JP5866731B2

JP5866731B2 - 重量コンクリート

Info

Publication number: JP5866731B2
Application number: JP2012037477A
Authority: JP
Inventors: 康秀肥後
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2012-02-23
Filing date: 2012-02-23
Publication date: 2016-02-17
Anticipated expiration: 2032-02-23
Also published as: JP2013173625A

Description

本発明は、収縮ひずみが小さくひび割れが生じにくい重量コンクリートに関する。

重量コンクリートは、一般に比重が３以上の重量骨材を用いて単位容積質量を高めたコンクリートであり、その主な用途は、放射線遮蔽用や重量機械の基礎用のコンクリート等である。また、重量骨材には、鉄等の人工骨材や、より安価な鉄鉱石等の天然骨材のほか、製鋼スラグ等の廃棄物を有効利用したものもある。例えば、特許文献１には、製鋼スラグやフェロニッケルスラグ等から分取した比重３．０〜７．０の無機質からなる骨材と、鉄鉱石からなる骨材等を含む重量コンクリートが提案されている。かかる廃棄物を有効利用した重量コンクリートは、天然資源の節約やコスト低減の点から好ましい。

ところで、コンクリートは、一般に引張強度が低いため、収縮によりひび割れ（収縮ひび割れ）が発生することがある。このひび割れは、コンクリート建築物の美観を損なうほか、コンクリートの水密性・気密性の低下や、鉄筋の腐食等による建築物の耐久性低下の原因になっている。
コンクリートの収縮には、主にセメントペースト部分が乾燥して生じる乾燥収縮と、セメントの水和に伴い生じる自己収縮がある。従来、これらの収縮を低減するために膨張材や収縮低減剤が用いられてきた。例えば、特許文献２には、セメント、減水剤、収縮低減剤、および膨張材等を含み、収縮低減剤／セメント比が０．１〜２．０重量％、膨張材／セメント比が３．０〜１０重量％で、４０Ｎ／ｍｍ^２以上の圧縮強度を発現する高性能コンクリートが提案されている。しかし、収縮低減剤等を用いるとコンクリートはコスト高になるほか、収縮低減剤の添加量が増えるに従い、コンクリートの凍結融解抵抗性が低下する場合がある。

そこで、収縮低減剤等を用いなくても、収縮ひずみが小さくひび割れが生じにくいコンクリートが望まれている。特に、放射性廃棄物の保管容器等に用いる放射線遮蔽用コンクリートは、長期にわたり高い遮蔽効果と気密性が維持されなければならず、ひび割れが生じないことが強く求められている。

特開２０００−７２５１１号公報特開２００３−１９２４１４号公報

そこで、本発明は、収縮低減剤等を用いなくても長期にわたり収縮ひずみが小さく、かつ、廃棄物を有効利用した重量コンクリートを提供することを目的とする。

本発明者は、前記目的にかなう重量コンクリートを鋭意検討した結果、特定の種類の骨材を用いた重量コンクリートは、収縮低減剤等を用いなくても長期にわたり収縮ひずみが小さいことを見い出し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明は、以下の［１］〜［４］を提供する。
［１］セメント、粗骨材、細骨材、減水剤、および水を含む重量コンクリートであって、該粗骨材および細骨材が、製鋼過程で発生するダストと還元スラグを含む混合物を溶融してなる人工石材である、重量コンクリート。
［２］前記人工石材中のＦｅの含有率がＦｅＯ換算で３０質量％以下である、前記［１］に記載の重量コンクリート。
［３］前記減水剤が、ナフタレンスルホン酸（塩）のホルムアルデヒド縮合物、またはポリカルボン酸（塩）を有効成分として含む、高性能減水剤または高性能ＡＥ減水剤である、前記［１］または［２］に記載の重量コンクリート。
［４］膨張材および／または収縮低減剤を含む前記［１］〜［３］のいずれかに記載の重量コンクリート。

本発明の重量コンクリートは、長期にわたり収縮ひずみが小さく、かつ、廃棄物由来の骨材を有効利用することができる。

本発明に係る重量コンクリート等の圧縮強度と静弾性係数の関係を示す図である。（ａ）、（ｂ）ともに、本発明に係る重量コンクリート等の乾燥収縮ひずみの経時変化を示す図である。

本発明は、前記のとおり、セメント、粗骨材、細骨材、減水剤、および水を含む重量コンクリートであって、該粗骨材が製鋼過程で発生するダスト（以下「製鋼ダスト」という。）と還元スラグを含む混合物を溶融してなる人工石材である重量コンクリートである。
以下、本発明について、その構成材料に分けて説明する。

（１）セメント
該セメントは、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメントおよび低熱ポルトランドセメント等のポルトランドセメント、高炉セメントおよびフライアッシュセメント等の混合セメント、エコセメント、並びに前記ポルトランドセメントおよびエコセメントの一部を石灰石粉末、シリカフューム、メタカオリン等の混和材で置換したセメントを用いることができる。これらの中でも普通ポルトランドセメントはコストや汎用性の点から好ましい。
単位セメント量の下限は２００ｋｇ／ｍ^３が好ましく、２５０ｋｇ／ｍ^３がより好ましく、３００ｋｇ／ｍ^３がさらに好ましく、上限は６００ｋｇ／ｍ^３が好ましく、５００ｋｇ／ｍ^３がより好ましく、４００がｋｇ／ｍ^３がさらに好ましい。該下限量が２００ｋｇ／ｍ^３未満では重量コンクリートの強度が不十分であり、該上限量が６００ｋｇ／ｍ^３を超えると重量コンクリートの長期材齢における収縮ひずみが大きくなるおそれがある。

（２）粗骨材
該粗骨材は、製鋼ダストと還元スラグを含む混合物を溶融してなる人工石材である。
該製鋼ダストは、製鋼過程において、鋼材スクラップ等を炉に装入し、溶解期、酸化期、除滓、および還元期を経て出鋼する間に集塵装置により回収されるダストであり、該還元スラグは、同じく出鋼する間に排出されるスラグである。ちなみに、製鋼ダストと還元スラグの化学組成の一例を表１に示す。

前記粗骨材は、具体的には、前記製鋼ダストと還元スラグ（粉砕物）を含む混合物を、燃料に対する酸素比が好ましくは１以上、より好ましくは１．０５以上のバーナ−のフレームを用いて、１２００〜１４００℃で溶融し、該溶融物が冷却した後に粉砕して篩分け等により分取した人工石材であり、粒径が５ｍｍ以上の粗粒分を８５質量％以上含むものである。
製鋼ダストと還元スラグの配合割合は、質量比で１：０．３〜１：３が好ましく、１：０．７〜１：３がより好ましく、１：１〜１：３がさらに好ましく、１：１〜１：２が特に好ましい。該比が１：０．３〜１：３であれば、膨張性が低く密度の高い人工石材が得られる。

また、前記粗骨材中のＦｅの含有率はＦｅＯ換算で３０質量％以下が好ましく、２５質量％以下がより好ましく、２０質量％以下がさらに好ましく、１５質量％以下が特に好ましい。該値が３０質量％を超えると、重量コンクリートの収縮ひずみが大きくなる傾向がある。
前記粗骨材の表乾密度は、３．３ｇ／ｃｍ^３以上が好ましく、３．７ｇ／ｃｍ^３以上がより好ましく、４．０ｇ／ｃｍ^３以上がさらに好ましい。該値が３．３ｇ／ｃｍ^３未満では重量コンクリートの収縮ひずみが増加する傾向がある。
コンクリート中の前記粗骨材の単位量は、下限は１０００ｋｇ／ｍ^３が好ましく、１３００ｋｇ／ｍ^３がより好ましく、上限は１８００ｋｇ／ｍ^３が好ましく、１６００ｋｇ／ｍ^３がより好ましい。該値が１０００〜１８００ｋｇ／ｍ^３であれば、重量コンクリートの作業性等が良好である。

（３）細骨材
該細骨材は、川砂、陸砂、海砂、砕石、天然軽量骨材、人工軽量骨材、および前記人工石材（但し、１０ｍｍ篩をすべて通過し、５ｍｍ以下の細粒分を８５質量％以上含むもの）等から選ばれる、少なくとも１種以上が挙げられる。これらの中でも前記人工石材は、重量コンクリートの収縮ひずみの低減効果が高いため好ましい。なお、前記人工石材の調製方法、製鋼ダストと還元スラグの配合割合、Ｆｅの含有率、および表乾密度は、前記粗骨材の場合と同じである。
コンクリート中の前記細骨材の単位量は、下限は７００ｋｇ／ｍ^３が好ましく、８００ｋｇ／ｍ^３がより好ましく、上限は１６００ｋｇ／ｍ^３が好ましく、１５００ｋｇ／ｍ^３がより好ましい。該値が７００〜１６００ｋｇ／ｍ^３であれば、重量コンクリートのひび割れの発生が少なく流動性は良好である。

（４）減水剤
該減水剤は、ナフタレンスルホン酸（塩）のホルムアルデヒド縮合物、ポリカルボン酸（塩）、メラミンスルホン酸（塩）のホルムアルデヒド縮合物、ポリスチレンスルホン酸（塩）、およびリグニンスルホン酸（塩）等が挙げられる。これらの中でも、重量コンクリートの作業性や収縮ひずみの低減効果の点で、ナフタレンスルホン酸（塩）のホルムアルデヒド縮合物、またはポリカルボン酸（塩）を有効成分とする、高性能減水剤または高性能ＡＥ減水剤が好ましい。ここで、前記高分子化合物の酸（塩）とは、酸、その塩、およびこれらが併存する高分子化合物をいう。また、塩とは、ナトリウム塩等のアルカリ金属塩、カルシウム塩等のアルカリ土類金属塩、およびアンモニウム塩等をいう。
前記減水剤の配合割合は、セメント１００質量部に対し、固形分換算で、下限は０．１質量部が好ましく、０．３質量部がより好ましく、０．５質量部がさらに好ましく、上限は５質量部が好ましく、４質量部がより好ましく、２質量部がさらに好ましい。該値が０．１〜５質量部であれば、重量コンクリートの流動性は良好でスランプロスを小さくできる。

（５）水
本発明で用いる水は、重量コンクリートの強度発現性や流動性等に悪影響を与えないものであれば用いることができる。かかる水として、水道水、下水処理水、生コンの上澄水などが挙げられる。水／セメント比は、下限は１５％が好ましく、３０％がより好ましく、上限は５０％が好ましく、４５％がより好ましい。該比が１５〜５０％であれば、重量コンクリートの強度が高く流動性や施工性が良好である。

（６）膨張材
本発明の重量コンクリートには、膨張材および／または収縮低減剤を含有させることができる。膨張材および／または収縮低減剤を含有させることによって、収縮ひずみをより小さくすることができる。
該膨張材としては、石灰系やカルシウムサルホアルミネート系を挙げることができる。コンクリート中の該膨張材の単位量は、４０ｋｇ以下が好ましく、１０〜３０ｋｇがより好ましい。該値が４０ｋｇを超えると膨張量が過大になる場合がある。
膨張材のブレーン比表面積は、下限は２０００ｃｍ^２／ｇが好ましく、３０００ｃｍ^２／ｇ以上がより好ましく、上限は６０００ｃｍ^２／ｇが好ましい。該値が２０００ｃｍ^２／ｇ未満では、コンクリート中で膨張材がポップアウトして強度が低下するおそれがあり、６０００ｃｍ^２／ｇを超えるとコスト高になる。

（７）収縮低減剤
該収縮低減剤は、例えば、低級アルコールのアルキレンオキシド付加物、グリコールエーテル・アミノアルコール誘導体、ポリエーテル、アルキレンオキシド共重合体、およびポリオキシアルキレン・アルコールエーテルと無機フィラーの混合物等から選ばれる、少なくとも１種以上が挙げられる。該収縮低減剤の配合割合は、セメント１００質量部に対し、５．０質量部以下が好ましく、０．５〜４．０質量部がより好ましい。該配合割合が５．０質量部を超えるとセメントの水和を阻害するおそれがある。

（８）その他の任意の構成成分
本発明の重量コンクリートは、さらに消泡剤および水和熱抑制剤等の混和剤を含んでもよい。消泡剤として、例えば、エステル系、ポリエーテル系、鉱物油系、シリコーン系等の液状または粉末状の消泡剤が挙げられる。該消泡剤の配合割合は、セメント１００質量部に対し、０．０４質量部以下が好ましく、０．０２質量部以下がより好ましい。該値が０．０４質量部を超えるとセメントの水和を阻害するおそれがある。
また、水和熱抑制剤として、例えば、デキストリン、化工デンプン、ホウ酸等から選ばれる少なくとも１種以上が挙げられる。該水和熱抑制剤は、水和熱を抑制して温度ひび割れを低減する効果がある。該水和熱抑制剤の配合割合は、セメント１００質量部に対し、０．５質量部以下が好ましく、０．４質量部以下がより好ましく、０．３質量部以下がさらに好ましい。該値が０．５質量部以下であれば、凝結を遅延させることなく、水和熱を抑制することができる。
また、本発明の重量コンクリートは、さらにフライアッシュ、石炭灰、シリカフューム、および石灰石粉末等の混和材を含んでもよい。

次に、本発明の重量コンクリートの特性について説明する。
（９）単位容積質量
本発明の重量コンクリートの単位容積質量は、２．５ｋｇ／Ｌ以上が好ましく、２．８ｋｇ／Ｌ以上がより好ましく、３．０ｋｇ／Ｌ以上がさらに好ましく、３．３ｋｇ／Ｌ以上が特に好ましい。該値が２．５ｋｇ／Ｌ未満では放射線の遮蔽効果が十分ではない。

（１０）静弾性係数
本発明の重量コンクリートの静弾性係数は、材齢７日で、３５ｋＮ／ｍｍ^２以上が好ましく、４０ｋＮ／ｍｍ^２以上がより好ましく、４５ｋＮ／ｍｍ^２以上がさらに好ましく、材齢２８日では、４０ｋＮ／ｍｍ^２以上が好ましく、４５ｋＮ／ｍｍ^２以上がより好ましく、５０ｋＮ／ｍｍ^２以上がさらに好ましい。該値が小さくなると、収縮ひずみが大きくなるおそれがある。

以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されない。
１．使用材料
使用材料を表２に、コンクリートの配合を表３に示す。

２．圧縮強度、静弾性係数、および長さ変化の測定
表２に示す材料を用いて表３に示す配合に従い調製した原料を、二軸強制練りミキサーで２０℃のもと１２０秒間混練してフレッシュコンクリートを得た。次に、該コンクリートを型枠に投入して１日後に脱型した後、コンクリートを材齢７日まで水中養生し供試体を作製した。
材齢３日と７日の供試体の圧縮強度は、ＪＩＳＡ１１０８「コンクリートの圧縮強度試験方法」に準じて測定した。材齢３日と７日の供試体の静弾性係数は、ＪＩＳＡ１１４９「コンクリートの静弾性係数試験方法」に準じて測定した。また、該供試体の長さ変化は、ＪＩＳＡ１１２９「モルタル及びコンクリートの長さ変化試験方法」に準じて測定した。これらの測定結果について、圧縮強度と静弾性係数は表４に、圧縮強度と静弾性係数の関係は図１に、長さ変化は図２にそれぞれ示した。
なお、膨張材を用いた実施例４、６、および比較例２については、便宜上、ＪＩＳＡ６２０２「コンクリート用膨張材附属書２膨張コンクリートの拘束膨張及び収縮試験方法」に準じ測定したそれぞれの拘束膨張率を、それぞれの長さ変化率に累加して図２に示した。

表４に示すように、静弾性係数は、普通コンクリート（比較例１）や膨張材を用いた普通コンクリート（比較例２）ではそれぞれ、材齢７日で３０．５ｋＮ／ｍｍ^２と３０．１ｋＮ／ｍｍ^２、材齢２８日で３４．３ｋＮ／ｍｍ^２と３４．０ｋＮ／ｍｍ^２であるのに対し、本発明の重量コンクリート（実施例１〜６）では、材齢７日で４０．３〜４８．５ｋＮ／ｍｍ^２、材齢２８日で４３．６〜５１．７ｋＮ／ｍｍ^２と格段に大きい。
また、図１に示すように、本発明の重量コンクリートの静弾性係数／圧縮強度の比は、普通コンクリートや建築学会式で予測される該比よりも格段に大きい。
なお、参考までに前記建築学会式を以下に示す。
E=33.5×k1×k2×(γ/2.4)²×(Fc/60)^1/3
ただし、Eはコンクリートの静弾性係数（kN/mm²）、γはコンクリートの単位容積質量（t/m³）
、Fcはコンクリートの圧縮強度（N/mm²）、k1は骨材による係数、k2は混和材による係数である。

また、図２に示すように、長さ変化は、膨張材や収縮低減剤を用いない重量コンクリート（実施例１〜３）では、普通コンクリート（比較例１）と比べ約２／３以下であり、膨張材を用いた普通コンクリート（比較例２）と同等である。また、図３に示すように、長さ変化は、膨張材を用いた重量コンクリート（実施例４）や収縮低減剤を用いた重量コンクリート（実施例５）では、普通コンクリート（比較例１）と比べ約１／３以下であり、膨張材と収縮低減剤を併用した重量コンクリート（実施例６）では、ほとんどゼロである。

よって、本発明の重量コンクリートは、収縮ひずみが極めて小さく収縮ひび割れが生じにくいため、鉄筋量が多いコンクリート構造物や部材に好適であり、さらに放射性遮蔽部材や放射性廃棄物の保管容器等に最適である。また、本発明の重量コンクリートは廃棄物由来の骨材を用いるため天然資源の節約になる。

Claims

セメント、粗骨材、細骨材、減水剤、および水を含む重量コンクリートであって、該粗骨材および細骨材が、製鋼過程で発生するダストと還元スラグを含む混合物を溶融してなる人工石材である、重量コンクリート。
前記人工石材中のＦｅの含有率がＦｅＯ換算で３０質量％以下である、請求項１に記載の重量コンクリート。
前記減水剤が、ナフタレンスルホン酸（塩）のホルムアルデヒド縮合物、またはポリカルボン酸（塩）を有効成分として含む、高性能減水剤または高性能ＡＥ減水剤である、請求項１または２に記載の重量コンクリート。
膨張材および／または収縮低減剤を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の重量コンクリート。