特開 2020-200215 付加積層用セメント質材料、モルタルまたはコンクリート、付加積層方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2020-200215(P2020-200215A)

(43)【公開日】2020年12月17日

(54)【発明の名称】付加積層用セメント質材料、モルタルまたはコンクリート、付加積層方法

(51)【国際特許分類】

   C04B 28/02 20060101AFI20201120BHJP

   C04B 24/06 20060101ALI20201120BHJP

   C04B 22/08 20060101ALI20201120BHJP

   C04B 22/06 20060101ALI20201120BHJP

   C04B 14/38 20060101ALI20201120BHJP

   C04B 16/06 20060101ALI20201120BHJP

   B28B 1/30 20060101ALI20201120BHJP

【ＦＩ】

   C04B28/02

   C04B24/06 A

   C04B22/08

   C04B22/06

   C04B14/38

   C04B16/06

   B28B1/30

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2019-107865(P2019-107865)

(22)【出願日】2019年6月10日

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り 発行者名 公益社団法人 日本コンクリート工学会 刊行物名 コンクリート工学年次論文集第４０巻（２０１８） 発行日 平成３０年 ６月１５日 発行者名 公益社団法人 土木学会 刊行物名 土木学会第７３回年次学術講演会概要集（平成３０年度土木学会全国大会） 発行日 平成３０年 ８月 １日 発行者名 大成建設株式会社技術センター 刊行物名 大成建設技術センター報 ２０１８年 第５１号 発行日 平成３０年１２月 １日 集会名 コンクリート工学年次大会２０１８（神戸） 第４０回コンクリート工学講演会 開催日 平成３０年 ７月 ４日（開催期間 平成３０年 ７月 ４日〜 ６日） 集会名 平成３０年度土木学会全国大会 第７３回年次学術講演会 開催日 平成３０年 ８月３１日（開催期間 平成３０年 ８月２９日〜３１日）

(71)【出願人】

【識別番号】000206211

【氏名又は名称】大成建設株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100162396

【弁理士】

【氏名又は名称】山田 泰之

(74)【代理人】

【識別番号】100122954

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷部 善太郎

(74)【代理人】

【識別番号】100194803

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 理弘

(72)【発明者】

【氏名】村田 哲

(72)【発明者】

【氏名】木ノ村 幸士

【テーマコード（参考）】

4G052

4G112

【Ｆターム（参考）】

4G052DA01

4G052DB12

4G052DC06

4G112MA00

4G112MB00

4G112MB06

4G112MB23

4G112MB41

4G112PA15

4G112PA24

4G112PB05

4G112PB08

4G112PB11

4G112PB17

4G112PC04

4G112PC05

4G112PE02

(57)【要約】

【課題】流動性と自立安定性とに優れた付加積層用セメント質材料と、この付加積層用セメント質材料を混練したモルタルまたはコンクリート、及び、このモルタルまたはコンクリートを用いた付加積層方法を提供する。
【解決手段】セメント、細骨材、速硬性混和材、凝結遅延剤を含み、セメント１００質量部に対して、速硬性混和材を２０質量部以上２００質量部以下含む付加積層用セメント質材料、この付加積層用セメント質材料を混練したモルタルまたはコンクリート、及び、このモルタルまたはコンクリートを用いた付加積層方法。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

セメント、細骨材、速硬性混和材、凝結遅延剤を含み、
前記セメント１００質量部に対して、前記速硬性混和材を２０質量部以上２００質量部以下含むことを特徴とする付加積層用セメント質材料。

【請求項2】

短繊維を含むことを特徴とする請求項１に記載の付加積層用セメント質材料。

【請求項3】

請求項１または２に記載の付加積層用セメント質材料と水とを混練したことを特徴とするモルタルまたはコンクリート。

【請求項4】

ＪＩＳ Ｒ５２０１：２０１５のフロー試験に準拠して測定したフロー値が２１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載のモルタルまたはコンクリート。

【請求項5】

請求項３または４に記載のモルタルまたはコンクリートを用いることを特徴とする付加積層方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、付加積層用のセメント質材料と、この付加積層用セメント質材料を混練したモルタルまたはコンクリート、及び、このモルタルまたはコンクリートを用いた付加積層方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、３次元形状をコンピュータで薄い層状の断面に分割し、分割した層を順に付加積層することで３次元の積層体を得る付加積層（いわゆる「３Ｄプリンティング技術」）によるコンクリート施工法の開発が行われている（特許文献１）。
付加積層によるコンクリート施工法は、型枠が不要なため、大幅な省力化・省人化に伴う生産性向上が見込まれ、特に、意匠性の高い複雑な形状の構造物への展開が期待されている。また、付加積層によるコンクリート施工法には、機械化施工による品質向上、騒音などの環境負荷低減、安全性の向上が期待されている。一方、付加積層によるコンクリート施工法は、打重ね面への締固めができず、積層された層同士が一体化していないため、強度が低くなることが予想されている。
このような付加積層によるコンクリート施工法に用いるセメント質材料には、ポンプからノズルまで閉塞せず抽出可能な流動性と、付加積層時の自重に対する自立安定性を併せ持つ高いチキソ性が求められる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１８−１４０９０６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

流動性と自立安定性とに優れた付加積層用セメント質材料と、この付加積層用セメント質材料を混練したモルタルまたはコンクリート、及び、このモルタルまたはコンクリートを用いた付加積層方法を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

前記課題を解決するための手段は、以下のとおりである。
１．セメント、細骨材、速硬性混和材、凝結遅延剤を含み、
前記セメント１００質量部に対して、前記速硬性混和材を２０質量部以上２００質量部以下含むことを特徴とする付加積層用セメント質材料。
２．短繊維を含むことを特徴とする１．に記載の付加積層用セメント質材料。
３．１．または２．に記載の付加積層用セメント質材料と水とを混練したことを特徴とするモルタルまたはコンクリート。
４．ＪＩＳ Ｒ５２０１：２０１５のフロー試験に準拠して測定したフロー値が２１０ｍｍ以下であることを特徴とする３．に記載のモルタルまたはコンクリート。
５．３．または４．に記載のモルタルまたはコンクリートを用いることを特徴とする付加積層方法。

【発明の効果】

【0006】

本発明の付加積層用セメント質材料は、流動性、自立安定性に優れ、また、速硬性を備えており、付加積層用として好適である。短繊維を含むことにより、さらに自立安定性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】実験２における硬化後の付加積層体を側方から見た様。

【発明を実施するための形態】

【0008】

本発明の付加積層用セメント質材料（以下、セメント質材料ともいう）は、セメント、細骨材、速硬性混和材、凝結遅延剤を含み、セメント１００質量部に対して、速硬性混和材を２０質量部以上２００質量部以下含むことを特徴とする。

【0009】

・セメント
本発明において使用するセメントは、特に制限されず、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、高炉セメント（Ａ〜Ｃ種）、フライアッシュセメント（Ａ〜Ｃ種）、シリカセメント（Ａ〜Ｃ種）、エコセメント等を用いることができる。

【0010】

・細骨材
本発明において使用する細骨材は、特に制限されず、山砂、川砂、海砂、砕砂、硅砂、石灰砂等を用いることができる。ただし、本発明のセメント質材料は、ポンプにより圧送されてノズルから抽出されるものであるため、その最大径は小さいことが好ましく、具体的には、ＪＩＳ Ａ１１０２：２０１４に準拠して、呼び寸法５ｍｍ網ふるいを通過したものが好ましく、呼び寸法２．５ｍｍ網ふるいを通過したものがより好ましい。
本発明のセメント質材料において、単位細骨材量は、セメント１００質量部に対して、７０質量部以上３５０質量部以下が好ましく、７５質量部以上３２０質量部以下がより好ましい。
ここで、本発明のセメント質材料は、付加積層用であり、ポンプ、ノズル等を通過できる必要がある。そのため、付加積層装置を通過できる大きさであれば、粒径５ｍｍを超える粗骨材を含むことができる。

【0011】

・速硬性混和材
速硬性混和材は、セメント組成物の硬化時間を短くし、かつ初期強度発現性を向上させる作用を有し、本発明においては、自立安定性を付与するものである。
本発明は、セメント１００質量部に対して、速硬性混和材を２０質量部以上２００質量部以下含むことを特徴とする。速硬性混和材の配合量としては、セメント１００質量部に対して、２２質量部以上１５０質量部以下が好ましく、２５質量部以上１００質量部以下がより好ましい。

【0012】

本発明に用いる速硬性混和材は、カルシウムアルミネート類を主成分とし、硫酸カルシウム、水酸化カルシウム等の無機塩類を含む混和材が好ましい。
カルシウムアルミネート類としては、ＣａＯをＣ、Ａｌ_２Ｏ_３をＡ、Ｎａ_２ＯをＮ、Ｆｅ_２Ｏ_３をＦで表示した場合、Ｃ_３Ａ、Ｃ_２Ａ、Ｃ_１２Ａ_７、Ｃ_５Ａ_３、ＣＡ、Ｃ_３Ａ_５又はＣＡ_２等と表示される鉱物組成を有するカルシウムアルミネート、Ｃ_２ＡＦ、Ｃ_４ＡＦ等と表示されるカルシウムアルミノフェライト、カルシウムアルミネートにハロゲンが固溶又は置換したＣ_３Ａ_３・ＣａＦ_２やＣ_１１Ａ７・ＣａＦ_２等と表示されるカルシウムフロロアルミネートを含むカルシウムハロアルミネート、Ｃ_８ＮＡ_３やＣ_３Ｎ_２Ａ_５等と表示されるカルシウムナトリウムアルミネート、アウイン（３ＣａＯ・３Ａｌ_２Ｏ_３・ＣａＳＯ_４）等のカルシウムサルホアルミネート、アルミナセメント等が挙げられる。並びにこれらにＳｉＯ_２、Ｋ_２Ｏ、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２等が固溶又は結合したもの等が含まれる。また、結晶質、非晶質いずれであっても構わない。

【0013】

カルシウムアルミネート類のブレーン値は特に限定されるものではないが、反応速度と強度発現性の確保、及び十分な可使時間を得る点から、３０００ｃｍ^２／ｇ以上８０００ｃｍ^２／ｇ以下が好ましい。なお、カルシウムアルミネート類は結晶質であってもガラス質であってもよく限定されるものではない。

【0014】

無機塩類としては、アルカリ金属やアルカリ土類金属等の硫酸塩、炭酸塩、硝酸塩、亜硝酸塩、水酸化物等が挙げられる。例えば、硫酸カルシウム、硫酸マグネシウム、硫酸ナトリウム、硫酸カリウム、硫酸アルミニウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸リチウム、硝酸カルシウム、亜硝酸カルシウム、水酸化アルミニウムなどが挙げられる。これらは、１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。また、これらを含む石膏、特に、ＩＩ型無水石膏を用いることもできる。

【0015】

速硬性混和材としては、市販品を用いることもでき、市販品としては、太平洋マテリアル株式会社製の「Ｆａｃｅｔ」、デンカ株式会社製「デンカコスミック」等が挙げられる。

【0016】

・凝結遅延剤
凝結遅延剤は、凝結を遅延させるものであり、施工時の作業性保持を可能とするものである。速硬性混和材と凝結遅延剤とを併用することにより、圧送時の流動性と積層時の自立安定性を調整する。
本発明で使用する凝結遅延剤としては、オキシカルボン酸類やアルカリ金属炭酸塩類、リン酸類、ホウ酸類等の有機酸が挙げられる。

【0017】

オキシカルボン酸とは、ヒドロキシ基を有するカルボン酸の総称であり、具体的には、クエン酸、グルコン酸、酒石酸、リンゴ酸等が挙げられる。オキシカルボン酸類とは、これらのオキシカルボン酸、及びこれらの塩が挙げられ、塩としては、ナトリウム塩、カリウム塩が好ましい。これらは、１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。

【0018】

アルカリ金属炭酸塩類としては、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、及び炭酸カリウムなどの炭酸塩や、炭酸水素ナトリウムや炭酸水素カリウムなどの重炭酸塩が挙げられ、これらは、１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。これらのうち、硬化後の強度発現性が良好な面で、アルカリ金属の炭酸塩が好ましく、炭酸カリウムがより好ましい。

【0019】

凝結遅延剤は、リン酸類、ホウ酸類等の有機酸を使用することが好ましいが、オキシカルボン酸類とアルカリ金属炭酸塩類とを併用してもよい。この際、オキシカルボン酸類１００質量部に対し、アルカリ金属炭酸塩類１５０質量部以上４００質量部以下であることが好ましく、１８５質量部以上３２０質量部以下であることがより好ましい。
凝結遅延剤としては、市販品を用いることもでき、市販品としては、太平洋マテリアル株式会社製の「Ｆａｃｅｔセッター」、デンカ株式会社製「デンカＤ２００セッター」、「デンカＤ２０１セッター」等が挙げられる。
凝結遅延剤の配合量としては、セメント１００質量部に対して、０．１質量部以上３．０質量部以下が好ましく、０．５質量部以上２．６質量部以下がより好ましい。

【0020】

・短繊維
本発明の付加積層用セメント質材料において、上層自重による下層の沈下の抑制、強度またはじん性の向上を目的として短繊維を混入することができる。混入する短繊維としては、コンクリート分野において用いられている高張力鋼繊維、アモルファス鋼繊維、ステンレス繊維等の鋼繊維、ポリプロピレン繊維、ナイロン繊維、ポリエステル繊維、ビニロン繊維等の有機繊維、炭素繊維、ガラス繊維等を、特に制限することなく使用することができる。短繊維の長さ、径、アスペクト比、断面形状等に特に制限はないが、本発明のセメント質材料は、ポンプにより押し出されてノズルから抽出されるものであるため、ポンプおよびノズルの形状・内径に依存するが、その長さは短いことが好ましく、長さ５０ｍｍ以下であることが好ましく、３０ｍｍ以下であることがより好ましく、１２ｍｍ以下であることがさらに好ましい。
短繊維の混入量は、特に制限されないが、混入量が多いとポンプおよびノズルでの閉塞が懸念されるため、例えば、硬化後のコンクリート体積に対して外割で０．０５体積％以上３．０体積％以下が好ましく、０．０５体積％以上０．３体積％以下がより好ましい。

【0021】

本発明のセメント質材料は、セメント、細骨材、速硬性混和材、凝結遅延剤を含めばよく、その性能を損なわない範囲で、フライアッシュ、シリカフューム、石灰石微粉末等の混和材、ＡＥ剤、減水剤、ＡＥ減水剤等の混和剤等を含むことができる。ただし、本発明のセメント質材料は、速硬性混和材により自立安定性を備えているため、自立安定性には寄与するが、粘度が上昇して圧送性の低下する増粘剤の含有率は小さいことが好ましく、具体的には、セメント１００質量部に対する増粘剤の含有率が１．０質量部以下であることが好ましく、０．５質量部以下であることがより好ましく、含有しないことが最も好ましい。

【0022】

本発明のセメント質材料は、水と混練してモルタル、または、さらに粗骨材を混入してコンクリートとすることができる。混練する水は、上水道水、河川水、湖沼水、工業用水、地下水、上澄水、スラッジ水等を利用することができ、上水道水を利用することが好ましい。また、混練する水は、付加積層が可能な流動性を有する範囲で少ないことが好ましく、具体的には、セメント１００質量部に対して、３０質量部以上７０質量部以下が好ましく、３４質量部以上６６質量部以下がより好ましい。

【0023】

本発明のセメント質材料は、付加積層用であり、このモルタル、またはコンクリートをポンプで圧送し、ノズルから押し出しながらノズル、製作テーブルのいずれかまたは両方を動かしながら１層ずつ積層する付加積層により、様々な形状に造形する。そのため、本発明のモルタル、またはコンクリートは、ＪＩＳ Ｒ５２０１：２０１５のフロー試験に準拠して測定したフロー値が２１０ｍｍ以下であることが好ましい。このフロー値が２１０ｍｍより大きいと、材料の自立安定性が保たれず、付加積層時に上層の自重による下層の沈下が大きくなる場合がある。このフロー値は、２１０ｍｍ以下が好ましく、２００ｍｍ以下がより好ましく、１８０ｍｍ以下がさらに好ましい。なお、フロー値の下限値は、使用するポンプおよびノズルの形状・内径等に依存するが、１４０ｍｍ以上程度である。

【実施例】

【0024】

「実験１」
下記表１に示す材料を混練し、モルタルを得た。得られたモルタルについて、ＪＩＳ Ｒ５２０１：２０１５のフロー試験に準拠してフロー値を測定した。

【表1】

Ｗ ：水、神奈川県横浜市水道水
Ｃ ：セメント、太平洋セメント株式会社製、普通ポルトランドセメント
ＳＣＭ１：速硬性混和材、太平洋マテリアル株式会社製、商品名「Ｆａｃｅｔ」
Ｓ ：細骨材、千葉県君津産、最大粒径５ｍｍ
Ｒｅ１ ：凝結遅延剤、太平洋マテリアル株式会社製、商品名「Ｆａｃｅｔセッター」

【0025】

上記で得られたモルタルを、新明和工業株式会社製スクイズポンプＭＭ１５３（最大吐出圧力１．５ＭＰａ）を用いて、内径４０ｍｍのポンピングチューブで輸送し、内径１０ｍｍのノズルを有する３次元付加積層装置を用いて、積層高さ２００ｍｍ、外形１００ｍｍ×１００ｍｍ、厚さ１０ｍｍの中空矩形断面となるように積層し、付加積層用として適しているか判定した。結果を表２に示す。

【表2】

【0026】

セメント１００質量部に対して、速硬性混和材を１１質量部含む比較例１のモルタルは、積層することはできたが、硬化不良を引き起こした。また、セメント１００質量部に対して、速硬性混和材を２３４質量部含む比較例２のモルタルは、積層することはできたが、フローが経時変化とともに徐々に軟化したのち約１２０分で急速に硬化するなど、性状が不安定であった。
それに対し、本発明である実施例１〜３のモルタルは、積層性が良好で、性状も安定していた。

【0027】

「実験２」
短繊維配合による効果を確認するため、下記表３に示す材料を混練し、モルタルを得た。表３に示すモルタルの組成は、短繊維配合によるフロー値の変動を抑えるため、セメント質量部に対して、水を微調整して、フロー値が同一となるようにした。

【表3】

Ｗ ：水、神奈川県横浜市水道水
Ｃ ：セメント、太平洋セメント株式会社製、普通ポルトランドセメント
ＳＣＭ２：速硬性混和材、デンカ株式会社製、商品名「デンカコスミック」
Ｓ ：細骨材、千葉県君津産、最大粒径５ｍｍ
Ｒｅ２ ：凝結遅延剤、デンカ株式会社製、商品名「デンカＤ−２００セッター」
Ｆ ：短繊維、萩原工業株式会社製、商品名「バルリンク」

【0028】

上記で得られたモルタルを、新明和工業株式会社製スクイズポンプＭＭ１５３（最大吐出圧力１．５ＭＰａ）を用いて、内径４０ｍｍのポンピングチューブで輸送し、内径１０ｍｍのノズルを有する３次元付加積層装置を用いて、側面厚さ１０ｍｍの中空断面を層厚５ｍｍ×２０層で、積層高さ１００ｍｍとなるように付加積層した。硬化後の付加積層体を側方から見た様を図１に示す。

【0029】

短繊維を配合した実施例５は、設計高さ１００ｍｍに対して積層高さ１００ｍｍであった。それに対し、短繊維を含まない実施例４は、設計高さ１００ｍｍに対して積層高さ９７ｍｍであった。短繊維を配合した実施例５は、短繊維を含まない実施例４と比較して、自重による沈下が抑制できた。

【図1】