JP6923061B1 - モルタル・コンクリート用混和材料、水硬性組成物、セメント組成物及びコンクリート - Google Patents
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Abstract
Description
本実施形態に係るモルタル・コンクリート用混和材料は、シリカフューム、メタカオリン、AE剤及び場合により消泡剤を含む。
シリカフュームは、金属シリコン、フェロシリコン、電融ジルコニア等を製造する際に発生する、排ガス中のダストを集塵して得られる副産物である。シリカフュームの主成分は、アルカリ溶液中で溶解する非晶質のSiO2であり、その含有率は90〜98質量%程度である。このようなシリカフュームを用いることで、モルタル及びコンクリートにおける高い圧縮強度、高い引張強度及び高い流動性を確保できる。
メタカオリンは、カオリン鉱物をか焼することによって得られる非晶質性の粉末である。メタカオリンの主成分は、SiO2及びAl2O3である。メタカオリンにおけるSiO2の含有率を特に限定するものではないが、好ましくは40〜60質量%であり、より好ましくは49〜54質量%である。メタカオリンにおけるAl2O3の含有率は好ましくは40〜50質量%であり、より好ましくは42〜47質量%である。メタカオリンはSiO2及びAl2O3以外の成分として、微量のFe2O3、TiO2などの微量成分を含有する。このようなメタカオリンを用いることで、モルタル及びコンクリートにおける高い圧縮強度、高い引張強度及び高い流動性を確保できる。
ムライト(Mullite)は、カオリン鉱物を高温焼成することで生成される結晶質鉱物である。ポゾラン反応性材料は、一般に結晶性が低いほど反応性が高く、硬化物の緻密化に貢献すると考えられる。優れた物質移動抵抗性を得るためにはメタカオリン原料の焼成工程で生成する結晶性のムライト量が少ないことが効果的である。ただし、工業的にムライト量が0である必要はなく、少量含まれていてもよい。メタカオリン100質量部中のムライトの量は、5質量部以下であり、好ましくは0〜4.0質量部であり、より好ましくは0.1〜3.0質量部であり、更に好ましくは0.2〜2.0質量部である。
カオリナイト(Kaolinite)は、カオリン鉱物の1つであり、粘土鉱物の中では膨潤性の低い鉱物として知られている。カオリナイトの多くはメタカオリン原料の焼成工程でメタカオリンへと転移するが、コンクリート中に微量に含まれると、その膨潤性による硬化物の緻密化により、またそのイオン交換能により、物質移動抵抗性の向上が期待できる。カオリナイトの量が多過ぎると、反応性が低下するほか、コンクリートの流動性に悪影響を及ぼすと考えられる。メタカオリン100質量部中のカオリナイトの量は、0.01質量部以上であり、好ましくは0.02〜0.5質量部であり、より好ましくは0.03〜0.3質量部であり、更に好ましくは0.04〜0.1質量部である。
メタカオリン中に含まれていてもよいその他の鉱物としては、ルチル(Rutile)、クオーツ(Quartz)、γ−アルミナ(Alumina gamma)、マスコバイト(Muscovite)、アナターゼ(Anatase)等が挙げられる。物質移動抵抗性の観点から、メタカオリン100質量部中のそれぞれの鉱物の量は、以下のとおりとすることができる。
ルチル:好ましくは0.05〜0.5質量部であり、より好ましくは0.1〜0.4質量部であり、更に好ましくは0.15〜0.3質量部である。
クオーツ:好ましくは0.3〜2.0質量部であり、より好ましくは0.3〜1.5質量部であり、更に好ましくは0.4〜1.3質量部である。
γ−アルミナ:好ましくは0〜5.0質量部であり、より好ましくは0〜3.0質量部であり、更に好ましくは0〜2.0質量部である。
マスコバイト:好ましくは0.3〜5.0質量部であり、より好ましくは0.5〜4.0質量部であり、更に好ましくは0.5〜3.5質量部である。
アナターゼ:好ましくは0.3〜2.0質量部であり、より好ましくは0.5〜1.8質量部であり、更に好ましくは0.6〜1.5質量部である。
非晶質とは、結晶のように原子や分子が規則正しい構造をもたず、不規則な配列をしている固体であり、アモルファスとも呼ばれる。一般に結晶性の高い物質は安定しており、化学反応性が低い。非晶質量が多ければ反応性が高く、硬化物の緻密化に貢献するため、優れた物質移動抵抗性を得るためにはメタカオリン中の非晶質量が多いことが効果的である。メタカオリン100質量部中の非晶質の量は、80質量部以上であり、好ましくは85〜99質量部であり、より好ましくは90〜98質量部であり、更に好ましくは94〜97質量部である。
AE剤としては、アニオン(陰イオン)系界面活性剤、ノニオン(非イオン)系界面活性剤、樹脂酸塩系界面活性剤、等が挙げられるが、スケーリング抵抗性の観点から、アルキルエーテル系陰イオン界面活性剤を含む(特に主成分として含む)AE剤であることが好ましい。本実施形態に係るモルタル・コンクリート用混和材料において、AE剤の含有量は、シリカフューム及びメタカオリンの合計量100質量部に対して0.005〜0.1質量部であり、好ましくは0.008〜0.08質量部であり、より好ましくは0.01〜0.06質量部であり、更に好ましくは0.01〜0.03質量部である。AE剤の含有量が0.005質量部未満であると、スケーリング抵抗性の向上効果が得難くなる傾向にあり、含有量が0.1質量部を超えると、圧縮強度が低下する傾向にある。
本実施形態に係るモルタル・コンクリート用混和材料は、消泡剤を含まないことが好ましい。すなわち、消泡剤を含むものを除いてもよい。ただし、消泡剤を所定量含んでもよい。モルタル・コンクリート用混和材料に含まれる消泡剤としては、ポリエーテル系、鉱物油系、シリコン系等の消泡剤が挙げられる。スケーリング抵抗性の観点から、消泡剤は、主成分としてポリアルキレングリコール誘導体を含んでもよい。モルタル・コンクリート用混和材料において、消泡剤の含有量は、シリカフューム及びメタカオリンの合計量100質量部に対して0.15質量部以下であり、好ましくは0.12質量部以下であり、より好ましくは0.10質量部以下であり、更に好ましくは0.05質量部以下である。当該含有量の下限は、0であり、0.005質量部であってよく、0.01質量部であってよく、0.02質量部であってよい。消泡剤の含有量が0.15質量部を超えると、所定の空気量を得るためのAE剤の必要量が増大する傾向にある。
本実施形態に係る水硬性組成物は、上記のモルタル・コンクリート用混和材料と、結合材とを含む。
結合材はセメントを含む。セメントとして、ポルトランドセメント、高炉セメントが挙げられる。ポルトランドセメントとしては、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、超早強ポルトランドセメント、低熱ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメント及び耐硫酸塩ポルトランドセメントが挙げられる。これらのうち一種を単独で使用してもよく二種以上を組み合わせて使用してもよい。また、高炉スラグ微粉末、石灰石微粉末等を適時セメントに加えて使用しても良い。
本実施形態に係るセメント組成物は、上記の水硬性組成物と、水と、細骨材と、減水剤とを含む。
水として、水道水、蒸留水、上澄水、スラッジ水又は脱イオン水などを使用すればよい。水と結合材の質量比(水/結合材)は好ましくは0.21〜0.70であり、より好ましくは0.23〜0.68であり、更に好ましくは0.25〜0.66であり、特に好ましくは0.27〜0.63である。この質量比が0.21未満であると、所定のフレッシュ性状(流動性、空気量等)や成形性の確保が難しくなる傾向にあり、0.70を超えると、圧縮強度や耐久性が低下する傾向にある。
細骨材として、川砂、陸砂、山砂、海砂、砕砂、珪砂、石灰石骨材、高炉スラグ細骨材、銅スラグ細骨材、電気炉酸化スラグ細骨材等を併用することができる。細骨材は、モルタルスラリーの流動性の観点から、粒径0.15mm以下の粒群を、好ましくは70〜98質量%、より好ましくは72〜97質量%、更に好ましくは75〜96質量%含む。細骨材は、粒径0.15mm以下の粒群を上記範囲で含むとともに、粒径0.075mm以下の粒群を、好ましくは16〜80質量%、より好ましくは20〜75質量%、更に好ましくは25〜70質量%含む。なお、微粒分の調製方法は、特に限定されないが、例えば、2種類以上の粒度の異なる細骨材を混ぜ合わせることによって調製可能である。
減水剤としては、リグニン系、ナフタレンスルホン酸系、アミノスルホン酸系、ポリカルボン酸系、ポリエーテル系等の減水剤、高性能減水剤、高性能AE減水剤などが挙げられるが、低水セメント比での流動性確保の観点から、カルボキシル基含有ポリエーテル系化合物を含む(特に主成分として含む)高性能減水剤であることが好ましい。本実施形態に係るセメント組成物における減水剤の配合量は、水硬性組成物の合計量100質量部に対して0.3〜2.0質量部であり、好ましくは0.3〜1.5質量部であり、より好ましくは0.3〜1.2質量部であり、更に好ましくは0.3〜1.0質量部である。
本実施形態に係るセメント組成物は、化学混和剤として、上記AE剤、消泡剤及び減水剤に加えて他の化学混和剤を含んでよい。ただし、消泡剤は含まなくてもよい。他の化学混和剤としては、収縮低減剤、凝結促進剤、凝結遅延剤、増粘剤などが挙げられる。求められる性能に応じてこれらのうち、一種を単独で使用してもよいし、複数を組み合わせて使用してもよい。
本実施形態に係るコンクリートは、上記のセメント組成物と、粗骨材を含む。上記本実施形態に係るセメント組成物に、粗骨材を適量組み合わせることにより、コンクリートを調製することできる。組み合わせる粗骨材の量は、目標圧縮強度、じん性、及び目標スランプに応じて適宜変えればよい。
粗骨材としては、例えば、砂利、砕石、石灰石骨材、高炉スラグ粗骨材、電気炉酸化スラグ粗骨材等を使用することができる。また、上記粗骨材は、5mmの篩いに85質量%以上残留する粒径を有することがより好ましい。
・結合材(好適にはポルトランドセメント):200〜700kg/m3
・水:130〜200kg/m3
・シリカフューム:5〜40kg/m3
・メタカオリン:5〜40kg/m3
・AE剤:0.001〜0.04kg/m3
・消泡剤:0〜0.06kg/m3
・減水剤:0.5〜8kg/m3
・細骨材:500〜1500kg/m3
・粗骨材:500〜1500kg/m3
以下の表1及び表2に示す材料を使用した。
(1)粉末X線回折分析
表2に示したメタカオリンについて、粉末X線回折分析により鉱物組成を測定した。X線回折装置は、ブルカージャパン社製D2 PHASER 2nd Genを使用した。X線の測定条件は管電圧30kV、管電流10mA、ステップ間隔0.02°、計測時間0.5sとした。測定材料に対して内部標準物質(Al2O3)を9:1の割合で混合して、振動ミルにかけた試料について、リートベルト解析ソフトMDI JADE 6を用いて、検出物の定量を行った。結果を表3に示す。
前記材料を用いた、コンクリートの配合を表4に示す。シリカフュームとメタカオリンの質量比は1:1とし、目標空気量は、2.0%以下もしくは4.5〜6.0%とした。目標空気量が得られるよう、AE剤及び消泡剤の量を調整した。
(1)コンクリートの練り混ぜ
表4に示した配合のコンクリートの練り混ぜは次の手順で行った。すなわち、水平二軸強制練りミキサ内に、細骨材、粗骨材、セメント、場合によりシリカフューム及びメタカオリンを投入して30秒間空練りした後、水(高性能減水剤、場合によりAE剤及び消泡剤を含む)を加えて120秒間練り混ぜた。
(2)コンクリートのフレッシュ性状
フレッシュコンクリートの性状試験として、スランプ及び空気量を測定した。スランプ試験はJIS A 1101「コンクリートのスランプ試験方法」、空気量の測定はJIS A 1128「コンクリートの空気量の圧力による試験方法−空気室圧力方法」に準じて実施した。
(3)コンクリート供試体の養生
コンクリート供試体の養生は、材齢初期に蒸気養生を行った。20℃で4時間の前置きの後、昇温速度10℃/hrにて昇温、60℃で3時間保持し、降温速度10℃/hrにて降温させた。材齢1日以降は20℃の恒温室で気中養生した。
(4)圧縮強度試験
JIS A 1108「コンクリートの圧縮強度試験方法」に準じて行い、材齢14日での圧縮強度を測定した。
(5)スケーリング試験
10×10×40cmの型枠に打設したコンクリート供試体を、材齢14日後に乾式カッターで10×10×15cmに切断した。RILEM CDF法を参考に、供試体をステンレス容器中にて、型枠面が3%NaCl溶液に深さ5mmまで浸せきするように設置し、下面吸水状態で試験に供した。恒温恒湿槽内に容器を設置し、JIS A 1148「コンクリートの凍結融解試験方法」を参考に槽内温度を−18℃〜5℃のサイクルで変化させた。最低又は最高温度の保持時間は1時間15分、温度移行期間が30分であり、凍結融解1サイクルあたりの時間は3時間30分である。凍結融解100サイクル経過後のスケーリング量を測定した。
コンクリートのフレッシュ性状、材齢14日での圧縮強度及びスケーリング量を以下の表5に示す。
目標空気量を2.0%以下とした場合、No.1と比較してNo.2のスケーリング量は小さく、シリカフューム及びメタカオリンを添加することでスケーリング抑制に効果があることが分かる。
また、目標空気量を4.5〜6.0%としたNo.3及び4についても、No.1と比較してスケーリング量は小さく、AE剤を添加して空気量を適切に調整することでスケーリング抑制に効果があることが分かる。
一方、シリカフューム、メタカオリン、及びAE剤を組み合わせて使用したNo.5及び6については、スケーリング量が極めて小さい結果となった。また、消泡剤を使用しなかったNo.5は、スケーリング量が最も小さい結果となった。シリカフューム及びメタカオリンの添加のみ、AE剤、又はAE剤及び消泡剤の添加のみでは、スケーリング抑制効果は不十分であり、これらを所定の量で組合せて添加した場合に極めて高水準のスケーリング抵抗性を達成可能であることが分かった。
Claims (7)
- シリカフューム、メタカオリン、及びAE剤を含むモルタル・コンクリート用混和材料であって、
前記シリカフューム及び前記メタカオリンの合計量100質量部中の、前記シリカフュームの含有量が30〜70質量部であり、前記メタカオリンの含有量が30〜70質量部であり、
前記シリカフューム及び前記メタカオリンの合計量100質量部に対して、前記AE剤を0.005〜0.03質量部含み、消泡剤の含有量が0.05質量部以下であり、
前記メタカオリン100質量部中のムライトの含有量が5質量部以下であり、カオリナイトの含有量が0.01質量部以上であり、非晶質の含有量が80質量部以上であり、
前記AE剤がアルキルエーテル系陰イオン界面活性剤を含み、
前記消泡剤を含む場合に前記消泡剤がポリアルキレングリコール誘導体を含む、
モルタル・コンクリート用混和材料。 - 前記消泡剤を含まない、請求項1に記載のモルタル・コンクリート用混和材料。
- 請求項1又は2に記載のモルタル・コンクリート用混和材料及び結合材を含む水硬性組成物であって、前記結合材がセメントを含み、
前記結合材100質量部に対して、前記シリカフュームを1〜15質量部含み、前記メタカオリンを1〜15質量部含み、前記AE剤を0.0005〜0.01質量部含み、前記消泡剤の含有量が0.015質量部以下である、水硬性組成物。 - 請求項3に記載の水硬性組成物、水、細骨材及び減水剤を含み、
前記水硬性組成物100質量部に対して、前記減水剤を0.3〜2.0質量部含む、セメント組成物。 - 前記減水剤がカルボキシル基含有ポリエーテル系化合物を含む、請求項4に記載のセメント組成物。
- 請求項4又は5に記載のセメント組成物及び粗骨材を含むコンクリートであって、前記コンクリート1m3中に、
前記結合材を200〜700kg、
前記水を130〜200kg、
前記シリカフュームを5〜40kg、
前記メタカオリンを5〜40kg、
前記AE剤を0.001〜0.04kg、
前記減水剤を0.5〜8kg、
前記細骨材を500〜1500kg、及び
前記粗骨材を500〜1500kg含み、
前記消泡剤の含有量が0.06kg以下である、コンクリート。 - 最低温度が0℃未満且つ最高温度が0℃を超える環境下で用いられる構造物用である、請求項6に記載のコンクリート。
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