JP5172164B2 - 高強度コンクリートの処理方法及び高強度コンクリート硬化体 - Google Patents

Description

本発明は、主に、土木・建築業界において使用される高強度コンクリートの処理方法及び高強度コンクリート硬化体に関する。
本発明における高強度コンクリートとは、高強度モルタルや高強度コンクリートを総称するものである。

高強度コンクリートは、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。

高強度コンクリートは、水結合材比を低減し、ポゾラン反応性、充填性の効果を有する各種微粉末や高強度混和材などを配合することにより、圧縮強度を高めたコンクリートである（非特許文献１）。普通コンクリートと比較して、硬化体の空隙量が少ないため、塩化物イオンの侵入や中性化を抑制でき、コンクリート構造物の耐久性を高めることができる（非特許文献２）。しかし、水結合材比が小さく、ブリーディング（浮き水）がないか、あるいは極めて少ないため、表面が乾燥しやすく、施工後にプラスチックひび割れが発生しやすい。ひび割れが発生すると、塩化物イオンや炭酸ガスなど鉄筋コンクリートを劣化させる物質の浸入経路となり、コンクリート構造物の耐久性が損なわれる。また、高強度コンクリートでは、若材齢で乾燥を受けると、凍結融解抵抗性が小さくなる。これは、乾燥により生じたひび割れを伝って硬化体内部に水が供給され、凍結融解作用により硬化体が損傷を受けるためと考えられている。

一方、有機-無機複合型塗膜養生剤が開発されている（特許文献１）。しかし、高強度コンクリートの表面に有機-無機複合型塗膜養生剤を塗布することについては何ら開示がなく、また、どのような効果が発揮されるかについて、いかなる示唆も見当たらない。

特開２００２−２７４９７６号公報 セメント協会、Ｃ＆Ｃエンサイクロペディア、ｐｐ．２５２〜２５４、１９９６ 日本コンクリート工学協会、高強度コンクリート構造物の構造性能研究委員会報告書・論文集、ｐｐ．４７〜５３、２００６

本発明は、ひび割れがなく、塩化物イオンの侵入や中性化を抑制でき、凍結融解抵抗性が大きいコンクリート硬化体が得られる高強度コンクリートの処理方法及び高強度コンクリート硬化体を提供する。

すなわち、本発明は、（１）高強度コンクリートを打設した後、直ちに表面に、合成樹脂水性分散体、水溶性樹脂、及び膨潤性粘土鉱物を主体とする有機−無機複合型塗膜養生剤を塗布することを特徴とする、水結合材比が３５％以下の高強度コンクリートの処理方法、（２）高強度コンクリートの圧縮強度が、６０Ｎ／ｍｍ^２以上である（１）の高強度コンクリートの処理方法、（３）有機−無機複合型塗膜剤の膨潤性粘土鉱物が、合成フッ素雲母であることを特徴とする（１）又は（２）の高強度コンクリートの処理方法、（４）有機−無機複合型塗膜剤の使用量が、５０〜５００ｇ／ｍ^２であることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかの高強度コンクリートの処理方法、（５）（１）〜（４）いずれかの処理方法によって処理された高強度コンクリート硬化体、である。

本発明によれば、ひび割れがなく、塩化物イオンの侵入や中性化を抑制でき、凍結融解抵抗性が大きい高強度コンクリート硬化体が得られる。

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。

高強度コンクリートは、通常、セメント、細骨材、粗骨材、水、減水剤等を含有し、一般に圧縮強度が６０Ｎ／ｍｍ^２程度以上のものを指す。水結合材比を低減し、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、シリカフューム、無水石膏を主成分とする高強度混和材等を配合することにより、硬化体の空隙量が減少し、高強度化される。空隙量の減少に伴い、塩化物イオンの侵入や中性化を抑制でき、コンクリート構造物の耐久性を高めることができる。また、水結合材比が小さいため、硬化体内部に自由水が少なく、硬化体が緻密であり、外界から硬化体内部への水の浸入が少ないため、凍結融解抵抗性が大きい。

本発明で使用するセメントは、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、又はシリカ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、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等が挙げられ、これらのうちの１種又は２種以上が併用可能である。

本発明で使用する骨材は、特に限定されるものではない。その具体例としては、例えば、ケイ砂、ケイ石、石灰石骨材、高炉水砕スラグ細骨材及び粗骨材、再生骨材等が挙げられる。また、比重３．０ｇ／ｃｍ^３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、高炉徐冷スラグ骨材、電気炉酸化期スラグ系骨材や、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、及び鉛スラグ等を総称する非鉄精錬スラグ骨材等が、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１種又は２種以上を併用できる。

本発明で使用する減水剤は、特に限定されるものではない。その具体例としては、例えば、ナフタレン系としては、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」等が挙げられる。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」等が挙げられる。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」等が挙げられる。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「ダーレックススーパー１００ＰＨＸ」、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」等が挙げられる。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、高い減水性能を示す点から、ポリカルボン酸系の使用が好ましい。減水剤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。

本発明における高強度コンクリートの水結合材比は、３５％以下が好ましく、３０％以下がより好ましい。水結合材比が３５％を超えると高強度化しにくく、塩化物イオンの侵入や中性化を抑制でき、凍結融解抵抗性が大きい高強度コンクリート硬化体が得られにくい。ここで、結合材とは、セメントに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、シリカフューム、無水石膏を主成分とする高強度混和材等を配合したものを言う。

本発明では、セメント、骨材、流動化剤等とともに、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、ベントナイト等の粘土鉱物、並びに、ハイドロタルサイト等のアニオン交換体等のうちの１種又は２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、既存のいかなる装置も使用可能であり、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、ヘンシェルミキサ等が使用できる。

本発明で使用する有機-無機複合型塗膜養生剤は、合成樹脂水性分散体、水溶性樹脂、及び膨潤性粘土鉱物を主成分とする、また、さらに、これらと架橋剤とを主成分とするものである。

本発明で言う合成樹脂水性分散体とは、一般的には合成樹脂エマルジョンであり、芳香族ビニル単量体、脂肪族共役ジエン系単量体、エチレン系不飽和脂肪酸単量体、及びその他の共重合可能な単量体の内から一種又は二種以上を乳化重合して得られるものである。例えば、スチレンを主体としたスチレン・ブタジエン系ラテックス、スチレン・アクリル系エマルジョンやスチレンと共重合したメチルメタクリレート・ブタジエン系ラテックス、エチレン・アクリルエマルジョンである。合成樹脂エマルジョンには、カルボキシル基またはヒドロキシ基を有するものがより望ましい。
ここで、乳化重合は、重合すべき単量体を混合し、これに乳化剤や重合開始剤等を加え水系で行なう一般的な乳化重合方法である。
膨潤性粘土鉱物との配合安定性を得るには、アンモニア、アミン類、及びカセイソーダ等の塩基性物質を使用し、ｐＨ５以上に調整したものが好ましい。
合成樹脂水性分散体の粒子径は、一般的に１００〜３００ｎｍであるが、６０〜１００ｎｍ程度の小さい粒子径のものが好ましい。

水溶性樹脂としては、加工澱粉又はその誘導体、セルロース誘導体、ポリ酢酸ビニルの鹸化物又はその誘導体、スルホン酸基を有する重合体又はその塩、アクリル酸の重合体や共重合体又はこれらの塩、アクリルアミドの重合体や共重合体、ポリエチレングリコール、及びオキサゾリン基含有重合体等が挙げられ、そのうちの一種又は二種以上の使用が可能である。
水溶性樹脂として、純水への溶解度が常温で１％以上であるものであれば良く、樹脂単位重量当たりの水素結合性基又はイオン性基が１０〜６０％であることが好ましい。
また、平均分子量は２，０００〜１，０００，０００が好ましい。
水溶性樹脂の使用量は、合成樹脂水性分散体の固形分１００部に対して、固形分換算で０．０５〜２００部が好ましい。０．０５部未満では防湿性が低下する場合があり、２００部を超えると防湿性が著しく低下する場合がある。

膨潤性粘土鉱物としては、スクメタイト属に属する層状ケイ酸塩鉱物が挙げられる。例えば、モンモリロナイト、バイデライト、ノントロナイト、サポナイト、マイカ、及びベントナイトなどである。これらは天然品、合成品、及び加工処理品のいずれであっても使用可能である。
そのうち、日本ベントナイト工業会、標準試験方法ＪＢＡＳ−１０４−７７に準じた方法での膨潤力が２０ｍｌ／２ｇ以上の粘土鉱物、特に、ベントナイトが好ましい。
また、イオン交換当量が１００ｇ当たり、１０ミリ当量以上ものが好ましく、６０〜２００ミリ当量以上ものがより好ましい。
さらに、そのアスペクト比が５０〜５，０００のものが好ましい。アスペクト比とは、電子顕微鏡写真により求めた層状に分散した粘土鉱物の長さ／厚みの比である。
膨潤性粘土鉱物の使用量は、合成樹脂水性分散体の固形分１００部に対して、固形分に対して、１〜５０部が好ましい。１部未満では防湿性が低下しブロッキングが生じやすくなる場合があり、５０部を超えると塗膜養生剤の膜の変形能力が低下する場合がある。

架橋剤とは、水溶性樹脂や合成樹脂水性分散体が有するカルボキシル基、アミド基、及び水酸基等の親水性官能基と反応して、架橋、高分子化（三次元網目構造）、又は疎水化するものであり、カルボキシル基と付加反応を起こすオキサゾリン基を有するものが水溶性樹脂をも兼ねるので好ましい。
架橋剤の使用量は、合成樹脂水性分散体と水溶性樹脂の合計の固形分１００部に対して、固形分換算で０．０１〜３０部が好ましい。０．０１部未満では防湿性が低下する場合があり、３０部を超えると防湿性やブロッキング防止性が頭打ちになる。

本発明では、合成樹脂水性分散体、水溶性樹脂、及び膨潤性粘土鉱物を混合して、また、さらに、これらと架橋剤とを反応させて、塗膜養生剤を調製する。

塗膜養生剤の合成方法は、水溶性樹脂と膨潤性粘土鉱物をあらかじめ水中で混合した後に、合成樹脂水性分散体と架橋剤を混合する方法が好ましい。

塗膜養生剤の被覆方法は、均一に養生被覆膜が形成できる方法であれば特に限定されるものではなく、撒布したり、塗布したり、吹付けたりすることが可能である。
塗膜養生剤は、高強度コンクリートを打設した後、直ちに表面に塗布するのが好ましい。時間が経つと、コンクリートの表面が乾燥し、プラスチックひび割れが発生する。
このような塗膜養生剤としては、電気化学工業社の「ＲＩＳフルコート」や、東亞合成社の「ＣＡ２」シリーズを用いることができる。
本発明に係る高強度コンクリートに、本発明に係る塗膜養生剤を施すことによって、著しいひび割れ低減効果が発揮され、塩化物イオンの侵入や中性化を抑制でき、凍結融解抵抗性が大きいコンクリート硬化体が得られる。水結合材比が高く、ブリーディングが多い普通コンクリートでは、プラスチックひび割れが起こりにくく、硬化体の空隙量が多いために、塩化物イオンの侵入や中性化を抑制できず、凍結融解抵抗性が小さい。

塗膜養生剤の使用量は特に限定されるものではないが、１ｍ^２当たり、１００ｇ〜５００ｇの範囲で使用することが好ましく、１５０〜４００ｇがより好ましい。１００ｇ未満ではひび割れ抵抗性の向上効果が十分でなく、５００ｇを超えてもさらなる効果の向上が期待できない。

セメント１００部に対し、細骨材２００部と、表１に示す混和材を配合し、水結合材（セメント＋混和材）比を変えてモルタルを練混ぜた。このとき、モルタルフロー値が２００±２０ｍｍとなるように、添加量を変えて減水剤を添加した。既設コンクリート板の上に、縦３０ｃｍ、横３０ｃｍ、厚さ３ｃｍとなるようにモルタルを打設した後、直ちに有機−無機複合型塗膜養生剤を１ｍ^２当たり２００ｇ塗布した。材齢７日後にプラスチックひび割れの発生状況を観察した。その後、促進中性化による中性化抵抗性、擬似海水浸漬による塩化物イオンの浸透抵抗性を評価した。
同じ高強度モルタルから作製した４×４×１６ｃｍ、１０×１０×４０ｃｍ供試体にも塗膜剤を同量塗布し、それぞれ材齢９１日における圧縮強度試験、凍結融解試験を行った。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／ｃｍ^３、ブレーン比表面積３１００ｃｍ^２／ｇ
細骨材：ＪＩＳ Ｒ ５２０１準拠の標準砂
混和材Ａ：高炉水砕スラグ微粉末、密度２．９０ｇ／ｃｍ^３、ブレーン比表面積６０００ｃｍ^２／ｇ
混和材Ｂ：フライアッシュ、密度２．４４ｇ／ｃｍ^３、ブレーン比表面積４０００ｃｍ^２／ｇ
混和材Ｃ：シリカフューム、密度２．４４ｇ／ｃｍ^３、ＢＥＴ比表面積２０ｍ^２／ｇ
混和材Ｄ：市販の高強度混和材、電気化学工業社製「デンカΣ２０００」
減水剤：ポリカルボン酸系減水剤
有機−無機複合型塗膜養生剤：東亞合成社製、「ＣＡ２０２」、アクリル樹脂−フッ素雲母の複合型。

＜測定方法＞
モルタルフロー値：ＪＩＳ Ｒ ５２０１に準拠した。
ひび割れ抵抗性：ひび割れの本数が２本を越えた場合は×、ひび割れが１〜２本発生した場合は△、ひび割れの発生がない場合は○とした。
圧縮強度：ＪＩＳ Ｒ ５２０１に準拠した。
促進中性化：材齢１４日まで２０℃の水中養生を行った後、３０℃、相対湿度６０％、ＣＯ_２濃度５％の環境で６ヶ月養生した。硬化体を切断し、断面にフェノールフタレインの１％アルコール溶液を噴霧して赤変しなかった部分を中性化部分と見なして中性化深さを測定した。
塩化物イオンの浸透抵抗性：材齢１４日まで２０℃の水中養生を行った後、擬似海水に６ヶ月浸漬した。硬化体を切断し、硝酸銀−フルオロセイン法によって塩化物イオンの浸透深さを測定した。
凍結融解試験：材齢２８日まで２０℃の水中養生を行った後、土木学会基準「コンクリートの凍結融解試験方法」に準拠し、−１８〜５℃の振幅で、１サイクル８時間として、３００サイクルの凍結融解を行った。３００サイクル後の動弾性係数を測定し、試験開始前との相対動弾性係数を算出した。

表１から、本発明によれば、ひび割れがなく、塩化物イオンの侵入や中性化を抑制でき、凍結融解抵抗性が大きい高強度コンクリート硬化体が得られることが分かる。

実験No.1-6のモルタルを使用し、表２のように１ｍ^２当たりの塗布量を変えて有機−無機複合型塗膜養生剤を塗布したこと以外は実施例１と同様に行った。なお、比較のために、従来の塗膜養生剤を使用した場合についても同様に行った。結果を表２に併記する。

＜使用材料＞
従来の塗膜養生剤：市販の塗膜養生剤。ＥＶＡ系。

表２から、本発明によれば、ひび割れがなく、塩化物イオンの侵入や中性化を抑制できる高強度コンクリート硬化体が得られることが分かる。

実験No.1-7のモルタルを使用し、表３に示すように、打設後からの時期を変えて有機−無機複合型塗膜養生剤を１ｍ^２当たり２００ｇ塗布したこと以外は実施例１と同様に行った。ただし、打設終了後から有機−無機複合型塗膜養生剤を塗布するまでの間、モルタル表面の乾燥を防止する措置を施さなかった。材齢７日後のひび割れ発生状況を確認した。結果を表３に併記する。

表３から、本発明によれば、ひび割れがない高強度コンクリート硬化体が得られることが分かる。

本発明の高強度コンクリートの処理方法によれば、ひび割れがなく、塩化物イオンの侵入や中性化を抑制でき、凍結融解抵抗性が大きいコンクリート硬化体が得られるので、土木や建築用途に広範に利用できる。

Claims (5)

1. 高強度コンクリートを打設した後、直ちに表面に、合成樹脂水性分散体、水溶性樹脂、及び膨潤性粘土鉱物を主体とする有機−無機複合型塗膜養生剤を塗布することを特徴とする、水結合材比が３５％以下の高強度コンクリートの処理方法。
2. 高強度コンクリートの圧縮強度が、６０Ｎ／ｍｍ^２以上であることを特徴とする請求項１記載の高強度コンクリートの処理方法。
3. 有機−無機複合型塗膜剤の膨潤性粘土鉱物が、合成フッ素雲母であることを特徴とする請求項１又は２記載の高強度コンクリートの処理方法。
4. 有機−無機複合型塗膜剤の使用量が、５０〜５００ｇ／ｍ^２であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の高強度コンクリートの処理方法。
5. 請求項１〜４いずれか１項記載の処理方法によって処理された高強度コンクリート硬化体。