JP6102993B2

JP6102993B2 - セメント組成物

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Publication number: JP6102993B2
Application number: JP2015140259A
Authority: JP
Inventors: 桂史郎入矢; 新村　亮; 亮新村; 宣典竹田; 利充小林; 賢一一瀬
Original assignee: Obayashi Corp
Current assignee: Obayashi Corp
Priority date: 2015-07-14
Filing date: 2015-07-14
Publication date: 2017-03-29
Anticipated expiration: 2030-08-26
Also published as: JP2015180603A

Description

本発明は、セメント組成物に関する。

一般にセメント組成物は、水、セメント、骨材、混和材料などを混練して製造されている（例えば、特許文献１参照）。この中でセメントはセメント組成物の製造時における二酸化炭素（ＣＯ₂）排出量が多い材料であり、環境の観点からすると、環境負荷低減に配慮したとは言いがたい材料である。

特許第３８４４４５７号公報

セメントの使用量を減らし、その代替として高炉スラグやフライアッシュなどの混和材の量を多くすると、セメント組成物の製造時のＣＯ₂の排出量を下げることができる。しかしながら、この場合、セメントの使用量を減らすことにより、セメント組成物の強度が低下するおそれがある。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＣＯ₂の排出量の低減と強度発現との両立を図ることのできるセメント組成物を提供することにある。

かかる目的を達成するため、本発明のセメント組成物は、５〜３０重量部のセメントと、０〜９重量部（４〜９重量部を除く）のシリカフュームと、０〜５０重量部のフライアッシュと、４２〜７５重量部の高炉スラグ（ブレーン比表面積６０００〜１５０００ｃｍ²／ｇの高炉スラグを除く）と、を有し、前記セメントと前記シリカフュームと前記フライアッシュと前記高炉スラグの合計が１００重量部となる結合材（Ｂ）と、
単位水量８０〜１７３ｋｇ／ｍ³に相当する水（Ｗ）と、
骨材として天然骨材（Ａ）のみと、
減水剤、高性能ＡＥ減水剤、ＡＥ減水剤、又は、高性能減水剤である化学混和剤（ＡＤ）（凝結促進剤を除く）と、
を有し、
単位セメント量が１８〜８９ｋｇ／ｍ³であることを特徴とするセメント組成物である。
このようなセメント組成物によれば、ＣＯ₂の排出量の低減と強度発現との両立を図ることが可能である。

かかるセメント組成物であって、前記水（Ｗ）の前記単位水量が１４３〜１７３ｋｇ／ｍ³であることが望ましい。
このようなセメント組成物によれば、ＣＯ₂の排出量のさらなる低減と強度発現との両立を図ることが可能である。

かかるセメント組成物であって、前記セメントを５〜２０重量部とし、前記フライアッシュを５〜５０重量部とすることが望ましい。
このようなセメント組成物によれば、ＣＯ₂の排出量の低減と強度発現とのバランスをさらに良くすることができる。

かかるセメント組成物であって、前記セメントは、５〜１５重量部であることが望ましい。
このようなセメント組成物によれば、ＣＯ₂の排出量をより一層低減しつつ強度発現とのバランスをさらに良くすることができる。

かかるセメント組成物であって、前記水（Ｗ）と前記結合材（Ｂ）との重量比である水結合材比（Ｗ／Ｂ）が３５％以上４５％以下であることが望ましい。
かかるセメント組成物であって、アルカリ成分、石膏、トリイソプロパノールアミン、石灰石微粉のうちの少なくとも１種以上の添加材を有することが望ましい。

かかるセメント組成物であって、前記石膏は、天然の無水石膏であることが望ましい。また、前記結合材（Ｂ）に対する前記石膏の重量比が１．２％以上６．０％以下であることが望ましい。また、前記結合材（Ｂ）に対する前記石灰石微粉の重量比が０．３％以上１０８．０％以下であることが望ましい。また、前記結合材（Ｂ）に対する前記トリイソプロパノールアミンの重量比が１．０％未満であることが望ましい。

かかるセメント組成物であって、前記シリカフュームはジルコニア起源のシリカフュームであることが望ましい。また、前記フライアッシュは、ＪＩＳＡ６２０１により規定されたフライアッシュI種の値を満たすフライアッシュであることが望ましい。このようなセメント組成物によれば、セメント組成物のフレッシュ性状における流動性を向上させることが可能である。

本発明によれば、ＣＯ₂の排出量の低減と強度発現との両立を図ることが可能である。

本発明の実施形態について以下にさらに詳しく説明する。
本実施形態においては、セメント組成物として、水、セメント、細骨材、粗骨材等を含んで構成されるコンクリートを例に挙げて説明する。本実施形態では、ＣＯ₂排出量の多いセメントの使用量を減らし、セメントの代替材料としてＣＯ₂排出量が少ない混和材（結合材）を使用するようにした。このように、セメントの使用量を極力減らすことで、コンクリート製造時のＣＯ₂の排出量を削減することが可能となる。しかしながら、セメントの使用量が少なくなることによってコンクリートの強度が低下する虞がある。

そこで、本実施形態では以下に示すような検討により、ＣＯ₂の低減とフレッシュ性状及び強度発現のバランスを考慮した材料構成のコンクリートの開発を行った。以下の説明では、試験を実施した、配合割合等が互いに異なるコンクリートの各サンプルをサンプル番号（サンプルＮｏ．）にて示し、各表における各サンプルに対する条件と結果とを対応付けている。

（１）結合材の使用割合の検討：
前述したようにＣＯ₂排出量の多いセメントの使用量を極力少なくし、ＣＯ₂排出量の少ない結合材を増やすようにした。本実施形態では、高炉スラグ、フライアッシュ、シリカフュームを結合材として用いた。但し、結合材は、ＣＯ₂排出の他に強度発現やフレッシュ性状に影響するため、セメント、高炉スラグ、フライアッシュ、シリカフューム、水の使用割合のバランスを検討した。
本実施形態では、セメントとして普通ポルトランドセメントと耐硫酸塩ポルトランドセメントとについて検討し、シリカフュームとしては、フェロシリコン起源のシリカフュームとジルコニア起源のシリカフュームについて検討し、フライアッシュとしては、ＪＩＳＡ６２０１により規定されたフライアッシュI種とフライアッシュII種とについて検討した。

（２）添加材料の検討：
強度の向上を図るため、水酸化カルシウム（アルカリ成分に相当する）、石膏、強度増進剤、石灰石微粉末の配合について検討を行った。
水酸化カルシウムは、アルカリの刺激によりスラグ、フライアッシュなどの硬化を促進させるものである。本実施形態ではスラッジ水を模擬した水酸化カルシウム溶液を使用した。
また、石膏には、二水石膏、半水石膏、無水石膏があるが、本実施形態では無水石膏を使用した。さらに、無水石膏には、フッ素製造時に副生する（産業副産物の）無水石膏や、天然に産出する無水石膏等があるが、本実施形態では天然の無水石膏を使用した。なお、石膏は、前述した高炉スラグの一部とする。
また、本実施形態では、トリイソプロパノールアミンを主成分とする強度増進剤を使用した。
さらに、化学混和剤（ＡＤ）の配合について検討を行った。化学混和剤（ＡＤ）としては、例えば、減水剤、高性能ＡＥ減水剤、ＡＥ減水剤、高性能減水剤がある。

（３）水量の検討：
ＣＯ₂を低減するにはセメントを含む結合材の量を低減することが有効である。一方、強度は水結合材比(結合材量と水量の割合)に依存する。従って、結合材の量を低減させる場合の水量(単位水量)も併せて検討した。

以下、実施例をあげて本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

＜使用材料＞
表１は本実施例で使用した原料の詳細である。

[注]( )内の品名及び密度は、後述するサンプルＮｏ．１１の調合で使用した材料を示す。

なお、表１のうち普通ポルトランドセメント（ＯＰＣ）、耐硫酸塩ポルトランドセメント（ＳＲ）、シリカフューム＜エルケム−エジプト＞（ＳＦ１）、シリカフューム＜ジルコニア＞（ＳＦ２）、フライアッシュII種＜ＪＩＳＡ６２０１＞（ＦＡ１）、フライアッシュI種＜ＪＩＳＡ６２０１＞（ＦＡ２）、高炉スラグ微粉末（ＧＧＢＳ）は結合材（Ｂ）に相当する。また、水酸化カルシウム溶液(Ｗ２)中の水酸化カルシウム（Ｃａ(ＯＨ)₂）、無水石膏（ＣａＳＯ₄）、石灰石微粉末（ＬＳＰ）、強度増進剤（ＳＩ）は添加材に相当する。なお、無水石膏は、高炉スラグ微粉末の一部とする。

本実施例における各原料の配合量を表２に示す。また、各原料の主な配合の割合を表３に示す。上記原料を表２、表３のように混合した。なお、表２、表３のサンプルＮｏの欄の％は、結合材（ＯＰＣ（ＳＲ）＋ＳＦ＋ＦＡ＋ＧＧＢＳ）に対するセメント（ＯＰＣ）又は（ＳＲ）の割合を示している。

また、セメントの割合が４０％のコンクリートを比較例とした。この比較例のセメントの割合（４０％）は、高炉セメントＢ種（JIS R 5211）におけるセメントの使用割合の最小値に相当する。なお、高炉セメントＣ種では、セメントの割合の最小値は３０％（スラグの割合の最大値が７０％）である。本実施例では、セメントの割合をこの３０％以下にしている。すなわち、セメントの使用量を極力少なくしている。

表３において、水結合材比（Ｗ／Ｂ）は、水（Ｗ１＋Ｗ２＋Ｗ３）／結合材（ＯＰＣ＋ＳＦ＋ＦＡ＋ＧＧＢＳ）である。また、細骨材率(ｓ／ａ)は、細骨材（Ｓ）／骨材（Ｓ＋Ｇ１＋Ｇ２）である。なお、ＣａＳＯ₄は、ＧＧＢＳの一部とする。

＜コンクリートの製造条件＞
表４は、コンクリートの配調合条件を示す表である。また、表５は、コンクリートの製造条件（練混ぜ方法）を示す表である。

＜試験項目＞
（１）フレッシュ性状試験（サンプルＮｏ．１〜３５）
フレッシュ性状試験として、練り上がりのスランプ、空気量、温度を測定した。なお、スランプ及び空気量の試験方法は、それぞれJIS A 1101(BS 1881 Part102)、JIS A 1128(BS 1881 Part106)に準拠した。また、コンクリートの温度は温度計によって測定した。
（２）圧縮強度試験（サンプルＮｏ．１〜３５）
φ１００*２００ｍｍ(１５０*１５０*１５０ｍｍ)の供試体を作成して水中養生後、JIS A 1108(BS EN 206)に準じて２０℃(２３℃)および５０℃の圧縮強度を測定した。
（３）乾燥収縮試験（サンプルＮｏ．５〜１１，サンプルＮｏ．２３〜３５）
１００*１００*４００ｍｍ(７５*７５*２８５ｍｍ)の供試体を作成して材齢７日まで水中養生後、JIS A 1129(ASTM C 157)に準じて乾燥による収縮変化（長さ変化）を測定した。
[注]上記の（）内の規準及び寸法は、サンプルＮｏ．１１の場合に適用した。

＜試験結果＞
フレッシュ性状試験の試験結果を表６に示す。

表６に示すように、比較例ではスランプの値が目標値（１５ｃｍ、２１±２ｃｍ）よりも小さいのに対し、本実施例（サンプルＮｏ.１〜４、サンプルＮｏ.１２〜２２）では、ほとんど目標値の範囲に収まり、（サンプルＮｏ.５〜１１、サンプルＮｏ.２３〜３５）では、ほとんど目標値を超えている。つまり、施工性に関して、比較例よりも、本実施例の方が良好である。また、空気量、温度については比較例とほぼ同等である。

また、サンプルＮｏ．１５とサンプルＮｏ．１８との比較により、シリカフュームとして一般品(金属シリコンorフェロシリコン起源)のシリカフュームよりもジルコニア起源のシリカフュームの方が、スランプが大きくなるという結果が得られた。サンプルＮｏ．１５とサンプルＮｏ．１９との比較により、セメントとして普通ポルトランドセメントよりも耐硫酸塩ポルトランドセメントの方が、スランプが大きくなるという結果が得られた。サンプルＮｏ．１５とサンプルＮｏ．２０との比較により、フライアッシュとして、ＪＩＳＡ６２０１にて規定されたフライアッシュII種よりフライアッシュI種の方が流動性に優れるという結果が得られた。

次に、圧縮強度試験の試験結果を表７に示す。

表７に示すように、本実施例では、比較例よりもセメントの使用量が少なくなっているにもかかわらず、１０％以上では比較例に近い圧縮強度が得られた。特に、セメントの割合が１０〜２０％においても良好な圧縮強度が得られた。また、１０％未満であっても、比較例には至らないものの１６Ｎ／ｍｍ²以上の圧縮強度が得られた。なお、本実施例（サンプルＮｏ.１〜３５）における材齢２８日の２０℃(２３℃)の圧縮強度は、１６．６〜６９．４Ｎ／ｍｍ²であった。

また、サンプルＮｏ．１５とサンプルＮｏ．１８との比較により、シリカフュームとして一般品(金属シリコンｏｒフェロシリコン起源)のシリカフュームよりもジルコニア起源のシリカフュームの方が、圧縮強度が高くなるという結果が得られた。サンプルＮｏ．１５とサンプルＮｏ．１９との比較により、セメントとして普通ポルトランドセメントよりも耐硫酸塩ポルトランドセメントの方が、圧縮強度が高くなるという結果が得られた。
[注]上記の（）内の温度は、サンプルＮｏ．１１の場合に適用した。

次に、サンプルＮｏ.５〜１１、サンプルＮｏ.２３〜３５について乾燥収縮試験の試験結果を表８に示す。

表８の長さ変化においてマイナスは、元の長さに対して収縮したことを示している。なお、逆に、この値がプラスになる場合は伸張したことになる。
表８に示すように、乾燥による長さ変化（収縮量）は、比較例よりも本実施例の方が小さくなっている。つまり、本実施例では、比較例よりもひび割れが生じにくいと言える。

以上、説明したように、本実施例ではＣＯ₂排出量の多いセメントの使用量を極力少なくし、ＣＯ₂排出量の少ない混和材（結合材）を増やすようにした。

具体的には、結合材に対するセメントの割合を５〜３０％とし、シリカフュームを０〜２０％、フライアッシュを０〜５０％、高炉スラグを４２〜７５％とし、単位水量を８０〜１８５ｋｇ／ｍ³とした。さらに、アルカリ成分の水酸化カルシウム（Ｃａ(ＯＨ)₂）、石膏（ＣａＳＯ₄）、強度増進剤（ＳＩ）、石灰石微粉（ＬＳＰ）のうちの少なくとも一つの添加材を配合するようにした。なお、石膏は、高炉スラグの一部とする。
さらに、細骨材及び粗骨材を含む骨材と、水と、高性能ＡＥ減水剤等の化学混和剤とによりコンクリートを構成した。
こうすることにより、ＣＯ₂の排出量が低く、フレッシュ性状や強度発現の優れたコンクリートを得ることが可能である。

上記実施形態においては、セメント組成物として、コンクリートを例に挙げて説明したが、骨材として細骨材や粗骨材等を含まないモルタルであっても構わない。
上記実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはいうまでもない。

Claims

５〜３０重量部のセメントと、０〜９重量部（４〜９重量部を除く）のシリカフュームと、０〜５０重量部のフライアッシュと、４２〜７５重量部の高炉スラグ（ブレーン比表面積６０００〜１５０００ｃｍ²／ｇの高炉スラグを除く）と、を有し、前記セメントと前記シリカフュームと前記フライアッシュと前記高炉スラグの合計が１００重量部となる結合材（Ｂ）と、
単位水量８０〜１７３ｋｇ／ｍ³に相当する水（Ｗ）と、
骨材として天然骨材（Ａ）のみと、
減水剤、高性能ＡＥ減水剤、ＡＥ減水剤、又は、高性能減水剤である化学混和剤（ＡＤ）（凝結促進剤を除く）と、
を有し、
単位セメント量が１８〜８９ｋｇ／ｍ³であることを特徴とするセメント組成物。
請求項１に記載のセメント組成物であって、
前記水（Ｗ）の前記単位水量が１４３〜１７３ｋｇ／ｍ³であることを特徴とするセメント組成物。
請求項１又は請求項２に記載のセメント組成物であって、
前記セメントを５〜２０重量部とし、前記フライアッシュを５〜５０重量部としたことを特徴とするセメント組成物。
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のセメント組成物であって、
前記セメントは、５〜１５重量部であることを特徴とするセメント組成物。
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のセメント組成物であって、
前記水（Ｗ）と前記結合材（Ｂ）との重量比である水結合材比（Ｗ／Ｂ）が３５％以上４５％以下であることを特徴とするセメント組成物。
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のセメント組成物であって、
アルカリ成分、石膏、トリイソプロパノールアミン、石灰石微粉のうちの少なくとも１種以上の添加材を有することを特徴とするセメント組成物。
請求項６に記載のセメント組成物であって、
前記石膏は、天然の無水石膏であることを特徴とするセメント組成物。
請求項６又は請求項７に記載のセメント組成物であって、
前記結合材（Ｂ）に対する前記石膏の重量比が１．２％以上６．０％以下であることを特徴とするセメント組成物。
請求項６乃至請求項８のいずれかに記載のセメント組成物であって、
前記結合材（Ｂ）に対する前記石灰石微粉の重量比が０．３％以上１０８．０％以下であることを特徴とするセメント組成物。
請求項６乃至請求項９のいずれかに記載のセメント組成物であって、
前記結合材（Ｂ）に対する前記トリイソプロパノールアミンの重量比が１．０％未満であることを特徴とするセメント組成物。
請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載のセメント組成物であって、
前記シリカフュームはジルコニア起源のシリカフュームであることを特徴とするセメント組成物。
請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載のセメント組成物であって、
前記フライアッシュは、ＪＩＳＡ６２０１により規定されたフライアッシュI種の値を満たすフライアッシュであることを特徴とするセメント組成物。