JP2006213550A - 繊維補強コンクリートと繊維補強コンクリート部材の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 安価な材料費により優れた力学性能と耐久性能と施工性を有した繊維補強コンクリートと繊維補強コンクリート部材の製造方法を提供する。
【解決手段】 セメントと、活性度の高い第一のポゾラン系反応粒子と、第一のポゾラン系反応粒子よりも活性度の低い第二のポゾラン系反応粒子と、最大粒径が２．５ｍｍ以下で、平均粒径が０．４ｍｍから０．８ｍｍの範囲内で、粗粒率が１．５から３．５の範囲内の第一の骨材粒子と、最大粒径が０．４２５ｍｍ以下で、平均粒径が０．１ｍｍから０．３ｍｍの範囲内で、粗粒率が０．４から０．８の範囲内の第二の骨材粒子と、少なくとも１種類の分散剤と、水とを含むセメント系マトリックス中に、繊維を分散して含めることにより繊維補強コンクリートを生成する。
【解決手段】 セメントと、活性度の高い第一のポゾラン系反応粒子と、第一のポゾラン系反応粒子よりも活性度の低い第二のポゾラン系反応粒子と、最大粒径が２．５ｍｍ以下で、平均粒径が０．４ｍｍから０．８ｍｍの範囲内で、粗粒率が１．５から３．５の範囲内の第一の骨材粒子と、最大粒径が０．４２５ｍｍ以下で、平均粒径が０．１ｍｍから０．３ｍｍの範囲内で、粗粒率が０．４から０．８の範囲内の第二の骨材粒子と、少なくとも１種類の分散剤と、水とを含むセメント系マトリックス中に、繊維を分散して含めることにより繊維補強コンクリートを生成する。
Description
本発明は、セメント系マトリックスに繊維を混入することにより製造される繊維補強コンクリートと繊維補強コンクリート部材の製造方法に関するものである。
近年、土木、建築分野において、部材の薄肉化や軽量化および意匠の自由度の向上や耐久性の向上を目的として、超高強度の繊維補強コンクリートが種々のコンクリート構造物に適用されている。
従来、このような繊維補強コンクリートは、最大骨材粒径が１ｍｍ〜２ｍｍ以下の骨材と、ポゾラン系反応粉体とを主成分とし、これに高性能な分散剤を使用して製造したセメント系マトリックスに、直径が０．１６ｍｍ〜０．３ｍｍ、長さが１０ｍｍ〜１８ｍｍ程度の金属性の繊維が、骨材の最大粒径Ｄmaxに対する繊維の平均長さＬmの比Ｒ（Ｌm／Ｄmax）を１０〜２０以上、容積で１％〜４％混入して構成されている（例えば、特許文献１または特許文献２参照）。
特開平１１−２４６２５５号公報（［００３１］−［００７７］）
特開平０５−３１０４５９号公報（［０００４］−［００１１］、図１−図６）
ところが、従来の繊維補強コンクリートは、骨材粒子が、小さい平均粒径において、その粒径分布に制約が設けられている。そのため、この制約に対して満足する骨材を調達するためには、粒径分布の異なる数種類の硅砂を適当な配合で混合する必要があり、通常の細砂などの細骨材を調達する場合と比較して材料費が高価となっていた。
また、従来の繊維補強コンクリートでは、骨材粒子の最大骨材粒径は、１ｍｍ〜２ｍｍ以下と、細粒骨材が多く、骨材に対するセメント量が多いため、流動特性（施工上、必要とされるコンクリートの流動性能）や力学的特性（コンクリート部材に必要とされる耐力等）の向上には貢献するものの、自己収縮が大きくなるという問題点を有している。ここで、自己収縮とは、水和反応する前のセメントと水の容積に比べて、これらが水和反応することにより水和物の容積が小さくなることにより体積が減少し、収縮する現象をいう。そのため、単位セメント量が多いコンクリートにおいて、セメントが水和反応して凝結が開始するころから生ずるものである。したがって、弱材齢時に発生する自己収縮は、型枠などの収縮を拘束する構造が存在する場合には拘束されるため、コンクリート内部に引張ひずみを残すこととなり、結果的に、セメント系マトリックスの初期ひび割れ強度が低下する。
また、従来の繊維補強コンクリートは、骨材粒子の最大骨材粒径は、１ｍｍ〜２ｍｍ以下と、細粒骨材が多く含まれているため、部材のせん断耐力の向上に寄与するせん断伝達能力が低下するという問題点を有していた。つまり、コンクリート部材に発生するせん断クラックの発生面（以下、単に「せん断クラック面」という場合がある）では、骨材粒子により凹凸が形成されて、この凹凸がせん断力を伝達するメカニズムが形成されるのに対し、骨材粒子の粒径が小さいと、凹凸が形成されないため、せん断伝達能力が小さくなる場合があった。
さらに、骨材粒子の最大粒径Ｄmaxに対する繊維の平均長さＬmの比Ｒを１０〜２０以上としているため、骨材粒子の最大粒径Ｄmaxによっては、繊維の平均長さＬmが長くなり、コンクリートの施工性を示すフロー値が小さくなり、必要な流動性を確保できなくなる場合があった。
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、安価な材料費により優れた力学性能と耐久性能と施工性を有した繊維補強コンクリートと繊維補強コンクリート部材の製造方法を提供することを課題とする。
前記課題を解決するために、本発明の繊維補強コンクリートは、セメントと、活性度の高い第一のポゾラン系反応粒子と、前記第一のポゾラン系反応粒子よりも活性度の低い第二のポゾラン系反応粒子と、最大粒径が２．５ｍｍ以下で、かつ、平均粒径が０．４ｍｍから０．８ｍｍの範囲内で、なおかつ、粗粒率が１．５から３．５の範囲内の第一の骨材粒子と、最大粒径が０．４２５ｍｍ以下で、かつ、平均粒径が０．１ｍｍから０．３ｍｍの範囲内で、なおかつ、粗粒率が０．４から０．８の範囲内の第二の骨材粒子と、少なくとも１種類の分散剤と、水とを含むセメント系マトリックス中に、繊維が分散して含まれることを特徴としている。
かかる繊維補強コンクリートは、骨材として、普通コンクリートに用いられるいわゆる細砂を調整して使用しているため、その調達が容易で、単価も安く、従来に比べて安価に超高強度の繊維補強コンクリートを生成することが可能となる。
また、骨材として、最大粒径Ｄmaxを２．５ｍｍ以下と、比較的大きな粒径の細砂を使用しているため、クラック面において細砂による凹凸が形成されて、せん断クラック面におけるせん断伝達を向上することが可能となり、せん断耐力に優れたコンクリート構造物の構築が可能となる。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の繊維補強コンクリートであって、前記セメントに対する水の重量比率が２０％から２４％の範囲内にあって、かつ、前記第一の骨材粒子および前記第二の骨材粒子からなる骨材の最大粒径に対する前記繊維の平均長さの比が１０未満であって、なおかつ、凝結後の全体の体積に対する前記繊維の量が４％未満であることを特徴としている。
かかる繊維補強コンクリートは、骨材の最大粒径Ｄmaxに対する繊維の平均長さＬmの比Ｌm／Ｄmaxを１０未満とすることで、少ない水に対しても流動性を確保し、コンクリート打設時の施工性を向上することが可能となる。
また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の繊維補強コンクリートであって、前記繊維が、長さ２ｍｍ以上で、かつ、繊維の直径に対する長さの比率が２０以上であることを特徴としている。
かかる繊維補強コンクリートは、繊維として、繊維の個々の長さＬｉが２ｍｍ以上で、繊維の直径（以下、単に「繊維径」という場合がある）ｄに対する長さの比率Ｌｉ／ｄが２０以上の比較的長いものを使用しているため、繊維とセメント系マトリックス間の付着抵抗力が増大して、ひび割れ時の架橋効果も期待することが可能となる。したがって、セメント系マトリックスの初期ひび割れ以降に、ひび割れ幅が増大しても、繊維の架橋効果により引張応力が期待でき、高い靱性能力が得られる。つまり、本発明の繊維補強コンクリートにより、高い破壊エネルギーを得ることが可能となる。
また、請求項４に記載の発明は、請求項２または請求項３に記載の繊維補強コンクリートであって、前記セメントと前記第一のポゾラン系反応粒子と前記第二のポゾラン系反応粒子との合計重量に対する前記水の重量比率が、１０％から１５％の範囲内で、かつ、前記セメントと前記第一のポゾラン系反応粒子と前記第二のポゾラン系反応粒子と前記第一の骨材粒子と前記第二の骨材粒子とから構成される混合物の粒度成分のうち、Ｄ75粒度が５０μｍから３００μｍの範囲内で、Ｄ50粒度が１０μｍから７０μｍの範囲内であることを特徴としている。
かかる繊維補強コンクリートは、セメントと、第一のポゾラン系反応粒子と、第二のポゾラン系反応粒子とを前記の所定の粒径分布と配合量により混入してセメント系マトリックスを構成するため、材料粒子の累計粒度分布が滑らかとなり、粒子相互に最密充填が達成される。そのため、このセメント系マトリックスは空隙を有しない緻密な構造となり、セメント水和物と細骨材とが安定的に結合されて、結果的にマトリックス自身の初期引張強度が向上する。
また、請求項５に記載の発明は、請求項２乃至請求項４のいずれか一項に記載の繊維補強コンクリートであって、前記セメントと前記第一のポゾラン系反応粒子と前記第二のポゾラン系反応粒子と前記第一の骨材粒子と前記第二の骨材粒子とから構成される混合物に対して、前記セメントの重量比率が３０％から４０％の範囲内で、かつ、前記セメントと前記第一のポゾラン系反応粒子と前記第二のポゾラン系反応粒子と前記第一の骨材粒子と前記第二の骨材粒子とから構成される混合物に対して、前記第一のポゾラン系反応粒子と前記第二のポゾラン系反応粒子からなるポゾラン系反応材料の重量比率が２０％から４０％の範囲内で、かつ、前記セメントに対して、前記第一の骨材粒子と前記第二の骨材粒子とからなる骨材の重量比率が８０％から１３０％の範囲内であることを特徴としている。
かかる繊維補強コンクリートは、前記混合物に対するセメントの比率を３０％〜４０％と低くすることにより、自己収縮を小さく制御することが可能となる。つまり、自己収縮は、セメントと水との水和反応により、水和物の容積が縮小することにより生じる現象であるため、単位セメント量が多い配合に発生することを踏まえて、本発明の繊維補強コンクリートは、単位セメント量を少なくすることで自己収縮を制限している。
さらに、請求項６に記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の繊維補強コンクリートであって、前記セメントと前記第一のポゾラン系反応粒子と前記第二のポゾラン系反応粒子と前記第一の骨材粒子と前記第二の骨材粒子とから構成される混合物に対して、前記第一の骨材粒子の重量比率が、３０％から５０％の範囲内であることを特徴としている。
かかる繊維補強コンクリートによると、前記混合物に対する重量比率が３０％〜５０％の第一の骨材粒子により、骨材の骨格が形成されるので、自己収縮量を低減することが可能となる。
また、本発明の繊維補強コンクリートからなる部材の製造方法は、セメントと、活性度の高い第一のポゾラン系反応粒子と、前記第一のポゾラン系反応粒子よりも活性度の低い第二のポゾラン系反応粒子と、最大粒径が２．５ｍｍ以下で、平均粒径が０．４ｍｍから０．８ｍｍの範囲内で、粗粒率が１．５から３．５の範囲内の第一の骨材粒子と、最大粒径が０．４２５ｍｍ以下で、平均粒径が０．１ｍｍから０．３ｍｍの範囲内で、粗粒率が０．４から０．８の範囲内の第二の骨材粒子と、少なくとも１種類の分散剤と、水と、繊維とを練り混ぜて繊維補強コンクリートを生成する混練工程と、練り混ぜられた繊維補強コンクリートを所定箇所に打設する打設工程と、打設された繊維補強コンクリートを養生する養生工程とからなり、前記養生工程が、型枠を有した状態で所定の強度が発現するまで行う一次養生と、前記一次養生後、型枠を取り外した状態で行う二次養生と、を含むことを特徴としている。
そして、前記二次養生において、６０℃〜９５℃の温度環境下で４８時間〜７２時間行えば、この熱処理により、セメント中の遊離石灰とポゾラン系反応粒子のシリカやアルミナが結合して、安定的で硬い物質を早期に形成し、セメント系マトリックスの組織を緻密にすることが可能となり、好適である。
本発明により、優れた力学性能と耐久性能と施工性を有した超高強度の繊維補強コンクリートを比較的安価に構成することが可能となる。
本発明の繊維補強コンクリートは、（１）セメントと、（２）活性度の高い第一のポゾラン系反応粒子と、（３）第一のポゾラン系反応粒子よりも活性度の低い第二のポゾラン系反応粒子と、（４）第一の骨材粒子と、（５）第二の骨材粒子と、（６）分散剤と（７）水とを混合して得られるセメント系マトリックスに、（８）繊維を混入することにより構成されている。
以下、本発明の繊維補強コンクリートに使用する各材料の詳細について説明する。
（１）セメント
セメントには、粒径が０．５〜１００μｍの範囲内であって、平均粒径が４〜１８μｍの範囲内で、ブレーン値が２０００〜４０００ｃｍ2／ｇの低熱ポルトランドセメントまたは中庸熱ポルトランドセメントを使用するものとする。なお、セメントの種類は限定されるものではなく、例えば普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、対硫酸塩ポルトランドセメント等を使用することも可能であるが、本実施形態では、高性能減水剤を吸収しやすいアルミネート相が少ない、低熱ポルトランドセメントまたは中庸熱ポルトランドセメントを使用する。
セメントには、粒径が０．５〜１００μｍの範囲内であって、平均粒径が４〜１８μｍの範囲内で、ブレーン値が２０００〜４０００ｃｍ2／ｇの低熱ポルトランドセメントまたは中庸熱ポルトランドセメントを使用するものとする。なお、セメントの種類は限定されるものではなく、例えば普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、対硫酸塩ポルトランドセメント等を使用することも可能であるが、本実施形態では、高性能減水剤を吸収しやすいアルミネート相が少ない、低熱ポルトランドセメントまたは中庸熱ポルトランドセメントを使用する。
なお、セメント量は、セメントと第一のポゾラン系反応粒子と第二のポゾラン系反応粒子と第一の骨材粒子と第二の骨材粒子とから構成される粉体材料に対して、重量比率が３０％〜４０％の範囲内とする。
（２）第一のポゾラン系反応粒子
活性度の高い第一のポゾラン系反応粒子には、粒径Ｄが０．０５〜５０μｍ（好適には０．５＜Ｄ≦５０μｍ）、平均粒径が０．１５〜３．００μｍ、メディアン径Ｄ50が０．５〜５μｍ、ブレーン値が１５０，０００〜３００，０００ｃｍ2／ｇのシリカフュームを使用するものとする。ここで、第一のポゾラン系反応粒子に使用される材料はシリカフュームに限定されるものではなく、この他、カオリンの誘導体から選定した化合物、沈降シリカ、分級フライアッシュ等も使用可能である。
活性度の高い第一のポゾラン系反応粒子には、粒径Ｄが０．０５〜５０μｍ（好適には０．５＜Ｄ≦５０μｍ）、平均粒径が０．１５〜３．００μｍ、メディアン径Ｄ50が０．５〜５μｍ、ブレーン値が１５０，０００〜３００，０００ｃｍ2／ｇのシリカフュームを使用するものとする。ここで、第一のポゾラン系反応粒子に使用される材料はシリカフュームに限定されるものではなく、この他、カオリンの誘導体から選定した化合物、沈降シリカ、分級フライアッシュ等も使用可能である。
（３）第二のポゾラン系反応粒子
第一のポゾラン系反応粒子よりも活性度の低い第二のポゾラン系反応粒子には、粒径Ｄが０．１〜５０μｍ（好適には１５＜Ｄ≦５０μｍ）、平均粒径が４〜１０μｍ、メディアン径Ｄ50が２〜１１μｍ、ブレーン値が３，０００〜７，５００ｃｍ2／ｇのフライアッシュ、高炉スラグ、火山灰、シリカゾル、石粉等からなるポゾラン系反応粒子を使用する。
第一のポゾラン系反応粒子よりも活性度の低い第二のポゾラン系反応粒子には、粒径Ｄが０．１〜５０μｍ（好適には１５＜Ｄ≦５０μｍ）、平均粒径が４〜１０μｍ、メディアン径Ｄ50が２〜１１μｍ、ブレーン値が３，０００〜７，５００ｃｍ2／ｇのフライアッシュ、高炉スラグ、火山灰、シリカゾル、石粉等からなるポゾラン系反応粒子を使用する。
ここで、第一のポゾラン系反応粒子または第二のポゾラン系反応粒子（以下、「第一のポゾラン系反応粒子」と「第二のポゾラン系反応粒子」を区別しない場合は、単に「ポゾラン系反応粒子」という場合がある）は、ポゾラン反応に関与する微粉末であって、セメントを含む微粒子のマイクロフィラー効果およびセメント分散効果によりセメント系マトリックスを緻密化し、耐久性の向上、圧縮・引張強度の向上に寄与する。なお、ポゾラン反応とは、セメントの水和反応により生成されるアルカリ物質にポゾラン物質が反応して徐々に硬化体となる反応であって、長期的で安定的な強度発現に寄与する。
なお、本実施形態では、ポゾラン系反応粒子を多く含むことにより、セメント量を減量し、自己収縮の低減と水セメント比の低減を図ることを目的として、セメント１００重量部に対して、ポゾラン系反応粒子を６０〜８５重量部混入するものとし、セメントと第一のポゾラン系反応粒子と第二のポゾラン系反応粒子と第一の骨材粒子と第二の骨材粒子とから構成される粉体材料に対して、ポゾラン系反応粒子の重量比率が２０％〜４０％の範囲内となるようにする。
（４）第一の骨材粒子
第一の骨材粒子には、最大粒径Ｄmaxが２．５ｍｍ以下、平均粒径が０．４ｍｍ〜０．８ｍｍ、粗粒率が１．５〜３．５の硬質で吸水率の小さな細砂を使用するものとする。ここで、第一の骨材粒子に使用する細砂の種類は限定されるものではなく、例えば安山岩、火山岩、石英岩からなる海砂、川砂、砕砂等から調達が可能である。
第一の骨材粒子には、最大粒径Ｄmaxが２．５ｍｍ以下、平均粒径が０．４ｍｍ〜０．８ｍｍ、粗粒率が１．５〜３．５の硬質で吸水率の小さな細砂を使用するものとする。ここで、第一の骨材粒子に使用する細砂の種類は限定されるものではなく、例えば安山岩、火山岩、石英岩からなる海砂、川砂、砕砂等から調達が可能である。
（５）第二の骨材粒子
第二の骨材粒子には、最大粒径Ｄmaxが０．４２５ｍｍ以下、平均粒径が０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ、粗粒率が０．４〜０．８の細砂である石英粉を使用するものとする。ここで、第二の骨材粒子に使用する細砂の種類は限定されるものではなく、石英粉の他に、珪砂、非晶質石英、オパール質シリカ含有粉末、クリストバライト質粉末、火山灰、岩石粉末等から調達が可能である。
第二の骨材粒子には、最大粒径Ｄmaxが０．４２５ｍｍ以下、平均粒径が０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ、粗粒率が０．４〜０．８の細砂である石英粉を使用するものとする。ここで、第二の骨材粒子に使用する細砂の種類は限定されるものではなく、石英粉の他に、珪砂、非晶質石英、オパール質シリカ含有粉末、クリストバライト質粉末、火山灰、岩石粉末等から調達が可能である。
なお、第一の骨材および第二の骨材とからなる骨材の合計重量は、セメントの重量に対して、重量比率で８０％〜１３０％の範囲内とする。また、前記第一の骨材の重量は、セメントと第一のポゾラン系反応粒子と第二のポゾラン系反応粒子と第一の骨材粒子と第二の骨材粒子との合計重量に対して重量比で３０％〜５０％の範囲内とする。
ここで、セメントと、第一のポゾラン系反応粒子と、第二のポゾラン系反応粒子と、第一の骨材粒子と、第二の骨材粒子とからなる粉体材料の配合は、図１に示すように、Ｄ75粒度が５０μｍ程度でＤ50粒度が１０μｍ程度である粒土分布の上限と、Ｄ75粒度が３００μｍ程度でＤ50粒度が７０μｍ程度である粒土分布の下限とを満足し、かつ、その粒度曲線が滑らかとなる配合とする。なお、図１は、本実施形態による粉体材料の累計粒度曲線を示すグラフである。
（６）分散剤
分散剤には、フェノキシル基およびカルボニル基を有する水溶性ビニル共重合体である、アクリル酸塩、メタリルスルホン酸塩、リグノスルホン酸塩、プリナフタレンスルホン酸アルカリ金属塩、ポリカルボン酸アルカリ金属塩等のいわゆる可塑剤を使用するものとする。また、使用する分散剤は、１種類のみでも、数種類でもよい。
分散剤には、フェノキシル基およびカルボニル基を有する水溶性ビニル共重合体である、アクリル酸塩、メタリルスルホン酸塩、リグノスルホン酸塩、プリナフタレンスルホン酸アルカリ金属塩、ポリカルボン酸アルカリ金属塩等のいわゆる可塑剤を使用するものとする。また、使用する分散剤は、１種類のみでも、数種類でもよい。
（７）水
また、水は、セメントと、ポゾラン系反応粒子との合計重量に対する重量比率が１０％〜１５％の範囲内になるように投入する。また、セメントに対する水の重量比率が２０％〜２４％となるように投入する。
また、水は、セメントと、ポゾラン系反応粒子との合計重量に対する重量比率が１０％〜１５％の範囲内になるように投入する。また、セメントに対する水の重量比率が２０％〜２４％となるように投入する。
（８）繊維
繊維には、繊維径に対する長さの比率が２０以上で、長さが少なくとも２ｍｍ以上、かつ、平均長さが１０〜２５ｍｍ程度のものを使用する。また、骨材粒子の最大粒径Ｄmaxに対する繊維の平均長さＬmの比Ｌm／Ｄmaxは１０未満とする。
また、繊維の混入量は、凝結後のコンクリート体積の４％未満、好ましくは３．５％未満の繊維体積となる量とする。
繊維には、繊維径に対する長さの比率が２０以上で、長さが少なくとも２ｍｍ以上、かつ、平均長さが１０〜２５ｍｍ程度のものを使用する。また、骨材粒子の最大粒径Ｄmaxに対する繊維の平均長さＬmの比Ｌm／Ｄmaxは１０未満とする。
また、繊維の混入量は、凝結後のコンクリート体積の４％未満、好ましくは３．５％未満の繊維体積となる量とする。
また、本実施形態では、繊維として、引張強度が２０００〜３０００Ｎ／ｍｍ2程度の高張力鋼繊維、アモルファス鋼繊維、ステンレス繊維などの公知の繊維から適宜選定して使用する。なお、前記の繊維に、銅、亜鉛、ニッケルなどの非鉄金属でメッキされたものを使用してもよい。
繊維の形状は、限定されるものではなく、円形断面、矩形断面や多角形断面等の異形断面の他、変形する断面径状を有したものを使用することが可能である。例えば、繊維とセメント系マトリックスとの付着力を向上させることを目的として、繊維の異形断面がねじられているもの、波形に変形しているもの、端部がかぎ型、フック型になっているもの、端部がつぶれていわゆるドッグホーン状になっているものでもよい。また、繊維の長さ方向に、繊維の粗さを変動させたものや、繊維の断面積を変動させたものを使用してもよい。さらに、繊維は、何本かの繊維をケーブル状に編み込むこと、プレード編みすること、ねじりにより一体化することを行ってもよい。
次に、本実施形態の繊維補強コンクリート部材の製造方法について、説明する。
本実施形態では、混練工程、打設工程、養生工程により、繊維補強コンクリート部材を製造する。
本実施形態では、混練工程、打設工程、養生工程により、繊維補強コンクリート部材を製造する。
［混練工程］
混練工程は、セメント系マトリックスの粉体部分を練り混ぜる乾燥混練工程と、乾燥混練工程により練り混ぜられた粉体部分に液体部分を投入して練り混ぜる湿潤混練工程と、湿潤混練工程により練り混ぜられたセメント系マトリックスに繊維を投入して練り混ぜる繊維混練工程とを含んでいる。
混練工程は、セメント系マトリックスの粉体部分を練り混ぜる乾燥混練工程と、乾燥混練工程により練り混ぜられた粉体部分に液体部分を投入して練り混ぜる湿潤混練工程と、湿潤混練工程により練り混ぜられたセメント系マトリックスに繊維を投入して練り混ぜる繊維混練工程とを含んでいる。
乾燥混練工程は、セメント系マトリックスの粉体部分である、（１）セメントと、（２）第一のポゾラン系反応粒子と、（３）第二のポゾラン系反応粒子と、（４）第一の骨材粒子と、（５）第二の骨材粒子とを、ドライ状態で練り混ぜる。乾燥混練工程における、各材料の練り混ぜ方法や手段は限定されるものではなく、公知の方法および手段から適宜選定して行えばよい。
湿潤混練工程は、セメント系マトリックスの粉体部分の練り混ぜが完了した後、セメント系マトリックスの液体部分である水と分散剤等を投入して練り混ぜて、セメント系マトリックスに所定の流動性を発現させる。なお、湿潤混練工程における練り混ぜ方法や手段は限定されるものではなく、公知の方法および手段から適宜選定して行えばよい。
繊維混練工程は、湿潤混練工程により、所定の流動性が得られたセメント系マトリックスに、繊維を混入してさらに練り混ぜる。なお、繊維混練工程における練り混ぜ方法や手段は限定されるものではなく、公知の方法および手段から適宜選定して行えばよい。
［打設工程］
混練工程により、練り混ぜられた繊維を含みセメント系マトリックス（繊維補強コンクリート）を、公知の手段により、所定の箇所に打設する。
混練工程により、練り混ぜられた繊維を含みセメント系マトリックス（繊維補強コンクリート）を、公知の手段により、所定の箇所に打設する。
［養生工程］
コンクリートの打設後、２０℃〜４５℃の温度環境下で１８時間〜４８時間、一次養生を行う。一次養生後、所定の強度が発現したら、脱型して、二次養生を行う。二次養生としては、６０℃〜９５℃の温度環境下で４８時間〜７２時間の熱養生を行う。なお、二次養生は、前記の熱養生に限定されるものではなく、従来のコンクリートで行う、常温による気中養生や水中養生を採用してもよい。
コンクリートの打設後、２０℃〜４５℃の温度環境下で１８時間〜４８時間、一次養生を行う。一次養生後、所定の強度が発現したら、脱型して、二次養生を行う。二次養生としては、６０℃〜９５℃の温度環境下で４８時間〜７２時間の熱養生を行う。なお、二次養生は、前記の熱養生に限定されるものではなく、従来のコンクリートで行う、常温による気中養生や水中養生を採用してもよい。
本実施形態による各粉体材料の粒度分布と、セメント量、ポゾラン系反応材料の量、およびセメントに対する骨材の量によれば、図１の粉体の累計粒度曲線に示すように、滑らかな粒度分布の曲線を得ることが可能となる。したがって、このセメント系マトリックスは、滑らかな粒度分布を有しているため、少ない水と減水剤により、所定の流動性を確保することが可能となる。さらに、このセメント系マトリックスが水和反応した硬化体（水和物）は、個々の材料が最密充填されているために、密実で緻密な組織を形成し、圧縮強度、付着強度、引張強度等の力学的特性が向上するとともに耐久性が向上する。
また、本実施形態により得られる繊維補強コンクリートは、φ１０×２０ｃｍの円柱供試体による圧縮強度が２００〜２２０Ｎ／ｍｍ2、４×４×１６ｃｍの曲げ供試体による曲げ引張強度が４０〜５０Ｎ／ｍｍ2、初期にひび割れが発生する引張強度が９〜１３Ｎ／ｍｍ2、さらに、引張りによる破壊エネルギーが２７〜４０Ｊ／ｍｍ2である力学的特性を有しており、力学性能に優れている。
また、練り混ぜ後のコンシステンシーとしては、ＪＩＳＲ５２０１フロー試験（落下なし）によるフロー値が２２〜２６ｃｍの範囲内であるため、十分な自己充填性を有している。したがって、バイブレータによる締め固めが不要で、材料を流し込むだけで十分に密実な超高強度の繊維補強コンクリートを打設することが可能なため、施工性に優れている。
また、本実施形態による繊維補強コンクリートによれば、セメント量を抑え、かつ、骨材として一般的な細砂を調整して使用しているため、従来の繊維補強コンクリートと比較して、同等以上の力学的特性および化学的特性を有しながら、材料費用を１０％〜１６％低減することが可能となる。
また、セメント量を低減させたことにより、水和反応の際に水和物の容積縮小により生ずる自己収縮を低減させることが可能となる。
また、最大骨材粒径を、比較的大きな２．５ｍｍとしたことにより、斜めせん断クラックが発生した際のせん断クラック面において、骨材により形成された凹凸により、せん断伝達を大きくすることが可能となり、終局のせん断耐力を向上させることが可能となる。
また、繊維の平均長さＬmを、骨材粒子の最大粒径Ｄmaxに対する比率（Ｌm／Ｄmax）を１０未満に設定したことにより、十分な付着長を有しコンクリートの靱性性能を向上するとともに、少ない水に対しても十分な流動性を確保することが可能となった。
また、セメントと、第一のポゾラン反応粒子と、第二のポゾラン反応粒子との配合により、材料粒子の累計粒度が滑らかで、粒子間相互の最密充填が達成されて、空隙を有しない緻密な構造のセメント系マトリックスの生成が可能となる。
また、セメント系マトリックスの耐久性に影響する０．０１μｍ〜０．１μｍにおける細孔径分布が非常に少ないために、塩分拡散係数が０．００２ｃｍ2／年（水セメント比Ｗ／Ｃ＝３０％の高強度コンクリートの塩分拡散係数は０．１４ｃｍ2／年）、また、透水係数が４×１０-17ｃｍ／秒（水セメント比Ｗ／Ｃ＝３０％の透水係数が１×１０-11ｃｍ／秒）と非常に小さく、長期的な耐久性に優れている。そのため、本実施形態による繊維補強コンクリートを適用した構造物は、海洋環境や寒冷地域等のコンクリート構造物にとって過酷な環境条件下においても劣化することがなく、維持管理費用の削減が可能となる。
また、本発明の製造方法により製造された繊維補強コンクリート部材は、熱養生のより二次養生を行うため、セメント系マトリックスをより緻密にする。つまり、このように熱処理を行うことにより、セメント中の遊離石灰とポゾラン系反応粒子のシリカやアルミナが結合して、安定的で硬い物質を早期に形成し、セメント系マトリックスの組織を緻密にする。その結果、圧縮強度や引張強度等の力学的特性を向上させ、さらに塩分拡散係数や透水係数の飛躍的増大などの耐久性を向上させる。また、熱養生を行うことにより、熱養生後には、セメントと水による水和反応が完全に終了するので、熱養生後には繊維補強コンクリートの細孔液が消費されて、乾燥収縮による収縮が発生しない。
さらに、本実施形態の繊維補強コンクリートによれば、十分な力学性能および耐久性を有しているため、鉄筋による補強を必要とせずに構造物の構築に適用することが可能となり、部材断面の薄肉化が可能となる。その結果、構造物の自重が従来の鉄筋コンクリートを使用した構造物と比較して、１／２〜１／６にまで低減することが可能となる。したがって、例えば、橋梁の上部工にこの繊維補強コンクリートを採用すれば、上部工の架設設備や下部の基礎構造等の小規模化が可能となり、施工期間の短縮と建設費用の低減が可能となる。また、桁高を低くすることやスパン長を長くすることが容易、かつ、経済的に実現することが可能となる。
以上、本発明について、好適な実施形態について説明した。しかし、本発明は、前述の各実施形態に限られず、前記の各構成要素については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜設計変更が可能であることはいうまでもない。
例えば、前記実施形態では、セメント系マトリックスの混練工程として、粉体材料のみを混練してから、液体材料を投入し、さらに混練して所定の流動性が発現してから繊維を混練する方法としたが、混練工程における材料の投入の順序は限定されるものではなく、適宜設定して行えばよい。
例えば、前記実施形態では、セメント系マトリックスの混練工程として、粉体材料のみを混練してから、液体材料を投入し、さらに混練して所定の流動性が発現してから繊維を混練する方法としたが、混練工程における材料の投入の順序は限定されるものではなく、適宜設定して行えばよい。
また、セメント、ポゾラン系反応粒子、骨材等の重量比等は、前記実施形態の重量比に限定されるものではなく、適宜設定してもよいことはいうまでもない。
（１）耐久性
本発明による繊維補強コンクリートの耐久性能の実証実験として、細孔径分布の比較調査を行った。
ここで、鋼材の腐食は、外部から塩化物イオン、水、酸素が浸入することにより進行し、コンクリートの中性化は、外部より二酸化炭素が浸入することにより発生する。これらの物質は、主に毛細管現象による物質移動が行われるとされており、直径７ｎｍ〜５０００ｎｍの細孔径が毛細管空隙と呼ばれている。このため、コンクリートの劣化の進行を抑えるには、コンクリートを、塩化物イオン、水、酸素、二酸化炭素などが浸入できない緻密な組織に形成すればよい。したがって、コンクリートの耐久性能は、マトリックス内部の細孔構造により決定する。
本発明による繊維補強コンクリートの耐久性能の実証実験として、細孔径分布の比較調査を行った。
ここで、鋼材の腐食は、外部から塩化物イオン、水、酸素が浸入することにより進行し、コンクリートの中性化は、外部より二酸化炭素が浸入することにより発生する。これらの物質は、主に毛細管現象による物質移動が行われるとされており、直径７ｎｍ〜５０００ｎｍの細孔径が毛細管空隙と呼ばれている。このため、コンクリートの劣化の進行を抑えるには、コンクリートを、塩化物イオン、水、酸素、二酸化炭素などが浸入できない緻密な組織に形成すればよい。したがって、コンクリートの耐久性能は、マトリックス内部の細孔構造により決定する。
本実証実験では、本発明の繊維補強コンクリート（以下、単に「繊維補強コンクリート」という場合がある）と、水セメント比３０％の通常の高強度コンクリート（以下、単に「高強度コンクリート」という場合がある）との細孔径容積の分布と、累積細孔容積との比較を行い、その結果を図２に示す。なお、図２は、繊維補強コンクリートと高強度コンクリートの細孔容積の分布と累積細孔容積とを示すグラフであって、横軸に細孔径、縦軸に細孔容積および累積細孔容積を示している。
図２に示すように、繊維補強コンクリートは、毛細管空隙粒度分布における細孔容積が高強度コンクリートに比べて非常に小さいことが解る。したがって、本発明による繊維補強コンクリートが、耐久性に優れていることが実証された。
（２）自己収縮
次に、骨材の最大粒径とセメント量を変化させて打設後の供試体の高さの変化を測定することにより、本発明の繊維補強コンクリートの配合による自己収縮の低減化への影響について、実証実験を行った。
本実証実験における各セメント系マトリックスの配合とこの配合により製造されたコンクリートの力学特性を表１に示す。表１に示すように、本実証実験では、比較例である配合−１および配合−２と本発明の繊維補強コンクリートの配合である配合−３との３種類の配合により製造されたセメント系マトリックスについて行うものとし、最大骨材粒径を配合−１および配合−２は０．６ｍｍ、配合−３は２．５ｍｍとし、セメント量を配合−１は８２８ｋｇ／ｍ3、配合−２および配合−３は７９５ｋｇ／ｍ3とした。
次に、骨材の最大粒径とセメント量を変化させて打設後の供試体の高さの変化を測定することにより、本発明の繊維補強コンクリートの配合による自己収縮の低減化への影響について、実証実験を行った。
本実証実験における各セメント系マトリックスの配合とこの配合により製造されたコンクリートの力学特性を表１に示す。表１に示すように、本実証実験では、比較例である配合−１および配合−２と本発明の繊維補強コンクリートの配合である配合−３との３種類の配合により製造されたセメント系マトリックスについて行うものとし、最大骨材粒径を配合−１および配合−２は０．６ｍｍ、配合−３は２．５ｍｍとし、セメント量を配合−１は８２８ｋｇ／ｍ3、配合−２および配合−３は７９５ｋｇ／ｍ3とした。
表１の配合により製造された供試体について行われた自己収縮の試験結果を、図３に示す。ここで、図３は、自己収縮の実証実験結果を示すグラフであって、横軸に練り混ぜ開始時間をゼロとした経過時間、縦軸は長さ変化率であってプラスは膨張、マイナスは収縮を示している。
ここで、自己収縮が問題となるのは、経過時間４８時間後頃の、初期強度が発現する時間帯で、拘束による引張応力が問題となる時間帯である。図３に示すように、この経過時間４８時間後頃の収縮変化率を比較すると、配合−１が０．０９５％と最も大きく、配合−２は０．０５０％、配合−３が０．０３８％程度である。この結果、本発明の配合による配合−３（セメント量が少なく、最大骨材粒径が２．５ｍｍ）が、自己収縮の影響が小さいことが実証された。また、表１の各配合による力学特性を比較すると、配合−１の割裂強度が小さく、自己収縮の影響が現れていることが実証された。
（３）コンシステンシーと力学特性
次に、繊維の長さＬmと骨材の最大骨材粒径Ｄmaxとの関係による、コンクリートのコンシステンシー（流動性）と力学特性への影響について、本発明の配合である配合−Ａと比較例である配合−Ｂおよび配合−Ｃとの３種類の配合による実証実験を行い、その結果を表２に示す。本実証実験では、表２に示すように、繊維の長さＬmをそれぞれ１５ｍｍ、３０ｍｍ、４０ｍｍと変化させた配合−Ａ、配合−Ｂ、配合−Ｃの供試体のフロー試験、圧縮試験、曲げ試験、割裂試験を実施した。
次に、繊維の長さＬmと骨材の最大骨材粒径Ｄmaxとの関係による、コンクリートのコンシステンシー（流動性）と力学特性への影響について、本発明の配合である配合−Ａと比較例である配合−Ｂおよび配合−Ｃとの３種類の配合による実証実験を行い、その結果を表２に示す。本実証実験では、表２に示すように、繊維の長さＬmをそれぞれ１５ｍｍ、３０ｍｍ、４０ｍｍと変化させた配合−Ａ、配合−Ｂ、配合−Ｃの供試体のフロー試験、圧縮試験、曲げ試験、割裂試験を実施した。
表２に示すように、配合−Ｂおよび配合−Ｃは、繊維の長さＬmが長いため、コンクリートの流動性を示すフロー値が小さくなり、特に配合−Ｃは、１９５ｍｍとなり、自己充填（一般的にフロー値２２０〜２６０ｍｍの範囲内が自己充填性に適している）することができない値となった。また、圧縮強度いついては、３種類の配合による影響は小さいが、曲げ強度および割裂強度については、繊維の長さＬmと最大骨材粒径Ｄmaxとの比Ｒが大きくなると急激に低下する結果となった。
したがって、本発明の繊維の長さがＬmが２ｍｍ以上、繊維の長さＬmと最大骨材粒径Ｄmaxとの比Ｒが１０未満の配合である配合−Ａが最もコンシステンシーと力学特性に優れていることが実証された。
したがって、本発明の繊維の長さがＬmが２ｍｍ以上、繊維の長さＬmと最大骨材粒径Ｄmaxとの比Ｒが１０未満の配合である配合−Ａが最もコンシステンシーと力学特性に優れていることが実証された。
（４）流動性と力学特性
さらに、混入する繊維の量とコンクリートの流動性および力学特性との関係について、本発明の配合による配合−ｃと比較例である配合−ａ、配合−ｂ、配合−ｄとの４種類の配合による実証実験を行った。その結果を表３に示す。
本実証実験では、表３に示すように、同一のセメント系マトリックスに、同形状の繊維をそれぞれ全体の体積に対して１．０％、１．５％、２．０％、２．５％混入した配合−ａ、配合−ｂ、配合−ｃ、配合−ｄの供試体について、フロー値、圧縮強度、曲げ強度、割裂強度を測定し、比較を行った。
さらに、混入する繊維の量とコンクリートの流動性および力学特性との関係について、本発明の配合による配合−ｃと比較例である配合−ａ、配合−ｂ、配合−ｄとの４種類の配合による実証実験を行った。その結果を表３に示す。
本実証実験では、表３に示すように、同一のセメント系マトリックスに、同形状の繊維をそれぞれ全体の体積に対して１．０％、１．５％、２．０％、２．５％混入した配合−ａ、配合−ｂ、配合−ｃ、配合−ｄの供試体について、フロー値、圧縮強度、曲げ強度、割裂強度を測定し、比較を行った。
表３に示すように、フロー値と圧縮強度には、顕著な変化は認められないが、曲げ強度や割列強度については、混入する繊維量が多ければ高くなるという、特性が示された。ところが、配合−ｃと配合−ｄとの曲げ強度と割列強度には、大きな差が無く、コストパフォーマンスの面で考慮すると、繊維の混入量は２．０％程度が最適であることが実証された。
Claims (8)
- セメントと、
活性度の高い第一のポゾラン系反応粒子と、
前記第一のポゾラン系反応粒子よりも活性度の低い第二のポゾラン系反応粒子と、
最大粒径が２．５ｍｍ以下で、平均粒径が０．４ｍｍから０．８ｍｍの範囲内で、粗粒率が１．５から３．５の範囲内の第一の骨材粒子と、
最大粒径が０．４２５ｍｍ以下で、平均粒径が０．１ｍｍから０．３ｍｍの範囲内で、粗粒率が０．４から０．８の範囲内の第二の骨材粒子と、
少なくとも１種類の分散剤と、
水と、を含むセメント系マトリックス中に、繊維が分散して含まれることを特徴とする、繊維補強コンクリート。 - 前記セメントに対する水の重量比率が２０％から２４％の範囲内にあって、
かつ、前記第一の骨材粒子および前記第二の骨材粒子からなる骨材の最大粒径に対する前記繊維の平均長さの比が１０未満であって、
なおかつ、凝結後の全体の体積に対する前記繊維の量が４％未満であることを特徴とする、請求項１に記載の繊維補強コンクリート。 - 前記繊維が、長さ２ｍｍ以上で、かつ、繊維の直径に対する長さの比率が２０以上であることを特徴とする、請求項２に記載の繊維補強コンクリート。
- 前記セメントと前記第一のポゾラン系反応粒子と前記第二のポゾラン系反応粒子との合計重量に対する前記水の重量比率が、１０％から１５％の範囲内で、
かつ、前記セメントと前記第一のポゾラン系反応粒子と前記第二のポゾラン系反応粒子と前記第一の骨材粒子と前記第二の骨材粒子とから構成される混合物の粒度成分のうち、Ｄ75粒度が５０μｍから３００μｍの範囲内で、Ｄ50粒度が１０μｍから７０μｍの範囲内であることを特徴とする、請求項２または請求項３に記載の繊維補強コンクリート。 - 前記セメントと前記第一のポゾラン系反応粒子と前記第二のポゾラン系反応粒子と前記第一の骨材粒子と前記第二の骨材粒子とから構成される混合物に対して、前記セメントの重量比率が３０％から４０％の範囲内で、
かつ、前記セメントと前記第一のポゾラン系反応粒子と前記第二のポゾラン系反応粒子と前記第一の骨材粒子と前記第二の骨材粒子とから構成される混合物に対して、前記第一のポゾラン系反応粒子と前記第二のポゾラン系反応粒子からなるポゾラン系反応材料の重量比率が２０％から４０％の範囲内で、
かつ、前記セメントに対して、前記骨材の重量比率が８０％から１３０％の範囲内であることを特徴とする、請求項２乃至請求項４のいずれか一項に記載の繊維補強コンクリート。 - 前記セメントと前記第一のポゾラン系反応粒子と前記第二のポゾラン系反応粒子と前記第一の骨材粒子と前記第二の骨材粒子とから構成される混合物に対して、前記第一の骨材粒子の重量比率が、３０％から５０％の範囲内であることを特徴とする、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の繊維補強コンクリート。
- セメントと、活性度の高い第一のポゾラン系反応粒子と、前記第一のポゾラン系反応粒子よりも活性度の低い第二のポゾラン系反応粒子と、最大粒径が２．５ｍｍ以下で、平均粒径が０．４ｍｍから０．８ｍｍの範囲内で、粗粒率が１．５から３．５の範囲内の第一の骨材粒子と、最大粒径が０．４２５ｍｍ以下で、平均粒径が０．１ｍｍから０．３ｍｍの範囲内で、粗粒率が０．４から０．８の範囲内の第二の骨材粒子と、少なくとも１種類の分散剤と、水と、繊維と、を練り混ぜて繊維補強コンクリートを生成する混練工程と、
練り混ぜられた繊維補強コンクリートを所定箇所に打設する打設工程と、
打設された繊維補強コンクリートを養生する養生工程と、を含む繊維補強コンクリートからなる部材の製造方法であって、
前記養生工程が、型枠を有した状態で所定の強度が発現するまで行う一次養生と、
前記一次養生後、型枠を取り外した状態で行う二次養生と、を含むことを特徴とする、繊維補強コンクリート部材の製造方法。 - 前記二次養生は、６０℃から９５℃の範囲内の温度環境下で４８時間から７２時間行うことを特徴とする、請求項７に記載の繊維補強コンクリート部材の製造方法。
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