JP6450848B2 - コンクリート改質用のｓｂｓラテックス - Google Patents

Description

本発明は、ポルトランドセメントまたはコンクリートにおける添加剤としてのスチレンブタジエンスチレン（ＳＢＳ）ラテックスの使用に関する。

セメント接着層を含有する舗装システムは１世紀以上にわたり世界中で使用されてきており、大きな成功を収めている。ポルトランドセメントは、舗装システムにおけるほぼすべての層において用いることができる。一般的な用途としては、例えば、路床土（subgrade soils）の品質向上および路盤材の安定化等が挙げられる。複数のセメント系層を舗装設計に統合することにより、より強固で、より耐久性が高く、持続可能な舗装を達成するための費用効率の高い方法を得ることができる。例えば、非接着性粒状路盤を未処理の路床上に載置することにかえて、セメント改質土およびセメント処理路盤を用いることにより、路盤材に必要とされる厚みを減少することができる。加えて、セメント処理した路盤は、コンクリートまたはアスファルト表面に必要な厚みを減少させることができ、その結果として材料をより少なく抑えて全体的なコスト削減につながる。セメントは、コンクリート舗装およびコンクリート・オーバーレイの新しい表面における重要な要素であることに加え、他のセメント特有の表面塗装の用途としては、例えば、ローラ転圧コンクリート（roller compacted concrete（ＲＣＣ））、プレキャスト舗装、および透水性コンクリート舗装等がある。セメントは、また、数多くの舗装修繕技術においてだけでなく、数々の舗装再利用および舗装再生の用途において用いられている。

コンクリート舗装用の各種混合物は、一般に、以下の成分、すなわち、粗骨材と細骨材との混合物、ポルトランドセメント、水、および、場合により、フライアッシュおよびスラグセメント等の他の各種セメンテーション材料、および／または化学混和剤（図１参照）を含む。

セメントおよびコンクリートシステムは、多くの建設用途に適した特性を有する一方で、強度または変形等、許容されない多くの特性がある。

ポリマーラテックス改質ポルトランドセメントシステムは、未改質コンクリートおよびセメントモルタルに比べ、物理的性質が著しく変化する。ラテックス改質セメントシステム、特に、スチレンブタジエンポリマーラテックス（ＳＢＲランダム）、アクリルラテックス、ＥＰＤＭおよびエチレンビニルアセテート（ＥＶＡ）ラテックスから、強度、可撓性、接着性、破断点伸び等を改善したポルトランドセメントに至るまで、それらの使用について多くの特許がある。しかしながら、ＳＢＳラテックスの使用について記載した特許は全くない。この種のラテックスは、コンクリート改質についての文献において報告されていない。

本発明は、未改質セメントおよび未改質コンクリートの参照に比べ、カチオン性ラテックス中のスチレンブタジエンスチレン熱可塑性コポリマー（ＳＢＳ）系セメント添加剤を用い、強度、モジュラス（modulus）、および伸びの特性を大幅に向上させたセメント組成物およびコンクリート組成物に関する。ＳＢＳラテックスとはことなる任意の他のラテックスについて記載する特許発明のほとんどが可撓性の向上を課題としているが、強度および変形の改善を課題としているものは全くない。

さらに、これらの種類のＳＢＳ格子によりコンクリートの弾性係数が向上したが、他の格子の大部分はセメントの強度向上に用いられる。弾性係数の向上は、橋の支柱や柱等の構造用支持材にとって重要な変数である。

井戸セメンチングのような一部の用途においては、養生後のコンクリートが穴の形状をとることができ、または井戸掘削中の配管を安定化することができるように、プラスティシティー（塑性）がコンクリートにとっての重要な変数となる。ここで、強度および変形の向上は、いずれもプラスティシティーと関連性があるため、それぞれ重要な変数である。本発明において提案するポリマーラテックスは、井戸セメンチングにおけるプラスティシティーの増大に役立つ。

コンクリート組成物の主要原料および外観を示す図である。 ＳＢＳラテックスの配合に用いることのできるＳＢＳポリマーの種々の構造形態を示す図である。本開示においては線状ＳＢＳのみが含まれるが、他の形態も今後の展開および特許対象物についての参考として用いることができる。 非改質コンクリートに対する改質コンクリート供試体（表３のサンプル２）の圧縮応力による弾性係数の性能が同様である（ひいてはより良好である）ことを示す図である。 図３と同様に、非改質コンクリート（従来のコンクリート）に対する改質コンクリート供試体（表３のサンプル３）の圧縮応力による弾性係数の性能がより良好であることを示す図である。さらに、これらの結果から、改質コンクリート配合におけるＳＢＳラテックスの十分な改善が確認できる。 同様に、非改質コンクリート（従来のコンクリート）に対する改質コンクリート供試体（表３のサンプル４）の圧縮応力による弾性係数の性能がより良好であることを示す図である。ここでも、これらの結果から、改質コンクリート配合におけるＳＢＳラテックスの十分な改善が確認できる。 同様に、非改質コンクリート（従来のコンクリート）に対する改質コンクリート供試体（表３のサンプル５）の圧縮応力による弾性係数の性能がより良好であることを示す図である。さらに、これらの結果から、改質コンクリート配合におけるＳＢＳラテックスの十分な改善が確認できる。 ＳＢＳポリマーを１．５％含有するＳＢＳラテックスを用いた改質コンクリートおいて、応力−ひずみ曲線下側の面積率が、未改質コンクリートよりも高いことを示す図である。この性能により、改質コンクリート供試体においてより良好なプラスティシティーが規定される。 図７と同様に、ＳＢＳポリマーを３％含有するＳＢＳラテックスを用いた改質コンクリートおいて、応力−ひずみ曲線下側の面積率が、未改質コンクリートよりも高いことを示す図である。この性能により、改質コンクリート供試体においてより良好なプラスティシティーが規定される。

本発明は、スチレンブタジエンスチレン熱可塑性コポリマー（ＳＢＳ）ラテックスを、ポルトランドセメントまたはポルトランドコンクリートにおける添加剤として使用して、セメントモルタル配合物および最終コンクリート配合物における引張強度、弾性係数、および塑性係数を向上させることに注目したものである。

本明細書において使用する用語「ポルトランドセメント」は、石灰粘土混合物または天然セメント岩を、粉砕後、実質的にすべての生成物が焼成されるような温度まで加熱することにより得られる生成物の種類を指す。当該生成物の組成としては、ケイ酸二カルシウムおよびケイ酸三カルシウムにある程度の量のアルミネートを加えた混合物とすることができる。ポルトランドセメント製造業者実践ガイドにしたがい種々の添加剤を混合して、異なる特性および速硬性を得ることができる。本発明の各目的を達成するため、およびいわゆる水硬性セメントを評価するため、ポルトランドセメントはカルシウムアルミネートセメントとして知られるものを用いた。

多くの例において、本発明の各セメント組成物を骨材材料と混合して水硬性コンクリートまたはコンクリートを生成することが望ましい。この点、骨材材料としては砂が好ましい。しかしながら、石、砂利、花崗岩、大理石チップ、マイカ等をはじめとする任意の粒子材料を用いてもよい。

本明細書において使用する用語「スチレンブタジエンスチレン」ラテックスは、ＳＢＳからの任意のコロイド水分散液を意味する。このＳＢＳは、図２に示すように、（ａ）線状構成、（ｂ）放射状構成、（ｃ）多腕構成等、種々の構成を有することができる。

このＳＢＳラテックスにおけるスチレン含有率およびブタジエン含有率は、ポリマーベースで、それぞれ、１０％〜５０％（重量対重量百分率）、および５０％〜９０％（重量対重量百分率）の範囲で推移する。ポリマーラテックスにおける全固形分は、２０％〜７０％（重量対重量百分率）の範囲で推移する。このポリマーは、安定したシステムにおいて、１種以上の乳化剤を含有する水中で乳化され、時間が経っても沈殿物を生じない。ミセルの大きさは２ミクロン〜６０ミクロンの範囲で推移する。

本願における応用例として、線状ＳＢＳラテックスを用いる。第１の実施例においては、セメント改質剤としてＳＢＳラテックスを用い、当該配合にはいかなる骨材の充填材（フィラー）も使用しない。この場合、改質セメントにおける圧縮強度は、ＡＳＴＭ Ｃ１０９の方法により調製した各供試体において、未改質セメントに対して増大する。本方法は、一辺が２インチの立方体材料を用いて、モルタルの圧縮強度を試験する方法論について記載するものである。

当該試験には、適切な圧縮プラテンを備えた機械試験機を用いる。プラテンの１つは球状に設置して、供試体の各面が完全に平行でない場合にわずかな傾斜調整を可能としなければならない。試験機は、仕様書に示す負荷速度範囲内における遅い試験速度で圧縮動作を行う。適切な負荷速度が達成されれば、サンプルが破断するまで動作を一定速度に維持する。一旦サンプルが降伏しはじめると、最終的に破断するまで動作速度を維持するために正確な速度制御が要求される。これらの試験には、力容量が高い油圧式圧縮試験機が好ましい。

本願の第２の実施例において、線状ＳＢＳラテックスをコンクリート改質剤として用い、当該コンクリート配合中に、粒度制御した骨材を組み込んだ。ここで、未改質コンクリートと比べ、改質コンクリートで成型した各供試体においては、弾性係数について重要な増大がみられる。

最後に、第３の実施例において、コンクリート改質剤として線状ＳＢＳラテックスを用いた。上記実施例により、改質コンクリートにおいては、未改質コンクリートに比してプラスティシティーが増加することがわかる。本実施例は、セメントおよびＳＢＳラテックスの混合物のほか、粗骨材および細骨材部分も含むものである。改質コンクリートの場合、未改質コンクリートに比べて強度変形曲線領域が大きく、最大値を得るためには養生時間が重要である。

（実施例１）セメントモルタルにおけるＳＢＳラテックスの評価
ホバートミキサーを用いて表１における各原料を混合し、強度試験用のセメントモルタルを調製した。

ＡＳＴＭの方法により、このモルタルを２インチ角の立方体および１インチ平方の断面積を有する張力ブリケットに成型した。これらの各供試体を、２４時間湿潤養生し、華氏７２度および相対湿度５０％で３０日間自然養生した。そのうち半数の供試体について、圧縮強度および引張強度を試験した。残りの半数は、７日間浸水した後に湿潤試験を行った。本実験において、固形分の重量対重量百分率が５５％の線状ＳＢＳラテックスを表１に記載の割合で用いた。圧縮強度についての結果を表２に示す。

施釉タイルおよびセラミックス用の接着セメントペーストとしての用途において、および壁面および天井用のセメントコーティング（セメント製塗材）としての用途（チロル、Tyrol）において、圧縮強度および引張強度の増大はそれぞれ重要な変数である。

（実施例２）改質コンクリートにおいてＳＢＳラテックスを用いた弾性係数の評価
表３に記載の各配合を用いてコンクリート改質調査をおこなった。

備考：
ａ．完成した改質コンクリートにおける最終的なＳＢＳ含有量が約０．７５％のもの
ｂ．完成した改質コンクリートにおける最終的なＳＢＳ含有量が約１．５％のもの

一方、表４に、本検討において用いた各骨材についての粒径曲線を示す。

表３に記載の各配合にしたがって両骨材を組み合わせることにより、ＡＳＴＭ Ｃ３９による弾性係数測定用の円柱形供試体を成型することができた。コンクリート配合において、添加剤としてＳＢＳラテックスを用い、最終組成において重量対重量百分率がそれぞれ０．７５％および１．５％となるようにＳＢＳポリマーを用いた。図３、図４、図５、および図６に、硬化コンクリートの３つのレベルの養生における、未改質コンクリートに対する改質コンクリートの性能を示す。

ＡＳＴＭ Ｃ３９の方法は、成型シリンダおよび穿孔コア等の円柱形コンクリート供試体の圧縮強度の測定も行うが、密度が８００ｋｇ／ｍ^３［５０ｌｂ／ｆｔ^３］を超えるコンクリートに限られる。

現場で鋳造および硬化した各シリンダは、生産後２４時間から４８時間以内に実験室に運ばれる。その後各シリンダを水中（または高湿チャンバ中）で特定養生期間（例えば７日間、２８日間等）養生する。シリンダが特定期間養生された日に、シリンダを水槽から取り出し、報告されている強度および故障（failure）のモードで圧縮試験をする。

橋の支柱や柱等の構造用支持材として使用される水硬性コンクリートにとって、弾性係数の増大は、重要である。

（実施例３）改質コンクリートにおいてＳＢＳラテックスを用いた場合のプラスティシティーの評価
表５に示す各配合および図４に示す各骨材を用いて、ＡＳＴＭ Ｃ３９により応力−ひずみ値を測定したところ、試験供試体が破断するまでの変形は４０％超であった。

備考：
ａ．完成した改質コンクリートにおける最終的なＳＢＳ含有量が約１．５％のもの
ｂ．完成した改質コンクリートにおける最終的なＳＢＳ含有量が約３．０％のもの

図７および図８に、改質コンクリートにおいて２つの異なるＳＢＳラテックス濃度を用いた場合の応力−ひずみ値を示す。

応力−ひずみ曲線下側の面積の増大分によりプラスティシティーが規定される。当該面積が広いほど、プラスティシティーが高い。ＳＢＳラテックスにより、コンクリートにおけるプラスティシティーが向上する。これは、油井をポンプで吸い上げるために油配管が導入された空洞内に水硬性コンクリートを成型する必要があるような井戸セメンチング用途における関心事項でありうる。この用途は、標準品質並びにクラスＨおよびクラスＧ（井戸セメンチング用）のポルトランドセメントで用いることができると考えられる。

Claims (8)

1. ポルトランドセメント組成物および／またはポルトランドコンクリート組成物においてＳＢＳラテックスを添加剤として使用し、ただし、ＳＢＳラテックス以外に、室温で成膜可能であるゴムラテックス及び合成樹脂エマルジョンのいずれも含まない方法であって、前記ＳＢＳラテックスは、水性ラテックス中にＳＢＳポリマーを２０％〜７０％含有する、使用する方法。
2. ポルトランドコンクリート組成物において、前記ＳＢＳラテックスがポルトランドコンクリート組成物中の１％〜１０％の割合となるように、前記ＳＢＳラテックスを添加剤として使用する、請求項１に記載の使用する方法。
3. 前記ＳＢＳポリマーは、重量対重量百分率で１０％〜４５％のスチレン組成物および重量対重量百分率で５５％〜９０％のブタジエン組成物からなる、請求項１に記載の使用する方法。
4. 前記ＳＢＳポリマーは、線状構成、放射状構成、または多腕構成を有する、請求項１に記載の使用する方法。
5. 前記ＳＢＳラテックスの存在により、乾燥供試体における圧縮強度を２５％〜４５％向上することができ、湿潤供試体における圧縮強度を１０％〜３０％向上することができる、請求項１に記載の使用する方法。
6. 前記ＳＢＳラテックスの存在により、乾燥供試体における引張強度を２３％〜４２％向上することができる、請求項１に記載の使用する方法。
7. セメントを重量対重量百分率で１３．５％〜１５％、細骨材を重量対重量百分率で２０％〜３５％、粗骨材を重量対重量百分率で４５％〜６０％、および水を重量対重量百分率で３．５％〜４．３％含むコンクリート組成物であって、前記組成物は、さらに、ＳＢＳラテックスを重量対重量百分率で１．５％〜３％含み、ただし、ＳＢＳラテックス以外に、室温で成膜可能であるゴムラテックス及び合成樹脂エマルジョンのいずれも含まないものであり、前記組成物において弾性係数が４．５％〜１７％増大したことが認められる、コンクリート組成物。
8. セメントを重量対重量百分率で１２％〜１５％、細骨材を重量対重量百分率で３５％、粗骨材を重量対重量百分率で４５％、および水を重量対重量百分率で２％〜３．５％含むコンクリート組成物であって、前記組成物は、さらに、ＳＢＳラテックスを重量対重量百分率で３％〜６％含み、ただし、ＳＢＳラテックス以外に、室温で成膜可能であるゴムラテックス及び合成樹脂エマルジョンのいずれも含まないものであり、前記組成物において引張強度が４％〜２１％増大し、ひずみが８％〜３０％増大したことが認められる、コンクリート組成物。