JP2005047793A

JP2005047793A - ポーラスコンクリート内の空隙管理方法

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Publication number: JP2005047793A
Application number: JP2004183385A
Authority: JP
Inventors: Kenji Izumo; 健司出雲
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-06-25
Filing date: 2004-06-22
Publication date: 2005-02-24

Abstract

【課題】ポーラスコンクリート内の空隙の配置が物性に及ぼす影響が大きく、それを管理する必要がある。本発明はポーラスコンクリート内の空隙管理方法を提供する。
【解決手段】粒径により骨材を分類し、骨材の周りに結合材が均等に付着したものをモデル化し、シミュレーション中に周りの結合材の変形を考慮できるように拡張し、なおかつ加圧振動締固めも考慮できるように拡張したポーラスコンクリート内の連続空隙を算定できる３次元粒子要素法プログラムをコンピュータにアップロードし、結合材、骨材ならびに型枠のそれぞれの物性値と配合諸量、結合材の無変形量を変数としてシミュレーションを行い、ポーラスコンクリートの骨材・空隙の配置、実積率、連続・独立空隙分布、連続・独立空隙量を管理する。
【選択図】図６

Description

本発明はポーラスコンクリートに対して充填シミュレーションを導入し、そのシミュレーションにポーラスコンクリートの配合や使用材料・型枠の物性値を入力して、骨材・空隙の配置状況、実積率、連続・独立空隙分布、連続・独立空隙量を検討してなるポーラスコンクリートの空隙管理方法に関する。

環境保全や自然に優しいということが社会的な大きなテーマになっており、コンクリートなどの建設材料に対してもそれらが求められている。そのような状況下、生態系保全をも含めた高機能環境負荷低減型材料としてのポーラスコンクリートの研究は近年益々盛んになっており、実施工においても様々な形態での適用が進められている。しかし、ポーラスコンクリートは多孔質性ゆえに空隙配置や分布がその性能に大きく影響することがよく知られており、その空隙配置や分布を明らかにする必要があるとともに、品質管理の面から空隙を管理する必要がある。

日本コンクリート工学協会年次大会論文報告集第２４号第１巻pp.1187-1192によると、骨材の充填シミュレーションをポーラスコンクリートに導入することを試みている。具体的には、粉体工学で用いられている粒子要素法をポーラスコンクリートの充填シミュレーションに適用して、その骨材配置、言い換えれば、空隙の配置のシミュレーションを行うことにより骨材・空隙の配置を予測し、ポーラスコンクリートの性質を左右する上で重要な空隙分布と実積率を２次元において検討を行っている。

他方、特開２００２−２７４９６６では、施工性が良好で、しかも空隙率や空隙径を大きくした場合にも充分な強度を有するポーラスコンクリートを提供するために、スラグ細骨材を含む細骨材、セメントを含む粉体、水、及び必要に応じて用いる混和剤からなるモルタルと粗骨材を混練して、型枠内に投入し、養生して硬化させることを特徴とするポーラスコンクリートの製造方法が考え出されている。

ポーラスコンクリートは連続空隙を有するコンクリートであり、それゆえにポーラスコンクリート内の空隙配置が物性に及ぼす影響が大きく、それを管理する必要がある。そこで、本発明はポーラスコンクリート内の空隙管理方法を提供する。

本発明者は課題を解決するべく鋭意研究を重ねた結果、粒径により骨材を分類し、骨材の周りに結合材が均等に付着したものをモデル化し、シミュレーション中に周りの結合材の変形を考慮できるように拡張し、なおかつ加圧振動締固めも考慮できるように拡張したポーラスコンクリート内の連続空隙を算定できる３次元粒子要素法プログラムをコンピュータにアップロードし、結合材、骨材ならびに型枠のそれぞれの物性値と配合諸量、結合材の無変形量を変数としてシミュレーションを行い、ポーラスコンクリートの骨材・空隙の配置、実積率、連続・独立空隙分布、連続・独立空隙量を管理する方法を発明するに至った。

本発明により、ポーラスコンクリート内の骨材・空隙の配置、実積率、連続・独立空隙分布、連続・独立空隙量の管理可能となる。

粒子要素法は粉体工学で使われている解析手法で文字通り粒子一つ一つを要素として扱うために、不連続体を扱うことが出来る。本発明で粒子に当たるのが骨材一つ一つであり、シミュレーションを行うに当たって、図１のようなモデル化した。骨材２を結合材１が膜状に付着しており、結合材１のだれがない。このモデルは実施工において良質なポーラスコンクリートを作るための条件でもある。シミュレーションで使う骨材の形状は球であり、球が最も計算量が少なくて済むが、直方体や円錐など異なる形状でも解析は可能である。

本発明の解析手順は、骨材の周りに結合材が均等に付着したものをモデル化し、シミュレーション中に周りの結合材の変形を考慮できるように拡張し、なおかつ加圧振動締固めも考慮できるように拡張したポーラスコンクリート内の連続空隙を算定できる３次元粒子要素法プログラムをコンピュータにアップロードし、結合材、骨材ならびに型枠のそれぞれの物性値と配合諸量、結合材の無変形量を変数としてシミュレーションを行っており、まずは自由落下させて充填シミュレーションを行った後に、加圧振動締固めによる充填シミュレーションを行った。

結合材１は図２に示すように、充填シミュレーション中には変形し、無変形量は結合材１の種類によって異なる。また、図２のように結合材１は変形し，変形した結合材１は外側に均等に動く。この時、結合材１はまだ硬化していないフレッシュ状態であり、その変形に対する反力はほぼ無視できるので、結合材１の変形が無変形膜３に達した場合に作用力が働く。

図３に示すように、２粒子間、つまり、２つのモデル化骨材４間に働く力Ｆによる並進変位をｕ、回転変位をψとすると、式(1)、(2)が成り立つ。

ただし、実際の計算では、個々の接触点に対して上式を解くのは不可能なので、ある時間増分△ｔを設定し、差分近似して計算している。その方法を以下に示す。

２つのモデル化骨材４間の相互作用力モデルは図３に示すように、モデル化骨材４間の相互作用力を接触した２つのモデル化骨材４の法線方向とそれに垂直なせん断方向に分けて考えている。また、図４に示すとおりモデル化骨材４の法線方向の相互作用力を弾性挙動を表す弾性ばね６と粘性挙動を表すダッシュポット５を同時に表現できるフォークトモデルを使用した。また、モデル化骨材４のせん断方向の相互作用力を弾性挙動を表す弾性ばね７と粘性挙動を表すダッシュポット８を同時に表現できるフォークトモデルを使用し、粒子間の摩擦を考慮するために摩擦スライダー９を設けている。

その時のモデル化骨材の変位としては図５に示すように、符号１１の時間ｔでのモデル化骨材Iと符号１２のモデル化骨材Ｊの位置、符号１０の時間ｔ−△ｔでのモデル化骨材Iと符号１３のモデル化骨材Ｊの位置から２つのモデル化骨材間の変位を計算している。この図に示されるように、法線方向の変位ベクトル、せん断方向の変位ベクトルが次式により求まる。

また、クーロン摩擦法則から得られたせん断力より大きな力は作用しないので式(5)、 (6)の条件を設けている。

また、モデル骨材と型枠間も入力されたパラメータを基に同様な計算を行う。

モデル化骨材が自由落下して充填後、ポーラスコンクリートの締固めによる充填シミュレーションは、ポーラスコンクリートにバイブレータの周波数と振幅を与え、加圧する場合はモデル化骨材にバイブレータの加速度を与えることにより充填シミュレーションを行っている。

ポーラスコンクリート内の空隙は充填シミュレーションした結果を立方体のセルで分割し，空隙が面で隣り合っている場合、空隙が連続しているものとした。連続空隙はその空隙がポーラスコンクリートの上面から下面まで連続である空隙とし，独立空隙はモデル化骨材や型枠などで閉塞されている空隙であるとして取り扱った。また、立方体のセルが隣り合っている辺で連続空隙を算定する方法もある。

充填シミュレーションによりポーラスコンクリートの骨材や空隙の配置が座標として明確になるので、ポーラスコンクリートの断面図をコンピュータ上で描くことも可能となる。また、この断面図から連続空隙を算定した方法と同様に断面積を正方形のセルで分割することにより、隣り合った辺もしくは頂点により断面の空隙面積やその空隙の径を算定することが可能となる。

本発明で使用した配合の諸量を表１に示す。なお，p/aは単位セメントペーストと単位骨材量の容積比を表している。セメントは普通ポルトランドセメント（密度:3.15g/cm³），粗骨材は砕石（密度:2.67g/cm³）である。骨材の粒径分布は表２を使用し、シミュレーションに使用したパラメータは表３である。

本発明の実施例では、シミュレーションの対象はφ100×200mmの円柱供試体とし，骨材投入開始後の2秒間自由落下による充填シミュレーションを行った後、表４に示される条件でポーラスコンクリートに対して0.5秒間加圧式の振動締固めによる充填シミュレーションを行った。また、対象とする供試体などの形状・寸法は自由であり、自由落下・締固めによるシミュレーションの時間も自由に設定することができ、材料によって適切に設定する必要がある。

図６に３次元粒子要素法によるポーラスコンクリートの充填シミュレーションの過程を示す。これらの図に示されるように(a)から(c)に時系列的にセメントペーストで覆われた骨材が充填していく様子がわかる。

実験値の実積率と解析値の実積率を比較したものが図７である。この図に示されるように、相関関係がよく、適切なパラメータを入力することにより、本シミュレーション法が実験を再現できていることを表している。

本実施例では、ポーラスコンクリート内の空隙は充填シミュレーションした結果を一辺0.4mmの立方体のセルで分割し，空隙が面で隣り合っている場合，空隙が連続しているものとした。また，連続空隙はその空隙がポーラスコンクリートの上面から下面まで連続である空隙とし，独立空隙はモデル化骨材や型枠などで閉塞されている空隙であるとして取り扱った。

その結果、図８と図９に示すように連続空隙分布と独立空隙分布、図１０に示すように断面図や図１１に示すように断面の連続空隙分布の検討が本発明により初めて可能になった。

以上、本発明によりポーラスコンクリートの空隙配置がシミュレーションにより予想できるようになり、施工前に空隙管理が可能となる。

本発明のモデル化した骨材の概念図である。シミュレーション中のモデル化骨材の変形の概略図である。本発明のモデル化骨材間の作用力の方向である。本発明のモデル化骨材間相互作用力のモデルである。時間増分△ｔにおける２つのモデル化骨材間の変位を求めるための概略図である。本発明によるポーラスコンクリートの充填過程である。実験値と解析値の比較図である。高さ方向の連続空隙分布である。高さ方向の独立空隙分布である。ポーラスコンクリートの断面図である。断面図の連続空隙分布である。

符号の説明

１結合材
２骨材
３結合材の無変形膜
４モデル化骨材
５法線方向のダッシュポット
６法線方向の弾性ばね
７せん断方向の弾性ばね
８せん断方向のダッシュポット
９摩擦スライダー
１０時間ｔ−△ｔにおけるモデル化骨材I
１１時間ｔにおけるモデル化骨材I
１２時間ｔにおけるモデル化骨材J
１３時間ｔ−△ｔにおけるモデル化骨材J

Claims

粒径により骨材を分類し、骨材の周りに結合材が均等に付着したものをモデル化し、シミュレーション中に骨材周りの結合材の変形を考慮できるように拡張し、なおかつ加圧振動締固めも考慮できるように拡張したポーラスコンクリート内の連続空隙を算定できる３次元粒子要素法プログラムをコンピュータにアップロードし、結合材、骨材ならびに型枠のそれぞれの物性値と配合諸量、結合材の無変形量を変数としてシミュレーションを行い、ポーラスコンクリートの骨材・空隙の配置、実積率、連続・独立空隙分布、連続・独立空隙量を管理する方法。
請求項１のシミュレーション方法を使い、多孔質性を有する建設材料の骨材・空隙の配置、実積率、連続・独立空隙分布、連続・独立空隙量を管理する方法。