(57)【要約】【課題】  蒸気養生条件および通常の養生条件での高強度コンクリートにおいて、ひび割れの発生をできるだけ抑制したセメントやコンクリートの分野で使用される混和材およびセメント組成物をより経済的に提供することである。【解決手段】  II型無水石膏１００重量部と、シリカフューム２０から３００重量部と、９０μｍ以上の粒子が１から１０％の高炉スラグ粉末２０から３００重量部とを主成分とするセメント混和材およびII型無水石膏１００重量部と、シリカフューム２０から３００重量部と、９０μｍ以上の粒子が１から１０％の高炉スラグ粉末２０から３００重量部と膨張材１０から１００重量部とを主成分とするセメント混和材とこれらのセメント混和材６から５０重量部とセメント１００重量部とからなるセメント組成物によって達成される。 【特許請求の範囲】
【請求項１】
II型無水石膏１００重量部と、シリカフューム２０から３００重量部と、９０μｍ以上の粒子が１から１０％の高炉スラグ粉末２０から３００重量部とを主成分とするセメント混和材。
【請求項２】
II型無水石膏１００重量部と、シリカフューム２０から３００重量部と、９０μｍ以上の粒子が１から１０％の高炉スラグ粉末２０から３００重量部と膨張材１０から１００重量部とを主成分とするセメント混和材。
【請求項３】
セメント１００重量部と請求項１もしくは請求項２記載のセメント混和材６から５０重量部を主成分とするセメント組成物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はセメント混和材およびそれを含有したセメント組成物に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、蒸気養生条件および通常の養生条件で高強度を得る方法として、II型無水石膏、シリカフューム、１２μｍ以下の粒子が６０％以上の高炉スラグ微粉末とを配合したセメント混和材を使用する方法が知られている。
II型無水石膏はコンクリートの収縮低減と高強度を図るために、セメントあるいはコンクリートの混和材として使用されてきた。シリカフュームはコンクリートの高強度および低水セメント比におけるコンクリートの流動性の確保を図るために使用されている。１２μｍ以下の粒子が６０％以上の高炉スラグ微粉末を使用すると、II型無水石膏およびシリカフューム単独で使用する場合より高い強度が得られ、かつ、耐久性、特に塩素イオンの浸透抵抗性に優れたコンクリート成形体が得られる。
一方、自己収縮の低減と温度上昇量の低減には、高炉スラグの粉末度は小さい方が好ましいことが知られている。
【特許文献１】特開平２−３０２３４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
近年、温度ひび割れ、乾燥収縮ひび割れだけでは説明できない新たなひび割れ事例が顕在化してきた。一般に高強度コンクリートは低水セメント比で使用され、自己収縮は水セメント比が小さくなるほど大きくなり、８０Ｎ／ｍｍ２以上の超高強度コンクリートでは特に自己収縮が顕著となる。この自己収縮が大きくなる現象は高炉スラグ微粉末の粉末が細かくなるほど顕著に現れる。また、細かい高炉スラグ微粉末になるほど水和における温度依存性が高くなり、コンクリートの温度が上昇し温度応力によるひび割れの危険が高くなる。シリカフュームも自己収縮を大きくする材料の一つであるがシリカフュームを用いないで流動性のある超高強度コンクリートを得ることは困難であるために使用せざるを得ない。一方、II型無水石膏は自己収縮を低減する効果があることが知られている。しかしながら、このような従来の技術では、高流動性を確保し、かつ自己収縮の小さい超高強度コンクリートを作るのが難しいという課題があった。
【０００４】
したがって、本発明の目的は、蒸気養生条件および通常の養生条件での高強度コンクリートにおいて、ひび割れの発生をできるだけ抑制したセメントやコンクリートの分野で使用される混和材およびセメント組成物をより経済的に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、これまで研究がなされてこなかった粗いスラグとII型無水石膏とシリカフュームならびに膨張材からなる混和材に着目し、鋭意研究し、この混和材は蒸気養生条件および通常の養生条件での高強度コンクリートの自己収縮の低減と温度上昇の低減に効果があることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明の目的は、請求項１に記載の通り、II型無水石膏１００重量部と、シリカフューム２０から３００重量部と、９０μｍ以上の粒子が１から１０％の高炉スラグ粉末２０から３００重量部とを主成分とするセメント混和材およびこの混和材６から５０重量部とセメント１００重量部からなるセメント組成物によって達成される。
さらに、本発明の目的は、請求項２に記載の通り、II型無水石膏１００重量部と、シリカフューム２０から３００重量部と、９０μｍ以上の粒子が１から１０％の高炉スラグ粉末２０から３００重量部と膨張材１０重量部から１００重量部とを主成分とするセメント混和材および請求項３に記載の通り、請求項１もしくは請求項２に記載の混和材６から５０重量部とセメント１００重量部からなるセメント組成物によって達成される。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、温度応力、自己収縮、乾燥収縮などに起因するコンクリートのひび割れ発生の危険をできるだけ低減することが可能となる。また、本発明の混和材およびセメント組成物には９０μｍ以上の粒子が１から１０％の粗いスラグが使用されており、粉砕時の電力削減はもとより炭酸ガスの削減に大きく貢献するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明のスラグは、９０μｍ以上の粒子が１から１０％であることを特徴とする。９０μｍ以上の粒子が１０％以上のスラグでは、強度発現に悪影響を及ぼすので好ましくない。また、９０μｍ以上の粒子が１％以下のスラグでは、コンクリートの断熱温度上昇量を低減する効果が小さくなり好ましくないばかりか、ポルトランドセメントとスラグおよびII型無水石膏からなる結合材の水和収縮に伴うコンクリートの自己収縮を低減する効果が小さくなる。高強度コンクリートは単位セメント量が７００ｋｇ／ｍ３から１０００ｋｇ／ｍ３と通常のコンクリートより多く、セメントの水和発熱によってコンクリート中の温度が上昇するため、高炉スラグの水和反応が活発となり９０μｍ以上の粒子が１から１０％の高炉スラグ粉末を使用しても高強度コンクリートの強度発現は問題ない。また、蒸気養生条件下でも４０℃以上の蒸気で養生すれば高炉スラグの水和反応が活発となり９０μｍ以上の粒子が１から１０％の高炉スラグ粉末を使用しても強度発現は問題ない。
【０００８】
II型無水石膏には、天然無水石膏、フッ酸無水石膏、天然２水石膏や副産２水石膏あるいは廃石膏ボードから回収した２水石膏を焼成して製造したII型無水石膏があるが、本発明では、II型無水石膏が９０％以上含有しているII型無水石膏であれが、すべて使用できる。また、粉末度は特に限定しないが、ブレーン比表面積で３０００から８０００ｃｍ２／ｇ、好ましくは４０００から６０００ｃｍ２／ｇである。
II型無水石膏は、コンクリートの初期強度改善と断熱温度上昇を抑制する働きがあるとともにポルトランドセメント中のＣ３Ａと反応してエトリンガイトを生成することで自己収縮や乾燥収縮の低減に寄与する。また、本発明は、本発明で使用する高炉スラグは従来の高炉スラグに比べて粗いため水和反応速度が遅く初期強度発現が小さくなるのをII型無水石膏によるエトリンガイト生成に伴う水和組織の緻密化で補うことができるという材料設計の基になされている。
【０００９】
シリカフュームは特に限定しないがＪＩＳ  Ａ  ６２０７で規定されるものが好ましい。
【００１０】
市販の膨張材には、例えば太平洋マテリアル社の「Ｎ−エクスパン」、「ハイパーエクスパン」および電気化学工業社の「ＣＳＡ」などがあるが、膨張材はＪＩＳ  Ａ  ６２０２で規定されるものであれば特に限定しない。これらの膨張材にはフリーのＣａＯとＣａＳＯ４が含まれており、さらにアーウイン鉱物（Ｃ４Ａ３ＳＯ３）を含むものもある。これらの比率は使用目的に応じて変化させているが、基本的にはＣａＯの水和による膨張とエトリンガイトの生成による膨張を利用している。本発明ではこれらの膨張材を使用する目的は、自己収縮の低減であり、ケミカルプレストレストを導入する膨張を期待するものではない。したがって、II型無水石膏１００重量部に対して、シリカフューム２０から３００重量部と、９０μｍ以上の粒子が１から１０％の高炉スラグ粉末２０から３００重量部と、膨張材１０から１００重量部とし、膨張材の比率を低くした。
【００１１】
ポルトランドセメントには、早強、普通、中庸熱、低熱、エコセメントがあるが、本発明ではいずれのポルトランドセメントも使用できる。
【００１２】
II型無水石膏、シリカフューム、高炉スラグ粉末を主成分とする本発明のセメント混和材およびII型無水石膏、シリカフューム、高炉スラグ粉末と膨張材を主成分とする本発明のセメント混和材の使用量は、セメント１００重量部に対し、６から５０重量部が好ましい。特に、セメント１００重量部に対し、II型無水石膏、シリカフューム、高炉スラグ粉末の各成分は２から１０重量部となるように使用することがより好ましい。
II型無水石膏、シリカフューム、高炉スラグ粉末が各２重量部未満では、強度発現性や耐久性を改善する効果が小さくなる。また、各々が１０重量部を超えると、コンクリート中の水酸化カルシウムがなくなり、中性化だけではなく、プレストレスト成形体のＰＣ鋼棒の発錆が懸念されるため好ましくない。
膨張材はセメント１００重量部に対して、１から５重量部になるように使用することがより好ましい。膨張材が１重量部未満では自己収縮を低減する効果が少なく、使用する膨張材の種類によっては５重量部でも膨張側になり強度低下するので膨張側にならない範囲で使用することが最も好ましい。
【００１３】
本発明のセメント混和材を用いてセメント成形体を製造するにあたり、必要に応じて、減水剤、ＡＥ減水剤、促進剤および遅延剤等の化学混和剤を併用することができる。特に、減水剤の使用は好ましく、減水剤の中でも高性能減水剤の使用はより好ましい。
高性能減水剤はナフタレンスルホン酸ホルムアルデヒド縮合物の塩、メラニンスルホン酸ホルムアルデヒド縮合物の塩、リグニンスルホン酸塩およびポリカルボン酸塩を主成分とするものがあり、種類は特に限定しないが、低水セメント比で使用される高強度コンクリートではポリカルボン酸塩が好ましい。
高性能減水剤の使用量は特に限定されるものではないが、固形分換算でセメント１００重量部に対し０．５から２重量部が好ましい。
【００１４】
本発明のセメント混和材とセメント、砂、砂利、適量の水および減水剤を配合して、モルタル・コンクリートを混練するにあたり、本発明のセメント混和材は予めセメントに混合してセメント組成物としてもよいし、混練時直接ミキサーへセメント混和材または各々の成分を別々に混合してもよく、さらに、水に分散させスラリー状で混合してもよい。また、膨張材等の混和材を必要に応じて使用できる。
混練方法としては、特に制限されるものではなく、モルタル・コンクリートで通常実施される方法が利用できるが、Ｗ／Ｃ比が約２５％以下の高強度コンクリートの場合は、モルタルを練混ぜて、その後粗骨材を投入して練混ぜる方法が好ましい。
【００１５】
本発明のセメント混和材およびセメント組成物を用いて製造した高強度コンクリートの成形方法は遠心力成形、プレス成形、押し出し成形、抄造、振動成形および振動成形して遠心力成形、流し込み生計等の常法が使用できる。
また、コンクリート成形体を常圧蒸気養生する場合は、養生槽あるいは養生シート内の雰囲気温度が４０から６０℃の範囲で行うことが重要である。雰囲気温度が６０℃を超える温度で養生すると、コンクリート内部の温度は６０℃以上の高温となり強度発現に悪影響するので好ましくない。すなわち、コンクリートの内部温度が８０℃以下、好ましくは６０℃程度の温度になるように管理することが好ましい。
以上のように成形される高強度コンクリート成形体としては、例えば、コンクリートパイル、ボール、ヒューム管、鋼管複合パイルおよび鋼管ライニング等の遠心力成形体、ボックスカルバート、セグメント、コンクリート枕木、矢板、橋脚および橋桁等のプレストレストコンクリートを含むプレキャスト成形体などが挙げられる。
【００１６】
本発明のセメント混和材およびセメント組成物を用いて、ＪＩＳ  Ａ  ５３０８で規定されるレディミクストコンクリートを製造する工場において、砂、砂利、適量の水および減水剤を用いて高強度用の生コンクリートを製造し、かつ、高強度のコンクリート構造物を製造できる。Ｗ／Ｃ比が２５％以下の高強度コンクリートにおいては、セメントと本発明のセメント混和材または本発明のセメント組成物、砂、適量の水と減水剤でモルタルを練る混ぜてから砂利を投入してコンクリートを練混ぜる方法が好ましい。
【００１７】
以下に実施例、比較例を記載するが、実施例、比較例に用いたコンクリートの材料は次の通りである。
普通ポルトランドセメント  記号  Ｎ  比表面積3200ｃｍ２／ｇ  密度3.14太平洋社製
低熱ポルトランドセメント  記号  Ｌ  比表面積3400ｃｍ２／ｇ  密度3.22太平洋社製
高炉スラグ    記号  BS28  比表面積2800ｃｍ２／ｇ  密度2.92  90μフルイ残分3.1％
記号  BS39  比表面積3870ｃｍ２／ｇ  密度2.92  90μフルイ残分0.3％
記号  BS62  比表面積6230ｃｍ２／ｇ  密度2.92  90μフルイ残分0.0％
記号  BS82  比表面積8240ｃｍ２／ｇ  密度2.92  90μフルイ残分0.0％
天然無水石膏  記号  ＡＧ  比表面積  4320ｃｍ２／ｇ  密度2.91
シリカフューム  記号ＳＦ  密度2.24  ノルウェー産
膨張材        記号  ＥＸ  密度3.20  太平洋マテリアル産「Ｎ−エクスパン」
細骨材        記号  Ｓ    密度2.63  大月市初狩町産砕砂
粗骨材        記号  Ｇ    密度2.63  最大寸法20ｍｍ  大月市初狩町産砕石
高性能減水剤  記号  ＡＥ  ポリカルボン酸エーテル系  ポゾリスＳＰ８ＨＵ
水            記号  Ｗ    水道水
【００１８】
実施例及び比較例のコンクリート試験に用いたセメント組成物の配合を、記号を使用して図１の表１に記載した。
【００１９】
実施例および比較例のコンクリートの配合を、記号を使用して図２の表２に記載した。
【実施例１】
【００２０】
フレッシュコンクリートの性質と圧縮強度（標準水中養生）を測定し、その結果を図３の表３に記載した。
【００２１】
表３の結果により、コンクリートのフレッシュ性状はセメント組成物に関わらす同程度であった。本発明である実施例ＮＯ４，６の２０℃標準水中養生の材齢１日強度は比較例であるＮＯ１，２，３に比べてやや低い強度であるが、２８日では比較例と同等の強度である。実施例ＮＯ６の膨張材を含む系では、材齢１日強度が増進する。
【実施例２】
【００２２】
コンクリートの自己収縮試験は、ＪＣＩ自己収縮研究委員会の「セメントペースト、モルタルおよびコンクリートの自己収縮および自己膨張試験方法（案）」（ＪＣＩ−１９９６）により行った。本試験は２０℃における自己収縮試験である。その結果を、図４の表４に記載した。
【００２３】
表４の結果により、高炉スラグ粉末の粉末度が大きいほど自己収縮が大きい結果となった。粒子が大きい高炉スラグ粉末を用いた実施例では、自己収縮の小さいとされる低熱ポルトランドセメントーシリカヒューム系のセメント組成物と同等以下の自己収縮であった。高炉スラグ粉末の粒子が大きいスラグを用いることで、自己収縮を低減できることが明らかとなった。さらに、膨張材を用いることによって自己収縮をより低減できることが明らかとなった。
【実施例３】
【００２４】
厚さ２０ｃｍの発泡ポリスチレン製の簡易断熱槽内に供試体を置き、簡易断熱養生での圧縮強度および供試体中心部の温度を測定し、その結果を図５の表５に記載した。また、表５に６０℃の温水で養生した結果も記載した。
【００２５】
発泡ポリスチレン製の簡易断熱槽内に供試体を置いたことにより、高強度コンクリートの高粉体量のため高い水和発熱による高い温度上昇が再現されている。その中でも実施例の最高温度は３９℃と比較例に比べて低い温度であった。このことは、粒子が大きい高炉スラグ粉末は水和発熱が小さいことを示している。膨張材を使用した実施例ＮＯ６では実施例ＮＯ４と比べて約１℃最高温度が高くなった。
発泡ポリスチレン製の簡易断熱槽内の養生または６０℃温水養生条件下においては、粒子が大きい高炉スラグ粉末を用いた実施例ＮＯ４，６の材齢７日強度は比較例と同等以上であった。
【実施例４】
【００２６】
厚さ２０ｃｍの発泡ポリスチレン製の簡易断熱槽内に供試体を置き、コンクリートの自己収縮をＪＣＩ自己収縮研究委員会の「セメントペースト、モルタルおよびコンクリートの自己収縮および自己膨張試験方法（案）」（ＪＣＩ−１９９６）により行った。その結果を、図６の表６に記載した。
【００２７】
簡易断熱状態の自己収縮は、２０℃の自己収縮に比べ４倍以上の収縮量を示した。これは初期に高い温度履歴を受けたため、初期の水和が促進されたためである。
高い温度履歴を受けても、粒子が大きい高炉スラグ粉末を用いた実施例では、自己収縮の小さいとされる低熱ポルトランドセメントーシリカフューム系のセメント組成物より自己収縮が小さくなった。高い温度履歴を受ける高強度コンクリートでは、高炉スラグ粉末の粒子が大きいスラグを用いた方がより自己収縮の低減効果が大きいことが認められた。さらに、膨張材を用いることによって自己収縮をさらに低減できることが明らかとなった。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】実施例及び比較例のコンクリート試験に用いたセメント組成物の配合を示す図表
【図２】実施例および比較例のコンクリートの配合を、記号を使用して示す図表
【図３】フレッシュコンクリートの性質と圧縮強度（標準水中養生）の測定結果を示す図表
【図４】２０℃におけるコンクリート自己収縮試験結果を示す図表
【図５】簡易断熱養生と６０℃の温水で養生での圧縮強度および供試体中心部の温度の測定結果を示す図表
【図６】簡易断熱養生におけるコンクリート自己収縮試験結果を示す図表
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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