JP2020183338A - モルタル・コンクリート用混和材、これを含むセメント組成物、モルタル組成物及びコンクリート組成物、並びに、モルタル硬化物及びコンクリート硬化物の製造方法 - Google Patents
モルタル・コンクリート用混和材、これを含むセメント組成物、モルタル組成物及びコンクリート組成物、並びに、モルタル硬化物及びコンクリート硬化物の製造方法 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】特殊なセメントを適用しなくても、蒸気養生において一般に適用される温度の養生条件で早期に十分な脱型強度を得ることができるとともに、モルタル組成物及びコンクリート組成物の流動性に及ぼす影響が十分に小さく、さらに、アルカリシリカ反応のリスクを低減可能な混和材を提供する。【解決手段】本発明に係るモルタル・コンクリート用混和材は、当該混和材の全質量を基準として、高炉スラグ微粉末の含有率が０質量％以上７０質量％以下であり、フライアッシュの含有率が０質量％以上７０質量％以下であり、高炉スラグ微粉末及びフライアッシュの合計含有率が１５質量％以上７０質量％以下であり、石膏の含有率が３０質量％以上８０質量％未満であり、珪酸ナトリウムの含有率が０質量％超１０質量％未満であり、硫酸アルミニウムの含有率が０質量％超１０質量％未満である。【選択図】なし
Description
本発明は、モルタル・コンクリート用混和材、これを含むセメント組成物、モルタル組成物及びコンクリート組成物、並びに、モルタル硬化物及びコンクリート硬化物の製造方法に関する。
近年、建設業界における就業者不足又は高齢化等の問題から、コンクリート製品の活用の検討が進みつつあり、将来的な需要の増加が予想される。需要の増加に伴い、製品製造時の効率化への要求は高まると予想され、特に型枠回転率の向上により、生産性を向上させることは重要な課題と考えられる。型枠回転率向上のため、早期脱型を可能とする技術としては、混和材の利用に加え、高温条件での養生によって短時間で脱型強度を実現する技術（特許文献１）や、早期強度発現に優れるセメントを活用する技術（特許文献２）、石膏を添加・混合する技術（特許文献３）がある。
短時間で脱型強度を実現するため、高い養生温度（例えば、８０℃程度）を設定した場合、特に冬期ではこの温度を維持し続けることが技術的に困難であり、意図した脱型強度が得られないケースがある。混和材の添加によって早期に強度を得ようとする場合、流動性の経時的な変化が大きいため、流動性を制御するために多量の減水剤を使用する必要があることや、練混ぜ直後において過度に流動する状態とすることが必要となることがある。あるいは、早期強度発現に優れるセメントを活用することによって、早期に強度を得ることも考えられるが、設備上の問題からこのようなセメントを保管できない工場も多いため、その適用が制限される場合がある。
本発明は、モルタル・コンクリート用混和材であって、特殊なセメントを適用しなくても、蒸気養生において一般に適用される温度（例えば、５０〜７０℃程度）の養生条件で早期に十分な脱型強度を得ることができるとともに、モルタル組成物及びコンクリート組成物の流動性に及ぼす影響が十分に小さく、さらに、アルカリシリカ反応のリスクを低減可能な混和材を提供することを目的とする。また、本発明は、この混和材を含むセメント組成物、モルタル組成物及びコンクリート組成物、並びに、モルタル硬化物及びコンクリート硬化物の製造方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討したところ、特定の材料を所定の組合せで混合して得た混和材が上記課題を解決できることを見出し、以下の本発明を完成させた。
すなわち、本発明に係るモルタル・コンクリート用混和材は、高炉スラグ微粉末及びフライアッシュの少なくとも一方と、半水石膏及び無水石膏の少なくとも一方の石膏と、珪酸ナトリウムと、硫酸アルミニウムと、を含み、当該混和材の全質量を基準として、高炉スラグ微粉末の含有率が０質量％以上７０質量％以下であり、フライアッシュの含有率が０質量％以上７０質量％以下であり、高炉スラグ微粉末及びフライアッシュの合計含有率が１５質量％以上７０質量％以下であり、石膏の含有率が３０質量％以上８０質量％未満であり、珪酸ナトリウムの含有率が０質量％超１０質量％未満であり、硫酸アルミニウムの含有率が０質量％超１０質量％未満である。
早期強度発現性を向上すべきセメント（例えば、普通ポルトランドセメント）に対して適量の上記混和材を配合してモルタル組成物又はコンクリート組成物を調製することにより、蒸気養生において一般に適用される温度の養生条件で早期に十分な強度を有する硬化物を得ることができ、型枠回転率を向上することができる。
本発明に係るセメント組成物は、普通ポルトランドセメントと、上記混和材と、を含み、普通ポルトランドセメント１００質量部に対して上記混和材の含有量が２〜１０質量部である。
本発明に係るモルタル組成物は、普通ポルトランドセメントと、上記混和材と、細骨材と、水と、を含み、普通ポルトランドセメント１００質量部に対し、上記混和材の含有量が２〜１０質量部であり、細骨材の含有量が１５０〜３００質量部であり、水セメント比が４０〜６５質量％である。
本発明に係るコンクリート組成物は、普通ポルトランドセメントと、上記混和材と、細骨材と、粗骨材と、水と、を含み、普通ポルトランドセメント１００質量部に対し、上記混和材の含有量が２〜１０質量部であり、細骨材の含有量が１５０〜３００質量部であり且つ粗骨材の含有量が２００〜４００質量部であり、水セメント比が４０〜６５質量％である。
本発明に係るモルタル組成物は、普通ポルトランドセメントと、上記混和材と、細骨材と、水と、を含み、普通ポルトランドセメント１００質量部に対し、上記混和材の含有量が２〜１０質量部であり、細骨材の含有量が１５０〜３００質量部であり、水セメント比が４０〜６５質量％である。
本発明に係るコンクリート組成物は、普通ポルトランドセメントと、上記混和材と、細骨材と、粗骨材と、水と、を含み、普通ポルトランドセメント１００質量部に対し、上記混和材の含有量が２〜１０質量部であり、細骨材の含有量が１５０〜３００質量部であり且つ粗骨材の含有量が２００〜４００質量部であり、水セメント比が４０〜６５質量％である。
本発明に係るセメント組成物等によれば、普通ポルトランドセメント１００質量部に対して２〜１０質量部の上記混和材を添加することで、蒸気養生において一般に適用される温度の養生条件で早期に十分な強度を有する硬化物を得ることができ、型枠回転率を向上することができる。この混和材の添加量は、従来の混和材の添加量と同等レベルであり、実機プラントでの作業に適した量である。本発明に係るモルタル組成物及びコンクリート組成物は、混和材が添加されない組成物と比較して流動性が同等又は差があったとしても有意な差ではないため、この点でも実機プラントでの作業性に優れるという利点がある。
本発明に係るモルタル硬化物又はコンクリート硬化物の製造方法は、温度５０〜７０℃、養生時間３〜４時間の条件で上記モルタル組成物又は上記コンクリート組成物を蒸気養生する工程を含む。この製造方法によれば、３〜４時間の養生で十分な強度を有する硬化物を得ることができ、型枠回転率を向上することができる。
本発明によれば、モルタル・コンクリート用混和材であって、特殊なセメントを適用しなくても、蒸気養生において一般に適用される温度の養生条件で早期に離型強度を得ることができるとともに、モルタル組成物及びコンクリート組成物の流動性に及ぼす影響が十分に小さく、さらに、アルカリシリカ反応のリスクを低減可能な混和材が提供される。また、本発明によれば、この混和材を含むセメント組成物、モルタル組成物及びコンクリート組成物、並びに、モルタル硬化物及びコンクリート硬化物の製造方法が提供される。
以下、本発明の実施形態について説明する。本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
＜モルタル・コンクリート用混和材＞
本実施形態に係るモルタル・コンクリート用混和材は、実施例の欄において詳細に説明する評価試験に基づくものである。本実施形態に係るモルタル・コンクリート用混和材は、以下の（Ａ）〜（Ｅ）の材料を含む。
（Ａ）高炉スラグ微粉末及び（Ｂ）フライアッシュの少なくとも一方、
（Ｃ）半水石膏及び無水石膏の少なくとも一方の石膏
（Ｄ）珪酸ナトリウム
（Ｅ）硫酸アルミニウム
混和材の全質量を基準として、
高炉スラグ微粉末の含有率が０質量％以上７０質量％以下であり、
フライアッシュの含有率が０質量％以上７０質量％以下であり、
高炉スラグ微粉末及びフライアッシュの合計含有率が１５質量％以上７０質量％以下であり、
石膏の含有率が３０質量％以上８０質量％未満であり、
珪酸ナトリウムの含有率が０質量％超１０質量％未満であり、
硫酸アルミニウムの含有率が０質量％超１０質量％未満である。
本実施形態に係るモルタル・コンクリート用混和材は、実施例の欄において詳細に説明する評価試験に基づくものである。本実施形態に係るモルタル・コンクリート用混和材は、以下の（Ａ）〜（Ｅ）の材料を含む。
（Ａ）高炉スラグ微粉末及び（Ｂ）フライアッシュの少なくとも一方、
（Ｃ）半水石膏及び無水石膏の少なくとも一方の石膏
（Ｄ）珪酸ナトリウム
（Ｅ）硫酸アルミニウム
混和材の全質量を基準として、
高炉スラグ微粉末の含有率が０質量％以上７０質量％以下であり、
フライアッシュの含有率が０質量％以上７０質量％以下であり、
高炉スラグ微粉末及びフライアッシュの合計含有率が１５質量％以上７０質量％以下であり、
石膏の含有率が３０質量％以上８０質量％未満であり、
珪酸ナトリウムの含有率が０質量％超１０質量％未満であり、
硫酸アルミニウムの含有率が０質量％超１０質量％未満である。
上記混和材は、上記５つの材料の合計質量２０ｋｇを基準として、
高炉スラグ微粉末の含有量をＡｋｇ／２０ｋｇ、
フライアッシュの含有量をＢｋｇ／２０ｋｇ、
石膏の含有量をＣｋｇ／２０ｋｇ、
珪酸ナトリウムの含有量をＤｋｇ／２０ｋｇ、
硫酸アルミニウムの含有量をＥｋｇ／２０ｋｇ、としたとき、以下の（１）〜（７）の不等式で表される全ての条件を満たすことが好ましい。
0.0025×Ａ＋0.4424×Ｃ−0.0758×Ｄ＋4.612×Ｅ＋0.0098×Ａ×Ｃ−0.2000×Ｃ×Ｅ＋5.2≧10…（１）
０≦Ａ≦１４…（２）
０≦Ｂ≦１４…（３）
３≦Ａ＋Ｂ≦１４…（４）
６≦Ｃ＜１６…（５）
０＜Ｄ＜２…（６）
０＜Ｅ＜２…（７）
高炉スラグ微粉末の含有量をＡｋｇ／２０ｋｇ、
フライアッシュの含有量をＢｋｇ／２０ｋｇ、
石膏の含有量をＣｋｇ／２０ｋｇ、
珪酸ナトリウムの含有量をＤｋｇ／２０ｋｇ、
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０＜Ｄ＜２…（６）
０＜Ｅ＜２…（７）
上記式（１）の左辺にＡ〜Ｅの値を代入して算出される値は、所定の条件（温度及び時間）で蒸気養生した後のコンクリート組成物の硬化物の圧縮強度（脱型強度、単位：Ｎ／ｍｍ２）の推定値である。つまり、式（１）は脱型強度１０Ｎ／ｍｍ２以上を達成できる混和材の組成に関する不等式である。なお、式（１）は、後述の実施例及び比較例に係る混和材を使用して調製したモルタル組成物（セメント：普通ポルトランドセメント、水セメント比：４５質量％、高性能減水剤添加率：０．３質量％）を内容積１９６．２５ｍＬの型枠内に流し込み、これを２０℃に設定された恒温室内で３０分にわたって前置き養生を行った後、昇温過程を設けず、６５℃の槽内で３時間にわたって蒸気養生した後に測定した圧縮強度（脱型強度）の結果に基づいて導出されたものである。
本実施形態に係る混和材は、上記脱型強度が好ましくは１０〜１５Ｎ／ｍｍ２、より好ましくは１０〜１４．５Ｎ／ｍｍ２、更に好ましくは１１．５〜１４Ｎ／ｍｍ２である。換言すれば、混和材の組成は、上記式（１）の左辺の値が好ましくは１０〜１５、より好ましくは１０〜１４．５、更に好ましくは１１．５〜１４の範囲である。脱型時の硬化物の強度が１０Ｎ／ｍｍ２未満であると強度不足であり、他方、１５Ｎ／ｍｍ２を超えると初期強度が出すぎであり、長期強度の伸びが不十分となる傾向にある。
所定量の上記混和材を、例えば、普通ポルトランドセメントに配合することで早期強度発現性が著しく向上する。すなわち、上記混和材を使用して調製したモルタル組成物又はコンクリート組成物は、温度５０〜７０℃程度の温度条件で、３〜４時間程度の短時間の蒸気養生を行うことで、脱型に十分な強度（１０Ｎ／ｍｍ２以上）を得ることができる。以下、混和材を構成する各成分について説明する。
（高炉スラグ微粉末）
高炉スラグ微粉末は、溶鉱炉で銑鉄を製造する際に副生される高炉スラグを、水で急冷した高炉水砕スラグを乾燥・粉砕したものである。高炉スラグ微粉末は、モルタル組成物及びコンクリート組成物に添加することで、アルカリシリカ反応を抑制する効果がある。
高炉スラグ微粉末は、溶鉱炉で銑鉄を製造する際に副生される高炉スラグを、水で急冷した高炉水砕スラグを乾燥・粉砕したものである。高炉スラグ微粉末は、モルタル組成物及びコンクリート組成物に添加することで、アルカリシリカ反応を抑制する効果がある。
高炉スラグ微粉末の含有率は、混和材の全質量を基準で、０質量％以上７０質量％以下（０≦Ａ≦１４）であり、好ましくは５質量％以上５０質量％以下（１≦Ａ≦１０）であり、より好ましくは７．５質量％以上３０質量％以下（１．５≦Ａ≦６）である。高炉スラグ微粉末の含有率がこの範囲であることで、アルカリシリカ反応の抑制を図れる。
高炉スラグ微粉末のブレーン比表面積は、好ましくは３５００ｃｍ２／ｇ以上であり、より好ましくは３５００〜１００００ｃｍ２／ｇであり、更に好ましくは３５００〜５０００ｃｍ２／ｇである。なお、高炉スラグ微粉末のブレーン比表面積はＪＩＳ Ｒ５２０１に記載の方法に準拠して測定することができる。
（フライアッシュ）
フライアッシュは、石炭火力発電所等で石炭を微粉砕した微粉炭を燃焼した際に発生する石炭灰のうち、集塵装置で集められたものである。フライアッシュは、モルタル組成物及びコンクリート組成物の流動性を向上させるとともに、ポゾラン反応の発生により、ＯＨ−の減少やアルカリイオンの移動速度の低下による、アルカリシリカ反応の抑制効果がある。
フライアッシュは、石炭火力発電所等で石炭を微粉砕した微粉炭を燃焼した際に発生する石炭灰のうち、集塵装置で集められたものである。フライアッシュは、モルタル組成物及びコンクリート組成物の流動性を向上させるとともに、ポゾラン反応の発生により、ＯＨ−の減少やアルカリイオンの移動速度の低下による、アルカリシリカ反応の抑制効果がある。
フライアッシュの含有率は、混和材の全質量を基準で、０質量％以上７０質量％以下（０≦Ｂ≦１４）であり、好ましくは５質量％以上５０質量％以下（１≦Ｂ≦１０）であり、より好ましくは７．５質量％以上３０質量％以下（１．５≦Ｂ≦６）である。フライアッシュの含有率がこの範囲であることで、添加したモルタル・コンクリートの流動性を低下させることなく、また、アルカリシリカ反応の抑制を図れる。
フライアッシュのブレーン比表面積は、好ましくは２５００ｃｍ２／ｇ以上であり、より好ましくは２５００〜５０００ｃｍ２／ｇであり、更に好ましくは４０００〜５０００ｃｍ２／ｇである。なお、フライアッシュのブレーン比表面積はＪＩＳ Ｒ５２０１に記載の方法に準拠して測定することができる。
高炉スラグ微粉末及びフライアッシュの合計含有率は、混和材の全質量を基準で、１５質量％以上７０質量％以下（３≦Ａ＋Ｂ≦１４）であり、好ましくは１７質量％以上５０質量％以下（３．４≦Ａ＋Ｂ≦１０）であり、より好ましくは２０質量％以上４０質量％以下（４≦Ａ＋Ｂ≦８）である。高炉スラグ微粉末及びフライアッシュの含有率がこの範囲であることで、添加したモルタル・コンクリートの流動性を低下させることなく、また、アルカリシリカ反応の抑制を図れる。
（石膏）
石膏は、半水石膏及び無水石膏のいずれであってもよく、これらを併用してもよい。これらの石膏を混和材の成分とすることで、脱型強度を向上することができる。石膏（半水石膏及び無水石膏の合計量）の含有率は、混和材の全質量を基準で、３０質量％以上８０質量％未満（６≦Ｃ＜１６）であり、好ましくは３５質量％以上７５質量％以下（７≦Ｃ≦１５）であり、より好ましくは５０質量％以上７０質量％以下（１０≦Ｃ≦１４）である。石膏の含有率がこの範囲であることで、遅れ膨脹破壊のリスクを回避して脱型強度の向上を図ることができる。
石膏は、半水石膏及び無水石膏のいずれであってもよく、これらを併用してもよい。これらの石膏を混和材の成分とすることで、脱型強度を向上することができる。石膏（半水石膏及び無水石膏の合計量）の含有率は、混和材の全質量を基準で、３０質量％以上８０質量％未満（６≦Ｃ＜１６）であり、好ましくは３５質量％以上７５質量％以下（７≦Ｃ≦１５）であり、より好ましくは５０質量％以上７０質量％以下（１０≦Ｃ≦１４）である。石膏の含有率がこの範囲であることで、遅れ膨脹破壊のリスクを回避して脱型強度の向上を図ることができる。
半水石膏及び無水石膏のブレーン比表面積は、早期強度発現性の観点から、好ましくは３０００ｃｍ２／ｇ以上であり、より好ましくは３５００〜１００００ｃｍ２／ｇであり、更に好ましくは４０００〜８０００ｃｍ２／ｇである。なお、石膏のブレーン比表面積はＪＩＳ Ｒ５２０１に記載の方法に準拠して測定することができる。
（珪酸ナトリウム）
珪酸ナトリウム（「ケイ酸ソーダ」とも称される。）は、モルタル組成物等に急結作用を付与するため、その水溶液（水ガラス）が使用されることはあるが、モルタル又はコンクリート用の混和材としては通常使用されない。すなわち、モルタル又はコンクリートに珪酸ナトリウムを多量に配合すると、モルタル又はコンクリート中のアルカリ総量が著しく増加することから、アルカリシリカ反応発生の懸念が高まる。このため、モルタル・コンクリート用混和材の一成分として使用することは通常想定されていない。しかし、本発明者らの後述の評価試験によれば、添加量が少量であれば、脱型強度の改善に非常に効果的である。
珪酸ナトリウム（「ケイ酸ソーダ」とも称される。）は、モルタル組成物等に急結作用を付与するため、その水溶液（水ガラス）が使用されることはあるが、モルタル又はコンクリート用の混和材としては通常使用されない。すなわち、モルタル又はコンクリートに珪酸ナトリウムを多量に配合すると、モルタル又はコンクリート中のアルカリ総量が著しく増加することから、アルカリシリカ反応発生の懸念が高まる。このため、モルタル・コンクリート用混和材の一成分として使用することは通常想定されていない。しかし、本発明者らの後述の評価試験によれば、添加量が少量であれば、脱型強度の改善に非常に効果的である。
珪酸ナトリウムの含有率は、混和材の全質量を基準で、０質量％超１０質量％未満（０＜Ｄ＜２）であり、好ましくは１質量％以上７．５質量％以下（０．２≦Ｄ≦１．５）であり、より好ましくは２．５質量％以上６質量％以下（０．５≦Ｄ≦１．２）である。珪酸ナトリウムの含有率がこの範囲であることで、アルカリ量を過度に増やすことなく、脱型強度の向上を図ることができる。
珪酸ナトリウムは、混和材の商品形態及び作業性の観点から、粉末（粉末状）であることが好ましく、その平均粒径は１〜３００μｍ程度であればよく、１〜２００μｍ又は１〜１００μｍであってよい。珪酸ナトリウムの平均粒径は、レーザー回折／散乱式粒子径分布測定装置によって測定することができる。珪酸ナトリウムを構成するＳｉＯ２とＮａ２Ｏの比（ＳｉＯ２／Ｎａ２Ｏ）は、早期強度発現性の観点から、１〜３であることが好ましく、１．５〜２．５又は２．０〜２．５であってもよい。
（硫酸アルミニウム）
硫酸アルミニウムは、凝結促進効果があり、多量の使用によって練混ぜ後の流動性の保持が困難となる場合がある。流動性が著しく低下した状態で型枠への打込みを行った場合には、未充填部が生じる等によって、強度の低下や製品の美観性が損なわれる等の問題につながる場合がある。よって、硫酸アルミニウムは早期強度の付与に効果が得られる範囲内で添加量はなるべく少量とすることが好ましい。
硫酸アルミニウムは、凝結促進効果があり、多量の使用によって練混ぜ後の流動性の保持が困難となる場合がある。流動性が著しく低下した状態で型枠への打込みを行った場合には、未充填部が生じる等によって、強度の低下や製品の美観性が損なわれる等の問題につながる場合がある。よって、硫酸アルミニウムは早期強度の付与に効果が得られる範囲内で添加量はなるべく少量とすることが好ましい。
硫酸アルミニウムの含有率は、混和材の全質量を基準で、０質量％超１０質量％未満（０＜Ｅ＜２）であり、好ましくは１質量％以上７．５質量％以下（０．２≦Ｅ≦１．５）であり、より好ましくは２．５質量％以上５質量％以下（０．５≦Ｅ≦１）である。硫酸アルミニウムの含有率がこの範囲であることで、添加したモルタル・コンクリートの流動性を極端に低下させることなく、脱型強度の向上を図ることができる。
硫酸アルミニウムは、混和材の商品形態及び作業性の観点から、粉末（粉末状）であることが好ましく、その平均粒径は３０μｍ以下であることが好ましく、８〜２４μｍ又は１２〜１６μｍであってよい。硫酸アルミニウムの平均粒径は、レーザー回折／散乱式粒子径分布測定装置によって測定することができる。硫酸アルミニウムの比表面積は、早期強度発現性の観点から、好ましくは１０ｍ２／ｇ以下であり、より好ましくは１〜８ｍ２／ｇであり、更に好ましくは３〜６ｍ２／ｇである。なお、硫酸アルミニウムの表面積はＪＩＳ Ｒ５２０１に記載の方法に準拠して測定することができる。
＜セメント組成物＞
本実施形態に係るセメント組成物は、普通ポルトランドセメントと、上記混和材とを含み、普通ポルトランドセメント１００質量部に対して上記混和材の含有量が２〜１０質量部である。このセメント組成物によれば、普通ポルトランドセメント１００質量部に対して２〜１０質量部の上記混和材を添加することで、蒸気養生において一般に適用される温度の養生条件で早期に離型強度を得ることができる。この混和材の添加量は、従来の混和材の添加量と同等レベルであり、実機プラントでの作業に適した量である。
本実施形態に係るセメント組成物は、普通ポルトランドセメントと、上記混和材とを含み、普通ポルトランドセメント１００質量部に対して上記混和材の含有量が２〜１０質量部である。このセメント組成物によれば、普通ポルトランドセメント１００質量部に対して２〜１０質量部の上記混和材を添加することで、蒸気養生において一般に適用される温度の養生条件で早期に離型強度を得ることができる。この混和材の添加量は、従来の混和材の添加量と同等レベルであり、実機プラントでの作業に適した量である。
普通ポルトランドセメントのボーグ式で算出される鉱物組成は、例えば、以下の範囲であればよい。すなわち、Ｃ３Ｓ量は、４２〜６２質量％であり、５０〜６１質量％又は５５〜６０質量％であってもよい。Ｃ２Ｓ量は、１４〜３７質量％であり、１３〜２５質量％又は１２〜１８質量％であってもよい。Ｃ３Ａ量は、７〜１１質量％であり、８〜１０．５質量％又は９〜１０質量％であってもよい。Ｃ４ＡＦ量は、７〜１３質量％であり、８〜１１質量％又は８．５〜１０質量％であってもよい。普通ポルトランドセメントのブレーン比表面積は、例えば、３０００ｃｍ２／ｇ以上であり、好ましくは３１００〜３５００ｃｍ２／ｇであり、より好ましくは３２００〜３３５０ｃｍ２／ｇである。
なお、本実施形態に係る混和材の適用対象は、普通ポルトランドセメントに限られず、例えば、高炉セメント、フライアッシュセメント、耐硫酸塩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に対して適用してもよい。
＜モルタル組成物及びコンクリート組成物＞
本実施形態に係るモルタル組成物は、上記セメント組成物に細骨材及び水を混合したものである。すなわち、本実施形態に係るモルタル組成物は、普通ポルトランドセメントと、上記混和材と、細骨材と、水とを含み、普通ポルトランドセメント１００質量部に対して混和材の含有量が２〜１０質量部であり且つ細骨材の含有量が１５０〜３００質量部（より好ましくは、１５０〜２５０質量部、更に好ましくは１８０〜２５０質量部）であり、水セメント比が４０〜６５質量％（より好ましくは４５〜５５質量％）である。
本実施形態に係るモルタル組成物は、上記セメント組成物に細骨材及び水を混合したものである。すなわち、本実施形態に係るモルタル組成物は、普通ポルトランドセメントと、上記混和材と、細骨材と、水とを含み、普通ポルトランドセメント１００質量部に対して混和材の含有量が２〜１０質量部であり且つ細骨材の含有量が１５０〜３００質量部（より好ましくは、１５０〜２５０質量部、更に好ましくは１８０〜２５０質量部）であり、水セメント比が４０〜６５質量％（より好ましくは４５〜５５質量％）である。
本実施形態に係るコンクリート組成物は、上記セメント組成物に細骨材、粗骨材及び水を混合したものである。すなわち、本実施形態に係るコンクリート組成物は、普通ポルトランドセメントと、上記混和材と、細骨材と、粗骨材と、水とを含み、普通ポルトランドセメント１００質量部に対して混和材の含有量が２〜１０質量部であり、細骨材の含有量が１５０〜３００質量部（より好ましくは１８０〜２５０質量部）であり且つ粗骨材の含有量が２００〜４００質量部（より好ましくは２５０〜３５０質量部）であり、水セメント比が４０〜６５質量％（より好ましくは４５〜５５質量％）である。
本実施形態に係るモルタル硬化物又はコンクリート硬化物の製造方法は、温度５０〜７０℃、養生時間３〜４時間の条件で上記モルタル組成物又は上記コンクリート組成物を蒸気養生する工程を含む。この製造方法によれば、３〜４時間の養生で十分な強度を有する硬化物を得ることができ、型枠回転率を向上することができる。
実施例及び比較例を挙げて本発明の内容をより具体的に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
［使用材料の準備］
評価試験に供するモルタル又はコンクリートを作製するため、表１及び表２に示す材料を準備した。
評価試験に供するモルタル又はコンクリートを作製するため、表１及び表２に示す材料を準備した。
１．混和材配合材料候補を単独添加した場合の効果確認
表３に示したモルタル配合によって、表２に示した候補材料を配合したモルタルの流動性及び養生後の圧縮強度について評価を行った。２０℃の恒温室内で３０分前置き養生を行った後、昇温過程を設けず、６５℃に温度設定された槽内で３時間にわたって蒸気養生を行った。なお、表３に示すモルタル配合は、表４に示すコンクリート配合のスクリーニング配合に相当する。
表３に示したモルタル配合によって、表２に示した候補材料を配合したモルタルの流動性及び養生後の圧縮強度について評価を行った。２０℃の恒温室内で３０分前置き養生を行った後、昇温過程を設けず、６５℃に温度設定された槽内で３時間にわたって蒸気養生を行った。なお、表３に示すモルタル配合は、表４に示すコンクリート配合のスクリーニング配合に相当する。
表５に、各候補材料を表３のモルタル組成物に配合した場合の試験結果を示す。候補材料の使用量を４〜１１ｋｇ／ｍ３、減水剤の添加率をセメントと混和材の合計質量１００％に対して０．３質量％として試験を行い、無添加の場合との比較によって評価結果を判定した。評価の基準は以下のとおりとした。
Ａ：流動性を満足し、脱型強度が無添加の１．３倍以上
Ｂ：流動性が小さいが、脱型強度が無添加の１．３倍以上
Ｃ：脱型強度が無添加の１．３倍未満
Ａ：流動性を満足し、脱型強度が無添加の１．３倍以上
Ｂ：流動性が小さいが、脱型強度が無添加の１．３倍以上
Ｃ：脱型強度が無添加の１．３倍未満
その結果、無水石膏（Ｎｏ．８、９）、半水石膏（Ｎｏ．１０）、珪酸ナトリウム（Ｎｏ．１６〜２０）及び硫酸アルミニウム（Ｎｏ．２３）の５種類については脱型強度改善効果が得られる可能性があると判断した。なお、生石灰（Ｎｏ．７）は目標値を満足したが、保管時の吸湿によって発熱が認められたため、安全上の課題があると判断して評価対象外とした。
２．選定した混和材配合材料を混合添加した場合の効果確認
混和材配合材料候補を単独使用した場合の効果確認試験の結果を参考として、無水石膏、珪酸ナトリウム及び硫酸アルミニウムを選定し、さらに、これらに高炉スラグ微粉末及び／又はフライアッシュを加えた計５種類を組み合わせた水準について検討を行った。なお、複数の混和材配合材料の総量は、モルタル・コンクリートに添加する際、実機プラント等での作業性を考慮し、紙袋１袋に収まるように２０〜２５ｋｇが好ましい。本検討では総量が２０ｋｇとなるように調整して検討した。
混和材配合材料候補を単独使用した場合の効果確認試験の結果を参考として、無水石膏、珪酸ナトリウム及び硫酸アルミニウムを選定し、さらに、これらに高炉スラグ微粉末及び／又はフライアッシュを加えた計５種類を組み合わせた水準について検討を行った。なお、複数の混和材配合材料の総量は、モルタル・コンクリートに添加する際、実機プラント等での作業性を考慮し、紙袋１袋に収まるように２０〜２５ｋｇが好ましい。本検討では総量が２０ｋｇとなるように調整して検討した。
珪酸ナトリウムは、その添加量が少量であれば、脱型強度の改善に非常に効果的である。具体的には、単位セメント量３８０ｋｇ程度を想定した場合には、珪酸ナトリウムの単位量は２．０ｋｇ／ｍ３未満（混和材における珪酸ナトリウムの含有量：２．０ｋｇ／２０ｋｇ未満）であることが好ましい。なお、混和材は、粉体製品として紙袋で供給されることから、珪酸ナトリウムを混和材の一成分として使用する場合には、粉体の珪酸ナトリウムを使用することが好ましい。
硫酸アルミニウムは、早期強度の付与に効果が得られる範囲内で添加量はなるべく少量とすることが好ましい。具体的には、単位セメント量３８０ｋｇ程度を想定した場合には、硫酸アルミニウムの単位量は２．０ｋｇ／ｍ３未満（混和材における硫酸アルミニウムの含有量：２．０ｋｇ／２０ｋｇ未満）であることが好ましい。また、硫酸アルミニウムは、無水物と水和物があるが、他の材料と混合してモルタル・コンクリートに添加する場合、粉体製品として紙袋で供給されるため、無水物の硫酸アルミニウムを使用することが好ましい。
無水石膏は、多量に添加すると遅れ膨脹破壊が生じる懸念があるため、早期強度の付与に効果が得られる範囲内で添加量はなるべく少量とすることが好ましい。例えば、「日本コンクリート工学会：マスコンクリートのひび割れ制御指針２０１６」によると、コンクリート中の全ＳＯ３量を１７ｋｇ／ｍ３未満とするのがよい。具体的には、単位セメント量３８０ｋｇ程度を想定した場合には、無水石膏の単位量は１６ｋｇ／ｍ３未満（混和材における無水石膏の含有量：１６ｋｇ／２０ｋｇ未満）であることが好ましい。
珪酸ナトリウム、硫酸アルミニウム及び無水石膏の使用量に上限を設けた上で、検討材料（高炉スラグ微粉末、フライアッシュ、無水石膏、珪酸ナトリウム及び硫酸アルミニウム）の最適な組合せを検討することが望ましいと判断した。そこで、表３に示すモルタル配合に対して、総量２０ｋｇ／ｍ３となる各種組合せの混和材をこれに添加し、１５打フローと脱型強度を確認した。なお、脱型強度は、各例に係る混和材を使用して調製したモルタル組成物（セメント：普通ポルトランドセメント、水セメント比：４５質量％、高性能減水剤添加率：０．３質量％）を内容積１９６．２５ｍＬの型枠内に流し込み、これを２０℃に設定された恒温室内で３０分にわたって前置き養生を行った後、昇温過程を設けず、６５℃の槽内で３時間にわたって蒸気養生した後に測定した。また、高性能減水剤は、無添加の場合と１５打フローが同等となるように添加量を調整した。試験結果を表６に示す。
表６に示したとおり、減水剤添加量を極端に増やさなくとも（減水剤添加量１．２倍以下）、１５打フローが１７６ｍｍ以上（無添加の場合の９５％以上）であり且つ脱型強度が１０Ｎ／ｍｍ２以上となる水準はＮｏ．２５〜４１であった。ただし、Ｎｏ．２５〜３０は無水石膏が１６ｋｇ以上であることから、遅れ膨脹破壊を生じる懸念があるため、好ましくない。よって、高炉スラグ微粉末、無水石膏、珪酸ナトリウム及び硫酸アルミニウムの４種からなるＮｏ．３２、３５、３７と、フライアッシュ、無水石膏、珪酸ナトリウム及び硫酸アルミニウムの４種からなるＮｏ．３４、３６、４１と、高炉スラグ微粉末、フライアッシュ、無水石膏、珪酸ナトリウム及び硫酸アルミニウムの５種からなるＮｏ．３１、３３、３８〜４０の混和材が好ましい。
また、モルタルやコンクリート添加時には使用材料が少ない方が生産効率が高いことから、高炉スラグ微粉末、無水石膏、珪酸ナトリウム及び硫酸アルミニウムの４種からなるＮｏ．３２、３５、３７と、フライアッシュ、無水石膏、珪酸ナトリウム及び硫酸アルミニウムの４種からなるＮｏ．３４、３６、４１の混和材がより好ましい。
上記モルタルでの評価試験結果を活用し、統計解析ソフトＪＭＰ（登録商標、ＳＡＳ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｊａｐａｎ製）を用いて回帰分析を行った。すなわち、表６に示す混和材を構成する５つの材料（高炉スラグ微粉末、フライアッシュ、無水石膏、珪酸ナトリウム及び硫酸アルミニウム）の合計質量２０ｋｇを基準とした場合、高炉スラグ微粉末の含有量をＡｋｇ／２０ｋｇ、フライアッシュの含有量をＢｋｇ／２０ｋｇ、無水石膏の含有量をＣｋｇ／２０ｋｇ、珪酸ナトリウムの含有量をＤｋｇ／２０ｋｇ、硫酸アルミニウムの含有量をＥｋｇ／２０ｋｇとし、目標とする脱型強度（１０Ｎ／ｍｍ２以上）が得られる材料の組合せを、おおよそ予測するための以下の式（１）を得た。なお、Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ＋Ｅの値は上述のとおり２０（ｋｇ）である。
0.0025×Ａ＋0.4424×Ｃ−0.0758×Ｄ＋4.612×Ｅ＋0.0098×Ａ×Ｃ−0.2000×Ｃ×Ｅ＋5.2≧10…（１）
0.0025×Ａ＋0.4424×Ｃ−0.0758×Ｄ＋4.612×Ｅ＋0.0098×Ａ×Ｃ−0.2000×Ｃ×Ｅ＋5.2≧10…（１）
上記５つの材料（高炉スラグ微粉末、フライアッシュ、無水石膏、珪酸ナトリウム及び硫酸アルミニウム）は、実機プラント等での投入作業や物性への影響から、式（２）〜（７）の不等式でそれぞれ表される条件を満たすべきである。
０≦Ａ≦１４…（２）
０≦Ｂ≦１４…（３）
３≦Ａ＋Ｂ≦１４…（４）
６≦Ｃ＜１６…（５）
０＜Ｄ＜２…（６）
０＜Ｅ＜２…（７）
０≦Ａ≦１４…（２）
０≦Ｂ≦１４…（３）
３≦Ａ＋Ｂ≦１４…（４）
６≦Ｃ＜１６…（５）
０＜Ｄ＜２…（６）
０＜Ｅ＜２…（７）
表６に式（１）の左辺の値、並びに、実施例及び比較例の区別を記載した。
※混和材が無添加の試験（Ｎｏ．０）において、セメントと混和材の合計質量１００％に対する減水剤の添加量０．３％を基準とした比率。
［高炉スラグ微粉末によるＯＨ−溶出量低減効果について］
Ｎｏ．０、３５の混和材について、ＯＨ−溶出量を測定した。ＯＨ−溶出量は各試験例の混和材を添加して練混ぜたペースト試料１５ｇを３０℃の温水３００ｍＬに加え、３時間攪拌した後、吸引ろ過して得たろ過溶液のＯＨ−量をイオンクロマトグラフィーを使用して測定した。表７に示す結果から、高炉スラグ微粉末を使用することで、ＯＨ−溶出量を抑制できることがわかった。すなわち、アルカリシリカ反応のリスクが低減できる可能性があることがわかった。
Ｎｏ．０、３５の混和材について、ＯＨ−溶出量を測定した。ＯＨ−溶出量は各試験例の混和材を添加して練混ぜたペースト試料１５ｇを３０℃の温水３００ｍＬに加え、３時間攪拌した後、吸引ろ過して得たろ過溶液のＯＨ−量をイオンクロマトグラフィーを使用して測定した。表７に示す結果から、高炉スラグ微粉末を使用することで、ＯＨ−溶出量を抑制できることがわかった。すなわち、アルカリシリカ反応のリスクが低減できる可能性があることがわかった。
３．高炉スラグ微粉末のブレーン比表面積の影響確認
高炉スラグ微粉末のブレーン比表面積を４０００、６０００、８０００ｃｍ２／ｇとした場合の比較を行った結果を表８に示す。減水剤添加量を等しくし、１５打フローと脱型強度の比較を行った。流動性については、ブレーン比表面積の影響が認められず、混和材無添加の水準（Ｎｏ．０）とほぼ同等となった。脱型強度は、ブレーン比表面積が小さいほど大きくなり、また、いずれの水準も、目標強度（１０Ｎ／ｍｍ２）以上となった。よって、高炉スラグ微粉末のブレーン比表面積は、３５００ｃｍ２／ｇ以上が好ましいと判断される。
高炉スラグ微粉末のブレーン比表面積を４０００、６０００、８０００ｃｍ２／ｇとした場合の比較を行った結果を表８に示す。減水剤添加量を等しくし、１５打フローと脱型強度の比較を行った。流動性については、ブレーン比表面積の影響が認められず、混和材無添加の水準（Ｎｏ．０）とほぼ同等となった。脱型強度は、ブレーン比表面積が小さいほど大きくなり、また、いずれの水準も、目標強度（１０Ｎ／ｍｍ２）以上となった。よって、高炉スラグ微粉末のブレーン比表面積は、３５００ｃｍ２／ｇ以上が好ましいと判断される。
※混和材が無添加の試験（Ｎｏ．０）において、セメントと混和材の合計質量１００％に対する減水剤の添加量０．３％を基準とした比率。
以上より、混和材の総量を２０ｋｇとすると、高炉スラグ微粉末が０ｋｇ以上１４ｋｇ以下（０質量％以上７０質量％以下）、フライアッシュが０ｋｇ以上１４ｋｇ以下（０質量％以上７０質量％以下）、高炉スラグ微粉末及びフライアッシュの合計量が３ｋｇ以上１４ｋｇ以下（１５質量％以上７０質量％以下）、石膏（半水石膏及び／又は無水石膏の合計量）が６ｋｇ以上１６ｋｇ未満（３０質量％以上８０質量％未満）、珪酸ナトリウムが０ｋｇ超２ｋｇ未満（０質量％超１０質量％未満）、硫酸アルミニウムが０ｋｇ超２ｋｇ未満（０質量％超１０質量％未満）、の範囲で含まれていることが好ましい。
また、汎用的な二次製品に適用されるモルタルやコンクリートの配合としては、水セメント比が４０〜６５質量％程度が多く、単位セメント量としては３００〜４５０ｋｇ程度が多いため、セメント１００質量部に対しての添加量は２〜１０質量部程度となる。
Claims (12)
- モルタル・コンクリート用混和材であって、
高炉スラグ微粉末及びフライアッシュの少なくとも一方と、
半水石膏及び無水石膏の少なくとも一方の石膏と、
珪酸ナトリウムと、
硫酸アルミニウムと、
を含み、
当該混和材の全質量を基準として、
高炉スラグ微粉末の含有率が０質量％以上７０質量％以下であり、
フライアッシュの含有率が０質量％以上７０質量％以下であり、
高炉スラグ微粉末及びフライアッシュの合計含有率が１５質量％以上７０質量％以下であり、
石膏の含有率が３０質量％以上８０質量％未満であり、
珪酸ナトリウムの含有率が０質量％超１０質量％未満であり、
硫酸アルミニウムの含有率が０質量％超１０質量％未満である、
モルタル・コンクリート用混和材。 - 高炉スラグ微粉末のブレーン比表面積が３５００ｃｍ２／ｇ以上である、請求項１に記載の混和材。
- フライアッシュのブレーン比表面積が２５００ｃｍ２／ｇ以上である、請求項１又は２に記載の混和材。
- 石膏のブレーン比表面積が３０００ｃｍ２／ｇ以上である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の混和材。
- 珪酸ナトリウムが粉末状であるとともに、ＳｉＯ２／Ｎａ２Ｏが１〜３である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の混和材。
- 硫酸アルミニウムが粉末状であるとともに、平均粒径が３０μｍ以下であり且つ比表面積が１０ｍ２／ｇ以下である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の混和材。
- 高炉スラグ微粉末、フライアッシュ、石膏、珪酸ナトリウム及び硫酸アルミニウムの合計質量２０ｋｇを基準として、
高炉スラグ微粉末の含有量をＡｋｇ／２０ｋｇ、
フライアッシュの含有量をＢｋｇ／２０ｋｇ、
石膏の含有量をＣｋｇ／２０ｋｇ、
珪酸ナトリウムの含有量をＤｋｇ／２０ｋｇ、
硫酸アルミニウムの含有量をＥｋｇ／２０ｋｇ、としたとき、
以下の（１）〜（７）の不等式で表される全ての条件を満たす、請求項１〜６のいずれか一項に記載の混和材。
0.0025×Ａ＋0.4424×Ｃ−0.0758×Ｄ＋4.612×Ｅ＋0.0098×Ａ×Ｃ−0.2000×Ｃ×Ｅ＋5.2≧10…（１）
０≦Ａ≦１４…（２）
０≦Ｂ≦１４…（３）
３≦Ａ＋Ｂ≦１４…（４）
６≦Ｃ＜１６…（５）
０＜Ｄ＜２…（６）
０＜Ｅ＜２…（７） - 普通ポルトランドセメントと、
請求項１〜７のいずれか一項に記載の混和材と、
を含み、
普通ポルトランドセメント１００質量部に対し、前記混和材の含有量が２〜１０質量部であるセメント組成物。 - 普通ポルトランドセメントと、
請求項１〜７のいずれか一項に記載の混和材と、
細骨材と、
水と、
を含み、
普通ポルトランドセメント１００質量部に対し、前記混和材の含有量が２〜１０質量部であり、細骨材の含有量が１５０〜３００質量部であり、
水セメント比が４０〜６５質量％である、モルタル組成物。 - 普通ポルトランドセメントと、
請求項１〜７のいずれか一項に記載の混和材と、
細骨材と、
粗骨材と、
水と、
を含み、
普通ポルトランドセメント１００質量部に対し、前記混和材の含有量が２〜１０質量部であり、細骨材の含有量が１５０〜３００質量部であり、粗骨材の含有量が２００〜４００質量部であり、
水セメント比が４０〜６５質量％である、コンクリート組成物。 - 温度５０〜７０℃、養生時間３〜４時間の条件で請求項９に記載のモルタル組成物を蒸気養生する工程を含む、モルタル硬化物の製造方法。
- 温度５０〜７０℃、養生時間３〜４時間の条件で請求項１０に記載のコンクリート組成物を蒸気養生する工程を含む、コンクリート硬化物の製造方法。
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