JP5510882B2 - 水硬性組成物の作製方法 - Google Patents

Description

本発明は、水硬性組成物の作製方法に関するものであり、例えば、鉄筋コンクリート構造物、鉄筋コンクリート建築物、鉄筋鉄骨コンクリート建築物およびプレストレストコンクリート構造物等（以下、総称して「ＲＣ構造物等」ともいう）の初期欠陥となる乾燥収縮、自己収縮および温度収縮に起因するひび割れを抑制させる効果に優れた、膨張材を含んだ水硬性組成物の作製方法に関する。

近年、土木分野および建築分野においてライフサイクルコストの縮減を図る観点などから、ＲＣ構造物等の耐久性向上が求められている。
かかるＲＣ構造物等の耐久性向上を図るためには、初期欠陥となるひび割れを防止することが有効であり、このひび割れの主たる発生原因が乾燥収縮、自己収縮および温度応力等であることが知られている。
従って、ＲＣ構造物等においては，初期の養生過程における乾燥収縮、自己収縮および温度応力に起因するひび割れを抑制させることが求められている。

このような要望に対し、従来、コンクリートなどの硬化中に適度な膨張を与える目的で、膨張材が広く使用されている。
特に最近では従来の３分の２程度の使用量で従来のものと同等の性能（膨張率）が発揮される膨張材が開発されたりしている。
このような高性能な膨張材については、通常の性能を有する膨張材（以下「通常膨張材」ともいう）と区別して「高性能膨張材」などとも呼ばれており、例えば、下記特許文献１、２には、この高性能膨張材に関する技術事項が記載されている。

特開２００２−２２６２４３号公報 特開２００３−０６３８４７号公報

「超高強度コンクリートの自己収縮低減」、コンクリート工学年次論文集，Ｖｏｌ．２７，Ｎｏ．１，２００５，ｐ．１０９９−１１０４

上記のような膨張材の使用は、乾燥収縮、自己収縮及び温度応力に起因するひび割れの抑制に極めて効果的であるといえる。
しかしながら、通常膨張材や高性能膨張材を一般の生コンプラントで使用する場合、材料単価の増加に加えて、膨張材の専用供給・計量装置が必要であり、装置が設けられない場合には、人力によって投入しなければならずコストがかかる状況となっている。
また、コンクリートなどの水硬性組成物の製造時には練り混ぜ時間を延長するなど措置が必要であり、このような点からも生コンプラントにおける製造単価を増加させている。
さらに、膨張材を投入した際に、膨張材が単独にミキサー内のライナーや羽根に固着し、それが塊のままコンクリート中に混入するとポップアウトを発生させるおそれを有する。
これらの問題によって膨張材の普及促進に歯止めがかかっており、生コンプラントなどにおいての使用が一般化するまでに至っていない。

そこで、本発明は水硬性組成物の作製方法において、ひび割れやポップアウトなどの発生を抑制し得る水硬性組成物を簡便なる方法にて作製することを課題としている。

上記のような問題に対し、膨張材をセメントに分散させたセメント組成物（以下「膨張セメント」ともいう）を使用することが有効な対策として考えられる。
膨張セメントは、予め膨張材がセメントに分散されていることから、水硬性組成物における膨張材の分散が不均一になってポップアウトなどが発生するおそれを抑制し得る。

ところで、コンクリートなどの水硬性組成物においては、その単位膨張材量が変化すると、その膨張率も変化することが知られている。
このことに対し、膨張セメントは、膨張材とセメントとが一定の質量割合で含まれるために、この水硬性組成物における単位セメント量を定めることで同時に単位膨張材量も決定されてしまうことになる。
そのため、膨張セメントを使用する場合には、例えば、作製する水硬性組成物の膨張率を所定の範囲（例えば、収縮補償目的であれば、１５０〜２５０×１０^-6）に制御することが困難になる場合があり、膨張材の過剰添加に伴う強度低下などの問題を発生させるおそれを有する。

特に、水結合材比が小さく単位セメント量が多い場合、遅れ膨張（未水和の膨張材と水の反応がコンクリート硬化体の形成後に生じる現象）によって強度低下を引き起こすおそれがあることが上記非特許文献１などにおいても指摘されており、必要な量の膨張材を十分に分散された状態で含有させることが強く求められる。

上記のような問題を防止すべく、膨張セメントと水とを骨材などとともに練り混ぜて膨張コンクリートを作製する際に、新たに膨張材を添加して膨張コンクリートにおける膨張材の不足を補うことも考えられる。
しかし、その場合には膨張材を十分に分散させないと硬化体にポップアウトなどの問題を生じさせるおそれがある。

本発明者は、このような膨張セメントの利用方法に着目して鋭意検討を行った結果、本発明を完成させるに至ったものである。
すなわち、上記のような課題を解決するための水硬性組成物の作製方法に係る本発明は、セメントと膨張材とが含有されている水硬性組成物におけるセメントと膨張材との合計質量に占めるセメント質量の割合をαとし、
セメントと膨張材との合計質量に占めるセメント質量の割合がβ（ただし、α＞β）になるようにセメントと膨張材と混合することで、全量に対する前記膨張材の割合が６．５質量％以上７．３質量％以下になるようにセメント組成物を作製し、
該セメント組成物と水とを混合する際において新たにセメントを添加することによって前記セメントの質量の割合がαとなるように調整して水硬性組成物を作製することを特徴としている。

本発明においては、作製する水硬性組成物におけるセメントと膨張材との合計質量に占めるセメント質量の割合をαとしたときに、前記割合がβ（ただし、α＞β）となるように前記膨張材を前記セメントに対して過剰に含有されているセメント組成物を作製して水硬性組成物の作製が行われる。
すなわち、このセメント組成物を求められる単位膨張材量となるように水硬性組成物に含有させるとセメント量が不足することとなるが、この不足分は、後からセメントが添加されて補われるため、水硬性組成物の単位膨張材量及び単位セメント量は、所望の値に調整されうる。

しかも、膨張材が予め分散されたセメント組成物が用いられることから練り混ぜ時に膨張材そのものを添加する場合に比べて分散に要する練り混ぜ時間を短縮させうる。
なお、本発明においては、練り混ぜ時においてセメントを添加することになるが、このセメントを硬化体に影響を与えない程度に分散させるのに要する手間は、膨張材を分散させる手間に比べて僅かで、練り混ぜの工程全体に与える影響が小さい。
したがって、練り混ぜ時に膨張材そのものを添加するような場合に比べて練り混ぜ時間の短縮を図りつつも膨張材の分散が不均一となることを抑制させ得る。

なお、そのような観点からは、練り混ぜ時におけるセメントの添加を実施することなく、水硬性組成物の作製の度にセメントと膨張材とを所定の割合で混合して膨張セメントを作製しても同様の効果が得られるが、この場合には、セメントと膨張材との計量や混合の回数が本発明に比べて増加されることとなる。
すなわち、本発明によれば、ひび割れやポップアウトなどの発生を抑制し得る水硬性組成物を簡便なる方法にて作製することができるという優れた効果がより顕著に発揮されることとなる。

一実施形態の水硬性組成物の作製方法に用いる設備構成を示した模式図。

以下に、本発明の実施の形態について、水硬性組成物として膨張コンクリートを例に図を参照しつつ説明する。説明する。

まず、用いる設備について説明する。
図１は、本実施形態に係る膨張コンクリートの製造設備を模式的に示したものであり、膨張材とセメントとが予め混合分散されてなる膨張セメントを収容している膨張セメント用サイロ１１が、膨張材を含んでいない通常のセメントを収容している通常セメント用サイロ１２に併設されている点を除いて、本実施形態において用いられる膨張コンクリート製造設備１は、一般的なフレッシュコンクリートを作製する設備と大きく異なってはいない。

すなわち、本実施形態において用いられる膨張コンクリート製造設備１は、膨張セメント用サイロ１１、通常セメント用サイロ１２、骨材サイロ２１、混和剤槽３１を備え、前記膨張セメント用サイロ１１及び前記通常セメント用サイロ１２からそれぞれ供給される膨張セメント及び通常セメントを計量するためのセメント計量器４１を備えている。
また、膨張コンクリート製造設備１は、前記骨材サイロ２１からベルトコンベア２２を通じて供給される細骨材及び粗骨材を計量するための細骨材計量器４２と粗骨材計量器４３とを備えている。
さらに、本実施形態における膨張コンクリート製造設備１は、セメントや骨材を練り混ぜるための水を計量する水計量器４４と、前記混和剤槽３１から供給される混和剤を計量する混和剤計量器４５とを備えている。

前記セメント計量器４１、細骨材計量器４２、粗骨材計量器４３、水計量器４４、及び混和剤計量器４５は、それぞれによって計量された材料を、これらの下部に配置された集合ホッパー５１に落とし込んで、練り混ぜ用のミキサー６１に供給し得るように配置されている。
また、前記ミキサー６１は、前記集合ホッパー５１の下部シュート５１ａの開口に接続させた上部開口を通じてセメント、骨材、混和剤、水などを内部に収容させ、例えば、二軸攪拌翼などの攪拌機構によってこれらの練り混ぜを行った後に下部ダンパーを開状態として、このミキサー６１の下方に設けられた供給ホッパー７１を通じて前記練り混ぜによって作製された水硬性組成物をアジテータトラック８１に供給し得るように備えられている。

このような構成を有する膨張コンクリート製造設備１を用いた膨張コンクリートの作製方法においては、まず、セメントと膨張材とを含むセメント組成物（以下「膨張セメント」ともいう）を準備する工程を実施することが重要である。
この膨張セメントは、予め、所定の割合でセメントと膨張材とを混合分散させて作製させることができる。

この膨張セメントを構成させるべく用いるセメントとしては、特に限定されるものではなく、普通、早強、超早強、中庸熱、低熱ポルトランドセメントなどの各種ポルトランドセメント、高炉セメント、シリカセメント及びフライアッシュセメントの各種混合セメントや、白色ポルトランドセメント、アルミナセメント等、市場で入手できる種々のセメントを例示することができ、前記膨張セメントには、これらを単独あるいは二種以上混合して用いることができる。

また、膨張セメントを構成させるための膨張材は、低添加型膨張材であれば、特に限定されるものではなく、任意の膨張材を用いることができる。
この膨張材としては、例えば、生石灰等の石灰系膨張材、カルシウムサルホアルミネート等のエトリンガイト系膨張材、エトリンガイト−石灰複合系膨張材、鉄粉系、マグネシウム系及びアルミニウム粉末などを挙げることができ、前記膨張セメントには、これらを単独あるいは二種以上混合して用いることができる。
低添加型膨張材とは、２０ｋｇ／ｍ³の単位膨張材量でＪＩＳ Ａ６２０２「コンクリート用膨張材−１９９７」に基づく性能試験を行った際に一軸拘束膨張試験（付属書２のＡ法）の値が、通常、１５０×１０^-6以上２５０×１０^-6以下となるもので高炉セメントとの併用時などにおける膨張性能の改善が図られたものである。

前記膨張セメントを作製するために用いるセメントと膨張材との比率については、作製する膨張コンクリートにおけるセメントと膨張材との合計量に占めるセメント質量の割合よりも、セメント質量の割合が低くなるように設定されていれば特に限定がなされるものではない。
すなわち、膨張コンクリートにおけるセメントと膨張材との合計量に占めるセメント質量の割合をα質量％とし、前記膨張セメントに占めるセメントの割合をβ質量％とした場合に、α＞βの関係を満足させるようになっていれば膨張コンクリートにおけるセメントと膨張材との割合は、特に限定されるものではない。

なお、この膨張コンクリート製造設備１を用いて設計の異なる複数の膨張コンクリートを作製する場合には、その複数の膨張コンクリートの内で最もセメントの割合が小さい（膨張材の割合が大きい）膨張コンクリートを基準とすることが好ましい。
すなわち、セメントの割合が最も小さい膨張コンクリートにおけるセメントと膨張材との合計量に占めるセメント質量の割合をγ質量％とした場合に、前記膨張セメントにおける前記割合βは、γ＞βの関係を満足させることが好ましい。
このようにしてセメントの割合が最も小さい膨張コンクリートを基準とすることで、例えば、設計の異なる膨張コンクリートを作製する際には、練り混ぜ時に添加する通常のセメント量を調整するだけで所望の単位セメント量ならびに単位膨張材量の膨張コンクリートを作製することができ、作業の簡略化を図ることができる。

ただし、余り過剰に膨張材を含有させると、後でセメントと膨張材との割合を調整するためにセメントを大量に添加する必要が生じる。
このようなことから、ＲＣ構造物等の形成において有用性の高い膨張コンクリートが得られやすい点において、前記のような膨張材が膨張セメントに占める重量割合は６．５質量％以上７．３質量％以下である。
すなわち、セメントと膨張材からなる膨張セメント組成物における前記割合（β）の値は、９２．７％以上９３．５％以下とする。

この膨張セメントを作製するための方法としては特に限定されず、一般的な粉体どうしを混合させる手段を採用することができる。
例えば、セメントと膨張材とをセメント製造プラントなどで用いられている混合装置などで攪拌混合して膨張セメント中に膨張材を分散させる方法などが挙げられる。

なお、膨張コンクリートを作製すべく、後から添加する通常のセメントについては、膨張コンクリートを構成する成分として先に例示のセメントが利用可能である。

そして、
（１）前記膨張セメントを膨張セメント用サイロ１１から空気圧送するなどしてセメント供給経路Ｌ１を通じてセメント計量器４１に供給し該セメント計量器４１に所定量収容させる工程、
（２）細骨材をベルトコンベア２２から細骨材供給経路Ｌ２を通じて細骨材計量器４２に供給し該細骨材計量器４２に所定量収容させる工程、
（３）粗骨材をベルトコンベア２２か粗骨材供給経路Ｌ３を通じて粗骨材計量器４３に供給し該粗骨材計量器４３に所定量収容させる工程、
（４）前記水計量器４４に水供給経路Ｌ４を通じて所定量の水を収容させる工程、
（５）前記混和剤槽から混和剤供給ラインを通じて所定量の混和剤を混和剤計量器４５に収容させる工程、
（６）前記通常のセメントを通常セメント用サイロ１２から空気圧送するなどしてセメント供給経路Ｌ１を通じてセメント計量器４１に供給し該セメント計量器４１に所定量収容させる工程、
をそれぞれ実施した後にこれらの計量された材料をミキサー６１で練り混ぜることによって膨張コンクリートを作製することができる。

このとき工程（１）においては、作製する膨張コンクリートの単位膨張材量に基づいて膨張セメントの配合量を決定し、該配合量に基づく計量を実施する。
そして、膨張セメントは、作製する膨張コンクリートにおけるセメントと膨張材との合計量に占めるセメント質量の割合をα質量％とすると、それよりもセメントの割合の少ないβ質量％でしかセメント分が含有されていないことから、その差を算出して工程（６）における通常のセメント量を決定する。
工程（２）〜（５）における細骨材、粗骨材、混和剤及び水の量の決定は膨張コンクリートの単位量に基づいて決定すればよい。

ここで使用する細骨材、粗骨材、混和剤については、特に限定されず、一般にコンクリートを構成させるべく用いられているものを本実施形態においても用いることができ、例えば、細骨材としては、公知のものを使用でき、川砂、山砂、陸砂、砕砂、海砂、珪砂３〜７号等の比較的粒径の細かい細骨材、または珪石粉、石灰石粉等の微粉末等を使用できる。
また、例えば、粗骨材としては、石灰石、砂利や砕石等の公知の粗骨材を用いることができ、混和剤としては、例えば、ＡＥ剤、減水剤、高性能ＡＥ減水剤などＪＩＳ Ａ ６２０４に規定されている化学混和剤等を使用することが可能である。

なお、上記（１）〜（６）の工程の順序や、ミキサー６１による練り混ぜのタイミングについては特に限定されるものではない。
すなわち、本発明において、“セメント組成物と水とを混合する際において新たにセメントを添加する”とは、上記“膨張セメント”と水との練り混ぜ開始前における所望のタイミングで新たなセメントを添加する場合や、練り混ぜ開始直後において新たなセメントを添加する場合などをも含むものである。
例えば、工程（１）と工程（６）とを実施して、所定量の膨張セメントと通常セメントとをミキサー６１に供給して加水しない状態で、一旦空練りを実施した後に、（２）〜（５）の工程を実施して骨材や水をミキサー６１に供給し、これらをミキサー６１で練り混ぜて膨張コンクリートを作製することもできる。
または、（１）〜（６）の工程を全て実施して全材料をミキサー６１に供給して練り混ぜを行って膨張コンクリートを作製することもできる。
さらには、これらに限定されず、膨張セメントおよびセメントがコンクリート中に大きな塊として残存しない限り、種々の手順で膨張コンクリートを作製することができる。

前記練り混ぜにおいては、膨張セメントの内部に予め膨張材が分散されているため、一般的なコンクリートの作製方法においてセメントと骨材とを分散させる程度の工程を実施することで、膨張材が均一に分散された膨張コンクリートを作製することができる。

すなわち、膨張材を練り混ぜ時に添加する従来の方法においては、膨張材が不均一になってポップアウトなどの問題が発生することを防止すべく、長時間の練り混ぜ時間を要していたが本実施形態における方法では、予め膨張材が分散されている膨張セメントを用いることから練り混ぜ時間を短縮させることができる。
以上のように、本実施形態における膨張コンクリートの作製方法においては、ひび割れやポップアウトなどの発生を抑制し得る膨張コンクリートを簡便なる方法にて作製することができる。

なお、本実施形態においては、水硬性組成物として膨張コンクリートを例示しているが、粗骨材を含有しないモルタルや、骨材を含有しないセメントペーストなどの水硬性組成物についても本発明が意図する範囲である。
また、本実施形態においては、最初に計量する膨張セメントの量と後から添加するセメント量との算定を簡単に実施させ得る点において、後から添加するセメントとして膨張材を含有していない通常のセメント（セメント含有割合が１００質量％のもの）を添加する場合を例示しているが、前記膨張材よりもセメントの含有割合が高い膨張セメントを通常のセメントに代えて使用することも可能である。
例えば、膨張コンクリートにおけるセメントと膨張材との合計量に占めるセメント質量の割合をα質量％とし、最初に用いる膨張セメントに占めるセメントの割合をβ質量％とした場合に、後から、セメントの割合が１００質量％未満、α質量％を超える状態で含まれている膨張セメントを利用する場合も本発明の意図する範囲である。
すなわち、セメント割合がδ質量％（ただし、１００＞δ＞α）の関係を満足させる膨張コンクリートと、セメント割合がβ質量％（ただしα＞β）の膨張コンクリートとを用いてセメント割合がα質量％の水硬性組成物を作製させる場合も本発明の意図する範囲である。
また、ここでは詳細を例示しないが、水硬性組成物を作製するために従来公知の技術事項を、本発明の効果が著しく損なわれない範囲において適宜採用することができる。

次に実施例を挙げて本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（評価方法）
水硬性組成物の作製方法についての評価を表１に示す配合の膨張コンクリートを用いて行った。

（実施例１〜３）
それぞれ、表１に配合１〜３として示すものを実機プラントにて、全量投入後４０秒かけて練り混ぜを実施し、得られた膨張コンクリート用いてＪＩＳ Ａ６２０２附属書２（参考）のＡ法に基づいて７日間に渡って膨張率を測定した。
また、ＪＩＳ Ａ１１０８による圧縮強度を測定した。なお、測定は、打込み後２日から標準水中養生を行ったものに対して実施し、材齢３日、７日、２８日における圧縮強度を測定した。
さらに、得られた膨張コンクリート用いて作製したブロック体を作製し、３ヶ月間にわたってポップアウトの発生有無を確認すべく表面観察を実施した。
なお、この実施例１〜３では、予め普通ポルトランドセメントと低添加型膨張材とを質量比で９３．３：６．７となる割合で混合した膨張セメントを用いた。

（実施例４）
練り混ぜ時間を４０秒から２５秒に短縮したこと以外は実施例２と同様に膨張コンクリートを作製し、膨張率と圧縮強度とを測定しポップアウトの発生有無を確認した。

（比較例１〜４）
配合１〜３と配合内容的には同じものではあるが、膨張材を練り混ぜ時に添加する態様とした（配合４〜６）以外は、実施例１〜４と同様にして膨張コンクリートを作製し、膨張率と圧縮強度とを測定しポップアウトの発生有無を確認した。

この表２における実施例１〜３と比較例１〜３との比較からもわかるように、実施例１〜３の方が比較例１〜３に比べて膨張率および圧縮強度において優れた結果が得られている。
また、練り混ぜ時間を２５秒に短縮した場合（実施例４）でも膨張材を練り混ぜ時に添加し、４０秒の練り混ぜを実施した比較例２と同等の膨張率、圧縮強度が得られていることがこの表２からわかる。
一方で、膨張材を練り混ぜ時に混合する場合（比較例４）では，練り混ぜ時間を２５秒に短縮すると、膨張率および圧縮強度における変化は比較的軽微であるが、ブロック試験体にポップアウトの発生が認められた。

以上のことからも本発明によれば水硬性組成物の作製方法において、ひび割れやポップアウトなどの発生を抑制し得る水硬性組成物を簡便なる方法にて作製し得ることがわかる。

１ 膨張コンクリート製造設備
１１ 膨張セメント用サイロ
１２ 通常セメント用サイロ
２１ 骨材サイロ
２２ ベルトコンベア
３１ 混和剤槽
４１ セメント計量器
４２ 細骨材計量器
４３ 粗骨材計量器
４４ 水計量器
４５ 混和剤計量器
５１ 集合ホッパー
５１ａ 下部シュート
６１ ミキサー
７１ 供給ホッパー
８１ アジテータトラック

Claims (2)

1. セメントと膨張材とが含有されている水硬性組成物におけるセメントと膨張材との合計質量に占めるセメント質量の割合をαとし、
   セメントと膨張材との合計質量に占めるセメント質量の割合がβ（ただし、α＞β）になるようにセメントと膨張材と混合することで、全量に対する前記膨張材の割合が６．５質量％以上７．３質量％以下になるようにセメント組成物を作製し、
   該セメント組成物と水とを混合する際において新たにセメントを添加することによって前記セメントの質量の割合がαとなるように調整して水硬性組成物を作製することを特徴とする水硬性組成物の作製方法。
2. 前記膨張材が、ＪＩＳ Ａ６２０２「コンクリート用膨張材−１９９７」付属書２に記載の一軸拘束膨張試験（Ａ法）で得られる値（単位膨張材量２０ｋｇ／ｍ ³ ）が１５０×１０ ^-6 以上２５０×１０ ^-6 以下の低添加型膨張材である請求項１記載の水硬性組成物の作製方法。

Images