JP2004051426A - 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またはコンクリート - Google Patents

Abstract

【課題】耐塩化物浸透性及び中性化抑制効果があるセメント混和材及びセメントコンクリート組成物を提供する。
【解決手段】ポゾラン及びγ−２ＣａＯ・ＳｉＯ_２を含有することを特徴とするセメント混和材及びセメントコンクリート組成物。本発明のセメント混和材及びセメントコンクリート組成物を使用することにより、耐塩化物浸透性及び中性化抑制効果にすぐれたコンクリート成形体及びコンクリート構造物を製造できる。本発明は土木・建築業界において、特に塩害及び中性化を受けやすい環境において使用されるコンクリート材料に適する。
【選択図】　　なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に、土木・建築業界におけるセメント混和材、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】
最近では、コンクリートの耐久性問題が大きくクローズアップされ、コンクリートの耐久性向上の要求が高まっている。コンクリートの劣化要因には中性化や塩害などがある。しかしながら、これらは相反する要求性能である。
【０００３】
なぜなら、塩害はコンクリート中の水酸化カルシウム量が多いほど影響を受けやすい。一方、中性化は水酸化カルシウム生成量が少ないほど影響を受けやすいためである。
【０００４】
塩害はおもに海岸近くのコンクリート構造物で発生し、飛来塩分等に由来する塩化物イオンが表面からコンクリート内部に浸透することにより鉄筋が腐食し、その結果構造物としての耐力の低下やコンクリート片の剥落等の劣化を引き起こす現象である。
塩害の影響を受けにくいコンクリートを得るためには、高炉スラグ、フライアッシュ、及びシリカフュームなどの潜在水硬性物質を多量に混和して、セメントの水和から生成するフリー状態の水酸化カルシウムを消費させて、水酸化カルシウム量の少ない緻密なコンクリートとすることにより耐塩化物浸透性を向上させることが有効とされてきた。
【０００５】
一方、中性化は水酸化カルシウムが大気中の二酸化炭素と反応して炭酸化されることにより引き起こされる現象である。したがって、水酸化カルシウム生成量が多いコンクリートほど影響を受けにくいとされている。
【０００６】
このように、今日ではコンクリートの塩害と中性化を同時に効果的に抑制する技術の開発が求められている。
【０００７】
そこで、本発明者は種々検討を重ねた結果、本発明者は、水硬性を持たないγ−２ＣａＯ・ＳｉＯ_２の粉末が、中性化抑制効果を有することを見出し、潜在水硬性物質とγ−２ＣａＯ・ＳｉＯ_２微粉末からなるセメント混和材が、耐塩化物浸透性及び中性化抵抗性の双方を付与することを知見して本発明を完成するに至った。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、潜在水硬性物質及びγ−２ＣａＯ・ＳｉＯ_２を含有してなるセメント混和材であり、セメントと該セメント混和材とを含有してなる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り、潜在水硬性物質を結合材の一部として、また、γ−２ＣａＯ・ＳｉＯ_２を骨材の一部として配合することを特徴とする該モルタル又はコンクリートである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
【００１０】
本発明で使用するγ−２ＣａＯ・ＳｉＯ_２は２ＣａＯ・ＳｉＯ_２で表される化合物のうち、低温相として知られるものであり、高温相として知られるα−２ＣａＯ・ＳｉＯ_２及びβ−２ＣａＯ・ＳｉＯ_２とは異なるものである。これらは、いずれも２ＣａＯ・ＳｉＯ_２で同じ化学組成を有するが、結晶構造は異なっている。セメントクリンカ中に存在する２ＣａＯ・ＳｉＯ_２はβ−２ＣａＯ・ＳｉＯ_２であり、γ−２ＣａＯ・ＳｉＯ_２は全く含まれない。β−２ＣａＯ・ＳｉＯ_２は水硬性を有するが、本発明のγ−２ＣａＯ・ＳｉＯ_２のような中性化抵抗性を示さない。
【００１１】
本発明のγ−２ＣａＯ・ＳｉＯ_２を工業的に製造する方法は特に限定されないが、一般的には（１）ＣａＯ源として生石灰、消石灰、及び／又は炭酸カルシウムなどのカルシウム源、（２）酸化アルミニウム、水酸化アルミニウム、及び／又はボーキサイトなどのアルミニウム源を熱処理する方法等が挙げられる。
【００１２】
熱処理温度は特に限定されるものではなく、使用する原料によっても異なるが、通常、８５０℃〜１６００℃程度の範囲で行えばよく、１，０００℃〜１，５００℃程度が熱処理効率の面から好ましい。
【００１３】
γ−２ＣａＯ・ＳｉＯ_２微粉末の粒度はブレーン比表面積値で、２，０００〜８，０００ｃｍ^２／ｇが好ましく、３，０００〜６，０００ｃｍ^２／ｇがより好ましい。ブレーン比表面積値が２，０００ｃｍ^２／ｇ未満では中性化抵抗性が十分に得られない場合がある。８，０００ｃｍ^２／ｇを超えると過剰な粉砕動力が必要となりコスト増の原因となる。
【００１４】
本発明のγ−２ＣａＯ・ＳｉＯ_２を工業的に製造する際には、微量不純物の存在は特に限定されるものではなく、本発明の目的を実質的に阻害しない範囲では特に問題とならない。その具体例としては、例えば、Ｆ、Ｃｌ、Ｂ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＴｉＯ_２、ＭｎＯ、Ｎａ_２Ｏ、Ｓ、Ｐ_２Ｏ_５、及びＦｅ_２Ｏ_３等が挙げられる。
【００１５】
また、共存する化合物としては、トライカルシウムシリケート３ＣａＯ・ＳｉＯ_２、ランキナイト３ＣａＯ・２ＳｉＯ_２、ワラストナイトＣａＯ・ＳｉＯ_２などのγ−２ＣａＯ・ＳｉＯ_２以外のカルシウムシリケート、メルヴィナイト３ＣａＯ・ＭｇＯ・２ＳｉＯ_２、アケルマナイト２ＣａＯ・ＭｇＯ・２ＳｉＯ_２、モンチセライトＣａＯ・ＭｇＯ・ＳｉＯ_２などのカルシウムマグネシウムシリケート、ゲーレナイト２ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・ＳｉＯ_２及びアノーサイトＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２などのカルシウムアルミノシリケート、アケルマナイト２ＣａＯ・ＭｇＯ・２ＳｉＯ_２及びゲーレナイト２ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・ＳｉＯ_２の混晶であるメリライト、ＭｇＯ・ＳｉＯ_２及び２ＭｇＯ・ＳｉＯ_２などのマグネシウムシリケート、遊離石灰、遊離マグネシア、カルシウムフェライト２ＣａＯ・Ｆｅ_２Ｏ_３、カルシウムアルミノフェライト４ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・Ｆｅ_２Ｏ_３、リューサイト（Ｋ_２Ｏ、Ｎａ_２Ｏ）・Ａｌ_２Ｏ_３・ＳｉＯ_２、スピネルＭｇＯ・Ａｌ_２Ｏ_３、並びにマグネタイトＦｅ_３Ｏ_４を含む場合がある。
【００１６】
本発明に係る潜在水硬性物質（以下、ポゾランともいう）とは、特に限定されるものではなく、いかなるものでも使用可能である。その具体例としては、高炉水砕スラグ微粉末、フライアッシュ、シリカフューム、及び珪藻土等が挙げられ、本発明ではこれらのポゾランのうちの１種又は２種以上が使用可能である。
【００１７】
本発明のセメント混和材はポゾランとγ−２ＣａＯ・ＳｉＯ_２とを含有するものであるが、中性化抵抗性や耐塩化物浸透性は、セメント・コンクリートの圧縮強度と深い関連があり、強度が高いほど中性化抵抗性が大きく、耐塩化物浸透性も良好となる。
【００１８】
そこで、γ−２ＣａＯ・ＳｉＯ_２とポゾランをセメント・コンクリートに使用する場合、セメントとポゾランとを混合して結合材とすること、すなわち、ポゾラン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く、また、これをモルタル又はコンクリートに使用する場合、ポゾラン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、γ−２ＣａＯ・ＳｉＯ_２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。
【００１９】
本発明におけるγ−２ＣａＯ・ＳｉＯ_２とポゾラン配合割合は特に限定されるものではないが、通常、γ−２ＣａＯ・ＳｉＯ_２は１０〜８０部が好ましく、４０〜６０部がより好ましい。また、ポゾランは９０〜２０部が好ましく、６０〜４０部がより好ましい。ポゾランが９０部を超えたり、γ−２ＣａＯ・ＳｉＯ_２が１０部未満であると、中性化抵抗性が不十分になる場合がある。また、ポゾランが２０部未満であったり、γ−２ＣａＯ・ＳｉＯ_２が８０部を超えると、耐塩化物浸透性が不十分となる場合がある。
【００２０】
本発明のセメント混和材の粒度は特に限定されるものではないが、通常、ブレーン比表面積値で３，０００〜１５，０００ｃｍ^２／ｇが好ましく、４，０００〜９，０００ｃｍ^２／ｇがより好ましい。３，０００ｃｍ^２／ｇ未満では、本発明の効果が十分に得られない場合があり、１５，０００ｃｍ^２／ｇを超えても更なる効果の増進が期待できない。
【００２１】
本発明のセメント混和材の使用量は特に限定されるものではない。
【００２２】
ポゾランの使用量は、通常、セメント及びポゾランからなる結合材１００部中、１０〜８０部が好ましく、ポゾラン３０〜７０部がより好ましい。１０部未満では耐塩化物浸透性が充分でなく、８０部を超えると中性化抵抗性が悪くなる場合がある
【００２３】
また、ポゾランの粒度は特に限定されないが、通常、ブレーン比表面積値で３，０００〜２００，０００ｃｍ^２／ｇのものがあり、４，０００〜２０，０００ｃｍ^２／ｇの範囲にあるものが好ましい。３，０００ｃｍ^２／ｇ未満では、耐塩化物浸透性が充分に得られない場合があり、２００，０００ｃｍ^２／ｇを超えると作業性が悪くなる場合がある。
【００２４】
本セメント組成物では、γ−２ＣａＯ・ＳｉＯ_２は細骨材と置換して配合することが好ましく、結合材１００部に対して５部以上が好ましく、１０部以上がより好ましい。５部未満では中性化抵抗性が充分に得られない場合がある。なお、細骨材のすべてをγ−２ＣａＯ・ＳｉＯ_２に置き換えて使用することも可能である。
【００２５】
本発明のセメント混和材のポゾランは結合材としてセメントと置換して配合することで、また、γ−２ＣａＯ・ＳｉＯ_２を骨材として置換して配合することで、本発明のセメント混和材を混和しないセメント・コンクリートと比べて圧縮強度をそれほど大きく変えることがなく、設計強度に対する中性化抵抗性や耐塩化物浸透性を明瞭に向上させることができる。
【００２６】
本発明で使用するセメントは特に限定されないが、ポルトランドセメントを含有するセメントを用いることが好ましく、たとえば普通、早強、超早強、低熱、または中庸熱など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水砕スラグ、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、あるいは、ポルトランドセメントに石灰石粉末などを混合した石灰石フィラーセメントなどが挙げられる。
【００２７】
本発明のセメント組成物の粒度は、使用する目的・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、ブレーン比表面積値で３，０００〜８，０００ｃｍ^２／ｇが好ましく、４，０００〜６，０００ｃｍ^２／ｇがより好ましい。ブレーン比表面積値が３，０００ｃｍ^２／ｇ未満では、強度発現性が十分に得られない場合があり、８，０００ｃｍ^２／ｇを超えると作業性が悪くなる場合がある。
【００２８】
本発明では、セメント、本セメント混和材、砂や砂利などの骨材の他に、従来コンクリートに用いられてきた石灰石微粉末などの混和材料、減水剤、ＡＥ減水剤、高性能減水剤、高性能ＡＥ減水剤、消泡剤、増粘剤、防錆剤、防凍剤、ポリマー、収縮低減剤、及び凝結調整剤などの各種添加剤、ベントナイトなどの粘土鉱物、ハイドロタルサイトなどのアニオン交換体、急硬材、並びに膨張剤などのうちの１種又は２種以上の添加材を、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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
本発明における水の使用量は、従来のセメント材料のｗ／ｃ比（水／セメント比）に相当する水／結合材比を２０〜６０％とすることが好ましい。水／結合材比が２０％未満では流動性が不足する場合があり、６０％を超えると強度不足の原因となるおそれがある。
【００３２】
【実施例】
以下、本発明の実験例に基づいてさらに説明する。
【００３３】
実験例１
表１に示すような割合でセメント、高炉水砕スラグ、砂、及びγ−２ＣａＯ・ＳｉＯ_２を使用し、結合材と砂の比率が１対２、水結合材比が５０％のモルタルを調製し、塩分浸透深さ、中性化深さ、及び圧縮強度を測定した。ただし、ポゾランは結合材の一部として配合し、γ−２ＣａＯ・ＳｉＯ_２は砂の一部として配合した。結果を表１に併記した。
【００３４】
＜使用材料＞
セメント　：市販の普通ポルトランドセメント、ブレーン比表面積値３，２００ｃｍ^２／ｇ、比重３．１５
高炉水砕スラグ：高炉水砕スラグ微粉末、ブレーン比表面積値６，０００ｃｍ^２／ｇ、ガラス化率９５％、比重２．９０
γ−２ＣａＯ・ＳｉＯ_２　：試薬１級の炭酸カルシウム２モルと試薬１級の二酸化ケイ素１モルを配合して混合粉砕した後、電気炉で１４５０℃で３時間焼成し、炉外に取り出して自然放冷により冷却して合成した。このときダスティングし、ブレーン比表面積１，８００ｃｍ^２／ｇまで粉化した。これをブレーン比表面積値４，０００ｃｍ^２／ｇまでさらに粉砕した。
石灰石微粉末：新潟県青海鉱山産石灰石の粉砕品、ブレーン比表面積値６，０００ｃｍ^２／ｇ、比重２．７０
砂　　　　：ＪＩＳ標準砂（ＩＳＯ６７９準拠）
水　　　　：水道水
【００３５】
＜測定方法＞
圧縮強度　：４×４×１６ｃｍ供試体を作製し、ＪＩＳ　Ｒ　５２０１に準じて材齢２８日強度を測定。
中性化深さ：４×４×１６ｃｍ供試体を作製し、材齢２８日まで２０℃水中養生を施した後、大気圧下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、８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し、中性化抵抗性を評価した。
塩分浸透深さ：４×４×１６ｃｍ供試体を作製し、材齢２８日まで２０℃水中養生を施した後、５％食塩水に供試体を２４時間浸漬し、４０℃で２４時間乾燥する工程を１サイクルとする促進試験を５０サイクルにわたって行った。この供試体を輪切りにして断面に硝酸銀水溶液を塗布して塩分浸透深さを測定し、耐塩化物浸透性を評価した。
【００３６】
【表１】

注：実験Ｎｏ．１−９〜１−１５の＊印はγ−２ＣａＯ・ＳｉＯ_２の代わりに石灰石微粉末を使用。
【００３７】
実験例２
単位セメント量１５０ｋｇ／ｍ^３（５０部）、単位ポゾランＡ量１５０ｋｇ／ｍ^３（５０部）、単位γ−２ＣａＯ・ＳｉＯ_２量１５０ｋｇ／ｍ^３（５０部）、単位砂量４５０ｋｇ／ｍ^３（１５０部）、水／結合材比５５％、ｓ／ａ（細骨材率）＝４２％、及び空気量４．５±１．５％のコンクリートを調製し、γ−２ＣａＯ・ＳｉＯ_２の粉末度を表２に示すように変化して実験を行った。ただし、γ−２ＣａＯ・ＳｉＯ_２は細骨材に置換して配合し、ポゾランは結合材として配合した。圧縮強度、塩分浸透深さ、及び中性化深さを測定した。
【００３８】
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γ−２ＣａＯ・ＳｉＯ_２と圧縮強度が同等となる、石灰石微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。
【００３９】
＜使用材料＞
砂　　　　：新潟県姫川産、比重２．６２
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
【００４０】
＜測定方法＞
圧縮強度　　：１０ｃｍφ×２０ｃｍ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：１０ｃｍφ×２０ｃｍ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し、耐中性化抵抗性を評価した。
塩分浸透深さ（耐塩化物浸透性）：コンクリートを１０ｃｍφ×２０ｃｍ型に流込み成型して供試体を作製し、材齢２８日まで２０℃水中養生を施した後、新潟県西頸城郡青海町の浜辺に供試体を海水に暴露し、６ヶ月後に回収した。この際、供試体が潮の満ち引きによって周期的に海水に漬かったり乾燥したりするような場所を選定した。この供試体を輪切りにして断面に硝酸銀水溶液を塗布して塩分浸透深さを測定し、耐塩化物浸透性を評価した。
【００４１】
【表２】

注：ＬＳＰは石灰石微粉末。
【００４２】
実験例３
潜在水硬性物質の種類、単位量、及びγ−２ＣａＯ・ＳｉＯ_２の単位量を表３に示すように変化し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。ただし、セメントと潜在水硬性物質からなる結合材の単位量は３００ｋｇ／ｍ^３とし、水結合材比も５５％とした。また、γ−２ＣａＯ・ＳｉＯ_２は細骨材に置換して配合した。
＜使用材料　＞
フライアッシュ：ブレーン比表面積値４，５００ｃｍ^２／ｇ、比重２．４０
シリカフューム：ブレーン比表面積値１３５，０００ｃｍ^２／ｇ、比重２．２０
【００４３】
【表３】

【００４４】
【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、耐塩化物浸透性と中性化抵抗性を付与できる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ため、本発明は土木・建築業界において、特に塩害及び／又は中性化を受けやすい環境において使用されるセメントコンクリート材料に適する。

Claims (4)

1. 潜在水硬性物質及びγ−２ＣａＯ・ＳｉＯ_２を含有してなるセメント混和材。
2. セメントと請求項１記載のセメント混和材とを含有してなるセメント組成物。
3. 請求項２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。
4. セメント及び潜在水硬性物質からなる結合材、並びに、γ−２ＣａＯ・ＳｉＯ_２を含有してなる骨材を配合することを特徴とする請求項３記載のモルタル又はコンクリート。