JP2013023416A

JP2013023416A - セメント組成物

Info

Publication number: JP2013023416A
Application number: JP2011160600A
Authority: JP
Inventors: Kanako Mori; 香奈子森; Katsuya Kono; 克哉河野; Tetsuo Kawaguchi; 哲生川口; Toshitsugu Tanaka; 敏嗣田中
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2011-07-22
Filing date: 2011-07-22
Publication date: 2013-02-04

Abstract

【課題】本発明は、圧縮強度や曲げ強度が高く、流動性に優れ、長期間、美観が維持されるセメント組成物を提供する。
【解決手段】本発明は、セメント、ＢＥＴ比表面積が３〜２５ｍ^２／ｇの微粉末、ブレーン比表面積が３５００〜１００００ｃｍ^２／ｇの無機粉末、細骨材、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維、減水剤、および、水を含むセメント組成物であって、前記繊維が、直径０．０１〜０．０４ｍｍ、および、長さ１〜１５ｍｍのモノフィラメント等であるセメント組成物を提供する。
【選択図】なし

Description

本発明は、有機繊維を含むセメント組成物に関する。

従来、超高強度繊維補強コンクリート（以下「ＵＦＣ」という。）の分野では、強度を向上させるために鋼繊維や有機繊維が用いられてきた。鋼繊維を用いたＵＦＣは、圧縮強度や曲げ強度が極めて高く、自己充填性に優れているため、部材を極限まで薄くすることができる。しかし、該ＵＦＣは、塩害を受けると、その表面近くにある鋼繊維が腐食して点錆が発生し、美観が損なわれる場合がある。
これに対し、有機繊維を用いたＵＦＣは、腐食の問題はないが、無機繊維を用いたＵＦＣと比べ、圧縮強度や曲げ強度が低くなる傾向がある。

以前から、コンクリートの補強用の有機繊維として、ポリビニルアルコール、ポリアクリロニトリル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステルおよびアラミドなどが知られている。
これらの中でも、アラミドは引張強度が特に高いため、高強度が要求されるコンクリート等に用いられている。
例えば、特許文献１では、セメント、ＢＥＴ比表面積が５〜２５ｍ^２／ｇの微粉末、ブレーン比表面積が３５００〜１００００ｃｍ^２／ｇの無機粉末、細骨材、アラミド繊維、減水剤および水を含むセメント組成物であって、前記アラミド繊維が、直径０．０２〜０．２ｍｍ、長さ１〜１０ｍｍのモノフィラメント繊維であるセメント組成物が提案されている。

また、特許文献２では、セメント、ＢＥＴ比表面積が３〜２５ｍ^２／ｇの微粉末、細骨材、補強用繊維、減水剤および水を含むセメント組成物であって、前記補強用繊維が、直径０．０１２〜０．１ｍｍのモノフィラメントタイプのアラミド繊維を合成樹脂で集束した、直径０．１５〜０．５５ｍｍで長さ１〜３０ｍｍの集束型のアラミド繊維であるセメント組成物が提案されている。
いずれの組成物の硬化体も、圧縮強度が１８０Ｎ／ｍｍ^２以上と高いため、高い強度が要求される橋梁などの構造部材に用いることができる。
しかし、前記組成物の圧縮強度、曲げ強度および流動性は、鋼繊維を用いたＵＦＣと比べ、まだ十分とはいえない。

特開２００９−２２１０５３号公報特開２０１１−８４４５８号公報

したがって、本発明は、圧縮強度、曲げ強度および流動性が、鋼繊維を用いたＵＦＣと同等程度の、有機繊維を含むセメント組成物を提供することを目的とする。

本発明者は、前記目的を達成するために鋭意検討した結果、補強用繊維として、特定の有機繊維を用いたセメント組成物は、前記目的を達成できることを見い出し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明は、以下の［１］〜［３］を提供する。
［１］セメント、ＢＥＴ比表面積が３〜２５ｍ^２／ｇの微粉末、ブレーン比表面積が３５００〜１００００ｃｍ^２／ｇの無機粉末、細骨材、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維、減水剤、および、水を含むセメント組成物であって、
前記繊維が、直径０．０１〜０．０４ｍｍ、および、長さ１〜１５ｍｍのモノフィラメントであるセメント組成物。
［２］セメント、ＢＥＴ比表面積が３〜２５ｍ^２／ｇの微粉末、ブレーン比表面積が３５００〜１００００ｃｍ^２／ｇの無機粉末、細骨材、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維、減水剤、および、水を含むセメント組成物であって、
前記繊維が、直径０．０１〜０．０４ｍｍのモノフィラメントを、繊維集束剤を用いて集束してなる、直径０．１〜０．５ｍｍ、および、長さ１〜３０ｍｍの繊維集束体であるセメント組成物。
［３］前記繊維集束体が、撚りを付与されてなる繊維集束体である、請求項２に記載のセメント組成物。
なお、本発明において、セメント組成物とは、フレッシュモルタル、フレッシュコンクリート、および、これらの硬化体の、いずれも含むものである。

本発明のセメント組成物は、圧縮強度や曲げ強度が高く、流動性に優れ、点錆が発生しないため、長期間、美観が維持される。

本発明は、前記のとおり、セメント、特定の範囲のＢＥＴ比表面積を有する微粉末、特定の範囲のブレーン比表面積を有する無機粉末、細骨材、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維、減水剤、および、水を含むセメント組成物であって、前記繊維が、特定の範囲の直径や長さを有するモノフィラメント等であるセメント組成物である。
以下に、本発明について構成材料ごとに説明する。なお、％は特に示さない限り、質量％である。

１．セメント
本発明で用いるセメントは、特に限定されないが、例えば、普通ポルトランドセメント、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のポルトランドセメントが挙げられる。そして、セメント組成物の早期強度が要求される用途には、早強ポルトランドセメントが適し、セメント組成物の流動性が要求される用途には、中庸熱ポルトランドセメントや低熱ポルトランドセメントが適する。

２．微粉末
本発明で用いる微粉末は、シリカフューム、シリカダスト、フライアッシュ、スラグ、火山灰、シリカゾル、沈降シリカ、および、石灰石粉末等が挙げられる。
また、該微粉末のＢＥＴ比表面積は、通常，３〜２５ｍ^２／ｇであり、好ましくは７〜１５ｍ^２／ｇである。該値が３ｍ^２／ｇ未満では、硬化体の圧縮強度が１８０Ｎ／ｍｍ^２以上になることは難しく、硬化体の緻密性や耐衝撃性等も低下する。また、該値が２５ｍ^２／ｇを越える微粉末は、入手が難しい上、単位水量が増加して、硬化体の強度、緻密性および耐衝撃性等が低下する場合がある。
シリカフュームやシリカダストのＢＥＴ比表面積は、一般に、５〜２５ｍ^２／ｇであり前記の範囲に含まれるため粉砕が不要である。また、石灰石粉末は、被粉砕性や流動性等が優れている。したがって、いずれの微粉末も本発明において好適である。
前記微粉末の配合量は、セメント１００質量部に対し、好ましくは５〜５０質量部、より好ましくは１０〜４０質量部である。該値が５質量部未満では、硬化体の圧縮強度が１８０Ｎ／ｍｍ^２以上になるのは難しく、また、緻密性や耐衝撃性等も低下する。一方、該値が５０質量部を越えると、単位水量が増大して、硬化体の強度、緻密性、耐衝撃性等が低下することがある。

３．無機粉末
本発明で用いる無機粉末は、セメント以外の無機粉末であり、スラグ、石灰石粉末、長石類、ムライト類、アルミナ粉末、石英粉末、フライアッシュ、火山灰、シリカゾル、炭化物粉末、窒化物粉末等が挙げられる。これらの中でも、スラグ、石灰石粉末、石英粉末、フライアッシュは、コストや硬化後の品質安定性の点で好ましい。
該無機粉末のブレーン比表面積は３５００〜１００００ｃｍ^２／ｇが好ましく、４０００〜９０００ｃｍ^２／ｇがより好ましく、５０００〜９０００ｃｍ^２／ｇがさらに好ましい。該値が３５００ｃｍ^２／ｇ未満では、硬化体の強度、緻密性、耐衝撃性等が低下するため好ましくなく、該値が１００００ｃｍ^２／ｇを越えると、流動性や、硬化体の強度、緻密性、耐衝撃性等が低下する場合があり、また、コストも増大する。
無機粉末の配合量は、セメント１００質量部に対して、５〜５５質量部が好ましく、１０〜５０質量部がより好ましい。該値が５質量部未満では、１８０Ｎ／ｍｍ^２以上の圧縮強度を得ることが困難であり、また、硬化体の緻密性や耐衝撃性等も低下する。一方、該値が５５質量部を越えると、流動性や、硬化体の強度、緻密性、耐衝撃性等が低下する場合がある。

４．細骨材
本発明で用いる細骨材は、川砂、陸砂、海砂、砕砂、珪砂等、または、これらの混合物が挙げられる。また、該細骨材の最大粒径は、流動性や、硬化体の強度、緻密性、耐衝撃性等から、好ましくは２ｍｍ以下、より好ましくは１．５ｍｍ以下である。また、流動性や作業性等から、細骨材中の０．１５ｍｍ未満の粒子の含有率は、好ましくは５．０％以下であり、細骨材中の７５μｍ以下の粒子の含有率は、好ましくは２．０％以下、より好ましくは１．５％以下である。
細骨材の配合量は、流動性、施工性および強度の向上の観点や、自己収縮や乾燥収縮の低減、水和発熱量の低減の観点から、セメント１００質量部に対して、好ましくは５０〜２５０質量部、より好ましくは８０〜１８０質量部である。

５．繊維
本発明で用いるポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール（以下「ＰＢＯ」という。）の繊維は、下記の化学構造を有するモノフィラメントおよび繊維集束体である。

（式中、ｎは繰り返し数を表す。）

（１）モノフィラメント
（i）直径
モノフィラメントの直径は、通常、０．０１〜０．０４ｍｍであり、好ましくは０．０２〜０．０３ｍｍである。該値が０．０１ｍｍ未満では、セメント組成物の流動性や作業性が低下するほか、１８０Ｎ／ｍｍ^２以上の圧縮強度は得にくく、該値が０．０４ｍｍを越えるモノフィラメントは入手が困難である。
（ii）長さ
モノフィラメントの長さは、通常、１〜１５ｍｍであり、好ましくは３〜１２ｍｍであり、より好ましくは５〜１０ｍｍである。該値が１ｍｍ未満では、入手が困難であるほか、曲げ強度や破壊エネルギーが低下する場合がある。一方、該値が１５ｍｍを越えると、セメント組成物の流動性や作業性が極端に低下するほか、１８０Ｎ／ｍｍ^２以上の圧縮強度を得ることが困難となる。
（iii）引張強度
モノフィラメントの引張強度は、好ましくは４ｋＮ／ｍｍ^２以上であり、より好ましくは６．１ｋＮ／ｍｍ^２以上である。また、該モノフィラメントの初期弾性率は、好ましくは１４０ｋＮ／ｍｍ^２以上であり、より好ましくは３１０ｋＮ／ｍｍ^２以上である。該モノフィラメントの前記特性値が、前記範囲内にあれば、該モノフィラメントを含む硬化体の曲げ強度や耐衝撃性は向上する。
（iｖ）配合量
セメント組成物中のモノフィラメントの配合量は、０．５〜３．０体積％が好ましく、０．８〜２．０体積％がより好ましい。該値が０．５体積％未満では、曲げ強度や破壊エネルギーが低下する場合があり、該値が３．０体積％を超えると、セメント組成物の流動性や作業性が低下するほか、コスト高になる。

(２)繊維集束体
本発明で用いる繊維は、前記モノフィラメントに代えて、または、前記モノフィラメントと併用して、繊維集束体を用いることができる。該繊維集束体は、前記モノフィラメントを２本以上、繊維集束剤で集束したものである。
（i）繊維集束剤
繊維集束剤は、エポキシ樹脂、ポリエステル、ビニロン、酢酸ビニル樹脂、ナイロン、アクリル樹脂、塩化ビニル樹脂等から選ばれる、少なくとも１種以上が挙げられる。これらに中で、エポキシ樹脂は、繊維集束体の耐久性が向上するため好ましい。
繊維集束体中の繊維集束剤の含有率は、５〜３０体積％が好ましく、５〜２０体積％がより好ましい。該値が５体積％未満ではモノフィラメント同士の結合力が弱く、セメント組成物の混練中に繊維集束体が解繊する。一方、該値が３０体積％を超えると、繊維集束体の引張強度が低下するおそれがある。
（ii）直径
繊維集束体を構成するモノフィラメントの直径は、通常、０．０１〜０．０４ｍｍであり、好ましくは０．０２〜０．０３ｍｍである。該値が０．０１〜０．０４ｍｍの範囲外のモノフィラメントを集束してなる繊維集束体では、１８０Ｎ／ｍｍ^２以上の圧縮強度を得るのが困難となるほか、緻密性や耐久性等も低下する傾向がある。
また、繊維集束体の直径は、通常、０．１〜０．５ｍｍであり、好ましくは０．２〜０．４ｍｍである。該値が０．１〜０．５ｍｍの範囲外では、１８０Ｎ／ｍｍ^２以上の圧縮強度を得ることが困難となる。
（iii）長さ
前記繊維集束体の長さは、通常、１〜３０ｍｍであり、好ましくは３〜２０ｍｍであり、より好ましくは５〜１５ｍｍである。該値が１ｍｍ未満では、硬化体の曲げ強度や破壊エネルギーが低下する場合があり、該値が３０ｍｍを越えると、セメント組成物の流動性や作業性が極端に低下するほか、１８０Ｎ／ｍｍ^２以上の圧縮強度を得ることが困難となる。
（iｖ）配合量
セメント組成物中の繊維集束体の配合量は、０．５〜３．０体積％が好ましく、０．８〜２．５体積％がより好ましい。該値が０．５体積％未満では、硬化体の曲げ強度や破壊エネルギーが低下する場合があり、該値が３．０体積％を超えると、セメント組成物の流動性や作業性が低下するほか、硬化体の圧縮強度も低下する傾向にある。
なお、モノフィラメントや繊維集束体は、鋼繊維や他の有機繊維と併用することができる。

６．減水剤
本発明で用いる減水剤は、リグニン系、ナフタレンスルホン酸系、メラミン系やポリカルボン酸系の、減水剤、ＡＥ減水剤、高性能減水剤、および、高性能ＡＥ減水剤が挙げられる。これらの中でも、ポリカルボン酸系の高性能減水剤または高性能ＡＥ減水剤が好ましい。減水剤の使用により、セメント組成物の流動性や施工性、硬化後の緻密性や強度等が向上する。
減水剤の配合量は、セメント組成物の流動性や分離抵抗性、硬化後の緻密性や強度、および、コスト等の面から、セメント１００質量部に対して固形分換算で０．１〜４．０質量部が好ましく、０．１〜２．０質量部がより好ましく、０．１〜１．０質量部がさらに好ましい。

７．水
本発明で用いる水は、水道水等である。本発明において、水／セメント比は、セメント組成物の流動性および施工性や、硬化後の強度、耐久性、緻密性および耐衝撃性等から、１０〜３０％が好ましく、１５〜２５％がより好ましい。

８．繊維状粒子、薄片状粒子
本発明のセメント組成物は、平均粒径が１ｍｍ以下の繊維状粒子、および／または、平均粒径が１ｍｍ以下の薄片状粒子を含んでもよい。該粒子は、硬化体の靱性を高めることができる。ここで、粒径とは、粒子の最長径をいい、繊維状粒子ではその長さをいう。
前記繊維状粒子として、ウォラストナイト、ボーキサイト、ムライト等が挙げられ、薄片状粒子として、マイカフレーク、タルクフレーク、バーミキュライトフレーク、アルミナフレーク等が挙げられる。
該粒子の配合量は、セメント組成物の流動性や施工性、硬化体の靱性等から、セメント１００質量部に対して３５質量部以下が好ましく、０．１〜５質量部がより好ましい。
なお、繊維状粒子は、硬化後の靱性を高めるため、長さ／直径の比で表される針状度が３以上のものが好ましい。

９．セメント組成物（硬化体）の混練、成形および養生の方法
本発明のセメント組成物の製造において、混練、成形および養生の各工程が含まれる。
そして、本発明におけるセメント組成物の混練方法は、特に限定されるものではなく、通常の方法を用いることができる。また、該混練に用いる装置も特に限定されるものではなく、オムニミキサ、パン型ミキサ、二軸練りミキサ、傾胴ミキサ等が用いられる。
本発明におけるセメント組成物の成形および養生方法も、特に限定されるものではないが、硬化体の生産性や強度発現性等を考慮すると、一次養生および二次養生を行う方法が好ましい。かかる方法として、例えば、以下のような方法が挙げられる。
（i）まず、混練したセメント組成物を所定の型枠を用いて成形し、一次養生を行う。該成形方法は、特に限定されるものではなく、流し込み成形等の慣用の成形方法を採用することができる。また、該一次養生方法として、型枠に混練したセメント組成物を打設し、５〜４０℃で、３〜４８時間静置する方法が挙げられる。
（ii）該一次養生の終了後に、脱型して二次養生を行うことにより、硬化体が得られる。該脱型時の硬化体の圧縮強度は、１０Ｎ／ｍｍ^２以上であることが好ましい。該値が１０Ｎ／ｍｍ^２未満では脱型が困難となる。また、該二次養生方法として、７５〜９５℃で１０〜４８時間、蒸気養生する方法が挙げられる。

以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されない。
１．使用材料
（１）セメント
低熱ポルトランドセメント：太平洋セメント社製
（２）微粉末
シリカフューム：ＢＥＴ比表面積１１ｍ^２／ｇ
（３）無機粉末
石英粉末：ブレーン比表面積７０００ｃｍ^２／ｇ
（４）細骨材
珪砂：粒径０．１５〜０．６ｍｍ
（５）繊維集束剤
エポキシ樹脂：商品名スコッチウェルド住友スリーエム社製
（６）繊維
Ａは、表１に示す直径および長さを有するモノフィラメント繊維である。
Ｂ〜ＤおよびＦは、Ａに対して、集束体中の含有率が１０体積％になる量の前記繊維集束剤を添加し、表１に示す撚り数、直径および長さに調整してなる繊維集束体である。なお、Ｆは比較例１として用いた。
また、Ｅは、直径が０．０２５ｍｍのモノフィラメント繊維に対して、集束体中の含有率が１０体積％になる量の前記繊維集束剤を添加し、表１に示す撚り数、直径および長さに調整してなる繊維集束体である。
また、Ｇは、表１に示す直径および長さを有する鋼繊維であり、参考例として用いた。

（７）減水剤
ポリカルボン酸系高性能減水剤
（８）水
水道水

２．フロー値、圧縮強度および曲げ強度の測定
表２に示す配合に従い、各材料を二軸練りミキサに投入し、混練してセメント組成物を調製した。次に、該セメント組成物を、φ５０×１００ｍｍの型枠、および、４０×４０×１６０ｍｍの型枠に流し込み、一次養生として２０℃で４８時間、前置きした後、二次養生として９０℃で４８時間、蒸気養生を行って、それぞれ、圧縮強度用と曲げ強度用の供試体を作製した。
前記セメント組成物のフレッシュ状態における、振動を加えない状態でのフロー値は、ＪＩＳＲ５２０１「セメントの物理試験方法１１．フロー試験」に準拠して測定した。また、前記供試体の圧縮強度は、ＪＩＳＡ１１０８「コンクリートの圧縮試験方法」に準拠して、前記供試体の曲げ強度は、ＪＩＳＲ５２０１「セメントの物理試験方法」に準拠して測定した。その結果を表２に示す。

表１に示すように、実施例１〜６のフロー値はすべて１３２ｍｍ以上で、いずれの実施例も流動性に優れている。これらの中でも、撚り数が３６０ｔｐｍである実施例４〜６のフロー値は、２３０ｍｍ以上と格段に大きくなっている。
また、実施例１〜６の圧縮強度は１８１Ｎ／ｍｍ^２以上と高く、高強度が要求される構造部材に用いることができる。
また、実施例１〜６の曲げ強度は３２Ｎ／ｍｍ^２以上と高く、特に、これらの中でも、実施例２〜６の曲げ強度は３７〜４１Ｎ／ｍｍ^２であり、鋼繊維を用いた参考例とほぼ同程度の曲げ強度（４０Ｎ／ｍｍ^２）を示している。
なお、本発明で規定する直径０．１〜０．５ｍｍの範囲を超える、直径が０．６ｍｍの繊維Ｆを用いた比較例１の圧縮強度と曲げ強度は、実施例と比べ、いずれも低くなっている。また、石英粉末を含まない比較例２のフロー値と圧縮強度も、実施例と比べ、いずれも低くなっている。

Claims

セメント、ＢＥＴ比表面積が３〜２５ｍ^２／ｇの微粉末、ブレーン比表面積が３５００〜１００００ｃｍ^２／ｇの無機粉末、細骨材、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維、減水剤、および、水を含むセメント組成物であって、
前記繊維が、直径０．０１〜０．０４ｍｍ、および、長さ１〜１５ｍｍのモノフィラメントであるセメント組成物。
セメント、ＢＥＴ比表面積が３〜２５ｍ^２／ｇの微粉末、ブレーン比表面積が３５００〜１００００ｃｍ^２／ｇの無機粉末、細骨材、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維、減水剤、および、水を含むセメント組成物であって、
前記繊維が、直径０．０１〜０．０４ｍｍのモノフィラメントを、繊維集束剤を用いて集束してなる、直径０．１〜０．５ｍｍ、および、長さ１〜３０ｍｍの繊維集束体であるセメント組成物。
前記繊維集束体が、撚りを付与されてなる繊維集束体である、請求項２に記載のセメント組成物。