説明

セメント混和材及びセメント組成物

【課題】内部の鉄筋に優れた防錆効果を付与し、外部から侵入する塩化物イオン浸透の遮蔽効果を有し、Caイオンの溶脱も少ないため多孔化も抑制でき、さらに自己治癒能力を有するセメント混和材及びセメント組成物を提供する。
【解決手段】CaO/Alモル比が0.15〜0.7でFeの含有量が0.5〜20質量%のカルシウムフェロアルミネート化合物とポリシロキサン化合物を含有するセメント混和材であり、カルシウムフェロアルミネート化合物の粉末度がブレーン比表面積値で2,000〜7,000cm/g、ポリシロキサン化合物が炭素数1〜12個の疎水性アルキル基を有すること、カルシウムフェロアルミネート化合物とポリシロキサン化合物との配合割合が質量比で10/1〜1/10であることが好ましい。さらに、セメントと、前記セメント混和材を含有するセメント組成物である。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、主に、土木・建築業界において使用されるセメント混和材及びセメント組成物に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、土木や建築分野において、コンクリート構造物の耐久性向上に対する要望が高まっている。
【0003】
コンクリート構造物の劣化要因の1つとして、塩化物イオンの存在によって鉄筋腐食が顕在化する塩害があり、その塩害を抑制するための方法として、コンクリート構造物に塩化物イオン浸透抵抗性を付与する手法がある。
【0004】
コンクリート硬化体の内部への塩化物イオン浸透を抑制し、塩化物イオン浸透抵抗性を与える方法としては、水/セメント比を小さくする方法が知られている(非特許文献1参照)。しかしながら、水/セメント比を小さくする方法では、施工性が損なわれるだけでなく、抜本的な対策とはならない場合があった。
【0005】
また、セメントコンクリートに早強性を付与し、かつ、鉄筋の腐食を防止するなどの目的で、CaO・2Alとセッコウを主体とし、ブレーン比表面積値が8,000cm/g以上の微粉を含有するセメント混和材を使用する方法が提案されている(特許文献1参照)。
【0006】
さらに、CaO/Al モル比が0.3〜0.7、ブレーン比表面積が2000〜7000cm/gのカルシウムアルミネートを含有するセメント混和材を使用し,優れた塩化物イオン浸透抵抗性を持ち,マスコンの温度ひび割れ抑制する方法が提案されている(特許文献2参照)。しかしながら、これらの混和材は初期の強度発現を阻害するため初期に十分な養生を必要とするものであった。
【0007】
一方、セメント組成物の撥水性向上を目的として、ポリシロキサン化合物を添加することが従来から提案されている(特許文献3参照)。しかしながら、これらはセメント組成物の撥水性向上のみを目的としており、鉄筋の防錆を目的としたものではなかった。さらに、ポリシロキサン化合物をセメント組成物に添加すると水和を阻害し、強度低下を引き起こすという課題を有していた。
【0008】
鉄筋の防錆を目的として、亜硝酸塩などを添加する方法も提案されている(特許文献4、特許文献5参照)。しかしながら、亜硝酸塩は、防錆効果を発揮するものの、外部から侵入する塩化物イオンの遮蔽効果を発揮するものではなく、また、亜硝酸型ハイドロカルマイトは、防錆効果を発揮するものの、これを混和したセメント硬化体が多孔質になりやすく、むしろ、外部からの塩化物イオンの浸透を許容しやすいという課題を有していた。
【0009】
本発明者らは、種々検討を重ねた結果、特定の組成のカルシウムフェロアルミネート化合物とポリシロキサン化合物を用いることにより、前述のような初期強度の低下と、塩化物イオンの遮蔽効果および鉄筋の腐食の課題を解決し、高耐久性のセメント混和材が得られる知見を得て、本発明を完成するに至った。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0010】
【特許文献1】特開昭47−035020号公報
【特許文献2】特開2005−104828号公報
【特許文献3】特開昭55−42272号公報
【特許文献4】特開昭53−003423号公報
【特許文献5】特開平01−103970号公報
【非特許文献】
【0011】
【非特許文献1】岸谷孝一、西澤紀昭他編、「コンクリートの耐久性シリーズ、塩害(I)」、技報堂出版、pp.34−37、1986年5月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
セメントコンクリート硬化体内部の鉄筋に優れた防錆効果を付与し、外部から侵入するセメントコンクリート硬化体への塩化物イオン浸透の遮蔽効果を有し、セメントコンクリート硬化体からのCaイオンの溶脱も少ないため多孔化も抑制でき、さらに、発生したひび割れを自ら閉塞する自己治癒能力を有するセメント組成物を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0013】
本発明は、(1)CaO/Alモル比が0.15〜0.7でFeの含有量が0.5〜20質量%のカルシウムフェロアルミネート化合物とポリシロキサン化合物を含有するセメント混和材、(2)カルシウムフェロアルミネート化合物の粉末度が、ブレーン比表面積値で2,000〜7,000cm/gである(1)のセメント混和材、(3)ポリシロキサン化合物が、炭素数1〜12個の疎水性アルキル基を有する(1)又は(2)のセメント混和材、(4)カルシウムフェロアルミネート化合物とポリシロキサン化合物との配合割合が、質量比で10/1〜1/10である(1)〜(3)のうちのいずれかのセメント混和材であり、(5)セメントと、(1)〜(4)のいずれかのセメント混和材を含有するセメント組成物、(6)セメントと、CaO/Alモル比が0.15〜0.7でFeの含有量が0.5〜20質量%のブレーン比表面積値で2,000〜7,000cm/gであるカルシウムフェロアルミネート化合物と、ポリシロキサン化合物とを含有してなるセメント組成物、である。
【発明の効果】
【0014】
本発明のセメント混和材を使用することにより、優れた防錆効果と、外部から侵入する塩化物イオンの遮蔽効果を持ち、セメントコンクリート硬化体からのCaイオンの溶脱も少ないことから、多孔化も抑制でき、長期に渡り優れた遮塩性を発揮するなどの効果を奏する。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下、本発明を詳細に説明する。
なお、本発明における部や%は、特に規定しない限り質量基準で示す。
また、本発明で云うセメントコンクリートとは、セメントペースト、セメントモルタル、及びコンクリートの総称である。
【0016】
本発明で使用するカルシウムフェロアルミネート化合物(以下、CFA化合物という)とは、カルシアを含む原料、アルミナを含む原料、フェライトを含む原料等を混合して、キルンでの焼成や電気炉での溶融等の熱処理をして得られる、CaO、Al、Feを主成分とする化合物を総称するものである。
CFA化合物の組成は、CaO/Alモル比が0.15〜0.7でFe含有量が0.5〜20%である。CaO/Alモル比が0.4〜0.6がより好ましい。0.15未満では、塩化物イオンの遮蔽効果が充分に得られない場合があり、逆に、0.7を超えると急硬性が現れるようになり、可使時間が確保できない場合がある。CFA化合物にFeの含有量は、0.5〜20%が好ましく、1〜10%がより好ましく、3〜7%が最も好ましい。0.5%未満では、キルンで焼成した場合に未反応の酸化アルミニウムが多く残る可能性があり、20%を越えても効率的に反応を進行させる効果は頭うちとなり、塩化物イオン浸透抵抗性が悪くなる場合がある。
【0017】
CFA化合物の粉末度は、ブレーン比表面積値(以下、ブレーン値という)で2,000〜7,000cm/gが好ましく、3,000〜6,000cm/gがより好ましく、4,000〜5,000cm/gが最も好ましい。CFA化合物が粗粒では充分な塩化物イオンの遮蔽効果が得られない場合があり、7,000cm/gを超える微粉では急硬性が現れるようになり、可使時間が確保できない場合がある。
【0018】
本発明では、CaO/Alモル比が0.15〜0.7でFe含有量が0.5〜20%のCFA化合物にポリシロキサン化合物を併用する。
本発明のポリシロキサン化合物とは、ケイ素と酸素が交互に結合してポリマーが形成されたシロキサン結合を有する有機ケイ素化合物のことを指す。ポリシロキサン化合物は、通常、コンクリートの撥水を目的としてセメント組成物に配合されるが、本発明のCFA化合物と併用することにより、鉄筋に優先的に吸着し、鉄筋の腐食の原因の一つである水の浸透を著しく抑制する。また、鉄筋に吸着しきれなかったポリシロキサン化合物はセメント中の水和物に吸着し、撥水効果を示す。つまり、水の移流を抑制することで鉄筋の腐食の原因の一つである塩化物の浸透も抑制することができる。
本発明のポリシロキサン化合物としては、特に限定されるものではないが、炭素数1〜12の疎水性アルキルを有することを特徴とする。炭素数1〜12の疎水性アルキル基を有していればいかなるものも使用可能であり、直鎖状、分岐状、環状のいずれでもよく、具体的には、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチル、ヘキシル、ヘプチル、オクチル、ノニル、デシル、ウンデシル、ドデシルなどが挙げられる。中でも炭素数6〜10のヘキシル、ヘプチル、オクチル、ノニル、デシルがより好ましい。炭素数が12より大きい場合は撥水性が低下する場合がある。
本発明のポリシロキサン化合物の分子量(シロキサン単位の総数)は、3〜300が好ましく、3〜100がより好ましく、3〜50が最も好ましい。総数が3よりも小さいと、化合物が不安定となる場合があり、300を超えると、粘度上昇が過剰となり、作業性に悪影響を及ぼす。
また、本発明のポリシロキサン化合物は、本発明の効果を阻害しなければ、アミノ基、エポキシ基、フェニル基、アルコキシ基等の塩基を有していても問題ない。
さらに、本発明のポリシロキサン化合物は、分子量2000以下の一般的にシリコーンオイルと呼ばれるものを使用する。分子量2000以上のものはゴムの性質を示し、一般的にシリコーンゴムと呼ばれる。液状、粉末いずれのものでも差し支えないが、セメントにプレミックスできることからポリシラン化合物に対してポリビニルアルコール(以下、PVAという)などをバインダー(結合助剤)として適量混合し、100℃〜150℃の熱風中に噴霧乾燥(スプレードライ)することで得られるPVAを保護コロイドとしたカプセル化されたものや、アルミナやシリカなどの微粉末と混合した粉末状の物がより好ましい。
【0019】
本発明のCFA化合物とポリシロキサン化合物との配合割合は、質量比で10/1〜1/10が好ましく、1/5〜5/1がより好ましい。1/10よりもポリシロキサン化合物が過剰になると、外部から侵入する塩化物イオンの遮蔽効果が充分でない場合があり、逆に、10/1よりも本CFA化合物が過剰になると、防錆効果が不充分になる場合がある。
【0020】
本発明で使用するセメントとしては、普通、早強、超早強、低熱、及び中庸熱などの各種ポルトランドセメントや、これらポルトランドセメントに、高炉スラグ、フライアッシュ、又はシリカを混合した各種混合セメント、石灰石粉末や高炉徐冷スラグ微粉末などを混合したフィラーセメント、並びに、都市ゴミ焼却灰や下水汚泥焼却灰を原料として製造された環境調和型セメント(エコセメント)などのポルトランドセメントが挙げられ、これらのうちの一種又は二種以上が使用可能である。
【0021】
セメント混和材の使用量は、特に限定されるものではないが、通常、セメントとセメント混和材からなるセメント組成物100部中、1〜30部が好ましく、5〜20部がより好ましい。セメント混和材の使用量が少ないと充分な防錆効果、塩化物イオンの遮蔽効果、Caイオンの溶脱抑制効果が得られない場合があり、過剰に使用すると急硬性が現れるようになり、充分な可使時間が確保できない場合がある。
【0022】
本発明では、セメントとセメント混和材を配合して、また、セメント、CFA化合物及びポリシロキサン化合物を配合してセメント組成物とする。
【0023】
本発明のセメント組成物の水/結合材比は、25〜70%が好ましく、30〜65%がより好ましい。水の配合量が少ないと、ポンプ圧送性や施工性が低下したり、収縮等の原因となる場合があり、水の配合量が過剰では強度発現性が低下する場合がある。ここで、結合材とは、セメント、CFA化合物及びポリシロキサン化合物の合計をいう。
【0024】
本発明のセメント混和材やセメント組成物は、それぞれの材料を施工時に混合しても良いし、あらかじめ一部あるいは全部を混合しておいても差し支えない。
【0025】
本発明では、セメント、セメント混和材、及び砂などの細骨材や砂利等の粗骨材の他に、膨張材、急硬材、減水剤、AE減水剤、高性能減水剤、高性能AE減水剤、消泡剤、増粘剤、従来の防錆剤、防凍剤、収縮低減剤、凝結調整剤、ベントナイトなどの粘土鉱物、ハイドロタルサイトなどのアニオン交換体、高炉水砕スラグ微粉末や高炉徐冷スラグ微粉末などのスラグ、石灰石微粉末等の混和材料からなる群のうちの一種又は二種以上を、本発明の目的を実質的に阻害しない範囲で併用することが可能である。
【0026】
混合装置としては、既存の如何なる装置も使用可能であり、例えば、傾胴ミキサ、オムニミキサ、ヘンシェルミキサ、V型ミキサ、及びナウタミキサ等の使用が可能である。
【0027】
以下、実施例、比較例を挙げてさらに詳細に内容を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【実施例】
【0028】
「実験例1」
表1に示すCFA化合物とポリシロキサン化合物アを、質量比2/1で混合してセメント混和材を調製した。調製したセメント混和材を用いて、セメントとセメント混和材からなるセメント組成物100部中、セメント混和材10部を配合してセメント組成物を調製し、水/結合材比0.5のモルタルをJIS R 5201に準じて調製した。このモルタルを用いて、防錆効果、圧縮強さ、塩化物浸透深さ、Caイオンの溶脱および自己治癒能力を調べた。結果を表1に併記する。
【0029】
(使用材料)
CFA化合物A:試薬1級の炭酸カルシウムと試薬1級の酸化アルミニウムを所定割合で配合し、Fe含有量が3%となるように試薬1級の酸化鉄を配合し、1550℃で電気炉において焼成した後、徐冷して合成。CaO/Alモル比0.1、ブレーン値4,000cm/g
CFA化合物B:試薬1級の炭酸カルシウムと試薬1級の酸化アルミニウムを所定割合で配合し、Fe含有量が3%となるように試薬1級の酸化鉄を配合し、1550℃で電気炉において焼成した後、徐冷して合成。CaO/Alモル比0.2、ブレーン値4,000cm/g
CFA化合物C:試薬1級の炭酸カルシウムと試薬1級の酸化アルミニウムを所定割合で配合し、Fe含有量が3%となるように試薬1級の酸化鉄を配合し、1500℃で電気炉において焼成した後、徐冷して合成。CaO/Alモル比0.4、ブレーン値4,000cm/g
CFA化合物D:試薬1級の炭酸カルシウムと試薬1級の酸化アルミニウムを所定割合で配合し、Fe含有量が3%となるように試薬1級の酸化鉄を配合し、1450℃で電気炉において焼成した後、徐冷して合成。CaO/Alモル比0.6、ブレーン値4,000cm/g
CFA化合物E:試薬1級の炭酸カルシウムと試薬1級の酸化アルミニウムを所定割合で配合し、Fe含有量が3%となるように試薬1級の酸化鉄を配合し、1400℃で電気炉において焼成した後、徐冷して合成。CaO/Alモル比0.7、ブレーン値4,000cm/g
CFA化合物F:試薬1級の炭酸カルシウムと試薬1級の酸化アルミニウムを所定割合で配合し、Fe含有量が3%となるように試薬1級の酸化鉄を配合し、1400℃で電気炉において焼成した後、徐冷して合成。CaO/Alモル比0.9、ブレーン値4,000cm/g
ポリシロキサン化合物ア:直鎖状ヘキシル基を有するシロキサン総数20のポリシロキサン化合物をPVAによりカプセル化したもの。
セメント:普通ポルトランドセメント、市販品
細骨材:JIS R 5201で使用する標準砂
水:水道水
【0030】
(評価方法)
防錆効果:モルタルに内在塩化物イオンとして、10kg/mとなるように塩化物イオンを加え、丸鋼の鉄筋を入れて50℃に加温養生することによる促進試験で防錆効果を確認した。鉄筋に錆が発生しなかった場合は良、1/10の面積以内で錆が発生した場合は可、1/10の面積を超えて錆が発生した場合は不可とした。
圧縮強さ:JIS R 5201に準じて材齢1日と28日圧縮強さを測定。
塩化物浸透深さ:塩化物イオン浸透抵抗性を評価。塩化物イオンの遮蔽効果を示す10cmφ×20cmの円柱状のモルタル供試体を作製し、一日後に脱型し、速やかに30℃の塩分濃度3.5%の食塩水である擬似海水に12週間浸漬した後、塩化物浸透深さを測定。塩化物浸透深さはフルオロセイン−硝酸銀法により、モルタル供試体断面の茶変しなかった部分を塩化物浸透深さと見なし、ノギスで8点測定して平均値を求めた。
Caイオンの溶脱:4×4×16cmのモルタル供試体を10リットルの純水に28日間浸漬し、液相中に溶解したCaイオン濃度を測定することにより判定した。
自己治癒能力:6mmのナイロン繊維を0.15質量%混合した10×10×40cmのモルタル供試体を作製し、曲げ応力によって幅0.3mmのひび割れを導入した。擬似海水に180日間浸漬した後、ひび割れ幅を測定した。◎は完全にひび割れが塞がった、○は0.1mm以下にひび割れ幅が縮小化した、△は0.2mm程度までひび割れ幅が縮小。×はひび割れ幅が縮小化されないか、あるいは逆に広がったことを示す。
【0031】
【表1】

【0032】
表1より、CFA化合物とポリシロキサン化合物を併用することで、防錆効果、塩化物イオン浸透抑制効果を維持し、初期強度を増加することができ、さらに、Caイオンの溶脱抵抗性、自己治癒能力を向上することができることが分かる。
【0033】
「実験例2」
表2に示す粉末度のCFA化合物Dとポリシロキサン化合物アを併用したこと以外は実験例1と同様に行った。結果を表2に併記する。
【0034】
【表2】

【0035】
表2より、CFA化合物の粉末度を調整することで、防錆効果、塩化物イオン浸透抑制効果を維持し、強度低下を抑制することができ、さらに、Caイオンの溶脱抵抗性、自己治癒能力を向上することができることが分かる。
【0036】
「実験例3」
CFA化合物Dを使用し、表3に示すポリシロキサン化合物を併用したこと以外は実験例1と同様に行った。結果を表3に併記する。
【0037】
<使用材料>
ポリシロキサン化合物イ:直鎖状ヘキシル基を有するシロキサン総数5のポリシロキサン化合物をPVAによりカプセル化したもの
ポリシロキサン化合物ウ:直鎖状ヘキシル基を有するシロキサン総数30のポリシロキサン化合物をPVAによりカプセル化したもの
ポリシロキサン化合物エ:直鎖状ヘキシル基を有するシロキサン総数100のポリシロキサン化合物をPVAによりカプセル化したもの
ポリシロキサン化合物オ:直鎖状ヘキシル基を有するシロキサン総数300のポリシ
ロキサン化合物をPVAによりカプセル化したもの
ポリシロキサン化合物カ:直鎖状メチル基を有するシロキサン総数20のポリシロキサン化合物をPVAによりカプセル化したもの
ポリシロキサン化合物キ:直鎖状デシル基を有するシロキサン総数20のポリシロキサン化合物をPVAによりカプセル化したもの
ポリシロキサン化合物ク:直鎖状ドデシル基を有するシロキサン総数20のポリシロキサン化合物をPVAによりカプセル化したもの
ポリシロキサン化合物コ:環状ヘキシル基を有するシロキサン総数20のポリシロキサン化合物をPVAによりカプセル化したもの
ポリシロキサン化合物サ:分岐状ヘキシル基(iso−ヘキシル基)を有するシロキサン総数20のポリシロキサン化合物をPVAによりカプセル化したもの
ポリシロキサン化合物シ:直鎖状ヘキシル基とアミノ基を有するシロキサン総数20のポリシロキサン化合物をPVAによりカプセル化したもの
ポリシロキサン化合物ス:直鎖状ヘキシル基とアルコキシ基を有するシロキサン総数20のポリシロキサン化合物をPVAによりカプセル化したもの
ポリシロキサン化合物セ:直鎖状ヘキシル基を有するシロキサン総数20の液状ポリシロキサン化合物
【0038】
【表3】

【0039】
表3より、ポリシロキサンの総数、疎水性アルキル基の分子量を調製することで、防錆効果、塩化物イオン浸透抑制効果を維持し、強度低下を抑制することができ、さらに、Caイオンの溶脱抵抗性、自己治癒能力を向上することができることが分かる。
【0040】
「実験例4」
CFA化合物Dとポリシロキサン化合物アを用いて、表4に示す配合で混和材としたこと以外は実験例1と同様に行った。
【0041】
【表4】

【0042】
表4より、本発明の混和材は、防錆効果、塩化物イオン浸透抑制効果を維持し、強度低下を抑制することができ、さらに、Caイオンの溶脱抵抗性、自己治癒能力を向上することができることが分かる。
【0043】
「実験例5」
CFA化合物Aとポリシロキサン化合物アを、質量比2/1で混合して調製した混和材を使用して表5に示す使用量としたこと以外は実験例1と同様に行った。比較のために、従来の防錆材を用いて同様に行った。結果を表5に併記する。
【0044】
(使用材料)
従来の防錆材イ:亜硝酸リチウム、市販品
従来の防錆材ロ:亜硝酸型ハイドロカルマイト、市販品
【0045】
【表5】

【0046】
表5より、本発明の混和材の使用量を調整することで、防錆効果、塩化物イオン浸透抑制効果を維持し、強度低下を抑制することができ、さらに、Caイオンの溶脱抵抗性、自己治癒能力を向上することができることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【0047】
本発明のセメント混和材を使用することにより、優れた防錆効果と、塩化物イオンの遮蔽効果、Caイオンの溶脱抑制効果及び自己治癒能力を奏するため、主に、土木・建築業界等において海洋や河川の水利構造物、水槽、床版コンクリートなど広範な用途に適する。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
CaO/Alモル比が0.15〜0.7でFeの含有量が0.5〜20質量%のカルシウムフェロアルミネート化合物とポリシロキサン化合物を含有するセメント混和材。
【請求項2】
カルシウムフェロアルミネート化合物の粉末度が、ブレーン比表面積値で2,000〜7,000cm/gである請求項1に記載のセメント混和材。
【請求項3】
ポリシロキサン化合物が、炭素数1〜12個の疎水性アルキル基を有することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のセメント混和材。
【請求項4】
カルシウムフェロアルミネート化合物とポリシロキサン化合物との配合割合が、質量比で10/1〜1/10である請求項1〜3のうちのいずれか1項に記載のセメント混和材。
【請求項5】
セメントと、請求項1〜4のうちのいずれか1項に記載のセメント混和材を含有するセメント組成物。
【請求項6】
セメントと、CaO/Alモル比が0.15〜0.7でFeの含有量が0.5〜20質量%のブレーン比表面積値で2,000〜7,000cm/gであるカルシウムフェロアルミネート化合物と、ポリシロキサン化合物とを含有してなるセメント組成物。