JP2002137977A

JP2002137977A - コンクリート構造物の強化方法、およびそれにより得られる強化コンクリート構造物

Info

Publication number: JP2002137977A
Application number: JP2001017114A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Ichikawa; 好男市川
Original assignee: Nippan Kenkyujo Co Ltd
Current assignee: Nippan Kenkyujo Co Ltd
Priority date: 2000-08-25
Filing date: 2001-01-25
Publication date: 2002-05-14

Abstract

(57)【要約】【課題】防水性、中性化の阻止、塩素イオン浸透の抑
制、耐凍結融解性能を向上させ、力学的強度の増大を図
り、劣化抑制効果、耐久性、耐自然汚染性を向上するこ
とのできる、コンクリート構造物の強化方法、および強
化コンクリート構造物を提供すること。【解決手段】コンクリート構造物、または劣化したコ
ンクリート構造物の表層部に、（ａ）ＳｉＯ₂を１０〜
４５重量％含む４級アンモニウムケイ酸塩を固形分換算
で４〜２５重量部、および（ｂ）水９６〜７５重量部
〔ただし、（ａ）＋（ｂ）＝１００重量部〕を含む組成
物を塗布または含浸させることを特徴とするコンクリー
ト構造物の強化方法、また、このようなコンクリート構
造物の強化方法により得られる強化コンクリート構造
物。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、コンクリート構造
物の強化方法、およびこの強化方法で得られる強化コン
クリート構造物に関する。さらに詳細には、鉄筋コンク
リートなどのコンクリート構造物、セメント系材料によ
る成形品、成形板、モルタル塗装物などのセメント系構
造物の表層部に、特定の組成物を塗布または含浸させ、
セメント成分の水酸化カルシウムと反応させて、密度お
よび硬度を改善し、炭酸ガスや塩化物、窒素酸化物や硫
酸塩などによる侵入を防止し、凍結融解やアルカリ骨材
反応などによる劣化を防止し、さらに表面親水性を付与
することにより耐自然汚染性（セルフクリーニング性）
を改善する方法、およびこのようにして得られた強化コ
ンクリート構造物に関する。また、劣化した上記コンク
リート構造物、セメント系構造物を上記の方法と同様に
して補修、強化する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、建築材料の一つとして、コンクリ
ートおよびその他のセメント系材料がよく知られてい
る。コンクリートは、一般に、ポルトランドセメントと
砂（細骨材）および小石を水と練り混ぜたものを使用す
るものである。しかしながら、コンクリートその他のセ
メント系材料は乾燥し硬化するとき、収縮率の相違など
によりクラックが生じてひび割れが発生しやすい。ま
た、硬化後も、様々な要因により、劣化が起こり、ひび
割れが発生する。コンクリート構造物またはその他のセ
メント系構造物の劣化としては、（１）大気中の炭酸ガ
スによるセメントアルカリの中性化、（２）塩化物、窒
素酸化物、硫酸や硫酸塩による侵蝕、（３）アルカリ骨
材反応によるひび割れや異常膨張、亀裂発生、崩壊、
（４）凍結融解によるひび割れと鉄筋腐食、などが広く
知られている。

【０００３】従来、その対応策として、水性またはアル
コール系のコロイド状シリカやケイ酸ナトリウム、ケイ
酸カリウムあるいは高分子ディスパージョンを含浸させ
たり、有機高分子材料入りのセメントペーストを塗布す
るなどの方法が行われている。しかしながら、この方法
では、コロイド状シリカは結合力と密着性が極めて弱い
ため流出などにより、徐々にその効果が低下するという
問題がある。また、ケイ酸ナトリウムやケイ酸カリウム
は、耐水性、耐酸性に劣り、有機高分子は、耐久性、耐
候性に限界があるなどの問題点を有している。このよう
に、コンクリート構造物およびその他のセメント系構造
物を強化したり、補修するにあたり、従来の方法は、何
れも劣化の抑制効果と耐久性の点で満足できるものでは
なく、また優れた強化コンクリート構造物も得られてい
ないのが現状である。また、コンクリート構造物および
その他のセメント系構造物は、特に屋外で外気に曝され
るため、自然汚染を受けやすい。このような自然汚染に
対し、降雨などによるセルフクリーニング性に優れたコ
ンクリート構造物およびその他のセメント系構造物が望
まれていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の従来
技術の課題を背景になされたもので、防水性の向上、中
性化の阻止、塩素イオン浸透の抑制、耐凍結融解性能の
向上、力学的強度の増大などにより劣化抑制効果と耐久
性を向上することのできる、コンクリート構造物の強化
方法、および強化コンクリート構造物を得ることにあ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、コンクリート
構造物の表層部に、（ａ）ＳｉＯ₂を１０〜４５重量％
含む４級アンモニウムケイ酸塩を固形分換算で４〜２５
重量部、および（ｂ）水９６〜７５重量部〔ただし、
（ａ）＋（ｂ）＝１００重量部〕を含む組成物を塗布ま
たは含浸させることを特徴とするコンクリート構造物の
強化方法を提供するものである。上記第４級アンモニウ
ムケイ酸塩は、（Ｒ₃Ｎ）₂Ｏ・ＳｉＯ₂（式Ｒは炭素数
１以上のアルキル基であり、ｎは１以上の整数である）
で表されるものであることが好ましい。上記コンクリー
ト構造物は、劣化したコンクリート構造物であってもよ
い。また、上記コンクリート構造物は、鉄筋コンクリー
ト、または、セメント系材料による成形品、セメント成
形板およびモルタル塗装物の群から選ばれた少なくとも
１種のセメント系構造物であってもよい。上記コンクリ
ート構造物の強化方法は、組成物の塗布または含浸後、
常温１〜３時間乾燥硬化もしくは６０〜１２０℃で１分
〜１時間低温加熱処理するか、または水蒸気処理をする
ことが好ましい。さらに、本発明は、上記のコンクリー
ト構造物の強化方法により得られる強化コンクリート構
造物を提供するものである。

【０００６】

【発明の実施の形態】本発明の強化方法により強化され
るコンクリート構造物は、鉄筋コンクリートなどのコン
クリート構造物のみならずその他のセメント系構造物を
も含むものである。その他のセメント系構造物として
は、セメント系材料による成形品、成形板、モルタル塗
装物などが挙げられる。上記コンクリート構造物は、劣
化したものであっても本発明の強化方法により強化でき
る。本発明の強化方法に用いられる組成物の一成分であ
る（ａ）第４級アンモニウムケイ酸塩は、一般式（Ｒ₃
Ｎ）₂Ｏ・ｎＳｉＯ₂（ただし、Ｒは炭素数１以上のアル
キル基であり、ｎは１以上の整数である。）で表される
ものである。

【０００７】（ａ）第４級アンモニウムケイ酸塩の具体
例としては、ジメチルジエタノールアンモニウムシリケ
ート、モノメチルトリプロパノールアンモニウムシリケ
ート、ジメチルジプロパノールアンモニウムシリケー
ト、モノエチルトリプロパノールアンモニウムシリケー
トなどの液状のシリケートが挙げられる。これら（ａ）
第４級アンモニウムケイ酸塩は、希釈した水ガラスを
水素型陽イオン交換樹脂と接触させて得た活性シリカ溶
液に第４級アンモニウム水酸化物を加え、所定の濃度ま
で濃縮する方法、あるいは第４級アンモニウム水酸化
物とシリカヒドロゾルとを反応させる方法などにより、
容易に得られる。ここで、第４級アンモニウム水酸化物
は、通常、アンモニアまたはアミン類にアルキレンオキ
サイドを付加する方法、あるいは第４級アミン塩を陰イ
オン交換樹脂により脱イオンする方法などにより得られ
るが、生成物中に、第３級、第２級あるいは第１級のア
ミン類が少量含まれたものも使用することができ、それ
を用いて得られる第４級アンモニウムケイ酸塩も、本発
明の組成物に使用することができる。なお、（ａ）第４
級アンモニウムケイ酸塩中には、ＳｉＯ₂が１０〜４５
重量％の範囲で含まれていることが必要で、好ましくは
２０〜３０重量％である。１０重量％未満では、使用量
が多くなりすぎたり、（ｂ）水が増えて乾燥が遅くなっ
たりし、一方、４５重量％を超えると、密着力が弱くな
ったり、亀裂が入ったりして好ましくない。

【０００８】本発明の方法において、（ａ）成分の割合
は、固形分換算で、（ａ）〜（ｂ）成分合計１００重量
部中、４〜２５重量部、好ましくは７〜２０重量部であ
る。４重量部未満では、使用量が多くなりすぎ、一方、
２５重量部を超えると、密着力が弱くなったり、浸透性
が悪くなったりして好ましくない。

【０００９】本発明の方法に用いられる組成物に使用さ
れる（ｂ）成分の水は、組成物の固形分調整剤および反
応速度調整剤として必須の成分である。水としては、水
道水、蒸留水、イオン交換水を使用できる。また、
（ａ）成分である第４級アンモニウムケイ酸塩からなる
水性シリカゾルに含まれる水も、本発明の（ｂ）成分に
包含される。

【００１０】このような（ｂ）水の量は、（ａ）〜
（ｂ）成分合計１００重量部中、７５〜９６重量部、さ
らに好ましくは８０〜９３重量部である。７５重量部未
満では、相対的に固形分が多くなりすぎて、密着力が弱
くなったり、浸透性が悪くなったりする。一方、９６重
量部を超えると、固形分が少なすぎて目的とする性能が
出なかったり、使用量が多くなりすぎたりして好ましく
ない。

【００１１】本発明に用られる組成物は、界面活性剤を
含んでいてもよい。上記界面活性剤とは、親水基と親油
基を併せ持ち、界面活性作用（吸着・ミセル形成、
湿潤・浸透・濡れ性、乳化・分解）をなし、通常の洗
剤の主成分となるものである。この界面活性剤として
は、通常の界面活性剤をすべて使用することができ、陰
イオン界面活性剤、陽イオン界面活性剤、非イオン界面
活性剤、両性界面活性剤、シリコン系界面活性剤などの
いずれもが使用できる。界面活性剤を使用する場合、組
成物中の界面活性剤濃度は、（ａ）〜（ｂ）成分合計１
００重量部に対し、好ましくは０．１〜１．０重量部、
さらに好ましくは０．２〜０．５重量部である。０．１
重量部未満であると目的とする性能が不足したりし、一
方、１．０重量部を超えると密着力が弱くなったり、反
応が遅くなったりして好ましくない。

【００１２】また、本発明に用いられる組成物には、さ
らに、必要に応じて微粒子状の無機顔料、染料、合成樹
脂エマルジョン、水溶性樹脂、コロイド状金属酸化物、
エチレングリコール、アルコールなどのその他の添加剤
を含むことができる。

【００１３】本発明に用いられる組成物は、（ａ）〜
（ｂ）成分、および必要とあれば、その他の添加剤を混
合して調製される。この際、本発明に用いられる組成物
は、撹拌機、その他の分散機により分散させ、ろ過する
ことにより、均一な安定性の良い分散液とすることがで
きる。

【００１４】本発明においては、（ａ）成分と（ｂ）成
分を主成分とする組成物をコンクリートの表層部に塗布
したり、含浸させたりすると、この組成物がセメント成
分の水酸化カルシウムと反応して、密度の高いケイ酸カ
ルシウム層ができる。そのため、密度および硬度が大幅
に増強され、透気性と吸水性が改善される。従って、炭
酸ガスの侵入を防止でき、これによる中性化を抑止でき
る。窒素酸化物や硫酸塩などの侵入を妨げることもで
き、これによる浸食を防止することができる。また、炭
酸ガスとの反応性も低下し、さらに、硬度や割裂強度な
どの物理的強度を向上することもできる。さらに、凍結
融解に対する性能も向上する。

【００１５】また、劣化したコンクリート構造物の場合
は、中性化が進んでいるので、アルカリ性である本発明
の組成物（ｐＨ１１〜１２位）を表層部に塗布または含
浸させることによってアルカリ化を促進することがで
き、その後、密度、硬度を改善し、物理的強度を復活さ
せて補修するとともに、以後劣化を防止し、強化するこ
とができる。

【００１６】このような反応は、下記反応式（１）〜
（２）で表される。

【００１８】上記反応式（１）〜（２）において、Ｒは
炭素数１以上のアルキル基、例えば、メチル基、エチル
基、ブチル基などのアルキル基を示し、ｎ＝１〜３であ
る。本発明の組成物は、対象物であるコンクリート構造
物の表面に刷毛、スプレー、ローラーなどにより塗布し
たり、浸漬するなどの手段で、好ましくは１ｍ²当たり
４０〜４００ｇ、さらに好ましくは５０〜３００ｇ、固
形分換算では、４〜８０ｇ、さらに好ましくは６〜５０
ｇ塗布または含浸させる。ここで、組成物を対象物表面
へ数回に分けて塗布または浸漬することもできる。固形
分換算で４ｇ未満では、少なすぎて目的とする効果の発
現が難しく、一方、８０ｇを超えると密着力が弱くなっ
たり、粉状化したりして好ましくない。

【００１９】本発明においては、上記組成物を塗布した
のち、常温乾燥硬化が好ましく、低温加熱処理をするこ
ともできる。低温加熱の温度は、６０〜１２０℃、好ま
しくは７０〜１００℃である。硬化時間は、常温で１〜
３時間、６０〜１２０℃で１分〜６０分間、好ましくは
１〜３０分間である。さらには、水蒸気処理を５〜６０
分間行ってもよい。また、重ね塗りによって厚膜にする
ことが可能である。

【００２０】本発明の方法において、コンクリート構造
物とは、主としてセメント材からなるものであり、細骨
材、小石、水など、必要に応じて他の成分と練り混ぜて
得られるどのようなものも指し、また、その他のセメン
ト系材料から得られる構造物をも包含する。本発明の方
法により、新設のコンクリート構造物を強化し、強化コ
ンクリート構造物を得ることができ、また、劣化したコ
ンクリート構造物を補修、強化することもできる。

【００２１】

【実施例】以下、実施例を挙げ本発明をさらに具体的に
説明するが、本発明は、特許請求の範囲を越えない限
り、以下の実施例に限定されるものではない。なお、実
施例中、部および％は、特に断らないかぎり重量基準で
ある。

【００２２】参考例１〜３表１に示すＡ〜Ｃの３種類の
組成物を作製した。上記組成物は、攪拌タンクに、表１
に示す（ａ）、（ｂ）成分、さらに必要に応じて（ｃ）
成分を入れ、軽く攪拌したのち、ろ過して作製した。

【００２３】なお、表１中の記号は以下のものを表わ
す。（ａ−１）；第４級アンモニウムケイ酸塩（株）日板研
究所製、ＮＳ−２０（水性シリカゾル、ＳｉＯ₂濃度＝
約２０％、固形分濃度約２４％、水分濃度約７６％）（ａ−２）；第４級アンモニウムケイ酸塩（株）日産化
学工業（株）製、キャス２５（水性シリカゾル、ＳｉＯ
₂濃度＝約２５％、固形分濃度約２９％、水分濃度約７
１％）（ｂ−１）水道水（ｃ）非イオン系界面活性剤（三洋化成（株）社製、商
品名ノニポール）

【００２４】

【表１】

【００２５】参考例４（コンクリート供試体の作成）４０（縦）×４０（横）×１６０（長さ）ｍｍのモルタ
ル５０個を以下のように作成した。即ち、市販の普通ポ
ルトランドセメントと細骨材として市販の川砂（５ｍｍ
以下）を使用し、重量調合比をセメント（Ｃ）／水
（Ｗ）／砂（Ｓ）が１／０．６５／２．５となるように
混合し、型枠に注入後、乾燥・硬化した。このモルタル
を２８日間２０℃の水中で養生した。

【００２６】実施例１〜３上記のようにして得られた供試体に、参考例１〜３で調
整した組成物Ａ、Ｂ、Ｃを表２に示すように刷毛塗り
し、評価試験用の供試品を作成した。対照例１参考例４で得られた供試体を対照品としてそのまま用い
た。

【００２７】吸水率試験実施例１〜３で得られた供試品および対照品を２０℃の
水中に、１、３、１０日浸漬して、その質量変化よりそ
れぞれの吸水率を求めた。結果を表２に示す。表２よ
り、組成物Ａ、Ｂ、Ｃを塗布または浸漬した本発明のコ
ンクリート供試品は、対照例１の無加工のコンクリート
供試品に比べ、吸水率が低いことが分かる。

【００２８】炭酸化（中性化）阻止効果確認試験炭酸化阻止効果を調べるため、供試品を銅製の容器に入
れ、二酸化炭素ガス（ＣＯ₂）を満たし、ガス圧力を３
ｋｇ／ｃｍ²として１４時間保持して、供試品の中性化
促進試験を行った。促進試験後、長さ方向に直角に供試
品を切断し、その切断面全面にフェノールフタレイン指
示薬を塗布し、アルカリ性保持領域〔Ｃａ（ＯＨ）₂〕
と炭酸化領域〔ＣａＣＯ₃〕を赤色変化の有無により調
べた。図１は、長さ方向に直角に供試品を切断し、その
断面にフェノールフタレイン指示薬を塗布したものの状
態を示すものである。断面の打点域１はアルカリ保持域
を、白い部分２は炭酸化領域を示す。対照例１の無加工
のコンクリートでは、表面から約１２〜１４ｍｍ深さま
で中性化が進行しているが、実施例１〜３のコンクリー
ト供試品では全く中性化域が認められず、本発明が炭酸
化阻止に顕著な効果があることがわかる。

【００２９】塩素イオン浸透阻止効果確認試験供試品を海水中に、１．５時間、３時間浸漬した後に取
り出し、それぞれ、長さ方向に直角に供試品を切断し、
その切断面の表面から浸透した塩素イオンを検出し、そ
の深さにより、海水浸透域を調べた。塩素の検出には亜
硝酸銀とフルオレセンを使用し、変色域により判別し
た。結果を図２に示す。図２は、実施例１〜３のコンク
リートの長さ方向に直角に供試品を切断し、その断面に
亜硝酸銀とフルオレセインを塗布したものの変色状態を
示すものである。図２において、打点域３は塩素が検出
されなかった領域を示し、白抜き部分４は塩素が検出さ
れた領域を示す。対照例１の無加工のコンクリートで
は、海水中に浸漬後、１．５時間後には表面より約１５
ｍｍまで、３時間後には断面の中心まで、塩素が浸透す
ることが確認された。しかしながら、実施例１〜３で
は、３時間後でも塩素は断面に全く検出されなかった。
また、浸水後７日後でも、塩素は断面に全く検出されな
かった。これにより、本発明の方法は、塩素イオンの浸
透阻止効果に優れていることがわかる。

【００３０】物理的強度試験供試品の物理的強度を調べるために、圧縮強度、シュミ
ットハンマー強度および表面硬度（マイクロビッカース
硬度）試験を行った。なお、圧縮強度は、ＪＩＳ１１
０８に準拠して評価し、シュミットハンマー強度は、Ｊ
ＳＣＥＧ５０４に準拠して評価し、表面硬度（マイク
ロビッカース硬度）は、マイクロビッカース硬度計（装
置名；スクラッチ試験器）により評価した。結果を表２
に示す。実施例はいずれの場合も、無加工のコンクリー
トである対照例１に比較して、強度、表面硬度ともに向
上していることがわかる。

【００３１】

【表２】

【００３２】耐凍結融解性能試験米国試験規格ＡＳＴＭＣ６６６−７７により、供試品の
耐凍結融解性能を評価した。凍結融解サイクル数（回）
と曲げ強度（ｋｇｆ／ｃｍ²）の関係を図３に示す。無
加工のコンクリートである対照例１では凍結融解を繰り
返すと、曲げ強度が低下してゆくが、本発明の実施例１
〜３はいずれも、凍結融解を繰り返しても、曲げ強度が
低下せず、耐凍結融解性能に優れていることがわかる。

【００３３】耐自然汚染性試験また、本発明の実施例１〜３および対象例１のコンクリ
ートを交通量の多い国道沿いの建物の屋上に塗布面を垂
直にして設置し、１２０日間屋外に放置し、曝露して耐
自然汚染性試験を行った。耐自然汚染性試験の結果、実
施例１〜３のコンクリートは、非試験体に比べて汚れの
付着がなく、見分けがほとんどつかない状態であった。
一方、対象例１のコンクリートは汚染が明らかであり、
汚れてまだらな黒灰色になっていた。

【００３４】参考例５（劣化したコンクリートの供試体
の作成）４０×４０×１６０ｍｍのモルタルを、２８日間２０℃
の水中で養生せず、室内に放置した以外は、参考例４と
同様の方法で作成した。上記モルタルを１００℃の乾燥
室で６時間加熱乾燥した後、銅製の容器に入れ、二酸化
炭素ガス（ＣＯ₂）を満たし、ガス圧力を３ｋｇ／ｃｍ²
として１４時間保持した。さらにこれを０．５％硫酸液
に２４時間浸漬し、その後１００℃の乾燥室で６時間加
熱乾燥した。

【００３５】実施例４、５参考例５で得られた供試体に、参考例１、２で得られた
組成物Ａ、Ｂを表３に示すように刷毛塗りし、評価試験
用の劣化したコンクリートの供試品を作成した。対照例２参考例５で得られた供試体を対照品としてそのまま用い
た。

【００３６】劣化したコンクリートの物理的強度試験上記のようにして得られた実施例４、５の劣化コンクリ
ート供試品、対照例２の無加工の劣化コンクリート供試
品について、シュミットハンマー強度、針進入度、およ
び鉛筆硬度試験を行った。なお、針進入度は、マックゲ
ージ針進入測定器を使用して評価し、鉛筆硬度試験は、
ＪＩＳＫ５６００．５．４「鉛筆法」に準拠して評価
した。結果を表３に示す。劣化コンクリートに本発明の
組成物を塗布した供試品である実施例４および５は、対
照品に比べ、強度、針進入度、硬度が全て向上し、本発
明の組成物により、コンクリートが補修、強化できるこ
とが分かる。

【００３７】

【表３】

【００３８】

【発明の効果】本発明の方法は、コンクリート構造物に
対して、防水性の向上、中性化の阻止、塩素イオ
ン浸透の抑制、凍結融解性能の向上、力学的強度の
増大などの効果が顕著であり、コンクリートの強化およ
び劣化防止に大きく寄与することができる。また、本発
明の方法は、コンクリート構造物に表面親水性を付与す
ることにより耐自然汚染性（セルフクリーニング性）を
改善することができる。さらに、本発明は、劣化したコ
ンクリート構造物の補修、強化方法としても大きな効果
があり、工業的、社会的意義は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】炭酸化阻止効果試験の結果を示すコンクリート
供試品の断面図である。

【図２】塩素イオン浸透阻止効果試験の結果を示すコン
クリート供試品の断面図である。

【図３】凍結融解サイクル数とコンクリート供試品の曲
げ強度の関係を表すグラフである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】コンクリート構造物の表層部に、（ａ）
ＳｉＯ₂を１０〜４５重量％含む４級アンモニウムケイ
酸塩を固形分換算で４〜２５重量部、および（ｂ）水９
６〜７５重量部〔ただし、（ａ）＋（ｂ）＝１００重量
部〕を含む組成物を塗布または含浸させることを特徴と
するコンクリート構造物の強化方法。
【請求項２】第４級アンモニウムケイ酸塩が、（Ｒ₃
Ｎ）₂Ｏ・ＳｉＯ₂（式Ｒは炭素数１以上のアルキル基で
あり、ｎは１以上の整数である）で表される請求項１記
載のコンクリート構造物の強化方法。
【請求項３】コンクリート構造物が劣化したコンクリ
ート構造物である請求項１または２記載のコンクリート
構造物の強化方法。
【請求項４】コンクリート構造物が、鉄筋コンクリー
ト、または、セメント系材料による成形品、セメント成
形板およびモルタル塗装物の群から選ばれた少なくとも
１種のセメント系構造物である、クレーム請求項１〜３
いずれか１項記載のコンクリート構造物の強化方法。
【請求項５】組成物の塗布または含浸後、常温１〜３
時間乾燥硬化もしくは６０〜１２０℃で１分〜１時間低
温加熱処理するか、または水蒸気処理をする請求項１〜
４いずれか１項記載のコンクリート構造物の強化方法。
【請求項６】請求項１〜５いずれか１項記載のコンク
リート構造物の強化方法により得られる強化コンクリー
ト構造物。