JP5706281B2

JP5706281B2 - コンクリート構造体の劣化抑制をともなう補強方法

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Publication number: JP5706281B2
Application number: JP2011196172A
Authority: JP
Inventors: 浩山▲崎▼
Original assignee: 株式会社長濱興業
Priority date: 2011-09-08
Filing date: 2011-09-08
Publication date: 2015-04-22
Anticipated expiration: 2031-09-08
Also published as: JP2013057203A

Description

本発明は、コンクリート構造体の劣化抑制をともなう補強方法に関する。

近年、既設コンクリート構造体の機能回復および向上を目的とした補修・補強工事が増加する傾向にあり、既設コンクリート表面の老朽化した部分を除去し、その除去した部分に新たにモルタル等を塗布する補強方法が注目されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の補強方法では、新たに塗布するモルタルにポリマーを含有したポリマーセメントモルタルを用いることで、既設コンクリート構造体のコンクリート面と、新たに塗布するモルタルとの密着性を高めている。

特開２００２−８１０４１号公報

しかしながら、既設コンクリート構造体内に配設された鉄筋が経年劣化していた場合には、この劣化した鉄筋を補修しなければならない。例えば、既設コンクリート構造体内に配設された鉄筋に錆が発生していた場合には、既設コンクリート構造体の補強の他に、鉄筋の補修を行うために以下の工程が必要となる。すなわち、既設コンクリート構造体の一部を除去する工程と、既設コンクリート構造体内に配設された鉄筋表面に発生した錆を除去する工程と、この錆を除去した鉄筋表面に保護膜を形成する工程と、この保護膜を形成した鉄筋をコンクリートにより覆う工程とが必要となる。

従って、既設コンクリート構造体内に配設された鉄筋が経年劣化していた場合には、鉄筋補修用の工程が増加することにより、既設コンクリート構造体の補強工事が繁雑となり、補強工事が長期化するとともに、補強工事のための費用が増加するという問題があった。

そこで、本発明は前記の問題を解決すべく案出されたものであって、既設コンクリート構造体を補強するとともに、既設コンクリート内に埋設された鉄筋の補修を行うことができるコンクリート構造体の劣化抑制をともなう補強方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、内部に鉄筋を備えた既設コンクリート構造体の補強において、既設コンクリート面の劣化部分や異物等の老朽化部分を除去して下地処理する下地処理工程と、前記既設コンクリート面に補強用鉄筋と係合する金具を介して前記補強用鉄筋から離れた位置に取り付けたアンカーを用いて前記補強用鉄筋を固定する補強用鉄筋固定工程と、前記補強用鉄筋および前記既設コンクリート面をそれぞれ覆うようにポリマーセメントモルタルを塗布するポリマーセメントモルタル塗布工程と、前記ポリマーセメントモルタルを塗布したポリマーセメントモルタル面に、該ポリマーセメントモルタル面よりも大きなひび割れ追従性を有する高弾性特殊モルタルを塗工する塗工工程と、を有し、前記アンカーは、回転固定式アンカーであり、該アンカーの軸芯にはねじが螺設され、前記ポリマーセメントモルタルは、亜硝酸塩を含有することを特徴とするコンクリート構造体の劣化抑制をともなう補強方法とした。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載のコンクリート構造体の劣化抑制をともなう補強方法において、前記ポリマーセメントモルタルは短繊維を混入したものであり、前記高弾性特殊モルタルは、前記ポリマーセメントモルタルよりも大きなひび割れ追従性を有することとした。

また、請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載のコンクリート構造体の劣化抑制をともなう補強方法において、前記亜硝酸塩は、亜硝酸ナトリウムであることとした。

請求項１に記載の発明によれば、既設コンクリート面に補強用鉄筋を配設するとともに、ポリマーセメントモルタルにより既設コンクリート面を覆うようにしたので既設コンクリートを補強することができる。また、ポリマーセメントモルタルに亜硝酸塩を含有したので、該亜硝酸塩が既設コンクリート内に浸透して既設コンクリート内の鉄筋表面に保護膜を形成するため、既設コンクリート内に配設された鉄筋の腐食を初めとして、諸劣化症状を抑えることができる。また、コスト縮減と長寿命化を図ることも可能となる。

また、請求項２に記載の発明によれば、ポリマーセメントモルタルに短繊維を混入するとともに、高弾性特殊モルタルを用いたことにより、施工後のコンクリート面のひび割れを抑制し、外部から塩含雨等の悪影響を抑えることができる。

また、請求項３に記載の発明によれば、亜硝酸塩として亜硝酸ナトリウムを用いたことで、補強コストを低減することができる。

また、請求項４に記載の発明によれば、補強用鉄筋を固定するアンカーとして回転固定式アンカーを用いるため、既設のコンクリート損傷を低減でき、取り外しも容易にできる。

橋梁床版の既設コンクリート構造体の構造を示す図である。本実施形態の方法により補強した橋梁床版の補強部５０を示す概略図である。本実施形態に係るコンクリート構造体の補強工程を示すフローチャートである。本実施形態に係るコンクリート構造体の補強工程を示す図である。本実施形態に係る補強用鉄筋の配設例を示す図である。本実施形態に係るアンカーを示す図である。錆の発生メカニズムを示す説明図である。本実施形態により補強したコンクリート構造体の曲げ強度試験の結果を示す図である。

次に、発明を実施するための形態（以下、「実施形態」とする）について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本実施形態では、橋梁の橋桁や梁などの既設コンクリート構造体の床底面に補強用鉄筋を敷設した後に、ポリマーセメントモルタル（Polymer-Cement Mortar：ＰＣＭ）を吹き付け又はコテ塗で増厚して、既設コンクリート構造体を補強する例について説明する。

図１は、橋梁床版の既設コンクリート構造体１０における鉄筋１１の構造を示した図である。

図２は、本実施形態の方法により補強した橋梁床版の補強部５０を示した概略図であり、当該補強部５０には補強用鉄筋３０が含まれる。

次に、図３を参照しながら、本実施形態に係るコンクリート構造体の劣化抑制をともなう補強方法について詳細に説明する。なお、本実施形態では、橋梁床版下面補強を行う例について説明する。

まず、ステップＳ１０１において下地処理工程を行う。この工程では、図４（ａ）に示すように、既設コンクリート構造体１０の床版面（本発明の「既設コンクリート面」に相当する）１０ａの補強に先立ち、この床版面１０ａに対して、サンダーを用いたケレンや高圧水洗浄を行い、既設コンクリート面の劣化部分や異物等の老朽化部分を除去する。この下地処理工程において、ケレンを行うことで既設コンクリート構造体１０内の鉄筋の錆が除去され、高圧水洗浄を行うことで補強材の既設コンクリート構造体１０の床版面１０ａへの付着力が高められる。このとき、環境問題等不都合があれば、バキュームブラストとする表面の劣化部、汚れ等を完全に取り除き、型枠段差等の凸部はタガネ等で先行してハツリとる。

次に、ステップＳ１０２において、１回目のポリマーセメントモルタル吹付（第１の下塗材塗布）工程を行う。この工程では、図４（ｂ）に示すように、下塗材としてポリマーセメントペースト２０を、下地処理を行った既設コンクリート構造体１０の床版面１０ａに塗布する。ポリマーセメントペースト２０の塗布には、リシンガンや刷毛を用いる。

上述したポリマーセメントペースト２０としては、例えば、アクリル系ポリマーディスパージョンにより構成される混和液と、普通ポルトランドセメント、細骨材、各種添加剤により構成されるフレミックスパウダーと、亜硝酸塩（例えば、亜硝酸ナトリウム）とを混ぜ合わせたものが用いられる。なお、混和液には、例えば、ＣＰ−Ａ主材が用いられ、フレミックスパウダーには、ＣＰ−Ａパウダーが用いられる。

その際、混和液（ＣＰ−Ａ主材）を６．５ｋｇ、フレミックスパウダー（ＣＰ−Ａパウダー）を１９．９ｋｇ、および亜硝酸塩を０．１ｋｇの比率で混合してポリマーセメントペースト２０とする。なお、この場合、ポリマーセメントペースト２０の比重は１８００ｋｇ／ｍ³となる。また、塗布量は、１．８ｋｇ／ｍ²とする。

第１の下塗材塗布工程を行うことにより、下地処理を行った既設コンクリート構造体１０の床版面１０ａと、後述する中塗材となるポリマーセメントモルタル２２との付着力を増大させることができる。

次に、ステップＳ１０３において、補強用鉄筋固定（回転固定式アンカー）工程を行う。この工程では、まず、図４（ｃ）に示すように、既設コンクリート構造体１０の床版面１０ａに補強用鉄筋３０を仮固定させる。このとき、補強用鉄筋３０はそれぞれ熱溶着され、格子状に組まれた状態となっており、これにより、仮固定させる作業を容易にしている。

次に、図４（ｄ），図５に示すように、仮固定した補強用鉄筋３０を、例えば、所定のピッチ３００ｍｍで補強用鉄筋３０にアンカー３１（固定金具）を用いて固定する。固定用のアンカーは既設床版コンクリートの劣化を最小限に抑えるため回転固定式アンカーを用いるものとする。

補強用鉄筋３０のピッチや本数により既設コンクリート構造体１０の荷重に対する力（以下、「対荷重力」という）を設定することができる。なお、本実施形態では、補強用鉄筋３０の固定には、例えば、１６本／ｍ²のアンカー３１を用いる。

アンカー３１は、図６に示すように、円柱状の軸芯３１ａと、軸芯３１ａの一端に柄部３１ｂを介して形成された頭部３１ｃと、軸芯３１ａの表面に螺設されたねじ部３１ｄと、を備えている。アンカー３１の頭部３１ｃは、多角形状に形成されており、アンカー３１の取り付けにインパクトドライバ等の器具を用いることができ、アンカー３１の取り付けを迅速に行うことができる。また、アンカー３１は上述の構成を有することから、既設コンクリート構造体１０を再工事する場合には、アンカー３１の取り外しが可能となる。

次に、ステップＳ１０４において、２回目のポリマーセメントモルタル吹付（第２の下塗材塗布）工程を行う。この工程では、補強用鉄筋３０を固定した後の既設コンクリート構造体１０の床版面１０ａにポリマーセメントペースト（不図示）を塗布する。

上述したポリマーセメントペースト（不図示）としては、例えば、アクリル系ポリマーディスパージョンにより構成される混和液と、普通ポルトランドセメント、細骨材、各種添加剤により構成されるフレミックスパウダーと、亜硝酸塩（例えば、亜硝酸ナトリウム）とを混ぜ合わせたものが用いられる。なお、混和液には、例えば、ＣＰ−Ａ主材が用いられ、フレミックスパウダーには、ＣＰ−Ａパウダーが用いられる。

第２の下塗材塗布工程を行うことにより、補強用鉄筋３０を固定した後の既設コンクリート構造体１０の床版面１０ａと中塗材となるポリマーセメントモルタル２２（後述する）との付着力増大を目的としＣＰ−Ａ（下塗材）を吹付（塗付）する。

次に、ステップＳ１０５において、ポリマーセメントモルタルコテ塗り（中塗材塗布）工程を行う。この工程では、図４（ｅ）に示すように、中塗材としてポリマーセメントモルタル２２を、コテ等の吹付器具を用いて塗布する。この中塗材の塗布は、所定の厚さ（例えば、２１ｍｍ）に達するまで、数回に分けて増厚する。なお、１層あたりの増厚量は約１０ｍｍ程度とする。

上述したポリマーセメントモルタル２２としては、例えば、アクリル系ポリマーディスパージョンにより構成される混和液と、普通ポルトランドセメント、細骨材、各種添加剤により構成されるフレミックスパウダーと、亜硝酸塩（例えば、亜硝酸ナトリウム）とを混ぜ合わせたものが用いられる。なお、混和液には、例えば、ＣＰ−Ｅ主材が用いられ、フレミックスパウダーには、ＣＰ−Ｅパウダーが用いられる。

その際、混和液（ＣＰ−Ｅ主材）を３．１ｋｇ、フレミックスパウダー（ＣＰ−Ｅパウダー）を１９．９ｋｇ、および亜硝酸塩を０．１ｋｇの比率で混合してポリマーセメントモルタル２２とする。なお、この場合、ポリマーセメントモルタル２２の比重は２０６０ｋｇ／ｍ³となる。また、塗布量は、４３．２６ｋｇ／ｍ²とする。

このように、本実施形態では、補強用鉄筋３０とポリマーセメントモルタル２２とを一体的に形成することにより、既設コンクリート構造体にかかる荷重を補強用鉄筋３０とポリマーセメントモルタル２２とにより受けることが可能となり、対荷重力を向上させることができる。

次に、ステップＳ１０６において、ビニロンメッシュ貼付工程を行う。この工程では、図４（ｆ）に示すように、ひび割れ抑制を目的とし、下塗材としてのポリマーセメントペースト（不図示）の塗布と同時に、ビニロンメッシュ４０を貼り付ける。

その際、混和液（ＣＰ−Ａ主材）を６．５ｋｇ、フレミックスパウダー（ＣＰ−Ａパウダー）を１９．９ｋｇ、および亜硝酸塩を０．１ｋｇの比率で混合してポリマーセメントモルタル２２とする。なお、この場合、ポリマーセメントペーストの比重は１８００ｋｇ／ｍ³となる。また、塗布量は、１．８ｋｇ／ｍ²とする。

次に、ステップＳ１０７において、高弾性特殊モルタル塗布（上塗材塗布）工程を行う。この工程では、上塗材として、高弾性特殊モルタル２４の塗布を行う。この高弾性特殊モルタル２４をコテ等の器具を用いることでムラなく均一に塗布している。

上述した高弾性特殊モルタル２４としては、例えば、アクリル系ポリマーディスパージョンにより構成される混和液と、普通ポルトランドセメント、細骨材、各種添加剤により構成されるフレミックスパウダーが用いられる。なお、混和液には、例えば、ＣＰコート主材が用いられ、フレミックスパウダーには、ＣＰコートパウダーが用いられる。

その際、混和液（ＣＰコート主材）を１８．０ｋｇ、フレミックスパウダー（ＣＰコートパウダー）を１８．０ｋｇの比率で混合して高弾性特殊モルタル２４とする。また、塗布量は、１．７ｋｇ／ｍ²とする。

次に、ステップＳ１０８において、水系アクリルウレタン樹脂を塗布する。この工程では、例えば、０．３ｋｇ／ｍ²の水系アクリルウレタン樹脂をローラー刷毛等の器具を用いてムラなく均一に塗布している。

上述のステップにより、既設コンクリート構造体１０の補強が行われ、補強部５０が完成する。

（鉄筋腐食のメカニズム）
次に、上述した補強方法により補強された既設コンクリート構造体１０内に配設された鉄筋の腐食防止のメカニズムについて説明する。

鉄筋の腐食防止のメカニズムを説明するにあたり、まず、鉄筋腐食のメカニズムについて説明する。なお、図７は、錆の発生メカニズムを示した説明図である。

既設コンクリート構造体１０は、例えば、ｐＨ＝１２以上という高いアルカリ性となる性質を有している。既設コンクリート構造体１０が有する高いアルカリ性の性質により、既設コンクリート構造体１０内に配設された既設コンクリートの鉄筋１１の表面には不動態被膜が形成される。この不動態皮膜は、既設コンクリートの鉄筋１１が酸化して錆を発生させることから保護する保護膜として機能する。

しかし、既設コンクリート構造体１０の性質が中性化し、例えば、ｐＨ＝１０以下となる場合には、既設コンクリートの鉄筋１１の表面に形成された不動態皮膜の保護膜としての機能が低下する。その結果、既設コンクリートの鉄筋１１の表面が酸化して、既設コンクリートの鉄筋１１の表面に錆が発生する。このように、既設コンクリートの鉄筋１１は腐食する。

また、既設コンクリート構造体１０が中性化していない場合であっても、例えば、雨水が既設コンクリート構造体１０内に浸透することにより、既設コンクリート構造体１０内に塩分が混入した場合には、この混入した塩分の塩化物イオン（Ｃｌ^-）により、既設コンクリートの鉄筋１１の表面に形成された不動態被膜が部分的に破壊され、この不動態被膜が破壊された部分に錆が発生する。このように、既設コンクリートの鉄筋１１は腐食する。

（鉄筋の腐食防止のメカニズム）
次に、鉄筋の腐食防止のメカニズムを説明する。以下、亜硝酸イオン（ＮＯ₂ ^-）を用い、塩化物イオン（Ｃｌ^-）により破壊された不動態被膜を再生することで鉄筋の腐食を防止する例について説明する。

まず、不動態皮膜が破壊されるメカニズムについて説明する。
不動態被膜は、鉄の酸化物（Ｆｅ₂Ｏ₃）を成分として形成されている。そして、不動態皮膜を破壊する塩化物イオン（Ｃｌ^-）は、式（１）に示すように、既設コンクリートの鉄筋１１を構成する鉄と、既設コンクリートの鉄筋１１の表面に形成され、鉄の酸化物（Ｆｅ₂Ｏ₃）からなる不動態皮膜とを溶解する。

[式１]
Ｆｅ²⁺＋２Ｃｌ^-→ＦｅＣｌ₂

このようにして、塩化物イオン（Ｃｌ^-）は、不動態皮膜となる鉄の酸化物（Ｆｅ₂Ｏ₃）を分解し、既設コンクリートの鉄筋１１の表面に形成された不動態皮膜を破壊する。

次に、亜硝酸イオン（ＮＯ₂ ^-）を用いた不動態皮膜の再生メカニズムについて説明する。
亜硝酸イオン（ＮＯ₂ ^-）は、式（２）に示すように、鉄の酸化物（Ｆｅ₂Ｏ₃）が分解されることにより生成された鉄イオン（Ｆｅ₂ ⁺）と反応する。

[式２]
Ｆｅ₂ ⁺ ＋２ＯＨ^- ＋２ＮＯ₂ ^- → Ｆｅ₂Ｏ₃ ＋Ｈ₂Ｏ＋２ＮＯ

このように、亜硝酸イオン（ＮＯ₂ ^-）により不動態皮膜となる鉄の酸化物（Ｆｅ₂Ｏ₃）が再生され、不動態被膜も再生される。

塩化物イオン（Ｃｌ^-）と亜硝酸イオン（ＮＯ₂ ^-）とがともに存在する場合には、塩化物イオン（Ｃｌ^-）による不動態被膜の破壊と、亜硝酸イオン（ＮＯ₂ ^-）による再生とが競合反応する。このとき、亜硝酸イオン（ＮＯ₂ ^-）の塩化物イオン（Ｃｌ^-）に対するモル比を０．６以上とすることで、より緻密な不動態被膜を再生することができ、塩化物イオン（Ｃｌ^-）による破壊は防止することができる。

また、このモル比は有錆鉄筋の場合やコンクリートが中性化している場合は高く、モル比を１．０以上とする必要がある。

また、一部が腐食した既設コンクリートの鉄筋１１、すなわち、表面の一部に錆が発生した既設コンクリートの鉄筋１１に亜硝酸イオン（ＮＯ₂ ^-）を添加した場合には、亜硝酸イオン（ＮＯ₂ ^-）が鉄筋１１の腐食していない部分の鉄イオン（Ｆｅ₂ ⁺）と反応し、不動態被膜を再生する。

しかしながら、亜硝酸イオン（ＮＯ₂ ^-）は、錆の進行は抑制する機能は有するが、既設コンクリートの鉄筋１１の表面に発生した錆（例えば、赤錆）を除去する機能は有していないため、該鉄筋１１の表面に錆が発生する前に亜硝酸イオン（ＮＯ₂ ^-）を添加する必要がある。

図８（ａ）は本実施形態による補強を行っていないコンクリート構造体の曲げ強度試験の結果を示す図であり、図８（ｂ）は本実施形態による補強を行ったコンクリート構造体の曲げ強度試験の結果を示す図である。なお、図中、横軸はたわみによる変位（ｍｍ）を示し、縦軸は荷重（ｋＮ）を示す。

これらの図を見れば明らかなように、本実施形態による補強を行ったコンクリート構造体の最大荷重は１１７ｋＮを示し、補強を行っていないコンクリート構造体の最大荷重５７．２ｋＮに比べ、強度は約２．０５倍となった。

以上、説明したように、本実施形態の既設コンクリート構造体の劣化抑制をともなう補強方法によれば、既設コンクリート構造体１０の床版面１０ａに補強用鉄筋３０を配設するとともに、ポリマーセメントモルタル２２により床版面１０ａを覆うようにしたので既設コンクリート構造体１０を補強することができる。また、ポリマーセメントモルタル２２に亜硝酸塩を含有したので、該亜硝酸塩が既設コンクリート構造体１０内に浸透して既設コンクリート構造体１０内の鉄筋１１表面に保護膜を形成するため、既設コンクリート構造体１０内に配設された鉄筋の腐食を初め、諸劣化症状を抑えることができる。また、コスト縮減と長寿命化を図ることも可能となる。

また、ポリマーセメントモルタル２２に短繊維を混入するとともに、仕上げ材にひび割れ追従性を有する高弾性特殊モルタルを用いたことにより、施工後の既設コンクリート構造体１０の床版面１０ａのひび割れを抑制し、外部から塩含雨等の悪影響を抑えることができる。

なお、ここで用いる短繊維とは、繊維長が５〜１５ｍｍの合成繊維のことを指す。好ましくは、親水性の短繊維を用いる。具体的には、ナイロン６等のナイロン繊維を好適に用いることができる。

このような親水性の短繊維は混練時の分散性に優れるため、均一で安定したポリマーセメントモルタル２２とすることができる。また、保水性にも優れるため、施工時の乾燥を防ぐことができる。

以上、この発明の実施形態の一つを説明したが、この発明はこの一つの実施形態に限定されない。

１０既設コンクリート構造体
１０ａ床版面
１１鉄筋
２０ポリマーセメントペースト
２２ポリマーセメントモルタル
２４高弾性特殊モルタル
３０補強用鉄筋
３１アンカー
３１ａ軸芯
３１ｂ柄部
３１ｃ頭部
３１ｄねじ部
４０ビニロンメッシュ
５０補強部

Claims

内部に鉄筋を備えた既設コンクリート構造体の補強において、
既設コンクリート面の劣化部分や異物等の老朽化部分を除去して下地処理する下地処理工程と、
前記既設コンクリート面に補強用鉄筋を、該補強用鉄筋と係合する金具を介して前記補強用鉄筋から離れた位置に取り付けたアンカーを用いて前記補強用鉄筋を固定する補強用鉄筋固定工程と、
前記補強用鉄筋および前記既設コンクリート面をそれぞれ覆うようにポリマーセメントモルタルを塗布するポリマーセメントモルタル塗布工程と、
前記ポリマーセメントモルタルを塗布したポリマーセメントモルタル面に、該ポリマーセメントモルタル面よりも大きなひび割れ追従性を有する高弾性特殊モルタルを塗工する塗工工程と、を有し、
前記アンカーは、回転固定式アンカーであり、該アンカーの軸芯にはねじが螺設され、
前記ポリマーセメントモルタルは、亜硝酸塩を含有する
ことを特徴とするコンクリート構造体の劣化抑制をともなう補強方法。
前記ポリマーセメントモルタルは短繊維を混入したものであり、
前記高弾性特殊モルタルは、前記ポリマーセメントモルタルよりも大きなひび割れ追従性を有する
ことを特徴とする請求項１に記載のコンクリート構造体の劣化抑制をともなう補強方法。
前記亜硝酸塩は、亜硝酸ナトリウムである
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のコンクリート構造体の劣化抑制をともなう補強方法。