(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポルトランドセメントまたは混合セメントと、骨材と、水と、減水剤と、膨張材および収縮低減剤の少なくともいずれか一方と、のみからなるセメント組成物であって、
上記骨材の一部又は全部が重晶石であり、
上記セメント組成物１ｍ３中、上記膨張材の配合量が１０〜４０ｋｇ／ｍ３、または、上記収縮低減剤の配合量が２〜１５ｋｇ／ｍ３であり、
上記骨材の合計量（１００質量％）に対する上記重晶石の配合量が、５０〜１００質量％であり、
上記セメント及び膨張材の合計量（１００質量％）に対する上記水及び収縮低減剤の配合比が、３０〜７０質量％であり、
上記減水剤（固形分換算）／セメントの質量比が、０．１〜３．０％であることを特徴とするセメント組成物。
【請求項２】
上記骨材の合計量（１００質量％）に対する上記重晶石の配合量が、１００質量％である請求項１に記載のセメント組成物。
【請求項３】
上記膨張材が、カルシウムサルホアルミネート系膨張材または石灰系膨張材であり、かつ、上記収縮低減剤が、化学式；ＲＯ（ＡＯ）ｎＨ（化学式中、Ｒは、炭素数４〜６のアルキル基であり、Ａは、炭素数２〜３のアルキレン基であり、ｎは、１〜１０の整数である。）で示される低級アルコールのアルキレンオキサイド付加物である請求項１又は２に記載のセメント組成物。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のセメント組成物を硬化してなるモルタル。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のセメント組成物を硬化してなるコンクリート。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セメント組成物、及びセメント系硬化体（モルタル、及びコンクリート）に関する。
【背景技術】
【０００２】
コンクリートの打設後の体積変化には、乾燥収縮と自己収縮がある。乾燥収縮とは、乾燥によりコンクリート中の含水率が小さくなることで生じる変形をいう。自己収縮とは、セメントの水和により生じる体積減少をいう。上記乾燥収縮または自己収縮を低減する目的で、セメント組成物に膨張材や収縮低減剤を配合することが知られている。例えば、特許文献１には、セメントと、減水剤と、細骨材と、粗骨材と、収縮低減剤と、膨張材と、水を含み、収縮低減剤／セメント比が０．１〜２．０重量％、膨張材／セメント比が３．０〜１０重量％であり、４０Ｎ／ｍｍ２以上の圧縮強度を発現する高性能コンクリートが記載されている。
一方、核融合施設、医療用放射線施設、及び放射性廃棄物等から発生する放射線が、管理区域外に漏洩しないように、放射線発生源の周囲に鉄筋コンクリートからなる放射線遮蔽部材を設けたり、最終処分場が開設するまでの数十年間、放射性廃棄物をコンクリート製の保管容器に入れて中間貯蔵を行うことが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１９２４１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
セメント系硬化体の品質の向上のためには、収縮率の更なる低減が求められている。
特に、放射線漏洩の観点から、セメント系硬化体を用いた放射線遮蔽部材および放射性廃棄物保管容器等は、乾燥収縮や自己収縮に起因するひび割れが長期にわたって発生しないことが求められている。
そこで、本発明の目的は、長期材齢における収縮率が小さいセメント系硬化体を製造することができるセメント組成物を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、斯かる実情に鑑み、鋭意検討した結果、セメントと、特定の骨材と、水と、減水剤と、膨張材および収縮低減剤の少なくともいずれか一方と、のみからなり、かつ、膨張材または収縮低減剤の配合量が特定の範囲内などであるセメント組成物によれば、上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成した。
すなわち、本発明は、以下の［１］〜［５］を提供するものである。
［１］ポルトランドセメントまたは混合セメントと、骨材と、水と、減水剤と、膨張材および収縮低減剤の少なくともいずれか一方と、のみからなるセメント組成物であって、上記骨材の一部又は全部が重晶石であり、上記セメント組成物１ｍ３中、上記膨張材の配合量が１０〜４０ｋｇ／ｍ３、または、上記収縮低減剤の配合量が２〜１５ｋｇ／ｍ３であり、上記骨材の合計量（１００質量％）に対する上記重晶石の配合量が、５０〜１００質量％であり、上記セメント及び膨張材の合計量（１００質量％）に対する上記水及び収縮低減剤の配合比が、３０〜７０質量％であり、上記減水剤（固形分換算）／セメントの質量比が、０．１〜３．０％であることを特徴とするセメント組成物。
［２］上記骨材の合計量（１００質量％）に対する上記重晶石の配合量が、１００質量％である上記［１］に記載のセメント組成物。
［３］上記膨張材が、カルシウムサルホアルミネート系膨張材または石灰系膨張材であり、かつ、上記収縮低減剤が、化学式；ＲＯ（ＡＯ）ｎＨ（化学式中、Ｒは、炭素数４〜６のアルキル基であり、Ａは、炭素数２〜３のアルキレン基であり、ｎは、１〜１０の整数である。）で示される低級アルコールのアルキレンオキサイド付加物である上記［１］又は［２］に記載のセメント組成物。
［４］上記［１］〜［３］のいずれかに記載のセメント組成物を硬化してなるモルタル。
［５］上記［１］〜［３］のいずれかに記載のセメント組成物を硬化してなるコンクリート。
【発明の効果】
【０００６】
本発明のセメント組成物によれば、長期材齢における収縮率が小さいセメント系硬化体を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施例および比較例における材齢と長さ変化率との関係を示すグラフである。
【図２】実施例および比較例における材齢と長さ変化率との関係を示すグラフである。
【図３】実施例および比較例における材齢と長さ変化率との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明のセメント組成物は、セメントと、骨材と、水と、膨張材および収縮低減剤の少なくともいずれか一方とを含む。以下、詳細に説明する。
本発明で用いられるセメントとしては、普通、早強、中庸熱、低熱ポルトランドセメント等の各種ポルトランドセメント、高炉セメント、フライアッシュセメント等の各種混合セメントや、都市ゴミ焼却灰、下水汚泥焼却灰等の廃棄物を原料として使用したセメント（エコセメント）、さらには、前記ポルトランドセメントやエコセメントの一部を石灰石粉末、シリカフューム、メタカオリン等の混和材で置換したセメントを使用することができる。中でも、コストや汎用性等の観点から、普通ポルトランドセメントが好ましい。
セメント組成物１ｍ３中のセメントの配合量は、好ましくは２００〜６００ｋｇ／ｍ３である。
該配合量が２００ｋｇ／ｍ３未満の場合、得られるセメント系硬化体の強度が不足するおそれがある。該配合量が６００ｋｇ／ｍ３を超えると、得られるセメント系硬化体の長期材齢における収縮率が大きくなるおそれがある。
【０００９】
本発明で用いられる膨張材としては、カルシウムサルホアルミネート系膨張材や石灰系膨張材等が挙げられ、マスコン用水和熱抑制タイプや通常タイプのいずれも使用することができる。セメント組成物１ｍ３中の膨張材の配合量は、好ましくは１０〜４０ｋｇ／ｍ３、より好ましくは１５〜３０ｋｇ／ｍ３である。
膨張材の配合量を上記範囲内とすることにより、得られるセメント系硬化体の長期材齢における収縮率をより低減することができる。
該配合量が１０ｋｇ／ｍ３未満の場合、膨張材の収縮応力低減効果そのものが小さくなるおそれがある。該配合量が４０ｋｇ／ｍ３を超えると、膨張量が大きすぎて得られるセメント系硬化体の強度が低下するおそれがある。
また、膨張材のブレーン比表面積（粉末度）は、好ましくは２０００ｃｍ２／ｇ以上、より好ましくは３０００〜６０００ｃｍ２／ｇである。該ブレーン比表面積を上記範囲内とすることで、長期材齢における収縮率をより低減することができる。また、該ブレーン比表面積が６０００ｃｍ２／ｇを超えると粉砕に時間がかかりコストが高くなる。該ブレーン比表面積が２０００ｃｍ２／ｇ未満では、得られるセメント系硬化体にポップアウトや強度低下が生じたり、長期材齢における収縮率が大きくなってしまうおそれがある。
【００１０】
本発明で用いられる収縮低減剤としては、水に溶解してその表面張力を低下させる作用を有するものであれば特に限定されない。中でも、化学式；ＲＯ（ＡＯ）ｎＨで示される低級アルコールのアルキレンオキサイド付加物が好ましい。
ここで、上記化学式中のＲは、炭素数４〜６のアルキル基である。具体的には、ｎ−ブチル基、ｉｓｏ−ブチル基、ｔｅｒｔ−ブチル基、ｎ−ペンチル基、ｉｓｏ−ペンチル基、またはｔｅｒｔ−ペンチル基等が挙げられる。また、上記化学式中のＡは、炭素数２〜３のアルキレン基である。具体的には、エチレン基またはプロピレン基等が挙げられる。さらに、上記化学式中のｎは、１〜１０の整数である。
上記化学式で示される低級アルコールのアルキレンオキサイド付加物の中でも好ましいものは、ｎ−ブチルアルコールのプロピレンオキサイド（付加モル数２）／エチレンオキサイド（付加モル数３）付加物である。具体的には、市販品として太平洋マテリアル株式会社製の「太平洋テトラガードＡＳ２１」が挙げられる。
セメント組成物１ｍ３中の収縮低減剤の配合量は、好ましくは２〜１５ｋｇ／ｍ３、より好ましくは３〜１０ｋｇ／ｍ３である。
収縮添加剤の配合量を上記範囲内とすることにより、得られるセメント系硬化体の長期材齢における収縮率をより低減することができる。
該配合量が、２ｋｇ／ｍ３未満の場合、得られるセメント系硬化体の長期材齢における収縮率が大きくなるおそれがある。該配合量が１５ｋｇ／ｍ３を超えると、凝結遅延が生じるおそれがあり、また、コストが高くなる。
なお、収縮低減剤は水の一部と置き換えて使用することが好ましい。
膨張材および収縮低減剤は少なくともいずれか一方が配合されていればよいが、長期材齢における収縮低減効果の観点から膨張材および収縮低減剤の両方を含むことが好ましい。
【００１１】
本発明で用いられる骨材は一部又は全部が重晶石である。骨材の一部または全部に重晶石を用いることで、膨張材および収縮低減剤の少なくともいずれか一方を含むセメント組成物を硬化してなるセメント系硬化体の長期材齢における収縮率をより低減することができる。
また、上記骨材は、細骨材のみ、又は細骨材と粗骨材を併用することができる。細骨材と粗骨材を併用する場合、細骨材または粗骨材のいずれかに重晶石が含まれていてもよく、細骨材および粗骨材の双方に重晶石が含まれていてもよい。
さらに、重晶石と他の一般的な骨材を混合して用いてもよい。
他の骨材としては、細骨材として、川砂、陸砂、海砂、砕砂、軽量骨材、重晶石以外の重量骨材又はこれらの混合物等を使用することができる。
粗骨材としては、川砂利、山砂利、海砂利、砕石、軽量骨材、重晶石以外の重量骨材又はこれらの混合物等を使用することができる。
ここで、重量骨材としては、磁鉄鉱、赤鉄鉱、及び砂鉄等の天然の重量骨材の他に、廃棄物の再利用の観点から、例えば、特許第４０４４９５６号公報、及び特許第４１６６２６９号公報に記載されている主要構成成分としてＦｅＯ、Ｆｅ２Ｏ３、及び金属鉄の少なくともひとつを含む重量細骨材、特許第４２９５４２号公報に記載されている鋼スラブ表面の溶削処理工程で発生するホットスカーフからなる重量細骨材、及び製鋼過程で発生するダストを含む廃棄物を溶融、冷却して製造された人工石材を含む重量細骨材または粗骨材、特許第４２９５３４３号公報に記載されている製鋼の圧延工程で発生するミルスケールを含む重量細骨材等を挙げることができる。
本発明で用いられる骨材の合計量（１００質量％）に対する、重晶石の配合量は、好ましくは５０〜１００質量％、より好ましくは７５〜１００質量％、特に好ましくは１００質量％である。該配合量が５０質量％未満であると、長期材齢における収縮低減効果が少なくなるおそれがある。
なお、細骨材と粗骨材を併用する場合、細骨材率は３０〜６０％とすることが好ましい。
【００１２】
また、重晶石は、密度が４．０ｇ／ｃｍ３程度であり、重量骨材として使用するのに十分な密度を有している。
ここで、本発明において、重量骨材（重量細骨材および重量粗骨材）とは、密度が３．５ｇ／ｃｍ３以上の骨材をいう。
セメント系硬化体の放射線遮蔽効果は、セメント系硬化体の密度と厚さとの積に比例することから、重量骨材を含むセメント組成物を硬化してなる重量モルタルおよび重量コンクリートは、放射線遮蔽部材や放射性廃棄物保管容器等に好適に使用することができる。
重晶石は、破砕機（例えば、ジョークラッシャー）等を用いて粗粉砕される。重晶石を粉砕して得られる重量骨材は、粒径０．０７５ｍｍ未満の微粉骨材を多く含むため、ペーストと骨材との密度差を小さくすることができ（密度差：２．５ｇ／ｃｍ３以下）、重晶石から得られる重量骨材とペーストとの材料分離の発生を抑制することができる。
【００１３】
水としては、水道水等を使用することができる。
本発明において、セメント及び膨張材の合計量（１００質量％）に対する水及び収縮低減剤の配合比（本明細書中「水結合材比」と略すことがある。）は、好ましくは３０〜７０質量％、より好ましくは４０〜６０質量％である。
水結合材比が３０質量％未満の場合、ワーカビリティが悪くなるので好ましくない。水結合材比が７０質量％を超えると乾燥収縮が大きくなるため好ましくない。
また、本発明のセメント組成物には、減水剤として、リグニン系、ナフタレンスルホン酸系、メラミン系、ポリカルボン酸系の減水剤、ＡＥ減水剤、高性能減水剤又は高性能ＡＥ減水剤を使用することができる。特に、重量モルタルや重量コンクリートを製造する場合、高密度を確保する観点から単位水量を低くする必要があるため、減水剤を添加することが好ましい。
減水剤（固形分換算）／セメントの質量比は好ましくは０．１〜３．０％である。該質量比が０．１％未満ではワーカビリティが悪くなるので好ましくない。該質量比が３．０％を超えても、ワーカビリティはそれほど向上せず、コストが高くなるので好ましくない。
また、重量モルタルや重量コンクリートを製造する場合等において、空気の巻き込みを抑制する観点から、消泡剤を使用してもよい。
さらに、必要に応じて、支障のない範囲内で、空気連行剤、増粘剤等を使用してもよい。
【００１４】
本発明のセメント組成物の混練方法や混練装置は、特に限定するものではなく、慣用の方法で、慣用のミキサで混練すれば良い。また、養生方法も特に限定するものではない。
【００１５】
本発明のセメント組成物を硬化させてなるセメント系硬化体（モルタル及びコンクリート）は、長期材齢における収縮率が小さいので、鉄筋量が多いコンクリート構造物や部材、放射線遮蔽部材、及び放射性廃棄物保管容器等に好適に使用することができる。
特に、本発明のセメント組成物に含まれる骨材の密度が３．５ｇ／ｃｍ３以上の場合、得られるモルタルおよびコンクリートは、いわゆる重量モルタルや重量コンクリートであることから、放射線遮蔽部材や放射性廃棄物保管容器等に好適に使用することができる。
【実施例】
【００１６】
以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
使用材料としては、以下に示す材料を使用した。
（１）セメント；普通ポルトランドセメント（密度３．１６ｇ／ｃｍ３）
（２）膨張材；太平洋マテリアル株式会社製「ハイパーエクスパン」（石灰系低添加型膨張材）
（３）細骨材Ｓ１；重晶石（表乾密度４．１２ｇ／ｃｍ３）
（４）細骨材Ｓ２；山砂（表乾密度２．６１ｇ／ｃｍ３）
（５）粗骨材Ｇ１；重晶石（表乾密度４．０４ｇ／ｃｍ３）
（６）粗骨材Ｇ２；硬質砂岩砕石（表乾密度２．６４ｇ／ｃｍ３）
（７）高性能ＡＥ減水剤；ＢＡＳＦポゾリス株式会社製「レオビルドＳＰ８ＳＶ」
（８）ＡＥ減水剤；ＢＡＳＦポゾリス株式会社製「ポゾリスＮｏ．７０」
（９）高性能収縮低減剤；太平洋マテリアル株式会社製「太平洋テトラガードＡＳ２１」
（１０）水；水道水
【００１７】
［実施例１〜３及び比較例１〜５］
上記材料を使用し、表１に示す配合に従ってコンクリートを混練した。混練は、２軸強制練りミキサを用いて、各材料を一括してミキサに投入して、１２０秒間混練した。混練温度は２０℃であった。
なお、実施例１〜３及び比較例１は、細骨材及び粗骨材として重晶石を用いたものである。また、実施例１〜３及び比較例１は高性能ＡＥ減水剤を使用し、比較例２〜５はＡＥ減水剤を使用したものである。
上記施工（混練を含む）および養生は２０℃の条件下で行い、得られたコンクリートの長さ変化率を「ＪＩＳ  Ａ  ６２０２（コンクリート用膨張材）参考１（膨張コンクリートの拘束膨張及び収縮試験方法）」のＡ法（膨張だけを対象とした試験方法）に準じて測定を行った。実施例１および比較例２の材齢（０〜１４日）と長さ変化率の関係を図１に示す。
また、得られたコンクリートの長さ変化率を「ＪＩＳ  Ａ  ６２０２（コンクリート用膨張材）参考１（膨張コンクリートの拘束膨張及び収縮試験方法）」のＢ法（膨張および収縮を対象とした試験方法）に準じて測定を行った。実施例および比較例の材齢と長さ変化率の関係を図２および図３に示す。
ここで、長さ変化率とは、（セメント系硬化体の変化後の長さ−セメント系硬化体の変化前の長さ）／（セメント系硬化体の変化前の長さ）によって表される。なお、「長さ変化率」の符号のプラス（＋）は、長さが長くなったこと（膨張したこと）を示す（膨張率）。「長さ変化率」の符号がマイナス（−）は、長さが短くなったこと（収縮したこと）を示す（収縮率）。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
図１〜図３より、初期材齢では、比較例１〜５に比べて実施例１〜３の方が、長さ変化率（膨張率）が大きく、長期材齢では、比較例１〜５に比べて実施例１〜３の方が、長さ変化率（収縮率）が小さい。
また、骨材として重晶石を用いた場合、膨張材および収縮低減剤の少なくともいずれか一方を配合した場合の収縮率の低減効果は、通常の骨材を用いた場合に比べて顕著に大きいことがわかる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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