JP7146362B2

JP7146362B2 - 水硬性組成物の製造方法

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Publication number: JP7146362B2
Application number: JP2016083632A
Authority: JP
Inventors: 理紗吉田; 泰道神代; 博則丹羽; 紘史瀬川
Original assignee: Obayashi Corp
Current assignee: Obayashi Corp
Priority date: 2016-04-19
Filing date: 2016-04-19
Publication date: 2022-10-04
Anticipated expiration: 2036-04-19
Also published as: JP2017193458A

Description

本発明は、水硬性組成物の製造方法、及び、水硬性組成物に関する。

水硬性組成物の一例であるコンクリートは、火災時に爆裂する可能性があり、特に、コンクリートの強度が高いほど爆裂する可能性が高いことが知られている。そこで、このような爆裂を防止するために、有機繊維を混入したコンクリートが提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開２０００－１４３３２２号公報

有機繊維の混入量を多くすることで爆裂防止効果（耐火性）を高めることが期待できるが、混入量が多くなりすぎると、フレッシュコンクリートの流動性が低くなる。このため有機繊維が均等に混ざらなかったり、作業性が低下したりするおそれがある。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであって、その主な目的は、流動性と耐火性の両立を図ることにある。

かかる目的を達成するために本発明の水硬性組成物の製造方法は、水と、セメントを含む結合材と、高性能減水剤と、有機繊維とを含有した水硬性組成物の製造方法であって、前記水と前記結合材との重量比である水結合材比を変えずに、混入する前記有機繊維の混入量を増やしていき、耐火試験の残存面積率が変化しなくなる変曲点を求める工程と、前記変曲点以上の前記有機繊維を、前記水結合材比の前記水及び前記結合材に混合して前記水硬性組成物を製造する工程と、を有し、前記水結合材を１４．３％以上３５％以下とし、前記水結合材比が１４．３％以上１６％以下の場合は、スランプフローを６０．５ｃｍ以上７０．０ｃｍ以下とし、前記水結合材比が１６％より大きく２５％以下の場合は、スランプフローを５０ｃｍ以上７０．０ｃｍ未満とし、前記水結合材比が２５％より大きく３５％以下の場合は、スランプフローを４０ｃｍ以上６８．５ｃｍ未満としたことを特徴とする。
このような水硬性組成物の製造方法によれば、混入する有機繊維を、少なくとも爆裂が発生しない量（変曲点）に抑えることが可能であり、流動性と耐火性の両立を図ることができる。

かかる水硬性組成物の製造方法であって、前記有機繊維の混入量は、有機繊維の総表面積であることが望ましい。
このような水硬性組成物の製造方法によれば、繊維の形状（径や長さ）によらずに評価することができる。

かかる水硬性組成物の製造方法であって、前記水結合材比を１４．３％以上１６％以下とし、前記有機繊維の総表面積を２４．４×１０⁷ｍｍ²/ｍ³以上とし、スランプフローを６０ｃｍ以上としてもよい。
このような水硬性組成物の製造方法によれば、水結合材比が１４．３％以上１６％以下の水硬性組成物を製造する際に流動性と耐火性の両立を図ることができる。

かかる水硬性組成物の製造方法であって、前記水結合材比を１６％より大きく２５％以下とし、前記有機繊維の総表面積を１３．２×１０^７ｍｍ^２/ｍ^３以上とし、スランプフローを５０ｃｍ以上７０．０ｃｍ未満としてもよい。
このような水硬性組成物の製造方法によれば、水結合材比が１６％より大きく２５％以下の水硬性組成物を製造する際に流動性と耐火性の両立を図ることができる。

本発明によれば、流動性と耐火性の両立を図ることができる。

繊維による爆裂抑制メカニズムを説明するための概念図である。図２Ａは、第１実施例の使用材料の説明図であり、図２Ｂは、第１実施例で使用するＰＰ繊維の種類（形状）の説明図であり、図２Ｃは、第１実施例の試験体の調合条件の説明図である。第１実施例の各試験体の繊維条件と評価結果の詳細説明図である。第１実施例の耐火性及び流動性の評価結果の説明図である。第２実施例の試験体の調合条件の説明図である。第２実施例の評価結果の詳細説明図である。水結合材比が１４．３％の耐火性及び流動性の評価結果の説明図である。水結合材比が１６．０％の耐火性及び流動性の評価結果の説明図である。水結合材比が２０．０％の耐火性及び流動性の評価結果の説明図である。水結合材比が２５．０％の耐火性及び流動性の評価結果の説明図である。図１１Ａは、第３実施例の使用材料の説明図であり、図１１Ｂは、第３実施例で使用するＰＰ繊維の種類（形状）の説明図であり、図１１Ｃは、第３実施例の試験体の調合条件の説明図である。第３実施例の耐火試験のＲＡＢＴ曲線を示す図である。第３実施例の各試験体の評価結果の詳細を示す図である。第３実施例の耐火性及び流動性の評価結果の説明図である。

＝＝＝実施形態＝＝＝
＜爆裂防止のメカニズムについて＞
爆裂とは、コンクリートが火災などにより強く加熱されたときに爆発的に破裂（剥離）する現象である。コンクリートは、強度が高いほど火災時に爆裂する可能性が高いとされている。その原因としては、高強度コンクリートの組織は緻密であり、内部で蒸発した水分は散逸しづらいため、加熱されたときに空隙内圧が上昇し、二次的な応力を発生して爆裂する可能性が高いと考えられている。

この爆裂を防止するため、有機繊維を混入したコンクリートが開発されている。有機繊維としては、例えば、ポリプロピレン繊維（以下、ＰＰ繊維ともいう）が用いられている。

図１は、繊維による爆裂抑制メカニズムを説明するための概念図である。

図に示すように、コンクリート１０にはＰＰ繊維２０が複数本混入されている。

このコンクリート１０を加熱すると、右側の図に示すように、ＰＰ繊維２０は１６０℃で溶融して管状空隙となる。そして、この管状空隙が蒸気圧逸散ネットワークとなり、当該蒸気圧逸散ネットワークが、蒸気溜り内の圧力をマイクロクラックから逃がすことで爆裂を抑制できる。

ところで、コンクリート１０に混入するＰＰ繊維２０の量（混入量）が多いほど、爆裂防止効果を高めることが期待できるが、その反面、フレッシュコンクリートの流動性（フレッシュ性状）が低くなって作業性が低下する。特に、高強度のコンクリート１０では、ＰＰ繊維２０を混入していない状態においても粘性が高いため、ＰＰ繊維２０が混ざり難く、これにより爆裂防止の効果が得られなくなるおそれがある。

本発明者等は、後述するように、コンクリート１０の水結合材比（水と結合材との重量比）を一定にして、混入するＰＰ繊維２０の量を増やしていくと、表面剥離しなくなる（換言すると、耐火試験の残存面積率が１００％となる）変曲点があることを確認した。つまり、試験体の評価により上記変曲点を予め求めておくことで、コンクリート１０を製造する際に、表面剥離が発生しない最小限（変曲点以上）のＰＰ繊維２０を混入するようにできることがわかった。これにより、爆裂の発生を抑制することが可能であり、作業性の低下も抑制できる。よって、流動性と耐火性の両立を図ることができる。

なお、本実施形態のコンクリート１０（及び後述する各試験体）の製造方法としては、まず、水と、結合材と、細骨材と、膨張材等を混合して間攪拌し、次に、粗骨材を投入（混合）して攪拌し、さらに、所定量のＰＰ繊維２０を投入（混合）して攪拌している。

＜＜第１実施例＞＞
ＰＰ繊維の形状、混入量をパラメータとした試験体を作成し、流動性（フレッシュ試験）と耐火性（耐火試験）について評価を行った。

＜試験体＞
図２Ａは、第１実施例の使用材料の説明図であり、図２Ｂは、第１実施例で使用するＰＰ繊維の種類（形状）の説明図であり、図２Ｃは、第１実施例の試験体の調合条件の説明図である。

（組成について）
図２Ａ、図２Ｃに示すように、第１実施例の各試験体は、設計強度（Ｆｃ）が１５０Ｎ／ｍｍ²の高強度コンクリートであり、結合材（Ｂ）、膨張材（ＥＸ）、細骨材（Ｓ）、粗骨材（Ｇ）、膨張材（ＥＸ）、化学混和剤（ＳＰ、ＡＥ）、及び水（Ｗ）等を含んで構成されている。なお、結合材（Ｂ）としては、中庸熱セメント８７％とシリカフューム１３％を含んで構成されたシリカフュームプレミックスセメントを用いた。高強度コンクリートの場合、コンクリートが乾燥しなくても自己収縮するので、その収縮低減のため膨張材を添加している。また、各試験体には、爆裂防止のために有機繊維を混入している。本実施例では、この有機繊維として、ＰＰ繊維（ＰＰ１）を用いた。また、比較例としてＰＰ繊維を混入していない試験体（試験体名：ｂａｓｅ）も作成した。

（ＰＰ繊維について）
図２Ｂに示すように、長さが一定（１０ｍｍ）で繊維径（繊度）の異なる３種類のＰＰ繊維を用いた。具体的には、繊度が０．８デシテックス、２．２デシテックス、１７デシテックスのＰＰ繊維を用いた。なお、デシテックス（ｄｔｅｘ）とは、単位長さあたりの径の大きさを示す単位であり、１万ｍ当たり１ｇで１デシテックスである。この値が大きいほど繊維径が太いことになる。例えば、繊維を真円として円柱換算した場合、０．８デシテックスは繊維径１０μｍ（Ｄ１０）、２．２デシテックスは繊維径１８μｍ（Ｄ１８）、１７デシテックスは繊維径４８μｍ（Ｄ４８）となる。また、各ＰＰ繊維の密度は０．９１ｇ／ｃｍ³である。

（調合について）
上記の組成を図２Ｃのように調合し、各試験体を作成した。水結合材比（Ｗ／Ｂ）は、水と結合材（セメント＋シリカフューム）との重量比（水量／結合材量）であり、コンクリートの強度は、この水結合材比（Ｗ／Ｂ）に依存する。ここでは水結合材比（Ｗ／Ｂ）を１４．３％と小さくして、コンクリートを高強度（設計強度１５０Ｎ／ｍｍ²）にしている。

図３は、第１実施例の各試験体の繊維条件と評価結果の詳細を示す図である。評価結果については後述する。図３の試験体名は左側から順にＰＰ繊維の径（Ｄ１０、Ｄ１８、Ｄ４８）、ＰＰ繊維の長さ、ＰＰ繊維の混入量（ｋｇ／ｃｍ³）を示している。例えば、試験体名がＤ１０－１０（２）は、混入しているＰＰ繊維の繊維径が１０μｍ（０．８デシテックス）、繊維長さが１０ｍｍ、混入量が２ｋｇ／ｃｍ³であることを示している。また、比較例としてＰＰ繊維を混入していない試験体（試験体名：ｂａｓｅ）も評価した。また、ＰＰ繊維の混入量については、繊維表面積を評価した。

＜試験項目＞
（フレッシュ試験）
フレッシュ試験として、練り上がりのスランプフロー（SF）、空気量（AIR）、温度（CT）を測定した。なお、スランプ測定はJIS A 1101，JIS A 1150に従い、空気量の測定はJIS A 1128に従って行った。

（耐火試験）
各試験体を耐火炉に入れて、ＩＳＯ８３４に規定される標準加熱温度曲線に従って６０分加熱を行った。そして、耐火試験後の試験体の表面の残存面積を、ノギスを用いて計測し、試験体全体の表面積との比率から残存面積率を求めた。

＜試験結果＞
図４は、第１実施例の耐火性及び流動性の評価結果の説明図である。図の横軸は、繊維表面積の合計（総繊維表面積に相当）であり、左側の縦軸はスランプローの値（ｃｍ）であり、右側の縦軸は、残存面積率（％）である。

（流動性について）
セメント量が非常に多いため、流動性が高く、繊維表面積の合計が極微小な範囲では流動性予測は困難であるが、繊維面表面積の合計が９．２（×１０⁷ｍｍ²/ｍ³）以上ではある程度流動性は予測可能である。図には、スランプフローと繊維表面積の合計とから求めた回帰線を示している。このように、繊維表面積の合計とスランプフローの値はほぼ比例関係になっており、ＰＰ繊維の繊維表面積の合計が大きくなるにつれてスランプフローの値が低下している。

（耐火性について）
ＰＰ繊維を混入していない比較例(bese)は、激しく爆裂して原形をとどめなかった（残存面積率０％）。一方、ＰＰ繊維を混入した試験体では、図３及び図４に示すように、ＰＰ繊維の混入により残存面積率が大きくなり、２４．４×１０⁷ｍｍ²/ｍ³以上で、残存面積率が１００％となった（変化しなくなった）。すなわち、２４．４×１０⁷ｍｍ²/ｍ³が変曲点に相当し、これ以上であれば残存面積率は１００％であると予測できる。

以上の結果から、混入するＰＰ繊維の繊維表面積が２４．４×１０⁷ｍｍ²/ｍ³となるようにすれば爆裂を防止でき、また、作業性の低下も抑制できる。よって、流動性と耐火性の両立を図ることができる。なお、繊維表面積の合計を２４．４×１０⁷ｍｍ²/ｍ³以上としてもよいが、作業性の低下（流動性の低下）を抑制するためスランプフローは６０ｃｍ以上となるように設定することが望ましい。

また、本実施例では、ＰＰ繊維の混入量として繊維表面積を評価している。これにより、繊維の形状（径や長さ）によらずに評価することができる。

＜＜第２実施例＞＞
第１実施例では、混入するＰＰ繊維の形状（径）が異なっていた。第２実施形態では、ＰＰ繊維の形状は一定とし、水結合比（Ｗ/Ｂ）を変えている。換言すると、コンクリートの強度を変えている。

＜試験体＞
試験体に使用する材料については、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。なお、使用するＰＰ繊維は、径が１０μｍ（０．８デシテックス）、長さ１０ｍｍのものである。

図５は、第２実施例の試験体の調合条件の説明図である。

第２実施例では、コンクリートの設計強度（Ｆｃ）として、１５０、１２０、１００、８０（Ｎ／ｍｍ²）の４種類の試験体を用いている。図５に示すように、コンクリートの設計強度が１５０Ｎ／ｍｍ²の試験体は水結合材比を１４．３％、設計強度が１２０Ｎ／ｍｍ²の試験体は水結合材比を１６．０％、設計強度が１００Ｎ／ｍｍ²の試験体は水結合材比を２０．０％、設計強度が８０Ｎ／ｍｍ²の試験体は水結合材比を２５％としている。

また、各強度の試験体において、それぞれ、ＰＰ繊維の混入量を変えており。これらの各試験体を用いて、第１実施例と同様のスランプ試験や耐火試験を行った。なお、図５の試験体名の左端の数字は設計強度を示し、その右側の括弧内はＰＰ繊維の混入量（重量％）を示している。例えば、１５０－ＰＰ１（０．３）は、設計強度１５０Ｎ／ｍｍ²であり、繊維径１０μｍ（０．８デシテックス）のＰＰ繊維を０．３ｋｇ／ｍ³混入したことを示している。また、第２実施例においても、ＰＰ繊維を混入していない比較例（Ｂａｓｅ）を作成している。

＜試験結果＞
図６は、第２実施例の評価結果の詳細説明図である。また、図７～図１０は、第２実施例の耐火性及び流動性の評価結果の説明図である。図７は水結合材比が１６．０％、図８は水結合材比が１６．０％、図９は水結合材比が２０．０％、図１０は水結合材比が２５．０％のときの結果をそれぞれ示している。

（水結合材比１４．３％）
図７に示すように、繊維表面積の合計が２６．４×１０⁷ｍｍ²/ｍ³以上で残存表面積が１００％となっているが、第１実施例と設定強度が同じであることから、繊維表面積の合計が２４．４×１０⁷ｍｍ²/ｍ³以上で爆裂が発生しないと予測できる。また、流動性についても第１実施例と同様にスランプフローが６０ｃｍ以上となるように繊維表面積の合計を設定することが望ましい。

（水結合材比１６．０％）
図８に示すように、繊維表面積の合計とスランプフローは線形的な比例関係にあり、ＰＰ繊維の繊維表面積の合計が大きくなるにつれてスランプフローの値が低下している。なお、水結合材比１４．３％の場合よりも傾きが大きくなっている。このように、流動性は繊維面積の合計の値から近似式によって予測可能であり、スランプフローは６０ｃｍ以上にすることが望ましい。
また、図８に示すように、繊維表面積の合計が２６．４×１０⁷ｍｍ²/ｍ³以上で残存表面積が１００％となっている。ただし、第１実施例よりも設定強度が低いことから、繊維表面積の合計が２４．４×１０⁷ｍｍ²/ｍ³以上で爆裂が発生しないと予測できる。

（水結合材比２０．０％）
図９に示すように、繊維表面積の合計とスランプフローは線形的な比例関係にあり、ＰＰ繊維の繊維表面積の合計が大きくなるにつれてスランプフローの値が低下している。このように、流動性は繊維面積の合計の値から近似式によって予測可能であり、スランプフローは５０ｃｍ以上にすることが望ましい。
また、図９に示すように、繊維表面積の合計が１３．２×１０⁷ｍｍ²/ｍ³以上で残存表面積が１００％となっている。よって、繊維表面積の合計が１３、２×１０⁷ｍｍ²/ｍ³以上で爆裂が発生しないと予測できる。

（水結合材比２５．０％）
図１０に示すように、繊維表面積の合計とスランプフローは線形的な比例関係にあり、ＰＰ繊維の繊維表面積の合計が大きくなるにつれてスランプフローの値が低下している。なお、各試験体の中で傾きが最も大きくなっている。このように、流動性は繊維面積の合計の値から近似式によって予測可能であり、２０％の場合と同様にスランプフローを５０ｃｍ以上にすることが望ましい。
また、図１０に示すように、繊維表面積の合計が１３．２×１０⁷ｍｍ²/ｍ³以上で残存表面積が１００％となっている。よって、繊維表面積の合計が１３、２×１０⁷ｍｍ²/ｍ³以上で爆裂が発生しないと予測できる。

＜＜第３実施例＞＞
前述の実施例では高強度のコンクリートで評価を行っていたが、第３実施例では、前述の実施例よりも強度を低くしたコンクリート（水結合材比Ｗ/Ｂが大きいコンクリート）で評価を行っている。

＜試験体＞
図１１Ａは、第３実施例の使用材料の説明図であり、図１１Ｂは、第３実施例で使用するＰＰ繊維の種類（形状）の説明図であり、図１１Ｃは、第３実施例の試験体の調合条件の説明図である。

第３実施例では、結合材（Ｂ）として、セメント（普通ポルトランドセメント）と混和材（高炉スラグ微粉末）を用いている。また、水結合材比（Ｗ／Ｂ）は３５％である。

また、第３実施例では、爆裂防止用のＰＰ繊維（ＰＰ１）以外に、剥落防止用のＰＰ繊維（ＰＰ２）も使用している。

なお、第３実施例においても第１実施例と同じ３種類のＰＰ繊維（ＰＰ１）を使用している。第３実施例では各試験体へのＰＰ繊維（ＰＰ１）の混入率は全て０．１ｖｏｌ％であるが、ＰＰ繊維（ＰＰ１）の形状が異なるため、ＰＰ繊維の表面積の合計が異なっている。例えば、繊維径が１８μｍの場合は０．１ｖｏｌ％で表面積が２２．２×１０⁷ｍｍ²/ｍ³なのに対し、繊維径が１０μｍの場合は０．１ｖｏｌ％で表面積が４０.０×１０⁷ｍｍ²/ｍ³である（図１３参照）。

＜試験項目＞
第３実施例においても、前述の実施例と同様に、フレッシュ試験と耐火試験を行った。ただし、耐火試験は、壁式耐火炉でＲＡＢＴ６０分火災温度時間曲線（最高温度１２００℃）に従って一面加熱した。

図１２は、第３実施例の耐火試験のＲＡＢＴ曲線を示す図である。図１２の横軸は経過時間を示し、縦軸は温度を示している。

また、第３実施例において残存面積率は、Photoshopにて試験体の写真を損傷の有無で二色に分けて、色域指定で選択することでピクセル数の割合から求めた。すなわち、
残存面積率＝損傷していない部分のピクセル数／写真における試験体のピクセル数
で残存面積率を算出した。

＜試験結果＞
図１３は、第３実施例の各試験体の評価結果の詳細を示す図であり、図１４は、第３実施例の耐火性及び流動性の評価結果の説明図である。

図１４に示すように、繊維表面積の合計とスランプフローは線形的な比例関係にあり、流動性は繊維面積の合計の値から近似式によって予測可能である。水結合材比３５％ではスランプフローを４０ｃｍ以上にすることが望ましい。

また、図１４において残存面積率の繊維表面積が小さい部分は、２点（０，１３）（８．３，９８．１）より、原点を通るように回帰式を求めた。この結果より、繊維表面積の合計が８．５×１０⁷ｍｍ²/ｍ³以上で残存表面積が１００％になる（爆裂が発生しない）と予測できる。

つまり、繊維表面積の合計を８．５×１０⁷ｍｍ²/ｍ³にすることで耐火性と流動性の両立を図ることが出来る。

なお、第３実施例では、ＰＰ繊維の混入率は全て０．１ｖｏｌ％であるが、ＰＰ繊維の形状が異なるため、繊維表面積の合計の値が異なっていた。例えば、繊維径が１０μｍの場合は表面積が４０.０×１０⁷ｍｍ²/ｍ³であった。また、上記の結果より、繊維表面積の合計が８．５×１０⁷ｍｍ²/ｍ³以上で爆裂が発生しないので、例えば、細径（繊維径１０μ）のＰＰ繊維では、混入率を０．１ｖｏｌ％の半分以下にしてもよいことになる。このように、ＰＰ繊維の繊維径が小さいほど、本数が多くなることで繊維表面積を稼ぐことができ、少ない混入量（繊維本数）で爆裂を抑制できる。また、流動性の低下も抑制でき有効である。

＝＝＝その他の実施形態について＝＝＝
上記実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはいうまでもない。特に、以下に述べる実施形態であっても、本発明に含まれるものである。

コンクリートに混入する有機繊維はＰＰ繊維には限られない。例えば、ポリエステル、ポリアミド、ポリエチレン、ＰＥＴ、ビニロン系などの合成樹脂繊維でもよい。この場合も界面活性剤でコーティングすることによりコンクリートに混ざりやすくすることができる。また、有機繊維以外に無機繊維（例えば鋼繊維）を混入してもよい。

また、結合材としてセメント、シリカフューム、スラグ以外に、フライアッシュなどを添加していてもよい。

１０コンクリート
２０ＰＰ繊維

Claims

水と、セメントを含む結合材と、高性能減水剤と、有機繊維とを含有した水硬性組成物の製造方法であって、
前記水と前記結合材との重量比である水結合材比を変えずに、混入する前記有機繊維の混入量を増やしていき、耐火試験の残存面積率が変化しなくなる変曲点を求める工程と、
前記変曲点以上の前記有機繊維を、前記水結合材比の前記水及び前記結合材に混合して前記水硬性組成物を製造する工程と、
を有し、
前記水結合材を１４．３％以上３５％以下とし、
前記水結合材比が１４．３％以上１６％以下の場合は、スランプフローを６０．５ｃｍ以上７０．０ｃｍ以下とし、
前記水結合材比が１６％より大きく２５％以下の場合は、スランプフローを５０ｃｍ以上７０．０ｃｍ未満とし、
前記水結合材比が２５％より大きく３５％以下の場合は、スランプフローを４０ｃｍ以上６８．５ｃｍ未満とした
ことを特徴とする水硬性組成物の製造方法。
請求項１に記載の水硬性組成物の製造方法であって、
前記有機繊維の混入量は、有機繊維の総表面積である
ことを特徴とする水硬性組成物の製造方法。
請求項２に記載の水硬性組成物の製造方法であって、
前記水結合材比を１４．３％以上１６％以下とし、前記有機繊維の総表面積を２４．４×１０^７ｍｍ^２/ｍ^３以上とし、スランプフローを６０．５ｃｍ以上７０．０ｃｍ以下とした
ことを特徴とする水硬性組成物の製造方法。
請求項２に記載の水硬性組成物の製造方法であって、
前記水結合材比を１６％より大きく２５％以下とし、前記有機繊維の総表面積を１３．２×１０^７ｍｍ^２/ｍ^３以上とし、スランプフローを５０ｃｍ以上７０．０ｃｍ未満とした
ことを特徴とする水硬性組成物の製造方法。