JP6735624B2 - コンクリートの表面改質材およびそれを用いたコンクリートの表層品質を改善する方法 - Google Patents
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Description
本発明は、土木・建築分野で使用されるコンクリートの表面改質材およびそれを用いたコンクリートの表層品質を改善する方法に関する。
近年、土木や建築分野において、コンクリート構造物の耐久性向上に対する要望が高まっている。コンクリート構造物の劣化要因の１つとして、塩化物イオンの存在によって鉄筋腐食が顕在化する塩害があり、その塩害を抑制するための方法として、コンクリート構造物に塩化物イオンの浸透抵抗性を付与する手法がある。
コンクリート硬化体の内部への塩化物イオンの浸透を抑制し、塩化物イオンの浸透抵抗性を与える方法としては、水／セメント比を小さくする方法が知られている（非特許文献１参照）。しかしながら、水／セメント比を小さくする方法では、施工性が損なわれるだけでなく、抜本的な対策とはならない場合があった。また、セメントコンクリートに早強性を付与し、かつ、鉄筋の腐食を防止するなどの目的で、ＣａＯ・２Ａｌ２Ｏ３とセッコウを主体とするセメント混和材を使用する方法が提案されている（特許文献１参照）。
さらに、ＣａＯ／Ａｌ２Ｏ３モル比が０．３〜０．７、ブレーン比表面積値が２，０００〜６，０００ｃｍ２／ｇのカルシウムアルミネートを含有するセメント混和材を使用し、優れた塩化物イオンの浸透抵抗性を持ち、マスコンの温度ひび割れ抑制する方法が提案されている（特許文献２参照）。しかしながら、このセメント混和材は、高温環境下では急硬性が現れ、これを混和したセメントコンクリートの作業性が損なわれるという課題があった。
また、ＣａＯ・２Ａｌ２Ｏ３構造を持つカルシウムフェロアルミネート化合物をセメント混和材とする方法も提案されている（特許文献３参照）。これらの方法は、セメントコンクリートに特殊な混和材を一定量混和するため、経済的な負担が大きいものであった。
また、ＣａＯ・２Ａｌ２Ｏ３構造を持つカルシウムフェロアルミネート化合物をセメント混和材とする方法も提案されている（特許文献３参照）。これらの方法は、セメントコンクリートに特殊な混和材を一定量混和するため、経済的な負担が大きいものであった。
一方、高炉水砕スラグ微粉末やポゾラン物質を混和したセメント組成物が塩化物イオンの浸透抵抗性を向上させることが知られている。
しかしながら、高炉水砕スラグ微粉末やポゾラン物質の反応は長期にわたって起こるため、初期強度の発現を阻害する傾向にあり、若材齢で海水に浸漬されると塩化物イオンの浸透抵抗性が低下し、コンクリートが劣化するという課題があった。
しかしながら、高炉水砕スラグ微粉末やポゾラン物質の反応は長期にわたって起こるため、初期強度の発現を阻害する傾向にあり、若材齢で海水に浸漬されると塩化物イオンの浸透抵抗性が低下し、コンクリートが劣化するという課題があった。
近年では、コンクリートの表面改質材も種々、提案されている（特許文献４、特許文献５、特許文献６参照）。しかしながら、これらの表面改質材では、塩害対策としては十分でなく、コンクリートの表層品質を著しく高めるものではなかった。
国土交通省は、２０１３年を「社会資本メンテナンス元年」と位置付け、今後、急速に老朽化が進むインフラの超寿命化への取り組みを推進すると発表した。このように、コンクリート構造物の高耐久化、超寿命化に対して、社会の要求は益々高まってきている。従来技術よりも、経済性に優れ、より高耐久化を実現可能な技術の開発が強く待たれていた。
そこで、本発明者は、前記課題を解決すべく、種々の努力を重ねた結果、特定の材料を表面改質材として使用することにより、塩害抵抗性に優れ、しかも、ひび割れ抵抗性にも優れるコンクリート構造物が得られることを知見し、本発明を完成するに至った。
岸谷孝一、西澤紀昭他編、「コンクリート構造物の耐久性シリーズ、塩害（Ｉ）」、技報堂出版、ｐｐ．３４−３７、１９８６年５月
本発明は、塩害抵抗性およびひび割れ抵抗性に優れるコンクリートが得られる、コンクリートの表面改質材およびコンクリートの表層品質を改善する方法を提供する。
本発明は、（１）ＣａＯ／Ａｌ ２ Ｏ ３ モル比が０．５〜１．０で、ブレーン比表面積が２０００〜６０００ｃｍ ２ ／ｇであるカルシウムアルミネートを含有してなるコンクリートの表面改質材を、コンクリート１ｍ２当たり３００ｇ〜２０００ｇコンクリート表面層５ｍｍ以内に存在させることを特徴とするコンクリートの表層品質を改善する方法、（２）ＣａＯ／Ａｌ ２ Ｏ ３ モル比が０．５〜１．０で、ブレーン比表面積が２０００〜６０００ｃｍ ２ ／ｇであるカルシウムアルミネートを含有してなるコンクリートの表面改質材を、コンクリート打設後、表面仕上げ時に振りまき、コテによる表面仕上げ作業を行いながらコンクリート表面に分散させることを特徴とするコンクリートの表層品質を改善する方法、（３）表面仕上げが、コンクリートの凝結の始発前であることを特徴とする（２）に記載のコンクリートの表層品質を改善する方法、である。
本発明の表面改質材を使用することにより、塩害抵抗性に優れ、ひび割れ抵抗性にも優れるコンクリート構造物が得られるという効果を奏する。
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明で使用する部や％は特に規定のない限り質量基準である。
本発明で使用する部や％は特に規定のない限り質量基準である。
本発明のコンクリートの表面改質材は、ＣａＯ／Ａｌ２Ｏ３モル比が０．５〜１．０の範囲にあり、ブレーン比表面積が２０００〜６０００ｃｍ２／ｇの範囲にあるカルシウムアルミネートを使用する。ＣａＯ／Ａｌ２Ｏ３モル比が０．５未満では、塩害抵抗性が十分に発揮されず、ＣａＯ／Ａｌ２Ｏ３モル比が１．０を超えると、コテによる表面仕上げ作業が困難になる。
また、カルシウムアルミネートのブレーン比表面積が２０００ｃｍ２／ｇ未満では、塩害抵抗性が十分に発揮されず、カルシウムアルミネートのブレーン比表面積が６０００ｃｍ２／ｇを超えても、塩害抵抗性の更なる向上が期待できないことに加え、コテによる表面仕上げ作業がやや困難になる。カルシウムアルミネートのブレーン比表面積は２５００〜５０００ｃｍ２／ｇが好ましく、３０００〜４０００ｃｍ２／ｇがより好ましい。
また、カルシウムアルミネートのブレーン比表面積が２０００ｃｍ２／ｇ未満では、塩害抵抗性が十分に発揮されず、カルシウムアルミネートのブレーン比表面積が６０００ｃｍ２／ｇを超えても、塩害抵抗性の更なる向上が期待できないことに加え、コテによる表面仕上げ作業がやや困難になる。カルシウムアルミネートのブレーン比表面積は２５００〜５０００ｃｍ２／ｇが好ましく、３０００〜４０００ｃｍ２／ｇがより好ましい。
本発明のコンクリートの表面改質材に係るカルシウムアルミネートには、ＣａＯとＡｌ２Ｏ３のほか、不純物が含まれることがある。不純物としては、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、Ｆｅ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｋ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ等が挙げられる。これらの不純物の存在は、カルシウムアルミネートを焼成する際の生成反応を助長する効果を発揮するものもあり、好ましい面もあるので、総計で１０％以下の範囲で存在しても差し支えない。
本発明のコンクリートの表面改質材は、コンクリート１ｍ２当たり、３００ｇ〜２０００ｇの範囲で使用することが好ましく、４００ｇ〜１５００ｇの範囲がより好ましい。３００ｇ未満では、塩害抵抗性やひび割れ抵抗性の向上効果が十分でない場合があり、２０００ｇを超えてもさらなる効果の向上が期待できない。
本発明のコンクリートの表面改質材は、コンクリート表面層５ｍｍ以内に存在させることが好ましい。５ｍｍを超えるとコテによる表面仕上げ作業性が悪くなることに加え、塩害抵抗性向上効果が十分でない場合がある。
本発明のコンクリートの表面改質材を用いたコンクリートの表面仕上げのタイミングは、コンクリートの凝結の始発前が好ましい。凝結の始発後であると、作業性が悪くなったり、ひび割れ抵抗性が悪くなる場合がある。
本発明のコンクリートの表面改質材は、いかなるコンクリートにも使用できる。コンクリートに使用するセメントとしては、普通、早強、超早強、低熱、及び中庸熱等の各種ポルトランドセメント、これらポルトランドセメントに、高炉スラグ、フライアッシュ、シリカ、又は石灰石微粉等を混合した各種混合セメント、並びに、廃棄物利用型セメント、いわゆるエコセメント等が挙げられる。中でも、普通ポルトランドセメント又は早強ポルトランドセメントとの相性が良い。
本発明では、本発明のカルシウムアルミネートに加え、石灰石微粉末、高炉徐冷スラグ微粉末、下水汚泥焼却灰やその溶融スラグ、都市ゴミ焼却灰やその溶融スラグ、パルプスラッジ焼却灰等の混和材料、増粘剤、収縮低減剤、ポリマー、凝結調整剤、ベントナイト等の粘土鉱物等のうちの１種または２種以上を、本発明の目的を実質的に阻害しない範囲で併用することが可能である。
以下に実験例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれら実験例に限定されるものではない。
「実験例１」
表１に示す種々のカルシウムアルミネートをコンクリートの表面改質材として用い、各種表面改質材の性能評価を行った。
表１に示す種々のカルシウムアルミネートは、試薬１級の炭酸カルシウムと試薬１級の酸化アルミニウムを所定の割合で配合し、電気炉で１６５０℃焼成した後、徐冷して合成した後、粉砕して得た。
まず、普通コンクリート（単位セメント量３００ｋｇ／ｍ３、水セメント比５５％、ｓ／ａ＝４０％、空気量４．５％）を２ｍ×２ｍ（４ｍ２）に厚さ２０ｃｍで打設した。（始発時間:５時間）次いで、表面仕上げのタイミング（打設後４時間）で、コンクリートの表面改質材を１ｍ２当たり７５０ｇ振りまき、コテ仕上げにより万遍にいきわたらせた。仕上げ後、湿布養生を材齢５日まで行い、塩水養生試験およびひび割れ抵抗性試験を行った。結果を表１に併記した。
なお、比較のために、コンクリートの表面改質材として、普通ポルトランドセメントや高炉スラグ微粉末を用いた場合の結果も併記した。
表１に示す種々のカルシウムアルミネートをコンクリートの表面改質材として用い、各種表面改質材の性能評価を行った。
表１に示す種々のカルシウムアルミネートは、試薬１級の炭酸カルシウムと試薬１級の酸化アルミニウムを所定の割合で配合し、電気炉で１６５０℃焼成した後、徐冷して合成した後、粉砕して得た。
まず、普通コンクリート（単位セメント量３００ｋｇ／ｍ３、水セメント比５５％、ｓ／ａ＝４０％、空気量４．５％）を２ｍ×２ｍ（４ｍ２）に厚さ２０ｃｍで打設した。（始発時間:５時間）次いで、表面仕上げのタイミング（打設後４時間）で、コンクリートの表面改質材を１ｍ２当たり７５０ｇ振りまき、コテ仕上げにより万遍にいきわたらせた。仕上げ後、湿布養生を材齢５日まで行い、塩水養生試験およびひび割れ抵抗性試験を行った。結果を表１に併記した。
なお、比較のために、コンクリートの表面改質材として、普通ポルトランドセメントや高炉スラグ微粉末を用いた場合の結果も併記した。
＜使用材料＞
カルシウムアルミネートＡ：ＣａＯ／Ａｌ２Ｏ３モル比が０．５、ブレーン比表面積３０００ｃｍ２／ｇ。
カルシウムアルミネートＢ：ＣａＯ／Ａｌ２Ｏ３モル比が０．７５、ブレーン比表面積３０００ｃｍ２／ｇ。
カルシウムアルミネートＣ：ＣａＯ／Ａｌ２Ｏ３モル比が１．０、ブレーン比表面積３０００ｃｍ２／ｇ。
カルシウムアルミネートＤ：ＣａＯ／Ａｌ２Ｏ３モル比が０．３、ブレーン比表面積３０００ｃｍ２／ｇ。
カルシウムアルミネートＥ：ＣａＯ／Ａｌ２Ｏ３モル比が１．２、ブレーン比表面積３０００ｃｍ２／ｇ。
カルシウムアルミネートＦ：ＣａＯ／Ａｌ２Ｏ３モル比が０．７５、ブレーン比表面積１５００ｃｍ２／ｇ。
カルシウムアルミネートＧ：ＣａＯ／Ａｌ２Ｏ３モル比が０．７５、ブレーン比表面積２０００ｃｍ２／ｇ。
カルシウムアルミネートＨ：ＣａＯ／Ａｌ２Ｏ３モル比が０．７５、ブレーン比表面積２５００ｃｍ２／ｇ。
カルシウムアルミネートＩ：ＣａＯ／Ａｌ２Ｏ３モル比が０．７５、ブレーン比表面積４０００ｃｍ２／ｇ。
カルシウムアルミネートＪ：ＣａＯ／Ａｌ２Ｏ３モル比が０．７５、ブレーン比表面積５０００ｃｍ２／ｇ。
カルシウムアルミネートＫ：ＣａＯ／Ａｌ２Ｏ３モル比が０．７５、ブレーン比表面積６０００ｃｍ２／ｇ。
普通ポルトランドセメント：市販品、ブレーン比表面積３２００ｃｍ２／ｇ。
高炉スラグ微粉末：市販品、ブレーン比表面積４０００ｃｍ２／ｇ。
カルシウムアルミネートＡ：ＣａＯ／Ａｌ２Ｏ３モル比が０．５、ブレーン比表面積３０００ｃｍ２／ｇ。
カルシウムアルミネートＢ：ＣａＯ／Ａｌ２Ｏ３モル比が０．７５、ブレーン比表面積３０００ｃｍ２／ｇ。
カルシウムアルミネートＣ：ＣａＯ／Ａｌ２Ｏ３モル比が１．０、ブレーン比表面積３０００ｃｍ２／ｇ。
カルシウムアルミネートＤ：ＣａＯ／Ａｌ２Ｏ３モル比が０．３、ブレーン比表面積３０００ｃｍ２／ｇ。
カルシウムアルミネートＥ：ＣａＯ／Ａｌ２Ｏ３モル比が１．２、ブレーン比表面積３０００ｃｍ２／ｇ。
カルシウムアルミネートＦ：ＣａＯ／Ａｌ２Ｏ３モル比が０．７５、ブレーン比表面積１５００ｃｍ２／ｇ。
カルシウムアルミネートＧ：ＣａＯ／Ａｌ２Ｏ３モル比が０．７５、ブレーン比表面積２０００ｃｍ２／ｇ。
カルシウムアルミネートＨ：ＣａＯ／Ａｌ２Ｏ３モル比が０．７５、ブレーン比表面積２５００ｃｍ２／ｇ。
カルシウムアルミネートＩ：ＣａＯ／Ａｌ２Ｏ３モル比が０．７５、ブレーン比表面積４０００ｃｍ２／ｇ。
カルシウムアルミネートＪ：ＣａＯ／Ａｌ２Ｏ３モル比が０．７５、ブレーン比表面積５０００ｃｍ２／ｇ。
カルシウムアルミネートＫ：ＣａＯ／Ａｌ２Ｏ３モル比が０．７５、ブレーン比表面積６０００ｃｍ２／ｇ。
普通ポルトランドセメント：市販品、ブレーン比表面積３２００ｃｍ２／ｇ。
高炉スラグ微粉末：市販品、ブレーン比表面積４０００ｃｍ２／ｇ。
＜測定方法＞
凝結時間：ＪＩＳ Ａ １１４７「コンクリートの凝結時間試験方法」に準拠。
塩水養生試験： 試験体の養生終了後、仕上げ面から上に１０ｃｍの高さまで型枠を設
置、繋ぎ目のシールを行い、ここに１０％のＮａＣｌ水溶液を満たした。ＮａＣｌ水
溶液の濃度は随時測定し１０％を維持し、材齢28日後に上面からコア供試体を採取、
塩分の浸透深さを測定した。
ひび割れ抵抗性（プラスチックひび割れ）：塩水養生試験とは別試験体を、表面仕上げ後送風機により風速１．５ｍ／ｓの風を表面に当て養生、翌日目視によりプラスチックひび割れ発生の有無を確認した。
ひび割れ抵抗性（乾燥収縮ひび割れ）：上記試験体を所定の養生終了後屋内で乾燥させ、養生終了から３ヵ月後にひび割れ幅の観察を行った。
<判定>
◎・・・ひび割れ発生せず。
○・・・幅０．０５ｍｍ未満のひび割れが発生。
△・・・幅０．０５ｍｍ以上０．２ｍｍ未満のひび割れが発生。
×・・・幅０．２ｍｍ以上のひび割れが発生。
コテ仕上げ作業性：５分未満でコテ仕上げが完了した場合を○、５分〜８分で完了した場合を△、８分を超えた場合や仕上げられなった場合を×とした。
カルシウムアルミネート存在深さ：硬化後の供試体を深さ方向に切断し、電子線マイクロアナライザ法（ＥＰＭＡ）によりカルシウムアルミネートの主成分である、ＣａやＡｌの元素濃度から存在深さを確認した。
凝結時間：ＪＩＳ Ａ １１４７「コンクリートの凝結時間試験方法」に準拠。
塩水養生試験： 試験体の養生終了後、仕上げ面から上に１０ｃｍの高さまで型枠を設
置、繋ぎ目のシールを行い、ここに１０％のＮａＣｌ水溶液を満たした。ＮａＣｌ水
溶液の濃度は随時測定し１０％を維持し、材齢28日後に上面からコア供試体を採取、
塩分の浸透深さを測定した。
ひび割れ抵抗性（プラスチックひび割れ）：塩水養生試験とは別試験体を、表面仕上げ後送風機により風速１．５ｍ／ｓの風を表面に当て養生、翌日目視によりプラスチックひび割れ発生の有無を確認した。
ひび割れ抵抗性（乾燥収縮ひび割れ）：上記試験体を所定の養生終了後屋内で乾燥させ、養生終了から３ヵ月後にひび割れ幅の観察を行った。
<判定>
◎・・・ひび割れ発生せず。
○・・・幅０．０５ｍｍ未満のひび割れが発生。
△・・・幅０．０５ｍｍ以上０．２ｍｍ未満のひび割れが発生。
×・・・幅０．２ｍｍ以上のひび割れが発生。
コテ仕上げ作業性：５分未満でコテ仕上げが完了した場合を○、５分〜８分で完了した場合を△、８分を超えた場合や仕上げられなった場合を×とした。
カルシウムアルミネート存在深さ：硬化後の供試体を深さ方向に切断し、電子線マイクロアナライザ法（ＥＰＭＡ）によりカルシウムアルミネートの主成分である、ＣａやＡｌの元素濃度から存在深さを確認した。
表１において、ＣａＯ／Ａｌ２Ｏ３モル比が０．５〜１．０の範囲にあり、ブレーン比表面積が２０００〜６０００ｃｍ２／ｇの範囲にあるカルシウムアルミネートをコンクリートの表面改質材として用いると、コンクリートの塩害抵抗性およびひび割れ抵抗性が著しく向上していることが分かる。一方、表面改質材として、普通ポルトランドセメントや高炉スラグ微粉末を用いた場合には、塩害抵抗性やひび割れ抵抗性は向上していない。
「実験例２」
カルシウムアルミネートＢをコンクリートの表面改質材として用い、表面改質材の使用量を表２に示すようにしたこと以外は実験例１と同様に行った。結果を表２に示す。
カルシウムアルミネートＢをコンクリートの表面改質材として用い、表面改質材の使用量を表２に示すようにしたこと以外は実験例１と同様に行った。結果を表２に示す。
表２において、コンクリートの表面改質材の使用量が３００〜２０００ｇ／ｍ２の範囲にあると、コンクリートの塩害抵抗性およびひび割れ抵抗性が著しく向上していることが分かる。
「実験例３」
カルシウムアルミネートＢをコンクリートの表面改質材として用い、カルシウムアルミネート存在深さを表３に示すようにした(硬化後の分析と振りまき量の関係から存在深さを調整)こと以外は実験例１と同様に行った。結果を表３に示す。
カルシウムアルミネートＢをコンクリートの表面改質材として用い、カルシウムアルミネート存在深さを表３に示すようにした(硬化後の分析と振りまき量の関係から存在深さを調整)こと以外は実験例１と同様に行った。結果を表３に示す。
表３において、カルシウムアルミネートの存在深さが５ｍｍ以内であると、コンクリートの塩害抵抗性およびひび割れ抵抗性が著しく向上していることが分かる。
「実験例４」
カルシウムアルミネートＢをコンクリートの表面改質材として用い、実験例１の普通ポルトランドセメントを使用して、セメントペースト（水セメント比４０％）、およびモルタル（水セメント比４０％、砂セメント比３）に混和（セメントペースト、モルタル１００部に対して２０部）したものを表面に塗布（厚み５ｍｍ）したこと以外は実験例１と同様に行った。結果を表４に示す。
カルシウムアルミネートＢをコンクリートの表面改質材として用い、実験例１の普通ポルトランドセメントを使用して、セメントペースト（水セメント比４０％）、およびモルタル（水セメント比４０％、砂セメント比３）に混和（セメントペースト、モルタル１００部に対して２０部）したものを表面に塗布（厚み５ｍｍ）したこと以外は実験例１と同様に行った。結果を表４に示す。
表４において、カルシウムアルミネートの存在深さが本発明の範囲内であっても、ペーストやモルタルに混和して表面に塗布するより、本発明においてコンクリートの塩害抵抗性およびひび割れ抵抗性が著しく向上していることが分かる。
「実験例５」
カルシウムアルミネートＢをコンクリートの表面改質材として用い、表面改質材を振りまくタイミングを変えたこと以外は実験例１と同様に行った。結果を表５に示す。
カルシウムアルミネートＢをコンクリートの表面改質材として用い、表面改質材を振りまくタイミングを変えたこと以外は実験例１と同様に行った。結果を表５に示す。
表５において、表面改質材を振りまくタイミングが凝結の始発前であると、コンクリートの塩害抵抗性およびひび割れ抵抗性、コテ仕上げ作業性が著しく向上していることが分かる。
本発明のコンクリートの表面改質材は、コンクリートの塩害抵抗性やひび割れ抵抗性を著しく高めるため、土木および建築用途に広範に利用でき、コンクリートの表層品質を著しく向上し、コンクリート構造物の超寿命化に貢献する。
Claims (3)
- ＣａＯ／Ａｌ ２ Ｏ ３ モル比が０．５〜１．０で、ブレーン比表面積が２０００〜６０００ｃｍ ２ ／ｇであるカルシウムアルミネートを含有してなるコンクリートの表面改質材を、コンクリート１ｍ２当たり３００ｇ〜２０００ｇコンクリート表面層５ｍｍ以内に存在させることを特徴とするコンクリートの表層品質を改善する方法。
- ＣａＯ／Ａｌ ２ Ｏ ３ モル比が０．５〜１．０で、ブレーン比表面積が２０００〜６０００ｃｍ ２ ／ｇであるカルシウムアルミネートを含有してなるコンクリートの表面改質材を、コンクリート打設後、表面仕上げ時に振りまき、コテによる表面仕上げ作業を行いながらコンクリート表面に分散させることを特徴とするコンクリートの表層品質を改善する方法。
- 表面仕上げが、コンクリートの凝結の始発前であることを特徴とする請求項２に記載のコンクリートの表層品質を改善する方法。
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