JP4744678B2 - セメント混和材及びセメント組成物 - Google Patents

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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セメント混和材及びセメント組成物に関する。
【0002】
セメントは安価であり、かつ大きなコンクリ−ト構造物を任意の形に造ることが可能な優れた材料である。また、セメントに各種セメント混和材を併用することにより、構造物の強度や耐久性を向上させることが可能である。これまでにセメント混和材は数多く提案されているが、コンクリ−ト構造物の信頼性、耐久性、美観などの観点から、膨張性を付与するセメント混和材のさらなる技術の進展が望まれている。コンクリ−ト構造物に膨張性を付与するセメント混和材としては、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−ト−無水セッコウ系膨張材(特公昭53-31170号公報)等がある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、生コンプラントのミキサにセメント混和材を開袋投入する際、セメント混和材が充分混練されないとコンクリートに均一に分散せずに塊状になっている場合があり、硬化後のコンクリ−トにおいて局所的に異常膨張する、いわゆるポップアウト現象を引き起こすことがある。ポップアウト現象を防止する方法としては、膨張材に予め不活性な無機粉末等を混和しておき、セメント混和材が充分に混練されなくても、膨張材成分同士が凝集して塊にならず、ある程度の分散が期待できるようにしておく方法が考えられるが、不活性な無機粉末を混和することにより膨張成分が希釈されるため、要求性能を満足するためには、セメント混和材の配合量を増加しなければならない問題が生じる。さらに、コンクリ−トに防水性を与えるセメント混和材も求められている。なお、本発明においてコンクリートとは、セメントペースト、モルタル及びコンクリートを総称するものである。
そこで、本発明者らはこのような状況を顧て種々検討した結果、特定の膨張材と、シリカ質微粉末および/又は石灰石微粉末とを配合することによって前記課題を解消できるセメント混和材が得られるとの知見を得て、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】
即ち、本発明は、CaO原料、Al23原料、Fe23原料、SiO2原料及びCaSO4原料を熱処理して得られる物質であって、遊離石灰、カルシウムアルミノフェライト、カルシウムシリケート及び無水セッコウを主要な構成化合物とする膨張材100部中、遊離石灰は30〜70部、カルシウムアルミノフェライトは5〜22.5部、カルシウムシリケートは5〜22.5部、無水セッコウは5〜30部である膨張材と、シリカ質微粉末及び/又は石灰石微粉末とを含有してなり、セメント混和材100部中、膨張材は50〜95部、シリカ質微粉末及び/又は石灰石微粉末は5〜50部である、優れた膨張性能を付与し、ポップアウト現象を防止す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る。
【0005】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を更に詳細に説明する。
【0006】
本発明の膨張材は、CaO原料、Al23原料、Fe23原料、SiO2原料及びCaSO4原料を熱処理して得られる物質であって、遊離石灰、カルシウムアルミノフェライト、カルシウムシリケート及び無水セッコウを主要な構成化合物とするものである。その組成割合については、特に限定されるものではないが、膨張材100部中、遊離石灰は30〜70部が好ましく、40〜60部がより好ましい。カルシウムアルミノフェライトは5〜22.5部が好ましく、10〜15部がより好ましい。カルシウムシリケートは5〜22.5部が好ましく、10〜15部がより好ましい。さらに、無水セッコウは5〜30部が好ましく、10〜30部がより好ましい。セメント混和材中の各化合物の組成割合が前記範囲にないと、優れた膨張性能及び流動性の保持性能が得られない場合がある。
なお、本発明で用いる部、%は質量単位を表す。
【0007】
本発明の遊離石灰とは、通常、f−CaOと呼ばれるものである。
本発明のカルシウムアルミノフェライトとは、CaO−Al23−Fe23系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、Al23をA、Fe23をFとすると、C4AF、C62F、C6AF2等の化合物がよく知られているが、通常はC4AFとして存在していると考えて良い。また、本発明のカルシウムシリケートとは、CaO−SiO2系を総称するものであり、特に限定されるものではないが、C2SやC3Sがよく知られているが、通常はC3Sとして存在していると考えて良い。以下、本発明では、カルシウムアルミノフェライトをC4AF、カルシウムシリケートをC3Sと略記する。
【0008】
本発明の膨張材を製造する際、CaO原料、Al23原料、Fe23原料、SiO2原料及びCaSO4原料を熱処理して、遊離石灰、C4AF、C3S及び無水セッコウからなるクリンカ−を合成して製造する。遊離石灰、C4AF、 C3S及び無水セッコウを別々に合成してから、それらを混合したものでは本発明の効果は得られない。CaO原料、Al23原料、Fe23原料、SiO2原料及びCaSO4原料を熱処理して、遊離石灰、C4AF、C3S及び無水セッコウからなるクリンカ−を合成したかどうかは、例えば、粉砕物中の100μm以上の粗粒子の顕微鏡観察(SEM−EDX)等を行い、その粒子中に遊離石灰、C4AF、C3S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判別できる。
【0009】
本発明の製造する際の熱処理方法としては、特に限定されるものではないが、電気炉やキルン等を用いて、1100〜1600℃の温度範囲で焼成することが好ましく、1200〜1500℃の温度範囲がより好ましい。1100℃未満では、得られたセメント混和材の膨張性能が十分でなく、1600℃を超えると無水セッコウが分解する恐れがある。
【0010】
CaO原料としては、石灰石や消石灰が挙げられ、Al23原料としては、ボ−キサイトやアルミ残灰等が挙げられ、Fe23原料としては、銅カラミ、鉄粉、市販の酸化鉄等が挙げられ、SiO2原料としては、市販の二酸化珪素や珪石が挙げられ、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。これら原料中には各種の不純物が存在し、その具体例としては、MgO、TiO2、P25、Na2O、K2O、フッ素、塩素等が挙げられ、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。
【0011】
本発明の膨張材の粒度は、特に限定されるものではないが、通常、ブレ−ン比表面積で1500〜6000cm2/gが好ましく、2500〜4000cm2/gがより好ましい。1500cm2/g未満では、強度発現性が悪くなる場合があり、6000cm2/gを超えると優れた膨張性能が得られない場合がある。
【0012】
本発明に使用されるシリカ質微粉末とは、特に限定されるものではないが、シリカフュ−ム、高炉スラグ、フライアッシュ、ケイソウ土や溶融シリカ等のシリカダスト等を総称するものである。シリカ質微粉末は、ポップアウト現象の抑制効果の他に、コンクリ−トの防水性を向上させる効果も奏する。
【0013】
本発明に使用される石灰石微粉末とは、特に限定されるものではないが、天然に産出する炭酸カルシウムを主成分とする鉱石を総称するものである。石灰石微粉末は、シリカ質微粉末のように防水性を向上させる効果は有しないが、ポップアウト現象の抑制効果は充分に有し、さらに地域によっては安価に入手できるという利点がある。
【0014】
本発明に使用されるシリカ質微粉末及び/又は石灰石微粉末の粒度は、特に限定されるものではないが、通常、ブレ−ン比表面積で3000cm2/g以上が好ましい。3000cm2/g未満では、充分なポップアウト抑制効果が得られない場合がある。
【0015】
本発明の膨張材と、シリカ質微粉末及び/又は石灰石微粉末の配合割合は、特に限定されるものではないが、通常、セメント混和材100部中、膨張材は50〜95部が好ましく、60〜90部がより好ましい。膨張材が50部未満では、充分な膨張性能が得られない場合があり、95部を超えると充分なポップアウト現象の抑制効果や、防水性の向上効果が得られない場合がある。シリカ質微粉末及び/又は石灰石微粉末は、5〜50部が好ましく、10〜40部がより好ましい。5部未満では、充分なポップアウト現象の抑制効果や、防水性の向上効果が得られない場合があり、50部を超えると充分な膨張性能が得られない場合がある。
【0016】
本発明のセメント混和材の配合量は、特に限定されるものではないが、通常、セメントとセメント混和材からなるセメント組成物100部中、5〜15部が好ましく、7〜13部がより好ましい。5部未満では本発明の効果が充分に得られない場合があり、15部を超えて使用すると強度発現性が悪くなる場合がある。
【0017】
本発明のセメントとしては、普通セメント、早強、超早強、低熱及び中庸熱等各種ポルトランドセメントと、これらセメントに、高炉スラグ、フライアッシュ及びシリカを混合した各種混合セメント、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が挙げられ、これらのうちの1種又は2種以上が使用可能である。
【0018】
本発明のセメント混和材及びセメント組成物に、砂、砂利等の骨材の他、減水剤、高性能減水剤、AE減水剤、高性能AE減水剤、流動化剤、消泡剤、増粘剤、防錆剤、防凍剤、収縮低減剤、高分子エマルジョン及び凝結調整剤、並びにセメント急硬材、セメント膨張材、ベントナイトやゼオライト等の粘土鉱物、ハイドロタルサイト等のアニオン交換体等のうちの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使用することが可能である。
【0019】
本発明では、各材料の混合方法は、それぞれの材料を予め全部混合しておけば特に限定されるものではない。混合装置としては、既存の如何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等が挙げられる。
【0020】
【実施例】
以下、実施例により本発明を詳細に説明する。
【0021】
実施例1
CaO原料、Al23原料、Fe23原料、SiO2原料及びCaSO4原料を配合し、混合粉砕した後、電気炉を用い1350℃で2時間熱処理して、表1に示す種々の化合物組成の膨張材を製造し、ブレ−ン比表面積3500±200cm2/gに粉砕した。これら膨張材を75部、石灰石微粉末を25部の割合で混合してセメント混和材とし、セメントとセメント混和材からなるセメント組成物100部中、セメント混和材を10部配合し、単位セメント組成物量が300kg/m3、水/セメント組成物比=62%、s/a=45%のコンクリートを調製し、長さ変化率及びポップアウト試験を行った。結果を表1に併記する。
製造した膨張材を粉末X線回折装置(XRD)により同定し、遊離石灰、C4AF、C3S及び無水セッコウを主要な構成化合物とすることを確認した。また、化学組成は化学分析により求め、化合物組成は化学分析値を基に、計算により求めた。
なお、膨張材Tは、遊離石灰、C4AF、C3S及び無水セッコウを別々に合成した後に混合して調製したものである。
【0022】
<使用材料>
セメント:市販普通ポルトランドセメント
石灰石微粉末:新潟県青海鉱山産石灰石をブレ−ン比表面積5000cm2/gに粉砕したもの。
水:水道水
砂:新潟県姫川産、比重2.62
砂利:新潟県姫川産、比重2.64
CaO原料:試薬1級炭酸カルシウム
Al23原料:試薬1級酸化アルミニウム
Fe23原料:試薬1級酸化鉄
SiO2原料:試薬1級二酸化ケイ素
CaSO4原料:試薬1級無水セッコウ
遊離石灰:CaO原料を1350℃で3時間焼成し合成したもの。
4AF:CaO原料4モル、Al23原料1モル、Fe23原料1モルを混合し、1350℃で3時間焼成し合成したもの。
3S:CaO原料3モル、SiO2原料1モルを混合し、1600℃で3時間焼成し合成したもの。
無水セッコウ:CaSO4原料を1350℃で3時間焼成したもの。
【0023】
<測定方法>
化学分析:JIS R 5202に準じて測定。
化合物組成:遊離石灰含有量をJIS R 5202に準じて測定し、それ以外の化合物については計算により求めた。即ち、Al23量からC4AF量を算出し、SiO2量からC3S量を算出し、次いでSO3量から無水セッコウ量を算出した。
長さ変化率:JIS A 6202 Bに準じて測定。
ポップアウト試験:セメント混和材を添加しないで予めコンクリートを調製しておき、傾胴ミキサにコンクリ−トを投入し、12回転/分の速さでミキサをアジテ−トしながらセメント混和材を後添加し、10分後に排出して、縦1m、横50cm、高さ10cmの型枠内へ打設しポップアウト現象を確認した。なお、環境温度は20℃とした。
【0024】
【表1】
Figure 0004744678
【0025】
表1より、本発明のセメント混和材及びセメント組成物は、コンクリートに優れた膨張性能を付与していることが分かる。
【0026】
実施例2
工業原料であるCaO原料、Al23原料、Fe23原料、SiO2原料及びCaSO4原料を配合し、ロータリーキルンを用いて1400℃で熱処理することで、表2に示す組成の膨張材を製造したこと以外は、実施例1と同様に行った。表3に化学組成から算出した化合物組成、表4に測定結果を示す。なお、比較のために市販の2種類の膨張材についても同様の実験を行った。
【0027】
<使用材料>
CaO原料:新潟県青海鉱山産石灰石
Al23原料:中国産ボ−キサイト
Fe23原料:工業用酸化鉄
SiO2原料:市販珪石
CaSO4原料:タイ産天然無水セッコウ
市販膨張材A:カルシウムサルホアルミネ−ト系膨張材
市販膨張材B:石灰系膨張材
【0028】
【表2】
Figure 0004744678
【0029】
【表3】
Figure 0004744678
【0030】
【表4】
Figure 0004744678
【0031】
表4より、本発明のセメント混和材及びセメント組成物は、コンクリートに優れた膨張性能や流動性の保持性能を付与し、しかもポップアウト現象を防止していることが分かる。
【0032】
実施例3
実施例2の本発明の膨張材を使用し、表5に示すシリカ質微粉末の種類と量を変えてセメント混和材としたこと以外は、実施例2と同様に行った。なお、防水性試験も併せて実施した。結果を表5に併記する。
【0033】
<使用材料>
シリカ質微粉末▲1▼:市販の高炉スラグをブレ−ン比表面積5000cm2/gに粉砕したもの。
シリカ質微粉末▲2▼:市販のシリカフュ−ム、ブレ−ン比表面積200000cm2/g。
シリカ質微粉末▲3▼:市販のフライアッシュをブレ−ン比表面積5000cm2/gに粉砕したもの。
シリカ質微粉末▲4▼:市販のケイソウ土をブレ−ン比表面積5000cm2/gに粉砕したもの。
シリカ質微粉末▲5▼:シリカ質微粉末▲1▼とシリカ質微粉末▲2▼の等量混合物、ブレ−ン比表面積102500cm2/g。
シリカ質微粉末▲6▼:シリカ質微粉末▲2▼と石灰石微粉末の等量混合物、ブレ−ン比表面積102500cm2/g。
【0034】
<測定方法>
防水性試験:φ15×30cm、中心孔の直径2.0cmの円空供試体を作成し、材齢1日で脱型後、材齢7日までの6日間水中養生を施した後、透水性試験を実施した。試験方法はアウトプット方式とし、試験体外側から水圧10kg/cm2を48時間加え、中心孔から出る水量を測定し、セメント混和材を配合していないコンクリ−トの透水量を100とした時の相対値を透水比として表した。
【0035】
【表5】
Figure 0004744678
【0036】
表5より、本発明のセメント混和材及びセメント組成物は、コンクリートに優れた膨張性能を付与すると共に、ポップアウト現象を防止し、防水性を高めることが分かる。
【0037】
実施例4
実施例2の本発明の膨張材を75部、シリカ質微粉末▲2▼を25部の割合で混合したセメント混和材を使用し、セメント組成物中のセメント混和材の配合量を表6に示すように変えたこと以外は、実施例2と同様に行った。結果を表6に併記する。
【0038】
【表6】
Figure 0004744678
【0039】
表6より、本発明のセメント混和材は、その配合量が増加するにつれて、コンクリートの長さ変化率が大きくなる優れた膨張性能を付与すると共に、ポップアウト現象を防止し、防水性を高めることが分かる。
【0040】
【発明の効果】
本発明のセメント混和材は配合量が少なくても、コンクリートに優れた膨張性能及び流動性の保持性能を付与し、且つ、ポップアウト現象の防止及び防水性の向上が可能である。

Claims (2)

  1. CaO原料、Al23原料、Fe23原料、SiO2原料及びCaSO4原料を熱処理して得られる物質であって、遊離石灰、カルシウムアルミノフェライト、カルシウムシリケート及び無水セッコウを主要な構成化合物とする膨張材100質量部中、遊離石灰は30〜70質量部、カルシウムアルミノフェライトは5〜22.5質量部、カルシウムシリケートは5〜22.5質量部、無水セッコウは5〜30質量部である膨張材と、シリカ質微粉末及び/又は石灰石微粉末とを含有してなり、セメント混和材100質量部中、膨張材は50〜95質量部、シリカ質微粉末及び/又は石灰石微粉末は5〜50質量部である、優れた膨張性能を付与し、ポップアウト現象を防止するセメント混和材。
  2. セメントと、請求項1に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。
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