JPH11130508A - セメント系組成物およびその硬化体 - Google Patents
セメント系組成物およびその硬化体Info
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- JPH11130508A JPH11130508A JP29849897A JP29849897A JPH11130508A JP H11130508 A JPH11130508 A JP H11130508A JP 29849897 A JP29849897 A JP 29849897A JP 29849897 A JP29849897 A JP 29849897A JP H11130508 A JPH11130508 A JP H11130508A
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Abstract
いしその硬化体の提供 【解決手段】 セメント、ポゾラン質微粉末、石英質微
粉末、砂および金属繊維を主成分とし、ポゾラン質微粉
末の平均粒径が1.5μm未満、石英質微粉末の平均粒径
が1.5〜20μmであり、砂の平均粒径が0.1〜10m
mであって、好ましくは、フェノキシ基およびカルボニ
ル基を有する水溶性ビニル共重合体からなる混和剤を含
むことを特徴とするセメント系組成物とその硬化体。
Description
たセメント系組成物およびその硬化体に関し、特に高強
度および高靱性のセメント系組成物およびその硬化体に
関する。
μm)に粗骨材(5〜20mm)、細骨材(5mm以下)を配合したも
のであり、成分粒子の大きさが不均一な混合材料であ
る。このために粗骨材とモルタルの界面に圧縮応力が集
中し、この部分が破壊中心になりやすい。そこで、これ
を避けるために、粗骨材を用いずに直径約0.2mm、長
さ3〜20mm程度の金属繊維を配合し、ポゾラン反応性
の微粉末を用いると共に細骨材として通常約150〜4
00μm、最大約800μmの砂を用い、これを最大粒径
とした超高強度の金属繊維配合コンクリートが最近提案
されている(特表平09-500352号)。
ストの界面に集中するが、クラックサイズは細骨材の大
きさに比例するので、細骨材の粒径を小さくして高強度
化を図っている。しかし、骨材の粒径が小さ過ぎると逆
にクラックの伝播に対する抵抗が小さくなるので破壊し
やすくなり、また曲げ強度も低くなる。また、このコン
クリートに対しては通常のナフタリンスルホン酸系混和
剤は効果がなく、ポリカルボン酸系混和剤が用いられる
が、この種の混和剤であっても効果の違いが大きい。
金属繊維配合の高強度コンクリートは更に改善の余地が
ある。本発明は、金属繊維配合コンクリートについて、
このような材料の粒径による影響を検討し、従来提案さ
れているものとは異なる材料粒径の組み合わせ、および
その硬化体組織の特徴によりコンクリート硬化体の機械
的強度の向上を図り、また特定の反応基を有する分散剤
を併用することにより機械的強度を一層高めたものであ
り、かかるセメント系組成物およびその硬化体を提供す
ることを目的とする。
ント、ポゾラン質微粉末、石英質微粉末、砂および金属
繊維を主成分とし、ポゾラン質微粉末の平均粒径が1.
5μm未満、石英質微粉末の平均粒径が1.5〜20μm
であり、砂の平均粒径が0.1〜10mmであることを特
徴とするセメント系組成物に関するものである。
ン質微粉末がシリカフュームまたはフライアッシュであ
るセメント系組成物、(3)金属繊維が直径0.05〜0.
8mm、長さ1〜30mmのステンレス鋼繊維であるセメン
ト系組成物、(4)セメント100重量部に対して、ポゾ
ラン質微粉末が5〜40重量部、石英質微粉末が1〜8
0重量部、砂が50〜400重量部、金属繊維量が凝結
後のコンクリート体積の1〜5%であるセメント系組成
物を含む。
フェノキシ基およびカルボニル基を有する水溶性ビニル
共重合体からなる混和剤を含むセメント系組成物、(6)
(メタ)アクリル酸塩、メタリルスルホン酸塩、アリルエ
ーテル、(メタ)アクリル酸ポリアルキレングリコールエ
ステル、および(メタ)アクリル酸アルキルエステルを水
系ラジカル共重合して得た水溶性ビニル共重合体からな
る混和剤を有するセメント系組成物を含む。
かに記載のセメント系組成物を硬化してなり、水酸化カ
ルシウムの含有量が単位セメント当たり10%以下であ
ることを特徴とするセメント系硬化体に関する。本発明
の上記セメント系硬化体は、(8)空隙率が5%以下であ
るセメント系硬化体、(9)圧縮強度1500kgf/cm2以
上、曲げ強度150kgf/cm2以上であるセメント系硬化
体、(10)梁、スラブ部材、廃棄物処理容器、電磁波遮
蔽材、埋設型枠、プラスチック成形用ロール、水質浄化
用有孔パネル部材、機械装置用台座、橋梁部材、床材に
用いられるセメント系硬化体を含む。
例と共に具体的に説明する。(I)セメント系組成物 本発明のセメント系組成物は、セメント、ポゾラン質微
粉末、石英質微粉末、砂および金属繊維を主成分とし、
ポゾラン質微粉末の平均粒径が1.5μm未満、石英質微
粉末の平均粒径が1.5〜20μm、砂の平均粒径が0.
1〜10mmであることを特徴とする。
は限定されない。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、中庸
熱ポルトランドセメント、耐硫酸塩ポルトランドセメン
トなどを使用することができるが、高性能減水剤を吸着
しやすいアルミネート相の少ない中庸熱ポルトランドセ
メント、耐硫酸塩ポルトランドセメントが特に好まし
い。
はポゾラン反応に関与する微粉末であり、主にシリカフ
ュームまたはフライアッシュである。本発明の粒度範囲
に適するものであればスラグ、火山灰、シリカゾル、沈
降シリカなどを含む。このポゾラン質微粉末は平均粒径
が1.5μm未満のものが用いられる。一般にシリカフュ
ームの平均粒径は0.1μmであり、また、フライアッシ
ュはこれよりやや大きい粒径であるので本発明のポゾラ
ン質微粉末として好適である。なお、平均粒径が1.5
μmよりもかなり大きいとポゾラン反応に寄与し難くな
る。
のマイクロフィラー効果およびセメント分散効果により
コンクリートが緻密化し、圧縮強度が向上する。一方、
シリカフュームは超微粉末であるため単位水量を増大す
るので、この量はセメント100重量部に対して5〜4
0重量部が適当である。また、フライアッシュの量もセ
メントとのポゾラン反応の点からほぼ上記範囲とほぼ同
様の量が適当である。
晶質石英、オパール質やクリストバライト質のシリカ含
有粉末、あるいは岩石粉末、高炉スラグ、火山灰、分級
フライアッシュなどが含まれる。石英質微粉末は平均粒
径1.5〜20μmのものが用いられる。硬化体の充填密
度を高める観点からは平均粒径2〜10μmのものが特
に好ましい。
重量部に対して1〜80重量部が適当である。この重量
比の範囲のものは、水を加え混練してペーストにした際
に流動性が良く、硬化体が緻密な充填構造を形成しやす
い。
の砂が用いられる。砂の粒径は硬化体の強度に大きく影
響する。破壊時に発生するペーストのクラックの大きさ
は砂の粒径に比例し、粒径の小さいほうがクラックが小
さく破壊し難くなるが、これとは逆に、砂の粒子による
ブリッジング補強の効果は粒子径に比例するので、粒径
の大きいものほどクラックの拡大に対する抵抗が大き
く、クラックが開き難くなるので破壊し難くなる。この
観点からは砂の粒子は大きいほど良い。また、曲げ強度
の点からは、粒径がある程度大きく、かつ角張った砕石
などがぺーストとの噛み合わせが大きいので曲げ強度が
増進する。本発明は、これらの性質を勘案して、最近提
案されているものより、かなり粒径の大きな砂を用いて
いる。この結果、高強度でありかつ高靱性の硬化体が得
られる。
に対して、50〜400重量部、すなわち、砂/セメン
ト比0.5〜4の範囲が適当であり、0.5〜2の範囲が
好ましい。この配合量の範囲であれば、強度、とくに曲
げ強度を保持しつつ、経済的に有利なコンクリートを得
るのに好適である。砂/セメント比が0.5よりも小さ
いと、クラックに対する抵抗性が著しく低下するので好
ましくない。また、この値が4を上回ると経済的には有
利であるがペースト部分が少なくなり過ぎるので高強度
のコンクリートが得られない。
鋼材であるスデンレスが耐食性に優れているため好まし
い。なかでも、品質基準のうちSUS430やSUS304が特に好
ましい。金属繊維は直径0.05〜0.8mm、長さ1〜3
0mmのものが適当である。直径がこれより大きいと、同
一配合量での本数が少なくなる。マトリクス中の繊維
は、長さが一定のとき、靭性はマトリックス中の分散間
隔に支配されるので、本数が少ないと分散間隔が広がり
靭性が低下する。一方、直径が0.05mm未満では強度
が不足し張力を受けた際に切れやすくなる。また、繊維
による靭性はマトリックスとのグリップ力によるが、長
さが30mmを上回るとこの力が頭打ちになり、一方、長
さがlmm以下ではグリップ力が殆ど無くなるので靱性が
低下する。
体積の1〜5%が適当である。金属繊維の含有量は硬化
体の曲げ強度を増進する効果とペーストの流動性を良好
に維持する観点から定められる。一般に金属繊維の含有
量を高めると強度が向上するが、一方でこの含有量が増
すと混練に要する単位水量も増すので強度が低下するよ
うになる。上記含有量の範囲であれば、硬化体の曲げ強
度が向上し、かつペーストの流動性も良い。
シル基およびカルボニル基を有する水溶性ビニル共重合
体からなる混和剤を含むことができる。このような混和
剤を含むことにより、コンクリートがさらに緻密化し、
機械的強度を高めることができる。
は、(メタ)アクリル酸塩、メタリルスルホン酸塩、アリ
ルエーテル、(メタ)アクリル酸ポリアルキレングリコー
ルエステル、および(メタ)アクリル酸アルキルエステル
を水系ラジカル共重合して得たものが好ましい。具体的
な一例として、(メタ)アクリルカルボン酸アルカリ金属
塩CH2CRCOOMを45〜65モル%、(メタ)リルスルホン酸
アルカリ金属塩CH2CCH3CH2Xを8〜23モル%、ポリエチ
レングリコールモノメタアリルエーテルCH2CRCH2O(CH2C
H2O)mRを3〜25モル%、モノアルコキシポチエチレング
リコールとメタアクリル酸とのエステル化物CH2CRCOO(C
H2CH2O)mRを5〜25モル%、(メタ)アクリルカルボン酸
エステル化物CH2CRCOORを0〜15モル%の重合比率で水
系ラジカル共重合させたものであって以下の一般式によ
って表されるものが好ましい。
ることにより圧縮強度および曲げ強度、破壊エネルギー
の大きなコンクリート硬化体を得ることができる。この
混和剤はセメントに対して0.5〜4重量%(固形分換
算)の使用量が適当である。因みに、通常のナフタリン
スルホン酸系混和剤ではこのような機械的強度の向上効
果が得られない。
リト)硬化体は組織が緻密であり、しかも水酸化カルシ
ウムの含有量が単位セメント当たり10重量%以下、好
ましくは8%以下である。通常のコンクリート硬化体に
おける水酸化カルシウム量は、水/セメント比にもよる
が、単位セメント当たり概ね10〜15重量%であり、
これに対して本発明のコンクリート硬化体の水酸化カル
シウム量は大幅に少ない。
の副生物であり、コンクリート組織の空隙内に析出す
る。従って、この部分が破壊の起源になり易い。また、
水酸化カルシウムは他の組織よりも脆いので、空隙のな
い部分でも水酸化カルシウムが析出した部分は強度が小
さく、やはり破壊の起源になる。一方、通常のコンクリ
ートはかなりポーラスであるため、外部から炭酸ガスが
侵入して酸化され中性化するが、水酸化カルシウムはア
ルカリ性であるためこのようなコンクリートの中性化を
防ぎ、コンクリート中の鉄筋の酸化を防止する働きがあ
る。しかし、本発明のように、組織が緊密化したコンク
リートでは炭酸ガスの侵入が殆どないので、水酸化カル
シウムを含有させる必要性は乏しい。このため本発明の
コンクリート硬化体では水酸化カルシウム含有量を10
%以下、好ましくは8%以下に制御している。
質微粉末が水酸化カルシウムと反応(ポゾラン反応)し
てC−S−Η(CaO-SiO2-H2O)を生成する。これはセメ
ント材料の強度発現の基本となる結合であり、水酸化カ
ルシウムが生成した部分がこのC−S−Ηによって置き
換わるので空隙の少ない強度の大きな組織が形成され
る。
は緻密な組織を有し、空隙が殆どなく、電子顕微鏡によ
ってもポーラスな構造は観察されない。通常のコンクリ
ートでは、砂とマトリックスの間に空隙が観察される
が、本発明の硬化体ではこのような空隙は見られない。
石英質微粉末、砂および一部に残るシリカヒュームなど
の粒子とセメントマトリックスとの界面は互いに艮く反
応しており、これらの界面は通常の観察からでは判別で
きない。強度や空気透過性、水透過性に影響する空隙は
0.1μm以上の大きさのものであるが、本発明のセメン
ト硬化体ではこの範囲の空隙は多くとも5%である。因
みに、通常のモルタルではこの種の空隙が10%以上で
あり、これに対して本発明の硬化体は極めて緻密であ
る。
水比30%以下、好ましくは25%以下の配合量が適当
である。通常のコンクリートではセメント水比は40〜
60%が一般的であり、特殊な高強度コンクリートでは
35%程度である。本発明のセメント水比はこれよりも
少なく、30%以下、好ましくは25%以下である。本
発明では、材料の粒度を既に述べた範囲に調整している
ので、このような低いセメント水比でも高い流動性が得
られる。なお、さらに水比を下げるには、容器あるいは
型枠にコンクリートペーストを流し込んだ後、硬化前に
加圧して余剰水を滲み出させる。これにより更に組織を
緊密化して強度を高めることができる。
および曲げ強度が格段に大きい。例えば、具体的には、
圧縮強度1500kgf/cm2以上、曲げ強度150kgf/cm2
以上であり、好ましくは、圧縮強度2200kgf/cm2以
上、曲げ強度170kgf/cm2以上である。
は、優れた圧縮強度および曲げ強度を有するので、高強
度を要求される用途、例えば、構造物の梁部材やスラブ
部材などに最適である。梁部材では本発明のコンクリー
ト硬化体を直接使用しても良いが、この硬化体を鋼管で
拘束することにより更に強度を高めることがきる。具体
的には、例えば厚さ1〜5mm程度の梁部材形状の中空鋼
管を用意し、この中に本発明のセメント系組成物生コン
を注入し、硬化させることによって外周が鋼管で覆われ
た本発明のコンクリート硬化体が得られる。
が緻密であり空隙率が通常のコンクリートの数十分の一
と少ないため水密性が高く、空気透過性も低い。空気透
過係数は通常のコンクリートより2桁小さく、水透過性
は測定不可能なまで小さい。また高強度であるため、肉
薄に設計でき内容積が大きくなる。これらの特徴により
廃棄物処埋容器として好適である。廃棄物としては、固
体の管理型廃棄物や低レベル放射性廃棄物、PCBや六
価クロム等を含む有害元素含有液体、汚水処理槽等にも
利用できる。
があるため、液体・粉体輸送用パイプ、または液体貯蔵
槽などに適する。また高強度であるので、これまでのコ
ンクリート容器に比べ肉薄にできるため、埋設型枠など
の用途にも好適である。さらに壁材として用いた場合に
は、ステンレス繊維が混入しているため、電磁波遮蔽壁
としても利用可能である。また、耐摩耗性を生かした用
途としては、易成形性であることから各種耐摩耗治具な
どに適用できる。さらに、この他に、プラスチック成形
用ロール、水質浄化用有孔パネル部材、機械装置用台
座、橋梁部材、床材などの材料として好適である。な
お、本発明の硬化体の成型品を得る方法としては、プレ
キャストの他に、押し出し成形、鋳込み成形、射出成形
等の成形手段を利用することができる。
較例によって具体的に示す。実施例1 中庸熱ポルトランドセメント(秩父小野田社製)、シリカ
フュームまたはフライアッシュ、石英質微粉末(オパー
ル質微粉末)、砂(豊浦または小笠産)およびステンレス
繊維(φ0.3mm、長さ15mm)を表1に示す配合量に従って混
合し、これにポリカルボン酸系混和剤(秩父小野田社製)
をセメントに対して1.5%(固形分換算)添加し、水/
セメント比0.2で混練してコンクリート硬化体を得
た。この硬化体について、水酸化カルシウム含有量、空
隙率および60℃蒸気養生24時間の圧縮強度と曲げ強
度を表2に併せて示した。また、比較試料として、材料
の粒度を変えた他は同様にしてコンクリート硬化体を製
造した。この硬化体について水酸化カルシウム含有量、
空隙率および90℃蒸気養生24時間の圧縮強度と曲げ
強度を表2に併せて示した。表2に示すように、本発明
に係る硬化体は何れも空隙率が小さく緻密な組織構造を
有し、また水酸化カルシウム量が少ない。この結果、比
較試料に比べて圧縮強度と曲げ強度が大幅に高い。一
方、比較試料は空隙率および水酸化カルシウム量が大き
く、従って圧縮強度および曲げ強度が低い。
部、シリカフューム(平均粒径0.3μm)23重量部、石英
質微粉末(珪石砕砂粉末、平均粒径2μm)22重量部、砂
(小笠産、平均粒径1mm)100重量部およびステンレス
繊維(φ0.3mm、長さ15mm)16重量部に、ポリカルボン酸
系混和剤(秩父小野田社製)をセメント比1.5%(固形分
換算)添加し、これを水/セメント比0.2で混練してコ
ンクリート硬化体を得た。この硬化体について、80℃
の水中養生3日の圧縮強度と曲げ強度および破壊エネル
ギーを表3に示した(試料No.31)。なお、破壊エネルギ
ーは荷重・変位曲線からなる面積によって測定した値で
ある。また、上記混和剤はフェノキシ基およびカルボニ
ル基を有する水溶性ビニル共重合体からなる混和剤であ
る。一方、比較試料として、上記混和剤に代えて高性能
減水剤(花王社製マイテイ150)を用いた他は同様にしてコン
クリート硬化体を得た。この硬化体について、同上の養
生後の圧縮強度と曲げ強度および破壊エネルギーを表3
に併せて示した(試料No.32)。表3に示すように、比較
試料に対して本実施例の試料は減水効果が高く、圧縮強
度と共に曲げ強度、破壊エネルギーが格段に大きく、高
強度かつ高靱性であることが確認された。
部、シリカフューム(平均粒径 0.4μm)10重量部、石
英質微粉末(珪石砕石粉末、平均粒径2μm)17重量部、
砂(豊浦産、平均粒径0.3mm)22重量部およびステンレ
ス繊維(φ0.3mm、長さ15mm)8重量部に、ポリカルボン酸
系混和剤(秩父小野田社製)をセメント比1.5%(固形分
換算)添加し、これを水/セメント比0.2で混練してコ
ンクリートペースト(生コン)を調製した。この生コンを
内直径15cm、厚さ30cmの円筒形型枠に流し込み、9
0℃蒸気養生24時間後に脱型して、円筒形試験体Aを
製造した。また、上記円筒形型枠に代えて、内径が同径
の円筒型鋼管を用い、この鋼管に上記生コンを流し込
み、60℃蒸気養生24時間後に脱型して鋼管と一体の
円筒形試験体Bを製造した。一方、比較試料として、中
庸熱ポルトランドセメント(秩父小野田社)14重量部、
粗骨材(平均粒径 15mm)35重量部、砂(平均粒径 2mm)
51重量部に減水剤をセメント比0.5%(固形分換算)
添加し、これを水/セメント比0.52で混練したコン
クリートペーストを上記と同様の円筒形型枠に流し込ん
で同形の円筒形試験体Cを製造した。この試験体A、
B、Cの圧縮強度、曲げ強度、破壊エネルギーを表4に
示した。表4に示すように、本発明に係る試験体Aは比
較試験体Cに比べて、圧縮強度および曲げ強度が何れも
格段に大きく、従って破壊エネルギーも大きい。さらに
鋼管で拘束した試験体Bは圧縮強度および曲げ強度が大
幅に向上しており、破壊エネルギーが約1.5倍に増加
している。
量部、シリカフューム(平均粒径0.3μm)23重量部、石
英質微粉末(珪石砕砂粉末、平均粒径2μm)39重量部、
砂(小笠産、平均粒径1mm)50重量部およびステンレス
繊維(φ0.3mm、長さ15mm)19重量部に、ポリカルボン酸
系混和剤(秩父小野田社製)をセメント比1.5%(固形分
換算)添加し、これを水/セメント比0.18で混練して
コンクリート硬化体を得た。この硬化体の破断面の顕微
鏡写真を図1に示した。 一方、従来のモルタル(W/C=
0.65,S/C=2)の破断面の顕微鏡写真を図2に示した。図
示するように、本発明に係る硬化体は、生成した珪酸カ
ルシウム水和物の結晶相が大きく、しかもその間の空隙
が殆ど無く、緻密な充填構造を有している。一方、従来
のモルタルは、珪酸カルシウム水和物が小さく、しかも
空隙が随所に見られる。
るセメント系(コンクリート)硬化体を得ることができ、
この硬化体は曲げ強度および圧縮強度に優れた高強度・
高靱性であり、かつ気密性が高い硬化体であるので、梁
やスラブ部材などの構造材の他に廃棄物処理容器や輸送
用容器、あるいは遮蔽材、耐摩耗性材料などに広く利用
することができる。
Claims (10)
- 【請求項1】 セメント、ポゾラン質微粉末、石英質微
粉末、砂および金属繊維を主成分とし、ポゾラン質微粉
末の平均粒径が1.5μm未満、石英質微粉末の平均粒径
が1.5〜20μmであり、砂の平均粒径が0.1〜10m
mであることを特徴とするセメント系組成物。 - 【請求項2】 ポゾラン質微粉末がシリカフュームまた
はフライアッシュである請求項1に記載のセメント系組
成物。 - 【請求項3】 金属繊維が直径0.05〜0.8mm、長さ
1〜30mmのステンレス鋼繊維である請求項1または2
に記載のセメント系組成物。 - 【請求項4】 セメント100重量部に対して、ポゾラ
ン質微粉末が5〜40重量部、石英質微粉末が1〜80
重量部、砂が50〜400重量部、金属繊維量が凝結後
のコンクリート体積の1〜5%である請求項1〜3のい
ずれかに記載のセメント系組成物。 - 【請求項5】 フェノキシ基およびカルボニル基を有す
る水溶性ビニル共重合体からなる混和剤を含む請求項1
〜4のいずれかに記載のセメント系組成物。 - 【請求項6】 (メタ)アクリル酸塩、メタリルスルホン
酸塩、アリルエーテル、(メタ)アクリル酸ポリアルキレ
ングリコールエステル、および(メタ)アクリル酸アルキ
ルエステルを水系ラジカル共重合して得た水溶性ビニル
共重合体からなる混和剤を有する請求項5に記載のセメ
ント系組成物。 - 【請求項7】 請求項1〜6のいずれかに記載のセメン
ト系組成物を硬化してなり、水酸化カルシウムの含有量
が単位セメント当たり10%以下であることを特徴とす
るセメント系硬化体。 - 【請求項8】空隙率が5%以下である請求項7に記載の
セメント系硬化体。 - 【請求項9】 圧縮強度1500kgf/cm2以上、曲げ強
度150kgf/cm2以上である請求項7または8に記載の
セメント系硬化体。 - 【請求項10】梁、スラブ部材、廃棄物処理容器、電磁
波遮蔽材、埋設型枠、プラスチック成形用ロール、水質
浄化用有孔パネル部材、機械装置用台座、橋梁部材、床
材に用いられる請求項7、8または9に記載のセメント
系硬化体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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