JP2009079450A - 接合構造 - Google Patents

Abstract

【課題】アルミニウム合金部材とコンクリート部材との接合構造であって、アルミニウム合金部材とコンクリート部材との間に介設されるセメント系充填材によるアルミニウム合金部材の腐食を防ぐことが可能な接合構造を提供することを課題とする。
【解決手段】アルミニウム合金部材２とコンクリート部材１との接合構造であって、アルミニウム合金部材２とコンクリート部材１との間に、低熱ポルトランドセメントを混練した充填材Ｊを介在させることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、アルミニウム合金部材とコンクリート部材を圧着させる場合の接合構造に関する。

コンクリート部材と鋼材とを摩擦力を介して一体化させるように両者間に圧着力を加え、圧着させた状態で接合させる接合構造であって、両者間にモルタルやグラウト材などのセメント系充填材を介在させた接合構造が知られている。このような接合構造においては、充填材によってコンクリート部材と鋼材との一体化が図られ、鋼材と充填材との摩擦力を介して、せん断力が伝達される。

近年では、鋼材に代えてアルミニウム合金部材を使用する事例が増えているが、アルミニウム合金部材をセメント系充填材と組み合わせて使用すると、セメント中に含まれるアルカリ分によって、アルミニウム合金部材が腐食する虞があり、さらには、腐食する際に発生する水素によって、充填材が劣化する虞がある（例えば、非特許文献１参照）。

庄司耕平、他５名，アルミニウム合金を用いた建築構造に関する研究（その３２）ベースプレートとモルタル間のすべり実験，２０００年度大会（東北）学術講演梗概集，社団法人日本建築学会，２０００年７月３１日，ｐ．９９９〜１０００

非特許文献１に開示されているように、アルミニウム合金部材の接触面（充填材と接触する面）に絶縁塗料を塗布することで、アルミニウム合金部材の腐食を防ぐことができるが、塗膜の存在によって、アルミニウム合金部材と充填材との付着力が低下する虞がある。

このような観点から、本発明は、アルミニウム合金部材とコンクリート部材との接合構造であって、アルミニウム合金部材とコンクリート部材との間に介設されるセメント系充填材によるアルミニウム合金部材の腐食を防ぐことが可能な接合構造を提供することを課題とする。

このような課題を解決する本発明は、アルミニウム合金部材とコンクリート部材との接合構造であって、前記アルミニウム合金部材と前記コンクリート部材との間に、低熱ポルトランドセメントを混練してなる充填材を介在させることを特徴とする。

本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、低熱ポルトランドセメントであれば、セメント系材料でありながらも、アルミニウム合金の腐食（水素の発生）を抑制することができることを見出し、本発明を創案するに至った。すなわち、本発明によれば、アルミニウム合金部材の腐食が抑制され、その結果、充填材の劣化が抑制される。

前記アルミニウム合金部材の表面のうち、少なくとも前記充填材と接触する接触面に、アルミニウム合金に塗装を施す際の前処理として行われる塗装下地処理を施すと、アルミニウム合金部材の腐食をより抑制することが可能となる。とりわけ、塗装下地処理をクロメート処理とすると、アルミニウム合金部材の腐食を確実に抑制することが可能となり、さらには、アルミニウム合金部材とコンクリート部材との付着力（摩擦耐力）を確実に高めることが可能となる。

前記接触面に粗面加工を施すと、アルミニウム合金部材と充填材との付着力を高めることが可能となる。なお、粗面加工後における前記接触面の表面粗さＲｚは、１００μｍ以上とすることが望ましい。ここで、「Ｒｚ」は、ＪＩＳ Ｂ ０６０１−２００１に規定されている「最大高さ」である。

また、前記接触面に、複数の凹部を形成すると、凹部に入り込んだ充填材によって、シアキーが形成されることになるので、アルミニウム合金部材と充填材との付着力を高めることが可能となる。とくに、前記凹部の深さ寸法を前記充填材に含まれる細骨材の最大粒径の２倍以上にすると、細骨材自身のせん断強度を有効に活用することが可能となる。前記凹部の直径を前記細骨材の最大粒径の４倍以上１０倍以下にすることでも、細骨材自身のせん断強度を有効に活用することが可能となる。

複数の凹部の開口面積の合計と接触面の面積との比率に制限はないが、複数の前記凹部の開口面積の合計を、前記接触面の面積の３５％以上５０％以下とすることが望ましい。このようにすると、細骨材自身のせん断強度を有効に活用することが可能となる。

凹部の形成方法に制限はないが、前記アルミニウム合金部材を、基部と、当該基部に固着された有孔板とで構成し、前記有孔板に形成された透孔によって、前記凹部を形成するとよい。このようにすると、簡単且つ安価に凹部を形成することができる。

既存建物の柱、梁、壁などにより構成される架構（既存架構）の剛性と耐力とを向上させるために、アルミニウム合金製の補強部材を既存架構に付設する場合があるが、かかる場合には、前記充填材を介して前記補強部材を既存架構に接合するとよい。このようにすると、アルミニウム合金部材である補強部材と既存架構（コンクリート部材）との摩擦耐力を高めることが可能となるので、例えば耐震補強を必要とする建物における既存架構の保有耐力を効率よく増大させることが可能となる。また、補強部材を比強度の高いアルミニウム合金製とすれば、既存建物の自重の増加を抑制しつつ既存架構の保有耐力を増大させることが可能となる。なお、前記接触面は、例えば、前記補強部材を構成するベースプレートに設ければよい。

本発明に係る接合構造によると、アルミニウム合金部材をセメント系の充填材を介してコンクリート部材に接合する場合であっても、アルミニウム合金部材の腐食を防ぐことが可能となる。

本実施形態に係る接合構造は、アルミニウム合金部材とコンクリート部材との接合構造であって、アルミニウム合金部材とコンクリート部材との間に、低熱ポルトランドセメントを混練してなる充填材を介在させた接合構造である。

図１に示すように、本実施形態では、「コンクリート部材」が、耐震補強を必要とする建物の既存架構１であり、「アルミニウム合金部材」が、既存架構１の保有耐力を増大させるための補強部材２である場合を例示するが、本発明に係るアルミニウム合金部材およびコンクリート部材の形態や構造形式を限定する趣旨ではない。

既存架構１は、鉄筋コンクリート製の柱と梁とにより構成されており、矩形枠状を呈している。

補強部材２は、既存架構１の構面に沿って配置されるブレース２１と、このブレース２２の両端部に設けられたブラケット２２，２２と、ブレース２１とブラケット２２とを連結するための連結ピン２３とを備えて構成されている。

ブレース２１は、両端部に接続端部２１ａ，２１ａを備えている。接続端部２１ａは、図２にも示すように、ブラケット２２の後記するリブ２２ｂに接続される部位であり、本実施形態では、対向配置された一対の板材からなる。

ブラケット２２は、耐圧板となるベースプレート２２ａと、このベースプレート２２ａの一方の面に突設されたリブ２２ｂとを備えて構成されている。ベースプレート２２ａの他方の面は、図２に示すように、充填材Ｊに接触する接触面Ｓであり、既存架構１の表面と間隔をあけて対峙している。

なお、ブラケット２２は、充填材Ｊに圧着されている。本実施形態では、既存架構１に貫設した棒材３に緊張力を与えつつ、既存架構１を挟んで対向するブラケット２２と定着部材４とに棒材３を定着することで、ブラケット２２を充填材Ｊに圧着させている。棒材３は、両端部に雄ねじが形成されたＰＣ鋼棒からなる。

接触面Ｓには、粗面加工が施されている。粗面加工は、例えば、機械的前処理法（サンドブラスト法、型付け法、ブラッシ法など）によって行えばよい。接触面Ｓの模様（仕上り形式）は、方向性のある筋模様でも、無方向性模様あってもよい。接触面Ｓの表面粗さＲｚは、１００μｍ以上であることが望ましい。

また、接触面Ｓには、アルミニウム合金用の塗装下地処理が施されている。塗装下地処理は、粗面加工後に行い、塗装下地処理で形成された皮膜上に塗料等は塗布しない。塗装下地処理には、クロメート処理（クロム塩酸系の化学皮膜法）などの化学皮膜法のほか、陽極酸化皮膜法が含まれる。なお、塗装下地処理は、アルミニウム合金部材の表面に塗装を施す際の前処理として行うのが通常であるが、本実施形態では、塗装の前処理としてではなく、アルカリ性の充填材Ｊによる腐食（水素の発生）を防ぐための一手段として行っている。

充填材Ｊは、ＪＩＳ Ｒ ５２１０に規定された低熱ポルトランドセメント（水和熱抑制型セメント）を混練したものである。低熱ポルトランドセメントは、ビーライトと呼ばれるケイ酸二カルシウム（2CaO・SiO₂）の含有率が４０％以上のセメントであり、下記（１），（２）に示す水和反応から分かるように、エーライトと呼ばれるケイ酸三カルシウム（3CaO・SiO₂）を多く含む普通ポルトランドセメントよりも、水和反応によって生成される水酸化カルシウム（Ca(OH)₂）量が少ない。
低熱ポルトランドセメント：2(2CaO・SiO₂) ＋ 4H₂O
→ 3CaO・2SiO₂・3H₂O ＋ Ca(OH)₂ …（１）
普通ポルトランドセメント：2(3CaO・SiO₂)＋ 6H₂O
→ 3CaO・2SiO₂・3H₂O ＋ 3Ca(OH)₂ …（２）

なお、低熱ポルトランドセメントを含むものであれば、充填材Ｊの配合・性状等に制限はない。例えば、低熱ポルトランドセメントと水とを混練してなるセメントミルク若しくはセメントペーストを充填材Ｊとしてもよいし、低熱ポルトランドセメントと細骨材と水とを混練してなるモルタル（より好ましくは、膨張剤を混練してなる無収縮モルタル）を充填材Ｊとしてもよい。

以上のような構成の接合構造を構築するには、耐震補強すべき既存架構１から離間させてブラケット２２を配置するとともに、既存架構１と接触面Ｓとに形成された隙間をブラケット２２の周囲に配置した図示せぬ型枠等で閉塞したうえで、未だ固まらない状態の充填材Ｊを前記した隙間に注入し、既存架構１と接触面Ｓとに充填材Ｊを密着させた状態で、充填材Ｊを硬化させればよい。その後、連結ピン２３を介してブレース２１をブラケット２２に接続すると、既存架構１の耐震補強が完了する。なお、充填材Ｊが硬化するまでは、ブラケット２２、既存架構１および定着部材４に貫設した棒材３を利用してブラケット２２を所定位置に保持し、充填材Ｊの硬化後に、ＰＣ鋼棒等の棒材３の両端に螺着したナットを増し締めすることで、ブラケット２２を充填材Ｊに圧着する。

ところで、未だ固まらないセメント系材料にアルミニウム合金を接触させると、一般的に、セメントの水和反応により生成された水酸化カルシウム（Ca(OH)₂）によって下記（３）の腐食反応が進行し、水素が生成されることになるので、セメント系材料中に残留した水素によってセメント系材料の組織がポーラスな状態（脆弱な状態）になる虞があるが、本実施形態では、水酸化カルシウム（Ca(OH)₂）が生成され難い低熱ポルトランドセメントを混練してなる充填材Jを使用しているので、普通ポルトランドセメントの場合よりも、水素の発生量を低減することが可能となり、ひいては、充填材Ｊの組織がポーラスな状態になることを防ぐことが可能となる。
2Al ＋ 3Ca(OH)₂ ＋ 6H₂O → 3CaO・Al₂O₃・6H₂O ＋ 3H₂ …（３）

すなわち、本実施形態に係る接合構造によれば、充填材Ｊに接触するベースプレート２２ａ（アルミニウム合金部材）の腐食（水素の発生）が抑制されるので、充填材Ｊの組織が緻密になり、その結果、既存架構１とベースプレート２２ａとの摩擦耐力（付着強度）の低下を防ぐことが可能となる。

しかも、本実施形態では、クロメート処理で形成された皮膜が充填材Ｊに接触することになるので、ベースプレート２２ａの腐食がより一層抑制されることになる。

また、本実施形態では、接触面Ｓに粗面加工を施しているので、ベースプレート２２ａと充填材Ｊとの摩擦耐力（付着力）を高めることが可能となる。

また、補強部材２が、鋼材より比強度の高いアルミニウム合金製であるので、既存建物の自重の増加を抑制しつつ既存架構１の保有耐力を増大させることが可能となる。

なお、本実施形態では、「コンクリート部材」である既存架構１と「アルミニウム合部材」である補強部材２（より具体的にはベースプレート２２ａ）との間に充填材Ｊを介在させた接合構造を例示したが、本発明の実施形態を限定する趣旨ではない。例えば、図示は省略するが、「コンクリート部材」である壁体と「アルミニウム合金部材」である支持ブラケットとの間に充填材Ｊを介在させた接合構造や、「コンクリート部材」である基礎やスラブと「アルミニウム合金部材」である柱材との間に充填材Ｊを介在させた接合構造なども本発明に含まれる。

また、本実施形態では、アルミニウム合金部材（ブラケット２２）をコンクリート部材（既存架構１）に対向させてから、アルミニウム合金部材とコンクリート部材との間に充填材Ｊを打設した場合を例示したが、これに限定されることはない。例えば、図示は省略するが、コンクリート部材上に充填材Ｊを打設してからアルミニウム合金部材を充填材Ｊに密着させ、密着状態を維持しつつ充填材Ｊを硬化させてもよい。

また、図３の（ａ）および（ｂ）に示すように、アルミニウム合金部材２５の接触面Ｓに複数の凹部Ｄ，Ｄ，…を形成してもよい。このようにすると、充填材が凹部Ｄ，Ｄ，…に入り込み、シアキーが形成されることになるので、アルミニウム合金部材２５と充填材との付着力がより一層高められることになる。

ここで、図示した凹部Ｄは、切削加工により形成されたものであり、平面視円形を呈している。凹部Ｄの深さ寸法が、充填材に含まれる細骨材の最大粒径の２倍を下回ると、シアキーの効果が発揮され難くなるので、凹部Ｄの深さ寸法は、細骨材の最大粒径の２倍以上とすることが望ましい。
また、凹部Ｄの直径が、粗骨材の最大粒径の４倍を下回ると、凹部Ｄに充填材が入り込み難くなり、１０倍を上回ると、シアキーの効果が発揮され難くなるので、凹部Ｄの直径は、細骨材の最大粒径の４倍以上１０倍以下にするとよい。
凹部Ｄのピッチ（隣り合う凹部Ｄ，Ｄの中心間距離）ｘが凹部Ｄの直径ｄの２．０倍を超えると、シアキーの効果が発揮され難くなるので、１．０ｄ＜ｘ≦２．０ｄとすることが望ましく、より好ましくは、１．０ｄ＜ｘ≦１．５ｄとすることが望ましい。

また、複数の凹部Ｄ，Ｄ，…の開口面積の合計は、接触面Ｓの面積の３５％以上５０％以下とすることが望ましい。このようにすることでも、細骨材自身のせん断強度を有効に活用することが可能となる。なお、図示のものは、複数の凹部Ｄ，Ｄ，…の開口面積の合計が、接触面Ｓの面積の４０％になっている。

なお、図４の（ａ）および（ｂ）に示すアルミニウム合金部材２６のように、有孔板２６ｂに形成された透孔２６１，２６１，…を利用して凹部Ｄ，Ｄ，…を形成してもよい。アルミニウム合金部材２６は、板状の基部２６ａと、この基部２６ａに固着された有孔板（所謂パンチングメタル）２６ｂとで構成されている。材料調達が容易な有孔板２６ｂを利用することで、切削加工によって凹部Ｄを形成する場合よりも、アルミニウム合金部材２６の製作コストが安価になる。なお、有孔板２６ｂは、溶接や接着等の手段により基部２６ａの一面に積層される。

Ａｌ−Ｍｇ系（５０００系）合金を圧延して得たアルミニウム合金部材とコンクリート部材との間に未だ固まらないセメント系充填材を介在させる実験を行って、水素が発生したか否か（すなわち、アルミニウム合金が腐食したか否か）を調査した。実験結果を表１に示す。

表１の中の「充填材」の欄において、「低熱」とあるのは、セメント系充填材が低熱ポルトランドセメントを混練してなる無収縮モルタル（電気化学工業株式会社製「デンカプレタスコン（登録商標）Type-M」）であることを意味し、「普通」とあるのは、セメント系充填材が低熱タイプではない通常の無収縮モルタル（太平洋マテリアル株式会社製「太平洋プレユーロックス」）であることを意味する。なお、細骨材の最大粒径は、いずれの充填材も２ｍｍである。
クロメート処理に用いたアルミニウム用処理剤は、日本ペイント株式会社製「アルサーフ（登録商標）１０００」（皮膜重量：Cr5〜20mg/m²）または「アルサーフ（登録商標）１２００」（皮膜重量：Cr50〜250 mg/m²）である。
アルミニウム合金部材の接触面は、いずれも圧延素地のままである。

表１から分かるように、「普通」タイプの充填材を使用した比較例Ａ，Ｂでは、クロメート処理の有無に係わらず、水素が発生したが、「低熱」タイプの充填材を使用したケースでは、クロメート処理が施されていないものでも、水素は発生しなかった。

続いて、図５に示すように、コンクリート部材１１とアルミニウム合金部材１２とを充填材Ｊ’を介して接合するとともに、アルミニウム合金部材１２を所定の圧着力Ｐで充填材Ｊ’に押し付けつつ、アルミニウム合金部材１２と充填材Ｊ’との間にせん断力Ｑを付加し、アルミニウム合金部材１２と充填材Ｊ’との間の静止摩擦係数μを求めた。なお、実験は、充填材Ｊ’が硬化した後に行った。表２に実験結果を示す。

表２の中の「接触面の状態」の欄において、「粗面加工」とあるのは、圧延素地にグリッドブラスト処理を施したことを意味している。なお、粗面加工を施した場合の接触面の表面粗さＲｚは、１００μｍである。
また、「ディンプル」とあるのは、圧延素地に平面視円形の凹部Ｄを複数形成したことを意味している（図２参照）。凹部Ｄの直径は２０ｍｍ、深さは５ｍｍ、開口率（＝（凹部Ｄの開口面積の合計）／接触面Ｓの面積×１００）は４０％である。凹部Ｄのピッチ（隣り合う凹部Ｄ，Ｄの中心間距離）は３０ｍｍである。
なお、本実施例では、最大せん断力Ｑを圧着力Ｐで除した値（＝Ｑ／Ｐ）を静止摩擦係数μとしている。

表２から分かるように、粗面加工を施したケース３および凹部Ｄを有するケース４の静止摩擦係数μは、圧延素地のものよりも大きくなる。

本発明の実施形態に係る接合構造を説明するための正面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 （ａ）はアルミニウム合金部材の変形例を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。 （ａ）はアルミニウム合金部材の他の変形例を示す平面図、（ｂ）は断面図である。 本発明の実施例を説明するための模式図である。

符号の説明

１ 既存架構（コンクリート部材）
２ 補強部材（アルミニウム合金部材）
３ （ＰＣ鋼棒等の）棒材
２２ａ ベースプレート（アルミニウム合金部材）
２５，２６ アルミニウム合金部材
２６ａ 基部
２６ｂ 有孔板
２６１ 透孔
Ｊ 充填材
Ｓ 接触面
Ｄ 凹部

Claims (11)

1. アルミニウム合金部材とコンクリート部材との接合構造であって、
   前記アルミニウム合金部材と前記コンクリート部材との間に、低熱ポルトランドセメントを混練してなる充填材を介在させることを特徴とする接合構造。
2. 前記アルミニウム合金部材の表面のうち、少なくとも前記充填材と接触する接触面に、アルミニウム合金用の塗装下地処理が施されていることを特徴とする請求項１に記載の接合構造。
3. 前記塗装下地処理が、クロメート処理であることを特徴とする請求項２に記載の接合構造。
4. 前記接触面に、粗面加工が施されていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の接合構造。
5. 前記接触面の表面粗さＲｚを、１００μｍ以上としたことを特徴とする請求項４に記載の接合構造。
6. 前記接触面に、前記充填材に含まれる細骨材の最大粒径の２倍以上の深さ寸法を有する凹部が複数形成されてい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接合構造。
7. 前記凹部の直径が前記細骨材の最大粒径の４倍以上１０倍以下であることを特徴とする請求項６に記載の接合構造。
8. 複数の前記凹部の開口面積の合計が、前記接触面の面積の３５％以上５０％以下であることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の接合構造。
9. 前記アルミニウム合金部材は、基部と、当該基部に固着された有孔板とを備えており、
   前記有孔板に形成された透孔によって、前記凹部が形成されていることを特徴とする請求項６乃至請求項８のいずれか一項に記載の接合構造。
10. 前記コンクリート部材が、建物の既存架構であり、
    前記アルミニウム合金部材が、前記既存架構の保有耐力を増大させるための補強部材であることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の接合構造。
11. 前記接触面が、前記補強部材を構成するベースプレートに設けられていることを特徴とする請求項１０に記載の接合構造。

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