JP4987316B2 - 無収縮コンクリート用セメント組成物 - Google Patents

Description

本発明は、例えば耐震補強工法に用いられる充填コンクリート等、建築分野や土木分野で、無収縮性が要求されるコンクリートに好適に用いることができる無収縮コンクリート用セメント組成物に関する。

本発明者らは、高炉水砕スラグを用いたコンクリートにおいて、内部温度上昇や自己収縮によるひび割れの発生をできるだけ抑制したセメントやコンクリートの分野で使用される混和材及びセメント組成物をより経済的に提供するようにした発明として、特開２００５−２８１１２３（特許文献１）に係るものを提供した。

この発明では、特定の高炉水砕スラグ粗粉と無水石膏を組み合わせた混和材を用いることにより、コンクリート内部の過度の温度上昇や自己収縮によるひび割れを抑制することとしている。しかし、収縮をさらに低減した無収縮コンクリートを得ようとすると、上記のような混和材では多量に添加する必要があり、混和材を多量に添加することは、強度維持の観点から避けたいところであった。また、従来から無収縮コンクリートは種々知られているが、これらは温度ひび割れや自己収縮ひび割れにおいて必ずしも十分な性能を有するものではなかった。
特開２００５−２８１１２３

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、大型のコンクリート構造物や部材厚の厚いコンクリート部材で起こりやすいコンクリート内部の過度の温度上昇を低減し、かつ自己収縮も低減することによりこれらに起因するひび割れを低減し、強度発現性も良好かつ均一とすることができ、充填コンクリート等に適用可能な無収縮コンクリート用セメント組成物を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、無収縮コンクリート用セメント組成物であって、普通ポルトランドセメントと、ブレーン比表面積が１５００ｃｍ^２／ｇ以上かつ３６００ｃｍ２／ｇ以下で、９０μｍフルイ残分が１．０％以上かつ１０．０％以下、３００μｍフルイ残分が０．１％以下の高炉水砕スラグ粗粉と、ＣａＯ、ＣａＳＯ_４、アウインのうちの少なくとも２種以上の成分を含む膨張成分とからなり、前記高炉水砕スラグ粗粉と前記膨張成分との配合割合が前者１００重量部に対し後者３〜３５重量部であることを特徴とする。

なお、特許請求の範囲及び本明細書の記載中、フルイ残分について、特にことわりのない限り、「％」とあるのは、「重量％」である。

また、本発明に係る無収縮コンクリート用セメント組成物は、上記普通ポルトランドセメントと、上記水砕スラグ粗粉と、上記膨張成分との割合が、普通ポルトランドセメント２０〜６９％、高炉水砕スラグ粗粉２５〜６５％、膨張成分６〜１５％とすることが好適である。なお、特許請求の範囲及び本明細書の記載中、このような配合割合について、特にことわりのない限り、「％」とあるのは、「重量％」である。

本発明によれば、コンクリート内部の過度の温度上昇や自己収縮によるひび割れが抑制でき、かつ強度発現の良好な無収縮コンクリート用セメント組成物が提供される。したがって、大型のコンクリート構造物における充填コンクリート等、無収縮コンクリートの用途拡大が図れる。

また、本発明に係る無収縮コンクリート用セメント組成物は、粉末度の粗い高炉水砕スラグ粉を用いているので、高炉水砕スラグ粉の有効利用を図ることができると共に、有効利用に際してのエネルギーコストも安くてすむという利点を備えている。

以下に、本発明に係る無収縮コンクリート用セメント組成物について、その好適な実施の形態を参照しながらさらに詳細に説明する。

本発明に係る無収縮コンクリート用セメント組成物は、普通ポルトランドセメントと、ブレーン比表面積が１５００ｃｍ²／ｇ以上かつ３６００ｃｍ²／ｇ以下の高炉水砕スラグ粗粉と、膨張成分とからなる。すなわち、本発明に係る無収縮コンクリート用セメント組成物は、普通ポルトランドセメントに、所定の高炉水砕スラグ粗粉と、膨張成分とを組み合わせてなるものである。なお、本発明でいう無収縮とは、後述の自己収縮試験において、ひずみが材令２８日までに収縮側にならず膨張側にあることをいう。

ポルトランドセメントには、早強、普通、中庸熱、低熱、があるが、本発明では、最も好適なものとして普通ポルトランドセメントを用いる。中庸熱、低熱では、使用条件によっては十分な初期強度を得られなくなる場合があり、また、水和熱による蓄熱が大きくなったり、収縮し易くなったりして、目的とする無収縮コンクリート用セメント組成物が得られ難くなることが起こるからである。

高炉水砕スラグは、高炉から生成する溶融スラグに多量の圧力水を噴射することにより急冷した砂状のスラグである。本発明では、最も好適なものとして、ブレーン比表面積が１５００ｃｍ²／ｇ以上かつ３６００ｃｍ²／ｇ以下の高炉水砕スラグ粗粉を配合する。この範囲のブレーン比表面積をはずれたもの、すなわち、１５００ｃｍ²／ｇに満たない場合では、使用条件によっては強度発現が不十分となる可能性があり、３６００ｃｍ²／ｇを超える場合では、水和発熱量及び収縮が大きくなる可能性があるからである。ブレーン値を本発明の範囲にするには、例えば、高炉水砕スラグ粒子をチューブミル又はローラーミル等で粉砕し、セパレーター等で分級すればよい。

また、高炉水砕スラグ粗粉については、その粒度分布を９０μｍフルイ残分が１．０％以上かつ１０．０％以下、３００μｍフルイ残分が０．１％以下とすることがより好適である。９０μｍフルイ残分を１．０％以上かつ１０．０％以下とすることにより、本発明が目的とする諸性能が得られ易くなる。また、３００μｍフルイ残分が０．１％を超えると、所定の強度発現や流動性が得られ難くなったり、場合によってはポップアウトの発生等が起こり易くなる。高炉水砕スラグ粗粉をこの粒度分布の範囲にするには、例えば、高炉水砕スラグ粒子をチューブミル又はローラーミル等で粉砕し、上記所定範囲のブレーン比表面積にしたものを、さらにセパレーター等で分級し、調合すればよい。

高炉水砕スラグ粗粉は、コンクリート内部の過度の温度上昇や自己収縮を防ぎ、もっぱら長期強度の発現に寄与させるために配合する。このため、普通ポルトランドセメントに上記高炉水砕スラグ粗粉を混和した系では、打設条件によっては短期強度が十分確保されない場合が生じる。したがって、これらに組み合わされる膨張成分としては、本来の機能である膨張に寄与すると共に、短期強度の発現にも寄与するものが好適である。具体的には、水和反応により、水酸化カルシウム形成とエトリンガイト形成がなされるものである。

このようなことから、膨張成分としては、ＣａＯ、ＣａＳＯ₄、アウインのうちの少なくとも２種以上の成分を含むものであることが好適である。より具体的には、このような膨張成分を含む膨張材としては、ＣａＯ−ＣａＳＯ₄系膨張材及びＣａＯ−アウイン−ＣａＳＯ₄系膨張材等が好適である。このような膨張材では、ＣａＯが、水酸化カルシウムになる水和反応を利用して十分な膨張が得られ、アウインやＣａＳＯ₄がセメント成分と反応してエトリンガイトを形成することによっても膨張が得られる。また、ＣａＳＯ₄やアウインを含む系では、エトリンガイトの形成による短期強度の発現も期待できる。なお、ここでいうアウインとは、３ＣａＯ・３Ａｌ₂Ｏ₃・ＣａＳＯ₄の組成式で表される鉱物であり、ＣａＳＯ₄等の祖存在下で水和してエトリンガイト（３ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃・３ＣａＳＯ₄・３２Ｈ₂Ｏ）を形成するものである。

ＣａＯ−ＣａＳＯ₄系膨張材は、遊離石灰（一般的には生石灰）１０〜６０％に対し無水石膏４０〜９０％（膨張材全体を１００重量％とした重量％での割合）配合することが好適である。遊離石灰が１０％に満たないと膨張性能が悪くなるため十分な無収縮が実現できず、遊離石灰が６０％を超えると過剰な膨張となる可能性があり、膨張ひび割れ、ポップアウト現象、短期強度不足等の危険性が生じる。

ＣａＯ−アウイン−ＣａＳＯ₄系膨張材は、遊離石灰（一般的には生石灰）１０〜４０％とアウイン１０〜３０％と無水石膏３０〜８０％（膨張材全体を１００重量％とした重量％での割合）配合することが好適である。遊離石灰が１０％に満たないと膨張性能が悪くなるため十分な無収縮が実現されず、遊離石灰が４０％を超えると過剰な膨張となる可能性があり、膨張ひび割れ、ポップアウト現象、短期強度不足等の危険が生ずる。アウインと無水石膏が９０％を超えると遅れ膨張を引き起こし膨張ひび割れを生ずる場合があったり、長期強度発現が悪くなる。無水石膏の量が少ないと、急硬等により十分な作業性が確保できない場合が生ずる。

上記無水石膏としては、天然無水石膏、フッ酸無水石膏、天然２水石膏や副産２水石膏あるいは廃石膏ボードから回収した２水石膏を焼成して製造した無水石膏があるが、本発明では、無水石膏を９０％以上含有している石膏であれば、すべて使用できる。また、粉末度は特に限定しないが、ブレーン比表面積で３０００から８０００ｃｍ²／ｇ、好ましくは４０００から６０００ｃｍ²／ｇである。

上記膨張成分は、例えば生石灰と無水石膏、あるいは、生石灰とアウインと無水石膏とを所定の割合でＶ型混合機等の従来からある混合機で混合することによって得られる。また、ＣａＣＯ₃とＣａＳＯ₄とを原料とする焼成物、あるいはＣａＣＯ₃とＡｌ₂Ｏ₃とＣａＳＯ₄とを原料とする焼成物によっても得ることが可能である。さらに、これらの代わりに、例えば、市販されている太平洋マテリアル社製のニューエクスパン、電気化学工業社のＣＳＡを用いることも可能である。この場合は、後述のプレミックスセメント組成物を用いることが好ましい。

また、高炉水砕スラグ粗粉と膨張成分との配合割合は、前者１００重量部に対し後者３〜３５重量部とする。膨張成分が高炉水砕スラグ粗粉１００重量部に対し、３重量部に満たない場合では無収縮が実現されない場合があり、３５重量部を超えると過剰な膨張や遅れ膨張が生じる可能性がある。さらに好ましくは、前者１００重量部に対し、後者１０〜３１重量部である。この範囲であれば、これらの弊害がより生じ難い。膨張成分は、高炉水砕スラグ粗粉と組み合わせることにより、比較的少量で無収縮が実現できる。

また、普通ポルトランドセメント１００重量部に対する高炉水砕スラグ粗粉と、膨張成分の合計の配合割合は、３０〜３００重量部とすることが好適である。３０重量部に満たない場合はコンクリートの温度上昇や自己収縮によるひび割れを抑えかつ無収縮を実現できない場合がある。３００重量部を超えるとコンクリートの強度が不足する場合がある。さらに好ましくは、前者１００重量部に対し、後者１２８〜２０２重量部である。この範囲であれば、これらの弊害がより生じ難い。

以上のこと等を考慮し、本発明に係る無収縮コンクリート用セメント組成物では、普通ポルトランドセメントと、高炉水砕スラグ粗粉と、膨張成分との割合は、普通ポルトランドセメント２０〜６９％（より好ましくは、２７〜６４％）、高炉水砕スラグ粗粉２５〜６５％、膨張成分６〜１５％の範囲に設定することが好適である。各構成材料をこれらの範囲にすることによって、コンクリートの温度上昇や自己収縮によるひび割れ防止、良好な強度発現、無収縮をバランスよく達成できる。なお、本発明の効果を阻害しない範囲であれば、高炉水砕スラグ微粉、シリカフューム、フライアッシュ、石灰石粉等の通常、セメントやコンクリートに混和される成分を無収縮コンクリート用セメント組成物に混和することも可能である。

また、本発明に係る無収縮コンクリート用セメント組成物については、前述の通り、膨張成分として市販の膨張材を利用することができる。この場合、本発明の無収縮コンクリート用セメント組成物のうち市販の膨張材の成分（ＣａＯ、ＣａＳＯ₄、アウイン）を除いた成分を、該無収縮コンクリート用セメント組成物の一部を構成するプレミックスセメント組成物として調製することもできる。このようなプレミックスセメント組成物は、普通ポルトランドセメントと、前記ブレーン比表面積が１５００ｃｍ²／ｇ以上かつ３６００ｃｍ²／ｇ以下の高炉水砕スラグ粗粉と、前記無水石膏とからなるものとして調製することができる。これらの配合割合は、例えば、普通ポルトランドセメント３７％、ブレーン比表面積が１５００ｃｍ²／ｇ以上かつ３６００ｃｍ²／ｇ以下の高炉水砕スラグ粗粉５８％、無水石膏５％である。
なお、このプレミックスセメント組成物は、本発明の無収縮コンクリート用セメント組成物のうちの一部の膨張成分を除くものからなるので、用いられる高炉水砕スラグ粗粉の粒度分布は、前記同様、９０μｍフルイ残分が１．０％以上かつ１０．０％以下、３００μｍフルイ残分が０．１％以下であることが好ましい。
本発明の無収縮コンクリート用セメント組成物は、従来の高炉セメントと同様に使用できる。また、プレミックスセメント組成物も従来の高炉セメントと同様に使用できる。ただし、十分な無収縮性を得るためには市販の膨張材（ＣａＯ−ＣａＳＯ₄系、ＣａＯ−アウイン−ＣａＳＯ₄系）の併用が必須である。この場合、市販の膨張材の添加量は、プレミックスセメント組成物１００重量部に対し、２〜１７重量部であるのが好ましい。

以下に本発明に係る無収縮コンクリート用セメント組成物及び関連するプレミックスセメント組成物の実施例、比較例を記載する。
Ａ．無収縮コンクリート用セメント組成物に関する試験
１．使用材料
実施例、比較例に用いたセメント組成物及びコンクリートの使用材料と、対応する記号を表１に示す。

２．セメント組成物の配合割合
実施例及び比較例のコンクリート試験に用いた膨張成分の鉱物組成、セメント組成物の配合を、記号を使用してそれぞれ表２に記載した。表２中Ｎｏ．１からＮｏ．９として示したものが実施例１から９に相当し、Ｎｏ．１０からＮｏ．１２が比較例１から３に相当する。なお、表中の配合は、セメント組成物全体を１００％とした内割りで示している。

３．セメント組成物の製造
表１の材料を表２で示す割合で混合した。
４．コンクリートの配合割合
上記セメント組成物は、いずれも４２５ｋｇ／ｍ³である。また、該セメント組成物以外のコンクリートの配合は、いずれも水セメント組成物比４０％、粗骨材量９６０ｋｇ／ｍ³、ｓ／ａが４３．１％、単位水量１７０ｋｇ／ｍ³、ＡＥ減水剤がセメント組成物に対して０．４５％である。

５．圧縮強度試験
フレッシュコンクリートの性質とＪＩＳＡ１１０８による圧縮強度（標準水中養生）を測定し、その結果を表３に記載した。

上記の表３の結果から明らかなように、ブレーン比表面積が本発明の下限値である１５００ｃｍ²／ｇ未満の高炉水砕スラグ粗粉を用いたＮｏ．１２（比較例３）では強度発現性が悪かった。Ｎｏ．１２については強度発現性が悪くなっために他の試験は中止した。
本発明の範囲で、従来よりブレーン比表面積の小さい高炉水砕スラグ粗粉を用いたＮｏ．１〜Ｎｏ．９実施例のコンクリート強度は、本発明の範囲よりブレーン比表面積の大きい従来の高炉水砕スラグ粉を用いたＮｏ．１０（比較例１）と比較すると小さいが、材齢７日ではすでに実用に充分耐えうる強度を発現していた。

６．断熱温度上昇試験
コンクリートの断熱温度上昇試験は、下記の文献で示される方法を採用した。その結果をＴ＝Ｋ（１−ｅ^-α^t）の式に近似させたときのＫとαを表４に記載した。
ここに、Ｔ：断熱温度上昇量（℃）、Ｋ：終局断熱温度上昇量（℃）、ｔ：材令（日）、α：温度上昇速度の定数である。
文献：葛西康幸他、「簡易な断熱試験による高強度コンクリートの断熱温度上昇特性に関する検討」土木学会第５７回年次学術講演会、第５部門、ｐｐ．１１６７−１１６８，２００２

上記の表４の結果から明らかなように、本発明の範囲の上限値であるブレーン比表面積が３６００ｃｍ²／ｇを超える従来の高炉水砕スラグ粉を用いたＮｏ．１０（比較例１）は、ブレーン比表面積が２８７０ｃｍ²／ｇの本発明の範囲内にある高炉水砕スラグ粗粉を用いた同一添加量のＮｏ．２（実施例２）と比較して１０℃近く終局断熱温度上昇量（Ｋ値）は大きくなった。
このように、本発明の範囲であるブレーン比表面積の小さい高炉水砕スラグ粗粉と膨張成分からなるセメント組成物を用いたコンクリートの断熱温度上昇量は比較例と比べ概して低くなった。なお、Ｎｏ．７（実施例７）のＫ値が高いのはセメント量が多いことによる。

７．自己収縮試験
コンクリートの自己収縮試験は、ＪＣＩ自己収縮研究委員会の「セメントペースト、モルタルおよびコンクリートの自己収縮および自己膨張試験方法（案）」（ＪＣＩ−１９９６）により行った。その結果を、表５に記載した。

上記の表５の結果から明らかなように、膨張成分を含まないＮｏ．１１（比較例２）材令１日以降で収縮が増加したが、本発明のもの（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．９）はいずれも材令２８日でひずみが膨張側にあり、無収縮となった。ブレーン比表面積が３６００ｃｍ²／ｇを超える従来の高炉水砕スラグ粉と膨張成分を用いたＮｏ．１０（比較例１）は、材令２８日でひずみは膨張側にあるものの、高炉水砕スラグ粉以外は、このＮｏ．１０と同一の膨張成分及びセメントを各々同一の割合で使用したＮｏ．２（実施例２）よりも膨張量が小さい結果となった。また、膨張成分の量以外は同一で膨張成分の量だけがＮｏ．１０に比べ少ないＮｏ．１（実施例１）の膨張量はＮｏ．１０より大きい結果となった。これらのことからして、本発明の範囲であるブレーン比表面積の小さい高炉水砕スラグ粗粉と膨張成分を併用すれば、従来の高炉水砕スラグ粉と膨張成分を併用した場合、より少ない膨張成分の量で所定の膨張量が得られることがわかる。いいかえれば、所定の膨張量を得るために膨張成分の量を減らすことができる。なお、用いた実施例の試験体には、目視観察により、いずれも自己収縮や膨張によるひび割れが発生していないことを確認した。

以上の結果から、本発明に係る無収縮コンクリート用セメント組成物を用いることで、コンクリート内部の過度の温度上昇や自己収縮によるひび割れが発生し難く、強度発現の良好な無収縮のコンクリートを容易に製造できることがわかる。

Ｂ．プレミックスセメント組成物に関する試験
１．使用材料
実施例に用いたプレミックスセメント組成物及びコンクリートの使用材料と、対応する記号は、前記表１に示したものと同様である。
使用した市販のＣａＯ−ＣａＳＯ₄系膨張材、及びＣａＯ−アウイン−ＣａＳＯ₄系膨張材の配合は以下の通りである。なお、配合は、全体を１００％（重量）とし、その内割りで示している。

２．プレミックスセメント組成物
コンクリート試験に用いたプレミックスセメント組成物の配合を、表1に示す記号を使用してそれぞれ表７に記載した。なお、表中の配合は、プレミックスセメント組成物全体を１００％とした内割りで示している。

３．セメント組成物の製造
以上のプレミックスセメント組成物の各々に、市販のＣａＯ−ＣａＳＯ₄系膨張材、あるいはＣａＯ−アウイン−ＣａＳＯ₄系膨張材を各々混合し、セメント組成物を得た。
なお、前記プレミックスセメント組成物の製造は、前記Ａの項に示す無収縮コンクリート用セメント組成物に関する試験（以下、試験Ａという）におけるセメント組成物の製造と同様に行った。
得られた市販の膨張材を含むセメント組成物の配合を、前記表1に示す記号を使用してそれぞれ表８に記載した。なお、表中の配合は、セメント組成物全体を１００％とした内割りで示している。

５．圧縮強度試験
試験Ａと同様にして、フレッシュコンクリートの性質とＪＩＳＡ１１０８による圧縮強度（標準水中養生）を測定し、その結果を表９に記載した。

上記の表９の結果から明らかなように、Ｎｏ．1〜Ｎｏ．２に係る実施例のコンクリートの強度は、材齢７日ですでに実用に充分耐えうる強度を発現している。

６．断熱温度上昇試験
試験Ａと同様の断熱温度上昇試験を行った。その結果をＴ＝Ｋ（１−ｅ^-α^t）の式に近似させたときのＫとαを表１０に記載した。

上記の表１０の結果から明らかなように、Ｎｏ．１，２の実施例でも前記試験Ａにおける実施例と同様の結果となり、終局断熱温度上昇量は低くなった。
このように、セメント組成物としてプレミックスセメント組成物と市販の膨張材と併用した場合でも、本発明の範囲であるブレーン比表面積の小さい高炉水砕スラグ粗粉を用いることにより、前記無収縮コンクリート用セメント組成物と同様コンクリートの終局断熱温度上昇量を低くできることがわかった。

７．自己収縮試験
試験Ａと同様のコンクリートの自己収縮試験を行った。その結果を、表１１に記載した。

上記の表１１の結果から明らかなように、本発明の範囲であるブレーン比表面積の小さい高炉水砕スラグ粗粉と膨張成分を併用すれば、本発明に関連するプレミックスセメント組成物と市販の膨張材を併用して、本発明の無収縮コンクリート用セメント組成物を製造した場合でも、少ない膨張成分の量で無収縮コンクリートが得られることがわかる。また、前記同様、用いた試験体を目視観察し、自己収縮や膨張によるひび割れが生じないことを確認した。

以上の結果から、本発明に関連するプレミックスセメント組成物で本発明に係る無収縮コンクリート用セメント組成物の一部を構成するようにし、市販の膨張材を併用した場合でも、コンクリート内部の過度の温度上昇や自己収縮によるひび割れが発生し難く、強度発現の良好な無収縮のコンクリートを容易に製造できることがわかる。

Claims (3)

1. 普通ポルトランドセメントと、ブレーン比表面積が１５００ｃｍ^２／ｇ以上かつ３６００ｃｍ^２／ｇ以下で、９０μｍフルイ残分が１．０％以上かつ１０．０％以下、３００μｍフルイ残分が０．１％以下の高炉水砕スラグ粗粉と、ＣａＯ、ＣａＳＯ_４、アウインのうちの少なくとも２種以上の成分を含む膨張成分とからなり、前記高炉水砕スラグ粗粉と前記膨張成分との配合割合が前者１００重量部に対し後者３〜３５重量部であることを特徴とする無収縮コンクリート用セメント組成物。
2. 上記無収縮コンクリート用セメント組成物おいて、上記普通ポルトランドセメント１００重量部に対する上記高炉水砕スラグ粗粉と上記膨張成分の合計の配合割合が、３０〜３００重量部であることを特徴とする請求項１に記載の無収縮コンクリート用セメント組成物。
3. 上記普通ポルトランドセメントと、上記水砕スラグ粗粉と、上記膨張成分との割合が、普通ポルトランドセメント２０〜６９％、高炉水砕スラグ粗粉２５〜６５％、膨張成分６〜１５％であることを特徴とする請求項１に記載の無収縮コンクリート用セメント組成物。