JP4567211B2 - 膨張材及びセメント組成物 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に土木・建築分野において使用される、施工後のコンクリートにポップアウトや部分的な異常膨張が生じない膨張材及びセメント組成物に関するものである。
なお、本発明でいうコンクリートとは、セメントペースト、モルタル及びコンクリ−トを総称するものである。
【０００２】
【従来の技術】
セメント・コンクリートのひび割れ低減や曲げ耐力の向上は、コンクリート構造物の信頼性、耐久性、美観等の観点から重要であり、これらを改善する効果のある膨張材のさらなる技術の進展が望まれている。
従来より、セメント・コンクリートに膨張性を与える膨張材としては、例えば、遊離石灰−アウイン−無水セッコウ系膨張材（特公昭４２−２１８４０号公報）や、遊離石灰−カルシウムシリケート−無水セッコウ系膨張材（特公昭５３−３１１７０号公報）等があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の膨張材を生コンプラントや現場ミキサでモルタル又はコンクリートに添加した場合、練り混ぜ時に膨張材の分散が不十分であると、ポップアウトと呼ばれるコンクリートの表層下に膨張破壊による円錐状の剥離現象が発生する場合があり、コンクリートの性能が低下するだけでなく、その剥離部分が落下する恐れがあるという課題があった。
また、最近では、従来の仕様規定型の設計体系から、性能規定型の設計体系へ移行が検討されており、これまでやや軽視されていたコンクリートの耐久性についても明確な性能規定が定められ、ひび割れの耐久性に対する影響の定量化が行われるものと考えられる。そのため、ひび割れの低減は重要な課題となるが、ひび割れ低減に効果のある膨張材を広範に利用するためには、使用量を少なく、経済的負担が小さい膨張特性に優れた膨張材が不可欠である。
本発明者らは、これらの課題を解決すべく種々の検討を重ねた結果、特定の膨張材を使用することにより、前記課題が解決できるとの知見を得て本発明を完成するに至った。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、ＣａＯ原料と、ＣａＳＯ₄原料と、Ａｌ₂Ｏ₃原料、及びＦｅ₂Ｏ₃原料を熱処理して得られる膨張物質であって、遊離石灰と、無水セッコウと、カルシウムアルミノフェライトを含有してなる遊離石灰量が３５〜６０％の膨張物質を主成分とする膨張材１００部中、水酸化カルシウム量が１〜１５部であることを特徴とする膨張材であり、セメントと、該膨張材とを含有してなるセメント組成物である。
なお、本発明で使用する配合割合を示す部、％は質量単位である。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をさらに詳しく説明する。
【０００６】
本発明における膨張物質は、遊離石灰と、無水セッコウと、カルシウムアルミノフェライト、カルシウムフェライト、アウイン及びカルシウムシリケートから選ばれる１種又は２種以上（以下、水硬性化合物という）とを含有してなるものであり、膨張物質１００部中、遊離石灰は３５〜６０部が好ましく、４０〜５５部がより好ましい。また、水硬性化合物は１０〜４０部が好ましく、１５〜３０部がより好ましい。さらに、無水セッコウは１０〜４０部が好ましく、２０〜３５部がより好ましい。水硬性化合物中におけるカルシウムアルミノフェライト、カルシウムフェライト、アウイン及びカルシウムシリケートの割合は、特に限定されるものではない。
【０００７】
本発明の膨張物質には不純物が存在する。その具体例としては、ＭｇＯ、ＴｉＯ₂、Ｐ₂Ｏ₅、Ｎａ₂Ｏ、Ｋ₂Ｏ、塩素、フッ素等が挙げられるが、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はならない。
【０００８】
本発明の水硬性化合物について、以下説明する。
本発明のカルシウムアルミノフェライトとは、ＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−Ｆｅ₂Ｏ₃系化合物を総称するものであり、特に限定されるものではないが、一般的に、ＣａＯをＣ、Ａｌ₂Ｏ₃をＡ、Ｆｅ₂Ｏ₃をＦとすると、Ｃ₄ＡＦやＣ₆Ａ₂Ｆと表せる化合物等が挙げられる。通常は、Ｃ₄ＡＦとして存在していると考えられ、本発明ではカルシウムアルミノフェライトを以下、Ｃ₄ＡＦと表す。
本発明のカルシウムフェライトとは、ＣａＯ−Ｆｅ₂Ｏ₃系化合物を総称するものであり、特に限定されるものではないが、一般的に、ＣａＯをＣ、Ｆｅ₂Ｏ₃をＦとすると、Ｃ₂ＦやＣＦ等の化合物がよく知られている。本発明では、膨張特性が良好となることから、Ｃ₂Ｆを使用することが好ましい。本発明では、カルシウムフェライトを以下、Ｃ₂Ｆと表す。
本発明のアウインとは、３ＣａＯ・３Ａｌ₂Ｏ₃・ＣａＳＯ₄で表される化合物を示すものである。
本発明のカルシウムシリケートとは、ＣａＯ−ＳｉＯ₂系化合物を総称するものであり、特に限定されるものでないが、一般的に、ＣａＯをＣ、ＳｉＯ₂をＳとすると、Ｃ₃ＳやＣ₂Ｓ等の化合物が知られている。
【０００９】
本発明の膨張材を製造する際、ＣａＯ原料と、ＣａＳＯ₄原料と、Ａｌ₂Ｏ₃原料、Ｆｅ₂Ｏ₃原料及びＳｉＯ₂原料から選ばれる１種又は２種以上とを熱処理して、遊離石灰、水硬性化合物及び無水セッコウからなる膨張物質を合成してこれを粉砕したものを使用する。遊離石灰、水硬性化合物及び無水セッコウを別々に合成し、これらを粉砕、混合したものを使用したのでは、本発明のような効果は得られない。
ＣａＯ原料と、ＣａＳＯ₄原料と、Ａｌ₂Ｏ₃原料、Ｆｅ₂Ｏ₃原料及びＳｉＯ₂原料から選ばれる１種又は２種以上とを熱処理して、遊離石灰、水硬性化合物及び無水セッコウからなる膨張物質を合成してこれを粉砕して製造されたものか否かを確認する方法としては、例えば、膨張材中の粗粒子、具体的には１００μｍよりも大きな粒子を顕微鏡等により観察して組成分析を行い、粒子中に遊離石灰、水硬性化合物及び無水セッコウが混在していることを確認することによって容易に判別できる。
【００１０】
膨張材の粉末度は、ブレーン比表面積で１５００〜７０００ｃｍ²／ｇのものが好ましく、２０００〜４０００ｃｍ²／ｇのものがより好ましい。膨張材の粉末度が１５００ｃｍ²／ｇ未満では、コンクリート構造物の長期耐久性が悪くなる場合があり、７０００ｃｍ²／ｇを超えると十分な膨張特性が得られない場合がある。
【００１１】
本発明の膨張物質を製造する際の熱処理温度であるが、１１００〜１６００℃の範囲が好ましく、１２００〜１５００℃の範囲がより好ましい。１１００℃未満では、得られた膨張材の膨張特性が十分でなく、１６００℃を超えると無水セッコウが分解する場合がある。
【００１２】
ＣａＯ原料としては、石灰石や消石灰等が挙げられ、Ａｌ₂Ｏ₃原料としては、ボーキサイトやアルミ残灰等が、Ｆｅ₂Ｏ₃原料としては、銅カラミや鉄粉及び市販の酸化鉄等が、ＳｉＯ₂原料としては、珪石や粘土等が、さらに、ＣａＳＯ₄原料としては、二水セッコウ、半水セッコウ及び無水セッコウ等が挙げられる。
【００１３】
本発明において、ポップアウトを防止するために最も重要なことは、膨張材中に含まれる水酸化カルシウム量であり、この量が少ない膨張材をコンクリートに混和すると十分に分散せずに塊状になり、施工後に部分的な異常膨張が発生し、ひび割れやポップアウトが生じる場合がある。
水酸化カルシウム量は、膨張材１００部中、１〜１５部が好ましく、１．５〜１０部がより好ましく、２〜５部がさらに好ましい。１部未満ではポップアウトの防止効果が乏しく、１５部を超えると膨張量が低下し、好ましくない。
【００１４】
本発明の膨張材中の水酸化カルシウム量を調整する方法は、特に限定されるものではないが、膨張物質粉砕時及び／又は粉砕後、所定量が得られるように水及び／又は水酸化カルシウムを添加、混合する方法や、長期間放置して空気中の水分を吸収する方法等が挙げられる。水を添加する場合の水の使用量は、粉砕機の種類等によって変化する。
また、粉砕時に粉砕助剤として、ジエチレングリコールやトリアルカノールアミン類を併用することもできる。膨張材中の水酸化カルシウムの含有量は、ＤＳＣ、ＴＧ−ＤＴＡ、ＩＲ、ＦＴ−ＩＲ、Ｘ線回折、化学分析等によって定量できる。
【００１５】
本発明の膨張材の使用量は、特に限定されるものではないが、セメントと膨張材からなるセメント組成物１００部中、膨張材３〜１２部が好ましく、４〜８部がより好ましい。本発明の膨張材の使用量がこの範囲外では、本発明の効果、すなわち、優れた膨張特性が得られない場合がある。３部未満では、優れた膨張特性の得られない場合があり、１２部を超えて使用すると、強度発現性が低下する場合がある。
【００１６】
本発明のセメント組成物とは、ＪＩＳ Ｒ ５２１０に規定される各種ポルトランドセメント、ＪＩＳ Ｒ ５２１１、ＪＩＳ Ｒ ５２１２及びＪＩＳ Ｒ５２１３に規定される各種混合セメント、ＪＩＳに規定された以上の混和材の混和率にて作製した高炉セメント、フライアッシュセメント及びシリカセメント、石灰石粉末等を混合したフィラーセメント、並びにアルミナセメント等のうちの１種又は２種以上と、本発明の膨張材とを含有してなるものである。
本発明のセメント組成物は、そのままセメントペーストとして使用することはもちろん、骨材と混合して、モルタルやコンクリートとしても使用可能である。
【００１７】
本発明では、セメントや膨張材に砂や砂利等の骨材の他、凝結促進剤、凝結遅延剤、デキストリン、減水剤、ＡＥ減水剤、高性能ＡＥ減水剤、ＡＥ剤、増粘剤、セメント急硬材、防錆剤、高分子エマルジョン、ベントナイトやモンモリロナイト等の粘土鉱物、無機リン酸塩等のうちの１種又は２種以上を本発明の目的を実質的に阻害しない範囲で併用することが可能である。
【００１８】
本発明の膨張材を使用したコンクリート及びモルタル等を製造する際に使用する混合装置としては、既存のいかなる撹拌装置も使用可能であり、例えば、傾胴ミキサ、オムニミキサ、Ｖ型ミキサ、ヘンシェルミキサ及びナウタ−ミキサ等が利用可能である。混合は、それぞれの材料を施工時に混合してもよいし、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。混合順序は特に限定されるものでない。
【００１９】
【実施例】
以下、実施例により本発明を詳細に説明する。
【００２０】
実施例１
ＣａＯ原料と、ＣａＳＯ₄原料と、Ａｌ₂Ｏ₃原料、Ｆｅ₂Ｏ₃原料及びＳｉＯ₂原料から選ばれる１種又は２種以上とを配合して、電気炉を使用し１４００℃で熱処理することによって、表１に示すＡからＴの種々の組成（各成分の合計１００部中の割合）の膨張物質を製造した。
【００２１】
この膨張物質に所定量の水を添加してボールミルにて粉砕し、ブレーン比表面積３５００±２００ｃｍ²／ｇで、膨張材１００部中、水酸化カルシウム量が３部となる膨張材を調製した。セメントと膨張材からなるセメント組成物１００部に対して膨張材を６部使用し、単位セメント組成物量が３１０ｋｇ／ｍ³、水／セメント組成物比＝５５％、ｓ／ａ＝４４％、減水剤をセメントに対して１％添加してコンクリートを調製し、材齢７日の長さ変化率の測定及びポップアウト試験を行った。また、市販の膨張材についても、同じ膨張材使用量にて試験した。
結果を表２に示す。
【００２２】
＜使用材料＞
セメント：市販普通ポルトランドセメント
ＣａＯ原料：試薬一級炭酸カルシウム
Ａｌ₂Ｏ₃原料：試薬一級アルミナ
Ｆｅ₂Ｏ₃原料：試薬一級酸化第二鉄
ＳｉＯ₂原料：試薬一級酸化珪素
ＣａＳＯ₄原料：試薬一級二水セッコウ
砂：新潟県姫川産、比重２．６２、ＦＭ値２．８６
砂利：新潟県姫川産、比重２．６４
水：水道水
減水剤：ポリカルボン酸系、市販品
膨張材▲１▼：カルシウムサルホアルミネート系膨張材、市販品
膨張材▲２▼：石灰系膨張材、市販品
【００２３】
＜測定方法＞
長さ変化率：ＪＩＳ Ａ ６２０２ Ｂに準じて測定
ポップアウト試験：膨張材以外の材料で予めコンクリートを調製しておき、傾胴ミキサにこのコンクリートを入れ、１２回転／分の速さでミキサをアジテートしながら膨張材を後添加し、１０分間後に排出して、縦１ｍ、横５０ｃｍ、高さ１０ｃｍの型枠内へ打設しポップアウト現象を観察した。
【００２４】
【表１】

【００２５】
【表２】

【００２６】
表２から明らかなように、本発明の膨張材を使用したコンクリートは、いずれも優れた膨張特性を示し、ポップアウトの発生が認められない。
【００２７】
実施例２
表１の膨張材Ｄ１００部中、表３に示す量の水酸化カルシウムの膨張材を調整して使用したこと以外は、実施例１と同様に行った。結果を表３に併記する。
【００２８】
【表３】

【００２９】
表３から明らかなように、本発明の水酸化カルシウム量が１〜１５部の膨張材を混和したコンクリートは、ポップアウトの発生が無く、優れた膨張特性を示す。
【００３０】
実施例３
セメントと膨張材からなるセメント組成物１００部中、表４に示す量の膨張材を使用したこと以外は、実施例１と同様に行った。結果を表４に併記する。
【００３１】
【表４】

【００３２】
表４から明らかなように、本発明の膨張材の使用量が増加するにつれコンクリートは優れた膨張特性を示す。
【００３３】
【発明の効果】
本発明の膨張材及びそれを含有したセメント組成物を使用することにより、コンクリートは施工後のポップアウトが無く、優れた膨張特性を示す。

Claims (2)

1. ＣａＯ原料と、ＣａＳＯ₄原料と、Ａｌ₂Ｏ₃原料、及びＦｅ₂Ｏ₃原料を熱処理して得られる膨張物質であって、遊離石灰と、無水セッコウと、カルシウムアルミノフェライトを含有してなる遊離石灰量が３５〜６０％の膨張物質を主成分とする膨張材１００部中、水酸化カルシウム量が１〜１５部であることを特徴とする膨張材。
2. セメントと、請求項１に記載の膨張材とを含有してなるセメント組成物。