石炭灰を大量使用したコンクリートの最大混合量と強度予測 [ PDF

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(1)石炭灰を大量使用したコンクリートの最大混合量と強度予測. 松藤・小山・山口研究室脇坂大輔 V(W)≧{V(C)+V(FA)}×P. 1．序. (4). 松藤らは，これまでに石炭灰を大量使用するコンク. 以下，式(4)を満たせばコンクリートは練混ぜられた. リートの外割調合則を提案し，セメント単味のコンク. 状態であると仮定し，構成粒子間の間隙比を求めるこ. リートよりもコンクリートの基本性状が向上すること，. とで，コンクリートへの石炭灰最大混合量を検討した。. ならびにその基礎方程式を示している. 1)｡すなわち，石. 2.2. 実験概要. 炭灰を外割混合したコンクリートは，セメント単味の. 使用材料を表 1 に，調合を表 2 に示す。調合は上記. コンクリートよりも初期材齢から高い強度を示す。こ. 仮定より，石炭灰を外割混合したコンクリートのペー. のことは，石炭灰のポゾラン反応のみでは説明できな. スト部分とした。なお，図は省略するが，セメントと. いものである。. 細粉の粒度分布は比較的近いことから，本研究ではこ. 本研究では，構成粒子間の間隙比に着目し，コンク. れらを同一粒子として扱った。また，構成材料間の間. リートへの石炭灰最大混合量について検討した。また，. 隙比を求めるにあたり，表 3 に示す 4 種類の測定方法. 硬化体の空隙構造に着目し，石炭灰を大量使用したコ. を用い，方法 1，4 では式(5)より，また，方法 2，3. ンクリートの強度を推定する手法について検討した。. では式(6)より間隙比を求めた。. 2.. コンクリートへの石炭灰最大混合量の検討. 2.1. 基本仮定. 基本条件は，コンクリートが調合通りに練混ぜられ. P＝p(1−p). (5). P＝VW／(VC+VFA40+VFA10). (6). ここに，P：間隙比，p:空隙率，VW:単位水量(!/m3). ていることである。すなわち，セメントペーストが他. VC:単位セメント量(!/m3). の粉粒体の間隙を充填している状態であり，その条件. VFA40,VFA10:各組成における練混ぜ可能な単. 式を以下の式(1)のように仮定した。 V(C,W)≧P(FA,S,G). 位石炭灰量(!/m3) (1). ここで，粒子同士の凝集が起こらず，1 次粒子に分散. ここに， V(C,W)：セメント(C)と水(W)の混合物，す. した状態における理想的な混合試料の間隙比を求める. なわちセメントペーストの体積. ため，表 1 に示すアルミナボールを使用した。使用粉. P(FA,S,G)：石炭灰(FA)，細骨材(S)，粗骨. 表1. 材(G)の混合物がつくる全間隙また，V(C,W)＝V(C)+V(W) であり，さらに，R. セメント細粉石炭灰粗粉アルミナボール混和剤. FA. ≪RS ≪RG （例えば RFA は石炭灰粒子の半径）より， P(FA,S,G)≒P(FA)である。よって，式(1)は以下の式. C FA40 FA10 ALB AD1. 3. 普通ポルトランドセメント，密度：3.16g/cm 2 3 比表面積：4200cm /g，密度：2.45g/cm 2 3 比表面積：1060cm /g，密度：2.21g/cm 3 密度：3.6g/cm ，球径：2,5,8,10,15,20,30,40mm ポリカルボン酸系高性能減水剤. (2)で表される。 V(C)+V(W)≧P(FA). 表2. (2) 3. W (kg/m ). ただし，石炭灰とセメントの粒子は同程度（RFA≒RC）方法1，4. であることを考慮すると，石炭灰がつくる間隙をセメ. 方法2，3. 185. 使用材料. 3. C (kg/m ) 285 − 285. 調合条件 3. 3. FA40 (kg/m ) FA10 (kg/m ) 455，331，202，67 0，124，254，389 0 455 各組成において練混ぜ可能な最大量. ントペーストが充填した状態では，石炭灰粒子間にセ表3. メントペースト粒子が均一に分散し，かつその間隙を水が満たした状態となっているはずであり，この状態は以下の式(3)で表現される。 V(W)≧P(C,FA) (3)は以下の式(4)で表すことができる。. 方法1. 混合試料（乾燥試料）をタッピングにより容器に 2）密に充填したときの空隙率から測定. 方法2. 練混ぜ水量を空隙と考えたときの，モルタルミキサで練混ぜ可能な混合試料の最小水粉体比（vol%)を求めることで測定（混和剤なし）. 方法3. 練混ぜ水量を空隙と考えたときの，モルタルミキサで練混ぜ可能な混合試料の最小水粉体比（vol%)を求めることで測定（混和剤あり）. (3). 石炭灰とセメント混合物の間隙比 P が求まれば，式. 間隙比の測定方法. 粒度分布計で測定した混合試料の粒度分布に相似させた分布をもつ方法4 アルミナボールを容器に詰めたときの空隙率から測定. 31-1.

(2) 100. アルミナボールのふるい径(mm) 10 20 30 40. 0. 50. 1. 400 方法1 方法2 方法3 方法4. 350. 0.8. ●黒塗：使用粉体 ○白抜：アルミナボール. 40. 組成：0 組成：0 組成：0.2 組成：0.2 組成：0.4 組成：0.4 組成：0.6 組成：0.6 組成：1.0 組成：1.0. 20. 0. 0. 図1. 20. 40 60 80 100 粉体のふるい径（μm）. 使用粉体とアルミナボールの粒度分布曲線. 120. 300 間隙量（!/m3). 60. 間隙比 P. 通過率(%). 80. 0.6. 0.4. 図2. 3. 3. 単位水量（!/m ). 250 200 150 100. 0.2. 0 0 (C+FA40). 900kg/m. 方法1 方法2 方法3 方法4. 0.2. 0.4. 組成 x (V. FA10. 0.6. 0.8. /(V +V C. FA40. +V. FA10. )). 1 (FA10). 組成と各方法における間隙比の関係. 体の粒度分布と相似になるよう，各組成においてアルミナボールの各球径の混合割合を変え，粗骨材の実積率試験用の鋼製容器にジッギングにより詰めることで間隙比を求めた（方法 4）。なお，粒度分布計の値から. 50. 種類セメント石炭灰細骨材. 記号 C FA S. 混和剤. AD2. 0. 0. 200. 400 600 800 3 単位石炭灰量(kg/m ). 1000. 図3. 石炭灰とセメントが構成する間隙量と水量の関係. 表4. 使用材料. 物性 3 普通ポルトランドセメント，密度：3.16g/cm 2 3 比表面積：3830cm /g，密度：2.36g/cm 3 壱岐産海砂，表乾密度：2.58g/cm ポリカルボン酸系高性能減水剤. 計算した石炭灰の粒度分布曲線と使用したアルミナボ表5. ールの粒度分布曲線を図 1 に示す。どの組成においても，アルミナボールの粒度は使用粉体の粒度とほぼ一. No.. W/C (%). N F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8. 65. 致していることが分かり，粒度分布が相似であるとみなすことができる。 2.3. 実験結果及び考察. 図 2 に組成と各測定方法による間隙比の関係を示す。乾燥状態の混合試料の間隙比を求める場合(方法 1)に. 3.. は，粒子同士の凝集が起こっていると考えられるため. 3.1. W/P (%) 65 50 40 35 30 27 25 22.2 20. 調合条件（コンクリート換算） W （kg/m3). C （kg/m3). 185. 285. FA （kg/m3) 0 85 178 244 332 400 455 550 640. S 混和剤（kg/m3) ((C+F)×%) 840 747 646 574 477 403 343 0.7 239 1 140 1.5. 石炭灰を大量使用した硬化体の空隙特性実験概要. 間隙比が最も大きくなっている。実際に水で練混ぜる. 石炭灰を大量使用したコンクリートの強度予測に先. ことにより得た間隙比(方法 2)は，方法 1 より小さく，. 立ち，石炭灰の使用の有無及び混合量による硬化体の. 混和剤を使用して得た間隙比(方法 3)はさらに小さい. 空隙構造の違いに関して基礎的な知見を得るために，. 結果となった。これは，混合試料の状態が方法 1 から. 水銀圧入法による空隙構造特性に関して検討した。. 方法 3 になるにつれて，粒子同士の分散が容易となり，. 3.2. 凝集度合が低下したことに起因するものと考えられる。. 使用材料及び調合. 使用材料を表 4 に，調合を表 5 に示す。調合は，水. また，粒子同士が凝集を生じない場合と考えられる間. セメント比 65％，単位水量及び単位セメント量を一定. 隙比（方法 4）は，方法 3 とほぼ同じ値となっている。. とし，単位石炭灰量を変えたコンクリートにおいて，. ここで，図 3 に単位石炭灰量を増加させた場合におけ. 粗骨材を除いたモルタル部分とした。. る，セメントと石炭灰が構成する間隙量と水量の関係. 3.3. 実験方法及び測定項目. を示す。セメントと石炭灰が構成する間隙量は，図 2. 試験体はφ5cm×10cm の簡易型枠に打込み，所定の. で示した各測定方法から得られる最小間隙比を用いて. 試験材齢(3,7,28 日)まで 20℃封緘養生を行った。また，. 求めている。図中の方法 3 及び方法 4 における最小間. 各材齢の圧縮強度試験終了後の供試体から上下約 1/4. 隙比から得られる間隙量と単位石炭灰量の関係から，. 部分を削除した後，粉砕し，網ふるいを用いて 2.5mm. 900kg/m3 あたりで，構成粒子間の間隙量が単. ∼5mm の試料を採取し，その後アセトンにより水和を. 位水量を超えることが分かる。すなわち，式(4)の基本. 停止させ，一日 105℃乾燥したものを細孔分布の測定. 仮定を満たさない条件となり，コンクリートへの石炭. 試料とした。細孔分布の測定は，水銀圧入式ポロシメ. 両者とも. 灰最大混合量はられる。. 900kg/m3. あたりが限界であると考え. ータを用いて，細孔直径 6nm∼90μm の範囲で細孔径分布を測定し，細孔容積を求めた。. 31-2.

(3) 40. 100. 100 材齢3日. 材齢3日材齢7日. 80. 材齢28日. 30. 材齢28日. 材齢7日. S＝89.2(1−P50/100)4.34. 材齢28日. r = 0.913 80. r ＝0.875. 2. 圧縮強度 S (N/mm ). 20 15 10. 60. 材齢7日 S＝70.7(1−P50/100)4.34 r ＝0.912. 40. 材齢3日 S＝66.7(1−P50/100). 40. 4.34. r ＝0.935. 20. 60. 0. 25. S (N/mm2). 硬化体中の総空隙量(vol%). 35. 20. 5 0. 0. 100. 200 300 400 500 単位石炭灰量(kg/m3). 600. 700. 0 40. 0 0. 10. 20. 30. 40. 50. 50 60 70 80 セメントの水和率α(%). 90 100. ペースト当たりの50nm以上の空隙量 P50(vol%). 図4. 3.4. 単位石炭灰量と硬化体中の総空隙量の関係. 図5. 50nm 以上の空隙量と圧縮強度図 6 の関係表6. 実験結果及び考察. 図 4 に，硬化体中の総空隙量（vol%）と単位石炭灰量の関係を示す。図から，単位石炭灰量が変化しても総空隙量(vol%)はほぼ一定であることが分かる。. セメントの水和率αと S0 の関係. 各材齢におけるセメントの水和率(%). 材齢. 材齢3日. 材齢7日. 材齢28日. セメントの水和率. 49(%). 66(%). 84(%). してもセメントの水和率は一定であると考えられる。. 図 5 に硬化体中のペースト体積当たりに換算した. 以上から，各材齢におけるセメントの水和率は表 6 に. 50nm 以上の空隙量 P50（以下，単に 50nm 以上の空隙. 示す値をとるものとした. 量とする）と強度 S(N/mm2)の関係を示す。図より，. の水和熱に基づいて定められた値（水セメント比 65%，. 50nm 以上の空隙量が少なくなるほど強度は大きくな. 普通セメント，20℃）である。. 4）。なお，この値はセメント. ることが分かる。また，50nm 以上の空隙量と強度は. 図 6 に，式(8)の S0 を変数として最小 2 乗法で近似し. 各材齢において明瞭な相関がある。ここで，Balshin3). て求めた各材齢ごとの S0 とセメント水和率αの対数. が提案した空隙率と強度の関係式をもとに，P50(vol%). Log(α)の関係を示す。両者の関係は，図のように直線. と強度 S(N/mm2)の関係を式(7)で表した。. 関係を示し，式(9)となる。. S ＝ S0&$1 ' %. P50 #. k. ! 100 ". S0＝−93.4+93.3Log(α). (7). (9). ここで，式(9)を式(8)に代入することにより，P50. ここに， S：圧縮強度（N/mm2）. から強度 S を求める式(10)が得られる。. S0：各材齢における P50 が 0 になるときの. P50 # & S＝(−93.4 + 93.3Log(α) )*$1 ' ! 100 " %. 材料組織の強度（N/mm2）. 4.34. (10). 式(10)より，ペースト体積当たりの 50nm 以上の空. ｋ：実験定数ここで，実験定数ｋは，各材齢において一定と考えられる。そこで，図 5 において，式（7）の S0 とｋを. 隙量 P50(vol%)が分かれば，強度 S は推定可能となる。 4. 空隙構造形成のモデル化による強度予測. 変数として最小 2 乗法で近似した時のｋの値の平均値を用いて，. 調合段階において強度を予測するため，ペースト体積に対する総空隙量(vol%)をセメントの水和進行を考. ｋ＝4.34. 慮したモデルをもとに定式化することにした。ここで，セメント 1cm3 は水和反応によって 2.13cm. とした。よって式(7)は式(8)となる。. S ＝ S0&$1 ' %. P50 #. ! 100 ". 4.34. ト水和物を生成すると仮定した. (8). 5). 3 のセメン. 。その場合，石炭灰. を外割混合したペースト体積に対する総空隙量. ここで，各材齢において，水和セメントと未水和セ. V(vol%)は，以下の式(11)で定式化できる。ただし，. メントの割合が変化する，すなわち，材料組織の結合. 材齢 3∼28 日において石炭灰のポゾラン反応は起きな. 力が変化するため，S0 はセメントの水和率で変化する. いものと仮定した。. と考えられる。また，図 4 において，単位石炭灰量が変化しても硬化体中の総空隙量(vol%)は変化していない。すなわち，同一材齢であれば単位石炭灰量が変化. 31-3. . ! # ! # 1& & * VC ! ' 0$1 ' V W + VC ' $ 2.13 * ! * VC 100 " 100 " /% % , (11) V2 V W + VC + V FA.

(4) 40 r = 0.960. 1 材齢3日. 35. 60. 50nm以上の空隙量 P50(vol%). 材齢3日 P50=0.547・P. 材齢7日材齢28日. 30. r = 0.951. 25. 40. 材齢7日 P50=0.479・P. 20. r = 0.920. 15. 20. 材齢3日材齢7日. 10. 材齢28日 0. 0. 0 20 40 60 80 ペースト体積当たりの総空隙量V(vol%)（計算値）. 図7. 材齢28日 P50=0.459・P. 5. β＝0.578-0.0918Log(t) r = 0.927. 0.8. 係数β. ペースト体積当たりの総空隙量 P(vol%)（実測値）. 80. 0.6. 0.4. 0.2. r = 0.914. 0. 10. ペーストの体積当たりの空隙量の計算値と実測値. 20 30 40 50 総空隙量 P(vol%). 図8. 60. 0. 70. P と P50 の関係. 1. 10 材齢 t（日）. 図9. 100. 係数βと材齢の関係. 100 r = 0.914. ここで，V：ペースト当たりの総空隙量(vol%) 80 強度の実測値 (N/mm2). VW：単位水量(!/m3)，VC：単位ｾﾒﾝﾄ量(!/m3) α：セメントの水和率(%) VFA：単位石炭灰量(!/m3) この式(11)を用いた計算結果 V(vol%)と実験から求めた硬化体中のペースト体積当たりに換算した総空隙量 P(vol%)(以下，単に総空隙量とする)の関係を図 7. 60. 40. 20. 材齢3日材齢7日. に示す。計算結果と実験結果がほぼ一致することが分. 材齢28日. かる。すなわち，式(11)から計算した空隙量 V(vol%). 0. と実験から求めた総空隙量 P(vol%)との関係は， V≒P. 0. 図 10. (12). 20. 40 60 80 強度の計算値 (N/mm2). 100. 強度の計算値と実測値の関係. とみなすことができる。次に，図 8 に，実験で求めた. 使用した硬化体の強度を精度良く推定できることがわ. 総空隙量 P(vol%)と 50nm 以上の空隙量 P50(vol%)の. かる。. 関係を示す。図より両者は同一材齢でみた場合，直線. 5. 結論. 関係にあることから，P50 を次式(13)で表すことにした。 P50＝βP. (13). 本研究では，構成粒子間の間隙比に着目し，セメントと石炭灰が構成する間隙量と水量の関係から，コン. β：各材齢で近似して求めた直線の傾き. クリートへの石炭灰混合量の限界量が 1m3 当たり 900kg. また，上記のβと材齢ｔの対数 Log(t)の関係は図 9. 程度であることを明らかにした。また，石炭灰のポゾ. に示すように，直線関係を示し，次式(14)で表せる。. ラン反応が起きない初期材齢において，石炭灰を外割. β＝0.578‐0.0918Log(t). (14). で大量使用したコンクリートの強度を調合段階におい. ここで，式(13)に式(11)及び式(14)を代入すること. て推定できることが分かり，その手法を示した。. により，式(13)より計算した総空隙量 V(vol%)から. 参考文献. 50nm 以上の空隙量 P50(vol%)を求める次の式 (15)が. 1）松藤泰典他：「石炭灰を外割大量使用するコンリートの. 得られる。. 調合に関する研究」，コンクリート工学論文集，第 12. P50＝{0.578‐0.0918Log(t)}V. (15). 巻第 2 号，2001. この式(15)を式(10)に代入することにより，式(11). 2) 松藤泰典他：「石炭灰外割コンクリートの最適調合に関. より計算した総空隙量 V(vol%)から強度が求まる次の. する研究」，日本建築学会大会学術講演梗概集，pp.207. 式(16)が得られる。. ∼208，2001. S={ 93.4+93.3Log(α)}× 1 (0.578−0.0918Log( t))V . 01 ' 100 / ,. 3）羽原俊祐：「コンクリートの構造とその物性」，セメン 4.34. ト・コンクリート，No549，1992. (16). 4）南條毅一他：「高強度化のための材料−結合材−」，コ. 図 10 は，式(16)から算出した計算値と実測値の関係を示したものである。図より，式(16)で石炭灰を大量. ンクリート工学，Vol.32，No.7，1994 5）A.M.Neville，コンクリートの特性，技報堂，1979. 31-4.

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