JP6735068B2 - セメント組成物及びセメント硬化体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、セメント組成物及び該セメント組成物を用いたセメント硬化体の製造方法に関する。

モルタルやコンクリート構造物等のセメント硬化体に用いられるセメント組成物は、硬化する前のフレッシュな状態で型枠や支保工内に打設し、硬化させた後に脱枠することで施工する場合がある。かかるセメント組成物を、例えば屋外のコンクリート構造物に使用する場合には、寒冷地や冬季等においては比較的低温環境で硬化させることになる。一般的にセメント組成物は硬化温度が低いと硬化時間が長くなる傾向にある。従って、寒冷地や冬季等のコンクリート構造物の施工工事では脱枠するまでの日数が長くなるという問題がある。

セメント組成物の硬化時間を短縮するために、セメント組成物に混和材を配合することが知られている。例えば、特許文献１には、生石灰を混和材として含み、さらに硫酸塩を含むセメント組成物が記載されている。硫酸塩はセメント組成物の硬化を促進させるため、短時間で脱枠することができる。
しかしながら、特許文献１に記載のセメント組成物では硬化温度が５℃〜１０℃等のような比較的低温時には硬化時間を短縮することは難しい。

再公表特許ＷＯ９９／０７６４７号公報

そこで、本発明は、上記のような従来の問題を鑑みて、比較的低温で硬化させた場合でも硬化時間が比較的短時間であるセメント組成物及びセメント硬化体の製造方法を提供することを課題とする。

本発明に係るセメント組成物は、セメントと、高炉スラグ及びフライアッシュからなる群から選択される少なくとも一種を含む混和材と、硫酸アルカリとを含む。

本発明によれば、セメントと、高炉スラグ及びフライアッシュからなる群から選択される少なくとも一種を含む混和材と硫酸アルカリとを含むことで、比較的低温で硬化させた場合でも硬化時間が短時間になる。

本発明において、前記硫酸アルカリは、硫酸リチウム、硫酸ナトリウム、硫酸カリウムからなる群から選択される少なくとも一種であってもよい。

前記硫酸アルカリは、硫酸リチウム、硫酸ナトリウム、硫酸カリウムからなる群から選択される少なくとも一種である場合には、比較的低温で硬化させた場合でも硬化時間がより短時間になる。

本発明において、前記硫酸アルカリを０．５質量％以上４質量％以下含んでいてもよい。

硫酸アルカリが前記範囲で含まれている場合には、比較的低温で硬化させた場合でも硬化時間がより短時間になる。

本発明において、前記混和材を５質量％以上６０質量％以下含んでいてもよい。

混和材が前記範囲で含まれている場合には、比較的低温で硬化させた場合でも硬化時間が短時間になる。

本発明のセメント硬化体の製造方法は、上記いずれかのセメント組成物と水とを混合して混合物を得て、材齢８日以内に圧縮強度が３０Ｎ／ｍｍ^２以上になるセメント硬化体を製造する。

以上のように、本発明によれば、比較的低温で硬化させた場合でも硬化時間が比較的短時間であるセメント組成物を提供することができる。
また、本発明によれば、比較的低温で硬化させた場合でも硬化時間が比較的短時間であるセメント硬化体を製造するセメント硬化体の製造方法を提供することができる。

以下に、本発明にかかるセメント組成物及びセメント硬化体の製造方法の一実施形態について説明する。

本実施形態のセメント組成物は、セメントと、高炉スラグ及びフライアッシュからなる群から選択される少なくとも一種を含む混和材と、硫酸アルカリとを含む組成物である。

本実施形態のセメント組成物に用いられるセメントは特に限定されるものではない。
例えば、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、超早強ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメント、耐硫酸塩ポルトランドセメント、白色ポルトランドセメントなどのポルトランドセメントや、超速硬セメント、アルミナセメント等を挙げることができる。中でも、早強ポルトランドセメントは早期に所望の強度が得られるため好ましい。

本実施形態のセメント組成物は、高炉スラグ及びフライアッシュからなる群から選択される少なくとも一種を含む混和材を含む。
高炉スラグは、特に限定されるものではなく、例えば、高炉水砕スラグ微粉末、高炉除冷スラグ微粉末などが挙げられ、これらの高炉スラグとしては、ＪＩＳ Ａ ６２０６の規定に適合するもの等が挙げられる。

フライアッシュは、特に限定されるものではなく、例えば、フライアッシュＩ種、ＩＩ種、ＩＩＩ種、ＩＶ種などが挙げられ、これらの高炉スラグとしては、ＪＩＳ Ａ ６２０１の規定に適合するもの等が挙げられる。

本実施形態のセメント組成物において、混和材は上記各種混和材を単独で用いてもよく、あるいは２種以上を混合して用いてもよい。
高炉スラグ又はフライアッシュを１種類ずつ単独で混和材として用いることが好ましい。

混和材の含有量は特に限定されるものではないが、例えば、５質量％以上６０質量％以下、好ましくは５質量％以上４０質量％以下等が挙げられる。
混和材として高炉スラグを用いた場合には、その含有量としては、例えば、５質量％以上６０質量％以下、好ましくは５質量％以上４０質量％以下等が挙げられる。
混和材としてフライアッシュを用いた場合には、その含有量としては、例えば、５質量％以上３０質量％以下、好ましくは１０質量％以上２０質量％以下等が挙げられる。
混和材の含有量が前記範囲であることで、比較的低温で硬化させた場合でも硬化時間を短時間にしやすくなる。

セメントと混和材との割合は、例えば、質量比で、セメント１００に対して、混和材５以上１５０以下、好ましくは５以上６７以下等が挙げられる。

硫酸アルカリは、アルカリ金属の硫酸塩であれば特に限定されるものではなく、例えば、硫酸ナトリウム，硫酸カリウム、硫酸リチウム、硫酸ルビジウム、硫酸セシウム等が挙げられる。中でも、硫酸ナトリウム，硫酸カリウム、硫酸リチウムからなる群から選択される少なくとも一種であることが好ましく、特に硫酸カリウムであることが耐凍害性を確保する観点から好ましい。

硫酸アルカリの含有量は特に限定されるものではないが、例えば、０．５質量％以上４質量％以下、好ましくは１質量％以上３質量％以下等が挙げられる。
セメント組成物中の硫酸アルカリの含有量が前記範囲であることで、比較的低温環境においても硬化時間がより短時間になると同時に硬化体の強度の低下を抑制でき、自己収縮や乾燥収縮等の収縮が抑制でき、硬化時の温度ひび割れを抑制できる。

次に、上述のような本実施形態のセメント組成物を用いてセメント硬化体を製造する方法について説明する。
本実施形態のセメント硬化体の製造方法は、上述のようなセメント組成物と水とを混合して混合物を得て、該混合物を硬化させることで材齢８日以内に圧縮強度が３０Ｎ／ｍｍ^２以上になるセメント硬化体を製造する方法である。

本実施形態のセメント組成物は、例えば、粗骨材、細骨材等の骨材、混和材等の粉体成分、水、減水剤、遅延剤、その他化学混和剤等の液体成分等と共にミキサー等を用いて攪拌混合することでフレッシュの状態のモルタルあるいはコンクリート等の混合物として得られる。
この場合、例えば、水は、水セメント比が３５質量％以上５５質量％以下になるように配合されることが挙げられる。上記範囲の水が配合されることで、モルタルあるいはコンクリートが硬化した後のセメント硬化体の強度を好ましい範囲にすることができる。

本実施形態のセメント組成物は、モルタル又はコンクリートに配合する場合には、モルタル又はコンクリート中に１０質量％以上５０質量％以下含まれるように配合することが好ましい。
すなわち、モルタル又はコンクリート等のセメント硬化体中に硫酸アルカリが０．０５質量％以上２質量％以下含まれるようにセメント組成物が配合されることが好ましい。
あるいは、モルタル又はコンクリート中に混和材が０．５質量％以上３０質量％以下含まれるようにセメント組成物が配合されることが好ましい。

本実施形態のセメント組成物を用いたセメント硬化体は、冬季や寒冷地における屋外等コンクリート構造物の施工に使用することが特に適している。
例えば、フレッシュ状態のセメント組成物(混合物)を型枠や支保工内に打設して、硬化させ、硬化後に脱型してコンクリート構造物等のセメント硬化体を製造する。通常、硬化させる場合の環境温度が５℃〜１０℃未満のような低温である場合には、セメント組成物を脱型させることができる程度の強度が得られるようになるまで日数は、１０℃以上の温度で硬化させる場合にくらべて長くかかる。
本実施形態のセメント組成物を用いたセメント硬化体は、５℃〜１０℃未満のような低温で硬化させる場合でも、比較的短時間で高い強度を発現できるため脱型できるまでの日数が短くてすむ。
具体的には、本実施形態のセメント組成物を用いて製造されたセメント硬化体は、材齢８日以内にＪＩＳ Ａ １１０８に記載の方法で測定される環境温度５℃〜１０℃での圧縮強度が３０Ｎ／ｍｍ^２以上になる。
尚、本実施形態でいう材齢とは混合物の作製直後からの経過日数をいう。すなわち、混合物の作製直後から２４時間経過したセメント硬化体は材齢１日という。

また、本実施形態のセメント組成物は、温度ひび割れが発生しやすい条件で硬化させても温度ひび割れの増加を抑制することができる。
セメント組成物は硬化する際に、セメントと水とが水和反応を生じ硬化するが、水和反応で発生する熱がセメント組成物内部に蓄積されると硬化物は膨張する。反応終了後、放熱されると逆に硬化物は収縮しようとするが、この際硬化物が周囲の部材（自然の岩盤や隣接するコンクリート構造物等）によって拘束されていると収縮が阻止されるためひび割れ（温度ひび割れ）が発生する。かかる温度ひび割れは、セメント組成物の圧縮強度を高めようとしたり、大容量のセメント組成物を硬化させようとしたりする場合にはより発生しやすくなる。

特に、冬季や寒冷地における屋外等のコンクリート構造物の施工に使用する場合には、加熱養生や断熱養生を行うことで硬化時間を短くして早く脱型させようとする場合があるが、かかる加熱養生や断熱養生を行うと温度ひび割れがより発生しやすくなる。
本実施形態のセメント組成物は、かかる条件においても温度ひび割れが発生することを抑制できる。

さらに、本実施形態のセメント組成物は自己収縮、乾燥収縮による硬化体の収縮も抑制できる。よって、特に、大容量のコンクリート構造物を製造するセメント組成物として適している。

尚、本実施形態にかかるセメント組成物及びセメント硬化体の製造方法は以上のとおりであるが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は前記説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

以下に実施例を示して、本発明にかかるセメント組成物についてさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

（試験１）
以下の材料を表１に記載の配合でセメント組成物を作製した。尚、結合材としては高炉セメントＢ種（ＢＢ）又はフライアッシュセメントＢ種（ＦＢ）を用いた。

・セメント：高炉セメントＢ種（ＢＢ）又はフライアッシュセメントＢ種（ＦＢ）、共に住友大阪セメント社製
・水：水道水
・細骨材：陸砂
・粗骨材：砂岩砕石

（圧縮強度の測定）
表１の配合で結合材を変えてセメント組成物を作製した。各セメント組成物は内径１０ｃｍ×高さ２０ｃｍの円筒形の型枠に流し込んで、環境温度５℃又は１０℃にそれぞれおいて硬化させた（試験例１乃至４）。各試験例のセメント組成物の圧縮強度が１０、２０、３０Ｎ／ｍｍ^２に達する日数を測定した。尚、圧縮強度の測定はＪＩＳ Ａ １１０８に記載の方法に従って測定した。
結果を表２に示す。

表２に示すように、同じ種類の結合材を用いたセメント組成物を比較すると、環境温度が１０℃の場合に比べて５℃の場合は、いずれの圧縮強度に達成する日数も長くかかることが明らかである。

（試験２）
次に、表１に記載の結合材として、以下の材料を表３に記載の配合で混合したセメント組成物を用いてコンクリートを作製した。
各コンクリートを上記と同様に環境温度５℃又は１０℃にそれぞれおいて硬化させた（実施例１乃至２０、比較例１及び２）。各実施例、比較例のコンクリートの圧縮強度が１０、２０、３０Ｎ／ｍｍ^２に達する日数を上記と同様に測定した。結果を表３に示す。

・早強ポルトランドセメント（ＨＣ）（住友大阪セメント社製）
・超速硬セメント（ＪＣ）（住友大阪セメント社製）
・高炉スラグ微粉末（ＢＦＳ）：高炉スラグ微粉末４０００（エスメント関東社製）
・フライアッシュ（ＦＡ）：フライアッシュＩＩ種（東北電力能代火力発電所産）
・硫酸ナトリウム（Ｎａ_２ＳＯ_４）：試薬（関東化学社製）
・硫酸カリウム（Ｋ_２ＳＯ_４）：試薬（関東化学社製）

表３から明らかなように、各実施例は比較例に比べて所望の圧縮強度、特に３０Ｎ／ｍｍ^２に到達するまでの日数は少なかった。よって、５℃あるいは１０℃という比較的低温環境下で硬化させた場合でも、各実施例は各比較例に比べて硬化時間が短時間である。

（試験３：温度ひび割れ指数の測定）
次に、試験１で硬化させた試験例２の硬化体、及び、試験２で作製した比較例２、実施例２、実施例４、実施例１２、実施例１４のコンクリートを用いて温度ひび割れ指数を３次元ＦＥＭ温度応力解析によって求めた結果を表４に示す。なお、温度ひび割れ指数とはコンクリートの引張強度（耐力）に対する引張応力の比であり、その値が小さいほど温度ひび割れの危険性が高いことを意味する。

表４に示すとおり、実施例２、実施例４、実施例１２、実施例１４のセメント組成物を用いたコンクリートの温度ひび割れは試験例２、比較例２と同等であった。すなわち、上記実施例は硬化時間が短時間であり、且つ温度ひび割れの危険性は高くなっていないことが明らかである。

（試験４：自己収縮量及び乾燥収縮量の測定）
次に、試験１で硬化させた試験例２の硬化体、及び、試験２で作製した比較例２、実施例２、実施例４、実施例１２、実施例１４のコンクリートを用いて自己収縮量及び乾燥収縮量の測定を行った。結果を表４に示す。
尚、自己収縮量は日本コンクリート工学会（仮称）高流動コンクリートの自己収縮試験方法に従い、乾燥収縮量はＪＩＳ Ａ １１２９に記載の方法にそれぞれ従って測定した。

表５に示すとおり、実施例２、実施例４、実施例１４を用いたコンクリートは、試験例２、比較例２に比べて自己収縮量及び乾燥収縮量ともに小さかった。すなわち、上記実施例は硬化時間が短時間であり、且つ自己収縮及び乾燥収縮が抑制されていることが明らかである。

Claims (3)

1. セメントと、高炉スラグと、硫酸カリウムとを含み、
   前記硫酸カリウムの含有量が１質量％以上３質量％以下（但し、３質量％を除く）であり、
   前記高炉スラグの含有量が３０質量％以上６０質量％以下（但し、３０質量％を除く）である、セメント組成物。
2. セメントと、フライアッシュと、硫酸カリウムと、骨材、混和材（但し、高炉スラグ及びフライアッシュを除く）、水、減水剤、遅延剤、及び、化学混和剤からなる群から選択される少なくとも一種と、からなり、
   前記硫酸カリウムの含有量が１質量％以上３質量％以下（但し、３質量％を除く）であり、
   前記フライアッシュの含有量が５質量％以上２０質量％以下（但し、２０質量％を除く）である、セメント組成物。
3. 請求項１又は２に記載のセメント組成物と水とを混合して混合物を得て、該混合物を環境温度５〜１０℃で硬化させることで材齢４日以内に圧縮強度が１０Ｎ／ｍｍ^２以上になるセメント硬化体を製造するセメント硬化体の製造方法。