JP2008230869A

JP2008230869A - コンクリート組成物

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Publication number: JP2008230869A
Application number: JP2007069048A
Authority: JP
Inventors: Makoto Ichitsubo; 誠市坪; Itaru Horiguchi; 至堀口; Masaaki Tanaka; 雅章田中
Original assignee: KURE NATIONAL COLLEGE OF TECHNOLOGY; Chugoku Electric Power Co Inc
Current assignee: KURE NATIONAL COLLEGE OF TECHNOLOGY; Chugoku Electric Power Co Inc
Priority date: 2007-03-16
Filing date: 2007-03-16
Publication date: 2008-10-02

Abstract

【課題】セメントに替え、PFBC灰及び高炉スラグ微粉末を用いることにより、セメントを使用しないコンクリート組成物を提供すること。
【解決手段】細骨材、粗骨材、水および結合材を含み、セメントを含まないコンクリート組成物であって、前記結合材がPFBC灰及び高炉スラグ微粉末を含むことを特徴とする、コンクリート組成物とする。
【選択図】なし

Description

PFBC灰を利用するコンクリート組成物に関する。

コンクリートとは、結合材、水、骨材及び必要に応じて加える混和材料を構成材料とし、これらを練混ぜその他の方法によって混合したもの、または硬化させたものをいう。ここで、混和材料とは、結合材、水、骨材以外の材料で、コンクリートなどに特別の性質を与えるために、打込みを行う前までに必要に応じて加える材料である。また、結合材とは、水と反応し、コンクリートの強度発現に寄与する物質を生成する材料で、例えば、セメント、高炉スラグ微粉末及びフライアッシュなどが含まれる。なお、セメントとは、水と反応して硬化する鉱物質の微粉末である。また、高炉スラグ微粉末とは、溶鉱炉で銑鉄と同時に生成する溶融状態の高炉スラグを水によって急冷し、これを乾燥・粉砕したものをいうが、これにせっこうを添加してもよい。フライアッシュとは、微粉炭燃焼ボイラの燃焼ガスから集じん器で捕集されるアッシュである。

製鋼所において製鋼工程で排出される高炉スラグ微粉末及び石炭火力発電所から排出されるフライアッシュ等は、廃棄物の有効利用を促進する観点から、結合材として積極的に使用が試みられてきた。しかし、これら高炉スラグ微粉末またはフライアッシュをセメントと併用する形で使用したコンクリートは開発されたものの、結合材としてセメントを全く含まないコンクリート組成物は開発されていない。なぜなら、高炉スラグ微粉末やフライアッシュはそれ自体では水硬性がない。しかし、フライアッシュはセメントと併用することでセメント水和物と除々に反応し、硬化体を形成する（ポゾラン作用）。また，高炉スラグ微粉末はセメントのアルカリ成分を刺激剤として、水硬性を示す性質を持つ（潜在水硬性）。

一方で、加圧流動床式複合発電 (Pressurized Fluidized Bed Combusion, PFBC) 方式の石炭火力発電所から排出されるPFBC灰を、セメントと共に結合材として利用するコンクリート組成物が開発された。PFBC灰は一般的なフライアッシュと異なり自硬性を有するが、結合材として単体で用いた場合の硬化体の強度は小さいため、これまでに開発されたPFBC灰を用いるコンクリート組成物においても、結合材としてセメントを全く含まない物は存在しない。
特開平１１−１４７７４７

本発明は、セメントを使用しないコンクリート組成物を提供することを目的としてなされた。

本発明にかかるコンクリート組成物は、細骨材、粗骨材、水および結合材を含み、セメントを含まないコンクリート組成物であって、前記結合材がPFBC灰及び高炉スラグ微粉末を含むことを特徴とする。セメントを含むコンクリート組成物が硫酸塩に接すると、セメント水和物と硫酸塩が反応することによって体積膨張を起こし、ひび割れが発生する。しかし、このコンクリート組成物は、セメントを含まないため優れた耐硫酸性を有する。ここで、粗骨材とは、5 mm網ふるいに質量で85%以上とどまる骨材をいい、細骨材とは、10 mm網ふるいを全部通り、5 mm網ふるいを質量で85%以上通る骨材をいう。

前記PFBC灰と前記高炉スラグ微粉末の質量比が、75 : 25 〜 25 : 75、もしくは、前記結合材に占める前記高炉スラグ微粉末の含有率が50質量%以下であることが好ましい。

また、前記コンクリート組成物は、混和剤をさらに含んでいても良い。混和剤とは、混和材料の中で、使用量が少なく、それ自体の容積がコンクリートなどの練上がり容積に算入されないものをいう。前記混和剤は、AE剤または高性能減水剤であることが好ましい。AE剤(air-entraining admixture)とは、例えば、樹脂酸系、アルキルベンゼンスルホン酸塩系及び高級アルコール硫酸エステル塩系の界面活性剤を主成分とする混和剤であり、コンクリートの中に多数の微細な独立した空気泡を一様に分布させ、ワーカビリティー及び耐凍害性を向上させるために用いる。また、高性能減水剤とは、例えば、ポリカルボン酸系、ナフタリン系、メラミン系及びアミノスルホン酸系の界面活性剤を主成分とする混和剤であり、高い減水性能及び良好なスランプ保持性能をコンクリートに与えるために用いる。

前記水と前記結合材の水結合材比が、40質量%以下であることが好ましい。ただし、前期水結合材比は、フレッシュコンクリート組成物中の比である。

本発明により、セメントを使用しないコンクリート組成物を提供することが可能となった。

以下、好ましい実施の形態につき実施例および添付図面を用いて詳細に説明する。しかし、以下は本発明を実施するための例であって、本発明を以下の実施形態に限定するものではない。本明細書で開示されている本発明の意図ならびに範囲内で、本明細書の記載に基づき様々に修飾ができることは、当業者にとって明らかである。

本発明にかかるコンクリート組成物は、細骨材、粗骨材、水および結合材を含み、結合材として、セメントを含まず、PFBC灰及び高炉スラグ微粉末を含む。

PFBC灰及び高炉スラグ微粉末の質量比は、25 : 75 〜 75 : 25であることが好ましく、また、結合材に占める前記高炉スラグ微粉末の含有率が50質量%以下であることが好ましい。

ここで、粗骨材とは、5mm網ふるいに質量で85％以上とどまる骨材をいうが、砕石、人口骨材など、特に限定されない。また、細骨材とは、10mm網ふるいを全部通り、5mm網ふるいを質量で85％以上通る骨材をいうが、川砂、砕砂など、特に限定されない。また、混和剤を含んでもよく、混和剤は特に限定されないが、AE剤または高性能減水剤であることが好ましい。

なお、このコンクリート組成物を用いて、通常の周知技術でコンクリートを作製することができる。さらに、このコンクリート組成物は、セメントを含まないため優れた耐硫酸性を有することから、下水道関連施設及び温泉地等の硫酸による劣化を受ける構造物に好適に使用することができる。

＝＝コンクリート組成物の構成材料＝＝
本実施形態で用いた水(water, W)、PFBC灰(PFBC coal ash, P)、高炉スラグ微粉末(ground granulated blast-furnace slag, BF)、セメント(cement, C)、細骨材(sand, S)、粗骨材(gravel, G)、及び混和剤の詳細データを、表１に示す。セメントは、後述する対比用の普通コンクリート(plain concrete, PC)を作製する際に用いた。ここで、普通コンクリートとは、結合材としてセメントを用いた、一般的に用いられているコンクリートをいう。

さらに、PFBC灰及び高炉スラグ微粉末の化学組成比を、表２に示す。

＝＝コンクリート組成物の性能試験＝＝
本実施で用いたコンクリート組成物の供試体の配合を、表３に示す。

全ての配合において、結合材(binder, B)、即ち、PFBC灰及び高炉スラグ微粉末の総量、に対する水(water, W)の質量比である水結合材比(W/B)を50%と一定とした。また、コンクリート1 m³を作るときに用いる水の使用量を表す単位水量を186 kg/m³、全骨材量に対する細骨材量の絶対容積比を表す細骨材率(sand/aggregate, s/a)を41.0%と一定にした。

本条件の下、結合材に占める高炉スラグ微粉末の含有率(BF/B)を、0、25、50及び75%と変えた4種のコンクリート組成物を作製し、配合名を各々、50-BF0、50-BF25、50-BF50及び50-BF75とした。また、本発明にかかるコンクリート組成物の性質を明確にするべく、比較用として、結合材にセメントを使用した普通コンクリート（PC）も作製した。

［実施例１］
コンクリートはその使用用途・環境等に応じて、フレッシュコンクリートの軟らかさの程度を示す値であるスランプを調節する必要がある。

そこで、上記コンクリート組成物(50-BF0、50-BF25、50-BF50及び50-BF75)を用い、スランプの値と、そのスランプを得るのに必要な高性能減水剤(super plasticizer, SP)の添加量との関係を調べた。スランプは、上端内径100 mm、下端内径200 mm及び高さ300 mmのコーンに、コンクリート組成物を詰めた後、静かに鉛直に引き上げた時の、コンクリート組成物等の中央における下がりにより測定した(JIS A 1101)。結果を、図１に示す。

図1の、縦軸はスランプ(cm)を表し、横軸は高性能減水剤の添加量（kg/m³）を表している。図1より、所定のスランプ(8.0±2.5cm)を得るのに必要な高性能減水剤の添加量は、コンクリート組成物の高炉スラグ微粉末含有率に依存し、高炉スラグ微粉末の含有率が大きくなるに伴い、少量で良いことが明らかになった。

［実施例２］
コンクリートは、フレッシュ時のワーカビリティーの改善や、硬化時の耐久性の向上のため、コンクリートを練り混ぜる段階で、コンクリート中に微小な空気泡を導入することが好ましい。

そこで、上記コンクリート組成物(50-BF0、50-BF25、50-BF50及び50-BF75)を用い、コンクリート組成物中に含まれる空気量 (%)と、その空気量を得るのに必要なAE剤の添加量との関係を調べた。空気量の測定方法は、JIS A 1128の規定に従った。結果を、図２に示す。

図２において、縦軸は空気量(%)を表し、横軸はAE剤の添加量（kg/m³）を表している。図２より、所定の空気量(4.5±1.5%)を得るのに必要なAE剤の添加量については、高炉スラグ微粉末の含有率が大きくなるに伴い、少量で良い傾向にある。

［実施例３］
硬化コンクリートの耐久性を向上させる一要因として、コンクリートの細孔構造が緻密であることが好ましい。また、細孔構造が緻密であるほど強度が大きくなると考えられる。

そこで、高炉スラグ微粉末の含有率の変化が、コンクリート組成物の細孔径に与える影響を調べるために、上記コンクリート組成物(50-BF0、50-BF25、50-BF50及び50-BF75)を使用し、これらの供試体の材齢7及び28日における細孔径分布を測定した。なお、測定に用いた試料はウェットスクリーニングによりモルタル試験体を作製したもの（5mm網ふるいを通過したモルタル部分のみを採取したもの）を用いた。結果を、図３及び４に示す。

図３は材齢7日時の結果であり、図４は材齢28日時の結果である。また、図３及び４において、縦軸は累積細孔容積(mL/mL)を表し、横軸は細孔径(μm)を表している。

図３及び４より、材齢7日及び28日のいずれにおいても、高炉スラグ微粉末を全く含まない配合(50-BF0)に比べ、高炉スラグ微粉末を含む各配合(50-BF25、50-BF50及び50-BF75)によるコンクリート組成物は細孔径の小さい範囲の細孔容積が多く、すなわち、緻密となることが明らかになった。また、高炉スラグ微粉末を含む各配合(50-BF25、50-BF50及び50-BF75)における細孔径分布は類似し、高炉スラグ微粉末の含有率の変化(25、50及び75%)によってほとんど変わらないことが分かった。

以上より、高炉スラグ微粉末を含む各配合(50-BF25、50-BF50及び50-BF75)によるコンクリート組成物は、高炉スラグ微粉末を全く含まない配合(50-BF0)に比べ、いずれも緻密な細孔構造を有することが明らかになった。従って、耐久性や強度の観点から、コンクリート組成物は高炉スラグ微粉末を含むことが好ましい。

［実施例４］
コンクリートは、構造材料等として利用されるその使用目的より、硬化時の強度発現機構の解明が必要とされる。

そこで、上記コンクリート組成物(50-BF0、50-BF25、50-BF50及び50-BF75)及び普通コンクリート(PC)の各供試体を用いて、圧縮強度を測定し、比較を行った。圧縮強度とは、供試体が耐えられる最大圧縮荷重を、圧縮力に垂直な供試体の断面積で除した値である。供試体の作製方法はJIS A 1132、圧縮強度試験方法はJIS A 1108に準拠した。結果を、表４に示す。

普通コンクリートと比較すると、配合50-BF0の供試体の圧縮強度は10%程度であり、配合50-BF25、50-BF50及び50-BF75の各供試体の圧縮強度は30〜40%程度であることが明らかになった。

さらに、表４から圧縮強度と高炉スラグ微粉末の含有率の値を抽出し、両パラメータの関係を、図５に示した。即ち、図５の縦軸は圧縮強度(N/mm²)を表し、横軸は高炉スラグ微粉末の含有率(%)を表している。

図５より、材齢7日強度は高炉スラグ微粉末の含有率25%の供試体(50-BF25)が最も大きく、長期材齢になると高炉スラグ微粉末の含有率が大きくなるほど圧縮強度が大きくなる傾向にあることが分かった。従って、初期強度を増加させたい場合、高炉スラグ微粉末の比率を小さくすれば良く、逆に、長期強度（28日強度以降）を増加させたい場合、高炉スラグ微粉末の比率を大きくすれば良い。

一方、高炉スラグ微粉末の含有率0%の配合(50-BF0)では、強度発現性が著しく乏しく、また、長期強度も期待できない。よって、結合材として高炉スラグ微粉末を全く含まない、PFBC灰単独で利用したコンクート組成物は、構造物に用いるのには適さないと考えられる。

［実施例５］
これまでに行った各試験では、水結合材比を50%と一定にしていた。普通コンクリートは、水結合材比を小さくすれば強度が増加することから、本発明にかかるコンクリート組成物についても同様の効果が得られるかどうかを調べた。

単位水量及び細骨材率に関しては、これまでに行った試験と同じく、各々186 kg/m³及び41.0%の一定にした。高炉スラグ微粉末の含有率は、これまでの性能試験結果から、コンクリート構造物に適用する場合の強度及び後述する収縮等の物性の観点から最もバランスのとれた30%に設定した。

上記条件の下、水結合材比を、45、40、35及び30%とする４種の供試体を作製し、配合名を順番に、45-BF30、40-BF30、35-BF30及び30-BF30とした。これら4種の供試体を用いて圧縮強度を測定した結果を、表５に示す（供試体の作製方法はJIS A 1132、圧縮強度試験方法はJIS A 1108に準拠）。

表５より、結合材としてPFBC灰及び高炉スラグ微粉末を用いたコンクリート組成物の供試体(45-BF30、40-BF30、35-BF30及び30-BF30)においても、普通コンクリートと同様に、水結合材比が小さくなるにつれて強度が大きくなることが分かった。さらに、水結合材比が40%以下の供試体は、一般的な構造物に使用される普通コンクリートと同様の強度（例えば、材齢28日で21〜24 N/mm²程度）を十分満足することが明らかになった。
従って、コンクリート構造物に適用する際には、水結合材比を40%以下にすることが好ましい。

また、普通コンクリートでは、圧縮強度と、水結合材比の逆数である結合材水比が比例関係にあることから、表５の配合を持つコンクリート組成物(45-BF30、40-BF30、35-BF30及び30-BF30)についても同様な傾向が見られるかを検証した。表５のデータから圧縮強度と結合材水比の値を求め、両パラメータの関係を、図６に示す。

図６において、縦軸は圧縮強度(N/mm²)を表し、横軸は結合材水比を表している。この結果から、普通コンクリートと同様に、圧縮強度と結合材水比が材齢に関わらず比例関係にあることが分かった。従って、結合材としてPFBC灰及び高炉スラグ微粉末を用いたコンクリート組成物 (45-BF30、40-BF30、35-BF30及び30-BF30)に関しても、結合材水比から圧縮強度を算出できるため、所定の材齢において必要な強度を得るための水結合材比を容易に選定することができることが明らかになった。

［実施例６］
コンクリート構造物の劣化問題の重大な一つとして、硫酸による分解劣化が挙げられる。

そこで、高炉スラグ微粉末を含むコンクリート組成物(50-BF25、50-BF50及び50-BF75) 及び普通コンクリート(PC)の各供試体を用いて、硫酸浸漬時の質量減少の経時変化を測定することにより、各コンクリート組成物の耐硫酸性を調べた。本試験に用いる供試体は、まず、φ100 x 200 mmの円柱供試体をJIS A 1132に準拠して作製した後、水中養生7日後にダイヤモンドカッターを用いてφ100 x 50 mmの円柱に切断することにより作製した。これらの各供試体を10%（水：450 g、硫酸：50 g）硫酸水溶液に浸漬し、浸漬開始から、1、2、4、8、16及び32日の時点で質量を測定した。質量減少率は、{(浸漬前の質量−浸漬後の質量) ／浸漬前の質量} x 100で計算した。各配合につき3検体を使用し、それらの平均値を用いた。結果を図７に示す。

図７において、縦軸は各供試体の質量減少率(%)を表し、横軸は浸漬日数（日）を表している。図７より、いずれの配合(50-BF25、50-BF50及び50-BF75)においても、普通コンクリートに比べ、硫酸劣化による質量減少率が大幅に低減することが明らかになった。例えば、浸漬日数32日における普通コンクリートの質量減少率は30%を大きく超えるのに対し、50-BF25、50-BF50及び50-BF75各供試体の質量減少率はいずれも5%を下回った。

以上より、３種の配合によるコンクリート組成物(50-BF25、50-BF50及び50-BF75)のいずれについても、普通コンクリートに比べ、耐硫酸性が大きく改善された。

［実施例７］
時間の経過とともに生じる、コンクリートの自己収縮ひずみ及び乾燥収縮ひずみ等を原因とする収縮ひずみは、コンクリートのひび割れ発生の原因となるため、構造物の耐久性などに重大な問題を与える。

そこで、実施例４において比較的良好な強度を発現した高炉スラグ微粉末含有コンクリート組成物(50-BF25、50-BF50及び50-BF75) の各供試体を用いて、収縮ひずみを経時的に測定した。収縮ひずみの測定は、低弾性埋込型ひずみゲージを用いて、コンクリート供試体（100 x 100 x 400 mm）の長さ変化を測定した。なお、コンクリートの自由変形が型枠に拘束されるのを防ぐための措置は、（社）日本コンクリート工学協会「コンクリートの自己収縮応力試験方法（案）」に準拠した。材齢7日までは封緘養生し、材齢7日以降は温度20 ℃の乾燥養生を行った。結果を、図８に示す。

図８において、縦軸は収縮ひずみを表し、横軸は材齢（日）を表している。ここで、材齢7日までの収縮ひずみは、封緘養生していることから、自己収縮ひずみのみに起因するものと考えることができる。また、材齢7日以降の収縮ひずみは、乾燥養生を行っていることから、自己収縮ひずみと乾燥収縮ひずみの両方に起因すると考えられる。

図８より、材齢7日時点の自己収縮ひずみは、50-BF25および50-BF50ともに−18 x 10^-6となった。一方、高炉スラグ微粉末含有率75%(50-BF75)の場合、材齢7日における自己収縮ひずみは−42×10^-6となった。よって、高炉スラグ微粉末の含有率が増加するに従って、自己収縮ひずみは大きくなることが明らかになった。

一方、材齢7日から開始した乾燥養生後に生じた収縮ひずみ、即ち自己収縮ひずみと乾燥収縮ひずみを含む収縮ひずみについて検討すると、高炉スラグ微粉末の含有率が大きくなるに従って、収縮ひずみが著しく増大した。自己収縮ひずみは乾燥養生前後で一定であると考えられることから、高炉スラグ微粉末の含有率が増加するに従って、乾燥ひずみが大きくなることが明らかになった。

以上の結果から、コンクリート構造物への適用には、収縮ひずみの少ない、高炉スラグ微粉末含有率が50%以下のコンクリート組成物が好ましい。

一実施例における、スランプと高性能減水剤(SP)の添加量の関係を示す。一実施例における、空気量とAE剤(AE)の添加量の関係を示す。一実施例における、材齢7日時の累積細孔容積と細孔径の関係を示す。一実施例における、材齢28日時の累積細孔容積と細孔径の関係を示す。一実施例における、圧縮強度と高炉スラグ微粉末含有率の関係を示す。一実施例における、圧縮強度と結合材水比の関係を示す。一実施例における、質量減少率と硫酸水溶液への浸漬日数の関係を示す。一実施例における、収縮ひずみと材齢の関係を示す。

Claims

細骨材、粗骨材、水および結合材を含み、セメントを含まないコンクリート組成物であって、前記結合材がPFBC灰及び高炉スラグ微粉末を含むことを特徴とする、コンクリート組成物。
前記PFBC灰と前記高炉スラグ微粉末の質量比が、75 : 25 〜 25 : 75であることを特徴とする、請求項１に記載のコンクリート組成物。
前記結合材に占める前記高炉スラグ微粉末の含有率が、50質量%以下であることを特徴とする、請求項１に記載のコンクリート組成物。
混和剤をさらに含むことを特徴とする、請求項１〜３いずれかに記載のコンクリート組成物。
前記混和剤が、AE剤または高性能減水剤であることを特徴とする、請求項４に記載のコンクリート組成物。
前記水と前記結合材の水結合材比が、40質量%以下であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載のコンクリート組成物。