JP2018158867A - セメント組成物 - Google Patents

Abstract

【課題】ＡＥ剤を含まないにもかかわらず、耐凍害性（例えば、凍結融解抵抗性）に優れたセメント組成物を提供する。【解決手段】セメント、細骨材、水およびセメント分散剤を含み、かつ、ＡＥ剤を含まないセメント組成物であって、上記水が、１μｍ以下の粒径を有する気泡を含むものであり、「ＪＩＳ Ａ １１１６：２０１４（フレッシュコンクリートの単位容積質量試験方法および空気量の質量による試験方法（質量方法）」に準拠して測定される上記セメント組成物のモルタル部分中の空気量が、４．０％以上であるセメント組成物。【選択図】図１

Description

本発明は、セメント組成物に関する。

モルタルやコンクリートにＡＥ剤等を添加して微細な空気泡を連行することにより、モルタルやコンクリートの空気量を増大させて、モルタルやコンクリートの凍結融解に対する抵抗性や流動性を向上させることが知られている。
また、特許文献１には、従来のＡＥ剤等の混和剤の添加に代わる、微細な空気泡を連行する方法として、少なくとも練混ぜ水とセメントとを含み、必要に応じて骨材とを混合して練混ぜたセメントミルク、モルタル又はコンクリートのセメント系材料において、該セメントミルク、モルタル又はコンクリートの材料混練時にマイクロバブルを導入したことを特徴とするマイクロバブル混入セメント系材料が記載されている。

特開２００７−１９１３５８号公報

本発明の目的は、ＡＥ剤を含まないにもかかわらず、耐凍害性（例えば、凍結融解抵抗性）に優れたセメント組成物を提供することである。

本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、セメント、細骨材、水およびセメント分散剤を含み、かつ、ＡＥ剤を含まないセメント組成物であって、上記水が、１μｍ以下の粒径を有する気泡を含むものであり、上記セメント組成物のモルタル部分中の空気量が、４．０％以上であるセメント組成物によれば、上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成した。
すなわち、本発明は、以下の［１］〜［４］を提供するものである。
［１］ セメント、細骨材、水およびセメント分散剤を含み、かつ、ＡＥ剤を含まないセメント組成物であって、上記水が、１μｍ以下の粒径を有する気泡を含むものであり、「ＪＩＳ Ａ １１１６：２０１４（フレッシュコンクリートの単位容積質量試験方法および空気量の質量による試験方法（質量方法）」に準拠して測定される上記セメント組成物のモルタル部分中の空気量が、４．０％以上であることを特徴とするセメント組成物。
［２］ 上記水１ミリリットル中の上記気泡の数が、１０^７個以上である前記［１］に記載のセメント組成物。
［３］ 前記［１］又は［２］に記載のセメント組成物の硬化体からなる表面形成部分を含む構造物。
［４］ 前記［１］又は［２］に記載のセメント組成物を製造するための方法であって、上記セメント組成物のモルタル部分中の空気量の目標値として、４．０％以上の特定の値を定める空気量設定工程と、上記空気量が上記特定の値以上となるように、上記セメント分散剤の量を特定の値に定めるセメント分散剤量設定工程と、上記セメント分散剤の量として上記特定の値を採用して、上記セメント組成物を構成する各材料を混合して、上記セメント組成物を得る混合工程、を含むことを特徴とするセメント組成物の製造方法。

本発明のセメント組成物は、ＡＥ剤を含まないにもかかわらず、耐凍害性（例えば、凍結融解抵抗性）に優れたものである。特に、セメント分散剤が減水剤、ＡＥ減水剤、高性能減水剤、又は高性能ＡＥ減水剤である場合、減水剤等の空気連行性をより向上させて、セメント組成物中のモルタル部分中の空気量をより大きくすることができ、セメント組成物の耐凍害性（例えば、凍結融解抵抗性）をより向上することができる。

実施例１、比較例１〜３、及び、参考例１〜２における、凍結融解試験の結果を示す図である。 実施例２、及び、比較例４〜６における、凍結融解試験の結果を示す図である。

本発明のセメント組成物は、セメント、細骨材、水およびセメント分散剤を含み、かつ、ＡＥ剤を含まないセメント組成物であって、上記水が、１μｍ以下の粒径を有する気泡を含むものであり、「ＪＩＳ Ａ １１１６：２０１４（フレッシュコンクリートの単位容積質量試験方法および空気量の質量による試験方法（質量方法）」に準拠して測定される上記セメント組成物のモルタル部分中の空気量が、４．０％以上であるものである。
本発明で用いられるセメントは、特に限定されるものではなく、例えば、普通ポルトランドセメント、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等の各種ポルトランドセメントや、高炉セメント、フライアッシュセメント等の混合セメントや、エコセメント等を使用することができる。
セメントとして、フライアッシュセメントを用いる場合、フライアッシュセメントに含まれているフライアッシュは、本発明で用いる「石炭灰」に該当するものである。つまり、フライアッシュセメントに含まれているセメントのみが、本発明で用いる「セメント」に該当するものとする。また、フライアッシュセメントに含まれているフライアッシュの量は、本発明で用いる「セメント」の量に含めず、本発明で用いる「石炭灰」の量に含めるものとする。

本発明で用いられる細骨材は、特に限定されるものではなく、例えば、川砂、山砂、陸砂、海砂、砕砂、珪砂、スラグ細骨材、軽量細骨材、またはこれらの混合物等を使用することができる。
細骨材の配合量は特に限定されず、モルタルやコンクリート等のセメント組成物における一般的な配合量であればよい。例えば、セメント１００質量部に対する細骨材の配合量は、好ましくは５０〜７００質量部、より好ましくは１００〜６００質量部、特に好ましくは２００〜５００質量部である。該配合量が上記範囲内であれば、セメント組成物のワーカビリティーや成形のし易さが向上する。

本発明で用いられる水は、１μｍ以下の粒径を有する気泡を含むものである。なお、１μｍ以下の粒径を有する気泡は、ウルトラファインバブルまたはナノバブルと称されている。
気泡の粒径は、１μｍ（１，０００ｎｍ）以下、好ましくは７００ｎｍ以下、より好ましくは５００ｎｍ以下、さらに好ましくは３００ｎｍ以下、特に好ましくは２００ｎｍ以下である。該粒径が１μｍを超えると、セメント組成物のモルタル部分中の空気量が小さくなる。
本発明で用いられる水は、気泡の全量（１００体積％）中、好ましくは、粒径が１０〜１，０００ｎｍの範囲内である気泡を８０体積％以上（好ましくは９０体積％以上）含むものであり、より好ましくは、粒径が１０〜７００ｎｍの範囲内である気泡を８０体積％以上（好ましくは９０体積％以上）含むものであり、さらに好ましくは、粒径が１０〜５００ｎｍの範囲内である気泡を８０体積％以上（好ましくは９０体積％以上）含むものであり、さらに好ましくは、粒径が１０〜３００ｎｍの範囲内である気泡を８０体積％以上（好ましくは９０体積％以上）含むものであり、特に好ましくは、粒径が１０〜２００ｎｍの範囲内である気泡を８０体積％以上（好ましくは９０体積％以上）含むものである。
気泡の平均粒径は、好ましくは１μｍ以下、より好ましくは７００ｎｍ以下、さらに好ましくは５００ｎｍ以下、さらに好ましくは３００ｎｍ以下、さらに好ましくは２００ｎｍ以下、特に好ましくは１００ｎｍ以下である。該平均粒径が１μｍ以下であれば、セメント組成物のモルタル部分中の空気量をより大きくすることができる。
気泡の平均粒径の下限値は、特に限定されるものではないが、通常、１０ｎｍである。
なお、本明細書中、気泡の平均粒径とは、市販のナノ粒子解析装置を用いて、トラッキング法により得られる値をいう。

上記水１ミリリットル中の上記気泡（１μｍ以下の粒径を有するもの）の数は、好ましくは１０^７個以上、より好ましくは１０^８個以上、さらに好ましくは１０^９個以上、特に好ましくは５×１０^９個以上である。該数が１０^７個以上であれば、セメント組成物のモルタル部分中の空気量をより大きくすることができる。該数の上限は特に限定されるものではないが、気泡形成の容易性の観点から、好ましくは１０^１１個以下、より好ましくは１０^１０個以下である。
気泡を構成する気体の種類としては、特に限定するものではなく、例えば、空気、酸素、窒素等が挙げられる。中でも、汎用性の観点から、空気が好ましい。

本発明のセメント組成物において、水の配合量は特に限定されるものではなく、モルタルやコンクリート等のセメント組成物における一般的な配合量であればよい。例えば、水の配合量は、水とセメントの質量比（水／セメント；「水セメント比」ともいう。）の値として、好ましくは０．３〜０．８、より好ましくは０．４〜０．７となる量である。該比が０．３以上であれば、セメント組成物のワーカビリティが向上する。該比が０．８以下であれば、セメント組成物の強度発現性が向上する。

本発明のセメント組成物は、分散作用によりセメント組成物の流動性および強度発現性を向上させる観点から、セメント分散剤を含むものである。
セメント分散剤の例としては、減水剤、ＡＥ減水剤、高性能減水剤、高性能ＡＥ減水剤、及び流動化剤等が挙げられる。これらは１種を単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。
なお、本明細書中、セメント分散剤には、ＡＥ剤は含まれないものとする。
セメント１００質量部に対するセメント分散剤の配合量（複数の種類を用いる場合、合計量）は、好ましくは０．０２〜５質量部、より好ましくは０．０４〜３質量部、さらに好ましくは０．１〜２．５質量部、特に好ましくは０．２〜２質量部である。配合量が上記数値範囲内であれば、セメント組成物の流動性および強度発現性をより向上させることができる。

本発明のセメント組成物が石炭灰（後述）を含む場合における、セメント１００質量部に対するセメント分散剤の配合量（複数の種類を用いる場合、合計量）は、好ましくは０．１〜２．５質量部、より好ましくは０．５〜２．０質量部、さらに好ましくは１．０〜１．８質量部、特に好ましくは１．１〜１．５質量部である。
本発明のセメント組成物が石炭灰を含まない場合における、セメント１００質量部に対するセメント分散剤の配合量（複数の種類を用いる場合、合計量）は、好ましくは０．０５〜２．０質量部、より好ましくは０．１〜１．５質量部、さらに好ましくは０．２〜１．０質量部、特に好ましくは０．３〜０．８質量部である。

本発明のセメント組成物は廃棄物の有効利用を促進する観点から、石炭灰を含んでもよい。
本発明で用いられる石炭灰としては、フライアッシュ、クリンカアッシュ等が挙げられる。中でも、セメント組成物の流動性および強度発現性の観点からフライアッシュが好ましい。
セメント１００質量部に対する石炭灰の配合量は、好ましくは１００質量部以下、より好ましくは８０質量部以下、さらに好ましくは７０質量部以下、特に好ましくは６０質量部以下である。該配合量が１００質量部以下であれば、セメント組成物の凍結融解抵抗性を向上することができる。該配合量は、石炭灰の有効利用という観点からは、好ましくは１０質量部以上、より好ましくは２０質量部以上、特に好ましくは３０質量部以上である。

本発明のセメント組成物は、必要に応じて他の材料を含むことができる。他の材料の例としては、粗骨材や、高炉スラグ微粉末等の各種混和材等が挙げられる。
本発明で用いる粗骨材の例としては、特に限定されず、川砂利、山砂利、陸砂利、海砂利、砕石、スラグ粗骨材、軽量粗骨材、又はこれらの混合物等が挙げられる。
粗骨材の配合量は特に限定されず、コンクリート等における一般的な配合量であればよい。例えば、ポルトランドセメント１００質量部に対する粗骨材の配合量は、好ましくは１００〜７００質量部、より好ましくは２００〜６００質量部である。

本発明のセメント組成物は、ＡＥ剤を含まないにもかかわらず、モルタル部分中の空気量の大きい（４．０％以上）ものである。このため、本発明のセメント組成物は、耐凍害性（例えば、凍結融解抵抗性）に優れている。
本発明のセメント組成物のモルタル部分中の空気量は、セメント組成物の凍結融解抵抗性を向上させる観点から、「ＪＩＳ Ａ １１１６：２０１４（フレッシュコンクリートの単位容積質量試験方法および空気量の質量による試験方法（質量方法）」に準拠して測定される値として、４．０％以上、好ましくは５．０％以上、より好ましくは６．０％以上である。
なお、本発明の「セメント組成物」の語は、「モルタル」と「コンクリート」の両方を包含する概念を有する。本発明のセメント組成物が、粗骨材を含むコンクリートである場合、上記モルタル部分中の空気量とは、該コンクリートから粗骨材を除いた部分中の空気量である。
また、低コストで優れた耐凍害性の構造体を得る観点から、該構造体の表面形成部分（表層）のみを、本発明のセメント組成物の硬化体からなるものにしてもよい。この場合、表面形成部分の厚みは、特に限定されるものではないが、例えば、３〜３０ｃｍ（好ましくは５〜２０ｃｍ）である。

本発明のセメント組成物を製造するための方法の例として、セメント組成物のモルタル部分中の空気量の目標値として、４．０％以上の特定の値を定める空気量設定工程と、上記空気量が上記特定の値以上となるように、上記セメント分散剤の量を特定の値に定めるセメント分散剤量設定工程と、上記セメント分散剤の量として上記特定の値を採用して、上記セメント組成物を構成する各材料を混合して、上記セメント組成物を得る混合工程、を含む方法が挙げられる。
セメント分散剤量設定工程において定められるセメント分散剤の量は、通常、上述した本発明のセメント組成物のセメント分散剤の配合量の好ましい数値範囲内から、セメント組成物のモルタル部分中の空気量の目標値に応じて選択される。
該方法によれば、上述した１μｍ以下の粒径を有する気泡を含む水を用い、かつ、セメント分散剤の量を調整することで、ＡＥ剤を使用しなくても、所望の空気量（４．０％以上）を有するセメント組成物の硬化体を得ることができる。

［使用材料］
（１）セメント；普通ポルトランドセメント（太平洋セメント社製）
（２）石炭灰；密度：２．１１ｇ／ｃｍ^３、強熱減量：４．９４％
（３）細骨材；掛川産陸砂
（４）気泡含有水；ウルトラファインバブル水（ナノクス社製、表１中、「ＵＦＢ水」と略して記載する。）、溶存気泡量：７．６×１０^９（７６億）個／ｍｌ、気泡の全量（１００体積％）中の、１０〜２００ｎｍの粒径を有する気泡の割合：９０体積％以上、気泡の平均粒径（ナノ粒子解析装置を用いてトラッキング法により測定した値）：６３．６ｎｍ、実測密度：１．０２ｇ／ｃｍ^３、気泡を構成する気体が空気であるもの
（５）水；水道水
（６）ＡＥ剤；ＢＡＳＦジャパン社製、商品名「マスターエア ３０３Ａ」（液状）
（７）高性能ＡＥ減水剤；ＢＡＳＦジャパン社製、商品名「マスターグレニウム ＳＰ８ＳＶ ＸＤ２」（液状）

［実施例１］
上記材料を使用し、表１に示す配合に従ってモルタルを調製した。具体的には、セメント、石炭灰、および細骨材をホバートミキサーに投入して３０秒間空練りした後、さらに、高性能ＡＥ減水剤と気泡含有水との混合物（以下、「混合物Ａ」ともいう。）を投入して１２０秒間混練し、モルタルを調製した。
該モルタルのモルタルフロー値（０打）を、「ＪＩＳ Ｒ ５２０１（セメントの物理試験方法）１１．フロー試験」に記載の方法に準拠して、１５回の落下運動を行わずに測定した。
また、該モルタルのモルタルフロー値（１５打）を、「ＪＩＳ Ｒ ５２０１（セメントの物理試験方法）１１．フロー試験」に記載の方法に準拠して測定した。
また、該モルタルの空気量を「ＪＩＳ Ａ １１１６：２０１４（フレッシュコンクリートの単位容積質量試験方法及び空気量の質量による試験方法（質量方法））」に準拠して測定した。
さらに、該モルタルの単位質量（ｋｇ／リットル）を測定した。
結果を表２に示す。

また、調製したモルタルを１０×１０×４０ｃｍの型枠内に充填し、２０℃で２４時間前置きした後、脱型し、次いで、２０℃で２８日間水中養生を行った。得られた供試体（硬化体）を用いて、「ＪＩＳ Ａ １１４８（コンクリートの凍結融解試験方法：Ａ法）」に準拠して、凍結融解試験を行った。該試験において、供試体の配置や、表３に示す凍結融解の繰り返し数（表３中、「サイクル」と記載する。）における相対動弾性係数の測定は、「ＪＩＳ Ａ １１７１（ポリマーセメントモルタルの試験方法）」に準拠して行った。測定結果は、凍結融解を与える前の供試体の動弾性係数を１００％とした場合の値（％）で表した。
結果を表２〜３、図１に示す。

［比較例１］
混合物Ａの代わりに、水と高性能ＡＥ減水剤との混合物を用いる以外は実施例１と同様にしてモルタルを調製した。
［比較例２］
表１に示す配合に従って、実施例１と同様にしてモルタルを調製した。
［比較例３］
混合物Ａの代わりに、水と高性能ＡＥ減水剤との混合物を用いる以外は実施例１と同様にしてモルタルを調製した。

［参考例１］
混合物Ａの代わりに、水と高性能ＡＥ減水剤とＡＥ剤との混合物を用いる以外は実施例１と同様にしてモルタルを調製した。
［参考例２］
混合物Ａの代わりに、気泡含有水と高性能ＡＥ減水剤とＡＥ剤との混合物を用いる以外は実施例１と同様にしてモルタルを調製した。
比較例１〜３、および、参考例１〜２において得られたモルタルの各々について、実施例１と同様にして、モルタルフロー値、空気量、及び、相対動弾性係数を測定した。
結果を表２〜３、図１に示す。

［実施例２］
上記材料を使用し、表４に示す配合に従ってモルタルを調製した。具体的には、セメント、細骨材をホバートミキサーに投入して３０秒間空練りした後、さらに、気泡含有水と高性能ＡＥ減水剤との混合物（以下、「混合物Ｂ」ともいう。）を投入して１２０秒間混練し、モルタルを調製した。
得られたモルタルについて、実施例１と同様にして、モルタルフロー値、空気量、及び、相対動弾性係数を測定した。
結果を表５〜６、図２に示す。

［比較例４］
混合物Ｂの代わりに、水と高性能ＡＥ減水剤との混合物を用いる以外は実施例２と同様にしてモルタルを調製した。
［比較例５］
表４に示す配合に従って、実施例２と同様にしてモルタルを調製した。
［比較例６］
混合物Ｂの代わりに、水と高性能ＡＥ減水剤との混合物を用いる以外は実施例２と同様にしてモルタルを調製した。
比較例４〜６において得られたモルタルの各々について、実施例１と同様にして、モルタルフロー値、空気量、及び、相対動弾性係数を測定した。
結果を表５〜６、図２に示す。

表２から、通常の水を使用したセメント組成物（比較例１）の空気量（４．１％）は、気泡含有水を使用する以外は比較例１と同様のセメント組成物（比較例２）の空気量（３．９％）と同程度であることがわかる。
また、通常の水およびＡＥ剤を使用したセメント組成物（参考例１）の空気量（７．８％）は、気泡含有水を使用する以外は参考例１と同様のセメント組成物（参考例２）の空気量（８．１％）と同程度であることがわかる。
これに対して、本発明のセメント組成物（実施例１）の空気量（６．１％）は、通常の水を使用する以外は実施例１と同様のセメント組成物（比較例３）の空気量（４．０％）よりも極めて大きく、ＡＥ剤を使用しなくても、空気量の大きいセメント組成物を得ることができることがわかる。
また、表３及び図１から、実施例１の相対動弾性係数は、参考例２には及ばないものの、比較例１〜３、及び、参考例１よりも大きく、凍結融解抵抗性に優れていることがわかる。特に、実施例１の空気量（６．１％）は、参考例１の空気量（７．８％）よりも小さいにもかかわらず、実施例１の相対動弾性係数は、参考例１よりも大きく、凍結融解抵抗性に優れていることがわかる。

表５から、通常の水を使用したセメント組成物（比較例４）の空気量（４．５％）は、気泡含有水を使用する以外は比較例４と同様のセメント組成物（比較例５）の空気量（３．７％）よりも小さいことがわかる。
これに対して、本発明のセメント組成物（実施例２）の空気量（７．０％）は、通常の水を使用する以外は実施例２と同様のセメント組成物（比較例６）の空気量（５．３％）よりも極めて大きく、ＡＥ剤を使用しなくても、空気量の大きいセメント組成物を得ることができることがわかる。
また、表６及び図２から、実施例２の相対動弾性係数は、比較例４〜６よりも大きく、凍結融解抵抗性に優れていることがわかる。
なお、コンクリートは、骨材として細骨材および粗骨材を含むものである。ＡＥ剤は、コンクリートのモルタル部分（粗骨材以外の材料からなる部分）に対して作用すると考えられることから、上述した実施例（モルタル）の結果（凍結融解抵抗性に優れること）は、本発明のセメント組成物がコンクリートである場合にも、同様に得られるものである。

Claims (4)

1. セメント、細骨材、水、およびセメント分散剤を含み、かつ、ＡＥ剤を含まないセメント組成物であって、
   上記水が、１μｍ以下の粒径を有する気泡を含むものであり、
   「ＪＩＳ Ａ １１１６：２０１４（フレッシュコンクリートの単位容積質量試験方法および空気量の質量による試験方法（質量方法）」に準拠して測定される上記セメント組成物のモルタル部分中の空気量が、４．０％以上であることを特徴とするセメント組成物。
2. 上記水１ミリリットル中の上記気泡の数が、１０^７個以上である請求項１に記載のセメント組成物。
3. 請求項１又は２に記載のセメント組成物の硬化体からなる表面形成部分を含む構造物。
4. 請求項１又は２に記載のセメント組成物を製造するための方法であって、
   上記セメント組成物のモルタル部分中の空気量の目標値として、４．０％以上の特定の値を定める空気量設定工程と、
   上記空気量が上記特定の値以上となるように、上記セメント分散剤の量を特定の値に定めるセメント分散剤量設定工程と、
   上記セメント分散剤の量として上記特定の値を採用して、上記セメント組成物を構成する各材料を混合して、上記セメント組成物を得る混合工程、
   を含むことを特徴とするセメント組成物の製造方法。

Images