JP6633282B2

JP6633282B2 - 水硬性組成物及び耐熱構造物

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Publication number: JP6633282B2
Application number: JP2015042796A
Authority: JP
Inventors: 石田　征男; 征男石田; 梶尾　聡; 聡梶尾; 竜岸良; 亮一高木; 拓也十文字; 尾本　志展; 志展尾本; 勉石垣; 真一渡邉
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp; Nippo Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp; Nippo Corp
Priority date: 2015-03-04
Filing date: 2015-03-04
Publication date: 2020-01-22
Anticipated expiration: 2035-03-04
Also published as: JP2016160161A

Description

本発明は、水硬性組成物及び耐熱構造物に関する。

焼却炉や、工場におけるヒーター等の熱源の周辺は、その温度が高温と低温（常温）を繰り返し、かつ、このような状況が長期に亘る場合がある。
このため、これらの熱源の周辺の構造物に用いられるコンクリート等の水硬性組成物には、優れた耐熱性が求められている。
耐熱性に優れた水硬性組成物として、特許文献１には、固体へ焼結させた石炭フライアッシュを含むコンクリート混合物に、耐火性を高めるためにプラスチック繊維を使用することを特徴とする耐火性を高めたコンクリート混合物が記載されている。
また、特許文献２には、コンクリートあるいはモルタルに、鋼繊維と、合成高分子材料からなる繊維及び／又はビーズとが添加されてなることを特徴とする高靭性・高耐火性のセメント配合体が記載されている。
一方、コンクリート等の水硬性組成物に配合するための繊維として、ポリプロピレン繊維等が知られている。例えば、特許文献３には、ポリプロピレン系合成樹脂フィラメントであり、個々のフィラメントが分離可能に連結した連糸形状テープの短繊維からなるセメント強化用ポリプロピレン繊維が記載されている。

特開２００１−３２８８５５号公報特開２００２−１９３６５４号公報特開平９−８６９８４号公報

特許文献１に記載されているコンクリート混合物、及び、特許文献２に記載されているセメント配合体は、火災の際の高温による、部材の剥げ落ちや表面の爆裂等が起こりにくいものである。すなわち、これらは火災時等の一時的な高温（特に、火炎による非常な高温）に対する耐熱性（耐火性）に優れたものである。
一方、焼却炉や、工場におけるヒーター等の熱源の周辺等において、高温（例えば、摂氏数百度程度）と低温（例えば、気温と同じ温度）を繰り返し、かつ、このような状況が長期に亘る場合がある。このような場合において、爆裂や強度低下等の劣化が起こりにくい水硬性組成物があれば、好都合である。
そこで、本発明は、周辺の温度が高温と低温を繰り返し、かつ、このような状況が長期に亘る場合において、爆裂や強度低下等の劣化が起こりにくい、耐熱性に優れた水硬性組成物を提供することを目的とする。

本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、ポルトランドセメント、フライアッシュ、特定の細骨材、特定の粗骨材、ポリプロピレン繊維、水、及び、減水剤を含む水硬性組成物によれば、上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成した。
すなわち、本発明は、以下の［１］〜［５］を提供するものである。
［１］ポルトランドセメント、フライアッシュ、火成岩からなる細骨材、火成岩からなる粗骨材、ポリプロピレン繊維、水、及び、減水剤を含むことを特徴とする水硬性組成物。
［２］上記細骨材及び上記粗骨材を構成する各火成岩が、玄武岩または安山岩である前記［１］に記載の水硬性組成物。
［３］上記ポリプロピレン繊維は、直径が２０ｄｔｅｘ以下でかつ長さが２４ｍｍ以下であるフィラメントの５〜１００本が、連糸形状を有して、分離可能な連結部で接合されてなるものである前記［１］又は［２］に記載の水硬性組成物。
［４］上記ポルトランドセメントと上記フライアッシュの合計量中の上記フライアッシュの割合が１０〜４５質量％であり、かつ、上記水硬性組成物１ｍ^３中の上記ポリプロピレン繊維の配合量が０．４５５〜４．５５ｋｇ／ｍ^３である前記［１］〜［３］のいずれかに記載の水硬性組成物。
［５］前記［１］〜［４］のいずれかに記載の水硬性組成物の硬化体であるコンクリートによって、表面を含む部分が形成されていることを特徴とする耐熱構造物。

本発明の水硬性組成物は、周辺の温度が高温と低温（常温）を繰り返し、かつ、このような状況が長期に亘る場合において、爆裂したり、強度が低下するといった劣化が起こりにくい、耐熱性に優れたものである。

連糸形状を有するポリプロピレン繊維を、繊維が延びる方向に対して垂直な方向に切断した状態を示す断面図である。

本発明の水硬性組成物は、ポルトランドセメント、フライアッシュ、火成岩からなる細骨材、火成岩からなる粗骨材、ポリプロピレン繊維、水、及び、減水剤を含むものである。
以下、各原料について詳しく説明する。
本発明の水硬性組成物に用いられるポルトランドセメントとしては、特に限定されるものではなく、例えば、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメント、低熱ポルトランドセメント等の各種ポルトランドセメントや、高炉セメント、フライアッシュセメント等の混合セメント等が挙げられる。中でも、強度発現性および流動性の観点から、普通ポルトランドセメントまたは中庸熱ポルトランドセメントが好ましく、普通ポルトランドセメントがより好ましい。

本発明の水硬性組成物に用いられるフライアッシュとしては、特に限定されるものではなく、例えば、「ＪＩＳＡ６２０１」に規定するフライアッシュＩ種、ＩＩ種、ＩＩＩ種及びＩＶ種等が挙げられる。中でも、品質の安定性の観点から、フライアッシュＩ種またはＩＩ種が好ましい。
本発明において、ポルトランドセメントとフライアッシュの合計量中のフライアッシュの割合は、好ましくは１０〜４５質量％、より好ましくは１５〜４３質量％、特に好ましくは２５〜４０質量％である。該割合が１０質量％以上であれば、水硬性組成物の硬化体の耐熱性が向上し、また、水硬性組成物のアルカリ骨材反応を抑制することができる。該割合が４５質量％以下であれば、強度発現性が向上する。

本発明の水硬性組成物に用いられる細骨材及び粗骨材は、火成岩からなるものである。火成岩からなる細骨材及び粗骨材を用いることで、高温の環境下において、爆裂による硬化体の損傷等を防ぐことができる。
火成岩としては、例えば、玄武岩、安山岩、流紋岩、斑レイ岩、閃緑岩、及び花崗岩等が挙げられる。中でも、水硬性組成物の硬化体の耐熱性の観点から、玄武岩または安山岩が好ましく、玄武岩がより好ましい。
本発明の水硬性組成物１ｍ^３中の火成岩からなる細骨材の配合量は、好ましくは５５０〜１，０００ｋｇ／ｍ^３、より好ましくは８００〜９５０ｋｇ／ｍ^３である。該量が上記数値範囲内であれば、水硬性組成物の施工性、硬化体の耐熱性及び強度が向上する。
本発明の水硬性組成物１ｍ^３中の火成岩からなる粗骨材の配合量は、好ましくは７００〜１，２００ｋｇ／ｍ^３、より好ましくは７５０〜９５０ｋｇ／ｍ^３である。該量が上記数値範囲内であれば、水硬性組成物の硬化体の耐熱性及び強度が向上する。

本発明の水硬性組成物は、ポリプロピレン繊維を含むものである。
ポリプロピレン繊維を含むことによって、高温の環境下において、本発明の水硬性組成物の硬化体中のポリプロピレン繊維が溶けて、該硬化体中に空洞が生じ、該空洞を通じて硬化体の内部に発生した水蒸気が外部に放出されるため、爆裂による硬化体の損傷を防ぐことができる。
本発明で用いられるポリプロピレン繊維は、フィラメントの直径が、好ましくは２０ｄｔｅｘ（デシテックス）以下、より好ましくは３〜１５ｄｔｅｘ、特に好ましくは６〜１２ｄｔｅｘ、かつ、長さが、好ましくは２４ｍｍ以下、より好ましくは６〜２０ｍｍ、特に好ましくは１０〜１８ｍｍのものである。
上記直径が２０ｄｔｅｘ以下であれば、水硬性組成物の硬化体の強度および耐熱性が向上する。
上記長さが２４ｍｍ以下であれば、水硬性組成物の硬化体の強度、作業性および耐熱性が向上する。

本発明で用いられるポリプロピレン繊維は、直径が２０ｄｔｅｘ以下でかつ長さが２４ｍｍ以下であるフィラメントの５〜１００本が、連糸形状を有して、分離可能な連結部で接合されてなるものが好ましい。
ここで、本明細書中、「連糸形状」とは、複数のフィラメントが、顕微鏡で拡大して観察した場合にテープ状となるように、並列に配設された形状をいう。
本発明で用いられる連糸形状を有するポリプロピレン繊維について、図１を参照にしながら説明する。連糸形状を有するポリプロピレン繊維１は、複数の単糸フィラメント２が並列に配設され、各単糸フィラメントが、隣接する単糸フィラメントと連結部３で接合されてなるものである。連結部３は、外力によって割れやすくなっているため、水硬性組成物を混練する際に、適度に分離、解繊される。
このようなポリプロピレン繊維を用いることで、水硬性組成物を混練する際に、ポリプロピレン繊維が、単糸フィラメントからなる繊維または少数（例えば、２〜４本）のフィラメントからなる連糸形状を有する繊維に容易に分離する。その結果、ポリプロピレン繊維を、水硬性組成物の硬化体中に均一に分散させることができる。

本発明で用いられる連糸形状を有するポリプロピレン繊維を構成するフィラメントの数は、５〜１００本、好ましくは１０〜９０本、より好ましくは２０〜８０本である。該数が上記数値範囲内であれば、製造が容易であり、混練によって少数のフィラメントからなる連糸形状のポリプロピレン繊維を、水硬性組成物の硬化体中に均一に分散させることが可能となるため、水硬性組成物の硬化体の強度および耐熱性が向上する。
連糸形状を有するポリプロピレン繊維の具体例としては、例えば、上述の特許文献３（特開平９−８６９８４号公報）に記載されているポリプロピレン繊維が挙げられる。

ポリプロピレン繊維の配合量は、水硬性組成物の全量中の割合として、好ましくは０．０５〜０．５体積％、より好ましくは０．０８〜０．３体積％、特に好ましくは０．１〜０．２５体積％である。該量が０．０５体積％以上であれば、水硬性組成物の硬化体の耐熱性を向上させることができる。該量が０．５体積％以下であれば、水硬性組成物の混練時の作業性が向上する。
また、本発明の水硬性組成物１ｍ^３中のポリプロピレン繊維の配合量は、好ましくは０．４５５〜４．５５ｋｇ／ｍ^３、より好ましくは０．７２８〜２．７３ｋｇ／ｍ^３、特に好ましくは０．９１〜２．２８ｋｇ／ｍ^３である。

本発明の水硬性組成物は、ポリプロピレン繊維の他に、補強用繊維として他の繊維を含むことができる。補強用繊維が含まれることにより、硬化体の靭性を向上させ、かつ硬化体の収縮を抑制することができる。
他の繊維としては、鋼繊維、ステンレス繊維、およびアモルファス繊維等の金属繊維；ビニロン繊維、ポリエチレン繊維、およびアラミド繊維等の有機繊維、が挙げられる。

本発明の水硬性組成物に用いられる水としては、水道水等を使用することができる。
本発明において、水と、ポルトランドセメントとフライアッシュの合計の質量比（水／（ポルトランドセメント＋フライアッシュ）の質量比）は、好ましくは０．３０〜０．６５、より好ましくは０．４０〜０．６０、特に好ましくは０．４５〜０．５５である。該比が０．３０以上であれば、水硬性組成物の混練時の作業性が向上する。該比が０．６５以下であれば、強度発現性が向上する。

本発明の水硬性組成物に用いられる減水剤としては、リグニン系、ナフタレンスルホン酸系、メラミン系、ポリカルボン酸系等の、減水剤、ＡＥ減水剤、高性能減水剤および高性能ＡＥ減水剤等が挙げられる。中でも、水硬性組成物の流動性、施工性、及び強度発現性の観点から、ＡＥ減水剤又は高性能ＡＥ減水剤を用いることが好ましい。
減水剤の配合量は、ポルトランドセメントとフライアッシュの合計量１００質量部に対して、好ましくは０．１〜３．０質量部、より好ましくは０．３〜２．０質量部、特に好ましくは０．５〜１．５質量部である。該量が０．１質量部以上であれば、減水性能が向上し、水硬性組成物の混練時及び打設時の作業性が向上する。該量が３．０質量部以下であれば、強度発現性が向上する。

なお、水硬性組成物中の空気量は、作業性および凍結融解抵抗性等の観点から、好ましくは３〜９％、より好ましくは４．５〜７．５％である。該空気量の調整は、空気量調整剤を使用すれば良い。

硬化前の水硬性組成物のスランプ値は、好ましくは２．５〜１８ｃｍ、より好ましくは５〜１０ｃｍである。該値が上記範囲であれば、水硬性組成物の作業性が向上する。
本明細書中において、スランプ値とは、「ＪＩＳＡ１１０１（コンクリートのスランプ試験方法）」に記載される方法において測定した値である。

本発明の水硬性組成物を硬化してなる硬化体（コンクリート）は、周辺の温度が高温（例えば、摂氏数百度程度）と低温（例えば、気温；０〜４０℃程度）を数時間〜数週間単位で繰り返し、かつ、繰り返しの回数が多数（例えば、数百回〜１，０００回程度）であっても、爆裂等による損傷が生じにくく、また、強度の低下が起こりにくいものである。本発明の水硬性組成物は耐熱性に優れており、耐熱構造物の表面を含む部分等に好適に使用することができる。

以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
［使用原料］
（１）普通ポルトランドセメント：太平洋セメント社製
（２）フライアッシュ：フライアッシュＩ種
（３）細骨材Ａ：玄武岩砕砂
（４）細骨材Ｂ：安山岩砕砂
（５）細骨材Ｃ：山砂
（６）粗骨材Ａ：玄武岩砕石
（７）粗骨材Ｂ：安山岩砕石
（８）粗骨材Ｃ：砂岩砕石
（９）ポリプロピレン繊維：直径１０ｄｔｅｘ、長さ１２ｍｍであるフィラメント５０本が、連糸形状を有して、分離可能な連結部で接合されてなるもの（萩原工業社製）；比重０．９１
（１０）ＡＥ減水剤：フローリックＳＶ１０（フローリック社製）
（１１）高性能ＡＥ減水剤：フローリックＳＦ５００Ｓ（フローリック社製）
（１２）空気量調整剤：フローリックＡＥ４（フローリック社製）
（１３）水：上水道水

［実施例１］
上記各材料を表１に示される配合割合で混練して、水硬性組成物を調製した。表１中、「細骨材率」の単位は「％」である。
混練は、パン型ミキサを使用して、以下の方法で行った。
普通ポルトランドセメント、フライアッシュ、細骨材、粗骨材をパン型ミキサに投入して、１５秒間空練りした後、水および混和剤を投入して、２分間混練し、さらにポリプロピレン繊維を投入して、１分間混練した。
得られた水硬性組成物を１０×１０×４０ｃｍの型枠に流し込み、２０℃で２４時間前置き後、脱型し、２０℃で２７日間水中養生し、供試体を得た。

（イ）高温度履歴繰り返し試験
得られた供試体を耐火炉に入れて、供試体の周辺温度を４０℃から９８０℃となるまで１分程度で昇温した後、９８０℃の温度を１５分間維持した。次いで、供試体の周辺温度が４０℃となるまで自然冷却した。これを表２に示す回数となるまで繰り返した後、供試体の表面の損傷について目視観察によって評価を行った。
（ロ）圧縮強度試験
また、高温度履歴繰り返し試験を行う前の供試体、および高温度履歴繰り返し試験を１，０００回行った後の供試体について、「ＪＩＳＡ１１０８（コンクリートの圧縮強度試験方法）」に準拠して、コンクリートの圧縮強度を測定した。
得られた測定結果から、残存圧縮強度比（｛（高温度履歴繰り返し試験を行った後の供試体の圧縮強度／高温度履歴繰り返し試験を行う前の供試体の圧縮強度）×１００｝（％））を算出した。

［実施例２〜４］
上記各材料を表１に示される配合割合で混練する以外は、実施例１と同様にして供試体を得た。
得られた供試体を用いて、実施例１と同様にして、高温度履歴繰り返し試験における評価、及び、残存圧縮強度比の算出を行った。

［比較例１〜２］
上記各材料を表１に示される配合割合で混練する以外は、実施例１と同様にして供試体を得た。
得られた供試体を用いて、実施例１と同様にして高温度履歴繰り返し試験における評価を行った。
［比較例３］
ポリプロピレン繊維を使用しない以外は、実施例１と同様にして供試体を得た。
得られた供試体を用いて、実施例１と同様にして高温度履歴繰り返し試験における評価を行った。
結果を表２に示す。

表２から、本発明の水硬性組成物（実施例１〜４）の硬化体は、比較例１〜３と比べて高温度履歴を繰り返しても硬化体の損傷が起こりにくく、耐熱性に優れていることがわかる。特に、実施例１及び２の水硬性組成物では、繰り返し回数が１，０００回でも、硬化体の損傷は見られなかった。また、本発明の水硬性組成物（実施例１〜４）の硬化体は、残存圧縮強度比が８９〜９６％であり、強度の低下が起こりにくいことがわかる。

１連糸形状を有するポリプロピレン繊維
２フィラメント（単糸）
３連結部

Claims

ポルトランドセメント、フライアッシュ、火成岩からなる細骨材、火成岩からなる粗骨材、ポリプロピレン繊維、水、及び、減水剤を含む水硬性組成物であって、
上記減水剤が、ＡＥ減水剤であり、
上記細骨材及び上記粗骨材を構成する各火成岩が、玄武岩又は安山岩であり、
上記ポルトランドセメントと上記フライアッシュの合計量中の上記フライアッシュの割合が１０〜４５質量％であり、上記水硬性組成物１ｍ ^３中の上記ポリプロピレン繊維の配合量が０．４５５〜４．５５ｋｇ／ｍ ^３であり、かつ、上記水と、上記ポルトランドセメントと上記フライアッシュの合計の質量比（水／（ポルトランドセメント＋フライアッシュ）の質量比）が、０．４０〜０．６０であり、
上記水硬性組成物中の空気量が４．５〜７．５％であることを特徴とする水硬性組成物。
請求項１に記載の水硬性組成物の硬化体であるコンクリートによって、表面を含む部分が形成されていることを特徴とする耐熱構造物。