特開 2024-146572 水硬性組成物及び該水硬性組成物を含むモルタル、生コンクリート

(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】P2024146572

(43)【公開日】2024-10-15

(54)【発明の名称】水硬性組成物及び該水硬性組成物を含むモルタル、生コンクリート

(51)【国際特許分類】

   C04B 28/04 20060101AFI20241004BHJP

   C04B 18/10 20060101ALI20241004BHJP

【ＦＩ】

C04B28/04

C04B18/10 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023059555

(22)【出願日】2023-03-31

(71)【出願人】

【識別番号】000003182

【氏名又は名称】株式会社トクヤマ

(72)【発明者】

【氏名】安達 丈

(72)【発明者】

【氏名】重田 輝年

【テーマコード（参考）】

4G112

【Ｆターム（参考）】

4G112PA20

4G112PA26

4G112PA33

(57)【要約】

【課題】 普通ポルトランドセメントに含まれる鉛の溶出を抑制し、なおかつセメント製造時に排出される二酸化炭素排出量を抑制する水硬性組成物が求められている。また、他方では近年の竹材の利用減、林業の衰退による森林の荒廃によって、土砂崩壊、生物多様性の低下を招く「竹害」が深刻化しており、竹害対策して、竹の新たな活用方法を見出していく必要がある。
【解決手段】 普通ポルトランドセメント、竹炭微粉末を含む水硬性組成物であって、前記普通ポルトランドセメント１００質量部に対して、前記竹炭微粉末の割合が１０質量部以上７０質量部以下であることを特徴とする水硬性組成物。
【選択図】 なし

【特許請求の範囲】

【請求項1】

普通ポルトランドセメント、竹炭微粉末を含む水硬性組成物であって、前記普通ポルトランドセメント１００質量部に対する前記竹炭微粉末の割合が１０質量部以上７０質量部以下の範囲内であることを特徴とする水硬性組成物。

【請求項2】

請求項１に記載の水硬性組成物、骨材、及び水を含むモルタル。

【請求項3】

請求項１に記載の水硬性組成物、骨材、水及び化学混和剤を含む生コンクリート。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、普通ポルトランドセメント及び竹炭微粉末を含む水硬性組成物及び当該水硬性組成物を含むモルタル、コンクリートに関する。

【背景技術】

【0002】

河川や湖沼，海域における水環境の悪化に伴い、近年では様々な直接的・間接的な水質浄化・水環境修復技術の開発が行われている。これら技術の多くは、産業副産物の循環利用という社会的要請を重視し、浚渫土（ヘドロ）を固化した覆砂材による直接的な底質改善や、セメント系材料を利用したブロックを沈設し、藻場の再生による間接的な水質浄化・生態系の回復を図っている。中でも無機系結合材であるセメントは、ハンドリングも容易であることから、任意の寸法の粒状体を製造する上で便利であり、かつ硬化後は長期に渡り化学的な安定状態を保つことができる。

【0003】

しかしながら、セメント系材料を水環境中にて使用する場合、重金属類をはじめとする各種有害物質の溶出に注意する必要がある。普通ポルトランドセメントにおいて、環告４６号による重金属の溶出試験を行った際に、鉛が環境基準を超える値を示すことがしばしば報告されており、比較的水に溶出しやすい成分であると指摘されている。（非特許文献１）

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】土木学会 コンクリート委員会 微量成分溶出に関する調査研究小委員会編、コンクリートからの微量成分溶出に関する現状と課題、2003年5月30日発行、第26頁左欄

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

前記非特許文献１から、鉛の水への溶出を抑制する水硬性組成物を提供することが課題となる。

【0006】

一方で、温室効果ガスの排出抑制が要求されているなか、セメント系材料の製造時においては多量の二酸化炭素が排出されており、セメント量削減などによる二酸化炭素排出量の削減が求められている。

【0007】

また他方では、近年の竹材の利用減、林業の衰退による森林の荒廃によって、土砂崩壊、生物多様性の低下を招く「竹害」が深刻化している。竹の利用を増やすことが「竹害対策」となるため、竹の新たな活用方法を見出していく必要がある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明者らは、上記課題を解決するため鋭意研究を重ねてきた。その結果、竹炭微粉末を使用することで、普通ポルトランドセメントに含まれる鉛の水への溶出を抑制する水硬性組成物が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。

【0009】

すなわち、第一の本発明は、普通ポルトランドセメント、竹炭微粉末を含む水硬性組成物であって、前記普通ポルトランドセメント１００質量部に対する前記竹炭微粉末の割合が１０質量部以上７０質量部以下である水硬性組成物である。

【0010】

第二の本発明は、上記水硬性組成物、細骨材及び水を含むモルタルである。

【0011】

第三の本発明は、上記水硬性組成物、細骨材、粗骨材、水及び化学混和剤を含む生コンクリートである。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、竹炭微粉末を使用することで、普通ポルトランドセメントに含まれる鉛の水への溶出を抑制する水硬性組成物が得られる。なおかつ、竹炭利用による竹材の有効活用、竹炭に含まれる炭素をコンクリート構造物などに閉じ込めることにより大気中にＣＯ_２が放出されずに炭素を貯留することができるため、ＣＯ_２削減にも貢献できる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】図１は竹炭微粉末の添加率と鉛の溶出量の関係を示す図である。

【図2】図２は竹炭添加率と28日モルタル圧縮強度の関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

本発明の実施形態について説明する。

【0015】

＜水硬性組成物＞
本発明の水硬性組成物は、普通ポルトランドセメントが１００質量部に対して、竹炭微粉末が１０質量部以上７０質量部以下を含むことを特徴とする水硬性組成物である。この水硬性組成物１００質量部に対して５質量部以下の少量混合成分として、JIS R ５２１１「高炉セメント」に規定される高炉スラグ、JIS R ５２１２「シリカ質混合材」、JIS A ６２０１「コンクリート用フライアッシュ」に規定されるフライアッシュ、炭酸カルシウムの含有率が９０質量％以上、かつ酸化アルミニウムの含有率が１質量％以下の品質をもつ石灰石微粉末を含んでもよい。

【0016】

本発明の水硬性組成物で使用する普通ポルトランドセメントとしては、市販されている普通ポルトランドセメントを制限なく用いることができる。

【0017】

本発明の水硬性組成物で使用する竹炭微粉末としては、市販されている竹炭微粉末を特に制限なく用いることができる。炭化温度が高いほど通電性が高まることで有害物質の吸着性能が高くなり、炭素含有率が高く二酸化炭素削減効果が高くなるため、好ましくは８００℃以上の高温で製炭されたものを用いる。

【0018】

上記材料の混合比率は、普通ポルトランドセメントが１００質量部に対して、竹炭微粉末が１０質量部以上７０質量部以下である。

【0019】

竹炭微粉末が１０質量部以下であると鉛の溶出抑制効果に乏しく、７０質量部以上となると十分な強度発現性を得ることが難しい。竹炭微粉末の割合は、鉛の溶出抑制効果が十分得られることから好ましくは２０質量部以上である。２０質量部以上であれば、鉛の水への溶出量を環境基準以下となる。竹炭微粉末の割合の上限は１０質量部以上７０質量部以下の範囲内で、水硬性組成物の設計基準強度に応じて設定すればよい。

【0020】

二酸化炭素排出削減の観点からは、竹炭微粉末の使用量を増やす方が好ましい。

【0021】

本発明の水硬性組成物は、普通ポルトランドセメントと竹炭微粉末を混合することにより製造することができる。本発明の水硬性組成物は、竹炭微粉末の割合を調整することで要求される設計基準強度を発現することが可能であり、コンクリート構造物など多くの用途に用いることができる。構造用のコンクリートに比べて強度が要求されない地盤改良材などの利用の際には、竹炭微粉末の割合を高めることができる。

【0022】

＜モルタル＞
本発明のモルタルは、セメント系結合材として上記水硬性組成物と、細骨材と、水とを含む。

【0023】

本発明のモルタルで使用する細骨材としては、一般的なモルタルやコンクリートの製造に際して使用される公知の細骨材、例えば砕砂や山砂などの細骨材、軽量骨材、ＪＩＳ Ａ ５０１１に規定されるスラグ骨材、粒度調整砕石、舗装材料や建材等に使用される種石等、モルタルの品質に影響を及ぼさない骨材が特に制限なく使用可能である。なお、細骨材とは目開き１０ｍｍのふるいを全通し、目開き５ｍｍのふるいを重量で８５質量部通過する骨材であり、目開き１５０μｍふるいに重量で８０質量部以上残存するものである。

【0024】

本発明のモルタルにおいて、細骨材は単体で或いは二種以上の混合物で使用できる。

【0025】

本発明のモルタルで使用する水としては、一般的なモルタルやコンクリートの製造の際に使用される公知の水が特に制限なく使用できる。具体的には、工水、水道水等である。

【0026】

本発明のモルタルにおいて、上記した水硬性組成物、細骨材及び水のほかに、本発明の効果を阻害しない範囲で、セメント混和用ポリマーや、一般的にコンクリートの調製に際して使用される公知の混和剤であるＡＥ減水剤、高性能減水剤、高性能ＡＥ減水剤、空気量調整剤、凝結促進剤等を添加配合してもよい。

【0027】

本発明のモルタルにおいて、細骨材の使用量は特に限定されるものではないが、セメント系結合材質量の１～５．５倍とするのが一般的である。

【0028】

水セメント比（水とセメントとの重量比率）は一般的なモルタルで使用される範囲であれば特に制限されず、通常２５％以上１００％以下である。

【0029】

本発明のモルタルにおいて、水硬性組成物、細骨材、水及び必要に応じて使用される材料を混練してモルタルを製造する方法としては、生コンクリート工場や現場において行われている通常の方法が特に限定なく採用できる。

【0030】

本発明のモルタルにおいて、上記各材料を混練する際に使用する混練装置としては、一般的にモルタルやコンクリートを混練するミキサーが使用できる。具体的には、パン型ミキサー、強制二軸ミキサー、傾動ミキサー、モルタルミキサー、ハンドミキサー等が挙げられる。

【0031】

＜生コンクリート＞
本発明の生コンクリートは、セメント系結合材として上記水硬性組成物と、細骨材と、粗骨材と、水と、混和剤とを含む。

【0032】

本発明の生コンクリートで使用する細骨材、水及び混和剤は、前記のものと同様である。

【0033】

本発明の生コンクリートで使用する粗骨材としては、一般的なコンクリートの製造に際して使用される公知の粗骨材、すなわち川等で採取される砂利、岩石を破砕して製造される砕石などが何ら制限なく使用可能である。なお、粗骨材とは５ｍｍふるいに重量で８５％以上とどまるものである。

【0034】

上記粗骨材及び細骨材は、各々、単体で或いは二種以上の混合物で使用できる。本発明の生コンクリートにおいて、骨材全量の使用量は特に限定されるものではないが、生コンクリート全質量の６０～９０質量部とするのが一般的である。

【0035】

細骨材と粗骨材との混合は、混合比が通常細骨材３５～７０質量部及び粗骨材３０～６５質量部の範囲で配合される。当該配合比は、最終製品のコンクリートに対して要求される、材料分離抵抗性、ポンプ圧送性、圧縮強度等の物性によって適宜選択され決定される。

【0036】

水セメント比（水とセメントとの重量比率）は一般的なコンクリートで使用される範囲であれば特に制限されず、通常２５質量部以上７０％質量部である。

【0037】

本発明の生コンクリートにおいて、水硬性組成物、細骨材、粗骨材、水及び混和剤を混練して生コンクリートを製造する方法としては、生コンクリート工場やコンクリート二次製品工場において行われている通常の方法が特に限定なく採用できる。

【0038】

本発明の生コンクリートにおいて、上記各材料を混練する際に使用する混練装置としては、一般的にモルタルやコンクリートを混練するミキサーが使用できる。具体的には、パン型ミキサー、強制二軸ミキサー、傾動ミキサー、モルタルミキサー、ハンドミキサー等が挙げられる。

【実施例0039】

本発明を更に具体的に説明するため以下に実施例及び比較例を挙げて説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

【0040】

１．使用材料
（ａ）普通ポルトランドセメント
普通ポルトランドセメントについては、市販の普通ポルトランドセメントを用いた。

【0041】

（ｂ）竹炭微粉末
市販の竹炭微粉末を用いた。なお炭化温度は８００℃から９００℃の温度範囲であり、粒径が１０４μｍ以下の竹炭微粉末を使用した。

【0042】

２．微量成分溶出試験
測定する微量成分は、カドミウム、鉛、六価クロム、砒素、セレン、ふっ素、ほう素の６項目とし、微量成分溶出量の測定方法は、環境省告示第７７号に定められた方法に基づいて測定した。なお環境省告示第７７号では、粉体と溶媒の固液比は１：１０であるが、竹炭微粉末を内割置換で換算すると、微量成分量の低下が竹炭の不溶化効果によるものか、または普通ポルトランドセメントの比率の低下によるものかが判別がつかないため、溶媒と普通ポルトランドセメントの固液比が１：１０となる量の水硬性組成物を検体として用いた。

【0043】

（参考例）
竹炭微粉末の微量成分溶出量の測定を行った。測定結果を表１に示す。

【0044】

（実施例１～３）
普通ポルトランドセメントに竹炭微粉末を添加したのち、ソイルミキサーで混合して粉体の水硬性組成物を得たのち、得られた水硬性組成物の微量成分溶出量の測定を行った。

【0045】

得られた水硬性組成物の組成及び微量成分溶出量の測定結果を表１に示す。

【0046】

（比較例１）
普通ポルトランドセメントのみを用いて竹炭微粉末を含まない水硬性組成物とし、微量成分溶出量の測定を行った。

【0047】

得られた水硬性組成物の組成及び微量成分溶出量の測定結果を表１に示す。

【0048】

【表1】

【0049】

参考例である竹炭微粉末からは微量成分の溶出は見られなかった。

【0050】

竹炭微粉末を１１．１質量部添加した実施例１では、比較例１に比べて、鉛の溶出量が半減しており、竹炭微粉末を２０．５、２５．０質量部それぞれ添加した実施例２、３では鉛の溶出量がさらに低減され、環境基準を下回っていることがわかる。なお、フッ素については、実施例１～３において竹炭微粉末添加による低減効果がなかった。

【0051】

比較例１の竹炭微粉末を添加していない水硬性組成物粉体の溶出試験測定結果であるが、鉛の溶出量は環境基準を超え、０．０２２ｍｇ／Ｌであった。

【0052】

図１に竹炭微粉末の添加率と鉛の溶出量の関係を示す。竹炭微粉末の添加率が高まるにつれて、鉛の溶出抑制効果が高まることがわかる。

【0053】

３．モルタル強度試験
（１）モルタル配合
水、水硬性組成物及び細骨材を表２に示す割合で配合したモルタルを製造し、材齢２８日のモルタルの圧縮強度を測定した。水としては上水を使用し、細骨材としては標準砂を使用した。２８日モルタル圧縮強度の測定結果についても表２に示す。

【0054】

（２）混練
混練はＪＩＳ R ５２０１（セメントの物理試験方法）に準拠して行った。以下に混練方法について説明する。

【0055】

混練にはホバートミキサーを使用した。普通ポルトランドセメント及び竹炭微粉末を練り鉢に投入後、ミキサーを低速で始動させた。ミキサー始動から３０秒後、標準砂を安定した速度で且つ３０秒間で入れた。次に高速で３０秒間混練後、９０秒間休止した。休止の最初の３０秒間で練り鉢及びパドルに付着したモルタルをさじによってかき落とした。休止後、再び高速で６０秒間練り混ぜた。

【0056】

（３）成型
成形はＪＩＳ R ５２０１（セメントの物理試験方法）に準拠して行った。以下に成形方法について説明する。

【0057】

４０×４０×１６０ｍｍの型枠を使用した。混練終了後のモルタルを直ちに型枠に打ち込んだ。打ち込みにはテーブルバイブレータを用いた。打ち込み方法は次の通りである。振動開始から１５秒間で１層目のモルタルを型枠の高さの約１／２まで詰めた。１５秒の間隔の後、残りのモルタルの全量を、1層目と同様に１５秒間で詰めた。さらに引き続き７５秒間振動をかけた。最後に供試体をいためないように余盛部分を注意して削り取り、上面を平滑にした。

【0058】

（４）養生
成型後、混練から２４時間は鉄板で混練物を覆い、水分が蒸発しないようにして２０℃中で保存した。混練から２４時間経過後に脱型し、その後は２０℃の水中で所定の期間養生した。

【0059】

（５）圧縮強度の測定
圧縮強度の測定は、ＪＩＳ R ５２０１（セメントの物理試験方法）に準拠した。材齢２８日のモルタルの圧縮強度を測定した。

【0060】

【表2】

【0061】

比較例２は、普通ポルトランドセメントのみを用いて竹炭微粉末を含まない水硬性組成物の測定結果であり、圧縮強度は６３．６Ｎ／ｍｍ^２であった。それに対し、普通ポルトランドセメントに竹炭を添加した実施例１、３の水硬性組成物を用いた実施例４、５については、それぞれ実施例４は５０．７Ｎ／ｍｍ^２、実施例５は４３．１Ｎ／ｍｍ^２であった。

【0062】

図２に竹炭添加率と28日モルタル圧縮強度の関係を示す。竹炭添加率を高めるにつれて２８日モルタル圧縮強度は低くなっており、相関関係を示していることがわかる。なお、線形近似を行い、竹炭微粉末添加割合が２５質量部を超える場合のモルタル圧縮強度の値を推定した。その結果、７０質量部を超えた際にモルタルが固化しないことが予測された。構造用のコンクリートに比べ得て強度が要求されない地盤改良材などに利用する場合には、竹炭微粉末添加割合を７０質量部以下での範囲であれば、竹炭微粉末添加割合を増やすことができる。

【図1】

【図2】