JP5240540B2

JP5240540B2 - 超高強度モルタル組成物、超高強度コンクリート組成物、及び超高強度モルタル組成物の製造方法

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Publication number: JP5240540B2
Application number: JP2007024186A
Authority: JP
Inventors: 晃大野; 眞悟蛇見; 健之君島
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2007-02-02
Filing date: 2007-02-02
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2027-02-02
Also published as: JP2008189491A

Description

本発明は、超高強度モルタル組成物、超高強度コンクリート組成物、及び超高強度モルタル組成物の製造方法に関する。

従来、セメント組成物中にＢＥＴ比表面積が２０ｍ²／ｇを上回るような鉱物質微粉末を添加することにより、そのボールベアリング効果による水／セメント比の低減、マイクロフィラー効果による充填性の向上、並びにポゾラン反応等の発揮により、高強度コンクリートを製造する方法が知られている。

また、水／セメント比が０．２５を下回るような場合においては、前記鉱物質微粉末の粒径が細か過ぎると該微粉末の吸着性が過大となって流動性に悪影響を及ぼすため、前記ＢＥＴ比表面積よりも小さなＢＥＴ比表面積の（即ち、粒径の大きな）鉱物質微粉末を用いることも知られている。

例えば、下記特許文献１には、ＢＥＴ比表面積が５〜２０ｍ²／ｇの微粉末を添加することにより、水／セメント比が０．２５を下回る場合（例えば０．１８）においても良好なワーカビリティーを得るとともに高強度のコンクリートを得ることが開示されている。

また、下記特許文献２には、ＢＥＴ比表面積が５〜１７ｍ²／ｇの微粉末を無水石膏とともに所定の配合で添加することにより、水／セメント比が０．２５を下回る場合（例えば０．２３）においても良好な流動性と温度に対する安定性を実現し、さらに高強度のコンクリートが得られることが開示されている。

さらに、下記特許文献３には、ＢＥＴ比表面積が８〜１３ｍ²／ｇの微粉末を所定の配合割合で添加することにより、水／結合材比が０．１４〜０．１８の場合においても、モルタルの流動化に要する時間を短縮させうることが開示されている。

特開２０００−７４００号公報特開２００６−２４８８２８号公報特開２００６−１８０１号公報

しかしながら、上記のような従来技術では、水／セメント比をさらに低減し、例えば材齢９１日での圧縮強度が１８０(N/mm²)を超えるような超高強度の硬化体を作製するような場合には、所定の流動性を発揮して優れたワーカビリティーを有するモルタルやコンクリートを得ることは困難であった。

本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するために成されたものであり、水／結合材比を０．２以下として超高強度の硬化体を作製するような場合であっても、所定の流動性を有し優れたワーカビリティーを発揮する超高強度モルタル組成物又は超高強度コンクリート組成物を得ることを一の目的とする。

本発明者らが鋭意研究したところ、従来よりも小さい所定範囲のＢＥＴ比表面積を有するフライアッシュを所定の配合割合で用いるとともに、セメント分散剤としてポリカルボン酸系分散剤を用いることにより、従来よりも水／結合材比を下げた場合であってもワーカビリティーを良好に維持しつつ超高強度の硬化体を作成しうる超高強度モルタル組成物が得られることを見い出し、本発明を想到するに至った。
即ち、本発明は、ポルトランドセメント（Ａ）と、ＢＥＴ比表面積が２ｍ²／ｇ以上５ｍ²／ｇ未満であるフライアッシュ（Ｂ）と、水（Ｃ）と、セメント分散剤（Ｄ）とを含んでなる超高強度モルタル組成物であって、前記ポルトランドセメント（Ａ）と前記フライアッシュ（Ｂ）との質量比が９０：１０〜７０：３０であり、水／結合材比（Ｃ／（Ａ＋Ｂ））が０．１〜０．１５であり、前記セメント分散剤（Ｄ）がポリカルボン酸系分散剤を含有していることを特徴とする超高強度モルタル組成物を提供する。

本発明に係る超高強度モルタル組成物によれば、ＢＥＴ比表面積が２ｍ²／ｇ以上５ｍ²／ｇ未満であるフライアッシュを用いることにより、水のフライアッシュへの吸着量を減らし、水／結合材比（Ｃ／（Ａ＋Ｂ））が０．１〜０．１５である場合においてもモルタルの流動性を良好な状態に保ち、しかも、材齢９１日での圧縮強度が１８０(N/mm²)を超えるような超高強度の硬化体を作製することが可能となる。

また、前記フライアッシュは、ポルトランドセメントの分散に好適なセメント分散剤であるポリカルボン酸系分散剤による分散性が優れるため、ナフタレン系などの他の分散剤を使用する必要がなく、或いは、ナフタレン系などの他の分散剤と併用する場合と比較して少量のポリカルボン酸系分散剤により所定の流動性を確保することが可能となる。

また、本発明は、上記の如き超高強度モルタル組成物に、粗骨材が配合されてなる超高強度コンクリート組成物を提供する。

さらに、本発明は、ＢＥＴ比表面積が２ｍ²／ｇ以上５ｍ²／ｇ未満であるフライアッシュ（Ｂ）と、水（Ｃ）と、ポリカルボン酸系分散剤（Ｄ）とを混合してスラリーを調製し、該スラリーとポルトランドセメント（Ａ）とを、前記フライアッシュ（Ｂ）と該ポルトランドセメント（Ａ）との質量比が９０：１０〜７０：３０となる割合で且つ水／結合材比（Ｃ／（Ａ＋Ｂ））が０．１〜０．１５となる割合で混合することを特徴とする超高強度モルタル組成物の製造方法を提供する。

このように、本発明によれば、水／セメント比を０．２以下とし、例えば材齢９１日での圧縮強度が１８０(N/mm²)を超えるような超高強度の硬化体を作製するような場合であっても、所定の流動性を発揮して優れたワーカビリティーを有する超高強度モルタル組成物、及び超高強度コンクリート組成物を得ることができる。

本発明において使用するポルトランドセメント（Ａ）は、特に限定されるものではなく、普通、早強、超早強、白色、耐流酸塩、中庸熱、低熱などの各種ポルトランドセメントを使用することができる。また、本発明の目的を阻害しない範囲内において、該ポルトランドセメントに高炉スラグ等を混合してなる混合セメントや、ジェットセメント、アルミナセメントなどの特殊セメントなどを使用することも可能である。

これらのポルトランドセメント（Ａ）の中でも、特に低熱ポルトランドセメントが好ましい。低熱ポルトランドセメントを用いることにより、単位セメント量が多いモルタルやコンクリートでも、温度ひび割れの発生を防ぐことができるという効果がある。

本発明において使用するフライアッシュは、ＢＥＴ比表面積が２ｍ²／ｇ以上５ｍ²／ｇ未満であり、好ましくはＢＥＴ比表面積が３ｍ²／ｇ以上５ｍ²／ｇ未満のものである。
ＢＥＴ比表面積が２ｍ²／ｇ未満では、ボールベアリング効果が発揮され難くなり、低水／結合材比におけるモルタルやコンクリートに良好な流動性を発現させることが困難となる。
また、ＢＥＴ比表面積が５ｍ²／ｇ以上では、フライアッシュによる吸着作用が過大となり、水やセメント混和剤の吸着量が増えてしまうため、同様に、低水／結合材比におけるモルタルやコンクリートに良好な流動性を発現させることが困難となる。

また、前記フライアッシュは、平均粒径が０．０５〜１．５μｍであるものが好ましく、０．１〜１．０μｍであるものがより好ましい。フライアッシュの平均粒径が前記範囲内であれば、該フライアッシュによるボールベアリング効果やマイクロフィラー効果がより一層顕著なものとなる。

尚、フライアッシュの平均粒径は、セメント協会「標準試験方法（ＣＡＪＳＫ−０３−１９８２／エア・ジェット式ふるい装置による粉末度試験方法）」に基づいて測定したものである。

該フライアッシュの配合量は、前記ポルトランドセメント（Ａ）と該フライアッシュ（Ｂ）との質量比が９０：１０〜７０：３０となる量であり、好ましくは８５：１５〜７０：３０となる量とする。
フライアッシュの配合量が上記範囲よりも少ない場合には、該フライアッシュによる作用効果が発揮され難くなり、低水／結合材比におけるモルタルやコンクリートに良好な流動性を発現させることが困難となる。また、フライアッシュの配合量が上記範囲よりも多い場合には、硬化体の強度が低下し、超高強度の硬化体を得ることが困難となる。

上記のようなＢＥＴ比表面積を有するフライアッシュは、ＢＥＴ比表面積の小さいフライアッシュを粉砕及び／又は分級することにより得ることができる。

また、一般的なフライアッシュはシリカフュームと比較して粒径が著しく大きいため、シリカフュームのような作用効果は得られにくいと考えられていたが、上記のようなＢＥＴ比表面積となるように調製することにより、シリカフュームと同等以上の優れた作用効果を発揮することが可能となる。

即ち、フライアッシュは火力発電所等で発生する副産物であり、国内で安価かつ大量に供給されるものであるため、従来多用されているシリカフュームと比較して、低コストで超高強度モルタル組成物、超高強度コンクリート組成物を作成できるという利点がある。
また、従来多用されていたシリカフュームの分散にはナフタレン系の分散剤を使用することが好ましく、セメントの分散に好ましいとされているポリカルボン酸系の分散剤と合わせて２種類の分散剤を使用する必要があり、このような２種類の分散剤を併用することによって流動性に悪影響を及ぼす場合があった。
これに対し本発明で用いるフライアッシュは、セメントと同じポリカルボン酸系の分散剤によって優れた分散性を発揮し、分散剤が１種類で済むとともに工程管理が簡略になり、流動性に悪影響を及ぼすこともなく、しかも、モルタルやコンクリートの品質が向上するという利点がある。

さらに、上記のようなＢＥＴ比表面積を有するフライアッシュを用いることにより、従来のシリカフュームよりも水及び混和剤の吸着量が低減されるため、水／結合材比が極めて低い場合であっても、流動性に優れたモルタル組成物及びコンクリート組成物を得ることが可能となり、ワーカビリティーの改善を図ることができる。

本発明におけるセメント分散剤（Ｄ）としては、ポリカルボン酸系の分散剤であれば特に限定されるものではなく、種々のものを用いることができる。具体的には、分子中の側鎖の立体障害作用によりセメントを分散させるポリカルボン酸系の分散剤であればよく、市販品として、（株）ポゾリス物産のレオビルドＳＰ８ＬＳ、同ＳＰ８Ｎ、同ＳＰ８Ｓ、同ＳＰ８ＳＶ、同ＳＰ８ＳＥ、同ＳＰ８ＳＢＳ、同ＳＰ８ＳＢＭ、同ＳＰ８ＳＢＬ、同ＳＰ８ＳＢＬＬ、同ＳＰ８ＨＶ、同ＳＰ８ＨＥ、花王（株）のマイティ３０００Ｓ、同３０００Ｈ、同３０００Ｖ、グレースケミカルズ（株）のダーレックススーパー１００ＰＨＸ、同１００ＰＨＷ、同１００ＰＥＣ、竹本油脂（株）のチューポールＨＰ−８、同ＨＰ−１１、同ＳＳＰ−１０４、日本シーカ（株）のシーカメント１１００ＮＴ、同２３００、及び（株）フローリックのフローリックＳＦ５００Ｓ、同ＳＦ５００Ｈ等を挙げることができる。

前記ポリカルボン酸の添加量は、前記ポルトランドセメント（Ａ）１００質量部に対して、０．０２質量部以上０．５質量部未満とすることが好ましく、０．０２質量部以上０．３質量部未満とすることがより好ましい。

本発明における水／結合材比（Ｃ／（Ａ＋Ｂ））は、０．１〜０．１５であり、好ましくは０．１３〜０．１５、特に好ましくは０．１４〜０．１５とする。
水／結合材比が上記範囲よりも大きい場合には、超高強度の硬化体が得られ難く、また、上記のようなＢＥＴ比表面積を有するフライアッシュを用いることによる作用効果も発揮され難くなる。

尚、本発明における水／結合材比とは、結合材となるセメント、及びポゾラン活性又は水硬性を有するセメント用混和材（シリカフューム、フライアッシュ、高炉スラグ微粉末など）の合計質量に対する水の質量である。また、該水の質量は、使用するセメント混和剤等に含まれる水をも合わせた質量である。

本発明に係る超高強度モルタル組成物の製造方法の一実施形態は、上述の如きフライアッシュ（Ｂ）と、水（Ｃ）と、前記ポリカルボン酸系分散剤（Ｄ）とを混合してスラリーを調製し、その後、該スラリーとポルトランドセメント（Ａ）とを混合するものである。ポルトランドセメント（Ａ）とを混合する際には、フライアッシュの分散に使用するのと同じポリカルボン酸系分散剤（Ｄ）を使用することができる。また、前記フライアッシュ（Ｂ）のスラリーと、ポルトランドセメントとを均一に混練した後には、所定量の細骨材を添加混合すればよい。ここで、前記フライアッシュ（Ｂ）と該ポルトランドセメント（Ａ）との質量比、及び水／結合材比（Ｃ／（Ａ＋Ｂ））は、上述のような範囲内とする。

斯かる製造方法によれば、フライアッシュと水とポリカルボン酸系分散剤とを、ポルトランドセメントとは別に混合してスラリーとすることにより、微粒子であるポリカルボン酸系分散剤を速やかに良好な分散状態とすることができ、その後、ポルトランドセメントを該スラリーと混合した際に、流動性に優れたモルタル組成物を速やかに得ることができるという効果がある。
また、フライアッシュを良好な分散状態としておくことにより、硬化体の強度をより一層高めうるという効果がある。

尚、前記スラリーとポルトランドセメントとを混合する際には、細骨材の他、必要に応じて任意のセメント混和材を添加してもよい。

また、前記スラリーの調製、及びスラリーとポルトランドセメントとの混合に際しては、従来公知の各種コンクリートミキサ等を用いることができる。

さらに、本発明に係る超高強度コンクリート組成物は、上記のような超高強度モルタル組成物に、粗骨材が配合されてなるものである。

下記表１に、使用した材料を示す。尚、ポリカルボン酸系分散剤としては、３種の高性能ＡＥ減水剤、即ち、日本シーカ（株）のシーカメント１２００Ｎ（主成分：ポリカルボン酸系化合物）、（株）ポゾリス物産のレオビルドＳＰ８ＳＢＳ（主成分：ポリカルボン酸エーテル系化合物と分子内架橋ポリマーの複合体）、竹本油脂（株）のチューポールＨＰ−８（主成分：末端スルホン酸基を有するポリカルボン酸基含有多元ポリマー）を使用した。

（混和材の分散性の評価）
分級フライアッシュ１（ＦＡ１）及びシリカフューム（ＳＦ）について、これらの混和材の濃度が６０重量％となるスラリーを調製する際に必要となる、ポリカルボン酸系高性能ＡＥ減水剤（ＳＰ１）、及びナフタレン系減水剤（ＳＰ２）の使用量を調べた。結果を下記表２に示す。

表２に示す如く、従来多用されているシリカフュームは、ポリカルボン酸系高性能ＡＥ減水剤では分散せず、ナフタレン系減水剤を比較的多量に添加しなければ分散させることができなかった。これに対し、分級フライアッシュ１（ＦＡ１）では、セメントの分散に用いるポリカルボン酸系高性能ＡＥ減水剤（ＳＰ１）を比較的少量加えるだけで、該混和材をスラリー状とすることが可能であった。

実施例１
下記表３に示す配合（水／結合材比０．１４３）で、各材料を容量５５リットルの２軸強制練りミキサを用いて練り混ぜ、実施例１の超高強度モルタル組成物を調製した。具体的な手順としては、分級フライアッシュ１（ＦＡ１）をセメント（Ｃ）、水（Ｗ）、及びセメント分散用のポリカルボン酸系高性能ＡＥ減水剤（ＳＰ１）とともに混練し、その後、骨材（Ｓ３、Ｓ４及びＳ７）を添加混合する方法で行った。

実施例２
下記表３に示す配合（水／結合材比０．１４３）で、各材料を容量５５リットルの２軸強制練りミキサを用いて練り混ぜ、実施例２の超高強度モルタル組成物を調製した。具体的な手順としては、分級フライアッシュ１（ＦＡ１）を予め一部の水（Ｗ）、及び、前記分級フライアッシュ１（ＦＡ１）に対して０．１重量％のポリカルボン酸系高性能ＡＥ減水剤（ＳＰ１）と混練して混和材濃度が６０重量％のスラリーを調製し、次にセメント（Ｃ）及び残りの水（Ｗ）、並びにセメント分散用のポリカルボン酸系高性能ＡＥ減水剤（ＳＰ１）を加えて混練し、最後に骨材（Ｓ３、Ｓ４及びＳ７）を混合する方法で行った。尚、表３に示したポリカルボン酸系高性能ＡＥ減水剤（ＳＰ１）の添加量は、分級フライアッシュ１（ＦＡ１）のスラリー調製に用いたものと、セメントの分散に用いたものとの合計量である。

実施例３
下記表３に示す如く、セメントの配合量を３４０４ｇに減らし、混和材の配合量を６００ｇに増すことを除き、他は実施例１と同様にして実施例３の超高強度モルタル組成物を調製した。

実施例４
下記表３に示す如く、セメントの配合量を３４０４ｇに減らし、混和材の配合量を６００ｇに増すことを除き、他は実施例２と同様にして実施例４の超高強度モルタル組成物を調製した。

実施例５
下記表３に示す如く、ポリカルボン酸系分散剤として、ＳＰ１の代わりにＳＰ３を使用したことを除き、他は実施例４と同様にして実施例５の超高強度モルタル組成物を調製した。

実施例６
下記表３に示す如く、ポリカルボン酸系分散剤として、ＳＰ１の代わりにＳＰ４を使用したことを除き、他は実施例４と同様にして実施例６の超高強度モルタル組成物を調製した。

比較例１
下記表３に示す配合（水／結合材比０．１４３）で、各材料を容量５５リットルの２軸強制練りミキサを用いて練り混ぜ、比較例１の超高強度モルタル組成物を調製した。具体的な手順としては、シリカフューム（ＳＦ）をセメント（Ｃ）、水（Ｗ）、及びセメント分散用のポリカルボン酸系高性能ＡＥ減水剤（ＳＰ１）とともに混練し、その後、骨材（Ｓ３、Ｓ４及びＳ７）を混合する方法で行った。

比較例２
下記表３に示す配合（水／結合材比０．１４３）で、各材料を容量５５リットルの２軸強制練りミキサを用いて練り混ぜ、比較例２の超高強度モルタル組成物を調製した。具体的な手順としては、シリカフューム（ＳＦ）を予め一部の水（Ｗ）、及び、該シリカフューム（ＳＦ）に対し０．３重量％のナフタレン系減水剤（ＳＰ２）と混練して混和材濃度が６０重量％のスラリーを調製し、次にセメント（Ｃ）及び残りの水（Ｗ）、並びにセメント分散用のポリカルボン酸系高性能ＡＥ減水剤（ＳＰ１）を加えて混練し、最後に骨材（Ｓ３、Ｓ４及びＳ７）を混合する方法で行った。

比較例３
下記表３に示す如く、セメントの配合量を３４０４ｇに減らし、混和材の配合量を６００ｇに増すことを除き、他は比較例１と同様にして比較例３の超高強度モルタル組成物を調製した。

比較例４
下記表３に示す如く、セメントの配合量を３４０４ｇに減らし、混和材の配合量を６００ｇに増すことを除き、他は比較例２と同様にして比較例４の超高強度モルタル組成物を調製した。

比較例５
下記表３に示す如く、混和材として通常のフライアッシュ（ＦＡ）を採用することを除き、他は実施例１と同様にして比較例５の超高強度モルタル組成物を調製した。

比較例６
下記表３に示す如く、セメントの配合量を３４０４ｇに減らし、混和材の配合量を６００ｇに増すことを除き、他は比較例５と同様にして比較例６の超高強度モルタル組成物を調製した。

比較例７
下記表３に示す如く、混和材として分級フライアッシュ２（ＦＡ２）を採用することを除き、他は実施例１と同様にして比較例７の超高強度モルタル組成物を調製した。

比較例８
下記表３に示す如く、セメントの配合量を３４０４ｇに減らし、混和材の配合量を６００ｇに増すことを除き、他は比較例７と同様にして比較例８の超高強度モルタル組成物を調製した。

（モルタルの流動性試験）
実施例及び比較例の超高強度モルタル組成物に関し、ＪＩＳＡ１１５０「コンクリートのスランプフロー試験方法」に規定されたスランプフローを測定した。測定結果を下記表４に示す。

（圧縮強度試験）
実施例及び比較例の超高強度モルタル組成物に関し、ＪＩＳＡ１１０８「コンクリートの圧縮強度試験方法」に規定された試験方法に基づき、φ１０×２０ｃｍ供試体の材齢７日、２８日、及び９１日の圧縮強度を測定した。測定結果を下記表４に示す。

表４に示したように、同量の混和材を同じ添加方法により添加した場合においては、混和材としてシリカフューム（ＳＦ）を用いた比較例１〜４よりも、混和材として分級フライアッシュ１（ＦＡ１）を用いた実施例１〜６の方が、フロー性状が優れており、強度も大幅に向上していることが認められた。
また、通常のフライアッシュを用いた比較例５及び６では、上記のような分散剤量では混和材及びセメントを分散させることができなかった。
さらに、ＢＥＴ比表面積がより大きい分級フライアッシュ２（ＦＡ２）を用いた比較例７及び８では、実施例と比較してフロー性状が低下していることが認められた。

Claims

ポルトランドセメント（Ａ）と、ＢＥＴ比表面積が２ｍ²／ｇ以上５ｍ²／ｇ未満であるフライアッシュ（Ｂ）と、水（Ｃ）と、セメント分散剤（Ｄ）とを含んでなる超高強度モルタル組成物であって、
前記ポルトランドセメント（Ａ）と前記フライアッシュ（Ｂ）との質量比が９０：１０〜７０：３０であり、水／結合材比（Ｃ／（Ａ＋Ｂ））が０．１〜０．１５であり、前記セメント分散剤（Ｄ）がポリカルボン酸系分散剤を含有していることを特徴とする超高強度モルタル組成物。
前記セメント分散剤（Ｄ）であるポリカルボン酸系分散剤の有効成分が、前記ポルトランドセメント（Ａ）１００質量部に対して、０．０２質量部以上０．５質量部未満の割合で含有されていることを特徴とする請求項１記載の超高強度モルタル組成物。
前記ポルトランドセメント（Ａ）が、低熱ポルトランドセメントであることを特徴とする請求項１又は２記載の超高強度モルタル組成物。
請求項１〜３の何れかに記載の超高強度モルタル組成物に、粗骨材が配合されてなる超高強度コンクリート組成物。
ＢＥＴ比表面積が２ｍ²／ｇ以上５ｍ²／ｇ未満であるフライアッシュ（Ｂ）と、水（Ｃ）と、ポリカルボン酸系分散剤（Ｄ）とを混合してスラリーを調製し、該スラリーとポルトランドセメント（Ａ）とを、前記フライアッシュ（Ｂ）と該ポルトランドセメント（Ａ）との質量比が９０：１０〜７０：３０となる割合で且つ水／結合材比（Ｃ／（Ａ＋Ｂ））が０．１〜０．１５となる割合で混合することを特徴とする超高強度モルタル組成物の製造方法。