(57)【要約】【課題】適度な保水性と強度とを併せ持つとともに、石炭灰を有効活用できるモルタルまたはコンクリート組成物およびその成形体を提供すること。【解決手段】セメントと、１０質量％以上の配合割合のフライアッシュと、植物繊維とを含み、圧縮強度が１０Ｎ／ｍｍ２以上、曲げ強度が４．０Ｎ／ｍｍ２以上、かつ保水量が０．１６ｇ／ｃｍ３以上であるモルタルまたはコンクリート組成物。好ましくは、前記フライアッシュの配合割合が４０質量％以上である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セメントと、１０質量％以上の配合割合のフライアッシュと、植物繊維とを含み、
圧縮強度が１０Ｎ／ｍｍ２以上、曲げ強度が４．０Ｎ／ｍｍ２以上、かつ保水量が０．１６ｇ／ｃｍ３以上であることを特徴とするモルタルまたはコンクリート組成物。
【請求項２】
前記フライアッシュの配合割合が４０質量％以上であることを特徴とする請求項１に記載のモルタルまたはコンクリート組成物。
【請求項３】
前記植物繊維の配合割合は０．２質量％以上であることを特徴とする請求項１または２に記載のモルタルまたはコンクリート組成物。
【請求項４】
前記植物繊維は木質繊維であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のモルタルまたはコンクリート組成物。
【請求項５】
前記木質繊維の一部がナノファイバー化されていることを特徴とする請求項４に記載のモルタルまたはコンクリート組成物。
【請求項６】
さらにクリンカアッシュを含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のモルタルまたはコンクリート組成物。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一つに記載のモルタルまたはコンクリート組成物を成形してなることを特徴とするモルタルまたはコンクリート成形体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モルタルまたはコンクリート組成物およびこれを成形してなる成形体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題の一つとして都市部で問題となっているヒートアイランド現象を抑制する方法として、建造物を構成するモルタルまたはコンクリート組成物や構造物に保水性を持たせる技術が開示されている（特許文献１、２参照）。このような保水性を持った組成物や構造物は屋上高温化防止用にも使用される。
【０００３】
一方、石炭火力発電所等において、石炭を燃焼させた結果発生するフライアッシュやクリンカアッシュ等の石炭灰は、産業廃棄物として埋め立てられるものもあり、環境負荷低減の観点から、資源としての有効利用拡大が望まれる。このような観点から、近年では、石炭灰はセメントに混合してモルタルまたはコンクリート組成物としてリサイクルされる場合がある。たとえば、セメントにフライアッシュを混合することで、ポゾラン反応によって強度が増進するため、その成形体を利用して耐久性の高い構造物を実現できるという利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−１６３０９２号公報
【特許文献２】特開２０１２−１２７６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、さまざまな構造物に保水性を持たせるために、適度な保水性と強度とを併せ持つモルタルまたはコンクリート組成物が求められている。また、環境負荷の軽減の観点から、そのような組成物は、大量に発生する石炭灰を有効活用できるものであることが好ましい。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、適度な保水性と強度とを併せ持つとともに、石炭灰を有効活用できるモルタルまたはコンクリート組成物およびこれを成形した成形体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るモルタルまたはコンクリート組成物は、セメントと、１０質量％以上の配合割合のフライアッシュと、植物繊維とを含み、圧縮強度が１０Ｎ／ｍｍ２以上、曲げ強度が４．０Ｎ／ｍｍ２以上、かつ保水量が０．１６ｇ／ｃｍ３以上であることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係るモルタルまたはコンクリート組成物は、上記発明において、前記フライアッシュの配合割合が４０質量％以上であることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係るモルタルまたはコンクリート組成物は、上記発明において、前記植物繊維の配合割合は０．２質量％以上であることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係るモルタルまたはコンクリート組成物は、上記発明において、前記植物繊維は木質繊維であることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係るモルタルまたはコンクリート組成物は、上記発明において、前記木質繊維の一部がナノファイバー化されていることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係るモルタルまたはコンクリート組成物は、上記発明において、さらにクリンカアッシュを含むことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係るモルタルまたはコンクリート成形体は、上記発明のモルタルまたはコンクリート組成物を成形してなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、適度な保水性と強度とを併せ持つとともに、石炭灰を有効活用できるモルタルまたはコンクリート組成物およびその成形体を実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、実施例または比較例として作製したモルタル成形体の配合および配合割合を示す図である。
【図２】図２は、図１に示したモルタル成形体の強度および保水量を示す図である。
【図３】図３は、図２に示した強度および保水量のグラフを示す図である。
【図４】図４は、凍結融解試験の結果を示す図である。
【図５】図５は、図４に示したサイクル数に対する質量変化率のグラフを示す図である。
【図６】図６は、試料Ｎｏ．２のモルタル成形体の１００サイクル後の状態の写真を示す図である。
【図７】図７は、推定されるスケーリングの差異の原因を説明する模式図である。
【図８】図８は、試料Ｎｏ．６のモルタル成形体の表面の顕微鏡写真を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、図面を参照して本発明に係るモルタルまたはコンクリート組成物およびその成形体の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１７】
本発明の実施の形態に係るモルタルまたはコンクリート組成物は、セメントと、１０質量％以上の配合割合のフライアッシュと、植物繊維とを含み、圧縮強度が１０Ｎ／ｍｍ２以上、曲げ強度が４．０Ｎ／ｍｍ２以上、かつ保水量が０．１６ｇ／ｃｍ３以上である。
【００１８】
本実施の形態に係るモルタルまたはコンクリート組成物は、上記組成を有することによって、以下に示し様々な効果を奏する。まず、フライアッシュの主成分であるシリカおよびアルミナが、セメントと混合することによって、セメントの水和の際に生成される水酸化カルシウムとポゾラン反応し、強度が増進するため、耐久性が高くなる。なお、ポゾラン反応に寄与しないフライアッシュは組成物中で砂の代替物として作用するが、砂よりも軽量であるため組成物の軽量化に寄与する。なお、植物繊維も軽量であり、組成物の軽量化に寄与する。
【００１９】
さらに、フライアッシュの空隙および植物繊維の保水性によって、モルタルまたはコンクリート組成物の保水性が高まる。また、空隙が多いフライアッシュ、および植物繊維によって、組成物の熱伝導率が低くなるため、断熱性が高まる。この高い保水性および断熱性を利用して、屋上高温防止パネルなどへの適用も期待される。
【００２０】
また、植物繊維は、モルタルまたはコンクリート組成物に含まれる水分の凍結時の膨張圧を吸収するとともに、軽量なフライアッシュと、比重が大きいセメントとの分離を抑制する効果がある。植物繊維の配合割合は、０．２質量％以上が好ましく、０．５質量％以上がさらに好ましい。植物繊維としては、竹、藁、または麻等のパルプ繊維や、針葉樹や広葉樹等の木質のパルプ繊維を使用できる。特に、木質繊維であれば、製紙に使用されるパルプ繊維が安価かつ安定して入手できるので好ましい。
【００２１】
また、フライアッシュを使用することによって、産業廃棄物とされていた石炭灰を有効活用でき、環境への負荷を軽減できる。なお、フライアッシュの配合割合を高くすればするほど、リサイクル性が高く、環境負荷を軽減できるとともに、原料費の抑制にもつながり、結果として低コストのモルタルまたはコンクリート組成物となる。フライアッシュの配合割合としては、１０質量％以上であれば特に限定されないが、たとえば４０質量％以上と高くできる。
【００２２】
また、本実施の形態に係るモルタルまたはコンクリート組成物は、圧縮強度が１０Ｎ／ｍｍ２以上、曲げ強度が４．０Ｎ／ｍｍ２以上、かつ保水量が０．１６ｇ／ｃｍ３以上であるため、適度な保水性と強度とを併せ持つ。これによって、保水性を有するさまざまな構造物に適用することができる。また、上記のように軽量化されているため、たとえば成形して屋上緑化のための保水パネルとした場合にも、軽量であり使用や管理がしやすいものである。また、より高い強度が要求される歩道用の保水ブロックにも適用可能である。なお、本実施の形態に係るモルタルまたはコンクリート組成物において、圧縮強度を１５Ｎ／ｍｍ２以上、曲げ強度を５．０Ｎ／ｍｍ２以上として、さらに高い強度を実現してもよいし、保水量を０．１８ｇ／ｃｍ３以上として、さらに高い保水性を実現してもよい。
【００２３】
また、本実施の形態に係るコンクリート組成物は、さらに石炭灰であるクリンカアッシュを含めてもよい。クリンカアッシュを含めることによって、さらに石炭灰を有効活用できるとともに、クリンカアッシュの多孔質性により、保水性の向上、軽量化、低熱伝導化（高断熱化）を実現できる。さらには、クリンカアッシュは軽量な砂の代替物としても作用する。
【００２４】
また、本実施の形態に係るモルタルまたはコンクリート組成物は、たとえば細骨材としての砂を配合してもよいし、粗骨材としての石や砂利を配合してコンクリート組成物としてもよい。本実施の形態に係るモルタルまたはコンクリート組成物では、フライアッシュを砂の代替物として使用できるので、これらの骨材の配合量を削減することができ、軽量化が実現される。
【００２５】
つぎに、本発明の実施例および比較例として作製したモルタル成形体の組成およびその特性について説明する。図１は、実施例または比較例として作製したモルタル成形体の配合および配合割合を示す図である。なお、配合については単位量（Ｋｇ／ｍ３）で示している。
【００２６】
図１において、「Ｗ」は水、「Ｃ」はセメント、「ＦＡ」はフライアッシュ、「ＣＡ」はクリンカアッシュ、「ＳＰ」は混和剤としての減水剤、「Ｆ１」は木質繊維、「Ｆ２」は合成繊維を示している。水としては地下水を用いた。セメントとしては太平洋セメント社の普通ポルトランドセメント（密度：３．１６ｇ／ｃｍ３）を用いた。フライアッシュおよびクリンカアッシュとしては北陸電力石炭火力発電所で発生したものを用いた。減水剤としてはＢＡＳＦポゾリス社のポリカルボン酸エーテル系の高性能減水剤を用いた。天然繊維である木質繊維としては中越パルプ工業社の針葉樹漂白クラフトパルプ（ＮＢＫＰ）を用いた。このパルプは、繊維長が約３ｍｍ、平均繊維直径が３０μｍのものである。また、合成繊維として密度が０．９１ｇ／ｃｍ３のポリプロピレン製のものを用いた。この合成繊維は剥離、飛散防止用に配合したものである。なお、図１において、「ＳＰ」は「Ｗ」の内割であり、「Ｗ」に置き換えるため、配合割合の計算には入れていない。試料Ｎｏ．１を例にすると、「Ｗ」の１９．７％のうち、４．１％が「ＳＰ」である。また、各試料において、「ＣＡ」は水分（含水率２０％程度）を含む。
【００２７】
試料Ｎｏ．１、２、５は、木質繊維を含まないものである。また、試料Ｎｏ．１〜Ｎｏ．５は、石炭灰としてはフライアッシュのみを含み、試料Ｎｏ．６、７はフライアッシュとクリンカアッシュとの両方を含むものである。また、試料Ｎｏ．４は合成繊維を含むものである。
【００２８】
図１に示した各材料をハンドミキサにて所定の手順で混練し、これを型枠に流し込んで打設した。そして、打設後は打設面をラップフィルムで覆って養生しながら乾燥し、成形体としての試料Ｎｏ．１〜Ｎｏ．７を作製した。
【００２９】
作製した試料の圧縮強度試験、曲げ強度試験、保水量の試験を行った。なお、曲げ強度については、各試料について、４０ｍｍ×４０ｍｍ×１６０ｍｍのサイズの供試体に、ＪＩＳ  Ｒ５２０１  セメントの物性試験方法  １０．５測定に従う曲げ強度試験を行った。圧縮強度については、各試料について、曲げ試験後の４０ｍｍ×４０ｍｍ×１６０ｍｍのサイズの供試体に、ＪＩＳ  Ｒ５２０１  セメントの物性試験方法  １０．５測定に従う圧縮強度試験を行った。保水量については、各試料について、４０ｍｍ×４０ｍｍ×１６０ｍｍのサイズの供試体に、保水性舗装用インターロッキングブロック品質規格  ４．２保水性試験に従う保水量の試験を行った。また、圧縮強度試験、曲げ強度試験については、材齢１４日のものについて試験を行った。
【００３０】
図２は、図１に示したモルタル成形体の強度および保水量を示す図である。図３は、図２に示した強度および保水量のグラフを示す図である。
【００３１】
図２、３に示すように、試料Ｎｏ．１〜Ｎｏ．７のいずれにおいても、圧縮強度が１０Ｎ／ｍｍ２以上、かつ保水量が０．１８ｇ／ｃｍ３以上であり、曲げ強度についても、４．０Ｎ／ｍｍ２以上であった。
【００３２】
つぎに、試料Ｎｏ．２〜４、６のモルタル成形体について、凍結融解試験を行った。この凍結融解試験は、ＪＩＳ  Ａ  １４３５  ３．３気中凍結水中融解法に従うものである。まず、供試体として、幅１００ｍｍ×長さ２００ｍｍ×厚さ５０ｍｍのモルタル成形体の供試体を１条件につき５体用意した。そして、供試体を温度１０℃±２℃の水に４８時間だけ水中浸漬し、その後１サイクル４時間の凍結融解サイクルを与え、供試体の外観および質量変化率を調べた。なお、１サイクルは、温度−２０℃±２℃での気中凍結２．５時間と、温度１０℃±２℃での水中融解１．５時間とで構成した。また、凍結融解サイクルのサイクル数は０、２５、５０、７５、１００回とした。
【００３３】
図４は、凍結融解試験の結果を示す図である。図５は、図４に示したサイクル数に対する質量変化率のグラフを示す図である。なお、質量変化率については、水中浸漬による吸水直後の質量からの変化率を示している。図４、５に示すように、木質繊維を含まない試料Ｎｏ．２のモルタル成形体については、サイクル数が増加するにつれて質量変化率が低下していた。その他の木質繊維を含む試料Ｎｏ．３、４、６のモルタル成形体については、変化率は微増しているがほとんど変化がなく、良好な凍結融解性能を示した。
【００３４】
図６は、試料Ｎｏ．２のモルタル成形体の１００サイクル後の状態の写真を示す図である。図６に示すように、試料Ｎｏ．２のコンクリート成形体は、特に縦打ち時の打設面側（上面側）のスケーリングが進行しており、打設面側の角部（矢印で示す）が２つとも丸みを帯びる状態となっていた。なお、他の試料Ｎｏ．３、４、６のコンクリート成形体ではこのようなスケーリングが発生しなかった。
【００３５】
このように、特に打設面側でスケーリングに差異が生じる原因は以下のように推定される。
【００３６】
図７は、推定されるスケーリングの差異の原因を説明する模式図である。まず、上述ししたように、使用したセメントの表乾密度は３．１６ｇ／ｃｍ３であり、フライアッシュの表乾密度は２．２０ｇ／ｃｍ３であり、差異がある。そのため、図７（ａ）に示す試料Ｎｏ．２のモルタル成形体１０Ａでは、打設直後にはフライアッシュ粒子１１とセメント粒子１２とが均一に分散しているが、硬化中には密度が大きいセメント粒子１２は型枠ベット面側（打設面とは反対側）に沈降する。その結果、打設面側の領域Ａ１では水和反応やポゾラン反応に必要なセメントが十分な量存在しなくなり、領域Ａ１において強度が小さくなったため、スケーリングが進行したと考えられる。
【００３７】
一方、図７（ｂ）に示す試料Ｎｏ．３、４、６のモルタル成形体１０では、木質繊維１３が配合されているため、木質繊維１３自体のスケーリング抑制効果と、木質繊維１３による、フライアッシュ粒子１１とセメント粒子１２とをつなぎとめて分離を防止する効果とが発揮されていると考えられる。これによって、硬化中もフライアッシュ粒子１１とセメント粒子１２とが均一に分散し、成形体全体で強度も一様になるので、打設面側の領域Ａ２でのスケーリングも防止されていると考えられる。
【００３８】
さらに、本発明者らの鋭意検討によれば、木質繊維を配合したコンクリート組成物およびその成形体においては、混練時に木質繊維の少なくとも一部がナノファイバー化し、組成物およびその成形体の補強効果を発揮していると考えられる。
【００３９】
図８は、試料Ｎｏ．６のモルタル成形体の表面の顕微鏡写真を示す図である。なお、顕微鏡の倍率は１０００倍である。ここで、Ｎｏ．６に配合した木質繊維は、その直径が数１０μｍ程度のものである。しかし、図８の顕微鏡写真が示すように、混練後の試料中には、直径が１０μｍの繊維以外に数μｍ程度の繊維がふくまれており、これは木質繊維の一部が剥離してより細かい繊維となったものと考えられる。特に直径が１００ｎｍ以下のナノファイバー化した木質繊維（セルロース）が、セメントやフライアッシュの各粒子間に無数の接合点を持ち、強力な結合力を発揮していると考えられる。なお、このような細かい繊維の存在は、試料Ｎｏ．３の顕微鏡写真でも確認された。
【００４０】
このように、本発明に係る、木質繊維を配合した組成物およびその成形体においては、混練時に木質繊維の少なくとも一部がナノファイバー化し、組成物およびその成形体の補強効果を発揮していると考えられる。
【００４１】
なお、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１０、１０Ａ  モルタル成形体
１１  フライアッシュ粒子
１２  セメント粒子
１３  木質繊維
Ａ１、Ａ２  領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2014125420.tif 000006
【図５】
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【図７】
2014125420.tif 000008
【図６】
2014125420.tif 000009
【図８】
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