(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セメントと、多量の微粉体と、最適含水比程度の水粉体比の水とを含む材料からなる硬化体を製造するために、各材料の配合比率を求める方法であって、予備実験により第一の式、第二の式及び第三の式を求める工程と、当該第一乃至第三の式により各材料の配合比率を求める工程とを含み、
前記第一乃至第三の式を求める工程では、微粉体の種類ごとに所定のセメント添加率でセメントと微粉体とを練り混ぜ、さらに水を練り混ぜて、水粉体比の異なる複数の混練物を生成し、該混練物についてフロー試験を行って所定のフロー値を示す水粉体比を求め、さらに、これらの混練物から作成した硬化体の所定材令での圧縮強度を求めて圧縮強度が最大となる水粉体比を求め、前記所定のフロー値を示す水粉体比と、前記圧縮強度が最大となる水粉体比とを変数とする第一の式を求め、
前記水粉体比の異なる複数の混練物から作成した硬化体の所定材令での圧縮強度と、水粉体比とを変数とする第二の式を求め、
微粉体の種類ごとに異なる複数のセメント添加率でセメントと微粉体とを練り混ぜ、さらに水を練り混ぜて、前記圧縮強度が最大となる水粉体比の混練物を生成し、これらの混練物から作成した硬化体の所定材令での圧縮強度を求め、圧縮強度とセメント添加率との関係を示す第三の式を求め、
次いで、前記配合比率を求める工程では、前記所定のセメント添加率でセメントと微粉体とを練り混ぜ、さらに水を練り混ぜて混練物を生成し、該混練物についてフロー試験を行って前記所定のフロー値を示す水粉体比を求め、該水粉体比から、第一の式により硬化体の圧縮強度が最大となる水粉体比の推定値を求め、水粉体比の該推定値から第二の式により硬化体の圧縮強度の推定値を求め、さらに、当該圧縮強度の推定値と、硬化体の所要圧縮強度とから第三の式により、所要圧縮強度を得ることができるセメント添加率を求めることを特徴とする配合比率決定方法。
【請求項２】
前記配合比率を求める工程において、前記セメントと前記微粉体と前記水とに、混和剤を加えて混練物を生成し、該混練物についてフロー試験を行って所定のフロー値を示す水粉体比を求めることを特徴とする請求項１記載の配合比率決定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微粉体を多量に用いた硬化体の製造方法に関し、更に詳細には、硬化体を構成する各材料の配合比率の決定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
石炭火力発電により発生する石炭灰は、その一部がセメント原料またはコンクリート用混和材等の用途で利用されているものの、多くが埋立て処分されており、環境保護や資源活用の観点からも利用拡大が求められている。また汚水を水質浄化した後に生じる汚泥等の焼却灰に関しても、同様に埋立て処分以外の利用が求められている。
【０００３】
そこで、本発明の発明者等は、石炭灰や汚泥焼却灰等の微粉体を多量に用いて硬化体を製造する方法や、この硬化体を様々な構造物に適用することを提案した。すなわち、硬化体の製造方法は、セメント、石炭灰または汚泥焼却灰等の微粉体、水および硬化促進剤を最適含水比（JIS A 1210-1979の突固めによる土の締固め試験により、最大乾燥密度が得られる含水比）に近い水粉体比で練り混ぜた後、振動数ほぼ4000rpm程度、振幅ほぼ1.0mm程度の振動を概ね５分間程度加えることにより締め固めて形成するものである。ここで、セメント、石炭灰または汚泥焼却灰等の微粉体、及び硬化促進剤に最適含水比程度の水を混ぜ合わせて練り上げた場合、混練物は単に湿り気のある粉体の状態になるだけであるが、上記最適含水比において振動を加えた後には、流体状に変化して締め固めが可能となる。また上記最適含水比は、混練物が振動締め固めにより流体化する限界の水粉体比とほぼ一致していることが判っている。
【０００４】
コンクリートに関して、振動により流動性が増大することは従来よく知られており、コンクリートの締め固めに標準的に利用されている。しかしながら、練上げ後のコンクリートは振動前の状態でも流体状であり、振動によってセメントペーストの粘性が低下して流動性が増しているにすぎない。これに対して、上述の硬化体製造方法では、振動の作用により、湿り気のある粉体状の混練物が流体状に変化し、振動停止後も流体の状態が持続される点で、従来のコンクリート締め固めとは全く異なるものである。
【０００５】
上記硬化体の製造方法における最適含水比は、使用する石炭灰や汚泥焼却灰等の微粉体の種類により大きく異なるため、微粉体ごとに突固めによる土の締固め試験により求める必要があるが、この場合、試験回数はかなり多くなることもあり、手間が掛かるという問題点があった。
【０００６】
また、硬化体の圧縮強度が最大になる水粉体比（以下、「最適水粉体比」という。）は、概ね前記最適含水比近傍の値になることが判っているものの、最適含水比近傍において水粉体比が小さくなるほど（水量が少ないほど）高い圧縮強度が得られるわけではないため、使用する微粉体の種類ごとに最適水粉体比を求める必要があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の問題点に着目し、これを解決せんとしたものであり、その課題は、多量の微粉体を用いて製造する硬化体の圧縮強度を最大にする水粉体比やセメント添加率を容易に求めることができる配合比率決定方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明では、セメントと、多量の微粉体と、最適含水比程度の水粉体比の水とを含む材料からなる硬化体を製造するために、各材料の配合比率を求める方法であって、予備実験により第一の式、第二の式及び第三の式を求める工程と、当該第一乃至第三の式により各材料の配合比率を求める工程とを含み、前記第一乃至第三の式を求める工程では、微粉体の種類ごとに所定のセメント添加率でセメントと微粉体とを練り混ぜ、さらに水を練り混ぜて、水粉体比の異なる複数の混練物を生成し、該混練物についてフロー試験を行って所定のフロー値を示す水粉体比を求め、さらに、これらの混練物から作成した硬化体の所定材令での圧縮強度を求めて圧縮強度が最大となる水粉体比を求め、前記所定のフロー値を示す水粉体比と、前記圧縮強度が最大となる水粉体比とを変数とする第一の式を求め、前記水粉体比の異なる複数の混練物から作成した硬化体の所定材令での圧縮強度と、水粉体比とを変数とする第二の式を求め、微粉体の種類ごとに異なる複数のセメント添加率でセメントと微粉体とを練り混ぜ、さらに水を練り混ぜて、前記圧縮強度が最大となる水粉体比の混練物を生成し、これらの混練物から作成した硬化体の所定材令での圧縮強度を求め、圧縮強度とセメント添加率との関係を示す第三の式を求め、次いで、前記配合比率を求める工程では、前記所定のセメント添加率でセメントと微粉体とを練り混ぜ、さらに水を練り混ぜて混練物を生成し、該混練物についてフロー試験を行って前記所定のフロー値を示す水粉体比を求め、該水粉体比から、第一の式により硬化体の圧縮強度が最大となる水粉体比の推定値を求め、水粉体比の該推定値から第二の式により硬化体の圧縮強度の推定値を求め、さらに、当該圧縮強度の推定値と、硬化体の所要圧縮強度とから第三の式により、所要圧縮強度を得ることができるセメント添加率を求めることを特徴とする配合比率決定方法が提供される。
【０００９】
本発明において、前記最適含水比程度の水粉体比の水としては海水または真水等を用いることができて、また前記微粉体としては石炭灰や汚泥焼却灰等を用いることができる。
また本発明において、前記セメントと微粉体と水とを練り混ぜて混練物を生成する際には、混和剤を加えても良く、かように混和剤の添加された混練物についてフロー試験を行い所定のフロー値を示す水粉体比を求め、以下、上記と同様にすれば、混和剤を加えた場合の配合比率も決定することができる。
ここで、混和剤としては塩(NaCl等)を採用することが可能であり、例えば、最適含水比程度の水粉体比の水として真水を使用した場合には、水に対する重量比で約３％程度の塩(NaCl等)を添加する。一方、前記の水として海水を使用した場合には、海水中に含まれる同程度の重量比の塩分(NaCl等)が該混和剤として作用する。以上のように混和剤を添加することにより、硬化体の短期・長期の圧縮強度が増強される。
【００１０】
本発明において、演算により求められたセメント添加率で再度混練物を生成し、再度フロー試験を行って所定のフロー値を示す水粉体比を求め、該水粉体比から最適水粉体比の推定値を演算により再度求め、これを最適水粉体比の補正値としても良い。かように最適水粉体比の補正値を求めれば、更に最適な配合比率を求めることができる。
【００１１】
また本発明において、所定のフロー値を示す水粉体比から最適水粉体比の推定値を求める演算は、予備実験により計算式を予め求めれば、この計算式により行うことができる。すなわち、予備実験では、石炭灰等の微粉体の種類ごとに所定のセメント添加率で作成した水粉体比が異なる複数の混練物についてフロー値を求めて、この結果から所定のフロー値を示す水粉体比を求め、さらに、これらの混練物から硬化体を作成して所定材令、例えば、３日、７日、２８日等の材令で圧縮強度を求め、この結果から圧縮強度が最大値を示す水粉体比、すなわち最適水粉体比を求める。かように求めた最適水粉体比と、所定フロー値を示す水粉体比とを変数として回帰式を求めれば、この回帰式により上述した演算が可能となる。
【００１２】
さらに本発明において、水粉体比の推定値から硬化体の圧縮強度の推定値を求める演算は、予備実験により計算式を予め求めれば、この計算式により行うことができる。すなわち、予備実験では、石炭灰等の微粉体の種類ごとに所定のセメント添加率で作成した水粉体比が異なる複数の硬化体について、複数の材令で圧縮強度を求め、各材令ごとに、圧縮強度と水粉体比とを変数として回帰式を求めれば、この回帰式により上述した演算が可能となる。
【００１３】
更にまた本発明において、圧縮強度の推定値と所要圧縮強度とからセメント添加率を求める演算は、予備実験により計算式を予め求めれば、この計算式により行うことができる。すなわち、予備実験では、石炭灰等の微粉体の種類ごとにセメント添加率の異なる複数の硬化体を作成し、いくつかの材令で圧縮強度を求め、各材令ごとに、セメント添加率が１％増減するごとの圧縮強度の増減率を定数として求める。そして、該定数を用いて、圧縮強度の推定値に対する所要圧縮強度の増減率と、セメント添加率の増減値との比例式を求めれば、この比例式により上述した演算が可能となる。
【００１４】
本発明におけるフロー試験は、JIS R 5201-1992に規定された試験器具や試験方法によって実施することができる。本発明では、所定のフロー値を示す水粉体比を求める工程において、所定のフロー値とは、水粉体比を変えて作成した複数の混練物についてフロー試験を行った場合、フロー値と水粉体比との間にある程度の比例関係が見られる範囲の値であれば良く、更に好ましくは該範囲における下限の値とする。すなわち、異なる種類の石炭灰等の微粉体を用いて、この微粉体とセメントと水とを混合し、複数の水粉体比で混練物を作成してフロー値を求める予備実験を行った結果、フロー値がほぼ１３０〜１７０程度の範囲では、フロー値と水粉体比との間に比例関係が見られ、この比例関係はフロー値１４０程度で確実に示されたので、所定のフロー値を１４０とすることが好ましい。なお、この所定のフロー値は、フロー値と水粉体比との関係を求める予備実験により適宜変更可能である。
【００１５】
また本発明において、所定のフロー値を示す水粉体比を求める工程では、最初に所定の水粉体比の混練物を作成し、この混練物についてフロー試験を行い、得られたフロー値に応じて適宜水粉体比を増減させて、フロー値が所定値の近傍に達するまでフロー試験を繰り返せば求めることができる。ここで、所定のフロー値が得られない場合には、この所定値をはさんで前後のフロー値を示す水粉体比を求め、比例配分により水粉体比を求めても良い。
【００１６】
【実施例】
以下、添付図面に基づいて実施例を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。図１は本実施例で用いた石炭灰の品質を示す一覧表であり、図２は水粉体比と圧縮強度との関係を示すグラフであり、図３は水粉体比とフロー値との関係を示すグラフであり、図４はフロー値１４０となる水粉体比と最適水粉体比との関係を示すグラフであり、図５(a)〜(d)は水粉体比の逆数と圧縮強度との関係を各材令ごとに示したグラフであり、図６(a)〜(d)はセメント添加率と圧縮強度との関係を各材令ごとに示したグラフである。なお本実施例において、セメントの重量を「Ｃ」、石炭灰の重量を「Ｆ」、さらに水の重量を「Ｗ」でそれぞれ簡略に示す。
【００１７】
本発明の配合比率決定方法では、セメントと石炭灰とを所定の比率、例えば、セメント：石炭灰＝１５：８５の重量比で混合し、水と粉体（セメントと石炭灰）とを練り混ぜて複数の水粉体比で混練物を作成し、該水粉体比の異なる複数の混練物についてフロー試験を行って所定のフロー値を示す水粉体比を求める。そして、この水粉体比を、予め求められている第一の式（最適水粉体比と所定のフロー値を示す水粉体比との関係式）に代入し、最適水粉体比すなわち硬化体の圧縮強度が最大となる水粉体比の推定値を求める。さらに、この最適水粉体比の推定値を、予め求められている第二の式（最適水粉体比と圧縮強度との関係式）に代入し、最適水粉体比における硬化体の圧縮強度の推定値を求める。かようにして求められた圧縮強度の推定値と、硬化体の所要圧縮強度（目標圧縮強度）とを、予め求められている第三の式（圧縮強度とセメント添加率との関係式）に代入し、所要圧縮強度を得ることができるセメント添加率の推定値を求める。以上のようにして、セメント添加率と水粉体比とを求めて、硬化体製造のための材料の配合比率は決定される。
次に、本実施例の配合比率決定方法に用いる上記第一の式乃至第三の式について説明する。
【００１８】
《第一の式(最適水粉体比と所定のフロー値を示す水粉体比との関係式)》
図１に示したような１５種類の石炭灰Ａ〜Ｏについて、JIS R 5201-1992に規定された方法によりフロー試験を行った結果、図３のグラフを得た。
すなわち、石炭灰Ａ〜Ｏについてセメント添加率(C／(C＋F)×100)が１５％になるように、粉体材料(セメント、石炭灰)を計量し、これらの粉体材料をミキサーに投入して所定時間練り混ぜ、この中に所定の水粉体比(W／(C＋F)×100)で水を投入して更に所定時間練り混ぜる。そして、練り混ぜを終了した材料をフローコーンに二層に分けて詰め、それぞれ１５回づつ突き棒で突き固めて、このフローコーンをテーブル上に載置してゆっくりと引き上げる。この後、１５秒間に１５回テーブルを上下動させて、最大直径とその直角方向の直径を測定し、その平均値をフロー値とした。かようなフロー試験を、各石炭灰ごとに３〜５種類の水粉体比で行い、その結果を図３のグラフに示した。なお、図３に用いた混練物は、撹拌して練り混ぜるだけで充分な流動性を示すような水粉体比で作成されものであり、振動締め固めは一切行っていない。
図３に示したように、水粉体比とフロー値との関係は石炭灰の種類により異なっているものの、各石炭灰ごとに所定の範囲、つまりフロー値が概ね１３０〜１７０程度の範囲では比例関係(直線グラフ)にあることが判った。かような結果をうけて、可能な限り水粉体比が小さくなると共に、水粉体比とフロー値とが比例関係を示し易いことから、石炭灰Ａ〜Ｆについてフロー値１４０における水粉体比を図３から求めた。
また石炭灰Ａ〜Ｆを用いてセメント添加率１５％、最適含水比近傍の複数の水粉体比、硬化促進剤としての塩を水に対して重量比で３％添加した条件で、複数の硬化体を作成してそれぞれの２８日材令の圧縮強度を求め、その結果を図２に示した。この図２からは、水粉体比が小さいほど高い強度が得られるとは限らず、硬化体は、各石炭灰Ａ〜Ｆごとに強度が最大になる水粉体比（すなわち最適水粉体比）があることが判った。
上記図２から求めた最適水粉体比と、フロー値１４０における水粉体比との関係を図４に示した。図４に示したように、異なる石炭灰Ａ〜Ｆに関する両値には極めて良好な相関関係が見られ、以下の回帰式、すなわち第一の式を得た。
【００１９】
《第一の式》
(最適水粉体比％)＝0.789×(フロー値140mmにおける水粉体比％)＋3.05
したがって、使用する石炭灰の種類ごとにフロー試験を行い、フロー値140mmにおける水粉体比を求め、この水粉体比を第一の式に代入すれば、高い精度で最適水粉体比の推定値を求めることができる。
【００２０】
《第二の式（最適水粉体比と圧縮強度との関係式）》
図５(a)〜(d)には、セメント添加率１５％で作成された石炭灰Ａ〜Ｆの硬化体における水粉体比の逆数１／{(C＋F)／W}と圧縮強度(kgf／cm2)との関係を、材令３日、７日、２８日、９１日ごとに示した。図５(a)〜(d)において、石炭灰の種類により若干ばらつきが見られるが、水粉体比の逆数と圧縮強度とは全ての材令で極めて良好な比例関係(相関関係)を示し、各材令ごとに以下の回帰式、すなわち第二の式を得た。
《第二の式》
材令３日 (圧縮強度(kgf／cm2))＝100×23.5／(水粉体比(％))−43.2
材令７日 (圧縮強度(kgf／cm2))＝100×57.2／(水粉体比(％))−119
材令28日 (圧縮強度(kgf／cm2))＝100× 105／(水粉体比(％))−167
材令91日 (圧縮強度(kgf／cm2))＝100× 103／(水粉体比(％))−67.6
したがって、第一の式から導きだした最適水粉体比を、各材令における第二の式の水粉体比に代入すれば、最適水粉体比における圧縮強度の推定値を高い精度で求めることができる。
【００２１】
《第三の式（圧縮強度とセメント添加率との関係式）》
図６(a)〜(d)では、水粉体比を各々の最適水粉体比に設定し、石炭灰Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｆを使用してセメント添加率(C／(C＋F)×100(％))を１０、１５、２０％と変えて、さらに各々の水に対する重量比３％で硬化促進剤を添加するという条件で硬化体を作成し、材令３日、７日、２８日、９１日における圧縮強度を求めて、それぞれグラフ化した。図６(a)〜(d)において、石炭灰の種類によりばらつきが見られるものの、各材令においてセメント添加率を増加させれば所定の傾きで圧縮強度も増加する傾向があり、しかも、セメント添加率１５％の前後ではグラフの傾きが異なることが判った。
したがって、各材令毎に、各セメント添加率(10、15、20％)における圧縮強度を加重平均し、これらの加重平均値を用いてセメント添加率１０〜１５％の区間と、１５〜２０％の区間とにおける圧縮強度の増加率(％)を求めた。そして、上記二つの区間における圧縮強度の増加率を、セメント添加率の増加量で除して、以下の表１に示すセメント添加率１％当たりの圧縮強度増加率(％)を求めた。
【００２２】
【表１】
0003993914.tif 000002
【００２３】
表１において、αはセメント添加率１５〜２０％の区間におけるセメント添加率１％当たりの圧縮強度の増加率(％)を示し、βはセメント添加率１０〜１５％の区間におけるセメント添加率１％当たりの圧縮強度の増加率を示している。
【００２４】
以上の第一及び第二の式により導きだされた圧縮強度の推定値は、セメント添加率１５％で算出されている。したがって、硬化体の圧縮強度を推定値よりも増減させる場合には、セメント添加率を増減して補正する必要があり、このセメント添加率の補正値は、表１の圧縮強度増加率を用いた下記の第三の式により算出することができる。
《第三の式》
〈推定圧縮強度が目標圧縮強度より低い場合〉
α×(セメント添加率(％)−15)＝(目標圧縮強度)／(推定圧縮強度)×100−100
〈推定圧縮強度が目標圧縮強度より高い場合〉
β×(15−セメント添加率(％))＝100−(目標圧縮強度)／(推定圧縮強度)×100
したがって、上記第三の式に、目標圧縮強度と推定圧縮強度とを代入すれば、セメント添加率の補正値が求められる。
【００２５】
次に、本発明の配合比率決定方法について更に詳細に説明する。
本発明の配合比率決定方法では、最初にフロー試験を行う。すなわち、セメント添加率が１５％になるように計量した粉体材料（セメント、石炭灰）をミキサーに投入して所定時間練り混ぜ、さらに水粉体比が３５％になるように計量した水をミキサーに投入して所定時間練り混ぜる。かように作成された混練物を用いて、上記と同様なフロー試験を行いフロー値を求める。このフロー値によって水粉体比を表２のように変更し、フロー値１４０をはさんで、これ以上の値とこれ以下の値が２〜３点得られるまでフロー試験を繰り返す。
【００２６】
【表２】
0003993914.tif 000003
【００２７】
次に、フロー値１４０をはさむ値から等比配分によってフロー値１４０mmとなる水粉体比を算出する。そして、この水粉体比を前記第一の式に代入して最適水粉体比の推定値を求める。次いで、この最適水粉体比の推定値を、前記第二の式に代入して、所定の材令における圧縮強度の推定値を求める。さらに、圧縮強度の推定値と目標圧縮強度とを比較し、この両圧縮強度を第三の式に代入してセメント添加率の補正値を求める。
ここで、最適水粉体比は、セメント添加率によって異なる場合があるため、補正されたセメント添加率で前記と同様に混練物を作成し、これについて前記と同様に再度フロー試験を行って第一の式から最適水粉体比の補正値を求める。
以上のようにして、セメント添加率と最適水粉体比の補正値とを求めれば、圧縮強度が最大になるセメントと石炭灰と水との配合比率が求められる。
【００２８】
《計算例１》
フロー試験を行った結果、フロー値140mmにおける水粉体比が42.1％で、２８日材令の目標圧縮強度が150kgf／cm2の場合。
▲１▼水粉体比42.1％を第一の式に代入して最適水粉体比を求める。
0003993914.tif 000004
▲２▼最適水粉体比36.3％を第二の式に代入して圧縮強度の推定値を求める。
0003993914.tif 000005
▲３▼材令28日の圧縮強度の推定値122kgf／cm2と、目標圧縮強度が150kgf／cm2とを第三の式に代入してセメント添加率の補正値を求める。この場合、推定圧縮強度が目標圧縮強度より低いので下記の式を用いる。
α×(セメント添加率(％)−15)＝(目標圧縮強度)／(推定圧縮強度)×100−100
0003993914.tif 000006
▲４▼セメント添加率18.1(％)で混練物を作成し、再度フロー試験を行って第一の式から最適水粉体比の補正値を求める。
【００２９】
【発明の効果】
本発明では、セメントと石炭灰等の微粉体と水とを練り混ぜて混練物を生成し、該混練物についてフロー試験を行って所定のフロー値を示す水粉体比を求め、該水粉体比から、硬化体の圧縮強度が最大となる水粉体比の推定値を演算により求め、水粉体比の該推定値から硬化体の圧縮強度の推定値を演算により求め、圧縮強度の該推定値と、硬化体の所要圧縮強度とからセメント添加率を演算により求める。したがって、水粉体比やセメント添加率を求めるため、従来のように土の締固め試験等の煩雑な試験をすること無く、ただ単に、生成した混練物についてフロー試験を行って所定のフロー値を示す水粉体比を求めれば、演算により硬化体の圧縮強度を最大にする水粉体比やセメント添加率を容易に求めることが可能で、配合比率を決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例で用いた石炭灰の品質を示す一覧表である。
【図２】水粉体比と圧縮強度との関係を示すグラフである。
【図３】水粉体比とフロー値との関係を示すグラフである。
【図４】フロー値１４０となる水粉体比と最適水粉体比との関係を示すグラフである。
【図５】  (a)〜(d)は粉体水比の逆数と圧縮強度との関係を各材令ごとに示したグラフである。
【図６】  (a)〜(d)はセメント置換率と圧縮強度との関係を各材令ごとに示したグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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