JP6826456B2

JP6826456B2 - 水中不分離性コンクリート用膨張材、水中不分離性コンクリート組成物およびその硬化体

Info

Publication number: JP6826456B2
Application number: JP2017026507A
Authority: JP
Inventors: 浩丸田; 長塩　靖祐; 靖祐長塩; 久美子小林
Original assignee: Taiheiyo Materials Corp
Current assignee: Taiheiyo Materials Corp
Priority date: 2017-02-16
Filing date: 2017-02-16
Publication date: 2021-02-03
Anticipated expiration: 2037-02-16
Also published as: JP2018131359A

Description

本発明は、水中不分離性コンクリートに用いる膨張材、膨張材を含む水中不分離性コンクリート組成物およびその硬化体に関する。

通常、海岸、海洋、港湾または河川に橋（橋脚）や防波堤等を建設する場合、土木建築工事において水中に直接コンクリートを打設することとなる。しかし、その際にセメント成分が水により洗い流されることで河川等の水質汚濁や、コンクリート構造物の強度低下を招くことがある。そのため施工には、増粘剤をコンクリートに混和した水中不分離性コンクリート組成物が用いられる（例えば特許文献１参照）。

コンクリートは硬化後に気中環境下で乾燥による表面からの蒸発により、内部の水分が減少すると収縮が起こる。収縮による応力がコンクリートの引張強度よりも大きくなるとひび割れが発生する。鋼材が内在するコンクリート構造物にひび割れが発生することで、劣化因子が鋼材位置まで達し易くなり、鋼材が腐食し、構造物の耐久性が低下する。このため、コンクリートに膨張材等を混和することで予め膨張させ、収縮により発生するひび割れを低減することが広く行われている（例えば特許文献２参照）。

水中不分離性コンクリートは、単位水量が多いため、得られる硬化体の乾燥時の収縮量が大きいという性質がある。このことから、橋脚等における干満帯等の乾燥収縮の影響が大きい箇所に水中不分離性コンクリートを適用することが困難である。そのため、このような構造物を施工する場合には、干満帯の手前まで水中不分離性コンクリートを打設し、その上からは乾燥による収縮を低減するような水中不分離性コンクリートとは異なるコンクリートを打設する必要があり、費用や手間が嵩むといった問題点があった。

上記課題を解決する一つの手段として、ブレーン比表面積の大きな膨張材を用いることによって、少ない増粘剤量でも水中不分離性を維持しつつ、かつ硬化後の乾燥収縮が低減された水中不分離性コンクリート組成物が提案されている（特許文献３）。

特開２０１４−３７３２９号公報特開２００３−６３８４７号公報特開２０１６−７９０５８号公報

しかしながら、水中不分離性コンクリートに膨張材を混和した場合、膨張量が安定して発現しない場合が認められる。これは、水中不分離性コンクリートは単位水量が多く、また水中不分離性混和材として増粘剤が添加されており、硬化速度も一般のコンクリートに比べかなり遅くなっていることが原因しているものと考えられる。

膨張材の膨張性の発現は、膨張材中の膨張成分の粒度に関係している。膨張材の粒度が粗いことにより、硬化体がある程度強度を発現してから膨張材が反応しても膨張発現しない場合があり、かつ強度が発現してから膨張材が反応することで硬化体の組織が破壊され，強度低下の虞がある。一方、膨張材の粒度が細かいことにより、水中不分離性コンクリートが硬化していない段階で膨張材が反応して応力が伝わらず、膨張が発現しない場合がある。また、膨張材の粒度が細かくなることで、水中不分離性コンクリートの流動性が低下し、施工が困難になる場合もある。

従って、水中不分離性コンクリートにおいて適切な膨張量を発現し、良好な乾燥収縮性を確保するには、膨張材の粒度を水中不分離性コンクリートの特性に合せることが望ましい。

本発明は、安定した膨張発現性を発現することによって良好な乾燥収縮性が得られ、かつ流動性を確保でき、施工性及び水中不分離性にも優れる水中不分離性コンクリート組成物を提供するものである。

本発明の一態様によれば、
水中不分離性コンクリートに用いる膨張材であって、膨張性焼成物を主体とし、
該膨張性焼成物中の５３〜１２５μｍの粒子の含有率が１５％以上であり、
また１２５μｍより粗い粒子の含有率が１０％以下であり、
かつ膨張性焼成物のブレーン比表面積が３５００ｃｍ^２／ｇ以下である
ことを特徴とする水中不分離性コンクリート用膨張材が提供される。

また、本発明の一態様によれば、
上記膨張材と、セメントと、増粘剤とを含む水中不分離性コンクリート組成物が提供される。

さらに、本発明の他の態様によれば、上記水中不分離性コンクリート組成物を硬化して得られる、水中不分離性コンクリート硬化体が提供される。

本発明の効果

本発明の膨張材を水中不分離性コンクリートに使用することにより、施工においては水中不分離性が高いことに加え、水中不分離性コンクリートの流動性が高く、膨張材を混和したコンクリートの拘束膨張が１５０〜２５０μｍと土木学会規準の収縮補償用コンクリートの拘束膨張率を満足するという優れた膨張性能を発現することにより、硬化後の乾燥収縮が低減された水中不分離性コンクリートを得ることが可能となる。

本発明の内容について、以下に詳細に説明する。
なお、本発明における％は、特に規定のない限り質量基準で示す。

本発明の膨張材は、膨張性焼成物が５３〜１２５μｍの粒子の含有率が１５％以上であり、また１２５μｍより粗い粒子の含有率が１０％以下である。５３〜１２５μｍの粒子は、水中不分離性コンクリートにおいて、膨張発現性にもっとも効果的に寄与する粒度群である。その含有率が１５％未満であると混和した水中不分離性コンクリートの拘束膨張率が１５０μｍ未満になる虞がある。より好ましくは２０％以上、さらに好ましくは２２％以上である。上限は特に限定されないが、実製造上の経済的な観点から３５％以下が好ましい。より好ましくは３０％以下である。

１２５μｍより粗い粒子は、膨張発現が遅れて発現するとともに、その後も膨張が継続する傾向があるが、水中不分離性コンクリートにおいては、この傾向が顕著になる。このため１２５μｍより粗い粒子の含有率が１０％を超える場合、水中不分離性コンクリートにおいては、硬化後も膨張が発現しつづけることによって、いわゆる過膨張を起こして水中不分離性コンクリートの強度を低下させる虞がある。より好ましくは８％以下であり、さらに好ましくは６％以下である。

さらに、膨張性焼成物のブレーン比表面積は、３５００ｃｍ^２／ｇ以下である。ブレーン比表面積が３５００ｃｍ^２／ｇよりも大きいと、水中不分離性コンクリートの流動性が低下する虞がある。また、膨張材の反応が早くなり、混和したコンクリートが固まる前に膨張材が反応することにより、混和した水中不分離性コンクリートの拘束膨張率が１５０μｍ未満になる虞がある。膨張性焼成物のブレーン比表面積は、３２００ｃｍ^２／ｇ以下がより好ましく、３０００ｃｍ^２／ｇ以下がさらに好ましい。一方、ブレーン比表面積の下限としては、２０００ｃｍ^２／ｇ以上が好ましく、２３００ｃｍ^２／ｇ以上がより好ましい。

膨張性焼成物の粒度は、各粒度範囲に応じた目開きの篩を用いた減圧吸引式乾式篩い分け装置（エアージェットシーブ）による篩い分け試験により求めることができる。例えば、５３〜１２５μｍの粒子であれば目開き５３μｍ及び１２５μｍを用い、１２５μｍの粒子であれば目開き１２５μｍを用い、エアージェットシーブによる篩い分け試験により、各篩を用いたときの残量率を求めることで膨張性焼成物粒度が算出される。ブレーン比表面積は、ＪＩＳＲ５２０１（セメントの物理試験方法）に規定するブレーン空気透過装置を用いて、粉末を詰めたセルの中を通過する空気の早さを溶液ヘッドの変化時間で求め、標準試料と比較計算することで算出される。

本発明における膨張性焼成物は、炭酸カルシウム、消石灰、生石灰等のカルシウム質原料を含む焼成原料を焼成することにより得られる焼成物である。焼成原料には、カルシウム質原料以外に、シリカ質原料、アルミナ質原料、酸化鉄原料等を添加しても良い。焼成原料を焼成するときの焼成温度は１１００〜１５００℃とすることが好ましく、より好ましくは１２００〜１３５０℃とする。焼成温度が１１００℃より低いと焼結性が低く、遊離生石灰の結晶も充分に成長しないため良好な膨張性能が得られ難い。また、焼成温度が１５００℃を超えると、焼成消費量が増え、焼成コストが高まる上、過度に焼結性が高まり良好な膨張性能が得られ難い。また、焼成には、ロータリーキルンや電気炉等の温度調整可能な炉を用いることが好ましい。

この他にアウィン（３ＣａＯ・３Ａｌ_２Ｏ_３・ＣａＳＯ_４）等のカルシウムサルホアルミネートを含む膨張性焼成物、遊離石灰とカルシウムサルホアルミネートの両方を含む膨張性焼成物も使用することができる。

膨張性焼成物を上記粒度とするには、粉砕後分級して調整する方法、分級しながら粉砕する方法等がある。特に好ましい具体例としては、粉砕により異なる粒度分布の粉末を２以上作製し、上記粒度になるような調合割合で混合する、分級による異なる粒度分布の粉末を２以上作製し上記粒度になるような調合割合で混合する方法等が挙げられる。粉砕、分級及び混合には乾式、即ち粉末のまま行うことが、乾燥工程を必要としないことから好ましい。粉砕、分級及び混合は、機械を用いることが好ましい。粉砕には、例えば、ロッドミル、ボールミル、竪型ローラーミル、ハンマーミル、ジョークラッシャー、ジェットミル等の各種粉砕機を用いることができる。また、分級には、例えば、超音波篩を含む振動篩、回転篩（トロンメル）、エアセパレータ、遠心分離機等の各種分級機を用いることができる。また、混合には、Ｖ型混合機や可傾式コンクリートミキサ等の重力式ミキサ、ヘンシェル式ミキサ、リボンミキサ、パン型コンクリートミキサ、ハグミル型ミキサ、ハンドミキサ等の各種混合機（ミキサ）を用いることができる。

本発明の膨張材は、膨張性焼成物と共に石膏を含有することが好ましい。石膏は膨張性能の調整作用を有する他、例えば５℃程度の低温下での強度発現性向上作用と長期的な乾燥収縮抑制作用を有する。石膏は、粉末にしたものを膨張性焼成物の粉砕物とミキサ等で混合される。石膏としては、無水石膏、半水石膏又は二水石膏の何れでも使用することができ、または二種以上を使用しても良い。この中では無水石膏が好ましく、ＩＩ型無水石膏がより好ましい。石膏のブレーン比表面積は、その含有効果を得る点から、３０００〜１５０００ｃｍ^２／ｇとすることが好ましい。また、膨張材中の石膏含有率は、同じくその含有効果を得る点から、５〜５０％が好ましく、１０〜４５％がより好ましく、１５〜４０％がさらに好ましい。

本発明の膨脹材には、上記以外に、本発明の効果を損なわない範囲で、モルタルやコンクリートに一般に使用されている混和材料やセメントを添加することができる。この混和材料やセメントとしては、例えば、分散剤、防水材（剤）、顔料、撥水剤、発泡剤、起泡剤、消泡剤、遅延剤、硬化促進剤、収縮低減剤、水和熱抑制剤、保水剤、防錆剤、石粉、粘土鉱物粉末、スラグ粉末、フライアッシュ、シリカフューム、各種ポルトランドセメントやエコセメント等のセメント、フィラー等が挙げられ、これらの一種または二種以上を本発明による効果を阻害しない範囲で使用することができる。

なお、本発明の膨張材としてのブレーン比表面積が４０００ｃｍ^２／ｇ以下が好ましい。ブレーン比表面積が４０００ｃｍ^２／ｇよりも大きいと、混和した水中不分離性コンクリートの流動性が低下する虞がある。

膨張材の配合量は、乾燥低減収縮効果および膨張過大に伴う圧縮強度低下の防止の点から、１０〜３０ｋｇ／ｍ^３が好ましく、１５〜２５ｋｇ／ｍ^３がより好ましい。

本発明に使用するセメントは、水硬性セメントであればよく、例えば普通、早強、超早強、低熱及び中庸熱の各種ポルトランドセメント、エコセメント、並びにこれらのポルトランドセメント又はエコセメントに、フライアッシュ、高炉スラグ粉末、シリカフューム又は石灰石微粉末等を混合した各種混合セメント等が挙げられ、これらの一種又は二種以上を使用することができる。

本発明に用いる増粘剤としては、通常コンクリートに使用されているものであれば特に制限されるものではないが、コンクリートに増粘性を付与し、水中に投入された場合における材料の分離抵抗性に優れたものが望まれる。そのような増粘剤として、例えば、セルロース系増粘剤、ガム系増粘剤およびアクリル系増粘剤等が挙げられる。増粘剤の配合量は、好ましくは単位量で、１．５〜４．０ｋｇ／ｍ^３である。増粘剤の配合量を、１．５ｋｇ／ｍ^３以上とすることで、コンクリートに水中不分離性を十分に付与することができ、４．０ｋｇ／ｍ^３以下とすることで凝結を大幅に遅延することを防止することができる。より好ましくは、１．８〜３．８ｋｇ／ｍ^３であり、さらに好ましくは２．０〜３．５ｋｇ／ｍ^３である。

本発明による水中不分離性コンクリートは、さらに分散剤が添加されていることが好ましい。本発明で用いる分散剤は、一般的にモルタルやコンクリートの製造に使用されるセメント用の分散剤である。そのような分散剤として、例えば、減水剤、ＡＥ減水剤、高性能減水剤、高性能ＡＥ減水剤および流動化剤等が挙げられる。具体的には、メラニンスルホン酸系分散剤、ポリカルボン酸系分散剤およびナフタレンスルホン酸系分散剤等の分散剤が挙げられる。これらの中では、特にポリカルボン酸系の分散剤が好ましい。

本発明に用いられる骨材は、特に制限されるものではなく、通常コンクリートの製造に使用される細骨材および粗骨材を何れも使用することができる。そのような細骨材および粗骨材として、例えば、川砂、海砂、山砂、砕砂、人工細骨材、スラグ細骨材、再生細骨材、珪砂、川砂利、陸砂利、砕石、人工粗骨材、スラグ粗骨材、再生粗骨材などが挙げられる。

本発明による水中不分離性コンクリートは、本発明の効果を失わない範囲で、例えばモルタルやコンクリートに使用できる他の成分（混和剤（材））を含有するものであってもよい。このような成分として、具体的には、保水剤、防錆剤、空気連行剤、消泡剤、発泡剤、防水材、撥水剤、白華防止剤、凝結調整剤、硬化促進剤（材）、顔料、セメント用ポリマー、繊維、シリカフューム、スラグおよびフライアッシュ等が例示される。

次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明が実施例により限定されるものではない。

珪石、バン土貢岩、酸化鉄、無水石膏および工業用生石灰の混合物を１４００℃で、電気炉を用いて焼成した焼成物を粉砕し、遊離生石灰を５０％含有する膨張性焼成物を作成した。この膨張性焼成物に含まれる遊離生石灰以外の主な鉱物は、珪酸三石灰（３ＣａＯ・ＳｉＯ_２）、無水石膏（ＣａＳＯ_４）である。作製した膨張性焼成物をボールミルで粉砕後、目開き５３μｍおよび１２５μｍの篩を用いて、減圧吸引式乾式篩い分け装置（エアージェットシーブ）による分級を行った。表１には得られた膨張性焼成物の粒子含有率およびブレーン比表面積を示す。これらの膨張性焼成物８０質量部とＩＩ型無水石膏（ブレーン比表面積７０００ｃｍ^２／ｇ）２０質量部を混合し、試験に供する膨張材とした。

次いで、本発明による水中不分離性コンクリート組成物の製造方法について説明する。まず、製造に用いた材料を表２に記す。

表２の材料を用い、環境温度２０℃にて、コンクリートミキサを用いて練り混ぜて水中不分離性コンクリート組成物を製造した。表３に製造したそれぞれの水中不分離性コンクリート組成物の配合を示す。なお、分散剤の配合量は、粉体量（Ｐ：セメント＋膨張材）の質量に対する％表示とした。また、ｓ／ａは全骨材の容積に対する細骨材の容積の占める割合を示す

上記表３に記載した水中不分離性コンクリート組成物および硬化体について、各種特性を評価した。詳細を以下に説明する。

＜スランプフロー試験＞
ＪＩＳＡ１１５０「コンクリートのスランプフロー試験方法」に準拠して行い、スランプコーンを引き抜き後、５分後にスランプフロー値を測定した。
＜圧縮強度試験＞
ＪＩＳＡ１１３２「コンクリートの強度試験用供試体の作り方」に準じて供試体を作製し、２４時間後に脱型後、材齢２８日まで水中養生を行った。得られた各供試体の圧縮強度は、ＪＩＳＡ１１０８「コンクリートの圧縮強度試験方法」に準拠して測定した。
＜拘束膨張率試験＞
ＪＩＳＡ６２０２「コンクリート用膨張材」のＡ法に準じて試験を行い、材齢７日および２８日における拘束膨張率を求めた。

上記試験で得られた結果を表４に示す。
１２５μｍより粗い粒子の膨張性焼成物の含有率が１０％を超える膨張材（膨張性焼成物Ｅ）を用いた比較例１では、７日における拘束膨張率が１５０〜２５０μｍの範囲内となったが、材齢２８日では過膨張となることが分かった。また、比較例１は、強度が低下することも分かった。５３〜１２５μｍの粒子の膨張性焼成物の含有率が１５％未満の膨張材（膨張性焼成物Ｆ）を用いた比較例２では、７日および２８日の拘束膨張率が１５０μｍ未満となることが分かった。膨張性焼成物のブレーン比表面積が３５００ｃｍ^２／ｇ以上の膨張材（膨張性焼成物ＦおよびＧ）を用いた比較例２および３では、スランプフロー値が小さくなることが分かった。一方、本発明の膨張材（膨張性焼成物Ａ〜Ｄ）を用いた実施例１〜４では、良好な流動性および強度を確保でき、かつ、良好な拘束膨張率を得られることが分かった。
なお、土木学会で定められた規格であるＪＳＣＥ−Ｄ１０４−２０１３「コンクリート用水中不分離性混和剤品質規格（案）」に準拠して測定した水中不分離性コンクリート組成物を水中に投入した際の懸濁物質の量は、いずれの水準でも５０ｍｇ／Ｌ以下であり、良好な水中不分離性が得られていることを確認した。

Claims

水中不分離性コンクリートに用いる膨張材であって、膨張性焼成物を主体とし、
該膨張性焼成物中の５３〜１２５μｍの粒子の含有率が１５％以上３０％以下であり、
また１２５μｍより粗い粒子の含有率が８％以下であり、
かつ膨張性焼成物のブレーン比表面積が２０００ｃｍ ^２／ｇ以上３２００ｃｍ ^２／ｇ以下であることを特徴とする水中不分離性コンクリート用膨張材。
さらに前記膨張材が石膏を含むことを特徴とする請求項１に記載の水中不分離性コンクリート用膨張材。
請求項１または２に記載の膨張材と、セメントと、増粘剤とを含む水中不分離性コンクリート組成物。
前記膨張材の配合量が、単位量で１０〜３０ｋｇ／ｍ^２であり、
前記増粘剤の配合量が、単位量で１．５〜３．８ｋｇ／ｍ^２である
ことを特徴とする請求項３に記載の水中不分離性コンクリート組成物。
請求項３または４に記載の水中不分離性コンクリート組成物を硬化して得られる、水中不分離性コンクリート硬化体。