JP4825609B2

JP4825609B2 - 耐酸性セメント材料

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Publication number: JP4825609B2
Application number: JP2006203176A
Authority: JP
Inventors: 章雄杉浦; 幸雄福林
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2006-07-26
Filing date: 2006-07-26
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2026-07-26
Also published as: JP2008030968A

Description

本発明は、主として、コンクリート構造物等の補修用に用いられる耐酸性セメント材料に関し、とりわけ、下水処理施設等の酸性条件に晒される環境下で使用され耐酸性を必要とされるコンクリート構造物等の補修に好適な耐酸性セメント材料に関する。

下水処理施設、温泉、化成品工場、食品工場、又は排水処理施設等に使用されるコンクリートは、酸性雰囲気に晒されるため、優れた耐酸性を有することが必要とされる。
特に、下水処理施設においては、生息する微生物が生成する硫酸により、常時酸性状態に晒されており、優れた耐酸性を有するコンクリートが求められる。
また、近年に於いては、酸性雨の影響により、これら以外の一般的なコンクリート構造物についても、長期的には酸性雰囲気に晒されることとなる。

コンクリートやモルタルがこのような酸性条件下に晒されると、それらの表層部の水酸化カルシウム（Ｃａ(ＯＨ)₂）と硫酸イオンとが反応して二水石膏を生成し、また、場合によっては、生成した二水石膏とアルミン酸三カルシウム（３ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃）とが反応してエトリンガイトを生成し、コンクリートやモルタルが膨張破壊を生じる原因となる。

従来、これらの耐酸性環境下に晒されるコンクリート等の補修材料として、（１）水ガラスやケイ酸塩化合物を混合したモルタル材料、（２）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フュームなどのポゾラン物質を配合した材料（特許文献１〜特許文献３）、及び（３）アルミナセメントを用いた材料（特許文献４）などが知られている。

しかしながら、前記（１）の水ガラスやケイ酸塩化合物を混合したモルタル材料は、安価で耐酸性は良好であるという利点を有するものの、硬化体がシリカゲルを生成し、脱水縮合を起こして収縮大きくなるという問題を有している。また、水ガラスを用いた場合には粘性が高くなり、補修材としての施工性が悪くなるという問題を有している。

また、前記（２）のポルトランドセメントにポゾラン物質を配合した材料では、耐酸性を十分に発揮させるべくポゾラン物質の添加量を増やすと、セメントの初期強度が低下するという問題がある。コンクリート等の補修工事においては、当然ながら工事開始から実用に供するまでの期間が短いことが望ましく、このような早期強度低下は補修工事において大きな問題となる。

また、前記（３）のアルミナセメントを用いた材料では、アルミナセメント水和物の相転移（例えば、ＣＡＨ₁₀からＣ₂ＡＨ₈へ、Ｃ₂ＡＨ₈からＣ₃ＡＨ₆へ）によりモルタルの強度が低下するという問題が指摘されている。また、アルミナセメントにポゾラン物質を添加すると、セメントが水和硬化する際の硬化収縮が大きくなり、ひび割れ等が生じるという問題なども指摘されている。更には、アルミナセメントにポゾラン物質を添加すると初期強度が低下するため、付着性が低下して作業性が悪化するという問題も指摘されている。

更に、これらの問題を解決するべく、特許文献５には所定の粉末度のアルミナセメントに所定の高炉スラグ微粉末を加え、さらに骨材とセメント混和用ポリマーディスパージョン又は再乳化型粉末樹脂とを添加してなるポリマーセメント系の耐酸性セメント材料が開示されている。
しかしながら、該ポリマーセメント系の耐酸性セメント材料は、高価であるという問題がある。

特開２０００−１２８６１８号公報特開２００２−１２８５５９号公報特開２００５−３２４９８５号公報特開２００２−１３７９５４号公報特開２００５−１１２６８９号公報

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑み、下水処理施設などにおいて酸類と接触する部位において必要とされる耐酸性を有し、初期強度発現性と長期強度発現性に優れ、安価で且つ作業性に優れた耐酸性セメント材料を提供することを一の課題とする。また、本発明は、耐酸性用途に使用される土木又は建築部材を製造する際にも用いることができる耐酸性セメント材料を提供することを他の課題とする。

上記課題を解決すべく、本発明は、ポルトランドセメントと高炉スラグ微粉末とメタカオリンとを含有し、該ポルトランドセメント１００重量部に対して該高炉スラグ微粉末が５０〜２００重量部、該ポルトランドセメント、該高炉スラグ微粉末および該メタカオリンの合計量１００重量部に対して該メタカオリンが２〜１０重量部であることを特徴とする耐酸性セメント材料を提供する。

本発明に係る耐酸性セメント材料によれば、ポルトランドセメント、高炉スラグ微粉末およびメタカオリンが、上記のような割合で配合されたことにより、初期の段階では、セメントの水和反応によって生成された水酸化カルシウムとメタカオリン由来の水溶性シリカとが反応してカルシウムシリケートを形成し、しかもセメント材料中のアルカリ刺激下において溶出したＡｌイオンによりポゾラン反応の開始が早まり、耐酸性を有し緻密な硬化体を早期の段階で形成することができる。また、長期的には、高炉スラグ微粉末のポゾラン反応によって水酸化カルシウムがさらに消費され、より一層耐酸性を有し且つより一層緻密な硬化体を形成する。このように、優れた耐酸性を有する硬化体が形成されるという作用と、該硬化体の組織が極めて緻密になるという作用とが相乗的に発揮され、その結果、本発明に係る耐酸性セメント組成物によって構成された硬化体は、極めて耐酸性に優れたものとなる。

以上のように、本発明に係る耐酸性セメント材料によれば、優れた耐酸性と優れた初期強度発現性及び長期強度発現性を発揮する硬化体を形成でき、しかも、安価で且つ作業性が良好であるという利点がある。

本発明に係る耐酸性セメント材料は、ポルトランドセメントと高炉スラグ微粉末とメタカオリンとを含有してなるものであり、また、これらの構成材料が、該ポルトランドセメント１００重量部に対して該高炉スラグ微粉末が５０〜２００重量部、さらに、該ポルトランドセメント、該高炉スラグ微粉末、および該メタカオリンの合計量１００重量部に対して該メタカオリンが２〜１０重量部の割合で配合されてなるものである。

前記高炉スラグ微粉末は、ブレーン比表面積が５０００〜１００００ｃｍ²／ｇであることが好ましい。高炉スラグ微粉末のブレーン比表面積が上記範囲内であれば、水和硬化反応がより早期に進行しやすくなり、硬化体の組織が早期に密になる。これにより、早期強度発現性に優れた硬化体となるため、工事期間の短縮を図ることが可能となる。また、硬化体の組織が密になるため、酸の浸入が防止されて優れた耐酸性を発揮し、非透水性や接着性も良好となる。

該高炉スラグ微粉末の配合量は、前記ポルトランドセメント１００重量部に対して、７０〜１５０重量部が好ましく、８０〜１２０重量部がより好ましい。

また、前記メタカオリンは、平均粒径が０．１〜５．０μｍであることが好ましい。メタカオリンの平均粒径が上記範囲内であれば、水酸化カルシウムとの反応によって形成されるカルシウムシリケートがより一層緻密となり、耐酸性と早期強度発現性がより一層高まるという効果がある。
尚、本発明において、該メタカオリンの平均粒径は、レーザー回折式粒度分布測定装置によって測定されるものである。

該メタカオリンは、粘土鉱物であるカオリナイトを焼成することによって得ることができ、また、市販のものを使用することもできる。

該メタカオリンの配合量は、前記ポルトランドセメント、前記高炉スラグ微粉末及び該メタカオリンの合計量１００重量部に対して、４〜１０重量部が好ましく、４〜８重量部がより好ましい。

また、本発明において使用されるポルトランドセメントは、２ＣａＯ・ＳｉＯ₂の含有量が４０重量％未満であるものが好ましい。ポルトランドセメントの２ＣａＯ・ＳｉＯ₂含有量が４０重量％未満であれば、優れた早期強度発現性を発揮するという効果があり、また、長期的には、水和反応によって生成される水酸化カルシウム量が少なくなるため、耐酸性がより一層向上するという効果がある。

また、該ポルトランドセメントは、粉末度が３８００〜７６００ｃｍ²／ｇであることが好ましい。ポルトランドセメントの粉末度が上記範囲内であれば、優れた早期強度発現性を発揮でき、混練水量を少なくできるという効果がある。

本発明に係る耐酸性セメント材料は、好ましくは、膨張材、有機質繊維および骨材のうち、いずれか1種又は２種以上を含むものとすることができる。

前記膨張材としては、生石灰系膨張材、カルシウムサルフォアルミネート系膨張材などが挙げられ、中でもカルシウムサルフォアルミネート系膨張材が好適に使用される。
該膨張材の添加量は、前記ポルトランドセメント１００重量部に対し、１〜５重量部が好ましく、１．５〜３重量部がより好ましい。

前記有機質繊維としては、ポリオレフィン系繊維、ポリビニルアルコール系繊維、アラミド系繊維、ポリアミド系繊維、ポリエステル系繊維、ポリアクリロニトリル系繊維、セルロース系繊維などが挙げられ、中でもポリビニルアルコール系繊維が好適に使用される。該有機質繊維は、繊維径２０μｍ以下、繊維長２０００μｍ以下であることが好ましく、繊維径０．３μｍ以上２０μｍ以下、繊維長１００μｍ以上２０００μｍ以下であることがより好ましい。
該有機質繊維の添加量は、前記ポルトランドセメント１００重量部に対し、０．１〜５重量部が好ましい。

前記骨材としては、モルタルやコンクリートに用いられ種々の粒径からなる一般的な骨材を使用することができる。中でも、該骨材としては、シリカ系骨材、シリカ−アルミナ系骨材を好適に使用でき、これらの骨材を使用することにより、耐酸性をさらに向上させることができる。
該骨材の添加量は、前記ポルトランドセメント１００重量部に対し、１００〜３００重量部が好ましい。

また、本発明に係る耐酸性セメント材料は、耐酸性をより一層向上させるべく、樹脂エマルジョンを併用することも可能である。
該樹脂エマルジョンとしては、アクリル樹脂エマルジョン、アクリル−スチレン樹脂エマルジョン、エチレン−酢酸ビニル樹脂エマルジョン、スチレン−ブタジエンゴムラテックスなどが挙げられる。

また、本発明に係る耐酸性セメント材料は、本発明の効果を阻害しない範囲内において、例えば、セメント混和剤、着色用顔料、保水材などの他の添加物を添加することも可能である。

本発明に係る耐酸性セメント材料は、所定量の水と混練してペースト状に調製され、補修対象となるコンクリート構造物に鏝塗りや吹き付けによって被覆、充填、又は型枠へ流し込まれて使用される。
水の配合量は、使用する材料の種類や配合により適宜調整することができるが、特に、前記ポルトランドセメント１００重量部に対し、２５〜６０重量部とすることが好ましく、３０〜５０重量部とすることがより好ましい。

このようにして調製された本発明に係る耐酸性セメント材料は、例えば、下水処理施設、工場廃液処理施設、産業廃棄物処理施設、食品工場、化成品工場、温泉など、耐酸性を必要とされる種々の施設における土木又は建築部材を処理対象として、そのセメント質材料の防食被覆、又は欠損部修復に使用される。

また、本発明に係る耐酸性セメント材料は、耐酸性用途に使用される土木用部材又は建築用部材を製造する場合にも使用することができる。
これらの製品は、主としてコンクリート製品工場で製造されるが、その製造に際しては、予め混合し又は随時軽量して調製された本発明に係る耐酸性セメント材料が用いられる。

以下、実施例を上げて本発明について更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実施例１〜３）
構成材料として以下のものを使用し、これらの構成材料を下記表１に示した配合に基づいて混合することにより、実施例１〜３の耐酸性セメント材料を作製した。
セメント：住友大阪セメント社製、普通ポルトランドセメント
スラグＡ：デイシイ興産製、高炉スラグ微粉末（ブレーン比表面積４０００ｃｍ²／ｇ）
スラグＢ：デイシイ興産製、高炉スラグ微粉末（ブレーン比表面積６０００ｃｍ²／ｇ）
メタカオリン：林化成製、商品名「ＳＰ−３３」（平均粒径１．４μｍ）
骨材：三久海運製、硅砂４号と硅砂６号とを、２：１の重量割合で混合したもの

硬化体の成形
前記各実施例の耐酸性セメント材料を用い、ＪＩＳＲ５２０１に基づく硬化体を作成した。硬化体は、２４時間湿潤空気養生後に脱型し、２８日間２０℃の水中において養生した。

モルタルの耐酸性評価
作製した各実施例の硬化体を５％の硫酸水溶液に浸漬し、浸漬後７日、１４日、２１日および３０日の各材齢において硬化体の重量変化を測定し、硬化体の重量変化率（％）を求めるとともに、浸漬後２８日における硫酸浸透深さ（mm）を測定した。

モルタルの圧縮強度および曲げ強度試験
さらに、前記硫酸水溶液に浸漬した後の硬化体について、ＪＩＳＲ５２０１に基づく強度試験を行った。

（比較例１〜３）
メタカオリンを添加しない場合として、下記表２に示した配合に基づき、前記実施例と同様にして硬化体を作製した。

実施例及び比較例の硬化体につき、上記のような耐酸性評価および強度試験を行った。結果を下記表３に示す。

表３に示したように、比較例の耐酸性セメント材料においては、硫酸浸透深さが十分に小さい値（３．０ｍｍ以下）である比較例２及び３では初期強度、特に３日強度が２８に満たない小さい値となっており、逆に、３日強度が約３０となっている比較例１においては、硫酸浸透深さが３．２ｍｍと大きな値となっていることが認められる。また、比較例の耐酸性セメント材料は、２８日強度が何れも小さい値となっている。
これに対し、実施例１〜３の耐酸性セメント材料では、硫酸浸透深さが十分に小さい値（３．０ｍｍ以下）であり、且つ、初期強度、特に３日強度が約３０以上となっており、優れた耐酸性と初期強度発現性とを兼ね備えたものであることが認められる。また、該実施例においては、２８日強度に関しても、比較例と比べて十分大きな値となっていることが認められる。

Claims

ポルトランドセメントと高炉スラグ微粉末とメタカオリンとを含有し、該ポルトランドセメント１００重量部に対して該高炉スラグ微粉末が５０〜２００重量部、該ポルトランドセメント、該高炉スラグ微粉末および該メタカオリンの合計量１００重量部に対して該メタカオリンが２〜１０重量部であり、繊維径が０．３μｍ以上２０μｍ以下で、繊維長が１００μｍ以上２０００μｍ以下の有機質繊維をさらに含有することを特徴とする耐酸性セメント材料。
前記高炉スラグ微粉末のブレーン比表面積が５０００〜１００００ｃｍ²／ｇであることを特徴とする請求項１記載の耐酸性セメント材料。
前記メタカオリンの平均粒径が０．１〜５．０μｍであることを特徴とする請求項１又は２記載の耐酸性セメント材料。
前記ポルトランドセメント中の２ＣａＯ・ＳｉＯ₂の含有量が４０重量％未満であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の耐酸性セメント材料。
カルシウムサルフォアルミネート系膨張材をさらに含有することを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の耐酸性セメント材料。
前記カルシウムサルフォアルミネート系膨張材の添加量は、前記ポルトランドセメント１００重量部に対し、１．５〜３重量部であることを特徴とする請求項５に記載の耐酸性セメント材料。