コンクリート

---

背景

コンクリートは、化学的に不活性な鉱物骨材（通常は砂、砂利、または砕石）、バインダー（天然または合成セメント）、化学添加物、および水を組み合わせて作成された硬化建材です。人々は一般に「セメント」という言葉をコンクリートの同義語として使用しますが、実際にはさまざまな物質を意味します。セメントは、水と混合すると硬化する多種多様な微粉砕粉末を含み、現代のいくつかの成分の1つにすぎません。コンクリート。コンクリートが乾くと、石のような粘稠度が得られ、道路、橋、上下水道システム、工場、空港、鉄道、水路、大量輸送システム、および米国の大部分を構成するその他の構造物の建設に理想的です。富。米国国立標準技術研究所（NIST）によると、このような施設の建設は、それ自体が米国最大の産業の1つであり、国民総所得の約10パーセントを占めています。水中で硬化する品種である40億ドル以上の水硬性セメントは、200億ドル相当のコンクリート建設で使用するために、米国で毎年生産されています。米国のすべてのセメントベースの構造物の価値は数兆ドルであり、今後20年間にこれらの構造物を修理するための予想コストとほぼ釣り合っています。

セメントとコンクリートという言葉はどちらもラテン語に由来しており、古代ローマ人が最初にこの物質を使用した可能性を反映しています。ローマの建設業者が多数の天然セメント鉱床にアクセスできた地中海を取り巻く国々には、ローマのコンクリート建設の多くの例が残っています。天然セメントは主に石灰で構成されており、石灰岩に由来し、火山灰と組み合わされることがよくあります。それは、最初の合成セメントが開発された18世紀まで、ほとんどの土木工学の基礎を形成していました。

水硬性石灰と呼ばれる最も初期の人工セメントは、ジョン・スミートンというイギリスのエンジニアがデボン沖のエディストン灯台を再建するために強力な材料を必要とした1756年に開発されました。ローマ人は水硬性セメントを使用していましたが、スミートンが再発明するまで、西暦5世紀の帝国の崩壊から式は失われました。 19世紀初頭、他の数人のイギリス人、特にジョセフアスプディンとアイザックチャールズジョンソンが合成セメントの精製に貢献しました。 1824年、アスプディンは石灰岩と粘土の合成ブレンドに関する特許を取得しました。これは、イギリスのポートランド島で採石された石灰石に似ているため、ポルトランドセメントと呼ばれていました。しかし、アスプディンの製品は、ジョンソンが1850年に製造した製品ほど強力ではありませんでした。ジョンソンの配合は、現在でも広く使用されているポルトランドセメントの基礎となっています。ポルトランドセメントで作られたコンクリートは、より強く、より耐久性があり、より一貫した品質であるため、天然セメントで作られたコンクリートよりも優れていると考えられています。米国材料試験協会（ASTM）によると、ポルトランドセメントは、石灰石などの石灰質（主に炭酸カルシウムで構成される）材料と、シリカ、アルミナ、および酸化鉄を含む材料を混合して作られています。次に、これらの物質は融合するまで燃焼され、得られた混合物またはクリンカーは粉砕されてポルトランドセメントを形成します。

ポルトランドセメントはヨーロッパの天然セメントにすぐに取って代わったが、米国のコンクリート技術はかなり遅れをとった。アメリカでは、天然セメント岩が最初に発見されたのは1800年代初頭で、エリー運河の建設に使用されました。そのような内陸水路の建設は、天然セメントを生産する多くのアメリカ企業の設立につながりました。しかし、ポルトランドセメントの強度が高いため、多くの建設エンジニアは、追加の時間と費用がかかるにもかかわらず、ヨーロッパに注文することを好みました。トーマス・エジソンは、ポルトランドセメントに非常に興味を持っており、その材料の蓄音機キャビネットを鋳造していました。 1870年代初頭に米国の産業がポルトランドセメントの製造方法を考え出したとき、アメリカの天然セメントの生産は減少し始めました。

ポルトランドセメントの精製後、鉄筋コンクリートが発明された19世紀後半に、コンクリート技術の次の大きな革新が起こりました。コンクリートは簡単に圧縮に耐えることができますが、張力に耐えることができません。この弱点は、曲げ作用を受ける橋やアーチのある建物などの構造物の構築には使用できないことを意味します。フランスとイギリスのエンジニアは、1850年代に、引張応力を受けるコンクリート構造物の部分に鋼棒を埋め込むことで、この欠陥を最初に修正しました。コンクリート自体は補強されていませんが、鉄筋コンクリートで造られた構造物は曲げに耐えることができ、この技術は20世紀初頭までに国際的に使用されました。

別の形態の強化コンクリートであるプレストレストコンクリートは、1888年に米国特許を取得しました。しかし、それを利用したいくつかの大きなドックと橋が建設された第二次世界大戦まで、広く使用されていませんでした。エンジニアは、コンクリート構造物の高応力部分を鋼で補強するのではなく、応力を受ける前にコンクリートの一部を圧縮できるようになりました。これにより、張力に耐える能力が向上します。

現在、さまざまな種類のコンクリートが設置方法に応じて分類されています。レディーミクストコンクリートまたはプレミックスコンクリートは、現場に配送される前に中央プラントでバッチ処理および混合されます。このタイプのコンクリートは、アジテータートラックで輸送されることがあるため、トランジット混合コンクリートとも呼ばれます。レディーミクストコンクリートは中央工場で部分的に混合され、現場に向かう途中で混合が完了します。

原材料

構造用コンクリートには通常、セメント1部、細鉱物骨材2部、粗鉱物骨材4部が含まれますが、これらの比率は、特定の設定で必要な強度と柔軟性を実現するために変更されることがよくあります。さらに、コンクリートには、特定の用途に必要な特性を備えたさまざまな化学物質が含まれています。コンクリートで最もよく使用される種類のポルトランドセメントは、石灰質材料（通常は石灰石）と、粘土または頁岩として見られるシリカとアルミナの組み合わせから作られています。少量では、酸化鉄とマグネシアを含むこともできます。コンクリートの体積の75％を占める骨材は、セメントペーストの形成と流れを改善し、コンクリートの構造性能を向上させます。ファイングレードは、までの粒子で構成されます。サイズは20インチ（5ミリメートル）ですが、粗いグレードにはからの粒子が含まれます。 20から。 79インチ（20ミリメートル）。大規模な建設の場合、骨材の粒子サイズは1.50インチ（38ミリメートル）を超える可能性があります。

骨材は、玄武岩、フリント、花崗岩など、岩石の種類に応じて分類することもできます。別の種類の骨材はポゾランです。 多くの場合、火山灰に由来する珪質およびアルミニウム質の物質。石灰石や水分と化学的に反応し、セメントの基礎となるケイ酸カルシウム水和物を形成します。ポゾランは通常、ポルトランドセメントペーストに添加され、その緻密化を促進します。火山性鉱物の一種であるケイ酸アルミニウムは、ケイ酸鉱物と組み合わされて、重量を減らし、コンクリートと鋼の表面間の結合を改善する複合材料を形成しています。その用途には、プレキャストコンクリート形状や高速道路用のアスファルト/コンクリート舗装が含まれます。アルミノケイ酸塩と少量の石灰を含む石炭燃焼発電所の副産物であるフライアッシュも、セメントのポゾラン材料としてテストされています。フライアッシュと石灰（CaO）を水熱プロセス（加圧下で温水を使用するプロセス）で組み合わせると、セメントも生成されます。

さまざまな化学物質がセメントに添加され、可塑剤、高性能減水剤、促進剤、分散剤、および減水剤として機能します。混和剤と呼ばれるこれらの添加剤は、未硬化状態のセメント混合物の作業性、塗布後のセメントの強度、および材料の水密性を高めるために使用できます。さらに、作業性を得るために必要な水の量と、丈夫なコンクリートを作成するために必要なセメントの量を減らすことができます。硬化時間を短縮する促進剤には、塩化カルシウムまたは硫酸アルミニウムおよびその他の酸性物質が含まれます。可塑剤または超可塑剤は、同じ水/セメント比で新鮮なセメント混合物の流動性を高め、それによって混合物の作業性と配置の容易さを改善します。典型的な可塑剤には、ポリカルボン酸材料が含まれます。高性能減水剤は、スルファン化メラミンホルムアルデヒドまたはスルファン化ナフタレンホルムアルデヒド凝縮物です。別の種類の混和剤であるセトレターダーは、コンクリートの硬化を遅らせるために使用されます。これらには、可溶性亜鉛塩、可溶性ホウ酸塩、および炭水化物ベースの材料が含まれます。ガス形成混和剤、水酸化カルシウムまたは過酸化水素と組み合わせた粉末亜鉛またはアルミニウムは、セメント混合物に閉じ込められるようになる水素または酸素の泡を生成することによって気泡コンクリートを形成するために使用されます。

セメントはもろい材料と見なされます。言い換えれば、それは簡単に壊れます。このように、コンクリートの引張強度を高めるために多くの添加剤が開発されてきました。 1つの方法は、ポリビニルアルコール、ポリアクリルアミド、ヒドロキシプロピルメチルセルロースなどの高分子材料をセメントと組み合わせて、マクロ欠陥のないセメントと呼ばれることもあるセメントを製造することです。別の方法では、ステンレス鋼で作られた繊維を追加する必要があります。 ガラス、またはカーボン。これらの繊維は、ストランド、シート、不織布、または織物の形で短くすることができます。通常、このような繊維は、繊維補強コンクリートの体積の約1パーセントにすぎません。

製造
プロセス

コンクリートの製造はかなり簡単です。まず、セメント（通常はポルトランドセメント）を準備します。次に、他の成分（砂や砂利など）、混和剤（化学添加剤）、必要な繊維、および水をセメントと混合してコンクリートを形成します。その後、コンクリートは作業現場に出荷され、配置、圧縮、硬化されます。

ポルトランドセメントの準備

• 1ポルトランドセメントを構成する石灰石、シリカ、およびアルミナは、非常に細かい粉末に乾式粉砕され、所定の比率で混合され、予熱され、煆焼されます（高温に加熱され、成分を溶かさずに不純物を燃焼させます）。 ）。次に、材料は華氏2,550度（摂氏1,400度）の大型ロータリーキルンで燃焼されます。この温度で、材料はクリンカーとして知られている物質に部分的に融合します。現代の窯は1日に6,200トンものクリンカーを生産することができます。
• 2次に、クリンカーを冷却し、チューブミルまたはボールミルで微粉末に粉砕します。ボールミルは、クリンカーを粉砕して粉砕するさまざまなサイズの鋼球（セメントの目的の細かさに応じて）で満たされた回転ドラムです。石膏は粉砕プロセス中に追加されます。最終的な組成は、いくつかの化合物で構成されています：ケイ酸三カルシウム、ケイ酸二カルシウム、アルミン酸三カルシウム、およびアルミノフェライト四カルシウム。

ミキシング

• 3次に、セメントは他の成分（骨材（砂、砂利、または砕石）、混和剤、繊維、および水）と混合されます。骨材は、通常の運転条件下で生コンクリートプラントで事前にブレンドまたは追加されます。混合操作では、回転または攪拌を使用して、骨材の表面をセメントペーストでコーティングし、他の成分を均一にブレンドします。さまざまなバッチまたは連続ミキサーが使用されます。
• 4繊維は、必要に応じて、直接噴霧、予備混合、含浸、または手作業によるレイアップを含むさまざまな方法で追加できます。シリカフュームは、分散剤または高密度化剤としてよく使用されます。

作業現場への輸送

• 5コンクリート混合物の準備ができたら、作業現場に輸送されます。手押し車、バケツ、ベルトコンベヤーなど、コンクリートの輸送方法はたくさんあります。 コンクリートを作る最初のステップは、セメントを準備することです。セメントの1つのタイプであるポルダンドセメントは、より強く、より耐久性があり、より一貫した品質であるため、天然セメントよりも優れていると考えられています。
  作るために、原材料は粉砕され、微粉末に粉砕され、一緒に混合されます。次に、材料は2つの加熱ステップ（煆焼と燃焼）を受けます。煆焼では、材料は高温に加熱されますが、融合しません。しかし、燃焼時には、材料が部分的に融合し、「クリンカー」と呼ばれる物質を形成します。次に、クリンカーはボールミルで粉砕されます。ボールミルは、材料を粉砕する鋼球で満たされた回転する鋼ドラムです。 ポルトランドセメントを準備した後、砂や砂利、混和剤、繊維、水。次に、作業現場に転送して配置します。配置中は、完全な圧縮（気泡の除去）を実現できるように、さまざまな成分の分離を回避する必要があります。特別なトラック、およびポンプ。ポンピングは、ホッパー、ポンプ、およびパイプで構成されるシステムを使用して、パイプラインを介して大量のコンクリートを長距離にわたって輸送します。ポンプにはいくつかのタイプがあります。半回転バルブを備えた水平ピストンポンプと、スクイーズポンプと呼ばれる小型のポータブルポンプです。真空はコンクリートの連続的な流れを提供し、2つの回転ローラーが柔軟なパイプを圧迫してコンクリートをデリバリーパイプに移動させます。

配置と圧縮

• 6現場に到着したら、コンクリートを配置して圧縮する必要があります。これらの2つの操作はほぼ同時に実行されます。さまざまな成分の分離を回避し、すべての気泡を排除して完全に圧縮できるように配置する必要があります。シュートまたはバギーのどちらを使用する場合でも、これらの目標を達成するには位置が重要です。配置と圧縮の速度は等しくなければなりません。後者は通常、内部または外部のバイブレーターを使用して実行されます。内部バイブレーターは、モーター駆動シャフトを収容するポーカーを使用します。ポーカーをコンクリートに挿入すると、制御された振動が発生してコンクリートが圧縮されます。外部バイブレーターは、内部バイブレーターに適さない形状または厚さの​​プレキャストまたは薄い現場セクションに使用されます。これらのタイプのバイブレーターは、弾性サポート上にある型枠にしっかりと固定されています。形もコンクリートも振動します。振動テーブルも使用され、テーブルは反対方向に回転する2本のシャフトを使用して垂直方向の振動を生成します。

硬化

• 7配置して圧縮したら、コンクリートが乾きすぎないように、完成する前にコンクリートを硬化させる必要があります。コンクリートの強度は、硬化プロセス中の水分レベルに影響されます。セメントが固化すると、コンクリートは収縮します。現場の制約によりコンクリートの収縮が妨げられると、引張応力が発生し、コンクリートが弱くなります。この問題を最小限に抑えるために、コンクリートは硬化して硬化するのに必要な数日間、湿らせておく必要があります。

品質管理

コンクリートメーカーは、原材料サプライヤーが一貫した均一な製品を供給することを期待しています。セメント製造工場では、一貫した窯供給を実現するために、セメントに入るさまざまな原材料の比率をチェックする必要があり、混合物のサンプルは、蛍光X線分析を使用して頻繁に検査されます。

コンクリートの強度は、仕様に準拠するためにテストする必要がある最も重要な特性である可能性があります。望ましい強度を達成するために、労働者は製造プロセスを注意深く制御する必要があります。これは通常、統計的プロセス制御を使用して行います。 American Standard of Testing Materialsおよびその他の組織は、強度をテストするためのさまざまな方法を開発しました。品質管理図は、生コンクリートの供給業者や現場のエンジニアがコンクリートの強度を継続的に評価するために広く使用されています。コンプライアンスに重要なその他の特性には、セメント含有量、水/セメント比、および作業性が含まれ、これらについても標準的な試験方法が開発されています。

未来

米国は1930年代から1960年代にかけてセメント技術の向上で世界をリードしてきましたが、それ以来、ヨーロッパと日本は新製品、研究開発を進めてきました。アメリカのリーダーシップを回復するために、国立科学財団はノースウェスタン大学に先端セメントベースの材料の科学技術センターを設立しました。 ACBMセンターは、特性が改善された新しいセメントベースの材料を作成するために必要な科学を開発します。これらは、新築だけでなく、高速道路、橋、発電所、廃棄物処理システムの修復と修理にも使用されます。

米国のインフラストラクチャの劣化により、高速道路業界の重点は、新しい道路や橋の建設から、既存の構造物の維持と交換に移りました。コストを削減するには、より優れた技術と材料が必要であるため、戦略的高速道路研究プログラム 5年間の1億5000万ドルの研究プログラムである（SHRP）は、1987年に設立されました。対象地域は、アスファルト、舗装性能、コンクリート構造物、および高速道路の運用でした。

NISTの建築技術センターは、コンクリートの性能を改善するための研究も行っています。プロジェクトには、コンクリートの現場試験の新しい方法を開発しているいくつかのプロジェクトが含まれています。他のプロジェクトには、特性のコンピューターモデリングと耐用年数を予測するためのモデルが含まれます。さらに、コンクリート混合物を設計し、コンクリート劣化の原因を診断するために、いくつかのエキスパートシステムが開発されてきました。

もう1つのセメント業界の傾向は、少数の大容量生産システムに製造が集中していることです。これは、いくつかの古い生産ラインを単一の大容量ラインに置き換えるか、既存のラインをアップグレードして近代化し、生産量を増やすことで達成されました。自動化は、これらの歩留まりの向上を達成する上で重要な役割を果たし続けます。廃棄物の副産物を原料として利用し続けます。