JP7115677B2 - 水硬性組成物及び水硬性硬化体 - Google Patents

Description

本発明は、水硬性組成物及び水硬性硬化体に関する。

高炉スラグ微粉末を含有する結合材及び当該結合材を含む水硬性材料が知られている。

例えば特許文献１には、都市ゴミ焼却灰及び下水汚泥焼却灰から選ばれる１種以上を原料としてなる焼成物、石膏、高炉スラグ並びに消石灰を含有するセメント組成物が開示されている。

例えば特許文献２及び特許文献３には、高炉スラグ微粉末を４０～８０質量％、ポルトランドセメントを１５～５５質量％及び硫酸塩をＳＯ_３換算で１．０～５．０質量％の割合で含有してなる結合材、水溶性デキストリン化合物、水、細骨材及び粗骨材を含む水硬性高炉スラグ組成物が開示されている。

例えば特許文献４及び特許文献５には、高炉スラグ微粉末を４０～７５質量％、ポルトランドセメントを２３～５３質量％及び石膏を２～７質量％の割合で含有してなる結合材、水、細骨材、粗骨材及び多機能混和剤を含む高炉スラグ含有コンクリートが開示されている。

特開２００１－２４７３４９号公報 特許第６０２１２５９号 特許第６０２１２６０号 特開２０１５－１４７６９２号公報 特開２０１５－１４７６９３号公報

高炉スラグ微粉末を主材とするセメントは、セメント製造時のエネルギー消費とＣＯ_２排出量とを削減できる点で、ポルトランドセメントに比べて優れている。
ただし、高炉スラグ微粉末を主材とするセメントを用いた水硬性硬化体は、高炉スラグ微粉末が緻密な結晶構造を形成することにより硬化時に収縮しやすくひび割れが発生しやすいので、前記セメントに石膏を通常のセメントに対するよりも多く混合することによって硬化初期時に針状結晶水和物（エトリンガイト）を形成し、収縮しにくい結晶構造を形成することでひび割れ発生を抑制している（通常のセメントに対しては石膏をＳＯ_３換算で２質量％前後混合することが一般的である。）。

ところで石膏には三酸化硫黄（ＳＯ_３）が含まれており、石膏から持ち込まれるＳＯ_３が水硬性硬化体の性能に好ましい影響又は好ましくない影響を及ぼすことがある。
今回、本発明者らが検討した結果、高炉スラグ微粉末を主材とし石膏を含有する結合材を用いた水硬性硬化体は、結合材中のＳＯ_３量の増加と相関して耐火性が低くなることが初めて見出された。

本開示は、上記状況のもとになされた。

本開示は、高炉スラグ微粉末を主材とし石膏を含有する結合材を含む水硬性材料であって、ひび割れ抵抗性と耐火性とに優れる水硬性硬化体が得られる水硬性材料を提供することを目的とし、これを解決することを課題とする。
また本開示は、ひび割れ抵抗性と耐火性とに優れる水硬性硬化体を提供することを目的とし、これを解決することを課題とする。

本開示の水硬性材料は、高炉スラグ微粉末を主材とし石膏を含有する結合材と有機繊維とを混合した水硬性材料であることによって、ひび割れ抵抗性と耐火性とを両立した硬化物となる。

前記課題を解決するための具体的手段には、下記の態様が含まれる。

［１］ 結合材と有機繊維とを含み、前記結合材は、ポルトランドセメントと高炉スラグ微粉末と石膏とを含み、前記ポルトランドセメント、前記高炉スラグ微粉末及び前記石膏の全質量に対する前記高炉スラグ微粉末の含有量が３０質量％～８５質量％であり、前記石膏の含有量がＳＯ_３換算で２質量％～１０質量％である、水硬性材料。
［２］ 前記結合材は、前記ポルトランドセメント、前記高炉スラグ微粉末及び前記石膏の全質量に対する前記石膏の含有量が２質量％～２０質量％である、［１］に記載の水硬性材料。
［３］ ［１］又は［２］に記載の水硬性材料の硬化物を含む水硬性硬化体。

前記課題を解決するための具体的手段には、さらに下記の態様が含まれる。
［４］ さらに骨材を含む、［１］又は［２］に記載の水硬性材料。
［５］ ［４］に記載の水硬性材料の硬化物を含む水硬性硬化体。
［６］ ［１］、［２］又は［４］に記載の水硬性材料と水とを含む水硬性組成物。
［７］ 前記有機繊維の含有量が０．０１ｋｇ／ｍ^３～５．０ｋｇ／ｍ^３である、［６］に記載の水硬性組成物。
［８］ ［６］又は［７］に記載の水硬性組成物の硬化物である水硬性硬化体。

本開示によれば、高炉スラグ微粉末を主材とし石膏を含有する結合材を含む水硬性材料であって、ひび割れ抵抗性と耐火性とに優れる水硬性硬化体が得られる水硬性材料が提供される。
また本開示によれば、ひび割れ抵抗性と耐火性とに優れる水硬性硬化体が提供される。

以下に、発明の実施形態を説明する。これらの説明及び実施例は実施形態を例示するものであり、発明の範囲を制限するものではない。

本開示において「～」を用いて示された数値範囲には、「～」の前後に記載される数値がそれぞれ最小値及び最大値として含まれる。

本開示中に段階的に記載されている数値範囲において、一つの数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよい。また、本開示中に記載されている数値範囲において、その数値範囲の上限値又は下限値は、実施例に示されている値に置き換えてもよい。

本開示において各成分は該当する物質を複数種含んでいてもよい。組成物中に各成分に該当する物質が複数種存在する場合、各成分の含有率又は含有量は、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数種の物質の合計の含有率又は含有量を意味する。

本開示において各成分に該当する繊維は複数種含んでいてもよい。組成物中に各成分に該当する繊維が複数種存在する場合、各成分の繊維の寸法は、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数種の繊維の混合物についての値を意味する。

本開示において主材とは主要な材料を意味する。主材は、例えば、複数種の材料の混合物において混合物の全質量の３０質量％以上を占める材料をいう。

＜水硬性材料＞
本開示の水硬性材料は、下記の結合材と有機繊維とを含む。

結合材：ポルトランドセメントと高炉スラグ微粉末と石膏とを含み、これら三成分の全質量に対する前記高炉スラグ微粉末の含有量が３０質量％～８５質量％であり且つ前記石膏の含有量がＳＯ_３換算で２質量％～１０質量％である結合材。

本開示の水硬性材料は、高炉スラグ微粉末が結合材の主材であるところ、結合材に石膏を含むことにより、ひび割れ抵抗性に優れる硬化物となり、本開示の水硬性材料によれば、ひび割れ抵抗性に優れる水硬性硬化体が得られる。

本開示の水硬性材料は、有機繊維を含むことによって、耐火性に優れる硬化物となり、本開示の水硬性材料によれば、耐火性に優れる水硬性硬化体が得られる。本開示の水硬性硬化体の耐火性は、火災時を模擬した耐爆裂性試験によって評価される性能である。

以下、本開示の水硬性材料を構成する成分を詳細に説明する。

［結合材］
本開示の水硬性材料において結合材は、ポルトランドセメントと高炉スラグ微粉末と石膏とを含む。

ポルトランドセメントは、公知の各種ポルトランドセメント（例えば、普通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、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等）の中から目的に応じて選択すればよい。

高炉スラグ微粉末としては、例えば、ＪＩＳ Ａ ６２０６：２０１３に規格されている高炉スラグ微粉末３０００、高炉スラグ微粉末４０００、高炉スラグ微粉末６０００、高炉スラグ微粉末８０００が挙げられる。

石膏としては、二水石膏、半水石膏、無水石膏、これらの混合物が挙げられ、中でも無水石膏が好ましい。

本開示の水硬性材料において結合材は、ポルトランドセメント、高炉スラグ微粉末及び石膏の全質量に対して、高炉スラグ微粉末を３０質量％～８５質量％含む。高炉スラグ微粉末の含有量が、ポルトランドセメント、高炉スラグ微粉末及び石膏の全質量に対して３０質量％以上であることにより、製造時のエネルギー消費及びＣＯ_２排出量を抑制することができる。この観点からは、高炉スラグ微粉末の含有量は、４０質量％以上が好ましく、５０質量％以上がより好ましい。一方、高炉スラグ微粉末の含有量が、ポルトランドセメント、高炉スラグ微粉末及び石膏の全質量に対して８５質量％以下であることにより、水硬性硬化体の構造体強度を確保することができる。この観点からは、高炉スラグ微粉末の含有量は、８０質量％以下が好ましく、７５質量％以下がより好ましい。

本開示の水硬性材料において結合材は、ポルトランドセメント、高炉スラグ微粉末及び石膏の全質量に対して、石膏をＳＯ_３換算で２質量％～１０質量％含む。石膏の含有量が、ポルトランドセメント、高炉スラグ微粉末及び石膏の全質量に対してＳＯ_３換算で２質量％未満であると、水硬性硬化体のひび割れ発生を抑制することが難しい。ひび割れ発生を抑制する観点からは、石膏の含有量はＳＯ_３換算で２．５質量％以上が好ましく、３質量％以上がより好ましく、３．５質量％以上が更に好ましく、４質量％以上が更に好ましく、４．５質量％以上が更に好ましく、５質量％以上が更に好ましい。一方、石膏の含有量が、ポルトランドセメント、高炉スラグ微粉末及び石膏の全質量に対してＳＯ_３換算で１０質量％超であると、有機繊維を多量に混合しなければ水硬性硬化体の耐爆裂性の改善が難しく、また、水硬性硬化体の膨張又は強度低下の懸念がある。この観点からは、石膏の含有量はＳＯ_３換算で９質量％以下が好ましく、８質量％以下がより好ましい。

本開示の水硬性材料において結合材は、上記のＳＯ_３量を達成できる量の石膏を含む。石膏の含有量は、水硬性硬化体にひび割れ抵抗性を付与する観点から、ポルトランドセメント、高炉スラグ微粉末及び石膏の全質量に対して２質量％以上が好ましく、２．５質量％以上がより好ましく、２．８質量％以上が更に好ましく、５質量％以上が更に好ましく、６質量％以上が更に好ましく、７質量％以上が更に好ましい。石膏の含有量は、水硬性硬化体の膨張又は強度低下を抑制する観点から、ポルトランドセメント、高炉スラグ微粉末及び石膏の全質量に対して２０質量％以下が好ましく、１８質量％以下がより好ましく、１５質量％以下が更に好ましく、１３質量％以下が更に好ましく、１２．３質量％以下が更に好ましい。

本開示の水硬性材料において結合材は、ポルトランドセメント、高炉スラグ微粉末及び石膏以外の他の成分を含んでもよい。他の成分としては、シリカフューム、シリカ微粉末、石灰石微粉末、フライアッシュ等が挙げられる。

［有機繊維］
本開示の水硬性材料は、有機繊維を含む。

有機繊維は、水硬性硬化体に耐火性（耐爆裂性）を付与する観点から、温度１８０℃で溶融するか又は質量が５０％以上減少する有機繊維が好ましい。この熱特性を示す有機繊維は、火災時に速やかに減容し水硬性硬化体内に空隙を形成する。有機繊維の減容によって水硬性硬化体内に形成された空隙が、発生した水蒸気の脱出経路となり、水硬性硬化体の爆裂が抑制される。
ここで有機繊維が溶融するとは、繊維が液状化又は気化している状態を指す。有機繊維の質量が５０％以上減少したことの確認は、窒素ガス雰囲気下、数ｍｇの試料を昇温速度５℃／分程度で加熱しながら試料の質量を天秤で測定し、１８０℃となった時点の質量と加熱前の質量とを対比することで行う。

有機繊維は、水硬性材料を水と混合したときに凝集することなく均一性高く分散することが可能であれば、モノフィラメントでもよくストランド状でもよい。モノフィラメントとしては、例えば、円柱状線維、中空繊維、異形断面繊維、表面に細孔が存在する繊維、微細な分岐が存在する繊維などが挙げられる。

有機繊維としては、具体的には、ポリプロピレン繊維、ポリビニルアルコール繊維、ポリビニリデン繊維、ポリエチレン繊維、ポリエステル繊維、ポリ乳酸繊維などが挙げられる。

有機繊維の長さは、水硬性材料を水と混合したときの有機繊維の分散性の観点と、水硬性硬化体に耐爆裂性を付与する観点とから、１ｍｍ～４０ｍｍが好ましく、２ｍｍ～３０ｍｍがより好ましく、３ｍｍ～２０ｍｍが更に好ましい。

有機繊維の直径は、水硬性材料を水と混合したときの有機繊維の分散性の観点と、水硬性硬化体に耐爆裂性を付与する観点とから、１０μｍ～４００μｍが好ましく、２０μｍ～３００μｍがより好ましい。

有機繊維は、１種類を単独で用いてもよいし、２種類以上を併用してもよい。

水硬性材料に含まれる有機繊維の含有量は、水硬性材料を水と混合したときの有機繊維の分散性の観点と、水硬性硬化体に耐爆裂性を付与する観点とから、水硬性材料を水と混合してなる組成物において０．０１ｋｇ／ｍ^３～５．０ｋｇ／ｍ^３となる量であることが好ましく、０．１ｋｇ／ｍ^３～３．０ｋｇ／ｍ^３となる量であることがより好ましい。

水硬性材料に含まれる結合材と有機繊維との量比は、体積比（結合材：有機繊維）として、１０００：１～１００：１が好ましく、５００：１～２００：１がより好ましい。

［骨材］
本開示の水硬性材料は、骨材を含んでいてもよい。

本開示の水硬性材料の形態例として、前記結合材と有機繊維と細骨材とを含むモルタル組成物が挙げられる。

本開示の水硬性材料の別の形態例として、前記結合材と有機繊維と細骨材と粗骨材とを含むコンクリート組成物が挙げられる。

細骨材としては、天然砂、砕砂、加工砂が挙げられる。細骨材としては、良質で堅固な天然砂が好ましい。細骨材として砕砂又は加工砂を使用する場合は、角を処理した砕砂又は加工砂、粒度を調整した砕砂又は加工砂が好ましい。細骨材の種類と含有量は、目標とする水硬性硬化体の機械的強度に応じて、水硬性材料を水と混合してなる組成物の流動性を確保できる範囲から選択すればよい。

粗骨材の岩種としては、硬質砂岩、安山岩、流紋岩などが挙げられる。粗骨材の寸法としては、最大寸法（最大粒径）２０ｍｍ以下が好ましく、最大寸法（最大粒径）１５ｍｍ以下がより好ましい。粗骨材の岩種と含有量は、目標とする水硬性硬化体の機械的強度に応じて、水硬性材料を水と混合してなる組成物の流動性を確保できる範囲から選択すればよい。

［その他の材料］
本開示の水硬性材料は、目的に応じて、公知の化学混和剤；炭素繊維、ガラス繊維、バサルト繊維などの非金属無機繊維；金属繊維；などを含んでもよい。

＜水硬性硬化体＞
本開示の水硬性硬化体は、本開示の水硬性材料の硬化物を含む水硬性硬化体である。

本開示の水硬性硬化体は、本開示の水硬性材料と水とを混合してフレッシュ状態の水硬性組成物を製造し、当該フレッシュ状態の水硬性組成物を硬化することにより得られる。

本開示の水硬性材料と水との混合物（つまり、フレッシュ状態の水硬性組成物）における水結合材比（質量基準）は、特に制限されるものではないが、３０％～６０％が好ましく、３５％～５５％がより好ましく、４０％～５０％が更に好ましい。

本開示の水硬性硬化体がコンクリート硬化体である場合、機械的強度を高める観点から、コンクリート硬化体に養生を施すことが好ましい。養生方法としては、例えば、温度を２０±３℃に維持した、水中、湿砂中又は飽和蒸気中で行う標準養生が挙げられる。コンクリート硬化体の機械的強度を高める観点から、標準養生に他の養生を１種類以上組み合わせて実施することも好ましい。他の養生としては、７０℃～１００℃の温度範囲で２時間～７２時間蒸気養生する蒸気養生、１００℃～４００℃の温度範囲で２時間～７２時間加熱する高温養生、オートクレーブ等による高温高圧養生が挙げられる。

以下、実施例により発明の実施形態を詳細に説明するが、発明の実施形態は、これら実施例に何ら限定されるものではない。

＜コンクリート組成物及びコンクリート硬化体の製造＞
表１及び表２に示す材料を用意し、表３及び表４に示す調合にて混合し、試験体１～１２の各コンクリート組成物及び各コンクリート硬化体を製造した。

材料の練り混ぜにはターボミキサ（容量５０Ｌ）を用いた。ターボミキサに粗骨材、結合材及び細骨材を投入し、３０秒間空練りを行い、次いで水及び化学混和剤を投入し、６０秒間練り混ぜた。有機繊維を配合する場合は、次いで有機繊維を投入し、さらに１５秒間練り混ぜた。

各コンクリート組成物を硬化させ、φ１０ｃｍ×２０ｃｍの円柱を製造した。打込み３日後から温度６０℃で６時間の蒸気養生を行ったのち脱型して、材齢２週まで乾燥養生させた。

＜コンクリート組成物及びコンクリート硬化体の性能評価＞
各コンクリート組成物及び各コンクリート硬化体に対して、表５に示す試験を実施した。コンクリート硬化体に対する試験は、材齢２週まで乾燥養生させた後すぐに実施した。

表６にコンクリート組成物（フレッシュコンクリート）の性状を示し、表７にコンクリート硬化体の圧縮強度と爆裂判定試験の結果を示す。

試験体１～６の結果は、結合材中のＳＯ_３量の増加に相関して硬化体の耐火性（耐爆裂性）が低下することを示している。

試験体４～６と試験体１０～１２との対比から、硬化体の耐火性（耐爆裂性）が有機繊維の配合によって改善することが分かる。

Claims (2)

1. 下記の水硬性材料と水とを含み、
   水結合材比が４０％～６０％であり、
   有機繊維の含有量が０．１ｋｇ／ｍ^３～３．０ｋｇ／ｍ^３である、
   水硬性組成物；
   水硬性材料：結合材と有機繊維とを含み、
   前記有機繊維はポリプロピレン繊維を含み、
   前記結合材は、ポルトランドセメントと高炉スラグ微粉末と石膏とを含み、前記ポルトランドセメント、前記高炉スラグ微粉末及び前記石膏の全質量に対する前記高炉スラグ微粉末の含有量が４０質量％～８５質量％であり、前記石膏の含有量が７質量％～１２．３質量％である、
   水硬性材料。
2. 請求項１に記載の水硬性組成物の硬化物を含む水硬性硬化体。