(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セメントと、非晶質のカルシウムアルミネート系化合物とセッコウ類を配合した急硬材とブレーン比表面積4,000cm2/g以上でガラス化率10％以下の高炉徐冷スラグ粉末とを含有してなるセメント混和材とを含有してなり、急硬材がセメントと急硬材からなる結合材100部中、10〜50部、高炉徐冷スラグ粉末がセメントと急硬材からなる結合材100部に対して、10〜100部である、急硬性と中性化抑制効果が良好なセメント組成物。
【請求項２】
請求項１に記載のセメント組成物を用いてなるモルタル又はコンクリート。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に、土木・建築業界において使用されるセメント混和材、セメント組成物、及びそれを用いてなるモルタル又はコンクリートに関する。
なお、本発明における部や％は特に規定しない限り質量基準で示す。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
現在、コンクリート構造物の耐久性問題が大きくクローズアップされ、補修工事の重要性が以前にも増して高まってきている。
補修工事は、既設のコンクリート構造物を維持しつつ、そのコンクリート構造物の性能を回復させる目的で行われるため、補修工事には緊急性が伴う場合が多く、このような場合に、急硬性コンクリートが用いられている。
急硬性コンクリートには、急硬材が用いられており、急硬材としてはカルシウムアルミネートとセッコウ類を主体とするものが主流となっている。
【０００３】
また、コンクリート構造物の耐久性に影響をおよぼす要因として中性化が挙げられる。
中性化抵抗性の小さいコンクリート構造物は耐用年数が短く、補修工事のサイクルも短くなる。このため、補修工事に用いるモルタル又はコンクリートは中性化抵抗性の大きいものが好ましい。
しかしながら、補修工事に多く利用される急硬性コンクリートは必ずしも中性化抵抗性に優れるものではなかった。
【０００４】
一方、高炉徐冷スラグは、別名結晶化スラグ又はバラスとも呼ばれ、水硬性を示さない。
そのため、主に路盤材として利用されてきたが、最近では再生骨材が路盤材へ優先的に利用されるようになり、従来の用途を失いつつあり、その有効利用方法については未だに模索状態にある(依田彰彦、「高炉スラグのセメント・コンクリートへの利用」、無機マテリアル、Vol.６、pp.62−67、1999、「再生資源の利用の促進に関する法律、いわゆるリサイクル法」、平成３年10月)。
【０００５】
そこで、本発明者は高炉徐冷スラグの有効利用について、種々検討を重ねた結果、特定のセメント混和材として使用することにより前記課題が解決できることを知見して本発明を完成するに至った。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、セメントと、非晶質のカルシウムアルミネート系化合物とセッコウ類を配合した急硬材とブレーン比表面積4,000cm2/g以上でガラス化率10％以下の高炉徐冷スラグ粉末とを含有してなるセメント混和材とを含有してなり、急硬材がセメントと急硬材からなる結合材100部中、10〜50部、高炉徐冷スラグ粉末がセメントと急硬材からなる結合材100部に対して、10〜100部である、急硬性と中性化抑制効果が良好なセメント組成物であり、該セメント組成物を用いてなるモルタル又はコンクリートである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
【０００８】
本発明で使用する急硬材は、カルシウムアルミネート系化合物にセッコウ類を配合したものである。
【０００９】
本発明で使用するカルシウムアルミネート系化合物(以下、ＣＡ類という)とは、カルシアを含む原料と、アルミナを含む原料等を混合して、キルンでの焼成や、電気炉での溶融等の熱処理をして得られる、CaOとAl2O3とを主たる成分とし、水和活性を有する物質の総称であり、CaOやAl2O3の一部が、アルカリ金属酸化物、アルカリ土類金属酸化物、酸化ケイ素、酸化チタン、酸化鉄、アルカリ金属ハロゲン化物、アルカリ土類金属ハロゲン化物、アルカリ金属硫酸塩、及びアルカリ土類金属硫酸塩等と置換した化合物、あるいは、CaOとAl2O3とを主成分とするものに、これらが少量固溶した物質である。
鉱物形態としては、CaOをＣ、Al2O3をＡとすると、CA2、CA、C12A7、及びC3Aと表せるものやC3A3・CaSO4と表せるもの、さらに、Fe2O3をF、ハロゲン元素をX、アルカリ酸化物R2OをR、及びSiO2をSとすると、C4AF、C11A7・CaX2、C14RA5、C3R2A、及びC2ASなどと表せるものが挙げられ、結晶質、非晶質いずれであっても使用可能である。
これらの中では、反応活性の面で、非晶質のカルシウムアルミネート類が好ましく、C12A7組成に対応する熱処理物を急冷した非晶質のカルシウムアルミネートがより好ましい。
ＣＡ類の粒度は、急結性や初期強度発現性の面で、ブレーン比表面積(以下、ブレーン値という)3,000cm2/g以上が好ましく、5,000cm2/g以上がより好ましい。3,000cm2/g未満では急結剤と吹付けモルタル又はコンクリートを混合した急結性吹付けモルタル又はコンクリートの急結性や初期強度発現性が低下する場合がある。
【００１０】
本発明で使用するセッコウ類とは特に限定されるものではないが、その具体例としては、無水セッコウ、半水セッコウ、及び二水セッコウなどが挙げられ、セッコウ類を併用することにより、適度な可使時間を確保することができ、また、強度発現性も良好となる。
セッコウ類を併用する場合、本発明のＣＡ類とセッコウ類の配合量は特に限定されるものではないが、通常、ＣＡ類とセッコウ類からなる混合物100部中、ＣＡ類は30〜90部が好ましく、40〜70部がより好ましい。ＣＡ類が30部未満では寸法安定性が悪くなる場合があり、ＣＡ類が90部を超えると可使時間の延長効果や強度増進効果が得られない場合がある。
【００１１】
また、急硬材には、可使時間を確保する目的で凝結遅延剤が併用される場合がある。
凝結遅延剤は特に限定されるものではないが、その具体例としては、例えば、クエン酸、グルコン酸、酒石酸、及びリンゴ酸等のカルボン酸又はこれらのナトリウム塩、カリウム塩、カルシウム塩、マグネシウム塩、及びアルミニウム塩、並びに、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、重炭酸ナトリウム、及び重炭酸カリウムなどのアルカリ金属炭酸塩等が挙げられ、これらのうちの一種又は二種以上が使用可能である。
凝結遅延剤の使用量は一義的に決定されるものではないが、セメントと急硬材からなる結合材100部に対して、0.05〜３部が好ましく、0.1〜２部がより好ましい。0.05部未満では充分な可使時間が得られない場合があり、３部を超えると硬化不良を起こす場合がある。
【００１２】
本発明の急硬材の使用量は特に限定されるものではないが、通常、セメントと急硬材からなる結合材100部中、10〜50部が好ましく、20〜40部がより好ましい。10部未満では急硬性が充分でない場合があり、50部を超えて使用すると可使時間の確保が困難になる場合がある。
【００１３】
本発明で使用する高炉徐冷スラグ粉末(以下、徐冷スラグ粉という)は徐冷されて結晶化した高炉スラグの粉末である。
徐冷スラグ粉の成分は高炉水砕スラグと同様の組成を有しており、具体的には、SiO2、CaO、Al2O3、及びMgOなどを主要な化学成分とし、その他の成分として、TiO2、MnO、Na2O、S、P2O5、及びFe2O3などが挙げられる。
また、化合物としては、ゲーレナイト2CaO・Al2O3・SiO2とアケルマナイト2CaO・MgO・2SiO2の混晶である、いわゆるメリライトを主成分とし、その他、ダイカルシウムシリケート2CaO・SiO2、ランキナイト3CaO・2SiO2、及びワラストナイトCaO・SiO2などのカルシウムシリケート、メルビナイト3CaO・MgO・2SiO2やモンチセライトCaO・MgO・SiO2などのカルシウムマグネシウムシリケート、アノーサイトCaO・Al2O3・2SiO2、リューサイト(K2O、Na2O)・Al2O3・SiO2、スピネルMgO・Al2O3、マグネタイトFe3O4、並びに、硫化カルシウムCaSや硫化鉄FeSなどの硫化物等を含む場合がある。
本発明で使用する徐冷スラグ粉のガラス化率は30％以下が好ましく、10％以下がより好ましい。ガラス化率が30％を超えると水和熱が大きくなる場合がある。
本発明でいうガラス化率(Ｘ)は、Ｘ(％)＝(１−Ｓ／Ｓ0)×100として求められる。ここで、Ｓは粉末Ｘ線回折法により求められる徐冷スラグ粉中の主要な結晶性化合物であるメリライト(ゲーレナイト2CaO・Al2O3・SiO2とアケルマナイト2CaO・MgO・2SiO2の混晶)のメインピークの面積であり、Ｓ0は徐冷スラグ粉を1,000℃で３時間加熱し、その後、５℃／分の冷却速度で冷却したもののメリライトのメインピークの面積を表す。
徐冷スラグ粉の粒度は特に限定されるものではないが、ブレーン値で、4,000cm2/g以上が好ましく、4,500cm2/g以上がより好ましく、5,000cm2/g以上が最も好ましい。ブレーン値が4,000cm2/g未満では材料分離抵抗性が得られない場合がある。
徐冷スラグ粉の使用量は特に限定されるものではないが、通常、セメントと急硬材からなる結合材100部に対して、10〜100部が好ましく、20〜50部がより好ましい。10部未満では中性化抑制効果が充分に得られない場合があり、100部を超えて使用すると、混練水が著しく増加し、強度発現性が悪くなる場合がある。
【００１４】
本発明のセメント混和材は急硬材と徐冷スラグ粉末とを含有するものであるが、これをモルタル又はコンクリートに使用する場合、急硬材は結合材としてセメントと置換して配合することが好ましい。また、徐冷スラグ粉末は骨材と置換して配合することが好ましく、特に細骨材と置換して配合することがより好ましい。
【００１５】
本発明で使用するセメントとしては、普通、早強、超早強、低熱、及び中庸熱等の各種ポルトランドセメント、これらポルトランドセメントに、高炉スラグ、フライアッシュ、又はシリカを混合した各種混合セメント、石灰石粉末等を混合したフィラーセメント、並びに、産業廃棄物利用型セメント、いわゆるエコセメントなどが挙げられ、これらのうちの一種又は二種以上が使用可能である。
【００１６】
本発明のセメント混和材、セメント組成物、及びそれを用いたモルタル又はコンクリートは、それぞれの材料を施工時に混合してもよいし、あらかじめ一部を、あるいは全部を混合しておいても差し支えない。
【００１７】
本発明のセメント組成物の粒度は、使用する目的や用途に依存するため特に限定されるものではないが、通常、ブレーン値で3,000〜8,000cm2/gが好ましく、4,000〜6,000cm2/gがより好ましい。3,000cm2/g未満では強度発現性が充分に得られない場合があり、8,000cm2/gを超えると作業性が悪くなる場合がある。
【００１８】
本発明では、セメント、セメント混和材、砂や砂利等の骨材の他に、従来コンクリートなどに用いられてきた高炉水砕スラグ粉末、石灰石粉末、フライアッシュ、及びシリカフュームなどの混和材料、減水剤、ＡＥ減水剤、高性能減水剤、高性能ＡＥ減水剤、膨張材、消泡剤、増粘剤、防錆剤、防凍剤、収縮低減剤、高分子エマルジョン、凝結調整剤、ベントナイトなどの粘土鉱物、及びハイドロタルサイトなどのアニオン交換体等のうちの一種又は二種以上を、本発明の目的を実質的に阻害しない範囲で使用することが可能である。
【００１９】
本発明において、各材料の混合方法は特に限定されるものではなく、それぞれの材料を施工時に混合しても良いし、あらかじめ一部を、あるいは全部を混合しておいても差し支えない。
混合装置としては、既存のいかなる装置も使用可能であり、例えば、傾胴ミキサ、オムニミキサ、ヘンシェルミキサ、Ｖ型ミキサ、及びナウタミキサなどの使用が可能である。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明を実験例に基づいてさらに説明する。
【００２１】
実験例１
表１に示すセメント、急硬材イ、徐冷スラグ粉(スラグ)、細骨材、及び水を配合し、水結合材比40％、結合材と細骨材の比率が１対２のモルタルを調製し、そのモルタルの圧縮強度と中性化深さを測定した。結果を表１に併記する。
ただし、急硬材イは結合材の一部として、スラグａは細骨材の一部として配合した。
なお、比較のために、徐冷スラグ粉の代わりに石灰石粉末を用いて同様に行った。結果を表１に併記する。
【００２２】
＜使用材料＞
セメント  ：市販の普通ポルトランドセメント、ブレーン値3,200cm2/g、比重3.15
急硬材イ  ：非晶質カルシウムアルミネートと無水セッコウの等量混合物。非晶質カルシウムアルミネートは、試薬１級の炭酸カルシウム、酸化アルミニウム、及び二酸化ケイ素を用い、1,650℃で溶融後、急冷して非晶質化して合成したCaO含有量44.7％、Al2O3含有量38.3％、及びSiO2含有量12.6％品、ブレーン値5,500cm2/g
スラグａ  ：徐冷スラグ粉、ブレーン値4,500cm2/g、ガラス化率５％、比重3.00
石灰石粉末：新潟県青海鉱山産石灰石粉砕品、ブレーン値4,500cm2/g、比重2.70
細骨材    ：新潟県姫川産砂、比重2.62
水        ：水道水
【００２３】
＜測定方法＞
圧縮強度  ：４×４×16cmの供試体を作製し、JIS R 5201に準じて測定
中性化深さ：４×４×16cmの供試体を作製し、材齢28日まで20℃水中養生を施した後、30℃・相対湿度60％・炭酸ガス濃度５％の環境で促進中性化試験を行い、12週間後に供試体を輪切りし、断面にフェノールフタレインアルコール溶液を塗布して中性化深さを測定
【００２４】
【表１】
0004497776.tif 000002
【００２５】
実験例２
急硬材イと表２に示すスラグを使用し、単位セメント量280kg/m3、単位急硬材量120kg/m3、単位スラグ量150kg/m3、水結合材比40％、s/a＝42％、及び空気量4.5±1.5％のコンクリートを調製し、圧縮強度と中性化深さを測定した。結果を表２に併記する。
ただし、急硬材は結合材として配合し、スラグは細骨材に置換して配合した。また、中性化に対する抵抗性を検討するために、同一配合の場合にスラグと圧縮強度が同等となる石灰石粉末を混和した場合についても同様の実験を行った。結果を表２に併記する。
【００２６】
＜使用材料＞
スラグｂ  ：徐冷スラグ粉、ブレーン値3,000cm2/g、ガラス化率５％、比重3.00
スラグｃ  ：徐冷スラグ粉、ブレーン値4,000cm2/g、ガラス化率５％、比重3.00
スラグｄ  ：徐冷スラグ粉、ブレーン値5,000cm2/g、ガラス化率５％、比重3.00
スラグｅ  ：徐冷スラグ粉、ブレーン値6,000cm2/g、ガラス化率５％、比重3.00
スラグｆ  ：徐冷スラグ粉、ブレーン値6,000cm2/g、ガラス化率30％、比重2.96
スラグｇ  ：徐冷スラグ粉、５mm下に調整、ガラス化率５％、比重3.00
粗骨材    ：砂利、新潟県姫川産砕石、比重2.64
高性能ＡＥ減水剤：ポリカルボン酸系、市販品
【００２７】
＜測定方法＞
圧縮強度  ：φ10×20cmの供試体を作製し、JIS A 1108に準じて材齢28日強度を測定。ただし、脱型は材齢７日に行い、以後20℃の水中養生を行った。
中性化深さ：φ10×20cmの供試体を作製し、材齢28日まで20℃の水中養生を施した後、30℃・相対湿度60％・炭酸ガス濃度５％の環境で促進中性化を行い、６ヶ月後に供試体を輪切りし、断面にフェノールフタレインアルコール溶液を塗布して中性化深さを測定
【００２８】
【表２】
0004497776.tif 000003
【００２９】
実験例３
表３に示す急硬材とスラグａを用いたこと以外は実験例２と同様に行った。結果を表３に併記する。
【００３０】
＜使用材料＞
急硬材ロ  ：C11A7・CaF2と無水セッコウの等量混合物、C11A7・CaF2は試薬１級の炭酸カルシウム、酸化アルミニウム、及びフッ化カルシウムを理論組成で配合し、1,250℃で２時間焼成する工程を２回繰り返して合成、ブレーン値5,500cm2/g急硬材ハ  ：C4A3・CaSO4と無水セッコウの等量混合物、C4A3・CaSO4は試薬１級の炭酸カルシウム、酸化アルミニウム、及び二水セッコウを理論組成で配合し、1,350℃で２時間焼成する工程を２回繰り返して合成、ブレーン値5,500cm2/g
【００３１】
【表３】
0004497776.tif 000004
【００３２】
【発明の効果】
本発明のセメント混和材を使用することにより、急硬性と中性化抑制効果が良好なセメント組成物とすることができるなどの効果を奏する。