JP2007070985A - プレグラウトｐｃ鋼材及びそれを用いたｐｃ構造物 - Google Patents

Abstract

【課題】プレグラウトＰＣ鋼材のシース３とコンクリート４との付着力を調整することにより、大地震などが起こった際に、コンクリート構造体に配置されたＰＣ鋼材１への応力集中を分散し、ＰＣ鋼材１の破断を防止するというアンボンドＰＣ鋼材の長所をプレグラウトＰＣ鋼材に取り入れる。
【解決手段】プレグラウトＰＣ鋼材におけるシース３とコンクリート４との接着力に着目し、シース３表面の少なくとも一部に、シース３とコンクリート４との付着力を１．５Ｎ／ｍｍ^２〜２．０Ｎ／ｍｍ^２に調整した部分を形成した。
【選択図】図１

Description

この発明は、予め工場においてＰＣ（プレストレストコンクリート）鋼材に遅延硬化性防錆剤を塗布し、その周囲をシースによって被覆したプレグラウトＰＣ鋼材とそれを用いたＰＣ構造物に関するものである。

これまでのＰＣ（プレストレストコンクリート）工法のＰＣ鋼材としては、ボンドＰＣ鋼材とアンボンドＰＣ鋼材が代表的なものである。
ボンドＰＣ鋼材は、コンクリートの打設前にシースを配筋し、コンクリートの硬化後又は硬化前にＰＣ鋼棒、ＰＣ鋼線、ＰＣ鋼撚り線等のＰＣ鋼材を挿入し、コンクリートが望ましい強度になった時にＰＣ鋼材を緊張し、その後、防錆処理及びＰＣ鋼材とコンクリートとを接着、一体化するためにセメントミルク等をシースに圧入するというグラウト工事を現場で行って構築されるものである。

このボンドＰＣ鋼材は、ＰＣ鋼材をシース中に挿入したり、セメントミルク等を圧入したりするので、作業が非常に複雑で、時間と労力を必要とする。又、緊張材であるＰＣ鋼材は、通常、配筋状態で湾曲しており、セメントミルク等をシース中に完全に注入することが困難で、注入の不完全な部分でＰＣ鋼材の腐食が起こるおそれもある。

一方、アンボンドＰＣ鋼材は、ＰＣ鋼材にグリースを塗布し、その周囲をシースでカバーしたものである。このアンボンドＰＣ鋼材は、ＰＣ鋼材がグリースにより完全に防食され、セメントミルク等の注入も不要である。しかし、緊張後もＰＣ鋼材とコンクリートとの間には接着がない状態のままであるから、ＰＣ鋼材に一時的な過負荷が生じると、ＰＣ鋼材の定着部に荷重が集中し、定着部でＰＣ鋼材が破断する原因となる。さらに、ＰＣ鋼材とコンクリートの間に接着がないために、１個所でもＰＣ鋼材が破断すればそのＰＣ鋼材を用いているコンクリート構造全体に影響を与えることになる。又、アンボンドＰＣ鋼材の場合、終局曲げ破壊耐力がボンドＰＣ鋼材に比べて低い。このため、アンボンドＰＣ鋼材は、ＰＣ鋼材とコンクリートの間に付着がないため、ＰＣ構造物自体の曲げ耐力が弱く、十分な曲げ耐力を得ようとすると、ＰＣ鋼材の量を少なくとも１〜２割増加させなければならず、鋼材使用量が多く、鋼材コストが高くなるという問題がある。

このようなボンドＰＣ鋼材やアンボンドＰＣ鋼材に対し、プレグラウトＰＣ鋼材は、前述したように、現場でのグラウト作業が不要で、ＰＣ鋼材が完全に防食処理され、緊張後はプレストレストコンクリートと一体化でき、しかもコンクリートに対する接着力も大きく、定着部の弱点もないという利点を持っており、ＰＣ鋼材として飛躍的に普及している。
このようなプレグラウトＰＣ鋼材においては、従来、例えば特許文献１に記載されているように、シースを波形の凹凸形状に形成し、シースとコンクリートとの接着力を向上させることが重要であるとされてきた。

特公平７−１０７３０４号公報

ところで、アンボンドＰＣ鋼材の長所の一つは、現場でのグラウト工事を必要としないということであるが、大地震後の建物復旧の観点からも一つの大きな長所がある。すなわち、アンボンドＰＣ鋼材は、大地震の際に大きな荷重が附加された場合に、引張鉄筋の降伏に伴い部材全長が伸び、ＰＣ鋼材の柱梁接合部の変形歪みの集中が分散され、ＰＣ鋼材の破断という問題が起きにくい。一方、ボンドＰＣ鋼材では、大地震によって大きな塑性変形を受け、コンクリートにひびが入ると、ひびの部分からＰＣ鋼材に応力が集中し、ＰＣ鋼材が破断し易い。特に、梁端のＰＣ鋼材の破断により緊張力が減退し、その減退量が大きい場合にはＰＣ鋼材としては成立せず、補修工事を行ったとしても梁のたわみ障害などの問題が生じる。それに対して、アンボンドＰＣ鋼材は、ＰＣ鋼材が降伏しなければ大きな塑性変形を受けても緊張力は部材全長にわたって減退することなく、逆に増加することになる。さらに、材端の圧壊が顕著な場合においてもボンドＰＣ鋼材のような大きな緊張力の減退がない。このため、地震後のコンクリート等の損傷を補修するだけで建物の再使用が可能になる。

そこで、この発明は、プレグラウトＰＣ鋼材のシースとコンクリートとの付着力を調整することにより、大地震などが起こった際に、コンクリート構造体に配置されたＰＣ鋼材への応力集中を分散し、ＰＣ鋼材の破断を防止するというアンボンドＰＣ鋼材の長所をプレグラウトＰＣ鋼材に取り入れることを課題とするものである。

上記した課題を解決するため、この発明においては、プレグラウトＰＣ鋼材におけるシースとコンクリートとの接着力に着目し、シース表面の少なくとも一部に、シースとコンクリートとの付着力を１．０Ｎ／ｍｍ^２〜２．０Ｎ／ｍｍ^２に調整した部分を形成したのである。

このように、シースとコンクリートとの付着力が１．０Ｎ／ｍｍ^２〜２．０Ｎ／ｍｍ^２となる部分を形成しておくと、この付着力が弱い部分で、地震などにより生じる大きな変形歪みを分散して変形するので、ＰＣ鋼材の破断を未然に防ぐことができる。
したがって、シースとコンクリートとの付着力が１．０Ｎ／ｍｍ^２〜２．０Ｎ／ｍｍ^２となる部分は、特に、コンクリート構造体で、変形歪みが集中する柱梁の接合部分付近に設けておくことが望ましい。

この発明において、シースとコンクリートとの付着力は、日本コンクリート協会の引き抜き試験により得られる値であり、試験方法は次の通りである。
・１０ｃｍ角のコンクリートブロック中央にＰＣ鋼材を埋設する。この際、片側のＰＣ鋼材は引き抜くための余長を残し、もう一方の端部はブロック端部に揃えるようにする。
・コンクリートブロックには、φ６ｍｍ、ピッチ４０ｍｍのスパイラル筋を配置する。
・コンクリート発現強度は、３０Ｎ／ｍｍ^２とする。
・コンクリート強度が発現した時点で、ＰＣ鋼材を引き抜く。
・引き抜き力の最大値を測定し記録する。
・付着力＝引き抜き力÷コンクリートブロックに接する鋼材の表面積
＝引き抜き力÷（１０ｃｍ×鋼材周長）で求める。

この発明において、シースとコンクリートとの付着力の調整は、シース表面に形成する凹凸の高さを低くしたり、シース表面を凹凸のない平滑面にしたりすることにより可能である。

この発明において使用するシースの材料は、ポリエチレンなどの樹脂材料の他、鉄等の金属でもよい。

また、ＰＣ鋼材としては、ＰＣ鋼撚り線の他、ＰＣ鋼線、ＰＣ鋼棒等を使用することができる。

このように、コンクリート構造物の柱梁接合部付近に、シースとコンクリートとの付着力を１．０Ｎ／ｍｍ^２〜２．０Ｎ／ｍｍ^２に調整したこの発明に係るプレグラウトＰＣ鋼材を配置し、他の部位に、後硬化型の樹脂を塗布したＰＣ鋼材をシースによって包み、シースとコンクリートとの付着力を２．０Ｎ／ｍｍ^２以上にしたプレグラウトＰＣ鋼材を配置することにより、曲げ耐力の低下を抑制しつつ、しかもリニューアル工事やガス爆発などの不測の際にＰＣ鋼材が切断されてもプレストレスの消失を防止することができ、しかも、大地震などが起こった際には、コンクリート構造体に配置されたＰＣ鋼材への応力集中を分散し、ＰＣ鋼材の破断を防止することができるＰＣ構造物を得ることができる。

さらに、材端の圧壊が顕著な場合においてもボンドＰＣ鋼材のような大きな緊張力の減退がないので、地震後のコンクリート等の損傷を補修するだけで建物の再使用が可能になる。

アンボンドＰＣ鋼材を用いた場合、ガス爆発あるいはリフォームの解体時に、ＰＣ鋼材を切断もしくはＰＣ鋼材が破断して、ＰＣ鋼材端が定着端部から飛び出す可能性があるが、この発明に係るプレグラウトＰＣ鋼材では、コンクリートとシースとの間には付着があり、ＰＣ鋼材の定着端部からの飛び出しを抑制できる。

また、この発明に係るプレグラウトＰＣ鋼材では、シースの余長にわたり凹凸成型を施さないことも可能であるため、従来のプレグラウトＰＣ鋼材に比し、凹凸成形のための製造コストを下げることもできる。

この発明に係るプレグラウトＰＣ鋼材の基本構造は、予め工場において鋼材に遅延硬化性防錆剤が塗布され、その周囲をシースによって被覆したものである。

図１に、このプレグラウトＰＣ鋼材を使用したコンクリート構造体の例を示している。
この図１において、１はＰＣ鋼材、２は遅延硬化性防錆剤、３はシース、４はコンクリートをそれぞれ示している。

このプレグラウトＰＣ鋼材は、ＰＣ鋼材１を心材にして、このＰＣ鋼材１の表面に、塗布した後に所定時間経過して接着硬化作用を発現する未硬化の遅延硬化性防錆剤を少なくとも２０μｍの厚さに塗布し、その周囲に継目のないプラスチックのシースを溶融状態で押出して収縮により密着させることにより、製造することができる。
この発明のプレグラウトＰＣ鋼材のシースは、全長にわたり凹凸のない平滑面にしたり、凹凸のない平滑面を部分的に形成したり、凹凸形状の深さを浅く形成することによってコンクリートとの付着力が所定の強さになるように調整されている。

シースに凹凸を施す場合には、波形に成形する成形ダイスを用い、該成形ダイスの面にプラスチックシースの外面が密接するように成形ダイスの面を外部から真空ポンプで吸引し、成形ダイス内のくぼみに硬化前のシース用樹脂を密着させることにより、プラスチックシースの内・外面を凸凹面に形成することができる。

遅延硬化性防錆剤は、塗布後の所定時間経過して接着硬化作用を発現する接着剤である。このＰＣ鋼材に塗布した未硬化の遅延硬化性防錆剤の硬化時間は、緊張材を緊張するまでは硬化せず、緊張材を緊張してコンクリートに定着した後に常温で硬化するように調整される。これは、緊張材に緊張力を加える前に接着剤が硬化していると、緊張材とコンクリートの間で生じる接着によって、緊張材に加えた緊張力が緊張材の全長にわたって均一に伝達されなくなるからである。

一般に、普通セメントを用いた場合はコンクリート打ちした後、緊張材を緊張できるようになる強度にまでコンクリートの強度が高まるには約９６時間を要し、又、早強セメントを用いた場合は約４８時間を要する。したがって、遅延硬化性防錆剤は、好ましくは常温で４８時間以上、より好ましくは４８時間以上の期間で硬化を調整できるものを用いる。また、遅延硬化性防錆剤は、ＰＣ鋼材の緊張後は速やかに硬化することが望ましいため、硬化時間は１年以下が好ましい。

ＰＣ鋼材の周囲に塗布する未硬化の遅延硬化性防錆剤の塗膜厚さを２０μｍ未満とした場合、塗膜によってＰＣ鋼材とコンクリートに密着されるシースとの間の縁切りが十分でなくなり、緊張時にＰＣ鋼材の動きに対するコンクリート材の摩擦抵抗が高まる。ＰＣ鋼材としてＰＣ鋼撚り線を用いた場合には、遅延硬化性防錆剤を均一厚さでＰＣ鋼撚り線の表面に塗布し難い。このような場合には、塗膜の厚さの最小厚さの部分が２０μｍ以上になるように、ＰＣ鋼撚り線に遅延硬化性防錆剤を塗布する。塗布方法については、ＰＣ鋼材の周囲に適切な厚さに塗布することができる方法であれば特に限定はなく、例えばハケ塗りや浸漬等を用いることができる。

このように、ＰＣ鋼材の緊張前に、硬化しないように調整した未硬化の遅延硬化性防錆剤が塗布され、その周囲がシースで包み込んだプレグラウトＰＣ鋼材を望ましい位置に配置し、コンクリートを打設し、コンクリートの強度がＰＣ鋼材を緊張できる強度にまで達してからＰＣ鋼材を緊張する。結果として、ＰＣ鋼材を緊張する前に遅延硬化性防錆剤が硬化することはなく、ＰＣ鋼材の緊張前に、ＰＣ鋼材とコンクリート部の間に接着が生じることがないため、ＰＣ鋼材を全長にわたって均一に緊張することができる。ＰＣ鋼材の緊張後、遅延硬化性防錆剤は次第に硬化し、ＰＣ鋼材とコンクリート部が強固に接着する。

図１に示すプレグラウトＰＣ鋼材は、心材となる鋼材１として直径２１．８ｍｍのＰＣ鋼撚り線を使用し、このＰＣ鋼撚り線の周囲に、０．５〜１ｍｍ厚のフィルム状に未硬化の遅延硬化性防錆剤２を塗布し、そのまわりをシース３によって被覆して形成している。

遅延硬化性防錆剤は、エポキシ樹脂と硬化促進剤とを混合したもので、約６ヵ月の硬化時間を有する。遅延硬化性防錆剤２の種類については特に限定はないが、ＰＣ鋼材１に対して、充分な接着力及び防食性が確保することができる点から、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、又はポリエステル樹脂を主成分とするものが好ましい。

上記構造のプレグラウトＰＣ鋼材を所定の位置又はパターンに配置し、このプレグラウトＰＣ鋼材を埋め込むようにコンクリート４を打設する。

プレグラウトＰＣ鋼材では、遅延硬化性防錆剤２の硬化時間はコンクリート４の強度が緊張材に緊張力を加えられる強度に高まるまでの時間を考慮して成分を適切な割合で配合することによって任意に調整し得る。

次に、下記表１に示す７つの試験体について、日本コンクリート協会の引き抜き試験を実施した。試験方法は次の通りである。
・１０ｃｍ角のコンクリートブロック中央にＰＣ鋼材を埋設する。この際、片側のＰＣ鋼材は引き抜くための余長を残し、もう一方の端部はブロック端部に揃えるようにする。
・コンクリートブロックには、φ６ｍｍ、ピッチ４０ｍｍのスパイラル筋を配置する。
・コンクリート発現強度は、３０Ｎ／ｍｍ^２とする。
・コンクリート強度が発現した時点で、ＰＣ鋼材を引き抜く。
・引き抜き力の最大値を測定し記録する。
・付着力＝引き抜き力÷コンクリートブロックに接する鋼材の表面積
＝引き抜き力÷（１０ｃｍ×鋼材周長）で求める。

試験体Ｎｏ．１のＰＣ鋼材の構造は、アンボンドＰＣ鋼撚り線であり、ＰＣ鋼撚り線の周囲に、凹凸のないポリエチレン製のシースを設け、ＰＣ鋼撚り線とシースとの間に、グリースを充填したものである。ＰＣ鋼撚り線は、φ２１．８の１９本撚りのものを使用した。また、使用したシースは、内径２３ｍｍ、外径２６ｍｍであった。充填剤はグリースを使用し、塗布量は、厚み５００μｍとした。

試験体Ｎｏ．２のＰＣ鋼材の構造は、プレグラウトＰＣ鋼材であり、ＰＣ鋼撚り線の周囲に、摩擦を小さくするためにシリコンを塗布した平滑な凹凸のないポリエチレン製のシースを設け、ＰＣ鋼撚り線とシースとの間に、遅延硬化性防錆剤を充填したものである。ＰＣ鋼撚り線は、試験体Ｎｏ．１と同じものを使用した。遅延硬化性防錆剤としては、後硬化性エポキシ樹脂を使用し、塗布量は、厚み５００μｍとした。

試験体Ｎｏ．３のＰＣ鋼材の構造は、プレグラウトＰＣ鋼材であり、ＰＣ鋼撚り線の周囲に、平滑な凹凸のないポリエチレン製のシースを設け、ＰＣ鋼撚り線とシースとの間に、遅延硬化性防錆剤を充填したものである。ＰＣ鋼撚り線は、試験体Ｎｏ．１と同じものを使用した。遅延硬化性防錆剤としては、後硬化性エポキシ樹脂を使用し、塗布量は、厚み５００μｍとした。

試験体Ｎｏ．４のＰＣ鋼材の構造は、プレグラウトＰＣ鋼材であり、ＰＣ鋼撚り線の周囲に、試験体Ｎｏ．２よりも平滑であるが少し凹凸のあるポリエチレン製のシースを設け、ＰＣ鋼撚り線とシースとの間に、遅延硬化性防錆剤を充填したものである。ＰＣ鋼撚り線は、試験体Ｎｏ．１と同じものを使用した。遅延硬化性防錆剤としては、後硬化性エポキシ樹脂を使用し、塗布量は、厚み５００μｍとした。

試験体Ｎｏ．５のＰＣ鋼材の構造は、プレグラウトＰＣ鋼材であり、ＰＣ鋼撚り線の周囲に、１．５ｍｍの高さの小さな凹凸を有するポリエチレン製のシースを設け、ＰＣ鋼撚り線とシースとの間に、遅延硬化性防錆剤を充填したものである。ＰＣ鋼撚り線は、試験体Ｎｏ．１と同じものを使用した。遅延硬化性防錆剤としては後硬化性エポキシ樹脂を使用し、塗布量は、厚み５００μｍとした。

試験体Ｎｏ．６のＰＣ鋼材の構造は、被覆のないＰＣ鋼撚り線である。ＰＣ鋼撚り線は、試験体Ｎｏ．１と同じものを使用した。

試験体Ｎｏ．７のＰＣ鋼材の構造は、プレグラウトＰＣ鋼材であり、ＰＣ鋼撚り線の周囲に、４．５ｍｍの高さの大きな凹凸を有するポリエチレン製のシースを設け、ＰＣ鋼撚り線とシースとの間に、遅延硬化性防錆剤を充填したものである。ＰＣ鋼撚り線は、試験体Ｎｏ．１と同じものを使用した。遅延硬化性防錆剤としては、後硬化性エポキシ樹脂を使用し、塗布量は、厚み５００μｍとした。

上記各プレグラウトＰＣ鋼材の引き抜き試験は、遅延硬化性防錆剤が硬化した後に行った。

表１に示す通り、プレグラウトＰＣ鋼材においては、シース３の表面の平滑度や凹凸形状の高さを変化させることにより、シースとコンクリートとの付着力の大きさを調整することができる。
各試験体のＰＣ鋼材を使用したＰＣ構造体の曲げ強度及びＰＣ鋼材の破断の有無については、試験体Ｎｏ．１のアンボンドＰＣ鋼撚り線では、十分な曲げ強度を得るには、鋼材数が多くなり、また、プレグラウトＰＣ鋼材であっても、試験体Ｎｏ．４や５は、ＰＣ鋼材のシースとコンクリートとの付着力が強すぎて、大地震で生ずる応力で、ＰＣ鋼材の破断が生じるが、試験体Ｎｏ．２や３のプレグラウトＰＣ鋼材ではＰＣ鋼材の破断が生じにくい。
これは、図２に示す実験により確認可能である。図２の実験は、コンクリートのスタブ５に固定された各ＰＣ鋼材１が配置された片持ち梁のプレストレストコンクリート試験体４を載荷する実験であり、載荷力をＦ、ＰＣ鋼材１の定着具を符号６で示している。なお、コンクリート強度は、ＰＣ鋼材が破断する前にコンクリートが圧壊しない高強度コンクリートとする必要があり、６０Ｎ／ｍｍ^２以上とすることが望ましい。

この発明に係るプレグラウトＰＣ鋼材の断面図 この発明に係るプレストレストコンクリート梁の破断実験の様子を示す断面図

符号の説明

１ ＰＣ鋼材
２ 遅延硬化性防錆剤
３ シース
４ コンクリート
５ スタブ
６ 定着具

Claims (6)

1. 遅延硬化性防錆剤を塗布したＰＣ鋼材をシースによって被覆したプレグラウトＰＣ鋼材において、シース表面の少なくとも一部に、シースとコンクリートとの付着力を１．０Ｎ／ｍｍ^２〜２．０Ｎ／ｍｍ^２に調整した部分を形成したことを特徴とするプレグラウトＰＣ鋼材。
2. シース表面を凹凸のない平滑面に形成することにより、シースとコンクリートとの付着力を１．０Ｎ／ｍｍ^２〜２．０Ｎ／ｍｍ^２に調整した請求項１記載のプレグラウトＰＣ鋼材。
3. シースの材料がポリエチレンである請求項１又は２記載のプレグラウトＰＣ鋼材。
4. シースが金属である請求項１又は２記載のプレグラウトＰＣ鋼材。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のプレグラウトＰＣ鋼材を配置したことを特徴とするプレストレストコンクリート構造物。
6. コンクリート構造物の柱梁接合部付近に、請求項１〜４のいずれかに記載のプレグラウトＰＣ鋼材を配置し、他の部位に、遅延硬化性防錆剤を塗布したＰＣ鋼材をシースによって被覆し、シースとコンクリートとの付着力が２．０Ｎ／ｍｍ^２以上のプレグラウトＰＣ鋼材を配置したことを特徴とするプレストレストコンクリート構造物。
   

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