JP2007230806A

JP2007230806A - 耐凍害軽量コンクリート

Info

Publication number: JP2007230806A
Application number: JP2006052489A
Authority: JP
Inventors: Makoto Kagaya; 誠加賀谷; Masahiro Suzuki; 雅博鈴木; Katsutoshi Morohashi; 克敏諸橋; Kiyoshi Kirikawa; 潔桐川
Original assignee: PS Mitsubishi Construction Co Ltd
Current assignee: PS Mitsubishi Construction Co Ltd
Priority date: 2006-02-28
Filing date: 2006-02-28
Publication date: 2007-09-13

Abstract

【課題】軽量コンクリートは、軽量粗骨材に含まれている水の凍結融解の繰り返しにより軽量粗骨材のポップアウトやコンクリートのひび割れにより劣化する。
【解決手段】ポリビニールアルコール繊維は繊維径１００〜２００μｍ、繊維長５〜３０ｍｍのポリビニールアルコール繊維をコンクリートに０．１０〜０．２０容積％混入する。ポリビニールアルコール繊維を混入しない供試体では凍結融解サイクル数２５０回において相対動弾性係数が８０％を下回ったが、配合した供試体ではサイクル数３００回においても相対動弾性係数の低下はほとんど認められない。
【選択図】図３

Description

本発明は耐凍害軽量コンクリートに関し、さらに詳しくは、人工軽量骨材等を用いたコンクリート製品の凍結融解抵抗性を向上させる技術に係るものである。

例えば、経年劣化した鋼橋ＲＣ床板打換えに、幅員拡張や活荷重増加による断面増加に伴って上部工の重量が増加する。この重量の増加を小さくするため、掛け替え部に軽量コンクリートを適用することは非常に有効な手段の一つと考えられる。

しかし、軽量コンクリートは、一般に、軽量粗骨材の吸水率が大きいため、軽量粗骨材中に含有する水分が、環境温度の低いときは膨張し、軽量粗骨材の周囲にひび割れを生じさせ、結果的にポップアウトを引き起こすため、一般に、耐凍害性が低いことが知られている。従って、寒冷地で使用する場合に大きな問題となる場合がある。

この問題を解決するために、軽量粗骨材の低吸水率化を図る技術、独立気泡を有する軽量骨材の開発、あるいは軽量骨材自体の表面にコーティングを施して吸水を防止する技術などが提案されている。しかし、このような品質を向上させた軽量粗骨材においても、同一バッチにおけるコンクリート中の品質のばらつき等に起因する耐凍害性の低下が懸念される。このため、良質で、かつ、ばらつきの小さい軽量粗骨材の選定方法や耐凍害性低下を抑制するためのコンクリートの補強方法が必要となる。

このような課題を解決する技術として、コンクリート中に鋼短繊維を混入したコンクリートが知られている。しかし、この技術では、鋼繊維の腐食により、美観上問題が生じたり、長期耐久性が劣るという問題があった。

また、１０００℃以上の耐火性能及び耐熱性能を保つコンクリートとして、絶乾状態又は半分程度まで吸水させた軽量骨材を用い、ポリビニールアルコール系繊維等を用いた水硬性複合物（コンクリート）がある（例えば、特許文献１参照。）。

この技術は高温におけるコンクリートの爆裂防止に関する技術である。
特開２００４−２９２２５７号公報（第２−５頁、図１）

軽量粗骨材を使用した軽量コンクリートは、軽量粗骨材に含まれている水の凍結融解の繰り返しにより軽量粗骨材のポップアウトやコンクリートのひび割れにより劣化するという問題がある。

本発明はこのような問題を解決し、耐凍害軽量コンクリートを提供することを目的とする。

本発明は、ポリビニールアルコール繊維（以下ＰＶＡ繊維という）を混入したことを特徴とする耐凍害軽量コンクリートである。

本発明の作用は、軽量コンクリートの凍結融解による膨張収縮に対して、ポリビニールアルコール系繊維を混入することによってコンクリートの靭性が向上し、コンクリートにひび割れ等の発生を抑制することである。この場合、前記ＰＶＡ繊維は繊維径１００〜２００μｍ、繊維長５〜３０ｍｍ、混入量がコンクリート体積の０．１０〜０．２０％とすると好適である。

ＰＶＡ繊維の径を１００〜２００μｍとしたのは、１００μｍ未満では繊維のからまりや凝集を生じやすく補強効果が少なく、２００μｍを越えると繊維のコンクリートとの付着性が不十分となり、凍結防止の効果が小さくなるからである。

また、ＰＶＡ繊維の長さを５〜３０ｍｍとしたのは、５ｍｍ未満のような短繊維ではコンクリートの結合力を高める効果が少なく、一方、３０ｍｍを越えると、コンクリート中への分散性が劣るので３０ｍｍ以下とした。

またＰＶＡ繊維の混入量はコンクリート体積の０．１０〜０．２０％とするのがよい。０．１０％より少ないと結合材としての付着の効果が不足し、０．２０％を上廻って添加してもコンクリートの靱性向上効果が飽和するので、この範囲内とするのがよい。

本発明によれば、通常の人工軽量粗骨材を用い、混練、製造した軽量コンクリートにおける耐凍害性が大幅に向上し、寒冷地等における軽量コンクリートの使用に著しく貢献するという優れた効果を奏する。

本発明では、耐凍害性を向上させるために、ＰＶＡ繊維を混入して軽量コンクリートを補強する。ＰＶＡ繊維は繊維径１００〜２００μｍ、繊維長１０〜２０ｍｍの繊維とし、この繊維をコンクリート体積の０．１０〜０．２％を混入することが望ましい。

本発明を実施するための最良の形態について、試験を行ったので以下説明する。

良質で、かつ、ばらつきの小さい軽量粗骨材を選別するために軽量粗骨材の破砕試験を行い、破砕試験後の吸水率試験結果を得た。この試験により選別した軽量粗骨材を用いてＰＶＡ繊維で補強したコンクリートを製造し、その凍結融解試験を行った。

なお、プレキャスト部材として用いることを想定して、製品と同一の軽量コンクリートについて蒸気養生の有無を実験要因として取り上げた。
（Ａ）軽量粗骨材の基礎物性試験について
(Ａ−１)基礎物性試験
４種類の軽量粗骨材について、密度、吸水率、浮粒率、破砕試験および破砕試験後の吸水率試験を実施した。

密度及び吸水率試験は、ＪＩＳＡ１１００に準拠して実施した。

浮粒率試験は、ＪＩＳＡ１１４３に準拠して行った。まず、試料を２４時間乾燥させ、約２リットルの質量を計り、十分大きなポリエチレン製のバケツに入れ、よく攪拌した。注水してから１０分後、水に浮いている粒を採取し、採取した粒を２４時間乾燥した後に質量を計量して浮粒率を算定した。

軽量粗骨材の破砕試験は、ＢＳ８１２に準拠して行った。プランジャーを毎分４０ｋＮで載荷し、４００ｋＮまで加えた後に除荷した。その後に２．５ｍｍふるいを用いてこれを通過する質量を求め、破砕値を算出した。破砕試験後の吸水率試験の試料は２．５ｍｍふるいに残留したものを用いて実施した。
(Ａ−２)基礎物性試験結果
軽量粗骨材の試験結果を表１に示す。

表乾密度は軽量粗骨材Ａ，ＢおよびＣはほぼ等しく、軽量粗骨材Ｄはこれらより小さかった。破砕試験前の吸水率は軽量粗骨材Ｄが一番小さく、ＡおよびＣはそれより大きかった。軽量粗骨材の密度は１．０ｇ／ｃｍ^３以上であることから、浮粒率の大きい軽量粗骨材ほど同一ロッドでの不良骨材の混入量が多く含むものと考えられる。この試験では軽量粗骨材Ａの浮粒率が最も小さく、Ｃの浮粒率が最も大きかった。

破砕試験後の吸水率は破砕により粒子表面にひび割れ等の損傷を受けた軽量粗骨材の試験結果であり、試験前の吸水率との差が小さい場合にはポップアウトやコンクリートのひび割れ発生による劣化に対して有利であると考えられる。

以上の観点から、試験結果が良好な軽量粗骨材Ａを用いた場合についてコンクリートの圧縮強度、ヤング係数および凍結融解試験をそれぞれ実施した。また、比較のため、品質のばらつきがあると考えられる軽量粗骨材Ｄを用いた場合について圧縮強度と凍結融解試験を実施した。

（Ｂ）硬化コンクリートの試験
（Ｂ−１）使用材料および配合
表２に使用材料及び配合表を示す。

結合材βには早強ポルトランドセメントＨ（密度３．１４ｇ／ｃｍ^３，比表面積４４８０ｃｍ^２／ｇ）と高炉スラグ微粉末ＢＦＳ（密度２．８８ｇ／ｃｍ^３，比表面積６２２０ｃｍ^２／ｇ）を、繊維ＰＶＡには、繊維径１００μｍ，繊維長１２ｍｍ，密度１．３０ｇ／ｃｍ^３のＰＶＡ繊維をそれぞれ使用した。前述の表１と同じ品質の軽量粗骨材Ａ，Ｄを使用した。なお、空気量測定に必要な骨材修正係数は軽量粗骨材Ａでは２．２％、軽量粗骨材Ｄでは０．３％であった。

配合Ａは軽量粗骨材Ａを使用した軽量コンクリート、配合Ａ−ＰＶＡと配合Ｄ−ＰＶＡは、それぞれ軽量粗骨材ＡとＤを使用したＰＶＡ繊維補強軽量コンクリートである。各配合の単位容積質量は１８８０ｋｇ／ｍ^３とした。ＰＶＡ繊維の混入量はコンクリート１ｍ^３あたり１．９５ｋｇ（０．１５容積％）とした。軽量粗骨材Ｄは絶乾状態として使用し、単位水量に３０分吸水率０．３９％にあたる水量１ｋｇ／ｍ^３を補正水として加えた。

（Ｂ−２）供試体種別および養生方法
供試体種別と養生方法を表３に示す。供試体寸法は、圧縮強度試験とヤング係数試験ではφ１００×２００ｍｍとし、凍結融解試験では１００×１００×４００ｍｍとした。各試験の供試体本数は３本とした。供試体の養生方法を以下の２種類とした。

１）室内でコンクリート打設後、材齢１日まで室内養生し、その後脱型し、所定の試験材齢まで水中養生した供試体（水中養生）
２）コンクリート打設後、蒸気養生を行い、その後脱型し、所定の試験材齢まで水中養生した供試体（蒸気＋水中養生）

（Ｂ−３）圧縮強度とヤング係数試験および凍結融解試験
圧縮強度とヤング係数試験は、それぞれ、ＪＩＳＡ１１０８及びＪＩＳＡ１１４９に準拠して実施した。

凍結融解試験は水中凍結融解試験方法であるＪＩＳＡ１１４８［Ａ法］に準拠し、材齢１４日から実施した。試験の終了は３００サイクルとし、それまでに相対動弾性係数が６０％となった場合や破断した場合は、そのサイクルで終了とした。
（Ｃ）試験結果
（Ｃ−１）圧縮強度およびヤング係数
コンクリートの材齢と圧縮強度の関係を図２に、軽量粗骨材Ａを用いたコンクリートの圧縮強度とヤング係数の関係を図３にそれぞれ示す。図中Ａ、Ａ−ＰＵＡ等は表２に示す配合名を示すものである。

凍結融解試験開始材齢での圧縮強度は、配合Ａで６３Ｎ／ｍｍ^２、配合Ａ−ＰＶＡでは蒸気養生の実施有無によらず約６５Ｎ／ｍｍ^２となり、配合Ｄ−ＰＶＡで蒸気養生した供試体は７０Ｎ／ｍｍ^２であった。配合Ａ−ＰＶＡで蒸気養生を実施した圧縮強度は材齢１日で約４５Ｎ／ｍｍ^２となっていることから、導入時強度３５Ｎ／ｍｍ^２、設計基準強度５０Ｎ／ｍｍ^２のプレテンション部材にも十分適用することができる。

ヤング係数は圧縮強度６０Ｎ／ｍｍ^２において２４ｋＮ／ｍｍ^２を超える結果となった。ヤング係数Ｅ（ｋＮ／ｍｍ^２）と圧縮強度σ（Ｎ／ｍｍ^２）と単位容積質量γ（ｇ／ｃｍ^３）との関係について、下記式（１）の関数関係が提案されている。（日本建築学会：鉄筋コンクリート構造計算基準・同解説）
Ｅ＝３３．５ｘ（γ／２．４）^２×（σ／６０）^１／３……（１）
図３にはγを１．８８ｇ／ｃｍ^３とした場合の計算結果もあわせて示した。ヤング係数の実験結果は上記式（１）を用いて算出したヤング係数より大きくなり、この試験で使用した軽量粗骨材Ａの場合には上記式（１）の約１．１７倍となった。
（Ｃ−２）凍結融解試験結果
表３に繊維補強の有無による凍結融解試験における劣化状況を併せて示した。ＰＶＡ繊維補強を実施していない供試体はポップアウトに起因すると思われる剥落部分が多く発生し、かつ、破断している。ＰＶＡ繊維補強を行った供試体はほとんど劣化を生じない結果となった。

図１にサイクル数に伴う相対動弾性係数の変化を供試体３本の平均値として示す。配合Ａと配合Ａ−ＰＶＡの蒸気養生を実施しない供試体とを比較すると、配合Ａはサイクル数２５０回において相対動弾性係数が８０％を下回る結果となったのに対して、配合Ａ−ＰＶＡはサイクル数３００回においても相対動弾性係数の低下はほとんど認められない結果を示した。

相対的に良質な軽量粗骨材を選別した場合においても水中凍結融解試験の場合にはコンクリートの劣化が認められたが、ＰＶＡ繊維で補強することにより凍結融解抵抗性の向上が認められた。配合Ａではわずかに混入した品質の劣る軽量粗骨材粒子の寸法の大きいポップアウト発生後に、そこに残留した軽量粗骨材粒子の吸水と凍結融解による膨張収縮の繰り返しによりモルタル部のひび割れが急激に発生し、破断した。

これに対して、配合Ａ−ＰＶＡはＰＶＡ繊維を混入することにより、ポップアウトの発生数が少なく、ポップアウトが発生した場合でも寸法が小さく、繊維を混入しない場合と比較してひび割れ幅をかなり抑制することができ、結果として相対動弾性係数の低下を小さくすることができたと考えられる。

蒸気養生を実施した供試体においても、相対動弾性係数の低下がほとんど認められない結果となり、蒸気養生による耐凍結融解抵抗性の低下は認められなかった。軽量粗骨材の物性試験で軽量粗骨材個々の品質にばらつきがあると考えられた配合Ｄ−ＰＶＡについては、ＰＶＡを混入した場合においてもサイクル数２３２回で破断する結果となった。

凍結融解作用によるコンクリートの劣化を防止するためには、繊維補強するのみならず、軽量粗骨材粒子個々の品質のばらつきが小さい軽量粗骨材を選定する必要があると考えられる。このために、浮粒率試験や破砕試験後の吸水率試験は有効である。

ＰＶＡ繊維補強軽量コンクリートの凍結融解抵抗性試験、破砕試験後の吸水率試験および圧縮強度試験から以下のことが明らかになった。
（１）良質で、かつ、ばらつきの小さい軽量コンクリートをＰＶＡ繊維で補強することにより、水中養生および蒸気養生において、サイクル数３００回においても相対動弾性係数の低下が認められず、凍結融解抵抗性の向上が認められた。
（２）しかし、軽量粗骨材粒子個々の品質のばらつきが耐凍害性に与える影響が大きく、品質のばらつきが大きい場合には、ＰＶＡ繊維補強してもコンクリートの劣化が認められた。
（３）軽量粗骨材粒子個々の品質のばらつきを判定する試験として、浮粒率試験、破砕試験および破砕試験前後における吸水率の差が有効な手法であることが認められた。
（４）本試験で実施した配合Ａ−ＰＶＡは力学的には導入時強度３５Ｎ／ｍｍ^２、設計基準強度５０Ｎ／ｍｍ^２とする工場製作のプレテンション部材にも適用することができる。
（５）ヤング係数は単位容積質量と圧縮強度の関数で示すことができる。

サイクル数に伴う相対動弾性係数の変化を示すグラフである。材料と圧縮強度との関係を示すグラフである。圧縮強度とヤング係数との関係を示すグラフである。

Claims

ポリビニールアルコール繊維を混入したことを特徴とする耐凍害軽量コンクリート。
前記ポリビニールアルコール繊維は繊維径１００〜２００μｍ、繊維長５〜３０ｍｍ、混入量がコンクリート体積の０．１０〜０．２０％であることを特徴とする請求項１記載の耐凍害軽量コンクリート。