酸化鉄顔料とセメントの水和反応：凝結時間および強度への影響

要するに： 酸化鉄顔料は微粉末であり、コンクリート配合中の他のすべての成分と水および混和剤を競い合います。ほとんどの製造現場では、凝結時間や28日齢強度への影響はわずかであり、原因が他にあるにもかかわらず、顔料が疑われがちです。同一のセメント、同一の水セメント比、同一の養生条件で、無色のコントロール配合と着色配合をそれぞれ1種類ずつ作製し、凝結時間および圧縮強度試験結果を比較してください。この1組の配合比較だけで、顧客が実際にお尋ねになっている問いに明確にお答えできます。

金曜日にバッチプラントで色を変更したところ、火曜日に供試体の強度値が低く出ました。目視で確認できる変化は顔料の添加だけであるため、まず顔料が疑われます。場合によってはその判断が妥当ですが、多くの場合はそうではありません。

着色剤を混合機に投入した際に、実際に起こっている現象です。

顔料は、すでに多種多様な粉末が存在する混練系において、2番目の粉末です。

セメント粒子は水和反応を起こし、その過程で水分を吸収して発熱します。一方、酸化鉄（Fe2O3）の赤色顔料は、このどちらの作用も示しません。ポルトランドセメント系において化学的に安定であるため、数十年にわたり色褪せることなく色を保つのです。

しかし、この顔料がもたらす効果として、表面積の増加があります。通常のコンクリート全体着色用量で添加される顔料は、極めて微細な粒子を大量に含みます。これらの粒子は水分を強く吸着しようとする性質があり、特にコンクリート混合物がまだ可塑性を有している段階でその作用が顕著になります。その結果、一般的にはわずかな水量増加が生じ、同じスランプ値でも混合物がやや硬めに感じられるようになります。

もう一つ、製造現場で見落とされがちな影響があります。微細な顔料粒子の表面は、空気入れ剤や減水剤などの混和材の一部を、セメント粒子に到達する前に吸着・消費してしまうことがあります。つまり、配合表に記載した混和材の規定量は確かにドラム内に投入されていますが、実際に機能している量はそれより少なくなるのです。

こうした影響は、まず凝結時間の変化として現れます。

セッティングは、熱および化学反応を伴う現象です。ポルトランドセメントの主な強度発現成分であるシリケート三カルシウム（C3S）が水と反応を始め、ペーストが硬化し始めます。セメント粒子への水の到達を遅らせる要因は、すべてこの反応曲線を右側へずらします。

実際には、顔料を添加した混合物は、無添加のコントロール試料に比べて若干遅れてセッティングすることがよくあります。その遅れは通常10～20分程度で、多くの場合問題ありません。重要なのは、この遅れが再現性があるかどうか、および顔料の添加量が増加するにつれてさらに大きくなる傾向があるかどうかです。

この問題を解決する方法は2つあります。1つはビカット針法（ASTM C191：ペーストに対する貫入針試験）で、実験室内で明確な数値を得られます。もう1つは貫入抵抗法（ASTM C403：骨材を除去したモルタルにプローブを押し込む試験）で、実際の配合（骨材を含む）に対してより適した評価が可能です。いずれの方法も、同一ロットのセメントを用いて、コントロール試料と顔料添加試料それぞれについて実施することで、セッティング時間のずれの大きさを定量的に把握できます。

顔料を他のすべての材料から分離すること

強度低下には多くの原因があります。セメントのロット変動、骨材の水分量、配合許容誤差、養生、打設時の温度——これらすべてが強度値に影響を与えます。顔料と配合を同時に変更すれば、何が原因かは一切分かりません。

コントロール試験を厳密に実施してください。同じセメントサイロ、同じ骨材山、同じ水セメント比（w/c：水の質量÷セメントの質量）、同じ添加剤ロットを使用します。変更するのは顔料のみです。両方の配合で供試体円柱を作製し、並べて同一条件下で養生したうえで、ASTM C39に従い7日目および28日目に圧縮強度試験を行ってください。

着色配合の強度が両方の時期（7日・28日）においてコントロールより低く、かつその差が増大する場合、顔料による明確な影響が認められ、まず最初に添加量を検討すべきです。一方、両者の差が自社の試験における通常のばらつき範囲内に収まる場合は、顔料が原因ではないため、養生状況や水分管理を見直す必要があります。

ばらつきについても正直に話しましょう。2本の円柱試験体では証拠になりません。1個の立方体試験体で0.5メガパスカルの差をめぐって議論する製造所は、たいていノイズ（測定誤差）をめぐって議論しているのです。

色よりも重要な3つのこと

顔料は、スコップで計量するのではなく、重量で配合すること。 2立方メートルのコンクリート・バッチに対して、顔料を1キログラム単位で計量するのは問題ありません。しかし、シャベルですくって投入するのは不適切です。その結果生じる色ムラは、しばしば供給業者のせいにされてしまいます。

分散時間。 混合サイクルの終了直前に顔料を投入し、30秒後に排出してしまうと、顔料はまったく分散しません。その結果、筋状のムラが生じ、実験室で試験した混合物とは異なる挙動を示すコンクリートになります。十分な混合時間を確保し、排出時の状態を確認してください。

常に養生すること。 着色コンクリートは表面で評価されます。そして、表面こそが養生効果が最も早く現れる場所です。着色されたスラブが早期に乾燥すると、ムラのある外観になり、それが顔料の不良と誤認されることがあります。しかし実際には、ほとんどの場合、顔料の問題ではありません。

植物が失敗する場所は、ほぼ常にここ——この3つの工程であり、顔料の配合工程ではありません。

一度の打設でその問いに答える試験

1. 実際に使用するセメントのロット番号を特定し、コントロール配合および試験配合の両方で、その同一ロットのセメントを用いること。
2. 開始前に、水セメント比および混和剤の添加量を書面上で固定し、目標とするスランプ値も明記すること。
3. 顔料を含まないコントロール配合を作成し、円柱供試体を製作して、ビカット針または貫入度試験で初凝結時間を測定すること。
4. 生産時に用いる顔料添加量で着色配合を作成すること。セメント・骨材・水セメント比はコントロール配合と同一とし、同様の手順で供試体を製作・測定すること。
5. 両配合のスランプ値を記録すること。水需要量に変化があった場合は、目標スランプを回復するために追加した水または混和剤の量を明記すること。
6. 供試体は7日目および28日目に破壊強度試験を行い、結果は個別のノートではなく、当該バッチの記録とともに保管すること。
7. 生産で複数の顔料添加量を用いる場合、上限値での試験を同様に実施すること。その影響は添加量に依存する。
8. 顔料のロット（比較用に承認済みのサンプル）およびセメントのロットを、来年の議論に備えて証拠となるよう、一緒に保管してください。

顔料サプライヤーがあなたに負う責任

顔料サプライヤーは、自社製品があなたのミキサーでどのように振る舞うかを教えてくれません。彼らが提供できるのは、製品の成分情報と、試験の妥当性を保つためのロット間の一貫性——つまり、同一の製品をロットごとに安定して供給することだけです。

当社は26年にわたり酸化鉄系顔料を製造しており、コンクリート・モルタル・アスファルト・塗料・プラスチック・ゴム向けに、赤色（Fe₂O₃）、黄色（α-FeOOH）、黒色（Fe₃O₄）、茶色、および複合グリーン・ブルー系の各種グレードを取り扱っています。最小発注単位は1トン（1,000 kg）です。試験用の少量納入も可能で、その場合は見積書に記載された同一生産ロットから採取し、ロット番号および分析証明書を併せてお届けします。

カラーミックスに関する所定の時間または強度に関する試験を実施する場合、ご使用のミックス設計およびセメントのロット番号をお知らせください。当社は、それに合わせて顔料のロットを調整いたしますので、試験における変数は、お客様が意図して評価したい項目のみとなります。

お問い合わせ先：[email protected]｜＋86-13400211655