JP2011256566A - コンクリート充填鋼管の製造方法、およびコンクリート充填鋼管 - Google Patents

Abstract

【課題】高い品質のコンクリート充填鋼管が容易に得られるコンクリート充填鋼管の製造方法等を提供する。
【解決手段】鋼管２の内部にスパイラルシース管１１を設置し、鋼管２の内部にγＣ_２Ｓを含有させたコンクリート４を打設する。コンクリート４の養生後、スパイラルシース管１１を除去する。スパイラルシース管１１を除去してコンクリート４に形成された孔部５に二酸化炭素を供給し、孔部５より炭酸化処理を行う。炭酸化処理の終了後、孔部５はグラウト材６で埋められる。
【選択図】図１

Description

本発明はコンクリート充填鋼管の製造方法、およびコンクリート充填鋼管に関する。

高層ビルの柱部材等に、鋼管にコンクリートを充填したコンクリート充填鋼管部材（以下、ＣＦＴ（Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｆｉｌｌｅｄ ｓｔｅｅｌ Ｔｕｂｅ）部材と称する）が用いられる場合がある。

ＣＦＴ部材では、鋼管によりコンクリートを拘束してコンクリートの破壊を防ぐとともに、コンクリートを鋼管内に充填することにより鋼管の座屈が抑制される。特許文献１には、このようなＣＦＴ部材の例が示されている。

特開平１−３３３４３号公報

ＣＦＴ部材において、鋼管の内部に充填するコンクリートについては、その分離により鋼管とコンクリートの付着力が低下するという問題がある。また、鋼管にコンクリートを充填する際にポンプによる圧送を行うが、コンクリートの圧送性を向上するために粉体量を増加させる必要もある。さらに、高層ビル等に適用するためには大きな死荷重に耐える必要があり、高強度化が必要とされる。

ＣＦＴ部材は、これらの点を踏まえ施工等を行う必要があり、その品質管理等は難しい。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、高い品質のコンクリート充填鋼管が容易に得られるコンクリート充填鋼管の製造方法等を提供することを目的とする。

前述の目的を達するための第１の発明は、鋼管の内部に中子部材を設置し、前記鋼管の内部にγＣ_２Ｓを含有させたコンクリートを打設する工程（ａ）と、前記コンクリートの養生後、前記中子部材を除去する工程（ｂ）と、前記中子部材を除去して前記コンクリートに形成された孔部より、炭酸化処理を行う工程（ｃ）と、前記孔部を中詰材で埋める工程（ｄ）と、を具備することを特徴とするコンクリート充填鋼管の製造方法である。

前記工程（ｃ）の前に、設備機器の排気管と、前記中子部材を除去して前記コンクリートに形成された孔部とを流路で接続する工程（ｅ）と、前記工程（ｃ）の後に、前記流路を取り外す工程（ｆ）と、を更に具備するようにすることもできる。

前述した目的を達するための第２の発明は、鋼管の内部に、表面に通気性のある中空の中子部材を設置し、前記鋼管の内部にγＣ_２Ｓを含有させたコンクリートを打設する工程（ａ’）と、前記コンクリートの養生後、前記中空の中子部材により形成された孔部より、炭酸化処理を行う工程（ｃ’）と、前記孔部を中詰材で埋める工程（ｄ’）と、を具備することを特徴とするコンクリート充填鋼管の製造方法である。

前記工程（ｃ’）の前に、設備機器の排気管と、前記中空の中子部材により形成された孔部とを流路で接続する工程（ｅ’）と、前記工程（ｃ’）の後に、前記流路を取り外す工程（ｆ’）と、を更に具備するようにすることもできる。

前述した目的を達するための第３の発明は、鋼管にコンクリートを充填したコンクリート充填鋼管において、前記コンクリートは、γＣ_２Ｓが含有されたコンクリートの養生後、炭酸化処理を行ったものであり、前記コンクリートでは、炭酸化処理を行うために用いた孔部が中詰材で埋められていることを特徴とするコンクリート充填鋼管である。

かかる構成により、コンクリート充填鋼管を製造する際には、中子部材を鋼管内に配置し、γＣ_２Ｓを混入させたコンクリートを鋼管内に打設する。そして、中子部材はコンクリートの養生後除去する。これにより当該コンクリートに形成された孔部より、二酸化炭素を供給して炭酸化処理を行い、当該コンクリートを二酸化炭酸と反応させる。表面に通気性のある中空の中子部材を使用する場合は除去せずに炭酸化処理を行うことができる。当該コンクリートは、孔部の内面から内部へと空隙率が減少して緻密化し硬化するとともに化学的に安定し、セメント組織からのカルシウムイオンの溶脱や外部からの塩化物イオン等の進入が抑制され、更に強度が上昇するとともに長期耐久性に優れたものとなる。

また、炭酸化により強度が増加するので、部材厚を薄くしたり、高層ビル等の死荷重が大きい部位に適用することができる。加えて、炭酸化処理は打設したコンクリートの養生後行い、炭酸化時期により硬化のタイミングを任意にコントロールできるために、コンクリート打設時間を確保することができ、品質が向上する。

また、二酸化炭素をコンクリート充填鋼管のコンクリートに吸収して固定化することが可能になり、二酸化炭素の固定技術としても利用できる。さらに、γＣ_２ＳまたはγＣ_２Ｓを含有するスラグを混入することで粉体量が増加し、圧送性や分離抵抗性が向上する。分離抵抗性の向上により、コンクリートの品質が確保され、未充填部分の発生の防止や、鋼管との付着力確保が容易になる。

本発明により、高い品質のコンクリート充填鋼管が容易に得られるコンクリート充填鋼管の製造方法等を提供することができる。

コンクリート充填鋼管１を示す図 コンクリート充填鋼管１の製造方法を示す図 コンクリート充填鋼管１の製造方法を示す図 ホース１３の取り付けを示す図 排気管２１との接続を示す図 コンクリート充填鋼管３０を示す図 コンクリート充填鋼管３０の製造方法を示す図 ホース１３の取り付けを示す図

以下図面を参照しながら、本発明のコンクリート充填鋼管の製造方法等の実施形態について説明する。

まず、本実施形態のコンクリート充填鋼管の製造方法で製造されるコンクリート充填鋼管１について、図１を用いて説明する。
図１は、コンクリート充填鋼管１について説明する図で、図１（ａ）はコンクリート充填鋼管１の図１（ｂ）の線Ｂ−Ｂにおける水平方向断面図、図１（ｂ）はコンクリート充填鋼管１の図１（ａ）の線Ａ−Ａにおける垂直方向断面図である。

図１に示すように、本実施形態のコンクリート充填鋼管１は、略円筒状の鋼管２の内部にコンクリート４を充填して製造される。また、コンクリート４には、孔部５が形成されており、孔部５は中詰材であるグラウト材６で埋められている。なお、鋼管２の形状、材質等は強度等の目的に応じて適宜定めることができ、これに限ることはない。また、コンクリート充填鋼管１は、柱部材として梁部材８等とともに高層ビル等の構造物を形成するものとして説明する。

そして、本実施形態のコンクリート充填鋼管１では、鋼管２の内部に充填するコンクリート４として、γＣ_２Ｓ（ガンマビーライト）含有のコンクリートを用いる。

γＣ_２Ｓについては本出願人による特開２００６−１８２５８３号公報、特開２００６−３４８４６５号公報等に記載されているが簡単に説明すると、γＣ_２Ｓは、ポルトランドセメントの主要鉱物成分の一つであり、水和物や乾燥収縮を減少させ、化学抵抗性を増大させる機能を有するビーライト：２ＣａＯ・ＳｉＯ_２（組成式Ｃ_２Ｓ）のうちの一種である。
ビーライトは、ＣａＯとＳｉＯ_２を主成分とするダイカルシウムシリケートの１種であり、結晶構造や密度によりα型、α’型、β型、γ型に分類されるが、γＣ_２Ｓは、このうちγ型に分類されるビーライトである。

α型、α’型、β型のＣ_２Ｓについては、水と反応して水硬性を示すという特性があるが、γ型のＣ_２ＳであるγＣ_２Ｓは、そのような水硬性を示さず、かつ二酸化炭素と反応するという特性を有する。なお、ポルトランドセメント等の通常のセメントには、γＣ_２Ｓは基本的に含まれていない。また、γＣ_２Ｓには、２ＣａＯ・ＳｉＯ_２の他、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ、ＴｉＯ_２、ＭｎＯ、ＺｎＯ、ＣｕＯ等の酸化物が不純物として固溶している場合があるが、このような鉱物を固溶したγＣ_２Ｓも本発明でいうγＣ_２Ｓに含まれる。

そして、γＣ_２Ｓを含有させたセメント混練物（コンクリート）を硬化させたとき、その硬化体は炭酸ガス等を用いた炭酸化処理により二酸化炭素と反応させることで、空隙率が減少して二酸化炭素と反応した表層から内部へとコンクリートが緻密化するとともに化学的に安定し、セメント組織からのカルシウムイオンの溶脱や外部からの塩化物イオン等の進入が抑制され、更に強度が上昇するとともに長期耐久性に優れたものとなる。

γＣ_２Ｓを含有したセメント硬化体が炭酸化処理により緻密化するメカニズムについては未解明な部分も多いが、以下のように考えられる。すなわち、通常のセメント硬化体が炭酸化（中性化）する場合には、セメントの水和反応によって生じたＣａ(ＯＨ)_２が炭酸ガス等と反応してＣａＣＯ_３になるのであるが、セメント硬化体中にγＣ_２Ｓが多量に存在すると、γＣ_２Ｓが水和反応せずに直接炭酸ガス等と反応して多量のＣａＣＯ_３とＳｉＯ_２を生成する。さらにセメントの水和反応で生じたＣａ(ＯＨ)_２も炭酸ガス等と反応してＣａＣＯ_３になる。このため、通常のセメント硬化体に比べ早期に多量の反応生成物が生じ、これがセメント硬化体内の空隙を埋めて緻密化すると推察される。

孔部５は、上記の炭酸化処理を行う際に炭酸ガス等により二酸化炭素を供給するためのもので、炭酸化処理後、グラウト材６などの中詰材で埋められる。

次に、コンクリート充填鋼管１の製造方法について、図２、図３を用いて説明する。

コンクリート充填鋼管１を製造する際には、まず、図２（ａ）に示すように、構造物でコンクリート充填鋼管１を用いる箇所に梁部材８等とともに配置された鋼管２の内部に、その軸方向に沿って中子部材としてのスパイラルシース管１１を設ける。スパイラルシース管１１は鋼管２内で打設されたコンクリート４に孔部５を設けるためのもので、この目的のため用いるものはスパイラルシース管１１に限ることはなく、例えば表面に多数の孔が開いた通気性の有る中空のボイド材等を用いることもできる。

次に、図２（ｂ）に示すように、鋼管２の内部に、γＣ_２Ｓを混入したコンクリート４をポンプ圧送等により打設する。なお、この際γＣ_２Ｓを含有するスラグをコンクリート４に混入させてもよい。

このようなコンクリート４の配合例を２つ示したものが表１である。このように、コンクリート中に適量γＣ_２Ｓを含有させることで、炭酸化処理後のコンクリートについての前述した効果が得られる。必要なγＣ_２Ｓの量は、目的とするコンクリート充填鋼管１の強度等により異なるが、通常用いられるコンクリート充填鋼管の範囲であれば、コンクリートに対して質量比で０．５％〜２０％のγＣ_２Ｓが含まれていることが望ましい。その他の配合は、炭酸化処理の目的に応じて適宜定めることができる。

次に、コンクリート４の養生を例えば常温常圧養生にて行い、所定の強度が発現されるまで十分硬化させた後、スパイラルシース管１１を引き抜いて除去する。すると、図３（ａ）に示すように、コンクリート４には孔部５が形成される。なお、孔部５は複数形成されていてもよい。

次に、図３（ｂ）に示すように、炭酸ガスを供給するためのホース１３の先端部を孔部５に固定する。

ホース１３の固定方法は種々考えられるが、例えば、図４（ａ）に示すように、ホース１３の先端部に取付板１５を設け、取付板１５の一方の面にゴムパッキン等の緩衝材１６を取り付ける。そして、緩衝材１６がコンクリート４に接するように取付板１５を配置し、ボルト１７を取付板１５と緩衝材１６を貫通して先端がコンクリート４の内部に達するように設けることにより、ホース１３の先端部をコンクリート４に固定することができる。あるいは図４（ｂ）に示すように、コンクリート４の打設時に長ナット１９等を設置しておき、コンクリート４の硬化後、ホース１３の先端部の外周面に設けておいたネジ部１８を長ナット１９の内周面に螺合させることで、ホース１３の先端部をコンクリート４に固定することもできる。

その後、ホース１３を介してコンクリート４の孔部５に炭酸ガスにより二酸化炭素を供給し、コンクリート４の孔部５の内面を適当な二酸化炭素量、温度、湿度条件等の雰囲気中に曝すことにより、炭酸化処理を行う。この際の炭酸ガスは、ホース１３を介して別に設けた供給源より供給する以外に、図５に示すように、室内空調や、ボイラー等の設備機器の排気管２１を供給源として用いるよう設計することも可能で、その場合は、炭酸化処理を行う前に、ホース１３の場合と同様に、排気管２１と孔部５とを流路２２で接続し、排気ガスに含まれる二酸化炭素によりコンクリートの炭酸化処理を行った後、当該流路２２を取り外す。

γＣ_２Ｓの含有量や炭酸化処理を行う条件により、コンクリート４の最終的な強度をコントロールすることができる。炭酸化処理を行う前に、所定の強度を発現させるまでコンクリート４を養生し硬化させるのは、先にコンクリート４を硬化させないと、炭酸化処理に係る上記の効果を得ることができないためである。これは本出願人らによる特開２００６−１８２５８３号公報等に記載されている。なお、炭酸化処理はコンクリート４の硬化後行うので、これによりコンクリート４の打設期間や養生期間が特に制限されることはない。
また、炭酸化処理の方法は、これに限られることはない。例えば本実施形態では二酸化炭素を炭酸ガス等の気体にて供給し炭酸化処理を行うが、二酸化炭素は例えば炭酸ナトリウム水溶液中のＣＯ_３ ^２−イオン等により供給するものであってもよいし、あるいはドライアイス等の固体により供給するものであってもよい。

炭酸化処理が終了すれば、ホース１３を引き抜き、孔部５をグラウト材６等の中詰材で埋める。このようにして、図１に示すコンクリート充填鋼管１が製造される。
なお、中子部材として表面に多数の孔が開いた通気性の有る中空のボイド材を使用する場合は除去せずに炭酸化処理を行い、終了後にグラウト材で埋めても良い。

このコンクリート充填鋼管１は、γＣ_２Ｓを含有させたコンクリート４を炭酸化処理により二酸化炭素と反応させることで、孔部５の表面から内部へとコンクリート４の空隙率が減少して緻密化するとともに化学的に安定し、セメント組織からのカルシウムイオンの溶脱や外部からの塩化物イオン等の進入が抑制され、更に強度が上昇するとともに長期耐久性に優れたものとなる。

また、炭酸化により強度が増加するので、部材厚を薄くしたり、高層ビル等の死荷重が大きい部位に適用することができる。加えて、炭酸化処理は打設したコンクリート４の養生後行い、炭酸化時期により硬化のタイミングを任意にコントロールできるために、コンクリート打設時間を確保することができ、品質が向上する。

また、二酸化炭素をコンクリート充填鋼管１のコンクリート４に吸収して固定化することが可能になり、二酸化炭素の固定技術としても利用できる。さらに、γＣ_２ＳまたはγＣ_２Ｓを含有するスラグを混入することで粉体量が増加し、圧送性や分離抵抗性が向上する。分離抵抗性の向上により、コンクリート４の品質が確保され、未充填部分の発生の防止や、鋼管２との付着力確保が容易になる。

なお、孔部５を設ける数や方向は上記説明したものに限ることはなく、適宜定めることができる。例えば、図６は、鋼管２の径方向の孔部５が、異なる高さで複数設けられているコンクリート充填鋼管３０の例を示す図である。図６（ａ）はコンクリート充填鋼管３０の図６（ｂ）の線Ｄ−Ｄにおける水平方向断面図、図６（ｂ）はコンクリート充填鋼管３０の図６（ａ）の線Ｃ−Ｃにおける垂直方向断面図である。

コンクリート充填鋼管３０を製造する際は、例えば鋼管２の側面の取り外し部２ａ（図６参照）を取り外して設けた孔部を通しつつ、図７（ａ）に示すように、中子部材であるスパイラルシース管３１を鋼管２の内部で径方向に配置する。スパイラルシース管３１は高さを変えて複数配置する。そして、前述したコンクリート４を打設する。その後、図７（ｂ）に示すように、コンクリート４の養生を行いスパイラルシース管３１を除去して、コンクリート４に孔部５を形成する。これにより、鋼管２の径方向の孔部５が、異なる高さ位置で複数形成される。そして、各孔部５にホース１３を取り付け、上記と同様の炭酸化処理を行う。

図８（ａ）はこの際のホース１３の取り付けの例を示す図で、例えば鋼管２の側面の、取り外し部２ａを取り外した孔部の内周面に雌ねじが切られているものとし、ホース１３の先端部の外周面に設けた雄ねじ部をこれと螺合させることで、ホース１３の先端部を孔部５に取り付ける。炭酸化処理終了後は、図８（ｂ）に示すように、孔部５をグラウト材６等の中詰材で埋めた後、取り外し部２ａの取り付けを行う。

これによっても、前述のコンクリート充填鋼管１と同様の効果を奏するコンクリート充填鋼管３０が得られる。

以上、添付図面を参照しながら、本発明に係るコンクリート充填鋼管の製造方法等の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１、３０………コンクリート充填鋼管
２………鋼管
４………コンクリート
５………孔部
６………グラウト材
１１………スパイラルシース管
１３………ホース
２１………排気管

Claims (5)

1. 鋼管の内部に中子部材を設置し、前記鋼管の内部にγＣ_２Ｓを含有させたコンクリートを打設する工程（ａ）と、
   前記コンクリートの養生後、前記中子部材を除去する工程（ｂ）と、
   前記中子部材を除去して前記コンクリートに形成された孔部より、炭酸化処理を行う工程（ｃ）と、
   前記孔部を中詰材で埋める工程（ｄ）と、
   を具備することを特徴とするコンクリート充填鋼管の製造方法。
2. 前記工程（ｃ）の前に、設備機器の排気管と、前記中子部材を除去して前記コンクリートに形成された孔部とを流路で接続する工程（ｅ）と、
   前記工程（ｃ）の後に、前記流路を取り外す工程（ｆ）と、
   を更に具備することを特徴とする請求項１記載のコンクリート充填鋼管の製造方法。
3. 鋼管の内部に、表面に通気性のある中空の中子部材を設置し、前記鋼管の内部にγＣ_２Ｓを含有させたコンクリートを打設する工程（ａ’）と、
   前記コンクリートの養生後、前記中空の中子部材により形成された孔部より、炭酸化処理を行う工程（ｃ’）と、
   前記孔部を中詰材で埋める工程（ｄ’）と、
   を具備することを特徴とするコンクリート充填鋼管の製造方法。
4. 前記工程（ｃ’）の前に、設備機器の排気管と、前記中空の中子部材により形成された孔部とを流路で接続する工程（ｅ’）と、
   前記工程（ｃ’）の後に、前記流路を取り外す工程（ｆ’）と、
   を更に具備することを特徴とする請求項３記載のコンクリート充填鋼管の製造方法。
5. 鋼管にコンクリートを充填したコンクリート充填鋼管において、
   前記コンクリートは、γＣ_２Ｓが含有されたコンクリートの養生後、炭酸化処理を行ったものであり、
   前記コンクリートでは、炭酸化処理を行うために用いた孔部が中詰材で埋められていることを特徴とするコンクリート充填鋼管。

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