JP2015124280A - 寒冷乾燥砂漠化地域における砂組成物及び構造物の施工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】寒冷乾燥砂漠化地域においてもひび割れが生じにくい砂組成物及び構造物の施工方法を提供すること。
【解決手段】（ａ）改質親水性ポリウレタン樹脂、（ｂ）水、及び（ｃ）砂を含み、前記（ａ）と前記（ｂ）との合計重量に対する前記（ａ）の重量の比率が８〜２０重量％の範囲にあることを特徴とする砂組成物。砂組成物は、例えば、光安定剤を含むことができる。光安定剤としては、例えば、ヒンダードアミン基を有するヒンダードアミン系光安定剤が挙げられる。砂組成物における光安定剤の濃度は、例えば、０．００５〜１．０重量％の範囲とすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、寒冷乾燥砂漠化地域における砂組成物及び構造物の施工方法に関する。

コンクリート製Ｕ字型水路は、多数のＵ字型コンクリートブロックを端面連結して構成される。また、農水路や下水道等の開水路は、コンクリート板をライニング材として用いている。

年気温較差が４０℃を超えるような寒冷乾燥砂漠化地域では、凍結融解作用により、Ｕ字型コンクリートブロックやコンクリート板にひび割れが生じ、止水性が低下することがある。さらには、複数のひび割れが進行することで、大規模損傷、水路内における流水抵抗の増大等が生じることがある。

これらの問題に対し、伸縮性、拡張力、接着力において優れた、繊維混入コンクリートをライニング材として用いる方法が提案されている（特許文献１参照）。また、柔軟性のある繊維強化樹脂成形シート等でコンクリート表面に被覆層を形成する方法が提案されている（特許文献２参照）。また、柔軟性のあるエポキシ樹脂組成体から成る被覆層を水路等の表面に形成する方法が提案されている（特許文献３参照）。

特開平６−３０６３０６号公報 特開平９−１１３７６号公報 特開２０００−１７８３４４号公報

しかしながら、特許文献１〜３記載の方法では、例えば、著しい寒冷乾燥地帯、特に砂漠化した地域等において、ひび割れの進行を充分に抑制することは困難であった。
本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、ひび割れの進行を抑制する効果が高い砂組成物、及び構造物の施工方法を提供することを目的とする。

本発明の砂組成物は、（ａ）改質親水性ポリウレタン樹脂、（ｂ）水、及び（ｃ）砂を含み、前記（ａ）と前記（ｂ）との合計重量に対する前記（ａ）の重量の比率が８〜２０重量％の範囲にあることを特徴とする。

本発明の砂組成物は、固化した状態において、ひび割れが生じにくい。そのため、本発明の砂組成物を用いて、例えば、構造物の表面を覆う層や、構造材（構造物を構成する部材）を形成すると、それらの層や構造材は、ひび割れが生じにくいものとなる。

砂組成物Ａ１を用いて層３を施工した水路１を表す断面図である。 砂組成物Ａ１を用いて層７を施工したフィルダム５を表す断面図である。

本発明の実施形態を説明する。本発明における改質親水性ポリウレタン樹脂の定義は、ポリウレタン樹脂のうち、極めて親水性に優れ、水に対して８〜１５重量％の改質親水性ポリウレタン樹脂を加えると約１〜３０分で固化するものである。改質親水性ポリウレタン樹脂と、それ以外のポリウレタン樹脂とは、所定の性能を得るための濃度および固化までの経過時間の点で区別できる。

改質親水性ポリウレタン樹脂は、例えば、次のように製造できる。すなわち、末端に２個以上のヒドロキシル基を有し、ポリオキシエチレン鎖を有する分子量１０００〜２００００の化合物（通称ポリエチレンオキサイド化合物とも言うもの）と、そのヒドロキシル基数と同モル数以上のポリイソシアネート化合物とを３０〜１２０℃の温度で、３０分〜７日間、必要に応じてジブチルチンジラウレート或いはトリエチレンジアミンのごとき触媒を使用し反応させ、ポリエチレンオキサイド化合物の両端にイソシアネート基を導入することによって製造できる。

かくして得られる改質親水性ポリウレタン樹脂は、例えば、常温で液状〜ペースト状であり、１００重量部の改質親水性ポリウレタン樹脂を、９８〜８５重量部の水に溶解できる。なお、この改質親水性ポリウレタン樹脂水溶液は、例えば、２０秒〜２時間で強固な弾性のある不水溶性抱水プラスチック状となる。

本発明における砂は特に限定されず、適宜選択して使用できる。砂としては、例えば、豊浦珪砂（豊浦硅石鉱業株式会社産、比重ｄ＝２．６０）が挙げられ、砂漠化した土地の砂を使用することもできる。本発明の砂組成物における砂の配合量は、例えば、（ａ）改質親水性ポリウレタン樹脂と（ｂ）水との合計重量に対する（ｃ）砂の重量の比率が、２００〜４００重量％となる範囲が好ましい。この範囲内であることにより、（ａ）改質親水性ポリウレタン樹脂と（ｂ）水を混合した水溶液が砂に対して余剰しないことから経済性の点で優れ、この水溶液が砂に対して不足しないことから、この水溶液と（ｃ）砂よりなる砂組成物が所定の性能を発揮することができるという点で優れる。

本発明の砂組成物において、（ａ）改質親水性ポリウレタン樹脂と（ｂ）水との合計重量に対する（ａ）の重量の比率は８〜２０重量％である。この比率は、８〜１５重量％の範囲が好ましく、８〜１２重量％の範囲がさらに好ましく、８〜１０重量％の範囲が特に好ましい。

８重量％以上であることにより、砂組成物の反応固化時間が短くて済む。また、８重量％以上であることにより、固化した砂組成物が緻密な構造となって強度が一層高くなり、例えば、凍結融解作用が極めて著しい地域で水路構造物等に使用しても、水路構造物等が損傷しにくい。また、２０重量％以下であることにより、固化した砂組成物の吸水膨張が抑制され、一定の経済性を確保できる。

本発明の砂組成物は、例えば、（ｄ）光安定剤を含むことができる。光安定剤は、自身は紫外線を吸収しにくいが、紫外線エネルギーによって生じる有害なフリーラジカルを効率良く補足することにより砂組成物を安定化するものである。

本発明の砂組成物が光安定剤を含む場合、改質親水性ポリウレタン樹脂の紫外線分解を抑制することができ、長期耐久性を実現できる。そのため、本発明の砂組成物を用いて形成した構造体は、紫外線が照射されても、弾性率が低下したり、損傷したりしにくい。その結果、本発明の砂組成物は、例えば、寒冷乾燥地の砂漠化地域のように紫外線放射量が多い地域においても、高伸度性、低収縮性、高水密性等を維持できる。

光安定剤は特に限定されず、適宜選択して使用できる。光安定剤としては、例えば、ヒンダードアミン基を有するヒンダードアミン系光安定剤等が挙げられる。
本発明の砂組成物において、（ａ）改質親水性ポリウレタン樹脂と（ｂ）水との合計重量に対する（ｄ）光安定剤の重量の比率は、例えば、０．００５〜１．０重量％の範囲とすることができる。０．００５重量％以上であることにより、改質親水性ポリウレタン樹脂の紫外線分解を一層低減でき、固化した砂組成物の損傷を一層抑制できる。また、１．０重量％以下であることにより、砂組成物の製造コストを低減できる。

本発明の砂組成物を用いて施工を行い、構造物の少なくとも一部を形成することができる。構造物は特に限定されず、例えば、水路（例えば開水路）、フィルダム、立て坑等が挙げられる。構造物としては、例えば、水密性を必要とするもの（例えば、水路、フィルダム等）が挙げられる。

本発明の砂組成物を用いて、例えば、構造物（例えば水路等）の表面における少なくとも一部を覆う層を形成することができる。この層は、例えば、止水材として機能する。本発明の砂組成物から成る層は、例えば、吹付け、鏝塗り等の方法で、構造物の表面に形成できる。

本発明の砂組成物を用いて水路の表面を覆う層を形成する場合、施工時間及び固化時間が短くて済む。また、形成した層は、ひび割れが生じにくいという特性を有するとともに、以下の特性の少なくとも一部を有することができる。

・大伸度を許容する。
・耐久性・耐凍性が高い。
・流水抵抗の上昇を抑制できる。

・水密性を有する。
・吸水膨張率が小さい。
・収縮しにくい。

・耐震性が高い。
・加水分解抵抗性が高い。
・凍結融解抵抗性が高い。

本発明の砂組成物により、例えば、構造材（構造物を構成する部材）における全体又は部分を形成できる。例えば、所定の内部形状を有する型枠に本発明の砂組成物を充填し、固化させることで、構造材における全体又は部分を形成できる。この構造材も、ひび割れが生じにくいという特性を有するとともに、上述した特性の少なくとも一部を有することができる。

よって、本発明の砂組成物を用いれば、例えば、年気温較差が大きい寒冷乾燥砂漠化地域においても、ひび割れが生じにくく、安定的、機能的な構造物を実現できる。
また、本発明の砂組成物は、例えば、固化前にワーカブルな性状を有し、フレッシュコンクリートのようにポンプ圧送も可能なものとすることができる。この場合、本発明の砂組成物は簡便に打設することができ、経済性にも優れているので、大規模構造物に適用できる。

（実施例１）
１．砂組成物の製造
改質親水性ポリウレタン樹脂（JCK株式会社製JCK-W-OH、以下W-OHと呼称）と、水と、ヒンダードアミン系光安定剤とを混合し、回転数１０００ｒｐｍのハンドミキサーを使用し、１０秒間撹拌した。ヒンダードアミン系光安定剤は、ＪＣＫ株式会社製のＪＣＫ−Ｗ−ＵＳである。

次に、その混合物と、豊浦珪砂（豊浦硅石鉱業株式会社産、比重ｄ＝２．６０）とを混合し、回転数３８ｒｐｍのモルタルミキサーで３０秒間練り混ぜた。以上の工程により、砂組成物が完成した。

上述した砂組成物の製造において用いるW-OHと、水と、ヒンダードアミン系光安定剤と、豊浦珪砂との配合量は表１に示すとおりである。なお、各成分の配合には５種類あり、それぞれの条件で砂組成物を製造した。表１に示す５種類の配合で製造される砂組成物を、それぞれ、Ａ１〜Ａ５とする。

２．砂組成物が奏する効果を確かめるための試験
（１）試験体の製造
砂組成物を円柱型モールド（直径５０ｍｍ×深さ１００ｍｍ）に充填し、適度に締め固めた上で１日間、室温養生を行ってから脱型して、試験体とした。砂組成物Ａ１〜Ａ５を用いて製造した試験体を、それぞれ、試験体Ｂ１〜Ｂ５とする。なお、試験体Ｂ１〜Ｂ５では、W-OHが砂の粒子同士を結合することにより、固化している。また、試験体Ｂ１、Ｂ２は、特に高い水密性を有する。

（２）変位許容性の試験
試験体Ｂ１を、製造後、１週間程度室温養生した上で、島津製作所社製の万能試験機（以下、試験機とする）により、載荷点位置における変位が概ね１ｍｍ／ｍｉｎの平均荷重速度となる条件で圧縮した。なお、このときの室温は２３℃とし、試験中の計測値で２３±１℃であった。試験開始から約５秒ごとに計測器により荷重と変位を計測した。最大荷重時の圧縮ひずみを表２に示す。

さらに、比較例として、エポキシ樹脂及びセメントを結合剤として用いて砂を固化して成る試験体Ｒ１、セメントを結合材として用いて砂を固化するとともに、鋼繊維を混入した試験体Ｒ２、及び普通コンクリートの試験体Ｒ３についても、同様に試験を行った。それらの結果を上記表２に示す。

表２から明らかなように、試験体Ｂ１については、最大荷重のときの圧縮ひずみが顕著に大きく、最大荷重を維持した状態で大きな変形を許容した。それに対し、試験体Ｒ１〜Ｒ３では、かなり小さい変位で圧縮破壊し、耐荷力が失われた。

（３）吸水による体積膨張性の試験
試験体Ｂ１〜Ｂ５を、それぞれ、製造後、１週間程度室温養生した上で、その質量と寸法を量った。次に、温度を一定に保った水の中に試験体Ｂ１〜Ｂ５を静かに入れた。２４時間後、試験体Ｂ１〜Ｂ５を水から取り出し、寸法を量り、体積膨張率を算出した。体積膨張率を算出する際に用いた式は下記の式（１）である。

式（１）：体積膨張率＝（（Ｖ２−Ｖ１）／Ｖ１）×１００（％）
なお、式（１）においてＶ1は水没させる前における試験体Ｂ１〜Ｂ５の体積であり、Ｖ2は水没させ、水から取り出した後の試験体Ｂ１〜Ｂ５の体積である。その結果を表３に示す。なお、このときの室温は２３℃とし、試験中の計測値で２３±１℃であった。

表３から明らかなように、試験体Ｂ１〜Ｂ３では体積膨張率が低く、特に、試験体Ｂ１、Ｂ２では体積膨張率が顕著に低かった。

（４）ひび割れの発生し易さの試験
試験体Ｂ１について、島津製作所社製の試験機を用いて、載荷点位置における変位が概ね１ｍｍ／ｍｉｎの平均荷重速度となる条件で曲げ試験を行った。なお、このときの室温は２０℃とし、試験中の計測値で２０±１℃であった。

試験開始から約５秒ごとに計測器により荷重と変位を計測した。最大荷重時の曲げひずみを表４に示す。

さらに、比較例として、試験体Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３についても、同様に試験を行った。その結果を上記表４に示す。

表４から明らかなように、試験体Ｂ１については、ひび割れ発生時の変位が顕著に大きく、ひび割れ発生後も最大荷重を維持した状態で大きな変形を許容した。それに対し、試験体Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３では、かなり小さい変位でひび割れが生じ、二分した。

（実施例２）
前記実施例１で製造した砂組成物Ａ１をポンプ圧送し、図１に示す水路（構造物の一実施形態）１の表面に打設して、水路１の表面を覆う層３を形成した。図１は、水路１の流れ方向に直交する断面での断面図であり、図１における１０１は、水路１内を流れる水を表す。形成した層３は、ひび割れが生じにくく、大伸度を許容し、耐久性・耐凍性を有し、流水抵抗の上昇を抑制する。また、この層３は、水密性を有し、吸水膨張率は小さく、収縮しにくい。

（実施例３）
前記実施例１で製造した砂組成物Ａ１をポンプ圧送し、図２に示すフィルダム（構造物の一実施形態）５の表面に打設し、フィルダム５の表面を覆う層７を形成した。図２は、フィルダム５の上流および下流に存在する水１０１の流れ方向に平行な断面での断面図である。

形成した層７は、ひび割れが生じにくく、大伸度を許容し、耐久性・耐凍性を有し、流水抵抗の上昇を抑制する。また、この層７は、水密性を有し、吸水膨張率は小さく、収縮しにくい。
（その他の実施例）
前記実施例２、３において使用する砂組成物は、砂組成物Ａ２であってもよい。この場合でも略同様の効果を奏することができる。また、前記実施例２、３の施工対象は、その他の構造物（例えば立て杭等）であってもよい。また、前記実施例２、３において、砂組成物を鏝塗りし、層３、７を形成してもよい。

また、砂組成物Ａ１、Ａ２を用い、前記実施例１における試験体Ｂ１、Ｂ２の製造方法と同様の方法で、構造材を製造してもよい。この構造材は、ひび割れが生じにくく、大伸度を許容し、耐久性・耐凍性を有し、流水抵抗の上昇を抑制する。また、この構造材は、水密性を有し、吸水膨張率は小さく、収縮しにくい。

また、砂組成物Ａ１、Ａ２は、光安定剤を含まないものであってもよい。この場合も、砂組成物は、光安定剤の作用に関する効果以外の効果を奏することができる。

１・・・水路、３、７・・・層、５・・・フィルダム、１０１・・・水

Claims (4)

1. （ａ）改質親水性ポリウレタン樹脂、（ｂ）水、及び（ｃ）砂を含み、
   前記（ａ）と前記（ｂ）との合計重量に対する前記（ａ）の重量の比率が８〜２０重量％の範囲にあることを特徴とする砂組成物。
2. （ｄ）光安定剤を含むことを特徴とする請求項１に記載の砂組成物。
3. 前記光安定剤が、ヒンダードアミン基を有するヒンダードアミン系光安定剤であり、
   前記（ａ）と前記（ｂ）との合計重量に対する前記光安定剤の重量の比率が、０．００５〜１．０重量％の範囲にあることを特徴とする請求項２に記載の砂組成物。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の砂組成物を用いて、構造物の少なくとも一部を形成する構造物の施工方法。

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