JP2012001395A

JP2012001395A - 高強度コンクリート

Info

Publication number: JP2012001395A
Application number: JP2010138420A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Hashida; 浩橋田; Takeshi Morita; 武森田
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Priority date: 2010-06-17
Filing date: 2010-06-17
Publication date: 2012-01-05

Abstract

【課題】収縮ひび割れ抵抗性を高め、かつ、耐火性を兼ね備えた高強度コンクリートを提供する。
【解決手段】水結合材比３５％以下の高強度コンクリートにおいて、５００℃に加熱した時の重量残存率が３０％以下である有機短繊維を０．０５〜０．３５容量％を含有する混和材料と、石灰石からなる骨材と、が混入されている。前記有機短繊維は、直径１０〜２００μｍ、長さ２〜２０ｍｍであることが好ましい。又、有機短繊維を構成する有機材料が、ポリプロピレン、ポリアセタールおよびビニロン樹脂のいずれかであることが好ましい。
【選択図】図３

Description

本発明は、高強度コンクリートに関するものである。

従来から、コンクリートにおける水と結合材、即ち、セメント、スラグ、フライアッシュ、シリカフュームなど、コンクリート中で水和反応する材料、との比率を小さくすると高強度コンクリートが得られることが知られている。

近年、設計基準強度が６０Ｎ／ｍｍ^２を超える高強度コンクリートが様々な建造物に適用されるようになった。高強度コンクリートを用いることにより、建造物の柱の断面寸法を小さくしたり、建造物の高層化が図れたりするなど様々な利益が得られる。しかしながら、水の含有量を低下させてコンクリートを高強度化すると、火災時などの高温環境下で、水蒸気圧や熱応力などにより表面のコンクリートが爆裂し易くなる。そこで、爆裂を抑制することができる高強度コンクリートが開発されている（例えば、特許文献１参照）。具体的に、特許文献１の耐爆裂性コンクリートは、５００℃に加熱した時の重量残存率が３０％以下である有機材料よりなる、直径５〜１００μｍ、長さ５〜４０ｍｍの有機繊維を０．０２〜０．２容量％を含有し、水結合材比が３５％以下で構成されたものである。

一方、こうした高強度コンクリートを実現するには、結合材のみならず、骨材も硬質砂岩など十分な圧縮強度が発揮できるようなものを用いる必要がある。ここで、一般的に、硬質砂岩などの骨材を用いたコンクリートは、石灰石骨材を用いたコンクリートよりも乾燥収縮ひずみや自己収縮ひずみが大きいと言われており、収縮ひび割れに対する抵抗性に劣る可能性がある。したがって、高強度コンクリートの自己収縮ひずみおよび乾燥収縮ひずみを低減させるために、石灰石骨材を用いたものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０００−１４３３２２号公報特開平１１−３０２０５６号公報

一瀬、他２名、「高温加熱を受けた高強度コンクリートにおける粗骨材の影響」、コンクリート工学年次論文集、社団法人日本コンクリート工学協会、２００２年、第２４巻、第１号、ｐ．２８５−２９０井上、他２名、「高強度コンクリートの耐火性の評価に関する研究（第２報：骨材の岩種及び含水率の影響）」、日本建築学会大会学術講演梗概集、社団法人日本建築学会、１９９１年９月、ｐ．７３９−７４０

しかしながら、石灰石骨材を用いたコンクリートは、一般的に耐火度が低く、火災時に爆裂（表面剥落）が生じる虞がある。これは、非特許文献１および非特許文献２にも記載された周知の事実である。つまり、高強度コンクリートに石灰石骨材を用いると、自己収縮ひずみおよび乾燥収縮ひずみを低減（収縮ひび割れ抵抗性を向上）させることができるものの、耐火（爆裂）性が著しく低下するという問題があった。
したがって、収縮ひび割れ抵抗性および耐火（爆裂）性をともに満足するような高強度コンクリートは、当業者にとっては相反する技術であるため、これまでは実現が困難であると考えられていた。

そこで、本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、収縮ひび割れ抵抗性を高め、かつ、耐火性を兼ね備えた高強度コンクリートを提供するものである。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、水結合材比３５％以下の高強度コンクリートにおいて、５００℃に加熱した時の重量残存率が３０％以下である有機短繊維を０．０５〜０．３５容量％を含有する混和材料と、石灰石からなる骨材と、が混入されていることを特徴としている。

請求項１に記載した発明によれば、骨材が石灰石で構成されているため、コンクリートの収縮ひび割れ抵抗性を高めることができる。また、５００℃に加熱した時の重量残存率が３０％以下の、重量残存率が小さい有機材料からなる有機短繊維を混和材料としてコンクリートに混入したため、加熱時に速やかに有機短繊維が減容して有効な空孔を形成することができ、耐火性（耐爆裂性）を確保することができる。したがって、低収縮で、高耐火性を有する高強度コンクリートを提供することができる。

また、請求項２に記載した発明は、前記有機短繊維は、直径１０〜２００μｍ、長さ２〜２０ｍｍであることを特徴としている。

請求項２に記載した発明によれば、有機短繊維を所望の大きさにすることにより、より確実に耐火性（耐爆裂性）を有することができる。

また、請求項３に記載した発明は、前記有機短繊維を構成する有機材料が、ポリプロピレン、ポリアセタールおよびビニロン樹脂のいずれかであることを特徴としている。

請求項３に記載した発明によれば、５００℃に加熱した時に重量残存率を確実に３０％以下になるため、コンクリート内の水蒸気の逃し穴を効果的に形成することができ、好ましい耐爆裂性を有する高強度コンクリートを実現することができる。

本発明の高強度コンクリートによれば、骨材が石灰石で構成されているため、コンクリートの収縮ひび割れ抵抗性を高めることができる。また、５００℃に加熱した時の重量残存率が３０％以下の、重量残存率が小さい有機材料からなる有機短繊維を混和材料としてコンクリートに混入したため、加熱時に速やかに有機短繊維が減容して有効な空孔を形成することができ、耐火性（耐爆裂性）を確保することができる。したがって、低収縮で、高耐火性を有する高強度コンクリートを提供することができる。

本発明の実施形態における柱試験体の断面図である。本発明の実施形態におけるコンクリートの自己収縮ひずみと乾燥収縮ひずみを示すグラフである。本発明の実施形態における柱試験体の載荷加熱実験時の温度履歴を示すグラフである。本発明の実施形態における載荷加熱実験後の第１試験体の表面の状況を示す図である。本発明の実施形態における載荷加熱実験後の第２試験体の表面の状況を示す図である。本発明の実施形態における柱試験体の耐火時間を示すグラフである。

次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、本実施形態では、実験のデータに基づいて、収縮ひび割れ抵抗性を高め、かつ、耐火性を兼ね備えた高強度コンクリートの組成について説明する。

本実施形態において、コンクリートに添加する有機短繊維には、５００℃に加熱した時の重量残存量が３０％以下である有機材料を用いる。通常、加熱時にコンクリートに混入した水蒸気を逃がして爆裂を防止するための空孔を形成する材料としては、融点の低い有機材料が好ましいとされているが、本発明者らの検討の結果、単に融点が低いのみでは優れた耐爆裂性を必ずしも発現せず、この特性は５００℃に加熱した時の重量残存率に関連することが見出された。

各種有機短繊維における５００℃に加熱した時の重量残存率は、１０〜２０％のものから８０％程度のものまで各種存在する。重量残存率の大きい有機短繊維を使用した場合には、火災などの加熱時に、有機短繊維の蒸発によって形成される爆裂防止用のコンクリート中の水蒸気の逃し穴が十分形成されず、爆裂防止に対する有機短繊維の効果は小さい。

これに対して、５００℃に加熱した時の重量残存率の小さい有機短繊維は、火災時によく蒸発し、効果的に水蒸気の逃し穴を形成することができ、少量の有機短繊維で有効に爆裂を防止できる。

５００℃に加熱した時の重量残存率が３０％を上回る場合には、有機短繊維の蒸発による水蒸気逃し穴の形成が不十分で耐爆裂性が低下し、重量残存率が３０％以下の場合には、有機短繊維の蒸発により蒸発前の繊維体積に匹敵する容積の大きな空孔が形成され、その空孔が水蒸気逃し穴としてよく機能し、好ましい耐爆裂性を発現する。

このようにコンクリート中に存在する有機短繊維が加熱後は効果的な空孔を速やかに形成するため、繊維使用量を少なくすることができ、有機短繊維の混入がコンクリートの流動性に及ぼす影響も小さくなり、施工性のよい高強度コンクリートを経済的に実現できることになる。これらの有機短繊維を構成する有機材料としては、火災時の加熱により分解または溶融して体積の急激な減少を起こす天然、半合成あるいは合成の有機材料、例えばポリプロピレン、ポリアセタールおよびビニロン樹脂などが用いられる。

（実験概要）
続いて、石灰石骨材を混入した高強度コンクリートにおいて、有機短繊維を混入した試験体および有機短繊維を混入しない試験体を用いて耐火性（耐爆裂性）を検証した実験について説明する。

実験では、石灰石骨材を用いた超高強度コンクリートで製作した柱試験体に対し、断面の中心に圧縮力を加えた状態でＩＳＯ８３４に準拠して加熱した。以下に実験の詳細を示す。

表１にコンクリートの使用材料一覧を示す。細骨材は、陸砂と石灰石砕砂を質量費１：１で混合して用いた。

粗骨材については、１９９１年版ＪＡＳＳ５に示される「粗骨材の耐火度の判定試験方法（岸谷委員案）」に準じて、加熱温度８００℃、加熱時間３０分の試験を２回行い、粗骨材の質量減少率と個数減少率を測定した。その結果、粗骨材の質量減少率は７．５％、個数減少率は０％であった。

表２に、コンクリートの計画調合を示す。コンクリートの設計基準強度Ｆｃは８０Ｎ／ｍｍ^２、目標スランプフローは６０±１０ｃｍ、目標空気量は上限３．０％、下限０．５％とした。爆裂防止用の合成繊維（有機材料）はポリプロピレン短繊維（以下、「ＰＰ短繊維」という。）とし、混入量は１．０ｋｇ／ｍ^３（０．１１Ｖｏｌ．％）とした。

表２に示した調合のコンクリートを工場で練り、図１に示す断面形状（４５０ｍｍ×４５０ｍｍ）で、高さが２５００ｍｍの柱試験体２体（第１試験体１、第２試験体２）に打ち込んだ。なお、図１中のＡ〜Ｅは熱電対の設置位置を表している。また、柱試験体１，２に用いた鉄筋は、主筋３がＤ１９（ＳＤ３４５）、せん断補強筋（フープ筋）４がＤ１０（ＳＤ２９５Ａ）である。さらに、第１試験体１にはＰＰ短繊維を混入し、第２試験体２は無混入とした。この柱試験体１，２は、コンクリート打ち込み後、約半年間気中養生とした。コンクリート打ち込み時のフレッシュ性状、および標準養生供試体と現場封かん供試体による圧縮強度を表３に示す。

なお、表２に示す調合のコンクリートと硬質砂岩を用いた同一水セメント比のコンクリートを用いて１００×１００×４００ｍｍの供試体を製作し、自己収縮ひずみと一面乾燥収縮ひずみを測定した。結果を図２に示すが、石灰石骨材を用いることで収縮低減効果が確認された。

載荷加熱実験は、第１試験体１はコンクリート打ち込み後１９６日目に、第２試験体２は１９１日目に行った。載荷応力度は、両試験体１，２とも０．３３×Ｆｃとし、各試験体１，２の中心に６０００ｋＮジャッキにて圧縮力を加えた。

加熱は標準加熱温度曲線（ＩＳＯ８３４）に準じ最長４時間まで行い、加熱終了後９時間以上載荷状態を保持したまま自然冷却させた。

図３に、各試験体１，２の温度履歴を示す。ＰＰ短繊維が無混入の第２試験体２は、加熱初期の段階から試験体表面で爆裂が生じ、フープ筋４の位置で温度が急上昇している。一方、ＰＰ短繊維を０．１１Ｖｏｌ．％混入した第１試験体１は爆裂しなかったため、温度上昇は緩やかであった。

図４、図５に、加熱終了後の各試験体１，２の表面の状況を示す。図４に示すように、ＰＰ短繊維を混入した第１試験体１はかぶりコンクリートが完全に保持された。一方、図５に示すように、ＰＰ短繊維が無混入の第２試験体２では、フープ筋４のみならず主筋３が露出するほどの爆裂が生じ、ＰＰ短繊維による爆裂防止効果が確認された。

図６に、柱試験体の耐火時間を示す。ＰＰ短繊維を混入することで、石灰石骨材を用いた超高強度コンクリートの耐火時間は繊維無混入の場合よりも大きく上回った。

上述したように、乾燥収縮ひび割れと自己収縮ひび割れに対する抵抗性が高いと考えられる石灰石骨材を用いた設計基準強度８０Ｎ／ｍｍ^２の超高強度コンクリートを打ち込んだ柱試験体（第１試験体１、第２試験体２）に対し、載荷加熱実験を行った。その結果、以下のような結論を得た。

１）石灰石骨材を用いた超高強度コンクリートであっても、ポリプロピレン短繊維を適量混入することで、火災時にコンクリートの爆裂を完全に防止することができた。
２）石灰石骨材を用いることで、収縮ひび割れ抵抗性を高め、かつ３時間耐火性能を兼ね備えた高強度・高耐火コンクリートの製造技術を確立することができた。

本実施形態において、骨材を石灰石で構成したため、コンクリートの収縮ひび割れ抵抗性を高めることができる。また、５００℃に加熱した時の重量残存率が３０％以下の、重量残存率が小さい有機材料からなるポリプロピレン短繊維を混和材料としてコンクリートに混入したため、加熱時に速やかにポリプロピレン短繊維が減容して有効な空孔を形成することができ、耐火性（耐爆裂性）を確保することができる。したがって、低収縮で、高耐火性を有する高強度コンクリートを提供することができる。

また、耐爆裂性を付与するポリプロピレン短繊維を含有した高耐火技術を適用することにより、石灰石骨材を使用した設計基準強度６０Ｎ／ｍｍ^２を超える高強度コンクリートでも火災時に爆裂することはなく、かつ、３時間耐火性能を十分有することが可能となり、低収縮・高耐火・高強度コンクリートが実現できる。

さらに、上記実験より、石灰石は高強度を確保する上でも好適であり、低収縮・高耐火で、設計基準強度８０〜１２０Ｎ／ｍｍ^２の超高強度コンクリートも容易に実現することができる。

尚、本発明は上述した実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な構造や構成などはほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。

１…第１試験体２…第２試験体

Claims

水結合材比３５％以下の高強度コンクリートにおいて、
５００℃に加熱した時の重量残存率が３０％以下である有機短繊維を０．０５〜０．３５容量％を含有する混和材料と、
石灰石からなる骨材と、が混入されていることを特徴とする高強度コンクリート。
前記有機短繊維は、直径１０〜２００μｍ、長さ２〜２０ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の高強度コンクリート。
前記有機短繊維を構成する有機材料が、ポリプロピレン、ポリアセタールおよびビニロン樹脂のいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載の高強度コンクリート。