JP6511203B1 - コンクリート組成物、及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

高炉スラグと、膨張材及びセメントの少なくともいずれかと、水と、を含有するコンクリート組成物であって、前記水の単位水量が、130kg/m3以下であり、前記セメントの含有量が、前記高炉スラグに対して22質量%以下であり、スランプフロー値が40cm以上であるコンクリート組成物である。

Description

本発明は、コンクリート組成物、及びその製造方法に関する。
ビルなどの建築物には、コンクリート組成物を硬化させたコンクリートが広く用いられている。一般的に、前記コンクリート組成物は、セメントを含む結合材、砂等の細骨材、石等の粗骨材、及び水を含有する。前記コンクリート組成物は、含有する物質の種類及び量を変化させることにより、所望の性質(例えば、強度、流動性など)のコンクリート組成物の硬化物を得ることができる。
前記セメントは、一般的に、次のような方法により製造する。石灰石、粘土などの原料を高温焼成してセメントクリンカと呼ばれる組成物を製造する。前記セメントクリンカを粉砕し、せっこうを加えることでセメントが得られる。前記セメントクリンカを製造する段階で、二酸化炭素が発生するため、セメントは環境に負荷がかかると言われている。このため、前記セメントの使用を抑制し、低環境負荷である前記コンクリート組成物が提案されている(例えば、特許文献1〜2参照)。
しかし、これらの提案は、水の含有量(単位水量)がそれぞれ160kg/m〜174kg/m程度であり、比較的多くの水を含有する前記コンクリート組成物である。通常、前記コンクリート組成物が硬化するときには、収縮(自己収縮)が起こることが知られている。また、前記コンクリート組成物の硬化後にも、水の蒸発などに伴い、収縮(乾燥収縮)が起こることが知られている。このため、前記提案のような、比較的水の含有量が多い前記コンクリート組成物を硬化させた際に収縮が起こり、ヒビ割れの原因となる。
前記水の含有量(単位水量)が少ない前記コンクリート組成物としては、単位水量を80kg/m〜85kg/m程度まで減らした前記コンクリート組成物が提案されている(例えば、特許文献3〜4参照)。
しかし、これらの提案では、前記コンクリート組成物の流動性が良好ではないため、ダムなど特殊な用途にしか用いることができなかった。前記コンクリート組成物は、様々な前記建築物に用いられる観点から、良好な流動性が要求されている。
特開2014−148434号公報 特開2010−189219号公報 特開2015−180603号公報 特開2011−168978号公報
このため、低環境負荷であり、硬化物が従来のコンクリートと同等の強度を有し、流動性が良好なコンクリート組成物が望まれてきた。
本発明は、低環境負荷であり、硬化物が従来のコンクリートと同等の強度を有し、流動性が良好なコンクリート組成物とその製造方法の提供を目的とする。
前記課題を解決するための手段としては、以下の通りである。即ち、
<1> 高炉スラグと、膨張材及びセメントの少なくともいずれかと、水とを含有するコンクリート組成物であって、前記水の単位水量が、130kg/m以下であり、前記セメントの含有量が、前記高炉スラグに対して22質量%以下であり、スランプフロー値が40cm以上であることを特徴とするコンクリート組成物である。
<2> 前記スランプフロー値が、50cm以上である前記<1>に記載のコンクリート組成物である。
<3> 前記水の単位水量が、100kg/m以下である前記<1>から<2>のいずれかに記載のコンクリート組成物である。
<4> 前記膨張材の含有量が、3kg/m以上である前記<1>から<3>のいずれかに記載のコンクリート組成物である。
<5> 前記膨張材の含有量が、5kg/m以上である前記<1>から<4>のいずれかに記載のコンクリート組成物である。
<6> フェロニッケルスラグを更に含有する前記<1>から<5>のいずれかに記載のコンクリート組成物である。
<7> 前記セメントの含有量が、前記高炉スラグに対して0質量%である前記<1>から<6>のいずれかに記載のコンクリート組成物である。
<8> 石灰石を更に含有する前記<1>から<7>のいずれかに記載のコンクリート組成物である。
<9> 前記膨張材が、石灰系膨張材である前記<1>から<8>のいずれかに記載のコンクリート組成物である。
<10> 高炉スラグと、膨張材及びセメントの少なくともいずれかと、水と、を含有するコンクリート組成物の製造方法であって、
前記水の単位水量が、130kg/m以下であり、
前記セメントの含有量が、前記高炉スラグに対して22質量%以下であり、
スランプフロー値が40cm以上であることを特徴とするコンクリート組成物の製造方法である。
本発明によると、低環境負荷であり、硬化物が従来のコンクリートと同等の強度を有し、流動性が良好なコンクリート組成物とその製造方法を提供できる。
(コンクリート組成物)
本発明のコンクリート組成物は、高炉スラグと、膨張材及びセメントの少なくともいずれかと、水と、を含有し、更に必要に応じてその他の成分を含有する。
<高炉スラグ>
前記高炉スラグは、鉄鉱石から銑鉄を製造する工程において、前記鉄鉱石に含まれる鉄以外の成分と、副原料の石灰石及びコークス中の灰をあわせて回収したもの(副産物)である。前記高炉スラグには、CaO、SiO、Al、MgOなどが含有されている。
前記高炉スラグは、通常のコンクリート組成物に用いられるものであれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。前記高炉スラグとしては、例えば、JIS R 5211「高炉セメント」において使用される高炉スラグ、JIS A 6206「コンクリート用高炉スラグ微粉末」に適合する高炉スラグなどが挙げられる。
前記高炉スラグの粉末度としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、3,000cm/g以上13,000cm/g以下が好ましく、3,000cm/g以上8,000cm/g以下がより好ましい。粉末度の値が上記の範囲であると、前記コンクリート組成物の流動性及び前記コンクリート組成物の硬化物の強度を良好にできる。
前記高炉スラグの含有量としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、コンクリート組成物全体に対して、200kg/m〜500kg/mが好ましい。高炉スラグの含有量が、上記の範囲であると、前記コンクリート組成物の硬化物の強度を良好にできる。
<膨張材>
前記膨張材とは、水に入れたときにカルシウムイオンが溶出するものを指す。前記膨張材としては、日本工業規格JIS A 6202「コンクリート用膨張材」に適合するものであれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。前記膨張材としては、例えば、主にCaO、CaSOを含む石灰系膨張材、主にCaO、CA・CaSO、CaSOを含むエトリンガイト系膨張材などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、収縮の低減の点から、酸化カルシウムを含有する石灰系膨張材が好ましい。
前記膨張材は、高炉スラグの結合剤性能発現材の具体例の一つである。
前記高炉スラグの結合材性能発現材(以下、「発現材」と略記することがある)は、前記高炉スラグの結合材性能を発現させる物質である。
前記高炉スラグは、それだけでは結合材性能を発現しないが、前記高炉スラグの結合材性能発現材が前記高炉スラグに対して作用すると、結合材性能が機能し得るようになる。これは、前記発現材が、前記高炉スラグに含まれるシリカ(SiO)、及びアルミナ(Al)と反応することによる。前記高炉スラグの結合材性能発現材を含有することにより、コンクリート組成物が硬化する。
前記高炉スラグの結合材性能発現材としては、アルカリ刺激材が好ましく用いられる。
本発明において、アルカリ刺激材とは、水と混合すると水溶液(又は懸濁液)がアルカリ性になるものを指す。前記アルカリ刺激材の具体例の一つが、前記膨張材である。
前記膨張材の含有量としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、収縮を低減させる点から、3kg/m以上が好ましく、5kg/m以上がより好ましく、15kg/m以上が更に好ましい。なお、前記膨張材の含有量としては、200kg/m以下が好ましい。
<セメント>
前記セメントとしては、通常コンクリート組成物に用いられるセメントであれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、普通、中庸熱、低熱、早強、超早強、耐硫酸塩等の各種ポルトランドセメント、高炉セメント、フライアッシュセメント、シリカセメント等の混合セメント、アルミナセメント、ジェットセメント等の超速硬セメント、アーウィン系セメントなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
前記セメントの含有量としては、環境負荷を低減する点から、高炉スラグの質量に対して22質量%以下であり、5質量%以下が好ましく、0質量%(実質不含有)がより好ましい。
<水>
前記水としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できる。
前記水の単位水量(含有量)は、130kg/m以下であり、110kg/m以下が好ましく、100kg/m以下がより好ましく、85kg/m以下が更に好ましい。前記単位水量が、130kg/m以下であると、前記セメント組成物の硬化物の収縮を低減できる。
なお、前記単位水量としては、流動性の点から、65kg/m以上が好ましく、75kg/m以上がより好ましい。
前記高炉スラグの質量に対する水の質量の比(水/高炉スラグ比)としては、36質量%以下が好ましい。前記水/高炉スラグ比が36質量%以下であると、流動性を向上できる。
また、前記水/高炉スラグ比が36質量%より大きいと、適切な流動性が得られない。
<その他の成分>
前記その他の成分としては、通常のコンクリート組成物に用いられるものであれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、シリカフューム、フライアッシュ、細骨材、粗骨材、混和剤などが挙げられる。
<<シリカフューム>>
前記シリカフュームとは、フェロシリコン、電融ジルコニア、金属シリコン等の精錬過程で発生する排ガスを集塵して得られる微粒子(一次粒子の平均粒子径が0.1μm〜1.0μm程度)である。前記シリカフュームは、非晶質SiOを主成分とし、その他にアルミナ、酸化鉄、酸化カルシウム、酸化チタンなどを含有する。
前記シリカフュームは、高炉スラグの結合材性能発現材に混合すると、前記高炉スラグの結合材性能発現材の水和の際に生成される水酸化カルシウムと反応(ポゾラン反応)し、前記コンクリート組成物の硬化物の強度を向上させる働きをする。
前記シリカフュームの含有量としては、80kg/m以上130kg/m以下が好ましい。前記シリカフュームの含有量が、この数値範囲内であると、前記コンクリート組成物の硬化物の流動性を良好にできる。
<<フライアッシュ>>
前記フライアッシュは、石炭火力発電所において発生する産業廃棄物のことである。前記石炭火力発電所では、微粉砕した石炭をボイラ内で燃焼させ、そのエネルギーを電気に変えている。この燃焼により前記石炭は灰になるが、溶融状態になった灰の粒子は、高温の燃焼ガス中を浮遊し、ボイラ出口で温度が低下することにともない、球形微細粒子となって電気集じん器に捕集される。この捕集された球形微細粒子のことを一般にフライアッシュと呼んでいる。
前記フライアッシュは、前記高炉スラグの結合材性能発現材と混合すると、前記高炉スラグの結合材性能発現材の水和の際に生成される水酸化カルシウムと反応(ポゾラン反応)し、コンクリート組成物の硬化物の強度を向上させる働きをする。
フライアッシュは、シリカ(SiO)、及びアルミナ(Al)を多く含み、これらの他に、酸化鉄、酸化マグネシウム、酸化カルシウムを含む。
コンクリート組成物に用いられるフライアッシュは、4種類の品質(フライアッシュI種〜IV種)がJISに規定されている。本発明では、どの品質でも用いることができるが、これらの中でも、流動性及び硬化物の強度を高める点から、I種のフライアッシュが好ましい。
前記フライアッシュの含有量としては、100kg/m以上300kg/m以下が好ましい。前記フライアッシュの含有量が、この数値範囲内であると、前記コンクリート組成物の流動性及び前記コンクリート組成物の硬化物の強度を良好にできる。
<<細骨材>>
前記細骨材としては、通常のコンクリート組成物に用いられるものであれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、天然物であっても人工物であってもよい。前記細骨材の具体例としては、例えば、フェロニッケルスラグ(日本工業規格JIS A 5011−2のFNS1.2A適合品、FNS5A適合品)、銅スラグ(日本工業規格JIS A 5011−3のCUS1.2適合品)、電気炉酸化スラグ(日本工業規格JIS A 5011−4のEFS1.2のN又はH適合品)、硬質砂岩砕砂などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、収縮を低減できる点から、フェロニッケルスラグが好ましい。
前記フェロニッケルスラグの中でも、収縮を低減できる点から、以下の特徴を同時に有する前記フェロニッケルスラグが好ましい。
・吸水率が1.50%以上であること。
・飽水状態にされてから温度が略20℃で相対湿度が略95%である環境下に置かれた場合に含水率が0.50%以下まで低下すること。
なお、吸水率は、絶乾状態にあるときの前記フェロニッケルスラグの質量(g)に対する前記フェロニッケルスラグの表面が乾燥した状態(表乾状態)にあって、前記フェロニッケルスラグ内部の空隙が飽水状態にあるときの水の質量(g)の割合のことである。また、含水率は、絶乾状態にあるときの前記フェロニッケルスラグの質量(g)に対する前記フェロニッケルスラグの内部の空隙に含まれる水と表面水(細骨材の表面に付着した水)との合計の質量(g)の割合のことである。含水量は、前記フェロニッケルスラグの乾燥状態により変化する値である。
上記の特徴を有する前記フェロニッケルスラグとしては、例えば、大平洋金属株式会社製のパムコサンド(登録商標)などが挙げられる。
前記細骨材の含有量としては、900kg/m以上1,300kg/m以下が好ましい。前記含有量が、前記数値範囲内であれば、流動性及び硬化物の強度が良好になる。
<<粗骨材>>
前記粗骨材としては、通常のコンクリート組成物に用いられるものであれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、天然物であっても人工物であってもよい。
前記天然産粗骨材としては、例えば、日本工業規格JIS A 5005「コンクリート用砕石」の砕石2015、砕石2013、砕石2010、砕石1505、砕石1305、日本工業規格JIS A 5001「道路用砕石」の5号又は6号等に適合する粗骨材などが挙げられる。その具体例としては、例えば、硬質砂岩砕石、安山岩砕石、玄武岩砕石、石英片岩砕石、石灰砕石などが挙げられる。
前記合成粗骨材としては、例えば、日本工業規格JIS A 5011−2のフェロニッケルスラグ骨材(フェロニッケル製造時の副産物)に適合する粗骨材などが挙げられる。その具体例としては、例えば、人造コランダム、焼結ボーキサイト等が挙げられる。
これらの中でも、収縮の低減の点から、石灰砕石が好ましい。
前記粗骨材の含有量としては、500kg/m以上1,000kg/m以下が好ましい。前記含有量が、前記数値範囲内であれば、流動性及び硬化物の強度が良好になる。
<<混和剤>>
前記混和剤(以下、「化学混和剤」とも称する)としては、通常のコンクリート組成物に用いられるものであれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できる。前記混和剤の具体例としては、例えば、減水率の高い一般的なポリカルボン酸系高性能減水剤、ポリオキシアルキレンアルキルエーテル系等の消泡剤などが挙げられる。
前記ポリカルボン酸系高性能減水剤の添加量としては、コンクリート組成物に合わせて適宜調整する。
<コンクリート組成物及びその硬化物の物性>
本発明のコンクリート組成物は、次のような物性を有する。
−スランプフロー値−
前記スランプフロー値は、前記コンクリート組成物の流動性を示す値である。前記スランプフロー値の測定方法は、日本工業規格JIS A 1150「コンクリートのスランプフロー試験」に準拠して測定を行う。
本発明のコンクリート組成物のスランプフロー値としては、均質性、及び作業性の点から、40cm以上であり、50cm以上が好ましい。
−圧縮強度−
前記圧縮強度は、日本工業規格JIS A 1108「コンクリートの圧縮試験方法」に則して測定する。前記圧縮強度の測定に用いるサンプルは、材齢(コンクリート組成物の練り上げ開始=高炉スラグの結合材性能発現材に水を加えてからの時間)7日、及び28日のものを用いる。
−収縮ひずみ(自己収縮ひずみ、乾燥収縮ひずみ)−
前記自己収縮ひずみは、日本コンクリート工学会自己収縮研究委員会及び日本コンクリート工学会超流動コンクリート研究委員会の方法に準拠した方法で測定し、材齢7日で封かんを解き、乾燥環境下で前記自己収縮ひずみと前記乾燥収縮ひずみとを合わせた値を測定する。前記収縮ひずみの測定は、材齢28日まで行う。
(コンクリート組成物の製造方法)
本発明のコンクリート組成物の製造方法としては、通常のコンクリート組成物の製造方法であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、以下のような方法により製造できる。20℃の恒温室内にて、水以外の成分(前記高炉スラグ、前記結合材性能発現材及びセメントの少なくともいずれかなど)を、ミキサに投入して空練りを行い、次いで、水を投入して本練りを行う。
ミキサなどの装置は、通常のコンクリート組成物に用いられるものであれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できる。
以下、本発明の実施例について説明するが、本発明は下記実施例に何ら限定されるものではない。
(実施例1〜23、比較例1〜3)
<コンクリート組成物の作製>
表2に示す配合で、実施例1〜23、及び比較例1〜3のコンクリート組成物を作製した。各コンクリート組成物は、20℃の恒温室内にて、水以外の成分を、公称容量0.1mの二軸強制練りミキサ(太平洋機工社製、SD−100、200V三相モータ出力7.5kW)に投入して空練りを15秒間行い、次いで、水を投入して300秒間本練りを行った。なお、1バッチの練り混ぜ量は0.090mの一定とした。
実施例1〜23、及び比較例1〜3において用いた成分の略称、品名、及び製造会社又は販売会社名は以下の表1のとおりである。
Figure 0006511203
Figure 0006511203
なお、比較例2は流動化しなかった。また、比較例3については、材料分離が起き、その後の試験に用いることができなかった。
<スランプフローの測定試験>
各コンクリート組成物を得られた直後、直ちにスランプフローの測定を行った。スランプフローの測定方法については、JIS A 1150「コンクリートのスランプフロー試験」に基づいた。測定結果を、表3に示した。
<圧縮強度>
各コンクリート組成物を、圧縮強度測定用の円柱供試体(直径100mm×200mm円柱)に入れ、20℃60%RH環境にて封かん養生した。なお、円柱供試体の型枠は、全て鋼製簡易型枠を使用した。
次いで、これらの供試体の圧縮強度を材齢7日で日本工業規格JIS A 1108「コンクリートの圧縮試験方法」に則して測定した。なお、いずれの調合及び養生温度ごとの圧縮強度は、供試体数を各3本(N=3)とし、その平均値で表した。また、圧縮強度の測定材齢は、全て材齢7日及び28日の2種類とした。これら全ての供試体は、圧縮試験を行う直前に両端面の研磨を行った。圧縮強度は、3000KN耐圧試験機(島津製作所社製)を使用して測定した。測定結果を表3に示した。
Figure 0006511203
<収縮ひずみの測定>
実施例16、22のコンクリート組成物について、以下のようにして収縮ひずみを測定した。結果を表4に示す。
収縮ひずみは、材齢7日までは、日本コンクリート工学会自己収縮研究委員会及び日本コンクリート工学会超流動コンクリート研究委員会の方法に準拠した方法で測定し、その後封かんを解き、乾燥環境下で自己収縮ひずみと乾燥収縮ひずみとを合わせた値について測定し、材齢28日の収縮ひずみ(自己収縮ひずみ+乾燥収縮ひずみ)の測定結果を表4に示す。
Figure 0006511203
実施例1、2、7及び16についても、実施例16と同様にして収縮ひずみを測定した。結果を表5に示す。
Figure 0006511203
(実施例24〜33、比較例4〜6)
<コンクリート組成物の作製>
表7に示す配合で、実施例24〜33、及び比較例4〜6のコンクリート組成物を作製した。各コンクリート組成物は、20℃の恒温室内にて、水以外の成分を、公称容量0.1mの二軸強制練りミキサ(太平洋機工社製、SD−100、200V三相モータ出力7.5kW)に投入して空練りを15秒間行い、次いで、水を投入して300秒間本練りを行った。なお、1バッチの練り混ぜ量は0.090mの一定とした。
実施例24〜33、及び比較例4〜6において用いた成分の略称、品名、及び製造会社又は販売会社名は以下の表6のとおりである。
Figure 0006511203
Figure 0006511203
なお、比較例4については、材料分離が起き、その後の試験に用いることができなかった。
<スランプフローの測定試験、及び圧縮強度>
実施例24〜33、及び比較例4〜6のコンクリート組成物について、実施例1と同様にしてスランプフロー及び圧縮強度を測定した。測定結果を表8に示す。
Figure 0006511203
比較例5、6については、流動化しなかった。
比較例5については、7日目では硬化していなかったため、材齢7日の圧縮強度は測定できなかった。

Claims (10)

  1. 高炉スラグと、膨張材及びセメントの少なくともいずれかと、水とを含有するコンクリート組成物であって、
    前記高炉スラグの含有量が、前記コンクリート組成物全体に対して、200kg/m 〜500kg/m であり、
    前記水の単位水量が、130kg/m以下であり、
    前記セメントの含有量が、前記高炉スラグに対して22質量%以下であり、
    スランプフロー値が40cm以上であることを特徴とするコンクリート組成物。
  2. 前記スランプフロー値が、50cm以上である請求項1に記載のコンクリート組成物。
  3. 前記水の単位水量が、100kg/m以下である請求項1から2のいずれかに記載のコンクリート組成物。
  4. 前記膨張材の含有量が、3kg/m以上である請求項1から3のいずれかに記載のコンクリート組成物。
  5. 前記膨張材の含有量が、5kg/m以上である請求項1から4のいずれかに記載のコンクリート組成物。
  6. フェロニッケルスラグを更に含有する請求項1から5のいずれかに記載のコンクリート組成物。
  7. 前記セメントの含有量が、前記高炉スラグに対して0質量%である請求項1から6のいずれかに記載のコンクリート組成物。
  8. 石灰石を更に含有する請求項1から7のいずれかに記載のコンクリート組成物。
  9. 前記膨張材が、石灰系膨張材である請求項1から8のいずれかに記載のコンクリート組成物。
  10. 高炉スラグと、膨張材及びセメントの少なくともいずれかと、水と、を含有するコンクリート組成物の製造方法であって、
    前記高炉スラグの含有量が、前記コンクリート組成物全体に対して、200kg/m 〜500kg/m であり、
    前記水の単位水量が、130kg/m以下であり、
    前記セメントの含有量が、前記高炉スラグに対して22質量%以下であり、
    スランプフロー値が40cm以上であることを特徴とするコンクリート組成物の製造方法。
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