JP5863253B2

JP5863253B2 - 高じん性・高強度モルタル組成物

Info

Publication number: JP5863253B2
Application number: JP2011032181A
Authority: JP
Inventors: 隆祥平田; 嘉一石関; 一雄歳谷; 浩一郎吉田; 高橋　俊之; 俊之高橋
Original assignee: Obayashi Corp; Ube Industries Ltd
Current assignee: Obayashi Corp; Ube Corp
Priority date: 2011-02-17
Filing date: 2011-02-17
Publication date: 2016-02-16
Anticipated expiration: 2031-02-17
Also published as: JP2012171805A

Description

本発明は、高じん性・高強度モルタル組成物に関する。

近年、構造部材の軽量化、鉄筋使用量の削減等の要求に伴い、１５０Ｎ／ｍｍ^２以上の圧縮強度を発現し、しかも曲げ強度の高い超高強度コンクリートが提案されている。これらのコンクリートでは、セメント、ポゾラン質微粉末、骨材、高性能減水剤、金属繊維が使用され、熱養生によって超高強度化が図られている。（特許文献１及び２参照）

一方、引張応力下で擬似ひずみ硬化（初期ひびわれ発生後に引張応力が上昇する挙動）を示し、変形が増大してもひび割れ幅の抑制機能を有する高じん性セメント系材料が提案されている（特許文献３参照）。この高じん性セメント系材料では、ポリビニルアルコールの短繊維によって、高じん性化が図られている。

特開２００１−１８１００４号公報特開２００６−２９８６７９号公報特開２０００−７３９５号公報

しかしながら、熱養生の場合は工場で型枠を使用して製造するため、建設現場までの製品の運搬が必要であり、また、製品の形状は使用型枠の形状により制約を受けるため設計の自由度が乏しい。また、擬似ひずみ硬化特性を示す高じん性セメント系材料は、現場施工が可能であるが、圧縮及び引張強度は通常のコンクリートと同程度である。このため、熱養生が不要で、現場施工が可能な高じん性・高強度材料が求められている。

一般に、セメント系材料は温度の影響を受けやすく、特に低温下では強度発現が遅くなる傾向がある。このため冬季に現場施工を行う場合には熱源を用いた給熱処置を行う必要がある。

そこで、本発明は、低温下においても通常の養生のみで、早期に高いじん性及び高い圧縮強度を発現する高じん性・高強度モルタル組成物を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意検討した結果、低温下においても通常の養生のみで、早期に高じん性、高強度を発現するためには、セメントと、超微粉スラグと、細骨材及び減水剤を特定の配合割合で組み合わせればよいことを見出し、この知見に基づいて本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明はセメントと、超微粉スラグと、減水剤と、消泡剤と、細骨材とを含み、超微粉スラグのブレーン比表面積は１００００〜２００００ｃｍ^２／ｇである高じん性・高強度モルタル組成物を提供する。このようなモルタル組成物によれば、低温下で養生した場合であっても、早期に高いじん性及び高い圧縮強度が得られる。

ここで、超微粉スラグの平均粒子径は、０．８〜３．０μｍであることが好ましく、その含有量は、セメント及び超微粉スラグの合計量を基準として、５〜４０質量％であることが好ましい。

また、本発明の高じん性・高強度モルタル組成物に含まれるセメントは、圧縮強度、引張強度及びセメントの焼成の観点から、Ｃ_３Ｓ量を４０．０〜７５．０質量％及びＣ_３Ａ量を２．７質量％未満含有し、かつ、４５μｍふるい残分が２５．０質量％未満であることが好ましい。

また、本発明の高じん性・高強度モルタル組成物は、セメント及び超微粉スラグの合計量１００質量部に対して、水を１０〜２５質量部及び減水剤を０．５〜６．０質量部含むことが好ましい。これにより、モルタル組成物の強度がより一層向上する。

また、本発明の高じん性・高強度モルタル組成物は、セメント及び超微粉スラグの合計量１００質量部に対して、消泡剤を０．０１〜２．０質量部含むことが好ましい。

本発明によれば、低温下においても通常の養生のみで、早期に高いじん性及び高い圧縮強度を発現する高じん性・高強度モルタル組成物を提供することができる。

実施例で用いた消泡剤の^１Ｈ−ＮＭＲスペクトルである。

本実施形態の高じん性・高強度モルタル組成物は、セメントと、超微粉スラグと、減水剤と、消泡剤と、細骨材とを含むものである。以下、本発明に係るモルタル組成物の好適な実施形態について説明する。

セメントの鉱物組成は、好ましくはＣ_３Ｓ量が４０．０〜７５．０質量％であり、Ｃ_３Ａ量が２．７質量％未満である。セメントのＣ_３Ｓ量は、好ましくは４５．０〜７３．０質量％、より好ましくは４８．０〜７０．０質量％であり、更に好ましくは５０．０〜６８．０質量％である。Ｃ_３Ａ量は、好ましくは２．３質量％未満であり、より好ましくは２．１質量％未満であり、更に好ましくは１．９質量％未満である。Ｃ_３Ｓ量が４０．０質量％未満では圧縮強度及び引張強度が低くなる傾向があり、７５．０質量％を超えるとセメントの焼成自体が困難となる傾向がある。また、Ｃ_３Ａ量が２．７質量％以上では引張強度が低くなる傾向がある。なお、Ｃ_３Ａ量の下限値は特に限定されないが、０．１質量％程度である。

また、セメントのＣ_２Ｓ量は、好ましくは９．５〜４０．０質量％、より好ましくは１０．０〜３５．０質量％であり、更に好ましくは１２．０〜３０．０質量％である。Ｃ_４ＡＦ量は、好ましくは９．０〜１８．０質量％、より好ましくは１０．０〜１５．０質量％であり、更に好ましくは１１．０〜１５．０質量％である。このようなセメントの鉱物組成の範囲であれば、モルタル組成物の高いじん性、高い圧縮強度、高い引張強度及び高い流動性をよりよく確保できる。

また、セメントの粒度は、４５μｍふるい残分が、好ましくは上限で２５．０質量％未満であり、より好ましくは２０．０質量％であり、更に好ましくは１８．０質量％であり、特に好ましくは１６．０質量％である。４５μｍふるい残分の下限は０．０質量％であり、好ましくは１．０質量％であり、より好ましくは２．０質量％である。セメントの粒度がこの範囲であれば、高い引張強度をよりよく確保できる。

セメントのブレーン比表面積は、好ましく２５００〜４８００ｃｍ^２／ｇ、より好ましくは２８００〜４０００ｃｍ^２／ｇ、更に好ましくは３０００〜３６００ｃｍ^２／ｇである。ブレーン比表面積が２５００ｃｍ^２／ｇ未満ではモルタル組成物の強度が低くなる傾向があり、４８００ｃｍ^２／ｇを超えると低水セメント比での流動性が低下する傾向がある。

本発明のセメントの製造にあたっては、通常のセメントと特に異なる操作を行う必要は無く、石灰石、珪石、スラグ、石炭灰、建設発生土、高炉ダスト等の原料の調合を目標とする鉱物組成に応じて変え、実機キルンで焼成した後、得られたクリンカーに石膏を加えて所定の粒度に粉砕することによって製造する。焼成するキルンは、一般的なＮＳＰキルンやＳＰキルン等が、粉砕は一般的なボールミル等の粉砕機が使用可能である。また、必要に応じて、２種以上のセメントを混合することもできる。

超微粉スラグは、高炉スラグを乾式粉砕することにより得られる。超微粉スラグのブレーン比表面積は１００００〜２００００ｃｍ^２／ｇ、好ましくは１１０００〜１９０００ｃｍ^２／ｇ、より好ましくは１２０００〜１８０００ｃｍ^２／ｇ、更に好ましくは１３０００〜１７０００ｃｍ^２／ｇである。また、その平均粒子径は、好ましくは０．８〜３．０μｍ、より好ましくは１．０〜２．３μｍ、更に好ましくは１．３〜１．８μｍである。

通常セメントに使用する高炉スラグ微粉末のブレーン比表面積は、３０００〜５０００ｃｍ^２／ｇ程度であるが、本発明の超微粉スラグは通常セメントに使用する高炉スラグ微粉末に比べブレーン比表面積を格段に大きくしている。このことにより水和活性は格段と高いものとなる。

したがって、超微粉スラグのブレーン比表面積をこれらの範囲とすることにより、本実施形態のモルタル組成物について、高いじん性、高い圧縮強度、高い引張強度、高い流動性を確保できる。更に通常セメントに添加されるスラグでは弱点とされる低温硬化性についても高い低温硬化性を確保することができる。

本実施形態のモルタル組成物における超微粉スラグの含有量は、セメント及び超微粉スラグの合計量を基準として、好ましくは５〜４０質量％、より好ましくは、７〜３５質量％、更に好ましくは１０〜３０質量％である。また、モルタル１ｍ^３当たりの超微粉スラグの単位量は、好ましくは５０〜８００ｋｇ／ｍ^３、より好ましくは７０〜７００ｋｇ／ｍ^３、更に好ましくは１００〜６００ｋｇ／ｍ^３である。

減水剤としては、リグニン系、ナフタレンスルホン酸系、アミノスルホン酸系、ポリカルボン酸系の減水剤、高性能減水剤、高性能ＡＥ減水剤等を使用することができる。低水セメント比での流動性を確保する観点から、好ましくはポリカルボン酸系の減水剤、高性能減水剤、高性能ＡＥ減水剤、より好ましくはポリカルボン酸系の高性能減水剤が挙げられる。本実施形態に係るモルタル組成物は、セメントと超微粉スラグの合計量１００質量部に対して、減水剤を好ましくは０．５〜６．０質量部、より好ましくは１．０〜４．０質量部、更に好ましくは１．８〜３．５質量部含む。また、モルタル１ｍ^３当たりの減水剤の単位量は、好ましくは７〜９５ｋｇ／ｍ^３、より好ましくは１３〜６４ｋｇ／ｍ^３、更に好ましくは２３〜５６ｋｇ／ｍ^３である。

また、これらの減水剤に、消泡剤を併用することが好ましい。消泡剤としては、ポリアルキレン誘導体、疎水性シリカ、ポリエーテル系等を使用することができる。消泡剤の使用量は、セメントと超微粉スラグの合計量１００質量部に対して、好ましくは０．０１〜２．０質量部、より好ましくは０．０２〜１．５質量部、更に好ましくは０．０３〜１．０質量部である。また、モルタル１ｍ^３当たりの消泡剤の単位量は、好ましくは０．１３〜２９ｋｇ／ｍ^３、より好ましくは０．２６〜２２ｋｇ／ｍ^３、更に好ましくは０．３９〜１５ｋｇ／ｍ^３である。

細骨材としては、川砂、陸砂、海砂、砕砂、珪砂、石灰石骨材、高炉スラグ細骨材、フェロニッケルスラグ細骨材、銅スラグ細骨材、電気炉酸化スラグ細骨材等を使用することができる。本実施形態における細骨材は粒径０．１５ｍｍ以下の粒群を好ましくは１５〜８５質量％、より好ましくは２０〜７０質量％、更に好ましくは２５〜４５質量％含む。１５質量％未満では、モルタルスラリーの粘性が低すぎるため金属繊維が十分に分散しないおそれがある。８５質量％を超えると、微粉量が多すぎて粘性が高くなり、所定のフローを出すためには水セメント比を増やす必要があるため強度低下に繋がるおそれがある。また、粒径０．０７５ｍｍ以下の粒群を好ましくは３〜２０質量％、より好ましくは５〜１５質量％含む。微粒分の調製方法は、特に限定されないが、例えば、粒度の異なる細骨材を混ぜ合わせることによって可能である。

上記材料の他に、金属繊維を適時組み合わせると、更に高いじん性、高い圧縮強度及び高い引張強度が得られる。金属繊維は、鋼繊維、ステンレス繊維、アモルファス合金繊維等を使用することができる。繊維径は０．０５〜１．２０ｍｍが好ましく、０．１０〜０．４０ｍｍがより好ましく、０．１４〜０．１８ｍｍが更に好ましい。繊維長は１〜１８０ｍｍが好ましく、５〜７０ｍｍがより好ましく、１０〜２０ｍｍが更に好ましい。金属繊維のアスペクト比（繊維長／繊維径）は１０〜１５０が好ましく、３０〜１２０がより好ましく、７０〜９０が更に好ましい。金属繊維の引張強度は１００〜１００００Ｎ／ｍｍ^２が好ましく、５００〜５０００Ｎ／ｍｍ^２がより好ましく、２０００〜３０００Ｎ／ｍｍ^２が更に好ましい。このような高張力繊維を用いることで、本実施形態のモルタル組成物に高いじん性、高い圧縮強度、高い引張強度及び高い流動性を更に付与できる。

上記金属繊維は、モルタル組成物に対して外割で(すなわちモルタル組成物における、金属繊維を除いた組成物１００体積％に対して)、好ましくは０．３〜５．０体積％、より好ましくは０．５〜４．０体積％、更に好ましくは１．０〜２．５体積％含む。これにより、モルタル組成物に更なる高いじん性が得られる。金属繊維が０．３体積％未満では擬似ひずみ硬化を示すような高じん性が得られにくい。また、５．０体積％を超えるとモルタルの練混ぜが困難になる場合がある。また、モルタル１ｍ^３に対する金属繊維の配合量は、好ましくは２３〜３９３ｋｇ、より好ましくは３９〜３１４ｋｇ、更に好ましくは７９〜１９６ｋｇである。

また、本実施形態に係るモルタル組成物は、セメントと超微粉スラグの合計量１００質量部に対して、水を好ましくは１０〜２５質量％、より好ましくは１２〜２０質量部、更に好ましくは１３〜１８質量部含む。モルタル１ｍ^３当たりの単位水量は、好ましくは１８０〜２８０ｋｇ／ｍ^３、より好ましくは１９０〜２７０ｋｇ／ｍ^３、更に好ましくは２００〜２６０ｋｇ／ｍ^３である。

本発明では、必要に応じて、膨張材、収縮低減剤、凝結促進剤、凝結遅延剤、増粘剤、有機繊維、炭素繊維、ガラス繊維、合成樹脂粉末、ポリマーエマルジョン、ポリマーディスパージョン等を１種又は２種以上添加してもよい。

また、上記高じん性・高強度モルタル組成物に粗骨材を適量組み合わせることによりコンクリートを調製してもよい。粗骨材の量や水の量は、目標圧縮強度、じん性、目標スランプに応じて適時変えればよい。粗骨材としては、砂利、砕石、石灰石骨材、高炉スラグ粗骨材、電気炉酸化スラグ粗骨材等を使用することができる。

本実施形態に係るモルタル組成物の製造方法は、特に限定されないが、水、減水剤及び消泡剤以外の材料の一部又は全部を予め混合しておき、モルタルの練混ぜの際に、水、減水剤、消泡剤をミキサに入れて練り混ぜる。モルタルの練混ぜに使用するミキサは特に限定されず、モルタル用ミキサ、二軸強制練りミキサ、パン型ミキサ等を使用することができる。

本実施形態の高じん性・高強度モルタル組成物は、高じん性、高強度が求められるＰＣ梁、高耐久性パネル、ブロック耐震壁、橋梁の補修・補強等に特に有効である。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

以下、実施例及び比較例を挙げて本発明の内容をより具体的に説明する。なお、本発明は下記実施例に限定されるものではない。

［使用材料］
モルタル組成物の作製は、以下に示す材料を使用した。

（１）ポルトランドセメント：
石灰石、珪石、スラグ、石炭灰、建設発生土、高炉ダスト等の原料の調合を目標とする鉱物組成に応じて変え、実機キルンで焼成した後、石膏を加えて粉砕することによってポルトランドセメントを調製した。得られたセメントの化学成分を、ＪＩＳＲ５２０２：１９９９「ポルトランドセメントの化学分析法」に準じて測定し、下記のボーグ式により鉱物組成を算出した。得られたセメントの鉱物組成を表１に示す。
Ｃ_３Ｓ量＝（４．０７×ＣａＯ）−（７．６０×ＳｉＯ_２）−（６．７２×Ａｌ_２Ｏ_３）−（１．４３×Ｆｅ_２Ｏ_３）−（２．８５×ＳＯ_３）
Ｃ_２Ｓ量＝（２．８７×ＳｉＯ_２）−（０．７５４×Ｃ_３Ｓ）
Ｃ_３Ａ量＝（２．６５×Ａｌ_２Ｏ_３）−（１．６９×Ｆｅ_２Ｏ_３）
Ｃ_４ＡＦ量＝３．０４×Ｆｅ_２Ｏ_３

また、得られたポルトランドセメントについて、セメント協会標準試験方法ＪＣＡＳＫ−０２「４５μｍ網ふるいによるセメントの粉末度試験方法」によって４５μｍ残分を、ＪＩＳＲ５２０１−１９９７「セメントの物理試験方法」によってブレーン比表面積を測定した。結果を表１に示す。

（２）超微粉スラグ：ブレーン比表面積１５０００ｃｍ^２／ｇ、平均粒径１．７μｍ
超微粉スラグは、高炉スラグを乾式粉砕し、ブレーン比表面積が１５０００ｃｍ^２／ｇ、平均粒子径が１．７μｍとなるように調整したものを使用した。ブレーン比表面積の測定方法はＪＩＳＡ６２０６−１９９７「コンクリート用高炉スラグ微粉末」に準拠して測定した。

平均粒子径は、レーザー回折式粒度分布測定装置［セイシン企業製、ＬＭＳ−３０（レーザー・マイクロ・サイザー）］を用いて測定した粒度分布より、粒子径―積算篩上質量％曲線を作成して算出し、粒子径―積算篩上質量％曲線より積算質量％が５０％となる粒子径を求めた。試料分散溶媒はエタノールを用い、測定前の超音波による試料分散時間を６０秒、測定時間を３０秒、測定繰り返し回数は２回とした。レーザー回折方式はＦｒａｕｎｈｏｆｅｒ回析とＭｉｅ散乱を併用した。光源は半導体レーザーで波長６７０ｎｍ，出力２ｍＷとした。相対屈折率（粒子屈折率/溶媒屈折率）は１．３３０とした。

（３）シリカフューム：平均粒子径０．２３μｍ
シリカフュームの平均粒子径は、レーザー回折／散乱式粒子径分布測定装置（堀場製作所製、商品名「ＬＡ−９５０Ｖ２」）を用いて測定した粒子径分布より、粒子径−通過分積算％曲線を算出し、粒子径−通過分積算％曲線より通過分積算が５０体積％となる粒子径を求めた。試料分散媒は０．２％ヘキサメタリン酸ナトリウム水溶液を用い、測定前に出力６００Ｗのホモジナイザーにて１０分間分散処理した。粒度分布の演算はＭｉｅ散乱理論に従った。粒子屈折率は１．４５−０．００ｉ、溶媒屈折率は１．３３３とした。各粒度の通過分積算（体積％）を表２に示す。

（４）細骨材
（ｉ）砕砂：安山岩砕砂、表乾密度２．６２ｇ／ｃｍ^３、粗粒率２．８０、吸水率２．５質量％
（ｉｉ）珪砂：表乾密度２．６３ｇ／ｃｍ^３

上記砕砂及び珪砂の粒度は、ＪＩＳＡ１１０２−２００６「骨材のふるい分け試験方法」によって測定した。次いで、砕砂及び珪砂を混合して所定の粒度になるように調整した。結果を表３に示す。

（５）高性能減水剤：ポリカルボン酸系高性能減水剤（固形分濃度２５質量％）
（６）消泡剤：ポリエーテル系消泡剤
消泡剤中の^１Ｈ−ＮＭＲのデータを^１Ｈ−ＮＭＲ測定装置（ＢＲＵＫＥＲ製、商品名「ＡＶＡＮＣＥ」）により測定した。試料溶媒は重メタノールを使用した。消泡剤のＮＭＲ測定結果を図１に示す。図１中、ＰＯＥはポリオキシエチレンの構造単位に基づくピークを示し、ＰＯＰはポリオキシプロピレンの構造単位に基づくピークを示す。
（７）練混ぜ水：上水道水

［モルタル組成物の作製］
モルタル組成物の作製は、表４の配合組成に基づき、以下の通りに行った。

ポルトランドセメント、超微粉スラグ、珪砂、砕砂及び消泡剤（比較例１においてはシリカフュームも）を表４に示す配合で、モルタル用ミキサを用いて低速で３０秒間攪拌した。次に、表４に示す量の高性能減水剤を含む練混ぜ水をミキサ内に投入して低速で５分間、高速で３分間撹拌して、実施例１、２及び比較例１のモルタル組成物をそれぞれ作製した。

＊１：セメント、シリカフューム及び超微粉スラグの合計量１００質量％に対する水の量
＊２：減水剤中の水分は単位水量に含める

［モルタル組成物の試験方法及び評価結果］
（１）フレッシュ性状
（試験方法）
実施例１、２及び比較例１で作製したモルタル組成物を用いて、０打フローを測定した。０打フローは、ＪＩＳＲ５２０１−１９９７「セメントの物理試験方法」で落下無しの条件で測定した。試験温度は５℃で行った。
（２）強度試験
ＪＩＳＡ１１３２−２００６「コンクリートの強度試験用供試体の作り方」に準じて５ｃｍ×１０ｃｍの円柱供試体を作製し、ＪＩＳＡ１１０８−２００６「コンクリートの圧縮強度試験方法」に準じて圧縮強度試験を行った。供試体は試験材齢まで５℃で水中養生した。

（評価結果）
表５に、０打フロー試験及び圧縮強度試験の結果を示す。ブレーン比表面積が本発明の範囲内である超微粉高炉スラグを含む実施例１、２は０打フローが３００ｍｍ近くあり流動性が良好で、５℃の材齢２８日の圧縮強度が１６０〜１８０Ｎ／ｍｍ^２と強度面も十分であることが確認された。これに対し、超微粉高炉スラグを使用していない比較例１は圧縮強度が不十分であった。

Claims

セメントと、超微粉スラグと、減水剤と、消泡剤と、細骨材とを含み、
前記超微粉スラグのブレーン比表面積は１３０００〜２００００ｃｍ ^２／ｇであり、
前記超微粉スラグの平均粒子径が０．８〜３．０μｍであり、
前記セメントは、Ｃ _３Ｓ量を４０．０〜７５．０質量％及びＣ _３Ａ量を２．７質量％未満含有し、かつ、４５μｍふるい残分が２５．０質量％未満であり、
前記セメント及び前記超微粉スラグの合計量を基準として、前記超微粉スラグを５〜４０質量％含み、
材齢２８日の圧縮強度が１６０Ｎ／ｍｍ ^２以上となる、高じん性・高強度モルタル組成物。
前記セメント及び前記超微粉スラグの合計量１００質量部に対して、水を１０〜２５質量部及び減水剤を０．５〜６．０質量部含む、請求項１に記載の高じん性・高強度モルタル組成物。
前記セメント及び前記超微粉スラグの合計量１００質量部に対して、消泡剤を０．０１〜２．０質量部含む、請求項１又は２に記載の高じん性・高強度モルタル組成物。