JP5536509B2 - 軽量耐火断熱セメントモルタル - Google Patents
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Description
Betrieb von Strassentunneln:ドイツ交通省、道路トンネル内設備と交通に関する規制)の基準を満足し、かつ、経済性および施工性に優れる耐火モルタルの開発が望まれており、各種耐火モルタル等の耐火組成物の開発が行われている。
耐火組成物の軽量骨材として、パーライトを用いたものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
軽量骨材として使用されているパーライトは融点が摂氏1200度から摂氏1300度と高く、比重も0.2と軽く、耐火モルタルの骨材として使用実績を有している。
このように、骨材として軽量骨材のみを使用し、かつ、軽量骨材としてパーライトを用いた耐火モルタルは、材料の分離が発生し易く、均一な材料の製造が困難であった。
また、セメントモルタルの施工性改善を目的とする増粘剤には、メチルセルロースのほかヒドロキシプロピルセルロース、セルロースエステルなどが知られている。
また、フライアッシュ、石膏、スラグ、スルホン酸系分散剤とともに増粘剤のセルロースエーテル類を添加したうす塗り用の左官モルタルが知られている。また、水中コンクリートの分離防止用の添加剤としてヒドロキシプロピルメチルセルロースにトリアジン系流動化剤を併用したものが知られている。これらの添加剤は、上述の耐火モルタルにおける材料の分離を防止するには、十分なものではなかった。
前記添加剤が、ヒドロキシプロピルメチルセルロースと、アルミン酸カルシウムとを含み、
前記ヒドロキシプロピルメチルセルロース/セメント比が0.1重量%〜5重量%の範囲とされ、前記アルミン酸カルシウム/セメント比が0.01重量%〜5重量%の範囲とされ、パーライト/セメント比が、20重量%から150重量%とされていることを特徴とする。
ヒドロキシプロピルメチルセルロース/セメント比が0.1重量%より小さく、アルミン酸カルシウム/セメント比が0.01重量%より小さい場合には、材料の分離を十分に抑制することが困難である。
この実施の形態の軽量耐火断熱セメントモルタルは、セメント、パーライト、水およびこれらの分離防止する添加剤(混和剤)とからなるものである。
この例のセメントとしては、周知の各種セメントを用いることができ、例えば、各種ポルトランドセメントを用いることができる。
この例におけるパーライトとは、上述のように、天然ガラスとも言われる黒曜石、真珠岩、松脂岩等の原石(加工前のパーライト)を粉砕、焼成して発泡させたものである。すなわち、この例のパーライトは、加工後の発泡したパーライトである。なお、パーライトは、原料の違いにより、空隙に独立気泡が多いか、連続気泡が多いかなどの特性の違いがあり、この例では、上述の特性に基づいて品質の安定性に優れる黒曜石を原料とするパーライトを用いることが好ましい。
比重が0、8より大きいと、軽量なパーライトの含有量が少なくなることで、パーライトによる空隙が少なくなり、断熱性能が低下する虞がある。
この例の混和剤は、ヒドロキシプロピルメチルセルロースにアルミン酸カルシウム溶液を加えたものである。ヒドロキシプロピルメチルセルロースは、水溶性高分子であり、混和剤を溶液として取り扱うことが可能であり、容易に硬化前の軽量耐火断熱セメントモルタルに混ぜることができ、後述のように混和剤の添加時期を自由に設定できる。
また、アルミン酸カルシウム/セメント比が0.001重量%から5重量%とされている。
これらヒドロキシプロピルメチルセルロースおよびアルミン酸カルシウムの濃度範囲で、パーライトの分離が抑制される効果を確認することができる。これらの濃度範囲の下限より低い場合には、軽量耐火断熱セメントモルタルの分離を抑制する効果が不十分となる。また、これらの濃度範囲の上限より濃度を高くした場合には、軽量耐火断熱セメントモルタルの分離を抑制する効果が頭打ちとなり、添加量の増加によるコストアップが問題となる。
また、ヒドロキシプロピルメチルセルロースとアルミン酸カルシウムとの比は、ヒドロキシプロピルメチルセルロース1に対して、アルミン酸カルシウムが0.05〜10.0の範囲となることが好ましい。
上述のようにパーライトは発泡したことにより気泡からなる空隙を多く含む部材であることから見かけの比重が例えば、0.2程度と水よりもかなり低く、パーライトをセメントおよび水と混ぜることが極めて困難であるが、この例の混和剤を用いることで、均一にパーライトを混ぜ、分離を抑制することができる。また、この混和剤は、増粘性が大きくないので、流動性等の悪化により施工性が低下することがない。したがって、一般的な増粘剤を分離防止の混和剤とした場合よりも施工性が向上する。なお、上記混和剤には、ヒドロキシプロピルメチルセルロースとアルミン酸カルシウム以外の成分を含むものとしてもよいが、他の成分も水溶性であることが好ましく、混和剤を溶液として扱えることが好ましい。
このように、軽量耐火断熱硬化物の材料の均一性が確保されることで、耐火断熱性に欠かせない熱伝導率の平衡性が保証される。これは断熱性を目的とする製品にとっては非常に重要かつ必要とされる技術である。例えば、材料が不均一な状態だと、熱伝導率が軽量耐火断熱硬化物の系の中で異なることになり、熱の伝わり方が異なってくることで、高温で加熱された場合に、内部に温度の差異が生じ、これに基づいて内部で膨張率が異なる状態が発生する。それが原因となる内部破壊や爆裂を誘発する虞がある。それに対して、この例の耐火被覆層は、内部の均一性が高いことにより、高い耐火性能を持つことになる。
また、この軽量耐火断熱セメントモルタルを鉄筋コンクリート造りの建物において、外断熱の断熱材として使用することも可能である。
さらに、上述のようにコンクリートの表面に耐火被覆層を設ける場合に、層状(板状)にこの軽量耐火断熱セメントモルタルを硬化・成形した後に、この硬化物上にコンクリートを打設すると、コンクリートの成分が硬化物のパーライトによる空隙に入り込み、硬化物とコンクリートとが一体となる。
また、二次覆工を省略した道路用のシールドトンネルを構築するために、コンクリート製のシールドセグメントを製造する際に、この例の軽量耐火断熱セメントモルタルを硬化させた耐火被覆層を型枠に配置して、耐火被覆層上にシールドセグメントとなるコンクリートを打設することにより、耐火被覆層が一体に付着したシールドセグメントを製造して用いるものとしてもよい。
この耐火被覆層を有するシールドセグメントでシールドトンネルの一次覆工を行うことにより、シールドトンネルを構成するシールドセグメント内周面に耐火被覆が行われた状態となる。したがって、シールドトンネル工事において、シールドセグメントが既に組み立てられた部分に吹き付け工法や、耐火板を用いた方法で、後付けで耐火被覆を行う必要がなく、シールドトンネル工事の現場作業を省力化することができる。
また、高い付着力で耐火被覆層とセグメント本体が付着し、耐火被覆層が剥落するのを防止することができる。
この実施例では、P&PC(Prestressed&Precast Concrete)セグメント工法で用いられるシールドセグメントの耐火性能試験を行っている。P&PCセグメント工法では、予め、周方向にそって各セグメントで連通するシースを埋め込んだコンクリート製セグメント(セグメント本体3)を組立てた後に、セグメントの一つに設けた切り欠き部からシース内にPC鋼材としてのPC鋼より線を挿入し、緊張定着することによって、セグメントから構成されるリングに周方向にプレストレスを導入するものとなっている。
この例の軽量耐火断熱セメントモルタルからなる耐火被覆層を有し、上述のP&PCセグメントと同様の組成を有するコンクリートからなるとともに、PC鋼材として、アンボンドPC鋼より線およびPC鋼棒によってプレストレスを導入された試験体にRABT60加熱曲線に従った耐火性能試験を行い、試験体各部の温度測定および試験体の爆裂並びに耐火被覆の挙動を観察した。
試験体としては、一つのコンクリートからなり、パネル状の耐火板をアンカーピンで貼り付けて耐火被覆層を設けた実施例1の試験体と、同じく一つのコンクリートからなり、吹き付けにより耐火被覆層を設けた実施例2の試験体と、二つのコンクリートをPC鋼材により緊張定着し、吹き付けにより耐火被覆層を設けた実施例3の試験体と、二つのコンクリートをPC鋼材により緊張定着し、耐火被覆層が設けられていない比較例の試験体とを用いた。
鉄筋は、主筋がD22、ループ筋がD13である。
コンクリートは、スランプフロー65cm、空気量2%、水結合材比30.8%、S/a52.3%とされ、コンクリートの配合が、セメント116kg/m3、水160kg/m3、細骨材340kg/m3、粗骨材310kg/m3、混和剤54kg/m3とされている。
コンクリートの養生方法は、前養生2時間、蒸気養生(昇温15度以下/時間、摂氏40度定温保持4時間、降温15度以下/時間)である。
また、アンボンドPC鋼より線には、480kN×1本=480kNの緊張力がかけられ、PC鋼棒には、350kN×4本=1400kNの緊張力がかけられている。
実施例1では、軽量耐火断熱セメントモルタルをパネル状の耐火板に成形して硬化させており、上述のコンクリートの試験体のサイズに対応して、長さ2000mm、幅600mm、厚さ30mmとなっている。
この軽量耐火断熱セメントモルタルからなる耐火板の密度は450kg/m3である。
この耐火板は、アンカーピン(直径(φ)4mm、長さ60mm)によりコンクリート製の試験体に固定されている。
吹き付けられて硬化した耐火被覆層の含水率は3.5%(摂氏105度、4日間乾燥)であり、密度は900kg/m3であった。
試験は独立行政法人建築研究所の水平部材加熱試験装置(炉内寸法:長さ4000mm、幅4000mm、深さ2000mm、内張:セラミックスファイバーボード、熱源:都市ガス)を使用して行った。
(1)加熱方法
加熱は、RABT60加熱曲線に従って行った。加熱温度の測定はJIS C 1602(熱電対)に規定するクラス2の性能を持つ線径1.6mmのK熱電対を用いて試験体から1000mm離した位置で測定し制御した。RABT60加熱曲線を図1に示す。
(2)試験体各部の温度測定方法は、JIS C 1602(熱電対)に規定するクラス2の性能を持つ線径0.65mmのK熱電対を用いて測定した。
測定位置は、コンクリート製の試験体の表面(耐火被覆層に覆われた部分)TC1と、試験体の背面TC7と、試験体内部で表面側から背面に向って位置が順にずらされたTC2〜TC6である。TC2〜TC6の位置は、この順で表面側から離れている。
表面からの距離は、TC1が0mm、TC2が66mm、TC3が100mm、TC4が175mm、TCが200mm、TC6が300mm、背面のTC7が400mmとなる。
図2に実施例1の試験体のコンクリート部分の温度測定結果のグラフを示し、図3に実施例1の試験体のアンボンドPC鋼棒部分の温度測定結果を示す。図4に実施例2の試験体のコンクリート部分の温度測定結果のグラフを示し、図5に実施例2の試験体のアンボンドPC鋼棒部分の温度測定結果を示す。図6に実施例3の試験体のコンクリート部分の温度測定結果のグラフを示し、図7に実施例3の試験体のアンボンドPC鋼棒部分の温度測定結果を示す。図8に比較例の試験体のコンクリート部分の温度測定結果のグラフを示し、図9に比較例の試験体のアンボンドPC鋼棒部分の温度測定結果を示す。
また、目視による観察結果では、比較例において試験体の加熱側表面のほぼ全面に爆裂が見られるとともに、爆裂の最大深さが42mmで、一部ループ筋の露出が見られたのに対して、実施例1,2,3においては、爆裂は認められず、表面に加熱後の変化は見られなかった。
上記例の軽量耐火断熱セメントモルタルをシールドトンネルの内周面の耐火被覆材として用いた場合の自動車の排ガスに対する耐久性を見るために上記例の軽量耐火断熱セメントモルタルからなる板状の試験体に5%硫酸を滴下する試験を行った。
軽量耐火断熱セメントモルタルの配合量は、早強ポルトランドセメントが50kg(519.8kg/m3)、パーライトが18kg(187.1kg/m3)、ヒドロキシプロピルメチルセルロースとアルミン酸カルシウムを含む混和剤(添加剤)が2.8kg(29.2kg/m3)、水が20.6kg(214.1kg/m3)である。
前記混和剤には、ヒドロキシプロピルメチルセルロースが140g含まれ、アルミン酸カルシウムが140g含まれている。
この軽量耐火断熱セメントモルタルを幅100mm、奥行き100mm、厚さ30mmの型枠に打設して、打材齡28日まで摂氏20度で養生し、試験体とした。
試験体に5%硫酸溶液を2ml滴下し、24時間後の表面状態を観察して、試験前との状態を確認した。また、3つの試験体に対して試験を行った。
3つの試験体とも硫酸溶液の滴下部分が白く変色するものの、試験体にへこみ、劣化などの異常は見られず、排ガスに対しても耐性があるものと認められる。
また、試験前、後の試験体質量ついては、硫酸溶液の滴下24時間後の質量が、滴下前より0.8g(0.2%)増加した。
(a)試験体
試験体となる軽量耐火断熱セメントモルタルの配合量は、5%硫酸滴下試験と同じとした。
JIS A 1132「コンクリートの強度試験体用供試体の作り方」に準じて直径(φ)100mm×200mmの試験体を作成した。この際に材齡3日間まで湿潤養生し、さらに材齡28日まで養生した。
摂氏20度で上下摂氏3度の範囲内の水中に試験体を28日間浸漬し、その後圧縮強度試験を行った。比較例として、水に浸漬する前の試験体の圧縮強度試験を行った。
水への浸漬前の圧縮強度試験結果を表1に示し、浸漬後の圧縮強度試験結果を表2に示し、浸漬前と浸漬後との平均破壊強度と、平均単位体積質量と、これらの浸漬前と浸漬後の変化率を表3に示す。
車両の走行による飛び石などによる耐久性を確認するために試験体の鋼球を落下させる耐衝撃性試験を行った。
試験体となる軽量耐火断熱セメントモルタルの配合量は、5%硫酸滴下試験と同じとした。
試験体は、縦300mm、横300mm、厚さ30mmの型枠に軽量耐火断熱セメントモルタルを打設し、2日後に脱型した後に、材齡28日まで養生した。
また、試験体と同じサイズのコンクリート板を作成した。
試験体の下側に上述のコンクリート板を重ねた状態で、砂上全面支持(JIS A 1408に準拠)によって表面を水平に保持し、試験体に重量500gの鋼球を高さ70cmから落下させた。なお、3つの試験体に対して、それぞれ3回鋼球を落下させた。
試験結果を表4に示す。
実施の形態に示される軽量耐火断熱セメントモルタルの耐火被覆層のセグメント本体への付着強度を確認するために軽量耐火断熱セメントモルタルを硬化かさせて耐火被覆層を形成し、耐火被覆層上にコンクリートを打設してコンクリートと耐火被覆層を一体化した後に、耐火被覆層に引張力をかけて耐火被覆層をコンクリートから引き剥がすのに必要な力(破壊応力度)を測定した。
試験体となる軽量耐火断熱セメントモルタルの配合量は、5%硫酸滴下試験と同じとした。
試験体は、縦300mm、横300mm、厚さ30mmの型枠に軽量耐火断熱セメントモルタルを打設して耐火被覆層を形成し、3日間気中養生後、その上に厚さ100mmのコンクリートを打設し、28日間養生後、碁盤状に縦40mm、横40mmの間隔で耐火被覆層の部分をカッターで切断した。
鋼製アタッチメントを、試験体の耐火被覆層のカッターで40mm四方に分割した部分にエポキシ樹脂で貼り付け、30分後に、耐火被覆層が引き剥がされる(耐火被覆層が破壊される)まで、鋼製アタッチメントに垂直方向に張力を作用させた。
また、上述の40mm四方にカッターで耐火被覆層を切断した部分の5箇所で上述の試験を行った。
これは、縦40mm、横40mm、厚さ30mmの耐火被覆層の質量を、耐火被覆層の比重1.2g/cm3として、4(cm)×4(cm)×3(cm)×1.2(g)=57.6g=0.56Nとなり、単位面積当たりの必要付着強度を0.56/(40×40)=0.00035N/mm2としたものである。
耐火被覆層が引き剥がされた(破壊された)際の破壊荷重と破壊応力強度と、破壊応力度/必要付着強度比を表5に示す。
実施の形態に示される耐火被覆層のセグメント本体の変位に対する追従性能を確認するために、軽量耐火断熱セメントモルタルを硬化かさせて耐火被覆層を形成し、耐火被覆層上にコンクリートを打設してコンクリートと耐火被覆層を一体化した後に、一体化されたコンクリートおよび耐火被覆層に対して曲げ強度試験を行った。
試験体となる軽量耐火断熱セメントモルタルの配合量は、5%硫酸滴下試験と同じとした。
試験体は、長さ400mm、幅100mm、厚さ30mmの型枠に軽量耐火断熱セメントモルタルを打設して耐火被覆層を形成し、3日間養生後、その上に厚さ100mmのコンクリートを打設し、摂氏20度で材齡28日まで養生した。
(b)試験方法
JIS A 1106「コンクリートの曲げ強度試験方法」に準拠し、セグメント本体に対する耐火被覆層の追従性能を確認した。
この試験体の上面に、試験体の長手方向に間隔をあけた2箇所でそれぞれ試験体の長手方向に直交する丸棒状の押圧部材で鉛直方向に力をかけた。この際の2つの押圧部材の間隔を100mmとし、この間隔の中央を試験体の長手方向の中央とした。
また、三つの試験体に対して試験を行い、二つの試験体に対しては、耐火被覆層にクラックが発生するまで力をかけ、1つの試験体については、試験体が破壊されるまで力をかけた。
試験結果を表6に示す。耐火被覆層にクラックが生じても、試験体が破壊されても、コンクリート層と耐火被覆層との間に剥離が生じることはなかった。
軽量耐火耐熱材を硬化させて耐火被覆層を形成した後に、耐火被覆層上にコンクリートを打設した場合に、コンクリート中の水分が耐火被覆層に移動する状況を確認するための試験を行った。
直径(φ)100mm、厚さ30mmの型枠にコンクリートを打設して、3日間養生して試験体を作成した。
(b)試験方法
透明なアクリルの円筒形のパイプ(内径100mm、高さ400mm)を用い、試験体をパイプの一旦にセットし、試験体の外周面とパイプの内周面との間にコーキング材を充填し、3日間養生した。その後、試験体を下にするとともに、パイプの試験体側となる下端側にパイプの開口を塞ぐようにガラス板を配置した状態で、パイプの試験体上に総高さで400mmまでコンクリートを打設した。打設されたコンクリート中の水分が耐火被覆材に移動する状況を目視で確認した。
この際に打設されたコンクリートは、スランプ8cm、水/セメント比が38.2%であった。
コンクリート打設直後には、耐火被覆層の底面側に水滴は見られなかった。
コンクリート打設24時間後、耐火被覆層の底面側に水滴は見られなかったが、パイプの耐火被覆層側端部を閉塞するガラス板に水滴が見られた。また、パイプの耐火被覆層部分の内周面に水滴が見られた程度であった。
Claims (2)
- セメント、パーライト、水およびこれらの分離を抑制する添加剤を含み、
前記添加剤が、ヒドロキシプロピルメチルセルロースと、アルミン酸カルシウムとを含み、
前記ヒドロキシプロピルメチルセルロース/セメント比が0.1重量%〜5重量%の範囲とされ、前記アルミン酸カルシウム/セメント比が0.01重量%〜5重量%の範囲とされ、パーライト/セメント比が、20重量%から150重量%とされていることを特徴とする軽量耐火断熱セメントモルタル。 - 前記添加剤が、前記ヒドロキシプロピルメチルセルロースおよび前記アルミン酸カルシウムを水に溶解および分散させた分散液となっていることを特徴とする請求項1に記載の軽量耐火断熱セメントモルタル。
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