JP6131459B2

JP6131459B2 - モルタルまたはコンクリート用組成物およびそれを成形してなる成形品

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Publication number: JP6131459B2
Application number: JP2012209747A
Authority: JP
Inventors: 細谷　多慶; 多慶細谷
Original assignee: Landes Co Ltd
Current assignee: Landes Co Ltd
Priority date: 2012-03-29
Filing date: 2012-09-24
Publication date: 2017-05-24
Anticipated expiration: 2032-09-24
Also published as: JP2013227185A

Description

本発明は、耐塩害性能に優れたモルタルまたはコンクリート用組成物およびそれを成形してなる成形品に関するものである。

従来、セメント、高炉スラグ微粉末、シリカヒューム、フライアッシュ等の微粉末の結合材を使用したモルタルやコンクリートにおいて、緻密化したモルタルやコンクリートは塩化物イオンの浸透を抑制する効果が高く、耐塩害性能に優れていることが知られている。一方、緻密なほどコンクリートの圧縮強度は高い。つまり、モルタルやコンクリートは、高強度なものほど塩化物イオンの浸透に対する抑制能力が高いと考えられる。

例えば、非特許文献１によれば、塩化物イオンの浸透性を表す塩化物イオンの拡散係数は、水結合材比（Ｗ／Ｃ）を変数とした以下の回帰式（１）、（２）により導くことが可能とされている。これら回帰式によれば、高強度なものほど塩化物イオンの浸透を抑制可能であることがわかる。なお、式中のＤ_ｐは拡散係数の予測値を示している。

（普通ポルトランドセメントを使用する場合）
ｌｏｇ_１０Ｄ_ｐ＝−３．９（Ｗ／Ｃ）^２＋７．２（Ｗ／Ｃ）−２．５・・・式（１）

（高炉セメントやシリカヒュームを使用する場合）
ｌｏｇ_１０Ｄ_ｐ＝−３．０（Ｗ／Ｃ）^２＋５．４（Ｗ／Ｃ）−２．２・・・式（２）

一方、本出願人は既に特許文献１のモルタルまたはコンクリート用組成物を提案している。特許文献１は、非晶質な高炉スラグ細骨材、ならびに比表面積がブレーン値で２５００〜７０００ｃｍ^２／ｇの高炉スラグ微粉末およびポルトランドセメントを含む結合材を含有するモルタルまたはコンクリート用組成物であって、結合材に対するポルトランドセメントの質量比が０．３〜０．９のものである。このモルタルまたはコンクリート用組成物は、下水道施設等の硫酸性雰囲気に晒される環境で使用した場合に、表面に二水石こう層が形成されるので耐硫酸性に優れるという特長がある。

ここで、高炉スラグは、高炉で銑鉄を製造する際に副生されるものであり、その主成分はCaO、SiO₂、Al₂O₃、MgOである。また、高炉スラグ微粉末は、高炉スラグを水で急冷した高炉水砕スラグを乾燥・粉砕したものである。

高炉スラグ細骨材は、高炉スラグを水で急冷した高炉水砕スラグを軽破砕し、固結防止剤を添加したものである。高炉水砕スラグの製造において急冷される直前の溶融高炉スラグの温度は１４００度〜１５００度であり、急冷することにより結晶への原子配列が行われないまま固結してガラス質（非結晶）となる。高炉スラグ細骨材の品質は、JIS A 5011-1に規定されている。

２００７年制定コンクリート標準示方書「設計編」、５５頁５章材料の設計値、土木学会発行

特開２０１０−００１２０８号公報

ところで、高炉スラグはスラグ中のSiO₂やAl₂O₃の鎖状結合がpH12以上で切断され、固溶されていたCaO、Al₂O₃、MgOが溶出し、カルシウムシリケート水和物（C-S-Hゲル）およびカルシウムアルミネート水和物（C-A-Hゲル）を生成して硬化する（潜在水硬性）。

高炉スラグ微粉末はこの潜在水硬性が顕著であるため、従来より強度発現性が着目されていた。ここで、高炉スラグ微粉末の水硬性（水和反応性）の評価に関する要因としては、次の（１）〜（６）が挙げられる。

（１）ガラス化率および水砕化温度（ガラス構造）
（２）化学成分・塩基度
（３）鉱物構成成分
（４）粉末度（比表面積）
（５）刺激物質の種類
（６）結合材中の混合量

ただし、一般的にはガラス化率と塩基度で評価することが多く、セメント用の高炉スラグ微粉末としては、ガラス化率が９８％以上、塩基度が１．６以上のものが通常使用されている。なお、JIS A 6206にはガラス化率についての規定はない。また、塩基度については、塩基度＝（CaO＋Al₂O₃＋MgO）／SiO₂により求めることができる。

一方、高炉スラグ細骨材は高炉スラグ微粉末に比べて粒径が大きく、反応性が顕著でないため、潜在水硬性が強度発現性に大きく寄与するとは考えられていなかった。

しかし、本発明者が高炉スラグ細骨材を含有するモルタルの強度発現性に関して鋭意研究したところ、高炉スラグ細骨材の混入率が極めて重要であることが判明した。すなわち、高炉スラグ細骨材をあまり含まない場合には強度発現性は低いが、高炉スラグ細骨材を多く含む場合には強度発現性が高まることが判明した。本発明者は以上のような知見に基づき、強度発現性能、すなわち耐塩害性能に優れた以下の本発明に至った。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、耐塩害性能に優れたモルタルまたはコンクリート用組成物およびそれを成形してなる成形品を提供することを目的とする。

上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るモルタルまたはコンクリート用組成物は、塩分の浸透による塩害を受ける可能性のある環境下で使用されるモルタルまたはコンクリート用組成物であって、前記モルタルまたはコンクリート用組成物は、高炉スラグ細骨材と、高炉スラグ微粉末およびポルトランドセメントを含む結合材と、水とを含有し、フライアッシュ粗粉を含有せず、全細骨材に対する高炉スラグ細骨材の質量比が６６．７％以上であり、結合材に対する水の質量比が２５％であり、結合材に対するポルトランドセメントの質量比が４０％であり、結合材に対する高炉スラグ微粉末の質量比が６０％であり、「浸せきによるコンクリート中の塩化物イオンの見掛けの拡散係数試験方法（案）(JSCE-G 572-2010)」に基づく試験による、前記モルタルまたはコンクリート用組成物により作製したモルタルまたはコンクリート供試体に対する塩化物イオンの浸透性を表す見掛けの拡散係数が、前記モルタルまたはコンクリート用組成物とは全細骨材に対する高炉スラグ細骨材の質量比のみが異なり前記質量比が３３．３％以下であるモルタルまたはコンクリート用組成物により作製したモルタルまたはコンクリート供試体に対する塩化物イオンの浸透性を表す見掛けの拡散係数よりも小さく、塩分の浸透を抑制する耐塩害性能に優れることを特徴とする。

また、本発明に係る他のモルタルまたはコンクリート用組成物は、上述した発明において、炭酸化抑制に優れることを特徴とする。

また、本発明に係る成形品は、上述したモルタルまたはコンクリート用組成物を成形してなる成形品である。

本発明に係るモルタルまたはコンクリート用組成物によれば、高炉スラグ細骨材、ならびに高炉スラグ微粉末およびポルトランドセメントを含む結合材を含有するモルタルまたはコンクリート用組成物であって、全細骨材に対する高炉スラグ細骨材の含有率が質量比で６６．７％以上であるので、コンクリートが緻密化して強度発現性が高まり、塩化物イオンの浸透を効果的に抑制することができる。したがって、耐塩害性能に優れたモルタルまたはコンクリート用組成物およびそれを成形してなる成形品を提供することができるという効果を奏する。

図１は、本発明に係るモルタルの配合例を示す図である。図２は、高炉スラグ細骨材混入率と圧縮強度の関係を例示する図である。図３は、高炉スラグ細骨材混入率と炭酸化深さの関係を例示する図である。図４は、高炉スラグ細骨材混入率と炭酸化速度係数の関係を例示する図である。図５は、高炉スラグ細骨材混入率と塩化物イオンの見掛けの拡散係数の関係を例示する図である。

以下に、本発明に係るモルタルまたはコンクリート用組成物およびそれを成形してなる成形品の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

本発明に係るモルタルまたはコンクリート用組成物は、高炉スラグ細骨材、ならびに高炉スラグ微粉末およびポルトランドセメントを含む結合材を含有するモルタルまたはコンクリート用組成物であって、全細骨材に対する高炉スラグ細骨材の含有率が質量比で６６．７％以上のものである。

本発明で用いられる高炉スラグ細骨材は、非晶質な高炉スラグ細骨材である。非晶質な高炉スラグ細骨材としては、例えば、製銑工程において副産する高炉スラグに、加圧水を噴射して急冷し、粒状化した高炉水砕スラグを用いることができる。また、本発明で用いられる高炉スラグ細骨材は、密度が２．５〜３．０ｇ／ｃｍ^３のものである。このように、密度が２．５〜３．０ｇ／ｃｍ^３の範囲にある高炉スラグ細骨材を用いることにより、得られるモルタルまたはコンクリートの強度発現性が高められるとともに、乾燥収縮ひずみが小さくなる。

高炉スラグ細骨材の密度が２．５ｇ／ｃｍ^３未満の場合、高炉スラグ細骨材が多孔質であるため、それを用いたモルタルおよびコンクリートの強度が低くなるおそれがあり、２．５５ｇ／ｃｍ^３以上、２．９０ｇ／ｃｍ^３以下であることが好ましく、２．８０ｇ／ｃｍ^３以下であることがより好ましい。

本発明で用いられる高炉スラグ微粉末は、比表面積がブレーン値で２５００〜７０００ｃｍ^２／ｇのものである。このように、比表面積がブレーン値で２５００〜７０００ｃｍ^２／ｇの高炉スラグ微粉末を用いることにより、耐塩害性能に優れたモルタルまたはコンクリート用組成物が得られる。用いられる高炉スラグ微粉末の比表面積がブレーン値で２５００ｃｍ^２／ｇ未満の場合、初期強度の発現性が悪くなるおそれがあり、比表面積はブレーン値で３０００ｃｍ^２／ｇ以上であることが好ましく、３５００ｃｍ^２／ｇ以上であることがより好ましい。一方、比表面積がブレーン値で７０００ｃｍ^２／ｇを超える場合、コストが高くなるとともに、水和熱が高くなり、乾燥収縮ひずみが大きくなる等、コンクリートに初期欠陥を生じさせるおそれがあり、比表面積がブレーン値で６５００ｃｍ^２／ｇ以下であることが好ましく、５０００ｃｍ^２／ｇ以下であることがより好ましい。

また、本発明で用いられる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、早強ポルトランドセメント、超早強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等が挙げられるが、中でも普通ポルトランドセメントを用いることが好ましい。

本発明のモルタルまたはコンクリート用組成物は、高炉スラグ細骨材、ならびに高炉スラグ微粉末およびポルトランドセメントを含む結合材を含有するものであるが、ポルトランドセメント（Ｃ）と結合材（Ｄ）との質量比（Ｃ／Ｄ）は０．３〜０．９とするのが好ましい。このとき、高炉スラグ微粉末（Ｂ）と結合材（Ｄ）との質量比（Ｂ／Ｄ）が０．１〜０．７であることが好ましい。質量比（Ｃ／Ｄ）がこのような範囲にあることにより、得られるモルタルまたはコンクリートの耐塩害性能が良好となる。また、質量比（Ｃ／Ｄ）は０．３５以上、０．８５以下であることが好ましく、質量比（Ｂ／Ｄ）は０．１５以上、０．６５以下であることがより好ましい。

また、本発明では、高炉スラグ微粉末（Ｂ）およびポルトランドセメント（Ｃ）の合計１００質量部に対して、高炉スラグ細骨材（Ａ）を５０〜１０００質量部を含むことが好ましく、１００質量部以上、８００質量部以下であることがより好ましく、６００質量部以下であることがさらに好ましい。

本発明のモルタルまたはコンクリート用組成物において、高炉スラグ細骨材、ならびに高炉スラグ微粉末およびポルトランドセメントを含む結合材以外に、モルタル用組成物は通常さらに水を含むものであり、コンクリート用組成物は通常さらに水および粗骨材を含むものであり、モルタルまたはコンクリート用組成物が硬化されてモルタルまたはコンクリートが得られることとなる。ここで、モルタル用組成物における水の使用量（Ｗ）としては、結合材（Ｄ）１００質量部に対して、水（Ｗ）が２５〜７０質量部であることが好ましい。また、コンクリート用組成物における水の使用量（Ｗ）としては、結合材（Ｄ）１００質量部に対して、水（Ｗ）が２５〜６０質量部であることが好ましく、粗骨材の使用量としては、結合材（Ｄ）１００質量部に対して、粗骨材が１００〜５００質量部であることが好ましい。また、本発明のモルタルまたはコンクリート用組成物は、本発明の効果を阻害しない範囲であれば、さらにその他の成分を含有しても構わない。

本発明のモルタルまたはコンクリート用組成物は、耐塩害性が要求される建造物等の施工に非常に有用であり、例えば、海岸構造物、海洋構造物、水路構造物、道路構造物、擁壁構造物の耐塩害性が要求される現場で好適に用いられる。このとき、予め本発明のモルタルまたはコンクリート用組成物を成形し、成形品として施工してもよいし、本発明のモルタルまたはコンクリート用組成物を用いてモルタル表面またはコンクリート表面を補修する使用態様であっても構わない。

次に、本発明の作用効果について説明する。
図１は、モルタルの配合例および圧縮強度を示した図である。図１に示すように、各配合においては、水（Ｗ）、ポルトランドセメント（Ｃ）、高炉スラグ微粉末（Ｂ）、高炉スラグ細骨材（Ａ）、川砂、高性能減水剤をそれぞれ所定量用いており、ポルトランドセメント（Ｃ）および高炉スラグ微粉末（Ｂ）を結合材（Ｄ）とし、Ｗ／Ｄ＝２５％、Ｃ／Ｄ＝４０％の配合としている。また、本発明の実施例１、２として高炉スラグ細骨材混入率１００％、６６．７％の例を、比較例１、２として高炉スラグ細骨材混入率３３．３％、０％の例を示している。

図２は、図１の高炉スラグ細骨材混入率と圧縮強度（材齢７日）の関係をプロットした図である。

図１および図２に示すように、高炉スラグ細骨材混入率が大きくなるほど圧縮強度が高くなることがわかる。特に、高炉スラグ細骨材混入率が６６．７％以上になると強度発現性が顕著になる。つまり、細骨材に高炉スラグ細骨材を使用することによりモルタルが緻密化し、高強度となるので塩化物イオンの浸透の抑制力が高まるものと推察される。また、この結果は、モルタルに粗骨材を加えて成るコンクリートにおいても同様になると考えられる。

上述したように、高炉スラグ細骨材は高炉スラグ微粉末に比べて粒径が大きく、反応性が顕著でないため、潜在水硬性が強度発現性に大きく寄与するとは従来考えられていなかった。しかし、図１および図２の試験結果からもわかるように、高炉スラグ細骨材混入率を６６．７％以上にすると高炉スラグ細骨材混入率が０％のものよりも３割以上の強度発現性を有するようになる。

このように、本発明によれば、コンクリートが緻密化して強度発現性が高まり、塩化物イオンの浸透を効果的に抑制することができる。したがって、耐塩害性能に優れたモルタルまたはコンクリート用組成物およびそれを成形してなる成形品を提供することができる。

また、本発明の成形品を用いたコンクリート製品によれば、外部からの塩化物イオンの侵入を抑制し、内部に設けた鉄筋などの鋼材の腐食を大幅に防ぐことが可能である。例えば、本発明を海岸・海洋構造物などの塩害を受ける可能性のある環境下の構造物に適用した場合、優れた耐塩害性能が発揮されるので、普通モルタルやコンクリートで構成した場合に比べ構造物の耐用年数を延ばすことができる。

また、本発明に係るモルタルまたはコンクリート用組成物は、高炉スラグ微粉末と混入率が６６．７％以上の高炉スラグ細骨材を含有し、原材料の大部分が高炉スラグからなることから、川砂を細骨材として用いた普通モルタルやコンクリートと比べてＣＯ_２排出量を大幅に削減するとともに、骨材資源の有効利用を図ることができる。特に、高炉スラグのカーボンフットプリントはゼロであるため、ＣＯ_２排出削減に大きな効果を発揮することができる。

次に、本発明の作用効果について、炭酸化促進試験結果を用いて補足説明する。
図３および図４は、炭酸化促進試験結果の一例を示した図である。図３は、高炉スラグ細骨材混入率と炭酸化深さの関係を、促進期間７日、１４日、２１日、２８日の場合についてプロットした図である。また、図４は、高炉スラグ細骨材混入率と炭酸化速度係数の関係をプロットした図である。各図はいずれもＷ／Ｄ＝６０％、Ｃ／Ｄ＝１００％のモルタルについての試験結果を示している。

図３、図４に示すように、高炉スラグ細骨材の混入率が多くなると炭酸化深さ、炭酸化速度係数が小さくなっていることから、高炉スラグ細骨材を多く使用することにより、モルタル内の緻密度が向上し、劣化因子（炭酸ガス）の浸透抑制効果が高まることがわかる。したがって、高炉スラグ細骨材を多く使用したモルタルは炭酸化抑制にも優れている。なお、こうした傾向は、モルタルに粗骨材を加えて成るコンクリートにおいても同様になると考えられる。

次に、本発明の作用効果について、塩化物イオンの見掛けの拡散係数試験結果を用いて補足説明する。
図５は、塩化物イオンの見掛けの拡散係数試験結果の一例であり、高炉スラグ細骨材混入率と塩化物イオンの見掛けの拡散係数の関係をプロットした図である。この図は、Ｗ／Ｄ＝２５％、Ｃ／Ｄ＝４０％のモルタルについての試験結果を示している。なお、この試験は、下記の参考文献１に記載の試験方法に準拠して行った。参考文献１に記載の試験方法は、濃度１０％の塩化ナトリウム水溶液中に所定の期間中浸漬した後、塩化物イオンを測定して塩化物イオンの浸透性を表す見掛けの拡散係数を求めるものである。

［参考文献１］浸せきによるコンクリート中の塩化物イオンの見掛けの拡散係数試験方法（案）(JSCE-G 572-2010)

図５に示すように、高炉スラグ細骨材の混入率が多くなると塩化物イオンの見掛けの拡散係数が小さくなっていることから、高炉スラグ細骨材を多く使用することにより、塩分（塩化物イオン）の浸透が抑制されることがわかる。したがって、高炉スラグ細骨材を多く使用したモルタルは塩分の浸透抑制に優れている。なお、こうした傾向は、モルタルに粗骨材を加えて成るコンクリートにおいても同様になると考えられる。

以上説明したように、本発明に係るモルタルまたはコンクリート用組成物によれば、高炉スラグ細骨材、ならびに高炉スラグ微粉末およびポルトランドセメントを含む結合材を含有するモルタルまたはコンクリート用組成物であって、全細骨材に対する高炉スラグ細骨材の含有率が質量比で６６．７％以上であるので、コンクリートが緻密化して強度発現性が高まり、塩化物イオンの浸透を効果的に抑制することができる。したがって、耐塩害性能に優れたモルタルまたはコンクリート用組成物およびそれを成形してなる成形品を提供することができるという効果を奏する。

以上のように、本発明に係るモルタルまたはコンクリート用組成物およびそれを成形してなる成形品は、モルタルやコンクリート製品に有用であり、特に、塩化物イオンの浸透を効果的に抑制するのに適している。

Claims

塩分の浸透による塩害を受ける可能性のある環境下で使用されるモルタルまたはコンクリート用組成物であって、
前記モルタルまたはコンクリート用組成物は、高炉スラグ細骨材と、高炉スラグ微粉末およびポルトランドセメントを含む結合材と、水とを含有し、フライアッシュ粗粉を含有せず、全細骨材に対する高炉スラグ細骨材の質量比が６６．７％以上であり、結合材に対する水の質量比が２５％であり、結合材に対するポルトランドセメントの質量比が４０％であり、結合材に対する高炉スラグ微粉末の質量比が６０％であり、
「浸せきによるコンクリート中の塩化物イオンの見掛けの拡散係数試験方法（案）(JSCE-G 572-2010)」に基づく試験による、前記モルタルまたはコンクリート用組成物により作製したモルタルまたはコンクリート供試体に対する塩化物イオンの浸透性を表す見掛けの拡散係数が、前記モルタルまたはコンクリート用組成物とは全細骨材に対する高炉スラグ細骨材の質量比のみが異なり前記質量比が３３．３％以下であるモルタルまたはコンクリート用組成物により作製したモルタルまたはコンクリート供試体に対する塩化物イオンの浸透性を表す見掛けの拡散係数よりも小さく、塩分の浸透を抑制する耐塩害性能に優れることを特徴とするモルタルまたはコンクリート用組成物。
炭酸化抑制に優れることを特徴とする請求項１に記載のモルタルまたはコンクリート用組成物。
請求項１または２に記載のモルタルまたはコンクリート用組成物を成形してなる成形品。