JP7359686B2

JP7359686B2 - モルタル・コンクリート用混和材、これを含むセメント組成物、モルタル組成物及びコンクリート組成物、並びに、モルタル硬化物及びコンクリート硬化物の製造方法

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Publication number: JP7359686B2
Application number: JP2019233437A
Authority: JP
Inventors: 慶一郎中村; 宏和桐山; 浩一郎吉田; 喜英佐藤
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Priority date: 2019-12-24
Filing date: 2019-12-24
Publication date: 2023-10-11
Anticipated expiration: 2039-12-24
Also published as: JP2021102528A

Description

本発明は、モルタル・コンクリート用混和材、これを含むセメント組成物、モルタル組成物及びコンクリート組成物、並びに、モルタル硬化物及びコンクリート硬化物の製造方法に関する。

近年、建設業界における就業者不足又は高齢化等の問題から、コンクリート製品の活用の検討が進みつつあり、将来的な需要の増加が予想される。需要の増加に伴い、製品製造時の効率化への要求は高まると予想され、特に型枠回転率の向上により、生産性を向上させることは重要な課題と考えられる。型枠回転率向上のため、早期脱型を可能とする技術としては、混和材の利用に加え、高温条件での養生によって短時間で脱型強度を実現する技術（特許文献１）や、早期強度発現に優れるセメントを活用する技術（特許文献２）、石膏を添加・混合する技術（特許文献３）がある。

特開平１０－１０１４５５号公報特開２０００－３０１５３１号公報特開２０１２－１８４１４８号公報

短時間で脱型強度を実現するため、高い養生温度（例えば、８０℃程度）を設定した場合、特に冬期ではこの温度を維持し続けることが技術的に困難であり、意図した脱型強度が得られないケースがある。混和材の添加によって早期に強度を得ようとする場合、流動性の経時変化が大きいため、流動性を制御するために多量の減水剤を使用する必要があることや、練混ぜ直後において過度に流動する状態とすることが必要となることがある。あるいは、早期強度発現に優れるセメントを活用することによって、早期に強度を得ることも考えられるが、設備上の問題からこのようなセメントを保管できない工場も多いため、その適用が制限される場合がある。

本発明は、モルタル・コンクリート用混和材であって、特殊なセメントを適用しなくても、蒸気養生において一般に適用される温度（例えば、５０～７０℃程度）の養生条件で早期に十分な脱型強度を得ることができるとともに、モルタル組成物及びコンクリート組成物の流動性の経時変化に及ぼす影響が十分に小さい混和材を提供することを目的とする。また、本発明は、この混和材を含むセメント組成物、モルタル組成物及びコンクリート組成物、並びに、モルタル硬化物及びコンクリート硬化物の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討したところ、特定の材料を所定の組合せで混合して得た混和材が上記課題を解決できることを見出し、以下の本発明を完成させた。

すなわち、本発明に係るモルタル・コンクリート用混和材は、半水石膏及び無水石膏の少なくとも一方の石膏と、珪酸ナトリウム水和物と、硫酸アルミニウムとを含み、珪酸ナトリウム水和物中のＳｉＯ_２とＮａ_２Ｏの質量比（ＳｉＯ_２／Ｎａ_２Ｏ）が１以上３以下であり、且つ珪酸ナトリウム水和物１００質量部の強熱減量が５質量部以上５０質量部以下である。

早期強度発現性を向上すべきセメント（例えば、普通ポルトランドセメント）に対して適量の上記混和材を配合してモルタル組成物又はコンクリート組成物を調製することにより、蒸気養生において一般に適用される温度の養生条件で早期に十分な強度を有する硬化物を得ることができ、型枠回転率を向上することができる。

本発明に係るセメント組成物は、普通ポルトランドセメントと、上記混和材と、を含み、普通ポルトランドセメント１００質量部に対し、上記混和材の含有量が０．５～１０質量部である。本発明に係るモルタル組成物は、普通ポルトランドセメントと、上記混和材と、細骨材と、水と、を含み、普通ポルトランドセメント１００質量部に対し、上記混和材の含有量が０．５～１０質量部であり、細骨材の含有量が１５０～３００質量部であり、水セメント比が４０～６５質量％である。本発明に係るコンクリート組成物は、普通ポルトランドセメントと、上記混和材と、細骨材と、粗骨材と、水と、を含み、普通ポルトランドセメント１００質量部に対し、上記混和材の含有量が０．５～１０質量部であり、細骨材の含有量が１５０～３００質量部であり且つ粗骨材の含有量が２００～４００質量部であり、水セメント比が４０～６５質量％である。

本発明に係るセメント組成物等によれば、普通ポルトランドセメント１００質量部に対して０．５～１０質量部の上記混和材を添加することで、蒸気養生において一般に適用される温度の養生条件で早期に十分な強度を有する硬化物を得ることができ、型枠回転率を向上することができる。この混和材の添加量は、従来の混和材の添加量と同等レベルであり、実機プラントでの作業に適した量である。本発明に係るモルタル組成物及びコンクリート組成物は、混和材が添加されない組成物と比較して流動性が同等であるため、この点でも実機プラントでの作業性に優れるという利点がある。

本発明に係るモルタル硬化物又はコンクリート硬化物の製造方法は、温度５０～７０℃、養生時間３～４時間の条件で上記モルタル組成物又は上記コンクリート組成物を蒸気養生する工程を含む。この製造方法によれば、３～４時間の養生で十分な強度を有する硬化物を得ることができ、型枠回転率を向上することができる。

本発明によれば、モルタル・コンクリート用混和材であって、特殊なセメントを適用しなくても、蒸気養生において一般に適用される温度の養生条件で早期に離型強度を得ることができるとともに、モルタル組成物及びコンクリート組成物の流動性の経時変化に及ぼす影響が十分に小さい混和材が提供される。また、本発明によれば、この混和材を含むセメント組成物、モルタル組成物及びコンクリート組成物、並びに、モルタル硬化物及びコンクリート硬化物の製造方法が提供される。

以下、本発明の実施形態について説明する。本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

＜モルタル・コンクリート用混和材＞
本実施形態に係るモルタル・コンクリート用混和材は、実施例の欄において詳細に説明する評価試験に基づくものである。本実施形態に係るモルタル・コンクリート用混和材は、半水石膏及び無水石膏の少なくとも一方の石膏と、珪酸ナトリウム水和物と、硫酸アルミニウムとを含み、珪酸ナトリウム水和物中のＳｉＯ_２とＮａ_２Ｏの質量比（ＳｉＯ_２／Ｎａ_２Ｏ）が１以上３以下であり、且つ珪酸ナトリウム水和物１００質量部の強熱減量が５質量部以上５０質量部以下である。

本実施形態に係る混和材を使用することによって、達成すべき脱型強度は好ましくは１０～１５Ｎ／ｍｍ^２、より好ましくは１１～１３Ｎ／ｍｍ^２である。

所定量の上記混和材を、例えば、普通ポルトランドセメントに配合することで早期強度発現性が著しく向上する。すなわち、上記混和材を使用して調製したモルタル組成物又はコンクリート組成物は、温度５０～７０℃程度の温度条件で、３～４時間程度の短時間の蒸気養生を行うことで、脱型に十分な強度（１０Ｎ／ｍｍ^２以上）を得ることができる。以下、混和材を構成する各成分について説明する。

（石膏）
石膏は、半水石膏及び無水石膏のいずれであってもよく、これらを併用してもよい。これらの石膏を混和材の成分とすることで、脱型強度を向上することができる。石膏（半水石膏及び無水石膏の合計量）の含有率は、混和材の全質量を基準として、好ましくは６５質量％以上１００質量％未満であり、より好ましくは７０質量％以上９５質量％以下であり、更に好ましくは７５質量％以上９０質量％以下である。

半水石膏及び無水石膏のブレーン比表面積は、早期強度発現性の観点から、半水石膏の場合、好ましくは３０００～１５０００ｃｍ ^２／ｇ、より好ましくは５０００～１２０００ｃｍ ^２／ｇ、更に好ましくは８０００～１１０００ｃｍ ^２／ｇである。無水石膏のブレーン比表面積は、好ましくは２０００～６０００ｃｍ ^２／ｇ、より好ましくは３０００～５０００ｃｍ ^２／ｇ、更に好ましくは４０００～４８００ｃｍ ^２／ｇである。なお、石膏のブレーン比表面積はＪＩＳＲ５２０１に記載の方法に準拠して測定することができる。

（珪酸ナトリウム）
珪酸ナトリウム（「ケイ酸ソーダ」とも称される。）は、水和物である必要があり、これを混和材の成分とすることで、脱型強度を向上することができる。珪酸ナトリウム水和物の含有率は、混和材の全質量を基準として、好ましくは０質量％超３０質量％以下であり、より好ましくは３質量％以上１５質量％以下であり、更に好ましくは５質量％以上１１質量％以下である。

珪酸ナトリウム水和物１００質量部中のＮａ_２Ｏの含有量は、早期強度発現性の観点から、好ましくは２２質量部以上２８質量部以下であり、より好ましくは２３質量部以上２７質量部以下であり、更に好ましくは２４質量部以上２６質量部以下である。

珪酸ナトリウム水和物１００質量部中のＳｉＯ_２の含有量は、早期強度発現性の観点から、好ましくは４５質量部以上６０質量部以下であり、より好ましくは４８質量部以上５８質量部以下であり、更に好ましくは５０質量部以上５５質量部以下である。

珪酸ナトリウム水和物中のＳｉＯ_２とＮａ_２Ｏの質量比（ＳｉＯ_２／Ｎａ_２Ｏ）は、早期強度発現性の観点から、１以上３以下であり、好ましくは１．５以上２．８以下であり、より好ましくは１．７以上２．６以下であり、更に好ましくは１．８以上２．４以下である。

珪酸ナトリウム水和物１００質量部の強熱減量は、早期強度発現性の観点から、５質量部以上５０質量部以下であり、好ましくは１０質量部以上３０質量部以下であり、より好ましくは１６質量部以上２８質量部以下であり、更に好ましくは１８質量部以上２５質量部以下である。なお、珪酸ナトリウムの強熱減量はＪＩＳＲ５２０２に記載の方法に準拠して測定することができる。

（硫酸アルミニウム）
硫酸アルミニウムは、無水物及び水和物のいずれであってもよく、これらを併用してもよい。これらの硫酸アルミニウムを混和材の成分とすることで、脱型強度を向上することができる。硫酸アルミニウムの含有率は、混和材の全質量を基準として、好ましくは０質量％超３０質量％以下であり、より好ましくは１質量％以上１５質量％以下であり、更に好ましくは３質量％以上１０質量％以下である。

硫酸アルミニウムは、混和材の商品形態及び作業性の観点から、粉末（粉末状）であることが好ましく、その平均粒径は３０μｍ以下であることが好ましく、８～２４μｍ又は１２～１６μｍであってよい。硫酸アルミニウムの平均粒径は、レーザー回折／散乱式粒子径分布測定装置によって測定することができる。硫酸アルミニウムの比表面積は、早期強度発現性の観点から、好ましくは１０ｍ^２／ｇ以下であり、より好ましくは１～８ｍ^２／ｇであり、更に好ましくは３～６ｍ^２／ｇである。なお、硫酸アルミニウムの表面積はＪＩＳＲ５２０１に記載の方法に準拠して測定することができる。

＜セメント組成物＞
本実施形態に係るセメント組成物は、普通ポルトランドセメントと、上記混和材とを含み、普通ポルトランドセメント１００質量部に対して上記混和材の含有量が０．５～１０質量部である。このセメント組成物によれば、普通ポルトランドセメント１００質量部に対して０．５～１０質量部の上記混和材を添加することで、蒸気養生において一般に適用される温度の養生条件で早期に離型強度を得ることができる。この混和材の添加量は、従来の混和材の添加量と同等レベルであり、実機プラントでの作業に適した量である。

普通ポルトランドセメントのボーグ式で算出される鉱物組成は、例えば、以下の範囲であればよい。すなわち、Ｃ_３Ｓ量は、４２～６２質量％であり、５０～６１質量％又は５５～６０質量％であってもよい。Ｃ_２Ｓ量は、１４～３７質量％であり、１３～２５質量％又は１２～１８質量％であってもよい。Ｃ_３Ａ量は、７～１１質量％であり、８～１０．５質量％又は９～１０質量％であってもよい。Ｃ_４ＡＦ量は、７～１３質量％であり、８～１１質量％又は８．５～１０質量％であってもよい。普通ポルトランドセメントのブレーン比表面積は、例えば、３０００ｃｍ^２／ｇ以上であり、好ましくは３１００～３５００ｃｍ^２／ｇであり、より好ましくは３２００～３３５０ｃｍ^２／ｇである。

なお、本実施形態に係る混和材の適用対象は、普通ポルトランドセメントに限られず、例えば、早強セメント、高炉セメント、フライアッシュセメント、耐硫酸塩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に対して適用してもよい。

＜モルタル組成物及びコンクリート組成物＞
本実施形態に係るモルタル組成物は、上記セメント組成物に細骨材及び水を混合したものである。すなわち、本実施形態に係るモルタル組成物は、普通ポルトランドセメントと、上記混和材と、細骨材と、水とを含み、普通ポルトランドセメント１００質量部に対して混和材の含有量が０．５～１０質量部であり且つ細骨材の含有量が１５０～３００質量部（より好ましくは、１５０～２５０質量部、更に好ましくは１８０～２５０質量部）であり、水セメント比が４０～６５質量％（より好ましくは４５～５５質量％）である。

本実施形態に係るコンクリート組成物は、上記セメント組成物に細骨材、粗骨材及び水を混合したものである。すなわち、本実施形態に係るコンクリート組成物は、普通ポルトランドセメントと、上記混和材と、細骨材と、粗骨材と、水とを含み、普通ポルトランドセメント１００質量部に対して混和材の含有量が０．５～１０質量部であり、細骨材の含有量が１５０～３００質量部（より好ましくは１８０～２５０質量部）であり且つ粗骨材の含有量が２００～４００質量部（より好ましくは２５０～３５０質量部）であり、水セメント比が４０～６５質量％（より好ましくは４５～５５質量％）である。

本実施形態に係るモルタル硬化物又はコンクリート硬化物の製造方法は、温度５０～７０℃、養生時間３～４時間の条件で上記モルタル組成物又は上記コンクリート組成物を蒸気養生する工程を含む。この製造方法によれば、３～４時間の養生で十分な強度を有する硬化物を得ることができ、型枠回転率を向上することができる。

実施例及び比較例を挙げて本発明の内容をより具体的に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

［１．使用材料］
評価試験に供するモルタル又はコンクリートを作製するため、表１及び表２に示す材料を準備した。表２に示した珪酸ナトリウムについて、化学成分の代表値を表３に示す。

試験に用いたモルタルの配合を表４に示し、試験に用いたコンクリートの配合を表５に示す。なお、表４に示すモルタル配合は、表５に示すコンクリート配合のスクリーニング配合に相当する。また、モルタル及びコンクリートは、２０℃の恒温室内で３０分前置き養生を行った後、昇温過程を設けず、６５℃に温度設定された槽内で３時間にわたって蒸気養生を行った。

[２．モルタルに珪酸ナトリウムを単独添加した場合の効果確認]
表４に示したモルタル配合によって、表２に示した珪酸ナトリウムをセメントに対し内割りで添加したモルタルの養生後の圧縮強度（以下、脱型強度）について評価を行った。その結果を表６に示す。脱型強度の評価の基準は以下のとおりとした。
○：脱型強度が１１Ｎ／ｍｍ^２以上となる
×：脱型強度が１１Ｎ／ｍｍ^２未満となる

その結果、Ｎо．６～８では、脱型強度が１１Ｎ／ｍｍ^２以上となることが分かった。表３の化学成分の代表値と共に考察すると、優れた脱型強度向上効果を得るためには、珪酸ナトリウムは水和物である必要があり、珪酸ナトリウム水和物中のＳｉＯ_２とＮａ_２Ｏの質量比（ＳｉＯ_２／Ｎａ_２Ｏ）が１以上３以下であり、且つ珪酸ナトリウム水和物１００質量部の強熱減量が５質量部以上５０質量部以下である必要があることが分かった。

※：セメント１００質量部に対する珪酸ナトリウムの添加量（質量部）

[３．モルタルに混和材配合材料を混合添加した場合の効果確認]
表４に示したモルタル配合によって、表２に示した材料を各種組み合わせた混和材をセメントに対し内割りで添加したモルタルの練上り直後の１５打フローと脱型強度を確認した。なお、目標とする１５打フローは、表５に示す目標スランプ（１２．０ｃｍ）との関係を予め把握し、同スランプが得られる範囲として設定した。また、脱型強度は、各例に係る混和材を使用して調製したモルタル組成物を内容積１９６．２５ｍＬの型枠内に流し込み、これを２０℃に設定された恒温室内で３０分にわたって前置き養生を行った後、昇温過程を設けず、６５℃の槽内で３時間にわたって蒸気養生した後に測定した。試験結果を表７に示す。

その結果、高性能減水剤をあまり増やさなくとも（高性能減水剤添加率が混和材無添加の１．４倍以下、すなわち０．４２％以下）、フレッシュ時の流動性を損なうことなく（１５打フローが混和材無添加の９５％以上、すなわち１８３ｍｍ以上）、脱型強度が１０Ｎ／ｍｍ^２以上となる水準はＮｏ．１６～２４であった。

※１：セメント１００質量部に対する混和材の添加量（質量部）
※２：セメントと混和材の合計質量（Ｂ）に対する添加率

[４．モルタルに混和材配合材料を混合添加した場合の流動性の経時変化への影響確認]
Ｎｏ．１８～２０の水準に対して、１５打フローの経時変化を測定し、１５打フロー残存率を算出した。その結果を表８に示す。

その結果、Ｎｏ．１８～２０は、混和材無添加のＮｏ．０と同等の１５打フロー残存率となり、フレッシュ時の流動性の経時変化に与える影響は小さいことが分かった。

※：各水準の練上り直後の１５打フローを１００％とした時の残存率。

[５．モルタルによる石膏種類の影響確認]
石膏、珪酸ナトリウム及び硫酸アルミニウムの３種類を含む混和材について、石膏を無水物と半水物とした場合の影響を確認するため、表４に示すモルタル配合で、脱型強度の比較を行った。試験結果を表９に示す。なお、高性能減水剤の添加率は、練混ぜ後の１５打フローが一定となるように調整した。

その結果、無水石膏については、特に銘柄の影響が認められず、流動性と脱型強度はほぼ同等であった。また、半水石膏はブレーン比表面積が９０００ｃｍ^２／ｇを超えるが、本検討の使用範囲では流動性に大きな影響は認められなかった。石膏種類の比較の結果によれば、その影響は大きくないと判断される。なお、石膏のブレーン比表面積は、小さすぎると未水和粒子が残存して遅れ膨脹が生じる可能性があるため、３０００ｃｍ^２／ｇ以上が好ましいと判断される。

[７．コンクリートに混和材配合材料を混合添加した場合の効果確認]
モルタル試験によって、石膏、珪酸ナトリウム及び硫酸アルミニウムを含む混和材を添加することによって、流動性の経時変化に与える影響が小さく優れた脱型強度向上効果を得ることができることが分かった。その効果をコンクリートで確認するため、表５に示したコンクリート配合によって、無水石膏、珪酸ナトリウム及び硫酸アルミニウムを含む混和材をセメントに対し内割りで添加したコンクリートの練上り直後のスランプと脱型強度を確認した。なお、脱型強度は、各例に係る混和材を使用して調製したコンクリート組成物を内容積１５７０ｍＬの型枠内に流し込み、これを２０℃に設定された恒温室内で３０分にわたって前置き養生を行った後、昇温過程を設けず、６５℃の槽内で３時間にわたって蒸気養生した後に測定した。試験結果を表１０に示す。評価の基準は以下のとおりとした。
○：高性能減水剤添加率０．７７％以下（混和材無添加の１．４倍以下）の時、スランプが１０ｃｍ以上（混和材無添加の７５％以上）となり且つ脱型強度が１０Ｎ／ｍｍ^２以上となる
△：高性能減水剤添加率０．７７％以下（混和材無添加の１．４倍以下）の時、スランプが１０ｃｍ以上（混和材無添加の７５％以上）となり且つ脱型強度が１０Ｎ／ｍｍ^２未満となる

その結果、無水石膏、珪酸ナトリウム及び硫酸アルミニウムを含む混和材をコンクリートに添加することによって、高性能減水剤をあまり増やさなくとも、フレッシュ時の流動性を損なうことなく、優れた脱型強度向上効果を得ることができることが分かった。

[８．コンクリートに混和材配合材料を混合添加した場合の流動性の経時変化への影響確認]
Ｎｏ．３１、３２及び３６の水準に対して、練上り後３０分のスランプの経時変化を測定した。その結果を表１１に示す。

その結果、Ｎｏ．３１、３２及び３６は、混和材無添加のＮｏ．２８と同等のスランプの経時変化となり、フレッシュ時の流動性の経時変化に与える影響は小さいことが分かった。

Claims

半水石膏及び無水石膏の少なくとも一方の石膏と、
珪酸ナトリウム水和物と、
硫酸アルミニウムと、
を含むモルタル・コンクリート用混和材であって、
前記珪酸ナトリウム水和物中のＳｉＯ_２とＮａ_２Ｏの質量比（ＳｉＯ_２／Ｎａ_２Ｏ）が１以上３以下であり、且つ前記珪酸ナトリウム水和物１００質量部の強熱減量が５質量部以上５０質量部以下である、モルタル・コンクリート用混和材。
前記珪酸ナトリウム水和物１００質量部中のＳｉＯ_２の含有量が、４５質量部以上６０質量部以下である、請求項１に記載のモルタル・コンクリート用混和材。
前記珪酸ナトリウム水和物１００質量部中のＮａ_２Ｏの含有量が、２２質量部以上２８質量部以下である、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。
前記半水石膏のブレーン比表面積が３０００～１５０００ｃｍ ^２／ｇであり、
前記無水石膏のブレーン比表面積が２０００～６０００ｃｍ ^２／ｇである、請求項１～３のいずれか一項に記載のモルタル・コンクリート用混和材。
前記硫酸アルミニウムが粉末状であるとともに、平均粒径が３０μｍ以下であり、且つ比表面積が１０ｍ^２／ｇ以下である、請求項１～４のいずれか一項に記載のモルタル・コンクリート用混和材。
当該モルタル・コンクリート用混和材の全質量を基準として、
前記石膏の含有率が６５質量％以上１００質量％未満であり、
前記珪酸ナトリウム水和物の含有率が０質量％超３０質量％以下であり、
前記硫酸アルミニウムの含有率が０質量％超３０質量％以下である、請求項１～５のいずれか一項に記載のモルタル・コンクリート用混和材。
普通ポルトランドセメントと、
請求項１～６のいずれか一項に記載のモルタル・コンクリート用混和材と、
を含み、
前記普通ポルトランドセメント１００質量部に対し、前記モルタル・コンクリート用混和材の含有量が０．５～１０質量部であるセメント組成物。
普通ポルトランドセメントと、
請求項１～６のいずれか一項に記載のモルタル・コンクリート用混和材と、
細骨材と、
水と、
を含み、
前記普通ポルトランドセメント１００質量部に対し、前記モルタル・コンクリート用混和材の含有量が０．５～１０質量部であり、前記細骨材の含有量が１５０～３００質量部であり、
水セメント比が４０～６５質量％である、モルタル組成物。
普通ポルトランドセメントと、
請求項１～６のいずれか一項に記載のモルタル・コンクリート用混和材と、
細骨材と、
粗骨材と、
水と、
を含み、
前記普通ポルトランドセメント１００質量部に対し、前記モルタル・コンクリート用混和材の含有量が０．５～１０質量部であり、前記細骨材の含有量が１５０～３００質量部であり、前記粗骨材の含有量が２００～４００質量部であり、
水セメント比が４０～６５質量％である、コンクリート組成物。
温度５０～７０℃、養生時間３～４時間の条件で請求項８に記載のモルタル組成物を蒸気養生する工程を含む、モルタル硬化物の製造方法。
温度５０～７０℃、養生時間３～４時間の条件で請求項９に記載のコンクリート組成物を蒸気養生する工程を含む、コンクリート硬化物の製造方法。