JP2011157760A - コンクリートまたはモルタルの設計方法および装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】硫酸雰囲気で用いるコンクリートまたはモルタルを、経済的で合理的に設計する方法および装置を提供する。
【解決手段】コンクリートまたはモルタルを所定濃度の硫酸に浸漬し、硫酸の濃度と浸漬期間との積と、硫酸によるコンクリートまたはモルタルの侵食深さとの相関関係を予め把握しておき（ステップＳ１）、想定したコンクリートまたはモルタルの設置環境の硫酸の濃度と耐用年数を想定し（ステップＳ２）、これらと相関関係とに基づいて、コンクリートまたはモルタルの鉄筋かぶり厚を設計するようにする（ステップＳ３）。
【選択図】図１
【解決手段】コンクリートまたはモルタルを所定濃度の硫酸に浸漬し、硫酸の濃度と浸漬期間との積と、硫酸によるコンクリートまたはモルタルの侵食深さとの相関関係を予め把握しておき（ステップＳ１）、想定したコンクリートまたはモルタルの設置環境の硫酸の濃度と耐用年数を想定し（ステップＳ２）、これらと相関関係とに基づいて、コンクリートまたはモルタルの鉄筋かぶり厚を設計するようにする（ステップＳ３）。
【選択図】図１
Description
本発明は、コンクリートまたはモルタルの設計方法および装置に関し、特に、下水道施設などの硫酸雰囲気で用いられる耐硫酸性のコンクリートまたはモルタルの設計方法および装置に関する。
従来、下水道施設などにおいて、硫化水素に細菌が作用して硫酸が発生することが知られている。こうした環境下に設置されるコンクリートまたはモルタルは、硫酸によって腐食劣化するものである。このようなコンクリートまたはモルタルの設計方法としては、例えば、非特許文献１に示す方法が知られている。
一方、硫酸による腐食劣化に対して耐久性を有する耐硫酸性コンクリートまたはモルタルの開発が進められている。例えば、本発明者らは、既に特願２００９−１２０４０７に示す耐硫酸性に優れたコンクリートおよびモルタルを提案している。このコンクリートおよびモルタルは、下水道施設などの硫酸性雰囲気に晒される環境で使用するのに好適な材料である。
「２００７年制定 コンクリート標準示方書 設計編」、社団法人土木学会、２００８年３月
ところで、下水道施設などの硫酸雰囲気で用いるコンクリートまたはモルタルは、硫酸によって侵食劣化してゆくが、この侵食がやがて内部の鉄筋に及んで構造的な性能を消失すると耐用年数を迎えるようになる。このようなコンクリートまたはモルタルの設計では、硫酸による侵食速度を予めできるだけ正確に予測し、設定した耐用年数に見合うように鉄筋のかぶり厚を設計するほうが経済的で好ましい。このため、硫酸による侵食速度をより正確に予測し、設定した耐用年数に見合う経済的で合理的なコンクリートまたはモルタルの設計方法の開発が望まれていた。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、硫酸雰囲気で用いるコンクリートまたはモルタルを、経済的で合理的に設計することができるコンクリートまたはモルタルの設計方法および装置を提供することを目的とする。
上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の請求項１に係るコンクリートまたはモルタルの設計方法は、硫酸雰囲気で用いるコンクリートまたはモルタルの設計方法であって、コンクリートまたはモルタルを所定濃度の硫酸に浸漬し、前記硫酸の濃度と浸漬期間との積と、前記硫酸によるコンクリートまたはモルタルの侵食深さとの相関関係を予め把握しておき、想定したコンクリートまたはモルタルの設置環境の硫酸の濃度と耐用年数と前記相関関係とに基づいて、コンクリートまたはモルタルの鉄筋かぶり厚を設計することを特徴とする。
また、本発明の請求項２に係るコンクリートまたはモルタルの設計方法は、上述した請求項１において、前記相関関係は線形の相関関係であることを特徴とする。
また、本発明の請求項３に係るコンクリートまたはモルタルの設計装置は、硫酸雰囲気で用いるコンクリートまたはモルタルの設計装置であって、コンクリートまたはモルタルを所定濃度の硫酸に浸漬することによって得られる前記硫酸の濃度と浸漬期間との積と、前記硫酸によるコンクリートまたはモルタルの侵食深さとの相関関係の情報と、想定したコンクリートまたはモルタルの設置環境の硫酸の濃度と耐用年数と前記相関関係の情報とに基づいて、コンクリートまたはモルタルの鉄筋かぶり厚を設計する設計手段とを備えることを特徴とする。
また、本発明の請求項４に係るコンクリートまたはモルタルの設計装置は、上述した請求項３において、前記相関関係は線形の相関関係であることを特徴とする。
本発明によれば、硫酸雰囲気で用いるコンクリートまたはモルタルの設計方法であって、コンクリートまたはモルタルを所定濃度の硫酸に浸漬し、前記硫酸の濃度と浸漬期間との積と、前記硫酸によるコンクリートまたはモルタルの侵食深さとの相関関係を予め把握しておき、想定したコンクリートまたはモルタルの設置環境の硫酸の濃度と耐用年数と前記相関関係とに基づいて、コンクリートまたはモルタルの鉄筋かぶり厚を設計する。
つまり、浸漬期間を耐用年数としてこれと設置環境の硫酸の濃度との積を求め、この積の値に対応する侵食深さを相関関係により求めれば、この侵食深さに基づいて鉄筋かぶり厚を設定することができる。したがって、硫酸雰囲気で用いるコンクリートまたはモルタルを、経済的で合理的に設計することができるという効果を奏する。
以下に、本発明に係るコンクリートまたはモルタルの設計方法および装置の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
図１に示すように、本発明に係るコンクリートまたはモルタルの設計方法は、硫酸雰囲気で用いるケイ酸カルシウム系材料を用いたコンクリートまたはモルタルの設計方法である。具体的な手順としては、予めコンクリートまたはモルタルを所定濃度の硫酸に浸漬し、硫酸の濃度と浸漬期間との積と、硫酸によるコンクリートまたはモルタルの侵食深さとの相関関係を把握しておく（ステップＳ１）。
次に、コンクリートまたはモルタルの設置環境の硫酸の濃度と耐用年数とを想定し（ステップＳ２）、これらと相関関係とに基づいてコンクリートまたはモルタルの鉄筋かぶり厚を設計する（ステップＳ３）という手順による。
ここで、本発明者らは、図２に示すように、ケイ酸カルシウム系材料を用いた普通コンクリートの硫酸による侵食深さと、硫酸の平均濃度に浸漬時間を乗じた値（積）との間には線形の相関関係が成り立つことを確認している（詳細については後述する）。この図２は、水セメント比（Ｗ／Ｃ）が２５％であるコンクリートと６０％であるコンクリートについて、上記の積に応じた侵食深さ測定値のプロットと、各プロットから求めた回帰直線の一例を示したものである。なお、このような線形関係はモルタルの場合にも成り立つ。
したがって、浸漬期間を耐用年数としてこれと設置環境の硫酸の濃度との積を求め、この積の値に対応する侵食深さをこの線形関係により求めれば、この侵食深さに基づいて図３に示すような鉄筋かぶり厚を最適な寸法に設定することができる。例えば、鉄筋かぶり厚を、対応する侵食深さよりも若干大きい値に設定することができる。
このように、本発明によれば、設置予定のコンクリートまたはモルタルの侵食速度を線形関係により予測しておくことで、硫酸雰囲気で用いるコンクリートまたはモルタルを、経済的で合理的に設計することができる。これにより、これまで性能照査型設計に基づく設計が困難であった下水道施設などの硫酸環境下におけるコンクリートまたはモルタルの設計を、簡便に行うことができる。
また、本発明に係るコンクリートまたはモルタルの設計装置は、硫酸雰囲気で用いるコンクリートまたはモルタルの設計装置であって、コンクリートまたはモルタルを所定濃度の硫酸に浸漬することによって得られる硫酸の濃度と浸漬期間との積と、硫酸によるコンクリートまたはモルタルの侵食深さとの相関関係の情報と、想定したコンクリートまたはモルタルの設置環境の硫酸の濃度と耐用年数と相関関係の情報とに基づいて、コンクリートまたはモルタルの鉄筋かぶり厚を設計する設計手段とを備えるものである。この設計手段による演算処理はコンピュータを用いて行う。具体的な処理手順および内容については上記の本発明の設計方法の手順および内容と同様である。
次に、本発明による具体的な設計例について、図４を参照しながら説明する。
図４に示すように、コンクリートまたはモルタルの硫酸による侵食速度係数（線形関係の比例係数）を３ｍｍ／（％・年）とし、耐用年数を５０年と設定した場合には、かぶり厚の設計値ｄ（ｍｍ）は、設置環境の硫酸濃度に応じて次のように算定することができる。
図４に示すように、コンクリートまたはモルタルの硫酸による侵食速度係数（線形関係の比例係数）を３ｍｍ／（％・年）とし、耐用年数を５０年と設定した場合には、かぶり厚の設計値ｄ（ｍｍ）は、設置環境の硫酸濃度に応じて次のように算定することができる。
（設置環境の硫酸濃度を０．４％と想定した場合）
ｄ＝３ｍｍ／（％・年）×０．４％×５０年＝６０ｍｍ
ｄ＝３ｍｍ／（％・年）×０．４％×５０年＝６０ｍｍ
（設置環境の硫酸濃度を０．７％と想定した場合）
ｄ＝３ｍｍ／（％・年）×０．７％×５０年＝１０５ｍｍ
ｄ＝３ｍｍ／（％・年）×０．７％×５０年＝１０５ｍｍ
このように、設置環境の硫酸濃度が高いほど侵食速度は大きくなり、必要なかぶり厚ｄが増大することが分かる。
次に、硫酸による侵食深さと、硫酸濃度と浸漬期間との積との間の相関関係を把握するために行った実験について説明する。
本実験に用いたセメントペースト、モルタルおよびコンクリートの配合を表１に示す。表１に示すように、結合材（Ｂ）には、普通ポルトランドセメント（Ｃ）（密度：３．１５ｇ／ｃｍ３、ブレーン値：３４００ｃｍ２／ｇ）および高炉スラグ微粉末（密度：２．８９ｇ／ｃｍ３、ブレーン値：４１５０ｃｍ２／ｇ）を用いた。細骨材には、川砂（表乾密度：２．６０ｇ／ｃｍ３、吸水率：２．００％）および高炉スラグ細骨材（表乾密度：２．７３ｇ／ｃｍ３、吸水率：０．４０％）を用いた。粗骨材には、砕石（表乾密度：２．７５ｇ／ｃｍ３、吸水率：０．３８％）を用いた。混和剤には、ポリカルボン酸系高性能減水剤を用いた。コンクリート二次製品を想定し、空気量は２．０％で設定した。
モルタルの硫酸浸漬試験には、φ５０×１００ｍｍの円柱供試体を、コンクリートの硫酸浸漬試験には。φ１００×２００ｍｍの円柱供試体をそれぞれ用いた。供試体は、打設から７日間水中養生を行った後、質量パーセント濃度で５％、１０％の硫酸に浸漬させた。７日毎に水で洗浄し、劣化した箇所を除去した後、質量を測定した。また、供試体を乾式コンクリートカッターで切断し、切断面にフェノールフタレイン溶液を噴霧した後、呈色域の直径を測定し、硫酸による侵食深さを求めた。
図５および図６は、それぞれ、コンクリートおよびモルタルの硫酸浸漬期間と硫酸濃度の積と硫酸侵食深さとの関係を示したものである。
図５および図６中の●は、結合材に普通ポルトランドセメントおよび高炉スラグ微粉末を質量比で４０：６０の割合で混合したものを用い、細骨材に高炉スラグ細骨材を用いたコンクリート（以下、耐硫酸性水和固化体コンクリートと呼ぶ）およびモルタル（以下、耐硫酸性水和固化体モルタルと呼ぶ）の結果を示している。
図５および図６中の黒□は、結合材に普通ポルトランドセメントのみを用い、細骨材に川砂を用いたコンクリート（以下、普通コンクリートと呼ぶ）およびモルタル（以下、普通モルタルと呼ぶ）の結果を示している。
図５および図６から、硫酸浸漬期間と硫酸濃度の積と硫酸侵食深さとの間には、直線関係が成り立つことが分かる。すなわち、コンクリートおよびモルタルの硫酸による侵食は、硫酸浸漬期間に比例するとともに、硫酸濃度にも比例することが分かる。また、図５中に示される直線の傾きは、２．９ｍｍ／日および０．５ｍｍ／日で、耐硫酸性水和固化体コンクリートは、普通コンクリートの６倍の耐硫酸性があるといえる。また、図６中に示される直線の傾きは、３．５ｍｍ／日および０．５ｍｍ／日で、耐硫酸性水和固化体モルタルは、普通モルタルの７倍の耐硫酸性があるといえる。
表２に、図６の耐硫酸性水和固化体モルタルおよび普通モルタルの配合を、表３に、図５の耐硫酸性水和固化体コンクリートおよび普通コンクリートの配合を示す。また、参考として表４に、図５のプロット・データを示す。
以上説明したように、本発明によれば、硫酸雰囲気で用いるコンクリートまたはモルタルの設計方法であって、コンクリートまたはモルタルを所定濃度の硫酸に浸漬し、前記硫酸の濃度と浸漬期間との積と、前記硫酸によるコンクリートまたはモルタルの侵食深さとの相関関係を予め把握しておき、想定したコンクリートまたはモルタルの設置環境の硫酸の濃度と耐用年数と前記相関関係とに基づいて、コンクリートまたはモルタルの鉄筋かぶり厚を設計する。したがって、硫酸雰囲気で用いるコンクリートまたはモルタルを、経済的で合理的に設計することができる。
Claims (4)
- 硫酸雰囲気で用いるコンクリートまたはモルタルの設計方法であって、
コンクリートまたはモルタルを所定濃度の硫酸に浸漬し、前記硫酸の濃度と浸漬期間との積と、前記硫酸によるコンクリートまたはモルタルの侵食深さとの相関関係を予め把握しておき、想定したコンクリートまたはモルタルの設置環境の硫酸の濃度と耐用年数と前記相関関係とに基づいて、コンクリートまたはモルタルの鉄筋かぶり厚を設計することを特徴とするコンクリートまたはモルタルの設計方法。 - 前記相関関係は線形の相関関係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またはモルタルの設計方法。
- 硫酸雰囲気で用いるコンクリートまたはモルタルの設計装置であって、
コンクリートまたはモルタルを所定濃度の硫酸に浸漬することによって得られる前記硫酸の濃度と浸漬期間との積と、前記硫酸によるコンクリートまたはモルタルの侵食深さとの相関関係の情報と、
想定したコンクリートまたはモルタルの設置環境の硫酸の濃度と耐用年数と前記相関関係の情報とに基づいて、コンクリートまたはモルタルの鉄筋かぶり厚を設計する設計手段とを備えることを特徴とするコンクリートまたはモルタルの設計装置。 - 前記相関関係は線形の相関関係であることを特徴とする請求項３に記載のコンクリートまたはモルタルの設計装置。
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