(57)【要約】【課題】ＣＯ2排出量削減効果が非常に高く、かつ、建築物の構造材料として適用可能な強度（例えば２８日圧縮強度が１８Ｎ／ｍｍ2以上）を満たすことのできるセメント系材料を提供する。【解決手段】セメントおよび混和材を粉体成分として含有し、水粉体比Ｗ／Ｂが２０〜４６％であり、かつ前記粉体に占める混和材の質量割合（置換率）が８０〜９５％である、硬化後の未水和セメント成分の残存抑制性に優れた環境負荷低減モルタルまたはコンクリート混練物。前記混和材としては、高炉スラグ、フライアッシュの１種以上を成分に持つものが適用できる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セメントおよび混和材を粉体成分として含有し、水粉体比Ｗ／Ｂが２０〜４６％であり、かつ前記粉体に占める混和材の質量割合（置換率）が８０〜９５％である、硬化後の未水和セメント成分の残存抑制性に優れた環境負荷低減モルタルまたはコンクリート混練物。
【請求項２】
前記混和材が、高炉スラグ、フライアッシュの１種以上を成分に持つものである請求項１に記載の環境負荷低減モルタルまたはコンクリート混練物。
【請求項３】
単位セメント量（コンクリートの場合は粗骨材を除いたモルタル組成における単位セメント量）が５０〜１００ｋｇ／ｍ3である請求項１または２に記載の環境負荷低減モルタルまたはコンクリート混練物。
【請求項４】
請求項３に記載のコンクリート混練物において、材齢２８日圧縮強度が１８Ｎ／ｍｍ2以上となる骨材配合としたコンクリート混練物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＯ2排出量削減効果の高い環境負荷低減モルタルまたはコンクリート混練物に関する。
【背景技術】
【０００２】
２００８年４月の京都議定書の発効を境に、低炭素社会の構築に向けた動きが活発化している。建築分野においては、建物のライフサイクルのなかでＣＯ2排出量の多くを占める「建物の運用時」のＣＯ2削減に関する取り組みが主に行われてきた。一方で、建物の運用時以外の、「建築資材製造時」、「建築時」、「解体時」などにおいてもＣＯ2排出削減を推進させることが重要である。しかし、これらの段階でのＣＯ2削減への取り組みは緒についたばかりであり、単位資材量や施工量あたりのＣＯ2排出量の程度を評価するＣＯ2排出量原単位についてはまだ整備途上の状況にある。
【０００３】
建築物を構成する資材の中で、コンクリートは鉄と並んで重く、環境負荷が大きく、ＣＯ2排出量の大きい材料である。コンクリートを使用する構造物（ＲＣ造）の建築における一般的なＣＯ2排出量を求めた例として、普通ポルトランドセメントを使用した設計基準強度２４〜３６Ｎ／ｍｍ2の一般的なコンクリート１ｍ3あたりのＣＯ2排出量は３０９.７〜３５２.３ｋｇ-ＣＯ2／ｍ3になるという報告があり（非特許文献１）、その約９０％以上はセメントの排出量で占められる。これはセメントの原料となるセメントクリンカーの生産工程において、炉の燃焼エネルギーを得るために化石燃料を多量に使用することに加え、石灰石の脱炭酸（ＣａＣＯ3→ＣａＯ＋ＣＯ2）に伴い大量のＣＯ2が発生することに起因する。
【０００４】
したがって、セメント系材料（モルタルまたはコンクリート）においてＣＯ2削減効果を向上させるためには、セメント使用量の少ないセメント系材料を適用することが極めて有効である。例えば単位セメント量を１００ｋｇ／ｍ3以下に低減したコンクリートでは、コンクリート１ｍ3あたりのＣＯ2排出量を１００ｋｇ-ＣＯ2／ｍ3程度以下と、劇的に低減させることができる。しかしながら、そのような単位セメント量の少ないコンクリートにおいて、建築構造物に適用できる強度レベルが安定して得られるコンクリートを製造する技術は未だ確立されていない。
【０００５】
特許文献１〜３には、各種セメント、無水セッコウ及び産業副産物のシリカ質微粉末を用いた低環境負荷型コンクリートが開示されている。ただし、これらの文献に示されているコンクリートの炭素排出原単位は、最も低いもので３７.９１ｋｇＣ／ｍ3（特許文献３実験Ｎｏ.１５）に留まり、この場合ＣＯ2排出量は３７.９１×（ＣＯ2分子量４４／Ｃ原子量１２）＝１３９.０ｋｇ-ＣＯ2／ｍ3に相当する。上記の普通ポルトランドセメントのＣＯ2排出量と対比しても、更なる改善が望まれる。
【０００６】
特許文献４には、二酸化炭素排出が削減された混合セメントの製造法が開示されている。セメント混合物として、フライアッシュや、溶鉱炉スラグを用いることも記載されている。しかし、水結合材比は０.５程度であり、ＣＯ2排出量も明確にされていない。ＣＯ2排出量を効果的に低減する上で更なる改善の余地が残されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−３９７５７号公報
【特許文献２】特開２００１−３９７５９号公報
【特許文献３】特開２００１−３９７６２号公報
【特許文献４】特表２００６−５０５４７９号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】「建築物のＬＣＡツール  Ｖｅｒ.４.０５」、日本建築学会、２００５年１２月８日発行（２００６年１１月１日修正）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述のように、各種混和材を用いることによってＣＯ2排出量の少ないコンクリートを得ようとする試みが行われているが、そのＣＯ2排出量の削減効果は必ずしも満足できるものではなく、今後更なる改善が望まれている。
本発明はこのような現状に鑑み、ＣＯ2排出量削減効果が非常に高く、かつ、建築物の構造材料として適用可能な強度（例えば２８日圧縮強度が１８Ｎ／ｍｍ2以上）を満たすことのできるセメント系材料を提供しようというものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明では、セメントおよび混和材を粉体成分として含有し、水粉体比Ｗ／Ｂが２０〜４６％（好ましくは２０〜４６％未満）であり、かつ前記粉体に占める混和材の質量割合（置換率）が８０〜９５％である、硬化後の未水和セメント成分の残存抑制性に優れた環境負荷低減モルタルまたはコンクリート混練物を提供する。
【００１１】
前記混和材としては、高炉スラグ、フライアッシュの１種以上を成分に持つものが適用できる。ここで、「混和材」はセメント成分以外の粉体成分であり、例えばセメントとして高炉セメントを使用する場合には、高炉セメント中に配合される高炉スラグ成分は混和材に相当する。
【００１２】
また本発明では、上記のセメント系材料（モルタルまたはコンクリート）のうち、特に単位セメント量（コンクリートの場合は粗骨材を除いたモルタル組成における単位セメント量）が５０〜１００ｋｇ／ｍ3であるコンクリート混練物を提供する。なかでも、材齢２８日圧縮強度が１８Ｎ／ｍｍ2以上となる骨材配合としたコンクリート混練物が好適な対象となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、従来よりもＣＯ2排出量を大幅に低減したモルタルまたはコンクリートが提供された。この技術では、
（i）水粉体比Ｗ／Ｂ、
（ii）混和材によるセメントの置換率、
（iii）混和材中の高炉スラグ微粉末（ＢＦＳ）とフライアッシュ（ＦＡ）の混合比率、
などによって、セメント系材料の強度レベルを調整することが可能である。特に、コンクリート１ｍ3あたりのＣＯ2排出量が１００ｋｇ-ＣＯ2／ｍ3以下という非常に環境負荷の小さいコンクリートにおいて、材齢２８日圧縮強度１８Ｎ／ｍｍ2以上を十分に満足でき、種々の建築構造物に適用可能なコンクリートが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】水粉体比が５０％程度の普通コンクリートと、同２０％程度の高強度コンクリートを例に、セメント硬化組織を概念的に示した図。
【図２】材齢２８日における単位セメント量と圧縮強度の関係を表すグラフ。
【図３】Ｗ／Ｂ＝２５％における、混和材中のフライアッシュ（ＦＡ）混合比率ｘ（ＦＡ／（ＢＦＳ＋ＦＡ））と圧縮強度Ｆｃの関係を表すグラフ。
【図４】実施例２で得られたコンクリートのＢ／Ｗと材齢２８日圧縮強度の関係を表すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
これまでの知見によれば、高炉スラグは潜在水硬性を有し、ポルトランドセメントの刺激により次第に硬化すること、また、フライアッシュはポゾラン反応性を有し、セメント水和物である水酸化カルシウムと徐々に化合することにより長期強度の増加、水密性の向上に寄与することが判っている。混和材として高炉スラグやフライアッシュを配合したセメント系材料では、このような強度発現性が発揮されているものと考えられる。しかし発明者らの検討によれば、水セメント比が４５〜５５％程度の普通コンクリートにおいて、セメントの一部を上記のような混和材に置き替えたとしても、劇的なＣＯ2排出量削減には至らないことがわかった。
【００１６】
発明者らは更なる検討の結果、水セメント比が例えば４６％以下（あるいは４６％未満）と低い、いわゆる高強度モルタルまたはコンクリートの配合において、そのセメントの大部分を高炉スラグやフライアッシュなどの混和材に置き換えたとき、顕著なＣＯ2排出量削減効果が得られるとともに、モルタルまたはコンクリート硬化体の強度レベルを広範囲に調整することが可能になることを見出した。本発明はこのような新たな知見に基づくものである。
【００１７】
図１に、水粉体比が５０％程度の普通コンクリートと、同２０％程度の高強度コンクリートを例に、セメント硬化組織（硬化体中の骨材を除いた部分の組織）を概念的に例示する。混練物中に含まれるセメント粒子は、その全量が水和反応によって水和物となるわけではなく、セメント硬化体中には水和物の他に、未水和セメントの粒子が残存している。また、混和材の粒子も存在している。普通コンクリートと高強度コンクリートを比べると、硬化体中に残存する未水和セメント粒子の量は、高強度コンクリートの方が圧倒的に多い。このことは電子顕微鏡観察において確かめられている。高強度コンクリートの硬化体中に多量に残存する未水和セメント粒子は、混和材粒子とともに、水和物粒子の隙間を充填して力学的な噛み合いにより強度発現に寄与する作用（充填作用）を担っている。
【００１８】
水セメント比が低いモルタルまたはコンクリート混練物において、セメントの大部分を混和材に置換した配合としたとき、硬化過程でセメント粒子の大部分は水和物の形成に消費され、水和物どうしの隙間を埋める粒子の大部分が混和材粒子で占められるようになると考えられる。すなわち、このような混練物は、硬化後の未水和セメント成分の残存を抑制する性質（残存抑制性）に優れたものであり、混和材への置換によって単位セメント量が大幅に削減されるので、ＣＯ2排出量の削減効果は非常に大きいものとなる。混和材の種類により上記の充填作用の程度は一様ではないが、後述のように混和材の配合組成を操作することによって強度レベルの調整が可能である。
【００１９】
本発明では、セメントおよび混和材を粉体成分として含有し、水粉体比Ｗ／Ｂが２０〜４６％であるモルタルまたはコンクリート混練物を対象とする。水粉体比Ｗ／Ｂが４６％以下の場合に、セメントを混和材で置換することによる単位セメント量の削減効果が大きく、顕著なＣＯ2排出量削減効果を得る上で有利となる。また、配合調整によって、硬化体の強度レベルを広範に調整することが容易になる。ただし、水粉体比Ｗ／Ｂが２０％未満になると混練物の流動性が低下して施工が難しくなりやすい。水粉体比Ｗ／Ｂは２０〜４６％未満とすることがより好ましく、２０〜３５％が一層好ましい。
【００２０】
粉体に占める混和材の質量割合（置換率）は８０〜９５％とすることができる。置換率が少ないとＣＯ2排出量削減効果が小さくなり、置換率が大きくなりすぎると十分な硬化体強度が得られにくくなる。
【００２１】
混和材としては、例えば、高炉スラグ、フライアッシュの１種以上を成分に持つものが採用できる。混和材成分のうち、高炉スラグ、フライアッシュ以外の残部は不可避的不純物レベルとしてもよい。発明者らの検討によれば、硬化体の強度レベルを向上させるためには高炉スラグの配合が極めて有効である。具体的には、混和材中の高炉スラグ含有率を３０〜１００質量％とすることにより、建築構造物に適した種々の強度レベルに調整することが容易となる。
【００２２】
単位セメント量（コンクリートの場合は粗骨材を除いたモルタル組成における単位セメント量）は５０〜１００ｋｇ／ｍ3の範囲で調整することが好ましい。単位セメント量１００ｋｇ／ｍ3以下のモルタルまたはコンクリートは、従来の普通コンクリートと比べ、顕著なＣＯ2排出量削減効果をもたらすものである。一方、単位セメント量が５０ｋｇ／ｍ3未満になると、骨材を含めた配合調整によって、材齢２８日圧縮強度が１８Ｎ／ｍｍ2以上となるコンクリートを得るための条件設定が厳しくなる。ここで、圧縮強度はＪＩＳ Ａ１１０８に従う方法とし、養生方法は２０℃水中養生または２０℃封緘養生とし、載荷材齢は２８日とする。
【実施例１】
【００２３】
表１に示す材料を用いて、表２に示す配合のモルタル混練物を得た。供試体の採取が可能であり、かつ材料分離を起こさない性状が得られるように、混和剤（高性能ＡＥ減水剤）を適宜量添加した。練混ぜはモルタルミキサを用いて行い、練上り時の温度２０℃、練上り時の空気量３％を目標とした。得られたモルタル混練物を用いてφ５０ｍｍ×１００ｍｍのモルタル供試体を作製し、ＪＩＳ Ａ１１０８に従う上記の方法で材齢２８日の圧縮強度を測定した。
水粉体比Ｗ／Ｂ（％）は、Ｗ／（Ｗ＋Ｃ＋ＢＦＳ＋ＦＡ）×１００により算出される。置換率（％）は、（ＢＦＳ＋ＦＡ）／（Ｃ＋ＢＦＳ＋ＦＡ）×１００により算出される。
【００２４】
〔ＣＯ2排出量〕
表２中に、ＣＯ2排出量の計算値を示す。ＣＯ2排出量はコンクリート１ｍ3あたりに換算した場合の数値とし、比較として、水セメント比４５％の普通コンクリートのＣＯ2排出量を併せて示す。ＣＯ2排出量の算定に用いたＣＯ2排出量原単位は、表３に示す値を用いた。表３の値は、コンクリート構造物環境性能照査指針試案（２００５年土木学会）および非特許文献１より引用したものである。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
【表２】
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【００２７】
【表３】
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【００２８】
〔圧縮強度〕
図２に、材齢２８日における単位セメント量と圧縮強度の関係を示す。
図２からわかるように、混和材に高炉スラグ微粉末を単独で用いた場合、Ｗ／Ｂ＝２０％における圧縮強度は６６.７〜８７.９Ｎ／ｍｍ2であり、通常使用されるコンクリートとしては十分な強度発現が得られた。混和材にフライアッシュを単独で用いた場合、Ｗ／Ｂ＝２５％における圧縮強度は３.６〜１２.６Ｎ／ｍｍ2であり、通常使用されるコンクリートの強度を満たすことはできなかった。混和材に高炉スラグ微粉末とフライアッシュを１対１の質量比で用いた場合、Ｗ／Ｂ＝２５％における圧縮強度は４７.０〜６０.４Ｎ／ｍｍ2であり、通常使用されるコンクリートとしては支障のない強度発現が得られた。
【００２９】
〔混和材中のフライアッシュ混合比率ｘ〕
図３に、Ｗ／Ｂ＝２５％における、混和材中のフライアッシュ（ＦＡ）混合比率ｘ（ＦＡ／（ＢＦＳ＋ＦＡ））と圧縮強度Ｆｃの関係を示す。図３から、高炉スラグ微粉末とフライアッシュの混合比率により、圧縮強度の発現性をコントロールできることがわかる。Ｆｃをｘの関数として表した２次回帰曲線の式は以下のようになった。
・単位セメント量１００ｋｇ／ｍ3；
Ｆｃ＝−０.００４９ｘ2−０.２２５ｘ＋８３.７８  …［１］
・単位セメント量７５ｋｇ／ｍ3；
Ｆｃ＝−０.００５３ｘ2−０.１６７ｘ＋７６.６５  …［２］
・単位セメント量５０ｋｇ／ｍ3；
Ｆｃ＝−０.００６３ｘ2＋０.０７２ｘ＋５９.０８  …［３］
【００３０】
通常使用されるコンクリートの圧縮強度Ｆｃ≧１８を［１］〜［３］式に代入して、ｘの解を求めると、以下のとおりである。
・単位セメント量１００ｋｇ／ｍ3；  ｘ≦９５.２（％）  …［４］
・単位セメント量７５ｋｇ／ｍ3；  ｘ≦９０.６（％）  …［５］
・単位セメント量５０ｋｇ／ｍ3；  ｘ≦８６.７（％）  …［６］
【００３１】
できるだけ大きいＣＯ2排出量削減効果を得るためには、ＣＯ2排出量原単位の大きいセメントの単位量を低減し、かつ、混和材にＣＯ2排出量原単位の小さいフライアッシュを可能な限り使用することが有効である。そこで、上記［４］〜［６］式のｘの上限値について、ＣＯ2排出量の算定を行った。その結果を表４に示す。
【００３２】
【表４】
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【００３３】
表４からわかるように、ＣＯ2排出量は、［６］式上限を適用した場合において５８.５ｋｇ-ＣＯ2／ｍ3という、極めて低い値が得られた。
【実施例２】
【００３４】
表５に示す材料を用いて、表６に示す配合にて表７に示すコンクリート混練物を得た。供試体の採取が可能であり、かつ材料分離を起こさない性状が得られるように、混和剤（高性能ＡＥ減水剤）を適宜量添加した。練混ぜは室内実験用コンクリートミキサを用いて行い、練上り時の温度２０℃、Ｎｏ.１〜３は練上り時のスランプフロー５５ｃｍ、空気量１.５％を目標とし、Ｎｏ.４〜７は練上り時のスランプ１８ｃｍ、空気量４.５％を目標とした。得られたコンクリート混練物を用いてφ１００ｍｍ×２００ｍｍのコンクリート供試体を作製し、ＪＩＳ Ａ１１０８に従う上記の方法で材齢２８日の圧縮強度を測定した。
水粉体比Ｗ／Ｂ（％）は、Ｗ／（Ｃ＋ＢＦＳ＋ＦＡ）×１００により算出される。置換率（％）は、（ＢＦＳ＋ＦＡ）／（Ｃ＋ＢＦＳ＋ＦＡ）×１００により算出される。  
【００３５】
〔ＣＯ2排出量〕
表８に、ＣＯ2排出量の計算値を示す。ＣＯ2排出量はコンクリート１ｍ3あたりの数値を示す。ＣＯ2排出量の算定に用いたＣＯ2排出量原単位は、表３に示す値を用いた。
【００３６】
〔圧縮強度〕
表９に材齢２８日における圧縮強度を、図４に材齢２８日における粉体水比Ｂ／Ｗと圧縮強度の関係を示す。図４中、記号Ｂ０は混和材に高炉スラグ微粉末を単独で用いたＮｏ.１、４、６の例、記号ＢＦは混和材に高炉スラグ微粉末とフライアッシュを用いたＮｏ.３、５、７の例、記号Ｂ０Ｍは混和材に高炉スラグ微粉末を単独で用い、粗骨材の一部に人工軽量骨材を用いたＮｏ.２の例である。
【００３７】
【表５】
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【００３８】
【表６】
2010265166.tif 000008
【００３９】
【表７】
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【００４０】
【表８】
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【００４１】
【表９】
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【００４２】
図４からわかるように、混和材に高炉スラグ微粉末を単独で用いた例（Ｂ０、Ｂ０Ｍ）の圧縮強度は２５.４〜４７.２Ｎ／ｍｍ2であり、本発明で規定する水粉体比Ｗ／Ｂ（％）の範囲において通常使用されるコンクリートの強度発現が認められた。混和材に高炉スラグ微粉末とフライアッシュを１対１の質量比で用いた例（ＢＦ）においても圧縮強度２３.７〜３６.０Ｎ／ｍｍ2が得られており、本発明で規定する水粉体比Ｗ／Ｂ（％）の範囲において通常使用されるコンクリートとしては支障のない強度発現が認められた。
【００４３】
表８および表９からわかるように、通常使用されるコンクリートの強度発現の範囲において、高炉スラグ微粉末を単独で用いた場合のＷ／Ｂ＝４５％にて、ＣＯ2排出量は５３.１ｋｇ−ＣＯ2／ｍ3という極めて低い値が得られた。
【図４】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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