近 畿 大 学tl学 部 研 究 報 告NQ42,2008年,pp.33‑36 ResearchReportsoftheSchoo且ofEngineering,
KinkiUniversityNQ42,2008,pp.33‑36
カル シ ウムイ オ ン水 を用 い た コン ク リー トの 提 案 と そ の試 行 的 強 度 試 験
大 田 和 彦 ★、 森 村 毅 ★、 大 廣 麻 里 献
ProposalandPilotStrengthTestofHigh‑perfbrmance ConcretewithWaterContainingCa2+
KazuhikoOHTA㌔ 「1'suyoshiMORIMURA★andMariOOI‑IIRO★ ★
SynOP8i8
hlthispaper,thehigh・perfol'mallceconcretewi量hwatercontainingCa2+wasproposed.
Thiswaterwasmaderromoystershellsasanindustrialwaste。Fromaresultofapilot test,thatthecompressionstrengthorthlsconcreteisaboutl」thnesasmuchasthat withoutcalciumionsandhas58MPawasobserved,
Keyword:concrete,calcjumions,industrialwaste,compressionstrength
1.は じめ に
1.1カ ル シ ウム イ オ ン水 に つ い て
現 在 、 我 が 国 で は 産 業 廃 棄 物 の 環 境 問 題 が 深 刻 化 し て い る。 そ れ ゆ え 、 近 年 で は 産 業 廃 棄 物 の 再 資 源 化 を 目的 と し た研 究 が 多 くな され て い る が 、 そ の 中 の 一 つ に 、 炭 酸 カ ル シ ウム を 主 成 分 と し た 牡 蠣 殻 を 用 い た 高 濃 度 の カ ル シ ウ ム イ オ ン 水 に よ る 研 究02}が あ る 。 牡 蠣 は 広 島 の 有 力 な 地 場 産 業 の 一 っ で あ る が 、 牡 蠣 業 者 に と っ て は 牡 蠣 殻 の 処 分 が 深 刻 な 問 題 に な っ て い る。
カ ル シ ウ ム イ オ ン水 は 、 こ の 牡 蠣 殻 を1200℃ で焼 成 して で き る粒 状 の カ ル シ ウ ム を 酢 酸 水 溶 液 に 入 れ て 完 全 に 溶 け 込 ま せ 、 不 純 物 を 濾 過 す る こ と に よ っ て作 成 され る。 こ の カ ル シ ウム イ オ ン 水 の期 待 され る 応 用 分 野 に は 、 ① 健 康 飲 料 水 、 ② コ ン ク リー トな ど の 壁 面 の 洗 浄 、 ③ 家 庭 用 洗 剤 の 代 替 に よ る河 川 汚 染 の 抑 止 、 ④
モ ル タル や コ ン ク リー トへ の 応 用 な どが 考 え られ て い る。
1.2コ ン ク リー トへ の応 用
建 築 構 造 物 に は コ ン ク リー トが 多 く使 わ れ て い る。
しか し、 コ ン ク リー トは 圧 縮 に は 強 い が 引 張 に は 極 め て 弱 い と い う欠 点 を 持 つ 材 料 で あ る。 こ の こ とは 常 時 に お い て も コ ン ク リー ト表 面 に ひ び 割 れ が 生 じや す い 原 因 の 一 つ に な っ て い る 。 ま して や 、 大 地 震 時 の 鉄 筋 コ ン ク リー ト造 建 物 被 災 の 原 因 の 一 つ に な っ て い る。
そ こ で 、 著 者 らは こ の 欠 点 を 解 消 す る た め に2価 の カ ル シ ウム イ オ ン 水 を セ メ ン トと反 応 さぜ る こ とで 圧 縮
・引 張 と も に 強 い コ ン ク リー トを製 造 す る こ とを 考 え た 。
森 村 ら の 研 究 且)2)によ れ ば 、 カ ル シ ウム イ オ ン水 を 用 い た モ ル タ ル の 強 度 試 験 に お い て は 、 す で に 高 強 度
★近 畿大学 工学 部建 築学 科
敷 近畿 大学 大学院 シ ステ ム工学研 究科
DepartmelltofArchitecture,SchoolofEngineering, KinkiUniversity
GraduateSchoolofSystemsEngineering, Kinkiuniversity
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34 近 畿 大 学 工 学 部研 究 報 告No42
・高 靱 性 に 対 し て 効 果 が あ る こ とが 確 認 され て い る。 そ こ で 、 本 論 文 で は カ ル シ ウム イ オ ン 水 を 用 い た コ ン ク リー トを提 案 す る と と も に 、 そ の 試 行 的 強 度 試 験 の 結 果 を 報 告 しそ の 力 学 的 性 能 向 上 の 可 能 性 を 示 す こ と を 目 的 に して い る。
2.カ ル シ ウム イ オ ン水 を 用 い た コ ン ク リー ト 2.1高 強 度 ・高 靱 性 コ ン ク リー トに っ い て
高 強 度 コ ン ク リー トの 代 表 的 な 製 造 に は 、 減 水 剤 を 用 い て 単 位 水 量 を 減 ら し低 水 セ メ ン ト比 の コ ン ク リー トを 製 造 す る 方 法 とセ メ ン トに別 の 結 合 材 を 混 和 し て 強 度 増 進 を 図 る方 法 と が あ る。 しか し、 これ らの 方 法 で は 、 一 般 的 に 圧 縮 強 度 は 高 く な る もの の 引 張 強 度 の 増 大 は あ ま り期 待 で き な い 。 一 方 、 靱 性 コ ン ク リー ト の 製 造 方 法 に は 繊 維 コ ン ク リー トを 用 い る 方 法 や コ ン ク リー ト表 面 に 何 らか の 補 強 を施 す こ と に よ っ て 脆 性 的 破 壊 を 回 避 ・改 善 す る 方 法 が 代 表 的 で あ る が 、 こ れ らの 方 法 は コ ン ク リー トに 他 の 異 な る 材 料 を 混 和 あ る い は 補 強 す る こ と で コ ン ク リー トの 脆 性 さ を 改 善 して い る。
2.2カ ル シ ウム イ オ ン水 を 用 い た コ ン ク リー トの 提 案 これ ら の 方 法 に 対 して 、 本 研 究 で 提 案 して い る コ ン ク リー トは 人 体 に 無 害 な イ オ ン 化 カ ル シ ウム 水 溶 液 を セ メ ン トと水 和 反 応 させ る こ と で 生 成 され る化 合 物 が 分 子 レベ ル で強 力 な 結 合 力 を 生 み 出 し、 こ の 結 合 力 は 主 に コ ン ク リー トの 引 張 強 度 の 増 大 に 貢 献 す る と考 え られ る 。 しか も、 引 張 強 度 の 増 大 は 、 圧 縮 時 の 横 歪 み の 増 加 に よ る コ ン ク リー ト側 而 の ひ び 割 れ 発 生 を 抑 え る 効 果 が あ る の で 、 結 果 と して 圧 縮 強 度 も 増 大 す る。
一 方 で、こ の コ ン ク リー トは イ オ ン水 を 使 用 す る の で 、 混 練 時 に お い て セ メ ン ト粒 子 表 面 に 吸 着 した イ オ ン が 反 発 しあ っ て流 動 性 が 生 まれ 、 ワー カ ビ リテ ィ の 改 善 が 期 待 され る。 しか も、 この コ ン ク リー トは 大 気 中 の 炭 酸 ガ ス を 吸 収 して 強 度 発 現 す る と も い わ れ て お り 、 耐 久 性 の 面 か ら も期 待 で き る。
2.3カ ル シ ウ ム イ オ ン水 を 用 い た コ ン ク リー トの 課 題 こ の カ ル シ ウム イ オ ン水 を 用 い た コ ン ク リー ト製 造 に は 当 面 次 の2つ の 課 題 が あ る と 考 え られ る。 そ の 一 っ は カ ル シ ウ ム イ オ ン水 の 製 造 と 価 格 、 も う一 つ は 製
造 した コ ン ク リー トの 力 学 的 特 性 で あ る。
この う ち 、 前 者 は 牡 蠣 殻 の 破 砕 と焼 成 及 び 不 純 物 の 除 去 が 具 体 的 な 課 題 で あ る。 飲 料 水 の 場 合 、 人 体へ の 影 響 を配 慮 しな けれ ば な ら な い の で 、 重 金 属 な ど を 完 全 に 除 去 しな け れ ば な ら ず 極 め て 高 価 に な る。しか し、
こ こ で は コ ン ク リー トへ の 応 用 を 考 え て い る の で 、 1200℃ で 牡 蠣 殻 を焼 成 し沈 殿 濾 過 す る 必 要 は あ る が 、 不 純 物 を 完 全 に 除 去 す る 必 要 は な く 、 高 価 格 に は な ら な い と 考 え て い る。
現 時 点 で の最 大 の 課 題 は 、 コ ン ク リー トの 力 学 的 特 性 が 期 待 され る ほ ど 果 た し て 向 上 す る の か ど うか に あ る。 そ れ を 明 らか に す る た め に は 数 多 くの 実 験 を行 わ な け れ ば な らな い が 、 こ こ で は 試 行 的 に 行 っ た ス ラ ン プ試 験 と 強 度 試 験 の 結 果 を 報 告 しそ の 可 能 性 を 示 す 。
3.試 行 的 強 度 試 験
3.1カ ル シ ウム イ オ ン 水 の 作成
最 初 に1800ccの 水 に200ccの 酢 酸 を 注 入 し、 酢 酸 水 溶 液 を 作 る。 次 に40gの カ ル シ ウ ム 粉 末 を 入 れ て 良 くか き 混 ぜ る。 最 後 に カ ル シ ウム 粉 末 が 水 に 十 分 溶 け 混 ん だ 後 に濾 過 を 行 い 、 不純 物 を 取 り除 く こ とに よ っ て カ ル シ ウ ム イ オ ン 水 を 作 成 す る 、
3.2試 験 体 とそ の 作 製
試 験 体 は 、 直 径100mm、 高 さ200mmの 円 住 状 試 験 体 を1シ リー ズ8本 作 製 し、 そ の うち5本 を 圧 縮 強 度 試 験 に3本 を割 裂 強 度 試 験 に使 用 した 。 強 度 試 験 は4週 間 の 水 中 養 生 の 後 に 実 施 した 、
今 回 の 実 験 で は 水 セ メ ン ト比 を50%に して 、 カ ル シ ウム(重 量)濃 度 を 変 化 させ て い る。 カ ル シ ウム 濃 度 は0へ2.3%ま で の5段 階(5シ リー ズ)と した 。
具 体的 な 調 合 表 を 表1に 示 す 。
な お 、 セ メ ン トに は 、 普通 ボ ル トラ ン ドセ メ ン トを 使 用 し て い る。 一 方 、 細 骨 材 に は 、 最 大 粒 径5mm、
比 重2.54、 吸 水 率2.3%の 山 砂 を 、粗 骨 材 に は 、粒 径5
〜10inni 、 比 重2.6、 吸 水 率1.47%の 砕 石(安 山 岩) を 、 細 骨 材 率39.4%で 使 用 し て い る,
3,3試 験 の 種 類 と加 力 ・計 測 方 法
試 験 は 、 ス ラ ン プ 試 験 、 圧 縮 強 度 試 験 、 割 裂 強 度 試 験 の3種 類 で あ る。 ス ラ ン プ 試 験 は コ ン ク リー ト打 設
表1調 合 表
水 セ メ ン ト比(%) カ ル シ ウ ム(Ca)濃 度(%) 水(kg) Caイ オ ン 水(kg) セ メ ン ト(kg) 細 骨 材(kg) 粗 骨 材(kg)
50
0.0 230.0 0.0 460.0
633.5 972.7
0.8 193.3 48.3 386.7
1.1 179.1 76.7 491.0
1.5 166.8 111.2 526.0
1.9 156.0 156.0 582.2
2.3 146.6 219.9 673.9
カ ル シ ウム イ オ ン水 を用 い た コ ン ク リー トの提 案 とその試 行 的 強度 試験 35
直 前 に 実 施 し た 。 強 度 試 験 の 加 力 装 置 は5000kN万 能 試 験 機 を 用 い た 。 圧 縮 強 度 試 験 で は 、 荷 重 の 他 に 縦 歪 み と横 歪 み を 計 測 して い る。 こ の 場 合 、 荷 重 の 計 測 は1000kN能 力 の ロー ドセ ル を 用 い た 。 一 方 、 縦 歪 み は 試 験 体 の 高 さ 方 向 に 一 軸 歪 み ゲ ー ジ を3カ 所 貼 付 し、 横 歪 み は 試 験 体 の 周 方 向 に 一 軸 歪 み ゲー ジ を2枚 貼 付 して 、 そ れ ぞ れ 平 均 値 を 求 め る こ と に よ っ て 計 測
して い る。
3.4試 験 結 果 とそ の 考 察 3.4.1ワ ー カ ビ リテ ィ
図1に ス ラ ン プ 試 験 の 結 果 を 示 す 。 縦 軸 に ス ラ ン プ 値 を 横 軸 に カ ル シ ウム 濃 度 を と っ て い る。 カ ル シ ウ ム 濃 度1.0%以 下 で は 骨 材 の 含 水 状 態 に よ っ て 、 ス ラ ン プ 値 が 大 き く 左 右 さ れ る。 しか し、1.0%以 上 に な る と ス ラ ン プ 値 は ほ ぼ18cm以 上 に な り、 安 定 した ワ ー カ ビ リテ ィ が 確 保 され る 。 今 回 の コ ン ク リー トの 練 り 上 が り状 態 を 観 察 す る と、 水 セ メ ン ト比 を も う少 し下 げ る こ と も可 能 で あ る よ うに 見受 け られ た。
3.4,2圧 縮 強 度
図2に 圧 縮 強 度 試 験 の 結 果 を 示 す 。 縦 軸 に 圧 縮 強 度 を 横 軸 に カ ル シ ウム 濃 度 を と っ て い る。 圧 縮 強 度 は 、 原 則 と して5本 の 圧 縮 強 度 の うち 強 度 の 高 い3本 の 平 均 値 で 求 め て い る 。 カ ル シ ウ ム 濃 度 が 高 くな る と圧 縮 強 度 は 高 く な り、 最 も圧 縮 強 度 の 高 か っ た の は カ ル シ ウ ム 濃 度1.53%の と き で 、 イ オ ン 化 カ ル シ ウ ム を 含 ま な い 通 常 の コ ン ク リー トに 比 べ て 約1.38倍 強 度 が 増 大 し、そ の 大 き さ は57.7N!mm2で あ っ た。 しか し、
カ ル シ ウ ム濃 度 が そ れ 以 上 に な る と カ ル シ ウム を 含 ま な い 通 常 の コ ン ク リー トよ り も圧 縮 強 度 は 低 下 した 。 コ ン ク リー トの 圧 縮 強 度 試 験 の 場 合 、 縦 歪 み は 圧 縮 歪 み を 生 じ横 歪 み は 引張 歪 み を生 じる。 イ オ ン 化 カ ル シ ウ ム は セ メ ン ト粒 子 を 分 子 間 で 強 力 に 結 合 さ せ る の で 、 横 歪 み を 高 圧 縮 応 力 度 ま で抑 え る こ とが 期 待 さ れ る。 この 横 歪 み の 抑 制 が 圧 縮 強 度 の 増 大 に つ な が る と 考 え られ る の で 、 図3に 圧 縮 応 力 度 に 対 す る横 歪 み の 伸 び を 示 す 。 図 で は 縦 軸 に 圧 縮 応 力 度 を横 軸 に 横 歪 み を と っ て い る 。 図 か ら カ ル シ ウ ム 濃 度L53%の と き に 横 歪 み が 高 圧 縮 応 力 度 ま で 抑 制 され て い る こ と が わ か る。 カ ル シ ウ ム 濃 度LO%以 下 で は 、 カ ル シ ウ ム を 含 ま な い 通 常 の コ ン ク リー トの 横 歪 み と あ ま り変 わ ら ず イ オ ン 化 カ ル シ ウム の 効 果 は 十 分 発 揮 され て い な い こ とが わ か る 。 一 方 、カ ル シ ウ ム 濃 度2.0%以 上 で は 、 横 歪 み は 低 圧 縮 応 力 度 レベ ル か ら大 き く 生 じて い る 。 3.4.3割 裂 強 度
図4に 割 裂 強 度 の 結 果 を 示 す 。 縦 軸 に割 裂 強 度 を 横 軸 に カ ル シ ウ ム 濃 度 を と っ て い る。 割 裂 強 度 は 、 原 則 と し て3本 の 平 均 値 に よ っ て 求 め て い る。 イ オ ン 化 カ ル シ ウム を 使 用 した コ ン ク リー トの 割 裂 強 度 は 、 イ オ
(cm)30
25 ス20 ラ ン15 プ 値10
5 0 0
60 50
圧40
霧 ・・ 度20
10
= 塁o
‑… … … … ・十
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3
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「 llIl
0 0
0.5
(N'mmA2)
11.5 カ ル シ ウ ム 濃 度
図1ス ラ ン プ 値
225 (%)
=
■一…・・… …・"…
3
・・・・・・・・・…◎
● ■●●o巳 o● ● ●
●… …'σ'…
一 ・。・・・・・・・…ウ
一
1 1
0
10
20
30圧縮応力度
40
50
60 000
0,5 1t5
カル シウム濃 度
図2圧 縮 強度
22.5 (%)
0050.10 横 歪 み
0.15020 (%)
一 一●一 一Ca濃 度00%一 十 ・・Ca濃 度1 .53%
・… ◎ ・…Ca濃 度0 .77%一 一 十 …Ca濃 度192%
一 畳 一 ・Ca濃 度115%→ 一一Ca濃 度23%
図3横 歪み の伸び
ン化カル シ ウムを含 まない割 裂強度 よ りも増 大が確認
36 近 畿 大 学 工学 部研 究 報 告No42
され た。 特 に カ ル シ ウ ム濃 度0.8〜1.6%の と き に 強 度 が 増 大 し 、 カ ル シ ウ ム 濃 度1.15%で は カ ル シ ウ ム を 含 ま な い コ ン ク リー トの 割 裂 強 度 の 約L34倍 に 達
し、 そ の 大 き さ は4.1Nlmm2で あ っ た 。 3.4.4ヤ ン グ 係 数 とボ ア ソ ン 比
図5に ヤ ン グ係 数 の 結 果 を 、 図6に ボ ア ソ ン 比 の 結 果 を そ れ ぞ れ 示 す 。 図5で は 縦 軸 に ヤ ン グ 係 数 を 、 図 6で は縦 軸 に ボ ア ソ ン比 を と り、 両 図 と も 横 軸 に カ ル シ ウ ム 濃 度 を と っ て い る。 ヤ ン グ 係 数 は 、 各 試 験 体 の 圧 縮 応 力 度 一縦 歪 み 曲 線 の 原 点 に お け る 接 線 剛 性 を 最 小 二 乗 法 に よ っ て 計 算 し、 原 則 と して 試 験 体5本 の 平 均 値 に よ っ て 求 め て い る。 一 方 、 各 試 験 体 の ボ ア ソ ン 比 は 横 歪 み を 縦 歪 み で除 す る こ と に よ っ て 求 ま るが 、 低 応 力度 で は 値 に ば らつ き が 生 じ る の で 、 値 の 安 定 す る 圧 縮 応 力 度10〜20N/mm2の 範 囲 の 平 均 値 を 計 算 した 上 で 、 原 則 と し て試 験 体5本 の 平 均 値 を ボ ア ソ ン 比 と して 求 め て い る 。
図5か ら ヤ ン グ係 数 は カ ル シ ウム 濃 度1.6%程 度 ま で は 、 イ オ ン 化 カ ル シ ウム を 含 ま な い コ ン ク リー トの ヤ ン グ 係 数 と ほ ぼ 同 じ程 度 で あ る が 、L6%を 超 え る と 低 下 す る傾 向 に あ る。 一 方 で 、 図6か らボ ア ソ ン 比 は カ ル シ ウ ム 濃 度1.6%程 度 ま で は 、 イ オ ン 化 カ ル シ ウム を 含 ま な い コ ン ク リー トの ヤ ン グ 係 数 と ほ ぼ 同 じ 程 度 で あ るが 、1.6%を 超 え る と 上 昇 す る傾 向 に あ る。
こ の こ とは 、 カ ル シ ウム 濃 度1.6%を 超 え る コ ン ク リ ー トは ま だ 十 分 に 硬 化 し て い な い こ と を 物 語 っ て お
り、 そ の た め に 圧 縮 強 度 や 割 裂 強 度 が 増 大 しな か っ た も の と考 え られ る。 事 実 、 モ ル タ ル 強 度 試 験 の 結 果 に お い て も 養 生 期 間 が 長 い ほ ど強 度 が 増 大 す る とい う研 究 結 果 も 報 告 され て い る の で 、 高 濃 度 カ ル シ ウム の コ ン ク リー トの 場 合 も長 期 の 養 生 期 間 を 確 保 す れ ば 強 度 が 増 大 す る可 能 性 が あ る も の と 思 われ る。
4,結 語
本 論 文 で は 、 カ ル シ ウム イ オ ン水 を 用 い た コ ン ク リ ー トを 提 案 した。 ま た 、 そ の 力 学 的 特 性 向 上 の 可 能 性 に つ い て 、 得 られ た 主 な 知 見 は 以 下 の 通 りで あ る。
4.1水 セ メ ン ト比50%で は 、 強 度 増 大 に 対 す る 効 果 は カ ル シ ウ ム濃 度1.0〜1.6%の と き に 高 く 、圧 縮 強 度 は1.53%の と き に60N/mm2近 く 、 割 裂 強 度 は 1.15%の と き に4.ON/mm2程 度 が 得 られ た。 ま た 、 こ の 範 囲 で は 十 分 な ワー カ ビ リテ ィ も得 られ る。
4.2イ オ ン化 カ ル シ ウム に よ る横 歪 み の 抑 制 が 高 圧 縮 強 度 を 生 み だ し て い る。
4.3カ ル シ ウ ム 濃 度1.6%を 超 え る 高 濃 度 の コ ン ク リ ー トは 養 生 期 間1ヶ 月 で は 十 分 硬 化 しな い。
今 回 の 試 行 的 強 度 試 験 の 結 果 か ら 、 イ オ ン 化 カ ル シ ウ ム を 含 まな い コ ン ク リー トに 比 べ て 、 約1.3〜1.4
(N'mmA2)5
4
3︻∠割裂強度
1 0 0
●●●●●●1●●9■■菖●●,,●■09■■9●●●,O髄
.9・・9.巳●●●●●■■0●●99●●■●●●●●1ー
6
●●●●●●●●・0.●O・●.●05・●0●●・OO・咀置
..●O..59・・●●0●●●●●●●●●●●●●■●●1
一嗣11■
40
30 ヤ
ン グ20 係 数
10
0 0
0.5
(kNlmmA2)
11.5 カ ル シ ウ ム 濃 度
図4割 裂強度
2 25
(%)
■・・●・‑6・}9・O・●}oo.・●9●亀6・●⁝●1
■9●●91・⁝9・・199●・・9・■●●●O●●1
,●■■●●●{・.・・.・9{・●・9●・・●●■■●●●1
,■■●
・●●●.O ⁝◎・⁝3・や・=・3︒●●●9●●●■■
﹂ O●●●●●,一
一
0.30 0.25
ポ0・20 ア ソQ15 ン 比010
005 0.00
0
05 11.5
カ ル シ ウ ム 濃 度
図5ヤ ング係 数
2 25
(%)
」
一
…
3 引●̲.
L
?
ユ Ω ●
一 一 一
ll
O.5 11.5
カ ル シ ウ ム 濃 度
図6ボ ア ソ ン 比
225 (%)
倍 の 強 度 増 大 が 認 め られ た の で 、 そ の 実 用 性 は 十 分 あ る と判 断 で き る。 今 後 は 最 適 な 調 合 を 見 い だ し、 そ の 力 学 的 性 能 を明 らか に して い く所 存 で あ る。
参 考 文 献
1)森 村 毅 、 野村 正 人:イ オ ン 化Ca混 入 に よ る 強 化 モ ル タ ル 及 び コ ン ク リー トに 関 す る 研 究 、 近 畿 大 学 工 学 部 研 究 報 告 、No.38、pp.71‑76、2004.12
2)森 村 毅 、 野村 正 人:イ オ ン化Ca混 入 に よ る モ ル タ ル 強 度 発 生 に 及 ぼ す 影 響 に 関 す る 研 究 、 日本 建 築 学 会 学 術 講 演 梗 概 集 、 材 料 施 工 、pp.37‑38、2004.8
