特許 7465451 セメント組成物、モルタル組成物、及び、コンクリート構造物の補修方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-04-03

(45)【発行日】2024-04-11

(54)【発明の名称】セメント組成物、モルタル組成物、及び、コンクリート構造物の補修方法

(51)【国際特許分類】

   C04B 28/04 20060101AFI20240404BHJP

   C04B 18/14 20060101ALI20240404BHJP

   C04B 18/08 20060101ALI20240404BHJP

   C04B 24/24 20060101ALI20240404BHJP

   E04G 23/02 20060101ALI20240404BHJP

   E21D 11/00 20060101ALI20240404BHJP

   C04B 111/72 20060101ALN20240404BHJP

【ＦＩ】

C04B28/04

C04B18/14 A

C04B18/14 F

C04B18/08 Z

C04B24/24

E04G23/02 B

E21D11/00

C04B111:72

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020159642

(22)【出願日】2020-09-24

(65)【公開番号】P2022053054

(43)【公開日】2022-04-05

【審査請求日】2023-02-07

(73)【特許権者】

【識別番号】000183266

【氏名又は名称】住友大阪セメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002734

【氏名又は名称】弁理士法人藤本パートナーズ

(72)【発明者】

【氏名】中村 幸子

(72)【発明者】

【氏名】川上 明大

(72)【発明者】

【氏名】茂庭 柾彦

(72)【発明者】

【氏名】安藤 重裕

【審査官】大西 美和

(56)【参考文献】

【文献】特開２００４－０５１４２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－３５４４６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５８－１９９７６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０１３９６０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ０４Ｂ ２／００－３２／０２

Ｃ０４Ｂ ４０／００－４０／０６

Ｅ０４Ｇ ２３／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ポルトランドセメントと、スラグと、セメント混和用ポリマーと、を含むセメント組成物であって、
前記セメント混和用ポリマーと前記ポルトランドセメントとのポリマーセメント比（固形分比）が、３質量％以上１０質量％以下であり、
前記セメント混和用ポリマーのガラス転移温度が５℃以上であり、
混合材としてフライアッシュをさらに含む、セメント組成物。

【請求項2】

前記スラグのブレーン比表面積が、８０００ｃｍ^２／ｇ未満である、請求項１に記載のセメント組成物。

【請求項3】

請求項１又は２に記載のセメント組成物と、水と、細骨材と、を含む、モルタル組成物。

【請求項4】

請求項３に記載のモルタル組成物を、コンクリート構造物の補修箇所に充填又は塗布する、コンクリート構造物の補修方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、セメント組成物、モルタル組成物、及び、コンクリート構造物の補修方法に関する。

【背景技術】

【0002】

下水道関連施設では、コンクリート構造物の腐食劣化が問題となっている。コンクリート構造物の腐食劣化は、下水中に含まれる硫酸塩に起因して発生する。具体的には、下水中に含まれる硫酸塩が、硫酸塩還元菌により還元され硫化水素を生成する。この硫化水素は、硫黄酸化細菌により酸化され硫酸を生成し、その結果、コンクリート構造物の表面が酸性雰囲気に曝され続けることとなり、腐食劣化する。

【0003】

腐食劣化したコンクリート構造物の補修材として、種々の耐酸性モルタルが提案されている。ポルトランドセメント系耐酸性モルタルとして、例えば、特許文献１では、普通ポルトランドセメントと、シリカフュームと、高炉水砕スラグ粉とからなり、これらの３成分を所定の配合量にすることで、硬化体の硫酸侵食による重量減少を抑えるだけでなく、硬化体内部への硫酸浸透速度をも抑え、中性化進行も同時に抑えることができるセメント組成物が開示されている。特許文献２では、ポルトランドセメント、高炉スラグ微粉末、細骨材及びギ酸カルシウムを含み、該細骨材がアルミナセメントクリンカー骨材を含むことによって、耐酸性だけでなく、強度発現性及び接着性を向上させることができる耐酸水硬性組成物が開示されている。また、アルミナセメント系耐酸性モルタルとして、例えば、特許文献３では、アルミナセメント、アルミナセメントクリンカー、高炉スラグ、シリカフューム、細骨材及び炭酸リチウムを含むことによって、優れた耐酸性、強度発現性、及び、接着性を安定して有するモルタル組成物が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１０－１５５７３４号公報

【文献】特開２０１３－１７０１１２号公報

【文献】特開２０１６－１３９６０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかし、ポルトランドセメント系耐酸性モルタルでは、水酸化カルシウムの生成量が多いため、腐食劣化の原因となる二水石膏の生成を十分に抑制することができず、耐酸性が高いとは言い難い。また、アルミナセメント系耐酸性モルタルは、アルミナセメント水和物の相転移（比重の大きな水和物への変化）に伴いモルタルの強度が低下し、ひび割れ等が発生しやすくなることから、高い耐酸性とひび割れ抵抗性の両立は困難である。

【0006】

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、耐酸性が高く、かつ、ひび割れ抵抗性に優れたセメント組成物、モルタル組成物、及びコンクリート構造物の補修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】

【0007】

本発明に係るセメント組成物は、ポルトランドセメントと、スラグと、セメント混和用ポリマーと、を含むセメント組成物であって、前記セメント混和用ポリマーと前記ポルトランドセメントとのポリマーセメント比（固形分比）が、３質量％以上１０質量％以下である。

【0008】

斯かる構成により、前記セメント組成物は、水酸化カルシウムの生成量を抑制しつつ、硫酸イオンの侵入を抑制することができるため、耐酸性を高めることができる。また、前記セメント組成物は、ポルトランドセメントを含むため、ひび割れ抵抗性に優れる。

【0009】

本発明に係るセメント組成物は、前記セメント混和用ポリマーのガラス転移温度が５℃以上であってもよい。

【0010】

前記スラグ表面の一部に前記セメント混和用ポリマーのフィルムが付着することにより、該付着箇所にはスラグの未反応面が形成される。コンクリート構造物にひび割れが発生し、かつ、ガラス転移温度以下の環境温度になると、スラグ表面に付着したフィルムが剥離し、スラグの未反応面において水和反応が起こる。これにより、ひび割れ箇所を水和物で埋めて、自己治癒することができる。前記セメント混和用ポリマーのガラス転移温度が５℃以上であると、前記水和反応が起こりやすくなるため、ひび割れ箇所の自己治癒性を向上させることができる。

【0011】

本発明に係るセメント組成物は、前記スラグのブレーン比表面積が、８０００ｃｍ^２／ｇ未満であってもよい。

【0012】

前記スラグのブレーン比表面積が８０００ｃｍ^２／ｇ未満であると、該スラグ表面に前記セメント混和用ポリマーのフィルムが付着しやすくなる。その結果、ひび割れ箇所の自己治癒性をより向上させることができる。

【0013】

本発明に係るセメント組成物は、混合材としてフライアッシュをさらに含んでいてもよい。

【0014】

斯かる構成により、前記セメント組成物は、コンクリート構造物の強度を高めることができる。

【0015】

本発明に係るモルタル組成物は、前記セメント組成物と、水と、細骨材と、を含む。

【0016】

斯かる構成により、本発明に係るモルタル組成物は、水酸化カルシウムの生成量を抑制しつつ、硫酸イオンの侵入を抑制することができるため、耐酸性を高めることができる。また、本発明に係るモルタル組成物は、ポルトランドセメントを含むため、ひび割れ抵抗性に優れる。

【0017】

本発明に係るコンクリート構造物の補修方法は、前記モルタル組成物を、コンクリート構造物の補修箇所に充填又は塗布する。

【0018】

前記コンクリート構造物の補修方法は、上述のモルタル組成物を用いることにより、腐食劣化したコンクリート構造物を補修して、耐酸性が高く、かつ、ひび割れ抵抗性に優れたコンクリート構造物を得ることができる。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、耐酸性が高く、かつ、ひび割れ抵抗性に優れたセメント組成物、モルタル組成物、及び、コンクリート構造物の補修方法を提供することができる。

【発明を実施するための形態】

【0020】

＜セメント組成物＞
以下、本実施形態に係るセメント組成物について説明する。

【0021】

本実施形態に係るセメント組成物は、ポルトランドセメントと、スラグと、セメント混和用ポリマーと、を含む。

【0022】

ポルトランドセメントとしては、特に限定されるものではなく、例えば、ＪＩＳ Ｒ ５２１０で規定される普通ポルトランドセメント、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、耐硫酸塩ポルトランドセメント、白色ポルトランドセメント等が挙げられる。なお、セメントは、１種を単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。

【0023】

前記ポルトランドセメントの配合量は、圧縮強度の確保とひび割れ抵抗性向上の観点から、粉体成分１００質量部に対して１０質量部以上６０質量部以下であることが好ましく、３０質量部以上４５質量部以下であることがより好ましい。なお、セメントが２種以上含まれる場合、前記配合量は、セメントの合計配合量である。また、粉体成分としては、例えば、セメント、スラグ、フライアッシュ、骨材等が挙げられる。

【0024】

スラグとしては、例えば、高炉スラグ、転炉スラグ、脱リンスラグ等が挙げられる。これらの中でも、スラグは、耐酸性を高める観点から、高炉スラグであることが好ましい。なお、スラグは、１種を単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。

【0025】

前記スラグのブレーン比表面積は、自己治癒性を向上させる観点から、８０００ｃｍ^２／ｇ未満であることが好ましい。また、さらに自己治癒性を向上させる観点から、４０００ｃｍ^２／ｇ以上であることが好ましい。なお、ブレーン比表面積は、ＪＩＳ Ｒ ５２０１：２０１５の８．１に準じて測定した値をいうものである。

【0026】

前記スラグの配合量は、自己治癒性向上の観点から、粉体成分１００質量部に対して、２．５質量部以上であることが好ましい。また、施工性の観点から、粉体成分１００質量部に対して、２０質量部以下であることが好ましい。なお、スラグが２種以上含まれる場合、前記配合量は、スラグの合計配合量である。

【0027】

セメント混和用ポリマーとしては、例えば、液状の樹脂エマルジョンやゴムラテックス等のポリマーディスパージョン、粉末状の再乳化形粉末樹脂等を用いることができる。樹脂エマルジョンとしては、例えば、ポリアクリル酸エステル、ポリ酢酸ビニル、塩化ビニリデン塩化ビニル、ポリプロピオン酸ビニル、エチレン酢酸ビニル、ポリプロピレン、エポキシ、アスファルト、ゴムアスファルト、パラフィン等が挙げられる。ゴムラテックスとしては、例えば、クロロプレンゴム、スチレンブタジエンゴム、アクリロニトリルブタジエンゴム、メタクリル酸メチルブタジエンゴム、ブタジエンゴム等が挙げられる。再乳化形粉末樹脂としては、例えば、エチレン酢酸ビニル、酢酸ビニルビニルバーサテート等が挙げられる。なお、セメント混和用ポリマーは、１種を単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。

【0028】

前記セメント混和用ポリマーは、液状のポリマーディスパージョンを用いることが好ましい。ポリマーディスパージョンのガラス転移温度は、ひび割れ箇所の自己治癒性を向上させる観点から、５℃以上であることが好ましい。

【0029】

前記セメント混和用ポリマーの配合量は、粉体成分１００質量部に対して固形分換算で１質量部以上８質量部以下とすることができる。なお、セメント混和用ポリマーが２種以上含まれる場合、前記配合量は、セメント混和用ポリマーの合計配合量である。

【0030】

前記セメント混和用ポリマーと前記ポルトランドセメントとのポリマーセメント比（固形分比）は、耐酸性を高める観点から、３質量％以上１０質量％以下であり、５質量％以上９質量％以下であることが好ましい。

【0031】

本実施形態に係るセメント組成物は、混合材としてフライアッシュをさらに含んでいてもよい。フライアッシュとしては、特に限定されるものではなく、例えば、フライアッシュＩ種、ＩＩ種、ＩＩＩ種、ＩＶ種等が挙げられ、ＪＩＳ Ａ ６２０１の規定に適合するものを用いることができる。前記フライアッシュの含有量は、粉体成分１００質量部に対して、２．５質量部以上１０質量部以下とすることができる。

【0032】

本実施形態に係るセメント組成物は、フライアッシュ以外のその他の混和材を含んでいてもよい。その他の混和材としては、例えば、シリカフューム、セメントキルンダスト、高炉フューム、半水石膏、膨張材、石灰石微粉末、生石灰微粉末、ドロマイト微粉末等の無機質微粉末、ナトリウム型ベントナイト、カルシウム型ベントナイト、アタパルジャイト、セピオライト、活性白土、酸性白土、アロフェン、イモゴライト、シラス（火山灰）、シラスバルーン、カオリナイト、メタカオリン（焼成粘土）、合成ゼオライト、人造ゼオライト、人工ゼオライト、モルデナイト、クリノプチロライト等の無機物系フィラーが挙げられる。なお、混和材は、１種を単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。

【0033】

本実施形態に係るセメント組成物は、混和剤を含んでいてもよい。混和剤としては、例えば、ＡＥ剤、ＡＥ減水剤、流動化剤、分離低減剤、凝結遅延剤（例えば、酒石酸等）、凝結促進剤（例えば、硫酸アルミニウム等）、急結剤、収縮低減剤、起泡剤、発泡剤、防水剤、消泡剤等が挙げられる。なお、混和剤は、１種を単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。

【0034】

本実施形態に係るセメント組成物は、ポルトランドセメントと、スラグと、セメント混和用ポリマーと、を含み、前記セメント混和用ポリマーと前記ポルトランドセメントとのポリマーセメント比（固形分比）が、３質量％以上１０質量％以下であることにより、水酸化カルシウムの生成量を抑制しつつ、硫酸イオンの侵入を抑制することができるため、耐酸性を高めることができる。また、本実施形態に係るセメント組成物は、ポルトランドセメントを含むため、ひび割れ抵抗性に優れる。

【0035】

本実施形態に係るセメント組成物は、セメント混和用ポリマーのガラス転移温度が５℃以上であることにより、水和反応が起こりやすくなり、ひび割れ箇所の自己治癒性を向上させることができる。具体的には、スラグ表面の一部にセメント混和用ポリマーのフィルムが付着することにより、該付着箇所にはスラグの未反応面が形成される。コンクリート構造物にひび割れが発生し、かつ、ガラス転移温度以下の環境温度になると、スラグ表面に付着したフィルムが剥離し、スラグの未反応面において水和反応が起こる。これにより、ひび割れ箇所を水和物で埋めて、自己治癒することができる。

【0036】

本実施形態に係るセメント組成物は、スラグのブレーン比表面積が、８０００ｃｍ^２／ｇ未満であることにより、該スラグ表面にセメント混和用ポリマーのフィルムが付着しやすくなる。その結果、ひび割れ箇所の自己治癒性をより向上させることができる。

【0037】

本実施形態に係るセメント組成物は、混合材としてフライアッシュをさらに含むことにより、コンクリート構造物の強度を高めることができる。

【0038】

＜モルタル組成物＞
以下、本実施形態に係るモルタル組成物について説明する。

【0039】

本実施形態に係るモルタル組成物は、前記セメント組成物と、水と、細骨材と、を含む。

【0040】

水は、特に限定されるものではなく、例えば、水道水、工業用水、回収水、地下水、河川水、雨水等を使用することができる。

【0041】

細骨材とは、１０ｍｍ網ふるいを全部通過し、５ｍｍ網ふるいを質量で８５％以上通過する骨材のことをいう（ＪＩＳ Ａ ０２０３：２０１４）。細骨材としては、例えば、ＪＩＳ Ａ ５３０８附属書Ａレディミクストコンクリート用骨材で規定される山砂、川砂、陸砂、海砂、砕砂、石灰石砕砂等の天然由来の砂、高炉スラグ、電気炉酸化スラグ、フェロニッケルスラグ等のスラグ由来の砂等が挙げられる。なお、これらの細骨材は、１種を単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。２種以上を併用して用いる場合には、粒径の異なる細骨材を混合してもよい。

【0042】

本実施形態に係るモルタル組成物は、前記セメント組成物と、水と、細骨材と、を含むことにより、水酸化カルシウムの生成量を抑制しつつ、硫酸イオンの侵入を抑制することができるため、耐酸性を高めることができる。また、本実施形態に係るモルタル組成物は、ポルトランドセメントを含むため、ひび割れ抵抗性に優れる。

【0043】

本実施形態に係るモルタル組成物は、さらに粗骨材を添加して、コンクリート組成物としてもよい。

【0044】

粗骨材とは、５ｍｍ網ふるいに質量で８５％以上とどまる骨材のことをいう（ＪＩＳ Ａ ０２０３：２０１４）。粗骨材としては、特に限定されるものではなく、例えば、川砂利、山砂利、海砂利等の天然骨材、砂岩、硬質石灰岩、玄武岩、安山岩等の砕石等の人工骨材、再生骨材等が挙げられる。なお、粗骨材は、１種を単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。

【0045】

＜コンクリート構造物の補修方法＞
以下、本実施形態に係るコンクリート構造物の補修方法について説明する。

【0046】

本実施形態に係るコンクリート構造物の補修方法は、前記モルタル組成物を、コンクリート構造物の補修箇所に充填又は塗布する。

【0047】

まず、上述のセメント組成物、水、及び細骨材をハンドルミキサ、モルタルミキサ等のミキサにより混錬してモルタル組成物を作製する。続いて、腐食劣化した部分の除去等の下地処理を行った補修箇所にモルタル組成物を充填又は塗布する。

【0048】

充填又は塗布する方法としては、特に限定されるものではなく、例えば、左官工法や吹付け工法等が挙げられる。左官工法では、職人が鏝板に適量のモルタルを載せ、金鏝等を用いてコンクリート構造物の補修箇所にモルタル組成物を塗り付ける。吹付け工法では、モルタルポンプ等の装置を用いてコンクリート構造物の補修箇所にモルタル組成物を吹き付ける。

【0049】

本実施形態に係るコンクリート構造物の補修方法は、前記モルタル組成物を、コンクリート構造物の補修箇所に充填又は塗布することにより、腐食劣化したコンクリート構造物を補修して、耐酸性が高く、かつ、ひび割れ抵抗性に優れたコンクリート構造物を得ることができる。

【実施例】

【0050】

以下、本発明の実施例について説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

【0051】

表１に示す配合で各実施例及び比較例のモルタル組成物を作製した。各モルタル組成物について、圧縮強度、乾燥収縮率、耐酸性、及び自己治癒性について試験を行った。ひび割れ抵抗性は、圧縮強度及び乾燥収縮率の試験により評価し、いずれの試験も評価が「〇（良好）」である場合に、ひび割れ抵抗性「〇」と評価した。各試験結果は、表２に示す。

【0052】

表１に示す各成分の詳細を以下に示す。
セメント（ＮＣ）：普通ポルトランドセメント（住友大阪セメント社製）
セメント（ＡＣ）：アルミナセメント ＡＣ－１（ＡＧＣ社製）
スラグＡ：セラメント（ディ・シー社製）、ブレーン比表面積 ４０００ｃｍ^２／ｇ
スラグＢ：ファインセラメント２０Ａ（ディ・シー社製）、ブレーン比表面積 ６９００ｃｍ^２／ｇ
スラグＣ：スラグＢとスラグＤを１：１で混合、ブレーン比表面積 ７５００ｃｍ^２／ｇ
スラグＤ：ファインセラメント１０Ａ（ディ・シー社製）、ブレーン比表面積 ８０００ｃｍ^２／ｇ
フライアッシュ（ＦＡ）：ＪＩＳ ＩＩ種品（碧南産）
砂：４号／６号＝１／１ 混合砂
エマルション（セメント混和用ポリマー）：ガラス転移温度（Ｔｇ）が５℃、１３℃、２３℃のポリアクリル酸エステル

【0053】

【表1】

【0054】

（圧縮強度）
日本下水道事業団「下水道コンクリート構造物の腐食抑制技術及び防食技術マニュアル」に示されている試験方法に準じて測定した。具体的には、ＪＩＳ Ｒ ５２０１に基づいて、４０×４０×１６０ｍｍの角柱供試体を３本作製して曲げ試験に用いた後、両折片（６片）を圧縮強度試験に用いた。供試体は打設翌日に脱型し、材齢３日まで２０±２℃で水中養生した。
測定した圧縮強度が２５Ｎ／ｍｍ^２以上であったものを圧縮強度「○」と評価し、２５Ｎ／ｍｍ^２未満であったものを圧縮強度「×（不良）」と評価した。

【0055】

（乾燥収縮率）
日本下水道事業団「下水道コンクリート構造物の腐食抑制技術及び防食技術マニュアル」に示されている試験方法に準じて測定した。具体的には、ＪＩＳ Ａ １１２９－３に基づいて測定した。供試体は打設翌日に脱型し、脱型後は２０℃±２℃、相対湿度６０±５％で材齢２８日まで保存した。
測定した乾燥収縮率（長さ変化率）が１０００μ未満であったものを乾燥収縮率「〇」と評価し、１０００μ以上であったものを乾燥収縮率「×」と評価した。

【0056】

（耐酸性）
日本下水道事業団「下水道コンクリート構造物の腐食抑制技術及び防食技術マニュアル」に示されている試験方法に準じて測定した。具体的には、まずＪＩＳ Ａ １１３２に基づいて、φ７５ｍｍ×１５０ｍｍの円柱形の供試体を作製した。供試体は打設翌日に脱型し、材齢２８日まで２０±２℃で水中養生した。次に、材齢２８日の供試体を５％硫酸水溶液に浸漬し、浸漬後の供試体をダイヤモンドカッター等で半分に切断し、切断面にフェノールフタレイン１％溶液を噴霧した。続いて、供試体の赤く発色した部分の直径方向の長さをノギスで５か所測定し、その平均値を供試体の幅の初期値（７５ｍｍ）から差し引いた値の１／２を算出して硫酸浸透深さとした。
測定した硫酸浸透深さが１０ｍｍ以下であったものを耐酸性「○」と評価し、硫酸浸透深さが１０ｍｍを超えたものを耐酸性「×」と評価した。

【0057】

（自己治癒性）
各実施例及び比較例のモルタル組成物からφ５０ｍｍ×１００ｍｍの供試体を作製し、割裂により各供試体の上部にひび割れを導入した。各供試体側面をエポキシ樹脂でコーティングして止水加工したのち、各供試体の上部に５０ｍｌ程度水を張り、１月経過後に供試体の下部より通水が無かったものを「〇」と評価し、通水があったものを「×」と評価した。

【0058】

【表2】

【0059】

表２の結果から分かるように、本発明の構成要件をすべて満たす実施例１～１４の各モルタル組成物は、耐酸性が高く、かつ、ひび割れ抵抗性に優れる。また、実施例１～１１の各モルタル組成物は、スラグのブレーン比表面積が８０００ｃｍ^２／ｇ未満であり、かつ、セメント混和用ポリマーのガラス転移温度が５℃以上であることから、自己治癒性に優れる。