JP5094350B2 - 微細気泡を利用したコンクリートの製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、粗骨材、細骨材、セメント、混練水、混和剤等の各種コンクリート材料を混練処理してコンクリートを製造するコンクリートの製造装置に関する。

近年、マイクロバブルと呼ばれる直径が約５０μｍ以下の微細気泡が、生物の生理活性を促進したり、細菌やウィルス等に対する殺菌効果を有する等、様々な技術分野において有用性を発揮することが知られるようになり、メディア等でも数多く取り上げられている。ところで、このような微細気泡のメカニズム等は未だ十分に解明されておらず、依然として研究段階にあるものの、この微細気泡を利用する方法や装置の一つとして、例えば、微細気泡をセメント系材料や混練水等に混入、或いは発生させるようにしたものが幾つか提案されている。

特許文献１には、セメントミルク、モルタルまたはコンクリートの製造に際して、ＡＥ剤や発泡剤、起泡剤等の混和剤に代えてマイクロバブルを混入させる方法及び装置が記載されており、これによれば、ＡＥ剤等の混和剤を使用することなく、材料中に多数の微細な独立した気泡を一様に分布させ、ワーカビリティ及び耐凍害性等の向上を図れるとしている。また特許文献２には、流水管の途中にエアーを注入し、その後、ポンプにて加圧した後、超微細泡に砕くミキサーによって５０μｍ以下の気泡を発生させて微細泡水を製造するようにした水硬性セメント用の混練水の製造方法が記載されており、これによれば、この混練水を使用することにより、セメントを硬化促進し、セメントの節約、流動性の向上、耐久性及び作業性の向上が図れるとしている。
特開２００７−１９１３５８号公報 特開２００７−２６１２４２号公報

しかしながら、上記何れの先行発明においても実証データ等が全く添付されておらず、不明瞭な点も少なくないため、実用的な技術として十分に確立されているとは言い難く、未だ模索の段階にあると考えられる。

本発明は上記の点に鑑み、現実的で、実用性の高い、マイクロバブル等の微細気泡を有効利用したコンクリートの製造装置を提供することを課題とする。

本発明者らは、上記先行発明等と同様に、マイクロバブル等の微細気泡が有する多様な有用性に着目し、コンクリートを製造する際に混練水に微細気泡を生成させたものを使用すれば、製造したコンクリートの性状、例えば、ワーカビリティや耐凍害性等が向上するのではないかと思い至った。そして、この仮定の下、実際に、混練水に微細気泡を生成させた後、この混練水に混和剤を混入させると共に、粗骨材、細骨材、セメント等、残りのコンクリート材料と混練処理してコンクリートを製造し、このコンクリートにて供試体を作製してコンクリート試験を試みたが、微細気泡の特性上、混練水に生成させた微細気泡は生成後僅か数分程度で消失してしまうため（白濁の有無で判断可能）、いくら急いで作業しても混練時まで微細気泡を残存させておくことができず、そのためか、製造したコンクリートの性状にはほとんど何の変化も現れなかった。

そこで、本発明者らは試行錯誤を繰り返し、鋭意研究を重ねた結果、先ず、混練水に所定量の混和剤を混入させた後、この混和剤入りの混練水に微細気泡を生成させ、この微細気泡を含んだ混練水と、粗骨材、細骨材、セメント等、残りのコンクリート材料とを混練処理してコンクリートを製造するようにすれば、混和剤の効果によって微細気泡の寿命が大幅に延び、混練時においても混練水に微細気泡が十分に残存したままの状態（白濁がほとんど消失していない状態）で使用できることを見い出した。そして、このようにして製造したコンクリートにて作製した供試体に対してコンクリート試験を試みたところ、明確な理由は定かではないものの、混練水の微細気泡の影響によって、通常の混練水を使用して製造したコンクリートと比較して圧縮強度が増進するという非常に顕著な優位性が確認され、これであれば微細気泡を有効利用するコンクリートの製造装置として十分に現実的で実用的なものとして成り立つと考えた。

即ち、上記課題を解決するために、本発明に係る請求項１記載の微細気泡を利用したコンクリートの製造装置では、粗骨材、細骨材、セメント、混練水、混和剤の各種コンクリート材料を計量槽にて計量し、計量したこれら各種コンクリート材料をミキサにて混練処理してコンクリートを製造するコンクリート製造装置であって、混和剤計量槽にて計量した混和剤を水計量槽に投入する混和剤投入配管を備えると共に、水計量槽にて計量した混練水をミキサに投入する水投入配管を備え、該水投入配管の途中には水計量槽より払い出される混練水を加圧してミキサに送り出すラインポンプを介在させると共に、該ラインポンプの下流側には微細気泡生成手段を介在させ、該微細気泡生成手段に前記水計量槽より払い出される混和剤を混入した混練水をラインポンプにて加圧しながら通過させることにより混練水に微細気泡を生成させ、混和剤中の界面活性剤の作用によって微細気泡の短時間の消失を阻止してミキサでの他のコンクリート材料との混練時に微細気泡が残存するように構成すると共に、前記微細気泡生成手段の下流側の水投入配管内に付着残留する気泡状の混練水を圧縮空気にてミキサ内へと噴き出させるエアポンプを備えたことを特徴としている。

本発明に係る微細気泡を利用したコンクリート製造装置によれば、混和剤計量槽にて計量した混和剤を水計量槽に投入する混和剤投入配管を備えると共に、水計量槽にて計量した混練水をミキサに投入する水投入配管を備え、該水投入配管の途中には水計量槽より払い出される混練水を加圧してミキサに送り出すラインポンプを介在させると共に、該ラインポンプの下流側には微細気泡生成手段を介在させ、該微細気泡生成手段に前記水計量槽より払い出される混和剤を混入した混練水をラインポンプにて加圧しながら通過させることにより混練水に微細気泡を生成させ、混和剤中の界面活性剤の作用によって微細気泡の短時間の消失を阻止してミキサでの他のコンクリート材料との混練時に微細気泡が残存するように構成すると共に、前記微細気泡生成手段の下流側の水投入配管内に付着残留する気泡状の混練水を圧縮空気にてミキサ内へと噴き出させるエアポンプを備えたので、混練水の微細気泡の影響によって製造したコンクリートの圧縮強度を増進させることができると共に、水投入配管内に気泡状の混練水が付着残留すると、エアポンプにて圧縮空気を噴き出して付着物を除去でき、製品の品質面及びメンテナンス面にも好ましいものとなる。

本発明に係る微細気泡を利用したコンクリート製造装置にあっては、混和剤計量槽にて計量したＡＥ剤やＡＥ減水剤等の混和剤を水計量槽に投入する混和剤投入配管と、水計量槽にて計量した混練水をミキサに投入する水投入配管とをそれぞれ備えると共に、水投入配管の途中には微細気泡生成手段である、例えばマイクロバブル生成装置を介在させる。そして、計量を終えた混和剤を混和剤投入配管を介して水計量槽内の混練水に混入させた後、この混和剤を混入した混練水を水投入配管より払い出して途中のマイクロバブル生成装置を通過させることにより、混練水内にマイクロバブル等の微細気泡を生成させていく。このとき、混練水に生成させた微細気泡は、混和剤の効果によって短時間では消失せず、多くの微細気泡が比較的長時間残存し続ける。こうして、微細気泡を多く含んだ混練水を、粗骨材や細骨材、セメント等、残りのコンクリート材料と共に、ミキサにて所定時間混練処理を行ってコンクリートを製造していく。

そして、このようにして製造したコンクリートは、混練水中のマイクロバブル等の微細気泡の何らかの影響により、通常の混練水を使用して製造したコンクリートと比較して高い圧縮強度を発現し、非常に顕著で優れた性状となって好適であり、マイクロバブル等の微細気泡をコンクリートの製造装置に極めて現実的かつ実用的に有効利用することが可能となる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明を採用したコンクリート製造装置の要部の概略図であって、図中の１は各種コンクリート材料を混練処理する二軸式ミキサである。図２は前記二軸式ミキサ１の詳細な平面図（ａ）、及び側断面図（ｂ）であり、混練槽２に二本の平行な混練軸３を貫通させ、それぞれ相反方向に回転自在に軸支していると共に、該混練軸３の周囲には軸線に沿って螺旋状になるように多数のアーム４を突設し、各アーム４の先端部には混練羽根５を取り付けており、駆動モータ６の駆動に応じて各混練軸３を相反方向に回転させ、それに伴って回転する各混合羽根５により混合槽２内の各種コンクリート材料を混練処理可能としている。

前記二軸式ミキサ１の上位には、コンクリート材料である砂利等の粗骨材を計量する粗骨材計量槽７と、砂等の細骨材を計量する細骨材計量槽８と、セメントを計量するセメント計量槽９、及び混練水を計量する水計量槽１０をそれぞれ配設していると共に、前記水計量槽１０の上位には、ＡＥ剤やＡＥ減水剤等の混和剤を計量する混和剤計量槽１１を配設している。

また、前記混和剤計量槽１１の下端部には、計量した混和剤を払い出して下位の水計量槽１０に投入させる混和剤投入配管１２を連結していると共に、水計量槽１０の下端部には、計量した混練水を払い出して下位のミキサ１に投入させる水投入配管１３を連結しており、混和剤計量槽１１より払い出される混和剤は、水計量槽１０にて計量した混練水に混入した後、この混練水と共にミキサ１へ投入するように構成している。

前記水投入配管１３の途中には、水計量槽１０より払い出される混練水を加圧して短時間にてミキサ１に送り出すためのラインポンプ１４を介在させていると共に、該ラインポンプ１４の下流側には、微細気泡生成手段であるマイクロバブル生成装置１５を介在させている。

前記マイクロバブル生成装置１５は、エアポンプと気泡発生部とを主体に構成され、エアポンプの駆動に伴って気泡発生部内に空気を送り込むと、気泡発生部内に形成された千鳥構造の内壁によって空気が細かく剪断されていき、やがて５０μｍ以下のマイクロバブル等の微細気泡が生成される構造となっており、水計量槽１０より水投入配管１３を介してミキサ１に払い出される混練水に対し、必要に応じて適宜マイクロバブル等の微細気泡を生成可能としている。

なお、マイクロバブル生成装置１５は、必ずしも上記のような構造のものを採用する必要はなく、例えば、高圧下で空気を大量に溶解させた後、減圧によって再気泡化させて微細気泡を生成させる、所謂加圧減圧法と呼ばれるものや、ベンチュリー管に水と空気とを一緒に通すことにより微細気泡を生成させるようにしたもの等、様々な構造のものを採用することができ、要は混練水に安定してマイクロバブル等の微細気泡を生成できるものであればよい。

そして、水道水等の純粋な混練水にマイクロバブル等の微細気泡を生成させた場合、マイクロバブル等の微細気泡は僅か数分程度で消失してしまうが、本実施例のように、水道水等に所定量のＡＥ剤やＡＥ減水剤等の混和剤を予め混入させた混練水にマイクロバブル等の微細気泡を生成させた場合には、マイクロバブル等の微細気泡は混和剤中の界面活性剤の作用によって短時間では消失せず、ミキサ１投入後も比較的長時間に亘って残存させ続けることを可能としている。

１６は水投入配管１３に接続したエアポンプであって、マイクロバブル生成装置１５にて生成した微細気泡の影響により、水投入配管１３内に気泡状の混練水が付着残留した場合には、前記エアポンプ１６より水投入配管１３内に適宜圧縮空気を送り込み、ミキサ１内へ噴き出させるようにしている。

そして、上記構成のコンクリート製造装置にてコンクリートを製造する場合には、先ず、粗骨材計量槽７にて粗骨材を、細骨材計量槽８にて細骨材を、セメント計量槽９にてセメントをそれぞれ計量する一方、混和剤計量槽１１にて混和剤を計量し、この混和剤を混和剤投入配管１２を介して下位の水計量槽１０に投入し、水計量槽１０にて計量される混練水に混入させる。そして、計量を終えたこれら各種コンクリート材料をそれぞれ所定のタイミングにて払い出して下位のミキサ１に投入していくが、水計量槽１０より水投入配管１３を介して払い出される混練水は、その途中に介在させたマイクロバブル生成装置１５を通過することによって、混練水内に適宜量のマイクロバブル等の微細気泡を生成させながらミキサ１に投入される。

このとき、混練水に生成させたマイクロバブル等の微細気泡は、予め混練水に混入させたＡＥ剤やＡＥ減水剤等の混和剤の効果によって短時間では消失することはなく、ミキサ１投入後も多くのマイクロバブル等の微細気泡が比較的長時間残存し続ける。こうして、マイクロバブル等の微細気泡を多く含んだ混練水を、一緒に投入した粗骨材や細骨材、セメント等、残りのコンクリート材料と所定時間混練処理を行い、所望のコンクリートを製造してミキサ１より排出する。

次に、上記構成のコンクリート製造装置にて製造されるコンクリートの性状について、下記の通り実証試験（コンクリート試験）を行った。

先ず、使用するコンクリート材料を表１に、配合を表２にそれぞれ示す。

そして、表１の各種コンクリート材料を表２の配合表に従い、図２に示すような、混練容量６０リットルの強制二軸式ミキサに投入してミキサを始動させ、３０秒後に混練水を投入し、その後１２０秒間混練してコンクリートを製造した。混練終了後、ミキサよりコンクリートを排出し、直ちにスランプと空気量とを測定して確認する一方、供試体（１００ｍｍ径×２００ｍｍの標準円柱）を作製した。

このとき、水道水をそのまま混練水として使用したものを（Ｎ）、水道水にマイクロバブルを生成させてから（混練時点にはマイクロバブルはほぼ消失）混練水として使用したものを（ＭＢ）、予め混和剤を混入させた水道水にマイクロバブルを生成させてから（混練時点にもマイクロバブルは十分に残存）混練水として使用したものを（Ａｄ−ＭＢ）とした。

なお、水道水にマイクロバブルを生成させるにあたり、微細気泡生成手段であるマイクロバブル生成装置（株式会社アスプ製、型式ＡＳ−Ｋ２）を使用した。このマイクロバブル生成装置は、前記説明した通り、ポンプと気泡発生部を主体に構成され、ポンプの駆動に伴って気泡発生部内に空気を圧送すると、気泡発生部内に形成された千鳥構造の内壁によって空気が細かく剪断されていき、やがて５０μｍ以下のマイクロバブル等の微細気泡が生成される構造となっている。

そして、前記各供試体の圧縮強度試験（ＪＩＳ Ａ １１０８）を材齢９１日まで行った。その結果を図３に示すが、混練水中にマイクロバブルが存在しない（Ｎ）、若しくはほとんど存在しない（ＭＢ）では、材齢７日時点での圧縮強度が共に２４Ｎ／ｍｍ^２程度であるのに対し、混練水中にマイクロバブルが多く存在する（Ａｄ−ＭＢ）では２６Ｎ／ｍｍ^２程度であり、マイクロバブルの存在によって約６％程度の強度増進の効果が確認された。また、材齢２８日時点の圧縮強度では、（Ｎ）、（ＭＢ）が共に３１Ｎ／ｍｍ^２程度であるのに対し、（Ａｄ−ＭＢ）では３４Ｎ／ｍｍ^２程度であり、約９％程度の強度増進の効果が確認され、また材齢９１日時点の圧縮強度では、（Ｎ）、（ＭＢ）が共に３６Ｎ／ｍｍ^２程度であるのに対し、（Ａｄ−ＭＢ）では３９Ｎ／ｍｍ^２程度であり、約７％程度の強度増進の効果が確認された。

また、各供試体の乾燥による質量減少率も圧縮強度と併せて計測したのでその結果を図４に示すが、混練水中にマイクロバブルが存在しない（Ｎ）、若しくはほとんど存在しない（ＭＢ）はほぼ同一の値であるのに対し、混練水中にマイクロバブルが多く存在する（Ａｄ−ＭＢ）では、（Ｎ）、（ＭＢ）よりも終始低い値であった。

上記試験結果より、コンクリートの製造過程において、予めＡＥ剤やＡＥ減水剤等の混和剤を混入させた混練水を、微細気泡生成手段である、例えばマイクロバブル生成装置を通過させて微細気泡を生成させることにより、この混練水中に存在する微細気泡が何らかの影響をもたらして、製造したコンクリートの圧縮強度を大きく増進させることが確認された。

このように、本発明の微細気泡を利用したコンクリートの製造装置によれば、混和剤計量槽にて計量した混和剤を水計量槽の混練水に投入して混入させ、この混和剤を予め混入させた混練水を、水投入配管に介在させたマイクロバブル生成装置等の微細気泡生成手段を通過させることで、混和剤中の界面活性剤の作用によって混練水内に生成されるマイクロバブル等の微細気泡を比較的長時間に亘って残存可能とし、この微細気泡が多く含まれる混練水を、ミキサにて粗骨材、細骨材、セメント等、残りのコンクリート材料と混練処理してコンクリートを製造することにより、コンクリートの圧縮強度を大きく増進させ、顕著な優位性をもたらすことができて好適であり、マイクロバブル等の微細気泡をコンクリートの製造に極めて現実的かつ実用的に有効利用することが可能となる。

なお、本実施例においては、微細気泡生成手段としてマイクロバブル生成装置を採用し、このマイクロバブル生成装置に混練水を通過させることにより、マイクロバブルを生成させるようにしているが、ごく最近では、直径がマイクロバブルよりも遙かに小さく、より顕著な有用性を発揮すると考えられている、マイクロナノバブルやナノバブルと呼ばれる微細気泡の生成が可能になりつつあるとの報道がなされており、微細気泡生成手段としてこれらマイクロナノバブルやナノバブルの生成装置を採用することも十分に可能である。

本発明の微細気泡を利用したコンクリートの製造装置の一実施例を示す要部概略説明図である。 図１のミキサの平面図（ａ）と、側断面図（ｂ）である。 本装置にて製造されるコンクリートで作成した供試体の圧縮強度試験結果を比較したグラフである。 本装置にて製造されるコンクリートで作成した供試体の乾燥による質量減少率を示すグラフである。

符号の説明

１…ミキサ ７…粗骨材計量槽
８…細骨材計量槽 ９…セメント計量槽
１０…水計量槽 １１…混和剤計量槽
１２…混和剤投入配管 １３…水投入配管
１４…ラインポンプ
１５…マイクロバブル生成装置（微細気泡生成手段）

Claims (1)

1. 粗骨材、細骨材、セメント、混練水、混和剤の各種コンクリート材料を計量槽にて計量し、計量したこれら各種コンクリート材料をミキサにて混練処理してコンクリートを製造するコンクリート製造装置であって、混和剤計量槽にて計量した混和剤を水計量槽に投入する混和剤投入配管を備えると共に、水計量槽にて計量した混練水をミキサに投入する水投入配管を備え、該水投入配管の途中には水計量槽より払い出される混練水を加圧してミキサに送り出すラインポンプを介在させると共に、該ラインポンプの下流側には微細気泡生成手段を介在させ、該微細気泡生成手段に前記水計量槽より払い出される混和剤を混入した混練水をラインポンプにて加圧しながら通過させることにより混練水に微細気泡を生成させ、混和剤中の界面活性剤の作用によって微細気泡の短時間の消失を阻止してミキサでの他のコンクリート材料との混練時に微細気泡が残存するように構成すると共に、前記微細気泡生成手段の下流側の水投入配管内に付着残留する気泡状の混練水を圧縮空気にてミキサ内へと噴き出させるエアポンプを備えたことを特徴とする微細気泡を利用したコンクリートの製造装置。

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