JP7384636B2

JP7384636B2 - 高強度モルタルまたは高強度コンクリートの耐火性能の向上方法

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Publication number: JP7384636B2
Application number: JP2019201252A
Authority: JP
Inventors: 浩巳藤原; 了藤原
Original assignee: DC Co Ltd
Current assignee: DC Co Ltd
Priority date: 2019-11-06
Filing date: 2019-11-06
Publication date: 2023-11-21
Anticipated expiration: 2039-11-06
Also published as: JP2021075409A

Description

本発明は、高強度モルタルまたは高強度コンクリートの耐火性能を向上させる方法に関するものであり、セメントなどの結合材の一部を高炉スラグ微粉末またはフライアッシュ微粉末に置き換えることにより耐火性能を向上させるようにしたものである。

従来、高炉スラグやフライアッシュ、シリカヒュームを混合した混合セメントが使用されており、それらを用いて、高強度モルタルやコンクリートが製造されている。セメント組成物に配合するためのフライアッシュおよびフライアッシュを用いたモルタルまたはコンクリートに関する従来技術としては、例えば以下の特許文献１～６記載の発明がある。

特許文献１には、ポルトランドセメントと、ＢＥＴ比表面積が２ｍ^２／ｇ以上５ｍ^２／ｇ未満であるフライアッシュと、水と、セメント分散剤とを含んでなる超高強度モルタル組成物であって、ポルトランドセメントとフライアッシュとの質量比が９０：１０～７０：３０であり、水／結合材比が０．１～０．２であり、セメント分散剤がポリカルボン酸系分散剤を含有していることを特徴とする超高強度モルタル組成物、およびこれに粗骨材が配合された超高強度コンクリート組成物が開示されている。

特許文献２には、粉砕して微粒子化したフライアッシュであって、質量平均粒径（μｍ）が０．１乃至０．７３μｍの範囲にあり、かつ粒径３.７３μｍ以下における質量累積率（％）が９５％以上となり、また、ブレーン比表面積が２．５ｍ^２／ｇ（２５０００ｃｍ^２／ｇ）以上であることを特徴とする多機能性フライアッシュが開示されており、従来のフライアッシュを用いたセメントおよびコンクリート硬化体の早期強度の低下といった問題を克服し、その硬化体の２８日強度並びに長期強度も増進させ、しかもセメント硬化体以外のものにも多用途化できる旨が記載されている。

特許文献３には、結合材にブレーン比表面積が２５００～１００００ｃｍ^２／ｇのフライアッシュを含む混合物を用いた水結合材比が１０～２０％の高強度ポーラスコンクリートの開示がある。

特許文献４には、セメント、シリカフューム、及び、シリカフュームに比べて大きな粒度を有するフィラー（分級フライアッシュ：ブレーン比表面積は、好ましくは４０００～５００００ｃｍ^２／ｇ、より好ましくは６０００～３００００ｃｍ^２／ｇ、特に好ましくは７０００～２００００ｃｍ^２／ｇである。）も含む結合材を用いた水結合材比０．１８以下であり、圧縮強度が８０Ｎ／ｍｍ^２以上のコンクリートからなる耐摩耗版の製造方法の開示がある。

特許文献５には、特許請求項に粒径２０μｍ以下のフライアッシュを２～２５重量％配合したことを特徴とする高層鉄筋コンクリート構造物や鋼管充填コンクリート（ＣＦＴ）構造物等の施工に用いられる設計基準強度８０Ｎ／ｍｍ^２程度以下の高強度・高流動コンクリートに関し、シリカヒュームによることなく低水セメント比で高い流動性及び低い粘性を示し、熱履歴を受けた場合でも高い強度発現性を示す高強度・高流動コンクリート用セメントを提供する技術の開示がある。

特許文献６には、粉体成分としてポルトランドセメントおよびブレーン比表面積７０００～３００００ｃｍ^２／ｇの石灰石粉、フライアッシュ及び高炉水砕スラグよりなる群から選択された１種以上の無機質高微粉砕粉末を含み、該無機質高微粉砕粉末が該粉体成分に５～３０重量％含まれていることを特徴とする高強度セルフレベリング性セメント組成物が記載されている。

また、高炉スラグやシリカヒュームを用いたコンクリートにおいて耐火性を上げる技術も知られており、例えば特許文献７～９記載の発明がある。

特許文献７には、セメント、シリカヒューム、細骨材、粗骨材及び高性能減水剤を含み且つ膨張材を含まない、水／結合材比が１０～１５質量％のコンクリートの圧縮強度の９０％以上の圧縮強度を同一材齢で有する、結合材の一部を膨張材で置換含有させた又は膨張材を添加配合したコンクリートを６０～９０℃で５日間以上加熱促進養生して製造するにあたり、結合材の０．６～２．８質量％を膨張材で置換含有させるか又は結合材の０．６～２．８質量％量の膨張材を添加配合し、コンクリート打設後２４時間以上経過後に、加熱促進養生を行うことを特徴とする、高強度コンクリートの製造方法が記載されており、耐火爆裂抑制材として、ポリプロピレン繊維等の耐火爆裂抑制材を含む実施形態が記載されている。

特許文献８には、コンクリート構造体に用いられる耐火性コンクリートであって、所定の温度で気化する性質を有するとともに、紐状で、長さと太さの比であるアスペクト比が４１０以上７００以下の有機繊維と、結合材のうち５０重量％以上６０重量％以下の割合で含まれる高炉スラグと、靭性を向上させるための鋼繊維とを含むことを特徴とする耐火性コンクリートが記載されている。

特許文献９には、珪酸リチウムを含有することを特徴とする耐火耐熱コンクリートが記載されており、無機添加物として、シリカフューム、高炉スラグ微粉末、天然岩石の微粉末、人口セラミックの微粉末及びフライアッシュ微粉末からなる群から選ばれた１種又は２種以上を配合することが記載されている。

特開２００８－１８９４９１号公報特許第４０３４９４５号公報特開２０１８－００２５１０号公報特開２０１７－０２４９３３号公報特開平１１－２７８９０８号公報特許第３５２８３０１号公報特開２０１５－０４８２８８号公報特開２０１０－１２０８３９号公報特開２００５－１８７２７５号公報

高強度コンクリートの耐火性に関しては、例えば上述した特許文献７～９などにもあるように、従来、ポリプロピレン繊維などの繊維を加えることが多い。しかしながら、ポリプロピレン繊維を加えることにより、一般にコンクリートのフロー値が低下する傾向がある。

本発明は、このような背景のもとに開発されたものであり、高強度モルタルまたは高強度コンクリートの配合において、高炉スラグ微粉末および／またはフライアッシュ微粉末を添加することにより、低水結合材比で高い流動性および低い粘性を示し、かつ耐火性能を持つ高強度モルタルまたは高強度コンクリートを得られる方法の提供を目的としている。

本発明の高強度モルタルまたは高強度コンクリートの耐火性能の向上方法は、累積体積通過率５０％の粒径が０．５～５．０μｍである高炉スラグ微粉末および／またはフライアッシュ微粉末を結合材に添加することを特徴とするものである。

高炉スラグ微粉末とフライアッシュ微粉末は、結合材に何れか一方を添加すればよいが、その場合に限らず高炉スラグ微粉末とフライアッシュ微粉末の両者を併用して添加してもよい。

水結合材比Ｗ／Ｐ１５～３０％（Ｐ＝Ｎ＋ＡＤ）の高強度モルタルまたは高強度コンクリートに累積体積通過率５０％の粒径が０．５～５．０μｍである高炉スラグ微粉末および／またはフライアッシュ微粉末を５～３０％添加することにより高強度モルタルまたは高強度コンクリートの耐火性能を向上させることができる。

高強度モルタルまたは高強度コンクリートの配合において、流動性などのフレッシュ性状の観点からは、水結合材比は好ましくは１７．５～２５％、より好ましくは２０～２５％である。

高炉スラグ微粉末および／またはフライアッシュ微粉末の置換率（ＡＤ／Ｐ）は、５～３０％が好ましい。置換率が大きい範囲ではフレッシュ性状における流動性が良好であるが、耐火性能の面では、より好ましくは５～２０％、さらに好ましくは５～１５％である。

高炉スラグ微粉末またはフライアッシュ微粉末の累積体積通過率５０％粒径は好ましくは０．５～３．５μｍ、より好ましくは０．９～３．２μｍである。累積体積通過率５０％粒径が大きくなるとモルタル化時間が大きくなってしまう傾向があり、また累積体積通過率５０％粒径が小さくなると、混和材料の置換率によっては耐火性能の向上の面で性能がやや低下する傾向がある。

本発明の高強度モルタルまたは高強度コンクリートの耐火性能の向上方法における結合材としては、各種ポルトランドセメント、混合セメントなどを用いることができ、またモルタルまたはコンクリートの目的に応じた性能を高めるためにセメントの一部を他の材料に置き換えた各種セメント系材料などにも適用することができる。

本発明の高強度モルタルまたは高強度コンクリートの耐火性能の向上方法では、累積体積通過率５０％の粒径が０．５～５．０μｍである高炉スラグ微粉末および／またはフライアッシュ微粉末を結合材に添加することで、シリカフューム微粉末などが添加される場合に比べ、高強度モルタルまたは高強度コンクリートの耐火性能が顕著に向上する。

また、従来、高強度モルタルまたは高強度コンクリートの耐火性能の向上に用いられることがあるポリプロピレン繊維との併用においてもフロー値の低下を抑えつつ、耐火性能を向上させることができる。

以下、本発明の高強度モルタルまたは高強度コンクリートの耐火性能の向上方法を、その効果を確認するために行った試験に基づいて説明する。

〔使用材料〕
試験に用いた使用材料を表１に示す。

〔試験方法〕
試験方法としては、モルタルを作製して評価した。モルタルの配合は、高強度コンクリートの粗骨材を抜いたものとした。材料は表１に示すものを用いた。練混ぜの器具としては一般的に用いられているホバートミキサ（容量３Ｌ、０．１２５ｋｗｈ）を使用した。ミキサに材料を投入した後、フロー試験が可能となるような混合状態と目視できた時間をモルタル化時間として測定した。モルタル化時間を測定した後に９０秒間撹拌した。フロー試験は、JIS R 5201「セメントの物理試験方法」に準拠した方法で行なった。フロー値が２６０±１０ｍｍとなるようにＳＰ添加量を調整した。練り混ぜたモルタルを４×４×１６ｃｍの型枠に成型後、２４時間後に脱型してから材齢7日、２８日まで封函養生した試料(４×４×６ｃｍに切断)を用い、耐火試験を実施した。

耐火試験は、電気炉に試料を投入して４００℃まで４０℃/分、４００℃～１１００℃まで１０℃/分で電気炉の温度を上昇させた。１１００℃で７０分保持後、自然冷却させた。電気炉での加熱前後の試料の質量変化率から耐火性能を評価した。質量変化率は、(加熱前の質量－加熱後の質量)÷加熱前の質量×１００で算出した。加熱中の試料の爆裂の評価は、爆裂なし、爆裂あり(試料破片回収可能)、爆裂あり(試料回収不可能)の３種類とした。なお、爆裂あり(試料回収不可能)のときの質量変化率は１００％とした。

〔試験結果〕
(1) フレッシュ性状
フレッシュ性状の試験結果を表２に示した。混和材の置換率を変化させた水準１～２５において、混和材の置換率ＡＤ／Ｐ（Ｐ＝Ｎ＋ＡＤ）が５％のときは混和材の種類によらずモルタル化時間が大きくなった。混和材が１５％のときは、Ｆ３．２およびＢＦ１．８以外では９０秒以下とモルタル化時間が短くなった。混和材が２０％以上では、Ｆ３．２以外でモルタル化時間が９０秒以下となり、流動性が良好なモルタルが得られた。

水結合材比を変化させた水準２６～３７において、フライアッシュの粒度が大きく水結合材比が小さい水準３６、３７は、モルタル化時間が大きく、練り混ぜが困難であった。

ポリプロピレン繊維を添加した水準３８～４３において、シリカフュームにポリプロピレン繊維を０．１５５、０．１３５Ｖｏｌ％（コンクリートで０．１、０．２Ｖｏｌ％相当）の添加で、フロー値が低下した。しかし、フライアッシュ微粉末であるＦ０．９にポリプロピレン繊維を０．１５５、０．１３５Ｖｏｌ％（コンクリートで０．１、０．２Ｖｏｌ％相当）の添加では、フロー値の低下は認められなかった。

(2) 耐火性能
耐火性能の試験結果を表３に示した。混和材の置換率を変化させた水準１～２５において、シリカフュームを混和材に使用した場合は、５％添加の材齢２８日以外はすべて爆裂した。フライアッシュ微粉末を添加した場合は、置換率１５％まではＦ０．９の材齢７日の一部を除き爆裂をしなかった。ただし、置換率２５％以上ではいずれも爆裂をした。高炉スラグ微粉末を用いた水準はいずれも爆裂をしなかった。

水結合材比を変化させた水準２６～３７において、シリカフュームを混和材に使用した場合は、いずれも爆裂をした。フライアッシュ微粉末を用いた場合は、Ｆ０．９の一部で爆裂した。ほかの粒度のフライアッシュ微粉末ではいずれも爆裂しなかった。

ポリプロピレン繊維を添加した水準３８～４３において、シリカフュームを混和材として使用した場合は、ポリプロピレン繊維を添加した水準も含めて爆裂をした。フライアッシュ微粉末Ｆ０．９にポリプロピレン繊維を添加した水準では爆裂をしなかった。

以上のモルタルのフレッシュ性状に関する試験結果および耐火性能の評価においては、シリカフューム微粉末に比べ、フライアッシュ微粉末および高炉スラグ微粉末が、高強度モルタルまたは高強度コンクリートの耐火性能に関して有効であること、高強度コンクリートの耐火性能の向上に用いられることがあるポリプロピレン繊維との併用においてもフロー値の低下を抑えつつ、耐火性能が向上することが確認された。

Claims

累積体積通過率５０％の粒径が０．５～５．０μｍである高炉スラグ微粉末を結合材に対して５～３０％添加し、かつ水結合材比が１７．５～２５％となるようにすることを特徴とする高強度モルタルまたは高強度コンクリートの耐火性能の向上方法。
請求項１記載の高強度コンクリートの耐火性能の向上方法において、前記結合材はセメント、またはセメントを含むセメント系結合材であることを特徴とする高強度モルタルまたは高強度コンクリートの耐火性能の向上方法。