JP6309140B1

JP6309140B1 - コンクリート構造物の表面改質に用いるけい酸塩系表面含浸材

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Publication number: JP6309140B1
Application number: JP2017097571A
Authority: JP
Inventors: 大地黒岩; 英哉西野; 崇志住友
Original assignee: Fuji Chemical Co Ltd
Current assignee: Fuji Chemical Co Ltd
Priority date: 2017-05-16
Filing date: 2017-05-16
Publication date: 2018-04-11
Anticipated expiration: 2037-05-16
Also published as: JP2018193272A

Abstract

【課題】コンクリートに含浸し、コンクリート表層部を表面改質（緻密化）した際に従来品よりも優れた緻密性が得られるけい酸塩系表面含浸材を提供する。【解決手段】コンクリート構造物の表面改質に用いるけい酸塩系表面含浸材であって、（１）前記けい酸塩系表面含浸材は、けい酸アルカリ金属塩を含有し、（２）ＪＩＳＫ１４０８に準拠した試験方法により特定される、前記けい酸塩系表面含浸材のモル比が２．０〜２．９である、ことを特徴とするけい酸塩系表面含浸材。【選択図】なし

Description

本発明は、コンクリート構造物の表面改質に用いるけい酸塩系表面含浸材に関する。

けい酸塩系表面含浸材は、けい酸塩系表面含浸工法において使用するけい酸アルカリ金属塩を主成分とする液状材料であって、コンクリートに含浸し、水酸化カルシウムと反応してC-S-Hゲルを生成し、コンクリート表層部を表面改質（緻密化）することにより強度、耐久性、防水性等を付与する補強材である。なお、本明細書における「コンクリート」の用語には「モルタル」「セメントペースト」も含まれる。

従来、コンクリート構造物やコンクリート吹付け面（以下、まとめて「コンクリート構造物」と称する。）の表面に存在するヘアークラック、ひび割れ等の空間を緻密化し、コンクリート構造物の強度、耐久性、防水性等を向上させたり、中性化、塩害等を抑止したりするために各種のけい酸塩系表面含浸材が使用されている。また、各種のけい酸塩系表面含浸工法も知られている。

例えば、特許文献１には、「ナトリウムシリケート、カリウムシリケート、水を主成分としてなることを特徴とするコンクリート改質材。」が開示されている（請求項１）。そして、この改質材は、ナトリウムシリケート、カリウムシリケート等を主原料としてなり、エポキシ樹脂やラテックス樹脂等より材料費が安く、また、施工が簡単であり、全体としてコスト高を招来することがなく、コンクリート構造物全体に対し施工により容易、かつ優れた防水性を得ることができ、かつ鉄筋に対し防食効果を有し、また、コンクリートの中性化、塩害、凍結融解を防止することができると記載されている（［発明の効果］欄）。

また、特許文献２には、「少なくとも２種類以上のアルカリ金属を混合してなることを特徴とするコンクリート改質材。」が開示されている（請求項１）。そして、この改質材は、コンクリート中のカルシウムとの反応速度は小さく、ゲル化を遅らせることができるため、コンクリート内部まで深く浸透させることができ、Ｃａ（ＯＨ）_２を吸収し、ゲル化してＣａ^２＋イオンを固定するので、コンクリートを改質することができ、この作業は簡易であり、作業性は良好であると記載されている（［発明の効果］欄）。

更に、特許文献３には、「珪酸ソーダと珪酸カリをモル比で１：１で混合し、この珪酸ソーダ・珪酸カリ混合液に水酸化ナトリウムを添加したことを特徴とするコンクリート改質材。」が開示されている（請求項１）。そして、この改質材は、珪酸ソーダ・珪酸カリ混合液に対して水酸化ナトリウムの添加量を調節することによってゲル化の速度を調節可能としたため、コンクリートの劣化の状態に応じて適切に調合され作製された所望のコンクリート改質材を用いてコンクリート亀裂に対して適切に浸透させることができると記載されている（［発明の効果］欄）。

特開２００４−１３１３１６号公報特開２００４−３２３３３３号公報特開２００５−２３９５２３号公報

しかしながら、特許文献１〜３に開示されるような従来のけい酸塩系表面含浸材は、それらを用いてコンクリート構造物を表面改質した際に改質部分の緻密性が不十分な場合があり改質性能に更なる改善の余地がある。なお、従来のけい酸塩系表面含浸材については、特許文献１〜３の開示内容も含めて、含浸材自体のモル比（Ｒをアルカリ金属元素とし、［ＳｉＯ_２］／［Ｒ_２Ｏ］で示されるモル比）について検討されたものは皆無であるが、入手可能な従来のけい酸塩系表面含浸材のモル比は概ね３．０〜３．５程度である。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて完成されたものであり、コンクリートに含浸し、コンクリート表層部を表面改質（緻密化）した際に従来品よりも優れた緻密性が得られるけい酸塩系表面含浸材を提供することを目的とする。

本発明者らは上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、けい酸アルカリ金属塩を含有し、特定のモル比を有するけい酸塩系表面含浸材によれば上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明は、下記のコンクリート構造物の表面改質に用いるけい酸塩系表面含浸材及びそれを用いた表面改質方法に関する。
１．コンクリート構造物の表面改質に用いるけい酸塩系表面含浸材であって、
（１）前記けい酸塩系表面含浸材は、けい酸アルカリ金属塩を含有し、けい酸濃度が１５〜２４質量％であり、
（２）ＪＩＳＫ１４０８に準拠した試験方法により特定される、前記けい酸塩系表面含浸材のモル比が２．３〜２．７である、
ことを特徴とするけい酸塩系表面含浸材。
２．前記けい酸アルカリ金属塩は、けい酸ナトリウム、けい酸カリウム及びけい酸リチウムからなる群から選択される少なくとも一種を含有する、上記項１に記載のけい酸塩系表面含浸材。
３．前記けい酸アルカリ金属塩は、けい酸ナトリウムと、けい酸カリウム及びけい酸リチウムの少なくとも一種とを含有する、上記項１に記載のけい酸塩系表面含浸材。
４．コンクリート構造物に上記項１〜３のいずれかに記載のけい酸塩系表面含浸材を塗布することを特徴とする、コンクリート構造物の表面改質方法。

本発明のけい酸塩系表面含浸材は、けい酸アルカリ金属塩を含有し、ＪＩＳＫ１４０８に準拠した試験方法により特定されるけい酸塩系表面含浸材のモル比が２．０〜２．９であることにより、当該けい酸塩系表面含浸材をコンクリートに含浸し、コンクリート表層部を表面改質（緻密化）した際に従来品よりも優れた緻密性が得られる。

以下、本発明のけい酸塩系表面含浸材について詳細に説明する。
（けい酸塩系表面含浸材）
本発明のけい酸塩系表面含浸材は、コンクリート構造物の表面改質に用いるけい酸塩系表面含浸材であって、
（１）前記けい酸塩系表面含浸材は、けい酸アルカリ金属塩を含有し、
（２）ＪＩＳＫ１４０８に準拠した試験方法により特定される、前記けい酸塩系表面含浸材のモル比が２．０〜２．９である、
ことを特徴とする。

上記本発明のけい酸塩系表面含浸材は、けい酸アルカリ金属塩を主成分とする液状材料であって、コンクリートに含浸し、水酸化カルシウムと反応してC-S-Hゲルを生成し、コンクリート表層部を表面改質（緻密化）できるものである。また、液状材料であるけい酸塩系表面改質材を構成する分散媒としては、一般に水等が使用できる。

けい酸アルカリ金属塩は、二酸化けい素（ＳｉＯ_２）とアルカリ金属元素の酸化物（Ｒをアルカリ金属元素とし、Ｒ_２Ｏで表される）との複合物であり、下記一般式（１）：
Ｒ_２Ｏ・ｎＳｉＯ_２・ｘＨ_２Ｏ（１）
〔但し、式中、Ｒはアルカリ金属元素の少なくとも一種を示し、ｎはＲ_２Ｏに対するＳｉＯ_２のモル比（［ＳｉＯ_２］／［Ｒ_２Ｏ］）を示し、ｘは水和水の量（任意）を示す。〕
として表される化合物である。

アルカリ金属元素Ｒとしては、例えば、ナトリウム、カリウム、リチウム等の少なくとも一種が挙げられる。これらのアルカリ金属元素の中でも、本発明ではナトリウムを用いることが好ましく、ナトリウムを必須とし、更にカリウム及びリチウムの少なくとも一種を組み合わせることがより好ましい。つまり、本発明のけい酸塩系表面含浸材を調製するための原料としてのけい酸アルカリ金属塩は、けい酸ナトリウム、けい酸カリウム及びけい酸リチウムからなる群から選択される少なくとも一種を含有することが好ましく、特にけい酸ナトリウムと、けい酸カリウム及びけい酸リチウムの少なくとも一種とを含有することが好ましい。

本発明のけい酸塩系表面含浸材を調製するための原料としてのけい酸アルカリ金属塩の上記モル比（［ＳｉＯ_２］／［Ｒ_２Ｏ］）としては、０．５〜７．５が好適である。詳細には、けい酸ナトリウムのモル比であれば０．５〜５．０が好適である。けい酸カリウムのモル比であれば１．５〜３．５が好適である。また、けい酸リチウムのモル比であれば３．５〜７．５が好適である。

なお、けい酸ナトリウムとけい酸カリウムとの混合物を用いる場合のけい酸アルカリ金属塩のモル比は、［ＳｉＯ_２］／（［Ｎａ_２Ｏ］＋［Ｋ_２Ｏ］）で表され、けい酸ナトリウムとけい酸カリウムとけい酸リチウムとの混合物を用いる場合のけい酸アルカリ金属塩のモル比は、［ＳｉＯ_２］／（［Ｎａ_２Ｏ］＋［Ｋ_２Ｏ］＋［Ｌｉ_２Ｏ］）で表される。ここで、本発明ではけい酸塩系表面含浸材のモル比は、上記けい酸アルカリ金属塩のモル比に加えて、アルカリ金属元素を成分に含む任意の添加剤の影響も受け得るため、上記けい酸アルカリ金属塩のモル比がそのままけい酸塩系表面含浸材のモル比を表わすとは限らない。

本発明のけい酸塩系表面含浸材における主成分としてのけい酸アルカリ金属塩の含有量は限定的ではないが、２０〜３２質量％が好ましく、２０〜２８質量％がより好ましい。

本発明のけい酸塩系表面含浸材は、任意の添加剤を含有してもよい。

例えば、けい酸塩系表面含浸材は、キレート剤を含有してもよい。けい酸塩系表面含浸剤をコンクリートのクラックや毛管隙間に浸透させると、キレート剤がコンクリートに含まれるカルシウムをキレート化する。このキレート化したカルシウムとシリカ成分とが反応してゲル状の物質を形成し、コンクリートのクラックや毛管隙間を充填する。つまり、けい酸塩系表面含浸材はキレート剤を含むことにより、コンクリート中のクラックや毛管空隙におけるゲル状物質の生成を一層促進させ、コンクリートの強度、防水性能、耐久性を更に向上させることができる。

キレート剤は、カルシウムをキレート化するものであれば特に限定されないが、例えば、ピロリン酸、トリリン酸等の重合リン酸、酒石酸、コハク酸、リンゴ酸、クエン酸、グルコン酸等の有機酸、エチレンジアミンテトラ酢酸（ＥＤＴＡ）及びその塩、ニトリロトリ酢酸（ＮＴＡ）及びその塩等が挙げられる。けい酸塩系表面含浸材中のキレート剤の濃度は限定されないが、含有する場合には、０．５〜３質量％が好ましく、その中でも１〜２．５質量％がより好ましい。

けい酸塩系表面含浸材は、界面活性剤を含有してもよい。けい酸塩系表面含浸剤が界面活性剤を含むことにより、コンクリートのクラックや空隙への浸透性が向上する。そのため、クラックや空隙の奥まで充填することができる。

界面活性剤は、表面張力を低下させることができ、けい酸塩系表面含浸剤に安定に溶解するものであれば特に限定されないが、例えば、ポリカルボン酸系界面活性剤、脂肪酸エステル系界面活性剤、フッ素系界面活性剤等が挙げられる。けい酸塩系表面含浸材中の界面活性剤の濃度は限定されないが、含有する場合には、０．０５〜０．２５質量％が好ましく、その中でも０．１０〜０．１５質量％がより好ましい。

けい酸塩系表面含浸材は、無機塩類を含有してもよい。無機塩類は、けい酸アルカリ金属塩中のシリカの見掛け分子量を上げるという作用を奏する。よって、無機塩類を含有する場合には、コンクリートの耐水性を一層向上させることができる。

無機塩類は、上記作用を奏するものであれば特に限定されないが、シリカ骨格中に導入される元素（ホウ素、リン）を含んでいるものが好ましい。無機塩類としては、例えば、ほう砂やトリポリリン酸塩、トリメタリン酸塩、ヘキサメタリン酸塩等のポリリン酸塩が挙げられる。けい酸塩系表面含浸材中の無機塩類の濃度は限定されないが、含有する場合には、０．５〜４質量％が好ましく、その中でも１〜２質量％がより好ましい。

けい酸塩系表面含浸材は、シリカゾル及び活性シリカゾルの少なくとも１種を含有してもよい。シリカゾル及び活性シリカゾルは粒子径が大きいため、コンクリートの大きいクラックを充填することができる。

シリカゾルは、粒子径がナノレベルのシリカ分散液であり、活性シリカゾルは、けい酸アルカリ塩のアルカリ分をイオン交換又は酸による中和により除去したものである。シリカゾル及び活性シリカゾルの粒子径は限定されないが、５〜２００ｎｍが好ましく、その中でも１０〜１００ｎｍがより好ましい。

上記けい酸アルカリ金属塩及び任意の添加剤を含有する（添加剤は含まない場合もある）本発明のけい酸塩系表面含浸材は、けい酸濃度は限定的ではないが、１５質量％以上であれば好ましく、その中でも１５〜２０質量％がより好ましく、上限値としては２４質量％程度である。また、けい酸塩系表面含浸材の比重としては、１．１〜１．２の範囲が好適である。更に、ｐＨは１０〜１２の範囲が好適である。

本発明のけい酸塩系表面含浸材は、上記けい酸アルカリ金属塩のモル比とアルカリ金属元素を成分に含む任意の添加剤の影響とを考慮したけい酸塩系表面含浸材自体のモル比（［ＳｉＯ_２］／［Ｒ_２Ｏ］）は、ＪＩＳＫ１４０８〔けい酸ナトリウム（けい酸ソーダ）〕に準拠した試験方法により特定することができる。これにより特定されるモル比は、２．０〜２．９であればよく、その中でも２．１〜２．７程度が好ましい。よって、上記けい酸アルカリ金属塩及びアルカリ金属元素を成分に含む任意の添加剤に関して、種類及び量を調整することにより含浸材自体のモル比を調整することができる。

本発明では、けい酸塩系表面含浸材のモル比が２．０〜２．９の範囲内であることにより、けい酸塩系表面含浸材をコンクリートに含浸し、コンクリート表層部を表面改質（緻密化）した際に従来品よりも優れた緻密性が得られるという優れた効果が奏される。なお、けい酸塩系表面含浸材のけい酸濃度が１５質量％以上である場合に特に効果が得られ易い。

（コンクリート構造物）
本発明のけい酸塩系表面含浸材を適用できるコンクリート構造物は、少なくとも最表面にコンクリート硬化体、モルタル硬化体又はセメントペースト硬化体が存在する構造物である。なお、コンクリート硬化体、モルタル硬化体及びセメントペースト硬化体の意味は、下記の通りである。
（１）コンクリート硬化体…セメント、水、砂、砂利及び添加剤の混合物の硬化体
（２）モルタル硬化体…セメント、水、砂及び添加剤の混合物の硬化体、
（３）セメントペースト硬化体…セメント、水及び添加剤の混合物の硬化体、を意味する。

コンクリート構造物の例示としては、港湾分野では、防波堤、消波ブロック、灯台等が挙げられる。河川分野では、堰、堤防、護岸ブロック等が挙げられる。下水道分野では、ボックスカルバート、ヒューム管、マンホール、汚水枡等が挙げられる。道路分野では、地下道、共同溝、縁石、側溝、橋梁、橋台、トンネル、擁壁、コンクリート舗装、斜面補強等が挙げられる。鉄道分野では、枕木、遮音壁、地下鉄、橋梁、橋台、トンネル等が挙げられる。電力分野では、ダム、原子力発電所、火力発電所、鉄塔基礎、電信柱等が挙げられる。一般分野では、住宅の基礎、地下室、集合住宅、ビル、倉庫、病院、ブロック塀、車止め、杭、インターロッキングブロック等が挙げられる。なお、これらは例示であり、これらと同等の他のコンクリート構造物も本発明の対象とすることができる。

上記コンクリート構造物を作製するために用いられるセメントとしては限定されず、ポルトランドセメント、アルミナセメント、混合セメント（高炉セメント、フライアッシュセメント、シリカセメント）、エコセメント等、日本工業規格（ＪＩＳ）に規定されたセメントを幅広く使用することができる。

上記コンクリート構造物の作製方法は限定的ではないが、一般にコンクリートを型枠に打ち込み、締め固め（打設）、仕上げ及び養生の工程を経て作製される。

型枠としては、組み立て及び取り外し作業が容易で、取り外し時にコンクリートその他に振動、衝撃等を及ぼさない構造であってモルタルが漏出しない構造のものが使用される。

コンクリートの打ち込み条件は限定されないが、通常はコンクリートポンプを使用し、コンクリートポンプの吐出口から打ち込み面までの高さは１．５ｍ以内、一層当たりの打ち込み高さは４０〜５０ｃｍを標準とする。

コンクリートを型枠に打ち込んだ後、コンクリートの充填性を高めるために締め固めが行われる。締め固めには一般に棒状バイブレータが用いられる。挿入間隔は５０ｃｍ程度、挿入深さはコンクリートに１０ｃｍ程度（複数層に分けた打ち込みをする場合には、各層のコンクリートに１０ｃｍ程度）、一箇所当たりの振動時間を５〜１５秒とすることが標準的である。なお、棒状バイブレータの使用が困難であり、且つ型枠に近い場所には型枠バイブレータ又は型枠面を強く叩くことで振動を与えて締め固めを行う。これにより、打ち込んだコンクリート内部の空気を追い出して充填性が高められる。

露出面となるコンクリート表面は平坦であることが求められる。美観上必要なだけでなく、コンクリート構造物の耐久性及び緻密性を向上させるためにも大切である。コンクリート表面に染み出た水はできる限り除去し、レイタンス、細かいひび割れ、脆弱な層の形成及びその剥離の発生を防止することが大切である。コンクリート表面の仕上げは、木ゴテなどを用いてほぼ所定の高さ及び形にならした後、必要に応じて金ゴテを用いて平滑に仕上げられる。

コンクリートの養生は、一定期間、硬化に必要な温度及び湿潤状態に保ち、有害な作用の影響を受けない方法を定めて実施される。

（コンクリート構造物の表面改質方法）
本発明のけい酸塩系表面含浸材は、けい酸塩系表面含浸工法によりコンクリート構造物に塗布することにより、コンクリート構造物を表面改質することができる。けい酸塩系表面含浸工法は、例えば、下記の手順により行うことができる。
(i)コンクリート構造物の下地調査を行い、表面のエフロレッセンス、ジャンカ、キレツ等の有無を確認し、はつり、注入等適切な処置を行う。
(ii)高圧洗浄機、ブラシ等を用いて、コンクリート構造物の表面の油分、スポット、レイタンス等の異物を除去し、清水で洗浄する。
(iii)コンクリートの表面乾燥後、けい酸塩系表面含浸材を塗布する。例えば、吹付け、ローラー、ハケ、モップ等を用いて均一に十分浸透するように塗布する。
(iv)約６０分間放置後、ブラシなどを用いて施工箇所を清水で洗浄する。
(v)必要に応じて、上記(iii)→(iv)の工程を２回又は３回以上繰り返す。

本発明のけい酸塩系表面含浸材は、例えば、上記の手順によりコンクリート構造物の表面改質方法を実施することができる。

以下に実施例、比較例、参考例及び試験例を示して本発明を具体的に説明する。但し、本発明は実施例に限定されない。

使用材料は下記の通りである。
１）けい酸ナトリウム（けい酸ソーダ）１号（モル比２．１）
２）けい酸ナトリウム（けい酸ソーダ）２号（モル比２．５）
３）けい酸ナトリウム（けい酸ソーダ）３号（モル比３．２）
４）けい酸ナトリウム（けい酸ソーダ）５号（モル比３．７）
５）けい酸カリウム（モル比３．６）
６）けい酸リチウム（モル比３．５）
７）水酸化ナトリウム
８）水酸化カリウム

実施例２〜１０、比較例１〜３及び参考例１
各実施例、比較例及び参考例において、混合後のけい酸塩系表面含浸材に含まれるアルカリ金属元素、JIS K 1408モル比、及びけい酸濃度がそれぞれ表１に示す条件となるように原料を混合して各けい酸塩系表面含浸材を調製した。

試験例１
けい酸塩系表面含浸材の試験方法（JSCE-K 572-2012）に準拠し、所定のモルタル試験体の表面に各実施例及び比較例で調製したけい酸塩系表面含浸材を塗布し、養生した後、試験体の透水量試験を行った。

各透水量の数値を比較し、比較例１（JIS K 1408モル比が３．２である典型的な従来例）の透水量を基準値の１００とし、他の実施例、比較例及び参考例の透水量を比較例１を基準とした透水比に換算した（透水比は１００より小さい値であれば比較例１よりも透水量が少ない、即ち改質部分がより緻密であることを示す）。これらの結果を表１に併せて示す。

〔表１中のモル比欄の（１号）はけい酸ソーダ１号をそのまま使用したことを示す。他号についても同様である。〕
表１の結果から明らかな通り、実施例２〜１０で調製した本発明のけい酸塩系表面含浸材は、比較例１〜３で調製した比較品のけい酸塩系表面含浸材と比べて透水比が優位に低く抑えられている。透水比が低いことは水の透過性が低いこと、すなわちモルタル試験体の表面改質部分の緻密性が高いことを意味する。以上から明らかな通り、けい酸アルカリ金属塩を含有し、ＪＩＳＫ１４０８に準拠した試験方法により特定される、前記けい酸塩系表面含浸材のモル比が２．３〜２．７であることにより、けい酸塩系表面含浸材をコンクリートに含浸し、コンクリート表層部を表面改質（緻密化）した際に従来品よりも優れた緻密性が得られる。

Claims

コンクリート構造物の表面改質に用いるけい酸塩系表面含浸材であって、
（１）前記けい酸塩系表面含浸材は、けい酸アルカリ金属塩を含有し、けい酸濃度が１５〜２４質量％であり、
（２）ＪＩＳＫ１４０８に準拠した試験方法により特定される、前記けい酸塩系表面含浸材のモル比が２．３〜２．７である、
ことを特徴とするけい酸塩系表面含浸材。
前記けい酸アルカリ金属塩は、けい酸ナトリウム、けい酸カリウム及びけい酸リチウムからなる群から選択される少なくとも一種を含有する、請求項１に記載のけい酸塩系表面含浸材。
前記けい酸アルカリ金属塩は、けい酸ナトリウムと、けい酸カリウム及びけい酸リチウムの少なくとも一種とを含有する、請求項１に記載のけい酸塩系表面含浸材。
コンクリート構造物に請求項１〜３のいずれかに記載のけい酸塩系表面含浸材を塗布することを特徴とする、コンクリート構造物の表面改質方法。