JP2017014052A

JP2017014052A - コンクリート、コンクリート構造物及びコンクリートの製造方法

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Publication number: JP2017014052A
Application number: JP2015131579A
Authority: JP
Inventors: 啓三郎片野; Keisaburo Katano; 宣典竹田; Nobufumi Takeda
Original assignee: JOBAN KYODO KARYOKU KK; Obayashi Corp; Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: JOBAN KYODO KARYOKU KK; Obayashi Corp; Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2015-06-30
Filing date: 2015-06-30
Publication date: 2017-01-19
Anticipated expiration: 2035-06-30
Also published as: JP6576123B2

Abstract

【課題】石炭灰溶融スラグをコンクリート用細骨材の一部として使用しても、十分な品質を得ることができるコンクリート、コンクリート構造物及びコンクリートの製造方法を提供する。
【解決手段】セメント、細骨材及び混和材料を含有するコンクリートであって、細骨材として、石炭灰溶融スラグと、石炭灰溶融スラグよりも粗粒率が小さく且つ吸水率が大きい、細骨材中の体積比で５０％以上を占める普通骨材（陸砂）とが少なくとも使用され、混和材料の少なくとも一部として、増粘剤（増粘剤一液タイプの高性能ＡＥ減水剤（Ｖ）、石灰石微粉末（ＬＳ）、セルロース系増粘剤（Ｖ２）のいずれか）が使用されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、石炭灰溶融スラグ（ＩＧＣＣスラグ）を細骨材として用いたコンクリート、コンクリート構造物及びコンクリートの製造方法に関する。

近年、発電効率を向上するために新たに開発された石炭ガス化複合発電（ＩＧＣＣ：Integrated coal Gasification Combined Cycle）においては、発電システムの構成上，粒径５〜１０ｍｍ以下の石炭灰溶融スラグ（ＩＧＣＣスラグ）が副産される。石炭灰溶融スラグを有効活用するにあたり、コンクリート用細骨材としての利用が検討されている（例えば、非特許文献１、２参照）。

土木学会第６６回年次学術講演会（平成２３年度）、土木学会年次学術講演会講演概要集、６−１９７、Ｐ３９３〜３９４コンクリート工学年次論文集、Ｖｏｌ．３２、Ｎｏ．１、２０１０、Ｐ７７〜８２

しかしながら、石炭灰溶融スラグは、一般的に使用されているコンクリート用細骨材と比較して粗粒率が大きく吸水率が低い。従って、石炭灰溶融スラグをコンクリート用細骨材として使用すると、フレッシュコンクリートのワーカビリティーの低下や、ブリーディングの増加を引き起こし、十分な品質を得ることができなかった。
また、非特許文献２には、石炭灰溶融スラグを粒度調整することが記載されており、石炭灰溶融スラグをコンクリート用細骨材として使用するためには、煩雑な前処理が必要であった。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、上述の課題を解消し、石炭灰溶融スラグをコンクリート用細骨材の一部として使用しても、十分な品質を得ることができるコンクリート、コンクリート構造物及びコンクリートの製造方法を提供することにある。

本発明の請求項１に係るコンクリートは、セメント、細骨材及び混和材料を含有するコンクリートであって、前記細骨材として、石炭灰溶融スラグと、当該石炭灰溶融スラグよりも粗粒率が小さく且つ吸水率が大きい、前記細骨材中の体積比で５０％以上を占める普通骨材とが少なくとも使用され、前記混和材料の少なくとも一部として、増粘剤が使用されていることを特徴とする。
この発明によれば、石炭灰溶融スラグをコンクリート用細骨材の一部として使用しても、フレッシュコンクリートのワーカビリティーが低下することなく、ブリーディングも抑制することができ、十分な品質が得られる。さらに、石炭灰溶融スラグを、前処理することなく粒度無調整で使用することができ、コンクリートの製造工程を短縮することができる。
さらに、本発明の請求項２に係るコンクリートは、前記増粘剤は、増粘剤一液タイプの高性能ＡＥ減水剤あることを特徴とする。
この発明によれば、普通骨材を１００％使用した場合に比較して圧縮強度が同等以上になると共に、自己収縮及び乾燥収縮は小さくなり、ひび割れ抵抗性が大きくなる。
さらに、本発明の請求項３に係るコンクリートは、前記増粘剤は、石灰石微粉末であり、前記普通骨材として前記細骨材中の体積に置換されていることを特徴とする。
この発明によれば、普通骨材を１００％使用した場合に比較して圧縮強度が同等以上になると共に、自己収縮及び乾燥収縮は小さくなり、ひび割れ抵抗性が大きくなる。
さらに、本発明の請求項４に係るコンクリートは、前記増粘剤は、セルロース系増粘剤であることを特徴とする。
この発明によれば、普通骨材を１００％使用した場合に比較して圧縮強度が同等以上になると共に、自己収縮及び乾燥収縮は小さくなり、ひび割れ抵抗性が大きくなる。
また、本発明の請求項５に係るコンクリート構造物は、上述のコンクリートによって構築されたことを特徴とする。
この発明によれば、普通骨材を１００％使用した場合に比較して圧縮強度が同等以上で、且つ自己収縮及び乾燥収縮は小さく、ひび割れ抵抗性が大きいコンクリートによってコンクリート構造物を構築することができる。
また、本発明の請求項６に係るコンクリートの製造方法は、セメント、細骨材及び混和材料を含有するコンクリートの製造方法であって、石炭ガス化複合発電で副産される石炭灰溶融スラグを抽出する抽出工程と、前記細骨材として、前記抽出工程によって抽出した粒度無調整の前記石炭灰溶融スラグと、前記石炭灰溶融スラグよりも粗粒率が小さく且つ吸水率が大きい、前記細骨材中の体積比で５０％以上を占める普通骨材とを使用すると共に、前記混和材料の少なくとも一部として増粘剤を使用し、前記セメントと前記細骨材と前記混和材料とを混合する混合工程とを有することを特徴とする。
この発明によれば、石炭灰溶融スラグを、前処理することなく粒度無調整で使用することで、コンクリートの製造工程を短縮することができる。

本発明によれば、石炭灰溶融スラグをコンクリート用細骨材の一部として使用しても、フレッシュコンクリートのワーカビリティーが低下することなく、ブリーディングも抑制することができ、十分な品質が得られるという効果を奏する。さらに、本発明によれば、石炭灰溶融スラグを、前処理することなく粒度無調整で使用することができ、コンクリートの製造工程を短縮することができる。

本発明に係るコンクリートの実施の形態を含む複数の試験体の配合を説明する図である。図１に示す各試験体のフレッシュ性状を説明する図である。図１に示す各試験体に対する圧縮強度試験の試験結果を説明する図である。図１に示す各試験体に対する自己収縮試験の試験結果を説明する図である。図１に示す各試験体に対する乾燥収縮による長さ変化試験の試験結果を説明する図である。

次に、本発明を実施するための形態（以下、単に「実施の形態」という）を、図面を参照して具体的に説明する。

本実施の形態のコンクリートは、セメント、細骨材及び混和材料を含有するコンクリートであり、細骨材として石炭灰溶融スラグと普通骨材である陸砂とを少なくとも使用し、細骨材全体に対する陸砂の比率を、体積比で５０％以上に設定している。石炭灰溶融スラグは石炭ガス化複合発電で副産され、石炭ガス化複合発電から抽出した粒度無調整の石炭灰溶融スラグを細骨材として使用する。陸砂は、石炭灰溶融スラグよりも粗粒率が小さく且つ吸水率が大きい。なお、陸砂に代えて、同じく普通骨材である海砂、川砂、山砂、砕石、高炉スラグを細骨材として用いても良い。

また、本実施の形態のコンクリートは、混和材料の少なくとも一部として、セメントペーストに粘性を付与する増粘剤を使用する。そして、セメントと、細骨材（石炭灰溶融スラグ＋体積比で５０％以上の陸砂）と、混和材料（少なくとも一部に増粘剤）とを水と共に混合してコンクリートを製造する。増粘剤としては、増粘剤一液タイプの高性能ＡＥ減水剤や、石灰石微粉末や、セルロース系増粘剤を用いることができる。なお、石灰石微粉末を増粘剤として用いる場合には、石灰石微粉末の体積を普通骨材として陸砂の体積に置換することができる。

次に、図１に示す試験体Ｎｏ.１〜Ｎｏ.７とその配合について説明する。
試験体Ｎｏ.１は、普通骨材である陸砂（Ｓ１：千葉県木更津産）を細骨材として１００％使用したコンクリートであり、これをベースとし、細骨材を任意の割合で石炭灰溶融スラグ（Ｓ２）に置き換えた場合の性状を比較した。試験体Ｎｏ.５〜Ｎｏ.７が本実施の形態のコンクリートである。石炭灰溶融スラグ（Ｓ２）の物性は、表乾密度２．７２ｇ／ｃｍ^３、吸水率０．３７％、粗粒率３．６３、実績率５８．３％であった。また、陸砂（Ｓ１）の物性は、表乾密度２．６１ｇ／ｃｍ^３、吸水率１．９７％、粗粒率２．６４、実績率６８．８％であった。

試験体Ｎｏ.２では細骨材として石炭灰溶融スラグ（Ｓ２）を１００％使用した。試験体Ｎｏ.３、Ｎｏ.５〜Ｎｏ.７では、細骨材の配合割合を石炭灰溶融スラグ（Ｓ２）５０％：陸砂（Ｓ１）５０％とした。試験体Ｎｏ.４では、細骨材の配合割合を石炭灰溶融スラグ７０％：陸砂（Ｓ１）３０％とした。なお、石炭灰溶融スラグ（Ｓ２）は、石炭ガス化複合発電（ＩＧＣＣ：Integrated coal Gasification Combined Cycle）で副産される溶融スラグであり、加工時に水に急冷することで細かく砕かれる水破方式（水砕方式とも言う）によって生産された物を用いる。石炭ガス化発電施設では、石炭を１，６００℃の高温で燃焼するため、全ての結晶鉱物が溶融する。そのため、燃焼残渣は、冷やすだけで非晶質のスラグになり、粒径が整った、粒径が砂〜礫状のほぼ均等な粒子で構成された石炭灰溶融スラグ（Ｓ２）が得られる。この石炭灰溶融スラグ（Ｓ２）は、原料（燃料）が石炭のみであり、燃焼残渣に含まれる石灰の割合が低く、１，６００°Ｃの高温溶融の影響で物質としての安定性が高い。従って、石炭灰溶融スラグ（Ｓ２）は、水と接触して溶出する成分が極めて少なく、有害物質の溶出がほとんどない安全な物質である。

試験体Ｎｏ.１〜Ｎｏ.７において、水（Ｗ）は水道水、セメント（Ｃ）は普通ポルトランドセメント、粗骨材は砕石５〜２０ｍｍ（東京青梅産）をそれぞれ使用した。

ベースとした試験体Ｎｏ.１のコンクリートは水セメント比（Ｗ／Ｃ）０．５５、単位水量（Ｗ）１５８ｋｇとした。そして、練り上がり５分後で目標スランプ８ｃｍ、目標空気量４．５％±１．０％とし、目標スランプをできるだけ満足するように、試験体Ｎｏ.２〜Ｎ０．７のコンクリートは、細骨材率ｓ／ａ及び単位水量（Ｗ）を必要に応じて調整した

また、石炭灰溶融スラグ（Ｓ２）の吸水率が小さいことなどに起因する材料分離やブリーディングの増加を抑制する対策として、試験体Ｎｏ.４〜Ｎ０．７には、混和材料の一部として、セメントペーストに粘性を付与する増粘剤を使用した。試験体Ｎｏ.１〜Ｎ０．３では混和材料として、ＡＥ減水剤（ＷＲ）であるＢＡＳＦジャパン株式会社製「マスターポゾリスＮＯ．７０」）を使用した。試験体Ｎｏ.１〜Ｎ０．３において、ＡＥ減水剤（ＷＲ）の使用量はセメント（Ｃ）の１．００％とした。また、試験体Ｎｏ.４〜Ｎ０．５では混和材料として、増粘剤一液タイプの高性能ＡＥ減水剤（Ｖ）である花王株式会社製「マイティ３０００Ｖ」を使用した。試験体Ｎｏ.４〜Ｎ０．５において、高性能ＡＥ減水剤（Ｖ）の使用量はセメント（Ｃ）の０．７０％とした。さらに、試験体Ｎｏ.６では混和材料として、ＡＥ減水剤（ＷＲ）と共に、石灰石微粉末（ＬＳ）である太平洋セメント株式会社製「タンカル」を増粘剤として使用した。なお、石灰石微粉末（ＬＳ）は、セメント重量の１５％とし、普通骨材として陸砂（Ｓ１）の体積に置換した。試験体Ｎｏ.６において、ＡＥ減水剤（ＷＲ）の使用量はセメント（Ｃ）の０．２５％とし、石灰石微粉末（ＬＳ）の使用量はセメント（Ｃ）の１５.００％とした。さらに、試験体Ｎｏ７では混和材料として、高性能ＡＥ減水剤（ＳＰ）である竹本油脂株式会社製「ＨＰ−１１」とセルロース系増粘剤（Ｖ２）である信越化学工業株式会社製「ＳＦＣＡ２０００」とを使用した。試験体Ｎｏ.７において、高性能ＡＥ減水剤（ＳＰ）の使用量はセメント（Ｃ）の０．７０％とし、セルロース系増粘剤（Ｖ２）の使用量は２００ｇ／ｃｍ^３とした。

フレッシュ性状の試験項目は、スランプ（ＪＩＳＡ１１０１）、空気量（ＪＩＳＡ１１２８）及びブリーディング率（ＪＩＳＡ１１２３）とした。そして、フレッシュ性状を満足した試験体についてコンクリートの硬化性状を比較した。硬化性状の試験項目は、圧縮強度試験（ＪＩＳＡ１１３２、ＪＩＳＡ１１０８）、自己収縮試験（ＪＣＩ−ＳＡＳ２）及び乾燥収縮による長さ変化試験（ＪＩＳＡ１１２９−３）とした。

フレッシュコンクリートの試験結果を図２に示す。
細骨材として石炭灰溶融スラグを１００％使用した試験体Ｎｏ.２は、細骨材率ｓ／ａ及び単位水量（Ｗ）を増加してもコンシステンシーが失われ、スランプは崩れて計測不能となった。スランプコーンを抜いてまもなくコンクリートが崩れたため、一般のコンクリートとして使用できないと考えられる。また、細骨材として石炭灰溶融スラグ（Ｓ２）と陸砂（Ｓ１）とを５０：５０で混合した試験体Ｎｏ.３は、単位水量をベースより７ｋｇ／ｍ^３大きい１６５ｋｇ／ｍ^３としたものの、スランプは同等で良好なコンシステンシーが得られた。細骨材として石炭灰溶融スラグ（Ｓ２）と陸砂（Ｓ１）とを７０：３０で混合した試験体Ｎｏ.４は、材料分離抵抗性を付与するために増粘剤一液タイプの高性能ＡＥ減水剤（Ｖ）を添加したにもかかわらず、スランプで一部が崩れ、コンシステンシーが失われた。以上より、ベースである試験体Ｎｏ.１と遜色ないコンシステンシーを得るためには、普通骨材である陸砂（Ｓ１）の使用量を細骨材全体の50％以上とし、石炭灰溶融スラグ（Ｓ２）の使用量を細骨材全体の５０％以下と必要があることが明らかになった。すなわち、石炭灰溶融スラグ（Ｓ２）を細骨材の一部として使用する場合、５０％以上の普通骨材と混合することで、良好なコンシステンシーが得られる。

試験体Ｎｏ.３では、ブリーディング率が７．５％と著しく大きくなった。これに対し、同じ細骨材が配合割合である試験体Ｎｏ.５〜Ｎｏ.７（本実施の形態のコンクリート）では、ブリーディング率はベースである試験体Ｎｏ.１と同等以下となった。試験体Ｎｏ.５には増粘剤一液タイプの高性能ＡＥ減水剤が、試験体Ｎｏ.６には石灰石微粉末が、試験体Ｎｏ.７にはセルロース系増粘剤がそれぞれ増粘剤として使用されていることで、ブリーディングが抑制されたと考えられる。従って、石炭灰溶融スラグ（Ｓ２）を細骨材として使用する場合、混和材料の少なくとも一部として増粘剤を使用し、セメントペーストに粘性を付与することが有効であることが示された。すなわち、石炭灰溶融スラグ（Ｓ２）を細骨材の一部として使用する場合、増粘剤一液タイプの高性能ＡＥ減水剤、石灰石微粉末又はセルロース系増粘剤を増粘剤として使用することで、ブリーディング量は普通コンクリートと同等以下となる。

次に、フレッシュ性状を満足した試験体Ｎｏ.１、Ｎｏ.３、Ｎｏ.５〜Ｎｏ.７について硬化性状の試験を行った。圧縮強度試験の試験結果を図３に、自己収縮試験の試験結果を図４に、乾燥収縮による長さ変化試験の試験結果を図５にそれぞれ示す。
石炭灰溶融スラグ（Ｓ２）を細骨材として使用した試験体Ｎｏ.３、Ｎｏ.５〜Ｎｏ.７のいずれでも、ベースである試験体Ｎｏ.１と比較して圧縮強度が同等か高く、自己収縮および乾燥収縮は同等以下となった。以上より、細骨材の一部に石炭灰溶融スラグ（Ｓ２）を配合したコンクリートは、強度性状及び収縮性状において普通骨材を１００％使用したコンクリートに比べて遜色ないことが示された。すなわち、石炭灰溶融スラグ（Ｓ２）を細骨材の一部として使用する場合、圧縮強度は普通コンクリートと同等かそれ以上となり、自己収縮および乾燥収縮は小さくなる傾向にあるので、ひび割れ抵抗性が大きくなる。

以上説明したように、本実施の形態は、セメント、細骨材及び混和材料を含有するコンクリートであって、細骨材として、石炭灰溶融スラグ（Ｓ２）と、石炭灰溶融スラグ（Ｓ２）よりも粗粒率が小さく且つ吸水率が大きい、細骨材中の体積比で５０％以上を占める普通骨材（陸砂）とが少なくとも使用され、混和材料の少なくとも一部として、増粘剤（増粘剤一液タイプの高性能ＡＥ減水剤（Ｖ）、石灰石微粉末（ＬＳ）、セルロース系増粘剤（Ｖ２）のいずれか）が使用されている。
この構成により、石炭灰溶融スラグ（Ｓ２）をコンクリート用細骨材の一部として使用しても、フレッシュコンクリートのワーカビリティーが低下することなく、ブリーディングも抑制することができ、十分な品質が得られる。さらに、石炭灰溶融スラグを、前処理することなく粒度無調整で使用することができ、コンクリートの製造工程を短縮することができる。また、混和材料の少なくとも一部として、増粘剤（増粘剤一液タイプの高性能ＡＥ減水剤（Ｖ）、石灰石微粉末（ＬＳ）、セルロース系増粘剤（Ｖ２）のいずれか）を使用することで、普通骨材を１００％使用した場合に比較して圧縮強度が同等以上になると共に、自己収縮及び乾燥収縮は小さくなり、ひび割れ抵抗性が大きくなる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素の組み合わせ等にいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

Claims

セメント、細骨材及び混和材料を含有するコンクリートであって、
前記細骨材として、石炭灰溶融スラグと、当該石炭灰溶融スラグよりも粗粒率が小さく且つ吸水率が大きい、前記細骨材中の体積比で５０％以上を占める普通骨材とが少なくとも使用され、
前記混和材料の少なくとも一部として、増粘剤が使用されていることを特徴とするコンクリート。
前記増粘剤は、増粘剤一液タイプの高性能ＡＥ減水剤であることを特徴とする請求項１記載のコンクリート。
前記増粘剤は、石灰石微粉末であり、前記普通骨材として前記細骨材中の体積に置換されていることを特徴とする請求項１記載のコンクリート。
前記増粘剤は、セルロース系増粘剤であることを特徴とする請求項１記載のコンクリート。
請求項１乃至４のいずれかに記載のコンクリートによって構築されたことを特徴とするコンクリート構造物。
セメント、細骨材及び混和材料を含有するコンクリートの製造方法であって、
石炭ガス化複合発電で副産される石炭灰溶融スラグを抽出する抽出工程と、
前記細骨材として、前記抽出工程によって抽出した粒度無調整の前記石炭灰溶融スラグと、前記石炭灰溶融スラグよりも粗粒率が小さく且つ吸水率が大きい、前記細骨材中の体積比で５０％以上を占める普通骨材とを使用すると共に、前記混和材料の少なくとも一部として増粘剤を使用し、前記セメントと前記細骨材と前記混和材料とを混合する混合工程とを有することを特徴とするコンクリートの製造方法。