JP6621763B2 - コンクリートへのコロイダルシリカの添加 - Google Patents

Description

発明者：マーク ウェザレル、ネバダ州、ヘンダーソン、８９０５２；ティモシー Ｊ．ファネッロ、オハイオ州、マンスフィールド４４９０６；ベンジャミン ウィーゼ、アイダホ州、ボイシ郡、８３７１６
譲受人：共有譲受人として、マルチクイップ社、カリフォルニア州法人、カリフォルニア州、カーソン、及びアリステクノロジーズ社、ワイオミング州有限責任会社
本出願は、２０１４年１月１７日に出願された米国特許仮出願第６１／９２９，０１０号の利益を主張するものであり、その開示内容のうち、本発明の開示内容と矛盾しない部分は、参照により本明細書に組み込まれる。

本開示は、コンクリートの混合の際に、かつ打設の前に、又は代替的には、打設の直後に、コンクリートに対する混和剤として、コロイダルシリカを添加することに関する。

シリカ、ケイ酸塩、及びシリコネートは、発見以来、多くの様々な用途のために広く使用されてきた。それらは、歯磨き粉における研磨材としての使用から、マッチにおける防水材、エンジンブロックにおけるシール剤としての使用に至るまで、あらゆるところで用いられている。シリカは、二酸化ケイ素の慣用名である。シリカは、ポルトランドセメントにおける２つの主要成分のうちの１つである。また、シリカ（ケイ酸粘土形態のもの）は、ポゾランとしても知られ、高温下で石灰岩（炭酸カルシウム）と混合してセメントが製造される。

ポゾランという用語は、イタリアのポッツオーリ（Ｐｏｚｚｕｏｌｉ）という町の名前に由来している。この町は、ベスビオ山の近くにあり、二千年以上前のローマ人たちによって、時折この火山が噴火することによって積もった灰の採掘が行われていた土地である。この灰を２：１の割合で石灰ペースト（２年以上ねかせておいたもの）に添加すると、古代ローマの建造物を建築することが可能であった。ローマ人たちがこのような組成のコンクリートを用いたおかげで、これらの建造物の多くは未だに現存している。

ポゾラン反応とは、ポゾランを含有するポルトランドセメントで起きる化学反応である。ポゾラン反応は、古代ローマで発明され、例えば、パンテオンなどの建築に用いられたローマンコンクリートに関わる主要な反応である。ポゾランは、コンクリートを一体に保持する接着剤である。ポゾランとして分類されるものとして、コロイダルシリカがある。コロイダルシリカは、非晶質、無孔質、かつ典型的には球状のシリカ粒子を液相に懸濁させたものである。コロイダルシリカは、極めて高いポゾラン値を有する。粒径が小さいほど、表面積が増し、ポゾラン値が高くなる。

ポゾラン反応の基本となるのは、ポルトランダイトとしても知られる水酸化カルシウム、即ち（Ｃａ（ＯＨ）_２）と、ケイ酸（Ｈ_４ＳｉＯ_４、又はＳｉ（ＯＨ）_４）との間の単純な酸塩基反応である。化学量論的には、この反応を次のように概略的に表すことができる。
Ｃａ（ＯＨ）_２＋Ｈ_４ＳｉＯ_４→Ｃａ^２＋＋Ｈ_２ＳｉＯ_４ ^２−＋２Ｈ_２Ｏ→ＣａＨ_２ＳｉＯ_４・２Ｈ_２Ｏ
あるいは、セメント分野の化学者の省略表記では次のように簡略化される。
ＣＨ＋ＳＨ→Ｃ−Ｓ−Ｈ

形成された一般式（ＣａＨ_２ＳｉＯ_４・２Ｈ_２Ｏ）の生成物は、ケイ酸カルシウム水和物であり、これは、セメント分野の化学者による表記では、Ｃ−Ｓ−Ｈとも簡略化され、ここで、ハイフンは、変数である化学量を示している。Ｃａ／Ｓｉ（即ちＣ／Ｓ）比、及び水分子の数は変化してもよく、上述の化学量が異なる場合もある。

多くのポゾランがアルミン酸イオン（即ち、Ａｌ（ＯＨ）_４ ⁻）を含有しており、このアルミン酸イオンは、水酸化カルシウム及び水と反応して、Ｃ_４ＡＨ_１３、Ｃ_３ＡＨ_６、即ち、ハイドロガーネットなどのアルミン酸カルシウム水和物を形成したり、又はシリカと組み合わさって、Ｃ_２ＡＳＨ_８、即ち、ストラトリンジャイト（ｓｔｒａｅｔｌｉｎｇｉｔｅ）（セメント分野の化学者による表記では、「Ｃ」は、酸化カルシウム（即ち、石灰（ＣａＯ））を表し、「Ａ」は、酸化アルミニウム（即ち、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３））を表し、「Ｓ」は、二酸化ケイ素（即ち、シリカ（ＳｉＯ_２））を表し、「Ｈ」は、水（Ｈ_２Ｏ）を表す）を形成したりする。硫酸基、炭酸基、又はクロロ基などの陰イオン基の存在下では、ＡＦｍ（アルミナ、酸化鉄（ＩＩＩ）、モノサルフェート）相、及びＡＦｔ（アルミナ、酸化鉄（ＩＩＩ）、トリサルフェート）相、又はエトリンガイト相が形成され得る。ポゾランは、コンクリートを強化したり、シールしたりするだけでなく、混合物に加えた場合には、有利な多くの他の特徴を有している。最も一般的なポゾランは、フライアッシュ、米もみ殻灰、及びシリカフュームである。

フライアッシュ（ＦＡ）及び米もみ殻灰（ＲＨＡ）粒子は、ほぼ完全な球形であるため、ポルトランドセメントとの混合物中にて自由に流動し、調合され得る。これは、球形のＦＡ粒子及びＲＨＡ粒子による「ボールベアリング」効果として知られており、コンクリートが塑性状態にあるときに、潤滑作用を生み出す。

硬化の際、及びその後しばらくの継続期間の間、これらのポゾランと遊離石灰との結合が進行し、経時的にコンクリートの密度及び構造的強度が増加していく。密度の増加と長期的なポゾラン作用により遊離石灰が固定され、ブリーディング経路が減少し、コンクリート構造物の透過性が低下する。

また、高密度なポゾランコンクリートは、外来性の破壊作用のある化合物がコンクリート表面上に留まりやすいようにして、それらの破壊作用を弱める。更に、ポゾランコンクリートは、硫酸塩、弱酸、軟質の（石灰吸収性の）水、及び海水からの攻撃に対してより耐性がある。これらのポゾランにより遊離石灰が固定されない場合、遊離石灰が硫酸イオンと結合して、コンクリートの膨張破壊が引き起こされ得る。また、ポゾランは、白華現象を引き起こす場合がある遊離石灰及び塩と化学結合する。ポゾランにより高密度となったコンクリートでは、白華現象を引き起こす化合物が内部に留められる。

コンクリートの乾燥収縮に最も大きく寄与するのは含水量の減少である。ＦＡ及びＲＨＡの潤滑作用により、水の必要性が減少するため、乾燥収縮も低減される。

フライアッシュは、最も一般的に知られ、かつ使用されている人工ポゾランであり、発電所での微粉炭の燃焼により得られる。フライアッシュのポゾラン活性成分は、非晶質で、ガラス質の球状粒子である。フライアッシュは、平均すると６６〜６８％がガラス質である。

フライアッシュは、典型的には石炭火力発電所で生産されるが、実際のところ、上に列挙した利益をもたらし得る限りは、フライアッシュの採取元は全く問題にならない。残念なことに、ポゾランとしてこの種の灰を使用しようとすることが必ずしも良いとは限らない。例えば、アメリカ合衆国の東海岸産の石炭は、硫黄を含有している傾向があり（この硫黄は、起源に関わらず灰又は灰の粒子中になおも残留している）、また、大き過ぎたり、炭素の含有量が多すぎたりする場合がある。様々な品質の灰を分類するため、石炭由来フライアッシュについては、複数のカテゴリが設けられている。

クラスＦのフライアッシュ（ＡＳＴＭ Ｃ６１８を参照されたい）は、石灰（ポルトランドセメントに加水すると生成される）及びアルカリと容易に反応して、セメント系化合物を形成する。また、これに加え、クラスＣのフライアッシュは、水硬性（自己硬化）特性を示し得る。

ポルトランドセメントと組み合わせ、クラスＣのフライアッシュをセメント置換材として、セメント系材料の質量に対して２０〜３５％の範囲で使用することができる。アルカリシリカ反応の影響を軽減するため、クラスＣのフライアッシュで、ポルトランドセメントの少なくとも２５％を置き換える必要がある。

ポルトランドセメントと組み合わせ、クラスＦのフライアッシュをセメント置換材として、セメント系材料の質量に対して２０〜３０％の範囲で使用することもできる。セメント混合物（骨材除く）中に石炭がわずか３％存在すると、コンクリートが固まらなくなる。一方で、１％であれば、全く問題にはならないと考えられ、この差は非常に小さなものである。

フライアッシュのカルシウム含有量が多ければ、硫酸塩への暴露又は水硬性用途で使用すべきではない。

微粉末であることは、良質なポゾランとなるための要件の１つであるが、米もみ殻灰（ＲＨＡ）は、本来的に微粉末として入手されない。米もみ殻は、有機生成物であり、炭素を含有している。米もみ殻の燃焼技術は大いに改良されてきているものの、このようなもみ殻を燃焼させる施設の全てが最新の技術を使用しているわけではない。仮に最新の技術が用いられたとしても、必ずしも好適なポゾランが得られるとは限らない。近代的な米もみ殻用の炉であれば、おそらくほとんどは、なるべくＮＯｘの放出を抑えるように設計されている。このためには、もみ殻を、できるだけ最小限の空気（酸素）で燃焼させる必要がある。残念なことに、これは、^３ＬＯＩ^２（強熱減量）で測定される炭素含有量が多くなり得るということを意味している。

シリカフューム（ＳＦ）は、シリコン金属産業の廃棄物であり、ほぼ純粋な非晶質シリカの超微細粉末である。取り扱い、輸送、及び混合が困難である（かつ高価である）ものの、非常に強度の高いコンクリート（高層建築物用のものなど）のために好んで選択されるようになっており、大抵は、セメント及びフライアッシュの両方と組み合わせて用いられる。

シリカフュームは、ケイ素、又はフェロシリコン合金、又は他のケイ素合金の生産で得られる副産物である。シリカフュームは、薄い灰色又は濃い灰色をしており、典型的には、９０％を超える非晶質二酸化ケイ素を含有している。一般的に、廃ガスから捕集され、何の追加処理もされていないシリカフューム粉末は、他形態のシリカフュームと区別して、粉末状（ｕｎｄｅｎｓｉｆｉｅｄ）シリカフュームと呼ばれる。

粉末状ケイ素フュームは、非常に微細なガラス質の球状粒子からなっており、平均的なセメント粒子の粒径が約１０μｍであるのに対し、平均粒径は約１５０ｎｍである。粉末状シリカフュームは、タバコの灰とほぼ同じ程度に微細であり、かさ密度はわずか約２００〜３００ｋｇ／ｍ^３である。典型的なシリカフューム粒子の相対密度は、２．２〜２．５である。極めて微細で、かつケイ素含有量が高いことから、通常、シリカフュームは、非常に有効なポゾランである。

凝縮シリカフュームの方が取り扱い及び輸送がはるかに容易であるものの、凝縮されていないシリカフューム（通常はスラリー形態のもの）の方がより効果的である。より細かな、湿潤済の粒子混合物は、はるかに容易、かつより良好に拡散するため、反応性が高まる。

ＳＦの化学組成は、ＳＦの捕集を行った製造プロセスの種類に応じて様々である。ＳＦの主な構成物質は、シリカ（ＳｉＯ_２）であり、その含有量は、通常９０％を超える。

通常、コンクリートにてシリカフュームを使用すると、より多くの水が必要となる。必要な水が増加することにより、水対セメント比が増加し、シリカフュームを添加する利益が失われてしまう。このため、シリカフュームコンクリート（ＳＦＣ）では、通常、減水剤又は流動化剤を混ぜる。ＳＦＣは、従来のコンクリートよりも凝集性が高い。ＳＦＣの場合、流動化剤を含んでいても、含んでいなくても凝集性は高くなる。高い凝集性により、ブリーディング及び分離が起きる可能性が低減される。しかしながら、この高い凝集性により、締固めにおいては、大きなエネルギーが必要となり得る。ＳＦＣにおける高い凝集性により、ブリーディングした水と、蒸発により表面で失われる水とが釣り合うことができなかった場合に現れる、塑性収縮とひび割れの可能性が高まる。急速に蒸発が起こる条件下では、硬化処置は通常、コンクリートを打設した直後に行われる。なお、上述の欠点に対処するため、場合によっては、ＳＦと共に、ＦＡ及び／又はＲＨＡがコンクリートに添加されることに留意されたい。

ＳＦを適切な骨材及び減水剤と組み合わせることにより、立方体圧縮強度がおよそ１００Ｍｐａ、極端な例では、最大３００Ｍｐａに及ぶ高強度コンクリートを生産することができる。

ＳＦＣの不透過性は、ＳＦを含まない同様のコンクリートよりも高い。強度の低下を伴わずに、１部のシリカフュームで最大３〜４部のセメントを置き換えることができることが、試験により明らかになっている。実験にあたっては、１０重量％のセメントをＳＦで置き換えることから始めるとよい。

残念なことに、いくつかの種類のＳＦは、コンクリートに使用できない。ＳｉとＦｅＳｉ７５％の凝縮シリカフュームの組み合わせは、有効に作用することが明らかになっている一方で、ＦｅＳｉ７５％とＦｅＳｉ５０％の混合物、及びＦｅＳｉ７５％とＣａＳｉの混合物は有効でないことも明らかになっている。

シリカフューム粒子は、主にシリカガラス粒子からなっている。比重は約２．２０であり、偶然にも、いずれのシリカガラスの比重についても一般的に認められた値となっている。それにもかかわらず、シリカフューム中の不純物の分量が多いほど、この特性値が大きくなることが明らかになっている。鉄、マグネシウム、及びカルシウム（注：ＣａＳｉを除く）などの特定の不純物により、この値が増加することが明らかになっている。

本発明は、打設及び仕上げの前にコンクリートを混合する際の混和剤として使用するコロイダルシリカを含む化学組成物を含む。また、本発明は、硬化剤として、また寒期の間、新しく打設した仕上がり前のコンクリートを凍害から守る手段として、コンクリートの打設の直後にコンクリートに適用する、コロイダルシリカを含む化学組成物を含む。

一実施形態においては、コロイダルシリカを、コンクリート混合物に対する混和剤として使用することができる。特定の実施形態においては、シリカ固形分が約３重量％〜約１０重量％のコロイダルシリカ溶液を、コンクリート混合物１サック当たり、約１液量オンス（ｆｌ．ｏｚ．）（約３０ｍＬ）〜約３４ｆｌ．ｏｚ．（約１Ｌ）の比率で使用することができ、これにより、コンクリート混合物に添加する水の分量を最大で９０％削減した場合であっても仕上げ可能な、コンクリート混合物を提供する。コンクリート混合物がわずかな分量の水しか含まない実施形態（例えば、減少率が７５％、８５％、９０％を超える場合など）においては、コンクリート混合物に（例えば、振動式均し機などを用いて）振動を加えたり、又はコンクリート混合物を他の方法で処理したりすることにより、コロイダルシリカを混和剤として更に活用できるようになる。

第２の実施形態では、１００平方フィート（ｓｑ．ｆｔ．）（９．３ｍ^２）当たり約３２ｆｌ．ｏｚ．（約９５０ｍＬ）の比率で、新しく打設した、硬化前のコンクリートに適用する方法にて、コロイダルシリカを使用することができ、これにより、凍結の起こる天候下でコンクリートを打設したものの、適当な時期に仕上がらなかった場合であっても、凍害が防がれる。

当業者には、後述の実施形態及び添付の特許請求の範囲を検討することによって、本発明の他の態様、並びにそれらの特徴及び利点が明らかとなるであろう。

次の表に示すように、コロイダルシリカは、より粒径が小さいこと、より表面積が広いこと、及びポゾラン反応性が高いことにおいて、シリカフュームとは異なる。

本コンクリート混合物にて使用されるコロイダルシリカの好ましい実施形態についての化学分析結果は以下のようになる。
ＳｉＯ_２−９７．５％、Ａｌ_２Ｏ_３−０．１８％、ＣａＯ−０．０７％、Ｆｅ_２Ｏ_３−０．０５％、ＭｇＯ−０．１２％、Ｎａ_２Ｏ−０．７４％、Ｋ_２Ｏ−０．０４％、及びＳＯ−１．３％（重量パーセント）

コロイダルシリカは、他のポゾラン類に付随する問題点がほとんどないか、又はないにもかかわらず、それらの有益な効果の全てを有している。コロイダルシリカは、いずれのポゾラン類よりも粒径が小さい。コロイダルシリカのポゾラン反応性は、最も高い。コロイダルシリカには、フライアッシュ、又は米もみ殻灰のような汚染の問題がない。コロイダルシリカは、本来的に球形であり、実際のところ、粒径は、厳密に一致している。元々液状であるため、フレーク形態の場合のように、反応速度が抑えられることがない。コロイダルシリカには、シリカフュームのような水の使用量に関する問題がない。このため、コロイダルシリカは、既に固まった、完全に硬化済のコンクリートに対する仕上げ剤として使用されている。しかしながら、コロイダルシリカは、セメント調製での実際の混合プロセスの際に使用されることはなく、コンクリートの混合及び仕上げでの有利な効果はこれまで知られていなかった。

コンクリートバッチにコロイダルシリカを混合することにより、優れたコンクリート混合物が得られることが見出された。これにより、スランプ値が高い場合にも、問題なく作業できるようになった。バッチ混合プロセスの際にコロイダルシリカを使用することにより、より水の少ない混合設計を採用し、含水量がはるかに多い場合と同様に、コンクリートスラブの仕上げを行うことができるようになる。スラブ中の水の削減については、スラブの性能という側面からの文献が多数ある。具体的には、コンクリートスラブ中の水の削減により、収縮、ひび割れ、及び反りが低減される。コロイダルシリカは、基本的には水の濡れ性を高めるため、少ない分量の水で、より多くのポルトランドセメントに加水できるようになる。コロイダルシリカで処理したコンクリートを通常のワーカビリティーで仕上げるには、スランプ値が更に１〜２インチ必要となる。

実際には、セメント１サック当たり少なくとも１〜最大で７オンスのコロイダルシリカを、生コンクリート混合バッチに添加することで、所望される最適な結果が得られ、混合物に必要な水の分量を顕著に削減できることが発見された。

実験１：２０１３年１２月１７日、アイダホ州ボイシ郡にて、４．５サックのコンクリート、７立方ヤード分のバッチ量（所定分量として２２８．９ガロンの水が必要）を、生コン工場に発注した。この実験の元々の目的は、非常な低温下で硬化されるコンクリートに、コロイダルシリカを適用する試験を行うことであった。到着時は、生コン工場にて水が２７．５ガロンだけ添加された状態であったため、トラックミキサは、標準的な混合処方とするためには水が２０１．４ガロン不足した状態で、打設現場に到着した。水が減らされていた理由は、気象に関連があり、ボイシ地域が異常な寒波に見舞われ、コンクリートバッチを混合した工場の水道システムが一時的に凍結していたためであった。

混合物に対する標準的な水の分量より少なかったため、コンクリートバッチは、仕上げるには乾燥しすぎた状態であった。ミキサのドラム内部のセメントが立てる音は、砂利のようであり、仕上げ可能な状態ではなかった。このコンクリートバッチには追加の水は添加せず、代わりに、このコンクリートバッチを、コロイダルシリカ溶液２．５ガロン（３２０ｆｌ．ｏｚ．；９．５Ｌ）と更に混合した。コロイダルシリカ溶液は、マルチクイップ（Ｍｕｌｔｉｑｕｉｐ）社（カリフォルニア州カーソン）製のＭｕｌｔｉｑｕｉｐ Ｓｌａｂａｒｍｏｒ（登録商標）、及びＧｌｏｂａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓ社（ネバダ州ヘンダーソン）製のＣＤＨ−１００（シリカ固形分約４．５重量％、残部は流体キャリアとして用いられている水がほとんどを占める）として入手可能なものであった。これを換算すると、セメント１サック当たり、およそ１０ｆｌ．ｏｚ．（約３００ｍＬ）のコロイダルシリカ溶液を添加したことになる。材料をトラックから取り出したとき、垂直形成の場合に打設するコンクリートにおいて使用される、ドライパックコンクリートのようであった。

このコンクリートを打設してスラブとした後、この湿った砂利の上で振動式均し機を使用した。振動式均し機を使用すると、通常の新たに打設したコンクリートの場合と同様に、水と塩化カルシウムからなるクリームが表面に現れ、普通のコンクリートのように表面が仕上がった。スラブの角の１つについて、一部分だけ均さずにおいた。その後、新たに打設したスラブのうち均した部分を通常の方法で硬化させ、乾燥させると、通常の硬い凝集コンクリートスラブとなった。対照的に、均さずに、単に打設して放置した材料は、締固めを行わず、翌日には緩い砂利となった。

振動式均し機の使用は、コンクリート混合物が通常の分量の約１０％しか水を含んでおらず、コンクリート混合物に添加するコロイダルシリカ溶液の量が比較的少ない条件下では、コンクリートの締固めに有用ではあるものの、大幅に水を削減するわけではなく、かつ／又は相対的により多量のコロイダルシリカ溶液をコンクリート混合物に添加する場合は、コンクリート混合物を締固めるための、振動処理、又は他の種類の操作は、不要となる場合がある。

事業においてコロイダルシリカを水の代わりとすることにより、コンクリートを混合するために必要な水が顕著に減る。このコンクリートの仕上げ後の典型的な重量は、およそ３０，０００ポンドとなり得る。コロイダルシリカで置き換えることにより、重量にしておよそ１，６００ポンドの水を減らすことになり、これは即ち、およそ５％の重量削減となる。更に、水の削減は、コンクリートの収縮及び反りの減少として現れる。

実験番号１で行った工程を整理して、方法として記載すると、所与の量のコンクリート混合物に添加して、所望のスランプ値を有する加水コンクリートをもたらすような水の基準量を決定することに始まり、続いて、その水の基準量から一部分を削減した代わりに使用される、コロイダルシリカを含む水性組成物の置き換え量を計算し（ここで、置き換え量は、水の基準量の削減部分の量よりも少ない）、置き換え量の水性組成物をコンクリート混合物と混合する、コンクリートの調合方法となる。

実験番号１のパラメータに基づくと、標準の水分量から削減できる範囲は、コロイダルシリカ自体が水との水溶液となっていることを考慮すると、わずか数パーセント（２又は３％）〜１００％にもなり得る。置き換え量の水性組成物は、水性組成物の重量に対し約３％〜約１０％のシリカ固形分を含んでいてよいが、本コンクリート混合物では、コロイダルシリカなどのケイ素固形分を別の分量で含む水性組成物が使用されてもよい。

実験番号１で用いた方法を別様に記載すると、約１００〜約１６０重量部のドライコンクリート混合物と、多くとも約８重量％の水性組成物であって、水性組成物の重量に対して、コロイダルシリカを約３％〜約１０％含む、水性組成物と、から本質的になる、加水コンクリート混合物となり得る。

実験２：その日の遅く、混合設計における標準分量の水を有する、４．５サックのコンクリート、７立方ヤード分の第２のスラブを打設した。このコンクリートには、打設前にコロイダルシリカを添加しなかった。振動式均し機を使用してこのコンクリートを均した直後、このスラブに、コロイダルシリカ溶液（例えば、Ｍｕｌｔｉｑｕｉｐ Ｓｌａｂａｒｍｏｒ（登録商標）、ＣＤＨ−１００コロイダルシリカ溶液など）を適用した。１，６００平方フィートに渡って４回適用し、コロイダルシリカの総適用効率は、１ガロン当たり４００平方フィートであった。第１日目は日が暮れようとしていたため、引き上げて、このコンクリートスラブは、続く第２日目に適切に仕上げるつもりであった。このコンクリートのスラブを打設し、仕上げを行った２日間の最高気温と最低気温は、第１日目が、２７°Ｆ（最高）と１９°Ｆ（最低）であり、第２日目が、２６°Ｆ（最高）と２１°Ｆ（最低）であった。地面を６フィートの深さまで７０°Ｆに温め、コンクリートを凍結させずに打設できるようにした。このスラブをテントで覆い、凍結を防ぐためプロパン燃料のヒーターで温めた。作業員が打設現場を去った後の夜間に、時折、このプロパンヒーターの燃料が切れ、スラブの表面の数インチが凍結した。翌朝、作業員が戻る頃には、スラブの表面は凍結して固まっていた。表面には小さな窪みができており、スラブが凍結したことをはっきり示していた。スラブを再び温めると、解け出した。予期せぬことであったが、スラブが解け出したとき、スラブは塑性状態に戻り、何事もなかったかのように仕上げられた。スラブの縁部は、高さのある形であり、かつ、スラブの外側が汚れていたため、スラブ面と同じようにコテで均す作業は行われなかった。凍結するスラブで予想されるように、コンクリートの縁部は、予備形成されていた。コンクリートは砕けて、剥がれ落ち、構造的一体性を持たない緩い砂利となっていた。しかしながら、コンクリートの均した部分の表面については、チェーンを使った検査で、空隙が発見されなかった。部分的に凍結した後に解けたスラブには、空隙が予想されたにも関わらず、発見されなかったのである。この試験から、コロイダルシリカをコンクリートスラブに早期に適用することにより、凍結とその後の再加熱に耐えることができ、標準的な温度で打設したコンクリートと同様の性能を発揮することができるスラブが得られることが明らかになった。

上述の実験からは、シリカをコンクリートに浸透させるため、並びに、密度増加剤として、かつ／又はコンクリートの表面を保護するシーラーとして作用させるために、コロイダルシリカ（又は他のシリカ）をコンクリートの表面に加えるのではなく、コンクリートの混合時にコロイダルシリカを添加することにより、コンクリートを混合する際の水対セメント比を減らすことができるということが示唆されていると考えられる。これにより、コンクリートの強度が増し、かつ、より軽く、ひび割れ、チェッキング、及び反りが少ないものとなる。更に、上述の第２の実験からは、低温下でのコンクリートの凍結についての懸念が払拭されるため、一年を通して工事を行うことが可能となり得ることが強く示唆されている。

上述の記載には多くの具体例が含まれているが、これらによって本発明の範囲が限定されるものと解釈されてはならず、これらの具体例は単に一部の実施形態を例示しているに過ぎない。同様に、本発明の範囲を逸脱しない、本発明の他の実施形態を考案することもできる。異なる実施形態の特徴を組み合わせて用いることもできる。それ故、本発明の範囲は、上述の記載によってではなく、添付の特許請求の範囲及びその法的な均等物によってのみ示され、かつ限定される。本明細書に開示した本発明に対する付加、省略、及び改良は、特許請求の範囲の趣旨及び範囲に含まれる限りは、本発明に包含されるものとする。

Claims (7)

1. 不十分に加水した状態のコンクリート混合物と、３〜１０重量％のシリカ固形分を有し、コロイダルシリカを含む水性組成物とを、前記コンクリート混合物において、セメント４３ｋｇ（１サック）に対して、前記コロイダルシリカが３０ｍＬ（１液量オンス）〜１Ｌ（３４液量オンス）に等しい比率にて調合して、加水コンクリートを提供する工程を含み、
   前記コロイダルシリカは、５ｎｍ〜４０ｎｍの粒径を有し、
   前記加水コンクリートは、最大８重量％の前記水性組成物分を有することを特徴とするコンクリートの混合方法。
2. 前記コンクリート混合物を型枠内に打設する工程と、
   前記コンクリート混合物を締固める工程と、を更に含む、請求項１に記載のコンクリートの混合方法。
3. 前記コンクリート混合物を締固める工程は、均し機を使用する工程を更に含む、請求項２に記載のコンクリートの混合方法。
4. 前記コンクリートの調合方法は、
   コンクリート混合物を提供する工程と、
   前記コンクリート混合物に添加するための、所望のスランプ値を有する加水コンクリートをもたらす、水の基準量を決定する工程と、
   前記水の前記基準量から一部分を削減した代わりに使用される、コロイダルシリカを含む水性組成物の置き換え量を計算する工程であって、前記置き換え量は、前記水の前記基準量の前記削減部分の量よりも少ない、工程と、
   前記置き換え量の前記水性組成物を前記コンクリート混合物と混合する工程と、を更に含む、請求項１、２又は３に記載のコンクリートの混合方法。
5. 前記コンクリート混合物を提供する工程は、ドライコンクリート混合物を提供する工程を含み、
   前記コンクリート混合物に添加する前記水の前記基準量を決定する工程は、前記ドライコンクリート混合物に加水し、前記加水コンクリートに前記所望のスランプ値を付与するために必要な水の量を決定する工程を含み、
   前記置き換え量を混合する工程は、前記水を前記水性組成物で完全に置き換える工程を含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記コンクリート混合物を提供する工程は、部分的に加水したコンクリート混合物、又は加水コンクリート混合物を提供する工程を含み、
   前記コンクリート混合物に添加する前記水の前記基準量を決定する工程は、前記コンクリート混合物に前記所望のスランプ値を付与するために、前記コンクリート混合物に通常添加される前記水の前記基準量の前記削減部分の量を決定する工程を含む、請求項４に記載の方法。
7. 前記置き換え量を計算する工程は、前記水の前記基準量の少なくとも１０％〜多くとも８０％となる置き換え量を計算する工程を含む、請求項４に記載の方法。