JP2009018966A - コンクリート混和剤及びコンクリート構造物 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、コンクリート中に形成された多様な漏水経路を適切に封鎖して、漏水を防止することが可能なコンクリート混和剤及びコンクリート構造物を提供する。
【解決手段】本発明に係るコンクリート混和剤１０は、カプセル１４と、このカプセル１４に内包される止水剤１２とからなり、カプセル１４は、コンクリートの硬化後に止水剤１２を放出するようにコンクリート内部で溶解し、止水剤１２は、硬化したコンクリートの内部に生じた空隙２２〜２８内の水と接触することにより、空隙２２〜２８の周囲のコンクリートにひび割れを生じさせない程度に膨張する。
【選択図】図１

Description

本発明は、コンクリート混和剤及びコンクリート構造物に係り、特にコンクリートの水密性を向上させ、漏水を防止する技術に関する。

従来より、コンクリートに発生したひび割れ、骨材や鉄筋下面に停留したブリージング水によって生じた隙間、又は地中連続壁のエレメント間の継ぎ目等を経路とする漏水を防止するべく、止水剤を内包するカプセルをコンクリート材料に予め混和しておき、所定のタイミングで止水剤をカプセルから放出させることにより、かかる経路を封鎖して漏水を防止する技術が提案されている（例えば、特許文献１又は２）。

特許文献１には、カプセルに内包する止水剤として、セメント結晶を生成する化合物や、セメント結晶の生成を促進させる触媒を用いたコンクリート混和剤が開示されている。これは、カプセルから放出された止水剤によって、コンクリート中の空隙内でセメント結晶が生成され、空隙周辺のコンクリートと一体化することにより空隙を封鎖して、漏水を防止するものである。

また、特許文献２には、カプセルの材料として、コンクリートと良好な付着性を有し、ひび割れに追従して割れ易い軽量骨材等の保持体を使用することにより、コンクリート構造物内にひび割れが発生した際に、そのひび割れと一緒にカプセルが割れて、内部から流れ出た止水剤がひび割れを封鎖するコンクリート混和剤が開示されている。
特開２００６−３２１６８５号公報 特開２０００−１４５１５８号公報

しかしながら、特許文献１に記載されるコンクリート混和剤では、例えば、空隙の体積以上にセメント結晶が生成されて空隙周辺のコンクリートを圧迫したり、セメント結晶の生成する際に発生する水和熱によって、空隙周辺のコンクリートが膨張したりすることにより、空隙周辺のコンクリートに逆にひび割れを発生させてしまったり、或いは空隙がひび割れによるものである場合にそのひび割れの成長を助長してしまったりして、漏水を悪化させてしまうおそれがある。

また、特許文献２に記載されるコンクリート混和剤では、コンクリートの硬化後に発生するコンクリート構造物内のひび割れの発生にともなってカプセルが割れることにより、その内部から止水剤が流れ出して止水する構成となっているが、地中連続壁のエレメント間の継ぎ目、又はブリージング水による隙間等の漏水経路については、カプセルが割れることはないので内部の止水剤が放出されず、止水効果が得られない。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、コンクリート中に形成された多様な漏水経路を適切に封鎖して、漏水を防止することが可能なコンクリート混和剤及びコンクリート構造物を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は、コンクリートの止水性を向上させるべく、前記コンクリートに混入して用いられるコンクリート混和剤であって、
カプセルと、このカプセルに内包される止水剤とからなり、
前記カプセルは、前記コンクリートの硬化後に前記止水剤を放出するように前記コンクリートの内部で溶解し、
前記止水剤は、硬化した前記コンクリートの内部に生じた空隙内の水と接触することにより、前記空隙の周囲のコンクリートにひび割れを生じさせない程度に膨張することを特徴とする（第１の発明）。

本発明のコンクリート混和剤によれば、カプセルは、コンクリートの硬化後に止水剤を放出するようにコンクリート内部で溶解することにより、止水剤は硬化後のコンクリート内に必ず放出されるので、特許文献２に記載されるコンクリート混和剤のようなひび割れによる漏水経路を封鎖するだけでなく、地中連続壁のエレメント間の継ぎ目、又はブリージング水による隙間等の、ひび割れ以外の要因で形成される漏水経路についても、カプセルがその漏水経路に位置していれば、放出された止水剤により封鎖がなされるので、効果的に漏水を防止することができる。

また、止水剤は、硬化したコンクリートの内部に生じた空隙内の水と接触することにより、空隙の周囲のコンクリートにひび割れを生じさせない程度に膨張するので、漏水を悪化させることなく、適切に空隙の封鎖処置を行って漏水を防止することができる。

第２の発明は、第１の発明において、前記止水剤は、水と反応して発泡するウレタン系材料であることを特徴とする。
本発明のコンクリート混和剤によれば、ウレタン系材料は、コンクリート中の空隙内で、水と反応して発泡し、空隙周辺のコンクリートにひび割れを生じさせることなく膨張して、不透水性を有する物体となって空隙内を封鎖し、漏水を防止するので、第1の発明に記載の止水剤として、その機能が適う。その上、水と反応する際の水和熱も、空隙の周囲のコンクリートが熱膨張してひび割れを生じるほど発生しないので、漏水を悪化させることなく、適切に空隙の封鎖処置を行って漏水を防止することができる。

第３の発明は、第１又は２の発明において、前記カプセルは、アルカリ溶液との接触により溶解する分解性ポリマからなることを特徴とする。
本発明のコンクリート混和剤によれば、コンクリート材料であるセメントはアルカリ性を示すので、カプセルはコンクリート材料に混入されると、外側から徐々に溶解していき、厚み全体が溶解すると内部の止水剤が放出され、その際、カプセルの厚さ全体が溶解する時間は、カプセルの厚さが大きいほど長くなる。したがって、カプセルが、コンクリート材料に混入されてから止水剤を外部へ放出するまでの時間を、カプセルの厚みを変更することによって制御することができる。

第４の発明は、第３の発明において、前記分解性ポリマとして、ポリ乳酸、又はポリ乳酸とヒドロキシカルボン酸とのコポリマを用いたことを特徴とする。

第５の発明は、第３又は４の発明において、前記カプセルは、前記止水剤を放出する程度に溶解するタイミングが、前記コンクリートの硬化後となるような厚みを有することを特徴とする。

第６の発明は、第１〜５の発明うち何れかに記載のコンクリート混和剤が混入されたコンクリートにより構築されたことを特徴とする。

本発明によれば、コンクリート中に形成された多様な漏水経路を適切に封鎖して、漏水を防止することが可能なコンクリート混和剤及びコンクリート構造物を提供できる。

以下、本発明の好ましい一実施形態について図面に基づき詳細に説明する。
図１は、本実施形態に係るコンクリート混和剤１０の拡大断面図である。

図１に示すように、コンクリート混和剤１０は、止水剤１２と、その止水剤１２を内包するカプセル１４とからなる。

止水剤１２としては、例えば、一液型の発泡ウレタンを用いる。一液型の発泡ウレタンは、水と反応して発泡することにより体積が増加し、所定時間後に不透水性を有する硬化体となる。一液型の発泡ウレタンには、疎水性又は親水性があるが、硬化後の体積減少が少ない疎水性のものを使用することが好ましい。一液型の発泡ウレタンとしては、具体的には、茶谷産業株式会社が販売する「ＴＡＰ−２００１」（商品名）を用いることができる。

図２は、止水剤「ＴＡＰ−２００１」の性状表である。図２の表に示すように、止水剤「ＴＡＰ−２００１」は、有機イソシアネート系プレポリマ及びＭＤＩ（ジフェニルメタンイソシアネート）を主成分とし、水と反応することにより８〜１４倍の発泡倍率で膨張し、６〜１５分後に硬化する。また、この時の水和熱は、反応開始温度を２０℃とした場合に４０℃まで上昇する程度である。この程度の水和熱であれば、コンクリート内で発生しても周囲のコンクリートを熱膨張させてひび割れを生じさせることはない。

図３は、止水剤「ＴＡＰ−２００１」の水との反応における発泡圧の時間変化を示すグラフである。図３に示すように、止水剤「ＴＡＰ−２００１」の発泡圧は、反応開始から上昇していき、９０分程度でその値はほぼ一定の値（約３．２ｋｇ／ｃｍ^２）になる。これに対し、例えば、地中連続壁に用いられるコンクリートの圧縮強度は、３００ｋｇ／ｃｍ^２程度である。したがって、この程度の発泡圧であれば、コンクリート内で発泡が生じてもひび割れが生じることは少ない。また、硬化後の止水剤「ＴＡＰ-２００１」は粘弾性を有することから、硬化後に漏水経路がある程度変形してもその変形に追従することができるので、止水性を維持することができる。

カプセル１４の材料としては、アルカリ溶液との接触により溶解する分解性ポリマが用いられる。分解性ポリマは、例えば、ポリ−３−ヒドロキシ酪酸、或いは３−ヒドロキシ酪酸と３−ヒドロキシ吉草酸とのコポリマ、ポリ乳酸、ポリグリコール酸、ポリ−ε−カプロラクトン、または、これらのコポリマ等である。これらのうち、特に、分子量、粘度、流動性等のポリマ物性の制御が容易なポリ乳酸、または、ポリ乳酸と他のヒドロキシカルボン酸のコポリマ（以下、ポリ乳酸系ポリマという）を用いることが好ましい。ポリ乳酸系ポリマとして用いられるその他のヒドロキシカルボン酸としては、グリコール酸、３−ヒドロキシ酪酸、４−ヒドロキシ酪酸、４−ヒドロキシ吉草酸、５−ヒドロキシ吉草酸、６−ヒドロキシ吉草酸等があげられる。

ところで、一般にセメントはアルカリ性を示すので、上記材料で構成されるカプセル１４はコンクリート材料に混入されると、外側から徐々に溶解していき、厚み全体が溶解すると、内部の止水剤１２が放出される。その際、カプセル１４の厚さ全体が溶解する時間は、カプセル１４の厚さが大きいほど長くなる。したがって、カプセル１４が止水剤１２を外部に放出させるタイミングは、カプセル１４の厚みを変更することによって制御することができる。本実施形態では、このタイミングがコンクリートの硬化後となるようにカプセル１４の厚みを設定する。厚みの設定に際しては、コンクリート材料の種類によって硬化時間が異なったり、コンクリート材料のアルカリ度によってカプセル１４の溶解速度が異なったりするので、これらの要因を勘案する。

また、カプセル１４の大きさは、特に限定するものではないが、コンクリート構造物中に適度に分散されるように、例えば、直径１ｍｍ〜１．５ｃｍのものを用いる。

なお、上記構成を有するカプセル１４は、医薬品や食品等の製造分野におけるマイクロカプセルに関する一般的な技術（例えば、特開平７―３２４２５に開示されるマイクロカプセルの製造方法）によって充分に製造可能であり、またカプセル１４内への止水剤１２の充填も容易に実施できることはいうまでもない。

次に、上記構成を有するコンクリート混和剤１０を、例えば、地中連続壁のコンクリートに用いたときの、コンクリート混和剤１０が漏水を防止する作用について説明する。

図４は、地中連続壁２０の伸延方向に直交する縦断面図であり、コンクリート打設時の状態を示す。

図４に示すように、コンクリート打設時には、コンクリート混和剤１０は、カプセル１４が止水剤１２を内包している状態（止水剤１２は未放出の状態）でコンクリート材料内に分散している。カプセル１４は、コンクリート材料が固まっていくのと並行して、コンクリート材料と接触する外側表面から徐々に溶解していく。

図５は、コンクリートが硬化した状態を示し、同図（ａ）は地中連続壁２０の延伸方向の縦断面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のエレメント間の継ぎ目２２を横切るＡ−Ａ縦断面図、同図（ｃ）は同図（ａ）の鉄筋３２を横切るＢ−Ｂ縦断面図である。

図５に示すように、コンクリートが硬化した時点（例えば、コンクリート打設から３週間程度後）では、カプセル殻の一部又は全部が溶解により消失し、カプセル１４に内包されていた止水剤１２が放出される。この時、止水剤１２は、その周囲の硬化したコンクリートに閉じ込められてその位置に留まるだけでなく、コンクリート混和剤１０が、例えばエレメント間の継ぎ目２２（同図（ａ）及び同図（ｂ）参照）、コンクリート硬化後に生じたひび割れ２８、又は鉄筋３２下面に停留したブリージング水等によって生じた隙間２６（同図（ｃ）参照）などの空隙に存在する場合には、それらの空隙にも流入していく。

図６は、構築した地中連続壁２０の片側地盤を根伐りした状態を示し、同図（ａ）は図５（ａ）のＡ−Ａ縦断面図、同図（ｂ）は図５（ａ）のＢ−Ｂ縦断面図である。

図６に示すように、地中連続壁２０の片側地盤を根伐する時では、地中連続壁２０に地山側から根伐側の方向に地下水圧が作用する。このため、地中連続壁２０内に、上述したコンクリートの硬化過程で形成された空隙２２〜２８により、地山側から根伐側へ地下水の流通経路が形成されると、地中連続壁２０に漏水が発生することになる。しかしながら、かかる経路に止水剤１２が放出されていると、その地下水と止水剤１２とが反応して、止水剤１２が発泡し膨張してその経路を封鎖する。これにより、地中連続壁２０に生じる漏水を防止することができる。

以上説明したように本実施形態のコンクリート混和剤１０によれば、カプセル１４と、このカプセル１４に内包される止水剤１２とからなり、カプセル１４は、コンクリートの硬化後に止水剤１２を放出するようにコンクリート内部で溶解することにより、止水剤１２は硬化後のコンクリート内に必ず放出されるので、上述した特許文献２に記載されるコンクリート混和剤のようなひび割れ２８による漏水経路を封鎖するだけでなく、地中連続壁の２０エレメント間の継ぎ目２２、又はブリージング水等によって生じた隙間２６等の、ひび割れ２８以外の要因で形成される空隙２２〜２６についても、カプセル１４がその空隙２２〜２６に位置していれば、放出された止水剤１２により封鎖がなされるので、効果的に漏水を防止することができる。

また、止水剤１２は、一液型の発泡ウレタンであることにより、硬化したコンクリートの内部に生じた空隙２２〜２８内の水と接触して、空隙２２〜２８の周囲のコンクリートにひび割れを生じさせない程度に膨張して、不透水性を有する物体となるので、漏水を悪化させることなく、適切に空隙２２〜２８内の封鎖処置を行い、漏水を防止することができる。

また、水と反応する際の水和熱も、空隙の周囲のコンクリートが熱膨張してひび割れを生じるほど発生しないので、同様に漏水を悪化させることはない。

また、本実施形態の地中連続壁２０によれば、漏水対策がなされていることから、従来施工されてきたような地中連続壁２０に重ね合わせて別途本体を構築する必要はなく、地中連続壁２０を本体構造物の壁等として利用できるので、施工の手間及びコストを軽減できる。

なお、本実施形態では、コンクリート混和剤１０を構成する止水剤１２として、一液型の発泡ウレタンを用いることとしたが、これに限らず、二液型を用いてもよい。この場合、例えば、内部に互いに隔離された２つの部屋を有するカプセル１４を使用し、発泡ウレタンの原料である二液を夫々の部屋に充填する。このようなコンクリート混和剤１０を用いることにより、硬化したコンクリート内にてカプセル１４が溶解後、これら二液が漏水経路である空隙２２〜２８に放出され、混合することにより発泡反応がなされ、漏水経路が封鎖されて漏水の補修がなされる。また、止水剤１２としては、発泡ウレタンに限らず、水を吸収後膨潤してゲル状となり、漏水経路を封鎖するような高分子吸収体を用いてもよい。

また、本実施形態に係るコンクリート混和剤１０では、カプセル１４の構成材料として、アルカリ溶液との接触により溶解する分解性ポリマを用いたが、これに限らず、コンクリート材料が硬化後に、水との接触又は熱によって溶解若しくは消失する素材を用いてもよい。

また、本実施形態では、コンクリート混和剤１０を地中連続壁２０に適用したが、これに限らず、漏水発生の可能性のあるコンクリート構造物であれば、どのようなコンクリート構造物に適用してもよい。

次に、本実施形態のコンクリート混和剤１０を配合することで、コンクリート内に生じたき裂等による漏水を防止することが可能であるかどうかの数値的検討を行ったので、以下に説明する。

図７は、数値的検討に用いたコンクリートモデルの斜視図である。なお、同図は、奥手側が地山、手前側が根伐りした状態となる地中連続壁２０を想定したものであり、縦横方向に広がりを有する連続壁のうち、１００ｃｍ×１００ｃｍの範囲を抜粋したものである。

図７に示すように、コンクリートモデル３０は、１００ｃｍの壁厚を有し、その内部には根伐側から地山側の方へ鉄筋３２が、所定の間隔（３０ｃｍ）で格子状に配設され、各鉄筋３２の下方にはブリージング水等によって直径３ｍｍの漏水経路３４が鉄筋３２に沿って形成されているものとする。

先ず、図７に示す単位コンクリートにおける止水剤１２の配合可能な量を設定した。通常、配合可能なコンクリート混和剤の量は、コンクリートの体積１ｍ^３に対して、２ｋｇ／ｍ^３とされる。この量には、止水剤１２以外にコンクリートの強度を保持させるための混和剤（例えば、高炉スラグやフライアッシュ）等も含まれるので、止水剤１２を配合する割合は、２ｋｇ／ｍ^３の５０％の量、すなわち１ｋｇ／ｍ^３とした。

なお、この時の止水剤１２の体積Ｖｗは、例えば上記で説明した「ＴＡＰ−２００１」を用いたとすると、比重が１．１７であることから以下の値となる。
Ｖｗ＝（１ｋｇ／ｍ^３）／１．１７＝０．８５５Ｌ／ｍ^３

一方、１つの漏水経路３４の容積を算出すると、漏水経路３４はその直径が３ｍｍ、長さが１００ｃｍなので、その容積Ｖは以下の値となる。
Ｖ＝０．３ｃｍ×０．３ｃｍ×π／４×１００ｃｍ＝７．０７ｃｍ^３

すなわち、１つの漏水経路３４を完全に封鎖するのに必要な止水剤１２の体積Ｖｐは、止水剤１２（ＴＡＰ−２００１）の発泡倍率Ｍを１０倍と仮定（図２の表では８〜１４倍）した場合、以下の値となる。
Ｖｐ＝Ｖ（７．０７ｃｍ^３）／Ｍ（１０）＝０．７０７ｃｍ^３

また、算出された体積Ｖｐの量の止水剤１２を球形のカプセル１４に内包したときのその直径Ｄは、以下の値となる。
球の体積の式：Ｖｐ（０．７０７ｃｍ^３）＝４／３×π×｛Ｄ／２｝^３から
Ｄ≒１．１ｃｍ

そして、地中連続壁１ｍ^３当たりに配合される前述の球形のカプセル１４の個数Ｎを算出すると、地中連続壁１ｍ^３に配合する止水剤１２の割合がＶｗ（０．８５５Ｌ／ｍ^３）、１個のカプセル１４に内包する止水剤１２の体積がＶｐ（０．７０７ｃｍ^３）であることから、以下の値となる。
Ｎ＝Ｖｗ（０．８５５Ｌ／ｍ^３）／Ｖｐ（０．７０７ｃｍ^３）＝１２０９個

さらに、これらの個数Ｎのカプセル１４が、図７に示す単位コンクリートの壁面方向に均一に分散していると仮定すると、１個のカプセル１４が占める面積は、
１００ｃｍ×１００ｃｍ／Ｎ（１２０９個）＝８．３ｃｍ^２／個
となり、すなわち、約２．９×２．９（≒８．３）ｃｍ^２当りに１個のカプセル１４が存在することになる（約３ｃｍ格子に１個）。

これに対して、地中連続壁２０内に配設される鉄筋３２は格子状に間隔３０ｃｍで配設されるので、これら格子内の領域３０ｃｍ×３０ｃｍに、カプセル１４は１００個（３０ｃｍ×３０ｃｍ／（３ｃｍ×３ｃｍ））存在することになり、また、カプセル１４の直径Ｄが１．１ｃｍ程度であることから、このカプセル１４の位置が漏水経路３４に相当する確率は充分に高いことが考えられる。すなわち、本数値的検討において、本実施形態のコンクリート混和剤１０を配合することで、コンクリートに生じた漏水を防水することが可能であることが確認できた。

本実施形態に係るコンクリート混和剤の拡大断面図である。 止水剤「ＴＡＰ−２００１」の性状表である。 止水剤「ＴＡＰ−２００１」の水との反応における発泡圧の時間変化を示すグラフである。 コンクリート打設時の状態を示し、地中連続壁２０の伸延方向に直交する縦断面図である。 コンクリートが硬化した状態を示し、同図（ａ）は地中連続壁２０の延伸方向の縦断面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のエレメント間の継ぎ目２２を横切るＡ−Ａ縦断面図、同図（ｃ）は同図（ａ）の鉄筋３２を横切るＢ−Ｂ縦断面図である。 構築した地中連続壁２０の片側地盤を根伐りした状態を示し、同図（ａ）は図５（ａ）のＡ−Ａ縦断面図、同図（ｂ）は図５（ａ）のＢ−Ｂ縦断面図である。 数値的検討に用いたコンクリートモデルの斜視図である。

符号の説明

１０ コンクリート混和剤
１２ 止水剤
１４ カプセル
２０ 地中連続壁
２２ エレメント間の継ぎ目
２６ ブリージング水等によって生じた隙間
２８ ひび割れ
３０ コンクリートモデル
３２ 鉄筋
３４ 漏水経路

Claims (6)

1. コンクリートの止水性を向上させるべく、前記コンクリートに混入して用いられるコンクリート混和剤であって、
   カプセルと、このカプセルに内包される止水剤とからなり、
   前記カプセルは、前記コンクリートの硬化後に前記止水剤を放出するように前記コンクリートの内部で溶解し、
   前記止水剤は、硬化した前記コンクリートの内部に生じた空隙内の水と接触することにより、前記空隙の周囲のコンクリートにひび割れを生じさせない程度に膨張することを特徴とするコンクリート混和剤。
2. 前記止水剤は、水と反応して発泡するウレタン系材料であることを特徴とする請求項１に記載のコンクリート混和剤。
3. 前記カプセルは、アルカリ溶液との接触により溶解する分解性ポリマからなることを特徴とする請求項１又は２の何れかに記載のコンクリート混和剤。
4. 前記分解性ポリマとして、ポリ乳酸、又はポリ乳酸とヒドロキシカルボン酸とのコポリマを用いたことを特徴とする請求項３に記載のコンクリート混和剤。
5. 前記カプセルは、前記止水剤を放出する程度に溶解するタイミングが、前記コンクリートの硬化後となるような厚みを有することを特徴とする請求項３又は４に記載のコンクリート混和剤。
6. 請求項１〜５のうち何れかに記載のコンクリート混和剤が混入されたコンクリートにより構築されたことを特徴とするコンクリート構造物。