概要：あるUHPCプレキャスト部材の顧客は、橋梁部材やUHPCプレキャスト部材の製造において、長年にわたり原料のばらつきによる強度の不安定という課題に直面していました。MSILIのUH-94マイクロシリカを導入し、適切な配合と撹拌プロセスの最適化を組み合わせることで、顧客はUHPCペーストの均一性と緻密性を改善し、7日および28日圧縮強度の変動リスクを低減させました。これにより、製品が設計強度要件をより安定して達成できるようになり、UHPCの量産に向けたより信頼性の高い原料ソリューションを提供しました。
量産条件と強度ばらつきの原因
あるUHPCプレキャスト部材の顧客は、主に橋梁部材やUHPCプレキャスト部材を生産しています。同顧客は長年にわたり建設プロジェクトに携わっており、製品の圧縮強度、流動性、緻密性、およびロット間の安定性に対して高い要求を課しています。
初期の生産段階において、顧客のUHPC配合はすでに高い強度基盤を備えていましたが、連続的な試作および量産プロセスにおいて、強度の安定性は常に理想的とは言えませんでした。同一の配合、同一の水セメント比、同一の養生条件下であっても、ロットごとの試験体の圧縮強度にばらつきが見られ、一部のロットでは初期強度の発現が遅く、28日強度の目標範囲内での安定維持も困難でした。
調査の結果、顧客は問題が単にセメント、石英砂、または減水剤の適合性の問題にとどまらないことを突き止めました。微細シリカ粉の原料の安定性、活性レベル、分散状態、および粒度分布の適合性が、UHPCの強度安定性に影響を与える重要な変数となっていることが判明しました。
UHPCは、低水セメント比、高粉体含有率、高緻密度を特徴とするシステムである。公開された研究によると、マイクロシリカはUHPFRC/UHPCにおける重要な原料であり、微細構造、水和反応、自己充填性、圧縮強度、曲げ・引張強度、耐久性などの中核的な性能に影響を与えることが指摘されている。したがって、UHPCの顧客にとって、マイクロシリカは単なる充填材ではなく、強度の安定性とシステムの緻密度を決定づける重要な機能性原料である。
ロット安定性を妨げていた4つの課題
顧客の従来のUHPCシステムには、主に以下の問題が存在していた：
1. 原料のロット間のばらつきが強度の安定性に影響
顧客が従来使用していた一般的なマイクロシリカは、ロット間で一定のばらつきがあり、SiO₂含有量、活性、細度、凝集状態、分散効果が十分に安定していなかった。一般的なコンクリートの場合、このようなばらつきの影響は限定的である可能性があるが、UHPCシステムでは、水セメント比が低く、粉体の使用量が多く、粒子の堆積状態に対する要求が厳しいため、マイクロシリカのばらつきが著しく増幅され、最終的には圧縮強度やペーストの状態に反映されてしまう。
2. 初期強度および28日強度の安定性が不十分
顧客の試験体において、一部のロットでは初期強度の増加が緩やかであり、28日圧縮強度にもばらつきが見られる。単回の試験では高い強度に達することは可能だが、顧客が重視しているのは、特定の試験における最高値ではなく、実用生産における安定した基準達成能力である。
3. ペーストの均一性が不十分で、内部の緻密度に影響
UHPCの強度が安定する前提として、ペースト内部の粒子分布が均一であり、細孔構造が微細化され、界面遷移領域が緻密であることが求められる。もしマイクロシリカの凝集体が系内で効果的に分散できない場合、マイクロフィラー効果やポルトランドセメント反応の効果が弱まり、局所的な弱点が增加し、ひいては強度の安定性に影響を及ぼすことになる。
4. 配合の度重なる調整による試作効率の低下
原料の安定性が不十分なため、顧客は減水剤の添加量、水セメント比、撹拌時間、粉末の配合比率を頻繁に調整する必要があり、試作サイクルが長期化し、技術検証コストが増大する。UHPCプレキャスト部材の顧客にとって、このような不安定さは製品の納期に直接影響を及ぼす。
UH-94を選定した理由と試験方針
顧客が抱える「強度は高くできるが、ロット間の安定性が不足している」という核心的な課題に対し、当社は、従来の一般的な微細シリカ粉をUH-94部分高密度化微細シリカ粉に置き換え、UHPCシステムの中核となる珪質活性材料として採用することを提案しました。
1. なぜUH-94微細シリカ粉を選んだのか？
UHPCシステムにおけるマイクロシリカへの要求は、単に「粒子が細かい」ことだけでなく、高SiO₂含有量、低不純物、安定した活性、そして優れた粒子充填能力も含まれます。当社の非常に専門性の高い同業の顧客の一社も、まさにこのMSILI UH-94製品を採用しています。より安定した高シリカ活性材料を用いることで、UHPCシステムに対し、より制御しやすい微細充填と火山灰反応の基盤を提供します。
2. なぜ部分高密度化を選ぶのか？
顧客が求めているのは「高活性」だけでなく、UHPCシステムにおいて微細シリカが優れた安定分散能力を発揮することでもあります。公開されている研究によると、凝集した微細シリカは撹拌方法を最適化することで再分散が可能であり、その分散効率は混和剤、配合比、水粉比に関係しています。高粉体含有量、低水粉比、高効率減水剤、および高せん断撹拌条件下では、微細シリカの凝集体を効果的に分散させることができます。
MSILI UH-94 微細シリカの利点は、完全密結型微細シリカよりもUHPC系で分散しやすく、かつ一般的な疎結型微細シリカよりもバッチ間の状態安定性を維持しやすい点にあります。顧客が現在抱えている課題に対して、半密結型は単に「使いやすさ」のためではなく、活性、分散性、安定性のバランスを取るために選ばれたのです。
3. 解決策の核心となる考え方
今回の解決策は、単に原料を置き換えるのではなく、UHPCの強度の安定性を中心とした体系的な最適化を行うものです：
- に、変動の大きかった従来の一般微細シリカをMSILI UH-94微細シリカに置き換えること。
- に、微細シリカの配合量を合理的な範囲に維持し、UHPCで一般的に用いられるセメント質量比15～25％の指針を参考にすること。第三に、乾式混合と湿式混合の順序を最適化し、システム内での微細シリカの分散効率を高めること。
- に、流動度、7日強度、28日強度、および強度のばらつき状況を通じて配合の安定性を判断すること。
- に、試験結果に基づき、減水剤と撹拌条件を微調整し、基本配合を繰り返し大幅に変更しないこと。
配合・練混ぜ条件・試験結果
1. 参考配合設計
顧客は現在、セメント、微細シリカ、石英粉、石英砂、水、ポリカルボン酸系減水剤、および鋼繊維からなるシステムを採用しており、強度は120MPa以上が要求されている。配合比の参考提案は、セメント1、微細シリカ0.25、石英粉0.35、石英砂1.10、水0.25、減水剤0.0012、鋼繊維は体積比2％の配合量とする。
| 原材料 | 参考配合比 |
|---|---|
| セメント | 1 |
| UH-94 微細シリカ粉 | 0.25 |
| 石英粉 | 0.35 |
| 石英砂 | 1.10 |
| 水 | 0.25 |
| ポリカルボン酸系減水剤 | 0.0012 |
| 鋼繊維 | 体積比2%の配合量 |
この配合の核心は、単にシリカフュームの配合率を高めることではなく、微細シリカフューム、セメント、石英粉、石英砂間の粒度分布を最適化することで、UHPCペーストの緻密度を高め、強度のばらつきのリスクを低減することにある。
2. 混練プロセスの最適化
UHPCの調製方法は以下の通りである。まず、シリカフュームと石英砂を低速で5分間乾式混合し、硬質粒子間の衝突作用を利用してシリカフュームの凝集塊を分散させる。続いてセメントと石英粉を加え、さらに5分間乾式混合を続ける。最後に水とポリカルボン酸系減水剤を加え、系を凝集状態から徐々に分散・懸濁状態へと移行させる。スチールファイバーはペースト形成後に添加し、高速で2分間撹拌する。
顧客は試験においてこの考え方を参考にし、減水剤を盲目的に増量するのではなく、「微細シリカフュームの凝集塊をほぐす」ことと「均一なペーストを形成する」という2つの工程に重点を置いた。これにより、局所的な分散不足に起因する強度のばらつきを低減することができる。
3. 流動性試験結果の参考
試験記録によると、UHPFRCの流動拡張度はそれぞれ260 mm、260 mm、265 mmであり、いずれも自己充填能力を持つ粘性UHPCに該当し、要件を満たしている。顧客がMSILI UH-94微細シリカを試験した結果、ペーストの状態がより均一になり、流動性を安定した範囲に維持しやすくなり、その後の強度の安定化に向けた基盤が築かれた。
4. 強度結果の参考
常温乾燥条件下において、7日後の圧縮強度は108.07 MPa、28日後の圧縮強度は139.21 MPaであった。
顧客にとって、MSILI UH-94 マイクロシリカの応用価値は、単回での最高強度を追求することにとどまらず、配合が目標強度範囲をより安定して達成できるよう支援することにあります。
5. 顧客の試験結果のまとめ
顧客による試作過程において、MSILI UH-94 マイクロシリカを使用することで、UHPCシステムには以下の改善が見られました：
- に、ペーストの均一性が向上し、粉末の分散状態がより安定しました
- 。第二に、流動・広がりのばらつきが減少したため、混合物の状態を制御しやすくなりました。
- に、7日強度の発現がより安定し、初期強度が低くなるバッチが減少しました。
- に、28日圧縮強度のばらつきが低減し、目標範囲に安定して到達しやすくなりました。
- に、配合調整の頻度が低下し、顧客は原料のばらつきを補うために水セメント比や混和剤の投与量を頻繁に変更する必要がなくなりました。
量産移行と技術レビュー
1. 納品内容
本プロジェクトの納品は、単にMSILI UH-94 マイクロシリカを供給するだけでなく、UHPCの強度安定性を中心とした包括的な選定提案を提供するものであり、以下が含まれます：
- マイクロシリカの品質指標に関する提案
- UHPCの参考混入量に関する提案
- 石英粉・石英砂の粒度分布のマッチングに関する提案
- 乾式混合と湿式混合の順序に関する提案
- 減水剤の適合に関する提案
- 7日および28日強度の検証に関する提案
- ロット間の安定性追跡に関する提案。
2. 振り返りの結論
振り返りを通じて、顧客が抱えていた問題の本質は「UHPCの配合で高強度が得られない」ことではなく、「主要原料のばらつきにより強度の安定性が不足している」ことであることが明らかになりました。
UHPCシステムにおいて、マイクロシリカは以下の3つの役割を担っています：
- に、超微細充填材として、セメント粒子と石英粉の間の微細な空隙を充填する。
- に、活性シリカ材料として、ポルトランドセメントの火山灰反応に関与し、C-S-Hゲルの生成を促進する。
- に、粒度分布体系の一部として、ペーストのレオロジー特性、緻密度、および界面構造に影響を与える。
マイクロシリカのロット間安定性が不足すると、これら3つの作用すべてに影響が及ぶ。MSILI UH-94 マイクロシリカに切り替えた結果、顧客のUHPCシステムはより安定した活性基盤と、より制御しやすい分散状態を獲得し、それによって強度のばらつきのリスクを低減することができた。
3. 事例の価値
この事例は、UHPCの顧客が微細シリカ粉を選定する際、価格やSiO₂という単一の指標だけを見てはならないことを示しています。生産の安定性に真に影響を与えるのは、活性、細度、凝集状態、分散適合性、ロット間の一貫性、そしてセメント、石英粉、石英砂、減水剤システムとの適合度を含む、微細シリカ粉の総合的な性能です。
MSILI UH-94 マイクロシリカの価値は、顧客がUHPCを「実験室では高強度を実現できる」段階から「現場生産で安定した品質を確保できる」段階へと推進する手助けにある。
本事例から分かること
UHPCの顧客にとって、強度の不安定さは多くの場合、単一のパラメータの問題ではなく、原料、粒度分布、分散、撹拌、養生が複合的に作用した結果である。その中で、UHPCシステムの中核となる活性鉱物混和材である微細シリカは、強度の安定性に決定的な影響を及ぼす。
本事例では、顧客がMSILI UH-94 マイクロシリカを導入することで、従来のマイクロシリカ原料のばらつきに起因する強度の不安定性を改善し、UHPCペーストの均一性、強度の発現、およびロット間の安定性を向上させることができました。
UHPC橋梁部材、蓋板、高強度プレキャスト部材、RPC製品、および組立式接合部材を生産しているお客様にとって、MSILI UH-94 マイクロシリカは、高い活性、高い分散適合性、そして高い安定性を兼ね備えたUHPC専用マイクロシリカソリューションとして活用できます。
