JP5681676B2 - セメント組成物、セメント系マトリックス、繊維補強セメント系混合物及びセメント混和材 - Google Patents
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<ポルトランドセメント>
セメントは、早強ポルトランドセメント又は超早強ポルトランドセメントを使用するのが好ましい。早強ポルトランドセメント又は超早強ポルトランドセメントの鉱物組成は、C3S(けい酸三カルシウム:3CaO・SiO2)の組成比率が多く、C2S(けい酸二カルシウム:2CaO・SiO2)の組成比率が少ないのが特徴である。また、早強ポルトランドセメント又は超早強ポルトランドセメントは、C3A(アルミン酸三カルシウム:3CaO・Al2O3)やC4AF(鉄アルミン酸四カルシウム:4CaO・Al2O3・Fe2O3)などの鉱物組成比率が普通ポルトランドセメントのそれらに近いのが特徴である。
<シリカフューム>
シリカフュームは、シリコンメタル、フェロシリコン、シリコン合金、ジリコニュウムなどを製造する際に発生する排ガス中のダストを捕集することによって得られる球形の超微粒子である。
<石灰石微粉末>
本実施の形態の超高強度繊維補強セメント系混合物等には、混和材として石灰石微粉末を使用する。石灰石微粉末は、早強又は超早強ポルトランドセメント100重量部に対して石灰石微粉末5−30重量部が含有されるように配合する。石灰石微粉末を含有させる一番の目的は、常温気中養生による24時間強度において所望する早期強度が得られるようにするためである。
<高炉スラグ微粉末>
本実施の形態の超高強度繊維補強セメント系混合物等には、混和材として高炉スラグ微粉末を使用する。高炉スラグ微粉末には、高炉水砕スラグ微粉末と高炉徐冷スラグ微粉末とがあるが、高炉水砕スラグ微粉末のほうが好ましい。そして、高炉スラグ微粉末は、早強又は超早強ポルトランドセメント100重量部に対して高炉スラグ微粉末25−69重量部が含有されるように配合する。
<無水石膏>
本実施の形態の超高強度繊維補強セメント系混合物等には、混和材として無水石膏を使用してもよい。無水石膏は、早強又は超早強ポルトランドセメント100重量部に対して無水石膏20重量部以下を含有させる配合とすることが好ましい。本実施の形態の超高強度繊維補強セメント系混合物等には、無水石膏を混入させなくてもよいが、無水石膏を混入した場合でも所望する特性を得ることができるので、無水石膏の配合量についても説明を行う。
<水>
本実施の形態の超高強度セメント系マトリックスは、超高強度セメント組成物に、水と、骨材粒子と、混和剤とを混入したものである。ここに配合される水は、水道水や地下水など不純物を含まない水であれば制限はない。使用する高性能減水剤や高性能AE減水剤、あるいは単位セメント量や結合材料の配合量に依存するが、水の使用量としては、セメント100重量部に対して21-27重量部であれば良好な流動性と強度特性を得ることができる。
<混和剤>
本実施の形態の超高強度セメント系マトリックスに配合される混和剤は、流動性や強度発現性の向上、凝結コントロール、耐久性の向上などの多くの目的で使用される添加剤で、少なくとも1種類を使用する。この混和剤としては、高性能減水剤、高性能AE減水剤、流動化剤、消泡剤、凝結促進剤、凝結遅延剤、増粘剤、収縮低減剤、急結剤、発泡剤、防錆剤などを単独で使用したり、複数の組み合せで使用したりすることができる。
<骨材粒子>
本実施の形態の超高強度セメント系マトリックスに配合される骨材粒子には、川砂、海砂、山砂、珪砂、砕砂、石灰岩を粉砕した砂、再生骨材の砂、焼成ボーキサイトを粉砕した砂、鉄鉱石を粉砕した砂、石英へん岩を粉砕した砂、高炉スラグを粉砕した砂、石英微粉末、硅石微粉末、岩石微粉末などを単独で使用したり、あるいは複数の組み合わせで使用したりすることができる。
<繊維>
本実施の形態の超高強度繊維補強セメント系混合物は、上述した本超高強度セメント系マトリックスに、金属繊維、有機繊維、無機繊維、又は金属繊維と有機繊維若しくは無機繊維とを混ぜ合わせた複合(ハイブリッド)繊維のいずれかを混入することにより得られる。すなわち、本実施の形態の超高強度繊維補強セメント系混合物は、混入する繊維の材質に依存することはない。
<所望する早期強度を実現するための方法>
早強ポルトランドセメント及び超早強ポルトランドセメントの鉱物組成は、C3S(けい酸三カルシウム)の組成が多く、C2S(けい酸二カルシウム)の組成が少ないために、他のポルトランドセメントに比べて早期強度の発現が早い。そして、超早強ポルトランドセメントは、基本的に早強ポルトランドセメントと似ているが、粉末度が高く水和反応効率が高くなるために、早期強度の発現がさらに早まる。
<所望する中期・長期強度を実現するための方法>
上述したように、本実施の形態では、24時間の常温気中養生で高い圧縮強度(早期強度)を発現できる配合にしている。一般的に知られている早期強度が発現できる無収縮モルタルやグラウト材などは、24時間強度などの早期強度発現以降の1週間強度(中期強度)や4週間強度(長期強度)の増進を期待することは困難である。その理由は、早期強度を発現させるために急硬材を適用する配合ケースが多いからである。これに対して本実施の形態では、所望する早期強度を発現させることができるだけでなく、常温気中養生条件下で所望する中期・長期の強度発現を実現できる配合について説明する。
<流動性の向上と所望する可使時間を確保するための方法>
第一の方法は、早強又は超早強ポルトランドセメント100重量部に対して石灰石微粉末5−30重量部を混入することである。石灰石微粉末の平均粒径は、早強又は超早強ポルトランドセメントの平均粒径よりも小さくなる。そのために、石灰石微粉末がセメント粒子の隙間を充填するようなマイクロフィラー効果が発揮されて緻密な組織を形成することができるようになる。また、石灰石微粉末は球体形状をしているために、ボールベアリング効果を発揮し、セメント粒子間で流動性を向上させる。さらに、石灰石微粉末は、高性能AE減水剤の比表面積あたりの吸着量がセメントの約60%程度と少ない。つまり同量の高性能AE減水剤を使用した場合には、石灰石微粉末を混入することにより減水剤の効果が顕著となり、流動性を向上させることができる。
[使用材料]
表1に、各試験で使用した材料の諸元を示す。
(1)フロー値:「JIS R 5201(セメントの物理試験方法)」に準じた方法で、15回の落下運動を行わないで、さらにフロー試験開始から90秒経過した状態で測定した静置フロー値(mm)である。「ゼロ(0)打のフロー値」ともいう。
(2)フロー時間:上記フロー値が200 mmに達するまでに要する時間(秒)である。
(3)圧縮強度:「JIS R 5201(セメントの物理試験方法)」に準じた方法で、φ5×10cmの円筒状の型枠内に混練り材料を打設し、温度20℃、湿度60%の恒温恒湿の養生室において所定の養生期間気中養生した後に、その硬化体の圧縮強度を試験したものである。なお、試験においては3体の供試体を作製し、強度試験の平均値を圧縮強度とした。
(4)曲げ強度:「JIS R 5201(セメントの物理試験方法)」に準じた方法で、口4×4×16cmの四角筒状の型枠内に混練り材料を打設し、温度20℃、湿度60%の恒温恒湿の養生室において所定の養生期間気中養生した後に、その硬化体の曲げ強度を試験したものである。なお、試験においては3体の供試体を作製し、曲げ試験の平均値を曲げ強度とした。
(5)曲げ強度及び曲げじん性係数:「JSCE-G 552-2010(繊維補強コンクリートの曲げ強度および曲げタフネス試験方法)」に準じた方法で、内空が口10×10×40cmの四角筒状の型枠内に繊維補強セメント系混合物の混練り材料を打設し、温度20℃、湿度60%の恒温恒湿の養生室において所定の養生期間気中養生した後に、その硬化体の曲げ強度を試験したものである。また、曲げじん性係数は、「荷重−中央点のたわみ」測定を行い、上記試験方法に準じて曲げじん性係数を求めたものである。
(6)セメント系マトリックスの凝結時間:「JIS A 1147(コンクリートの凝結時間試験方法)」に準じた方法で、円筒状の型枠内にセメント系マトリックスの混練り材料を打設し、温度20℃、湿度60%の恒温恒湿の養生室において、貫入抵抗試験装置を用いて貫入抵抗値が3.5 N/mm2になるまでの時間(始発時刻)と、貫入抵抗値が28.0N/mm2になるまでの時間(終結時刻)とを測定し、終結時刻から始発時刻を引いた時間を凝結時間とする。
(7)長さ変化:材料収縮時の型枠による拘束を避けるためのテフロンシート(登録商標)を内面に貼った内空が口10×10×40cmの四角筒状の型枠内において、型枠の中央部に標点距離100mmの埋め込み型ひずみ計(東京測器研究所製 KH-100HB)と熱電対を綿糸により宙づりに固定し、混練り材料を打設する。温度20℃、湿度60%の恒温恒湿の養生室において養生しながら、打設直後からひずみと温度の測定データをデータロガーにより記録し、材料の打設直後からのひずみ(長さ変化)を求める。なお、埋め込み型ひずみ計の測定データには、材料の温度変化(水和反応による熱や養生による熱)による長さ変化も含まれるので、温度記録から熱による長さ変化の値を補正して、20℃における長さ変化の値として求める。
表2に、上記実施の形態で説明した超高強度セメント系マトリックスと比較例の合計11ケースの配合条件を示す。この実施例3で説明を行うのは、配合に使用するセメント材料の種類の影響についてである。詳細には、普通ポルトランドセメントを使用した場合と、早強又は超早強ポルトランドセメントを使用した場合の違いについて説明する。
表3には、表2に示した11ケースについて行ったフレッシュ性状と強度の試験結果を示す。
表4,5に、上記実施の形態で説明した超高強度セメント系マトリックスと比較例の合計40ケースの配合条件を示す。この実施例4で説明を行うのは、超高強度セメント組成物や超高強度セメント系マトリックスにおいて、早強又は超早強ポルトランドセメントの100重量部に対して、シリカフューム、高炉スラグ微粉末、石灰石微粉末及び無水石膏のそれぞれについて、配合材料としての適正な重量部についてである。
表6,7には、表4,5に示した40ケースについて行ったフレッシュ性状と強度の試験結果を示す。
表8に、上記実施の形態で説明した超高強度セメント系マトリックスと比較例の合計24ケースの配合条件を示す。この実施例5で説明を行うのは、シリカフューム、高炉スラグ微粉末、石灰石微粉末、無水石膏などの適正な重量部に対して、配合する骨材粒子の適正な骨材容積率及び骨材粒子の適正な粒径についてである。
表9には、表8に示した24ケースについて行ったフレッシュ性状と強度の試験結果を示す。
実施例6では、上記実施の形態で説明した超高強度セメント系マトリックスの早期強度発現のメカニズムを明らかにするために、凝結試験を実施した。表10に、上記実施の形態で説明した超高強度セメント系マトリックスと比較例の合計8ケースの配合条件を示す。ここで、実施例となる7ケースは、早強ポルトランドセメントを使用し、シリカフュームをはじめ、高炉スラグ微粉末、石灰石微粉末、無水石膏の重量部をほぼ同一とした配合とし、骨材容積率を変化させた。また、比較例として普通ポルトランドセメントを使用し、粉体配合を実施例とほぼ同一とした配合の実験もおこなった(実験番号1-11)。すなわち、実験番号2-18と実験番号1-11は同じ骨材容積率であるが、配合したセメントの種類が異なるため、セメントの種類が凝結に及ぼす影響を比べることができる。
表11には、表10に示した8ケースについて行ったフレッシュ性状と強度と凝結時間の試験結果を示す。実施例の強度結果は、すべて所望する強度を満足するものである。
上記実施の形態で説明した超高強度セメント系マトリックスの材料としての重要な評価基準に、プレキャスト・セグメント工法における接合部の充填材として適しているかという点がある。つまり狭い空間となる接合部においても、セメント系マトリックス材料の練り上がり後の施工時間中にわたって、充分な流動性を有していることが必要である。流動性を示すひとつの指標として、少なくともフロー値が230 mm以上であることが要求される。この流動性を保持できる時間を「可使時間」という。この可使時間を求めるために、実施例7では、フロー試験を実施した。表12に、上記実施の形態で説明した超高強度セメント系マトリックスの3ケースの配合条件を示す。これらの配合条件は、上述した実施例の同じ実験番号のものに対応しているが、フロー試験の結果と比較しやすくするために、再度、表に示した。
表14には、表12に示した3ケースについて行ったフレッシュ性状と凝結時間の試験結果を示す。
上記実施の形態で説明した超高強度繊維補強セメント系混合物の各種特性を明らかにするために、適正な粉体配合の条件下において骨材容積率を変化させるとともに、2種類の繊維を使って実験を行った。ここで、実験番号F5-1、F5-2の鋼繊維は、表1の繊維A(直径0.16mm、長さ13mm、アスペクト比81)で、実験番号F6-1からF6-5の鋼繊維は、繊維B(直径0.22mm、長さ15mm、アスペクト比68)を使用している。また、セメントは、すべて早強ポルトランドセメントを使用している。
表17には、表16に示した7ケースについて行ったフレッシュ性状と、早期、中期及び長期の圧縮又は曲げ強度と、長期の曲げタフネス強度及び曲げじん性係数の試験結果を示す。
上記実施の形態で説明した超高強度繊維補強セメント系混合物について、型枠に打設した直後からの収縮特性を測定することにより、水和反応をはじめ早期強度の発現機構などを明らかにする。実施例9の収縮特性を測定するために行った長さ変化の試験に用いたのは、上記表16に示した実験番号F6-2からF6-5の超高強度繊維補強セメント系混合物である。
[試験結果]
長さ変化の試験結果を、図2に示す。長さ変化(収縮ひずみの変化)の結果は、材料の温度による影響を20℃における状態に補正して示している。
Claims (9)
- 早強ポルトランドセメント又は超早強ポルトランドセメント100重量部と、
シリカフューム7−18重量部と、
石灰石微粉末5−30重量部と、
高炉スラグ微粉末25−61.5重量部とを含有することを特徴とするセメント組成物。 - 無水石膏0.5−20重量部を含有することを特徴とする請求項1に記載のセメント組成物。
- 前記シリカフュームの含有量を7−13重量部とし、前記高炉スラグ微粉末の含有量を37−61.5重量部としたことを特徴とする請求項1又は2に記載のセメント組成物。
- 前記石灰石微粉末の含有量を7−25重量部としたことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載のセメント組成物。
- 前記無水石膏の含有量を0.5−15重量部としたことを特徴とする請求項2に記載のセメント組成物。
- 全容積が100容積部となるように、
請求項1乃至5のいずれか一項に記載のセメント組成物と、
骨材粒子8-45容積部と、
水と、
少なくとも一種類の混和剤とを含有することを特徴とするセメント系マトリックス。 - 前記骨材粒子は、最大粒径D100が0.8−5.0mmであり、平均粒径D50が0.2−0.8mmであることを特徴とする請求項6に記載のセメント系マトリックス。
- 前記石灰石微粉末のブレーン比表面積が5,000 cm2/g以上であり、前記高炉スラグ微粉末のブレーン比表面積が4,000 cm2/g以上であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載のセメント組成物。
- 請求項6又は7に記載のセメント系マトリックスと、
全容積の0.1−5.0容積%の繊維とを含有することを特徴とする繊維補強セメント系混合物。
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