JP6528206B2

JP6528206B2 - セメント、モルタル、およびコンクリートの製造方法

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Publication number: JP6528206B2
Application number: JP2015152479A
Authority: JP
Inventors: 隆之早川; 嘉史扇; 涼吉光; 充谷村; 真一黒澤; 豪士中崎
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2014-09-03
Filing date: 2015-07-31
Publication date: 2019-06-12
Anticipated expiration: 2035-07-31
Also published as: JP2016052981A

Description

本発明は、モルタルおよびコンクリートに用いた場合に、ブリーディングが少なく、さらに減水剤の添加量（使用量）を低減できるセメントの製造方法と、該セメントを用いたモルタルの製造方法と、該セメントを用いたコンクリートの製造方法に関する。なお、本願明細書において、ポルトランドセメントと混合セメントを、あえて区別する必要がない場合は、両者を単に「セメント」ということがある。

コンクリートは、主に、水、セメント、骨材、および減水剤等を含み、これらの構成材料の密度は、それぞれ１ｇ／ｃｍ^３、３．２ｇ／ｃｍ^３、２．５ｇ／ｃｍ^３、および１ｇ／ｃｍ^３程度と異なる。したがって、混練してから硬化するまでの間、コンクリートの混練物中のセメントと骨材は沈降する一方で、水は上昇して材料分離が起き易く、この材料分離をブリーディングという。
このブリーディングが過大になると、セメントペーストと、骨材や鉄筋との界面に空隙が生じて界面の付着力が低下するため、コンクリートの強度低下、沈下ひび割れ、および仕上げ時期の遅延が生じ易い。そこで、ＪＡＳＳ５「水密コンクリート」では、ブリーディングの上限は０．３ｃｍ^３／ｃｍ^２と規定している。
特に、鋼管内にコンクリートを打設したコンクリート充填鋼管構造（以下「ＣＦＴ造」という。）は、ブリーディングが多いと打継部分に欠陥が生じ構造体としての一体性が損なわれるため、ブリーディングの上限は０．１ｃｍ^３／ｃｍ^２とより厳しく規定されている。そして、ＣＦＴ造に用いられるコンクリートは、一般に、ビーライトを比較的多く含む中庸熱ポルトランドセメントや低熱ポルトランドセメント等の低熱セメントを含む高強度・高流動コンクリートであるが、低熱ポルトランドセメントを含むコンクリートは、ブリーディングが多いことが知られている。ちなみに、ビーライトの含有率は中庸熱ポルトランドセメントで約３５質量％、低熱ポルトランドセメントで約５５質量％である。

従来、ブリーディングを低減する手段として、特定の混和剤をコンクリートに添加する方法や、コンクリートの前記構成材料を特定の順序で混練する方法等が提案されている。
例えば、特許文献１では、前記混和剤として、菌体番号ＡｌｃａｌｉｇｅｎｅｓＡＴＴＣ３１９６１の菌種が産出する微生物醗酵多糖類からなるコンクリートの分離防止用混和剤が提案されている。しかし、該混和剤はコンクリートの粘性を高めてブリーディングを抑制するが、一方でコンクリートの流動性が低下してポンプ圧送性が悪くなり、充填不良による強度低下やコンクリート面の肌荒れが発生し易い。このような問題は流動性が重要な高流動コンクリートに顕著に発生する。また、該混和剤は特定の菌種が産出する天然物であるため、コンクリートの大量製造において量的な制約とコストの増加を招き易い。
また、特許文献２では、混練水を第１の混練水（以下「一次水」という。）と第２の混練水（以下「二次水」という。）に分割し、一次水をセメントに加えて混練しセメントペーストを調整した後、該ペーストに二次水を加えて再度混練し第２のセメントペーストを調整し、さらに第２のセメントペーストに骨材を加えて混練するというコンクリートの作製方法が提案されている。しかし、該方法は混練作業を３回に分けて行うため作業時間が長くなって生産性は低い。

また、現在、コンクリートの高強度化や高流動化を図るため、減水剤が広範に使われている。しかし、減水剤はコンクリートの構成材料の中で最も高価で、減水剤の添加量を低減できれば、その分、コンクリートのコストが低下する。
そして、特許文献３では、減水剤の添加量を低減する方法として、モルタルまたはコンクリートの混練時に超音波による振動を付与して、混練物中の粉末の分散を促進するモルタルまたはコンクリートの製造方法が提案されている。該方法によれば、凝集塊の間隙を充填していた混練水が自由水となり、該自由水が流動性の向上に寄与するため、減水剤の添加量やミキサーによる混練時間を低減できるとされている。

特開平５−３０６１５３号公報特開２０１０−２２２１７１号公報特開平９−７０８１２号公報

本発明は、モルタルおよびコンクリートに用いた場合、ブリーディングおよび減水剤の添加量を低減できるセメントの製造方法、および該セメントを用いたブリーディングの少ないモルタルおよびコンクリートの製造方法を提供することを目的とする。

本発明者は、前記目的にかなうセメントの製造方法を検討した結果、ジエチレングリコールを、セメントクリンカーに対し特定量以上添加して粉砕して得たポルトランドセメント、および該ポルトランドセメントを含む混合セメントは、モルタルおよびコンクリートのブリーディングを低下させるとともに、減水剤の添加量を低減できること、特に、特定の水セメント比の範囲では、これらの効果が高くなることを見い出し、本発明を完成させた。すなわち、本発明は下記の構成を有するポルトランドセメントの製造方法等である。
［１］ボーグ式を用いて算出したビーライトの含有率が３０〜６５質量％であるポルトランドセメントの製造方法であって、
前記ポルトランドセメントのクリンカー１００質量部に対し、ジエチレングリコールを０．０３５〜０．０５質量部添加し粉砕して製造する、ポルトランドセメントの製造方法。
［２］前記［１］に記載のポルトランドセメントの製造方法を用いて得られたポルトランドセメントと、高炉スラグ粉、フライアッシュ、珪石粉、石灰石粉、およびシリカフュームから選ばれる一種以上の混合材を混合して混合セメントを製造する、混合セメントの製造方法。
［３］前記［１］に記載のセメントの製造方法を用いて得られたポルトランドセメント、または、前記［２］に記載の混合セメントの製造方法を用いて得られた混合セメントと、細骨材、減水剤、および水を、少なくとも用いて混練してモルタルを製造する、モルタルの製造方法。
［４］前記［１］に記載のセメントの製造方法を用いて得られたポルトランドセメント、または、前記［２］に記載の混合セメントの製造方法を用いて得られた混合セメントと、細骨材、粗骨材、減水剤、および水を、少なくとも用いて混練してコンクリートを製造する、コンクリートの製造方法。

本発明のセメントの製造方法は、ジエチレングリコールをポルトランドセメントのクリンカーに特定量添加して粉砕するという簡単な操作で、モルタルおよびコンクリートのブリーディングを低減できるセメントを製造することができる。
また、本発明のセメントの製造方法は、モルタルおよびコンクリートの減水剤の添加量を低減できるセメントを製造することができる。

本発明は、前記のとおり、ボーグ式を用いて算出したビーライトの含有率が７〜６５質量％であるポルトランドセメントと、当該ポルトランドセメントを含む混合セメントの製造方法であって、前記ポルトランドセメントのクリンカー１００質量部に対し、ジエチレングリコールを０．０２６質量部以上添加し粉砕して製造する、セメントの製造方法等である。以下、本発明について、セメントの製造方法と、モルタルおよびコンクリートの製造方法に分けて説明する。

１．セメントの製造方法
（１）ポルトランドセメント
本発明のポルトランドセメントはボーグ式を用いて算出したビーライトの含有率が７〜６５質量％である。該含有率が該範囲を外れると、セメントクリンカーの粉砕時にジエチレングリコールの添加量を０．０２６質量部以上添加しても、モルタルおよびコンクリートのブリーディングの低減効果と、減水剤の添加量の低減効果は低下する。
なお、ポルトランドセメント中のビーライトの含有率が高くなると、ブリーディングの低減効果が高くなること、また、少ない減水剤の添加量で同程度の流動性を有するモルタルやコンクリートを製造できることから、本発明においてポルトランドセメントを製造する場合、該ポルトランドセメント中のビーライトの含有率は、好ましくは３０〜６５質量％である。ビーライトの含有率が前記範囲にある市販のセメントは、中庸熱ポルトランドセメントおよび低熱ポルトランドセメントが挙げられる。
ビーライト（Ｃ_２Ｓ）の含有率を算出するためのボーグ式を、下記式に示す。
Ｃ_２Ｓ（質量％）＝２．８７×ＳｉＯ_２（質量％）−０.７５４×Ｃ_３Ｓ（質量％）
ただし、式中の化学式は、調合原料中またはセメント中における、化学式が表す化合物の含有率（質量％）を表す。

（２）ジエチレングリコール
本発明においてジエチレングリコールの添加量は、ポルトランドセメントのクリンカー１００質量部に対し０．０２６質量部以上である。該添加量が０．０２６質量部未満では、モルタルおよびコンクリートのブリーディングの低減効果と、減水剤の添加量の低減効果は低下する。コストを考慮すると、ジエチレングリコールの添加量の上限は、好ましくは０．０５質量部である。なお、該添加量は、好ましくはセメント１００質量部に対し０．０３１〜０．０５質量部、より好ましくは０．０３２〜０．０５質量部、さらに好ましくは０．０３５〜０．０５質量部、特に好ましくは０．０４〜０．０５質量部である。なお、従来、ポルトランドセメントの製造において用いられていたジエチレングリコールの添加量は、ポルトランドセメントのクリンカー１００質量部に対し、約０．０２〜０．０３質量部であった。
前記ジエチレングリコールは、試薬や工業製品のほか、ジエチレングリコールを含む不凍液、ブレーキ液、潤滑剤、およびインキ等の廃液から選ばれる一種以上が挙げられる。

（３）ポルトランドセメントの製造
該製造において、ポルトランドセメントのクリンカーにジエチレングリコールを添加し粉砕した後、該粉砕物に石膏を添加してもよく、ポルトランドセメントのクリンカーにジエチレングリコールと石膏を添加して同時に粉砕してもよい。後掲の表１と表２に示すように、石膏の半水化率が８０％以上と高い中庸熱ポルトランドセメント（比較例１、２）は、石膏の半水化率が７５％の中庸熱ポルトランドセメント（比較例３）と比べブリーディング量が多いが、このように石膏の半水化率が高い中庸熱ポルトランドセメントに対しても、本発明はブリーディングの低減に効果的である。なお、本発明のポルトランドセメント中の石膏は、無水石膏をＳＯ_３換算で、好ましくは２０質量％以下、より好ましくは１０質量％以下含んでもよい。
なお、本発明のポルトランドセメントが、普通ポルトランドセメントまたは早強ポルトランドセメントの場合は、該ポルトランドセメントが、ＪＩＳＲ５２１０「ポルトランドセメント」に規定される少量混合成分を５質量％以下含むことは差し支えない。

（４）混合セメントの製造
該製造においては、前記製造したポルトランドセメントに、高炉スラグ粉、フライアッシュ、珪石粉、石灰石粉、およびシリカフュームから選ばれる一種以上の混合材を混合して混合セメントを製造する。ポルトランドセメントと混合材との混合は、従来から、高炉セメント、フライアッシュセメント、シリカセメント、およびシリカフュームプレミックスセメント等の混合セメントの製造に使用されているミキサ（例えば、リボン型ミキサ、遊星型パン型ミキサ等）を使用すればよい。
なお、高炉スラグ粉の混合量は、ポルトランドセメント１００質量部に対して、好ましくは５〜５００質量部である。また、フライアッシュ、珪石粉、石灰石粉、またはシリカフュームの混合量は、ポルトランドセメント１００質量部に対して、好ましくは５〜１００質量部である。
また、高炉スラグ粉、フライアッシュ、珪石粉、または石灰石粉のブレーン比表面積は、好ましくは３０００〜１００００ｃｍ^２／ｇであり、シリカフュームのＢＥＴ表面積は、好ましくは１３〜２５ｍ^２／ｇである。

２．モルタルおよびコンクリートの製造方法
本発明のモルタルの製造方法は、本発明のセメントの製造方法により製造したポルトランドセメント、または混合セメントと、細骨材、減水剤、および水を、必須の構成材料として用い、これらを混練してモルタルを製造する方法である。
また、本発明のコンクリートの製造方法は、本発明のセメントの製造方法により製造したポルトランドセメント、または混合セメント、細骨材、粗骨材、減水剤、および水を、必須の構成材料として用い、これらを混練してコンクリートを製造する方法である。
以下、細骨材、粗骨材、減水剤、および水等に分けて説明する。

（１）細骨材
前記細骨材は、川砂、山砂、陸砂、海砂、砕砂、硅砂、スラグ細骨材、および軽量細骨材等から選ばれる一種以上が挙げられる。また、細骨材は天然骨材のほか再生骨材を用いることができる。
（２）粗骨材
前記粗骨材は、川砂利、山砂利、砕石、スラグ粗骨材、および軽量粗骨材等から選ばれる一種以上が挙げられる。また、前記粗骨材は天然骨材のほか、人工骨材や再生骨材を用いることができる。
（３）減水剤
前記減水剤は、高性能ＡＥ減水剤、高性能減水剤、ＡＥ減水剤等から選ばれる一種以上の減水剤が挙げられる。また、減水剤の種類（化合物）は、ポリカルボン酸、ナフタレンスルホン酸ホルムアルデヒド縮合物、メラミンスルホン酸ホルムアルデヒド縮合物、リグニンスルホン酸、およびこれらの塩から選ばれる一種以上が挙げられる。そして、減水剤は、好ましくはモルタルまたはコンクリートの混練水に、予め溶解して用いる。
（４）水
前記水は、モルタルおよびコンクリートの強度や流動性等の物性に悪影響を与えないものであれば用いることができ、例えば、上水道水、工業用水、および生コンクリートの上澄水等から選ばれる一種以上が挙げられる。
前記モルタルおよびコンクリートのいずれの場合も、水セメント比は、好ましくは１８〜５０％である。水セメントが該範囲にあれば、モルタルおよびコンクリートにおけるブリーディングの低減効果および減水剤の添加量の低減効果は高くなる。なお、前記水セメント比は、より好ましくは２０〜４５％、さらに好ましくは２５〜４０％、特に好ましくは３０〜４０％である。
（５）その他の材料
さらに、前記モルタルおよびコンクリートは、収縮低減剤、ＡＥ剤、水和熱抑制剤、白華防止剤、遅延剤、硬化促進剤等の混和剤や、高炉スラグ、フライアッシュ、石炭灰、シリカフューム、石灰石粉末、シリカ質粉末等の混和材を含んでもよい。

以下、本発明を実施例により説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されない。
１．使用材料
（１）ポルトランドセメントのクリンカー
（i）中庸熱ポルトランドセメントのクリンカー（略号：Ｍ、太平洋セメント社製）
（ii）普通ポルトランドセメントのクリンカー（略号：Ｎ、太平洋セメント社製）
（２）細骨材（略号：Ｓ）
山砂（表乾密度２．５７ｇ／ｃｍ^３、静岡県掛川市産）
（３）粗骨材
（i）砕石５号（略号：Ｇ１、茨城県桜川市産）
（ii）砕石６号（略号：Ｇ２、茨城県桜川市産）
（iii）砕石２００５（茨城県桜川市産）
（４）減水剤
（i）マイテイ３０００ｓ［登録商標］（略号：Ｍｔ、花王社製）
（ii）マスターグレニウムＳＰ８ＳＶ［登録商標］（略号：ＳＳ、ＢＡＳＦジャパン社製）
（iii）マスターグレニウムＳＰ８ＨＵ［登録商標］（略号：ＳＨ、ＢＡＳＦジャパン社製）
（iv）マスターポゾリスＮｏ．７０［登録商標］（略号：Ｎ70、ＢＡＳＦジャパン社製）
（５）水（略号：Ｗ）
水道水
（６）粒体シリカフューム
金属シリコン系シリカフューム、ＢＥＴ比表面積１７．８ｍ^２／ｇ、密度２．２５ｇ／ｃｍ^３（洛陽済禾社製）
（７）高炉スラグ粉
高炉スラグ粉末、ブレーン比表面積３８００ｃｍ^２／ｇ、新日本製鐵社製
（８）ジエチレングリコール
試薬１級（略号：ＤＥＧ、関東化学社製）

２．中庸熱ポルトランドセメントの製造
前記中庸熱ポルトランドセメントのクリンカー１００質量部に対し、二水石膏をＳＯ_３換算で２質量部、および表１に示す量のジエチレングリコール（ＤＥＧ）を添加して、ボールミルで粉砕し、表１に示す中庸熱ポルトランドセメント（実施例１〜５、比較例１〜３）を製造した。なお、該セメントのブレーン比表面積は３１００±３００ｃｍ^２／ｇであり、ビーライトの含有率は３７質量％であった。
また、表１に、下記式により求めた前記セメント中の石膏の半水化率を示す。なお、製造した前記中庸熱ポルトランドセメントは無水石膏を含んでいない。
石膏の半水化率（質量％）＝１００×半水石膏の質量（ＳＯ_３換算）／（半水石膏の質量（ＳＯ_３換算）＋二水石膏の質量（ＳＯ_３換算））

３．普通ポルトランドセメントの製造
前記普通ポルトランドセメントのクリンカー１００質量部に対し、二水石膏をＳＯ_３換算で２質量部、および表１に示す量のジエチレングリコールを添加して、ボールミルで粉砕し、表１に示す普通ポルトランドセメント（実施例６、比較例４）を製造した。なお、該セメントのブレーン比表面積は３３００±３００ｃｍ^２／ｇであり、ビーライトの含有率は１８質量％であった。

４．シリカフューム含有セメントの製造
実施例２および比較例２のそれぞれの中庸熱ポルトランドセメント１００質量部に対し、粒体シリカフュームを１３質量部添加して、プロシェアミキサ（型式：ＷＢ−２０（傾斜型）、太平洋機工社製）に投入した。次に、該プロシェアミキサのショベル羽根の周速は３．５ｍ／ｓ、チョッパーの回転速度は３６００ｒｐｍの条件で、１５分間混合して、シリカフューム含有セメント（実施例７、比較例５）を製造した。
なお、実施例７のシリカフューム含有セメントは、実施例２の中庸熱ポルトランドセメントを含み、比較例５のシリカフューム含有セメントは、比較例２の中庸熱ポルトランドセメントを含む。

５．高炉セメントＢ種の製造
実施例６および比較例４のそれぞれの普通ポルトランドセメント１００質量部に対し、高炉スラグ粉を６７質量部添加して、オムニミキサを用いて混合して、高炉セメントＢ種（実施例８、比較例６）を製造した。
なお、実施例８の高炉セメントＢ種は、実施例６の普通ポルトランドセメントを含み、比較例６の高炉セメントＢ種は、比較例４の普通ポルトランドセメントを含む。

６．減水剤の添加量、スランプフローおよびブリーディング量の測定（その１）
中庸熱ポルトランドセメント（実施例１〜５、および比較例１〜３）を用いて表２の配合に従い、コンクリートを製造した後、該コンクリートのスランプフローおよびブリーディング量を、それぞれＪＩＳＡ１１５０「コンクリートのスランプフロー試験方法」およびＪＩＳＡ１１２３「コンクリートのブリーディング試験方法」に準拠して測定した。その結果を表２に示す。

表２に示すように、実施例１〜５のブリーディングの低減率は、半水化率が７７〜８８％と高いにもかかわらず、また、減水剤の種類に依らず、６４〜９３％と極めて高い。特に、ジエチレングリコールの添加量がポルトランドセメントのクリンカー１００質量部に対し０．０３５〜０．０５０質量部であるセメント（実施例２〜５）を用いたコンクリートのブリーディング量は、０．１０ｃｍ^３／ｃｍ^２以下であることから、ブリーディング量の上限を０．１ｃｍ^３／ｃｍ^２と厳しく規定しているＣＦＴ造の用途に対しても、本発明の製造方法で製造したポルトランドセメントは有効である。
また、実施例１〜５のセメントを用いたコンクリートは、比較例１〜３のセメントを用いたコンクリートと比べ減水剤の添加量が少ないにもかかわらず、スランプフロー（流動性）はほぼ同等である。よって、本発明の製造方法で製造した中庸熱ポルトランドセメントを用いれば、減水剤の添加量を低減できる。

７．減水剤の添加量、スランプフローおよびブリーディング量の測定（その２）
次に、普通ポルトランドセメント（実施例６および比較例４）、および高炉セメントＢ種（実施例８および比較例６）を用いて表３の配合に従い、コンクリートを製造した後、該コンクリートのスランプフローおよびブリーディング量を、それぞれＪＩＳＡ１１５０「コンクリートのスランプフロー試験方法」およびＪＩＳＡ１１２３「コンクリートのブリーディング試験方法」に準拠して測定した。その結果を表３に示す。

表３に示すように、クリンカー１００質量部に対し、ジエチレングリコールの添加量が０．０３５質量部である普通ポルトランドセメント（実施例６）、さらに該普通ポルトランドセメントを使用した高炉セメントＢ種（実施例８）を用いたコンクリートでは、ジエチレングリコールの添加量が０．０２５質量部と少ない比較例４と比較例６のセメントをそれぞれ用いたコンクリートと比べて、ブリーディングが少ないことがわかる。
また、実施例６の普通ポルトランドセメントを用いたコンクリートは、比較例４の普通ポルトランドセメントを用いたコンクリートと比べ減水剤の添加量が少ないにもかかわらず、スランプフロー（流動性）はほぼ同等である。同様にして、実施例８の高炉セメントを用いたコンクリートは、比較例６の高炉セメントを用いたコンクリートと比べ減水剤の添加量が少ないにもかかわらず、スランプフロー（流動性）はほぼ同等である。よって、本発明の製造方法で製造したセメントを用いれば、減水剤の添加量を低減できることがわかる。

８．減水剤の添加量の低減試験
前記中庸熱ポルトランドセメント（実施例２、比較例２）、前記普通ポルトランドセメント（実施例６、比較例４）、シリカフューム含有セメント（実施例７、比較例５）、および高炉セメントＢ種（実施例８、比較例６）を用いて、表４に示すモルタルの配合および表５に示すコンクリートの配合に従い、それぞれモルタルおよびコンクリートを製造した。
次に、前記モルタルのモルタルフローは、ＪＩＳＲ５２０１「セメントの物理試験方法１１.フロー試験」に準拠して測定した。ただし、１５回の落下運動は実施しなかった。また、前記コンクリートのスランプフローは、ＪＩＳＡ１１５０「コンクリートのスランプフロー試験方法」に準拠して測定した。その結果を表４および表５に示す。

表４および表５に示すように、ＤＥＧの添加率が０．０３５質量部である実施例のセメントを用いたモルタルやコンクリートは、ＤＥＧの添加率が０．０２５質量部である比較例のセメントを用いたモルタルやコンクリートよりも、流動性に優れている。特に、水セメント比が２０〜４５％の範囲にあるモルタル（Ｎｏ．１〜８、１３〜２０）、およびコンクリート（Ｎｏ．１〜９、１４〜２０）では、対応する実施例（ＤＥＧの添加率が０．０３５質量部）と比較例（ＤＥＧの添加率が０．０２５質量部）を比べると、モルタルフロー、フランプフローまたはスランプが同等であるにも拘わらず、すべて実施例の方が比較例よりも、減水剤の添加量が少なくて済んでおり、減水剤の添加量の低減効果が高くなる。また、この減水剤の使用量の低減効果は減水剤の種類に依らず、用いたすべての減水剤に共通して存在する。

Claims

ボーグ式を用いて算出したビーライトの含有率が３０〜６５質量％であるポルトランドセメントの製造方法であって、
前記ポルトランドセメントのクリンカー１００質量部に対し、ジエチレングリコールを０．０３５〜０．０５質量部添加し粉砕して製造する、ポルトランドセメントの製造方法。
請求項１に記載のポルトランドセメントの製造方法を用いて得られたポルトランドセメントと、高炉スラグ粉、フライアッシュ、珪石粉、石灰石粉、およびシリカフュームから選ばれる一種以上の混合材を混合して混合セメントを製造する、混合セメントの製造方法。
請求項１に記載のセメントの製造方法を用いて得られたポルトランドセメント、または、請求項２に記載の混合セメントの製造方法を用いて得られた混合セメントと、細骨材、減水剤、および水を、少なくとも用いて混練してモルタルを製造する、モルタルの製造方法。
請求項１に記載のセメントの製造方法を用いて得られたポルトランドセメント、または、請求項２に記載の混合セメントの製造方法を用いて得られた混合セメントと、細骨材、粗骨材、減水剤、および水を、少なくとも用いて混練してコンクリートを製造する、コンクリートの製造方法。