(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セメントに、ＰＦＢＣ灰を混合してなる無収縮セメントに水を混合してなる充填材であって、前記セメントと前記ＰＦＢＣ灰とを、７：３の重量比で混合してなることを特徴とする充填材。
【請求項２】
前記セメントは、ＪＩＳ規格に規定されるセメントであることを特徴とする請求項１に記載の充填材。
【請求項３】
前記水と前記無収縮セメントとを、１：３の重量比で混合してなることを特徴とする請求項１又は２に記載の充填材。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかに記載の充填材に、水と細骨材とを混合してなることを特徴とする充填材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は充填材に係り、特に、低コスト、かつ環境への負荷が少ない無収縮セメントを用いた充填材に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、コンクリート構造物に生じるひび割れを抑制するために配合される材料、また構造物間の隙間をなくして一体化させるための充填材として、無収縮セメントが用いられており、水力発電所においても、例えばフランシス水車の施工の際に用いられる。
【０００３】
具体的には、水車の中心軸に設置されるランナを回転させるために水流を渦状に案内する渦形室（ケーシング）に、渦形室の渦の中心に案内された水を外部に排出するための出口に接続される吸出し管（ドラフト）を接続する際に、これら渦形室と吸出し管との間を接続部品で接続するとともに、その接続部の周囲に硬化材を充填して固定する。この硬化材に無収縮セメントが利用されており、これにより長期間安定して接続部の強度及び密閉性が保持される。
【０００４】
かかる無収縮セメントとしては、一般に、セメントにエトリンガイト系や石灰系の膨張剤が配合されており、水との混合によりエトリンガイトや水酸化カルシウム等の膨張性水和物が生成されることにより収縮が抑制される。
【０００５】
例えば、特許文献１には、普通ポルトランドセメントと、高炉水砕スラグ粗粉と、ＣａＳＯ４、アウイン、ＣａＯのうちの少なくとも２種以上の成分を含む膨張剤とからなる無収縮セメントが開示されている。これは、アウインやＣａＳＯ４はセメント成分と反応してエトリンガイトを形成し、ＣａＯは水和反応により水酸化カルシウムになることを利用して膨張性水和物を生成させている。
【特許文献１】特開２００７−２１７１９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載されるような膨張剤には、専用に製造されたものを用いているため材料コストが嵩むことから、無収縮セメントが高価になっていた。 
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、低コストの無収縮セメントを用いた充填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】
【０００７】
上記の目的を達成するため、本発明は、セメントに、ＰＦＢＣ灰を混合してなる無収縮セメントに水を混合してなる充填材であって、前記セメントと前記ＰＦＢＣ灰とを、７：３の重量比で混合してなることを特徴とする（第１の発明）。
【０００８】
本発明の充填材によれば、セメントに、加圧流動床式複合発電（Ｐｒｅｓｓｕｒｉｚｅｄ Ｆｌｕｉｄｉｚｅｄ Ｂｅｄ Ｃｏｍｂｕｓｉｏｎ，ＰＦＢＣ)方式の石炭火力発電所から廃棄物として排出されるＰＦＢＣ灰を混合してなる無収縮セメントに水を混合している。すなわち、ＰＦＢＣ灰は、生成過程で石炭と石灰石微粉末の混合燃焼、炉内脱硫、及び低い燃焼温度等の理由によりＣａＯやＳＯ３を多く含むことから、水和反応によりエトリンガイトや水酸化カルシウム等の膨張性水和物を生成し、これにより無収縮性を有する。このため、本来であれば廃棄されるＰＦＢＣ灰を無収縮セメントの材料として有効利用でき、低コストで製造することができる。また、リサイクル製品の積極的使用に貢献することにより環境循環型社会の形成に寄与することができる。
また、前記セメントと前記ＰＦＢＣ灰とが７：３の重量比で混合されていることにより、通常のコンクリート構造物の設計に要求される強度が得られる。
【０００９】
さらに、本発明の充填材を構成する無収縮セメントは、後述する実験結果によれば、その耐収縮性の点において、市販の無収縮セメントより優れる性能を有する。
【００１０】
第２の発明は、第１の発明において、前記セメントは、ＪＩＳ規格に規定されるセメントであることを特徴とする。
【００１３】
第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記水と前記無収縮セメントとを、１：３の重量比で混合してなることを特徴とする。
本発明の充填材によれば、上記重量比で無収縮セメントに水を混合することにより、施工にあたって取り扱いの良い流動性を確保できる。
【００１４】
第４の発明は、第１〜第３の発明の充填材に細骨材を混合してなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、低コストの無収縮セメントを用いた充填材を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面に基づき詳細に説明する。  
図１は、本実施形態に係る無収縮セメントの構成材料の配合比率、及び無収縮セメントに混ぜる水の混合比率を示す表である。  
図１に示すように、本実施形態に係る無収縮セメントは、セメントと、ＰＦＢＣ灰とを混合したものである。
【００１８】
セメントとしては、例えば、ポルトランドセメント（ＪＩＳ  Ｒ  ５２１０）を用いることができる。具体的には、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、超早強ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメント、低熱ポルトランドセメント、耐硫酸塩ポルトランドセメント、又は低アルカリ形ポルトランドセメントの何れを用いてもよい。  
また、これに限らず、高炉セメント（ＪＩＳ  Ｒ  ５２１１）、フライアッシュセメント（ＪＩＳ  Ｒ５２１３）、又はシリカセメント（ＪＩＳ  Ｒ  ５２１２）等の混合セメントを用いてもよい。  
すなわち、日本工業規格（ＪＩＳ，Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ）で規定されるセメントを用いることができる。
【００１９】
ＰＦＢＣ灰とは、加圧流動床式複合発電（Ｐｒｅｓｓｕｒｉｚｅｄ  Ｆｌｕｉｄｉｚｅｄ  Ｂｅｄ  Ｃｏｍｂｕｓｉｏｎ，ＰＦＢＣ）方式の石炭火力発電所から排出される灰をいう。ＰＦＢＣ方式の発電所では、石炭と石灰石を混合燃焼するため、主成分のＣａＯ量が一般の石炭灰に比べて多く、自硬性を有する特徴を持つ。
【００２０】
ＰＦＢＣ灰は、発電プラントの数箇所から発生し、その発生場所によりＢＭ灰とＦＡ灰に分類される。  
ＢＭ灰(＝Ｂｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ａｓｈ)は、ボイラ周辺から取り出されるため、ボイラ内部の流動媒体(＝ＢＭ)として使用される石灰石の成分であるＣａＯの含有率が多く、また、不規則な形状の粒子から成りたち、砂と同じ粒度分布をしている。ＦＡ灰は集じん装置により集められ、主成分のＣａＯ，ＳＯ３量が従来のフライアッシュに比べて多い特徴を有する。  
本実施形態に係るＰＦＢＣ灰としては、ＢＭ灰又はＦＡ灰の何れを用いてもよい。
【００２１】
また同図に示すように、無収縮セメントは、セメントを７０重量部、ＰＦＢＣ灰を３０重量部の重量比で混合したものである。
【００２２】
そして、実際にこの無収縮セメントを使用する際には、無収縮セメントに対して水を、例えば、水と無収縮セメントとの重量比が１：３になるように混合し、セメントペーストを作製する。
【００２３】
このように作製されたセメントペーストは、ＰＦＢＣ灰内に多く含まれるＣａＯやＳＯ３が水和反応によりエトリンガイトや水酸化カルシウム等の膨張性水和物を生成し、これにより収縮が抑制される。これにより、このセメントペーストは、構造物間の隙間をなくして一体化させるための充填材として利用することができる。
【００２４】
例えば、水車の中心軸に設置されるランナを回転させるために水流を渦状に案内する渦形室（ケーシング）に、渦形室の渦の中心に案内された水を外部に排出するための出口に接続される吸出し管（ドラフト）を接続する際に、これら渦形室と吸出し管との間を接続部品で接続するとともに、その接続部の周囲に硬化材を充填して固定する。この硬化材に本実施形態の無収縮セメントを利用することができる。これにより、長期間安定して接続部の強度及び密閉性が保持される。
【００２５】
次に、この配合からなるセメントペーストの性能を検討するための各種試験を行ったのでその詳細について以下に説明する。
【００２６】
図２は、各種試験に用いた供試体の組成材料の詳細性状を示す表である。  
図２に示すように、本実施形態の無収縮セメントを構成するＰＦＢＣ灰（Ｐ）には、密度２．６１ｇ／ｃｍ３、比表面積４５８０ｃｍ２／ｇの性状を有する原粉（ワンボ炭１００％）を、セメントには、密度３．１６ｇ／ｃｍ３、比表面積３３４０ｃｍ２／ｇの性状を有する普通ポルトランドセメント（Ｃ１）を用いた。
【００２７】
これに対し比較用の供試体の材料として、密度３．０５ｇ／ｃｍ３、比表面積３４００ｃｍ２／ｇの性状を有する市販の無収縮セメント（Ｃ２）を用いた。具体的には、太平洋マテリアル株式会社製の太平洋ユーロックスセメントを用いた。
【００２８】
図３は、各種試験に用いた供試体を構成するセメントペーストの組成材料の重量比、及び混合した水の重量比を示す表である。  
図３に示すように、本検討では図２で示した材料を用いて４種類（Ｃ（１）１００，Ｃ（２）１００，Ｃ（１）７０−Ｐ３０，Ｐ１００）のセメントペーストを作製した。
【００２９】
Ｃ（１）１００は、セメントとして普通ポルトランドセメント（Ｃ１）を１００重量部（１５３９ｋｇ／ｍ３）用い、これに対し水を、水とセメントとの重量比が１：３になるように混合したセメントペーストである（＝水：５１３ｋｇ／ｍ３）。すなわち、Ｃ（１）１００は、普通ポルトランドセメントのみからなる。
【００３０】
Ｃ（２）１００は、セメントとして市販の無収縮セメント（Ｃ２）を１００重量部（１５１２ｋｇ／ｍ３）用い、これに対し水を、水とセメントとの重量比が１：３になるように混合したセメントペーストである（＝水：５０４ｋｇ／ｍ３）。すなわち、Ｃ（２）１００は、市販の無収縮セメントのみからなる。
【００３１】
Ｃ（１）７０−Ｐ３０は、本実施形態に係る無収縮セメントからなるセメントペーストであり、上述のように、セメントとして普通ポルトランドセメント（Ｃ１）を７０重量部（１０４６ｋｇ／ｍ３）、及びＰＦＢＣ灰（Ｐ）を３０重量部（４４８ｋｇ／ｍ３）の重量比で混合したもの（総重量１４９４ｋｇ／ｍ３）を用い、これに対し水を、水とセメントとの重量比が１：３になるように混合したものである（＝水：４９８ｋｇ／ｍ３）。
【００３２】
Ｐ１００は、セメントとしてＰＦＢＣ灰（Ｐ）を１００重量部（１１３２ｋｇ／ｍ３）用い、これに対し水を、水とセメントとの重量比が１：２になるように混合したセメントペーストである（５６６ｋｇ／ｍ３）。すなわち、Ｐ１００は、ＰＦＢＣ灰のみからなる。
【００３３】
ここで、Ｐ１００については、混合する水の重量比率が他のセメントペーストよりも多いのは、ＰＦＢＣ灰（Ｐ）の密度が普通ポルトランドセメント（Ｃ１）よりも小さいことにより、他の供試体と同様の重量比で水を混合すると流動性が確保できないためである。
【００３４】
本検討では、このような４種類のセメントペーストを用いて供試体を作製し、圧縮試験（ＪＩＳ  Ａ  １１０８）、及び長さ変化試験（ＪＩＳ  Ａ  １１２９−２）を実施した。
【００３５】
図４は、本検討で実施した各試験についての試験の流れを示すフローである。  
図４に示すように、圧縮試験では、供試体型枠にセメントペーストを打設し（材齢０日）、その１日後に脱型して供試体を作製した（材齢１日）。なお、供試体としては、φ５０ｍｍ×１００ｍｍの円柱形のものを、上記説明した４種類のセメントペーストについて夫々３個作製した。そして、これらの供試体を湿潤養生しながら、材齢１日、材齢７日、材齢２８日における圧縮強度及び密度を測定するのに用いた。なお、湿潤養生とは、平均温度２０℃、平均湿度８０％の条件での養生のことをいう。
【００３６】
長さ変化試験では、供試体型枠に打設し（材齢０日）、その１日後に脱型するとともに長さを測定するためのケージプラグを設置して供試体を作製した。長さ変化試験用では供試体として４０ｍｍ×４０ｍｍ×１６０ｍｍの直方体のものを、圧縮試験と同様に上記４種類のセメントペーストについて夫々３個作製した。
【００３７】
そして、これらの供試体を材齢８日まで封緘養生、材齢９日からは気中養生をしながら、材齢２日から各供試体の長さをケージプラグで随時測定していった。
【００３８】
なお、封緘養生とは、容器内に無拘束の状態で供試体を設置するとともに、水分の発散を抑制するために容器をラップにて密閉し、平均温度２０℃、平均湿度８０％の室内に静置する条件での養生のことをいう。これは、供試体を乾燥させずに水和反応でどれだけ自己収縮するかを検討することを目的としている。  
また、気中養生とは、無拘束の状態で供試体を平均温度２０℃、平均湿度６０％の室内に静置する条件での養生のことをいう。
【００３９】
図５は、圧縮試験の結果であり、同図（ａ）は４種類の供試体の材齢日数毎に測定した圧縮強度及び密度をまとめた表、同図（ｂ）は各供試体の圧縮強度の日変化を示したグラフである。
【００４０】
図５に示すように、ＰＦＢＣ灰のみからなる供試体（Ｐ１００）の圧縮強度は、全材齢日数を通して、普通セメントのみからなる供試体（Ｃ（１）１００）、及び市販の無収縮セメント（Ｃ（２）１００）と比べると、数％程度の圧縮強度しか発現していない。
【００４１】
一方、本実施形態に係る無収縮セメントからなる供試体（Ｃ（１）７０−Ｐ３０）は、普通ポルトランドセメントのみからなる供試体（Ｃ（１）１００）、又は市販の無収縮セメントからなる供試体（Ｃ（２）１００）と比べると、その強度は若干劣るものの、材齢７日以降に５０Ｎ／ｍｍ２以上の強度を発現しており、通常のコンクリート構造物の設計に要求される強度が２０Ｎ／ｍｍ２程度であるのに対して充分に圧縮強度を発現している。つまり、この結果により遜色なくコンクリート構造物の材料として使用可能であると評価できる。
【００４２】
図６は、長さ変化試験の結果であり、同図（ａ）は材齢２日から２８日までの各供試体の長さ変化率の日変化を示したグラフ、同図（ｂ）は同図（ａ）の材齢２日から８日までの拡大グラフである。なお、同図中に示す長さ変化率は、材齢２日時における供試体の長さを基準として、供試体が収縮するときにはその変化率が正側に、膨張するときには負側になるように示している。
【００４３】
図６に示すように、封緘養生期間（材齢２〜８日）では、長さ変化率が、ＰＦＢＣ灰のみからなる供試体（Ｐ１００）のみが負側に変化し、その他３種類の供試体は正側に変化している。これは、ＰＦＢＣ灰のみからなる供試体（Ｐ１００）のみが膨張し、その他３種類の供試体は収縮することを示している。一方、気中養生期間（材例９〜２８日）では、ＰＦＢＣ灰のみからなる供試体（Ｐ１００）も膨張傾向から収縮傾向に転じ、その他３種類の供試体は、収縮率が増加している。
【００４４】
ＰＦＢＣ灰のみからなる供試体（Ｐ１００）以外の３種類の供試体の長さ変化率についてさらに詳細に見ると、３種類の供試体のうち、封緘養生期間（材齢２〜８日）及び気中養生期間（材例９〜２８日）の全ての期間において、長さ変化率の少なかった（すなわち最も収縮の少なかった）のは、本実施形態に係る無収縮セメントからなる供試体（Ｃ（１）７０−Ｐ３０）であり、すなわち市販の無収縮セメント（Ｃ（２）１００）よりも、耐収縮性が優れる結果が得られた。
【００４５】
以上説明したように、本実施形態に係る無収縮セメントは、普通ポルトランドセメントに、ＰＦＢＣ灰を混合してなり、ＰＦＢＣ灰は、生成過程で石炭と石灰石微粉末の混合燃焼、炉内脱硫、及び低い燃焼温度等の理由によりＣａＯやＳＯ３を多く含むことから、水和反応によりエトリンガイトや水酸化カルシウム等の膨張性水和物を生成し、これにより無収縮性を有する。すなわち、本実施形態に係る無収縮セメントによれば、本来であれば廃棄されるＰＦＢＣ灰を無収縮セメントの材料として有効利用でき、低コストで製造することができる。また、リサイクル製品の積極的使用に貢献することにより環境循環型社会の形成に寄与することができる。
【００４６】
さらに、本実施形態に係る無収縮セメントによれば、セメントとして、普通ポルトランドセメント（Ｃ１）を７０重量部、及びＰＦＢＣ灰（Ｐ）を３０重量部の重量比で混合したものを用い、これに対し水を、水とセメントとの重量比を１：３になるように混合することにより、市販の無収縮セメントよりも優れる耐収縮性を有するようになる。また、施工にあたって取り扱いの良い流動性を確保できる。さらに、通常のコンクリート構造物の設計に要求される強度を有する。
【００４７】
なお、本実施形態に係る無収縮セメントは、セメントを７０重量部、及びＰＦＢＣ灰を３０重量部の重量比で混合したものであったが、これに限らず、セメントとＰＦＢＣ灰との重量比を利用目的に応じて変更してもよい。すなわち、例えば、セメントの割合を減少させ、ＰＦＢＣ灰の割合を増加させた場合には、圧縮強度は減少するが、より一層収縮の少ない無収縮セメントになり、反対に、セメントの割合を増加させ、ＰＦＢＣ灰の割合を減少させた場合には、収縮は大きくなるが、圧縮強度の優れた無収縮セメントになる。
【００４８】
また、本実施形態に係る無収縮セメントは、無収縮セメントに対して水を、水と無収縮セメントとの重量比が１：３になるように混合し、セメントペーストを作製することにより使用するとしたが、これに限らず、作業性や用途に応じて水の混合する割合を変更してのよい。すなわち、水の混合量を増減させると施工時の流動性が増減することになる。
【００４９】
さらに、本実施形態に係る無収縮セメントに、水だけでなく、細骨材を混合して収縮の少ないモルタル、或いは骨材を混合して収縮の少ないコンクリートとして利用してもよい。ここで、細骨材とは、１０ｍｍ網ふるいを全部通り、５ｍｍ網ふるいを質量で８５％以上通る、川砂、砕砂などをいう。また、骨材とは、５ｍｍ網ふるいに質量で８５％以上とどまる、砕石又は人口骨材などをいう。これらモルタル又はコンクリートは、例えば、ダムのカーテングラウチング等の遮水層や遮水壁の形成材料として適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本実施形態に係る無収縮セメントの構成材料の配合比率、及び無収縮セメントに混ぜる水の混合比率を示す表である。
【図２】各種試験に用いた供試体の組成材料の詳細性状を示す表である。
【図３】各種試験に用いた供試体を構成するセメントペーストの組成材料の重量比、及び混合した水の重量比を示す表である。
【図４】本検討で実施した各試験についての試験の流れを示すフローである。
【図５】圧縮試験の結果であり、同図（ａ）は４種類の供試体の材齢日数毎に測定した圧縮強度及び密度をまとめた表、同図（ｂ）は各供試体の圧縮強度の日変化を示したグラフである。
【図６】長さ変化試験の結果であり、同図（ａ）は材齢２日から２８日までの各供試体の長さ変化率の日変化を示したグラフ、同図（ｂ）は同図（ａ）の材齢２日から８日までの拡大グラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図４】
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