(57)【要約】【課題】コンクリートの膨張、ポップアウト現象、錆汁発生を抑制し、強度と耐久性を向上させ、かつ、経済的である混和材を提供する。【解決手段】玻璃質物質を３０％以上含む玻璃安山岩ないし玻璃質安山岩を砕き、粉状または粒状に加工し、コンクリート混和材とする。このコンクリート混和材をセメント重量に対し５〜３０％混和して、コンクリートを混練し、コンクリートを打設する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
玻璃質物質を含む玻璃質岩石を原料とすることを特徴とするコンクリート混和材。
【請求項２】
前記玻璃質物質は、天然の玻璃、クリストバライト、トリジマイトを含むことを特徴とする請求項１記載のコンクリート混和材。
【請求項３】
前記玻璃質岩石は前記玻璃質物質を３０％以上含むことを特徴とする請求項１〜２記載のコンクリート混和材。
【請求項４】
前記玻璃質岩石は、玻璃安山岩ないし玻璃質安山岩であることを特徴とする請求項１〜３記載のコンクリート混和材。
【請求項５】
前記玻璃安山岩ないし玻璃質岩石は、粒径０．１５ｍｍ以下の粉状であることを特徴とする請求項１〜４記載のコンクリート混和材。
【請求項６】
前記玻璃安山岩ないし玻璃質岩石は、粒径２．０ｍｍ以下の砕砂であることを特徴とする請求項１〜４記載のコンクリート混和材。
【請求項７】
請求項１〜５記載のコンクリート混和材がセメント重量に対し５〜３０％混和されることを特徴とするコンクリート構造物。
【請求項８】
前記混和量がセメント重量に対し１５〜２５％であることを特徴とする請求項７記載のコンクリート構造物。
【請求項９】
玻璃質岩石を粉状または粒状にして、コンクリート混和材とし、
前記コンクリート混和材をセメント重量に対し５〜３０％混和して、コンクリートを混練し、
前記コンクリートを打設する
ことを特徴とするコンクリート構造物製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セメントと骨材からなるコンクリートに混和される混和材に関し、特に、コンクリートの膨張抑制効果を期待するコンクリート混和材に関する。
【背景技術】
【０００２】
コンクリートは、セメント、骨材、水を混練させて形成する。コンクリートは、一般的に広く利用される建設材料であるが、いくつかの問題がある。例えば、アルカリ骨材反応のようなセメントの異常反応による膨張などがある。このような異常膨張は、ひび割れ等コンクリート構造物の劣化要因の１つとなる。
【０００３】
アルカリ骨材反応の他にも、異常膨張の一つとしてポップアウト現象がある。このような異常膨張は、錆汁発生、強度低下、耐久性低下を引き起こすことも多い。異常膨張を抑制するように、コンクリート混練時に混和材を用いる。混和材の詳細については、例えば、特許文献１に開示されている。
【０００４】
ところで、本願発明者は、長年、異常膨張したコンクリートを観察して、知見を蓄積している（非特許文献１〜３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
特願２０１２−８７０００号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】丸章夫：コンクリート構造物の異常ひび割れに関する岩石鉱物学的考察，コンクリート工学，vol.42,No.12,32〜42,2004
【非特許文献２】丸章夫：異常ひび割れが発生した構造物コンクリートの鉱物学的考察，粘土科学，第45巻，第2号，pp.75〜89,2006
【非特許文献３】丸章夫：石灰系骨材を使用して異常ひび割れが発生した構造物コンクリートの鉱物学的考察，粘土科学，第46巻，第2号，pp.105〜111,2007
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１では、少量の混和材で充分な膨張抑制効果が得られる旨、さらに、少量使用の結果、経済的である旨、記載されている。
しかし、特許文献１記載の混和材は、多数の複雑な工程を経て製造されるものであり、製造コストが増加する。その結果、特許文献１に記載された経済性に係る効果は、軽減されるものと思われる。すなわち、経済性に係る効果が不十分である。
【０００８】
本発明は、上記の課題を解決するものであり、コンクリートの膨張、ポップアウト現象、錆汁発生を抑制し、強度と耐久性を向上させ、かつ、経済的である混和材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】
【０００９】
本発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意研究を進めた結果、玻璃質物質に膨張抑制効果があることを見出し、本発明を完成させた。
【００１０】
上記課題を解決する本発明のコンクリート混和材は、玻璃質物質を含む玻璃質岩石を原料とする。
【００１１】
玻璃質物質は、セメントから異常に溶出するカルシウムやアルミニウム等を吸収し固定化する。これにより膨張を抑制する。
【００１２】
好ましくは、前記玻璃質物質は、天然の玻璃、クリストバライト、トリジマイトを含む。
【００１３】
岩石中の玻璃の一部が脱玻璃現象によってクリストバライトやトリジマイトに変化している場合、クリストバライトやトリジマイトは玻璃と同様に作用する。
【００１４】
好ましくは、前記玻璃質岩石は前記玻璃質物質を３０％以上含む。
【００１５】
好ましくは、前記玻璃質岩石は、玻璃安山岩ないし玻璃質安山岩である。
【００１６】
玻璃安山岩ないし玻璃質安山岩であれば、安定的に３０％以上の玻璃質物質を確保できる。３０％以上の玻璃質物質が含まれていれば、確実に、膨張抑制効果を発揮し得る。
【００１７】
好ましくは、前記玻璃安山岩ないし玻璃質岩石は、粒径２．０ｍｍ以下の砕砂である。
【００１８】
砕砂とすることにより、効率よく反応する。
【００１９】
好ましくは、前記玻璃安山岩ないし玻璃質岩石は、粒径０．１５ｍｍ以下の粉状である。
【００２０】
粉状とすることにより、即効性が増す。
【００２１】
上記課題を解決する本発明のコンクリート構造物は、玻璃質岩石を含むコンクリート混和材がセメント重量に対し５〜３０％混和される。
【００２２】
アルカリ骨材反応の低い骨材であれば、５％混和でも、膨張抑制効果が得られる。
【００２３】
好ましくは、前記混和量がセメント重量に対し１５〜２５％であることを特徴とする。
【００２４】
１５％混和であれば、アルカリ骨材反応の高い骨材であっても、膨張抑制効果が得られる。
【００２５】
上記課題を解決する本発明のコンクリート構造物製造方法は、玻璃質岩石を粉状または粒状にして、コンクリート混和材とし、前記コンクリート混和材をセメント重量に対し５〜３０％混和して、コンクリートを混練し、前記コンクリートを打設する。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、アルカリ骨材反応を含むコンクリートの膨張ひび割れや、ポップアウトならびに鉄錆汁発生を抑制でき、強度と耐久性を向上させることができる。
【００２７】
また、玻璃質岩石粉は、安価に入手でき、砕いて粉状または粒状にするだけの加工であり、経済性が高い。さらに、生コンクリートの物性も通常と変ることなく、実用性も高い。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】玻璃質安山岩断面（単ニコル）
【図２】玻璃質安山岩断面（直交ニコル）
【図３】玻璃質物質の少ない安山岩断面（直交ニコル）（参考例）
【発明を実施するための形態】
【００２９】
〜基本原理〜
本発明の膨張抑制にかかる基本原理について説明する。本願発明者は、長年、異常膨張したコンクリートを観察して、以下の知見を得た。
【００３０】
アルカリ骨材反応を含めて、膨張ひび割れ現象により、ひび割れが発生したコンクリート中のセメント硬化体を調べると、水酸化カルシウム（Ca(OH)2）や3CaO・Al2O3・8〜12H2O、4CaO・Al2O3・13H2O、Ca2Al(OH)7・3H2Oなどのカルシウム・アルミネート・ハイドレートならびにエトリンガイト（3CaO・Al2O3・3CaSO4・32H2O）が特徴的に生成している。
【００３１】
ところで、最近のセメントの粉末度は、コンクリート強度を早く出すために高く（細かく）なり、普通ポルトランドセメントでブレーン値が実測値3,200〜3,800cm2/g，高炉セメントでは3,800〜4,300cm2/gであり、JASS5で示す2,700cm2/g（この値以上の意味）よりも極めて高く、非常に細かくなっている。
【００３２】
このように、セメントの粉末度が高い場合や、水・セメント比が高い場合、あるいは、骨材成分がコンクリート中（セメントの系）に溶出する場合、セメント成分中のイオン化傾向が高いカルシウム（Ca）とアルミニウム（Al）がイオン化し、セメントの水和反応が正常でなくなり、水酸化カルシウム、カルシウム・アルミネート・ハイドレート、エトリンガイトなどの水和物が生成される。これらの水和物の生成は膨張を伴う。これらが、コンクリートの膨張原因である可能性がある。
【００３３】
これに対し、混和材に含まれる玻璃質物質は、セメントから異常に溶出するカルシウムやアルミニウム、あるいは、セメント中またコンクリート中に含まれるナトリウムやカリウムを吸収し固定する。
【００３４】
玻璃がコンクリート中に溶出したカルシウムを吸収すると、水和セメント硬化体の骨格であるC-S-Hが形成される。
【００３５】
これにより、膨張作用のある上記水和物の生成を抑制し、その結果、アルカリ骨材反応を含むコンクリートの異常膨張を抑制する。膨張抑制によりコンクリートのひび割れを抑制する。
【００３６】
次に、本発明のポップアウト現象抑制、錆汁発生抑制、強度向上、耐久性向上にかかる基本原理について説明する。本願発明者は、長年、ポップアウト現象発生および錆汁発生したコンクリートを観察して、以下の知見を得た。
【００３７】
上述のように、セメントが細かいと、カルシウムとアルミニウムの水和生成物の生成が進み、水和セメント硬化体中に骨格であるC-S-H（ほゞ3CaO・2SiO2・3H2O）の生成が阻害され、緻密な組織にならない。組織が緻密でないとセメント硬化体中すなわちコンクリート中への水の浸透は容易になる。
【００３８】
このとき、骨材中に硫化鉄鉱、例えば黄鉄鉱や磁硫鉄鉱が含まれていると、加水分解により水酸化鉄に変化する。この反応は膨張を伴うので、膨張圧によりコンクリート表面にポップアウト現象を発生させる。同時に、水酸化鉄が流れ出し鉄錆汁汚染現象を起す。
【００３９】
その結果、ポップアウトや鉄鉱物の分解生成物による汚染現象が生じる。
【００４０】
これに対し、上述のように、本願混和材に含まれる玻璃質物質により、水和セメント硬化体の骨格であるC-S-Hが形成される。その結果、緻密な組織になり、水の浸透を抑制し、加水分解を抑制する。これにより、ポップアウト現象および錆汁発生を抑制する。
【００４１】
さらに、水和セメント硬化体の組織が緻密になることは、強度の向上につながり、耐久性も向上する。
【００４２】
〜概要〜
本実施形態のコンクリート混和材は、玻璃質岩石を含む。玻璃質岩石とは、玻璃質物質を必ず含む岩石の総称であり、玻璃安山岩、玻璃質安山岩、玻璃流紋岩、玻璃質流紋岩、玄武岩、黒曜石、真珠岩、火山灰、凝灰岩などがある。
【００４３】
なお、岩石生成後、温泉作用や圧力あるいは自然に玻璃が結晶化する脱玻璃現象により、クリストバライト、トリジマイト、あるいは隠微晶質石英に玻璃の一部あるいは全部が変化していることがある。隠微晶質石英が生成している場合はあまり好ましくはないが、クリストバライト、トリジマイトが生成している場合は、クリストバライト、トリジマイトは、玻璃と同様な作用が期待できる。したがって、本明細書では、玻璃質物質とは、天然の玻璃、クリストバライト、トリジマイトを含む概念である。
【００４４】
玻璃質岩石は、玻璃質物質をなるべく多く含むことが好ましいが、少なくとも玻璃質物質を３０％以上含むことが好ましい。さらに、３５％以上含むことがより好ましい。
【００４５】
たとえば、玻璃安山岩または、玻璃質安山岩であれば、安定的に玻璃質を３０％以上含むため、好ましい。ただし、岩石学的には玻璃安山岩と玻璃質安山岩玻璃安山岩の定義はないので、本明細書では、玻璃安山岩とは、岩石中、玻璃質物質が５０％以上占める安山岩であり、玻璃質安山岩とは、岩石中、玻璃質物質が３０〜５０％程度占める安山岩である。なお、一般的には、玻璃質物質が２０％以上あれば、玻璃質安山岩ということもある。
【００４６】
なお、流紋岩は玻璃流紋岩または玻璃質流紋岩であることが多いが、玻璃が隠微晶質石英に変化していることも多い。また、玄武岩は粘土質を多く含み、玻璃質物質が少ない可能性もある。
【００４７】
〜玻璃質安山岩〜
ここで、玻璃質安山岩について説明する。火山岩の一種である安山岩は、斑晶と石基からなる内部組織を持つ。斑晶とは、周囲より大きな鉱物結晶（０．１〜数ｍｍ）で、マグマが冷え固まる前に既にマグマだまり内で結晶となっていたものである。石基とは、斑晶の間を埋める物質で、斜長石、輝石、磁鉄鉱などの微細な結晶（数〜数十μｍ）の集合ないし非晶質（ガラス質）である。液体のマグマが急激に冷えて充分に結晶化しなかった部分と考えられる。
【００４８】
透過偏光顕微鏡観察により、玻璃質（ガラス質）の割合を求める。まず、偏光顕微鏡の原理について説明する。単ニコルプリズム（偏光プリズム1枚）を用いる場合、一般的には拡大像として観察される。
【００４９】
これに対し、直交ニコルプリズム（偏光プリズム２枚）を用いる場合、物質内のどの方向に対しても光学的に性質が等しい玻璃質物質（および等軸晶系鉱物）は、真暗として観察される。それ以外は、各方向に対して光学的に性質が異なるため、明暗あるいは色の変化として観察される。
【００５０】
図１は、単ニコルによる玻璃質安山岩の断面観察である。図２は、直交ニコルによる玻璃質安山岩の断面観察である。図１と図２は、同じ断面を示している。図１と図２を比較して、図２において真暗となっている部分が玻璃質物質である。
【００５１】
断面をスキャンして、真暗部分の面積の割合を求め、安山岩における玻璃質物質の割合と推測する。真暗面積が３０％である場合、玻璃質物質３０％とする。図示の場合、玻璃質物質を４０％以上含む。
【００５２】
参考のため、図３に玻璃質物質の少ない安山岩断面（直交ニコル）を示す。図２と比較すると、真暗となっている部分が狭く、玻璃質物質の割合が少ないことを示す。
【００５３】
〜使用方法〜
玻璃質岩石を粒径２．０ｍｍ以下の砕砂とし、コンクリート混和材とする。さらに、粒径０．１５ｍｍ以下の粉状とすると、扱いやすく、また、即効性が増す。
【００５４】
本実施形態のコンクリート混和材をコンクリートの混練時に混和する。玻璃質岩石粉は分散性が高く、均一に分散する。
【００５５】
本実施形態のコンクリート混和材は、セメント重量に対し５〜３０％混和される。更に好ましくは、セメント重量に対し１５〜２５％混和される。アルカリ骨材反応の低い骨材であれば、５％混和でも、膨張抑制効果が得られる（実証試験１）。１５％混和であれば、アルカリ骨材反応の高い骨材であっても、膨張抑制効果が得られる（実証試験２）。ただし、３０％超混和の場合、流動性等その他の特性に影響を与えるおそれがあるため好ましくない。
【００５６】
混和材を混和後は、通常コンクリート同様に打設すればよい。
【００５７】
〜効果実証試験〜
本実施形態に係る混和材のコンクリート膨張抑制およびひび割れ抑制（実証試験１，２）、ポップアウトと鉄錆汁発生抑制（実証試験３）及び強度向上効果（実証試験４）の実証試験を行なった。
【００５８】
・実証試験１（膨張抑制効果確認試験）  低反応骨材の場合
コンクリートの膨張を試験する方法は、JIS  A  5308  附属8  骨材のアルカリシリカ反応性試験方法（モルタルバー法）である。すなわち、コンクリートが膨張するか否かは、本方法によって判断することができる。試験方法の概要は次の通りである。
【００５９】
コンクリートの骨材となる岩石、砂利、砂は、表１の粒度分布となる様に粉砕する。セメントは、JIS  A  5210に規定される普通ポルトランドセメントを用いる。セメントのアルカリ量は事前に求めておき、NaOHを加えてセメントのアルカリ量がR2Oで1.2±0.05％となるように調整する。
【表１】
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【００６０】
表２に示す配合の供試体を３本作製する。成形は、4cm×4cm×16cmの型枠を用い、型枠ごとに湿空箱に入れ24±2時間後脱型し、密封容器中で、温度40±2℃、相対湿度95％以上で貯蔵する。
【表２】
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【００６１】
骨材には、アルカリシリカ反応性試験で不合格となるが、アルカリ反応性が低い骨材を用いる。具体的には、東京都下産の砂岩を用いる。使用骨材の東京都下産の砂岩は、石基、長石、黒雲母、頁岩、安山岩などの砂粒と緑泥石、褐鉄鉱などからなる膠結物、二次生成物の隠微晶質石英からなる。
【００６２】
混和材として、山形県産の玻璃質安山岩を砕き、粒径０．１５ｍｍ以下の粉としたものを用いる。
【００６３】
原石である山形県産玻璃質安山岩は、斜長石と普通輝石の斑晶、ならびに石基は結晶の小さい斜長石、磁鉄鉱、玻璃からなり、玻璃の一部はクリストバライトに変っている。岩石中玻璃とクリストバライトは合せて35％以上である。表３に山形県産玻璃安山岩の化学成分を示す。鉄分を含むことを特徴とする。
【表３】
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【００６４】
供試体の長さ測定は、脱型時、4週間、8週間、3ヶ月、6ヶ月で行なう。供試体3本の平均膨張率が、6ヶ月後に0.100％未満の場合は無害（ひび割れに至る膨張はない）と判定する。表４に混和材を使用セメントに対して5％混和する場合の膨張率を示す。比較例として混和材を混和しない場合（0％混和）の膨張率を示す。
【表４】
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【００６５】
上記結果について考察する。比較例における材令6ヶ月の膨張率は0.120％となり、規格値0.100％を満たさず、アルカリ骨材反応の膨張が発生する。すなわち、有害であると判定される。これに対し、実施例における材令6ヶ月の膨張率は0.072％であり規格値を満たす。無害であると判定される。
【００６６】
このように、アルカリ反応性の低い骨材の場合は、混和材の混和量が少なくても（5％混和）、膨張抑制効果が得られる。
【００６７】
・実証試験２（膨張抑制効果確認試験）  高反応骨材の場合
コンクリートの膨張を試験する方法は、実証試験１と同様である。
【００６８】
ただし、骨材には、アルカリシリカ反応性試験で不合格となる、アルカリ反応性が高い骨材を用いる。具体的には、新潟県産の山砂利を用いる表５に、新潟県産の砂利を構成する岩石の構成比率を示す。
【表５】
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【００６９】
混和材として、実証試験１と同じ山形県産の玻璃質安山岩粉（表３参照）を用いる。ただし、混和率（対セメント比）を１０％，１５％，２０％と変化させる。表６に各混和率の膨張率を示す。比較例として混和材を混和しない場合（0％混和）の膨張率を示す。
【表６】
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【００７０】
上記結果について考察する。比較例における材令6ヶ月の膨張率は0.512％であり、規格値0.100％を大きく越え、反応性が高いことを示す。また、混和率10％における材令6ヶ月の膨張率は0.259％であり、規格値を満たさず、規格値0.100％を満たさず、有害であると判定される。これに対し、混和率15％では膨張率が0.072％，混和率20％では0.058％となり、規格値を満たし、無害であると判定される。
【００７１】
このように、アルカリ反応性の高い骨材の場合は、１５％程度混和すれば、膨張抑制効果が得られる。
【００７２】
表６に、粒度0.15〜2.0mmの細粒（砕砂）を20％混和する場合の膨張率を示す。膨張率は0.071％となり、規格値を満たし、無害であると判定される。粉（20％混和）と比較すると、若干、膨張抑制効果は劣るものの、砕砂でも膨張抑制効果が得られる。
【００７３】
・実証試験３（ポップアウトおよび鉄錆汁発生抑制効果確認試験）
試験方法の概要は次の通りである。
【００７４】
細骨材に鹿児島県産の黄鉄鉱を2〜3％含む砂岩の砕砂を用いる。なお、アルカリ反応性試験については無害合格である。
【００７５】
骨材の粒度分布は、実証試験１と同じである（表１参照）。表７に、モルタルの配合を示す。基本的に実証試験１と同じであるが、NaOHは不要である。
【表７】
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【００７６】
混和材として、実証試験１と同じ山形県産の玻璃質安山岩粉（表３参照）を用いる。ただし、混和率（対セメント比）を１０％とする。供試体を３本作製する。更に、比較のため、混和材を用いない供試体を３本作製する。
【００７７】
モルタル成形は4cm×4cm×16cmの型枠を用い、打設1週間後脱型野外曝露する。モルタル供試体の表面に現われるポップアウトと鉄錆汁の発生個数を１ヶ月毎に目視観察する。
【００７８】
表８に、モルタル供試体3本の表面に現われるポップアウトと鉄錆汁発生数を示す。比較例として混和材を混和しない場合（0％混和）の結果を示す。
【表８】
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【００７９】
上記結果について考察する。比較例として混和材を用いない場合は、材令1ヶ月で10ヶ所現われ、ポップアウトと鉄錆汁汚染の大きさも大きい。これに対し、10％混和する場合は、ポップアウトと鉄錆汁発生は材令3ヶ月で供試体打設底面に２ヵ所現れたのみであり、ポップアウトと鉄錆汁汚染の大きさは小さい。このように、ポップアウトおよび鉄錆汁発生に対する抑制効果が得られる。
【００８０】
・実証試験４（強度向上効果確認試験）
試験方法の概要は次の通りである。
【００８１】
粗骨材および細骨材に、アルカリ反応性試験については無害合格である栃木県産砂岩の砕石および砕砂を用いる。なお、黄鉄鉱は含まれていない。すなわち、アルカリ反応やポップアウトの影響はない。骨材の粒度分布は、実証試験１と同じである（表１参照）。使用セメントは、市販の普通ポルトランドセメントである。
【００８２】
混和材として、実証試験１と同じ山形県産の玻璃質安山岩粉（表３参照）を用いる。混和率（対セメント比）を１０％とする。
【００８３】
供試体の配合を表９に示す。
【表９】
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【００８４】
供試体は、直径10cm、高さ20cmの円柱供試体であり、３本作製する。更に比較のため、混和材を用いない供試体を３本作製する。打設１週間後に脱型後、供試体を野外曝露する。
【００８５】
野外曝露材令13週の供試体の一軸圧縮強度を表１０に示す。
【表１０】
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【００８６】
比較例として混和材を用いないコンクリート供試体の強度は平均25.0N/mm2である。これに対し、10％混和したコンクリート供試体の強度は平均29.2N/mm2であり、２０％近く強度が向上している。同様な効果確認試験を繰り返した結果、混和材により10〜20％向上することがわかった。
【００８７】
〜その他〜
本実施形態では通常コンクリートの膨張ひび割れ抑制、ポップアウト及び鉄錆汁発生抑制及び強度向上に着目して説明したが、適用範囲はこれに限定されない。最近注目されてきた100N/mm2前後の高強度コンクリートやそれ以上の強度の超高強度コンクリートの強度向上混和材として期待できる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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