JP2010195681A - 高速度交通システム構造物用高強度コンクリート部材 - Google Patents

Abstract

【課題】 強度や靱性を向上させた上で、クリープ自体を大幅に低減できるような性状の高速度交通システム構造物用高強度コンクリート部材を提供する。
【解決手段】 セメント１００質量部、ポゾラン質微粉末５〜５０重量部、８５質量％累積粒径が２ｍｍ以下の骨材５０〜２５０重量部、水１０〜３５重量部、減水剤（固形分換算）０．５〜４．０重量部と、を含む配合物の硬化体であることを特徴とする低クリープ高寸法精度の高速度交通システム構造物用高強度コンクリート部材を提供する。
【選択図】なし

Description

本発明は、超高速鉄道、リニアモーターカーなどの高速度の交通システムを構成する構造物に用いる鉄筋コンクリート、プレストレストコンクリート等の高強度コンクリート部材に関する。

従来から、鉄道などの陸上交通システム構造物として、鋼構造物などと共に、経済的で耐久性が高く、騒音などを低減可能な鉄筋コンクリート、プレストレストコンクリート等のコンクリート構造物が用いられてきた。なかでも、長大な橋梁や高架走行路などは、部材を軽量化する要請から、より高強度の部材が求められ、高性能減水剤を利用し水セメント比を低減した高強度コンクリート部材、及びそれらにプレストレスを導入したプレストレストコンクリート部材等が用いられてきた。
一方、コンクリート部材の欠点である脆性を改善し、ひび割れ防止、靱性の向上を達成するために、繊維をコンクリートに混入することも、行われてきた。そしてこれらの各種高強度化技術を複合化し、コンクリート性状の向上を達成する技術として、特開平11-246255号では、セメント、金属繊維、骨材粒子、ポゾラン系反応粒子、分散剤に加えて、マトリックスの靱性を改善することができる成分を添加し、靱性、延性等の機械的挙動を改善する技術が開示されている。

特開平11-246255号公報

より短時間で目的地に到達したいという希望を満足させるために、陸上交通システムの高速化は近年益々進展する状況である。鉄道方式の交通システムでは350km/h以上、リニアモーターカーシステムでは500km/hを超える高速度の交通システムが実験段階から実用化に移されようとしている。このような高速度の交通システムにあっては、高速で走行する車両自体の機能や構造はもとより、システムの基盤となる走行路等の土木構造物にも、きわめて厳しい条件が課される。構造物の強度、靱性、耐久性等は当然であるが、その他に、高速度で移動する旅客の乗り心地を良好に維持し、安全性をも確保するためには、当該走行路等には高い精度の寸法安定性が要求される。

この点で、従来のコンクリート構造物では、自重等による施工時から供用に至る期間の持続加重によるクリープひずみが無視できず、橋脚高の不整や桁のたわみ等を低減するために、実施工においてはクリープによる変形を予測して設計上げ越し量を決めて施工し、完成後にクリープが進行することにより、上げ越し変位が減少し、クリープの収束値において、各部位の変位が最小となるよう、細心の考慮を払った予測設計、施工が行われていた。しかしながら、現場施工においては、クリープの進行は工程の変更や気温、湿度などの影響を大きく受け、予測通りの効果を得ることは困難な場合が多かった。従って、強度や靱性を向上させた上で、クリープ自体を大幅に低減できるような性状の高強度コンクリート部材が望まれていた。

前記の課題に鑑み、発明者らは、クリープ自体を大幅に低減できるような性状の高強度コンクリート部材について鋭意研究を重ねた結果に基づき、本発明の高速度交通システム構造物用高強度コンクリート部材を完成するに至った。その要諦は、セメント、ポゾラン系反応粒子、骨材粒子、分散剤、繊維、無機粉末を適宜組み合わせて、強度，靱性等の機械的挙動を改善する技術により製造したコンクリートには、従来知られていた高強度、高靱性といった特性の他に、クリープが著しく低減されるという予期しない特性が存し、これを応用することにより、クリープ自体を大幅に低減した高強度コンクリート部材が得られることを見いだしたことにある。

すなわち、本発明は、まず第一に、セメント、ポゾラン質微粉末、粒径２ｍｍ以下の骨材、水、減水剤とを含む配合物の硬化体からなることを特徴とする高速度交通システム構造物用高強度コンクリート部材をその基本的な構成とするものである。また、第二として、当該配合物に有機繊維、炭素繊維の何れか１種又は２種以上を含むことを特徴とする高速度交通システム構造物用高強度コンクリート部材である。また、第三として、当該第一又は第二の配合物に、平均粒径３〜２０μｍの無機粉末を含む高速度交通システム構造物用高強度コンクリート部材である。更に，上記第一から第三のいずれかのコンクリート部材であって、プレテンション方式又はポストテンション方式いずれかの方式でプレストレスが導入されていることを特徴とする高速度交通システム構造物用高強度コンクリート部材を第四の形態とする。そして、高速度交通システムがリニアモーターカーであるか、又は鉄道である第一から第四いずれかの高速度交通システム構造物用高強度コンクリート部材も、本発明に含むものである。

本発明によれば、高強度、高靱性の上に、クリープによる変位が著しく小さい高寸法精度の高速度交通システム構造物に適したコンクリート部材を得ることができる。なお、ここで述べる高速度交通システム構造物用高強度コンクリート部材としては、橋梁や高架橋のコンクリート桁、橋脚、橋台、アーチ、杭、走行路の側壁、軌道、軌道スラブ、床板、磁気浮上機能組み込みモジュール板等が想定されるが、これらに限定されるものではない。

以下、本発明について詳細に説明する。本発明において用いられるセメントの種類は限定されない。普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメント、低熱ポルトランドセメント等の各種ポルトランドセメントや高炉セメント、フライアッシュセメント等の混合セメントを使用することができる。

本発明において、コンクリートの早期強度を向上しようとする場合は、早強ポルトランドセメントを使用することが好ましく、コンクリートの流動性を向上しようとする場合は、中庸熱ポルトランドセメントや低熱ポルトランドセメントを使用することが好ましい。

ポゾラン質微粉末としては、シリカヒューム、シリカダスト、フライアッシュ、スラグ、火山灰、シリカゾル、沈降シリカ等が挙げられる。一般に、シリカヒュームやシリカダストでは、その平均粒径は、１．０μｍ以下であり、粉砕等をする必要がないので本発明のポゾラン質微粉末として好的である。

ポゾラン質微粉末を配合することにより、そ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コンクリートが緻密化し、圧縮強度が向上する。一方、ポゾラン質微粉末の添加量が多くなると単位水量が増大するので、ポゾラン質微粉末の添加量はセメント１００重量部に対して５〜５０重量部が好ましい。

本発明においては粒径２ｍｍ以下の骨材が必須成分として用いられる。この粒径２ｍｍ以下の骨材とは、８５％（重量）累積粒径が２ｍｍ以下であることを指し、２ｍｍより大きな骨材成分が含まれていることを妨げない。具体的には、川砂、陸砂、海砂、砕砂、珪砂及びこれらの混合物を使用することができる。骨材の配合量は、コンクリートの作業性や分離抵抗性、硬化後の強度やクラックに対する抵抗性等から、セメント１００重量部に対して５０〜２５０重量部が好ましく、８０〜１８０重量部がより好ましい。

また、上述の粒径２ｍｍ以下の骨材の他に、通常の高強度コンクリートに用いられる粗骨材を配合しても良い。具体的には、川砂利、山砂利、陸砂利、海砂利等の砂利、硬質砂岩、安山岩、石灰石等の砕石、スラグ骨材、人工軽量骨材等が例示できるが、これらに限定されるものではない。

減水剤としては、リグニン系、ナフタレンスルホン酸系、メラミン系、ポリカルボン酸系の減水剤、ＡＥ減水剤、高性能減水剤又は高性能ＡＥ減水剤を使用することができる。それらの中でも、高性能減水剤又は高性能ＡＥ減水剤を使用することが好ましい。減水剤の添加量は、コンクリートの流動性や分離抵抗性、硬化後の強度、さらにはコスト等から、セメントに対して、固形分換算で、０．５〜４．０重量％が好ましい。

本発明において、水／セメント比は、コンクリートの流動性や分離抵抗性、硬化体の強度や耐久性、クリープの低減等から、１０〜３５重量％が好ましく、１５〜３０重量％がより好ましい。

本発明においては、硬化体の曲げ強度を高める観点から、配合物に金属繊維、有機繊維、炭素繊維の何れか１種又は２種以上を含ませることが好ましい。金属繊維としては、鋼繊維、アモルファス繊維等が挙げられるが、中でも鋼繊維は強度に優れており、またコストや入手のし易さの点からも好ましいものである。金属繊維は、径０．０１〜１．０ｍｍ、長さ２〜３０ｍｍのものが好ましい。径が０．０１ｍｍ未満では繊維自身の強度が不足し、張力を受けた際に切れやすくなる。径が１．０ｍｍを超えると、同一配合量での本数が少なくなり、コンクリートの曲げ強度が低下する。長さが３０ｍｍを超えると、混練の際ファイバーボールが生じやすくなる。長さが２ｍｍ未満ではマトリックスとの付着力が低下し曲げ強度が低下する。

金属繊維の配合量は凝結後のコンクリート体積の４％未満が好ましく、より好ましくは３．５％未満である。金属繊維の含有量は、流動性と硬化体の曲げ強度の観点から定められる。一般に、金属繊維の含有量が多くなると曲げ強度が向上するが、一方、流動性を確保するために単位水量も増大するので、金属繊維の含有量は前記の量が好ましい。

有機質繊維としては、ビニロン繊維、ポリプロピレン繊維、ポリエチレン繊維、アラミド繊維等が挙げられる。有機質繊維又は炭素繊維は、径０．００５〜１．０ｍｍ、長さ２〜３０ｍｍのものが好ましい。有機質繊維又は炭素繊維の含有量は、凝結後のコンクリート体積の１０％未満が好ましく、７％未満がより好ましい。なお、本発明においては、金属繊維、有機質繊維、炭素繊維の何れか２種以上を併用することは差し支えない。

本発明においては、硬化体の充填密度を高め、強度向上並びにクリープを低減する観点から、平均粒径３〜２０μｍ、より好ましくは平均粒径４〜１０μｍの無機粉末を含ませることが好ましい。無機粉末としては、石英粉末、石灰石粉末、Al_２O_３等の酸化物粉末、SiC等の炭化物粉末、SiN等の窒化物粉末等が挙げられるが、中でも、石英粉末は、コストや硬化体の品質安定性の点から好ましいものである。なお、石英粉末としては、石英や非晶質石英、オパール質やクリストバライト質のシリカ含有粉末等が挙げられる。無機粉末の配合量は、コンクリートの流動性、硬化体の強度等から、セメント１００重量部に対して５０重量部以下が好ましく、２０〜３５重量部がより好ましい。

本発明においては更に、硬化体の靱性を高める観点、及び硬化体に載荷される荷重を効果的に分散し、クリープを低減する観点から、平均粒度が１ｍｍ以
下の繊維状粒子又は薄片状粒子を含ませることが好ましい。ここで、粒子の粒度とは、その最大寸法の大きさ（特に、繊維状粒子ではその長さ）である。繊維状粒子としては、ウォラストナイト、ボーキサイト、ムライト等が、薄片状粒子としては、マイカフレーク、タルクフレーク、バーミキュライトフレーク、アルミナフレーク
等が挙げられる。繊維状粒子又は薄片状粒子の配合量は、コンクリートの流動性、硬化体の強度や靱性等から、セメント１００重量部に対して３５重量部以下が好ましく、１０〜２５重量部がより好ましい。なお、繊維状粒子においては、硬化体の靱性を高める観点から、長さ／直径の比で表される針状度が３以上のものを用いるのが好ましい。

本発明においては、コンクリートの混練方法は特に限定するものではない。また、混練に用いる装置も特に限定するものではなく、オムニミキサ、パン型ミキサ、二軸練りミキサ、傾胴ミキサ等の慣用のミキサを使用することができる。

上記混練したコンクリートを、鉄筋や連続繊維等の補強材を配置した型枠中に充填して成形し、養生・硬化させることで、本発明の高速度交通システム構造物用高強度コンクリート部材を製造することができる。なお、成形方法は特に限定するものではなく、流し込み成形等慣用の成形方法で行うことができる。また、コンクリートの養生方法も特に限定するものではなく、常温養生や蒸気養生等を行えばよい。

更に本発明においては、上記方法に従ってコンクリート部材を製造する過程で、通常行われているプレテンション方式によりプレストレスを部材に導入することもできるし、部材のコンクリートが硬化した後で、通常行われているポストテンション方式によりプレストレスを部材に導入することもできる。本発明によるコンクリート部材にプレストレスを導入した場合、クリープが大幅に低減されることから、プレストレスの損失も大幅に低減できるという利点も生じる。

また、本発明に用いるような水セメント比を小さくしたコンクリートでは、自己収縮による寸法変化も無視し得なくなるが、必要に応じて収縮低減剤を混和する等の対策を行うことにより、その影響を抑制することが可能である。

以下、本発明のコンクリート部材を構成する硬化体について、実施例により説明する。
１．使用材料
１）セメント ；低熱ポルトランドセメント（太平洋セメント（株）製）
２）ポゾラン質微粉末；シリカヒューム（平均粒径０．2μｍ）
３） 骨材 ；珪砂４号と珪砂５号の２：１（重量比）混合品
４）金属繊維 ；鋼繊維（直径：０．２ｍｍ、長さ：１５ｍｍ）
５）高性能ＡＥ減水剤；ポリカルボン酸系高性能ＡＥ減水剤
６）水 ；水道水
７）石英粉 ；平均粒径７μｍ
８）繊維状粒子；ウォラストナイト（平均長さ０．３ｍｍ、長さ／直径の
比４）

２． 配合条件
実施例１
低熱ポルトランドセメント；１００重量部
シリカヒューム ；３２．５重量部
骨材 ；１２０重量部
石英粉 ；３０重量部
ウォラストナイト ；２４重量部
高性能ＡＥ減水剤 ；1.0重量％ （対セメント 固形分）
水／セメント比 ；２２重量％
鋼繊維 ；コンクリート体積の２％

実施例２
低熱ポルトランドセメント；１００重量部
シリカヒューム ；３２．５重量部
骨材 ；１２０重量部
高性能ＡＥ減水剤 ；1.0重量％ （対セメント 固形分）
水／セメント比 ；２５重量％

３．試験方法
１）混練方法
二軸練りミキサに各材料を一括投入し、混練
２）供試体
直径10cm、高さ20cmの円柱供試体及び10×10×40cmの角柱供試体
３） 圧縮強度試験方法
・供試体：円柱供試体
・ 養生条件：前置き（２０℃）２４時間後脱型し、２８日間２０℃水中養生
・ 強度の測定：JIS
A 1108の方法に従った。
４） 曲げ強度試験方法
・ 供試体：角柱供試体
・ 養生条件：前置き（２０℃）２４時間後脱型し、２８日間２０℃水中養生
・ 強度の測定：JIS
A 1106の方法に従った。
５） クリープ試験方法
・ 供試体：円柱供試体
・ 試験方法：JIS原案
コンクリートの圧縮クリープ試験方法（案）に従った。（載荷材齢２８日、載荷応力６０ＭＰａ、試験材齢１０００日）

４． 試験結果
実施例１
１）圧縮強度 ：２３０ＭＰａ
２） 曲げ強度 ：４７ＭＰａ
３） クリープ係数：０．２０
実施例２
１）圧縮強度 ：１５０ＭＰａ
２） 曲げ強度 ：２１ＭＰａ
３） クリープ係数：０．３１
この実施例１、２の硬化体のクリープ係数の数値は、いずれも普通コンクリートの１／５以下、通常の高強度コンクリートの１／３以下の値であり、大幅にクリープが低減されている。従って、本実施例の硬化体配合を用いて製造した、高強度コンクリート部材は、大幅にクリープが低減され、寸法精度の安定化を図ることが可能である。

本発明は、以上詳述したとおり、高強度、高靱性という特性と共に、クリープを大幅に低減したという性状を持つ高強度コンクリート部材であり、高速度交通システム構造物に用いることにより、その寸法精度の安定化を達成し、施工の効率化や工費の低減に大きく貢献するものである。

Claims (5)

1. セメント１００質量部、ポゾラン質微粉末５〜５０重量部、８５質量％累積粒径が２ｍｍ以下の骨材５０〜２５０重量部、水１０〜３５重量部、減水剤（固形分換算）０．５〜４．０重量部と、
   を含む配合物の硬化体であることを特徴とする低クリープ高寸法精度の高速度交通システム構造物用高強度コンクリート部材。
2. 配合物に、さらに、径０．００５〜１．０ｍｍ、長さ２〜３０ｍｍの有機繊維を凝結後のコンクリート体積の１０％未満、及び／又は径０．００５〜１．０ｍｍ、長さ２〜３０ｍｍの炭素繊維を凝結後のコンクリート体積の１０％未満、を含むことを特徴とする請求項1記載の低クリープ高寸法精度の高速度交通システム構造物用高強度コンクリート部材。
3. 配合物に、さらに、平均粒径３〜２０μｍの無機粉末を５０重量部以下を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の低クリープ高寸法精度の高速度交通システム構造物用高強度コンクリート部材。
4. プレテンション方式又はポストテンション方式いずれかの方式でプレストレスが導入されたことを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか、に記載の低クリープ高寸法精度の高速度交通システム構造物用高強度コンクリート部材。
5. 高速度交通システムが、リニアモーターカー又は、鉄道である請求項１乃至４のいずれかに記載の低クリープ高速度交通システム構造物用高強度コンクリート部材。