JP2009001449A - 膨張性組成物 - Google Patents
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Abstract
【課題】遊離生石灰およびエーライトを含有するクリンカー組成物と石膏とを一定量混合してなる膨張性組成物であって、低熱ポルトランドセメントと併用した場合に最適な膨張性を容易に得ることができる膨張性組成物を提供する。
【解決手段】遊離生石灰およびエーライトを含有するクリンカ組成物と石膏とを混合してなる膨張性組成物であって、クリンカ組成物中の遊離生石灰含有量が５０質量％以上およびエーライト含有量が１５〜３０質量％、膨張性組成物中の石膏含有量が３０〜６５質量％であることを特徴とする膨張性組成物であり、低熱ポルトランドセメントを結合相形成成分とするモルタル・コンクリートに対して単位量１５〜２５kg/ｍ3で配合される膨張性組成物。
【選択図】図１
【解決手段】遊離生石灰およびエーライトを含有するクリンカ組成物と石膏とを混合してなる膨張性組成物であって、クリンカ組成物中の遊離生石灰含有量が５０質量％以上およびエーライト含有量が１５〜３０質量％、膨張性組成物中の石膏含有量が３０〜６５質量％であることを特徴とする膨張性組成物であり、低熱ポルトランドセメントを結合相形成成分とするモルタル・コンクリートに対して単位量１５〜２５kg/ｍ3で配合される膨張性組成物。
【選択図】図１
Description
本発明は、セメント組成物、例えば、ＰＣコンクリート製道路橋・鉄道橋床版・トンネル覆工・高欄等の土木構造物や倉庫床版、立体駐車場などの一般建築構造物について、コンクリートのひび割れ抑制などのために混和して使用される膨張性組成物に関する。
近年、コンクリート構造物の耐久性を高めるために、コンクリートのひび割れを抑止するコンクリート用膨張材が注目され、需要が伸びてきている。特にひび割れを低減するためには膨張材を使用することが有効であり、膨張材の使用量を低減して経済的負担を小さくすることが不可欠である。
コンクリート用の膨張材としては、カルシウムサルホアルミネート等のエトリンガイト生成物質を有効成分とするエトリンガイト系膨張材と遊離生石灰を有効成分とする生石灰系膨張材の二種類が代表的なものとして使用されている。このうち、生石灰系膨張材は一般に水和反応活性が高く、特にコンクリートの大規模な初期収縮を抑制する効果に優れることが知られている。
生石灰系膨張材として遊離生石灰をエーライトが内包する形で生成させた膨張性組成物が知られている（例えば、特許文献１参照）。この膨張性組成物は、遊離生石灰を内包させずに生成させた生石灰系膨張材に比べて、膨張制御が容易であり、強度低下が少ないという特性がある。
これら上記膨張性組成物は、近年、単位量およそ２０kg/ｍ3の低添加型膨張材としての使用が主流となり、土木分野に限らず建築分野においても膨張コンクリートの乾燥収縮ひび割れ抑制を目的として使用されている。このような膨張コンクリートに使用されるセメントは、通常、ポルトランドセメントが使用されている。さらに、このポルトランドセメントとしては、普通ポルトランドセメントや早強ポルトランドセメントが一般に使用されている。
膨張コンクリートに使用される膨張材は、セメントの水和反応に応じて膨張反応が調整されており、一般に用いられている普通ポルトランドセメントや早強ポルトランドセメントの水和反応を基準として設計されている。
一方、高耐久性の観点から低熱ポルトランドセメントがコンクリート構造物に盛んに使用されている。この低熱ポルトランドセメントは、普通ポルトランドセメントに比べて水和熱の大きなエーライト相(Ｃ3Ｓ)やカルシウムアルミネート相(Ｃ3Ａ)が少ない反面、水和熱量が小さいビーライト相(Ｃ2Ｓ)の含有比率が２倍近くあるため、水和反応が普通ポルトランドセメントよりも大きく遅延する。
このため、低熱ポルトランドセメントに上記膨張材を組み合わせて使用する場合、膨張材の使用量が従来と同様の単位量２０kg/ｍ3程度では、膨張材と低熱ポルトランドセメントの水和反応の時間的なズレから、コンクリートは３００μ以上の過膨張を生じ易い（例えば、非特許文献１参照）。このように、低熱ポルトランドセメントと膨張材とを併用する場合、従来は膨張性能を適正化することが難しく、低熱ポルトランドセメントと膨張材と併用する例は少ない。
低熱過膨張の抑制方法として、膨張材の単位量を減じて使用する方法もあるが、膨張材中のエーライト量も減るため、強度低下や低添加によって生コンプラントにおける分散性の低下などが課題として挙げられる。また、乾燥収縮が顕著な建築構造物については水結合材比を限定し、膨張材の単位量（kg/ｍ3）を調整し、膨張材と低熱ポルトランドセメントを組み合わせて使用することも知られている（特許文献２参照）。しかし、この使用方法は規格〔土木学会「膨張コンクリートの施工指針」（膨張材を混和したコンクリートの拘束膨張率150〜250μ）〕の規定外となり、水結合材比を４５％以下に限定することが必要であり、また、膨張材の単位量も調整する必要がある等の課題が残る。
特開昭５０−２４３２０号公報
特開２００４−２１７５１４公報
コンクリート工学年次論文報告集Vol.19、No.1、1997年、「高強度・低収縮・高流動コンクリートの低収縮化に関する基礎研究」
本発明は、従来の上記課題を解決したものであり、遊離生石灰およびエーライトを含有するクリンカー組成物と石膏とを一定量混合してなる膨張性組成物であって、低熱ポルトランドセメントと併用した場合に最適な膨張性を容易に得ることができる膨張性組成物を提供する。
本発明は以下に示す構成を有することよって上記課題を解決した膨張性組成物である。
（１）遊離生石灰およびエーライトを含有するクリンカ組成物と石膏とを混合してなる膨張性組成物であって、クリンカ組成物中の遊離生石灰含有量が５０質量％以上およびエーライト含有量が１５〜３０質量％、膨張性組成物中の石膏含有量が３０〜６５質量％であることを特徴とする膨張性組成物。
（２）遊離生石灰はエーライトに内包されているものおよび/または内包されていないものを含み、クリンカ組成物中の遊離生石灰含有量が５５〜７０質量％、膨張性組成物中の石膏含有量が３５〜５０質量％である上記(１)に記載する膨張性組成物。
（３）クリンカ組成物の粉末度が１５００〜５０００cm2/ｇである上記(１)または上記(２)に記載する膨張性組成物。
（４）低熱ポルトランドセメントを結合相形成成分とするモルタル・コンクリートに対して単位量１５〜２５kg/ｍ3で配合される上記(１)〜上記(３)の何れかに記載する膨張性組成物。
（１）遊離生石灰およびエーライトを含有するクリンカ組成物と石膏とを混合してなる膨張性組成物であって、クリンカ組成物中の遊離生石灰含有量が５０質量％以上およびエーライト含有量が１５〜３０質量％、膨張性組成物中の石膏含有量が３０〜６５質量％であることを特徴とする膨張性組成物。
（２）遊離生石灰はエーライトに内包されているものおよび/または内包されていないものを含み、クリンカ組成物中の遊離生石灰含有量が５５〜７０質量％、膨張性組成物中の石膏含有量が３５〜５０質量％である上記(１)に記載する膨張性組成物。
（３）クリンカ組成物の粉末度が１５００〜５０００cm2/ｇである上記(１)または上記(２)に記載する膨張性組成物。
（４）低熱ポルトランドセメントを結合相形成成分とするモルタル・コンクリートに対して単位量１５〜２５kg/ｍ3で配合される上記(１)〜上記(３)の何れかに記載する膨張性組成物。
本発明の膨張性組成物は、遊離生石灰およびエーライトを含むクリンカー組成物と石膏とを併用することによって、低熱ポルトランドセメントの水和反応に適合した膨張反応が進ので、低熱ポルトランドセメントを結合相形成成分とするモルタル・コンクリートに使用したときに最適な膨張効果を得ることができる。
また、本発明の膨張性組成物は遊離生石灰がエーライトによって内包された生成相を含むものは高い強度発現性を有する。さらに、石膏を含有することによって長期的な膨張性能を有し、低熱ポルトランドセメントと組み合わせて使用する場合に、低添加量（例えば20kg/ｍ3）でコンクリートのひび割れを効果的に抑制することができる。
以下、本発明を実施例と共に具体的に説明する。なお、％は特に示す場合および単位固有の場合を除き質量％である。
本発明の膨張性組成物は、遊離生石灰およびエーライトを含有するクリンカ組成物と石膏とを混合してなる膨張性組成物であって、遊離生石灰含有量が５０％以上およびエーライト含有量が１５〜３０％のクリンカ組成物を用い、該膨張性組成物に石膏を３０〜６５％含有させた膨張性組成物である。
本発明の膨張性組成物に用いるクリンカ組成物には、クリンカ組成物が製造されるときに生成した遊離生石灰およびエーライトが含有されている。クリンカ組成物中の遊離生石灰量は、５０％以上を必要とし、５５〜７０％が好ましい。遊離生石灰量が５０％未満では膨張に寄与する酸化カルシウムが不足するので十分な膨張性能を得ることができない。一方、遊離生石灰量が７０％を超えると、酸化カルシウム含有率が高いため、クリンカ組成物中のエーライト含有率が減少し、膨張コンクリートに緻密な硬化体組織が得られず、諸条件によっては強度低下を生じる可能性があるので、７０％以下が好ましい。
本発明の膨張性組成物に用いるクリンカ組成物に含有されているエーライトは、遊離生石灰を内包するもの、および/または内包しないものを含む。なお、遊離生石灰はエーライトに内包されているものが好ましいが、遊離生石灰の内包率は限定されない。
クリンカ組成物中のエーライト含有量は１５％〜３０％が好ましい。エーライト含有量が１５％未満では遊離生石灰に対するエーライトの内包率が低くなり、膨張コンクリートが緻密な硬化体組織になり難く、膨張コンクリートに強度低下を生じる可能性がある。一方、エーライト含有率が３０％を上回ると膨張に寄与する酸化カルシウムが不足し、十分な膨張性能を得ることができない。
クリンカ組成物には遊離生石灰を内包したエーライト相の他に、例えば、エーライトによって内包されていない遊離生石灰、カルシウムアルミネート相、フェライト相、無水石膏等の何れか１種または２種以上を生成相として含むものであっても良い。好ましくは、トリカルシウムアルミネート（C3Ａ）および無水石膏（ＣａＳＯ4）を生成相として含むものが、強度発現性や耐風化性が向上するので好ましい。
クリンカ組成物の原料は限定されない。CaO成分の原料として生石灰や石灰石（タンカル）、消石灰などが挙げられ、他の成分の原料として珪石、石膏、ヘマタイト、アルミナ等が挙げられる。また、クリンカ組成物の焼結性を阻害しない範囲で不純物（ＭｇＯ、Ｎａ2Ｏ、Ｋ2ＳＯ4など）が含まれていても良い。
クリンカ組成物の製造方法は限定されず、ロータリーキルンによる焼成や電気炉による溶融などによる熱処理を適宜利用して製造すればよい。クリンカ組成物は原料の配合割合や不純物の含有量によって焼結性が変動するため焼成温度は限定されないが、通常、１３００〜１５００℃の焼成温度で製造される。焼結性が低いと遊離生石灰結晶の成長を損ない、膨張性能が不足するため、クリンカ嵩比重は１.５０以上が適当である。
クリンカ組成物の粉末度は、１５００〜５０００cm2/ｇが好ましい。粉末度が１５００cm2/ｇ未満では３００μｍ以上の粗粉が混入し、硬化コンクリート表面の肌荒れやポップアウトが生じる可能性があり、また膨張性に有効な粗粒子が多くなるため、過大膨張も懸念される。一方、粉末度が５０００cm2/ｇを上回ると１０μｍ以下の微粉が多くなるため、膨張反応が促進され、十分な硬化体組織が形成される前に膨張発現し、過大膨張や強度低下を生じる。
本発明の膨張性組成物には、上記クリンカ組成物と共に石膏が含有されている。石膏は過膨張抑制作用を果たす。石膏の含有量は、クリンカ組成物中で３０〜６５％が適当であり、３５〜５０％が好ましい。石膏含有量が３０％未満では膨張反応を抑制する効果が不十分になり、膨張性組成物を低熱ポルトランドセメントに対して使用したときに、水和反応が抑制されずに過剰膨張を生じやすい。一方、石膏含有量が６５％を上回ると膨張性組成物中の遊離生石灰量が減少し、膨張に寄与する酸化カルシウムが不足し十分な膨張性能を得ることができない。
本発明に用いる石膏は何れの種類でも良いが、ＩＩ型無水石膏が好ましい。また、使用する無水石膏の粉末度は３０００cm2/g以上のものが、所望の反応活性が得られるので好ましい。より好ましくは粉末度が６０００cm2/g以上の石膏が良い。粉末度の上限は特に制限されないが、粉末度を高めるコストが嵩む割にはその効果が鈍化することから概ね１５０００cm2/g程度が適当である。
本発明の膨張性組成物は上記クリンカ組成物と石膏とを混合して製造される。混合方法は限定されない。一般にはヘンシェルミキサーや噴射型ミキサー等により均斉化混合される。
本発明の膨張組成物は、低熱ポルトランドセメントを結合相形成成分とするモルタルやコンクリート等に対して、単位量１５〜２５kg/ｍ3の低添加量で使用される。本発明の膨張組成物は上記単位量の低添加量で使用しても、膨張性能が高く、効果的な膨張性能を発現し、コンクリートのひび割れ抑制を十分発揮することができる。なお、膨張組成物の単位量が１５kg/ｍ3未満では膨張性能が不足し、効果的なひび割れを抑制できず、単位量が２５kg/ｍ3を超えると過膨張が生じ、強度低下も招く可能性があるため適当ではない。
本発明の膨張性組成物が使用される低熱ポルトランドセメントは限定されない。一般には日本工業規格（JIS R 5210）に示されるものが使用される。
本発明の膨張性組成物は、本発明の効果を実質的に失わない範囲で、例えばモルタルやコンクリートに使用できる他の成分を含有するものであっても良い。このような成分として、具体的には、各種セメント、各種骨材、繊維、減水剤（分散剤、高性能減水剤、ＡＥ減水剤、高性能ＡＥ減水剤等を含む。）、収縮低減剤、シリカフューム、スラグ、凝結促進剤、凝結遅延剤、増粘剤、保水剤、防錆剤、空気連行剤、消泡剤、起泡剤等を例示することができる。
以下、本発明の実施例を比較例と共に示す。
〔実施例１・比較例１〕
表１に示す使用材料を用い、焼成温度１４００℃で、クリンカ嵩比重が１.６０〜１.７０になるように焼結させたクリンカを粉砕し、粉末度を１３００〜６１００cm2/ｇに調整したクリンカ組成物を製造した。製造したクリンカ組成物に石膏をヘンシェルミキサーにて混合し、膨張組成物を作成した。表２にクリンカ組成物の成分を示し、表３に膨張組成物（低添加型膨張材）の成分を示す。
〔実施例１・比較例１〕
表１に示す使用材料を用い、焼成温度１４００℃で、クリンカ嵩比重が１.６０〜１.７０になるように焼結させたクリンカを粉砕し、粉末度を１３００〜６１００cm2/ｇに調整したクリンカ組成物を製造した。製造したクリンカ組成物に石膏をヘンシェルミキサーにて混合し、膨張組成物を作成した。表２にクリンカ組成物の成分を示し、表３に膨張組成物（低添加型膨張材）の成分を示す。
コンクリートに使用する材料を表４に示す。表３の膨張性組成物を用い、セメントの種類および単位膨張材量をそれぞれ選定し、水セメント比５０.０％、細骨材率４６.４％に設定し、表５の水準にてコンクリートを練り混ぜた。練混ぜたコンクリートの膨張性能を測定した。膨張性能は規格〔JIS A 6202 コンクリート用膨張材付属書２にある拘束膨張及び収縮試験方法(Ａ法)〕に準拠した。また、試験に用いた試験体を表面観察し、ポップアウトの有無を確認した。試験結果を表６に示す。
低熱ポルトランドセメントを用いたコンクリートに対して本発明の膨張材（本発明試料１〜６）を用いた実施例（No１〜７)は、材齢７日のコンクリート拘束膨張率において、何れも１７０〜２３６μmの良好な膨張性能を発揮し、上記試験方法による「膨張コンクリートの施工指針」に規定されている土木学会基準（材齢７日のコンクリート拘束膨張率：１５０〜２５０μm）を満足する結果であり、硬化試験体のポップアウトも認められなかった。
本発明のクリンカ組成物の粉末度が１５００cm2/g未満の比較試料(No.９)、６０００cm2/g以上の比較試料(No.14)は何れも材齢２８日の拘束膨張率が４００μ以上の過大膨張が認められ、比較試料No.９は試験体表面に多くのポップアウトも認められた。
コンクリートにおける単位膨張材量を２５kg/m3以上とした比較例No.８、膨張性組成物中に石膏が無い比較試料No.１３、石膏含有率が３０％未満の比較試料No.１２は何れも過大膨張が認められた。
本発明のクリンカ組成物中の遊離生石灰含有量が５０％未満の比較試料No.１０、および膨張組成物中の石膏量が７０％以上の比較試料No.１１、コンクリートにおける単位膨張材量が１５kg/m3未満とした比較試料No.１７は何れも膨張性能が不足し、材齢７日のコンクリート拘束膨張率は１５０μ以下であった。
また、本発明品の膨張組成物を普通ポルトランドセメントや早強ポルトランドセメントと組み合わせた比較試料No.１５、No.１６は膨張性能が不足し、材齢７日のコンクリート拘束膨張率において、１２０μ以下であった。
〔実施例２・比較例２〕
実施例１の膨張材組成物、使用材料を用いてモルタルを調製し、長期的な膨張性能をJIS A 6202 膨張材のモルタルによる膨張性試験方法に準拠し、その評価を実施した。試験に用いたモルタルの配合を表７に示し、モルタル拘束膨張試験結果を図１および図２に示す。
実施例１の膨張材組成物、使用材料を用いてモルタルを調製し、長期的な膨張性能をJIS A 6202 膨張材のモルタルによる膨張性試験方法に準拠し、その評価を実施した。試験に用いたモルタルの配合を表７に示し、モルタル拘束膨張試験結果を図１および図２に示す。
図１に示すように、本発明品の膨張組成物(本発明試料１〜６)は、材齢７日膨張率で７００〜１０００μの高膨張性能を発揮し、また、材齢７日以降も、長期的にマイルドに水和膨張が持続することが確認され、長期的な乾燥収縮低減効果が期待される。一方、図２の膨張性組成物（参考試料１〜６）は、材齢７日膨張率で１５００μ以上の過膨張（参考試料１、４〜６）と、５００μ以下の膨張不足（参考試料２、３）が認められ、適正な膨張性能を発現することができない。
Claims (4)
- 遊離生石灰およびエーライトを含有するクリンカ組成物と石膏とを混合してなる膨張性組成物であって、クリンカ組成物中の遊離生石灰含有量が５０質量％以上およびエーライト含有量が１５〜３０質量％、膨張性組成物中の石膏含有量が３０〜６５質量％であることを特徴とする膨張性組成物。
- 遊離生石灰はエーライトに内包されているものおよび/または内包されていないものを含み、クリンカ組成物中の遊離生石灰含有量が５５〜７０質量％、膨張性組成物中の石膏含有量が３５〜５０質量％である請求項１に記載する膨張性組成物。
- クリンカ組成物の粉末度が１５００〜５０００cm2/ｇである請求項１または請求項２に記載する膨張性組成物。
- 低熱ポルトランドセメントを結合相形成成分とするモルタル・コンクリートに対して単位量１５〜２５kg/ｍ3で配合される請求項１〜請求項３の何れかに記載する膨張性組成物。
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