JP4617073B2 - 急硬性材料及び急硬性セメント組成物 - Google Patents

Description

本発明は、主にモルタルやコンクリートに急硬性を付与する急硬性材料及び急硬性を有するセメント組成物に関する。

コンクリートやモルタル系建造物の緊急工事では、短時間で硬化させるために急硬成分を含むコンクリートやモルタルが使用されることが多い。急硬成分としては、１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃、１１ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃・ＣａＦ₂、４ＣａＯ・３Ａｌ₂Ｏ₃・ＳＯ₃、３ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃などのカルシウムアルミネートが最も良く知られており、（例えば特許文献１参照。）モルタル・コンクリートの調合時に混和材として加えたり、或いは予めセメントに混合させたものが使用される。

カルシウムアルミネートは、セメントの硬化を促進し、短時間強度の発現性を高める作用がある反面、急速な水和反応性を示すことから水を加えた後の可使時間（施工に適した状態に留まることができる時間）の確保が容易でなく、施工作業上の制約があった。このため、グルコン酸などの凝結遅延剤を併用し、可使時間を長くすることも行われている。（例えば特許文献２参照。）この可使時間は、遅延剤の配合量を増加させるに連れてより長くすることができるが、一方で短時間強度の発現性が低下するため、施工工期のみならず短時間に強度等の機能修復を要求される工事などでは必ずしも適した方策とはなり難かった。また、可使時間を長くする別の方策として、カルシウムアルミネートに石膏を混合し、これに少量の水を含有させた急硬材も知られている。（例えば特許文献３参照。）しかるに、カルシウムアルミネートと石膏の混合物に水を加えると、反応を起こしてエトリンガイトが生成し易くなる。この場合、エトリンガイト相は主に粒子表層に形成され易く、このような状態のカルシウムアルミネートと石膏の混合物を使用すると、急硬成分がセメントに及ぼす硬化促進作用が阻害され、また石膏によるセメントに対する硬化時間調整作用も低下する。セメントに対する硬化促進作用に実質的な支障をきたさない範囲まで水の含有量を少なくすると可使時間が急激に短くなり、十分な可使時間の確保が困難となる。

特公平０７−５７７０５号公報 特開昭５０−１７４２６号公報 特開昭５３−１２５４３１号公報

本発明は、モルタルやコンクリートの硬化を促進する急硬性材料であって、長い可使時間の確保が可能で、かつ高い短時間強度発現性を付与できる急硬性材料及び該急硬性材料を含むセメント組成物の提供を課題とする。

本発明者らは、前記課題解決のための検討を重ねた結果、水和物を表層を形成させたカルシウムアルミネート粒に、硫酸カルシウムと特定のセメント硬化促進成分を併用することによって、公知のカルシウムアルミネート系急硬材と遜色ない硬化促進作用を有することができると共に、カルシウムアルミネートの初期水和反応活性が抑制されて比較的長い可使時間の確保が容易になり、可使時間経過後は急速に強度発現性が高まったこと等の知見から本発明を完成させた。

即ち、本発明は、（ａ）水和物で被覆されたカルシウムアルミネート粒子、（ｂ）水和物で被覆されていない硫酸カルシウム及び（ｃ）アルミニウム硫酸塩、アルカリ金属硫酸塩、アルカリ金額硫酸塩、アルカリ金属炭酸塩の群から選択される１種以上を含有してなり、（ｄ）水和物で被覆された硫酸カルシウムを含まない急硬性材料である。また本発明は、ポルトランドセメント又は混合セメントと、前記急硬性材料を含有してなる急硬性セメント組成物である。

本発明の急硬性材料は、モルタルやコンクリートに優れた急硬作用を及ぼすも、これまで得難かった長い可使時間を確保することができるため、施工作業上の制約が少なく、かつ高い短時間強度発現性を付与できる。また本発明の急硬性セメント組成物は、高い急硬性を有する他、モルタルやコンクリート製造時の可使時間を長く確保でき、また性状安定性に優れ、早期〜長期に渡って高い強度発現性を有する。

本発明の急硬性材料は、カルシウムアルミネートを急硬成分とするものである。ここで云うカルシウムアルミネートとはＣａＯとＡｌ₂Ｏ₃を主要化学成分とする化合物、固溶体、ガラス質若しくはこれらの何れか１種以上が混合した物の総称であり、本発明ではその何れかであって、水和活性を有するものなら特に制限されず。例えば、１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃、１１ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃・ＣａＦ₂、４ＣａＯ・３Ａｌ₂Ｏ₃・ＳＯ₃などを挙げることができる他、アルミナセメントであっても良い。本発明の急硬性材料は、このようなカルシウムアルミネートで、その表面が水和物で被覆された粒子を含有したものである。被覆はカルシウムアルミネート粒子のできるだけ全表面が覆われた状態となるのが望ましい。また好ましくは、水和物の被覆量が被覆部を含むカルシウムアルミネート粒子の重量の０．３〜５．０重量％、より好ましくは０．５〜４．０重量％のものとする。被覆量が０．３重量％未満ではカルシウムアルミネートの初期水和活性を抑制する作用が弱くなり、長期の可使時間確保が困難となることがあり、また被覆量が５．０重量％を超えると被覆層厚が増すためカルシウムアルミネート自体の水和反応の遅れが大きくなり、早期強度発現性が低下することがある。

カルシウムアルミネート粒子を被覆する水和物は特に限定されず、例えばＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃・１０Ｈ₂Ｏ、２ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃・８Ｈ₂Ｏ、３ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃・６Ｈ₂Ｏ、３ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃・８Ｈ₂Ｏ、４ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃・１３Ｈ₂Ｏ、４ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃・１９Ｈ₂Ｏ、Ａｌ₂Ｏ₃・３Ｈ₂Ｏ等を挙げることができる。このような水和物をカルシウムアルミネート粒子に被覆する方法は何等限定されない。最も簡単と考えられる被覆層形成方法の一例を示すと、概ね分散させたカルシウムアルミネート粒子に、常温又はそれ以下の温度で、カルシウムアルミネート粒子重量のおよそ０．２〜３．５重量％相当の水を噴霧器で噴霧添加する。噴霧添加中及び噴霧添加直後のカルシウムアルミネート粒子は、混合機等を用いて転動させるのが比較的均一な被覆ができるので望ましい。噴霧水によってカルシウムアルミネート粒子表層部が反応し、水和物からなる被覆層を形成する。噴霧に使用する水の代わりにカルシウムアルミネートと反応し水和物を生成するものであれば他の液体でも使用することができる。

本発明の急硬性材料は、前記の水和物で被覆されたカルシウムアルミネート粒子の他に、硫酸カルシウムを含有する。含有する硫酸カルシウムは水和物で被覆されたものではなく、水和物で被覆されていないものを用いる。このような硫酸カルシウムを含有することで水和反応の調整がより行い易くなる他、モルタル・コンクリートの急速な硬化に伴う収縮を抑制し、収縮ひび割れ発生を防ぐことができる。硫酸カルシウムの含有量は、カルシウムアルミネート（被覆部を含む）１００重量部に対し、１０〜３００重量部とする。１０重量部未満では含有効果が殆ど得られず、３００重量部を超えると過度の膨張を生じるので好ましくない。また、硫酸カルシウムとして、無水石膏、半水石膏、二水石膏が使用できる他、化学石膏と称される公知の石膏類も使用可能であるが、中長期での強度発現性に優れることから無水石膏又は半水石膏の使用が好ましく、特にブレーン比表面積７０００ｃｍ²／ｇ以上の無水石膏が最も好ましい。

本発明の急硬性材料は、前記の水和物で被覆されたカルシウムアルミネート粒子と硫酸カルシウムの他に、アルミニウム硫酸塩、アルカリ金属硫酸塩、アルカリ金属炭酸塩の群から選択される１種以上を含有する。これらは何れもセメントの水和反応促進に寄与し、水和物で被覆されたカルシウムアルミネートによるセメントに対する硬化促進作用の低下を補うものである。好ましくは、凝結性に支障を及ぼすことなく短期強度促進作用も高いアルカリ金属炭酸塩を使用するのが良い。アルミニウム硫酸塩、アルカリ金属硫酸塩、アルカリ金属炭酸塩の群から選択される１種以上の成分の急硬性材料中の含有量は０．１〜１０重量％が好ましい。０．１重量％未満では、セメントに対する硬化促進作用が十分得られないことがある。また１０重量％を超えると長期強度発現性が低下することがある。尚、アルカリ金属硫酸塩及び／又はアルカリ金属炭酸塩を使用する場合のアルカリ金属種は特に限定されないが、例えば−２５℃〜５０℃という広い温度範囲でも安定した促進作用が得られることからリチウムが推奨される。

本発明の急硬性材料は、前記成分以外にも本発明の効果を喪失しない範囲で、他の成分、例えば石灰石微粉、各種スラグ微粉、石炭灰、珪石微粉、石膏以外の膨張成分、粉末状の分散成分等を含むものであっても良い。

また本発明の急硬性セメント組成物は、前記急硬性材料とポルトランドセメント、又は前記急硬性材料と混合セメントを含有するものであり、またこれ以外の成分も本発明の効果を喪失しない範囲で適宜含むことができる。ポルトランドセメントは何れのものでも使用でき、また混合セメントも特に限定されるものではなく、例えば高炉セメント、フライアッシュセメント、シリカセメント等を挙げることができる。本急硬性セメント組成物中の急硬性材料とセメントの好適な含有量は、ポルトランドセメント又は混合セメント１００重量部に対し、急硬性材料２０〜２００重量部、より好ましくは３０〜１００重量部とする。急硬性材料２０重量部未満では高い短時間強度発現性が得難くなり、また２００重量部を超えると長期強度発現性が低下することがある。他の含有可能な成分としては、例えばポゾラン反応性物質、減水剤、収縮低減剤、凝結遅延剤、顔料等が挙げられる。特に長期の可使時間を確保する上では、本急硬性セメント組成物に凝結遅延剤を含有させるか、本急硬性セメント組成物と凝結遅延剤を併用することが推奨される。本急硬性セメント組成物は、凝結遅延剤を用いた際に見られる短時間強度発現性の低下を殆ど起こさない。また本発明の急硬性セメント組成物は、モルタル、コンクリート、セメントペースト等を製造する際には概ねセメントと同様に扱うことができ、例えばコンクリートを製造する場合、本急硬性セメント組成物に骨材、更に必要に応じてコンクリート用混和剤などを加え、通常行われているような水セメント重量比の範囲を適用した量の水を加えて混合すれば良い。

以下、実施例により本発明を具体的に詳しく説明する。

［急硬性材料の作製］
２０℃の温度下でアルミナセメント（太平洋マテリアル株式会社製）５００００ｇをレーディゲミキサーに入れ、回転しながら２５０ｇの水を噴霧器によって噴霧添加した。噴霧添加後約１０分間はミキサーを回転し、２４時間放置した。この処理を行ったアルミナセメント２５０００ｇに、表１の配合量となるよう、炭酸リチウム、硫酸リチウム、硫酸アルミニウム、無水石膏（何れも市販品）から選定される材料を加え、レーディゲミキサーで混合し、Ａ〜Ｃの急硬性材料（本発明品）を作製した。また、比較のため、アルミナセメント２５０００ｇと無水石膏２５０００ｇを混合したものをレーディゲミキサーに入れ、回転しながら２５０ｇの水を噴霧添加した後、２４時間放置して得た参考品Ｄ、参考品Ｄと同様のものに表１の配合量の炭酸リチウムを加え、乾式混合して得た参考品Ｅ、アルミナセメント２５０００ｇと無水石膏２５０００ｇを何れも水を添加することなくレーディゲミキサーで乾式混合して得た参考品Ｆ及びアルミナセメント２５０００ｇと無水石膏２５０００ｇと炭酸リチウム１２５０ｇを何れも水を添加することなくレーディゲミキサーで乾式混合して得た参考品Ｇも作製した。

［モルタル試験体の作製］
表２に記す配合となるよう前記Ａ〜Ｇ、普通ポルトランドセメント（太平洋セメント株式会社製）、細骨材（比重２．６９の小倉南区産砕砂と比重２．５９の壱岐郡郷ノ浦沖合砕砂の重量比３：７の混合砕砂）をホバートミキサーで乾式混合し、この混合物に２０℃の温度下で水又は水と有機系凝結遅延剤（クエン酸又はグルコン酸；何れも市販品）を加えて約２分間混練を行った。混練物は型枠に入れ、４×４×１６ｃｍの試験体を作製した。

［試験体の特性］
前記各モルタル試験体を、ＪＩＳ Ｒ ５２０１の試験方法に準じた２０℃でのモルタルの凝結試験に供し、凝結始発時間を測定し、これを可使時間の指標にした。またＪＩＳ Ｒ ５２０１の試験方法に準じてモルタル質試験体の材齢２時間、３時間、２４時間、７日及び２８日の圧縮強度を測定した。これらの結果を表３に記す。尚、表中の配合７のモルタルは、水を加えた直後に瞬結したため、圧縮強度の測定は行わなかった。

表３から、本発明の急硬性材料を使用したモルタルは、何れも長い可使時間を有すると共に、高い短時間強度を示し、更には中長期の強度発現性も高いものであることがわかる。

本発明の急硬性材料は、とりわけ短時間で施工が完結するような、また短時間で実用的な機能発現を得るための補修や早期構築用としてのモルタル・コンクリートへの使用に適している。

Claims (2)

1. （ａ）水和物で被覆されたカルシウムアルミネート粒子、（ｂ）水和物で被覆されていない硫酸カルシウム及び（ｃ）アルミニウム硫酸塩、アルカリ金属硫酸塩、アルカリ金額硫酸塩、アルカリ金属炭酸塩の群から選択される１種以上を含有してなり、（ｄ）水和物で被覆された硫酸カルシウムを含まない急硬性材料。
2. ポルトランドセメント又は混合セメントと、請求項１記載の急硬性材料を含有してなる急硬性セメント組成物。