JP5192186B2 - コンクリートガラを含むセメント混合物及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、コンクリートガラを含むセメント混合物及びその製造方法に関する。
既存のコンクリート構造物を解体することにより、比較的大量の解体コンクリートいわゆるコンクリートガラが発生する。このコンクリートガラは、所定粒径以下に砕いて塊のまま再利用したり、このコンクリートの塊を更に粉砕して元の骨材を取り出し、微粒分を洗い流して再生骨材として再利用したりすることが考えられている。
コンクリートガラを塊のまま再利用するものとしては、特許文献に記載されたように、建設発生土及び水等と混合して流動化処理土にするものがある。
しかしながら、ブリーディングや骨材分離を防止するために、流動化処理工法で用いられる調整泥水は、例えば、１ｍ3当たり２００〜３００リットルといった多量の土が混ぜられたものであるため、これに混入できるコンクリートガラの容量は制限されてしまい、コンクリートガラを多量に再利用するといった観点からは課題が残るものであった。またコンクリートガラの塊を流動化処理土に混ぜる場合、調整泥水に用いる土の種類や状態によって圧縮強度や流動性が変化するため、作業性や品質のばらつきが大きいという問題がある。
しかしながら、ブリーディングや骨材分離を防止するために、流動化処理工法で用いられる調整泥水は、例えば、１ｍ3当たり２００〜３００リットルといった多量の土が混ぜられたものであるため、これに混入できるコンクリートガラの容量は制限されてしまい、コンクリートガラを多量に再利用するといった観点からは課題が残るものであった。またコンクリートガラの塊を流動化処理土に混ぜる場合、調整泥水に用いる土の種類や状態によって圧縮強度や流動性が変化するため、作業性や品質のばらつきが大きいという問題がある。
またコンクリートガラを骨材として使用し、これをセメント等と混合してコンクリートを製造する場合にも、いくつかの問題点がある。第一に、コンクリートガラは比較的吸水率が大きく、表乾状態で管理するのが難しいため、練り上がり直後から水分を吸収し、コンクリートガラで必要な骨材分を全て補おうとすると、時間に伴うスランプロスが大きくなり施工上支障が生じる。第二に、コンクリートガラの粒度分布には、細粒分、細骨材分、粗骨材分が含まれているものの、粒度分布を調整せずに用いると、ブリーディングや骨材分離が発生するため、一般的なコンクリートのように細骨材分として砂を加え細粗骨材比を調整する必要があった。
ところで、既存のコンクリート構造物を解体した跡地に新たな構造物を建設する場合、既存の地下躯体を地中に残し、その上に新たな構造物を建設することがある。このような場合、既存部分と新たな構造物の地下躯体との隙間には、埋め戻し材料を充填する必要がある。
これ以外にも、新たに建設する構造物の基礎に近い深さに、十分な地耐力を持つ支持層がある場合、この支持層と基礎との間を埋めるために埋め戻し材料が使用されている。また埋め戻し材料は新たな構造物の地下外壁の周りを埋めるためにも使用される。
以上のように、構造物の基礎に関わる支持地盤を構築したり、埋め戻したりするための固化材（セメント混合物）として、流動化処理土やラップルコンクリートが慣用されているが、これら慣用の材料にはそれぞれ問題点がある。例えば、流動化処理土は、これを作成可能なプラントが限られてしまい、地域によっては供給できないことがある。またラップルコンクリートは、上述のような埋め戻し材料に要求される強度に比べて、必要以上に大きな強度が発現されるものであり、しかも、高価であるという欠点がある。
特開２００６−１９３８９５号公報
これ以外にも、新たに建設する構造物の基礎に近い深さに、十分な地耐力を持つ支持層がある場合、この支持層と基礎との間を埋めるために埋め戻し材料が使用されている。また埋め戻し材料は新たな構造物の地下外壁の周りを埋めるためにも使用される。
以上のように、構造物の基礎に関わる支持地盤を構築したり、埋め戻したりするための固化材（セメント混合物）として、流動化処理土やラップルコンクリートが慣用されているが、これら慣用の材料にはそれぞれ問題点がある。例えば、流動化処理土は、これを作成可能なプラントが限られてしまい、地域によっては供給できないことがある。またラップルコンクリートは、上述のような埋め戻し材料に要求される強度に比べて、必要以上に大きな強度が発現されるものであり、しかも、高価であるという欠点がある。
本発明の目的は、構造物の基礎に関わる支持地盤を構築したり、埋め戻したりするための固化材として使用可能であり、粒度分布が未調整のコンクリートガラを比較的多量に混入しても、圧縮強度や流動性を管理し易く、安定した作業性や品質を有するセメント混合物及びその製造方法を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明では、少なくともコンクリートガラと、水と、膨潤性ベントナイトと、セメントとを含むことを特徴とするセメント混合物が提供される。
本発明のセメント混合物では、コンクリートガラの混入率を７０％以下に設定することが好ましい。
ここで、コンクリートガラの混入率は、かさ容積比率ではなく、表乾状態（飽和１００％）のコンクリートガラのセメント混合物に対する実容積比率である。コンクリートガラの混入率を、７０％超にした場合には、骨材分離を生じたり、所要のワーカビリティーを得ることが困難になるため好ましくない。
ここで、コンクリートガラの混入率は、かさ容積比率ではなく、表乾状態（飽和１００％）のコンクリートガラのセメント混合物に対する実容積比率である。コンクリートガラの混入率を、７０％超にした場合には、骨材分離を生じたり、所要のワーカビリティーを得ることが困難になるため好ましくない。
本発明では、水と膨潤性ベントナイトとを混合して所定時間経過させ、ベントナイトが膨潤したベントナイト水を生成する第一工程と、第一工程により生成されたベントナイト水とセメントとを混合してセメントベントナイトスラリを生成する第二工程と、第二工程により生成されたセメントベントナイトスラリを、所定粒径以下に砕かれたコンクリートガラの塊と混合する第三工程とを含むことを特徴とするセメント混合物の製造方法が提供される。
前記膨潤性ベントナイトは、水を加えると数倍以上に膨潤するベントナイトであれば良く、例えば、構成鉱物として主に交換性陽イオンとしてＮａを層間にもつモンモリロナイトであって、膨潤度が３〜２０のものを使用することができる。膨潤性ベントナイトの混入量は、水重量の0.5％〜5.0％（重量比）とすると共に、水セメント比に応じて調整すれば良く、水セメント比に対するセメントベントナイトスラリ１ｍ3当りのＢ／（Ｗ／Ｃ）の値が１５ｋｇ／ｍ3〜２５ｋｇ／ｍ3程度になるように調整する。ここで、Ｂは膨潤性ベントナイトの重量、Ｗは水の重量、Ｃはセメントの重量を意味する。
例えば、水セメント比が小さい場合にはセメント量が相対的に多く、単位水量が相対的に少なく、コンシステンシーは高くなるため、膨潤性ベントナイトの絶対量は比較的少なくできる。逆に、水セメント比が大きい場合には単位水量が相対的に多く、セメント量が相対的に少なく、コンシステンシーは低くなるため、膨潤性ベントナイトの絶対量を比較的多くして、ブリーディングや骨材分離を防止する必要がある。膨潤性ベントナイトの絶対量は、水やセメント比に対するセメントベントナイトスラリ１ｍ3当りのＢ／（Ｗ／Ｃ）の値が１５ｋｇ／ｍ 3 〜２５ｋｇ／ｍ 3 程度に収まるように調整する。
例えば、水セメント比が小さい場合にはセメント量が相対的に多く、単位水量が相対的に少なく、コンシステンシーは高くなるため、膨潤性ベントナイトの絶対量は比較的少なくできる。逆に、水セメント比が大きい場合には単位水量が相対的に多く、セメント量が相対的に少なく、コンシステンシーは低くなるため、膨潤性ベントナイトの絶対量を比較的多くして、ブリーディングや骨材分離を防止する必要がある。膨潤性ベントナイトの絶対量は、水やセメント比に対するセメントベントナイトスラリ１ｍ3当りのＢ／（Ｗ／Ｃ）の値が１５ｋｇ／ｍ 3 〜２５ｋｇ／ｍ 3 程度に収まるように調整する。
また前記コンクリートガラは、既存コンクリート構造物を解体したときに生じるコンクリートの塊を所定粒径以下、好ましくは粒径４０ｍｍ以下まで砕いたものを使用する。コンクリートガラは粒度分布が未調整のものを使用すれば良く、例えば、細粒分、細骨材分、粗骨材分等が含まれたものであっても使用可能である。
さらに、本発明では、少なくともコンクリートガラと、水と、膨潤性ベントナイトと、セメントとを含むセメント混合物の材料の配合を決定するため、〔1〕準備工程と〔2〕実施配合の決定工程とを含むセメント混合物の製造方法を提供する。
〔1〕準備工程では、前記セメント混合物を複数の配合で予め生成し、セメント混合物により試験体を形成し、各試験体に対して所定材令で圧縮強度試験を実施し、圧縮強度と水セメント比の関係を求める。ここで、前記セメント混合物は、コンクリートガラの混入率を複数の所定値に定め、水セメント比を複数通りに設定し、当該各水セメント比に対する膨潤性ベントナイトの混入率が所定の一定値になるように複数の配合で予め生成し、これにより試験体を形成する。また圧縮強度と水セメント比の関係は、グラフ又は数式により求めることが好ましい。
〔2〕実施配合の決定工程では、セメント混合物を使用する箇所に応じて目標とする圧縮強度を任意に決定する設定工程と、準備工程で予め求めた圧縮強度と水セメント比の関係（グラフ又は数式等）を使用し、設定工程で任意に定めた目標圧縮強度から水セメント比を求める工程と、この求められた水セメント比に対して膨潤性ベントナイトの混合率が前記所定の一定値になるように膨潤性ベントナイト量を決定する工程とが含まれる。
〔1〕準備工程では、前記セメント混合物を複数の配合で予め生成し、セメント混合物により試験体を形成し、各試験体に対して所定材令で圧縮強度試験を実施し、圧縮強度と水セメント比の関係を求める。ここで、前記セメント混合物は、コンクリートガラの混入率を複数の所定値に定め、水セメント比を複数通りに設定し、当該各水セメント比に対する膨潤性ベントナイトの混入率が所定の一定値になるように複数の配合で予め生成し、これにより試験体を形成する。また圧縮強度と水セメント比の関係は、グラフ又は数式により求めることが好ましい。
〔2〕実施配合の決定工程では、セメント混合物を使用する箇所に応じて目標とする圧縮強度を任意に決定する設定工程と、準備工程で予め求めた圧縮強度と水セメント比の関係（グラフ又は数式等）を使用し、設定工程で任意に定めた目標圧縮強度から水セメント比を求める工程と、この求められた水セメント比に対して膨潤性ベントナイトの混合率が前記所定の一定値になるように膨潤性ベントナイト量を決定する工程とが含まれる。
本発明のセメント混合物は、膨潤性ベントナイトが水により膨潤し、水に接触したセメントが示すアルカリ性により膨潤性ベントナイトがゲル化して粘性が増加する。これにより、本発明のセメント混合物における膨潤性ベントナイトは、流動化処理工法の調整泥水に混合される土のように多量に混入しなくても、良好な流動性の確保が可能になる。つまり、比較的少ない膨潤性ベントナイトを混入するだけで、ブリーディングや骨材分離を防止できて、所要のワーカビリティーを得ることが可能になる。そして、膨潤性ベントナイトは比較的少ない量を混入すれば良いものであるため、セメント混合物におけるコンクリートガラの混入率は、例えば、６０〜７０％程度まで比較的高くすることが可能になる。このコンクリートガラの混入率は、流動化処理工法におけるコンクリートガラの混入率と比較すると、１０〜２０％程度高いものである。
本発明のセメント混合物は、流動化処理工法のように土を混入させるものではないため、固化したときの圧縮強度をばらつきの無い安定したものにできる。固化したときの圧縮強度は、水セメント比を調整することで所要の強度を確保できる。
本発明のセメント混合物は、固化したときの圧縮強度とヤング率との間に明らかな相関関係があるため、このセメント混合物を構造物基礎の支持地盤を構築するために使用したり、または構造物基礎に関わる埋め戻し材料として使用したりすれば、構造物の荷重が載荷した時の構造物基礎の沈下量を比較的正確に推定することが可能になる。
アジテータから直取り打設する方法、ポンプ打設する方法など、打設方法によって必要とされる流動性は異なるものであるが、本発明のセメント混合物の製造方法では、水セメント比に応じてベントナイト量やコンクリートガラの混入率を調整することで、必要な流動性を比較的容易に確保することが可能になった。
以下、本発明の実施の形態を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
本発明のセメント混合物は、少なくともコンクリートガラと、水と、膨潤性ベントナイトと、セメントとを含むものである。
本発明のセメント混合物は、固化したときの圧縮強度が3.0〜15.0Ｎ／ｍｍ2程度のものである。この圧縮強度は、通常のコンクリートよりも比較的小さく、したがって、本発明のセメント混合物は、躯体などの構造物本体を構築するために使用されるものではなく、構造物の基礎に関わる支持地盤等を構築するために使用されるものである。つまり、本発明のセメント混合物は、大きな圧縮強度が要求されない用途、例えば、既存地下躯体と新たな構造物の地下躯体との隙間に充填されたり、新たな構造物の地下外壁の周りを埋めたり、地盤支持層と新たな構造物基礎との間を埋めるといった用途で使用される。
本発明のセメント混合物は、固化したときの圧縮強度が3.0〜15.0Ｎ／ｍｍ2程度のものである。この圧縮強度は、通常のコンクリートよりも比較的小さく、したがって、本発明のセメント混合物は、躯体などの構造物本体を構築するために使用されるものではなく、構造物の基礎に関わる支持地盤等を構築するために使用されるものである。つまり、本発明のセメント混合物は、大きな圧縮強度が要求されない用途、例えば、既存地下躯体と新たな構造物の地下躯体との隙間に充填されたり、新たな構造物の地下外壁の周りを埋めたり、地盤支持層と新たな構造物基礎との間を埋めるといった用途で使用される。
本発明のセメント混合物は、最初に、膨潤性ベントナイトを水と混合して膨潤させ、次に、セメントを混合してセメントベントナイトスラリを生成し、このセメントベントナイトスラリとコンクリートガラとを混合することにより製造される。
以下に、本発明のセメント混合物の配合設計例について説明する。
セメント混合物１ｍ3あたりの配合は、下記の表１のセメントベントナイトスラリ１ｍ3あたりの配合と、コンクリートガラの混入率とから案分して求めることができる。
例えば、セメント混合物を１ｍ3製造する場合、コンクリートガラ混入率が６０％であれば、表１の各材料の配合に0.4を掛ければ良く、またコンクリートガラ混入率が７０％であれば、表１の各材料の配合に0.3を掛ければ良い。コンクリートガラ混入率は、表乾状態（飽和１００％）のコンクリートガラのセメント混合物に対する実容積比率である。
セメント混合物１ｍ3あたりの配合は、下記の表１のセメントベントナイトスラリ１ｍ3あたりの配合と、コンクリートガラの混入率とから案分して求めることができる。
例えば、セメント混合物を１ｍ3製造する場合、コンクリートガラ混入率が６０％であれば、表１の各材料の配合に0.4を掛ければ良く、またコンクリートガラ混入率が７０％であれば、表１の各材料の配合に0.3を掛ければ良い。コンクリートガラ混入率は、表乾状態（飽和１００％）のコンクリートガラのセメント混合物に対する実容積比率である。
表１の配合設計例において、膨潤性ベントナイトは株式会社ホージュンのスーパークレイ（登録商標）を使用した。この膨潤性ベントナイトは、交換性陽イオンとしてＮａを層間にもつモンモリロナイトを主な鉱物として含み、産出地がワイオミング、膨潤度が８以上のものである。セメントは高炉Ｂ種のものを使用した。コンクリートガラは、既存コンクリート構造物を解体したとき等に生じるコンクリート固化体を最大粒径４０ｍｍ以下まで砕いた粒度分布未調整のものを使用した。
表１における圧縮強度の値は、各配合のセメントベントナイトスラリに、コンクリートガラを混入率６０％〜７０％で混合したセメント混合物の材令４週間の圧縮強度である。表１の配合により形成した試験体では圧縮強度が３.０〜１５.０Ｎ／ｍｍ2程度を示し、（Ｗ／Ｃ）が大きくなれば、圧縮強度は小さくなり、（Ｗ／Ｃ）が小さくなれば、圧縮強度は大きくなる傾向がある。
表１における圧縮強度の値は、各配合のセメントベントナイトスラリに、コンクリートガラを混入率６０％〜７０％で混合したセメント混合物の材令４週間の圧縮強度である。表１の配合により形成した試験体では圧縮強度が３.０〜１５.０Ｎ／ｍｍ2程度を示し、（Ｗ／Ｃ）が大きくなれば、圧縮強度は小さくなり、（Ｗ／Ｃ）が小さくなれば、圧縮強度は大きくなる傾向がある。
次に、本発明のセメント混合物の製造方法において、材料配合を決定する方法について説明する。最初に、〔1〕準備工程を行い、次に、〔2〕実施配合の決定工程を行って材料の配合を決定する
〔1〕準備工程
セメント混合物を複数の配合で予め生成し、この複数のセメント混合物により試験体を形成し、各試験体に対して材令４週間で圧縮強度試験を実施し、各試験体の圧縮強度と水セメント比とから、図１に示したようなグラフを予め作成した。図１のグラフにおいて、Ｇ６０％及びＧ７０％は、コンクリートガラの混入率（セメント混合物に対する実容積比率）を示している。
ここで、各試験体の配合は、コンクリートガラの混入率が６０％及び７０％、水セメント比を複数通りに設定し、各水セメント比に対する膨潤性ベントナイトの混入率Ｂ／（Ｗ／Ｃ）を所定の一定値１９.５ｋｇ／ｍ 3 に設定した。
図１から、コンクリートガラ混入率が６０％と７０％とでは、材令４週間の試験体の圧縮強度にほとんど差が無く、コンクリートガラ混入率はワーカビリティ（流動性）を考慮して任意に決定可能である。
〔1〕準備工程
セメント混合物を複数の配合で予め生成し、この複数のセメント混合物により試験体を形成し、各試験体に対して材令４週間で圧縮強度試験を実施し、各試験体の圧縮強度と水セメント比とから、図１に示したようなグラフを予め作成した。図１のグラフにおいて、Ｇ６０％及びＧ７０％は、コンクリートガラの混入率（セメント混合物に対する実容積比率）を示している。
ここで、各試験体の配合は、コンクリートガラの混入率が６０％及び７０％、水セメント比を複数通りに設定し、各水セメント比に対する膨潤性ベントナイトの混入率Ｂ／（Ｗ／Ｃ）を所定の一定値１９.５ｋｇ／ｍ 3 に設定した。
図１から、コンクリートガラ混入率が６０％と７０％とでは、材令４週間の試験体の圧縮強度にほとんど差が無く、コンクリートガラ混入率はワーカビリティ（流動性）を考慮して任意に決定可能である。
〔2〕実施配合の決定工程
次に、本発明のセメント混合物の用途に応じて目標とする圧縮強度を任意に決定する。例えば、建物の基礎とするべく地盤を埋め戻す場合には、建物の接地圧に安全率を掛けて目標圧縮強度とする。
次に、この任意に決定した目標圧縮強度を図１のグラフに代入し、水セメント比（Ｗ／Ｃ）を求める。この求められた水セメント比に対して膨潤性ベントナイトの混合率が前記所定の一定値になるように膨潤性ベントナイト量を決定する。
すなわち、膨潤性ベントナイトの（Ｗ／Ｃ）に対する混合率は、例えば、表１の式から、Ｂ＝（Ｗ／Ｃ）×１９.５が得られ、この式に水セメント比（Ｗ／Ｃ）を代入すれば、セメントベントナイトスラリ１ｍ3あたりの膨潤性ベントナイトの混入量が得られる。さらに、水セメント比（Ｗ／Ｃ）とセメント比重から、セメントベントナイトスラリ１ｍ3あたりの水重量とセメント重量が求められる。
以上のようにして求めた膨潤性ベントナイト、水、セメントの配合により、セメント混合物を１ｍ3製造するためには、コンクリートガラ混入率が６０％であれば、上記配合に0.4を掛ければ良く、またコンクリートガラ混入率が７０％であれば、上記配合に0.3を掛ければ良い。
次に、本発明のセメント混合物の用途に応じて目標とする圧縮強度を任意に決定する。例えば、建物の基礎とするべく地盤を埋め戻す場合には、建物の接地圧に安全率を掛けて目標圧縮強度とする。
次に、この任意に決定した目標圧縮強度を図１のグラフに代入し、水セメント比（Ｗ／Ｃ）を求める。この求められた水セメント比に対して膨潤性ベントナイトの混合率が前記所定の一定値になるように膨潤性ベントナイト量を決定する。
すなわち、膨潤性ベントナイトの（Ｗ／Ｃ）に対する混合率は、例えば、表１の式から、Ｂ＝（Ｗ／Ｃ）×１９.５が得られ、この式に水セメント比（Ｗ／Ｃ）を代入すれば、セメントベントナイトスラリ１ｍ3あたりの膨潤性ベントナイトの混入量が得られる。さらに、水セメント比（Ｗ／Ｃ）とセメント比重から、セメントベントナイトスラリ１ｍ3あたりの水重量とセメント重量が求められる。
以上のようにして求めた膨潤性ベントナイト、水、セメントの配合により、セメント混合物を１ｍ3製造するためには、コンクリートガラ混入率が６０％であれば、上記配合に0.4を掛ければ良く、またコンクリートガラ混入率が７０％であれば、上記配合に0.3を掛ければ良い。
次に、図２及び図３は、本発明のセメント混合物の生成後の経過時間とスランプの関係を示したグラフである。詳細には、図２は、上記の表１の配合のセメントベントナイトスラリに対し、コンクリートガラを混入率６０％で混合して生成したセメント混合物のスランプ試験結果であり、図３は、同様にコンクリートガラ混入率７０％で混合して生成したセメント混合物のスランプ試験結果である。ここで、ガラ率はコンクリートガラ混入率を意味し、Ｗ／Ｃは水セメント比を意味し、、Ｂ／Ｗはベントナイト水比を意味している。
図２では、Ｗ／Ｃに応じてベントナイト量を調整することで同程度のスランプが得られた。また、図３では、ガラ混入率７０％において、吸水によりスランプが大きくなるが、打設方法によって硬練り条件となる場合、適用することができる。
図２では、Ｗ／Ｃに応じてベントナイト量を調整することで同程度のスランプが得られた。また、図３では、ガラ混入率７０％において、吸水によりスランプが大きくなるが、打設方法によって硬練り条件となる場合、適用することができる。
さらに、図４は、圧縮強度試験を実施して図１のグラフを求めたときに測定したヤング率と、圧縮強度との関係を示したグラフである。
図４では、圧縮強度とヤング率とに強い相関関係があり、ガラ混入率が大きいほうがヤング率も大きくなる傾向が認められる。
図４では、圧縮強度とヤング率とに強い相関関係があり、ガラ混入率が大きいほうがヤング率も大きくなる傾向が認められる。
Claims (2)
- 少なくともコンクリートガラと、水と、膨潤性ベントナイトと、セメントとを含み、これらセメント混合物に対する前記コンクリートガラの混入率を実容積比で６０〜７０％の範囲とすることを特徴とするセメント混合物。
- 少なくともコンクリートガラと、水と、膨潤性ベントナイトと、セメントとを含むセメント混合物の各材料の配合を決定するための準備工程と実施配合の決定工程とを含むセメント混合物の製造方法であって、
前記準備工程では、コンクリートガラと、水と、膨潤性ベントナイトと、セメントを含むセメント混合物に対する前記コンクリートガラの混入率を実容積比で６０〜７０％の範囲に定め、水セメント比を６０〜１８０％の範囲で複数通りに設定し、当該各水セメント比に対する、前記セメントの混合物１ｍ 3 あたりの膨潤性ベントナイトの混合量の比率が１５〜２５ｋｇ／ｍ 3 の範囲内の一定値になるように、複数の配合で前記セメント混合物を予め生成し、当該複数の配合のセメント混合物により試験体を形成し、各試験体に対して圧縮強度試験を実施し、圧縮強度と水セメント比の関係を求め、
次いで、前記実施配合の決定工程では、セメント混合物を使用する箇所に応じて目標とする圧縮強度を定め、前記準備工程で予め求めた圧縮強度と水セメント比の関係を使用し、前記目標圧縮強度から水セメント比を求め、この求められた水セメント比に対して、前記セメントの混合物１ｍ 3 あたりの膨潤性ベントナイトの混合量の比率が、前記範囲内の一定値になるように膨潤性ベントナイト量を決定することを特徴とするセメント混合物の製造方法。
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