JP2006348584A - ポリオレフィン短繊維を混入した吹付けコンクリートによるトンネル覆工の補強工法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】トンネル覆工の内壁面にコンクリートを吹き付けて補強するトンネル覆工の補強工法であって、前記コンクリートに、ポリオレフィン樹脂を主成分とする延伸繊維であって、該繊維の横断面の形状が3〜6個の突起部を有するほぼ多角形であり、かつ該突起部の先端に、該繊維の長手方向に沿って凹部又は凸部が形成されているポリオレフィン短繊維を混入する。
【選択図】図1
Description
コンクリートは、一般に圧縮応力には強いが、引張応力、曲げ応力に対しては弱いため、鉄筋、その他の緊張材で補強して使用されている。しかし、脆性が大きいため、ひび割れに対しては鉄筋などの補強材では十分に対応しきれないのが現状であり、トンネル内壁の剥落事故が発生している。近年、コンクリートに高強度化を求める動きが加速し、脆性は更に大きくなる傾向にあり、長期の安定性という点で改良が求められている。
トンネル内壁などの剥落の原因は、コンクリートに発生するひび割れとその拡大にある。そこで、その対策として、鋼繊維、ビニロン繊維などの繊維状物を所定長さに切断した短繊維をコンクリートに添加配合することが知られている(例えば特許文献1及び2参照)。
しかし、鋼繊維は、重い、錆びるなどの欠点があり、踏み抜きによる怪我のおそれなどの安全性の問題がある。ビニロン繊維は、セメントアルカリ条件下で温度が上昇すると加水分解しやすいなど、長期安定性の点で問題がある。
また、ポリプロピレン短繊維の比重が軽いために運搬、コンクリートに配合する場合の投入作業、施工性が優れている。
ポリプロピレン樹脂としては、プロピレン単独重合体、エチレンなどのα−オレフィンとプロピレンのブロック共重合体又はランダム共重合体などのプロピレン共重合体、又はそれらの混合物を使用することができる。これらの中では、プロピレン単独重合体又はエチレン−プロピレンブロック共重合体が好ましい。繊維の引張ヤング率がセメントへの付着強力より大きいことが望ましいことから、特にアイソタクチックペンタッド分率0.95以上のポリプロピレン樹脂を選択して使用することが最も好ましい。ここでアイソタクチックペンダッド分率とは、A.Zambelli等によってMacromolecules 6 925(1973)に発表された、13CNMRを使用して測定されるポリプロピレン分子内のペンダッド単位でのアイソタクチック分率を意味する。
また、ポリプロピレン樹脂のメルトフローレート(MFR)は、連続的な安定生産性の点から、0.1〜30g/10分、好ましくは0.3〜20g/10分、さらに好ましくは0.5〜10g/10分の範囲で選定するのが好適である。
また、本発明におけるポリオレフィン短繊維の凹部又は凸部は、突起部の先端のみに形成されている。これは、セメントとの定着性と引抜き抵抗力を効果的にするとともに、繊維の引張り強度、ヤング率の低下を抑制するためである。
なお、本発明に用いるポリオレフィン繊維は、単層繊維だけでなく、ポリオレフィン高融点成分を芯層とし、ポリオレフィン低融点成分を鞘層とする複合繊維を使用することもできる。このような複合繊維の製造方法は、公知である。
熱延伸法としては、熱ロール式、熱板式、赤外線照射式、熱風オーブン式、熱水式、水蒸気式などの加熱方式を採用できる。延伸操作は、1段延伸、2段延伸、多段延伸のいずれでもよい。延伸倍率は、2倍以上で破断しない程度であればよく、通常は3〜12倍、好ましくは6〜9倍である。ここで延伸倍率とは、供給ロール速度と引き取りロール速度の比で表したものである。
突起部の先端のみに凸部を形成するための加熱方法としては、樹脂を熔融できる温度に短時間に昇温できる方法であれば、特に限定されない。たとえば、180℃以上に加熱した熱風雰囲気の短時間接触であっても、突起部の先端は繊維の芯部に比べて熔融潜熱が小さいため、突起部の先端のみを熔融、凝集させて、トゲ状凸部を形成させることができる。
界面活性剤としては、疎水性であるポリオレフィン繊維とセメントとの親和性を向上させるため、親水性の界面活性剤を使用するのが好ましい。ポリオレフィン繊維に親水性を付与することにより分散性が向上し、繊維とセメントが均質に混合されることによって繊維補強効果が向上する。
親水性の界面活性剤としては、特に限定なく使用することができるが、なかでもポリエチレングリコールアルキルエステル系ノニオン界面活性剤、アルキルフォスフェート系アニオン界面活性剤、多価アルコール型アマイドノニオン系界面活性剤などを好ましく使用できる。
アルキルホスフェートは、平均炭素数18以下、好ましくは6〜16、より好ましくは8〜14のアルキル基を1分子中に1〜2個、好ましくは1個有するホスフェートであり、塩としてはアルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、アンモニウム塩、アミン塩が挙げられる。好ましいアルキルフォスフェートの具体例としては、オクチルホスフェート、ラウリルホスフェート、ステアリルホスフェートのような高級アルコールの燐酸エステルのナトリウム、カリウム、マグネシウム、カルシウムなどの塩及びアミン塩が挙げられる。その中和は遊離水酸基の50%以上、特に完全中和物が好ましい。
多価アルコール型アマイドノニオンは、炭素数4〜18のアルキルアミンと、3〜13個の水酸基を持つポリグリセリンとの付加反応物が用いられ、好ましくは炭素数11〜17のアルキルアミンと、3〜6個の水酸基を持つポリグリセリンとの付加反応物が用いられる。
本発明に用いるポリオレフィン短繊維は、短繊維の繊維長(見かけ長さ)が5〜80mm、好ましくは5〜60mm、さらに好ましくは5〜50mmである。繊維長が5mm未満では、セメントからの抜けが生じやすく、70mmを超えると分散性が不良となる場合があり好ましくない。
孔数が30、孔形がY型のノズルを備えた1軸溶融押出機を使用し、MFR4g/10分のアイソタクチックポリプロピレン(出光石油化学株式会社製、Y−400GP)を押出温度250℃で溶融押出した。押出された樹脂を冷却水槽中に投入して固化させた後、引き続き2台の延伸用ネルソンローラー間で、110℃の蒸気加熱チャンバー内で、4.6倍に延伸して、断面略三角形で単糸繊度7,100dtexのストランドを得た。
次いで、180℃の熱媒で加熱された上下1対のストランド方向に垂直な平行柄凹凸ローラー(φ220mm、突起先端半径0.5mm、深さ0.9mmに調整し、突起ピッチ4.4mm)を、凸先端クリアランスで0.9mmに調整し、このローラー表面速度をストランドと同速度で順回転させ、断面の先端部分のみに凹形状を付形した。この後、水で希釈した多価アルコール型アマイドノニオン系界面活性剤(竹本油脂株式会社製)をスプレーにて0.4重量%相当になるように、ストランドに付着させ、熱風乾燥機で90℃で水分を除去した後、ファン型カッターで30mm定長にカットして、図2に示すポリプロピレン短繊維1を得た。
このポリプロピレン短繊維1の引張物性は、強度3.3cN/dtex、破断伸度18%、ヤング率3.9kN/mm2であった。
ノズル孔形をX型、延伸倍率を6倍にし、断面略十字形で単糸繊度6,900dtexの延伸ストランドを成形し、界面活性剤としてアルキルフォスフェートアミン塩系活性剤を0.13重量%相当付着させた以外は、製造例1と同様にして、図3に示すポリプロピレン短繊維2を得た。このポリプロピレン短繊維2の引張物性は、強度3.6cN/dtex、破断伸度14%、ヤング率4.4kN/mm2であった。
ノズル孔形状をX型、延伸倍率を6倍にし、断面略十字形で単糸繊度6,600dtexの延伸ストランド成形し、平行柄凹凸ローラー(φ220mm、突起先端半径0.5mm、深さ0.9mm、突起ピッチ2.7mm)で凹成形し、界面活性剤としてアルキルフォスフェートアミン塩系活性剤を0.11重量%相当付着させた以外は、製造例1と同様にして、図3に示すポリプロピレン短繊維3を得た。このポリプロピレン短繊維3の引張物性は、強度3.7cN/dtex、破断伸度16%、ヤング率5.8kN/mm2であった。
ノズル孔数30、孔形が△形のノズルを備えた1軸溶融押出機を使用し、延伸倍率を5倍とした以外は、製造例1の前段と同様にして、断面△形で単糸繊度7,930dtexの延伸ストランドを得た。
次いで、このストランドをプロパンガス火炎バーナー中を0.3秒以内の極短時間通過させ、断面△形の先端部のみを溶融し、凝集した状態で空気にて急冷し、平均間隔0.5mmのトゲ状溶融塊を付形した。この後、水で希釈したアルキルフォスフェートカリウム塩系界面活性剤を0.5重量%相当附着させ、熱風乾燥機で90℃で水分を除去した後、ファン型カッターで30mm定長にカットして、図4に示す断面略三角形状のポリプロピレン短繊維4を得た。
このポリプロピレン短繊維4の引張物性は、強度3cN/dtex、破断伸度22%、ヤング率1.65kN/mm2であった。
ノズル孔形をX型に変更し、延伸倍率を6倍とした以外は、製造例1の前段と同様にして、断面略十字形で単糸繊度7,100dtexの延伸ストランドを得た。
次いで、このストランドを製造例4の後段と同様にして、図5に示すポリプロピレン短繊維5を得た。このポリプロピレン短繊維5の引張物性は、強度2.3cN/dtex、破断伸度12%、ヤング率4.4kN/mm2であった。
(1)60Lパン型ロータリーミキサーを使用し、セメント360kg/m3、細骨材1,650kg/m3、粗骨材691kg/m3、水165kg/m3の配合比率で予め60秒混合した。次いで、断面略三角形のポリプロピレン短繊維1を11kg/m3の比率で添加し、繊維量が1.2容積%、水/セメント比が46重量%の配合になるように、全量35Lで更に60秒間混合し、生コンクリートを得た。
この生コンクリートを使用し、下記(2)のコンクリート試験用供試体の製造にしたがって、物性試験用コンクリートを作製し、下記(3)のコンクリート諸物性試験法にしたがって、各試験を行った。結果を第1表に示す。
下記の材料を用いて、JSCE F552(社団法人 土木学会/鋼繊維補強コンクリートの強度及びタフネス試験用供試体の作り方)に従い、コンクリート試験用供試体を製造した。なお、コンクリートは、常温型養生を24時間行った後、離型し、6日間、水中養生した。その後、材齢28日まで大気中にて常温養生したものを供試体とした。
・セメント:普通ポルトランドセメント(比重:3.16)
・粗骨材:表乾比重2.65、最大粒度25mm
・細骨材:表乾比重2.59、最大粒度5mm
・水:市水
・AE剤:ポルカルボン酸系高性能AE減水剤
・圧縮強度:JSCE G551(社団法人 土木学会/鋼繊維補強コンクリートの圧縮強度試験方法)に従う。
・曲げ強度、曲げ靭性:JSCE G552(社団法人 土木学会/鋼繊維補強コンクリートの曲げ強度及び曲げタフネス試験方法)に従う。
・スランプ:JIS A1101(コンクリートのスランプ試験方法)に従う。
・空気量:JIS A1128(まだ固まらないコンクリートの空気量の圧力による試験方法)に従う。
60Lパン型ロータリーミキサーを使用し、セメント360kg/m3、細骨材1065kg/m3、粗骨材691kg/m3、水165kg/m3の配合比率で予め60秒間、水/セメント比が46重量%の配合になるように、全量35Lで混合し、生コンクリートを得た。
この生コンクリートを使用し、実施例1(2)、(3)と同様にして各試験を行った。結果を第1表に示す。
100Lパン型ロータリーミキサーを使用し、セメント455kg/m3、細骨材1,021kg/m3、粗骨材638kg/m3、水200kg/m3の配合比率で予め60秒混合し、この混合中にAE剤をセメント重量比0.8%、消泡剤をセメント重量比0.8%添加した。次いで、断面略十字形のポリプロピレン短繊維2を9.1kg/m3の比率で添加し、短繊維量が1.0容積%、水/セメント比が44重量%の配合になるように、全量50Lで更に60秒間混合し、生コンクリートを得た。
この生コンクリートを使用し、実施例(1)、(3)と同様にして各試験を行った。結果を第1表に示す。
ポロプロピレン短繊維2の添加比率を4.55kg/m3とし、短繊維量が0.5容積%とした以外は、実施例2と同様にして各実験を行った。
ポリプロピレン短繊維4を使った以外は、実施例2と同様にして生コンクリートを作製し、実施例1(2)、(3)と同様にしてコンクリート物性試験を行った。
100Lパン型ロータリーミキサーを使用し、セメント455kg/m3、細骨材1021kg/m3、粗骨材638kg/m3、水200kg/m3の配合比率で予め60秒間、水/セメント比が44重量%の配合になる様に全量50Lで混合した。この混合中にAE剤をセメント重量比0.8%、消泡剤をセメント重量比0.8%添加した。更に60秒間そのまま混合を継続し、生コンクリートを得た。
この生コンクリートを使用し、実施例1(2)、(3)と同様にして各試験を行った。結果を第1表に示す。
100Lパン型ロータリーミキサーを使用し、セメント455kg/m3、細骨材985kg/m3、粗骨材615kg/m3、水200kg/m3の配合比率で予め60秒間混合し、この混合中にAE剤をセメント重量比0.6%、消泡剤をセメント重量比0.015%添加した。次いでポリプロピレン短繊維3を4.55kg/m3の比率で添加し、繊維量が0.5容積%、水/セメント比が44重量%の配合になる様に全量50Lで更に60秒間混合し、生コンクリートを得た。更に60秒間そのまま混合を継続し、生コンクリートを得た。
この生コンクリートを使用し、実施例1(2)、(3)と同様にして各試験を行った。結果を第1表に示す。
ポリプロピレン短繊維3を0.46kg/m3の比率で添加し、繊維量を0.05容積%とした以外は、実施例と同様にして生コンクリートを作製し、実施例1(2)、(3)と同様にしてコンクリート物性試験を行った。
ポリプロピレン短繊維5を使った以外は、実施例5と同様にして生コンクリートを作製し、実施例1(2)、(3)と同様にしてコンクリート物性試験を行った。
ポリプロピレン短繊維5を0.46kg/m3の比率で添加し、繊維量を0.05容積%とした以外は、実施例5と同様にして生コンクリートを作製し、実施例1(2)、(3)と同様にしてコンクリート物性試験を行った。
100Lパン型ロータリミキサーを使用し、セメント455kg/m3、細骨材985kg/m3、粗骨材615kg/m3、水200kg/m3の配合比率で予め60秒間、AE剤をセメント重量比0.6%、消泡剤をセメント重量比0.015%添加した。さらに60秒間そのまま混合を継続し、生コンクリートを得た。
この生コンクリートを使用し、実施例1(2)、(3)と同様にして各試験を行った。結果を第1表に示す。
11 既設二次覆工コンクリート(トンネル覆工)
12 吹付けノズル
13 コンクリート圧送ホース
Claims (2)
- トンネル覆工の内壁面にコンクリートを吹き付けて補強するトンネル覆工の補強工法であって、
ポリオレフィン樹脂を主成分とする延伸繊維であって、該繊維の横断面の形状が3〜6個の突起部を有するほぼ多角形であり、かつ該突起部の先端に、該繊維の長手方向に沿って凹部又は凸部が形成されているポリオレフィン短繊維を混入したコンクリートを、トンネル覆工の内壁面に吹き付けて補強することを特徴とするポリオレフィン短繊維を混入した吹付けコンクリートによるトンネル覆工の補強工法。 - 前記ポリオレフィン短繊維を0.05〜2容積%配合したコンクリートを用いることを特徴とする請求項1に記載のポリオレフィン短繊維を混入した吹付けコンクリートによるトンネル覆工の補強工法。
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