JP6205843B2

JP6205843B2 - 高強度セメントペースト組成物及び高強度セメントペースト硬化体の製造方法

Info

Publication number: JP6205843B2
Application number: JP2013110310A
Authority: JP
Inventors: 宏和桐山; 喜英佐藤; 浩司玉滝
Original assignee: Ube Industries Ltd
Current assignee: Ube Corp
Priority date: 2013-05-24
Filing date: 2013-05-24
Publication date: 2017-10-04
Anticipated expiration: 2033-05-24
Also published as: JP2014227330A

Description

本発明は、高強度セメントペースト組成物及び高強度セメントペースト硬化体の製造方法に関する。

近年、構造部材の軽量化、鉄筋使用量の削減などの要求に伴い、２００Ｎ／ｍｍ^２程度の圧縮強度が得られるような超高強度材料が提案されている。これらの材料では、セメント、ポゾラン質微粉末、骨材及び高性能減水剤が使用されており、熱養生によって超高強度化が図られている。また、これらに金属繊維や有機繊維を添加することによって、高いじん性やひび割れ抑制機能を付与することが提案されている（特許文献１〜３参照）。
例えば、上記の材料よりもさらに圧縮強度の高い材料が得られれば、柱部材の受け持つ荷重をさらに増大することができるため、構造物における柱の数を減らすことができ、その結果、構造物の居住空間をさらに広げられるとともに、設計や意匠性の自由度がさらに高まることが考えられる。

セメント組成物の高強度化を図る場合、その水／結合材比をより小さくする方法が一般的に執られるが、結合材の化学反応をより促進するために、蒸気養生などの加熱養生がとられることがある。また、更なる高強度化のため、セメントペースト中の空隙を極力小さくする目的で、遠心成型や加圧成型が行われることもある。また、これらの方法を組み合わせた、オートクレーブ養生やヒートプレス養生をすることで、さらに高い圧縮強度が得られることが分かっている。

特開２００１−１８１００４号公報特開２００６−２９８６７９号公報特開２００７−１２６３１７号公報

しかしながら、これらの製造方法は、大掛かりな設備が必要であるため、容易に実施できるものではない。
そこで、本発明は、従来の技術にくらべて、大掛かりかつ特殊な製造設備を必要とせず、より高強度である高強度セメントペースト組成物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結果、セメントと、シリカフューム、減水剤及び消泡剤と組み合わせ、さらに、微小な金属粉末をモルタルに混入することと、１００℃までの加熱養生を組み合わせることによって、高強度化が実現できることを見出し、本発明に至った。

すなわち、本発明は、セメントと、シリカフュームと、水と、減水剤と、消泡剤と、金属微粉末とを含む高強度セメントペースト組成物であって、セメントは、Ｃ_３Ｓを１０．０質量％〜４０．０質量％及びＣ_３Ｓを４０．０質量％〜７０．０質量％含有する高強度セメントペースト組成物を提供する。このような高強度セメントペースト組成物は、従来にない、非常に高い圧縮強度を発現することができる。
また、本発明は前記高強度セメントペースト組成物を、２０〜６０℃の水中で１日間〜７日間養生を行う一次養生工程と、８０℃〜２００℃の水中または気中で５日間〜２１日間養生を行う二次養生工程とを含む、高強度セメントペースト硬化体の製造方法を提供する。このような高強度セメントペースト組成物の製造方法によれば、従来にない、非常に高い圧縮強度を有す高強度セメントペースト組成物を製造することができる。

本発明によれば、特殊な養生方法をとらなくとも、高い圧縮強度を持つ高強度セメントペースト組成物を提供することができる。

以下、本発明に係る高強度セメントペースト組成物及びモルタル組成物の好適な実施形態について説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

（高強度セメントペースト組成物）
本実施形態の高強度セメントペースト組成物は、セメントと、シリカフュームと、水と、減水剤と、消泡剤と、金属微粉末とを含むものである。

セメントの鉱物組成は、Ｃ_３Ｓ量が１０．０〜４０．０質量％、Ｃ_２Ｓ量が４０．０〜７０．０質量％、Ｃ_３Ａ量が５．０質量％以下、Ｃ_４ＡＦ量が５．０〜１５．０質量％である。Ｃ_３Ｓ量は、好ましくは１５．０〜３５．０質量％、より好ましくは１８．０〜３２．０質量％であり、更に好ましくは２０．０〜３０．０質量％である。Ｃ_３Ｓ量が１０．０質量％未満では圧縮強度が低くなる傾向があり、４０．０質量％を超えると加熱養生後の圧縮強度が低くなる傾向がある。Ｃ_２Ｓ量は、好ましくは４０．０〜６５．０質量％、より好ましくは４３．０〜６２．０質量％であり、更に好ましくは４５．０〜６０．０質量％である。Ｃ_２Ｓ量が４０．０質量％未満では、特に加熱養生後の圧縮強度が低くなる傾向がある。Ｃ_３Ａ量は好ましくは５．０質量％以下であり、より好ましくは４．５質量％以下であり、更に好ましくは４．０質量％以下である。Ｃ_３Ａ量が５．０％を超えると、十分な流動性が悪くなる。Ｃ_４ＡＦ量は、好ましくは１１．０質量％、より好ましくは１０．７質量％であり、更に好ましくは１０．５質量％である。以上の範囲であれば、高い圧縮強度及び高い流動性を十分に確保出来る。

セメントのブレーン比表面積は、好ましくは２５００〜４８００ｃｍ^２／ｇ、より好ましくは２８００〜４５００ｃｍ^２／ｇ、更に好ましくは３０００〜４２００ｃｍ^２／ｇであり、特に好ましくは３２００〜３９００ｃｍ^２／ｇである。セメントのブレーン比表面積が２５００ｃｍ^２／ｇ未満では高強度セメントペースト組成物の強度が低くなる傾向があり、４８００ｃｍ^２／ｇを超えると低水セメント比での流動性が低下する傾向にある。

本実施形態に係るセメントの製造にあたっては、通常のセメントと特に異なる操作を行う必要はない。上記セメントは、石灰石、珪石、スラグ、石炭灰、建設発生土、高炉ダスト等の原料の調合を目標とする鉱物組成に応じて変え、実機キルンで焼成した後、得られたクリンカーに石膏を加えて所定の粒度に粉砕することによって製造することができる。焼成するキルンには、一般的なＮＳＰキルンやＳＰキルン等を使用することができ、粉砕には一般的なボールミル等の粉砕機が使用可能である。また、必要に応じて、２種以上のセメントを混合することもできる。

シリカフュームは、金属シリコン、フェロシリコン、電融ジルコニア等を製造する際に発生する排ガス中のダストを集塵して得られる副産物であり、主成分は、アルカリ溶液中で溶解する非晶質のＳｉＯ_２である。シリカフュームの平均粒子径は、好ましくは０．０５〜２．０μｍ、より好ましくは０．１０〜１．５μｍ、更に好ましくは０．１８〜０．２８μｍ、特に好ましくは０．２０〜０．２８μｍである。このようなシリカフュームを用いることで、高強度セメントペースト組成物の高い圧縮強度及び高い流動性を確保しやすくなる。

本実施形態の高強度セメントペースト組成物において、セメント及びシリカフュームの合計量を基準として、シリカフュームを、好ましくは５〜３５質量％、より好ましくは７〜３０質量％、更に好ましくは８〜２７質量％、特に好ましくは９〜２３質量％含む。以上の範囲であれば、高い圧縮強度及び高い流動性を十分に確保出来る。

減水剤としては、リグニン系、ナフタレンスルホン酸系、アミノスルホン酸系、ポリカルボン酸系の減水剤、高性能減水剤、高性能ＡＥ減水剤等を使用することができる。低水セメント比での流動性確保の観点から、減水剤として、ポリカルボン酸系の減水剤、高性能減水剤又は高性能ＡＥ減水剤を用いることが好ましく、ポリカルボン酸系の高性能減水剤を用いることがより好ましい。本実施形態に係る高強度セメントペースト組成物は、セメントとシリカフュームの合量１００質量部に対して、減水剤を好ましくは１．０〜６．０質量部、より好ましくは１．５〜５．０質量部、更に好ましくは１．８〜４．５質量部、特に好ましくは２．２〜４．０質量部含む。以上の範囲であれば、高い圧縮強度及び高い流動性を十分に確保出来る。

また、セメントとシリカフュームの合量１００質量部に対して、水を好ましくは９〜２０質量部、より好ましくは９．５〜１８質量部、更に好ましくは１０．０〜１６質量部、特に好ましくは１０．５〜１４．０質量部含む。以上の範囲であれば、高い圧縮強度及び高い流動性を十分に確保出来る。

消泡剤としては、特殊非イオン配合型界面活性剤、ポリアルキレン誘導体、疎水性シリカ、ポリエーテル系等が挙げられる。この場合、セメントとシリカフュームの合量１００質量部に対して、消泡剤を好ましくは０．０１〜２．０質量部、より好ましくは０．１〜１．０質量部、更に好ましくは０．２〜０．５質量部含む。以上の範囲であれば、高い圧縮強度及び高い流動性を十分に確保出来る。

金属微粉末は、スチールウール及び／又は鉄粉等を使用することができる。
金属微粉末の形状は、直径が好ましくは５μｍ〜５００μｍ、より好ましくは１０μｍ〜４２０μｍ、更に好ましくは１５μｍ〜４００μｍ、特に好ましくは２０μｍ〜３８０μｍである。長さは好ましくは５μｍ〜５．０ｍｍ、より好ましくは２０μｍ〜４．０ｍｍ、更に好ましくは３０μｍ〜３．８ｍｍ、特に好ましくは５０μｍ〜３．５ｍｍである。以上の範囲であれば、高い圧縮強度及び高い流動性を十分に確保出来る。

（高強度セメントペースト硬化体の製造方法）
本実施形態の高強度セメントペースト硬化体の製造方法は、上記高強度セメントペースト組成物を、２０〜６０℃の水中で１日間〜７日間養生を行う一次養生工程と、８０℃〜２００℃の水中または気中で５日間〜２１日間養生を行う二次養生工程とを含む。
一次養生工程は、好ましくは２３〜５５℃、より好ましくは２５〜５０℃、更に好ましくは２８〜４８℃、特に好ましくは３０〜４５℃の水中で、好ましくは１〜７日間、より好ましくは１．５〜６日間、更に好ましくは１．８〜５日間、特に好ましくは２．０〜４．５日間養生を行う。以上の範囲であれば、高い圧縮強度及び高い流動性を十分に確保出来る。

二次養生工程は、好ましくは８０〜２００℃、より好ましくは８３〜１９０℃、更に好ましくは８５〜１８５℃、特に好ましくは９０〜１８０℃の水中または気中で、好ましくは５〜２１日間、より好ましくは５〜１９日間、更に好ましくは６〜１７日間、特に好ましくは７〜１５日間養生を行う。水中の場合、温水、気中の場合、蒸気養生装置、オートクレーブ、乾燥機などが使用出来る。以上の範囲であれば、高い圧縮強度及び高い流動性を十分に確保出来る。

本実施形態の高強度セメントペースト硬化体の製造方法は、上記高強度セメントペースト組成物を、２０〜６０℃の水中で１日間〜７日間養生を行う一次養生工程と、８０℃〜１００℃の水中で５日間〜２１日間養生を行う二次養生工程と、８０℃〜２００℃の気中で５日間〜２１日間養生を行う三次養生工程で行っても良い。
一次養生工程は、好ましくは２３〜５５℃、より好ましくは２５〜５０℃、更に好ましくは２８〜４８℃、特に好ましくは３０〜４５℃の水中で、好ましくは１〜７日間、より好ましくは１．５〜６日間、更に好ましくは１．８〜５日間、特に好ましくは２．０〜４．５日間養生を行う。以上の範囲であれば、高い圧縮強度及び高い流動性を十分に確保出来る。

二次養生工程は、好ましくは８０〜１００℃、より好ましくは８３〜９９℃、更に好ましくは８５〜９９℃、特に好ましくは９０〜９８℃の水中で、好ましくは５〜２１日間、より好ましくは５〜１９日間、更に好ましくは６〜１７日間、特に好ましくは７〜１５日間養生を行う。
三次養生工程は、好ましくは８０〜２００℃、より好ましくは８３〜１９０℃、更に好ましくは８５〜１８５℃、特に好ましくは９０〜１８０℃の気中で、好ましくは５〜２１日間、より好ましくは５〜１９日間、更に好ましくは６〜１７日間、特に好ましくは７〜１５日間養生を行う。
水中の場合、温水、気中の場合、蒸気養生装置、オートクレーブ、乾燥機などが使用出来る。三次養生工程では、水中よりも気中養生の方が、強度増進の観点からより好ましい。以上の範囲であれば、高い圧縮強度及び高い流動性を十分に確保出来る。

以下、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、本発明は下記実施例に限定されるものではない。

［使用材料の準備］
実施例及び比較例のモルタル組成物を作製するために、以下に示す材料を準備した。

（１）セメント：低熱ポルトランドセメント
使用したセメントの化学成分を、ＪＩＳＲ５２０２−２０１０「セメントの化学分析方法」にしたがい測定し、鉱物組成を下記のボーグ式により算出した。得られたセメントの鉱物組成を表１に示す。

Ｃ_３Ｓ量＝（４．０７×ＣａＯ）−（７．６０×ＳｉＯ_２）−（６．７２×Ａｌ_２Ｏ_３）−（１．４３×Ｆｅ_２Ｏ_３）−（２．８５×ＳＯ_３）
Ｃ_２Ｓ量＝（２．８７×ＳｉＯ_２）−（０．７５４×Ｃ_３Ｓ）
Ｃ_３Ａ量＝（２．６５×Ａｌ_２Ｏ_３）−（１．６９×Ｆｅ_２Ｏ_３）
Ｃ_４ＡＦ量＝３．０４×Ｆｅ_２Ｏ_３

（２）シリカフューム
シリカフュームの平均粒子径は、レーザー回折／散乱式粒子径分布測定装置（堀場製作所製、商品名「ＬＡ−９５０Ｖ２」）を用いて測定した粒子径分布より、粒子径−通過分積算％曲線を算出し、粒子径−通過分積算％曲線より通過分積算が５０体積％となる粒子径を求めた。試料分散媒は０．２％ヘキサメタリン酸ナトリウム水溶液を用い、測定前に出力６００Ｗのホモジナイザーにて１０分間分散処理した。粒度分布の演算はＭｉｅ散乱理論に従った。粒子屈折率は１．４５−０．００ｉ、溶媒屈折率は１．３３３とした。各粒度の通過分積算（体積％）を表２に示す。

（３）減水剤：ポリカルボン酸系高性能減水剤（固形分濃度２５質量％）
（４）消泡剤：特殊非イオン配合型界面活性剤
（５）金属微紛末
（ｉ）カットスチールウール：日本スチールウール社製、直径２０〜３０μｍ、長さ０．１〜３ｍｍ、密度７．８５ｇ／ｃｍ^３
（ ii ）鉄粉：ＪＦＥスチール社製、ＪＩＰ−３００Ｒ、平均粒径９１．１μｍ
鉄粉の平均粒子径は、レーザー回折／散乱式粒子径分布測定装置（島津製作所製、商品名「ＳＡＬＤ−２２００」）を用いて測定した粒子径分布より、粒子径−通過分積算％曲線を算出し、粒子径−通過分積算％曲線より通過分積算が５０体積％となる粒子径を求めた。粒度分布の演算はＭｉｅ散乱理論に従った。粒子屈折率は４．００−０．００ｉ、溶媒屈折率は１．３３３とした。各粒度の通過分積算（体積％）を表３に示す。
（６）練混ぜ水（Ｗ）：上水道水

［高強度セメントペースト組成物の作製］
高強度セメントペースト組成物の作製を、表４の配合組成に基づき、以下の通りに行った。

セメント、シリカフューム、消泡剤をモルタルミキサに加え、減水剤を含む練混ぜ水をミキサ内に投入して１０分間撹拌し、モルタル組成物を作製した。なお、実施例１〜６では、金属微紛末を更に投入して、高強度セメントペースト組成物を作製した。

［養生方法］
練り混ぜた高強度セメントペースト組成物は、型枠に充填後、３日程度で脱型し、４０℃の水中で３日の一次養生の工程を実施した。その後、二次養生として、９８℃の温水中で７日間養生し、その後、さらに７日間水中養生を続ける方法と、７日間、９８℃の乾燥機で乾燥させる方法の二通りの方法を実施した。これらの養生を行い、高強度セメントペースト硬化体を作製した。

［高強度セメントペースト組成物の評価］
（１）フレッシュ性状
（試験方法）
比較例１および実施例１〜６の配合で作製した高強度セメントペースト組成物を用いて、フロー値を測定した。フロー値は、ＪＩＳＲ５２０１−１９９７「セメントの物理試験方法」に準じ、落下無しの条件で測定した。

（２）強度試験
ＪＩＳＡ１１３２−２００６「コンクリートの強度試験用供試体の作り方」に準じて５ｃｍ×１０ｃｍの円柱供試体を作製し、ＪＩＳＡ１１０８−２００６「コンクリートの圧縮強度試験方法」に準じて高強度セメントペースト硬化体の圧縮強度試験を実施した。

（評価結果）
表５に、フロー値および圧縮強度試験結果を示す。

比較例１で、金属微粉末を使用しない場合には、二次養生期間１４日の時点で、３１６Ｎ／ｍｍ^２となった。
実施例１〜３のようにスチールウールを２〜４体積％混入することによって、７日強度が４０〜６０Ｎ／ｍｍ^２程度、１４日強度が３０〜６０Ｎ／ｍｍ^２程度増大し７日、１４日ともに３４０Ｎ／ｍｍ^２以上の高い圧縮強度が得られた。また、セメントペーストの流動性もスチールウールを混入しない場合に比べ向上した。
実施例４および５のように、鉄粉を使用した場合、スチールウールを使用するよりも、セメントペーストの流動性が増大した。また、添加率が２体積％の場合、スチールウールと同等の圧縮強度がえられた。
実施例６に示すように、二次養生の水中養生後に三次養生の気中養生を施したものは、気中養生期間中における圧縮強度の増進が、温水養生にくらべて増大し、３８０Ｎ／ｍｍ２以上の非常に高い圧縮強度が得られた。セメントの養生は、一般的に水中で十分に水和させることが重要とされているが、実施例６の結果からは、寧ろ、ある程度水中養生した後は気中養生した方が良いことが示唆されている。シリカフュームを低水セメント比で使用したセメントペーストの場合、湿潤環境下でシリカフュームのポゾラン反応をある程度促進した後は，気中のように余剰の水分がより移動しやすい環境下で加熱することでより緻密な硬化体が得られると推察される。

Claims

セメントと、シリカフュームと、水と、減水剤と、消泡剤と、スチールウール及び／又は鉄粉とを含む高強度セメントペースト組成物であって、
前記セメントは、Ｃ_３Ｓを１０．０質量％〜４０．０質量％及びＣ_２Ｓを４０．０質量％〜７０．０質量％含有し、
前記スチールウール及び／又は前記鉄粉を前記高強度セメントペースト組成物に対して２．０体積％〜５．０体積％含有し、
前記スチールウールは、直径が５μｍ〜５００μｍ及び長さが５μｍ〜３．８ｍｍであり、
４０℃の水中で３日間養生を行う一次養生、９８℃の水中で７日間養生を行う二次養生、及び、９８℃の乾燥機で７日間乾燥を行う三次養生によって作製される、前記高強度セメントペースト組成物のセメントペースト硬化体の圧縮強度が３４０Ｎ／ｍｍ ^２以上であることを特徴とする高強度セメントペースト組成物。
前記シリカフュームの平均粒子径が０．０５μｍ〜２．０μｍである、請求項１に記載の高強度セメントペースト組成物。
前記シリカフュームの平均粒子径が０．０５μｍ〜０．２８μｍである、請求項１又は２に記載の高強度セメントペースト組成物。
前記セメントと前記シリカフュームの合計量１００質量部に対して、前記シリカフュームを５質量％〜３５質量％含む、請求項１〜３の何れか１項に記載の高強度セメントペースト組成物。
前記セメントと前記シリカフュームの合計量１００質量部に対して、水を９質量部〜２０質量部及び減水剤を１．０質量部〜６．０質量部含む、請求項１〜４の何れか１項に記載の高強度セメントペースト組成物。
請求項１〜５の何れか１項に記載の高強度セメントペースト組成物を、２０〜６０℃の水中で１日間〜７日間養生を行う一次養生工程と、８０℃〜２００℃の水中または気中で５日間〜２１日間養生を行う二次養生工程とを含む、高強度セメントペースト硬化体の製造方法。
請求項１〜５の何れか１項に記載の高強度セメントペースト組成物を、２０〜６０℃の水中で１日間〜７日間養生を行う一次養生工程と、８０℃〜１００℃の水中で５日間〜２１日間養生を行う二次養生工程と、８０℃〜２００℃の気中で５日間〜２１日間養生を行う三次養生工程とを含む、高強度セメントペースト硬化体の製造方法。