JP2017014085A - コンクリート、及び、コンクリートの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】有機繊維を混ざりやすくし、爆裂防止を図る。
【解決手段】水と、セメント及びシリカフュームを含む結合材と、細骨材と、粗骨材と、膨張材と、界面活性剤でコーティングされている有機繊維と、を含有し、水結合材比が１２％以上１４．５％以下である。
【選択図】図３

Description

本発明は、コンクリート、及び、コンクリートの製造方法に関する。

コンクリートは強度が高いほど火災時に爆裂する可能性が高くなることが知られている。そこで、このような爆裂を防止するために、有機繊維を混入したコンクリートが提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開２０００−１４３３２２号公報

有機繊維の混入量が多いほど爆裂防止効果が高くなるものの、フレッシュコンクリートの流動性が低くなり、作業性が低下する。特に、高強度コンクリートでは、有機繊維を混入しない状態においても粘性が高いため、有機繊維が混ざり難いという問題があった。これにより爆裂防止の効果が得られなくなるおそれがあった。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであって、その主な目的は、粘性の高い高強度コンクリートに有機繊維を混ざりやすくし、爆裂防止を図ることにある。

かかる目的を達成するために本発明のコンクリートは、水と、セメント及びシリカフュームを含む結合材と、細骨材と、粗骨材と、膨張材と、界面活性剤でコーティングされている有機繊維と、を含有し、水結合材比が１２％以上１４．５％以下であることを特徴とする。
このようなコンクリートによれば、粘性が高い（高強度の）コンクリートであっても、有機繊維を混ざりやすくすることができ、これにより爆裂防止を図ることができる。

かかるコンクリートであって、前記有機繊維の径は、１μｍ以上６０μｍ以下であり、長さは、１ｍｍ以上６０ｍｍ以下であることが望ましい。

かかるコンクリートであって、前記有機繊維の混入率は、０．０１１％以上０．３３％以下であることが望ましい。
このようなコンクリートによれば、爆裂防止を図ることができる。

かかるコンクリートであって、２８日強度が１００Ｎ／ｍｍ²以上２００Ｎ／ｍｍ²以下であることが望ましい。

かかるコンクリートであって、前記有機繊維の一本当たりの体積は７．８５×１０^-4ｍｍ³以上２．５４×１０^-3ｍｍ³以下であり、前記２８日強度が１４０Ｎ／ｍｍ²以上１６０Ｎ／ｍｍ²以下の場合、１ｍ³当たりに前記有機繊維が６．４億本以上４２億本以下混入され、前記２８日強度が１７０Ｎ／ｍｍ²以上２００Ｎ／ｍｍ²の場合、１ｍ³当たりに前記有機繊維が１３．９億本以上２８億本以下混入されていることが望ましい。
このようなコンクリートによれば、フレッシュ性状の向上と爆裂防止の両立を図ることができる。

かかるコンクリートであって、前記有機繊維の径は１０μｍ以上１８μｍ以下であり、長さは１０ｍｍであることが望ましい。
また、かかる目的を達成するために本発明のコンクリートの製造方法は、前記水と前記結合材と前記細骨材と前記膨張材とを混合して攪拌する第一工程と、前記第一工程の後、粗骨材を混合して攪拌する第二工程と、前記第二工程の後、さらに前記有機繊維を混合して攪拌する第三工程と、を有することを特徴とする。

このようなコンクリートの製造方法によれば、有機繊維を混ざりやすくすることができ、これにより爆裂防止を図ることができる。

本発明によれば、有機繊維を混ざりやすくすることができ、爆裂防止を図ることができる。

繊維による爆裂抑制メカニズムを説明するための概念図である。 本実施例における各試験体の製造条件を示す図である。 本実施例の試験結果を示す図である。 ＰＰ繊維の本数と耐火試験による損傷の関係を示す図である。

＝＝＝実施形態＝＝＝
＜爆裂防止のメカニズムについて＞
爆裂とは、コンクリートが火災などにより強く加熱されたときに爆発的に破裂（剥離）する現象である。コンクリートは、強度が高いほど火災時に爆裂する可能性が高いとされている。その原因としては、高強度コンクリートの組織は緻密であり、内部で蒸発した水分は散逸しづらいため、加熱されたときに空隙内圧が上昇し、二次的な応力を発生して爆裂する可能性が高いと考えられている。

この爆裂を防止するため、有機繊維を混入したコンクリートが開発されている。有機繊維としては、例えば、ポリプロピレン繊維（以下、ＰＰ繊維ともいう）が用いられている。

図１は、繊維による爆裂抑制メカニズムを説明するための概念図である。

図に示すように、コンクリート１０にはＰＰ繊維２０が複数本混入されている。

このコンクリート１０を加熱すると、右側の図に示すように、ＰＰ繊維２０は１６０℃で溶融して管状空隙となる。そして、この管状空隙が蒸気圧逸散ネットワークとなり、当該蒸気圧逸散ネットワークが、蒸気溜り内の圧力をマイクロクラックから逃がすことで爆裂を抑制できる。

ところで、コンクリート１０に混入するＰＰ繊維２０の量（混入量）が多いほど、爆裂防止効果を高めることが期待できるが、その反面、フレッシュコンクリートの流動性（フレッシュ性状）が低くなって作業性が低下する。特に、高強度のコンクリート１０では、ＰＰ繊維２０を混入していない状態においても粘性が高いため、ＰＰ繊維２０が混ざり難く、これにより爆裂防止の効果が得られなくなるおそれがある。

そこで、本実施形態では、界面活性材でコーティングされているＰＰ繊維２０をコンクリート１０に混入している。これにより、コンクリート１０が非常に高強度である場合においてもＰＰ繊維２０を混ざりやすくすることができ、爆裂防止を図ることができる。さらに、ＰＰ繊維２０の一本の体積を小さく（例えば、繊維径を小さく）することで、混入するＰＰ繊維２０の本数（繊維本数）を増やすことができ、これにより、ＰＰ繊維２０の混入量を抑えつつ爆裂防止を図ることができる。すなわち、フレッシュ性状の向上と爆裂防止の両立を図ることができる。

混入するＰＰ繊維２０の一本の繊維径（直径）は、１μｍ以上６０μｍ以下（好ましくは、１０μｍ以上１８μｍ以下）がよく、繊維長は、１ｍｍ以上６０ｍｍ以下（好ましくは、１０ｍｍ以上２０ｍｍ以下）がよい。また、ＰＰ繊維２０の混入率は、０．０１１％以上０．３３％以下（好ましくは、０．１１％以上０．３３％以下）がよく、混入量は、０．１ｋｇ／ｍ³以上３．０ｋｇ／ｍ³以下（好ましくは、１．０ｋｇ／ｍ³以上３．０ｋｇ／ｍ³以下）がよい。

以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例によって限定されるものではない。

＜実施例＞
コンクリートの強度、混入するＰＰ繊維の形状（径）、混入量をパラメータとした実験を行ない爆裂防止（耐火性能）について評価した。

＜試験体について＞
図２は、本実施例における各試験体の製造条件（調合）を示す図である。

本実施例の各試験体は、非常に強度の高い（具体的には、設計強度が１５０Ｎ／ｍｍ²と１８０Ｎ／ｍｍ²の）高強度コンクリートであり、水、結合材（セメント、シリカフューム）、膨張材、細骨材、粗骨材等を含んで構成されている。高強度コンクリートの場合、コンクリートが乾燥しなくても自己収縮するので、その収縮低減のため膨張材を添加している。また、各試験体には、爆裂防止のために有機繊維を混入している。本実施例では、有機繊維として、アニオン系の油剤（界面活性材）でコーティングされているＰＰ繊維を用いた。このように、界面活性材でコーティングされているＰＰ繊維を混入することにより、コンクリートを製造する際に、フレッシュ性状の向上を図ることができ、繊維を混ざりやすくすることができる。また、比較例としてＰＰ繊維を混入していない試験体を作成し、ＰＰ繊維を混入したもの（実施例）と比較した。

（コンクリート強度Ｆ）
設計強度１５０Ｎ／ｍｍ²・・・実施例１〜１０、比較例１
設計強度１８０Ｎ／ｍｍ²・・・実施例１１〜１６、比較例２

（繊維本数）
１ｍ³当たりの繊維本数は、コンクリート単位容積当たりの繊維混入量を、繊維１本の質量で割ることによって求められる。すなわち、１ｍ³当たりの繊維本数は、繊維を円柱形状と仮定し、以下の式で求められる。
繊維本数（本／ｍ³）＝（Ｐ×１０００）÷｛Ｍ×（Ｄ／２）²×π×Ｌ×１０^-9｝
ここで、Ｐは繊維混入量（ｋｇ／ｍ³）、Ｍは繊維密度（ｇ／ｃｍ³）、Ｄは繊維径（μｍ）、Ｌは繊維長（ｍｍ）である。なお、図２中の繊維本数は、百万以下を切り捨てて算出している。

（繊維径Ｄ）
１０μｍ・・・実施例１〜３、実施例１１〜１３
１８μｍ・・・実施例４〜７、実施例１４〜１６
４８μｍ・・・実施例８〜１０

（繊維長Ｌ）
１０ｍｍ・・・実施例１〜１６

（繊維密度Ｍ）
０．９１ｇ／ｃｍ³・・・実施例１〜１６

（繊維混入量Ｐ）
１ｋｇ／ｍ³・・・・・実施例１、実施例４、実施例８、実施例１１、実施例１４
１．５ｋｇ／ｍ³・・・実施例５、実施例１２、実施例１５
２ｋｇ／ｍ³・・・・・実施例２、実施例６、実施例９、実施例１３、実施例１６
３ｋｇ／ｍ³・・・・・実施例３、実施例７、実施例１０

（結合材）
設計強度１５０Ｎ／ｍｍ²の各試験体には、中庸熱セメント８７％とシリカフューム１３％からなる結合材を１１１３ｋｇ／ｍ³（中庸熱セメントを９６８ｋｇ／ｍ³、シリカフュームを１４５ｋｇ／ｍ³）混入した。
設計強度１８０Ｎ／ｍｍ²の各試験体には、結合材として低熱ポルトランドセメントを１０６６ｋｇ／ｍ³及びシリカフュームを２６７ｋｇ／ｍ³混入した。
なお、シリカフュームは、コンクリートの流動性を向上させるとともに、コンクリートの強度向上に寄与するものである。

（水結合材比）
水結合材比は、水と結合材（セメント＋シリカフューム）との重量比（水量／結合材量）であり、コンクリートの強度は、この水結合材比に依存する。本実施例では水結合材比を小さくしてコンクリートを高強度にしている。具体的には、設計強度１５０Ｎ／ｍｍ²の各試験体は、水結合材比が１４．４であり、設計強度１８０Ｎ／ｍｍ²の各試験体は、水結合材比が１２である。

＜製造方法について＞
まず、水と、結合材と、細骨材と、膨張材とを混合して約４分間攪拌し（第一工程に相当）、次に、粗骨材を投入（混合）して約２分間攪拌し（第二工程に相当）、さらに、各条件のＰＰ繊維を投入（混合）して約２分間攪拌した（第三工程に相当）。なお、攪拌は、水平二軸強制練りミキサで行った。このような手順にてコンクリートを製造することにより、ＰＰ繊維を混ざりやすくすることができる。

＜試験項目について＞
（圧縮強度試験）
φ１００×２００ｍｍの試験体を作成して水中養生後、材齢２８日の圧縮強度を測定した。

（耐火試験）
φ１５０×３００ｍｍの試験体（封緘養生・気中養生）の各試験体を耐火炉に入れて、ＩＳＯ８３４に規定される標準加熱温度曲線にしたがって耐火実験を行った。なお、爆裂の有無は目視にて行った。

＜試験結果について＞
図３は、本実施例の試験結果を示す図である。また、図４は、ＰＰ繊維の本数と耐火試験による損傷の関係を示す図である。

（圧縮強度試験結果）
図３に示すように、設計強度１５０Ｎ／ｍｍ²の試験体（実施例１〜１６、比較例１）の圧縮強度は、１４０〜１６０（Ｎ／ｍｍ²）であった。また、設計強度１８０Ｎ／ｍｍ²の試験体（実施例１１〜１６、比較例２）の圧縮強度は、１７０〜２００（Ｎ／ｍｍ²）であった。

（耐火試験結果）
ＰＰ繊維を混入していない比較例１及び比較例２は、いずれも激しく爆裂して原形をとどめなかった。

設計強度１５０Ｎ／ｍｍ²の場合、実施例１〜３（繊維径Ｄ：１０μｍ）及び実施例５〜７（繊維径Ｄ：１８μｍ）の各試験体（繊維本数が６．４億本以上４１．９億本以下）で、爆裂防止の効果が得られた。すなわち、ＰＰ繊維一本の体積が７．８５×１０^-4ｍｍ³以上２．５４×１０^-3ｍｍ³以下で、１ｍ³当たりの繊維本数が６．４億本以上４１．９億本以下の場合に爆裂防止効果が得られた。これに対し、実施例４（繊維径Ｄ：１８μｍ）及び実施例８〜１０（繊維径Ｄ：４８μｍ）の各試験体（繊維本数が０．６億本以上４．３億本以下）では、表面が爆裂した（図４参照）。

これらの結果から、繊維本数が多いほど爆裂防止効果が高いことが確認された。また、繊維径Ｄが１０μｍでは、混入量が少ない１ｋｇ／ｍ³（実施例１）においても良好な耐火性能が得られた。これは、繊維が細く（繊維径Ｄが小さく）なるほど、絶対的な繊維本数が多くなり、ＰＰ繊維による蒸気逸散ネットワークが緻密化されて爆裂防止性能が高められたことによると考えられる。つまり、本実施例ではＰＰ繊維の繊維長Ｌは各試験体で同じであるため、繊維径Ｄが小さいほど繊維本数が増える。このように繊維本数が増えることにより、混入量が少なくても爆裂防止効果を高めることができると考えられる。よって、繊維径Ｄを１０μｍよりも小さくすると、混入量をさらに少なくする（フレッシュ性状の向上を図る）ことができ、且つ、爆裂防止効果も得られることが期待できる。なお、本実施例ではＰＰ繊維の繊維長Ｌが全て同じであったが、繊維長Ｌを変えてもよい。

設計強度１８０Ｎ／ｍｍ²の場合、実施例１１〜１３（繊維径Ｄ：１０μｍ）の各試験体（繊維本数が１３．９億本以上２７．９億本以下）で爆裂防止の効果が得られたが、実施例１４〜１６（繊維径Ｄ：１８μｍ）の各試験体（繊維本数が４．３億本以上８．６億本以下）では、表面が爆裂した（図４参照）。

この設計強度１８０Ｎ／ｍｍ²の場合においても、繊維本数が多いほど爆裂防止効果が高いことが確認された。また、設計強度１５０Ｎ／ｍｍ²の場合と比べ、必要な爆裂防止効果（必要な繊維本数）が高いことが確認された。なお、この場合も、繊維径Ｄを１０μｍよりも小さくすることで、混入量をさらに少なくでき、且つ、爆裂防止効果も得られることが期待できる。

このように、比較例１及び比較例２（ＰＰ繊維無し）では激しく爆裂したのに対し、本実施例では、界面活性剤でコーティングされているＰＰ繊維を混入することにより、水結合材比が１２〜１４．５％の高強度コンクリートにおいても爆裂の防止効果が得られることが確認できた。

＝＝＝その他の実施形態について＝＝＝
上記実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはいうまでもない。特に、以下に述べる実施形態であっても、本発明に含まれるものである。

コンクリートに混入する有機繊維はＰＰ繊維には限られない。例えば、ポリエステル、ポリアミド、ポリエチレン、ＰＥＴ、ビニロン系などの合成樹脂繊維でもよい。この場合も界面活性剤でコーティングすることによりコンクリートに混ざりやすくすることができる。また、有機繊維以外に無機繊維（例えば鋼繊維）を混入してもよい。

また、結合材としてセメントとシリカフューム以外にスラグやフライアッシュなどを添加していてもよい。

１０ コンクリート
２０ ＰＰ繊維

Claims (7)

1. 水と、セメント及びシリカフュームを含む結合材と、細骨材と、粗骨材と、膨張材と、界面活性剤でコーティングされている有機繊維と、を含有し、水結合材比が１２％以上１４．５％以下であるコンクリート。
2. 請求項１に記載のコンクリートであって、
   前記有機繊維の径は、１μｍ以上６０μｍ以下であり、長さは、１ｍｍ以上６０ｍｍ以下である、
   ことを特徴とするコンクリート。
3. 請求項１又は請求項２に記載のコンクリートであって、
   前記有機繊維の混入率は、０．０１１％以上０．３３％以下である、
   ことを特徴とするコンクリート。
4. 請求項１乃至請求項３の何れかに記載のコンクリートであって、
   ２８日強度が１００Ｎ／ｍｍ²以上２００Ｎ／ｍｍ²以下である、
   ことを特徴とするコンクリート。
5. 請求項４に記載のコンクリートであって、
   前記有機繊維の一本当たりの体積は７．８５×１０^-4ｍｍ³以上２．５４×１０^-3ｍｍ³以下であり、
   前記２８日強度が１４０Ｎ／ｍｍ²以上１６０Ｎ／ｍｍ²以下の場合、１ｍ³当たりに前記有機繊維が６．４億本以上４２億本以下混入され、前記２８日強度が１７０Ｎ／ｍｍ²以上２００Ｎ／ｍｍ²の場合、１ｍ³当たりに前記有機繊維が１３．９億本以上２８億本以下混入されている、
   ことを特徴とするコンクリート
6. 請求項５に記載のコンクリートであって、
   前記有機繊維の径は１０μｍ以上１８μｍ以下であり、長さは１０ｍｍである、
   ことを特徴とするコンクリート。
7. 請求項１乃至請求項６に記載のコンクリートの製造方法であって、
   前記水と前記結合材と前記細骨材と前記膨張材とを混合して攪拌する第一工程と、
   前記第一工程の後、粗骨材を混合して攪拌する第二工程と、
   前記第二工程の後、さらに前記有機繊維を混合して攪拌する第三工程と、
   を有することを特徴とするコンクリートの製造方法。