論文高炉スラグ微粉末を用いた超高強度コンクリートの耐久性

(1)

論文高炉スラグ微粉末を用いた超高強度コンクリートの耐久性

宮澤祐介^*1・横室隆^*2

要旨：本研究は，設計基準強度が

60N/mm

²を超える超高強度コンクリートについて，高比表面積の高炉スラグ微粉末を用いた超高強度コンクリートの基礎性状および耐久性ついて，普通ポルトランドセメントと比較検討した。その結果，高炉スラグ微粉末を用いたコンクリートの圧縮強度は長期間にわたり増進するが，その増進率は普通ポルトランドセメントを用いたコンクリートに比べ小さいことが明らかとなった。また，長さ変化は小さくなり，中性化および耐凍害性に対する抵抗性が高いことを明らかにした。

キーワード：高炉スラグ微粉末，温度上昇，圧縮強度，長さ変化，中性化深さ，凍結融解

1.

はじめに

近年，地球温暖化防止の機運が高まる中，代表的な温室効果ガスである

CO

₂の排出量の削減が急務となっている。我が国の

CO

2排出量は年々増加傾向にあり，

その中でもセメント産業から排出される

CO

2排出量は我が国の

CO

2総排出量の約

4%

を占めている¹⁾。

このため，セメント産業における

CO

₂排出量削減が重要な課題となっており，その方策の一つとして，混合セメントの利用拡大が挙げられる。代表的な混合セメントとしては高炉セメントがあり，グリーン購入法の特定調達品目に選定されるなど，地球環境保護の観点から利用拡大が期待されている。

その一方で，高炉スラグ微粉末をセメント置換の混和材として利用する取り組みも進められている。高炉スラグ微粉末は，

JIS A 6206

「コンクリート用高炉スラグ微粉末」において

3000

，

4000

，

6000

および

8000cm

²

/g

の

4

種類の比表面積が規定されている。また，コンクリートの用途・条件に応じて置換率を自由に設定できるので，高炉セメントより広範囲な利用が可能となる。

高炉スラグ微粉末を用いたコンクリートは，長期強度の増進，アルカリシリカ反応や塩害に対する耐久性の改善が期待できるが，強度発現が遅いため初期強度

が小さく，早期脱型などに問題がある。また，養生が不十分な場合には，強度発現や耐久性が低下することが明らかになっている^2),3)。

初期強度の改善方法としては比表面積が大きな高炉スラグ微粉末を利用することが有効であり⁴⁾^～⁶⁾，比表面積が異なる高炉スラグ微粉末を用いたコンクリートの強度に関する研究^例えば^7)~9)が報告されている。しかし，

既往の研究では高炉スラグ微粉末の比表面積が

JIS

規定の範囲内に限定された範囲にとどまっている。

近年では，粉体技術の発達により比較的低コストで品質が安定している比表面積

10000cm

²

/g

を超える高炉スラグ微粉末も入手できるようになってきている。

そこで，高比表面積の高炉スラグ微粉末を用いることによる初期強度の改善および高炉スラグ微粉末の特色である長期強度の増進を踏まえ，その有用性について検討する必要がある。

本研究では，高比表面積の高炉スラグ微粉末を用い，

実機ミキサで練混ぜた超高強度コンクリートについて基礎性状を把握し，材齢

8

年までの強度発現および耐久性を明確にし，その有用性を検討することを目的とした。

表-1 コンクリートに使用した材料の種類および物性

使用材料記号種類物性

セメント C 普通ポルトランドセメント密度3.16g/cm³，比表面積3370cm²/g 高炉スラグ微粉末 BF BF11000 表-2および表-3参照

BF15000 同上

細骨材 S 川砂70%，砕砂30%の混合砂絶乾密度2.56g/cm³，吸水率1.46%，F.M. 3.0

粗骨材 G 石灰岩質砕石2005 絶乾密度2.71g/cm³，吸水率0.58%，実積率57.8%，Gmax20mm

練混ぜ水 W 地下水－

化学混和剤 Ad 高性能AE減水剤

ポリカルボン酸エーテル系複合体－

*1 足利工業大学総合研究センター客員研究員（正会員）

*2 足利工業大学工学部創生工学科建築・土木分野建築学コース教授博士（工学）

（正会員）

コンクリート工学年次論文集，Vol.39，No.1，2017

(2)

2. 実験概要 2.1 使用材料

表-1に，コンクリートに使用した材料の種類および物性を示す。また，使用した高炉スラグ微粉末の種類および物性を表-2に，その化学成分を表-3に，各種高炉スラグ微粉末の表面形状の

SEM

画像を写真-1にそれぞれ示す。

2.2 コンクリートの調合

表-4にコンクリートの調合を示す。結合材として普通ポルトランドセメントのみ使用したコンクリート

（以下

PL

コンクリートと略す），一部を高炉スラグ微粉末で置換したコンクリート（以下

BF

コンクリートと略す）の

2

種類があり，それぞれの水結合材比

（

W/(C+BF)

）は

25

および

30%

の

2

水準とし，コンクリートの目標強度

74

および

60N/mm

²を超えるものとし，試し練によって調合を定めた。また，スランプフローは

60±5cm，空気量 2±1.0%とした。

2.3

コンクリートの練混ぜ

コンクリートの練混ぜには

JIS

表示認定を受ける生コン工場の大型ミキサによって実施した。まず，細骨材，セメント，高炉スラグ微粉末の順にミキサに投入し，

10

秒間練り混ぜた。その後，あらかじめ化学混和剤を混入した練混ぜ水を投入して水結合材比

25%

では

105

秒間，30%では

90

秒間練り混ぜ，さらに粗骨材を投入して合計

6

分間練り混ぜた。輸送はアジテータトラックで

20

分程度要する実験室へ運搬した。

なお，水結合材比によって練混ぜ時間が異なる理由については，試し練りの結果により調合に応じて時間を設定した。

3 実験項目と方法

3.1

フレッシュコンクリートの性状

(1)

スランプフロー

スランプフロー試験方法は，

JIS A 1101

（コンクリートのスランプ試験）に従った。

(2) 空気量

空気量試験方法は，

JIS A 1128

（フレッシュコンクリートの空気量の圧力による試験方法）に従った。

(3) コンクリートの練上り温度

コンクリートの練上り温度は，棒状温度計を用いて測定した。

(4)

ワーカビリティー

ワーカビリティ

―

については，スランプ試験の際，

スランプしたコンクリートの形状や，くずれ方などから目視によって判断した。

(5)

ブリーディング量

ブリーディング量試験方法は，

JIS A 1123

（コンクリートのブリーディング試験方法）に従った。

表-2 高炉スラグ微粉末の種類および物性種類

BF11000 BF15000 密度(g/cm³) 2.92 2.92 比表面積(cm²/g) 11800 16690 平均粒径(µm) 3.0 1.0 フロー値比(%) 94 96 活性度

指数 (%)

7日 158 162 28日 124 131 91日 117 121

表-3 高炉スラグ微粉末の化学成分

化学成分 (%)

種類 BF11000 BF15000 ig.loss 0.07 0.14 SiO2 34.40 34.12 Al2O3 13.86 13.82 Fe2O3 0.49 0.47 CaO 43.08 42.96 Na2O 0.32 0.33 K2O 0.44 0.45 SO3 0.10 0.10 R2O 0.61 0.62

表-4 コンクリートの調合およびフレッシュ試験結果

調合 No.

水結合材比

(%)

高炉スラグ微粉末の種類

置換率 (%)

細骨材率 (%)

単位量(kg/m³) フレッシュ試験結果

W C BF S G スランプフロー

(cm) 空気量 (%)

練上り温度 (℃)

最終ブリーディング量 (cm³/cm²)

凝結時間 (h-m)

ワーカビリテ始発終結ィ―

1 25

－ 0 41.8 160 640 0 665 969 62 2.3 24.5 0 5-25 7-10 良 2 BF11000 20 42.1 160 512 128 665 961 58 1.7 24.5 0 3-50 5-10 良 3 BF15000 10 42.2 160 576 64 671 961 57 1.7 25.5 0 3-20 4-30 良 4

30

－ 0 44.8 160 533 0 752 969 65 2.0 24.0 0 5-50 7-20 良 5 BF11000 20 45.1 160 426 107 754 961 62 1.7 24.5 0 4-45 6-05 良 6 BF15000 10 45.2 160 480 53 758 961 59 1.8 25.5 0 4-30 5-40 良

※化学混和剤の使用量はW/(C+BF)=25%および30%ではセメント質量に対して1.7%とした。

BF11000

BF15000

写真-1 高炉スラグ微粉末の SEM 画像

1000倍 5µm 1000倍 5µm

(3)

(6) 凝結

凝結試験方法は，

JIS A 1147

（コンクリートの凝結時間試験方法）に従った。

(7) 温度上昇量

コンクリートの温度上昇量は，鋼製型枠（1000×1000

×1000mm）を用い，厚さ

150mm

の発泡スチロールで上下面および側面を覆い断熱した。温度測定およびコア採取位置を図-1に示す。鋼製型枠の中心に銅－コンスタンタンの熱電対を埋め込み，5 日間の内部温度を測定した。型枠は材齢

10

日に脱型し，その後材齢

28

日まで散水し，写真-2に示す通り屋外暴露した。

3.2 硬化コンクリートの試験方法 (1) 圧縮強度

圧縮強度試験の供試体（φ

100

×

200mm

）は，

JIS A 1132

（コンクリートの強度試験用供試体の作り方）に従って作製した。型枠に打込み後

24

時間は

20℃・ 60％

R.H.の恒温恒湿室にて養生し，翌日脱型した。その後，

試験材齢まで

20

℃水中養生を行った。なお，コンクリートの圧縮強度試験は

JIS A 1108

（コンクリートの圧縮強度試験方法）に従って行った。試験材齢は，

3

日，

7

日，

28

日，

91

日，

1

年，

3

年および

8

年とした。

(2)

コア強度

コア強度試験は，上記

3.1 (7)

の模擬試験体からコア採取機を用いてφ100mm のコアを抜き取り，JIS A

1107

（コンクリートからの採取方法及び圧縮強度試験方法）に従って行った。試験材齢は，

28

日，

1

年，

3

年および

8

年とした。

(3) 長さ変化および質量変化

長さ変化試験の供試体（

100

×

100

×

400mm

）を用い，

JIS A 1129-1

（モルタル及びコンクリートの長さ変化試

験方法）に従って，20℃・60% R.H.の恒温恒湿室に放置した長さ変化および質量変化を測定した。

なお，基長は材齢

7

日とし，乾燥期間

8

年までの長さ変化率および質量変化率を求めた。

(4) 中性化深さ

中性化深さ試験は，上記

3.1 (7)の模擬試験体から図

-1 に示す通りコア採取後の上下面（φ

100

×

50

）を用い，屋外自然暴露した材齢

1

年，

3

年および

8

年の中性化深さを測定した。

なお，中性化深さの測定は供試体（φ100×50）を割裂し，その断面にフェノールフタレインアルコール溶液（

1%

）を噴霧し，

10

ヶ所ノギスを用いて測定し，

平均中性化深さを求めた。

(5)

凍結融解作用に対する抵抗性

凍結融解作用に対する抵抗性試験は，

ASTM C 666 A

法（Resistance of Concrete Rapid Freezing and Thawing）

により，300 サイクルまでの相対動弾性係数を測定した。

4. 実験結果と考察

4.1 フレッシュコンクリートの性状

表-4 にフレッシュコンクリートの実験結果を示し，

以下の項目について検討する。

(1)

ワーカビリティー

ワーカビリティ

―

は，荷卸し時の際に目視で観察した。いずれのコンクリートともスランプフローおよび空気量は目標とした値が得られ，ワーカビリティーは良好であった。

(2)

スランプフロー

図-2 に各種コンクリートの経時変化に伴なうスランプフローを示す。全体的に

BF

コンクリートのスランプフローは

PL

コンクリートに比べて小さい値となり，水結合材比が小さいものほどスランプフローは小さくなる傾向であった。

(3)

ブリーディング量

表-4に示した通り，いずれのコンクリートからもブリーディングの発生は認められなかった。この理由については，水結合材比が小さく，高比表面積の高炉スラグ微粉末を用いたためと推察される。

図-1 模擬試験体の概要写真-2 模擬試験体の養生状況

28 日 1 年 3 年

6 年

8 年

700 100 100 100 100 100 100 100

50 200 200 200 50 700

1

2

3 1

2

3

1

2

3 100 100 100 100 100 100 100

700 1000

100 100 100 100 100 100 100 700

1000

28 日 1 年 3 年

8 年

(4)

凝結

図-3に各種コンクリートの凝結時間を示す。水結合材比が大きいものほど凝結の始発および終結時間が長くなる傾向を示した。また，高炉スラグ微粉末の比表面積が大きいほど始発および終結時間が短くなる傾向が認められた。この理由については，高炉スラグ微粉末の比表面積が著しく大きくなったことで初期の反応が一層早くなったことによる影響と推察される。

(5)

温度上昇量

図-4に各種コンクリートの温度上昇量を示す。水結合材によらずコンクリート打込み後，

12

時間程度で最高温度となっている。水結合材比

25%の PL

コンクリートでは

74.5℃， BF

78.5℃

（BF11000）

および

77.2

℃（

BF15000

）となっており，

BF

コンクリートは

PL

コンクリートに比べ

4

℃程度高い傾向が確認された。

同様に水結合材比

30%では PL

66.6

℃，

BF

68.9

℃（

BF11000

）および

67.5

℃（

BF15000

）となっており，

BF

コンクリートは

PL

2℃程度高い傾向が確認さ

れた。また，水結合材比が小さいものが全てのコンクリートにおいて

10

℃程度高い温度となった。この理由については，高炉スラグ微粉末の比表面積が大きいものほど初期に著しい水和反応が起こり，発熱が大きくなったことによる影響と推察される。

4.2

硬化コンクリートの性状

(1)

圧縮強度

図-5 に水結合材比別に分類した各種コンクリートの圧縮強度を示す。

水結合材比

25%

の材齢

3

日では，

PL

コンクリートに比べていずれの

BF

コンクリートの強度は高くなっており，高炉スラグ微粉末の比表面積が大きいものほど高い強度を示した。また，材齢

28

日でも同様の傾向を示しており，いずれのコンクリートも目標強度を大きく上回る結果となった。さらに，材齢

1

年では

PL

コンクリートに比べて

BF

コンクリートの強度は全て小さくなっており，これ以降の材齢も同様の傾向を示した。これらのことから，

BF

コンクリートは材齢の経過とともに強度が増進するが，その増進割合は

PL

コンクリートに比べて小さい傾向を示した。

水結合材比

30%

の材齢

3

日および

28

日では，水結

合材比

25%と同様な傾向が認められた。また，材齢 1

年では

BF11000

を用いた

BF

コンクリートが

PL

コンクリートに比べて小さい強度となった。さらに，材齢

3

年でも同様の傾向を示した。また，材齢

8

年では

PL

コンクリートに比べていずれの

BF

コンクリートは小さい値となった。

40 50 60 70

0 10 20 30 40 50

スランプフロー（cm）

経過時間（分）

図-2 各種コンクリートの経時変化に伴なうスランプフロー

0 3 6 9 12

PL BF11000 BF15000 PL BF11000 BF15000

凝結時間（時間）

コンクリートの種類

始発終結

W/B=25% W/B=30%

図-3 各種コンクリートの凝結時間

0 1 2 3 4 5

温度（℃）

日数（日）

PL BF11000 BF15000 W/B=25%

100 80 60 40 20 0 80 60 40 20 0

W/B=30%

図-4 各種コンクリートの温度上昇量

0 40 80 120 160 200

PL BF11000 BF15000 PL BF11000 BF15000 圧縮強度（N/mm2）

コンクリートの種類 3日 7日 28日 91日 1年 3年 8年

W/B=25% W/B=30%

図-5 各種コンクリートの圧縮強度

標準養生 W/B=25% ●PL ■BF11000 ▲BF15000 W/B=30% ○PL □BF11000 △BF15000

(5)

(2)

コア強度

図-6に各種コンクリートのコア強度を示す。

水結合材比

25%

の材齢

28

日では，

PL

コンクリートに比べて

BF

コンクリートの強度は高い強度となっている。また，いずれのコンクリートとも目標強度を大きく上回る結果となった。さらに材齢

8

年まで同様の傾向を示しており，

20

℃水中養生したものとは異なった強度発現を示した。また，いずれのコンクリートでも材齢の経過とともに強度増進が伺えたが，高炉スラグ微粉末の比表面積が大きくなるほど強度の増進割合が小さい傾向を示した。

水結合材比

30%でも各材齢とも同様の傾向を示して

いる。しかし，強度の増進割合については，材齢の経過とともにその値が大きい傾向を示した。さらに，図 -5 および図-6 の結果から同一材齢における圧縮強度比をみると水結合材比に関係なく，全ての材齢においてコア強度に比べて

20℃水中養生したものの強度比

が高い傾向を示した。

この理由については，屋外暴露のため養生温度や降雨による水分の供給などの環境条件が異なることや，

供試体中からの水分飛散による影響と思われる。また，

これらの強度発現が異なる理由については，コンクリートの内部温度の影響や水和反応など，そのメカニズムについて未だ未解明の部分があるため，硬化体組織の分析などについては今後検討したい。

(3)

長さ変化および質量変化

図-7に各種コンクリートの長さ変化率を示す。水結

合材比

25%では，全ての材齢において PL

コンクリー

トに比べて

BF

コンクリートの長さ変化率は小さい値となっている。また，高炉スラグ微粉末の比表面積が大きくなるほど長さ変化率は若干大きくなる傾向を示した。水結合材比

30%

でも同様の傾向を示しており，

水結合材比

25%

と比べると若干大きくなった。

また，図-8に各種コンクリートの質量変化率を示す。

各水結合材比ともに

PL

BF

コンクリートのほうが小さい値となっている。また，高炉スラグ微粉末の比表面積が大きくなるほど質量変化率は若干大きくなる傾向を示した。これらの結果から，長さ変化率が小さいものほど質量変化率も小さい結果となった。

(4)

中性化深さ

図-9に各種コンクリートの中性化深さを示す。材齢

1

年および

3

年では中性化は認められず，材齢

8

年で

0.3mm

程度となっており，

PL

コンクリートおよび

BF

コンクリートともに同程度の値となった。

一般に高炉スラグ微粉末の比表面積が大きくなるほどまた，置換率が増えるほど中性化が進行するといわ

れているがその影響はみられなかった。この理由としては，低水セメント比のためコンクリート組織が緻密になり

CO

2の侵入を阻害したためと考える。また，模擬試験体が屋外暴露のため降雨による水分の供給が異なることや，供試体中からの水分飛散による影響も考

0 40 80 120 160

PL BF11000 BF15000 PL BF11000 BF15000 コア強度（N/mm2）

コンクリートの種類 28日 1年 3年 8年

W/B=25% W/B=30%

図-6 各種コンクリートのコア強度

屋外自然暴露

-8.0 -6.0 -4.0 -2.0 0.0

長さ変化率（×10-4）

材齢（年）

1 3 8 W/B=25%●PL ■BF11000 ▲BF15000 W/B=30% ○PL □BF11000 △BF15000

図-7 各種コンクリートの長さ変化率

-1.6 -1.2 -0.8 -0.4 0.0

質量変化率（%）

材齢（年）

1 3 8 W/B=25% ●PL ■BF11000 ▲BF15000 W/B=30% ○PL □BF11000 △BF15000

図-8 各種コンクリートの質量変化率

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

PL BF11000 BF15000 PL BF11000 BF15000

中性化深さ（mm）

コンクリートの種類

材齢8年

W/B=25% W/B=30%

図-9 各種コンクリートの中性化

(6)

えられるため今後の検討としたい。

(5)

凍結融解作用に対する抵抗性

図-10 に各種コンクリートの凍結融解作用に対する抵抗性を示す。各種コンクリートの

300

サイクルまでの相対動弾性係数は，サイクル数が増加しても

92~95%

の範囲にあり，大きな低下は認められなかった。

6.

まとめ

高比表面積の高炉スラグ微粉末を用いた超高強度コンクリートの基礎性状および耐久性について検討した結果，以下のことが明らかとなった。

（1）ブリーディング量は，いずれのコンクリートからも認められなかった。

（

2

）凝結時間は，いずれのコンクリートも水結合材比が大きいものほど長くなる。また，普通ポルトランドセメントを用いたものに比べ，高炉スラグ微粉末を用いたものは短くなった。さらに高炉スラグ微粉末の比表面積が大きいものほど短くなる。

（

3

）温度上昇量は，普通ポルトランドセメントを用いたものに比べ，高炉スラグ微粉末を用いたものは水結合材比

25%

で

4

℃程度，

30%

で

2

℃程度高くなる。

（

4

）

20

℃水中養生した圧縮強度は，いずれのコンクリートも長期にわたって強度増進が確認されたが，普通ポルトランドセメントを用いたものに比べ，高炉スラグ微粉末の比表面積が大きいものほどその増進割合が小さい傾向となった。また，コア強度についても同様に長期にわたって強度増進が確認されが，水結合材比の違いによって増進割合が異なる傾向を示した。

（

5

）長さ変化および質量変化は，高炉スラグ微粉末の比表面積が大きいものほど若干大きくなるが，普通ポルトランドセメント用いたものより小さい。

（

6

）中性化深さは，普通ポルトランドセメントを用いたものに比べ，高炉スラグ微粉末を用いたものは同程度となっており，大きな差はない。

（7）凍結融解作用に対する抵抗性は，普通ポルトランドセメントを用いたものに比べ，高炉スラグ微粉末を用いたものは同程度となっており，十分な抵抗性が確認できた。

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，

2012

80 85 90 95 100 105

PL BF11000 BF15000 PL BF11000 BF15000

相対動弾性係数（%）

コンクリートの種類 100 200 300

W/B=25% W/B=30%

図-10 各種コンクリートの凍結融解作用に対する抵抗性

サイクル

論文 高炉スラグ微粉末を用いた超高強度コンクリートの耐久性