JP4691381B2

JP4691381B2 - 高強度コンクリート

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Publication number: JP4691381B2
Application number: JP2005103369A
Authority: JP
Inventors: 伸郎上原; 康範鈴木
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2005-03-31
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2025-03-31
Also published as: JP2006282435A

Description

本発明は、高強度コンクリートに関し、特に、低熱ポルトランドセメントを使用した自己収縮の少ない、経済的な高強度コンクリートに関する。

コンクリート構造物は、大型化や高層化等されており、これにともなって、高強度コンクリートが多用されるようになっている。
高強度コンクリートは、一般に、水結合材比を小さくして配合設計されるため、結合材の単位量が多く、したがって自己収縮が大きくなってしまっている。
かかる自己収縮は、高強度コンクリートに使用されるセメントの種類により、自己収縮の傾向や収縮量が異なり、例えば、自己収縮量については、高炉セメント、早強ポルトランドセメント、普通ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメント、低熱ポルトランドセメントの順に小さくなり、低熱ポルトランドセメントを用いた場合が、他のセメントを用いた場合と比較して自己収縮が最も小さくなる。

現在、設計基準強度が６０Ｎ／ｍｍ^２を超える高強度コンクリートよりもさらに高強度を目指したコンクリート組成物が開発され始めており、極めて高強度であるコンクリート（以下、「超高強度コンクリート」と称す）の場合は、水結合材比が０．２未満の極めて低い水結合材比を有するコンクリートとなっている。
したがって、セメントの種類として、自己収縮率が最も小さい低熱ポルトランドセメントを用いただけでは、十分な自己収縮低減効果を期待することは難しくなっている。

上記問題点に鑑み、コンクリートに、１）膨張材の添加、２）収縮低減剤の添加、３）膨張材と収縮低減剤との併用添加を実施することにより、高強度コンクリートの自己収縮を低減する方法が検討されている。
例えば、特開２０００−１４３３１１号公報には、低熱ポルトランドセメント、膨張材、骨材、及び減水剤を含有したセメント組成物が開示されている。
しかし、このような膨張材の添加の場合には、膨張材を過剰に添加した場合に、遅れ膨張を引き起こす危険性があるため、多量に添加することが難しく、遅れ膨張を起こさない範囲内で最大限添加量を増加させても、十分な自己収縮の抑制効果または十分な収縮補償効果が期待することはできない。

また、収縮低減剤は本来乾燥収縮の低減を目的としてコンクリートに添加されるものであり、かかる収縮低減剤を添加する場合においては、通常の強度レベルのコンクリートについては、自己収縮を抑制する効果も有するとされているが、超高強度コンクリートについては、ほとんど自己収縮を低減する効果がなく、また、コンクリートの粘性増加、空気量の増加や強度低下などが懸念されるため、高強度コンクリートの自己収縮を低減する有効な手段とはいえない。

更に、膨張材と収縮低減剤との併用添加する場合として、特開２００１−３１４５７号公報に、低熱ポルトランドセメント、高性能減水剤または高性能ＡＥ減水剤、細骨材、粗骨材を含有してなり、水／セメント比が４０重量％以下の高強度コンクリートが開示されている。
かかる、膨張材と収縮低減剤とを併用することで単なる重ね合わせとは異なる相乗効果が発揮され、自己収縮を有効に抑制することが期待されるが、この場合も、水結合材比が少ない場合、特に０．２以下のような超高強度コンクリートにおいては、膨張材を上限範囲まで添加し、かつ収縮低減剤を多量添加しないと、有効な自己収縮低減効果が得られない。
したがって、遅れ膨張や強度低下、空気量の変動等に関する問題が生じる他、収縮低減剤の多量の使用は高価なものとなるため、不経済となる。

更に、上記以外の方法として、凝結遅延剤と水和熱抑制剤を併用する方法が開発されており、例えば、特開２００２−２４１１６７号公報には、低熱ポルトランドセメントを含む結合材と、加水分解性タンニン化合物と、グルコン酸塩とからなる、低発熱・低自己収縮型セメント組成物が開示されている。
このようなセメント組成物は、自己収縮の低減について一定の効果を得ることができるものであるが、この場合においても、水和熱抑制剤の使用について、その使用可能（保存可能）期間が短いことに加え、使用可能期間内であっても、水和熱抑制剤製造後から添加時期までの時間がコンクリートのフレッシュ性状や初期の硬化性状へ敏感に影響を及ぼすため、用法が難しく、作業が煩雑になり、簡便に製造することはできないという問題がある。
特開２０００−１４３３１１号公報特開２００１−３１４５７号公報特開２００２−２４１１６７号公報

本発明の目的は、上記問題点を解決し、遅れ膨張を引き起こさず、製造が簡便で作業性が良好な、コンクリート構造物のひびわれの原因となる自己収縮が低減された、高強度コンクリートを提供することである。
また、更に本発明の目的は、自己収縮が小さく、高い強度を保持できる、経済的なコンクリートを提供することである。

本発明は、低熱ポルトランドセメントと膨張材との組合せに凝結遅延剤を併用することにより、上記課題を達成することを見出し、達成されたものである。
すなわち、本発明の高強度コンクリートは、低熱ポルトランドセメント、膨張材及び凝結遅延剤を含有することを特徴とし、前記本発明の高強度コンクリートにおいて、高強度コンクリート１ｍ^３に対して１５ｋｇ〜４０ｋｇ、凝結遅延剤は結合材１００質量部に対し０．１〜０．３質量部含有することを特徴とするものである。
更に好ましくは、前記本発明の高強度コンクリートにおいて、水／結合材比が、１０〜２５質量％であることを特徴とするものであり、更に本発明の高強度コンクリートは、シリカフュームを含有することが望ましいものである。
ここで、本発明において「結合材」とは、低熱ポルトランドセメントと、必要に応じて添加されるシリカフューム、膨張材など、水和による硬化性状を示す材料をいうものである。

本発明の高強度コンクリートは、高強度を有するとともに、自己収縮を小さくすることができるため、大型のコンクリート構造物のひび割れを有効に抑制することが可能となる。
また、本発明の高強度コンクリートは、経済的に安価なものであり、水結合材比が少ない超高強度コンクリートにおいても、添加剤を多量に使用することなく、有効な自己収縮効果を有することができる。

本発明を好適例により説明するが、これらに限定されるものではない。
本発明の高強度コンクリートは、低熱ポルトランドセメント、膨張材及び凝結遅延剤を含有するものである。
このように、低熱ポルトランドセメントに、膨張材及び凝結遅延剤を併用して含有させることにより、高強度コンクリートの自己収縮ひずみを抑制することができることとなる。

本発明の高強度コンクリートに用いられるセメントは、低熱ポルトランドセメントであり、鉱物組成のビーライトを多く含有したもので、ＪＩＳＲ５２１０（ポルトランドセメント）に規定される低熱ポルトランドセメントである。
かかる低熱ポルトランドセメントを用いることによって、自己収縮量が少なく、また単位水量が低減でき（後述する００１４参照）、水和熱による温度応力を低減することが可能である（００１４参照）高強度コンクリートを調製することができる。

かかるセメントと膨張材とを併用する場合には、双方の水和反応を別々に捉えることは現実的ではなく、膨張あるいは収縮補償のメカニズムは、マトリックスとなるセメントペースト、モルタルまたはコンクリート中において、膨張材起因の水和生成物が結晶成長することにより生じるものであることから、マトリックスの強度発現性あるいは硬化速度と、膨張材の水和反応による結晶成長とのタイミングにより、コンクリート組成物の体積変化（膨張あるいは収縮など）の傾向は異なるものである。

本来、水和熱を抑制する低熱ポルトランドセメントは、セメント鉱物の中で特にＣ_２Ｓを多く含むように調製されており、これは、Ｃ_２Ｓの水和反応が遅いため、熱収支の関係などからマスコンクリートの水和発熱量を抑えることができ、温度応力などの低減が可能となるからである。
さらに、Ｃ_２Ｓを多く含むことにより、単位水量が低減できるため、これらの特徴を有する低熱ポルトランドセメントが、本発明の高強度コンクリートにおいて使用されるものである。

また、上記低熱ポルトランドセメントに加えて、シリカフュームを添加することができ、例えば、ＪＩＳＡ６２０７に適合する品質のものを好適に使用することができる。
かかるシリカフュームの使用は、概要、水結合材比が、０．２以下の場合にシリカフュームを使用する場合が多く、これは水結合材比が小さい場合であると、セメント単味では粘性が上昇するため所定のフレッシュ性状（スランプフロー）が得られないという場合が生じることがあり、したがってコンクリートの流動性を向上させる効果を更に高めるためである。

シリカフュームは、シリカ質の超微粒子材料であり、ポゾラン反応、マイクロフィラー効果による、コンクリートの高強度化、低水結合材比のコンクリートの流動性改善などを目的に、コンクリートの混和材料として使用されている。
特に、水結合材比が０．２０を下回るような低水結合材比のコンクリート（高強度コンクリート）では、これを使用することが多い。
ただし、当該シリカフュームを混和した高強度コンクリートの自己収縮は、使用しないものより大きくなることが知られており、セメント単味で調合した高強度コンクリートよりもさらに、自己収縮低減の必要性がある。

更に、コンクリートの膨張あるいは収縮補償の観点から、さらに、硬化のタイミングが重要なポイントとなる。
ここで、本発明の高強度コンクリートに使用される膨張材としては、カルシウムサルホアルミネート、酸化カルシウム・無水石膏の水和によりエトリンガイトを生成するカルシウムサルホアルミネート系膨張材、アルミン酸三カルシウム、石膏の水和によりエトリンガイトを生成するアルミン酸三カルシウム系膨張材、酸化カルシウム（生石灰）が水和して水酸化カルシウムが生成する生石灰系膨張材、前記アルミン酸三カルシウム系膨張材と生石灰系膨張材とが組みあわされた膨張材があげられ、特に、前記アルミン酸三カルシウム系膨張材と生石灰系膨張材とが組み合わされた膨張材が、フレッシュ性状の経時変化が少ない点でより好適に使用できる。

かかる膨張材の粒度は、特に限定されるものではなく、ブレーン比表面積２０００〜６０００ｃｍ^２／ｇ程度が望ましい。
その配合量は、高強度コンクリート１ｍ^３に対して１５〜４０ｋｇ／ｍ^３であり、２０〜３８ｋｇ／ｍ^３とすることがより好ましい。
これは、かかる範囲であると遅れ膨張を示さず、かつ必要とされる膨張性能が得られる範囲だからである。
また、好適には、低添加型膨張材は、１５〜２５ｋｇ／ｍ^３、最適には２０〜２５ｋｇ／ｍ^３、高添加型膨張材においては、２０〜４０ｋｇ／ｍ^３、最適には３０〜４０ｋｇ／ｍ^３の量で配合されることが望ましい。

一般的に、エトリンガイトは数〜十数分で生成されるような反応速度の速い鉱物であり、また、生石灰の反応もこれに匹敵する極めて敏速な水和反応であることから、低熱ポルトランドセメントと膨張材を併用するということは、反応速度の遅いものと、反応の速いものとの併用である。
一般に、高強度コンクリートに、遅れ膨張が起きない範囲内で膨張材を併用した場合、十分な効果が得られないのは、この反応速度の相違から生ずる硬化タイミングである。
すなわち、マトリックスの硬化強度を担う低熱ポルトランドセメントの水和が遅いため、マトリックスが十分な強度を有していない初期の段階で、膨張材の結晶成長がおこり、その結果、膨張力をマトリックスが緩和・吸収してしまうからであると推測される。

このことから、本発明においては、かかる反応速度の相違による上記不都合を解消して、硬化タイミングを図ることとして、凝結遅延剤を併用することによって、前記膨張材の水和を遅延させ、マトリックスの硬化速度と適切に合致させることにより、本来期待している膨張量を適切に発現させることができるものとしている。

本発明の高強度コンクリートに使用される凝結遅延剤としては、グルコン酸、クエン酸、グルコヘプトン酸、ケト酸、酒石酸、リンゴ酸およびこれらの塩類、脂肪酸、ショ糖などの糖類および糖アルコール、リグニンスルホン酸などが挙げられ、これらの１種もしくは２種以上を併用して使用することができるが、特に、工業的な入手のし易さ及び価格等から、グルコン酸ナトリウムを好適に用いることができる。
その配合量は、上記結合材１００質量部に対して、０．１〜０．３質量部である。
これは、かかる範囲であるとコンクリート自体の凝結をあまり遅延させずに、効果的に膨張材の膨張性状を発揮させることが可能だからである。

かかる凝結遅延剤は、セメントの水和も遅延させる可能性を有しているが、セメントと膨張剤の水和速度が異なることを利用して適切な範囲に反応速度を調整することで、マトリックスの水和反応を大きく遅延させることなく、膨張材の膨張時期を適当に調整することが可能となる。

本発明の高強度コンクリートには、細骨材および粗骨材の骨材が含有されるが、これらの細骨材や粗骨材は、特に限定されるものではなく、細骨材としては、川砂、山砂、陸砂、砕砂、海砂、珪砂３〜７号等の比較的粒径の細かい細骨材、または珪石粉、石灰石粉等の微粉末等の公知の細骨材を使用できる。

さらに、粗骨材としては、砂利や砕石等の公知の任意の粗骨材を用いることができ、かかる粗骨材としては、自己充填性の点から最大粒径２０ｍｍ以下のものが好ましい。
かかる粗骨材の量は、単位粗骨材かさ容積で、０．５００m³/m³以上の範囲となるようにすることが、硬化後の特性（弾性係数）や耐久性の観点から好ましい。

その他、本発明の高強度コンクリートには、その他の混和剤、例えば減水剤、消泡剤、乾燥収縮低減剤、防錆剤、発泡剤などの混和材や、材料分離抵抗性を向上させるための増粘剤、炭素繊維や鋼繊維などの補強剤を、本発明の目的を実質的に阻害しない範囲で使用することが可能である。
減水剤としては、例えば、リグニン系、ナフタレンスルホン酸系、メラミン系、ポリカルボン酸系等の減水剤、ＡＥ減水剤、高性能減水剤、高性能ＡＥ減水剤等の液状または粉末状のいずれの公知の減水剤も使用できる。

本発明の高強度コンクリートは、原材料である上記低熱ポルトランドセメント、膨張材、凝結遅延剤、細骨材、粗骨材及び水、必要に応じて上記公知の減水剤や乾燥低減収縮剤等の混和剤を所定量混合して製造することができるものである。
この混合の条件、混合機の種類などに限定はなく、それぞれの材料を施工時に混合して用いてもよいし、予め、その一部あるいは全部を混合しておいても差し支えない。混合装置としては、既存の任意の装置が使用可能であり、例えば、オムニミキサ、ヘンシェルミキサ、ナイタミキサ、傾動ミキサ等のセメント用ミキサ、ハンドミキサ、ポットミルなどの慣用の混合機を用いることができる。

また、使用する混練水の量は、使用する材料の種類や配合により変化させることができるため、一義的に決定されるものではないが、通常、水／結合材比で１０〜２５質量％、好ましくは、１２〜２０質量％であることが望ましい。
なお、本発明における水／結合材比を算出する際の水には、別途添加する水のほかに、乾燥収縮低減材等の混和材に水が含まれる場合には、これらに含まれる水も含むものである。

このように、本発明の高強度コンクリートは、圧縮強度が、材齢２８日で、約１００Ｎ／ｍｍ^２以上であり、高強度を有するとともに、自己収縮率は、ＪＣＩの「セメントペースト、モルタルおよびコンクリートの自己収縮および自己膨張試験方法（案）」に従い、材齢９１日後の自己収縮ひずみを埋め込みひずみ計（ＫＭ−１００ＢＴ：東京測器研究所製）を用いて測定したプレーン差と比較し、２００×１０^−６以上の自己収縮低減効果を有するものである。

本発明を次の実施例及び比較例により詳細に説明する。
使用材料
実施例及び比較例において、以下の表１に示す材料を用いた。

実施例１〜３、比較例１〜９、参考例１
実施例１〜３及び比較例１〜９及び参考例１において、表１に示す低熱ポルトランドセメント、シリカフューム、細骨材、粗骨材、膨張材、収縮低減剤及び水の各材料を表２に示す配合とし、また得られるスランプフロー値が６５±１０ｃｍとなるように、表１に示す高性能ＡＥ減水剤を添加し、また、結合材に対して凝結遅延剤を外割りで、表２に示す割合で添加して、二軸強制練りミキサにて混練し、コンクリートを調製した。

具体的には、以下の方法で調製した。
（１）低熱ポルトランドセメントとシリカフュームと細骨材と粗骨材と膨張材とを、当該ミキサにて、３０秒の空練り
（２）次いで、水と混和剤と遅延剤とを、混練水に溶かして添加して、３分〜５分混練り
（３）収縮低減剤を添加する場合は、練り落とし４０秒前に添加
比較例１〜４及び実施例１は、水／結合材比（セメント及び膨張材）が０．２５で、シリカフュームを使用しないコンクリートの比較である。
また、比較例５〜９及び実施例２〜３及び参考例１は、水結合材比（セメントとシリカフュームと膨張材）が０．１６で、シリカフュームを使用したコンクリートの比較である。

表２中、Ｌは、低熱ポルトランドセメントを、Ｗ／Ｂは水結合材比を示す。
また、ｓ／ａは細骨材率を示し、具体的には、コンクリート中の全骨材量に対する細骨材の絶対容積比を百分率で表した値である。
スランプスローは、ＪＩＳＡ１１５０（コンクリートのスランプフロー試験方法）に準じて、スランプコーンを引き上げた後、広がったコンクリートの最大直径の長さとその直角方向の長さを測定して、算出した平均値である。

試験例
自己収縮ひずみ；凝結始発時間
上記実施例１〜３及び比較例１〜９及び参考例１で得られた各コンクリートを、１０×１０×４０ｃｍの型枠に入れて、ＪＣＩの「セメントペースト、モルタルおよびコンクリートの自己収縮および自己膨張試験方法（案）」に従い、材齢２８日後及び材齢９１日後の自己収縮ひずみを埋め込みひずみ計（ＫＭ−１００ＢＴ：東京測器研究所製）を用いて測定した。
但し、材齢は、注水後の各期間経過後の材齢を表し、また自己収縮の基長は、凝結の始発を０として算出した。
その結果を表３に示す。
また、凝結始発時間を、ＪＩＳＡ６２０４−１９９５付属書１に記載された方法に準じて測定し、その結果も表３に示す。

圧縮強度
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。
但し、被試験体は、φ100×200mmの円柱供試体を用いて、脱型を2日で実施し、その後水中養生（２０℃）したものを用いた。

但し、表３中、プレーン差は、比較例１〜４と実施例１とに関しては、材齢９１日における自己収縮ひずみの差を比較例１と比較した値、比較例５〜９と実施例２〜３及び参考例１とに関しては、材齢９１日における自己収縮ひずみの差を比較例５と比較した値を、引張（膨張）を正（＋）で表記したものである。
また、強度低下は、比較例１〜４及び実施例１は比較例１との比較、比較例５〜９と実施例２〜３及び参考例１は、比較例５との比較で、示したものである。

上記表３より、比較例１と２、比較例５と６を比較すると、膨張材を単独で使用したコンクリートは、膨張材を用いないコンクリートと比較すると、材齢28日における自己収縮ひずみ値と材齢91日における自己収縮ひずみ値を比較した場合，膨張傾向を示しているため、遅れ膨張の懸念があることがわかる。
また、比較例１及び３、比較例５及び７を比較すると、収縮低減剤を単独で使用したコンクリートは、収縮低減剤を用いないコンクリートと比較すると、自己収縮ひずみの低減に関しては、あまり効果が顕著でないことがわかる。

これらに対し、比較例４及び比較例８から、膨張材と収縮低減剤とを併用したものは、自己収縮ひずみ値より、良好な自己収縮ひずみの低減効果を示すが、強度が約８％程度低下してしまい、超高強度コンクリートにおいては、かかる強度低下分が１０Ｎ／ｍｍ^２程度の強度差に相当することから、所要の強度を満足するための水結合材比を低下させる必要が生じる。
かかる水結合比を低下させると、結合材が増えることになるため不経済となるほか、自己収縮量が返って大きくなってしまう可能性がある。
更に、その他、単位収縮低減剤量が多く、かかる収縮低減剤は単価が高い材料であることから、高価なものとなってしまい、不経済となる可能性が生じる。

実施例１〜３は、膨張材と収縮低減剤とを組み合わせて用いたコンクリートと同程度以上の自己収縮低減効果が得られ、また強度低下も生じないことがわかる。特に、水結合材比が０．２５の実施例１では、強度値が高くなっていることが認められる。
また凝結遅延剤は、収縮低減剤と比べて安価であり、添加率も収縮低減剤と比べて同等の効果を得るために少ない添加率でよいため、経済的なコンクリートが得られる。

本発明の高強度コンクリートは、自己収縮が小さいので、大型のコンクリート構造物、例えば、超高層建築物や、形状及び鉄筋が配置されたコンクリート構造物等の、建築や土木の分野に有効に用いることができる。

Claims

低熱ポルトランドセメント、膨張材、凝結遅延剤を含有し、膨張材は高強度コンクリート１ｍ^３に対して１５ｋｇ〜４０ｋｇ、凝結遅延剤は結合材１００質量部に対し０．１〜０．３質量部含有することを特徴とする、高強度コンクリート。
請求項１記載の高強度コンクリートにおいて、水／結合材比が、１０〜２５質量％であることを特徴とする、高強度コンクリート。
請求項１又は２記載の高強度コンクリートにおいて、更にシリカフュームを含有することを特徴とする、高強度コンクリート。