JP4827583B2 - 耐中性化性および耐塩害性に優れた鉄筋を有する水和硬化体 - Google Patents
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Description
本発明は、乾湿が繰り返される海岸等の、中性化と塩害が進みやすい環境下で用いる構造物での利用に好適な、耐中性化性および耐塩害性に優れた鉄筋を有する水和硬化体に関するものである。
鉄筋コンクリートは、コンクリート中のアルカリ成分によって鉄筋の表面に不動態皮膜が形成されるため鉄筋が防食され、長期に渡って強度と耐久性を発揮する構造部材である。したがって、コンクリートが中性化すると不動態皮膜が破壊され鉄筋が腐食し、構造物部材として機能しなくなる。
近年は、コンクリートの骨材の入手事情が悪化し、例えば、アルカリ骨材反応を生じる可能性がある安山岩等を骨材として使用せざるを得ない場合がある。アルカリ骨材反応によりコンクリートにひび割れを生じた場合、コンクリートの中性化が急速に進行し、鉄筋が腐食する等の問題がある。また良質な骨材を使用したコンクリートの場合であっても、これを乾湿が繰り返される等の中性化が進みやすい環境下で使用した際には、コンクリートの中性化よって鉄筋表面の不動態皮膜が破壊されて鉄筋が腐食し、発生した錆に起因する体積膨張によってコンクリートが剥落する。当然のことながら、鉄筋と外界との間に存在するコンクリートの厚み（かぶり厚）を増大させることにより、中性化が鉄筋の表面に到達する時間を遅延させることができるが、コンクリートのかぶり厚の増大により構造物が大型化するためコストが増大するという問題がある。
上記のような鉄筋コンクリートの耐中性化性を向上する手段としては、一般に水セメント比を小さくする方法が知られている。
一方、製鋼スラグと高炉スラグ微粉末とを主原料とし、コンクリートの代替が可能な水和硬化体が特許文献１及び非特許文献１に開示されている。
これらの水和硬化体をコンクリートの代替として用いることで、製鉄所で大量に発生するスラグを有効利用することができる。
特開２００１−０４９３１０号公報
「鉄鋼スラグ水和固化体技術マニュアル」沿岸開発技術研究センター ２００３年
しかし、鉄筋コンクリートの耐中性化性を向上させるために水セメント比を小さくする方法は、アルカリ骨材反応を生じることがない良質な骨材を用いたときは有効であるが、アルカリ骨材反応を生じる骨材を用いた場合は効果がない。また、水セメント比を小さくすると高コストとなるばかりでなく、コンクリートの自己収縮が大きくなるという弊害を生じる。
一方、上記の特許文献１、非特許文献１の水和硬化体をコンクリート代替として用いた場合の耐中性化性については、特許文献１に開示された水和硬化体は用途を路盤材、建築・土木材等としている程度で不明瞭であり、非特許文献１に開示された水和硬化体は、対象を鉄筋を含有しない無筋コンクリート代替に限定しているため、どちらについても性能自体が不明である。そこで、これらの水和硬化体の耐中性化性を本発明者らが調べたところ、極めてばらつきが大きく、鉄筋コンクリート代替として安定して使用することが困難であることがわかった。
このように従来の技術を用いては、コンクリートや製鋼スラグと高炉スラグ微粉末等を材料とした水和硬化体の中性化を抑止して鉄筋の腐食を防止することは限界がある。
したがって本発明の目的は、このような従来技術の課題を解決し、中性化が進みやすいような環境条件においても長期の耐久性を有する構造物部材とすることができる耐中性化性および耐塩害性に優れた鉄筋を有する水和硬化体を提供することにある。
このような課題を解決するための本発明の特徴は以下の通りである。
（１）鉄筋を内部に有する水和硬化体が、少なくとも製鋼スラグと高炉スラグ微粉末とフライアッシュとを含有し、前記製鋼スラグのＣａＯ／ＳｉＯ2が質量比で１．５以上２．７以下および／またはＣａＯ濃度が２５質量％以上４７．１質量％以下であり、前記製鋼スラグは粒径が０．０７５ｍｍ以上、２０ｍｍ以下の範囲内にある製鋼スラグを含み、粒径が５ｍｍ以下の製鋼スラグの含有量が５００ｋｇ／ｍ3以上であり、製鋼スラグの最大粒径が２０ｍｍであり、前記混合物中における高炉スラグ微粉末の含有量が１００〜６００ｋｇ／ｍ ３ であり、前記混合物中における製鋼スラグの含有量が１８８２ｋｇ／ｍ ３ 以上であり、製鋼スラグのＭｇＯ含有量が１．８〜４．３質量％であり、さらに前記鉄筋が質量％でＣ：0.001mass%超、0.3mass%未満、Ｎ：0.001mass％超、0.3mass%未満、Ｃｒ：5.0mass%超、15.0mass%未満、Ｓｉ：0.1mass%超、4.0mass%未 満、Ｍｎ：0.1mass%超、4.0mass%未満、Ｃｏ：0.01mass%超、1.0mass%未満、Ａｌ：0.04mass%未満、Ｐ：0.04mass%未満、およびＳ：0.03mass%未満を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるＣｒ添加鋼であることを特徴とする耐中性化性および耐塩害性に優れた鉄筋を有する水和硬化体。
（２）Ｃｒ添加鋼がさらに、Ｖ：1.0mass％未満、Ｗ：1.0mass%未満のいずれか１種以上を含有することを特徴とする（１）に記載の耐中性化性および耐塩害性に優れた鉄筋を有する水和硬化体。
（３）Ｃｒ添加鋼がさらに、Ｎｉ：3.0mass％未満、Ｃｕ：3.0mass％未満、およびＭｏ：3.0mass%未満の中から選ばれる１種又は２種以上を含有することを特徴とする（１）または（２）に記載の耐中性化性および耐塩害性に優れた鉄筋を有する水和硬化体。
（４）Ｃｒ添加鋼がさらに、Ｎｂ：1.0mass％未満、Ｔｉ：1.0mass％未満、Ｔａ：1.0mass％未満、Ｚｒ：1.0mass％未満および Ｂ：0.01mass%未満の中から選ばれる１種又は２種以上を含有することを特徴とする（１）ないし（３）のいずれか１つに記載の耐中性化性および耐塩害性に優れた鉄筋を有する水和硬化体。
（５）水和硬化体が、さらにアルカリ土類金属の酸化物、水酸化物、ポルトランドセメント、シリカセメント、フライアッシュセメント、エコセメント から選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする（１）ないし（４）のいずれか１つに記載の耐中性化性および耐塩害性に優れた鉄筋を有する水和硬化体。
（１）鉄筋を内部に有する水和硬化体が、少なくとも製鋼スラグと高炉スラグ微粉末とフライアッシュとを含有し、前記製鋼スラグのＣａＯ／ＳｉＯ2が質量比で１．５以上２．７以下および／またはＣａＯ濃度が２５質量％以上４７．１質量％以下であり、前記製鋼スラグは粒径が０．０７５ｍｍ以上、２０ｍｍ以下の範囲内にある製鋼スラグを含み、粒径が５ｍｍ以下の製鋼スラグの含有量が５００ｋｇ／ｍ3以上であり、製鋼スラグの最大粒径が２０ｍｍであり、前記混合物中における高炉スラグ微粉末の含有量が１００〜６００ｋｇ／ｍ ３ であり、前記混合物中における製鋼スラグの含有量が１８８２ｋｇ／ｍ ３ 以上であり、製鋼スラグのＭｇＯ含有量が１．８〜４．３質量％であり、さらに前記鉄筋が質量％でＣ：0.001mass%超、0.3mass%未満、Ｎ：0.001mass％超、0.3mass%未満、Ｃｒ：5.0mass%超、15.0mass%未満、Ｓｉ：0.1mass%超、4.0mass%未 満、Ｍｎ：0.1mass%超、4.0mass%未満、Ｃｏ：0.01mass%超、1.0mass%未満、Ａｌ：0.04mass%未満、Ｐ：0.04mass%未満、およびＳ：0.03mass%未満を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるＣｒ添加鋼であることを特徴とする耐中性化性および耐塩害性に優れた鉄筋を有する水和硬化体。
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本発明によれば、耐中性化性と耐塩害性に優れることから、鉄筋に対する防食性に優れた水和硬化体が得られる。このため、中性化により従来の鉄筋コンクリートが短期間で崩壊するような環境下においても、長期間の使用が可能な構造物を提供できる。
本発明では、水和硬化体の材料を最適化することにより、従来のコンクリートや製鋼スラグと高炉スラグ微粉末等を材料とした水和硬化体よりも耐中性化性に優れた水和硬化体が得られ、これをＣｒ添加鋼からなる鉄筋と組み合わせることで、高塩分濃度を含有し乾湿が繰り返される中性化および塩害の進みやすい環境下においても長期の耐久性を有する構造物部材として使用できることを見出し、本発明を完成した。
まず水和硬化体を構成する材料について説明する。
なお、本発明において、水和硬化体における（水和硬化体中の）含有量（配合量）とは、水和硬化体の配合原料となる各材料（混練用の水や混和剤なども含む）を混合した混合物中における含有量を意味する。本発明における水和硬化体は、配合原料となる材料を混合して形成した混合物を硬化させたものである。
本発明の水和硬化体は、少なくとも製鋼スラグと、高炉スラグ微粉末とを含有し、製鋼スラグはＣａＯ／ＳｉＯ2が質量比で１．５以上および／またはＣａＯ濃度が２５質量％以上とする。
水和硬化体の材料のうち、製鋼スラグは、骨材および結合材、さらに水和硬化体の中性化抑止材として作用する。骨材として作用させるための製鋼スラグの粒度分布は、コンクリート用の細骨材や粗骨材に相当するような粒度とし、粒径が０．０７５ｍｍ以上程度、また最大粒径が４０ｍｍ以下程度とすることが好ましい。また、結合材として作用させるための製鋼スラグは微粉であることが好ましく、粒径が０．１５ｍｍ未満程度であることが好ましい。したがって、結合材としての粒径と骨材としての粒径をそれぞれ満足するスラグ粒子が含まれている適当な粒度分布を有する製鋼スラグ（例えば、或る条件で粉砕処理した製鋼スラグやその粉砕処理後に篩分した製鋼スラグ）を使用することが望ましい。中性化抑止材として作用させるための製鋼スラグは、製鋼スラグの含有成分であるＣａＯとＳｉＯ2との質量比であるＣａＯ／ＳｉＯ2が１．５以上および／またはＣａＯ濃度が２５質量％以上とする必要がある。ＣａＯ／ＳｉＯ2が質量比で１．５以上および／またはＣａＯ濃度が２５質量％以上の製鋼スラグは、製鋼スラグ中のＣａＯ成分が長期間にわたり水和硬化体中に含まれる水に溶解し、水和硬化体を弱アルカリ性に保ち、中性化を抑止する。より好ましくは、ＣａＯ／ＳｉＯ2が質量比で２．０以上および／またはＣａＯ濃度が３０質量％以上である。一般にＣａＯ／ＳｉＯ2、ＣａＯ濃度が高くなると製鋼スラグ中の遊離ＣａＯ（ｆｒｅｅ−ＣａＯ）による水和膨張性が大きくなるが、水和硬化体の膨張安定性が確保されれば問題がないことから、これらの上限値は特に規定しない。なお、本発明におけるＣａＯ濃度が２５質量％以上とは、下記（Ａ）式に示すＣａＯ濃度で２５質量％以上のことである。
ＣａＯ濃度［質量％］＝｛ＣａＯ分析濃度［質量％］／（１００−金属鉄分析濃度［質量％］）｝×１００ ・・・（Ａ）
（Ａ）式は、酸化物鉱物相を形成しない、かつ濃度の変動が大きな金属鉄の影響を排除した製鋼スラグのＣａＯ濃度に相当するものである。
ＣａＯ濃度［質量％］＝｛ＣａＯ分析濃度［質量％］／（１００−金属鉄分析濃度［質量％］）｝×１００ ・・・（Ａ）
（Ａ）式は、酸化物鉱物相を形成しない、かつ濃度の変動が大きな金属鉄の影響を排除した製鋼スラグのＣａＯ濃度に相当するものである。
中性化を抑止するためには、製鋼スラグを水和硬化体中の材料として５００ｋｇ／ｍ3以上用いることがより好ましい。さらにより好ましくは、７００ｋｇ／ｍ3以上である。粒度については特に規定しないが、０．０７５ｍｍから２０ｍｍ程度の粒子が含まれていることが好ましい。微粒分の製鋼スラグは、供用期間の初期におきて中性化を抑止する効果が特にあり、粗粒分の製鋼スラグは供用期間の長期にわたり中性化を抑止する効果が持続するためである。また、５ｍｍ以下の製鋼スラグが５００ｋｇ／ｍ3以上含まれるとより好ましい。
また、製鋼スラグは通常の砂利等の骨材と異なりアルカリ骨材反応を起こさないため、水和硬化体そのものの耐久性が優れるだけでなく、アルカリ骨材反応に起因するひび割れの発生も抑制できるので、ひび割れを介した中性化が起こらず、水和硬化体中の鉄筋の防食の観点からも好ましい。
水和硬化体の材料として高炉スラグ微粉末を用いるのは、潜在水硬性を有する高炉スラグ微粉末が製鋼スラグによりアルカリ刺激を受け効率的に水和反応するためだけでなく、従来のコンクリートよりも硬化物が緻密な組織を有するため、水和硬化体の中性化の原因となる二酸化炭素の透過を著しく抑制できるからである。また、高炉スラグ微粉末と製鋼スラグ中の遊離ＣａＯ（ｆｒｅｅ−ＣａＯ）が反応し、製鋼スラグの水和膨張を抑制するためである。高炉スラグ微粉末としてはＪＩＳ Ａ ６２０６「コンクリート用高炉スラグ微粉末」を特に好ましく用いることができる。
高炉スラグ微粉末の水和硬化体中の配合量は、１００〜６００ｋｇ／ｍ3であることが好ましい。１００ｋｇ／ｍ3未満ではコンクリート代替として必要な１８Ｎ／ｍｍ2以上の圧縮強度が得られない場合があり、６００ｋｇ／ｍ3を超えると強度の増加はほとんど無く不経済となるためである。高炉スラグ微粉末のより好ましい配合量は、２００〜４００ｋｇ／ｍ3である。
水和硬化体は、さらにフライアッシュを含有することが好ましい。水和硬化体の材料としてフライアッシュを用いるのは、製鋼スラグ中のＣａ成分とフライアッシュが効率的に反応することによりフライアッシュのポゾラン反応が進むためである。また、フライアッシュと製鋼スラグ中の遊離ＣａＯが反応し、製鋼スラグの水和膨張を抑制するためである。さらに、フライアッシュの適量の配合でワーカビリティを向上させる効果もある。フライアッシュはＪＩＳ Ａ ６２０１「コンクリート用フライアッシュ」を用いることが好ましいが、原粉および加圧流動床灰の使用等も可能である。
フライアッシュの水和硬化体中の配合量は、特に限定しないが、５０〜３００ｋｇ／ｍ3であることが好ましい。５０ｋｇ／ｍ3未満では製鋼スラグの水和膨張を抑制する効果が低く、３００ｋｇ／ｍ3を超えると水を加えて練混ぜた後のフレッシュな状態の粘性が高くなり、ワーカビリティが悪化するため、また製鋼スラグの水和膨張を抑制する効果も変わらず不経済であるためである。
水和硬化体の材料として、さらに、アルカリ土類金属の酸化物、水酸化物、および各種セメントから選ばれる１種または２種以上を含有することが好ましい。
水和硬化体の材料として、アルカリ土類金属の酸化物、水酸化物、および各種セメントから選ばれる１種または２種以上を使用する場合、高炉スラグ微粉末に対して、質量比で１％以上配合することが好ましい。これは、高炉スラグ微粉末が有する潜在水硬性を効率的に発現させるためのアルカリ刺激材として配合するものであり、製鋼スラグのアルカリ刺激だけでは不足する場合に配合することが望ましい。１ｍａｓｓ％以上としたのは、１ｍａｓｓ％未満ではアルカリ刺激としての効果が低いためである。上限は特に設定しないが、アルカリ土類金属の酸化物、水酸化物の場合、１００ｍａｓｓ％を超えて配合してもアルカリ刺激効果が変わらず不経済となる。アルカリ土類金属の酸化物、水酸化物配合の場合、好ましくは、５〜２０ｍａｓｓ％の配合とする。なお、各種セメントの場合は、高炉スラグ微粉末に対するアルカリ刺激だけでなく、セメント自体の水硬性も発揮されるため、１００ｍａｓｓ％を超えて配合しても圧縮強度が増加する効果を有する。各種セメント配合の場合、好ましくは１０〜１５０ｍａｓｓ％の配合とする。
なお、各種セメントとは、ＪＩＳ Ｒ ５２１０「ポルトランドセメント」、ＪＩＳ Ｒ ５２１１「高炉セメント」、ＪＩＳ Ｒ ５２１２「シリカセメント」、ＪＩＳ Ｒ ５２１３「フライアッシュセメント」、ＪＩＳ Ｒ ５２１４「エコセメント」のことである。
次に、本発明で用いる鉄筋について説明する。尚、無筋の水和硬化体は、耐中性化性が優れていない場合でも問題とはならない。
鉄筋に用いるＣｒ添加鋼としては、Ｃ：0.001mass%超、0.3mass%未満、Ｎ：0.001mass％超、0.3mass%未満、Ｃｒ：5.0mass%超、15.0mass%未満、Ｓｉ：0.1mass%超、4.0mass%未満、Ｍｎ：0.1mass%超、4.0mass%未満、Ｃｏ：0.01mass%超、1.0mass%未満、Ａｌ：0.04mass%未満、Ｐ：0.04mass%未満、およびＳ：0.03mass%未満を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物であるものを用い、さらに、Ｖ：1.0mass％未満、Ｗ：1.0mass%未満のいずれか１種以上を含有することが好ましい。また、さらに、Ｎｉ：3.0mass％未満、Ｃｕ：3.0mass％未満、およびＭｏ：3.0mass%未満の中から選ばれる１種又は２種以上を含有すること、さらに、Ｎｂ：1.0mass％未満、Ｔｉ：1.0mass％未満、Ｔａ：1.0mass％未満、Ｚｒ：1.0mass％未満およびＢ：0.01mass%未満の中から選ばれる１種又は２種以上を含有することが好ましい。
以下、各化学成分の限定理由について説明する。
Ｃ：0.001mass％超、0.3mass％未満とする。
Ｃは、オーステナイト相および炭化物の生成元素である。オーステナイト相は、溶接部において、マルテンサイト組織を生じて強度を向上させ、また微細炭化物も強度の向上に寄与する。しかしながら、Ｃ含有量が0.001mass％以下ではオーステナイト相および炭化物の生成量が少なすぎて強度不足となり、一方0.3mass％以上では硬くなり過ぎて靱性の劣化を招く。従って、Ｃ量は0.001mass％超、0.3mass％未満の範囲に限定する。
Ｃは、オーステナイト相および炭化物の生成元素である。オーステナイト相は、溶接部において、マルテンサイト組織を生じて強度を向上させ、また微細炭化物も強度の向上に寄与する。しかしながら、Ｃ含有量が0.001mass％以下ではオーステナイト相および炭化物の生成量が少なすぎて強度不足となり、一方0.3mass％以上では硬くなり過ぎて靱性の劣化を招く。従って、Ｃ量は0.001mass％超、0.3mass％未満の範囲に限定する。
Ｎ：0.001mass％超、0.3mass%未満とする。
Ｎも、オーステナイト相および窒化物の生成元素であり、オーステナイト相は溶接部において、マルテンサイト組織を生じて強度を向上させ、また微細窒化物も強度を向上させる。しかしながら、Ｎ含有量が0.001mass％以下ではオーステナイト相および窒化物の生成量が少な過ぎて強度不足となり、一方0.3mass％以上になると硬くなり過ぎて靱性の劣化を招く。従って、Ｎ量は0.001mass％超、0.3mass％未満の範囲に限定する。なお、特に強度を高めたい場合には、Ｃ、Ｎをそれぞれ0.02mass％以上、より好ましくは0.03mass％以上とすることが望ましい。
Ｎも、オーステナイト相および窒化物の生成元素であり、オーステナイト相は溶接部において、マルテンサイト組織を生じて強度を向上させ、また微細窒化物も強度を向上させる。しかしながら、Ｎ含有量が0.001mass％以下ではオーステナイト相および窒化物の生成量が少な過ぎて強度不足となり、一方0.3mass％以上になると硬くなり過ぎて靱性の劣化を招く。従って、Ｎ量は0.001mass％超、0.3mass％未満の範囲に限定する。なお、特に強度を高めたい場合には、Ｃ、Ｎをそれぞれ0.02mass％以上、より好ましくは0.03mass％以上とすることが望ましい。
Ｃｒ:5.0mass%超、15.0mass%未満とする。
Ｃｒは、本発明における耐食性の改善成分として重要な元素である。本発明で対象にする鉄筋として、コンクリート中において長期使用が可能となるレベルの耐食性を確保するためには、少なくとも5.0mass％超のＣｒが必要である。一方、Ｃｒ量が15.0mass％以上になると、耐食性は良くなるものの、コストアップになるだけでなく、フェライト相の生成量が多くなって溶接部の靱性不足となる。従って、Ｃｒ量は5.0mass％超、15.0mass％未満の範囲に限定する。
Ｃｒは、本発明における耐食性の改善成分として重要な元素である。本発明で対象にする鉄筋として、コンクリート中において長期使用が可能となるレベルの耐食性を確保するためには、少なくとも5.0mass％超のＣｒが必要である。一方、Ｃｒ量が15.0mass％以上になると、耐食性は良くなるものの、コストアップになるだけでなく、フェライト相の生成量が多くなって溶接部の靱性不足となる。従って、Ｃｒ量は5.0mass％超、15.0mass％未満の範囲に限定する。
Ｓｉ:0.1mass%超、4.0mass%未満とする。
Ｓｉは、脱酸剤として有用な元素であるが、含有量が0.1mass％以下では十分な脱酸効果が得られず、一方4.0mass％以上になると硬くなって機械的性質の劣化を招く。従って、Ｓｉ量は0.1mass％超、4.0mass％未満の範囲に限定する。
Ｓｉは、脱酸剤として有用な元素であるが、含有量が0.1mass％以下では十分な脱酸効果が得られず、一方4.0mass％以上になると硬くなって機械的性質の劣化を招く。従って、Ｓｉ量は0.1mass％超、4.0mass％未満の範囲に限定する。
Ｍｎ：0.1mass%超、4.0mass%未満とする。
Ｍｎも、Ｃと同様、オーステナイト相生成元素であるが、含有量が0.1mass％以下ではオーステナイト相の生成が不十分となるため、溶接部のマルテンサイト組織が少なくなって、強度不足となる。一方、Ｍｎ含有量が4.0mass％以上になると鋼中に残存する介在物が多くなって耐食性が劣化する。従って、Ｍｎ量は0.1mass％超、4.0 mass％未満の範囲に限定する。
Ｍｎも、Ｃと同様、オーステナイト相生成元素であるが、含有量が0.1mass％以下ではオーステナイト相の生成が不十分となるため、溶接部のマルテンサイト組織が少なくなって、強度不足となる。一方、Ｍｎ含有量が4.0mass％以上になると鋼中に残存する介在物が多くなって耐食性が劣化する。従って、Ｍｎ量は0.1mass％超、4.0 mass％未満の範囲に限定する。
Ｃｏ：0.01mass%超、1.0mass%未満とする。
Ｃｏは、本発明の重要な成分であり、このＣｏ添加によってコンクリート中でのＣｒ添加鋼素地の腐食速度を低減して耐食性の向上を図ることができる。少量のＣｏによるこのような耐食性の向上効果は、アルカリ環境で、しかも溶存酸素によるカソード反応も制限されるコンクリート中において初めて見出されたものである。ここに、Ｃｏ含有量が0.01mass％以下では上記の効果を十分に得ることができず、一方1.0mass％以上になると上記の効果は飽和に達し、むしろコストの上昇を招くので、Ｃｏ量は0.01mass％超、1.0mass％未満の範囲に限定する。
Ｃｏは、本発明の重要な成分であり、このＣｏ添加によってコンクリート中でのＣｒ添加鋼素地の腐食速度を低減して耐食性の向上を図ることができる。少量のＣｏによるこのような耐食性の向上効果は、アルカリ環境で、しかも溶存酸素によるカソード反応も制限されるコンクリート中において初めて見出されたものである。ここに、Ｃｏ含有量が0.01mass％以下では上記の効果を十分に得ることができず、一方1.0mass％以上になると上記の効果は飽和に達し、むしろコストの上昇を招くので、Ｃｏ量は0.01mass％超、1.0mass％未満の範囲に限定する。
Ａｌ：0.04mass%未満とする。
Ａｌは、脱酸剤として有用な元素である。Ｓｉによる脱酸が不十分な場合にはＡｌによる脱酸が行われるが、その含有量が0.04mass％以上になると介在物が多くなって耐食性が劣化する。従って、Ａｌは0.04mass％未満で含有させることとする。
Ａｌは、脱酸剤として有用な元素である。Ｓｉによる脱酸が不十分な場合にはＡｌによる脱酸が行われるが、その含有量が0.04mass％以上になると介在物が多くなって耐食性が劣化する。従って、Ａｌは0.04mass％未満で含有させることとする。
Ｐ：含有量が0.04mass%未満とする。
Ｐ含有量が0.04mass％以上になると、靱性等の機械的性質の劣化が顕著になるので、Ｐ量は0.04mass％未満に制限する。
Ｐ含有量が0.04mass％以上になると、靱性等の機械的性質の劣化が顕著になるので、Ｐ量は0.04mass％未満に制限する。
Ｓ：0.03mass%未満とする。
Ｓは、Ｍｎと結合してＭｎＳを形成し、初期発銹起点となる。またＳは、結晶粒界に偏析して、粒界脆化を促進する有害元素でもあるので、極力低減することが好ましい。特にＳ含有量が0.03mass％以上になるとその悪影響が顕著になるので、Ｓ量は0.03mass％未満に制限する。
Ｓは、Ｍｎと結合してＭｎＳを形成し、初期発銹起点となる。またＳは、結晶粒界に偏析して、粒界脆化を促進する有害元素でもあるので、極力低減することが好ましい。特にＳ含有量が0.03mass％以上になるとその悪影響が顕著になるので、Ｓ量は0.03mass％未満に制限する。
以上、必須成分および抑制成分について説明したが、本発明では、その他にも以下に述べる各種元素を適宜含有させることができる。
さらに、Ｖ：1.0mass％未満、Ｗ：1.0mass%未満のいずれか１種以上を含有することが好ましい。
Ｖ：1.0mass％未満とする。
Ｖを添加することにより、Ｃｒ炭窒化物の析出が少なくなって、耐食性が向上する。また、Ｖは、Ｃｒ添加鋼素地の耐食性の向上にも寄与する。特にコンクリート中という腐食環境では、Ｖは少量の添加でも耐食性向上に有効に寄与するという知見が得られた。しかしながら、含有量が1.0mass％以上になると上記の効果は飽和に達し、むしろコストの上昇を招くことになる。従って、Ｖは1.0mass％未満で含有させることとする。
Ｖを添加することにより、Ｃｒ炭窒化物の析出が少なくなって、耐食性が向上する。また、Ｖは、Ｃｒ添加鋼素地の耐食性の向上にも寄与する。特にコンクリート中という腐食環境では、Ｖは少量の添加でも耐食性向上に有効に寄与するという知見が得られた。しかしながら、含有量が1.0mass％以上になると上記の効果は飽和に達し、むしろコストの上昇を招くことになる。従って、Ｖは1.0mass％未満で含有させることとする。
Ｗ：1.0mass%未満とする。
Ｗは、Ｖと同様、Ｃｒ炭窒化物の析出を少なくして耐食性を向上させるだけでなく、Ｃｒ添加鋼素地の耐食性の向上にも寄与する。特にコンクリート中という腐食環境では、Ｗは、Ｖと同様、少量の添加でも耐食性向上に有効に寄与するという知見が得られた。しかしながら、含有量を1.0mass％以上にすると機械的性質の劣化を招くので、Ｗは1.0mass％未満で含有させることとする。
Ｗは、Ｖと同様、Ｃｒ炭窒化物の析出を少なくして耐食性を向上させるだけでなく、Ｃｒ添加鋼素地の耐食性の向上にも寄与する。特にコンクリート中という腐食環境では、Ｗは、Ｖと同様、少量の添加でも耐食性向上に有効に寄与するという知見が得られた。しかしながら、含有量を1.0mass％以上にすると機械的性質の劣化を招くので、Ｗは1.0mass％未満で含有させることとする。
さらに、Ｎｉ：3.0mass％未満、Ｃｕ：3.0mass％未満、およびＭｏ：3.0mass%未満の中から選ばれる１種又は２種以上を含有することが好ましい。
Ｎｉ：3.0mass％未満とする。
Ｎｉは、Ｃｒ添加鋼の活性溶解を低減して耐食性を向上させる有用元素であるが、含有量を3.0mass％以上にするとコストの上昇を招くので、Ｎｉは3.0mass％未満で含有させることとする。
Ｎｉは、Ｃｒ添加鋼の活性溶解を低減して耐食性を向上させる有用元素であるが、含有量を3.0mass％以上にするとコストの上昇を招くので、Ｎｉは3.0mass％未満で含有させることとする。
Ｃｕ：3.0mass％未満とする。
Ｃｕも、Ｃｒ添加鋼の活性溶解を低減して耐食性を向上させる作用があるが、含有量が3.0mass％以上になると逆に耐食性が劣化する傾向にあるので、Ｃｕは3.0mass％未満で含有させることとする。
Ｃｕも、Ｃｒ添加鋼の活性溶解を低減して耐食性を向上させる作用があるが、含有量が3.0mass％以上になると逆に耐食性が劣化する傾向にあるので、Ｃｕは3.0mass％未満で含有させることとする。
Ｍｏ：3.0mass%未満とする。
Ｍｏも、Ｃｒ添加鋼の耐食性を向上させる上で極めて有効な元素であるが、3.0mass％以上の添加はコストの上昇を招くため、Ｍｏは3.0mass％未満で含有させることとする。
Ｍｏも、Ｃｒ添加鋼の耐食性を向上させる上で極めて有効な元素であるが、3.0mass％以上の添加はコストの上昇を招くため、Ｍｏは3.0mass％未満で含有させることとする。
さらに、Ｎｂ：1.0mass％未満、Ｔｉ：1.0mass％未満、Ｔａ：1.0mass％未満、Ｚｒ：1.0mass％未満およびＢ：0.01mass%未満の中から選ばれる１種又は２種以上を含有することが好ましい。
Ｎｂ：1.0mass％未満、Ｔｉ：1.0mass％未満、Ｔａ：1.0mass％未満、Ｚｒ：1.0mass％未満とする。
Ｎｂ、Ｔｉ、ＴａおよびＺｒはいずれも、Ｃｒ炭窒化物の析出を少なくして耐食性を向上させる働きがある。しかしながら、いずれも1.0mass％以上では機械的性質を劣化させるので、これらの元素は単独添加、複合添加いずれの場合にも1.0mass％未満で含有させるものとする。
Ｎｂ、Ｔｉ、ＴａおよびＺｒはいずれも、Ｃｒ炭窒化物の析出を少なくして耐食性を向上させる働きがある。しかしながら、いずれも1.0mass％以上では機械的性質を劣化させるので、これらの元素は単独添加、複合添加いずれの場合にも1.0mass％未満で含有させるものとする。
Ｂ：0.01mass%未満とする。Ｂは、Ｎと結合することにより、Ｃｒ窒化物の析出を少なくして耐食性を向上させる作用がある。しかしながら、含有量が0.01mass％以上だと、鋼材製造時の熱間加工性が劣化するので、Ｂは0.01mass％未満で含有させるものとする。
上記以外の残部はＦｅおよび不可避的不純物である。
上記の化学組成を有する鉄筋の製造に際しては、特別な制限はなく、通常の製造方法に従って製造すれば良い。参考のため、代表的な製造条件を以下の（Ａ）〜（Ｃ）に示す。
（Ａ）精錬工程：高炉溶銑を転炉にてＣｒを添加しつつ脱炭したもの、またはスクラップ等のＦｅ、Ｃｒ原料を電気炉にて溶解した溶鋼を、ＶＯＤ等により脱炭、成分調整したものを、連続鋳造にてブルームとするか、または造塊によりインゴットを製造する。
（Ｂ）熱間圧延工程：ブルームまたはインゴットを、１１００〜１２００℃に加熱したのち、熱間圧延または熱間鍛造により５０ｍｍ角程度のビレットとする。このビレットを、再び１１００℃程度に加熱したのち、線棒圧延機により１５ｍｍφ程度の棒鋼とする。
（Ｃ）仕上工程：熱間圧延により製造した棒鋼は、そのまま使用することが可能であるが、必要に応じて適当な熱処理により強度を調整する。また、より耐食性を向上させる場合には、熱間圧延後、場合によっては熱処理後の棒鋼に、ショットブラスト、さらには硝酸＋ふっ酸等による脱スケール処理を施す。
熱間でのスケールを除去するためにショット−酸洗処理を行う他に、水和硬化体中での腐食環境が弱い場合には、ショットのみまたは脱スケールなしでもよい。さらに、熱間鍛造−圧延により棒鋼を製造した後に、強度を調整するための熱処理を施してもよい。
水和硬化体は、上記の材料を配合して、水を加えて混練して、所定の型枠等に打ち込んで養生して製造する。打ち込みの際に鉄筋を配筋して、鉄筋を有する水和硬化体とする。
水和硬化体の養生方法は、所定の強度が確保できれば、通常コンクリートにおいて用いられる水中養生、現場養生、蒸気養生等の何れの方法をも用いることができる。
製鋼スラグは表１に示す化学成分、物性値（最大粒径、粗粒率、細骨材率、表乾密度）のものを用いた（製鋼スラグＮｏ．Ａ〜Ｅ）。粗粒率とはＪＩＳ Ａ ０２０３に記載の番号３１１５の粗粒率のことである。細骨材率とは全粒度の製鋼スラグ量に対する粒径５ｍｍ以下の製鋼スラグ量の絶対容積比を百分率で表した値である。
高炉スラグ微粉末はＪＩＳ Ａ ６２０６「コンクリート用高炉スラグ微粉末」における高炉スラグ微粉末４０００を、フライアッシュはＪＩＳ Ａ ６２０１「コンクリート用フライアッシュ」におけるII種を使用した。アルカリ刺激材は、ＪＩＳ Ｒ ５２０１に適合する普通ポルトランドセメントまたは、ＪＩＳ Ｒ ９００１に適合する工業用消石灰・特号を使用した。混和剤は、ＪＩＳ Ａ ６２０４に適合するポリカルボン酸系の高性能ＡＥ減水剤を使用した。
鉄筋は、以下のようにして製造した。表２〜表５に示す化学成分を有する鋼塊５０ｋｇを真空溶解した。ついで、鋼塊の表面５ｍｍを研削したのち、１２００℃、１ｈの焼鈍を施し、熱間鍛造により５０ｍｍ角のビレットとした。このビレットに１１００℃、１ｈの焼鈍を施したのち、線棒圧延機により２５ｍｍφの棒鋼とした。ついで、この棒鋼に、ショットブラストと３％ふっ酸−１２％硝酸の混合酸による脱スケール処理を施し、鋼種Ａ〜ＡＺの鉄筋を製造した。
表６〜表８に示す配合（配合Ｎｏ．１〜１０）により水和硬化体の材料をミキサで練混ぜ、φ１００×２００ｍｍの型枠に流し込み、養生してＮｏ．１〜５０の圧縮強度測定用のテストピースを製作した。圧縮強度の測定は、ＪＩＳ Ａ １１０８「コンクリートの圧縮強度試験方法」にしたがって行った。養生条件は標準養生２８日とした。また、同時に表２〜表５に示す鋼種の鉄筋を中心部に挿入したφ１００×２００ｍｍの中性化促進試験用のテストピースをＮｏ．１〜５０の各製造条件に付き２体製作した。養生条件は標準養生２８日とした。中性化促進試験は、標準養生２８日後のテストピースをＣＯ2濃度５％、温度４０℃、湿度６０％ＲＨの条件で９１日間暴露後、１体を５０ｍｍピッチで輪切りしたものについて、中性化深さを測定し、その平均値より評価した。中性化深さの測定は、フェノールフタレイン1％溶液噴霧法によって、無変色部を中性化部とした。
中性化促進試験を終えた試験体のうち輪切りにしなかったものを、耐塩害性試験に供した。耐塩害性試験は、６０℃の３％ＮａＣｌ水溶液に３日間浸漬した後に６０℃、５０％ＲＨの恒温恒湿槽で４日間乾燥することを１サイクルとし、これを１００サイクル繰り返した後に水和硬化体を破壊して鉄筋を取り出し、鉄筋を１０ｍａｓｓ％の水素クエン酸アンモニウム水溶液で除錆し、腐食面積率と最大腐食深さをマイクロメーターで測定した。
また、比較のために製鋼スラグおよび高炉スラグ微粉末を用いない、普通コンクリートのテストピース（Ｎｏ．５１）を作製した。表９の配合（配合Ｎｏ．１１）によりコンクリートの材料をミキサで練り混ぜ、φ１００×２００ｍｍの型枠に流し込み、養生して、圧縮強度測定用、中性化促進試験用および耐塩害性試験用のテストピースを製作した。圧縮強度測定用のテストピースの養生条件は標準養生２８日とした。圧縮強度試験、中性化促進試験および耐塩害性試験は上記と同じように行なった。なお、骨材はＪＩＳ Ａ １１４５「骨材のアルカリシリカ反応性試験方法（化学法）」による試験において、「無害」と判定された良質なものを用いた。
圧縮強度測定結果、中性化促進試験結果および耐塩害性試験結果を表３、４に併せて示す。ＣａＯ／ＳｉＯ2が質量比で１．５以上および／またはＣａＯ濃度が２５質量％以上である製鋼スラグ（製鋼スラグＮｏ．Ａ〜Ｄ）と高炉スラグ微粉末とを含有した配合Ｎｏ．１〜８の水和硬化体と所定の鋼成分を有する鉄筋と組み合わせた場合（テストピースＮｏ．１〜２３）には、良質な骨材を用いた水結合材比（水セメント比）５０％のテストピースＮｏ．５１（配合Ｎｏ．１１）の普通コンクリートよりも中性化深さが小さく、耐塩害性試験後において内部の鉄筋表面の腐食も認められなかった。一方、ＣａＯ／ＳｉＯ2が質量比で１．５未満かつＣａＯ濃度が２５質量％未満である製鋼スラグ（製鋼スラグＮｏ．Ｅ）と高炉スラグ微粉末とを含有したテストピースＮｏ．２４〜５０（配合Ｎｏ．９、１０）の水和硬化体は、良質な骨材を用いた水結合材比５０％の普通コンクリート（テストピースＮｏ．５１）よりも耐中性化性に劣り、鉄筋も腐食した。
Claims (5)
- 鉄筋を内部に有する水和硬化体が、少なくとも製鋼スラグと高炉スラグ微粉末とフライアッシュとを含有し、前記製鋼スラグのＣａＯ／ＳｉＯ2が 質量比で１．５以上２．７以下および／またはＣａＯ濃度が２５質量％以上４７．１質量％以下であり、前記製鋼スラグは粒径が０．０７５ｍｍ以上、２０ｍｍ以下の範囲内にある製鋼スラグを含み、粒径が５ｍｍ以下の製鋼スラグの含有量が５００ｋｇ／ｍ3以上であり、製鋼スラグの最大粒径が２０ｍｍであり、前記混合物中における高炉スラグ微粉末の含有量が１００〜６００ｋｇ／ｍ ３ であり、前記混合物中における製鋼スラグの含有量が１８８２ｋｇ／ｍ ３ 以上であり、製鋼スラグのＭｇＯ含有量が１．８〜４．３質量％であり、さらに前記鉄筋が質量％でＣ：0.001mass%超、0.3mass%未満、Ｎ：0.001mass％超、0.3mass%未満、Ｃｒ：5.0mass%超、15.0mass%未満、Ｓｉ：0.1mass%超、4.0mass%未 満、Ｍｎ：0.1mass%超、4.0mass%未満、Ｃｏ：0.01mass%超、1.0mass%未満、Ａｌ：0.04mass%未満、Ｐ：0.04mass%未満、およびＳ：0.03mass%未満を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるＣｒ添加鋼であることを特徴とする耐中性化性および耐塩害性に優れた鉄筋を有する水和硬化体。
- Ｃｒ添加鋼がさらに、Ｖ：1.0mass％未満、Ｗ：1.0mass%未満のいずれか１種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の耐中性化性および耐塩害性に優れた鉄筋を有する水和硬化体。
- Ｃｒ添加鋼がさらに、Ｎｉ：3.0mass％未満、Ｃｕ：3.0mass％未満、およびＭｏ：3.0mass%未満の中から選ばれる１種又は２種以上を含有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の耐中性化性および耐塩害性に優れた鉄筋を有する水和硬化体。
- Ｃｒ添加鋼がさらに、Ｎｂ：1.0mass％未満、Ｔｉ：1.0mass％未満、Ｔａ：1.0mass％未満、Ｚｒ：1.0mass％未満および Ｂ：0.01mass%未満の中から選ばれる１種又は２種以上を含有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の耐中性化性および耐塩害性に優れた鉄筋を有する水和硬化体。
- 水和硬化体が、さらにアルカリ土類金属の酸化物、水酸化物、ポルトランドセメント、シリカセメント、フライアッシュセメント、エコセメントから選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１つに記載の耐中性化性および耐塩害性に優れた鉄筋を有する水和硬化体。
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