フライアッシュを組み込んだセメント系の新鮮、硬化、耐久性特性に対する長時間の混合プロセスの影響

Scientific Reports volume 13、記事番号: 6091 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

システムのパフォーマンスに応じた仕様により、付加価値が保証される場合があります。生コンクリートの仕様のほとんどは、排出時間とトラックのドラム回転数に制限を設けています。これらの制限は、従来のコンクリートに対して定められています。補助セメンティング材料 (SCM) の使用が普及するにつれて、これらの仕様が SCM、つまりフライアッシュを含むシステムに適用できるかどうかを判断することが重要です。この論文では、20% および 50% のフライアッシュを含む実験室で製造されたペーストおよびモルタルの特性に対する混合時間およびミキサーの回転数の影響の結果を示します。評価される特性には、時間変化するイオン濃度、硬化時間、流量、圧縮強度、気孔率、および見かけの塩化物拡散係数が含まれます。結果は、混合時間とミキサーの回転数が増加すると、フライアッシュを置き換えた混合物は新鮮な特性と硬化した特性の両方が改善されることを示しています。 60 分間混合または 25,505 回転数で混合した場合、20% および 50% のフライアッシュを含む混合物の 28 日間圧縮強度は、ニートセメントより 50% ～ 100% 高くなります。フライアッシュは、セメント系の長期混合プロセスに採用することが提案されています。

フライアッシュは、発電に使用される石炭燃焼プロセスのポゾラン副産物です。現在、石炭の燃焼プロセスは米国の総エネルギー生成量のおよそ 50 ～ 55% を占めています 1,2。この操作の副産物の約 75% は飛灰 3、4、5 です。その結果、世界規模で年間 5 億トンから 5 億 5,000 万トンの飛灰が生産されると予測されています 6,7。農業、セメントおよびコンクリート産業など、多くの分野でフライアッシュが使用されています。セメントおよびコンクリート産業でフライアッシュを使用すると、水和製品の性能特性が向上することがわかっています8、9。フライアッシュは現代のコンクリート複合材料の製造に主に使用されており、ナノ材料 10、四元および三元バインダー 11、12、13、活性シード 14、15 など、この分野での新しい革新的なソリューションにつながります。新しい革新的なソリューションは、さまざまな用途に合わせてカスタマイズされたコンクリート製品を提供できます。しかし、発電所から収集された飛灰の 70 パーセント以上は使用されておらず、これが処理に深刻な課題をもたらしています 16,17。石炭火力発電施設では飛灰の処理により余分な出費が発生します。年間コストは約 12 億ドルになると予想されます18。したがって、フライアッシュの使用を拡大するためのさらなる研究と革新が、特にセメントおよびコンクリート分野で必要とされています。これにより、廃棄コストが削減されるだけでなく、コンクリート混合物の性能特性も向上する可能性があります。

コンクリートは、水に次いで世界で 2 番目に頻繁に利用されている物質です19。環境への懸念から、セメントおよびコンクリート部門からの CO2 排出を制限するための多大な努力が行われてきました。しかしながら、これらの事業からのCO2排出量は依然として著しく高く、さらなる努力が必要です。米国石炭灰協会 (ACAA)20 は、フライアッシュをコンクリートの補助セメンティング材料 (SCM) 源として使用すると、米国だけで CO2 排出量を年間 10 ～ 14 トン削減できると試算しています。フライアッシュの部分的な代替は、CO2 排出量を削減して持続可能性を促進できるだけでなく、コンクリートの製造やフライアッシュの処分に関連する費用も削減します。連邦道路局 (FHWA) の規則は、飛灰を含むコンクリートシステムを奨励しています。これは、フライアッシュコンクリートの価格がポルトランドセメントコンクリート (PCC) の価格と同等かそれよりも低い場合に特に当てはまります21。したがって、特定の混合物においてすべてのセメントをフライアッシュに置き換えるべきではありません。環境的および経済的利点に加えて、ポルトランドセメント (PC) をフライアッシュに置き換えることにより、水和製品の新鮮な特性と硬化性能が向上することが認識されています。ポゾラン材料として、水酸化カルシウム (Ca(OH2)) が反応して、強度 (CS-H) を高めるケイ酸カルシウム水和物を生成する場合があります。これらの水和物により、緻密な界面遷移帯（ITZ）が形成され、セメントペーストと骨材の界面にコンクリート微細構造が改善されます22、23。したがって、フライアッシュを組み込んだコンクリートシステムの性能は、生コンクリートを含む従来のコンクリートシステムよりも優れている可能性があります。

生コンクリートは、米国材料試験協会 (ASTM) によって、製造され、新鮮な状態で顧客に届けられるコンクリートとして定義されています。米国州道路交通職員協会 (AASHTO)、米国コンクリート協会 (ACI)、ASTM、および/または州道路局 (SHA) による生コンクリートの仕様では、排出時間、トラックとドラムのローテーション、および/または具体的な温度制限。米国では、50 の SHA のうち 48 の SHA が退院までの期間を 45 ～ 120 分に制限しています。 50 SHA のうち 30 SHA では、トラックのドラム回転数が 250 ～ 320 に制限されます。 50 SHA のうち 45 はコンクリート温度を 28 ～ 38 °C に制限します。吐出時間とドラム回転数の増加は、新しいセメントとコンクリート混合物の作業性に影響を与える可能性があるため、SHA の大部分はこれらの要因を制限しています。作業性が低下すると、新たなコンクリートを固めることが困難になります。不適切な配置と強化は、硬化したコンクリートに大きな空隙、蜂の巣状の発生、浸透性の増加を引き起こす可能性があり 26、27、28、その結果、圧縮強度と耐久性が大幅に低下します。 Anderson と Hodson29 によると、鋳造完了後に硬化した表面を研磨するコストは、コンクリートの原材料のコストの約 2 ～ 5 倍です。生コンクリートの施工性が向上することで打設労力が軽減され、建設費の削減につながります。

ポルトランドセメント協会（PCA）30 によれば、生コンクリートの 50 パーセント以上にフライアッシュが含まれています。インフラシステムでは、フライアッシュを含むコンクリートがいたるところに存在します。多くの研究が PCC の性能に対する混合要因の影響を評価していますが、フライアッシュ含有コンクリートの性能特性に対する混合変数の影響を評価した研究はほとんどありません。

さらに、PCC とフライアッシュを含むコンクリートでは、混合時間 (つまり 45 ～ 120 分) とドラム総回転数 (つまり 250 ～ 320 回転) の同じ制限が使用されるため、請負業者は、これらの現在の制限がフライアッシュを含むコンクリートにも適用できるかどうか疑問に思っています。そうでない場合は、変更する必要があるかどうか。付加価値を考慮して、材料および建築プロセスの新たな発展に合わせて制限要件を調整することが重要です。さらに、Hooton31 は、代替システム (フライアッシュを含むシステムなど) の開発を制限しないように、制限要件を性能ベースの仕様に変更する必要があると述べました。これらの問題を判断する前に、フライアッシュを組み込んだセメント系の性能特性についてよりよく知る必要があります。

この研究では、重量比 20% および 50% のフライアッシュを含む PC ペーストおよびモルタルの新鮮および硬化特性に対する混合時間およびミキサー回転数の影響についての実験室評価について説明します。この研究では、溶液中のヒドロキシル、カルシウム、アルミン酸イオンの時間依存濃度、ペーストの硬化時間、および新しいモルタルの流動性を評価します。セメントモルタルの硬化特性として、1、7、28 日圧縮強度 (fc)、28 日気孔率、および見かけの塩化物拡散係数 (Da) を試験します。

タイプ I PC はタイの SCG から入手し、この研究のすべての混合物に使用しました。 ASTM C618 に基づくクラス F フライアッシュは、地元の発電所から調達されました。 PC とフライアッシュの X 線回折 (XRD) 化学組成を表 1 に示します。フライアッシュ粒子の走査型電子顕微鏡 (SEM) 画像を図 1 に示します。観察されたフライアッシュの粒子には、球状、滑らかな表面、幅広い粒度分布を持ちます。 ASTM C778 を満たす標準的な傾斜砂を、流動性、28 日空隙率、および Da 試験片に使用しました。タイプ II の脱イオン (DI) 水 (25 °C で 1 MΩ・cm) をすべての混合物と実験に使用しました。 fc 試験片に使用された細骨材は、タイのサラブリにある地元の供給源から調達され、ASTM C33 の要件を満たしていました。細骨材の繊度係数は、ＡＳＴＭＣ１３６に従って測定すると３．１であった。細骨材の比重は２．４７、吸収率は３．０８％であった。比重と吸収値は ASTM C128 に従って測定されました。

フライアッシュ粒子のSEM顕微鏡写真。

セメントペーストとモルタルはASTM C305に従って混合した。フライアッシュ系は、セメントの重量をフライアッシュに置き換えることによって調製した。対照の組み合わせ（100% PC）を配合し、比較のために評価しました。ペーストサンプルの水−結合剤比（ｗ／ｂ）は０．４０であった。モルタルの標本は、aw/b 比 0.48、セメント細骨材比 1.27:1 を使用して作成されました。 C305 規格では、ペーストとモルタルの混合に 2 段階の混合を義務付けています。低速混合 (140 rpm) に続いて中速混合 (250 および 285 rpm) です。この研究全体を通じて、第 2 段階の混合時間と速度のみが変更されました。セメントペーストとモルタルの混合技術の詳細を表 2 に示します。4 つの混合時間 (2、15、60、90 分) と 2 つの混合速度 (140 rpm および 285 rpm) を調査しました。この結果、ペースト混合の回転数は 210、355、2030、4060、8330、12,600、16,885、および 25,578 回転数となり、モルタル混合の回転数は 350、568、2170、4273、8330、12,600、17,098、および 25,505 回転数となりました。。すべてのテスト結果は 3 回のテストに基づいています。

初期の年齢における溶液中の時間変化するヒドロキシルイオン濃度は、pH 電極を使用して評価されました。溶液のｗ／ｂ値は４．０であった。すべてのシステムの混合は、混合期間中 0 および 400 rpm で回転するマグネチックスターラーを使用して実行されました。 0 rpm での混合は、セメントサンプルが均一になるまで手動で水と混合し、その後さらに撹拌せずに放置したことを意味します。非水和ＰＣを溶液に導入してから経過した時間を、ここでは「水和時間」と呼ぶ。ヒドロキシルイオン濃度の評価に使用した溶液は、5、10、15、30、45、60、90、120、150、180、210、および 240 分で分析されました (0 および 400 rpm で混合)。

フレーム原子吸光分光法 (FAAS) を使用して、アルミン酸イオンとカルシウムイオンの量を計算しました。ヒドロキシルイオン濃度を測定するプロセスの後に、混合が続きました。ヒドロキシルイオン濃度の研究と同じ水和時間で、溶液をさらに 300、360、および 420 分の水和時間で評価しました。

各水和時間で、試験溶液 (30 ml) を混合ビーカーからデカントし、真空ポンプと No. 40 濾紙を使用して濾過しました。１０ｍｌの濾過溶液をアルミン酸イオン濃度の分析に使用し、１ｍｌの濾過溶液をカルシウムイオン濃度の分析に使用した。高濃度のカルシウムイオンは幼少期に発生するため、カルシウムイオン濃度を分析するための濾過溶液は、FAAS 分析の前に希釈されました。カルシウムイオン濃度を測定するための濾過溶液を 9 ml の脱イオン水で希釈して、FAAS の検出範囲内の溶液を得ました。デカントして希釈した後、1 ml のランタン酸溶液 [3 M 塩酸 (HCl) 中の 50 g/l 酸化ランタン (La2O3)] を FAAS 分析用の溶液に加えました。アルミン酸イオンの濃度は、波長 309.3 nm の亜酸化窒素 - アセチレンガスを 2600 ～ 2800 ℃の温度で点火した FAAS を使用して測定されました。カルシウム濃度は、2100 ～ 2400 °C の温度で点火した波長 422.7 nm の空気アセチレンガスを使用して測定されました。ブランクサンプル (DI 水のみ) も分析され、バックグラウンド補正として使用されました。

ASTM C1437 に従って、新しいモルタルの流動性を評価しました。セメントペーストの凝結時間は、ASTM C191 規格を使用して評価されました。 ASTM C109 に従って、1 日、7 日、および 28 日の fc 値が確立されました。鋳造後、試験片をプラスチック金型内で 24 時間保管した後、型から取り出しました。試験前に、変形した試験片を飽和石灰溶液で処理しました。モルタルの 28 日間気孔率は、修正された ASTM C642 手法を使用して測定されました。 Prasittisopin と Trejo28 は、修正気孔率試験の方法を詳しく説明しています。 Da は ASTM C1556 を使用して計算されました。 Da を測定するために 75 mm x 150 mm の円筒形モルタル試験片を鋳造した後、試験片をプラスチック金型に 24 時間保管した後、型から取り出しました。続いて、標本を飽和石灰溶液中で 28 日間養生した後、塩化物溶液に 35 日間さらしました。 ASTM C1152に従って、粉末の試料の塩化物イオン濃度を検査した。塩化物イオン濃度の試験には、サンプルチェンジャーを備えたコンピューター制御の電位差自動滴定装置が使用されました。表面下のさまざまな深さで塩化物イオン濃度を計算した後、式 1 に示すように、フィックの 2 番目の規則を使用して Da が計算されました。 1.

ここで、\(C(x,t)\) は、深さ x および曝露時間 t における塩化物イオン濃度のパーセントです。 Cs は、露出したモルタル表面の塩化物イオン濃度の予測パーセントです。 Ci は、溶液にさらす前の試料の初期塩化物イオン濃度のパーセントです。 erf は誤差関数です。

サンプル平均を 2 つのグループと 3 つ以上のグループでそれぞれ比較するために、2 サンプルの t 検定と分散分析 (ANOVA) を利用しました。分析の前に、Shapiro-Wilk 検定を使用してデータが正規分布であるかどうかを判断し、Levene 検定を使用してデータの分散が等しいかどうかを調査しました。次の統計的仮説は次のように定義されました。

すべての分析には 95% 信頼区間が使用されました。 H0 が拒否された場合 (p 値 ≤ 0.05)、グループ母集団の平均間に 5% レベルで統計的に有意な差があると結論付けられます。あるいは、H0 が拒否されない場合 (p 値 > 0.05)、グループ母集団の平均間に 5% レベルで統計的に有意な差はないと結論付けられます。

このセクションには、(1) ヒドロキシル、アルミン酸塩、およびカルシウムのイオン濃度、(2) 新しい混合物の流動性、(3) 初期硬化時間、(4) 異なる硬化時間での圧縮強度、(5) 28- を含む 6 つの実験調査が含まれます。ｄ気孔率、および（６）Ｄａ．

0および400 rpmで混合した対照、20％および50％フライアッシュ系のヒドロキシルイオン濃度に対する水和時間の影響をそれぞれ図2a、bに示します。結果は、水和時間が増加すると、すべての系のヒドロキシルイオン濃度が増加することを示しています。当てはめた曲線の傾きは、溶液中のヒドロキシルイオンの溶解速度と呼ばれます。傾きが大きいほど、溶液中のヒドロキシルイオンの溶解速度が高いことを示します。

(a) 0 rpm および (b) 400 rpm の制御システムおよび 20% および 50% のフライアッシュを含むシステムで混合したヒドロキシルイオン濃度に対する水和時間の影響。

図 2a では、対照、20%、および 50% フライアッシュシステムの傾きは、それぞれ 9.0、7.7、および 5.2 mmol/l/min です。制御システムのより大きな傾きは、20% および 50% フライアッシュシステムよりも高いヒドロキシルイオンの溶解速度に対応します。セメント系におけるフライアッシュの置換率の増加により、溶液中のヒドロキシルイオン濃度が減少することが報告されています 32。これは、飛灰が「不活性」として作用するために起こると考えられています。したがって、フライアッシュ混合物に含まれるセメントは少なくなります。図 2b の結果は図 2a の結果と類似していますが、400 rpm (17 mmol/l/min) で混合したコントロールシステムの傾きは 20% (15 mmol/l/min) の傾きよりも大きくなっています。分）、５０％フライアッシュ（１３ｍｍｏｌ／ｌ／分）系を４００ｒｐｍで混合した。飛灰の置換レベルが増加すると、混合速度に関係なく、ヒドロキシルイオンの溶解速度が低下します。

図 2b の結果を図 2a の結果と比較すると、400 rpm で混合した対照、20%、および 50% フライアッシュシステムの傾きが、傾きよりも約 89%、95%、および 150% 高いことがわかります。対照、２０％および５０％のフライアッシュ系をそれぞれ０ｒｐｍで混合した。傾きが急になるのは、ヒドロキシルイオンの溶解速度が速いためと考えられます。これは、混合速度がすべての系のヒドロキシルイオンの溶解速度に強く影響し、混合物の初期特性に影響を与える可能性があることを示しています（後述）。混合速度は、より高い置換レベルのフライアッシュを含む系におけるヒドロキシルイオンの溶解速度にますます影響を及ぼします。

図 3a は、0 rpm で混合した対照、20%、および 50% フライアッシュシステムのアルミン酸イオン濃度の時間変化を示しています。結果は、対照システムのアルミン酸イオン濃度が、20% および 50% フライアッシュシステムのアルミン酸イオン濃度よりも低いことを示しています。４００ｒｐｍで混合した対照、２０％、および５０％フライアッシュ系のアルミン酸イオン濃度を水和時間の関数としてプロットしたものを図３ｂに示す。図３ａの０ｒｐｍで混合したすべてのシステムの結果と同様に、対照システムのアルミン酸イオン濃度は、２０％および５０％フライアッシュシステムよりも低い。さらに重要なのは、すべてのシステムで 400 rpm で混合したアルミン酸イオン濃度は、0 rpm で混合した溶液中のアルミン酸イオン濃度と比較すると安定していません。この「不安定」状態は、混合速度によって発生する可能性があります。 400 rpm で混合した系ではアルミン酸イオン濃度が安定していないため、連続的に混合した系と混合してから混合した系では初期特性（固まりなど）に差が生じることが予想されます。混ぜるのをやめてください。

(a) 0 rpm および (b) 400 rpm の制御システムおよび 20% および 50% のフライアッシュを含むシステムで混合されたアルミン酸イオン濃度に対する水和時間の影響。

０および４００ｒｐｍで混合した対照、２０％および５０％フライアッシュ系のカルシウムイオン濃度に対する水和時間の影響をそれぞれ図４ａ、ｂに示す。両方の図の結果は、0 および 400 rpm で混合した対照システムのカルシウムイオン濃度が 20% および 50% フライアッシュシステムよりも高いことを示しています。フライアッシュが存在すると、セメント含有量が減少するため、早期のカルシウムイオン濃度が低下します。さらに、これらのカルシウムイオン濃度の低下は、フライアッシュ粒子が石灰沈殿の核として作用した結果である可能性があります。 Lawrence 33 と Fraay et al.34 は、セメントを SCM に置き換えると石灰の沈殿が発生する可能性があると報告しました。異なる速度で混合した溶液中のアルミン酸イオン濃度の結果（図3a、bに示す）と同様に、400 rpmで混合した溶液中のカルシウムイオン濃度は、0 rpmで混合した溶液と比較して安定していません。明らかに、アルミン酸イオンとカルシウムイオンの濃度からの結果は、混合が継続的に進行するとイオンが不安定になり、それによって他の初期の特性に影響を与える可能性があることを示しています。

(a) 0 rpm および (b) 400 rpm の制御システムおよび 20% および 50% のフライアッシュを含むシステムで混合したカルシウムイオン濃度に対する水和時間の影響。

表 3 は、セメント系におけるフライアッシュの置換が、初期の溶液中のヒドロキシル、アルミン酸塩、ケイ酸塩、およびカルシウムイオンの濃度に及ぼす影響をまとめたものです。長時間にわたる混合プロセスでのイオン濃度の研究に関しては、セメントをフライアッシュに置き換えると、(1) セメント含有量の減少によるヒドロキシルイオン濃度の減少、(2) アルミン酸塩に富んだゲル層の形成によるアルミン酸イオン濃度の増加、( 3) セメント質系のフライアッシュからのケイ素が増加するためケイ酸イオン濃度が増加し、(4) 石灰の沈殿とセメント含有量の減少によりカルシウムイオン濃度が減少しました 35,36。

２８５ｒｐｍで混合した対照、２０％および５０％フライアッシュ系の正規化された流動性に対する混合時間の影響を図５ａに示す。流量値は、50% フライアッシュシステムの最大流量値 (183 mm) で正規化されています。結果は、すべてのシステムの流量減少が混合時間の増加の結果であることを示しています。 2 分間混合した 20% および 50% フライアッシュシステムの新しいモルタルの流れは、対照システムよりもそれぞれ約 12% および 31% 大きい流れを示します。 15 分間混合した 20% および 50% フライアッシュシステムの新しいモルタルの流れは、対照システムよりもそれぞれ約 30% および 48% 大きい流れを示します。最後に、60 分間混合した 20% および 50% フライアッシュシステムの新しいモルタルの流れは、対照システムよりもそれぞれ約 50% および 43% 大きい流れを示します。図中の流動性は 285 rpm でのみテストされたことに注意してください。より低い混合速度 (140 rpm) は、さまざまなミキサー回転数を計算するために実行されました。 Bentz と Ferraris 37 は、水和生成物が形成されるにつれて、水和反応による自由水の段階的な損失によって初期の硬化挙動が制御されることを報告しました。

(a) 混合時間および (b) ミキサー回転数の影響は、制御システムおよび 20% および 50% のフライアッシュを含むシステムの正規化された流量に影響します。

Paya et al.38 は、フライアッシュを含むセメント系の流れは、サイズ分布、形態、表面状態、細かさ、フライアッシュ粒子の強熱減量などのいくつかの要因によって影響されると報告しました。セメントをフライアッシュに置き換えると、より多くの水を流せるようになると考えられています。 Gopalan39 は、飛灰が存在するとセメント系の吸水特性が低下すると報告しました。さらに、フライアッシュの球形粒子とより優れた粒度分布 (図 1 に示す) により、システム内の構成粒子間の摩擦 (これは一般に「ボール能力」または「ボール能力」として知られています) が減少します。ベアリング効果）40,41。したがって、混合時間が増加するとフライアッシュ系の流れが減少しますが、新鮮な混合物はより長く混合でき、流れが改善されるため鋳造可能です。

対照、２０％、および５０％フライアッシュシステムの正規化された流量をミキサー回転数の関数としてプロットしたものを図５ｂに示す。結果は、ミキサーの回転数が増加すると、すべてのシステムの流量が大幅に減少することを示しています。制御システムの流量は、20% および 50% のフライアッシュシステムよりも少なくなります。セメントをフライアッシュに置き換えると、新鮮な混合物の流量が大幅に増加し、より高いミキサー回転数で混合された混合物の適切な固化プロセスを実行できるようになります。テストデータに基づいて、フライアッシュがセメント系に存在する場合、混合時間とミキサーの回転数に関する仕様の制限が適用されない可能性があります。

図 6a は、対照、20%、および 50% フライアッシュシステムの初期硬化時間に対する混合時間の影響を示しています。結果は、フライアッシュの置換率の増加により初期硬化時間が遅れることを示しています。効果が遅れる原因としては、フライアッシュ42の表面へのカルシウムイオンの吸着とヒドロキシルイオン濃度の低下が考えられます。これらは、Ca(OH)2、CS-H、およびエトリンガイトの核形成と沈殿プロセスの遅延につながります。結果は、混合時間の増加により、対照および 20% フライアッシュシステムの初期硬化時間の増加につながることも示しています (p 値 < 0.05 の ANOVA 検定)。これはおそらく、システム内のイオンが不安定な状態にあり (前述したように)、混合を継続する際に混合ツールの動きによって成分の粒子がまだ変形しているためと考えられます。この粒子の変形により、水和粒子の接着結合が妨げられ、より大きな構造が形成される可能性があります。したがって、混合中に水和粒子は荷重支持能力を失い、その結果、硬化が遅くなります。混合が停止した後、接着結合はより大きな構造を形成し始め、この構造は時間の経過とともに外部荷重をサポートし始めます。しかし、水和反応はかなりの量の熱を発生する可能性があり、この水和熱により水の発生速度が増加するため、長時間の混合中に水の一部が水和反応によって消費されると考えられます。したがって、試験片を鋳造して固める前に流すことができる水の量が少なくなります。このように混合物の水の量が少ないと、最終的に試験片を鋳造して固めるためのエネルギーが増加します28。硬化した試験片は、より高い空隙容積とより大きな空隙サイズを持っているように見えます。硬化したセメント系内の空隙は一般に fc の低下をもたらし、最終的には耐久性の低下と耐用期間の短縮につながります。気孔率については、「圧縮強度」セクションで後述します。ただし、この作業はペーストおよびモルタルシステムで行われたが、各地域の生コンクリートトラックの配合量を拡大するか、コンクリートシステムに切り替えるための研究を行うことが必須であることに注意すべきである。

(a) 混合時間と (b) ミキサー回転数の影響は、制御システムと 20% および 50% のフライアッシュを含むシステムの初期設定時間に影響します。

図 6b は、コントロール、20%、および 50% フライアッシュシステムのミキサー回転数の関数として初期設定時間の影響を示しています。この結果によると、ミキサーの回転数に応じて初期設定時間が長くなる傾向にあることが分かりました。フライアッシュを含むセメント系の初期凝結時間は、混合時間の増加およびミキサーの回転数の増加の結果として遅くなります。

図 7a、b は、それぞれ、混合時間とミキサー回転数の関数として、対照、20%、および 50% フライアッシュシステムの 1 日の fc を示しています。結果は、フライアッシュの置換率の増加により 1 日圧縮強度が低下することを示しています。統計分析により、すべてのシステムの 1 日 fc は混合時間とミキサー回転数の影響を受けないことが示されています (p 値 > 0.05 の ANOVA 検定)。

(a) 混合時間と (b) ミキサー回転数が 1 日の fc に及ぼす影響。 (c) 混合時間および (d) 7 日間 fc でのミキサー回転数。 (e) 混合時間および (f) ミキサー回転数は、制御システムおよび 20% および 50% のフライアッシュを含むシステムの 28 日間 fc でカウントされます。

図 7c、d は、制御システムと、それぞれ 20% と 50% のフライアッシュを含むシステムの 7 日間 fc に対する混合時間とミキサー回転数の影響を示しています。結果は、すべてのシステムの 7 日間 fc が混合時間の影響を大きく受けていないことを示しています (ANOVA p 値 > 0.05)。さらに、制御システムの 7 日間 fc は、混合時間による有意な影響を及ぼしません (ANOVA p 値 > 0.05)。ただし、20% および 50% のフライアッシュの 7 日間 fc は変化します (ANOVA p 値 < 0.05)。

対照、20％、および50％フライアッシュシステムの28日間fcに対する混合時間とミキサー回転数の影響をそれぞれ図7e、fに示します。 1 日および 7 日の fc の結果と同様に、結果は、混合時間がすべてのシステムの 28 日の fc に重大な影響を及ぼさないことを示しています。要約すると、混合時間の延長は、初期および後期の FC の両方に影響を与えません。生コンクリートシステムの圧縮強度に関しては、多くの SHA で指定されている現在の放出時間制限は非現実的な使用と思われます。ただし、ここではミキサーの回転数が 28 日間の fc に影響します。ミキサー回転数の増加は、制御システムの 28 日 fc の減少をもたらしますが、フライアッシュを含むシステムの 28 日 fc の増加をもたらします。固化エネルギー消費の増加が、ミキサーの回転数の関数として発生する 28 日間の fc 低下の原因であることが報告されています 28。利用可能なエネルギーが試験片を強化するのに不十分になるとすぐに、fc は減少し始めます。セメント系の空隙は拡大して増加します。前述したように、セメント系の空隙が大きくなり、空隙容積が大きくなると、fc が低下する可能性があり、その結果、セメント系の耐用年数が短くなる可能性があります。回転数を考慮すると、結果は明らかに SHA の制限が設定されているはずであることを示しています。これらにより、生コンクリートを良好な状態でユーザーに届けることができます。しかし、フライアッシュを含む系では 28 日 fc の増加が見られ、これは混合物中の水の量が少ないためであると考えられます (その結果、w/b 値が低くなります)。 Dewar と Anderson は、水の蒸発と水和反応の速度の増加が、混合物中に存在する水の減少の原因であると主張しました 43。

本明細書の結果は、混合時間が１日、７日、および２８日のｆｃに重大な影響を及ぼさないことを示している。対照、20%、および 50% フライアッシュシステムの fc に対するミキサー回転数の影響の概要を表 4 に示します。初期の fc 値 (1 日および 7 日) には有意な影響はありません。ミキサーの回転数を増やすことで影響を与えます。一方、28 日 fc は、ミキサーの回転数が増加するにつれて制御システムでは減少しますが、フライアッシュを含むシステムでは増加します。長時間の混合条件下では、セメント系にフライアッシュが存在すると、長期圧縮強度が向上します。したがって、特に長距離輸送が必要な場合には、生コンクリート製品の一部にフライアッシュが含まれる必要があります。前述したように、飛灰が存在する場合、SHA の生コンクリートの排出時間とミキサー回転数の制限は見直す必要があるようです。改訂版では、吐出時間の延長と回転数の増加に対応することが推奨されており、これは生コンクリートチェーンのすべての関係者にとって有益となる可能性があります。生コンクリート生産者は、さまざまな物流ルートやスケジュールを容易に計画できます。消費者は、得られた良好な品質のコンクリート製品を受け取ることができます。最後に、過剰に制限された生コンクリートから発生する廃棄物を減らすことができ、最終的には業界により費用対効果が高く、より持続可能な方法が提供されます44。

対照、20％、および50％フライアッシュシステムの28日間の空隙率に対する混合時間とミキサー回転数の影響をそれぞれ図8a、bに示します。結果は、混合時間を増やしても、すべてのシステムの 28 日間の空隙率に大きな影響を与えないことを示しています (ANOVA p 値 > 0.05)。結果はまた、空隙率の大幅な増加は対照混合物にのみ関係するはずであることを明らかにしています。フライアッシュの置換レベルの増加により、多孔度が高くなります。図 8b は、低い回転数 (約 3000 未満) でミキサーの回転数を増やすと、空隙率が大幅に増加することを示しています (p 値 = 0.013 の ANOVA 検定)。ただし、より高い回転数 (約 3000 以上) でミキサーの回転数を増やすと、混合物の多孔性に与える影響は少なくなります (ANOVA テストの p 値 > 0.05)。フライアッシュを含むシステムの多孔性は、制御システムとは異なり、この効果を示しません。

(a) 混合時間および (b) ミキサー回転数の影響は、制御システムおよび 20% および 50% のフライアッシュを含むシステムの 28 日間の空隙率に影響します。

図９は、異なるミキサー回転数における、対照、２０％、および５０％フライアッシュ系の正規化された２８日圧縮強度と２８日硬化気孔率との間の相関を示す。 28 日間の fc 値は、すべての混合物の平均 28 日間の fc で正規化されています。この研究では、線形近似曲線が示されました。示されている対数近似曲線は Neveille 45 によって報告され、指数関数および線形近似曲線は Brandt 46 によって報告されています。異なる種類の近似曲線は以前の研究の曲線と類似していませんが、この研究の線形近似曲線は他のものと区別されません。結果は、28 日 fc が空隙率の増加とともに減少することを示しており、この空隙率の増加は、ミキサー回転数の増加によって引き起こされる流量の減少による可能性が高いことを示しています。マクロ構造の全体的な性能を反映する主な基準は、長時間の混合から生じる新鮮なセメント混合物の適切な流れに関連するパラメータであると想定されます。

制御システムと、異なるミキサー回転数で混合された 20% および 50% のフライアッシュを含むシステムの正規化された 28 日 fc と 28 日気孔率との関係。

図１０ａ、ｂは、それぞれ、対照、２０％、および５０％フライアッシュシステムのＤａに対する混合時間およびミキサー回転数の影響を示す。結果は、混合時間もミキサー回転数もすべてのシステムの Da に有意な影響を及ぼさないことを示しています (ANOVA p 値 > 0.05)。対照システムは、フライアッシュを含むシステムよりも高い Da を示します (ANOVA p 値 = 0.026)。したがって、耐食性には材料成分の影響のみが影響し、混合活動には影響しません。フライアッシュをセメント系に添加すると、後の経過でより緻密な微細構造が得られ、気孔率が減少する可能性があることは周知の事実です。これは、ポゾラン反応（CaO と S が反応して CS-H 生成物を形成する）が年齢が上がるにつれて進行するためです 47,48。 Golewski 47 は、FA を含むポルトランドセメント系の均質で均一な構造が 14 日間の養生期間後に見られたと述べました。これは、不規則な相が緻密で均質な形態に変化し、CS-H 相の多孔質空隙が充填された結果であると述べています。 Sabet et al.49 は、セメント系にフライアッシュが存在すると、Ca(OH)2 と反応して CS-H 生成物を生成し、塩化物にさらされている期間中にアルミン酸塩相によって塩化物イオンと結合する可能性があると報告しました。これらは輸送速度の削減につながり、最終的にはコンクリート構造物の耐用年数を延ばすことができます。

制御システムおよび 20% および 50% のフライアッシュを含むシステムの Da に対する (a) 混合時間および (b) ミキサー回転数の影響。

この研究では、フライアッシュを含むセメント系の性能パラメーターに対する長時間の混合プロセスの影響を評価しました。さまざまな混合時間と混合速度で、ヒドロキシル、カルシウム、およびアルミン酸イオンの溶解速度を調べました。さまざまな混合時間と混合回転数で、ペーストとモルタルの新鮮な状態と硬化した状態の特性を調べました。調査結果は次のことを示唆しています。

混合速度の増加により、溶液中のヒドロキシルイオンの溶解速度が増加し、カルシウムイオンとアルミン酸イオンが不安定な状態に留まりました。

フライアッシュの置換レベルが増加すると、流量値は増加しますが、硬化時間は遅くなります。したがって、混合プロセスが長くなると流動値は低下しますが、フライアッシュ混合物は流動性が向上するため鋳造可能になります。

ミキサーの回転数が増加すると、フライアッシュを含まないシステムの 28 日 fc は減少しますが、フライアッシュを含むシステムの 28 日 fc は増加します。

フライアッシュモルタルの多孔度は、混合時間やミキサーの回転数には影響されません。

Da は、これらの混合時間やミキサーの回転数には影響されません。ただし、飛灰が存在する場合、Da はこれらの混合時間とミキサーの回転数の影響を受ける可能性があります。

混合時間とミキサーの回転数に関する研究結果に基づくと、大多数の SHA の既存の要件はフライアッシュを含むセメント系には関連しない可能性があります。現在進行中の研究では、フライアッシュを含むコンクリートの性能品質に対するこれらの現在の制約の影響が調査されています。

現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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著者らは、この研究の部分的な調査について、オレゴン州立大学土木建設工学部とワシントン運輸省に感謝したいと思います。

この研究プロジェクトは、タイ国立高等教育科学研究イノベーション政策評議会事務局競争力強化プログラム管理ユニット（PMU-C）およびチュラロンコン大学タイ科学研究イノベーション基金（SOC66250010）によって財政的に支援されました。

パトゥムターニー大学工学部工学部、パトゥムターニー、12000、タイ

イサラ・セレワッタナウット

クイーンメアリー大学工学部および材料科学部、ロンドン、E1 4NS、英国

チンナパット・パンウィサワス

チュラロンコン大学工学部土木工学科、バンコク、10330、タイ

チャユット・ガムカノン

チュラロンコン大学建築学部建築学科、バンコク、10330、タイ

ラピオテ・プラシッティソピン

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IS: 方法論、調査、データキュレーション。 CP: データのキュレーション、執筆 - レビューと編集。 CN: リソース、執筆 - レビューと編集。 WP: 監督、資金調達。 LP: 概念化、検証。

Lapyote Prasittisopin への対応。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Sereewatthanawut、I.、Panwisawas、C.、Ngamkhanong、C. 他。フライアッシュを組み込んだセメント系の新鮮な、硬化した、耐久性のある特性に対する長時間の混合プロセスの影響。 Sci Rep 13、6091 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-33312-x

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受信日: 2022 年 12 月 2 日

受理日: 2023 年 4 月 11 日

公開日: 2023 年 4 月 13 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-33312-x

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