JP5804470B2

JP5804470B2 - 舗装材料用結合材、舗装材料及び該舗装材料の使用方法

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Publication number: JP5804470B2
Application number: JP2011101761A
Authority: JP
Inventors: 藤原　浩巳; 浩巳藤原; 清鯉渕; 貴之蛯名
Original assignee: Utsunomiya University; DC Co Ltd
Current assignee: Utsunomiya University; DC Co Ltd
Priority date: 2011-04-28
Filing date: 2011-04-28
Publication date: 2015-11-04
Anticipated expiration: 2031-04-28
Also published as: JP2012233331A

Description

本発明は、道路舗装に用いる非セメント系の舗装材料用結合材であって産業副産物である高炉スラグ微粉末とフライアッシュを硬化主材とした舗装材料用結合材、該舗装材料用結合材を結合材とした舗装材料及び該舗装材料の使用方法に関する。

道路舗装（舗装）は、雨天時の路面の泥状化や乾燥時の砂塵を防止し、車両走行時や歩行時の快適性や安全性を向上させるので、日本の近代化とともに急速に発展してきている。

舗装の種類には、アスファルト舗装、コンクリート舗装、半たわみ舗装、レンガ舗装、タイル舗装、インターロッキングブロック舗装、張石舗装等、様々なものがあるが主流はアスファルト舗装とコンクリート舗装である。コンクリート舗装は、施工に時間がかかる、維持管理が難しい、初期コストが高い等の欠点があるものの、耐久性に優れており路面の高温による変形（轍ぼれ）がないので増えてきている。

コンクリート舗装では硬化材としてポルトランドセメントを用いるのが一般的であるが、産業廃棄物の利用、環境負荷の低減、セメントコンクリートを使用することによる欠点の改善等の様々な観点から、非セメント系の舗装材料も開発されてきている。

例えば、特許文献１には、高炉徐冷スラグや水砕スラグ等のスラグとフライアッシュからなる路盤用舗装材が開示されている。また、特許文献２には、高炉スラグ微粉末とフライアッシュとアルカリ刺激剤からなる常温硬化性結合剤を含む舗装用材料が開示されている。

一方、産業副産物であるフライアッシュや高炉スラグは、セメントの化学組成と類似しており潜在水硬性やポゾラン活性を有することから、セメントやコンクリートの材料として種々検討されてきている。

例えば、特許文献３には、セメント、骨材、フライアッシュ、高炉スラグ粉末を含むフライアッシュを大量に活用したコンクリート組成物が開示されている。そんな中で、産業副産物の再利用の促進、ＣＯ_２排出量の抑制等の環境規制の厳格化、セメントを使用することによるデメリット（水和熱による温度上昇、自己収縮や乾燥収縮によるひび割れ、色むら、耐久性、アルカリ性等）の解消といった観点から脱セメントも検討されている。

例えば、特許文献４には、消石灰とフライアッシュと高炉スラグ微粉末からなる水硬性組成物が、特許文献５には、フライアッシュと高炉スラグ粉末と石膏を含む水硬性組成物が開示されている。

特開平４−２４３０１号公報特開２００２−１８０４１０号公報特許第３６６２０４９号公報特開２００９−２６９７８６号公報特開２０１０−１８９２１９号公報

上記特許文献１や特許文献２に示されるように、スラグやフライアッシュを用いた非セメント系の舗装材料は幾つか知られている。しかし、特許文献１や特許文献２のものはフライアッシュの使用量は少なく、スラグの再利用は図られているもののフライアッシュの再利用は十分なされているとは言えない。また、コンクリート舗装では４．５Ｎ／ｍｍ^２以上の曲げ強度が必要であるが、いずれも、これを満たす高い曲げ強度を有するものではない。

本願発明は、上述のような課題の解決を図ったものであり、高炉スラグ微粉末及びフライアッシュを硬化主材とした高い曲げ強度を有する非セメント系の舗装材料用結合材、該舗装材料用結合材を結合材とした舗装材料とその使用方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、先に、特許文献４や特許文献５に係る発明技術を創出しているが、上記目的を達成すべく、これらの発明技術をベースに検討した結果、材料構成を少し変えれば良いことを見出し本願発明を完成させた。すなわち、
本願に係る舗装材料用結合材は、「非セメント系の舗装材料用結合材であって、高炉スラグ微粉末及びフライアッシュを硬化主材とし、該硬化主材１００重量部に対し、生石灰及び／又はアウイン等のカルシウムスルホアルミネート系鉱物を含む膨張セメントやセメント混和材として用いられる無機系粉末膨張材を２〜１０重量部含有することを特徴とする舗装材料用結合材」である。

本願発明の舗装材料用結合材は、高炉スラグ微粉末及びフライアッシュを硬化主材とした非セメント系の舗装材料結合材である。非セメント系にすることによって前述のセメントを使用することによるデメリットの解消が図れ、高温での養生により強度発現が良好な舗装材料用結合材が得られるなどの効果も得られる。また、高炉スラグ微粉末及びフライアッシュを硬化主材とするので、これら産業副産物の大量再利用が図れる。

本願発明では、生石灰及び／又はアウイン等のカルシウムスルホアルミネート系鉱物を含む膨張セメントやセメント混和材として用いられる無機系粉末膨張材を用いる。膨張材は、収縮補償の他、アルカリ刺激剤やエトリンガイト形成による曲げ強度の向上に関与していると推測される。また、膨張材により膨張材中の酸化カルシウムの水和反応により生成される水酸化カルシウムによって高炉スラグ微粉末およびフライアッシュの水和反応が促進されるため非セメント系でも硬化体の生成が可能となる。

膨張材は、前記硬化主材１００重量部に対し２〜１０重量部であるのが好ましい。２重量部未満では水和活性が得られず高い強度が得られない。１０重量部を超えると膨張材によってはポップアウトおよび過剰な膨張による強度低下をおこす可能性がある。

本願に係る舗装材料用結合材は、高炉スラグ微粉末はＪＩＳＡ６２０６に規定される「コンクリート用高炉スラグ微粉末」の品質規格を満足するものであり、かつ、フライアッシュはＪＩＳＡ６２０１に規定されるＩ種品又はＩＩ種品である。
また、本願に係る舗装材料用結合材は、好ましくは「上記硬化主材における上記高炉スラグ微粉末と上記フライアッシュの重量比が、６０：４０〜８０：２０であることを特徴とする上記の舗装材料用結合材」である。

本願発明では、硬化主材は高炉スラグ微粉末とフライアッシュからなるが、フライアッシュより高炉スラグ微粉末の方を多くする。これは、高炉スラグ微粉末を用いたほうが強度発現が良好なためである。両者の割合は、高炉スラグ微粉末：フライアッシュ＝６０：４０〜８０：２０（重量比）であるのが好ましい。高炉スラグ微粉末が６０未満であると高い強度が得られない。また、８０を超えるとフライアッシュが少なくなりフレッシュ性状における練混ぜも困難となる可能性がある。

本願に係る舗装材料の一つは、「高炉スラグ微粉末とフライアッシュの品質を特定した上記のいずれかの舗装材料用結合材に細骨材を混和したモルタルからなる舗装材料であって、前記モルタル中の前記結合材と前記細骨材の割合が結合材：細骨材＝１：２〜１：４であることを特徴とする舗装材料」である。
また、本願に係る舗装材料の他の一つは、「高炉スラグ微粉末及びフライアッシュを硬化主材とし、該硬化主材１００重量部に対し、生石灰及び／又はアウイン等のカルシウムスルホアルミネート系鉱物を含む膨張セメントやセメント混和材として用いられる無機系粉末膨張材を２〜１０重量部含有する非セメント系の舗装材料用結合材に細骨材と粗骨材と高性能減水剤を混和したコンクリートからなる舗装材料であって、前記コンクリート中の前記結合材と、前記細骨材及び前記粗骨材とからなる骨材の割合が結合材：骨材＝１：６〜１：４であることを特徴とする舗装材料」である。

本発明の舗装材料はモルタル、コンクリートのいずれの形態でも用いることができるが、上記硬化主材と膨張材からなる結合材に骨材と高性能減水剤を添加してなるコンクリートとして用いるのが好ましい。この発明での骨材は、従来からコンクリートに用いられている細骨材と粗骨材である。高性能減水剤も従来からコンクリートに用いられているものと同様である。これによって、４．５Ｎ／ｍｍ^２以上の曲げ強度を有するコンクリート舗装ができる。

本願に係る舗装材料の使用方法は、「上記のコンクリート舗装材料に、水／結合材＝１８〜２５（重量％）で水を添加して混練し、得られた混練物を４０〜９８℃での水和反応により硬化させて用いることを特徴とする舗装材料の使用方法」である。

上記の舗装材料はモルタル、グラウトとしても使用できるが、上記の通り、コンクリートとして用いるのが好ましい。その場合、混練水の水量は、水／結合材＝１８〜２５（重量％）が好ましい。１８（重量％）未満では、コンクリートの粘性が高くなり成型が困難となる可能性がある。２５（重量％）を超えると高い強度が得られ難くなる。

また、前記コンクリートのフレッシュコンクリート混練物は、結合材を４０〜９８℃での水和反応により硬化させて用いるのが好ましい。高炉スラグ微粉末およびフライアッシュの水和反応が高温でより活性化するためである。４０℃未満では硬化が遅く短時間で高強度が得られない。９８℃を超えると水分の沸騰・蒸発が著しくなるので正常な水和を進め難くなる。
水量と硬化温度を上記範囲にすることにより、上記混練物の硬化により得られるコンクリート硬化体の曲げ強度が４．５Ｎ／ｍｍ ^２以上のものが容易に得られる。

本発明の舗装材料用結合材は非セメント系であるので、セメントを結合材の主材として使用することによるデメリット（水和熱による温度上昇、自己収縮や乾燥収縮によるひび割れ、色むら、耐久性、アルカリ性等）を解消でき、ＣＯ_２排出量の抑制にも寄与する。また、産業副産物である高炉スラグ微粉末とフライアッシュを硬化主材としているので環境負荷の低減もできる。

本発明の舗装材料とその使用方法によれば、舗装材料が骨材と高性能減水剤を含むとともに舗装材料用結合材を高温で水和反応させるので確実に高強度のものが得られる。また、短時間で硬化させることができるので、施工の短縮化が図れる。

以下、本発明をより詳細に説明する。

Ａ．舗装材料
[舗装材料用結合材]
(1) 硬化主材
ａ）高炉スラグ微粉末
高炉スラグ微粉末は、高炉から生成する溶融スラグに多量の圧力水を噴射することにより急冷した砂状のスラグの粉砕物であり、潜在水硬性を有し、アルカリ刺激剤の存在によってセメントと同様に水和する。本願発明では強度発現の主体となる。

本願発明に使用する高炉スラグ微粉末は、高炉セメントやセメント混和材に使用されている従来のものなら使用できるが、中でも、ＪＩＳＡ６２０６に規定される「コンクリート用高炉スラグ微粉末」の品質規格を満足するものが水和活性および強度発現の点から好ましい。

また、高炉スラグ微粉末の粉末度は、好ましくはブレーン値３５００ｃｍ^２／ｇ以上、より好ましくは４０００〜８０００ｃｍ^２／ｇである。３５００ｃｍ^２／ｇ未満では高い強度が得られ難くなる虞がある。８０００ｃｍ^２／ｇを超えると作業性に問題が生ずる虞が出てくる。ブレーン値を上記範囲にするには、例えば、前記砂状のスラグをチューブミルやローラーミル等で粉砕し、セパレータ等で分級する。

ｂ）フライアッシュ
フライアッシュは石炭火力発電所から発生する石炭灰の一種であり、微粉炭ボイラの燃焼排ガス中に浮遊する微細な石炭灰を電気集塵機で捕集したものである。ポゾラン活性を有し、コンクリート中に混和することによりワーカビリティの改善、水密性の向上等に寄与するので従来からコンクリートの混和材として用いられている。

フライアッシュの品質はＪＩＳＡ６２０１に規定されており、品質の順にＩ＞II＞III＞IVとあるが、本発明ではフライアッシュの品質は限定しないが、II以上の規格を満足するものが好ましい。II以上にすることによって、良好な成型性および強度発現が得られる。また、粉末度はブレーン値で４０００〜５０００ｃｍ^２／ｇが好ましい。この範囲にすることによって、良好な強度発現が得られる。

ｃ）高炉スラグ微粉末とフライアッシュの割合
高炉スラグ微粉末が多い方が強度発現性が良いので、高炉スラグ微粉末は硬化主材の５０重量％以上にした方がよい。中でも、高炉スラグ微粉末：フライアッシュ＝６０：４０〜８０：２０（重量比）であるのが好ましい。高炉スラグ微粉末が６０未満であると高い強度が得られない。また、８０を超えるとフライアッシュが少なくなりフレッシュ性状における練混ぜも困難となる可能性がある。

(2) 膨張材
本願発明では、収縮補償の他、アルカリ刺激剤やエトリンガイト形成による曲げ強度の向上といった観点から膨張材を用いる。本願発明で用いる膨張材は、セメントおよび水とともに練り混ぜた場合、水和反応によってエトリンガイト、水酸化カルシウムなどを生成し、モルタルやコンクリートを膨張させる作用のあるものであり、生石灰及び／又はアウイン等のカルシウムスルホアルミネート系鉱物を含む膨張セメントやセメント混和材として用いられる無機系粉末膨張材である。

具体的には、特開２００２−２２６２４３、特開２００３−６３８４３、特開平１１−３０２０４７、特開平２−２２１１４１、特公昭６２−４７８３１などに開示されるもの、石灰系膨張材である太平洋マテリアル社のハイパーエクスパン、ニューエクスパン、ＣＳＡ系膨張材である電気化学工業社のデンカパワーＣＳＡ等が挙げられる。中でもＪＩＳＡ６２０２で規定されるものが好ましい。

膨張材は、前記硬化主材１００重量部に対し２〜１０重量部であるのが好ましい。２重量部未満では水和活性が得られず高い強度が得られない。１０重量部を超えるとポップアウトおよび過剰な膨張による強度低下をおこす可能性がある。

[骨材]
本願発明で用いる骨材は、従来からモルタルに用いられている細骨材、コンクリートに用いられている細骨材と粗骨材である。本願発明の舗装材料は、上記結合材に細骨材を混和してモルタルとして、上記結合材に細骨材と粗骨材を混和してコンクリートとして使用することができる。骨材と結合材との割合は、モルタルであれば結合材：細骨材＝１：２〜１：４、コンクリートであれば結合材：骨材（細骨材＋粗骨材）＝１：６から１：４程度が好ましい。

(1) 細骨材
従来からコンクリートに使用されているものであれば特に限定されない。川砂、陸砂、砕砂、再生砂、重量細骨材等が挙げられる。本願発明でも、通常、粒径５ｍｍ以下のものを用いるが、目的に応じて、例えば２．５ｍｍ以下に限定して用いてもよい。

(2) 粗骨材
従来からコンクリートに使用されているものであれば特に限定されない。川砂利、砕石、重量粗骨材、再生粗骨材等が挙げられる。粗骨材であるからして、粒径は５ｍｍを超えるものであるが、上限は特に限定されない。２０〜２５ｍｍ程度が好ましい。

(3) 中間骨材
目的によっては、上記細骨材と粗骨材の中間的粒径範囲のものを選択して用いてもよい。例えば、粒径２．５〜１０ｍｍを用いるなどである。

[高性能減水剤]
従来からコンクリートに使用されているものであれば特に限定されない。ポリカルボン酸系、リグニンスルホン酸系、ナフタレンスルホン酸系、メラニンスルホン酸系などが挙げられる。添加量は高性能減水剤の種類によって異なるが、例えば、ポリカルボン酸系の場合、上記結合材に対して０．５〜１．０重量％である。

[その他]
従来のコンクリートと同様、必要に応じて他の無機材料や有機材料を混和してもよい。例えば、金属繊維、有機繊維、加熱硬化樹脂、シリカフューム、メタカオリンなどである。

Ｂ．舗装材料の用途
本願発明の上記舗装材料は、舗装モルタルや舗装コンクリートに用いることができる。これらは現場施工でも良いが、工場で舗装モルタルブロック、舗装モルタル版、舗装コンクリートブロック、舗装コンクリート版のいずれかを製造し、それを現場に敷設してもよい。

本願発明の舗装材料は高温での水和反応により硬化させて用いるのが好ましいので、工場製品にした方が品質管理はし易い。上記各製品の製造は、従来のセメントコンクリートによる場合と同様にすればよい。加熱養生により製品を水和硬化させる場合は、加熱養生槽が必要となる。

Ｃ．舗装材料の使用方法
上記の通り、本願発明の舗装材料はモルタルやコンクリートにして、それを現場施工したり工場で道路敷設製品にしたりして使用することができる。好ましいのは、コンクリートにしてコンクリート舗装に使用することである。以下に、コンクリートにして使用する場合について説明する。

コンクリートは、例えば、上記舗装材料用結合材と骨材（細骨材、粗骨材）と高性能減水剤と混練水とを所定配合で混練し、フレッシュコンクリートの混練物を製造する。混練水の水量は、水／結合材＝１８〜２５（重量％）であるのが好ましい。

１８重量％未満では均一な混練が難しくなる。２５重量％を超えると高強度が得られ難くなる。コンクリートは現場施工することも成形して舗装板や舗装ブロックにして使用することも可能である。打設後あるいは成形後の養生は常温養生、加熱養生のいずれでも良いが、現場施工の場合は工期短縮の観点から加熱養生が好ましい。

加熱養生温度は４０〜９８℃が好ましく、より好ましくは６０〜８０℃である。４０℃未満では短期間での十分な硬化が難しい。９８℃を超えると水が沸騰し蒸発が著しくなる。但し、従来のオートクレーブ養生をすることも可能であり、その場合は９８℃を超える。

加熱養生方法は、工場で舗装製品を製造する場合は、従来の恒温槽、蒸気養生槽、オートクレーブ等と同様の加熱養生槽を用いて養生すれば良い。現場施工する場合は、例えば、舗装材の下に敷設する路盤材をバーナー、熱風、温風等により加熱しておき、その上に本願発明の舗装材料を用いたコンクリートを常温または高温で打設し、打設したコンクリート面上に防水機能を有する断熱養生マット又は加熱養生マットを敷き養生するなどして行えばよい。

Ｄ．舗装材料の性能確認
本願発明の舗装材料によるコンクリート試験体を作製し、コンクリートのフレッシュ性状、硬化性状に関する性能確認試験を行った。

（１）使用材料
・高炉スラグ微粉末；セラメント（デイ・シイ社製；４０００ｃｍ^２／ｇ）記号；ＢＳ４
・フライアッシュII種；電源開発社製記号；ＦＡ２
・普通ポルトランドセメント；太平洋セメント社製記号；Ｎ
・膨張材；ハイパーエクスパン（太平洋マテリアル社製）記号；ＨＥＸ
・細骨材；鬼怒川産川砂記号；Ｓ
・粗骨材；砂利（混合比５号：６号＝６：４）記号；Ｇ
・高性能減水剤；シーカメントＳＳ（日本シーカ社製）記号；ＳＰ
・混練水；水道水；Ｗ

（２）配合
表１に結合材の配合割合を、表２にコンクリートの示方配合を示す。なお、高性能減水剤に対し０．７重量％を外割りで添加した。また、結合材としてＮを用いた配合No.8の場合の示方配合は、表２での（ＢＡ４＋ＦＡ２＋ＨＥＸ）をＮに置き換えたものとした。表１中のＨＥＸ４．２重量％は膨張材２０ｋｇ／ｍ^３の添加量に相当する。

（３）コンクリートの製造
従来のセメントコンクリートと同様にして製造しフレッシュコンクリートを得た。養生は加熱養生と従来通りの水中養生の２通り行った。加熱養生は、供試体型枠にフレッシュコンクリートを打設後、２時間９５℃の恒温槽で封緘養生し、翌日脱型後、供試体（寸法；１０×１０×４０ｃｍ）を材令３日まで２０℃で水中養生した。

なお、熱電対によりコンクリート供試体の中心部での内部温度を測定したところ、最高温度は８０℃であった。水中養生は、従来通り、フレッシュコンクリートを打設した供試体型枠を２０℃で試験材令まで水中養生した。

（４）性能確認試験方法
(a) フレッシュ性状の試験項目と試験方法
1) スランプ試験
ＪＩＳＡ１１０１「コンクリートのスランプ試験方法」に準拠して行った。

2) ＶＣ試験
ＶＣ試験は超硬練りコンクリート（ＲＣＤコンクリート）のコンシステンシーを測る試験である。試験方法は、ＪＳＣＥ−Ｆ５０７「ＲＣＤコンクリートのコンシステンシー試験方法（案）」に準じて行った。ＶＣ値、修正ＶＣ値の目標値は、それぞれ、２０±１０（ｓ）、５０±１０（ｓ）である。

なお、ＶＣ値は振動させながら表面にモルタルがブルージングに要する時間である。また、修正ＶＣ値は、振動開始から隙間（試験装置におけるアクリル板周縁と容器との隙間）が半周にわたりモルタル分で埋まるまでの時間（秒）である。

(b) 硬化性状の試験項目と試験方法
1) 曲げ強度試験
加熱養生（加熱養生+水中養生）した材令３日の供試体と、従来通り水中養生した材令３日と２８日の供試体につき、ＪＩＳＡ１１０６「コンクリートの曲げ強度試験方法」に準じて曲げ強度試験を行った。目標値は４．５（Ｎ／ｍｍ^２）である。

（５）性能確認試験結果
上記各種試験の結果を表３に示す。

上表に示すように、本願発明のコンクリートはゼロスランプの超硬練りコンクリートであり、４．５Ｎ／ｍｍ^２以上の高い曲げ強度を発現する。

Claims

非セメント系の舗装材料用結合材であって、ＪＩＳＡ６２０６に規定される「コンクリート用高炉スラグ微粉末」の品質規格を満足する高炉スラグ微粉末及びＪＩＳＡ６２０１に規定されるＩ種品又はＩＩ種品であるフライアッシュを硬化主材とし、該硬化主材１００重量部に対し、生石灰及び／又はアウイン等のカルシウムスルホアルミネート系鉱物を含む膨張セメントやセメント混和材として用いられる無機系粉末膨張材を２〜１０重量部含有することを特徴とする舗装材料用結合材。
上記硬化主材における上記高炉スラグ微粉末と上記フライアッシュの重量比が、６０：４０〜８０：２０であることを特徴とする請求項１に記載の舗装材料用結合材。
上記請求項１又は２に記載の舗装材料用結合材に細骨材を混和したモルタルからなる舗装材料であって、前記モルタル中の前記結合材と前記細骨材の割合が結合材：細骨材＝１：２〜１：４であることを特徴とする舗装材料。
高炉スラグ微粉末及びフライアッシュを硬化主材とし、該硬化主材１００重量部に対し、生石灰及び／又はアウイン等のカルシウムスルホアルミネート系鉱物を含む膨張セメントやセメント混和材として用いられる無機系粉末膨張材を２〜１０重量部含有する非セメント系の舗装材料用結合材に、細骨材と粗骨材と高性能減水剤を混和したコンクリートからなる舗装材料であって、前記コンクリート中の前記結合材と、前記細骨材及び前記粗骨材とからなる骨材の割合が結合材：骨材＝１：６〜１：４であることを特徴とする舗装材料。
上記請求項４に記載の舗装材料に、水／結合材＝１８〜２５（重量％）で水を添加して混練し、得られた混練物を４０〜９８℃での水和反応により硬化させて用いることを特徴とする舗装材料の使用方法。
上記硬化により得られるコンクリート硬化体の曲げ強度が４．５Ｎ／ｍｍ^２以上であることを特徴とする請求項５に記載の舗装材料の使用方法。