に劣りコンクリートの流動性や強度性状の向上効果が劣るといった課題があり、スラリー状では沈澱しやすく濃度管理が難しいほか凍結の惧れがあるため、粉体状のものを使用することが実用上好ましいとされている。
【０００５】
しかしながら、粉体状のシリカフュームは、その平均粒径が０．１μmと、たばこの煙と同様な超微粒子であるため飛散しやすく、実際の混合作業に際しては粉塵が発生するため作業環境の悪化を招来し、また粉塵の飛散量に応じてセメントに対する配合比が変ったり、均一な分散混合が困難となり、配合時の作業管理が容易ではなかった。
【０００６】
このため、従来では、シリカフュームプレミックスセメントを使用するほかは、一般の生コン工場でシリカフューム微粉末をセメントに混合することは困難であった。
【０００７】
本発明は、以上の課題を解決するものであり、混合時におけるシリカフューム微粉末の飛散を防止し、混合作業性の改善を図ったコンクリート・モルタル用複合混和材及びこの混和材を用いたセメント組成物を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため本発明の複合混和材は、炭酸カルシウム微粉末と、シリカフューム微粉末とを混合したコンクリート・モルタル用複合混和材であって、前記炭酸カルシウム微粉末は、カチオンポリマーを表面に処理して改質したものであることを特徴とするものである。本発明において、シリカフューム微粉末は、プラス側に帯電した炭酸カルシウム微粉末の表面に電気的に結合するため、両者の混合時及び該混合物のセメントへの配合時における飛散性が半減し、しかも水と接することにより、粒子間の電気的な付着力が弱まり、コンクリート練り混ぜ時の強制撹拌によってセメントマトリクス中で分散するので、一般の生コン工場であっても、簡単な管理下でセメントに混合することにより、高強度コンクリートを得ることが可能となる。
【０００９】
また、本発明では、前記炭酸カルシウム微粉末１０〜９０重量部、前記シリカフューム微粉末１０〜９０重量部であって、合計量が１００重量部以下であることにより、コンクリート・モルタルに対する改質効果を十分に発揮できる。
【００１０】
さらに、本発明では、前記炭酸カルシウム微粉末は、前記シリカフューム微粉末の平均粒径の５〜１０倍であることにより（例えば、平均粒径０．１μm）、最密充填を図ることが可能となり、かさ密度も大きくすることができ、輸送効率を向上することができる。さらに、最密充填により減水効果が得られ、高強度コンクリートにおいては、粘性が小さくなり、圧送ポンプの負荷を小さくすることができてコンクリート打設作業も容易となる。
【００１１】
そして、本発明のセメント組成物は、セメント１００重量部のうち５〜４０重量部を、請求項１〜３のいずれかに記載の複合混和材で置換えてなることにより、セメント単体に比べて高強度、かつ高流動性のあるモルタル・コンクリートを得ることが可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明に用いられる炭酸カルシウム微粉末は、例えば、紙の抄造時における塗工用のものとして用いられる材料であり、平均粒径１μm程度に粒度が調整された粒度ばらつきの小さな白色微粉末である。また、この炭酸カルシウム微粉末の粒子表面には、予めカチオンポリマーがコーティングされ、これによって粒子個々の表面はプラス側に帯電する結果、粒子が互いに凝集するのを防止すべく改質されている。
【００１３】
この改質された炭酸カルシウム微粉末と、平均粒径０．１μmのシリカフュームとを混合すると、シリカフューム微粉末との電位差により、該シリカフューム微粉末に対して微弱な電気的結合を生ずる（図１参照）。その結果、両者の混合時において、電気的な結合により、シリカフュームの飛散が抑制されるとともに、炭酸カルシウムの周囲に均等に凝集し、最密充填を図ることができ、シリカフューム単体を用いた場合に比べて混和材のかさ密度はその１．５〜２．５倍となる。
【００１４】
以上の混和材は、その配合比を、炭酸カルシウム１０〜９０重量部、シリカフューム１０〜９０、合計１００以下とすることが好ましい。炭酸カルシウムの重量が９０を越えた場合には、シリカフュームの配合比が相対的に低くなり、この結果シリカフュームによるセメント強度向上及び流動性向上効果が低減する。その逆に１０重量部を下回った場合には、電気的結合性が低下し、粉塵の発生が顕著となり、最密充填性も低下する。
【００１５】
また、以上の混和材は、セメント１００重量部のうち５〜４０重量部をこれに置き換えることが好ましい。混和材の置換量が５重量部を下回った場合、またはその逆に４０重量部を上回った場合には、得られるコンクリートまたはモルタルの強度向上効果が小さい。
【００１６】
【実施例】
＜実施例１＞
モルタル及び超高強度コンクリートに対する混和材として従来のシリカフューム単体を用いた場合と、本発明の複合混和材を用いた場合とで比較実験したところ、図２に示す特性が得られた。なお、セメントに対する置換率はいずれも１０重量部、また用いた複合混和材の配合比はシリカフューム５０：改質炭酸カルシューム５０である。
【００１７】
図２より、ＪＩＳＡ６２０７に準拠して測定した活性度指数は、本発明が炭酸カルシウムの混入により、シリカフューム単体に比べて若干低下するものの、高ビーライト系セメントを用いたＷ／Ｐ＝２０％の超高強度コンクリート（Ｗ／Ｐ：水／粉体比）で同一置換率とすると、シリカフューム単体より粘性が低く、圧縮強度はほぼ同等となることが確認された。このことは、本発明の複合混和材を用いることにより、同一強度を保持しつつ流動性がさらに向上することを示唆するものである。
【００１８】
＜実施例２＞
以下の表１，２に示す配合及び調合によってＡ，Ｂの生コン工場において、室内試験練りによりコンクリート組成物を作製し、その性能を比較した。なお、工場Ａにおいては、本発明の複合混和材と高ビーライト系セメントとの組合わせとし、工場Ｂにおいては比較のためにシリカフュームプリミックスセメントを用いた場合について検討した。
【００１９】
【表１】
【表２】
【００２０】
なお、工場Ａでは結合材としてＷ／Ｐ＝２０〜２５％、工場Ｂでは結合材としてＷ／Ｃ＝１７〜２３％で検討した（Ｗ／Ｃ：水／セメント比）。粗骨材については容積で３１０リットル一定とした。スランプフロー及び空気量はそれぞれ６０〜７０ｃｍ，２±１パーセントに設定した。
【００２１】
工場Ａにおいて用いた複合混和材は、改質炭酸カルシウム５０：シリカフューム５０の組成比であり、この混和材のセメントあるいはモルタルに対する混合時における粉塵の飛散はわずかであり、作業環境への悪影響もなく、配合量の管理も容易なので、一般の生コン工場であっても十分に取扱いが可能であることを確認した。
【００２２】
図３に水／粉体比とＯロート流下時間の関係を示す。プロットしたデータは、練り上がり直後だけでなく、経時変化試験や、バッチの異なるものも包括している。この図３からは、水／粉体比が低くなるほどＯロート流下時間は増大し、計測される流下時間の範囲も大きくなることが確認された。また、図４に水／粉体比と圧縮強度との関係を示す。この図からは、検討した水／粉体比の範囲内では、強度の頭打ちがないことを確認した。
【００２３】
＜実施例３＞
次に、以上の室内試験練り結果を踏まえて、Ａ，Ｂ生コン工場において実機試験練りを行った。室内試験練りの結果から、コンクリートの粘性がほぼ同程度（Ｏロート流下時間として２０〜３０sec）となる工場ＡのＡ２（Ｗ／Ｐ＝２２．５％）と、工場ＢのＢ１（Ｗ／Ｃ＝１７％）とした。
【００２４】
またそれぞれ、Ｗ／Ｐ＝２０パーセントとしたＡ１及びＢ２についても行った。コンクリートの製造方法は、いずれも２軸強制練りミキサを使用し、工場Ａではモルタル先行（モルタル１２０秒→粗骨材投入後９０秒）であり、工場Ｂでは一括方式（Ｂ１→９０秒、Ｂ２→６０秒）で練り混ぜた。
【００２５】
以上により得られたコンクリートの試験結果を表３に示す。
【００２６】
【表３】
【００２７】
以上の表に示す結果からは、いずれも目標とするスランプフロー及び空気量が得られた。また、ＣＦＴ技術指針（新都市ハウジング協会、ＣＦＴ構造技術指針・同解説、２０００）で規定される沈下量及びブリージング量についても同指針の範囲内であることが確認された。
【００２８】
次に、圧縮強度発現の性状を図５に示す。図からはいずれの工場においてもＦｃ＝１００Ｎ／ｍｍ２に対応した超高強度コンクリートを製造できることを確認した。
【００２９】
【発明の効果】
以上の説明により明らかなように、本発明によるコンクリート・モルタル用複合混和材にあっては、練り混ぜ時における粉塵の飛散がなく、管理が容易なので、一般の生コン工場でも取扱いが可能となる。また、本発明のセメント組成物は、シリカフューム単体を用いたものよりも流動性が高く、しかも得られるコンクリートまたはモルタルの圧縮強度はほぼ同等となるなどの利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る改質炭酸カルシウムとシリカフュームとの電気的結合を示す模式図である。
【図２】本発明の複合混和材とシリカフューム単体との性能比較結果を示すグラフである。
【図３】水／粉体比とＯロート流下時間との関係を示すグラフである。
【図４】粉体／水比と圧縮強度との関係を示すグラフである。
【図５】圧縮強度発現性状を示すグラフである。
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリカフュームを用いたコンクリート・モルタル用複合混和材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水：セメント比を小さくしても流動性を保ち、モルタル、コンクリートの圧縮強度を保つ手段としてシリカフューム微粉末を混和材としてセメントに混合する方法がある。シリカフューム微粉末の混合による流動性向上効果は、一般に、シリカフューム粒子が、セメント粒子より粒径が小さいため、セメント粒子間に充填し、その場所にある水が自由水となって流動性に寄与すること、並びに、シリカフューム粒子は球形であるため、ボールベアリング効果を生じさせることなどが考えられている。
【０００３】
また、その強度向上効果は、シリカフュームがセメント粒子間を充填するため硬化体組織が緻密になることと、シリカフューム自体がポゾラン反応を生じるため、単なる充填効果だけでなく、硬化体強度を一層向上させる効果を持つものとされており、例えば特開平８−２３９２４９号公報などにシリカフュームを混和材として用いたプレミックスセメントが開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、シリカフュームは、粉体状、顆粒状及びスラリー状の３形態があるが、顆粒状では分散性に劣りコンクリートの流動性や強度性状の向上効果が劣るといった課題があり、スラリー状では沈澱しやすく濃度管理が難しいほか凍結の惧れがあるため、粉体状のものを使用することが実用上好ましいとされている。
【０００５】
しかしながら、粉体状のシリカフュームは、その平均粒径が０．１μmと、たばこの煙と同様な超微粒子であるため飛散しやすく、実際の混合作業に際しては粉塵が発生するため作業環境の悪化を招来し、また粉塵の飛散量に応じてセメントに対する配合比が変ったり、均一な分散混合が困難となり、配合時の作業管理が容易ではなかった。
【０００６】
このため、従来では、シリカフュームプレミックスセメントを使用するほかは、一般の生コン工場でシリカフューム微粉末をセメントに混合することは困難であった。
【０００７】
本発明は、以上の課題を解決するものであり、混合時におけるシリカフューム微粉末の飛散を防止し、混合作業性の改善を図ったコンクリート・モルタル用複合混和材及びこの混和材を用いたセメント組成物を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため本発明の複合混和材は、炭酸カルシウム微粉末と、シリカフューム微粉末とを混合したコンクリート・モルタル用複合混和材であって、前記炭酸カルシウム微粉末は、カチオンポリマーを表面に処理して改質したものであることを特徴とするものである。本発明において、シリカフューム微粉末は、プラス側に帯電した炭酸カルシウム微粉末の表面に電気的に結合するため、両者の混合時及び該混合物のセメントへの配合時における飛散性が半減し、しかも水と接することにより、粒子間の電気的な付着力が弱まり、コンクリート練り混ぜ時の強制撹拌によってセメントマトリクス中で分散するので、一般の生コン工場であっても、簡単な管理下でセメントに混合することにより、高強度コンクリートを得ることが可能となる。
【０００９】
また、本発明では、前記炭酸カルシウム微粉末１０〜９０重量部、前記シリカフューム微粉末１０〜９０重量部であって、合計量が１００重量部以下であることにより、コンクリート・モルタルに対する改質効果を十分に発揮できる。
【００１０】
さらに、本発明では、前記炭酸カルシウム微粉末は、前記シリカフューム微粉末の平均粒径の５〜１０倍であることにより（例えば、平均粒径０．１μm）、最密充填を図ることが可能となり、かさ密度も大きくすることができ、輸送効率を向上することができる。さらに、最密充填により減水効果が得られ、高強度コンクリートにおいては、粘性が小さくなり、圧送ポンプの負荷を小さくすることができてコンクリート打設作業も容易となる。
【００１１】
そして、本発明のセメント組成物は、セメント１００重量部のうち５〜４０重量部を、請求項１〜３のいずれかに記載の複合混和材で置換えてなることにより、セメント単体に比べて高強度、かつ高流動性のあるモルタル・コンクリートを得ることが可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明に用いられる炭酸カルシウム微粉末は、例えば、紙の抄造時における塗工用のものとして用いられる材料であり、平均粒径１μm程度に粒度が調整された粒度ばらつきの小さな白色微粉末である。また、この炭酸カルシウム微粉末の粒子表面には、予めカチオンポリマーがコーティングされ、これによって粒子個々の表面はプラス側に帯電する結果、粒子が互いに凝集するのを防止すべく改質されている。
【００１３】
この改質された炭酸カルシウム微粉末と、平均粒径０．１μmのシリカフュームとを混合すると、シリカフューム微粉末との電位差により、該シリカフューム微粉末に対して微弱な電気的結合を生ずる（図１参照）。その結果、両者の混合時において、電気的な結合により、シリカフュームの飛散が抑制されるとともに、炭酸カルシウムの周囲に均等に凝集し、最密充填を図ることができ、シリカフューム単体を用いた場合に比べて混和材のかさ密度はその１．５〜２．５倍となる。
【００１４】
以上の混和材は、その配合比を、炭酸カルシウム１０〜９０重量部、シリカフューム１０〜９０、合計１００以下とすることが好ましい。炭酸カルシウムの重量が９０を越えた場合には、シリカフュームの配合比が相対的に低くなり、この結果シリカフュームによるセメント強度向上及び流動性向上効果が低減する。その逆に１０重量部を下回った場合には、電気的結合性が低下し、粉塵の発生が顕著となり、最密充填性も低下する。
【００１５】
また、以上の混和材は、セメント１００重量部のうち５〜４０重量部をこれに置き換えることが好ましい。混和材の置換量が５重量部を下回った場合、またはその逆に４０重量部を上回った場合には、得られるコンクリートまたはモルタルの強度向上効果が小さい。
【００１６】
【実施例】
＜実施例１＞
モルタル及び超高強度コンクリートに対する混和材として従来のシリカフューム単体を用いた場合と、本発明の複合混和材を用いた場合とで比較実験したところ、図２に示す特性が得られた。なお、セメントに対する置換率はいずれも１０重量部、また用いた複合混和材の配合比はシリカフューム５０：改質炭酸カルシューム５０である。
【００１７】
図２より、ＪＩＳＡ６２０７に準拠して測定した活性度指数は、本発明が炭酸カルシウムの混入により、シリカフューム単体に比べて若干低下するものの、高ビーライト系セメントを用いたＷ／Ｐ＝２０％の超高強度コンクリート（Ｗ／Ｐ：水／粉体比）で同一置換率とすると、シリカフューム単体より粘性が低く、圧縮強度はほぼ同等となることが確認された。このことは、本発明の複合混和材を用いることにより、同一強度を保持しつつ流動性がさらに向上することを示唆するものである。
【００１８】
＜実施例２＞
以下の表１，２に示す配合及び調合によってＡ，Ｂの生コン工場において、室内試験練りによりコンクリート組成物を作製し、その性能を比較した。なお、工場Ａにおいては、本発明の複合混和材と高ビーライト系セメントとの組合わせとし、工場Ｂにおいては比較のためにシリカフュームプリミックスセメントを用いた場合について検討した。
【００１９】
【表１】
なお、工場Ａでは結合材としてＷ／Ｐ＝２０〜２５％、工場Ｂでは結合材としてＷ／Ｃ＝１７〜２３％で検討した（Ｗ／Ｃ：水／セメント比）。粗骨材については容積で３１０リットル一定とした。スランプフロー及び空気量はそれぞれ６０〜７０ｃｍ，２±１パーセントに設定した。
【００２１】
工場Ａにおいて用いた複合混和材は、改質炭酸カルシウム５０：シリカフューム５０の組成比であり、この混和材のセメントあるいはモルタルに対する混合時における粉塵の飛散はわずかであり、作業環境への悪影響もなく、配合量の管理も容易なので、一般の生コン工場であっても十分に取扱いが可能であることを確認した。
【００２２】
図３に水／粉体比とＯロート流下時間の関係を示す。プロットしたデータは、練り上がり直後だけでなく、経時変化試験や、バッチの異なるものも包括している。この図３からは、水／粉体比が低くなるほどＯロート流下時間は増大し、計測される流下時間の範囲も大きくなることが確認された。また、図４に水／粉体比と圧縮強度との関係を示す。この図からは、検討した水／粉体比の範囲内では、強度の頭打ちがないことを確認した。
【００２３】
＜実施例３＞
次に、以上の室内試験練り結果を踏まえて、Ａ，Ｂ生コン工場において実機試験練りを行った。室内試験練りの結果から、コンクリートの粘性がほぼ同程度（Ｏロート流下時間として２０〜３０sec）となる工場ＡのＡ２（Ｗ／Ｐ＝２２．５％）と、工場ＢのＢ１（Ｗ／Ｃ＝１７％）とした。
【００２４】
またそれぞれ、Ｗ／Ｐ＝２０パーセントとしたＡ１及びＢ２についても行った。コンクリートの製造方法は、いずれも２軸強制練りミキサを使用し、工場Ａではモルタル先行（モルタル１２０秒→粗骨材投入後９０秒）であり、工場Ｂでは一括方式（Ｂ１→９０秒、Ｂ２→６０秒）で練り混ぜた。
【００２５】
以上により得られたコンクリートの試験結果を表３に示す。
【００２６】
【表３】
以上の表に示す結果からは、いずれも目標とするスランプフロー及び空気量が得られた。また、ＣＦＴ技術指針（新都市ハウジング協会、ＣＦＴ構造技術指針・同解説、２０００）で規定される沈下量及びブリージング量についても同指針の範囲内であることが確認された。
【００２８】
次に、圧縮強度発現の性状を図５に示す。図からはいずれの工場においてもＦｃ＝１００Ｎ／ｍｍ２に対応した超高強度コンクリートを製造できることを確認した。
【００２９】
【発明の効果】
以上の説明により明らかなように、本発明によるコンクリート・モルタル用複合混和材にあっては、練り混ぜ時における粉塵の飛散がなく、管理が容易なので、一般の生コン工場でも取扱いが可能となる。また、本発明のセメント組成物は、シリカフューム単体を用いたものよりも流動性が高く、しかも得られるコンクリートまたはモルタルの圧縮強度はほぼ同等となるなどの利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る改質炭酸カルシウムとシリカフュームとの電気的結合を示す模式図である。
【図２】本発明の複合混和材とシリカフューム単体との性能比較結果を示すグラフである。
【図３】水／粉体比とＯロート流下時間との関係を示すグラフである。
【図４】粉体／水比と圧縮強度との関係を示すグラフである。
【図５】圧縮強度発現性状を示すグラフである。
Claims (4)
- 炭酸カルシウム微粉末と、シリカフューム微粉末とを混合したコンクリート・モルタル用複合混和材であって、
前記炭酸カルシウム微粉末は、カチオンポリマーにより表面を処理して改質したものであることを特徴とするコンクリート・モルタル用複合混和材。 - 前記炭酸カルシウム微粉末１０〜９０重量部、前記シリカフューム微粉末１０〜９０重量部であって、合計量が１００重量部以下であることを特徴とする請求項１に記載のコンクリート・モルタル用複合混和材。
- 前記炭酸カルシウム微粉末は、前記シリカフューム微粉末の平均粒径の５〜１０倍であることを特徴とする請求項１または２に記載のコンクリート・モルタル用複合混和材。
- セメント１００重量部のうち５〜４０重量部を、請求項１〜３のいずれかに記載の複合混和材で置換えてなることを特徴とするセメント組成物。
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