JP2016188156A - 既設コンクリート構造物の強度向上・長寿命化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】既設コンクリート構造物の強度向上や、ひび割れの補修、アルカリ付与、塩害抑制を図り、既設コンクリート構造物の強度向上・長寿命化を達成する方法を提供する。
【解決手段】第２族金属イオン付与材としての、固形分含有量が０．５重量％以上の第２族金属の硝酸塩又は亜硝酸塩の水溶液と、反応材としての、固形分含有量が０．５重量％以上のアルカリ金属けい酸塩水溶液を、別々に既設コンクリート面から注入・浸透・塗布するとともに、第２族金属イオン付与材としての第２族金属［Ｍ］と、反応材としてのアルカリ金属けい酸塩水溶液の［Ｓｉ］のモル比［Ｍ］／［Ｓｉ］を０．２以上にしたことを特徴としており、これにより、劣化したコンクリートの強度向上・長寿命化が簡便な施工、短期間で可能となり、コンクリート構造物の予防保全・維持補修を容易に達成することができる。
【選択図】なし

Description

本発明は既設コンクリート構造物の強度向上・長寿命化方法に係り、より詳しくは、第２族金属イオン付与材としての第２族金属の硝酸塩又は亜硝酸塩の水溶液と、反応材としてのアルカリ金属けい酸塩水溶液を、既設コンクリート面に注入・浸透・塗布させることを特徴とする既設コンクリート構造物の強度向上・長寿命化方法に関する。

一般的に既設鉄筋コンクリート構造物の劣化は、地震や外的応力によるものを除けば、コンクリート自体の劣化と鉄筋の腐食によるものであるが、これらを劣化因子又は症状に基づいて分類すると、（１）二酸化炭素による中性化、（２）塩素イオンによる塩害、（３）水の侵入による溶脱・凍害、（４）硫酸塩浸食、（５）アルカリ骨材反応、（６）収縮ひび割れ、のようになり、実際の劣化はこれらの要因が単独又は複合化して症状が進行する。

そして、これらの劣化は全て水を媒体とした化学・物理反応である。特に、中性化とひび割れ等からの劣化因子の侵入によりコンクリート構造物内部にある鉄筋・鉄骨の錆による腐食が進むと、その体積膨張によりコンクリートが内部より破壊され、コンクリート構造物の強度低下やコンクリートの剥落などを引き起こし、ひいてはコンクリート構造物全体の破壊を引き起こしてしまう。

そのために、この対策として、さまざまなコンクリート構造物の表面保護方法や補修方法が行われており、この表面保護方法や補修方法としては例えば、土木学会のコンクリートライブラリー１１９の表面保護工法に記載されている有機系被覆工法や無機系被覆工法、表面含浸工法、断面修復工法などがある。

特許第４４８４８７２号公報 特開２００６−３６５６３号公報 特開２０００−４４３１７号公報 特開２００８−１６９０６８号公報

しかしながら、被覆工法と断面修復工法は対症療法型維持管理法であり、劣化が進行し顕著になった段階で補修を行うために大規模な補修となり補修費用が莫大に必要であった。

この点、表面含浸工法は予防保全型維持補修工法であり、補修費用も比較的安価で効果があるが、シラン系の表面含浸材は、水の侵入を防ぐものの、紫外線劣化や内部鉄筋の腐食防止・抑制効果、０．２ｍｍ以上のひび割れ補修効果、中性化したコンクリートへのアルカリ付与については、効果がほとんど期待できなかった。

また、けい酸塩系の表面含浸材は、内部鉄筋の腐食抑制効果、０．２ｍｍ以下のひび割れ補修効果、中性化したコンクリートへのアルカリ付与についてはある程度の効果はあるものの、水の関与が期待できない橋の床板裏や橋脚部、建物の屋内などでは、セメント由来の水酸化カルシウムイオンが水の存在がないと溶解・移動できないため、けい酸塩との反応が起きづらく、結果的に反応生成物の発生が遅いため、コンクリートの緻密化や防水性にある程度の効果はあるものの、本来の効果が十分発揮できないと言う問題があった。

即ち、けい酸塩系の表面含浸材は、雨水のかかる屋外ではそれなりの効果は期待できたが、これは、既設コンクリート構造物の原料セメントから未反応の水酸化カルシウムが水に溶解し、遊離カルシウムイオンを発生し、これがけい酸塩と反応して、セメント水和物に近い組成のＣ−Ｓ−Ｈゲルを生成し、コンクリート表層部を緻密化しコンクリート構造物の予防維持管理として有効なものになるからである。

ところが、水酸化カルシウムは水に難溶性のため、溶解度は０．１６％（カルシウムイオンとしては０．０８６％）でありカルシウムイオンが溶解し移動するには大量の水が必要とされる。このため、雨水のかかりにくい橋の床板裏や橋脚、建物の内部の柱、梁、壁面では、けい酸塩との反応が起きづらく、そのために、けい酸塩系の反応を促進するためには大量の水が必要となる。

また既設コンクリート構造物の場合、空気中の二酸化炭素による中性化が進行しており、水酸化カルシウムは炭酸カルシウムに変化しているが、炭酸カルシウムは難溶性物質で溶解度は水酸化カルシウムの１／１０以下であるため、けい酸塩との反応はほとんど期待できないのが現実である。

そのため、従来は、劣化した既設コンクリートの圧縮強度や引張強度の向上、ひび割れの補修、塩害対策、アルカリ付与などの効果を同時に発揮して、既設コンクリート構造物の強度向上・長寿命化を達成する方法は存在していなかった。

そこで、本発明は、既設コンクリート構造物の強度向上やひび割れの補修、アルカリ付与、塩害抑制を図り、既設コンクリート構造物の強度向上・長寿命化方法を与えることを課題としている。

本発明の既設コンクリート構造物の強度向上・長寿命化方法では、
第２族金属イオン付与材としての第２族金属の硝酸塩又は亜硝酸塩の水溶液と、反応材としてのアルカリ金属けい酸塩水溶液を、既設コンクリート面から注入・浸透・塗布させることを特徴としている。

そして、本発明では、第２族金属イオン付与材としての第２族金属の硝酸塩又は亜硝酸塩水溶液と、反応材としてのアルカリ金属けい酸塩水溶液は、別々に注入・浸透・塗布する必要がある。

また、施工する順番は、どちらを先にしても効果としては特に差は見られないが、健全なコンクリート面に第２族金属イオン付与材を先に高濃度で施工した場合には、その後に反応材としてアルカリ金属けい酸塩水溶液を塗布すると、反応がコンクリート表面で急激に発生し、塗布面が白くなることがあるので注意が必要である。

但し、この白い反応生成物は雨や高圧洗浄で簡単に落ちるので心配する必要はない。また、白くなる面は健全なコンクリート面であることが多く、劣化コンクリート面の調査方法としても有効である。即ち、劣化した既設コンクリート構造物では、どちらを先に施工しても、両者が簡単にコンクリート内部に浸透するのでコンクリート表面で白くなることはあまりない。

次に、第２族金属イオン付与材としての第２族金属としては、ベリリウム・マグネシウム・カルシウム・ストロンチウム・バリウム・ラジウムが該当するが、特にマグネシウム、カルシウムが望ましい。

なお、硝酸塩、亜硝酸塩にしたのは、塩化物ではコンクリート中の鉄筋の錆の発生を促進するし、硫酸塩では硫酸カルシウムの溶解度が低く、第２族金属付与材として意味がないからである。また、有機酸塩も使用は可能であるが、けい酸塩と反応した時の遊離酸の臭気や、コスト面、環境汚染面を考慮すると、あまり奨励はできない。

一方、亜硝酸塩は、鉄筋の防錆効果があり、塩分濃度が高い既設コンクリートに対しても防錆効果が高いのでより望ましい化合物である。

また、第２属金属の硝酸塩、亜硝酸塩は、金属塩の溶解度も高く、固形分として０．５重量％以上のものが望ましい。これらは、水酸化カルシウムに比べ１０〜４００倍程度の濃度まで安定化できるため、第２族金属イオン付与材として望ましい。

次に、反応材としてのアルカリけい酸塩水溶液のアルカリ金属としては、リチウム、ナトリウム、カリウムであり、固形分としては０．５重量％以上が望ましい。

そして、第２族金属イオン付与材としての第２族金属［Ｍ］と、反応材としてのアルカリ金属けい酸塩水溶液の［Ｓｉ］のモル比［Ｍ］／［Ｓｉ］が０．２以上、出来たら１．０以上が、既設コンクリート構造物の強度向上が明確に短期間で発現するので望ましい。

本発明の既設コンクリート構造物の強度向上・長寿命化方法によれば、劣化したコンクリートの強度向上・長寿命化が簡便な施工、短期間で可能となるため、コンクリート構造物の予防保全・維持補修が容易に達成される。

本発明の既設コンクリート構造物の強度向上・長寿命化方法の実施例の引張試験結果を示す表である。 本発明の既設コンクリート構造物の強度向上・長寿命化方法の実施例の圧縮試験結果を示す表である。 本発明の既設コンクリート構造物の強度向上・長寿命化方法の第２実施例の引張試験結果を示す表である。 本発明の既設コンクリート構造物の強度向上・長寿命化方法の第３実施例の引張試験結果を示す表である。

本発明の既存コンクリート構造物の強度向上・長寿命化方法では、第２族金属イオン付与材と、反応材を、既設コンクリート面から注入・浸透・塗布させる方法としており、第２族金属イオン付与材としては、第２族金属の硝酸塩又は亜硝酸塩の水溶液を用い、一方、反応材としては、アルカリ金属けい酸塩水溶液を用いることを特徴としている。

そして、第２族金属イオン付与材としての第２族金属の硝酸塩又は亜硝酸塩水溶液と、反応材としてのアルカリ金属けい酸塩水溶液は、別々に、注入・浸透・塗布する必要があるが、注入・浸透・塗布する順番は特に固定はしない。

この点、両者を交互に施工する方法もあるが、内部鉄筋の防錆効果を重視する場合には、第２族金属イオン付与材としての第２族金属の亜硝酸塩の水溶液を先に施工することが望ましく、また、第２族金属の亜硝酸塩の水溶液は、入手の容易さやコスト面から亜硝酸カルシウム、亜硝酸マグネシウム水溶液であることが好ましい。

そして、固形分濃度としては３０重量％品が望ましいが、使用時には既設コンクリートの吸水性により、１〜１０倍に水で希釈して用いる場合もあり、希釈する水は水道水が望ましい。

また、一方の材料の施工が終わってから別の材料の施工に入る前には、散水を行い、一度乾燥させてからメーカーの施工手順に拠って施工するのが望ましい。

なお、アルカリ金属けい酸塩水溶液のカチオン種としては、ナトリウム、カリウム、リチウム系単独又はこれらの混合系でも構わないが入手の容易さやコスト面からナトリウム系であることが好ましい。またアニオン種も特に限定されず、オルトけい酸アニオン［Ｓｉ０_４ ^４−］やメタけい酸アニオン［Ｓｉ０_３ ^２−］などのアニオン種などや、けい酸［Ｓｉ０_２]単位が複数個連結したアニオン種でも良い。

そして、具体的な化合物としては、オルトけい酸ナトリウム、オルトけい酸カリウム、オルトけい酸リチウム、メタけい酸ナトリウム、メタけい酸カリウム、メタけい酸リチウム、水ガラスなどが例示され、中でも本発明で使用されるのは水ガラスである。

また、けい酸塩中のけい酸とアルカリ金属のモル比は、アルカリ金属がナトリウムの場合を例にすると、［Ｓｉ０_２／Ｎａ_２０］は2〜4の範囲であることが好ましい。

更に、アルカリけい酸塩水溶液の固形分含有量は、０．５重量％以上が好ましいが、より好ましいのは５〜５０重量％品であり、使用時には既設コンクリートの吸水性により１〜１０倍に水で希釈して用いる場合もある。

また、アルカリけい酸塩に機能向上・機能付加を目的として添加剤を乾燥固形分の５重量％以下にすることが出来る。種類は特に問わないが、参考とし土木学会のコンクリートライブラリー１３７の３ページの解説 表１．１．２添加剤により付与される特性と成分の例が挙げられる。

なお、第２族金属イオン付与材としての第２族金属［Ｍ］と、反応材としてのアルカリ金属けい酸塩水溶液の［Ｓｉ］のモル比［Ｍ］／［Ｓｉ］が０．２以上、出来たら１．０以上が、既設コンクリート構造物の強度向上が明確に短期間で発現するので望ましい。

また、施工方法としては、両者とも無機質の水溶液なので、ローラー、刷毛、噴霧器、ポンプ注入などの方法が考えられるが、施工性の面では噴霧器による施工が比較的簡便で作業性も良く、このときは。周囲に飛び散らないようにシート等により養生することが望ましい。

なお、本発明の既設コンクリート構造物の強度向上・長寿命化方法は、色々な場所や目的に対して適用することが可能である。もちろん爆裂したコンクリートや錆汁の出たコンクリートは適切に処理することが必要であるが、コンクリート構造物の予防保全対策として、橋梁、堤防、ダム、鉄道、空港、港湾などのインフラ関係の土木構造物や、経年劣化した建築物の柱、梁、壁面、屋上等のコンクリート構造物に対しても有効である。

本発明の既設コンクリート構造物の強度向上・長寿命化方法の実施例について説明すると、築５８年経過した建築物の柱に、第２族金属イオン付与材としての第２族金属の亜硝酸塩水溶液として、固形分が３０重量％の亜硝酸カルシウム水溶液を２倍に水希釈し、反応材としてのアルカリ金属けい酸塩水溶液として固形分が１７．６重量％のナトリウム・カリウム混合けい酸塩を２倍に水希釈して、既設コンクリート面に噴霧器で施工した。

施工手順としては、コンクリート面に亜硝酸カルシウムの１５重量％の希釈液を０．１２５ｌ／ｍ^２の塗布量で２回噴霧し、乾燥後に、水を１回塗布した。

そして、１２時間後、固形分が８．８重量％のナトリウム・カリウム混合けい酸塩を、水→反応材０．１５ｌ／ｍ^２→水→反応材０．１０ｌ／ｍ^２→水の順番で、噴霧器により塗布した。

そして、施工３か月後に、施工面と未処理面の表層引張強度試験と小径コアによる表層から５ｃｍ深さまでを抜出し、コンクリート圧縮試験を行った。この試験結果が図１、２に示される表である。

次に、築３０年経過した橋の、雨がかりしない橋脚部に、反応材としてのアルカリ金属けい酸塩水溶液として固形分が１５．５重量％のナトリウムけい酸塩を２倍に水希釈し、第２族金属イオン付与材としての第２族金属の亜硝酸塩水溶液として固形分が３０重量％の亜硝酸カルシウム水溶液を２倍に水希釈し、既設コンクリート面に噴霧器で施工した。

施工手順としては、まず、コンクリート面に固形分が８．８重量％のナトリウムけい酸塩を、水→反応材０．１５ｌ／ｍ^２→水→反応材０．１０ｌ／ｍ^２→水の順番で噴霧器により塗布し、７日後、亜硝酸カルシウムの１５重量％の希釈液を０．１２５ｌ／ｍ^２の塗布量で２回噴霧し、乾燥後、水を１回塗布した。そして施工４６日後に、施工面と未処理面の表層引張強度試験を行った。この試験結果が図３に示される表である。

次に、第２族金属イオン付与材としての第２族金属の亜硝酸塩水溶液として固形分が３０重量％の亜硝酸カルシウム水溶液と３０重量％の硝酸カルシウム溶液を使用し、それぞれを２倍に水希釈し、反応材としてのアルカリ金属けい酸塩水溶液として固形分が１７．６重量％のナトリウム・カリウム混合けい酸塩を２倍に水希釈して、標準状態（２０℃、湿度６０％）で、コンクリート歩道版面に刷毛で施工した。

施工手順としては、まず、コンクリート面に亜硝酸カルシウムの１５重量％の希釈液又は１５重量％の硝酸カルシウム液を、０．１２５ｌ／ｍ^２の塗布量で２回塗布し、乾燥後、水を１回塗布し、その１２時間後に、固形分が８．８重量％のナトリウム・カリウム混合けい酸塩を、水→反応材０．１５ｌ／ｍ^２→水→反応材０．１０ｌ／ｍ^２→水の順番で、噴霧器により塗布した。

そして、施工後７日、２８日、３か月、６か月で、施工面と未処理面の表層引張強度試験を行った。図４がこの試験結果を示した表である。

本発明の既設コンクリート構造物の強度向上・長寿命化方法は、コンクリート構造物の予防保全対策として、橋梁、堤防、ダム、鉄道、空港、港湾などのインフラ関係の土木構造物や、経年劣化した建築物の柱、梁、壁面、屋上等のコンクリート構造物の全般に対して有効である。

Claims (4)

1. 既設コンクリート構造物の強度向上・長寿命化方法であって、
   第２族金属イオン付与材としての第２族金属の硝酸塩又は亜硝酸塩の水溶液と、反応材としてのアルカリ金属けい酸塩水溶液を、既設コンクリート面から注入・浸透・塗布させる、ことを特徴とする既設コンクリート構造物の強度向上・長寿命化方法。
2. 前記第２族金属イオン付与材としての第２族金属の硝酸塩又は亜硝酸塩水溶液の固形分含有量が０．５重量％以上であることを特徴とする請求項１に記載の既設コンクリート構造物の強度向上・長寿命化方法。
3. 前記反応材としてのアルカリ金属けい酸塩水溶液の固形分含有量が０．５重量％以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の既設コンクリート構造物の強度向上・長寿命化方法。
4. 前記第２族金属イオン付与材としての第２族金属［Ｍ］と、反応材としてのアルカリ金属けい酸塩水溶液の［Ｓｉ］のモル比［Ｍ］／［Ｓｉ］が０．２以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の既設コンクリート構造物の強度向上・長寿命化方法。

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