JP2004238956A - セメント複合構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】ひずみが０．５％程度から１．０％程度となる大変形を受けた場合にも、多数の微細なひび割れに分散して、破壊の局所化を遅らせるとともに、大きな塑性変形にも対応することのできる、大変形追随型のセメント複合構造体を提供すること。
【解決手段】ひずみ硬化型高靱性セメント複合材料からなるセメント本体部１１と、該セメント本体部の内部に配設されたエキスパンドメタル材からなる内層部１２とによって構成されていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に建造物の建造用に用いられるセメント構造体に関し、特に、ひずみ硬化型高靱性セメント複合材料とエキスパンドメタル材等の網目状鋼板材とを組み合わせたセメント複合構造体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
建造物を構成するに当たっては、無筋コンクリート構造体および鉄筋コンクリート構造体がよく用いられている。ここで、無筋コンクリート構造体とは、通常、セメント材料、水、細骨材（砂等）、粗骨材（砂利等）及び混和剤からなり、圧縮力には強いが、引張力又は曲げ力には弱いため、引張力又は曲げ力を受けると、直ぐに局所化したひび割れが発生するという性質を有している。鉄筋コンクリート構造体は、無筋コンクリートの引張側に鉄筋を配置することによりコンクリートの弱点を補うことができるものである。
【０００３】
【特許文献１】
特開平６−６４９５４号公報
【特許文献２】
特開昭６３−１０７８４８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、コンクリートの弱点を改善した鉄筋コンクリート構造体であっても、引張力又は曲げ力を受けると部材最外縁（構造体表面）にひび割れが発生するが、このひび割れが鉄筋の降伏前であるにもかかわらず局所化するという弱点があった。そして、局所化したひび割れが肥大すると、鉄筋の降伏が生じ、構造体の破壊へと繋がることになる。
【０００５】
このため、鉄筋コンクリート構造体の設計においては、外力に抵抗する構造体（部材断面）を仮定する場合に、コンクリート及び鉄筋の応力度照査において許容ひび割れ幅Ｃ（一般には、かぶり（ｃ：部材最外縁から鉄筋表面までの距離）に比例する式としてＣ＝０．００５ｃ）を設定し、それ以下であるかどうかを照査している。通常、許容ひび割れ幅値をＣ＝０．２ｍｍとして設計することにより、通常の使用に何ら支障のない安全率が確保されているが、コンクリートの経年劣化に伴って、ひび割れが進行してしまう。
【０００６】
また、ひび割れ幅が許容ひび割れ幅を超えると、このひび割れ部から雨水が浸透して鉄筋表面に達してしまう。これにより、鉄筋の腐食、破断を引き起こし、構造体の破壊に至る。
【０００７】
上記のように、鉄筋コンクリート構造体は、部材最外縁の局所化したひび割れを防ぐことは難しく、表面に防水皮膜（アスファルト系や塗装系）を貼って、ひび割れから浸透する雨水などによる鉄筋の腐食を保護しているのが現状である。
【０００８】
そこで案出されたのが本発明であって、その目的は、ひずみが０．５％程度から１．０％程度となる大変形を受けた場合にも、多数の微細なひび割れに分散して、破壊の局所化を遅らせるとともに、大きな塑性変形にも対応することのできる、大変形追随型のセメント複合構造体を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために請求項１記載のセメント複合構造体は、ひずみ硬化型高靱性セメント複合材料からなるセメント本体部と、該セメント本体部の内部に配設され、引張に対する変形特性に優れた網目状鋼板材とによって構成されている。
請求項２記載のセメント複合構造体は、請求項１記載のセメント複合構造体において、内層部は、エキスパンドメタル材により構成されている。
請求項３記載のセメント複合構造体は、請求項１または２に記載のセメント複合構造体において、内層部には、各網目内にひずみ硬化型高靱性セメント複合材料が充填されている。
請求項４記載のセメント複合構造体は、請求項１から３の何れかに記載のセメント複合構造体において、内層部は、単位幅当たりの断面積に応じて引張強度が変化する性質を有している。
請求項５記載のセメント複合構造体は、請求項１から４の何れかに記載のセメント複合構造体において、内層部は、網目形状が菱形とされている。
請求項６記載のセメント複合構造体は、請求項１から５の何れかに記載のセメント複合構造体において、内層部は、網目形状が亀甲形とされている。
請求項７記載のセメント複合構造体は、請求項１から６の何れかに記載のセメント複合構造体において、内層部は、セメント本体部に複数層設けられている。
請求項８記載のセメント複合構造体は、請求項１から７の何れかに記載のセメント複合構造体において、内層部は、セメント本体部の表面付近であって、十分なかぶりを有した位置に配設されている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明は、「ひずみ硬化型高靱性セメント複合材料（代表例：ＥＣＣ（Ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ Ｃｏｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ））」の内部に、「網目状鋼材（代表例：エキスパンドメタル材）」を配設したものである。ここで、「ひずみ硬化型高靱性セメント複合材料（ＤＦＲＣＣ（Ｄｕｃｔｉｌｅ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ）」は、セメント材料、水、細骨材（砂等）及び混和材料を含有するとともに、何らかの補強材を含有するものである。特に、代表的なものとしては、直径数十から数百ミクロンのポリエチレン繊維やビニロン繊維を体積で１〜２％含有するものがある。一方、エキスパンドメタル材については、ＪＩＳＧ３３５１で定められているので、詳細な説明は割愛する。なお、ＥＣＣの他、ひずみ硬化型高靱性セメント複合構造材料の代表例としては、ＳＩＦＣＯＮ（Ｓｌｕｒｒｙ Ｉｎｆｉｌｔｒａｔｅｄ Ｆｉｂｅｒ ＣＯＮｃｒｅｔｅ）、ＳＩＭＣＯＮ（Ｓｌｕｒｒｙ Ｉｎｆｉｌｔｒａｔｅｄ Ｍａｔ ＣＯＮｃｒｅｔｅ）、Ｄｕｃｔａｌが挙げられる。
【００１１】
かかるひずみ硬化型高靱性セメント複合材料によれば、数％のひずみが生じても、ひび割れ発生後の応力低下がなく、みかけのひずみの増加に伴って応力が増加する能力を有する「ひずみ硬化特性」と、局所化しがちなひび割れを多数の微細なひびわれに分散する「マルチプルクラッキング特性」を持つ材料であり、この材料と鋼材（鋼板材や鉄筋など）を組み合わせた新しい複合材料は、従来のセメント系材料と違って鋼材の変形性能を最大限に引き出す特徴を持っており、高性能な補修用材料、衝撃緩衝材料、鋼材の被覆材料などの新しい各種の用途が期待されているものである。今回この「ひずみ硬化型高靱性セメント複合材料」と鋼材の中で引張変形特性に優れたエキスパンドメタル材を組み合わせた新しい「複合材料」の引張特性を実験した結果、鉄筋や鋼材を使用した場合や、全く使用しなかった場合（無筋）の引張特性の中間に位置する特性値が得られた（図９から図１１参照）。
【００１２】
そして、上記のように構成された本発明は、鉄筋などの鋼材を挿入した場合に比べ、大変形追随性能を向上することができる材料であることが判明した。衝撃吸収が要求される商品（例えば高架橋の衝突防止用の壁高欄など）や、高靱性、高引張変形特性が要求される商品（例えば橋脚の巻立て補強材、鉄筋コンクリート床板の補強材、トンネルや擁壁の面的補強材）など、幅広く活用できると思われる。
【００１３】
（実施例）
以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施例について説明する。勿論、下記実施例は、本発明の好ましい実施例を示すに過ぎないから、本発明の技術的範囲は、下記実施例そのものに何ら限定されるものでないことはいうまでもない。
【００１４】
図１は、本発明の一実施例であるセメント複合構造体１の部分断面図である。図１に示すように、セメント複合構造体１は、セメント本体部１１と、そのセメント本体部１１の内部に複数層（本実施例の場合には２層）配設されている内層部１２，１２とによって構成されている。
【００１５】
セメント本体部１１には、「ひずみ硬化型高靱性セメント複合材料」により構成されている。具体的には、セメント材料、水、細骨材（砂等）及び混和材料に加え、ポリエチレン繊維１１ａが含有されている。
【００１６】
図２は、内層部１２の基本構成（各網目）１２ａの平面図および断面図であり、図３は、内層部１２全体の平面図である。図２および図３に示すように、内層部１２は、菱形状のエキスパンドメタル材によって構成されている。ここで、エキスパンドメタル材は、網目の長目方向からの引張力に対する耐力が大きい性質を有する一方、図４に示すように引張力に応じて伸張変形する性質が高く、更に、引張力を取り除いた場合に、収縮変形する性質も高い。言い換えれば、エキスパンドメタル材により構成される内層部１２は、引張変形特性に優れている。従って、ひずみを分散するために全体が均一的に伸張すると思われるひずみ硬化型高靱性セメント複合材料により構成されるセメント本体部１１の内部に配設された場合に、付着性を損なうことなく、セメント本体部１１の変形に応じて適宜変形するものと推測される。なお、図５は、図１に示すセメント複合構造体１のＩＶ−ＩＶ線における断面図である。
【００１７】
図６は、セメント複合構造体１に対して引張試験を行っている図であり、図７は、上記セメント複合構造体に対して曲げ試験を行っている図である。図８は、各試験の模式図である。なお、実験に際しては、ひずみ硬化型高靱性セメント複合材料として「ＥＣＣ」を用いたものを使用した。配合率（繊維混入率、空気混入率を除きセメント量に対する比率）は、セメント（早強ポルトランドセメント）：１、水：０．３、細骨材（７号珪砂）：０．３１、混和剤Ａ（ポリカルボン酸系高性能ＡＥ減水剤）：０．０３、混和剤Ｂ（メチルセルロース系増粘剤）：０．０００７１、繊維（ポリエチレン繊維）：１．５％、空気量：１２．８％である。
【００１８】
図６及び図８（ａ）に示すように、引張試験の測定方式は、セメント複合構造体１に所定の間隔を空けた一対の固定板５１，５１を設けるとともに、固定板５１と接触するように変位計５２を取り付け、別途セメント複合構造体１の両端に夫々埋設されたＰＣ鋼棒５３，５３を引っ張った状態において、両変位計５２の変位と、ひび割れ幅とを測定する方式である。
【００１９】
一方、図７及び図８（ｂ）に示すように、曲げ試験の測定方式は、セメント複合構造体１の下方を間隔を空けて支持するとともに、その上部に荷重を加えた状態において、上方側端部の変位および下方側中央部の変位の相対変位と、ひび割れ幅とを測定する方式である。この場合、図８（ｂ）に示すように、内層部１２がセメント本体部１１に対して偏心して配設されているので、曲げ力が加わった場合に、効率よく抵抗することができる。
【００２０】
図９から図１１は、上記試験の結果を表にまとめたものである。まず、各図に示すように、本セメント複合構造体１によれば、鉄筋や鋼材を使用した場合や、全く使用しなかった場合（無筋）の引張特性の中間に位置する特性が得られている。また、使用するエキスパンドメタル材の量を多くすれば（単位幅当たりの鋼材の断面積を大きくすれば）、鉄筋や鋼板材を挿入した場合の引張特性に近づき、エキスパンドメタル材の量を少なくすれば（単位幅当たりの鋼材の断面積を小さくすれば）無筋の引張特性に近づくという特性を持つこと（即ち、鋼材の断面積の大きさを変更することにより、所望の性質を有する材料が得られること）が分かった。更に、ひずみ硬化型高靱性セメント複合材料を使用することにより、変位（ひずみ）が大きくなった場合にも、ひび割れ幅が肥大化しないという特性があることも分かった。前述の記載をまとめれば、本発明であるセメント複合構造体１によれば、鉄筋などの鋼材を挿入した場合に比べ、大変形追随性能を向上することができる材料であることが判明した。
【００２１】
ここで、従来の技術の欄等においても説明したが、図１２を参照して、従来技術の一例について説明する。従来技術のセメント複合構造体９０においては、図１３に示すように、コンクリート本体部９１（セメント材料、水、細骨材、粗骨材および混和材料）、並びに、主鉄筋９２１および配力鉄筋９２２を格子状に組み合わせて成る内層部９２とによって構成されている。このように構成されたセメント複合構造体９０においては、引張力が主鉄筋９２１に集中して加わってしまうため、引張変形特性に乏しいし、本体部９１においてもひび割れを分散することができず、破壊がすぐに局所化してしまうという弱点があった。更に、主鉄筋９２１と配力鉄筋９２２とを接続（溶接したり、番線で縛ったり）する煩雑な作業を要するという問題点があった。
【００２２】
セメント複合構造体１においては、前記の通り、ひずみ硬化型高靱性セメント複合材料の一種であるＥＣＣを本体部１１に採用するとともに、引張変形特性に優れた網状鋼材の一種であるエキスパンドメタル材を内層部１２に採用したものであり、これにより、従来技術のセメント複合構造体９０の有する課題を解決することが可能となった。
【００２３】
以上、実施例に基づき本発明を説明したが、上記実施例は、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察することができ、本発明の技術的範囲には、これらの改良変形も含まれる。
【００２４】
例えば、上記実施例においては、内層部１２が菱形状のエキスパンドメタル材により構成されている。しかしながら、内層部１２は、菱形状のエキスパンドメタル材により構成されるものに限られず、亀甲形状のものであっても良い。更に、引張変形特性の優れた網状鋼材であれば、何らエキスパンドメタル材により構成されるものに限られるものでもない。但し、伸縮性に優れることは勿論のこと、引張力に対する抵抗力にも優れ、更に、材料が安価である点において、エキスパンドメタル材の方が好ましいと思料される。
【００２５】
また、上記実施例においては、セメント複合構造体１がブロック板状に形成されている。勿論、その形状は限定されるものでない。更に、セメント複合構造体１は、工場等において予め所定形状に生産されるものに限定されず、現場において直接に製造されたものをも包含する。
【００２６】
更に、上記実施例によれば、セメント複合構造体１を構成するセメント本体部１１に配設される繊維は、ポリエチレン繊維１１とされているが、何らポリエチレン繊維１１に限られるものではなく、例えば、ビニロン繊維等の他の合成繊維や、鋼繊維等の金属繊維であっても良いと思われる。更には、金属繊維の他、セラミック繊維およびガラス繊維等の無機繊維、並びにこれら化学繊維に代えて石綿等の天然繊維であっても良いと思われる。
【００２７】
更に、上記実施例においては、内層部１２がセメント本体部１１内に２層（複数層）配設されている。しかしながら、１層（単層）であっても良い。この場合、曲げ力に対する抵抗力を大きくするために、セメント本体部１１内に偏心させて配設することが好ましい。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、ひずみ硬化型高靱性セメント複合材料からなるセメント本体部と、該セメント本体部の内部に配設された、エキスパンドメタル材等の引張変形特性に優れた網目状鋼材とによって構成されているので、ひずみが０．５％程度から１．０％程度となる大変形を受けた場合にも、多数の微細なひび割れに分散して、破壊の局所化を遅らせるとともに、大きな塑性変形にも対応することのできる、大変形追随型のセメント複合構造体を提供することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例であるセメント複合構造体を部分的に断面状態とした斜視図である。
【図２】上記セメント複合構造体を構成する内層部の基本構成の平面図および断面図である。
【図３】上記内層部の平面図である。
【図４】上記内層部の変形具合を示す図であり、（ａ）は、引張前の状態を示し、（ｂ）は、引張後（伸張後）の状態を示す。
【図５】上記セメント複合構造体の側方断面図である。
【図６】上記セメント複合構造体に対する引張試験方式を示す図である。
【図７】上記セメント複合構造体に対する曲げ試験方式を示す図である。
【図８】上記試験方式の模式図であり、（ａ）は、引張試験方式を示し、（ｂ）は、曲げ試験方式を示す。
【図９】（ａ）は、引張試験時における供試体の種類を示す図であり、（ｂ）は、曲げ試験時における供試体の種類を示す図である。
【図１０】（ａ）は、引張試験時における荷重−変位曲線を示す図であり、（ｂ）は、引張試験時におけるひび割れ幅−変位曲線を示す図である。
【図１１】（ａ）は、曲げ試験時における荷重−変位曲線を示す図であり、（ｂ）は、曲げ試験時におけるひび割れ幅−変位曲線を示す図である。
【図１２】従来技術のセメント複合構造体を部分的に断面状態とした斜視図である。
【符号の説明】
１ セメント複合構造体
１１ セメント本体部
１１ａ ポリエステル繊維
１２ 内層部
１２ａ 基本構成（各網目）

Claims (8)

1. ひずみ硬化型高靱性セメント複合材料からなるセメント本体部と、
   該セメント本体部の内部に配設され、引張変形特性に優れた網目状鋼材とによって構成されていることを特徴とするセメント複合構造体。
2. 内層部は、エキスパンドメタル材により構成されていることを特徴とする請求項１記載のセメント複合構造体。
3. 内層部には、各網目内にひずみ硬化型高靱性セメント複合材料が充填されていることを特徴とする請求項１または２に記載のセメント複合構造体。
4. 内層部は、単位幅当たりの断面積に応じて引張強度が変化する性質を有していることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載のセメント複合構造体。
5. 内層部は、網目形状が菱形とされていることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載のセメント複合構造体。
6. 内層部は、網目形状が亀甲形とされていることを特徴とする請求項１から５の何れかに記載のセメント複合構造体。
7. 内層部は、セメント本体部に複数層設けられていることを特徴とする請求項１から６の何れかに記載のセメント複合構造体。
8. 内層部は、セメント本体部の表面付近であって、十分なかぶりを有した位置に配設されていることを特徴とする請求項１から７の何れかに記載のセメント複合構造体。

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