JP6883455B2 - 吸着透水性コンクリート - Google Patents

Description

本発明は吸着透水性コンクリートに係り、浸透透水性を有する舗装用コンクリートとして使用され、大気中の二酸化炭素を吸着固定することができるようにした吸着透水性コンクリートに関する。

出願人は、浸透機能に優れた、高い空隙率を有するポーラス構造からなる浸透透水性コンクリート（パーミアコン（登録商標））を開発している。このパーミアコンは透水性舗装の表層材としてコンクリートプラントなどで製造されて現場搬入され、基層上に所定層厚で舗設される舗装材料で、雨水等は舗装面から表層部分の舗装体内に浸透して一時貯留され、地中浸透が図られる。このとき雨水は舗装体内の空隙で一時貯留しながら、徐々に地中へ浸透・蒸発散するので、雨水のピーク流出を遅らせ、下水道や調整池等の施設への負担を軽減されるという効果が得られる。

ところで、近時の地球温暖化対策の柱としての二酸化炭素排出量の削減を目的として、空気中に排出された二酸化炭素を吸着・固定化する技術の開発が進められている。これに関してコンクリートは、硬化後、主要な化学成分である水酸化カルシウムや、カルシウムシリケート水和物が大気中の二酸化炭素と反応して炭酸カルシウムができることが知られている。具体的な現象としては、コンクリートの白化やひび割れからの白化物の溶出などがあげられる。この点、コンクリートによる二酸化炭素固定が１つの手段として注目されているが、硬化後のコンクリートは内部構造が緻密であり、大気中の二酸化炭素の浸透速度は遅く、大気中の二酸化炭素を固定化する特性は弱い。

このコンクリートの有する二酸化炭素固定時の問題点を解決するように開発されたコンクリート組成物も提案されている（特許文献１）。

特開２００７−８７４９号公報

特許文献１に開示されたコンクリート組成物では、その材料組成としてアルカリ雰囲気下において加水分解性を有する樹脂を含むことで、硬化後のコンクリートにおいて樹脂の分解、減容によってコンクリート内に空隙を生じさせるようになっており、さらに二酸化炭素を吸着しうる微粉末または吸着剤を含むことを特徴としている。このように、特許文献１に開示されたコンクリート組成物は、多様な材料組成で成り立っており、コンクリートプラントで製造される一般的な仕様からなる構造用、舗装用のコンクリート材料に適用できるものではない。

この点、上述したパーミアコンは、優れた透水性能は舗装表層の粗骨材間に形成された多数の空隙によって得られているため、コンクリート製造時に所定の空隙率が確保されている。そして既存のパーミアコンの配合に相当する浸透透水性コンクリートの粗骨材の一部を、吸着性能を有する材料、たとえばゼオライトと置き換えることで浸透透水性を有するコンクリートに十分な二酸化炭素吸着固定性能を備えさせることができることが見込まれる。この知見は、出願人が考案した試験装置（後述する。）によって実施した、各種コンクリート試験体の吸着特性を把握するための予備試験においても、コンクリート試験体はコンクリートの有する二酸化炭素の吸着特性に加え、長期材齢においても吸着特性が得られることが認められた。

そこで、本発明の目的は上述した従来の技術が有する問題点を解消し、浸透透水性コンクリートの粗骨材の一部を二酸化炭素吸着特性を有する吸着材に置換することで、硬化したコンクリートにおいて、大気中の二酸化炭素を効果的に吸着固定できるようにした吸着透水性コンクリートを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は水、セメント、粗骨材、二酸化炭素吸着性能を有する吸着材、ポリマー系バインダーを配合してなる吸着透水性コンクリートであって、前記吸着材は、天然ゼオライトであり、前記粗骨材は、６号砕石であり、前記天然ゼオライトが前記６号砕石に対して容積比１５％〜５０％で混合され、硬化後のコンクリートの透水係数が１．０×１０^-1ｃｍ／ｓｅｃ以上であることを特徴とする。

さらに、高性能ＡＥ減水剤を前記セメント質量の２％添加されることが好ましい。

コンクリート試験体の二酸化炭素吸着特性を把握するための試験装置を示した概略説明図。 各種コンクリート試験体における試験体材齢と吸着特性（二酸化炭素濃度の低下所要時間）との関係を示したグラフ。 各種コンクリート試験体における試験体材齢と吸着特性（二酸化炭素濃度の低下所要時間）との関係を示したグラフ。 各種コンクリート試験体における高性能ＡＥ減水剤の添加量と空隙率との関係を示したグラフ。 各種コンクリート試験体における高性能ＡＥ減水剤の添加量と引張強度との関係を示したグラフ。 各種コンクリート試験体における高性能ＡＥ減水剤の添加量と透水係数との関係を示したグラフ。

以下、本発明の吸着透水性コンクリートの二酸化炭素の吸着特性および基本性状について表１〜３および添付図（グラフ）を参照して説明する。

［二酸化炭素の吸着特性試験］
容器内部に収容されたコンクリート試験体の二酸化炭素の吸着特性を把握するための試験装置および試験内容について図１を参照して説明する。
（試験体及び試験装置）
コンクリート試験体１は、図１に示したように、所定の骨材及び吸着材の配合で製造されたコンクリート版（試験体寸法は３０×３０×５ｃｍ）からなる。試験装置１０の本体は容積８０リットルの透明なアクリル樹脂製の密閉容器１１からなる。この容器１１には容器１１の内部に二酸化炭素を供給するガス発生装置１２と、容器１１内の二酸化炭素濃度を連続的に計測可能な二酸化炭素濃度計１３（株式会社マザーツール製（型式：ＡＱ−９９０１ＳＤ）とが取り付けられている。本実施形態ではガス発生装置１２として圧縮ガスボンベが用いられている。二酸化炭素濃度計１３の検知プローブ１４が容器１１内に挿入された状態で保持されており、この検知プローブ１４位置での二酸化炭素濃度が計測される。

吸着特性試験では、まず容器１１内に二酸化炭素を濃度７０００〜８０００ｐｐｍとなるように注入して初期状態とし、容器１１内に収容された各種のコンクリート試験体１による二酸化炭素の吸着作用の経時変化を、容器内の二酸化炭素濃度の変化として計測し、確認する。

（吸着材の組成、試験体の配合）
本試験ではコンクリート試験体に用いる吸着材として天然ゼオライトを採用した。天然ゼオライトの材料諸元を表１に示す。

表１

ゼオライトはナノメートルオーダーの細孔が規則的に並んだ多孔性アルミノ珪酸塩で天然材料、合成（人工）材料がある。天然ゼオライトとしてモルデナイト系、クリノプチロライト系いずれも好適である。本発明では比較的単一粒度からなる北海道仁木産の天然ゼオライト（クリノプチロライト系）を使用したが、所定の吸着特性を有する構造・性質の他の天然あるいは合成（人工）ゼオライトを使用することができる。

今回の吸着特性確認試験で作製された各種コンクリート試験体について、表２を参照して説明する。試験体は吸着材（以下、ゼオライト）を含む試験体と含まない試験体とに大別できる。試験では、まずゼオライトを用いた試験体の吸着特性を把握する。さらにゼオライトを粗骨材の一部と所定の比率（容積比）で置換して使用した試験体を数種作製して試験し、それぞれの試験体における二酸化炭素の吸着特性からゼオライトの好ましい置換比率を確認する。表２に吸着特性試験に用いた試験体の内容を、表３にそれぞれの試験体の配合表を示す。

表３において、使用セメントとして普通ポルトランドセメント、粗骨材として本実施形態では６号砕石を用いる。従来の浸透透水性コンクリート（一例としてパーミアコン製品と同等性能を発揮するコンクリート）と同様に比較的粒度の均一な骨材を使用することにより所定の空隙率を確保している。また従来の浸透透水性コンクリートと同じく粘着性能を有するバインダーを定量（６ｋｇ／ｍ³）添加し、空隙率を確保する。この添加量はゼオライトを使用した場合にも所定の空隙率（たとえば２０％）を確保できる程度に調整することが好ましい。バインダーとしては、例えば天然または合成ゴム、例えばＳＢＲ（スチレンブタジエンゴム）またはＮＢＲ（ブタジエンアクリロニトリルゴム）、あるいはアクリル系樹脂、エポキシ樹脂などを用いることができ、これらのポリマー系混和剤は、通常、エマルジョンの形で添加される。例えば、このポリマー系混和剤として、商品名パーミファルト（ＳＢＲ系ラテックス）（（株）佐藤渡辺製）が好適である。

表２

表３

（試験体材齢と吸着特性との関係（１））
各種コンクリート試験体（Ｃ、Ｐ）およびゼオライトを使用した試験体（Ｚ−Ｃ、Ｚ−Ｇ−０）により、比較的長期の材齢（〜１２０日）までの吸着特性試験を行い、以下の結果が認められた。
・短期材齢（１日）ではゼオライトの有無による差違はほとんどない。
・パーミアコンは内部に連続空隙を有するため、長期にわたりアルカリ溶出作用が見込まれ、同作用による吸着性能がある程度維持される。
・ゼオライトを使用した試験体では１２０日材齢においても吸着性能が維持されている。以上の結果より、パーミアコンの配合のうち、粗骨材（砕石）の一部をゼオライトで置換することのメリットが確認された。

（試験体材齢と吸着特性との関係（２））
上述の定性的な評価に加え、各試験体の吸着特性の定量的な比較を行う。このとき二酸化炭素濃度が２０００ｐｐｍから１０００ｐｐｍまで低下するまでの所要時間（秒）を計測し、その値を比較のための指標とする。この濃度の範囲での吸着作用の所要時間は、試験開始時の試験装置内の二酸化炭素濃度が８０００ｐｐｍ程度であったところ、吸着作用がある程度進行した後にも十分な吸着作用が確保できるかを判定する目安となる。このとき８８００秒を計測限界値とした。

計測結果のまとめを図２に示す。図２のグラフは、縦軸に二酸化炭素濃度が２０００ｐｐｍから１０００ｐｐｍまで低下するまでの所要時間（秒）（グラフでは単に所要時間（秒）と表示）、横軸に材齢（日）をとり、各種コンクリート試験体（Ｃ、Ｐ）およびゼオライトを使用した試験体（Ｚ−Ｃ、Ｚ−Ｇ−０、Ｚ−Ｇ−５０）について、吸着特性と材齢との関係を示している。同図に示したように、Ｚ区分（ゼオライトを使用）の試験体とそれ以外のコンクリート試験体の区分とは材齢経過において、吸着特性の低下の度合いに差が生じ、ゼオライトを使用しているが連続空隙のない試験体（Ｚ−Ｃ）が、両区分の中間的な性状を示している。試験体（Ｚ−Ｇ−５０）の吸着特性が材齢１００日を経過して急激に低下していることから、砕石容積比に応じて材齢１００日経過後の吸着性能維持のための対策も考慮することが好ましい。その対策として、コンクリート面に水を噴霧または散水することが好ましい。これにより吸着透水性コンクリートはその吸着性能を回復または維持することが可能になる。

図３のグラフは、Ｚ−Ｇ区分として、粗骨材に対するゼオライトの置換比率（砕石容積比で表す）を変化させた各試験体（Ｚ−Ｇ−０、Ｚ−Ｇ−５０、Ｚ−Ｇ−６５、Ｚ−Ｇ−８５）の試験体材齢と吸着特性の関係を、図２と同様の指標を用いて示している。同図から、砕石容積比８５％、すなわち粗骨材（本実施形態では６号砕石）の１５％容積をゼオライトに置換することで十分な二酸化炭素の吸着作用を確保できることが認められた。

［吸着透水性コンクリートの基本性状確認試験］
上述の吸着特性を有する吸着透水性コンクリートを実用化するにあたり、従来のパーミアコン（浸透透水性コンクリート）と同等の基本性状が得られるかを確認し、得られない場合に配合を変更して目標値をクリアできるかを確認する。Ｚ−Ｇ区分における試験体において、以下の基本性状の確認試験を行った。
（基本性状目標値）
透水係数：１．０×１０^-1ｃｍ／ｓｅｃ以上
引張強度：１．２Ｎ／ｍｍ²以上
（確認試験の内容）
試験体としては、良好な吸着特性が認められた試験体（Ｚ−Ｇ−６５、Ｚ−Ｇ−８５）について透水試験（ＪＩＳ Ａ １２１８準拠 特殊な変水位透水試験方法）、引張試験（ＪＩＳ Ａ １１１３）を行う。
（高性能ＡＥ減水剤の採用）
試験結果を図４〜図６に示す。各グラフにおいて、当初配合による試験結果は無添加として表示している。これらの試験結果に示したように、各試験体の基本性状を確認したところ、透水係数、空隙率の基本性状は目標値を満足することは確認できたが、引張強度の目標値に達していない。吸着透水性コンクリートを舗設する部位が引張強度、耐久性を大きく要しない施工場所である場合には、ゼオライトを粗骨材に対して置換比率５０％まで高めることができるが、引張強度を要する部位に舗設するコンクリートの場合には上記引張強度の確保が必要となる。

そこで、本発明では高性能ＡＥ減水剤を所定量添加して強度向上を図ることとした。試験では、高性能ＡＥ減水剤（ＢＡＳＦジャパン社、マスターグレニウムＳＰ８ＳＶ）を添加（Ｃ×１％、２％）して単位水量を減らすことにより、添加量に対応した強度向上の効果を確認した。試験結果より、試験体（Ｚ−Ｇ−８５）１％添加において引張強度目標値を満足（１．２２Ｎ／ｍｍ²）することが確認された。この場合、２％添加の結果（１．３９Ｎ／ｍｍ²）から、試験体強度の変動を考慮して高性能ＡＥ減水剤は２％添加を下限とすることが好ましい。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、各請求項に示した範囲内での種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲内で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態も、本発明の技術的範囲に含まれる。

１ コンクリート試験体
１０ 試験装置
１１ 容器
１２ ガス発生装置
１３ 二酸化炭素濃度計

Claims (2)

1. 水、セメント、粗骨材、二酸化炭素吸着性能を有する吸着材、ポリマー系バインダーを配合してなる吸着透水性コンクリートであって、
   前記吸着材は、天然ゼオライトであり、
   前記粗骨材は、６号砕石であり、
   前記天然ゼオライトが前記６号砕石に対して容積比１５％〜５０％で混合され、硬化後のコンクリートの透水係数が１．０×１０^-1ｃｍ／ｓｅｃ以上であることを特徴とする吸着透水性コンクリート。
2. さらに、高性能ＡＥ減水剤を前記セメント質量の２％添加してなる請求項１に記載の吸着透水性コンクリート。

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