JP4094887B2

JP4094887B2 - 電磁波吸収体およびこれを用いた舗装および建造物

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Publication number: JP4094887B2
Application number: JP2002135949A
Authority: JP
Inventors: 克則山木; 信夫柵瀬; 喜久夫小関; 豊藤野; 隆夫内川; 裕志唐木
Original assignee: Kajima Corp
Current assignee: Kajima Corp
Priority date: 2002-05-10
Filing date: 2002-05-10
Publication date: 2008-06-04
Anticipated expiration: 2022-05-10
Also published as: JP2003327463A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，路面の電磁波反射の抑制や電磁シールドビルの壁面などに用いる電磁波吸収体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より，電磁遮蔽材には，金属や炭素等の導電材や各種の磁性材料を用いるのが一般的であった。それらの成形品としては，導電性粉体や磁性粉などの粉体を樹脂や無機材料中に分散させたものも使用されている。電磁シールドビルなどを構築する材料として電磁遮蔽用コンクリートも各種のものが提案されている。従来の電磁遮蔽用コンクリートは導電材や磁性材からなる電磁遮蔽材料を，粒体その他の形態でコンクリート中に混入したものが一般的である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
コンクリート中に金属・炭素質・磁性体などの電磁遮蔽機能の高い材料を混入する場合には，その混入量を高くすればそれだけ電磁遮蔽効果は大きくなるが，反面，コンクリートの構造材に要求されるコンクリート本来の諸特性（フレッシュ性状・硬化性状とも）が劣化することも否めない。すなわち，強度や耐久性その他のコンクリート本来の性質を実質的に保持した状態で電磁波エネルギーを吸収できることが望ましいが，両性質を同時に十分に兼備させることは実際には困難である。
【０００４】
昨今では電磁波による電子機器類の誤動作防止体制の要求は，ビル内に止まらず屋外の機器類にも及んでおり，例えば高速道路のノンストップ自動料金収受システム（ＥＴＣという）において，電磁波の多重反射による読み取りエラーの問題が顕在化している。これを防止するには，その多重反射を抑制する道路舗装が必要とされているが，そのような道路舗装は技術的に未経験である。
【０００５】
したがって本発明の課題は，施工現場ごとにコンクリートに要求される諸性質を具備しながら，且つ高い電磁波吸収機能を備える材料を得ることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば，セメントマトリックス中に，含水率１０〜２０％の水分を保持することができる量の植物繊維を分散含有したセメント系硬化体からなり，この硬化体中に含水率１０〜２０％の遊離水を含浸させてなる電磁波吸収体を提供する。そして，この電磁波吸収体を舗装用材料として用いた電磁波吸収舗装，および壁材として用いた電磁波吸収建造物を提供する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
前記の課題解決のために，本発明者らは水による電磁波減衰効果に着目し，これをコンクリートで実現するために種々の試験を繰り返した。その結果，水が含浸する細孔を有したセメント系硬化体，例えば植物繊維をセメントマトリックス中に分散させて含水率１０％以上を示すような硬化体とし，この硬化体に遊離水を十分に含浸させておけば高い電磁波吸収機能を発現できることがわかった。植物繊維としては麻や綿が好ましく，場合によっては籾，藁，種子殻等の植物繊維も使用できる。これらの植物繊維を適量コンクリート中に分散配合することによって，植物繊維が有する優れた保水機能がコンクリート中で実現でき，施工現場ごとに要求されるコンクリート本来の性質も具備させることができる。
【０００８】
一般に，コンクリート硬化体中の水分量は，周囲環境の湿度によって左右されるが，普通コンクリートで３〜４重量％程度であり，強制的に含浸させたとしても５〜６重量％程度に過ぎない。また，単にコンクリートを水で濡らしても，空気とコンクリートとの境界面（コンクリート表面）での電磁波の反射が大きくなってコンクリート内部での吸収効果は期待できない。これは，水の誘電率が空気の約８０倍近くもあり，水の膜が張ったような状態がコンクリート表面で生じていると，電磁波が鏡面反射のように大きく反射を起こしてしまうからである。
【０００９】
したがって，コンクリートに電磁波吸収能力を付与するには，空気相と水相を区分するような境界面を実質的に作らずに，電磁波エネルギーを吸収できるに十分な量の水が存在した状態のコンクリートを得ることが肝要となる。植物繊維をコンクリート中に適量配合すると，毛細管現象も起きるのではないかと考えられるが，コンクリートのマトリックス中に含水率１０％以上の遊離水を分散して含ませることができ，この遊離水が電磁波エネルギーを吸収し，熱エネルギーに効率よく変換することができる。またコンクリート硬化体全体に分散した細孔内に含浸されている遊離水は，電磁波を反射するような明確な空気と水の鏡面を作ることも少ない。特に２０％以下の含水率では電磁波の反射を起こすような境界層を形成するようなことは殆んど生じない。このため，コンクリート硬化体の表面に，反射防止用の被覆等を設けるようなことは必ずしも必要ではなくなる。
【００１０】
コンクリートの含水率（％）は次式で表すことができる。
コンクリートの含水率（％）＝１００×（Ｗ₁−Ｗ₀）／Ｖ₁
但し：Ｗ₀＝乾燥重量，Ｗ₁＝湿潤重量を表す。乾燥重量Ｗ₀は，供試体を例えば１１０℃で湿度０％の乾燥器内にてもはや重量変化が生じないまでに乾燥したときの乾燥重量を意味し，湿潤重量Ｗ₁は大気圧下でその供試体全体に給水し，もはや重量変化が生じないまで飽和状態に含水したときの重量を意味する。Ｖ₁は体積を表す。植物繊維を配合して練り混ぜたコンクリートは，その硬化体中の植物繊維それ自身が水分を保持する作用を有することから，前式で定義するコンクリートの含水率が１０％以上を示すものが得られる。
【００１１】
コンクリートの含水率と電磁波の吸収量との関係は，コンクリートの含水率と誘電率の関係から知ることができる。本発明者らは含水率が異なる多くの植物繊維含有のコンクリートを製作し，その含水率と誘電率との関係を測定し，図１および図２の結果を得た。
【００１２】
図１は，コンクリートの含水率を横軸にとり，誘電率の複素数虚数部における誘電率（損失）の値をプロットしたものであるが，図１の結果から電磁波の損失となる虚数部において含水率に比例して損失が大きくなることが明らかであり，含水率が大きいほど電磁波エネルギーの吸収が大きくなることがわかる。また，図２は同じく誘電率の実数部の誘電率（実部）の値をプロットしたものであるが，図２の結果から含水率が大きいほど電磁波の反射を大きくする作用が強くなることがわかる。しかし，含水率が２０％以下ではその誘電率は数％の範囲であり，大きな反射は起きていない。したがって，コンクリート中の含水率を適切に高めたものは良好な電磁波エネルギー吸収体となることがわかる。
【００１３】
以下さらに，本発明者らが行った試験例について説明する。表１に示した配合の３種のコンクリートを練り混ぜ，いずれも，供試体として６０ｃｍ×６０ｃｍ×５ｃｍのコンクリート板を製作した。材令２８日後の各供試体について，いずれも水中に２時間浸漬したあとの状態で，次のようにして電波の透過係数と反射係数を測定した。すなわち，５.８ＧＨｚの電波を送信アンテナから各供試体の広面に垂直に照射し，供試体の背面に置いた受信アンテナで透過電場を受信して透過係数を求める。また，５.８ＧＨｚの電波を送信アンテナから，入射角３０度で各供試体の広面に照射し，その反射波を反射角３０度の位置においた受信アンテナで受信して反射係数を求める。それらの結果を表１に併記した。
【００１４】
【表１】

【００１５】
表１の結果から，植物繊維を配合した試験例１と２のものは，配合しない対照例に比べて反射係数が小さいにも拘わらず，透過係数が小さいことがわかる。すなわち反射量も透過量も少ないことから内部で吸収される量が多い。また，これらの透過係数と反射係数から，次式に従って，電波吸収エネルギーを求め，その結果も表１に併記した。
電波吸収エネルギー（％）＝１００×（１−反射係数²＋透過係数²）
表１に示すとおり，対照例のものは電波吸収エネルギーが４３.６％であるのに対し，試験例２のものは電波吸収エネルギーが８６.９％に達し，試験例１のものも６８％に達しており，優れた電磁波吸収機能を有することがわかる。
【００１６】
なお，材令２８日での強度試験を行った結果は，対照例の普通コンクリートは圧縮強度３８.６Ｎ／ｍｍ²，曲げ強度４.１Ｎ／ｍｍ²であったのに対し，試験例１のものは圧縮強度３６.７Ｎ／ｍｍ²，曲げ強度５.８Ｎ／ｍｍ²であった。したがって，強度的には普通コンクリートのものと遜色のないものが得られる。
【００１７】
このように，本発明に従うコンクリート製の電磁波吸収体は，コンクリート本来の強度特性や施工性を損なうことなく電磁波吸収能力が高いので，これを用いて電磁遮蔽ビルの壁面や床面等の構造材として有益であるし，屋外材料としては舗装に好適に利用できる。
【００１８】
高速道路の料金所について説明すると，通常は例えば図３に示すように，砕石の路盤１の上にコンクリート層２を形成し，その上に防水層としてのアスファルトコンクリート層３を施設する。そして，通常は最外層を排水性のアスファルトコンクリート４とする。コンクリート層３には場所によって鉄筋５を配筋する。各層の厚みは，路盤１：１５〜２０ｃｍ程度，コンクリート層２：２０〜２５ｃｍ程度，アスファルトコンクリート層３：４〜５ｃｍ程度，排水性のアスファルトコンクリート４：４〜５ｃｍ程度である。このような従来の舗装構造では，雨水のない期間では路面に入射した電磁波はアスファルト層４および３を通り抜け，コンクリート層２も通り抜けることが多く，反射波は鉄筋層５からのものとなる。他方，雨水時には，排水性のアスファルトコンクリート層４には水が貯留せずに排水され，その結果，非透水性のアスファルト層３との境界において水層６が形成されるので，路面に入射した電磁波はこの水層６の面で反射することになる。このようなことから，高速道路の料金所近傍では，鉄筋層５からの反射波や，雨水時の該水層６からの反射波が多く発生し，前述のＥＴＣの誤動作の原因を形成している。
【００１９】
この問題は本発明に従うコンクリート製の電磁波吸収体を用いることで解決できる。図４はそのための道路構造例を示したものであり，図３と同じ番号を付したものは図３で説明したものと同じであるが，図４の構造例で特徴的なことは，図３のアスファルトコンクリート層３を，本発明に従うコンクリート製の電磁波吸収体６で置き換えた点にある。
【００２０】
すなわち，図４の舗装構造は，セメントマトリックス中に植物繊維を分散含有したセメント系硬化体中に含水率１０％以上の遊離水を含浸させてなる電磁波吸収体層７を，鉄筋５が存在するコンクリート層２よりも上方に設けてあるので，路面に入射した電磁波は電磁波吸収体層７で吸収され，鉄筋５に至る量が少なくなると共に，鉄筋５からの反射波も再び電磁波吸収体層７を通過する過程で吸収される結果，全体として反射波は非常に低減する。この場合，電磁波吸収体層７に含浸されている遊離水が蒸発その他の原因で枯渇すると電磁波吸収能力が低下するので，その場合には給水するのが好ましく，図例のものでは給水管８を電磁波吸収体層７の内部またはその上方に施設し，給水源から電磁波吸収体層７の全体に水を補給できる構成としてある。
【００２１】
他方，雨水時には，電磁波吸収体層７には遊離水が十分に含浸され，過剰水はこの吸収体層７とコンクリート層２の間を通って下水へと流れてゆく。すなわち，雨水時では電磁波吸収体層７内を水が通過して必要十分な量の遊離水が電磁波吸収体層７内に保持される結果，高い電磁波吸収能力を維持する。また通過した過剰水は排水される結果，電磁波吸収層７の上面には図３のような明瞭な界面をもつ水層６が生成するようなこともない。電磁波吸収層７の上面を凹凸面に形成しておくと，一層水層の形成が阻止されると同時に電磁波吸収効率を高めることができる。
【００２２】
なお，図４の例では最外層に排水用アスファルトコンクリート層４を有しているが，場合によってはこの層４は省略することもできる。すなわち，本発明の舗装はアスファルト舗装に限らず，コンクリート舗装にも適用可能である。また，図４では，鉄筋５と電磁波吸収体層７の間に，ある程度の厚さ（例えば５〜６ｃｍの厚さ）のコンクリート層２が存在する例を示しているが，鉄筋５の上部は，それほどコンクリート層２を被せることなく，直ぐその上から電磁波吸収体層７とすることもできる。さらに図４では，コンクリート層２の上に電磁波吸収体層７を設けた例を示したが，コンクリート層２そのものについても，セメントマトリックス中に植物繊維を分散含有したセメント系硬化体中に含水率１０％以上の遊離水を含浸させてなるコンクリート層とすることができる。すなわち，コンクリート層２も電磁波吸収体機能をもつコンクリート層とし，さらにその上に前述のように電磁波吸収体層７を形成するようにしてもよい。
【００２３】
一般にＥＴＣ周辺の路面では少なくとも反射減衰量１０ｄＢ以上（反射係数では０.２以下）が必要とされるが，本発明の電磁波吸収体を用いた舗装ではその要求を満たすことができる。その例を図５と図６に示した。図５は，従来の舗装（図３の舗装）において雨天時に水層６が生成している場合の電磁波の入射角と反射係数の関係を示すものであり，図６は，本発明に従う舗装（図４の舗装）における雨天時（電磁波吸収体に遊離水が必要十分な量で含浸されている場合）の入射角と反射係数の関係を示したものである。図６では，非雨天時であっても，電磁波吸収体層に給水して遊離水を必要十分な量で含浸させた場合も同様に解釈することができる。両図の比較から明らかなように，図６の本発明例では，図５の従来例の構造に比べて反射係数が大きく低下している。そのうち，代表的な反射角での反射減衰量（水平偏波の場合）を求めると，表２のようになる。
なお，反射係数をＲとすると，反射減衰量＝２０Log Ｒの式で表される。
【００２４】
【表２】

【００２５】
表２の結果から明らかなように，本発明に従う舗装構造では反射減衰量は１０ｄＢ以上を達成できることがわかる。
【００２６】
このようにして，本発明の電磁波吸収体を用いた舗装では雨水時および非雨水時とも電磁波の路面からの反射が抑制されるので，ＥＴＣ等の精密機器類の誤動作原因を除去することができる。また，本発明に従う保水能力を有した舗装構造では，ヒートアイランド現象の原因となっている路面の温度を低下させ，路上気温の低下を下げる効果もある。なお，このような路面のみならず，壁面やその他の構造材にも同様にして本発明の電磁波吸収体を用いることができることは勿論である。
【００２７】
以上説明したように，本発明によると，電磁波吸収能力の高いコンクリート製の電磁波吸収体が得られる。このコンクリート製の電磁波吸収体は通常の構造用コンクリートとして適用可能であるから，建築用の構造材料や舗装用材料として使用することができる。このため，電磁遮蔽ビルの構造材や電磁波反射の少ない路面材料として好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】コンクリートの含水率と誘電率の複素数虚数部における誘電率（損失）との関係を示す図である。
【図２】コンクリートの含水率と誘電率の実数部の誘電率（実部）との関係を示す図である。
【図３】従来の通常のアスファルト舗装の構造例を示す略断面図である。
【図４】本発明に従う電磁波吸収体を用いた舗装の構造例を示す略断面図である。
【図５】従来の舗装（図３の舗装）において雨天時に水層が生成している場合の電磁波の入射角と反射係数の関係を示す図である。
【図６】本発明に従う舗装（図４のもの）において，電磁波吸収体に遊離水が必要十分な量で含浸されている場合の電磁波の入射角と反射係数の関係を示す図である。
【符号の説明】
１路盤（砕石）
２コンクリート層
３アスファルトコンクリート層（防水層）
４排水性のアスファルトコンクリート層
５鉄筋
６水層
７電磁波吸収体層
８給水管

Claims

セメントマトリックス中に，含水率１０〜２０％の水分を保持することができる量の植物繊維を分散含有したセメント系硬化体からなり，この硬化体中に含水率１０〜２０％の遊離水を含浸させてなる電磁波吸収体。
請求項１に記載の電磁波吸収体を舗装用材料として用いた電磁波吸収舗装。
請求項１に記載の電磁波吸収体を壁材として用いた電磁波吸収建造物。