特開 2025-16201 高機能性モルタル組成物及びモルタル硬化体

(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】P2025016201

(43)【公開日】2025-01-31

(54)【発明の名称】高機能性モルタル組成物及びモルタル硬化体

(51)【国際特許分類】

   C04B 28/04 20060101AFI20250124BHJP

   C04B 18/14 20060101ALI20250124BHJP

   C04B 22/06 20060101ALI20250124BHJP

   C04B 24/26 20060101ALI20250124BHJP

   C04B 20/00 20060101ALI20250124BHJP

   C04B 16/06 20060101ALI20250124BHJP

   C04B 14/48 20060101ALI20250124BHJP

【ＦＩ】

C04B28/04

C04B18/14 A

C04B22/06 Z

C04B24/26 E

C04B20/00 B

C04B16/06 Z

C04B14/48 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023119328

(22)【出願日】2023-07-21

(71)【出願人】

【識別番号】504159235

【氏名又は名称】国立大学法人 熊本大学

(71)【出願人】

【識別番号】000232922

【氏名又は名称】日油技研工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002251

【氏名又は名称】弁理士法人眞久特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 あゆみ

(72)【発明者】

【氏名】河村 涼央

【テーマコード（参考）】

4G112

【Ｆターム（参考）】

4G112MA00

4G112MD00

4G112PA15

4G112PA24

4G112PA29

4G112PB05

4G112PB31

(57)【要約】

【課題】所定形状に打設したモルタル打設体に常温養生のみを施すことで十分な圧縮強度を発現ができる高炉セメント含有の高機能性モルタル組成物を提供する。
【解決手段】高機能性モルタル組成物は、ポルトランドセメント、高炉スラグ微粉末、強度増進剤、減水剤、及び細骨材を含有するモルタル組成物であって、前記ポルトランドセメント１００質量部に対し、比表面積が２２５０ｃｍ^２／ｇ以上の前記高炉スラグ微粉末が最大でも７０質量部、カルシュウムアルミネート含有の前記強度増進剤が３～２０質量部、ポリカルボン酸エーテル含有の前記減水剤が０．２～１．０質量部、及び粒径が０．２ｍｍ以下の前記細骨材が５～３０質量部配合されているものである。
【選択図】なし

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ポルトランドセメント、高炉スラグ微粉末、強度増進剤、減水剤、及び細骨材を含有するモルタル組成物であって、
前記ポルトランドセメント１００質量部に対し、比表面積が２２５０ｃｍ^２／ｇ以上の前記高炉スラグ微粉末が最大でも７０質量部、カルシュウムアルミネート含有の前記強度増進剤が３～１０質量部、ポリカルボン酸エーテル含有の前記減水剤が０．２～１．０質量部、及び粒径が０．２ｍｍ以下の前記細骨材が５～３０質量部配合されていることを特徴とする高機能性モルタル組成物。

【請求項2】

前記ポルトランドセメント、前記高炉スラグ微粉末、前記強度増進剤、前記減水剤、及び前記細骨材が粉末状であることを特徴とする請求項１に記載の高機能性モルタル組成物。

【請求項3】

請求項１に記載の高機能性モルタル組成物に、前記ポルトランドセメント、前記高炉スラグ微粉末、及び前記強度増進剤から成る結合材に対する水結合材比が２８～３３％となるように水が添加されていることを特徴とするモルタル。

【請求項4】

前記モルタル１００体積部に対し、補強短繊維が繊維体積率０．５～１％添加されていることを特徴とする請求項３に記載のモルタル。

【請求項5】

請求項３に記載の前記モルタルが所定形状に打設固化されたモルタル打設体であって、
前記モルタル打設体が２０℃±３℃で２８日間気中養生されたときの圧縮強度が８８Ｎ／ｍｍ^２以上に硬化されていることを特徴とするモルタル硬化体。

【請求項6】

請求項３に記載の前記モルタルが所定形状に打設固化されたモルタル打設体であって、
前記モルタル打設体が２０℃±３℃で１日間の気中養生された後、２０℃±３℃の水中で３～７日間水中養生され、更に２０℃±３℃で２８日間気中養生されたときの圧縮強度が１５０Ｎ／ｍｍ^２以上に硬化されていることを特徴とするモルタル硬化体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、高炉スラグ微粉末とポルトランドセメントとが混合された高炉セメントを用いた高機能性モルタル組成物、モルタル及びモルタル硬化体に関するものである。

【背景技術】

【0002】

高炉スラグ微粉末とポルトランドセメントとが混合された高炉セメントに水を加えたモルタルは、下記非特許文献１に記載されているように、長期強度が高く且つアルカリシリカ反応や塩分浸透の抑制に優れており、土木構造物等に用いられている。しかし、高炉セメントを用いたモルタルは、強度発現が遅れるため、その特性を十分に発揮するには、初期養生に手間をかける等の配慮が必要である。また、高炉セメントを用いたモルタルは、下記特許文献１に記載されているように、ポルトランドセメントのみを用いたモルタルに比較して、得られるモルタル打設体の圧縮強度が低くなる傾向がある。モルタル打設体の圧縮強度を向上するには、蒸気養生等の常温よりも高い温度での養生を要する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１４－１２５３７１号公報

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】新日鉄住金技法第３９９号（２０１４）第１１５～１２０頁

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は、所定形状に打設したモルタル打設体に常温養生のみを施すことで十分な圧縮強度を発現ができる高炉セメント含有の高機能性モルタル組成物、モルタル及びモルタル硬化体を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

前記の目的を達成するためになされた本発明は、ポルトランドセメント、高炉スラグ微粉末、強度増進剤、減水剤、及び細骨材を含有するモルタル組成物であって、前記ポルトランドセメント１００質量部に対し、比表面積が２２５０ｃｍ^２／ｇ以上の前記高炉スラグ微粉末が最大でも７０質量部、カルシュウムアルミネート含有の前記強度増進剤が３～２０質量部、ポリカルボン酸エーテル含有の前記減水剤が０．２～１．０質量部、及び前記細骨材が５～３０質量部配合されていることを特徴とする高機能性モルタル組成物である。

【0007】

前記ポルトランドセメント、前記高炉スラグ微粉末、前記強度増進剤、前記減水剤、及び前記細骨材が粉末状であることにより、モルタル組成物の保存が容易となり好ましい。

【0008】

また、本発明は、前述したモルタル組成物に、前記ポルトランドセメント、前記高炉スラグ微粉末、及び前記強度増進剤から成る結合材に対する水結合材比が２８～３３％となるように水が添加されていることを特徴とするモルタルである。

【0009】

前記モルタル１００体積部に対し、補強短繊維が繊維体積率０．５～１％添加されているモルタルにより、補強短繊維がモルタル硬化体に分散してモルタル硬化体の曲げタフネスの向上を図ることができる。

【0010】

更に、本発明は、前述したモルタルが所定形状に打設固化されたモルタル打設体であって、前記モルタル打設体が２０℃±３℃で２８日間気中養生されたときの圧縮強度が８８Ｎ／ｍｍ^２以上に硬化されていることを特徴とするモルタル硬化体である。

【0011】

本発明は、前述したモルタルが所定形状に打設固化されたモルタル打設体であって、前記モルタル打設体が２０℃±３℃で１日間の気中養生された後、２０℃±３℃の水中で３～７日間水中養生され、更に２０℃±３℃で２８日間気中養生されたときの圧縮強度が１５０Ｎ／ｍｍ^２以上に硬化されていることを特徴とするモルタル硬化体である。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、高炉セメント含有のモルタル組成物から得られるモルタル打設体に気中養生のみを施すことにより高い圧縮強度を有するモルタル硬化体を得ることができ、現場での養生管理を簡単化することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明に係るモルタル硬化体について、鋼短繊維の混入の有無による曲げモーメントの相違を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

本発明で用いるポルトランドセメントは、普通ポルトランドセメントを用いることができる。施工対象によっては、早強ポルトランドセメント、超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、耐硫酸ポルトランドセメントのいずれかを選択して用いることができる。

【0015】

ポルトランドセメントと併用される高炉スラグ微粉末としては、比表面積が２２５０ｃｍ^２／ｇ以上のものを用いる。高炉スラグ微粉末は、比表面積で４クラスに分けられており、クラス３０００（２２５０ｃｍ^２／ｇ以上、３５００ｃｍ^２／ｇ未満）、クラス４０００（３５００ｃｍ^２／ｇ以上、５０００ｃｍ^２／ｇ未満）、クラス６０００（５０００ｃｍ^２／ｇ以上、７０００ｃｍ^２／ｇ未満）、クラス８０００（７０００ｃｍ^２／ｇ以上、１００００ｃｍ^２／ｇ未満）である。このような高炉スラグ微粉末は、比表面積が大きいほど反応性が高く、得られるモルタル硬化体の強度や耐久性等の要求特性に応じて選択することができる。本発明では、高炉スラグ微粉末として、クラス６０００が好ましく、日鉄高炉セメント株式会社製のエスメントスーパー６０Ｐ（商品名）を好適に用いることができる。この高炉スラグ微粉末の配合量は、ポルトランドセメント１００質量部に対し、高炉スラグ微粉末を最大でも７０質量部である。その下限は５質量部とすることが好ましい。好ましくは１０～７０質量部、更に好ましくは１０～４０質量部、更に一層好ましくは２０～３０質量部である。高炉スラグ微粉末の配合量が７０質量部を超える場合、モルタルの混練性が著しく低下する。

【0016】

ポルトランドセメント及び高炉スラグ微粉末と併用される強度増進剤としては、カルシュウムアルミネート含有のものを用いることができる。このような強度増進剤としては、デンカ株式会社製のデンカＥＳ－Ｌを好適に用いることができる。このような強度増進剤の配合量は、ポルトランドセメント１００質量部に対し、強度増進剤を３～１０質量部、好ましくは５～６質量部である。強度増進剤の配合量が３質量部未満の場合、モルタル打設体の初期圧縮強度が低下し、配合量が１０質量部を超えた場合、モルタルの硬化速度が著しく速くなり、モルタルの取り扱い性が低下する。

【0017】

また、減水剤としては、ポリカルボン酸エーテル含有のものを用いる。その他減水剤を用いたモルタル組成物に水を加えて混練すると、水がブリードアウトするブリージングは発生し易くなる。ポリカルボン酸エーテル含有の減水剤としては、ライオンスペシャルティケミカルズ株式会社製のレオパックＧ―２００，Ｇ－２００(いずれも商品名)やＳＫＷイーストアジア株式会社製のＭＥＬＦＬＵＸ６６８１Ｆ，ＭＥＬＦＬＵＸ５５８１Ｆ（いずれも商品名）を挙げることができる。特に、ライオンスペシャルティケミカルズ株式会社製のレオパックＧ－２００を好適に用いることができる。このような減水剤の使用量は、ポルトランドセメント１００質量部に対して０．２～１．０質量部、好ましくは０．２～０．５質量部、更に好ましくは０．２～０．３質量部である。この減水剤の使用量が、０．２質量部未満の場合、混練性が著しく低下し、１．０質量部を超える場合、ブリージングが発生し易くなる。
尚、ポリカルボン酸エーテル含有の減水剤に代えて、メラミンスルホン酸系減水剤を用いたとき、ブリージングが発生し易くなる。

【0018】

更に、細骨材としては、粒径が０．３ｍｍ以下の粒子が８５％以上の珪砂を好ましく用いることができ、粒径が０．２ｍｍ以下の７号珪砂を好適に用いることができる。細骨材の使用量は、ポルトランドセメント１００質量部に対して５～３０質量部である。細骨材が５質量部未満の場合、水を加えて混練したモルタルが高粘度となって取り扱いが困難となり易く、３０質量部を超える場合、ブリージングが発生し易くなる。

【0019】

これらモルタル組成物を構成する材料は粉末状であることが、材料を混合した状態での貯蔵や運搬での取り扱いが容易となり好ましい。また、粉末状の所定材料が混合されているので、現場で水を加えて混練するだけで簡単にペースト状のモルタルとすることができる。

【0020】

粉末状のモルタル組成物に加える水量は、ポルトランドセメント、高炉スラグ微粉末、及び強度増進剤から成る結合材（水硬材）に対する水結合材比が２８～３３％、好ましくは２８～３１％、更に好ましくは２９～３０％となる量である。水結合材比が２８％未満の場合、混練性が低下し、水結合材比が３３％を超える場合、得られるモルタル硬化体の圧縮強度が低下する。

【0021】

このように所定量の水が加えられて混練されたペースト状のモルタル１００体積部に対し、補強短繊維を繊維体積率０．５～２％、好ましくは繊維体積率０．８～１．２％添加することにより、最終的に得られるモルタル硬化体の曲げタフネスを著しく向上でき好ましい。この補強短繊維は、鋼等の金属繊維、高分子繊維、天然繊維であってもよく、繊維長は５～１５ｍｍ、好ましくは９～１５ｍｍ、更に好ましくは１０～１３ｍｍとすることがペースト状のモルタルに均一に補強短繊維を混練できる。尚、補強短繊維は、粉末状のモルタル組成物に加えておいてもよい。

【0022】

粉末状のモルタル組成物に所定量の水を加えて混練したペースト状のモルタルは、所定形状に打設し、直ちに養生されて硬化される。本発明に係るモルタルの打設体は、２０℃±３℃で２８日間気中養生されてモルタル硬化体となる。得らえたモルタル硬化体の圧縮強度は、８８Ｎ／ｍｍ^２以上である。このように、本発明に係るモルタルの打設体が短時間の気中養生により硬化が進行する理由は、モルタル組成物中の強度増進材に含まれるカルシウムアルミネートが短期間で硬化し強度を発揮すると共に、高炉スラグ微粉末に含まれているＣａＯやＡｌ_２Ｏ_３等の成分によるエトリンガイト（３ＣａＯ・ＡＬ_２Ｏ_３・３ＣａＯＳＯ_４・３２Ｈ_２Ｏ）の生成とが相まって、強度発現がなされるものと推察される。但し、モルタル打設体に発生したエトリンガイトは、モルタル打設体の強度を早期に発現させるが、その発生量が過大となると、得られるモルタル硬化体を膨張させてヒビ割れの原因となるおそれがある。

【0023】

このような気中養生を施したモルタル硬化体よりも圧縮強度を増加するには、短期間の水中養生と気中養生とを併用することが好ましい。すなわち、ペースト状のモルタルを所定形状に打設固化したモルタル打設体を、２０℃±３℃で１日間の気中養生した後、２０℃±３℃の水中で３～７日間水中養生し、更に２０℃±３℃で２１日間気中養生することにより硬化する。このようにして硬化したモルタル硬化体の圧縮強度は１５０Ｎ／ｍｍ^２以上とすることができる。このように、本発明に係るモルタルの打設体が短期間の水中養生と気中養生とを併用することにより硬化が進行する理由は以下のように推察される。
すなわち、モルタルの硬化反応に水は必須である。モルタル打設体を打設後に直ちに空気に曝されてれ乾燥すると、硬化反応に必要な水が不足し、十分な強度を発現しない。そこで、モルタル打設体を打設後に水中養生して乾燥を防止した後、気中養生により十分な強度発現を達成している。モルタル打設体は、打設後数日間水中養生することにより、ある程度硬化反応が進行して構造が緻密化し、水中から取り出しても乾燥が抑制されて長期にわたって硬化反応が進行し強度が増進するからである。

【0024】

また、ペースト状のモルタル打設体が硬化するとき、水結合材成分と水との水和反応等により打設体が収縮することがあるが、本発明に係るモルタルでは、ペースト状の打設体から硬化体となるとき、収縮せずに微膨張を示すことから、収縮に起因するモルタル硬化体のヒビ割れを防止できる。

【実施例0025】

以下、本発明の実施例を詳細に説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例に限定されるものではない。

【0026】

実施例１
（原材料）
モルタル組成物の原材料は下記表１に示すものを用いた。これらは粉末状であって、各原材料を表２に示す割合で混合してモルタル組成物を調整した。

【0027】

【表1】

【0028】

【表2】

【0029】

表２に示す割合で各原材料を混合して調整した各モルタル組成物の合計量に対する水量の比率（水モルタル比）が２７％となるように水を添加して混練したペースト状のモルタルを得た。このときの水結合材比を表３に示す。このペースト状のモルタルについて、ＪＩＳ Ｒ５２０１の「セメントの物理試験方法」の凝結試験に準拠して凝結始発時間を測定し、表３に併記する。凝結始発時間は、モルタルが水和反応により流動性を失い、次第に硬くなりつつある初期時間を示すものである。この凝結始発時間が長すぎると、モルタルをアンカー用接着剤として使用した場合、アンカー筋の打設後に、アンカー筋に横打を受けたとき、アンカー筋の傾きが発生するおそれがあることから、７０分以下であることが好ましい。また、このペースト状のモルタルを５０ｍｍ×１００ｍｍの円柱状の形状に打設したモルタル打設物を１日静置して固化した後、２０℃±３℃で２８日間気中養生してモルタル硬化体とした。その圧縮強度をＪＩＳ－Ｒ ５２１０：２０１５に準拠して測定した。その結果を表３に「２８Ｄ圧縮強度」として併記する。

【0030】

【表3】

表３から明らかなように、凝結始発時間が２７分以下と短く、且つモルタル硬化体の圧縮強度は８８Ｎ／ｍｍ^２以上であった。このように本実施例のモルタル硬化体は常温の気中養生のみで高い圧縮強度を得ることができる。また、ペースト状のモルタルから硬化するときの体積変化を測定すべく、調合１のモルタル打設物について、２０℃±３℃で７日間気中養生して硬化したモルタル硬化体の体積変化をＪＳＣＥ－Ｆ５３２－２０１３に準拠して測定したところ、０．１７％と僅かに膨張していた。尚、表３の水結合材比は、水結合成分に対する水量の比率である。

【0031】

実施例２
表２の調合１のモルタル組成物に水モルタル比が２７％となるように水を添加して混練したペースト状のモルタルを実施例１と同様にして打設して所定形状のモルタル打設体を得た。このモルタル打設体を２０℃±３℃で１日間の気中養生した後、２０℃±３℃の水中で３～７日間水中養生し、更に２０℃±３℃で２８日間気中養生してモルタル硬化体を得た。このモルタル硬化体の圧縮強度を実施例１と同様にして測定したところ、１５３Ｎ／ｍｍ^２であった。このように本実施例のモルタル硬化体は、常温養生のみで１５０Ｎ／ｍｍ^２を超える圧縮強度を得ることができる。

【0032】

実施例３
表２の調合１のモルタル組成物に水モルタル比が２７％となるように水を添加して混練したペースト状のモルタル１００体積部に対し、繊維長が１３ｍｍの鋼短繊維を繊維体率１％となるように添加し混練して繊維入りモルタルを得た。この繊維入りモルタルを所定形状に打設したモルタル打設体の断面を観察したところ、鋼短繊維の分散は良好であり、鋼短繊維の偏りやダマは見られなかった。

【0033】

繊維入りモルタルの流動性をＪＩＳ―Ｒ ５２０１：２０１５に準拠して測定した。ペースト状の繊維入りモルタルに振動・衝撃を与えないで測定した０打フロー値は２７５ｍｍであった。同様にして、表２の調合１のモルタル組成物に水モルタル比が２７％となるように水を添加して混練した、鋼短繊維添加前のペースト状のモルタルの０打フロー値は２７７ｍｍであった。このように、繊維入りモルタルの流動性は良好であった。

【0034】

繊維入りモルタルを表２の調合１と同様にモルタル打設物を１日静置して固化した後、２０℃±３℃で気中養生中の曲げタフネスを測定した。この曲げタフネスは、ＪＩＳ―Ｒ ５２０１：２０１５に準拠して測定した。
その結果を図１に示す。同様にして表２の調合１のモルタル打設物についても同様にして気中養生中の曲げタフネスを測定し、その結果を図１に併記した。図１から明らかなように繊維入りモルタルのモルタル打設物は、繊維無添加のモルタルのモルタル打設物に比較して曲げタフネスは向上されている。

【0035】

実施例４、比較例１
表２に示す調整割合を表４に示すように変更し、水モルタル比が２７％（水結合比２９％）となるように水を添加して混練したペースト状のモルタルを実施例１と同様にして凝結始発時間を測定し、その結果を表４に併記する。また、ペースト状のモルタルを実施例１と同様にして打設して所定形状のモルタル打設体を得た。このペースト状のモルタルを５０ｍｍ×１００ｍｍの円柱状の形状に打設したモルタル打設物を１日静置して固化した後、２０℃±３℃で２８日間気中養生してモルタル硬化体とした。その圧縮強度をＪＩＳ－Ｒ ５２１０：２０１５に準拠して測定した。その結果を表４に併記する。

【0036】

【表4】

【0037】

表４から明らかなように、本願発明の範囲内にある調合８～１３は、凝結始発時間が７０分以下で且つモルタル硬化体の圧縮強度が８８Ｎ／ｍｍ^２以上であった。但し、強度増進剤が本願発明の範囲外となる比較例１の調合１４では、凝結始発時間が１３０分以上と異常に長くなり実用に供し得ないものであり、且つ圧縮強度も８８Ｎ／ｍｍ^２未満である。
ここで、高炉スラグ微粉末の配合量が普通ポルトランドセメント１００質量部に対して７０質量部超える配合量の場合、モルタルの混練性が著しく低下し、十分に混練でき難く且つ円柱状の形状にも打設できなかったのでモルタル硬化体の圧縮強度の測定は中止した。また、強度増進剤の配合量が１０質量部を超えた場合、モルタルの硬化速度が著しく速くなり、モルタルの取り扱い性が著しく低下して円柱状の形状にも打設できなかったのでモルタル硬化体の圧縮強度の測定は中止した。

【0038】

比較例２
表２の調合１において、強度増進剤として、メタカオリン系強度増進剤であるメタマックス（MetaMax（商品名）：ＳＫＷイーストアジア株式会社製）を用いた他は表２と同様の組成で表３と同様にしてモルタル硬化体の圧縮強度を測定した。その結果、６６．８Ｎ／ｍｍ^２であり、８８Ｎ／ｍｍ^２以下であった。

【0039】

比較例３
表２の調合１において、減水剤として、メラミンスルホン酸系減水剤であるＭＥＬＭＥＮＴ Ｆ１０Ｍ（商品名（ＢＡＳＦ社製））を用いた他は表２と同様の組成で表３と同様にしてモルタル打設物を成形したところ、ブリージングが発生したので以後の操作を中止した。

【産業上の利用可能性】

【0040】

本発明に係る機能性モルタル組成物は、アンカー用、グラウト用に用いることができる。

【図1】