(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
細骨材、粗骨材、石灰石微粉末、結合材であるスラグ微粉末、アルカリ刺激剤である炭酸ナトリウム、コンクリート用化学混和剤および水を主成分とするスラグ硬化組成物の生成方法であって、
少なくともアルカリ刺激剤以外の前記主成分を混合した後に、アルカリ刺激剤を後添加する方法において、アルカリ刺激剤がＮａ２Ｏ換算アルカリ当量として１０ｋｇ／ｍ３以上含有されているスラグ硬化組成物の生成方法。
【請求項２】
アルカリ刺激剤の前記後添加は、包装体にアルカリ刺激剤を入れておき、これをアルカリ刺激剤以外の前記主成分と一緒に混合した後に、アルカリ刺激剤が包装体から溶け出すことである請求項１に記載のスラグ硬化組成物の生成方法。
【請求項３】
（石灰石微粉末の質量）／（スラグ微粉末と石灰石微粉末の合計質量）の質量比が０．３以下の範囲である請求項１または２に記載のスラグ硬化組成物の生成方法。
【請求項４】
（水の質量）／（結合材の質量）の質量比が０．３〜０．５５の範囲である請求項１〜３のいずれかに記載のスラグ硬化組成物の生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セメントに代わる結合材を有するスラグ硬化組成物の生成方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
細骨材や粗骨材と、これらの結合材であるセメントと、各種添加剤とからなるコンクリート材料を用いて、鉄筋コンクリート構造やプレストレストコンクリート構造の各種コンクリート構造物、たとえば、家屋やビル、地下トンネル、各種インフラ施設が広範に構築されて我々の生活基盤が構成されている。
【０００３】
このコンクリート材料は、主たる結合材として焼成したセメントが一般に用いられているが、このセメントの焼成の際には多量の二酸化炭素が排出されている。
【０００４】
昨今の各種産業界における環境影響低減への取り組みに鑑みれば、建設産業においては、このセメント焼成の際に排出される多量の二酸化炭素を如何に低減できるかが重要な課題の一つとなっている。
【０００５】
そこで、結合材として焼成セメントに代わる材料を用いることで、コンクリート材料からなるコンクリート構造物と同程度の強度発現を図りながら、その生成過程で二酸化炭素の排出を可及的に低減するアプローチが考えられる。
【０００６】
たとえば、従来の公開技術として、特許文献１には、結合材として高炉スラグ微粉末やフライアッシュ、下水焼却汚泥を使用し、アルカリ刺激剤として水ガラス（ケイ酸ナトリウム）またはケイ酸カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムを使用してなる組成物が開示されている。
【０００７】
また、特許文献２には、結合材として溶融スラグ（都市ごみ溶融スラグ）を使用し、アルカリ刺激剤として水ガラスまたはメタケイ酸、水酸化ナトリウムを使用してなる組成物が開示されている。
【０００８】
また、特許文献３には、結合材として高炉スラグ微粉末を使用し、アルカリ刺激剤として水ガラスを使用してなる組成物が開示されており、特許文献４には、結合材として鉄鋼スラグを使用し、アルカリ刺激剤として水ガラスを使用してなる組成物が開示されている。
【０００９】
さらに、特許文献５には、結合材として高炉スラグ微粉末を使用し、アルカリ刺激剤として石膏もしくは石膏とポルトランドセメントを使用してなる組成物が開示されている。
【００１０】
上記特許文献で開示されるように、焼成セメントに代わって高炉スラグ微粉末等を主たる結合材とした場合に、水ガラスや水酸化ナトリウムといった取り扱いが極めて難しい溶液状の強アルカリをアルカリ刺激剤として添加するのが一般的である。さらに、普通コンクリートと同程度の強度発現を図るために、組成物の生成過程において高温雰囲気下での蒸気養生といった特別な養生ステップが必須となっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００８−２３９４４６号公報
【特許文献２】特開２００５−６０１８９号公報
【特許文献３】特開２００４−１６８６４０号公報
【特許文献４】特開２００１−２６１３８７号公報
【特許文献５】特開平５−２３８７８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、焼成セメントに代わる結合材を用いることでその生成過程で排出される二酸化炭素量を格段に低減することができ、その生成過程で蒸気養生などの特別な養生を不要とでき、セメントを使用してなるコンクリートと同等かそれ以上の強度を発現することのできるスラグ硬化組成物とその生成方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記目的を達成すべく、本発明によるスラグ硬化組成物は細骨材、粗骨材、石灰石微粉末、結合材であるスラグ微粉末、アルカリ刺激剤である炭酸ナトリウム、コンクリート用化学混和剤および水を主成分とするものである。
【００１４】
本発明のスラグ硬化組成物は、アルカリ刺激剤に炭酸ナトリウムを使用したことを特徴の一つとするものである。
【００１５】
石灰石微粉末（炭酸カルシウム微粉末）を使用したことに加えて、アルカリ刺激剤がＮａ２Ｏ換算アルカリ当量として１０ｋｇ／ｍ３以上含有させることにより、強度発現が改善され、セメントを使用してなるコンクリートと同等かそれ以上の強度発現を期待できる組成物が得られることが本発明者等によって見出されている。なお、アルカリ刺激剤がＮａ２Ｏ換算アルカリ当量として１０ｋｇ／ｍ３以上含有していれば、硬化が可能であることもまた、本発明者等によって見出されている。
【００１６】
結合材であるスラグ微粉末としては、高炉スラグ、鉄鋼スラグ、転炉スラグ、ごみ溶融スラグ、フェロニッケルスラグ、銅スラグなどの微粉末を使用することができ、フレッシュ性状や強度、耐久性を勘案して所望材料が選定される。具体的には、たとえば、ブレーン値４０００ｃｍ２／ｇの高炉スラグ微粉末を使用することができる。
【００１７】
コンクリート用化学混和剤としては、ポリカルボン酸系化合物、ナフタリンスルホン酸ホルマリン高縮合物、リグニンスルホン酸化合物などの市販のコンクリート用化学混和剤を使用することができる。
【００１８】
細骨材、粗骨材ともに、たとえば、ＪＩＳのレディーミクストコンクリートに規定されている、砕石、砕砂、スラグ骨材（フェロニッケルスラグ細骨材、銅スラグ細骨材、電気炉酸化スラグ骨材）、人工軽量骨材、砂利および砂などを使用することができる。
【００１９】
また、（石灰石微粉末の質量）／（スラグ微粉末と石灰石微粉末の合計質量）の質量比が０．３以下の範囲に調整されること、および、（水の質量）／（結合材の質量）の質量比が０．３〜０．５の範囲に調整されることで、このスラグ硬化組成物を材料とした際の２８日強度はセメントを使用してなるコンクリートの２８日強度と同程度またはそれ以上となることが実証されている。
【００２０】
また、本発明によるスラグ硬化組成物の生成方法は、前記スラグ硬化組成物を生成する方法であって、少なくともアルカリ刺激剤以外の前記主成分を混合した後に、アルカリ刺激剤を後添加するものである。
【００２１】
従来の組成物の生成方法では、水ガラス等のアルカリ刺激剤を他の材料と一括して添加し、混合していたが、本発明の生成方法では、アルカリ刺激剤として分散剤の効果をも奏する炭酸ナトリウムを使用することに加え、これを後添加することにより、適度な流動性を有する組成物となり、ワーカビリティーを大幅に改善できることが特定されている。また、石灰石微粉末を添加することで流動性が大幅に改善できることも特定されている。なお、この炭酸ナトリウムからなるアルカリ刺激剤を従来の生成法と同様に他の材料と一括して添加した場合には、流動性が極端に悪くなり、ワーカビリティーを低下させることもまた本発明者等によって特定されている。なお、アルカリ刺激剤の「後添加」には、包装材料で梱包した包装体にアルカリ刺激剤を入れておき、これをステップＳ１で細骨材や粗骨材等と一緒に混合しておき、その後にアルカリ刺激剤が包装体から溶け出すことを含んでいる。この方法によっても、アルカリ刺激剤のみを後添加する方法と実質的に同様の効果が期待できるからである。
【００２２】
この生成方法では、組成物の強度発現のために通常の気中養生や湿潤養生以外の蒸気養生や加熱養生といった特別な養生は一切不要であり（このような特別な養生をおこなってもよいことは勿論のことである）、このような特別な養生を適用しなくても、早期に強度発現が図られることもまた本発明者等によって特定されている。
【発明の効果】
【００２３】
以上の説明から理解できるように、本発明のスラグ硬化組成物とその生成方法によれば、結合材として焼成セメントに代えてスラグ微粉末を使用したことにより、生成過程における二酸化炭素の排出量を大幅に低減することができ、さらに、アルカリ刺激剤として炭酸ナトリウムを使用したことにより、強度発現が改善されてセメントを使用してなるコンクリートと同等かそれ以上の強度発現を期待できる組成物となる。さらに、その生成過程において、少なくともアルカリ刺激剤以外の前記主成分を混合した後に、アルカリ刺激剤を後添加することにより、適度な流動性を有する組成物となってワーカビリティーを大幅に改善することができ、また、蒸気養生や加熱養生といった特別な養生を適用することなく、早期に強度発現を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明のスラグ硬化組成物の生成方法を説明したフロー図である。
【図２】本発明のスラグ硬化組成物を材料とした供試体（実施例）と従来の普通コンクリートを材料とした供試体（比較例）に関する材齢７日と２８日の各種実験結果であり、（ａ）は圧縮強度の結果を示すグラフであり、（ｂ）は曲げ強度の結果を示すグラフであり、（ｃ）は引張強度の結果を示すグラフである。
【図３】図２に続き、（ａ）はヤング率の結果を示すグラフであり、（ｂ）はポアソン比の結果を示すグラフである。
【図４】炭酸ナトリウム添加量（Na2O換算）と圧縮強度の関係を特定した実験結果を示すグラフである。
【図５】石灰石微粉末の添加率と圧縮強度の関係を特定した実験結果を示すグラフである。
【図６】水結合材比と圧縮強度の関係を特定した実験結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図面を参照して本発明のスラグ硬化組成物の生成方法を概説する。図１は、本発明のスラグ硬化組成物の生成方法を説明するフロー図である。
【００２６】
まず、細骨材および粗骨材と、石灰石微粉末と、結合材であるスラグ微粉末と、コンクリート用化学混和剤と水を同時添加して混合する（ステップＳ１）。ここで、結合材であるスラグ微粉末としては、高炉スラグ、鉄鋼スラグ、転炉スラグ、ごみ溶融スラグ、フェロニッケルスラグ、銅スラグなどの微粉末を使用することができ、フレッシュ性状や強度、耐久性を勘案して所望材料が選定される。また、コンクリート用化学混和剤としては、ポリカルボン酸系化合物、ナフタリンスルホン酸ホルマリン高縮合物、リグニンスルホン酸化合物などの市販のコンクリート用化学混和剤を使用することができる。さらに、細骨材、粗骨材ともに、ＪＩＳのレディーミクストコンクリートに規定されている、砕石、砕砂、スラグ骨材（フェロニッケルスラグ細骨材、銅スラグ細骨材、電気炉酸化スラグ骨材）、人工軽量骨材、砂利および砂などを使用することができる。
【００２７】
ここで、（石灰石微粉末の質量）／（スラグ微粉末と石灰石微粉末の合計質量）の質量比が０．３以下の範囲に調整され、（水の質量）／（結合材の質量）の質量比が０．３〜０．５５の範囲に調整されるのがよい。
【００２８】
次に、ステップＳ１で添加混合されてなるスラリーに対してアルカリ刺激剤である炭酸ナトリウムを後添加し、混合することによってスラグ硬化組成物を生成する（ステップＳ２）。
【００２９】
ここで、アルカリ刺激剤がＮａ２Ｏ換算アルカリ当量として１０ｋｇ／ｍ３以上含有されていることにより、強度発現が改善されてセメントを使用してなるコンクリートと同程度の強度発現を期待できる組成物となることが本発明者等によって実証されている（以下の実験結果を参照）。
【００３０】
また、アルカリ刺激剤として分散剤の効果をも奏する炭酸ナトリウムを使用することに加え、これを後添加することにより、適度な流動性を有する組成物となり、ワーカビリティーを大幅に改善することができる。なお、この「後添加」には、包装材料で梱包した包装体にアルカリ刺激剤を入れておき、これをステップＳ１で細骨材や粗骨材等と一緒に混合しておき、その後にアルカリ刺激剤が包装体から溶け出すことを含んでいる。この方法によっても、アルカリ刺激剤のみを後添加する方法と実質的に同様の効果が期待できるからである。
【００３１】
なお、上記する生成方法によれば、蒸気養生や加熱養生といった特別な養生をおこなうことなく、早期に強度発現を図ることができ、生成効率が高く、生成の際の設備コストが嵩むといった問題も生じ得ない（早期に強度発現可能であることは、以下の実験結果を参照）。また、組成物に焼成セメントを一切使用しないことから、組成物を構成する各種成分を生成する過程で二酸化炭素の排出量を大幅に低減することができ、本発明者等による試算によれば、普通コンクリート用材料を生成する際の二酸化炭素排出量の８０％程度を削減できるとの知見が得られている。
【００３２】
[本発明のスラグ硬化組成物を材料とした供試体（実施例）と従来の普通コンクリートを材料とした供試体（比較例）を用いた材齢７日と２８日の各種実験とその結果]
本発明者等は、以下の表１で示す配合からなる本発明のスラグ硬化組成物を材料とした供試体（実施例）と、表１中の高炉スラグ微粉末をセメントに代えて普通コンクリートを材料とした供試体（比較例）を試作し、それぞれの材齢７日と２８日における、圧縮強度と曲げ強度、引張強度、ヤング率およびポアソン比を測定した。図２ａに圧縮強度の結果を、図２ｂに曲げ強度の結果を、図２ｃに引張強度の結果をそれぞれ示しており、図３ａにヤング率の結果を、図３ｂにポアソン比の結果をそれぞれ示している。
【００３３】
[表１]  
0005743650.tif 000002
ここで、配合は、Na2CO3:19.3kg/m3、W/BFS:0.5、s/a:0.43
W:水、BFS：高炉スラグ微粉末、LSP：石灰石微粉末（炭酸カルシウム）、S：細骨材、G：粗骨材、Alk：アルカリ刺激剤、Ad：高性能減水剤、AE：AE剤
【００３４】
実施例の生成過程においては、比較例のセメントを使用したコンクリートと同様にコンクリートミキサーにて生成することができた。
【００３５】
また、強度発現のために蒸気養生等の特別な養生法を適用する必要はなかった。
【００３６】
図２ａで示す圧縮強度の結果より、比較例の材齢２８日の49.1N/mm2に対して、実施例は40.9N/mm2であり、比較例に近い十分な圧縮強度が発現されていることが実証されている。
【００３７】
また、図２ｂ、ｃで示す曲げ強度や引張強度に関しては、比較例よりも実施例の結果が上回っており、圧縮、曲げ、引張という全ての強度特性に関して優れた供試体となっていることが実証されている。
【００３８】
さらに、図３ａ，ｂで示すヤング率やポアソン比に関しては、実施例の結果は比較例と同程度の結果が得られており、強度特性と変形特性がともにセメントを使用したコンクリートと同程度の特性となっていることが実証されている。
【００３９】
[アルカリ刺激剤の種類と圧縮強度の関係を特定した実験とその結果]
本発明者等は、アルカリ刺激剤の種類を種々変化させて表２で示す配合のもとで各種の供試体を作成し、供試体ごとの２８日強度を測定する実験をおこなった。実験結果を同表に示す。
【００４０】
[表２]  
0005743650.tif 000003
【００４１】
表２より、アルカリ刺激剤として炭酸ナトリウムを使用した供試体の圧縮強度は他の供試体に比して格段に高い結果となっており、水酸化カルシウムや水酸化ナトリウム、水酸化カリウムの場合に比して３割程度も高くなることが実証されている。この実験結果からも、アルカリ刺激剤として炭酸ナトリウムを使用するのがよいと結論付けることができる。
【００４２】
[炭酸ナトリウム添加量と圧縮強度の関係を特定した実験とその結果]
本発明者等は、以下の表３で示すように、アルカリ刺激剤である炭酸ナトリウムの含有量（Ｎａ２Ｏ換算アルカリ当量）を種々変化させて表３で示す配合のもとで各種の供試体を作成し、供試体ごとの２８日強度を測定する実験をおこなった。実験結果を表３の右欄および図４に示す。
【００４３】
[表３]  
0005743650.tif 000004
【００４４】
図４においては、各実験結果のプロットをもとに近似曲線を作成している。そして、この近似曲線より、Na2O換算添加量で１０(kg/m3)がグラフの変曲点となり、この点を境界に圧縮強度は大きく変化する（それよりも少ない範囲で圧縮強度は急激に低下し、それ以上の範囲では同程度の圧縮強度にサチュレートする）ことが実証されている。この実験結果より、アルカリ刺激剤である炭酸ナトリウムがＮａ２Ｏ換算アルカリ当量として１０ｋｇ／ｍ３以上含有されているのが好ましいと結論付けることができる。
【００４５】
[石灰石微粉末の添加率と圧縮強度の関係、および、水結合材比と圧縮強度の関係をそれぞれ特定した実験とそれらの結果]
本発明者等は、以下の表４で示すように、スラグ微粉末と石灰石微粉末の質量比を種々変化させて供試体を作成し、供試体ごとの材齢２８日圧縮強度を測定する実験をおこなった。実験結果を表４の右欄および図５に示す。また、以下の表５で示すように、水結合材比を種々変化させて供試体を作成し、供試体ごとの材齢２８日圧縮強度を測定する実験をおこなった。実験結果を表５の右欄および図６に示す。
【００４６】
[表４]  
0005743650.tif 000005
【００４７】
[表５]  
0005743650.tif 000006
【００４８】
図５においては、各実験結果のプロットをもとに近似曲線を作成している。そして、この近似曲線より、（石灰石微粉末の質量）／（スラグ微粉末と石灰石微粉末の合計質量）の質量比：０．３がグラフの変曲点となり、この点を境界に圧縮強度は大きく変化する（それよりも少ない範囲で圧縮強度は漸増し、それ以上の範囲では圧縮強度が急激に低下する）ことが実証されている。この実験結果より、（石灰石微粉末の質量）／（スラグ微粉末と石灰石微粉末の合計質量）の質量比が０．３以下の範囲が好ましいと結論付けることができる。
【００４９】
一方、図６においては、各実験結果のプロットをもとに近似曲線を作成している。そして、この近似曲線より、（水の質量）／（結合材の質量）の質量比：０．５５がグラフの変曲点となり、この点を境界に圧縮強度は大きく変化する。（それよりも少ない範囲で圧縮強度は漸増し、それ以上の範囲では圧縮強度が急激に低下する）ことが実証されている。この実験結果より、（水の質量）／（結合材の質量）の質量比が０．３〜０．５５の範囲が好ましいと結論付けることができる。
【００５０】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【図１】
0005743650.tif 000007
【図２】
0005743650.tif 000008
【図３】
0005743650.tif 000009
【図４】
0005743650.tif 000010
【図５】
0005743650.tif 000011
【図６】
0005743650.tif 000012