(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、セメント100重量部に対し、ポゾラン質微粉末5〜50重量部、粒径2mm以下の骨材50〜250重量部、減水剤（固形分換算）0.5〜4.0重量部、水10〜30重量部を含む配合物であって、前記ポゾラン質微粉末がシリカフュームであり、該配合物の凝結後の体積の4％未満となる量の金属繊維を含む配合物を型枠に配置し、該配合物が硬化する前に普通コンクリートを打設することにより、該配合物の硬化体と普通コンクリートを一体化してなる複合部材であって、上記硬化体を複合部材の引張側、及び／又は、耐久性要求側に配置してなることを特徴とする複合部材。
【請求項２】
金属繊維が、径0.01〜1.0mm、長さ2〜30mmの鋼繊維である請求項１記載の複合部材。
【請求項３】
配合物に、平均粒径3〜20μｍの無機粉末を含む請求項１又は２に記載の複合部材。
【請求項４】
配合物に、平均粒度1mm以下の繊維状粒子又は薄片状粒子を含む請求項１〜３のいずれかに記載の複合部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、複合部材、特に普通コンクリートと超高強度硬化体を複合して、ひび割れ強度向上、及び／又は耐久性を高めた複合部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、コンクリートで構造物を構築する場合、コンクリートのひび割れ及びひび割れ幅がその構造物を構成するコンクリート部材の使用限界となるケースが多い。又、コンクリート部材は、コンクリートの中性化等の耐久性により、鉄筋のかぶりが決定されている。上記いずれの場合においても、部材断面を大きくすることでひび割れ防止や耐久性向上を図っているのが現状であり、その結果、コンクリート部材の重量が大となり、また、コンクリート部材を支える基礎や柱部等の部材も大きな断面となる等大変不経済であるほか、運搬等において大きな機械力を使用しなければならない欠点を持っている。また、鋼材と比較し、一般にコンクリート自体の耐久性は優れているとはいえ、腐食作用、凍結融解作用、あるいは化学作用が厳しい環境におけるコンクリート構造物のコンクリート部材として使用するには、例えば、海水による侵食、摩耗、凍結融解による剥離の発生等、長期的な使用にはやはり耐久性の課題が残る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、この発明は、安価で取り扱いが容易な普通コンクリートと、超高強度特性、高靭性、耐衝撃性及び高耐久性を有する超高強度セメント系の硬化体を一体化することにより、部材断面厚さの低減・軽量化を可能とした上で、極めてひび割れ強度の向上、及び／又は耐久性の向上、意匠性の向上した複合部材を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、この発明の複合部材によれば、少なくとも、セメント100重量部に対し、ポゾラン質微粉末5〜50重量部、粒径2mm以下の骨材50〜250重量部、減水剤（固形分換算）0.5〜4.0重量部、水10〜30重量部を含む配合物であって、前記ポゾラン質微粉末がシリカフュームであり、該配合物の凝結後の体積の4％未満となる量の金属繊維を含む配合物を型枠に配置し、該配合物が硬化する前に普通コンクリートを打設することにより、該配合物の硬化体と普通コンクリートを一体化してなる複合部材であって、上記硬化体を複合部材の引張側、及び／又は、耐久性要求側に配置してなること（請求項１）、金属繊維が、径0.01〜1.0mm、長さ2〜30mmの鋼繊維であること（請求項２）、配合物に、平均粒径3〜20μｍの無機粉末を含むこと（請求項３）、配合物に、平均粒度1mm以下の繊維状粒子又は薄片状粒子を含むこと（請求項４）、を特徴とする。以下、この発明を詳しく説明する。
【０００５】
【発明の実施の形態】
この発明の複合部材を構成する硬化体に使用するセメントは、ポルトランドセメント、混合セメント、速硬セメントなどの各種のセメントを使用することができる。ポルトランドセメントは、普通、早強、超早強、中庸熱、耐硫酸塩、低熱、白色などの各種ポルトランドセメントがいずれも使用できるが、中庸熱、耐硫酸塩、低熱の各ポルトランドセメントは、アルミネート鉱物（Ｃ3Ａ）の含有量が少なく、流動性が良いので好ましい。フライアッシュセメント、高炉セメント、シリカセメント等の混合セメントは、組成物中のポルトランドセメント分が他のセメントより相対的に少ないので流動性を高める点では好ましい。また、硬化体の早期強度を向上しようとする場合は、早強ポルトランドセメントを使用することが好ましく速硬セメントは短時間で硬化するので流動性が早く失われるが、早期に強度の発現を求められる場合には効果的である。
【０００６】
セメントの使用量は、後述するポゾラン質微粉末の使用量と併せて決定されるが、配合物中の単位セメント量が５００〜１０００ｋｇ／ｍ3、好ましくは７００〜８５０ｋｇ／ｍ3 の範囲とすることにより、各種配合物との作用と相俟って、圧縮強度が１５０ＭＰａ以上、特に２００ＭＰａ以上の超高強度用硬化体を得ることができる。単位セメント量が５００ｋｇ／ｍ3 を下回ると、目的とする超強度硬化体を得ることが困難となり、又、セメント使用量が１０００ｋｇ／ｍ3 を超えると、ポゾラン質微粉末の使用と併せて、配合物の練り混ぜが困難となり好ましくない。
【０００７】
次に、ポゾラン質微粉末は、セメントとのポゾラン反応に関与する微粉末であり、シリカフューム、シリカダスト、フライアッシュ、スラグ、火山灰、シリカゾル、沈降シリカ等の平均粒径が１．５μｍ未満のものが用いられる。中でもシリカフュームは、平均粒径が１．０μｍ以下であり、粉砕する必要がなく、ポゾラン反応に好適である。ポゾラン質微粉末は、そのマイクロフィラー効果及びセメント分散効果によりコンクリートが緻密化し、圧縮強度が向上する。一方、微粉末の添加量が多くなると単位水量を増大するので、ポゾラン質微粉末量はセメント１００重量部に対して５〜５０重量部が好ましい。
【０００８】
この発明において、骨材は通常のコンクリートに使用されている砂、例えば、川砂、陸砂、海砂、砕砂、珪砂及びこれらの混合物をを用いることができるが、粒径は２ｍｍ篩通過量が８５重量％以上、好ましくは１．５ｍｍ篩通過量が８５重量％以上、さらに好ましくは１．２ｍｍ篩通過量が８５重量％以上のものを使用する。このような骨材粒子を使用することにより、配合物の分離抵抗性を高めると共に、硬化体の充填度及び強度を高めることができる。上記骨材の配合量は、セメント１００重量部に対して、５０〜２５０部の範囲、好ましくは８０〜１８０重量部の範囲とすることにより、コンクリートの作業性や分離抵抗性に優れ、硬化後の強度やクラックに対する抵抗性を保持しつつ、経済的な硬化体を得ることができる。
【０００９】
また、この発明においては、上記骨材に加えて、平均粒径３．０〜２０μｍ、好ましくは４〜１０μｍの無機粉末を配合することにより、さらに硬化体の充填密度を高めることができる。無機粉末としては、石英粉末、例えば、石英や非晶質石英、オパール質やクリストバライト質のシリカ含有粉末、あるいは、岩石粉末、石灰石粉末、高炉スラグ、火山灰、分級フライアッシュ、さらにはＡｌ2Ｏ3等の酸化物粉末、ＳｉＣ2等の炭化物粉末、ＳｉＮ等の窒化物粉末が使用できるが、中でも、石英粉末はコストや硬化体の品質安定性の面から好ましいものである。無機粉末は、セメント１００重量部に対して無機粉末が５０重量部以下の範囲、好ましくは２０〜３５重量部の範囲で含まれると、流動性が良く、硬化体が強度に優れた緻密な充填構造を形成しやすいものとなる。
【００１０】
次に、この発明は減水剤を併用する。減水剤としては、リグニン系、ナフタレンスルホン酸系、メラミン系、ポリカルボン酸系の減水剤、ＡＥ減水剤、高性能減水剤又は高性能ＡＥ減水剤を使用することができる。中でも、高性能減水剤又は高性能ＡＥ減水剤を使用することが好ましい。この発明においては、従来のコンクリートと比べて硬化体中に占める微粉体の体積が多いことが特徴の一つであるが、この場合においても、減水剤の添加量を適切に調整することにより、コンクリートに所定の流動性を与えることができる。減水剤の添加量（セメントに対して外割）は、コンクリートの流動性や分離抵抗性、硬化後の強度、さらにはコスト等から、セメントに対して、固形分換算で、０．１〜１０重量％、好ましくは０．５〜４．０重量％とする。添加量が０．１重量％未満では減水効果が実質上無く、またこれを１０重量％越えて添加しても減水性、流動性の改善効果が頭打ちとなる。
【００１１】
この発明において、水／セメント比は、コンクリートの流動性や分離抵抗性、硬化体の強度や耐久性等から、１０〜３０重量％が好ましく、１５〜２５重量％がより好ましい。
【００１２】
この発明においては、硬化体の曲げ強度を高める観点から、配合物に金属繊維及び／又は有機質繊維を含ませることが好ましい。金属繊維としては、鋼繊維、アモルファス繊維等が挙げられるが、中でも鋼繊維は強度に優れており、またコストや入手のし易さの点からも好ましいものである。金属繊維は、径０．０１〜１．０ｍｍ、長さ２〜３０ｍｍのものが好ましい。径が０．０１ｍｍ未満では繊維自身の強度が不足し、張力を受けた際に切れやすくなる。径が１．０ｍｍを超えると、同一配合量での本数が少なくなり、コンクリートの曲げ強度が低下する。長さが３０ｍｍを超えると、混練の際ファイバーボールが生じやすくなる。長さが２ｍｍ未満ではマトリックスとの付着力が低下し曲げ強度が低下する
【００１３】
金属繊維の配合量は凝結後の硬化体体積の４％未満が好ましく、より好ましくは３．５％未満である。金属繊維の含有量は、流動性と硬化体の曲げ強度の観点から定められる。一般に、金属繊維の含有量が多くなると曲げ強度が向上するが、一方、流動性を確保するために単位水量も増大するので、金属繊維の含有量は前記の量が好ましい。
【００１４】
有機質繊維としては、ビニロン繊維、ポリプロピレン繊維、ポリエチレン繊維、アラミド繊維、アクリル繊維、炭素繊維等が挙げられる。有機質繊維は、径０．００５〜１．０ｍｍ、長さ２〜３０ｍｍのものが好ましい。有機質繊維の含有量は、凝結後の硬化体体積の１０％未満が好ましく、７％未満がより好ましい。なお、この発明においては、金属繊維と有機質繊維を併用することは差し支えない。
【００１５】
この発明においては、硬化体の靱性を高める観点から、平均粒度が１ｍｍ以下の繊維状粒子又は薄片状粒子を含ませることが好ましい。ここで、粒子の粒度とはその最大寸法の大きさ（特に、繊維状粒子ではその長さ）である。繊維状粒子としては、ウォラストナイト、ボーキサイト、ムライト等が、薄片状粒子としては、マイカフレーク、タルクフレーク、バーミキュライトフレーク、アルミナフレーク等が挙げられる。繊維状粒子又は薄片状粒子の配合量は、コンクリートの流動性、硬化体の強度や靱性等から、セメント１００重量部に対して３５重量部以下が好ましく、１０〜２５重量部がより好ましい。なお、繊維状粒子においては、硬化体の靱性を高める観点から、長さ／直径の比で表される針状度が３以上のものを用いるのが好ましい。
【００１６】
尚、以上説明した配合成分のほかに、この発明は、通常、コンクリートにおいて用いられる急硬・急結材、高強度混和剤、水和促進剤、凝結調整剤などの各種コンクリート混和材料も使用できる。
【００１７】
また、前記各成分の混合及び混練方法に制限は無く、均一に混合混練できれば良く、オムニミキサ、パン型ミキサ、二軸練りミキサ、傾胴ミキサ等、各種のミキサを使用することができる。さらに、配合成分の添加順序にも特に制限されるものではない。
【００１８】
次に、この発明の複合部材を構成する普通コンクリートは、通常使用されているコンクリートのことであって、２８日標準養生時の圧縮強度が１００ＭＰａ以下のものを言い、この普通コンクリートを前記詳述した超強度硬化体と一体化する。一体化は、引張側、及び／又は、耐久性要求側に前記超強度硬化体を構成する配合物を成形、配置し、該配合物が硬化する前に普通コンクリートを打設しても良く、また、硬化後に打設しても良い。硬化後に普通コンクリートを打設する場合は、該コンクリートとの付着性を高めるために、硬化体表面を粗面仕上げ、ジベル筋、あるいは各種シアーコッター等を設け、強固な一体化を図ることが望ましい。
【００１９】
尚、超強度硬化体配合物の成形及び養生は、通常のコンクリートにおける各種の成形方法及び養生方法が適用可能であり、流し込み成形のほか、管状体にあっては遠心成形等も適用でき、常温養生、高温養生、常圧蒸気養生、高温高圧養生のいずれの方法も採用でき、必要ならば、これらの組合わせを行ってより超高強度硬化体とすることができる。また、従来のコンクリートと同様に配筋し、加えてプレストレストを導入することも可能である。
【００２０】
上述した普通コンクリートと超高強度硬化体を一体化したこの発明の複合部材は、引張側、及び／又は、耐久性要求側に超高強度硬化体を配置することで、該超高強度硬化体の物性を充分に発揮し、高強度特性、高靭性、耐衝撃性及び高耐久性を有する複合部材とすることができ、また、部材全体として断面厚さを低減し、このため大型で長尺寸法化が可能である。
【００２１】
【実施例】
以下、実施例を挙げてこの発明を説明する。
（使用材料）
セメント：低熱ポルトランドセメント（太平洋セメント（株）製）
ポゾラン質微粉末：シリカフューム（平均粒径０．７μｍ）
骨材：珪砂４号と珪砂５号の２：１（重量比）混合品（２ｍｍ篩通過量が１００重量％）
金属繊維：鋼繊維（直径：０．２ｍｍ、長さ：１５ｍｍ）
高性能ＡＥ減水剤：ポリカルボン酸系高性能ＡＥ減水剤
水：上水道水
石英粉（平均粒径７μｍ）
繊維状粒子：ウォラストナイト（平均長さ０．３ｍｍ、長さ／直径の比４）
【００２２】
実施例１
低熱ポルトランドセメント１００重量部、シリカフューム３２．５重量部、骨材１２０重量部、高性能ＡＥ減水剤をセメントに対して１．０重量％（固形分）、水／セメント比２２重量％の条件で各材料を、二軸練りミキサに一括投入して混練りした。次いで、前置き（２０℃）４８時間後、９０℃で４８時間蒸気養生して、直径５０ｍｍ、長さ１００ｍｍの円柱（圧縮試験用）、及び幅４０ｍｍ、長さ１６０ｍｍ、厚さ４０ｍｍの棒状（曲げ試験用）成形品を得た。得られた成形品の圧縮強度は、２１０ＭＰａ、曲げ強度は２５ＭＰａであった。尚、混練物のフロー値は２７０ｍｍであった。
【００２３】
実施例２
鋼繊維を配合物中の体積の２％を加えたほかは実施例１と同様にして成形品を得た。得られた成形品の圧縮強度は、２１０ＭＰａ、曲げ強度は４７ＭＰａ、混練物のフロー値は２５０ｍｍであった。
【００２４】
実施例３
実施例２の配合物に石英粉を３０重量部、ウォラストナイトを２４重量部を加えたほかは実施例１と同様にして成形品を得た。尚、得られた成形品の圧縮強度は、２３０ＭＰａ、曲げ強度は４７ＭＰａ、混練物のフロー値は２５０ｍｍであった。
【００２５】
比較例
セメントとして普通ポルトランドセメント１００重量部、骨材として細骨材１６０重量部（山形産砕砂）、粗骨材３００重量部（秩父産砕石）を用い、水／セメント比４０重量％としたほかは実施例１と同様に成形品を得た。得られた成形品の圧縮強度は６０ＭＰａ、曲げ強度は７ＭＰａ、混練物のスランプフロー値は５５０ｍｍであった。
【００２６】
実施例４
実施例1〜３、及び比較例で得た成形品を用いて耐摩耗及び耐衝撃試験を行った。耐摩耗試験はピンオンディスク法により摩耗重量を測定し、また、耐衝撃試験は、シャルピー法で行った。測定結果は、実施例１の成形品摩耗量を１００とすると、実施例2、３のそれは１１０、１１０であり、比較例では６０であった。また、実施例１におけるエネルギー吸収率を１とすると、実施例2、３は、それぞれ８０、100であり、比較例では１／５であった。
【００２７】
実施例５
実施例1〜３、及び比較例で得た成形品を用いて凍結融解試験を行い、成形品の劣化度を凍結融解サイクル数と動弾性係数に基づく相対動弾性係数比を計測することにより調べた。測定結果は、凍結融解サイクル数１０００回での実施例１〜３の動弾性係数を１００とすると、比較例では７０であった。
【００２８】
実施例６
実施例３に記載の配合物を幅１００ｍｍ×長さ２００ｍｍの型枠に４０ｍｍ厚さまで充填し、続いて、該配合物の硬化前に比較例記載のコンクリートを６０ｃｍ厚さに充填し、次いで、前置き（２０℃）４８時間後、９０℃で４８時間蒸気養生して、部材厚さ１００ｍｍで、硬化体（４０ｍｍ厚）と普通コンクリート（６０ｍｍ厚）一体型の複合部材を得た。この複合部材の実施例３配合物硬化体を引張側にして曲げ強度試験を行ったところ、普通コンクリートのみの場合と比較して６倍の強度となった。
【００２９】
【発明の効果】
この発明により、圧縮強度を２００ＭＰａ以上とした超緻密な硬化体を引張側、及び／又は、耐久性要求側に配置し、普通コンクリートと一体化し、極めてひび割れ強度の向上した、あるいは耐摩耗、耐表面侵食に極めて優れ、超耐用性のある複合部材とすることができる。また、この発明によれば、その超高強度特性及び耐衝撃特性を有する硬化体との一体化により、部材厚さを薄く、軽量化や大型で長尺寸法化ができるほか、乾燥収縮が小さく、寸法精度も優れ、複合部材使用による構造物の構築に当たって、極めて施工性が優れるものであり、一般の建築・構造物のほか、腐食作用、凍結融解作用、あるいは化学作用が厳しい環境におけるコンクリート構造物において、厳しい環境面側を超緻密な硬化体にした複合部材として好適に適用できる。