JP6417891B2

JP6417891B2 - 高強度コンクリート組成物及び高強度コンクリート硬化体の製造方法

Info

Publication number: JP6417891B2
Application number: JP2014236068A
Authority: JP
Inventors: 宏和桐山; 喜英佐藤
Original assignee: Ube Industries Ltd
Current assignee: Ube Corp
Priority date: 2014-11-21
Filing date: 2014-11-21
Publication date: 2018-11-07
Anticipated expiration: 2034-11-21
Also published as: JP2016098141A

Description

本発明は、高強度コンクリート組成物及び高強度コンクリート硬化体の製造方法に関する。

近年、構造部材の軽量化、鉄筋使用量の削減などの要求に伴い、２００Ｎ／ｍｍ^２程度の圧縮強度が得られるような超高強度材料が提案されている。これらの材料では、セメント、ポゾラン質微粉末、骨材及び高性能減水剤が使用されており、熱養生によって超高強度化が図られている。また、これらに金属繊維や有機繊維を添加することによって、高いじん性やひび割れ抑制機能を付与することが提案されている（特許文献１〜３参照）。
例えば、上記の材料よりもさらに圧縮強度の高い材料が得られれば、柱部材の受け持つ荷重をさらに増大することができるため、構造物における柱の数を減らすことができ、その結果、構造物の居住空間をさらに広げられるとともに、設計や意匠性の自由度がさらに高まることが考えられる。

セメント組成物の高強度化を図る場合、その水／結合材比をより小さくする方法が一般的に執られるが、結合材の化学反応をより促進するために、蒸気養生などの加熱養生がとられることがある。また、更なる高強度化のため、セメントモルタル中の空隙を極力小さくする目的で、遠心成型や加圧成型が行われることもある。また、これらの方法を組み合わせた、オートクレーブ養生やヒートプレス養生をすることで、さらに高い圧縮強度が得られることが分かっている。

特開２００１−１８１００４号公報特開２００６−２９８６７９号公報特開２００７−１２６３１７号公報

しかしながら、これらの製造方法は、大掛かりな設備が必要であるため、容易に実施できるものではない。
そこで、本発明は、従来の技術にくらべて、大掛かりかつ特殊な製造設備を必要とせず、より高強度である高強度コンクリート組成物及び高強度コンクリート硬化体の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、セメントと、シリカフュームと、フェロニッケルスラグを含む細骨材と、粗骨材と、減水剤及び消泡剤と組み合わせ、さらに、微小な金属粉末をコンクリートに混入することによって、高強度化が実現できることを見出し、本発明に至った。

すなわち、本発明は、セメントと、シリカフュームと、水と、細骨材と、粗骨材と、減水剤と、消泡剤と、金属微粉末とを含む高強度コンクリート組成物であって、セメントは、Ｃ_３Ｓを１０．０質量％〜７０．０質量％及びＣ_２Ｓを１０．０質量％〜７０．０質量％含有し、細骨材は、フェロニッケルスラグを含む高強度コンクリート組成物を提供する。このような高強度コンクリート組成物は、従来にない、非常に高い圧縮強度を発現することができる。
また、本発明は前記高強度コンクリート組成物を、１５〜２５℃の気中で１日間〜５日間養生を行う前養生工程と、２０〜６０℃の水中または気中で１日間〜７日間養生を行う一次養生工程と、８０℃〜２００℃の水中または気中で１日間〜２１日間養生を行う二次養生工程とを含む、高強度コンクリート硬化体の製造方法を提供する。このような高強度コンクリート組成物の製造方法によれば、従来にない、非常に高い圧縮強度を有す高強度コンクリート組成物を製造することができる。

本発明によれば、特殊な養生方法をとらなくとも、高い圧縮強度を持つ高強度コンクリート組成物を提供することができる。

以下、本発明に係る高強度コンクリート組成物及びコンクリート組成物の好適な実施形態について説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

（高強度コンクリート組成物）
本実施形態の高強度コンクリート組成物は、セメントと、シリカフュームと、水と、フェロニッケルスラグを含む細骨材と、粗骨材と、減水剤と、消泡剤と、金属微粉末とを含むものである。

セメントの鉱物組成は、Ｃ_３Ｓ量が１０．０〜７０．０質量％、Ｃ_２Ｓ量が１０．０〜７０．０質量％、Ｃ_３Ａ量が７．０質量％以下、Ｃ_４ＡＦ量が５．０〜１５．０質量％である。Ｃ_３Ｓ量は、好ましくは１１．０〜６８．０質量％、より好ましくは１２．０〜６０．０質量％であり、更に好ましくは１３．０〜４０．０質量％、最も好ましくは１５．０〜２５．０質量％である。Ｃ_３Ｓ量が１０．０質量％未満では圧縮強度が低くなる傾向があり、７０．０質量％を超えると加熱養生後の圧縮強度が低くなる傾向がある。Ｃ_２Ｓ量は、好ましくは１２．０〜６５．０質量％、より好ましくは１５．０〜６２．０質量％であり、更に好ましくは５５．０〜６３．０質量％である。Ｃ_２Ｓ量が１０．０質量％未満では、特に加熱養生後の圧縮強度が低くなる傾向がある。Ｃ_３Ａ量は好ましくは７．０質量％以下であり、より好ましくは４．５質量％以下であり、更に好ましくは４．０質量％以下である。Ｃ_３Ａ量が５．０％を超えると、十分な流動性が得られなくなる。Ｃ_４ＡＦ量は、好ましくは６．０〜１５．０質量％、より好ましくは７．０〜１５．０質量％であり、更に好ましくは８．０〜１０．０質量％である。以上の範囲であれば、高い圧縮強度及び高い流動性を十分に確保出来る。

セメントのブレーン比表面積は、好ましくは２５００〜４８００ｃｍ^２／ｇ、より好ましくは２８００〜４５００ｃｍ^２／ｇ、更に好ましくは３０００〜４２００ｃｍ^２／ｇであり、特に好ましくは３１００〜３９００ｃｍ^２／ｇである。セメントのブレーン比表面積が２５００ｃｍ^２／ｇ未満では高強度セメント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にある。

本実施形態に係る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ない。上記セメントは、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ことができる。焼成するキルンには、一般的なＮＳＰキルンやＳＰキルン等を使用することができ、粉砕に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。

シリカフュームは、金属シリコン、フェロシリコン、電融ジルコニア等を製造する際に発生する排ガス中のダストを集塵して得られる副産物であり、主成分は、アルカリ溶液中で溶解する非晶質のＳｉＯ_２である。シリカフュームのＢＥＴ比表面積は、好ましくは１０〜３０ｍ^２／ｇ、より好ましくは１３〜２８ｍ^２／ｇ、更に好ましくは１４〜２４ｍ^２／ｇ、特に好ましくは１５〜１８ｍ^２／ｇである。このようなシリカフュームを用いることで、高強度コンクリート組成物の高い圧縮強度及び高い流動性を確保しやすくなる。

本実施形態の高強度コンクリート組成物において、セメント及びシリカフュームの合計量を基準として、シリカフュームを、好ましくは５〜３５質量％、より好ましくは７〜３０質量％、更に好ましくは８〜２７質量％、特に好ましくは９〜２３質量％含む。以上の範囲であれば、高い圧縮強度及び高い流動性を十分に確保出来る。

細骨材は、フェロニッケルスラグを使用する。フェロニッケルスラグを使用することにより、コンクリート組成物の圧縮強度が向上する。フェロニッケルスラグは，モース硬さが７．０〜８．５、好ましくは７．２〜８．０、より好ましくは７．３〜７．９、さらに好ましくは７．４〜７．８、絶乾密度が２．７〜４．０ｇ／ｃｍ^３、好ましくは２．７〜３．８ｇ／ｃｍ^３、より好ましくは２．８〜３．５ｇ／ｃｍ^３、さらに好ましくは２．９〜３．３ｇ／ｃｍ^３であると、より一層強度が大きくなる。また、適時、他の種類の細骨材と組み合わせて使用しても良い。具体的には、川砂、陸砂、海砂、砕砂、珪砂、石灰石骨材、高炉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。
粗骨材としては、特に制限されないが、砂利、砕石、石灰石骨材、高炉スラグ粗骨材等を使用することができる。なお、粗骨材の粒度は、５ｍｍの篩いに８５質量％以上とどまるものが好ましい。

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確保の観点から、減水剤として、ポリカルボン酸系の減水剤、高性能減水剤又は高性能ＡＥ減水剤を用いることが好ましく、ポリカルボン酸系の高性能減水剤を用いることがより好ましい。本実施形態に係る高強度セメントモルタル組成物は、セメントとシリカフュームの合量１００質量部に対して、減水剤を好ましくは１．０〜６．０質量部、より好ましくは１．５〜５．０質量部、更に好ましくは１．８〜４．５質量部、特に好ましくは２．２〜４．０質量部含む。以上の範囲であれば、高い圧縮強度及び高い流動性を十分に確保出来る。

また、セメントとシリカフュームの合量１００質量部に対して、水を好ましくは９〜２０質量部、より好ましくは９．５〜１８質量部、更に好ましくは１０．０〜１６質量部、特に好ましくは１０．５〜１４．０質量部含む。以上の範囲であれば、高い圧縮強度及び高い流動性を十分に確保出来る。

消泡剤としては、特殊非イオン配合型界面活性剤、ポリアルキレン誘導体、疎水性シリカ、ポリエーテル系等が挙げられる。この場合、セメントとシリカフュームの合量１００質量部に対して、消泡剤を好ましくは０．０１〜２．０質量部、より好ましくは０．１〜１．０質量部、更に好ましくは０．２〜０．５質量部含む。以上の範囲であれば、高い圧縮強度及び高い流動性を十分に確保出来る。

金属微粉末は、カットスチールウール及び／又は鉄粉等を使用することができる。カットスチールウールとはスチールウールを短く切断したものを意味する。またスチールウールとは鉄の非常に細い線を綿状に固めた物で、研磨用のたわしとして使用されることがある。
金属微粉末の形状は、直径が好ましくは５μｍ〜５００μｍ、より好ましくは１０μｍ〜４２０μｍ、更に好ましくは１５μｍ〜４００μｍ、特に好ましくは２０μｍ〜３８０μｍである。長さは好ましくは５μｍ〜５．０ｍｍ、より好ましくは２０μｍ〜４．０ｍｍ、更に好ましくは３０μｍ〜３．８ｍｍ、特に好ましくは５０μｍ〜３．５ｍｍである。以上の範囲であれば、高い圧縮強度及び高い流動性を十分に確保出来る。

（高強度コンクリート硬化体の製造方法）
本実施形態の高強度コンクリート硬化体の製造方法は、上記高強度コンクリート組成物を、１５〜２５℃の気中で１日間〜５日間養生を行う前養生工程と、２０〜６０℃の水中または気中で１日間〜７日間養生を行う一次養生工程と、８０℃〜２００℃の水中または気中で１日間〜２１日間養生を行う二次養生工程とを含む。
一次養生工程は、好ましくは２３〜５５℃、より好ましくは２５〜５０℃、更に好ましくは２８〜４８℃、特に好ましくは３０〜４５℃の水中で、好ましくは１〜７日間、より好ましくは１．５〜６日間、更に好ましくは１．８〜５日間、特に好ましくは２．０〜４．５日間養生を行う。以上の範囲であれば、高い圧縮強度及び高い流動性を十分に確保出来る。

二次養生工程は、好ましくは８０〜２００℃、より好ましくは８３〜１９０℃、更に好ましくは８５〜１８５℃、特に好ましくは９０〜１８０℃の水中または気中で、好ましくは１〜２１日間、より好ましくは３〜１９日間、更に好ましくは５〜１７日間、特に好ましくは７〜１５日間養生を行う。水中の場合、温水、気中の場合、蒸気養生装置、オートクレーブ、乾燥機などが使用出来る。以上の範囲であれば、高い圧縮強度及び高い流動性を十分に確保出来る。

本実施形態の高強度コンクリート硬化体の製造方法は、上記高強度コンクリート組成物を、さらに、８０℃〜２００℃の気中で１日間〜２１日間養生を行う三次養生工程を行っても良い。

三次養生工程は、好ましくは８０〜２００℃、より好ましくは８３〜１９０℃、更に好ましくは８５〜１８５℃、特に好ましくは９０〜１８０℃の気中で、好ましくは１〜２１日間、より好ましくは３〜１９日間、更に好ましくは５〜１７日間、特に好ましくは７〜１５日間養生を行う。
水中の場合、温水、気中の場合、蒸気養生装置、オートクレーブ、乾燥機などが使用出来る。三次養生工程では、水中よりも気中養生の方が、強度増進の観点からより好ましい。以上の範囲であれば、高い圧縮強度及び高い流動性を十分に確保出来る。

以下、実施例、参考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。

［使用材料の準備］
実施例、参考例及び比較例のモルタル組成物を作製するために、以下に示す材料を準備した。

（１）セメント
セメントは鉱物組成の異なる３種類を使用した。使用したセメントの化学成分を、ＪＩＳＲ５２０２−２０１０「セメントの化学分析方法」に従い測定し、鉱物組成を下記のボーグ式により算出した。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

（２）シリカフューム
（Ａ）シリカフュームＡ：密度２．２ｇ／ｃｍ^３，ＢＥＴ比表面積２２．８ｍ^２／ｇ
（Ｂ）シリカフュームＢ：密度２．２ｇ／ｃｍ^３，ＢＥＴ比表面積１６．０ｍ^２／ｇ

（３）細骨材
（Ａ）砕砂（安山岩）：密度２．６２ｇ／ｃｍ^３、粗粒率２．８０、吸水率２．５質量％
（Ｂ）フェロニッケルスラグ：絶乾密度３．１０g／ｃｍ^３、粗粒率２．７５、吸水率０．３質量％、モース硬さ７．５

（４）粗骨材
（Ａ）砕石１３０５（安山岩）：密度２．６２ｇ／ｃｍ^３、粗粒率２．８０、吸水率２．５質量％
（Ｂ）砕石１３０５（硬質砂岩）：絶乾密度２．６５g／ｃｍ^３、粗粒率６．５１、吸水率０．６１質量％

（５）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：特殊非イオン配合型界面活性剤
（７）金属微紛末：カットスチールウール：日本スチールウール社製、直径２０〜３０μｍ、長さ０．１〜３ｍｍ、密度７．８５ｇ／ｃｍ^３
（８）練混ぜ水（Ｗ）：上水道水

［高強度コンクリート組成物の作製］
高強度コンクリート組成物の作製を、表３の配合組成に基づき、以下の通りに行った。

セメント、シリカフューム、消泡剤及び細骨材をコンクリートミキサに加え、減水剤を含む練混ぜ水をミキサ内に投入して１０分間撹拌し、その後、粗骨材をミキサに投入して１分３０秒間攪拌し、コンクリート組成物を作製した。なお、実施例１〜４及び参考例５〜７では、金属微紛末を更に投入して、高強度コンクリート組成物を作製した。

［養生方法］
練り混ぜた高強度コンクリート組成物は、型枠に充填後、２０℃、湿度約７０％の気中で３日間養生後、脱型し、４０℃の水中で３日間の一次養生の工程を実施した。その後、二次養生として、９８℃の温水中で７日間養生し、その後、７日間、９８℃の乾燥機で乾燥させた。これらの養生を行い、高強度コンクリート硬化体を作製した。

［高強度コンクリート組成物の評価］
（１）フレッシュ性状
（試験方法）
比較例１〜３並びに実施例１〜４及び参考例５〜７の配合で作製した高強度コンクリート組成物を用いて、スランプフローを測定した。スランプフローは、ＪＩＳＡ１１５０−２００７「コンクリートのスランプフロー試験方法」に準じて測定した。

（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１０ｃｍ×２０ｃｍ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」に準じて高強度コンクリート硬化体の圧縮強度試験を実施した。

（評価結果）
表４に、スランプフローおよび圧縮強度試験結果を示す。

比較例１〜３のように、金属微紛末を用いない場合、二次養生後の圧縮強度が２３０〜２５０Ｎ／ｍｍ^２程度となった。また、三次養生を実施した場合の強度増進はほとんどなかった。その中でも、比較例３のように，粗骨材量が増大すると，強度が１０〜２０Ｎ／ｍｍ^２低下した。
全ての実施例で，金属微紛末の添加により，スランプフローがやや小さくなった。
実施例１のように，細骨材にフェロニッケルスラグを用い，金属微紛末を添加することによって、圧縮強度が大きく増大し，二次養生後で２８０Ｎ／ｍｍ^２となった。さらに，三次養時の強度増進が大きくなり，３００Ｎ／ｍｍ^２以上の圧縮強度が得られた。
実施例２および３のように，水結合材比を１１．５％および１１．０％と小さくした場合は，スランプフローは小さくなる傾向にあった。また，圧縮強度への影響は小さかった。
実施例４のように，粗骨材量を増大させた場合は，比較例３と同様に二次養生後２０Ｎ／ｍｍ^２程度強度が低下したが，三次養生後の圧縮強度は２７０Ｎ／ｍｍ^２と高い強度が得られた。
参考例５および６のように，セメント種類を変えた場合にも，三次養生後には２７０Ｎ／ｍｍ^２と高い圧縮強度が得られた。
参考例６および７のように，シリカフュームの種類が強度へ及ぼす影響はなかった。
また、二次養生の水中養生後に三次養生の気中養生を施すと、非常に高い圧縮強度が得られた。セメントの養生は、一般的に水中で十分に水和させることが重要とされているが、ある程度水中養生した後は気中養生した方が良いことが示唆されている。シリカフュームを低水セメント比で使用したコンクリートでは、シリカフュームの水和を十分に行わせることが重要で、気中養生の場合、硬化体の微細な空隙への蒸気の浸透などが起こり易く水和が進行するような現象が起こっていると推察される。

Claims

セメントと、シリカフュームと、水と、細骨材と、粗骨材と、減水剤と、消泡剤と、金属微粉末とを含む高強度コンクリート組成物であって、
前記セメントは、Ｃ_３Ｓを１０．０質量％〜２５．０質量％及びＣ_２Ｓを５５．０質量％〜７０．０質量％含有し、
前記細骨材は、フェロニッケルスラグを含み、
前記セメントと前記シリカフュームの合計量１００質量％中に、前記シリカフュームを５質量％〜３５質量％含み、
前記セメントと前記シリカフュームの合計量１００質量部に対して、水を９質量部〜２０質量部、減水剤を１．０質量部〜６．０質量及び消泡剤を０．０１質量部〜２．０質量部含み、
当該高強度コンクリート組成物に対して１．０体積％〜５．０体積％の前記金属微粉末を含むことを特徴とする高強度コンクリート組成物。
前記セメントは、Ｃ _３Ａ量が７．０質量％以下であり且つＣ _４ＡＦ量が５．０質量％〜１５．０質量％である、請求項１に記載の高強度コンクリート組成物。
前記金属微粉末は、直径２０〜３０μｍのカットスチールウールである、請求項１又は２に記載の高強度コンクリート組成物。
前記金属微粉末は、直径が５μｍ〜５００μｍ及び長さが５μｍ〜５．０ｍｍである、請求項１又は２に記載の高強度コンクリート組成物。
前記シリカフュームのＢＥＴ比表面積が１０〜３０ｍ^２／ｇである、請求項１〜４の何れか１項に記載の高強度コンクリート組成物。
前記フェロニッケルスラグのモース硬さが７．０〜８．５、絶乾密度が２．７〜４．０ｇ／ｃｍ^３である、請求項１〜５の何れか１項に記載の高強度コンクリート組成物。
請求項１〜６の何れか１項に記載の高強度コンクリート組成物を、１５〜２５℃の気中で１日間〜５日間養生を行う前養生工程と、２０〜６０℃の水中または気中で１日間〜７日間養生を行う一次養生工程と、８０℃〜２００℃の水中で１日間〜２１日間養生を行う二次養生工程とを含む、高強度コンクリート硬化体の製造方法。
更に、８０℃〜２００℃の気中で１日間〜２１日間養生を行う三次養生工程とを含む、請求項７記載の高強度コンクリート硬化体の製造方法。