JP4994056B2 - セメント混和材、セメント組成物、及びセメントコンクリート - Google Patents
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Description
本発明は、特定のシリカフュームを含有するセメント混和材、セメント組成物、及びそれらを用いた、流動性に優れたセメントコンクリートに関する。
本発明におけるセメントコンクリートとは、モルタルやコンクリートを総称するものである。
本発明におけるセメントコンクリートとは、モルタルやコンクリートを総称するものである。
高強度のセメントコンクリートは、コンクリート構造物の部材断面の縮小や、部材の力学的な高性能化をもたらす。
また、硬化体組織の緻密化による、コンクリート構造物の耐久性向上の観点からも重要である。
また、硬化体組織の緻密化による、コンクリート構造物の耐久性向上の観点からも重要である。
シリカフュームは、高いポゾラン活性を示し、空隙を充填する効果が大きく、高性能減水剤との併用により、所定の流動性を得るための水結合材比を低減できるため、高強度コンクリートに多く用いられる（特許文献１、非特許文献１参照）。
しかし、使用するセメントやシリカフュームによっては、所定の流動性を得るのに多量の水や減水剤を加えなければならず、流動性の良い高強度コンクリートが得られず、施工欠陥が起こりやすくなり、コンクリート構造物の耐久性を損なうという課題があった。
しかし、使用するセメントやシリカフュームによっては、所定の流動性を得るのに多量の水や減水剤を加えなければならず、流動性の良い高強度コンクリートが得られず、施工欠陥が起こりやすくなり、コンクリート構造物の耐久性を損なうという課題があった。
本発明者は、前記課題を解決すべく、種々検討した結果、特定のセメント混和材、セメント組成物を用いることにより、流動性に優れ、施工欠陥を生じず、耐久性に優れた高強度のセメントコンクリートが得られることを見出し、本発明を完成するに至った。
本発明は、特定のシリカフュームを含有するセメント混和材、セメント組成物を用いて、流動性に優れ、施工欠陥を生じず、耐久性に優れた高強度のセメントコンクリートを提供する。
本発明は、硫酸イオンの溶出量が3,000mg/L以下のシリカフュームと無水石膏を含有してなる、ポリカルボン酸系高性能減水剤又はポリカルボン酸系高性能ＡＥ減水剤である減水剤を含む、流動性に優れ高強度が得られるセメントコンクリート用のセメント混和材であり、セメント、硫酸イオンの溶出量が3,000mg/L以下のシリカフューム、及び無水石膏を含む結合材、並びにポリカルボン酸系高性能減水剤又はポリカルボン酸系高性能ＡＥ減水剤である減水剤を含有してなる、流動性に優れ高強度が得られるセメント組成物であり、
セメント100部に対して、シリカフュームが５〜50部、無水石膏が１〜10部である該セメント組成物であり、該セメント組成物と水とを配合してなるセメントコンクリートであり、水結合材比が10〜30％である、水結合材比が12〜25％である、水結合材比が15〜20％である該セメントコンクリートである。
セメント100部に対して、シリカフュームが５〜50部、無水石膏が１〜10部である該セメント組成物であり、該セメント組成物と水とを配合してなるセメントコンクリートであり、水結合材比が10〜30％である、水結合材比が12〜25％である、水結合材比が15〜20％である該セメントコンクリートである。
本発明の特定のシリカフュームを含有するセメント混和材を使用することにより、空隙量が減少した、流動性に優れ、施工欠陥を生じない、耐久性に優れた高強度のセメントコンクリートを得ることが可能となる。また、空隙量の減少に伴い、炭酸ガスや塩化物イオンなど、コンクリートの劣化要因となる物質の浸入を抑制でき、コンクリート構造物の耐久性を高めることができる。
以下、本発明を詳細に説明する。
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。
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。
本発明で使用するシリカフュームは、アーク式電気炉により金属シリコンやフェロシリコンを製造する際の排気ガス中のダストを、集塵装置により回収したものである。
また、ジルコンサンドからジルコニアを製造する過程で副生するシリカフュームや、微粒子球状シリカも使用可能である。特に、微粒子球状シリカは、金属シリコン粉末を分散させたスラリーを高温場に噴射して燃焼・酸化させる方法、又はガス化したケイ素化合物（例えば四塩化ケイ素等）を火炎中に送る乾式法や、ケイ酸塩水溶液からゾル・ゲル法により沈降させる湿式法により製造され、硫酸イオンの溶出量が極めて小さいため、流動性の良い高強度のセメントコンクリートが得られる。
シリカフュームの平均粒径は0.1μｍ程度、ＢＥＴ比表面積は20m2/g程度、密度は2.2g/cm3程度の球形の超微粉末である。主成分は非晶質のSiO2であり、微量成分としてFe2O3、Al2O3、CaO、MgO、SO3、Na2O、K2O、及びCなどを２〜20％程度含み、その量は金属シリコンやフェロシリコンの種類、製造方法により変化する。
また、ジルコンサンドからジルコニアを製造する過程で副生するシリカフュームや、微粒子球状シリカも使用可能である。特に、微粒子球状シリカは、金属シリコン粉末を分散させたスラリーを高温場に噴射して燃焼・酸化させる方法、又はガス化したケイ素化合物（例えば四塩化ケイ素等）を火炎中に送る乾式法や、ケイ酸塩水溶液からゾル・ゲル法により沈降させる湿式法により製造され、硫酸イオンの溶出量が極めて小さいため、流動性の良い高強度のセメントコンクリートが得られる。
シリカフュームの平均粒径は0.1μｍ程度、ＢＥＴ比表面積は20m2/g程度、密度は2.2g/cm3程度の球形の超微粉末である。主成分は非晶質のSiO2であり、微量成分としてFe2O3、Al2O3、CaO、MgO、SO3、Na2O、K2O、及びCなどを２〜20％程度含み、その量は金属シリコンやフェロシリコンの種類、製造方法により変化する。
本発明で使用するシリカフュームは、硫酸イオンの溶出量が3,000mg/L以下であり、2,500mg/L以下が好ましい。3,000mg/Lを超えると、減水剤を多量に加えても、流動性の良い高強度のセメントコンクリートが得られにくくなるおそれがある。
硫酸イオンの溶出量が3,000mg/L以下のシリカフュームは、金属シリコンやフェロシリコンを製造に使用する原料や製造方法を調整することなどにより製造可能である。
硫酸イオンの溶出量が3,000mg/L以下のシリカフュームは、金属シリコンやフェロシリコンを製造に使用する原料や製造方法を調整することなどにより製造可能である。
ここで言う硫酸イオンの溶出量は以下のようにして求めることが可能である。
20℃において、水シリカフューム比200％で、例えば、マグネテックスターラーにより 750rpmで５分間攪拌後、アスピレータなどで吸引ろ過する。ろ液に、10倍に希釈した濃塩酸を少量加えてｐＨを酸性にし、測定可能な範囲になるまで水で希釈し、例えば、イオンクロマトグラフにより、ろ液中の硫酸イオン量を測定する。
20℃において、水シリカフューム比200％で、例えば、マグネテックスターラーにより 750rpmで５分間攪拌後、アスピレータなどで吸引ろ過する。ろ液に、10倍に希釈した濃塩酸を少量加えてｐＨを酸性にし、測定可能な範囲になるまで水で希釈し、例えば、イオンクロマトグラフにより、ろ液中の硫酸イオン量を測定する。
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、フライアッシュを混合した各種混合セメント、また、石灰石粉末等や高炉徐冷スラグ微粉末を混合したフィラーセメント、並びに、各種の産業廃棄物を主原料として製造される環境調和型セメント、いわゆる、エコセメントなどが挙げられ、これらのうちの一種又は二種以上が併用可能である。
本発明のセメント組成物は、セメントと特定のシリカフュームを含有するもので、セメントとシリカフュームからの硫酸イオンの溶出量の合計が4,000mg/L以下が好ましく、3,500mg/L以下がより好ましい。4,000mg/Lを超えると、減水剤を多量に加えても、流動性の良い高強度のセメントコンクリートが得られにくくなる場合がある。
セメント組成物中のシリカフュームの配合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、５〜50部が好ましい。５部未満では強度増加が充分でないおそれがあり、50部を超えてもさらなる強度増加が期待できない。
セメント組成物中のシリカフュームの配合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、５〜50部が好ましい。５部未満では強度増加が充分でないおそれがあり、50部を超えてもさらなる強度増加が期待できない。
本発明で使用する減水剤としては、ナフタレン系減水剤、メラミン系減水剤、アミノスルホン酸系減水剤、及びポリカルボン酸系減水剤が挙げられる。例えば、ナフタレン系では、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」などが挙げられる。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、フローリック社製商品名「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「スーパー1000N」シリーズ、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」シリーズなどが挙げられる。
また、減水剤は液状のものだけでなく粉末状のものも使用可能である。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り、その使用量は特に限定されるものではなく、用途や要求される作業性に応じて適宜調整される。
また、減水剤は液状のものだけでなく粉末状のものも使用可能である。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り、その使用量は特に限定されるものではなく、用途や要求される作業性に応じて適宜調整される。
本発明では、高い減水性能を示し、水結合材比を低減できる面から、ポリカルボン酸系高性能減水剤又はポリカルボン酸系高性能ＡＥ減水剤の使用が好ましい。これらを使用したときに、流動性に優れた高強度のセメントコンクリートが得られる。
本発明の高強度のセメントコンクリートは、一般に、圧縮強度が60N/mm2程度以上のものを指す。水結合材比の低減と、シリカフュームによる空隙の充填とポゾラン反応により、空隙量が減少し、高強度化される。空隙量の減少に伴い、炭酸ガスや塩化物イオンなど、コンクリートの劣化要因となる物質の浸入を抑制でき、コンクリート構造物の耐久性を高めることができる。
ここで言う結合材とは、セメントやシリカフュームに加え、必要に応じて使用する潜在水硬性を示す高炉水砕スラグや、ポゾラン反応性を示すフライアッシュ、及び無水石膏を含む高強度混和材等を合わせたものをいう。
本発明で使用する水の量は、水結合材比で10〜30％が好ましく、12〜25％が好ましく、15〜20％がさらに好ましい。10％未満では練混ぜが困難で、流動性が得られにくく、施工欠陥が生じやすくなるおそれがあり、30％を超えるとシリカフュームによる空隙充填効果が小さく、水結合材比が高くなり、高強度化しにくくなるおそれがある。
本発明で使用する無水石膏としては、フッ酸製造時に副生する無水石膏や脱硫石膏、天然石膏等が挙げられ、併用により、強度がさらに増加する。
無水石膏のブレーン比表面積は、3,000〜10,000cm2/gが好ましく、4,000〜8,000cm2/gがより好ましい。3,000cm2/g未満では強度増加が充分でなくなるおそれがあり、10,000cm2/gを超えてもさらなる強度増加が期待できない。
無水石膏のブレーン比表面積は、3,000〜10,000cm2/gが好ましく、4,000〜8,000cm2/gがより好ましい。3,000cm2/g未満では強度増加が充分でなくなるおそれがあり、10,000cm2/gを超えてもさらなる強度増加が期待できない。
本発明における無水石膏の使用量は、セメント100部に対し、１〜10部が好ましく、２〜５部がより好ましい。１部未満では強度増加が充分でなくなるおそれがあり、10部を超えてもさらなる強度増加が期待できない。
本発明の高強度のセメントコンクリートで使用する骨材は特に限定されるものではない。具体例としては、例えば、ケイ砂、ケイ石、石灰石骨材、高炉水砕スラグ、及び再生骨材等の細骨材や粗骨材が挙げられる。
また、比重3.0g/cm3以上の重量骨材を使用することもでき、その具体例としては、例えば、人工骨材として、高炉徐冷スラグ、電気炉酸化期スラグ、フェロニッケルスラグ、フェロクロムスラグ、銅スラグ、亜鉛スラグ、及び鉛スラグなどを総称する非鉄精錬スラグ骨材などが、また、天然骨材としては、橄欖岩（かんらん岩）系骨材、いわゆるオリビンサンドや、エメリー鉱等が挙げられる。本発明では、これらのうちの一種又は二種以上を併用できる。
また、比重3.0g/cm3以上の重量骨材を使用することもでき、その具体例としては、例えば、人工骨材として、高炉徐冷スラグ、電気炉酸化期スラグ、フェロニッケルスラグ、フェロクロムスラグ、銅スラグ、亜鉛スラグ、及び鉛スラグなどを総称する非鉄精錬スラグ骨材などが、また、天然骨材としては、橄欖岩（かんらん岩）系骨材、いわゆるオリビンサンドや、エメリー鉱等が挙げられる。本発明では、これらのうちの一種又は二種以上を併用できる。
本発明では、さらに必要に応じて、高炉水砕スラグ微粉末、フライアッシュ、石灰石微粉末、高炉徐冷スラグ微粉末、下水汚泥焼却灰やその溶融スラグ、都市ゴミ焼却灰やその溶融スラグ、パルプスラッジ焼却灰等の混和材料、凝結調整剤、消泡剤、増粘剤、防錆剤、防凍剤、収縮低減剤、スチールファイバー、ビニロンファイバー、炭素繊維、ワラストナイト繊維等の繊維物質、ポリマー、ベントナイトなどの粘土鉱物、並びに、ハイドロタルサイトなど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。
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、既存の装置が使用可能であり、例えば、二軸ミキサ、オムニミキサ、パン型ミキサ、遊星型ミキサ、傾胴ミキサ、又はヘンシェルミキサなどが使用可能である。
以下、本発明の実験例に基づいて、本発明をさらに説明する。
実験例１
セメント100部、細骨材100部、表１に示す硫酸イオンの溶出量のシリカフューム20部、及び減水剤2.0部を配合し、水結合材比を20％として練混ぜモルタルを調製した。
調製したモルタルのモルタルフロー値を測定し、調製したモルタルで作成したφ5×10cmの供試体により、材齢28日における圧縮強度を測定した。結果を表１に併記する。
比較のため、硫酸イオンの溶出量が4,000mg/Lの従来のシリカフュームを使用して同様に行った。結果を表１に併記する。
セメント100部、細骨材100部、表１に示す硫酸イオンの溶出量のシリカフューム20部、及び減水剤2.0部を配合し、水結合材比を20％として練混ぜモルタルを調製した。
調製したモルタルのモルタルフロー値を測定し、調製したモルタルで作成したφ5×10cmの供試体により、材齢28日における圧縮強度を測定した。結果を表１に併記する。
比較のため、硫酸イオンの溶出量が4,000mg/Lの従来のシリカフュームを使用して同様に行った。結果を表１に併記する。
＜使用材料＞
セメント ：普通ポルトランドセメント、密度3.16g/cm3、ブレーン比表面積3,100cm2/g、硫酸イオンの溶出量2,500mg/L
細骨材 ：JIS R 5201準拠の標準砂
シリカフューム：フェロシリコン副生品、密度2.25g/cm3、ＢＥＴ比表面積20m2/g
減水剤Ａ ：ポリカルボン酸系高性能減水剤、市販品
セメント ：普通ポルトランドセメント、密度3.16g/cm3、ブレーン比表面積3,100cm2/g、硫酸イオンの溶出量2,500mg/L
細骨材 ：JIS R 5201準拠の標準砂
シリカフューム：フェロシリコン副生品、密度2.25g/cm3、ＢＥＴ比表面積20m2/g
減水剤Ａ ：ポリカルボン酸系高性能減水剤、市販品
＜測定方法＞
硫酸イオンの溶出量：20℃において、水シリカフューム比200％で、マグネティックスターラーにより750rpmで５分間攪拌した後、アスピレータにより吸引ろ過した。ろ液50mlを取り、10倍に希釈した濃塩酸を0.5ml加え、水で100倍に希釈した。イオンクロマトグラフ（装置名：島津製作所パーソナルイオンアナライザ PIA-1000）にて、ろ液中の硫酸イオン量を測定した。
モルタルフロー値：JIS R 5201に準拠した。
圧縮強度 ：JSCE-F506、JIS A 1108に準拠した。
硫酸イオンの溶出量：20℃において、水シリカフューム比200％で、マグネティックスターラーにより750rpmで５分間攪拌した後、アスピレータにより吸引ろ過した。ろ液50mlを取り、10倍に希釈した濃塩酸を0.5ml加え、水で100倍に希釈した。イオンクロマトグラフ（装置名：島津製作所パーソナルイオンアナライザ PIA-1000）にて、ろ液中の硫酸イオン量を測定した。
モルタルフロー値：JIS R 5201に準拠した。
圧縮強度 ：JSCE-F506、JIS A 1108に準拠した。
表１より、シリカフュームからの硫酸イオンの溶出量が3,000mg/Lを超えると、モルタルフロー値が小さくなり、流動性のよい高強度コンクリートが得られない。
実験例２
硫酸イオンの溶出量が1500mg/Lのシリカフュームを用い、表２のように、セメントとシリカフュームから溶出する硫酸イオンの量が異なるセメント組成物を使用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。
＜測定方法＞
硫酸イオンの溶出量：水（セメント＋シリカフューム）比200％で行ったこと以外は実験例１と同様。
硫酸イオンの溶出量が1500mg/Lのシリカフュームを用い、表２のように、セメントとシリカフュームから溶出する硫酸イオンの量が異なるセメント組成物を使用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。
＜測定方法＞
硫酸イオンの溶出量：水（セメント＋シリカフューム）比200％で行ったこと以外は実験例１と同様。
表２より、セメントとシリカフュームから溶出する硫酸イオンの量が4,000mg/Lを超えると、モルタルフロー値が小さくなり、流動性のよい高強度コンクリートが得られない。
実験例３
セメントとシリカフュームから溶出する硫酸イオンの量が2,800mg/Lのセメントとシリカフュームを使用し、表３のように減水剤の種類と水結合材比を変え、モルタルフロー値が250±20mmとなるように減水剤の使用量を調整したこと以外は実験例１と同様に行った。結果を表３に併記する。
セメントとシリカフュームから溶出する硫酸イオンの量が2,800mg/Lのセメントとシリカフュームを使用し、表３のように減水剤の種類と水結合材比を変え、モルタルフロー値が250±20mmとなるように減水剤の使用量を調整したこと以外は実験例１と同様に行った。結果を表３に併記する。
＜使用材料＞
減水剤Ｂ：ポリカルボン酸系高性能ＡＥ減水剤、市販品
減水剤Ｃ：ナフタレン系高性能減水剤、市販品
減水剤Ｄ：メラミン系高性能減水剤、市販品
減水剤Ｂ：ポリカルボン酸系高性能ＡＥ減水剤、市販品
減水剤Ｃ：ナフタレン系高性能減水剤、市販品
減水剤Ｄ：メラミン系高性能減水剤、市販品
表３のように、ポリカルボン酸高性能減水剤又はポリカルボン酸系高性能ＡＥ減水剤を用いたときには、水結合材比を大幅に低減しつつ、流動性に優れた高強度コンクリートが得られる。ナフタレン系高性能減水剤やメラミン系高性能減水剤を用いたときには、減水剤の使用量を増やしても、水結合材比をこれよりさらに小さくするのが難しい。
実験例４
セメントとシリカフュームから溶出する硫酸イオンの量が2,800mg/Lのセメントとシリカフュームを使用し、表４のように無水石膏を配合したこと以外は実験例１と同様に行った。結果を表４に併記する。
セメントとシリカフュームから溶出する硫酸イオンの量が2,800mg/Lのセメントとシリカフュームを使用し、表４のように無水石膏を配合したこと以外は実験例１と同様に行った。結果を表４に併記する。
＜使用材料＞
無水石膏 ：天然無水石膏、密度2.82g/cm3、ブレーン比表面積6,000cm2/g
無水石膏 ：天然無水石膏、密度2.82g/cm3、ブレーン比表面積6,000cm2/g
表４より、無水石膏を配合することにより、さらに強度を高めることができる。
本発明によれば、流動性に優れ、施工欠陥を生じず、耐久性に優れた高強度のセメントコンクリートが得られるため、土木や建築用途に広範に利用できる。
Claims (7)
- 硫酸イオンの溶出量が3,000mg/L以下のシリカフュームと無水石膏を含有してなる、ポリカルボン酸系高性能減水剤又はポリカルボン酸系高性能ＡＥ減水剤である減水剤を含む、流動性に優れ高強度が得られるセメントコンクリート用のセメント混和材。
- セメント、硫酸イオンの溶出量が3,000mg/L以下のシリカフューム、及び無水石膏を含む結合材、並びにポリカルボン酸系高性能減水剤又はポリカルボン酸系高性能ＡＥ減水剤である減水剤を含有してなる、流動性に優れ高強度が得られるセメント組成物。
- セメント100部に対して、シリカフュームが５〜50部、無水石膏が１〜10部である請求項２に記載のセメント組成物。
- 請求項２又は請求項３に記載のセメント組成物と水とを配合してなるセメントコンクリート。
- 水結合材比が10〜30％である請求項４記載のセメントコンクリート。
- 水結合材比が12〜25％である請求項４記載のセメントコンクリート。
- 水結合材比が15〜20％である請求項４記載のセメントコンクリート。
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