JP6259555B2 - 銅スラグを用いたコンクリート、及びコンクリート構造物 - Google Patents

Description

本発明は、銅スラグを用いたコンクリート、及びコンクリート構造物に関する。

銅スラグは銅精錬時の副産物であり、セメント原料やサンドブラストなどに用いられている。この銅スラグは比重が高いことから、２．５ｔ／ｍ^３以上の大きな密度を有する重量コンクリートにも用いられている。例えば、特許文献１に記載されたコンクリートでは、粗粒率４．５２の銅スラグと粗粒率２．７８の山砂を細骨材として用いている。

特開２００４−１２３４２２号公報（表１）

ここで、銅スラグは微粒分が少なく、表面が硬質かつ平滑であることから、材料分離を生じ易いという問題点があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、銅スラグを用いても材料分離が生じないコンクリートを提供することにある。

前述の目的を達成するため発明者等は、銅スラグと砂の粗粒率と比率に着目して鋭意検討を重ねた結果、本発明を完成させるに至ったものである。すなわち、本発明は、セメント、粗骨材及び細骨材を含有するコンクリートであって、前記細骨材が、粗粒率が３．１０以上３．５０以下の銅スラグと、粗粒率が１．９０以上２．３０以下の砂とから構成され、細骨材全体に対する前記砂の比率を、体積比で４３％以上５０％以下に定め、ＡＥ減水剤を更に含有し、高性能ＡＥ減水剤を含有しないことを特徴とする。

本発明によれば、細骨材を、粗粒率が３．１０以上３．５０以下の銅スラグと、粗粒率が１．９０以上２．３０以下の砂とから構成し、細骨材全体に対する砂の比率を体積比で４３％以上５０％以下に定め、ＡＥ減水剤を更に含有し、高性能ＡＥ減水剤を含有しないので、銅スラグを用いても材料分離が生じず、かつ、過度な乾燥収縮を抑制可能なコンクリートを提供することができる。

このコンクリートにおいて、前記銅スラグと前記砂の合成粗粒率は２．７８以下であることが好ましい。

また、本発明は、請求項１又は２に記載の銅スラグを用いたコンクリートによって構築されたことを特徴とするコンクリート構造物である。

本発明によれば、銅スラグを用いても材料分離が生じないコンクリートを提供することができる。

各配合を説明する図である。 使用材料を説明する図である。 試験結果を説明する図である。 配合１の試験体に対するスランプ試験の様子を示す写真である。 配合２の試験体に対するスランプ試験の様子を示す写真である。 配合３の試験体に対するスランプ試験の様子を示す写真である。 配合４の試験体に対するスランプ試験の様子を示す写真である。 配合５の試験体に対するスランプ試験の様子を示す写真である。 配合６の試験体に対するスランプ試験の様子を示す写真である。 配合７の試験体に対するスランプ試験の様子を示す写真である。

以下、本発明の実施形態について説明する。まず、図１に示す試験体１〜７とその配合について説明する。なお、これらの試験体１〜７は、重量細骨材として銅スラグが混入されている点で共通している。

試験体１〜３は本発明の実施例である。すなわち、試験体１は単位容積質量２．５ｔ／ｍ^３の実施例であり、試験体２は単位容積質量２．７ｔ／ｍ^３の実施例であり、試験体３は単位容積質量２．９ｔ／ｍ^３の実施例である。一方、試験体４〜７は比較例である。すなわち、試験体４，５は単位容積質量２．５ｔ／ｍ^３の比較例であり、試験体６，７は単位容積質量２．９ｔ／ｍ^３の比較例である。

これらの試験体１〜７は、記号Ｃで示すセメント、記号Ｓ１で示す重量細骨材、記号Ｓ２で示す細骨材、記号Ｇで示す粗骨材を、混和剤とともに後述する割合で混合し、記号Ｗで示す水で練り混ぜることで作製される。

ここで、図２を参照して使用材料について説明する。セメントＣは、記号ＯＰＣで示す普通ポルトランドセメントと、記号ＢＢで示す高炉セメントＢ種の二種類を用いた。普通ポルトランドセメントの密度は３．１６ｇ／ｃｍ^３であり、高炉セメントＢ種の密度は３．０４ｇ／ｃｍ^３である。

重量細骨材Ｓ１は銅スラグ細骨材を用いた。銅スラグ細骨材は、製造時に微粒分が取り除かれるため粗粒であり、表面が平滑なガラス質の粒子である。本実施形態では、小名浜精錬株式会社の小名浜精錬所で産出された銅スラグ細骨材を用いた。この銅スラグ細骨材はＪＩＳ適合品であり、その密度は３．５２ｇ／ｃｍ^３、粗粒率は３．３０である。

細骨材Ｓ２は山砂と砕砂を用いた。山砂は千葉県富津市産のものであり、密度が２．６０ｇ／ｃｍ^３、粗粒率が２．１０である。砕砂は福島県白河産のものであり、密度が２．６４ｇ／ｃｍ^３、粗粒率が２．７５である。

粗骨材Ｇは砕石や電気炉酸化スラグ粗骨材を用いた。混和剤は、減水剤と消泡材を用いた。減水剤に関し、記号ＷＲで示すＡＥ減水剤（高機能タイプＡＥ減水剤）と記号ＳＰで示す高性能ＡＥ減水剤とを用いた。

試験体１では、細骨材に関し、重量細骨材Ｓ１と細骨材Ｓ２の細骨材混合率が体積比で５０対５０となるように細骨材Ｓ１，Ｓ２の単位量を定めた。そして、細骨材Ｓ２として山砂を用い、細骨材の合成粗粒率を２．７０とした。また、セメントＣとしては普通ポルトランドセメントＯＰＣを用い、混和剤として消泡材とＡＥ減水剤ＷＲとを添加した。

具体的には、試験体１は、単位量１５８ｋｇ／ｃｍ^３の水Ｗと、単位量３９５ｋｇ／ｃｍ^３の普通ポルトランドセメントＯＰＣと、単位量５６１ｋｇ／ｃｍ^３の重量細骨材Ｓ１と、単位量４１３ｋｇ／ｃｍ^３の細骨材（山砂）Ｓ２と、単位量１０２０ｋｇ／ｃｍ^３の粗骨材Ｇと、混和剤とを練り混ぜることでフレッシュコンクリートを得た。このフレッシュコンクリートの水セメント比Ｗ／Ｃは４０％であった。

試験体２では、細骨材に関し、重量細骨材Ｓ１と細骨材Ｓ２の細骨材混合率が体積比で５６対４４となるように細骨材Ｓ１，Ｓ２の単位量を定めた。そして、細骨材Ｓ２として山砂を用い、細骨材の合成粗粒率を２．７７とした。セメントＣとしては高炉セメントＢ種ＢＢを用い、混和剤として消泡材とＡＥ減水剤ＷＲとを添加した。

具体的には、試験体２は、単位量１７９ｋｇ／ｃｍ^３の水Ｗと、単位量３７７ｋｇ／ｃｍ^３の高炉セメントＢ種ＢＢと、単位量５９５ｋｇ／ｃｍ^３の重量細骨材Ｓ１と、単位量３６１ｋｇ／ｃｍ^３の細骨材（山砂）Ｓ２と、単位量１１９１ｋｇ／ｃｍ^３の粗骨材Ｇと、混和剤とを練り混ぜることでフレッシュコンクリートを得た。このフレッシュコンクリートの水セメント比Ｗ／Ｃは４７．５％であった。

試験体３では、細骨材に関し、重量細骨材Ｓ１と細骨材Ｓ２の細骨材混合率が体積比で５７対４３となるように細骨材Ｓ１，Ｓ２の単位量を定めた。そして、細骨材Ｓ２として山砂を用い、細骨材の合成粗粒率を２．７８とした。セメントＣとしては高炉セメントＢ種ＢＢを用い、混和剤として消泡材とＡＥ減水剤ＷＲとを添加した。

具体的には、試験体３は、単位量１７８ｋｇ／ｃｍ^３の水Ｗと、単位量４０６ｋｇ／ｃｍ^３の高炉セメントＢ種ＢＢと、単位量５７７ｋｇ／ｃｍ^３の重量細骨材Ｓ１と、単位量３４８ｋｇ／ｃｍ^３の細骨材（山砂）Ｓ２と、単位量１３９１ｋｇ／ｃｍ^３の粗骨材Ｇと、混和剤とを練り混ぜることでフレッシュコンクリートを得た。このフレッシュコンクリートの水セメント比Ｗ／Ｃは４３．９％であった。

試験体４は、試験体１に対応する比較例であり、細骨材として重量細骨材Ｓ１のみを使用した。このため、試験体４の合成粗粒率は、重量細骨材Ｓ１の粗粒率である３．３０となる。セメントＣとしては普通ポルトランドセメントＯＰＣを用い、混和剤として消泡材とＡＥ減水剤ＷＲとを添加した。

具体的には、試験体４は、単位量１５８ｋｇ／ｃｍ^３の水Ｗと、単位量２８８ｋｇ／ｃｍ^３の普通ポルトランドセメントＯＰＣと、単位量１２４１ｋｇ／ｃｍ^３の重量細骨材Ｓ１と、単位量１０２０ｋｇ／ｃｍ^３の粗骨材Ｇと、混和剤とを練り混ぜることでフレッシュコンクリートを得た。このフレッシュコンクリートの水セメント比Ｗ／Ｃは５４．９％であった。

試験体５もまた、試験体１に対応する比較例であり、重量細骨材Ｓ１と細骨材Ｓ２の細骨材混合率が体積比で８０対２０となるように細骨材Ｓ１，Ｓ２の単位量を定めた。そして、細骨材Ｓ２として山砂を用い、細骨材の合成粗粒率を３．０６とした。セメントＣとしては普通ポルトランドセメントＯＰＣを用い、混和剤として消泡材とＡＥ減水剤ＷＲとを添加した。

具体的には、試験体５は、単位量１５８ｋｇ／ｃｍ^３の水Ｗと、単位量３５２ｋｇ／ｃｍ^３の普通ポルトランドセメントＯＰＣと、単位量９３６ｋｇ／ｃｍ^３の重量細骨材Ｓ１と、単位量１７２ｋｇ／ｃｍ^３の細骨材（山砂）Ｓ２と、単位量１０２０ｋｇ／ｃｍ^３の粗骨材Ｇと、混和剤とを練り混ぜることでフレッシュコンクリートを得た。このフレッシュコンクリートの水セメント比Ｗ／Ｃは４４．９％であった。

試験体６は、試験体３に対応する比較例であり、細骨材Ｓ２として砕砂を使用し、重量細骨材Ｓ１と細骨材Ｓ２の細骨材混合率が体積比で５０対５０となるように細骨材Ｓ１，Ｓ２の単位量を定めた。これにより、試験体６の合成粗粒率は３．０３となった。また、セメントＣとしては普通ポルトランドセメントＯＰＣを用い、混和剤として消泡材と高性能ＡＥ減水剤ＳＰとを添加した。

具体的には、試験体６は、単位量１５７ｋｇ／ｃｍ^３の水Ｗと、単位量４００ｋｇ／ｃｍ^３の普通ポルトランドセメントＯＰＣと、単位量５６１ｋｇ／ｃｍ^３の重量細骨材Ｓ１と、単位量４３８ｋｇ／ｃｍ^３の細骨材（砕砂）Ｓ２と、単位量１４２１ｋｇ／ｃｍ^３の粗骨材Ｇと、混和剤とを練り混ぜることでフレッシュコンクリートを得た。このフレッシュコンクリートの水セメント比Ｗ／Ｃは３９．３％であった。

試験体７もまた、試験体３に対応する比較例であり、細骨材Ｓ２として砕砂を使用し、重量細骨材Ｓ１と細骨材Ｓ２の細骨材混合率が体積比で３０対７０となるように細骨材Ｓ１，Ｓ２の単位量を定めた。これにより、試験体７の合成粗粒率は２．９２となった。また、セメントＣとしては普通ポルトランドセメントＯＰＣを用い、混和剤として消泡材と高性能ＡＥ減水剤ＳＰとを添加した。

具体的には、試験体７は、単位量１６２ｋｇ／ｃｍ^３の水Ｗと、単位量４００ｋｇ／ｃｍ^３の普通ポルトランドセメントＯＰＣと、単位量３３１ｋｇ／ｃｍ^３の重量細骨材Ｓ１と、単位量５７８ｋｇ／ｃｍ^３の細骨材（砕砂）Ｓ２と、単位量１４２１ｋｇ／ｃｍ^３の粗骨材Ｇと、混和剤とを練り混ぜることでフレッシュコンクリートを得た。このフレッシュコンクリートの水セメント比Ｗ／Ｃは４０．５％であった。

各試験体１〜７のフレッシュコンクリートを作製した後、それぞれの試験体についてスランプ、空気量、単位容積質量、圧縮強度の測定を行った。ここで、スランプの測定はJIS A 1110、空気量の測定はJIS A 1128、単位容積質量の測定はJIS A 1116、圧縮強度の測定はJIS A 1108に即して行った。試験結果を図３〜図１０に示す。

まず、単位容積質量の試験結果について検討する。図３に示すように、単位容積質量に関し、試験体１は２５４６ｋｇ／ｍ^３、試験体２は２７９０ｋｇ／ｍ^３、試験体３は２９９０ｋｇ／ｍ^３であった。また、試験体４は２５９５ｋｇ／ｍ^３、試験体５は２６２４ｋｇ／ｍ^３であり、試験体６は２９４３ｋｇ／ｍ^３、試験体７は２９０９ｋｇ／ｍ^３であった。試験体１，４，５に関し、何れも単位容積質量２．５ｔ／ｍ^３の要求を満たすことが確認された。同様に、試験体２に関して単位容積質量２．７ｔ／ｍ^３の要求を満たすこと、及び、試験体３，６，７に関して何れも単位容積質量２．９ｔ／ｍ^３の要求を満たすことが確認された。

次に、空気量の試験結果について検討する。図３に示すように、空気量に関し、試験体１は２．６％、試験体２は０．８％、試験体３は１．０％であった。また、試験体４は５．２％、試験体５は２．８％、試験体６は２．７％、試験体７は２．１％であった。試験体４に関して５．２％と高い数値であったが、他の試験体は０．８〜２．８％と３．０％よりも少ない空気量であった。特に、試験体２，３については１．０％以下と極めて少ない空気量であった。

次に、スランプの試験結果について検討する。まず、試験体１，４，５（単位容積質量２．５ｔ／ｍ^３の銅スラグ入りコンクリート）について検討する。図３に示すように、試験体１のスランプは７．０ｃｍであった。これに対し、試験体４のスランプは０．０ｃｍ、試験体４のスランプは２．０ｃｍであった。図４に示すように、試験体１では、プラスティシティー（一体に変形できる性能）を保ったまま沈んでいることが確認された。これに対し、図７，８に示すように、試験体４，５では、スランプコーンを取り去ったあとも、ほぼスランプコーンの形状のままであることが確認された。加えて、図８に示すように、試験体５では上端部に多少の崩れが生じていることも確認された。

これらの結果から、試験体１は流動性及びプラスティシティーが良好であるといえる。これに対し、試験体４は流動性がなく、試験体５は流動性が不足していることが理解できる。特に試験体４は、空気量が５．２％であり、他の試験体よりも多くの空気を含んでいるにもかかわらず、流動性が得られなかった。これは、空気量測定用の容器内にコンクリートを充てんする際に、コンクリートの流動性がないため未充てんの空隙部分が残ったためと考えられる。また、試験体５については、流動性の不足に加えて、プラスティシティーが損なわれていることも理解できる。

試験体１，４，５のスランプ試験から、山砂（細骨材Ｓ２）を、体積比で銅スラグ（重量細骨材Ｓ１）の５０％混合し、普通ポルトランドセメントＯＰＣの単位セメント量を３９５ｋｇ／ｍ^３まで高めることにより、良好なワーカビリティーが得られることが確認できた。

次に、試験体３，６，７（単位容積質量２．９ｔ／ｍ^３の銅スラグ入りコンクリート）について検討する。図３に示すように、試験体３のスランプは１７．５ｃｍであった。これに対し、試験体６のスランプは１７．０ｃｍ、試験体７のスランプは１４．０ｃｍであった。各試験体３，６，７のスランプ値には大きな違いはみられなかったが、プラスティシティーが大きく異なっていた。

すなわち、図６に示すように、試験体３ではプラスティシティーを保ったまま、ほぼ半分程度の高さになるまで沈んでいることが確認された。また半径方向において、ほぼ均等（平面視でほぼ円形）に拡がっていることも確認された。これに対し、図９，１０に示すように、試験体６，７では、小さな塊に分かれた状態で崩れてしまい、プラスティシティーが損なわれていることが確認された。

これらの結果から、試験体３は流動性及びプラスティシティーが良好であるといえる。これに対し、試験体６，７はプラスティシティーに難があり、材料分離を生じてしまうことが理解できる。そして、試験体３，６，７のスランプ試験から、山砂（細骨材Ｓ２）を、体積比で銅スラグ（重量細骨材Ｓ１）の４３％混合し、高炉セメントＢＢの単位セメント量を４０６ｋｇ／ｍ^３まで高めることにより、良好なワーカビリティーが得られることが確認できた。

次に、試験体２（単位容積質量２．７ｔ／ｍ^３の銅スラグ入りコンクリート）について検討する。図３に示すように、試験体１のスランプは２０．０ｃｍであった。そして、図５に示すように、試験体２ではプラスティシティーを保ったまま、ほぼ１／３程度の高さになるまで沈んでいることが確認された。そして、試験体３と同様に、半径方向において、ほぼ均等に拡がっていることが確認された。これらのことから、試験体２は、良好なワーカビリティーが得られることが確認できた。

次に、圧縮強度の試験結果について検討する。普通ポルトランドセメントＯＰＣを用いた試験体１では材令２８日の圧縮強度で６０Ｎ／ｍｍ^２以上の値を示した。また、高炉セメントＢＢを用いた試験体２，３では材令２８日の圧縮強度で４０Ｎ／ｍｍ^２以上の値を示した。何れの試験体１〜３も十分な強度が得られていることが確認された。

以上の試験結果を総括すると、次のことがいえる。

細骨材を重量細骨材Ｓ１と細骨材Ｓ２から構成し、重量細骨材Ｓ１として銅スラグを、細骨材Ｓ２として粗粒率２．７５未満の砂をそれぞれ用い、細骨材全体に対する砂の比率を体積比で４３％以上に定めることで、銅スラグを用いても材料分離が生じず、良好なワーカビリティーのコンクリートを実現でき、コンクリート構造物を構築できる。

土木学会の無筋コンクリート標準示方書では、細骨材の粗粒率が、コンクリートの配合を定める時に仮定した細骨材の粗粒率にくらべて、０.２０以上の変化を示したときは、配合を変えなければその細骨材を用いてはならないとされている。この基準に照らせば、細骨材Ｓ２に関し、粗粒率２．１０±０．２０を超えなければ等価といえる。すなわち、砂の粗粒率については、１．９０〜２．３０の範囲が好ましいといえる。同様に、重量細骨材Ｓ１に関しても、粗粒率３．３０±０．２０を超えなければ等価といえる。すなわち、銅スラグの粗粒率については、３．１０〜３．５０の範囲が好ましいといえる。

また、重量細骨材Ｓ１と細骨材Ｓ２の合成粗粒率は２．７８以下、詳しくは２．７８から２．７０の範囲内であることが好ましいといえる。さらに、細骨材全体における細骨材Ｓ２の容積比率は４３％以上、詳しくは４３％から５０％の範囲内であることが好ましいといえる。

以上の実施形態の説明は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。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。

セメントＣに関し、試験体１では普通ポルトランドセメントＯＰＣを用い、試験体２，３では高炉セメントＢＢを用いたが、何れの種類のセメントを用いてもよい。例えば、試験体１に高炉セメントＢＢを用いてもよいし、試験体２，３に普通ポルトランドセメントＯＰＣを用いてもよい。

細骨材Ｓ２に関し、試験体１〜３では山砂を用いたが、これに限定されない。すなわち、山砂と同様に角の少ない天然砂であれば、山砂に代えて用いることができる。例えば、海砂、川砂、陸砂を用いることができる。

Claims (3)

1. セメント、粗骨材及び細骨材を含有するコンクリートであって、
   前記細骨材が、粗粒率が３．１０以上３．５０以下の銅スラグと、粗粒率が１．９０以上２．３０以下の砂とから構成され、
   細骨材全体に対する前記砂の比率を、体積比で４３％以上５０％以下に定め、
   ＡＥ減水剤を更に含有し、高性能ＡＥ減水剤を含有しないことを特徴とする銅スラグを用いたコンクリート。
2. 前記銅スラグと前記砂の合成粗粒率が２．７８以下であることを特徴とする請求項１に記載の銅スラグを用いたコンクリート。
3. 請求項１又は２に記載の銅スラグを用いたコンクリートによって構築されたことを特徴とするコンクリート構造物。