JP2010173928A

JP2010173928A - 堤体用コンクリートおよび堤体の構築方法

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Publication number: JP2010173928A
Application number: JP2009022021A
Authority: JP
Inventors: Noboru Sakata; 昇坂田; Atsushi Oi; 篤大井; Goro Sakai; 吾郎坂井; Hitoshi Ouchi; 斉大内; Junji Gokan; 淳司後閑; Kazuhisa Tamura; 和久田村; Kazuhiro Yasuda; 和弘安田; Etsuhisa Takada; 悦久高田
Original assignee: Kajima Corp
Current assignee: Kajima Corp
Priority date: 2009-02-02
Filing date: 2009-02-02
Publication date: 2010-08-12

Abstract

【課題】低品質骨材を使用したコンクリートの凍結融解抵抗性を改善し、そのコンクリートを表層部に使用したコンクリート堤体を提供する。
【解決手段】水結合材比：４０〜６０％、細骨材率ｓ／ａ：２０〜４５％、単位骨材量の合計：１８５０〜２２００ｋｇ／ｍ³であるコンクリートにおいて、使用する粗骨材の少なくとも１種以上をＪＩＳＡ１１１０：２００６に規定される吸水率が３％を超え６％以下である低品質骨材とするとともに、ＡＥ減水剤、ＡＥ剤を添加し、かつ対結合材質量比で０.００１〜０.０５％の消泡剤を添加して、空気量を４〜７％に調整した堤体用コンクリート。このコンクリートは、堤体の外部コンクリートの一部または全部に使用することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ダムなどの堤体を構築するためのコンクリート組成物および、そのコンクリートを用いた堤体の構築方法に関する。

従来、コンクリートに使用する骨材は、岩質区分図および岩級区分図に基づき、明らかに骨材としての耐久性規格を満たしている良品質岩石から製造され、耐久性を満足できない岩石は廃棄岩石として処分されてきた。しかし近年、経済性や環境負荷低減の観点から、これまで廃棄岩石として処分されてきた岩石の一部を骨材原料として有効活用するようになってきた。

ダムなどのコンクリート堤体は、表面から一定深さまでを耐久性の高い配合の「外部コンクリート」で構成し、内部はそれより耐久性の低い配合の「内部コンクリート」で構成することが一般的である。

厳しい環境下に置かれる外部コンクリートについては、水密性、すりへり抵抗性、凍結融解抵抗性など、堤体機能を確保する上で必要な高い性能が要求される。このため、廃棄岩石を利用した低品質骨材を外部コンクリートに使用することは難しいものと考えられてきた。一方、内部コンクリートについては、強度、水圧などの荷重に抵抗するための質量等が要求されるが、堤体内部に使用されることから耐久性の要求レベルは比較的低い。このため、内部コンクリートには廃棄岩石を利用した低品質骨材を使用することが可能であると考えられる。したがって、コンクリート堤体の材料として低品質骨材を利用するためには、外部コンクリート用の良品質骨材と内部コンクリート用の低品質骨材を区別して骨材を管理することが必要となる。

しかしながら、外部コンクリートと内部コンクリートの使用骨材を使い分けるための骨材管理は、現実的には難しい面がある。例えば、岩石採取時や骨材製造時に品質ごとに骨材を選別する作業には多大な手間を要する。また、品質別に骨材を貯蔵するための設備増設や、それに伴う設備用地の拡大など、コスト増大を招く要因が数々生じる。もし、低品質骨材を外部コンクリートに適用することが可能になれば、外部コンクリートと内部コンクリートの骨材を区別する必要がなくなり、上記の問題は解消される。

特開２００５−２２９０７号公報

発明者らの検討によれば、低品質骨材を堤体の外部コンクリートに使用した場合に生じる最大の問題は、凍結融解抵抗性の低下である。本発明は、低品質骨材を使用したコンクリートの凍結融解抵抗性を改善し、そのコンクリートを外部コンクリートに使用したコンクリート堤体を提供しようというものである。

上記目的は、水結合材比：４０〜６０％、細骨材率ｓ／ａ：２０〜４５％、単位骨材量の合計：１８５０〜２２００ｋｇ／ｍ³であるコンクリートにおいて、使用する粗骨材の少なくとも１種以上をＪＩＳＡ１１１０：２００６に規定される吸水率が３％を超え６％以下である低品質骨材とするとともに、ＡＥ減水剤、ＡＥ剤を添加し、かつ対結合材質量比で０.００１〜０.０５％（すなわち結合材１００質量部に対し０.００１〜０.０５質量部）の消泡剤を添加して、空気量を４〜７％に調整した堤体用コンクリートによって達成される。

特に、合計ｎ種類（ｎは１以上）の粗骨材を使用し、水結合材比：４０〜６０％、細骨材率ｓ／ａ：２０〜４５％、単位骨材量の合計：１８５０〜２２００ｋｇ／ｍ³であるコンクリートにおいて、少なくとも１種以上の粗骨材を吸水率が３.０％を超える低品質骨材とし、下記（１）式により定まる粗骨材の平均吸水率Ｋ_Mが１.５〜４.０となる骨材配合とするとともに、ＡＥ減水剤、ＡＥ剤を添加し、かつ対結合材質量比で０.００１〜０.０５％の消泡剤を添加して、空気量を４〜７％に調整した堤体用コンクリートが提供される。
Ｋ_M＝（Ｋ₁Ａ₁＋Ｋ₂Ａ₂＋・・・＋Ｋ_nＡ_n）／（Ａ₁＋Ａ₂＋・・・＋Ａ_n） …（１）
ここで、Ｋ_i（ｉは１〜ｎ）は粗骨材ｉの吸水率（％）、Ａ_i（ｉは１〜ｎ）は粗骨材ｉの単位量（ｋｇ／ｍ³）である。

また本発明では、上記のコンクリートを、堤体の外部コンクリートの一部または全部に使用するコンクリート堤体の構築方法が提供される。

本発明に従えば、低品質骨材を用いたコンクリートの凍結融解抵抗性を顕著に改善することができる。これにより、低品質骨材を外部コンクリートに使用した堤体を構築することが可能となる。したがって本発明は、大規模ダムをはじめとするコンクリート堤体の造成において、外部コンクリートと内部コンクリートの両方に共通の低品質骨材を使用することができ、従来廃棄岩石として処理されていた資源の有効利用に資するものである。

凍結融解サイクル数と相対動弾性係数の関係を示したグラフ。凍結融解サイクル数と質量減少率の関係を示したグラフ。

コンクリートが氷点下の環境に曝されると、コンクリート中の水分は表層部から凍結していき、水が液体から固体（氷）に変化する際の体積膨張によってコンクリート内部には大きな圧力が生じる。凍結の進行に従ってこの圧力は内部へと向かうが、コンクリート内部に気泡があると、まだ液体の状態にある水（自由水）の移動圧が緩和され、凍結融解に対する抵抗性が改善される。

コンクリート中の空気には、練混ぜにより取り込まれる潜在空気（エントラップトエアー）と、混和剤（界面活性剤）によってもたらされる連行空気（エントレインドエアー）の２種類がある。コンクリートの凍結融解抵抗性改善には特に連行空気の存在が有効であるとされる。潜在空気の気泡は粗大かつ不定形であるのに対し、連行空気の気泡は微細かつ球状であり、気泡間隔が小さいことから、連行空気の存在は自由水の移動を容易にし、凍結による圧力増大を緩和する作用が大きいと考えられている。

低品質骨材を使用したコンクリートでは、凍結に伴う内部圧力の増大が比較的小さい場合でも骨材に割れが生じやすく、一般的なコンクリートよりも凍結融解抵抗性に劣る。したがって、本来、凍害を受けやすいコンクリート堤体の外部コンクリートに低品質骨材を使用することは難しいとされてきた。発明者らの検討によれば、低品質骨材を使用したコンクリートにおいてＡＥ減水剤やＡＥ剤を添加して連行空気を増大させても、外部コンクリートに要求される強度レベルの許容範囲内での空気量（概ね６％以下）では、満足できる凍結融解抵抗性を付与することは困難であることがわかった。

発明者らは詳細に検討したところ、ＡＥ減水剤とＡＥ剤を添加することに加え、さらに消泡剤を添加して、かつコンクリート中の空気量を４％以上に調整したとき、低品質骨材を使用したコンクリートの凍結融解抵抗性を顕著に改善することができることを見出した。

すなわち、一般的なコンクリートでは、ＡＥ減水剤やＡＥ剤など、連行空気を生成する混和剤の添加によって凍結融解抵抗性を十分に引き上げることが可能である。この場合、連行空気と共存する潜在空気も、多少は凍結融解抵抗性の向上作用を担っているものと考えられる。しかしながら、低品質骨材を配合するコンクリートでは、ＡＥ減水剤やＡＥ剤の添加だけでは凍結融解抵抗性の向上効果が不十分であり、消泡剤の添加によってはじめて顕著な改善効果が得られるのである。そのメカニズムについては現時点で不明な点も多いが、消泡剤は潜在空気の消失を促進させる混和剤であることから、低品質骨材を配合するコンクリート中の潜在空気は凍結融解抵抗性の向上に寄与しないものと考えられる。むしろ潜在空気をできるだけ排除することが凍結融解抵抗性の顕著な向上には重要となる。

本発明では、水結合材比：４０〜６０％、細骨材率ｓ／ａ：２０〜４５％、単位骨材量の合計：１８５０〜２２００ｋｇ／ｍ³であるコンクリートを対象とする。単位結合材量は１００〜２５０ｋｇ／ｍ³、スランプ値が２〜５ｃｍであるものが好適な対象となる。圧縮強度は材齢２８日で１５〜４０Ｎ／ｍｍ²程度、材齢９１日で３０〜５５Ｎ／ｍｍ²程度となることが望ましい。より具体的には、単位結合材料および水結合材比を上記のように設定し、例えば細骨材Ｓ：４００〜６５０ｋｇ／ｍ³、粗骨材Ｇ１５０（Ｇ１５０８０）：０〜５００ｋｇ／ｍ³、Ｇ８０（Ｇ８０４０）：２５０〜５５０ｋｇ／ｍ³、Ｇ４０（Ｇ４０２０）：３００〜５５０ｋｇ／ｍ³、Ｇ２０（Ｇ２００５）：３００〜５５０ｋｇ／ｍ³といった配合が採用できる。

ただし、粗骨材のうち１種以上は、ＪＩＳＡ１１１０：２００６に規定される吸水率が３％を超える低品質骨材とする。このような低品質骨材の使用は、従来廃棄岩石として処分されてきた岩石の有効利用に資するものである。使用する粗骨材の全部について上記のような低品質骨材としても構わない。ただし、吸水率が６％を超えるような低品質骨材を使用すると、強度その他のコンクリート特性を著しく低下させるおそれがあるため、本発明ではそのような低品質骨材の使用は避ける。吸水率５％以下の範囲の低品質骨材を使用することがより好ましい。また、従来のダム用コンクリートと同等以上の凍結融解抵抗性を安定して得るためには、下記（１）式により定まる粗骨材の平均吸水率Ｋ_Mが１.５〜４.０となる骨材配合とすることがより好ましい。
Ｋ_M＝（Ｋ₁Ａ₁＋Ｋ₂Ａ₂＋・・・＋Ｋ_nＡ_n）／（Ａ₁＋Ａ₂＋・・・＋Ａ_n） …（１）
ここで、Ｋ_i（ｉは１〜ｎ）は粗骨材ｉの吸水率（％）、Ａ_i（ｉは１〜ｎ）は粗骨材ｉの単位量（ｋｇ／ｍ³）である。

細骨材についても、ＪＩＳ１１０９：２００６に規定される吸水率が３％を超え５％以下であるものを使用することが可能であるが、それに該当しない良品質の細骨材（吸水率３％以下）を使用することがより好ましい。

混和剤としては、連行空気の気泡を形成させるために、ＡＥ減水剤、およびその助剤としてＡＥ剤を添加する。さらに、消泡剤を添加する。これらの混和剤は、従来一般的に使用されているものが適用できる。消泡剤の添加量は対結合材質量比で０.００１〜０.０５％とする。消泡剤が少なすぎると潜在空気の混入量が多くなり、低品質骨材を配合した場合の凍結融解抵抗性を十分に改善することが困難となる。また過剰な消泡剤の添加は不経済である。消泡剤の添加量は対結合材質量比で０.００１〜０.０３％に管理しても構わない。

ＡＥ減水剤、ＡＥ剤の他にも、連行空気の導入に有効な混和剤を併せて添加することができる。ただし、これら連行空気の導入をもたらす混和剤の添加量は、コンクリート中の空気量が４〜７％となる量とすることが重要である。空気量が４％に満たないと凍結融解抵抗性の改善効果が不十分となる。一方、空気量が７％を超えるとコンクリート堤体の外部コンクリートとして必要な強度が確保できないおそれがある。最大骨材粒径が１５０ｍｍ（Ｇ１５０）、あるいは８０ｍｍ（Ｇ８０）の粗骨材を配合する場合には空気量４〜５.５％とすることが望ましく、ウエットスクリーニングにより最大骨材粒径を４０ｍｍ（Ｇ４０）とする場合には空気量４.５〜７％とすることが望ましく、４.５〜６％とすることがより好ましい。具体的にはＡＥ減水剤の添加量を対結合材質量比０.１〜１％、ＡＥ剤の添加量を対結合材質量比０.００１〜０.１％の範囲でそれぞれ調整することにより、上記所定の空気量が確保されるようにすればよい。

ＡＥ減水剤、ＡＥ剤、および消泡剤の添加時期は、一般的なコンクリートの練混ぜ手順に従えばよい。本発明のコンクリートは、ＲＣＤ工法をはじめとする種々のコンクリート堤体の構築方法において、外部コンクリートとして使用することができる。

大規模コンクリートダムの外部コンクリートを想定して、表１に示す配合のコンクリート混練物を得た。

ここで、結合材は中庸熱フライアッシュセメントＣ種である。各配合に使用した粗骨材Ｇ８０４０、Ｇ４０２０、Ｇ２００５は、いずれも上述の「低品質骨材」に相当するものである。細骨材は吸水率３％以下の良品質骨材とした。各粗骨材について、ＪＩＳＡ１１１０：２００６に規定される吸水率を測定した結果、以下のとおりであった。
〔Ｇ８０４０〕吸水率：３.２％
〔Ｇ４０２０〕吸水率：３.２％
〔Ｇ２００５〕吸水率：３.３％

前記（１）式により定まる粗骨材の平均吸水率Ｋ_Mは、それぞれ以下のとおりである
〔配合Ａ〕
Ｋ_M＝（４９１×３.２＋４７７×３.２＋４７７×３.３）／１４５５
≒３.２１（％）
〔配合Ｂ〕
Ｋ_M＝（４８５×３.２＋４７１×３.２＋４７１×３.３）／１４２７
≒３.２５（％）

ＡＥ減水剤はポゾリス社製、商品名；ポゾリスＮｏ.８を使用した。
ＡＥ剤はポゾリス社製、商品名；マイクロエア２０２を使用した。
消泡剤はポゾリス社製、商品名；マイクロエア４０４を使用した。

各コンクリート混練物を用いて１００ｍｍ×１００ｍｍ×４００ｍｍのコンクリート供試体を作製し、材齢２８日および９１日の供試体についてＪＩＳＡ１１４８に準拠した方法により供試体温度「５℃→−１８℃→５℃」を１サイクルとし、１サイクルに要する時間を３時間以上、４時間以内として凍結融解試験を３００サイクルまで実施した。
この試験において、３０サイクル毎に供試体サンプルを取り出して、ＪＩＳＡ１１２７に準拠した方法により動弾性係数および質量を求めた。

試験結果を図１、図２に示す。消泡剤を添加し、かつ空気量を増大させた本発明例のものは、凍結融解抵抗性が顕著に向上した。上記凍結融解サイクル試験３００サイクルにおいて相対動弾性係数が６０％以上であるものは、コンクリート堤体の外部コンクリートに適用可能な耐久性を有すると判断されることから、本発明によれば、低品質骨材を使用した外部コンクリートを実現することが可能となる。

Claims

水結合材比：４０〜６０％、細骨材率ｓ／ａ：２０〜４５％、単位骨材量の合計：１８５０〜２２００ｋｇ／ｍ³であるコンクリートにおいて、使用する粗骨材の少なくとも１種以上をＪＩＳＡ１１１０：２００６に規定される吸水率が３％を超え６％以下である低品質骨材とするとともに、ＡＥ減水剤、ＡＥ剤を添加し、かつ対結合材質量比で０.００１〜０.０５％の消泡剤を添加して、空気量を４〜７％に調整した堤体用コンクリート。
合計ｎ種類（ｎは１以上）の粗骨材を使用し、水結合材比：４０〜６０％、細骨材率ｓ／ａ：２０〜４５％、単位骨材量の合計：１８５０〜２２００ｋｇ／ｍ³であるコンクリートにおいて、少なくとも１種以上の粗骨材を吸水率が３.０％を超える低品質骨材とし、下記（１）式により定まる粗骨材の平均吸水率Ｋ_Mが１.５〜４.０となる骨材配合とするとともに、ＡＥ減水剤、ＡＥ剤を添加し、かつ対結合材質量比で０.００１〜０.０５％の消泡剤を添加して、空気量を４〜７％に調整した堤体用コンクリート。
Ｋ_M＝（Ｋ₁Ａ₁＋Ｋ₂Ａ₂＋・・・＋Ｋ_nＡ_n）／（Ａ₁＋Ａ₂＋・・・＋Ａ_n） …（１）
ここで、Ｋ_i（ｉは１〜ｎ）は粗骨材ｉの吸水率（％）、Ａ_i（ｉは１〜ｎ）は粗骨材ｉの単位量（ｋｇ／ｍ³）である。
請求項１または２に記載のコンクリートを、堤体の外部コンクリートの一部または全部に使用するコンクリート堤体の構築方法。