スマートマテリアル化人工軽量骨材及びその製造法並びにコンクリート混練物
【課題】コンクリートに配合する粗骨材の全部または大部分を置換することが可能な多孔質の人工軽量粗骨材を用いて、セメントマトリクスの乾燥を抑制し、コンクリート構造物の高耐久化をもたらす技術を提供する。
【解決手段】石炭灰と頁岩微粉末を主原料として焼成された多孔質人工骨材の内部空隙に、水、及びセメントの水和生成物と反応する珪酸系薬剤を格納したスマートマテリアル化人工軽量骨材。特に、前記薬剤が、少なくとも表面に露出している部分でゲル化した状態となって存在するものが好適な対象となる。
【解決手段】石炭灰と頁岩微粉末を主原料として焼成された多孔質人工骨材の内部空隙に、水、及びセメントの水和生成物と反応する珪酸系薬剤を格納したスマートマテリアル化人工軽量骨材。特に、前記薬剤が、少なくとも表面に露出している部分でゲル化した状態となって存在するものが好適な対象となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多孔質の人工軽量骨材の空隙に水及び薬剤を含浸して格納することによりスマートマテリアル化（ＳＬＡ；Ｓｍａｒｔ Ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ Ａｇｇｒｅｇａｔｅ）した人工軽量骨材、及びその製造法、並びにそのスマートマテリアル化人工軽量骨材を使用したコンクリート混練物に関する。
【背景技術】
【０００２】
構造物のコンクリートは乾燥と経年劣化の進行に伴い、耐久性が低下することが懸念される。近年、コンクリート構造物の耐久性を向上させるために、水セメント比の低下及び混和材の添加などを利用してコンクリートを高強度化及び高耐久化する技術が種々開発されている。一方、コンクリートは養生条件及び外部の環境条件により、内部からの水分移動による乾燥現象が生じ、可視ひび割れやマイクロレベルの微細空隙と微細ひび割れ（以下マイクロクラック）が発生する。このようなコンクリートの微細空隙やマイクロクラックを抑制するためには、打設後の十分な養生が要求されるが、実用上長期の養生は困難な場合が多い。
【０００３】
コンクリートの内部から、水分をセメントマトリクス中に徐々に安定して供給することができれば、上記の乾燥現象に起因するトラブルを抑制することが可能になると考えられる。また同時にコンクリートの内部から、セメントマトリクス中の物質と反応して緻密な反応生成物を形成する薬剤を徐々に安定して供給することができれば、コンクリート構造物の耐久性向上に有効であると考えられる。
【０００４】
特許文献１には、多孔質の軽量骨材の表層部にゲル物質を生成させる技術が開示されている。このゲル物質は「防水栓」（特許文献１の３頁左欄１７行）として機能するものであり、軽量骨材の内部に凍害要因となる水分が入らないように、軽量骨材に耐吸水性を付与するものである。したがって、この技術ではコンクリート内部からセメントマトリクス中に水分やその他の物質を供給することはできない。
【０００５】
特許文献２には、多孔質の骨材本体に、コンクリートに生じた亀裂を塞ぐ補修液を含浸させる技術が記載されている。この骨材はコーティング膜に覆われており、コンクリートの亀裂が生じた際に、その亀裂部分に位置する骨材のコーティング膜が破壊され、水ガラスや各種樹脂の補修液が亀裂内部に放出されるようになっている（特許文献２の段落００１５、図２）。したがって、この技術では水分や薬剤をセメントマトリクス中に徐々に供給することはできない。
【０００６】
特許文献３には、骨材に、セメント硬化体中の水酸化カルシウムと反応して水不溶物質を生成する薬剤を含ませる技術が開示されている。その手法の１つとして、多孔質体の骨材中に薬剤を含浸させることが記載されており、その例が実施例１として示されている。しかし、コンクリート１ｍ3に対しこの薬剤含有骨材は１５０個加えられているにすぎず（同段落００２８参照）、当該薬剤含有骨材の粒子はコンクリート硬化体中において他の骨材粒子よりも低密度で分散しているものと考えられる。特許文献３の技術によれば、自癒作用物質が徐々に放出されて、主としてセメント成分の硬化後析出する水酸化カルシウムと永続的に反応するため初期の目的（水和反応の阻害、大型ミキサーの汚染等を回避してセメント硬化体に自癒作用をもたせる）が達成できるとされる。しかしながら特許文献３には、コンクリート中に配合する粗骨材の大部分を薬剤含有骨材で置換することが可能で、かつ長期にわたってセメントマトリクスの乾燥を抑制しうる技術は開示されていない。
【０００７】
特許文献４には、膨張性頁岩を焼成して得られる多孔質骨材中に薬剤を保持した薬品保持材が開示されている。この薬品保持材をコンクリート用骨材に使用する例として、低級アルコール化合物、グリコールエーテル等、収縮性作用のある表面張力緩和剤を含浸させた人工骨材を従来の砂や細骨材に混入してコンクリートを製造することが記載されており、それにより、硬化に伴うコンクリート製品の収縮を低減させることができるという（特許文献４の段落００１６）。しかし、セメントマトリクスの乾燥抑制や組織の緻密化を実現する手法は示されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特公平６−８８８５３号公報
【特許文献２】特開平１０−１９４８０１号公報
【特許文献３】特開２００２−９７０４５号公報
【特許文献４】特開２００４−２２４７２８号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】笠井浩、外３名、「石炭灰人工骨材（Ｊライト）を用いた高性能コンクリートの諸性質」、鹿島技研年報、Ｖｏｌ.５３、（２００５）、ｐ.１５７−１６６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、コンクリートに配合する粗骨材の全部または大部分を置換することが可能な多孔質の人工軽量粗骨材を用いて、セメントマトリクスの乾燥を抑制し、コンクリート構造物の高耐久化をもたらす技術を提供しようというものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的は、石炭灰と頁岩微粉末を主原料として焼成された多孔質人工骨材の内部空隙に、水、及びセメントの水和生成物と反応する珪酸系薬剤を格納したスマートマテリアル化人工軽量骨材によって達成される。特に、前記薬剤が、少なくとも表面に露出している部分でゲル化した状態となって存在するものが提供される。内部まで完全にゲル化していても構わない。
【００１２】
薬剤を格納する多孔質人工骨材（素材）は、含水率３０％以下、絶乾密度２.５ｇ／ｃｍ3以下であり、かつ断面に観察される空隙の最大径が２.０ｍｍ以下のものが好適な対象として例示される。空隙の最大径は、断面画像に現れている個々の空隙の面積を求めて円相当径を算出し、その最大値を採用することにより定められる。
【００１３】
上記のスマートマテリアル化人工軽量骨材の製造法として、石炭灰と頁岩微粉末を主原料として焼成された多孔質人工骨材を凍結真空乾燥させたのち、前記薬剤を水溶媒とともに減圧下で当該人工骨材の内部空隙に最大含浸率まで含浸させる手法が提供される。薬液をゲル化させる場合は、薬剤含浸後の人工骨材をゲル化剤と接触させる手法が採用される。
【００１４】
上記のスマートマテリアル化人工軽量骨材を使用してコンクリート混練物を得る場合、全粗骨材の８０〜１００質量％に当該スマートマテリアル化人工軽量骨材を使用することが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、コンクリート構造物の経年劣化によるマイクロクラックの発生を抑制することができ、種々の用途のコンクリート構造物において比較的低コストで高耐久化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】スマートマテリアル化人工軽量骨材によりコンクリート構造物が高耐久化されるメカニズムを示す概念図。
【図２】等温放湿装置の構成を示す図。
【図３】真空含浸方法を用いた含浸率測定結果を示すグラフ。
【図４】水分放湿率の経時変化を例示するグラフ。
【図５】相対湿度と平衡含浸率の関係を示すグラフ。
【図６】相対湿度と拡散係数（計算結果）の関係を示すグラフ。
【図７】相対湿度及び乾燥ひずみ測定用の試験体作製状況を示す図。
【図８】マイクロクラック観察の一例を示すＳＥＭの反射電子像。
【図９】試験体内部の相対湿度の分布を示すグラフ。
【図１０】乾燥面から深さ１０ｍｍの乾燥ひずみの測定結果を示すグラフ。
【図１１】圧縮強度の測定結果を示すグラフ。
【図１２】微細空隙及びマイクロクラックの測定結果を示すグラフ。
【図１３】透気性試験結果を示すグラフ。
【図１４】促進中性化試験結果を示すグラフ。
【図１５】促進中性化深さと試験体の深さ１０ｍｍにおける微細空隙及びマイクロクラックの関係を示すグラフ。
【図１６】本発明に適用する多孔性人工骨材（素材）の断面ＳＥＭ写真の一例。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
〔多孔質人工骨材〕
本発明では、石炭灰と頁岩微粉末を主原料として焼成された多孔質人工骨材を、後述の薬剤を格納するための素材として使用する。石炭灰は産業副産物が利用できる。上記原料を高温焼成した後、常温まで徐冷して得られる人工骨材は化学的に安定であり、軽量骨材として使用できる強度を有している。特に、含水率３０％以下（好ましくは１０〜２５％）、絶乾密度２.５ｇ／ｃｍ3以下（好ましくは１.０〜２.０ｇ／ｃｍ3）であり、かつ断面に観察される空隙の最大径が２.０ｍｍ以下のものが好適な対象として例示される。特に、空隙の最大径が０.５ｍｍ未満のものがより好適であり、０.３ｍｍ以下のものを使用するように管理してもよい。この種の人工骨材としては、例えば出願人らによって開発された商品名；Ｊライト（非特許文献１）が適用できる。
【００１８】
図１６に、本発明で適用できる人工軽量骨材の断面ＳＥＭ写真を例示する。左右の写真は種類の異なる人工軽量骨材である。多くの空隙を有しており、断面に観察される空隙の最大径は２.０ｍｍ以下であり、特に左のもの（Ｊライト）は極めて微細である。
【００１９】
〔薬剤〕
上記の人工骨材（素材）の空隙に格納する薬剤はセメントの水和生成物と反応する珪酸系のものが採用される。例えば、地盤改良材やグラウト材からアルカリを除去した活性シリカやコロイドシリカ、あるいはコンクリートの表面強化剤などを利用することができる。水溶媒中の珪酸（ＳｉＯ2）濃度が４０％以下（好ましくは１０〜３５％）で粘性が低く、上記の人工骨材への含浸が容易である薬液として使用することが好ましい。薬剤を随伴して骨材内部に含浸される水溶媒中の水分が、セメントマトリクスの保水性を維持するための給水源となる。珪酸成分はセメントの水和生成物と反応して、その反応生成物によってセメントマトリクスが緻密化される。また、初期に反応していない反応性薬剤は長期間に渡って反応の持続に寄与する。
【００２０】
その他の薬剤として、高保水性剤を添加することができる。高保水性剤としては水と反応する１液成分系または２液成分系の特殊増粘剤が挙げられ、例えばアルキルアリルスルフォン酸塩とアルキルアンモニウム塩の２液成分系の増粘剤などが例示できる。
【００２１】
〔スマートマテリアル化人工軽量骨材の製造法〕
薬剤を多孔質人工骨材の内部空隙に含浸させる際には、多孔質人工骨材（素材）を加熱するか、あるいは凍結真空乾燥（Ｆ−Ｄｒｙ）したのち、常温絶乾状態で減圧しながら、薬剤を水溶媒とともに多孔質人工骨材の粒子に供給する手法を採用することが好ましい。含浸時には粘性が低いことが好ましいが、スマートマテリアル化人工軽量骨材の製品としては含浸物質がゲル化している方が取扱い性に優れ、好ましい。ゲル化の処理としては、薬剤含浸後の人工骨材をゲル化剤と接触させる手法が好適に採用できる。これにより、少なくとも骨材粒子表面に露出している薬剤がゲル化した状態で存在するスマートマテリアル化人工軽量骨材を得ることができる。ゲル化剤としては、炭酸水素ナトリウム（ＮａＨＣＯ3）、アルカリ土類金属（Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｒａ）、炭酸ガス（ＣＯ2）などが挙げられる。これらのゲル化剤の濃度は極薄いことが好ましい。
【００２２】
〔コンクリート混練物〕
上記のようにして得られるスマートマテリアル化人工軽量骨材は、本来的に人工軽量骨材としての特性を有していることから、種々のコンクリートにおいて粗骨材の全部または大部分（例えば８０質量％以上）を当該スマートマテリアル化人工軽量骨材で置換することができる。当該スマートマテリアル化人工軽量骨材は、通常の人工軽量骨材と同様の手法により混練し、コンクリート混練物とすればよい。粉体成分としては産業副産物であるフライアッシュ、シリカヒューム、高炉スラグなどをセメントの置換材として配合させてもよい。
【００２３】
図１に、本発明によりコンクリート構造物が高耐久化されるメカニズムを概念的に示す。
【実施例１】
【００２４】
スマートマテリアル化人工軽量骨材を作製し、特性を調べた。
１．実験計画
実験要素と水準を表１に示す。人工軽量骨材は１種類、含浸溶液は３種類とした。薬液Ａは、濃度３０％の超微粒子の珪酸系溶液、薬液Ｂは、薬液Ａを含浸した後に炭酸水素ナトリウム（ＮａＨＣＯ3）水溶液（濃度０.２％）に浸漬して接触させることによりゲル化を図ったものである。
【００２５】
【表１】
【００２６】
２．使用材料及び各種試験方法
人工軽量骨材は、石炭灰と頁岩微粉末を主原料とした絶乾密度１.５３ｇ／ｃｍ3の人工軽量骨材（Ｊライト）を用いた。
（１）含浸率試験（真空含浸法）
含浸率試験は人工軽量骨材の内部のすべての空隙へ溶液を含浸させるため、真空含浸法を用いた。人工軽量骨材は凍結乾燥（Ｆ−Ｄｒｙ）を２４時間行い、絶乾状態の約５００ｇの試料３つを容器に入れて真空を保持した状態で溶液を供給し、試料の質量が一定となるまで含浸を行った。含浸率は含浸状態の試料の表乾質量を絶乾質量で除した比率とした。
【００２７】
（２）等温放湿試験
等温放湿試験は、分流式相対湿度発生装置と電子天秤及びパソコンにより構成された装置を用いて行った。試験装置の構成図を図２に示す。上記の真空含浸法を用いて作製した試料５０ｇをステンレス製のかごに入れて試料室の雰囲気温度を２０℃とし、所定の相対湿度の空気を精度±１％で１０Ｌ／分で供給した。相対湿度は９５％、９０％、８０％、７０％、６０％、５０％、４０％、３０％、２０％、１０％、０％とした。また、試験中、溶液を含浸した人工軽量骨材の水分放湿による質量の変化を連続的に測定した。
【００２８】
３．実験結果と考察
（１）含浸率
真空含浸方法を用いた水と薬液の含浸率の結果を図３に示す。各試料の含浸率は１８％（ｗｔ／％）程度でほぼ同等を示した。真空含浸法を用いることで１８％程度の含浸率まで含浸が可能であることが確認できた。
【００２９】
（２）等温放湿試験
水及び薬液を含浸した人工軽量骨材試料の水分放湿率の変化を図４に例示する。水分放湿率は含浸状態の試料から水分が逸散した量を表乾質量で除した比率である。水分放湿率は経過時間に伴い徐々に増えて行く傾向を示すが、薬液を含浸した人工軽量骨材は水含浸の人工軽量骨材と比べて保水性に優れることが確認できた。
【００３０】
各試料の水分放湿率の結果から次式（１）を用いてカーブフィットを行い、平衡含浸率と水分拡散係数を求めた。平衡含浸率は、含浸溶液が水以外の薬液であることから定義し、平衡含水率に対応するものである。
ｍ（ｔ）＝ａ〔１−ｂexp（−ｃｔ）〕 …（１）
ここで、ｍ（ｔ）は経過時間ｔ後における水分放湿率の推定値（ｗｔ／％）、ａは無限時間経過後における水分放湿率の推定値（ｗｔ／％）、ｂは試料の形状（球状）と関係する係数、ｃは水分拡散係数（Ｄθ）をｃ＝Ｄθπ2／Ａ2（Ａは試料の半径、ｍｍ）式より求まる係数である。係数ａは放湿により推定した平衡含浸率（θｅ）を表すため、人工軽量骨材の中に残留した平衡含浸率（θｒ）は次式（２）を用いて算出した。
θｒ＝Ｍｃmax−θｅ …（２）
ここで、Ｍｃmaxは真空含浸法による含浸率、θｅは放湿により推定した平衡含浸率である。
【００３１】
平衡含浸率の結果を図５に示す。いずれの試料も相対湿度が低くなると平衡含浸率が低下する傾向であるが、薬液を含浸した人工軽量骨材の平衡含浸率は、水を含浸した人工軽量骨材と比べて、相対湿度８０％以下の領域において２倍程度多く、水分の保持性に優れることがわかる。
【００３２】
拡散係数の計算結果を図６に示す。いずれの試料も拡散係数に大きな差はないことから、薬液を含浸した人工軽量骨材が保水性に優れるのは、主として平衡含浸率が高いことに起因するものと考えられる。
【実施例２】
【００３３】
スマートマテリアル化人工軽量骨材を用いたコンクリート混練物を作製し、それを打設して得られたコンクリートについて特性を調べた。
１．実験計画
実験の要因と水準を表２に示す。水セメント比は５０％とし、コンクリートは、天然骨材を用いた普通コンクリート、水含浸の人工軽量骨材を用いた軽量コンクリート、前述の薬液Ａ及び薬液Ｂを含浸した人工軽量骨材（ＳＬＡ）を用いたコンクリート、ＳＬＡを用いて細骨材の容積の１０％をフライアッシュで置換したコンクリートの計５種類とした。ここで、ＳＬＡを用いたコンクリートはＳＬＡコンクリートと呼ぶ。表２中に記載した記号ＪＣ、ＪＣＶ、ＪＣＦの３種類が本発明例に相当する。試験項目はフレッシュ試験、相対湿度、乾燥ひずみ、圧縮強度、微細空隙とマイクロクラック、透気性、促進中性化試験とした。
【００３４】
【表２】
【００３５】
２．調合と使用材料
コンクリートの調合を表３に、使用材料の物性を表４に示す。天然骨材を用いた普通コンクリートの調合をベースに、単位水量と単位セメント量及び細骨材量を固定し、粗骨材の容積を人工軽量骨材で置換した。
【００３６】
【表３】
【００３７】
【表４】
【００３８】
３．試験項目と方法
（１）練り混ぜと各種フレッシュ試験
コンクリートの練り混ぜは各調合において１００Ｌ用のパン型ミキサーを用い、材料を一括投入して９０秒間練り混ぜた。練り上り後、スランプと空気量及びコンクリート温度などのフレッシュ試験を実施し、各試験に用いる試験体を作製した。以下の各試験項目における試験体寸法と養生条件を表５に示す。
【００３９】
【表５】
【００４０】
（２）相対湿度及び乾燥ひずみ
相対湿度及び乾燥ひずみ測定用の試験体は１００×１００×１００ｍｍとした。両者の試験体作製の状況を図７に示す。相対湿度測定用の試験体は型枠に真鍮棒（φ７ｍｍ×１００ｍ）を固定し、コンクリート打設後硬化する直前に真鍮棒を抜き出し、材齢７日まで２０℃封かん養生を行った。その後、高精度超小型湿度センサー（神栄社製、高分子抵抗式、ＴＨＰ−Ｂ６、φ６ｍｍ、±３％ＲＨ）を装着してアルミニウム箔テープを用いて試験体６面のうち５面を密封し、２０℃・相対湿度６０％の条件で一面気乾養生を行った。乾燥ひずみ測定用試験体は型枠に乾燥ひずみゲージ（共和電業社製、単軸２線式、ＫＭ−３０−１２０−Ｈ１−１１、長さ３０ｍｍ）を装着してコンクリートを打設し、材齢７日まで２０℃封かん養生を行った後、２０℃・相対湿度６０％の条件で一面気乾養生を実施した。両者とも乾燥面から深さ１０、５０、９０ｍｍ位置の相対湿度及びひずみを所定材齢で測定した。
【００４１】
（３）圧縮強度
圧縮強度用試験体はφ１００×２００ｍｍの円柱試験体と１００×ｌ００×１００ｍｍの角柱試験体の２種類とした。円柱試験体はサミットモールドを用いて作製し、養生条件は標準水中養生及び材齢７日まで２０℃封かん養生後２０℃・相対湿度６０％気乾養生の２種類とした。角柱試験体は銅製型枠を用いて作製し、標準水中養生及び材齢７日まで２０℃封かん養生後２０℃・相対湿度６０％で一面気乾養生を行った。圧縮強度試験はＪＩＳ Ａ１１０８に準じて実施した。
【００４２】
（４）微細空隙とマイクロクラック
微細空隙とマイクロクラックの測定用試験体は１００×１００×１００ｍｍとし、材齢７日まで２０℃封かん養生した後、２０℃・相対湿度６０％で一面気乾養生を行った。微細空隙とマイクロクラックの測定試料は、材齢２８日において乾燥面から深さ１０、５０、９０ｍｍの位置でダイヤモンドカッターを用いて１２×１２×１２ｍｍ程度の立方体試料を切断採取した後、エタノールに２４時間浸漬し、窒素乾燥を施した。試料は低粘度のエポキシ樹脂に埋込み、観察面を耐水研磨紙＃１０００、＃２０００、＃３０００、＃５０００と０.２５μｍのダイアモンドペーストを用いて乾式研磨し、電気伝導性を与えるためのカーボン蒸着を実施した。測定は反射電子検出器を備えた走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて反射電子像（ＢＥＩ）を観察して行った。反射電子像の観察条件は、加速電圧１５ｋｅＶ、ワーキングディスクンス１０ｍｍ、倍率５００とした。観察範囲は、試料（１２×１２×１２ｍｍ）のセメントマトリクス部分とし、材齢２８日においてランダムに１０箇所とした。１画像の大きさは２４５×１８４μｍで２０４８×１５３６画素とし、１画素は０.１２μｍである。観察した反射電子像は原子番号の違いによる輝度の差を用いて画像処理を行い、未水和セメントと水和生成物及び空隙（直径１０μｍ以下）に分離した。また、空隙画像に占める微細空隙とマイクロクラックの判別は粒子解析（分解能０.５μｍ）により行い、平均面積を算出した。ＳＥＭの反射電子像によるマイクロクラック観察の一例を図８に示す。
【００４３】
（５）透気性試験及び促進中性化試験
透気試験はＲＩＬＥＭ ＴＣ１１６−ＰＣＤに準じ、φ１５０ｍｍ×５０ｍｍの塩ビ型枠を用いて試験体を作製し、ほかの試験における試験体の厚さ１００ｍｍに合わせるために脱型後２つの試験体の打設面と底面を積み重ねて密封し、材齢７日まで２０℃封かん養生した。その後、２０℃・相対湿度６０％条件で一面乾燥（底面）を行った。試験は窒素ガスを用い、窒素ガスの流れが定常となった後の流量から透気係数を求めた。
促進中性化試験体は１００×１００×４００ｍｍとし、材齢７日まで２０℃封かん養生した後、材齢２８日まで２０℃、相対湿度６０％で側面の一面気乾養生を行った。試験条件は温度２０±２℃・相対湿度６０±５％、ＣＯ2濃度５±０.２％とした。促進中性化深さの測定方法はＪＩＳ Ａ１１５２に準拠し、所定の材齢で測定した。
【００４４】
４．実験結果と考察
（１）フレッシュ試験
コンクリートのフレッシュ試験の結果を表６に示す。高性能減水剤は同量添加した。全調合のスランプは２０±１.５ｃｍを示し、調合間の差は認められなかった。また、空気量は全ての調合で４.５±１.０％の範囲を示し、ＳＬＡコンクリートと普通コンクリートに大きな差は認められなかった。
【００４５】
【表６】
【００４６】
（２）相対湿度及び乾燥ひずみ
試験体内部の相対湿度の分布を図９に示す。全調合のコンクリートにおける相対湿度分布は、試験体の内部から乾燥面に向けて材齢に伴い低下する傾向であった。普通コンクリートの相対湿度は乾燥を開始した材齢７日より乾燥面から急激に低下し、材齢２８日以降では試験体の最深部も相対湿度１００％以下となる傾向を示した。材齢９１日におけるＳＬＡコンクリート及び軽量コンクリートの相対湿度分布は、乾燥面から深さ１０ｍｍが８０％、５０ｍｍ以降の内部では１００％を示し、普通コンクリートより１０％以上大きい相対湿度を示した。ＳＬＡコンクリートは、軽量コンクリートと同様、普通コンクリートと比べて保水性に優れることが確認できた。
【００４７】
乾燥面から深さ１０ｍｍの乾燥ひずみの測定結果を図１０に示す。普通コンクリートの乾燥ひずみは乾燥開始の材齢７日から急激に増加し、材齢９１日では−６００μ程度であった。軽量コンクリートとＳＬＡコンクリートの乾燥ひずみは材齢に伴い徐々に増加し、材齢９１日では−２００μ程度であり、普通コンクリートと比べて４００μの差を示した。ＳＬＡコンクリートは、軽量コンクリートと同様、普通コンクリートと比べて保水性が高いため乾燥ひずみが低減されることが確認できた。
【００４８】
（３）圧縮強度
圧縮強度の測定結果を図１１に示す。円柱試験体の標準水中養生の圧縮強度は、全てのコンクリートにおいて材齢に伴い増加する傾向であり、ＳＬＡコンクリートのうちＪＣとＪＣＶは普通コンクリートより１０〜１５％程度低下したが、ＪＣＦは５〜１０％程度高かった。また、ＳＬＡコンクリートの圧縮強度は軽量コンクリートより上回る傾向であった。円柱試験体の２０℃・相対湿度６０％気乾養生の圧縮強度は、普通コンクリートが材齢に伴い若干低下する傾向であったが、軽量コンクリート及びＳＬＡコンクリートは増加する傾向を示し、材齢９１日では普通コンクリートより同等以上に増加した。これは、人工軽量骨材の水分が材齢に伴って放湿され、セメントの水和反応に寄与したと考えられる。また、角柱試験体の標準水中養生の圧縮強度は全てのコンクリートにおいて円柱試験体と同様な傾向であったが、角柱試験体における一面乾燥では材齢９１日においてＳＬＡコンクリートの圧縮強度が普通コンクリート及び軽量コンクリートと比べて、同等以上の結果を示した。これは、ＳＬＡコンクリートの高い保水性による持続的な水分供給とともに薬液が水和生成物と反応することにより微細組織が緻密化され、圧縮強度の増進を導いたと考えられる。
【００４９】
（４）微細空隙とマイクロクラック
材齢２８日の微細空隙及びマイクロクラックの測定結果を図１２に示す。微細空隙とマイクロクラックは試験体の内部より乾燥面の付近に多く存在し、乾燥に伴い多く発生する。ＳＬＡコンクリートは、普通コンクリートに比べ微細空隙とマイクロクラックが減少する傾向を示し、特に表面付近のマイクロクラック抑制性能は軽量コンクリートよりも勝っていた。
【００５０】
（５）透気性試験及び促進中性化試験
透気性試験の結果を図１３に示す。透気係数は材齢に伴って低下する傾向を示した。ＳＬＡコンクリートの透気係数は普通コンクリートと比べて一桁以上小さくなる傾向を示し、透気抵抗性に優れた結果が得られた。
促進中性化試験の結果を図１４に示す。促進中性化深さは材齢に伴い深くなる傾向を示した。ＳＬＡコンクリートの促進中性化深さは普通コンクリートの１／２以下であり、軽量コンクリートよりも小さい結果を示した。これは、ＳＬＡコンクリートは高保水性であり、さらに薬液と水和生成物の反応により微細空隙やマイクロクラックの低減に寄与し、促進中性化深さが低下したと考えられる。ここで、中性化はコンクリートの表面から進むことから、促進中性化深さと試験体の深さ１０ｍｍにおける微細空隙及びマイクロクラックの関係を調べた。その結果を図１５に示す。促進中性化深さは、微細空隙及びマイクロクラックとの関係から両者とも中性化速度に影響を及ぼすと考えられる。
【００５１】
以上のように、ＳＬＡコンクリートは、普通コンクリートと比べて高い保水性を有し、薬液の反応により圧縮強度が徐々に増加することがわかった。また、乾燥に起因するマイクロクラックが低減し、透気係数の低下により促進中性化深さが低下するなど、コンクリート構造物の高耐久化をもたらすものであることが確認された。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多孔質の人工軽量骨材の空隙に水及び薬剤を含浸して格納することによりスマートマテリアル化（ＳＬＡ；Ｓｍａｒｔ Ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ Ａｇｇｒｅｇａｔｅ）した人工軽量骨材、及びその製造法、並びにそのスマートマテリアル化人工軽量骨材を使用したコンクリート混練物に関する。
【背景技術】
【０００２】
構造物のコンクリートは乾燥と経年劣化の進行に伴い、耐久性が低下することが懸念される。近年、コンクリート構造物の耐久性を向上させるために、水セメント比の低下及び混和材の添加などを利用してコンクリートを高強度化及び高耐久化する技術が種々開発されている。一方、コンクリートは養生条件及び外部の環境条件により、内部からの水分移動による乾燥現象が生じ、可視ひび割れやマイクロレベルの微細空隙と微細ひび割れ（以下マイクロクラック）が発生する。このようなコンクリートの微細空隙やマイクロクラックを抑制するためには、打設後の十分な養生が要求されるが、実用上長期の養生は困難な場合が多い。
【０００３】
コンクリートの内部から、水分をセメントマトリクス中に徐々に安定して供給することができれば、上記の乾燥現象に起因するトラブルを抑制することが可能になると考えられる。また同時にコンクリートの内部から、セメントマトリクス中の物質と反応して緻密な反応生成物を形成する薬剤を徐々に安定して供給することができれば、コンクリート構造物の耐久性向上に有効であると考えられる。
【０００４】
特許文献１には、多孔質の軽量骨材の表層部にゲル物質を生成させる技術が開示されている。このゲル物質は「防水栓」（特許文献１の３頁左欄１７行）として機能するものであり、軽量骨材の内部に凍害要因となる水分が入らないように、軽量骨材に耐吸水性を付与するものである。したがって、この技術ではコンクリート内部からセメントマトリクス中に水分やその他の物質を供給することはできない。
【０００５】
特許文献２には、多孔質の骨材本体に、コンクリートに生じた亀裂を塞ぐ補修液を含浸させる技術が記載されている。この骨材はコーティング膜に覆われており、コンクリートの亀裂が生じた際に、その亀裂部分に位置する骨材のコーティング膜が破壊され、水ガラスや各種樹脂の補修液が亀裂内部に放出されるようになっている（特許文献２の段落００１５、図２）。したがって、この技術では水分や薬剤をセメントマトリクス中に徐々に供給することはできない。
【０００６】
特許文献３には、骨材に、セメント硬化体中の水酸化カルシウムと反応して水不溶物質を生成する薬剤を含ませる技術が開示されている。その手法の１つとして、多孔質体の骨材中に薬剤を含浸させることが記載されており、その例が実施例１として示されている。しかし、コンクリート１ｍ3に対しこの薬剤含有骨材は１５０個加えられているにすぎず（同段落００２８参照）、当該薬剤含有骨材の粒子はコンクリート硬化体中において他の骨材粒子よりも低密度で分散しているものと考えられる。特許文献３の技術によれば、自癒作用物質が徐々に放出されて、主としてセメント成分の硬化後析出する水酸化カルシウムと永続的に反応するため初期の目的（水和反応の阻害、大型ミキサーの汚染等を回避してセメント硬化体に自癒作用をもたせる）が達成できるとされる。しかしながら特許文献３には、コンクリート中に配合する粗骨材の大部分を薬剤含有骨材で置換することが可能で、かつ長期にわたってセメントマトリクスの乾燥を抑制しうる技術は開示されていない。
【０００７】
特許文献４には、膨張性頁岩を焼成して得られる多孔質骨材中に薬剤を保持した薬品保持材が開示されている。この薬品保持材をコンクリート用骨材に使用する例として、低級アルコール化合物、グリコールエーテル等、収縮性作用のある表面張力緩和剤を含浸させた人工骨材を従来の砂や細骨材に混入してコンクリートを製造することが記載されており、それにより、硬化に伴うコンクリート製品の収縮を低減させることができるという（特許文献４の段落００１６）。しかし、セメントマトリクスの乾燥抑制や組織の緻密化を実現する手法は示されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特公平６−８８８５３号公報
【特許文献２】特開平１０−１９４８０１号公報
【特許文献３】特開２００２−９７０４５号公報
【特許文献４】特開２００４−２２４７２８号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】笠井浩、外３名、「石炭灰人工骨材（Ｊライト）を用いた高性能コンクリートの諸性質」、鹿島技研年報、Ｖｏｌ.５３、（２００５）、ｐ.１５７−１６６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、コンクリートに配合する粗骨材の全部または大部分を置換することが可能な多孔質の人工軽量粗骨材を用いて、セメントマトリクスの乾燥を抑制し、コンクリート構造物の高耐久化をもたらす技術を提供しようというものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的は、石炭灰と頁岩微粉末を主原料として焼成された多孔質人工骨材の内部空隙に、水、及びセメントの水和生成物と反応する珪酸系薬剤を格納したスマートマテリアル化人工軽量骨材によって達成される。特に、前記薬剤が、少なくとも表面に露出している部分でゲル化した状態となって存在するものが提供される。内部まで完全にゲル化していても構わない。
【００１２】
薬剤を格納する多孔質人工骨材（素材）は、含水率３０％以下、絶乾密度２.５ｇ／ｃｍ3以下であり、かつ断面に観察される空隙の最大径が２.０ｍｍ以下のものが好適な対象として例示される。空隙の最大径は、断面画像に現れている個々の空隙の面積を求めて円相当径を算出し、その最大値を採用することにより定められる。
【００１３】
上記のスマートマテリアル化人工軽量骨材の製造法として、石炭灰と頁岩微粉末を主原料として焼成された多孔質人工骨材を凍結真空乾燥させたのち、前記薬剤を水溶媒とともに減圧下で当該人工骨材の内部空隙に最大含浸率まで含浸させる手法が提供される。薬液をゲル化させる場合は、薬剤含浸後の人工骨材をゲル化剤と接触させる手法が採用される。
【００１４】
上記のスマートマテリアル化人工軽量骨材を使用してコンクリート混練物を得る場合、全粗骨材の８０〜１００質量％に当該スマートマテリアル化人工軽量骨材を使用することが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、コンクリート構造物の経年劣化によるマイクロクラックの発生を抑制することができ、種々の用途のコンクリート構造物において比較的低コストで高耐久化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】スマートマテリアル化人工軽量骨材によりコンクリート構造物が高耐久化されるメカニズムを示す概念図。
【図２】等温放湿装置の構成を示す図。
【図３】真空含浸方法を用いた含浸率測定結果を示すグラフ。
【図４】水分放湿率の経時変化を例示するグラフ。
【図５】相対湿度と平衡含浸率の関係を示すグラフ。
【図６】相対湿度と拡散係数（計算結果）の関係を示すグラフ。
【図７】相対湿度及び乾燥ひずみ測定用の試験体作製状況を示す図。
【図８】マイクロクラック観察の一例を示すＳＥＭの反射電子像。
【図９】試験体内部の相対湿度の分布を示すグラフ。
【図１０】乾燥面から深さ１０ｍｍの乾燥ひずみの測定結果を示すグラフ。
【図１１】圧縮強度の測定結果を示すグラフ。
【図１２】微細空隙及びマイクロクラックの測定結果を示すグラフ。
【図１３】透気性試験結果を示すグラフ。
【図１４】促進中性化試験結果を示すグラフ。
【図１５】促進中性化深さと試験体の深さ１０ｍｍにおける微細空隙及びマイクロクラックの関係を示すグラフ。
【図１６】本発明に適用する多孔性人工骨材（素材）の断面ＳＥＭ写真の一例。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
〔多孔質人工骨材〕
本発明では、石炭灰と頁岩微粉末を主原料として焼成された多孔質人工骨材を、後述の薬剤を格納するための素材として使用する。石炭灰は産業副産物が利用できる。上記原料を高温焼成した後、常温まで徐冷して得られる人工骨材は化学的に安定であり、軽量骨材として使用できる強度を有している。特に、含水率３０％以下（好ましくは１０〜２５％）、絶乾密度２.５ｇ／ｃｍ3以下（好ましくは１.０〜２.０ｇ／ｃｍ3）であり、かつ断面に観察される空隙の最大径が２.０ｍｍ以下のものが好適な対象として例示される。特に、空隙の最大径が０.５ｍｍ未満のものがより好適であり、０.３ｍｍ以下のものを使用するように管理してもよい。この種の人工骨材としては、例えば出願人らによって開発された商品名；Ｊライト（非特許文献１）が適用できる。
【００１８】
図１６に、本発明で適用できる人工軽量骨材の断面ＳＥＭ写真を例示する。左右の写真は種類の異なる人工軽量骨材である。多くの空隙を有しており、断面に観察される空隙の最大径は２.０ｍｍ以下であり、特に左のもの（Ｊライト）は極めて微細である。
【００１９】
〔薬剤〕
上記の人工骨材（素材）の空隙に格納する薬剤はセメントの水和生成物と反応する珪酸系のものが採用される。例えば、地盤改良材やグラウト材からアルカリを除去した活性シリカやコロイドシリカ、あるいはコンクリートの表面強化剤などを利用することができる。水溶媒中の珪酸（ＳｉＯ2）濃度が４０％以下（好ましくは１０〜３５％）で粘性が低く、上記の人工骨材への含浸が容易である薬液として使用することが好ましい。薬剤を随伴して骨材内部に含浸される水溶媒中の水分が、セメントマトリクスの保水性を維持するための給水源となる。珪酸成分はセメントの水和生成物と反応して、その反応生成物によってセメントマトリクスが緻密化される。また、初期に反応していない反応性薬剤は長期間に渡って反応の持続に寄与する。
【００２０】
その他の薬剤として、高保水性剤を添加することができる。高保水性剤としては水と反応する１液成分系または２液成分系の特殊増粘剤が挙げられ、例えばアルキルアリルスルフォン酸塩とアルキルアンモニウム塩の２液成分系の増粘剤などが例示できる。
【００２１】
〔スマートマテリアル化人工軽量骨材の製造法〕
薬剤を多孔質人工骨材の内部空隙に含浸させる際には、多孔質人工骨材（素材）を加熱するか、あるいは凍結真空乾燥（Ｆ−Ｄｒｙ）したのち、常温絶乾状態で減圧しながら、薬剤を水溶媒とともに多孔質人工骨材の粒子に供給する手法を採用することが好ましい。含浸時には粘性が低いことが好ましいが、スマートマテリアル化人工軽量骨材の製品としては含浸物質がゲル化している方が取扱い性に優れ、好ましい。ゲル化の処理としては、薬剤含浸後の人工骨材をゲル化剤と接触させる手法が好適に採用できる。これにより、少なくとも骨材粒子表面に露出している薬剤がゲル化した状態で存在するスマートマテリアル化人工軽量骨材を得ることができる。ゲル化剤としては、炭酸水素ナトリウム（ＮａＨＣＯ3）、アルカリ土類金属（Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｒａ）、炭酸ガス（ＣＯ2）などが挙げられる。これらのゲル化剤の濃度は極薄いことが好ましい。
【００２２】
〔コンクリート混練物〕
上記のようにして得られるスマートマテリアル化人工軽量骨材は、本来的に人工軽量骨材としての特性を有していることから、種々のコンクリートにおいて粗骨材の全部または大部分（例えば８０質量％以上）を当該スマートマテリアル化人工軽量骨材で置換することができる。当該スマートマテリアル化人工軽量骨材は、通常の人工軽量骨材と同様の手法により混練し、コンクリート混練物とすればよい。粉体成分としては産業副産物であるフライアッシュ、シリカヒューム、高炉スラグなどをセメントの置換材として配合させてもよい。
【００２３】
図１に、本発明によりコンクリート構造物が高耐久化されるメカニズムを概念的に示す。
【実施例１】
【００２４】
スマートマテリアル化人工軽量骨材を作製し、特性を調べた。
１．実験計画
実験要素と水準を表１に示す。人工軽量骨材は１種類、含浸溶液は３種類とした。薬液Ａは、濃度３０％の超微粒子の珪酸系溶液、薬液Ｂは、薬液Ａを含浸した後に炭酸水素ナトリウム（ＮａＨＣＯ3）水溶液（濃度０.２％）に浸漬して接触させることによりゲル化を図ったものである。
【００２５】
【表１】
【００２６】
２．使用材料及び各種試験方法
人工軽量骨材は、石炭灰と頁岩微粉末を主原料とした絶乾密度１.５３ｇ／ｃｍ3の人工軽量骨材（Ｊライト）を用いた。
（１）含浸率試験（真空含浸法）
含浸率試験は人工軽量骨材の内部のすべての空隙へ溶液を含浸させるため、真空含浸法を用いた。人工軽量骨材は凍結乾燥（Ｆ−Ｄｒｙ）を２４時間行い、絶乾状態の約５００ｇの試料３つを容器に入れて真空を保持した状態で溶液を供給し、試料の質量が一定となるまで含浸を行った。含浸率は含浸状態の試料の表乾質量を絶乾質量で除した比率とした。
【００２７】
（２）等温放湿試験
等温放湿試験は、分流式相対湿度発生装置と電子天秤及びパソコンにより構成された装置を用いて行った。試験装置の構成図を図２に示す。上記の真空含浸法を用いて作製した試料５０ｇをステンレス製のかごに入れて試料室の雰囲気温度を２０℃とし、所定の相対湿度の空気を精度±１％で１０Ｌ／分で供給した。相対湿度は９５％、９０％、８０％、７０％、６０％、５０％、４０％、３０％、２０％、１０％、０％とした。また、試験中、溶液を含浸した人工軽量骨材の水分放湿による質量の変化を連続的に測定した。
【００２８】
３．実験結果と考察
（１）含浸率
真空含浸方法を用いた水と薬液の含浸率の結果を図３に示す。各試料の含浸率は１８％（ｗｔ／％）程度でほぼ同等を示した。真空含浸法を用いることで１８％程度の含浸率まで含浸が可能であることが確認できた。
【００２９】
（２）等温放湿試験
水及び薬液を含浸した人工軽量骨材試料の水分放湿率の変化を図４に例示する。水分放湿率は含浸状態の試料から水分が逸散した量を表乾質量で除した比率である。水分放湿率は経過時間に伴い徐々に増えて行く傾向を示すが、薬液を含浸した人工軽量骨材は水含浸の人工軽量骨材と比べて保水性に優れることが確認できた。
【００３０】
各試料の水分放湿率の結果から次式（１）を用いてカーブフィットを行い、平衡含浸率と水分拡散係数を求めた。平衡含浸率は、含浸溶液が水以外の薬液であることから定義し、平衡含水率に対応するものである。
ｍ（ｔ）＝ａ〔１−ｂexp（−ｃｔ）〕 …（１）
ここで、ｍ（ｔ）は経過時間ｔ後における水分放湿率の推定値（ｗｔ／％）、ａは無限時間経過後における水分放湿率の推定値（ｗｔ／％）、ｂは試料の形状（球状）と関係する係数、ｃは水分拡散係数（Ｄθ）をｃ＝Ｄθπ2／Ａ2（Ａは試料の半径、ｍｍ）式より求まる係数である。係数ａは放湿により推定した平衡含浸率（θｅ）を表すため、人工軽量骨材の中に残留した平衡含浸率（θｒ）は次式（２）を用いて算出した。
θｒ＝Ｍｃmax−θｅ …（２）
ここで、Ｍｃmaxは真空含浸法による含浸率、θｅは放湿により推定した平衡含浸率である。
【００３１】
平衡含浸率の結果を図５に示す。いずれの試料も相対湿度が低くなると平衡含浸率が低下する傾向であるが、薬液を含浸した人工軽量骨材の平衡含浸率は、水を含浸した人工軽量骨材と比べて、相対湿度８０％以下の領域において２倍程度多く、水分の保持性に優れることがわかる。
【００３２】
拡散係数の計算結果を図６に示す。いずれの試料も拡散係数に大きな差はないことから、薬液を含浸した人工軽量骨材が保水性に優れるのは、主として平衡含浸率が高いことに起因するものと考えられる。
【実施例２】
【００３３】
スマートマテリアル化人工軽量骨材を用いたコンクリート混練物を作製し、それを打設して得られたコンクリートについて特性を調べた。
１．実験計画
実験の要因と水準を表２に示す。水セメント比は５０％とし、コンクリートは、天然骨材を用いた普通コンクリート、水含浸の人工軽量骨材を用いた軽量コンクリート、前述の薬液Ａ及び薬液Ｂを含浸した人工軽量骨材（ＳＬＡ）を用いたコンクリート、ＳＬＡを用いて細骨材の容積の１０％をフライアッシュで置換したコンクリートの計５種類とした。ここで、ＳＬＡを用いたコンクリートはＳＬＡコンクリートと呼ぶ。表２中に記載した記号ＪＣ、ＪＣＶ、ＪＣＦの３種類が本発明例に相当する。試験項目はフレッシュ試験、相対湿度、乾燥ひずみ、圧縮強度、微細空隙とマイクロクラック、透気性、促進中性化試験とした。
【００３４】
【表２】
【００３５】
２．調合と使用材料
コンクリートの調合を表３に、使用材料の物性を表４に示す。天然骨材を用いた普通コンクリートの調合をベースに、単位水量と単位セメント量及び細骨材量を固定し、粗骨材の容積を人工軽量骨材で置換した。
【００３６】
【表３】
【００３７】
【表４】
【００３８】
３．試験項目と方法
（１）練り混ぜと各種フレッシュ試験
コンクリートの練り混ぜは各調合において１００Ｌ用のパン型ミキサーを用い、材料を一括投入して９０秒間練り混ぜた。練り上り後、スランプと空気量及びコンクリート温度などのフレッシュ試験を実施し、各試験に用いる試験体を作製した。以下の各試験項目における試験体寸法と養生条件を表５に示す。
【００３９】
【表５】
【００４０】
（２）相対湿度及び乾燥ひずみ
相対湿度及び乾燥ひずみ測定用の試験体は１００×１００×１００ｍｍとした。両者の試験体作製の状況を図７に示す。相対湿度測定用の試験体は型枠に真鍮棒（φ７ｍｍ×１００ｍ）を固定し、コンクリート打設後硬化する直前に真鍮棒を抜き出し、材齢７日まで２０℃封かん養生を行った。その後、高精度超小型湿度センサー（神栄社製、高分子抵抗式、ＴＨＰ−Ｂ６、φ６ｍｍ、±３％ＲＨ）を装着してアルミニウム箔テープを用いて試験体６面のうち５面を密封し、２０℃・相対湿度６０％の条件で一面気乾養生を行った。乾燥ひずみ測定用試験体は型枠に乾燥ひずみゲージ（共和電業社製、単軸２線式、ＫＭ−３０−１２０−Ｈ１−１１、長さ３０ｍｍ）を装着してコンクリートを打設し、材齢７日まで２０℃封かん養生を行った後、２０℃・相対湿度６０％の条件で一面気乾養生を実施した。両者とも乾燥面から深さ１０、５０、９０ｍｍ位置の相対湿度及びひずみを所定材齢で測定した。
【００４１】
（３）圧縮強度
圧縮強度用試験体はφ１００×２００ｍｍの円柱試験体と１００×ｌ００×１００ｍｍの角柱試験体の２種類とした。円柱試験体はサミットモールドを用いて作製し、養生条件は標準水中養生及び材齢７日まで２０℃封かん養生後２０℃・相対湿度６０％気乾養生の２種類とした。角柱試験体は銅製型枠を用いて作製し、標準水中養生及び材齢７日まで２０℃封かん養生後２０℃・相対湿度６０％で一面気乾養生を行った。圧縮強度試験はＪＩＳ Ａ１１０８に準じて実施した。
【００４２】
（４）微細空隙とマイクロクラック
微細空隙とマイクロクラックの測定用試験体は１００×１００×１００ｍｍとし、材齢７日まで２０℃封かん養生した後、２０℃・相対湿度６０％で一面気乾養生を行った。微細空隙とマイクロクラックの測定試料は、材齢２８日において乾燥面から深さ１０、５０、９０ｍｍの位置でダイヤモンドカッターを用いて１２×１２×１２ｍｍ程度の立方体試料を切断採取した後、エタノールに２４時間浸漬し、窒素乾燥を施した。試料は低粘度のエポキシ樹脂に埋込み、観察面を耐水研磨紙＃１０００、＃２０００、＃３０００、＃５０００と０.２５μｍのダイアモンドペーストを用いて乾式研磨し、電気伝導性を与えるためのカーボン蒸着を実施した。測定は反射電子検出器を備えた走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて反射電子像（ＢＥＩ）を観察して行った。反射電子像の観察条件は、加速電圧１５ｋｅＶ、ワーキングディスクンス１０ｍｍ、倍率５００とした。観察範囲は、試料（１２×１２×１２ｍｍ）のセメントマトリクス部分とし、材齢２８日においてランダムに１０箇所とした。１画像の大きさは２４５×１８４μｍで２０４８×１５３６画素とし、１画素は０.１２μｍである。観察した反射電子像は原子番号の違いによる輝度の差を用いて画像処理を行い、未水和セメントと水和生成物及び空隙（直径１０μｍ以下）に分離した。また、空隙画像に占める微細空隙とマイクロクラックの判別は粒子解析（分解能０.５μｍ）により行い、平均面積を算出した。ＳＥＭの反射電子像によるマイクロクラック観察の一例を図８に示す。
【００４３】
（５）透気性試験及び促進中性化試験
透気試験はＲＩＬＥＭ ＴＣ１１６−ＰＣＤに準じ、φ１５０ｍｍ×５０ｍｍの塩ビ型枠を用いて試験体を作製し、ほかの試験における試験体の厚さ１００ｍｍに合わせるために脱型後２つの試験体の打設面と底面を積み重ねて密封し、材齢７日まで２０℃封かん養生した。その後、２０℃・相対湿度６０％条件で一面乾燥（底面）を行った。試験は窒素ガスを用い、窒素ガスの流れが定常となった後の流量から透気係数を求めた。
促進中性化試験体は１００×１００×４００ｍｍとし、材齢７日まで２０℃封かん養生した後、材齢２８日まで２０℃、相対湿度６０％で側面の一面気乾養生を行った。試験条件は温度２０±２℃・相対湿度６０±５％、ＣＯ2濃度５±０.２％とした。促進中性化深さの測定方法はＪＩＳ Ａ１１５２に準拠し、所定の材齢で測定した。
【００４４】
４．実験結果と考察
（１）フレッシュ試験
コンクリートのフレッシュ試験の結果を表６に示す。高性能減水剤は同量添加した。全調合のスランプは２０±１.５ｃｍを示し、調合間の差は認められなかった。また、空気量は全ての調合で４.５±１.０％の範囲を示し、ＳＬＡコンクリートと普通コンクリートに大きな差は認められなかった。
【００４５】
【表６】
【００４６】
（２）相対湿度及び乾燥ひずみ
試験体内部の相対湿度の分布を図９に示す。全調合のコンクリートにおける相対湿度分布は、試験体の内部から乾燥面に向けて材齢に伴い低下する傾向であった。普通コンクリートの相対湿度は乾燥を開始した材齢７日より乾燥面から急激に低下し、材齢２８日以降では試験体の最深部も相対湿度１００％以下となる傾向を示した。材齢９１日におけるＳＬＡコンクリート及び軽量コンクリートの相対湿度分布は、乾燥面から深さ１０ｍｍが８０％、５０ｍｍ以降の内部では１００％を示し、普通コンクリートより１０％以上大きい相対湿度を示した。ＳＬＡコンクリートは、軽量コンクリートと同様、普通コンクリートと比べて保水性に優れることが確認できた。
【００４７】
乾燥面から深さ１０ｍｍの乾燥ひずみの測定結果を図１０に示す。普通コンクリートの乾燥ひずみは乾燥開始の材齢７日から急激に増加し、材齢９１日では−６００μ程度であった。軽量コンクリートとＳＬＡコンクリートの乾燥ひずみは材齢に伴い徐々に増加し、材齢９１日では−２００μ程度であり、普通コンクリートと比べて４００μの差を示した。ＳＬＡコンクリートは、軽量コンクリートと同様、普通コンクリートと比べて保水性が高いため乾燥ひずみが低減されることが確認できた。
【００４８】
（３）圧縮強度
圧縮強度の測定結果を図１１に示す。円柱試験体の標準水中養生の圧縮強度は、全てのコンクリートにおいて材齢に伴い増加する傾向であり、ＳＬＡコンクリートのうちＪＣとＪＣＶは普通コンクリートより１０〜１５％程度低下したが、ＪＣＦは５〜１０％程度高かった。また、ＳＬＡコンクリートの圧縮強度は軽量コンクリートより上回る傾向であった。円柱試験体の２０℃・相対湿度６０％気乾養生の圧縮強度は、普通コンクリートが材齢に伴い若干低下する傾向であったが、軽量コンクリート及びＳＬＡコンクリートは増加する傾向を示し、材齢９１日では普通コンクリートより同等以上に増加した。これは、人工軽量骨材の水分が材齢に伴って放湿され、セメントの水和反応に寄与したと考えられる。また、角柱試験体の標準水中養生の圧縮強度は全てのコンクリートにおいて円柱試験体と同様な傾向であったが、角柱試験体における一面乾燥では材齢９１日においてＳＬＡコンクリートの圧縮強度が普通コンクリート及び軽量コンクリートと比べて、同等以上の結果を示した。これは、ＳＬＡコンクリートの高い保水性による持続的な水分供給とともに薬液が水和生成物と反応することにより微細組織が緻密化され、圧縮強度の増進を導いたと考えられる。
【００４９】
（４）微細空隙とマイクロクラック
材齢２８日の微細空隙及びマイクロクラックの測定結果を図１２に示す。微細空隙とマイクロクラックは試験体の内部より乾燥面の付近に多く存在し、乾燥に伴い多く発生する。ＳＬＡコンクリートは、普通コンクリートに比べ微細空隙とマイクロクラックが減少する傾向を示し、特に表面付近のマイクロクラック抑制性能は軽量コンクリートよりも勝っていた。
【００５０】
（５）透気性試験及び促進中性化試験
透気性試験の結果を図１３に示す。透気係数は材齢に伴って低下する傾向を示した。ＳＬＡコンクリートの透気係数は普通コンクリートと比べて一桁以上小さくなる傾向を示し、透気抵抗性に優れた結果が得られた。
促進中性化試験の結果を図１４に示す。促進中性化深さは材齢に伴い深くなる傾向を示した。ＳＬＡコンクリートの促進中性化深さは普通コンクリートの１／２以下であり、軽量コンクリートよりも小さい結果を示した。これは、ＳＬＡコンクリートは高保水性であり、さらに薬液と水和生成物の反応により微細空隙やマイクロクラックの低減に寄与し、促進中性化深さが低下したと考えられる。ここで、中性化はコンクリートの表面から進むことから、促進中性化深さと試験体の深さ１０ｍｍにおける微細空隙及びマイクロクラックの関係を調べた。その結果を図１５に示す。促進中性化深さは、微細空隙及びマイクロクラックとの関係から両者とも中性化速度に影響を及ぼすと考えられる。
【００５１】
以上のように、ＳＬＡコンクリートは、普通コンクリートと比べて高い保水性を有し、薬液の反応により圧縮強度が徐々に増加することがわかった。また、乾燥に起因するマイクロクラックが低減し、透気係数の低下により促進中性化深さが低下するなど、コンクリート構造物の高耐久化をもたらすものであることが確認された。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
石炭灰と頁岩微粉末を主原料として焼成された多孔質人工骨材の内部空隙に、水、及びセメントの水和生成物と反応する珪酸系薬剤を格納したスマートマテリアル化人工軽量骨材。
【請求項２】
前記薬剤は、少なくとも表面に露出している部分がゲル化した状態で存在する請求項１に記載のスマートマテリアル化人工軽量骨材。
【請求項３】
薬剤を格納する多孔質人工骨材（素材）は、含水率３０％以下、絶乾密度２.５ｇ／ｃｍ3以下であり、かつ断面に観察される空隙の最大径が２.０ｍｍ以下のものである請求項１または２に記載のスマートマテリアル化人工軽量骨材。
【請求項４】
石炭灰と頁岩微粉末を主原料として焼成された多孔質人工骨材を凍結真空乾燥させたのち、前記薬剤を水溶媒とともに減圧下で当該人工骨材の内部空隙に最大含浸率まで含浸させる、請求項１に記載のスマートマテリアル化人工軽量骨材の製造法。
【請求項５】
石炭灰と頁岩微粉末を主原料として焼成された多孔質人工骨材を凍結真空乾燥させたのち、前記薬剤を水溶媒とともに減圧下で当該人工骨材の内部空隙に最大含浸率まで含浸させ、薬剤含浸後の人工骨材をゲル化剤と接触させる、請求項２に記載のスマートマテリアル化人工軽量骨材の製造法。
【請求項６】
請求項１〜３のいずれかに記載のスマートマテリアル化人工軽量骨材を全粗骨材の８０〜１００質量％に使用したコンクリート混練物。
【請求項１】
石炭灰と頁岩微粉末を主原料として焼成された多孔質人工骨材の内部空隙に、水、及びセメントの水和生成物と反応する珪酸系薬剤を格納したスマートマテリアル化人工軽量骨材。
【請求項２】
前記薬剤は、少なくとも表面に露出している部分がゲル化した状態で存在する請求項１に記載のスマートマテリアル化人工軽量骨材。
【請求項３】
薬剤を格納する多孔質人工骨材（素材）は、含水率３０％以下、絶乾密度２.５ｇ／ｃｍ3以下であり、かつ断面に観察される空隙の最大径が２.０ｍｍ以下のものである請求項１または２に記載のスマートマテリアル化人工軽量骨材。
【請求項４】
石炭灰と頁岩微粉末を主原料として焼成された多孔質人工骨材を凍結真空乾燥させたのち、前記薬剤を水溶媒とともに減圧下で当該人工骨材の内部空隙に最大含浸率まで含浸させる、請求項１に記載のスマートマテリアル化人工軽量骨材の製造法。
【請求項５】
石炭灰と頁岩微粉末を主原料として焼成された多孔質人工骨材を凍結真空乾燥させたのち、前記薬剤を水溶媒とともに減圧下で当該人工骨材の内部空隙に最大含浸率まで含浸させ、薬剤含浸後の人工骨材をゲル化剤と接触させる、請求項２に記載のスマートマテリアル化人工軽量骨材の製造法。
【請求項６】
請求項１〜３のいずれかに記載のスマートマテリアル化人工軽量骨材を全粗骨材の８０〜１００質量％に使用したコンクリート混練物。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１１−２０７６５１（Ｐ２０１１−２０７６５１Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−７６２８４（Ｐ２０１０−７６２８４）
【出願日】平成２２年３月２９日（２０１０．３．２９）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 鹿島技術研究所、「鹿島技術研究所年報」、第５７号
【出願人】（０００００１３７３）鹿島建設株式会社 (1,387)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月２９日（２０１０．３．２９）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 鹿島技術研究所、「鹿島技術研究所年報」、第５７号
【出願人】（０００００１３７３）鹿島建設株式会社 (1,387)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]