JP4220945B2

JP4220945B2 - 複合部材

Info

Publication number: JP4220945B2
Application number: JP2004214133A
Authority: JP
Inventors: 浩之小幡
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2004-07-22
Filing date: 2004-07-22
Publication date: 2009-02-04
Anticipated expiration: 2024-07-22
Also published as: JP2006035438A

Description

本発明は、普通コンクリートと超高強度セメント質硬化体を複合した複合部材に関する。

従来、コンクリート梁、コンクリートスラブ等のコンクリート部材は、一般的に均質なコンクリートによってその全体が製造され、特に強度、耐久性が要求される部材においては、コンクリートの厚さを厚くする等により、部材全体としての強度、耐久性を向上させることが行われている。

しかしながら、コンクリートの厚さを厚くした場合、コンクリート部材の質量が大となり、またコンクリート部材を支える基礎や柱部等の部材も大きな断面になる等大変不経済であるほか、運搬等においても大きな機械力を使用しなければならないという欠点を持っている。

本発明は、上記従来技術の問題点、知見に鑑みなされたものであって、その目的は、強度、耐久性が要求される部材においても厚さを薄くすることができるコンクリート部材を提供することにある。

本発明者らは、強度、耐久性が要求される部材においても厚さを薄くすることができるコンクリート部材について鋭意研究した結果、普通コンクリートと、超高強度特性等を有する超高強度セメント質硬化体を一体化し、さらに普通コンクリートの特定箇所に鉄筋を配置することにより、上記課題を解決することができることを見いだし、本発明を完成させたものである。

即ち、本発明は、セメント100質量部、ポゾラン質微粉末5〜50質量部、細骨材50〜250質量部、水10〜30質量部及び減水剤0.1〜4.0質量部（固形分換算）を含む配合物の硬化体と、普通コンクリートを一体化してなる複合部材であって、硬化体を複合部材の圧縮側に配置し、かつ、普通コンクリートの引張側に鉄筋を配置したことを特徴とする複合部材である（請求項１）。このような構成の複合部材であれば、部材の厚さを薄くしても部材全体としての強度、耐久性は優れたものとすることができる。
本発明においては、前記配合物に、平均粒径3〜20μｍの無機粉末を、セメント100重量部に対して50重量部以下含むことが好ましい（請求項２）。配合物が無機粉末を含むことにより、硬化体の強度発現性が向上し、部材の厚さをより薄くすることが可能となる。
また、本発明においては、前記配合物に、金属繊維、有機繊維及び炭素繊維からなる群より選ばれる１種以上の繊維を含み、金属繊維の配合量が配合物中の体積の4％以下、有機繊維及び炭素繊維の配合量が配合物中の体積の10％以下であることが好ましい（請求項３）。配合物が金属繊維等を含むことにより、硬化体の強度や耐力等が向上し、部材の断面を小さくすることが可能となる。

本発明の複合部材では、部材の厚さを薄くできるので、軽量化や大型で長尺寸法化を図ることができる。また、運搬等が容易となり、構造物の構築に当たっても極めて施工性に優れるものとすることができる。

以下、本発明について詳細に説明する。
本発明の複合部材を構成する硬化体に使用するセメントとしては、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメント、低熱ポルトランドセメント等の各種ポルトランドセメントが挙げられる。
本発明において、硬化体の早期強度を向上させようとする場合には、早強ポルトランドセメントを使用することが好ましく、配合物の流動性を向上させようとする場合には、中庸熱ポルトランドセメントや低熱ポルトランドセメントを使用することが好ましい。

セメントのブレーン比表面積は、2500〜5000cm²/gが好ましく、3000〜4500cm²/gがより好ましい。該値が2500cm²/g未満であると、水和反応が不活発になって、硬化体の強度や耐久性が低下するため複合部材の厚さを薄くすることが困難になる等の欠点があり、5000cm²/gを超えると、セメントの粉砕に時間がかかり、また、所定の流動性を得るための水量が多くなるため、硬化体の強度や耐久性が低下するため複合部材の厚さを薄くすることが困難になる等の欠点がある。

ポゾラン質微粉末としては、シリカフューム、シリカダスト、フライアッシュ、スラグ、火山灰、シリカゾル、沈降シリカ等が挙げられる。
一般に、シリカフュームやシリカダストは、そのＢＥＴ比表面積が5〜25m²/gであり、粉砕等をする必要がないので、本発明のポゾラン質微粉末として好適である。
ポゾラン質微粉末のＢＥＴ比表面積は、5〜25m²/gが好ましく、5〜18m²/gがより好ましい。該値が5m²/g未満であると、硬化体の強度や耐久性が低下するため複合部材の厚さを薄くすることが困難になる等の欠点があり、25m²/gを超えると、所定の流動性を得るための水量が多くなるため、硬化体の強度や耐久性が低下するため複合部材の厚さを薄くすることが困難になる等の欠点がある。
ポゾラン質微粉末の配合量は、セメント100質量部に対して5〜50質量部、好ましくは10〜40質量部である。配合量が5〜50質量部の範囲外では、流動性が極端に低下するので複合部材の製造に手間がかかる等の欠点がある。

細骨材としては、川砂、陸砂、海砂、砕砂、珪砂等又はこれらの混合物を使用することができる。本発明においては、硬化体の強度や耐久性等から、最大粒径が2mm以下の細骨材を用いることが好ましく、最大粒径が1.5mm以下の細骨材を用いることがより好ましい。また、配合物の流動性等から、75μm以下の粒子の含有量が2.0質量％以下である細骨材を用いることが好ましく、75μm以下の粒子の含有量が1.5質量％以下である細骨材を用いることがより好ましい。
細骨材の配合量は、配合物の流動性や、硬化体の強度や耐久性等の観点から、セメント100質量部に対して50〜250質量部であることが好ましく、80〜200質量部であることがより好ましい。

減水剤としては、リグニン系、ナフタレンスルホン酸系、メラミン系、ポリカルボン酸系の減水剤、ＡＥ減水剤、高性能減水剤又は高性能ＡＥ減水剤を使用することができる。これらのうち、減水効果の大きな高性能減水剤又は高性能ＡＥ減水剤を使用することが好ましく、特に、ポリカルボン酸系の高性能減水剤又は高性能ＡＥ減水剤を使用することがより好ましい。
減水剤の配合量は、セメント100質量部に対して、固形分換算で0.1〜4.0質量部が好ましく、0.1〜2.0質量部がより好ましい。配合量が0.1質量部未満では、混練が困難になるとともに、流動性が低下し、複合部材の製造に手間がかかる等の欠点がある。配合量が4.0質量部を超えると、材料分離や著しい凝結遅延が生じ、また、硬化体の強度や耐久性が低下することがある。
なお、減水剤は、液状または粉末状のいずれでも使用することができる。

水量は、セメント100質量部に対して、10〜30質量部が好ましく、より好ましくは12〜25質量部である。水の量が10質量部未満では、混練が困難になるとともに、流動性が低下し、複合部材の製造に手間がかかる等の欠点がある。水の量が30質量部を超えると、硬化体の強度や耐久性が低下するため複合部材の厚さを薄くすることが困難になる等の欠点がある。

本発明においては、配合物の流動性や、硬化体の強度発現性や耐久性を向上させる観点から、前記配合物に、平均粒径3〜20μm、より好ましくは平均粒径4〜10μｍの無機粉末を含ませることが好ましい。配合物の流動性を高めることにより複合部材の製造が容易になる。また、硬化体の強度発現性や耐久性を向上させることにより複合部材の厚さを薄くすることが可能となる。
無機粉末としては、スラグ、石灰石粉末、長石類、ムライト類、アルミナ粉末、石英粉末、フライアッシュ、火山灰、シリカゾル、炭化物粉末、窒化物粉末等が挙げられる。中でも、スラグ、石灰石粉末、石英粉末は、コストの点や硬化後の品質安定性の点で好ましく用いられる。
無機粉末の配合量は、配合物の流動性や、硬化体の強度や耐久性等の観点から、セメント100質量部に対して50質量部以下が好ましく、20〜40質量部がより好ましい。

本発明においては、硬化体の強度や耐力等を大幅に高める観点から、配合物に、金属繊維、有機繊維及び炭素繊維からなる群より選ばれる１種以上の繊維を配合することが好ましい。硬化体の強度や耐力等を高めることにより、複合部材の断面を小さくすることが可能となる。
金属繊維は、硬化体の曲げ強度等を大幅に高める観点から、配合される。
金属繊維としては、鋼繊維、ステンレス繊維、アモルファス繊維等が挙げられる。中でも、鋼繊維は、強度に優れており、また、コストや入手のし易さの点からも好ましいものである。金属繊維の寸法は、配合物中における金属繊維の材料分離の防止や、硬化体の曲げ強度の向上の点から、直径が0.01〜1.0mm、長さが2〜30mmであることが好ましく、直径が0.05〜0.5mm、長さが5〜25mmであることがより好ましい。また、金属繊維のアスペクト比（繊維長／繊維直径）は、好ましくは20〜200、より好ましくは40〜150である。

金属繊維の形状は、直線状よりも、何らかの物理的付着力を付与する形状（例えば、螺旋状や波形）が好ましい。螺旋状等の形状にすれば、金属繊維とマトリックスとが引き抜けながら応力を担保するため、曲げ強度が向上する。
金属繊維の好適な例としては、例えば、直径が0.5mm以下、引張強度が1〜3.5GPaの鋼繊維からなり、かつ、120MPaの圧縮強度を有するセメント系硬化体のマトリックスに対する界面付着強度（付着面の単位面積当たりの最大引張力）が3MPa以上であるものが挙げられる。本例において、金属繊維は、波形または螺旋形の形状に加工することができる。また、本例の金属繊維の周面上に、マトリックスに対する運動（長手方向の滑り）に抵抗するための溝または突起を付けることもできる。また、本例の金属繊維は、鋼繊維の表面に、鋼繊維のヤング係数よりも小さなヤング係数を有する金属層（例えば、亜鉛、錫、銅、アルミニウム等から選ばれる１種以上からなるもの）を設けたものとしてもよい。

金属繊維の配合量は、配合物中の体積百分率で、好ましくは4％以下、より好ましくは0.5〜3％、特に好ましくは1〜3％である。該配合量が4％を超えると、流動性等を確保するために単位水量が増大するうえ、配合量を増やしても金属繊維の補強効果が向上しないため、経済的でなく、さらに、混練物中でいわゆるファイバーボールを生じ易くなるので、好ましくない。

有機繊維及び炭素繊維は、硬化体の破壊エネルギー等を高める観点から、配合される。
有機繊維としては、ビニロン繊維、ポリプロピレン繊維、ポリエチレン繊維、アラミド繊維等が挙げられる。中でも、ビニロン繊維及び／又はポリプロピレン繊維は、コストや入手のし易さの点で好ましく用いられる。
炭素繊維としては、ＰＡＮ系炭素繊維やピッチ系炭素繊維が挙げられる。
有機繊維及び炭素繊維の寸法は、配合物中におけるこれら繊維の材料分離の防止や、硬化後の破壊エネルギーの向上の点から、直径が0.005〜1.0mm、長さ2〜30mmであることが好ましく、直径が0.01〜0.5mm、長さ5〜25mmであることがより好ましい。また、有機繊維及び炭素繊維のアスペクト比（繊維長／繊維直径）は、好ましくは20〜200、より好ましくは30〜150である。

有機繊維及び炭素繊維の配合量は、配合物中の体積百分率で好ましくは10.0％以下、より好ましくは1.0〜9.0％、特に好ましくは2.0〜8.0％である。配合量が10.0％を超えると、流動性等を確保するために単位水量が増大するうえ、配合量を増やしても繊維の増強効果が向上しないため、経済的でなく、さらに、混練物中にいわゆるファイバーボールを生じ易くなるので、好ましくない。

配合物の混練方法は、特に限定されるものではなく、例えば、(1)水、減水剤以外の材料を予め混合して、プレミックス材を調製しておき、該プレミックス材、水及び減水剤をミキサに投入し、混練する方法、(2)粉末状の減水剤を用意し、水以外の材料を予め混合して、プレミックス材を調製しておき、該プレミックス材及び水をミキサに投入し、混練する方法、(3)各材料を各々個別にミキサに投入し、混練する方法、等を採用することができる。
混練に用いるミキサは、通常のコンクリートの混練に用いられるどのタイプのものでもよく、例えば、揺動型ミキサ、パンタイプミキサ、二軸練りミキサ等が用いられる。

次に、この発明の複合部材を構成する普通コンクリートは、通常使用されているコンクリートであって、圧縮強度が100MPa以下のものを言い、この普通コンクリートを前記硬化体と一体化する。一体化は、圧縮側に前記硬化体を構成する配合物を成形、配置し、該配合物が硬化する前又は硬化後に打設しても良いし、普通コンクリートを打設した後に、該普通コンクリートが硬化する前又は硬化後に硬化体を構成する配合物を圧縮側に打設しても良い。硬化体又は普通コンクリートが硬化した後に、普通コンクリート又は配合物を打設する場合は、硬化体と普通コンクリートの付着性を高めるために、硬化体又は普通コンクリート表面を粗面仕上げ等をして一体化を図ることが好ましい。
なお、本発明においては、硬化体部分の厚さは、複合部材の有効高さの0.05〜0.5とすることが好ましく、0.05〜0.3とすることがより好ましい。

本発明においては、図１や図２に示すように普通コンクリートの引張側に鉄筋を配置する。普通コンクリートの引張側に鉄筋を配置することにより、部材全体としての強度等を高めることができ、部材の厚さを薄くして、軽量化や大型で長尺寸法化を図ることができる。鉄筋としては、「JIS G 3112」に規定されている鉄筋、「JIS G 3112」に規定されていないSD 685相当、SD 785相当、SD 1275相当を使用することができる。
普通コンクリート中の鉄筋の配置およびその量は、例えば、複合部材の上縁の硬化体の作用応力と普通コンクリート中の鉄筋の作用応力が等しくなるように定めれば良い。

なお、配合物の成形及び養生は、通常のコンクリートにおける成形方法及び養生方法が適用可能であり、流し込み成形や振動成形等が適用でき、常温養生、常圧蒸気養生等が適用できる。
本発明で用いる配合物は、「JIS R 5201（セメントの物理試験方法）11.フロー試験」に記載される方法において、15回の落下運動を行なわないで測定した値が、230mm以上と流動性に優れ、自己充填性を有するので、成形等を容易に行なうことができる。
また、本発明の配合物の硬化体は、130MPa以上、好ましくは150MPa以上、より好ましくは170MPa以上の圧縮強度と、20MPa以上、好ましくは23MPa以上の曲げ強度を発現するものである。

以下、実施例により本発明を説明する。
［１．使用材料］
以下に示す材料を使用した。
（１）セメント；低熱ポルトランドセメント（太平洋セメント社製
；ブレーン比表面積3200cm²/g）
（２）ポゾラン質微粉末；シリカフューム（ＢＥＴ比表面積10m²/g）
（３）無機粒子；石英粉末（平均粒径7.0μｍ）
（４）細骨材；珪砂（最大粒径0.6mm、75μm以下の粒子の含有量0.3質量％）
（５）金属繊維；鋼繊維（直径：0.2mm、長さ：13mm）
（６）減水剤；ポリカルボン酸系高性能ＡＥ減水剤
（７）水；水道水

実施例１（配合物及び硬化体の性状評価）
低熱ポルトランドセメント100質量部、シリカフューム32質量部、珪砂120質量部、高性能ＡＥ減水剤1.0質量部(セメントに対する固形分)、水22質量部をニ軸ミキサに投入し、混練した。
該配合物のフロー値を、「JIS R 5201（セメントの物理試験方法）11.フロー試験」に記載される方法において、15回の落下運動を行なわないで測定した。その結果、フロー値は280mmであった。
また、前記配合物をφ50×100mmの型枠内に流し込み、20℃で48時間前置き後、90℃で48時間蒸気養生した。該硬化体の圧縮強度（３本の平均値）は210MPaであった。
また、前記配合物を4×4×16cmの型枠内に流し込み、20℃で48時間前置き後、90℃で48時間蒸気養生した。該硬化体の曲げ強度（３本の平均値）は25MPaであった。

実施例２（配合物及び硬化体の性状評価）
低熱ポルトランドセメント100質量部、シリカフューム32質量部、石英粉末39質量部、珪砂120質量部、高性能ＡＥ減水剤1.0質量部(セメントに対する固形分)、水22質量部をニ軸ミキサに投入し、混練した。
該配合物のフロー値を、「JIS R 5201（セメントの物理試験方法）11.フロー試験」に記載される方法において、15回の落下運動を行なわないで測定した。その結果、フロー値は285mmであった。
また、前記配合物をφ50×100mmの型枠内に流し込み、20℃で48時間前置き後、90℃で48時間蒸気養生した。該硬化体の圧縮強度（３本の平均値）は225MPaであった。
また、前記配合物を4×4×16cmの型枠内に流し込み、20℃で48時間前置き後、90℃で48時間蒸気養生した。該硬化体の曲げ強度（３本の平均値）は27MPaであった。

実施例３（配合物及び硬化体の性状評価）
低熱ポルトランドセメント100質量部、シリカフューム32質量部、石英粉末39質量部、珪砂120質量部、高性能ＡＥ減水剤1.0質量部(セメントに対する固形分)、水22質量部、鋼繊維(配合物中の体積の２％)をニ軸ミキサに投入し、混練した。
該配合物のフロー値を、「JIS R 5201（セメントの物理試験方法）11.フロー試験」に記載される方法において、15回の落下運動を行なわないで測定した。その結果、フロー値は265mmであった。
また、前記配合物をφ50×100mmの型枠内に流し込み、20℃で48時間前置き後、90℃で48時間蒸気養生した。該硬化体の圧縮強度（３本の平均値）は230MPaであった。
また、前記配合物を4×4×16cmの型枠内に流し込み、20℃で48時間前置き後、90℃で48時間蒸気養生した。該硬化体の曲げ強度（３本の平均値）は47MPaであった。

比較例１（普通コンクリートの性状評価）
普通ポルトランドセメント(太平洋セメント社製)100質量部、細骨材(青梅産砕砂)263質量部、粗骨材(青梅産砕石)280質量部、ＡＥ減水剤0.118質量部(セメントに対する固形分)、水50質量部をニ軸ミキサに投入し、混練した。
該コンクリートのスランプ（「JIS A 1101（コンクリートのスランプ試験方法）」）は12cmであった。
また、該コンクリートの圧縮強度（65℃で３時間蒸気養生、その後２週間気中養生）は35MPaであった。

実施例４（複合部材の製造と性状評価）
SD 1275相当の鉄筋(D19)２本を高さ5cmの位置に配置した幅30cm×長さ3mの型枠に、前記比較例１の普通コンクリートを高さ21.2cmまで充填し、65℃で3時間蒸気養生し、その後２週間の気中養生を行った。該普通コンクリート上面を粗面仕上げした後、該普通コンクリートの上面に、前記実施例１記載の配合物を高さ24.8cmまで充填し、20℃で48時間前置き後、90℃で48時間蒸気養生して、部材厚さ24.8cm(硬化体厚さ3.6cm、普通コンクリート厚さ21.2cm)×幅30cm×長さ3mの複合部材を製造した。
この複合部材の硬化体を圧縮側として、曲げ載荷試験を行った。その結果、曲げ耐力は、79.4×10⁶kNmであった。
この複合部材と同等の強度を有するコンクリート部材を比較例１の普通コンクリートで製造したところ、その厚さは55cm必要であり、本発明の複合部材では、普通コンクリート製の部材に比べてその質量が約45％であった。

実施例５（複合部材の製造と性状評価）
SD 1275相当の鉄筋(D22)２本を高さ5cmの位置に配置した幅30cm×長さ3mの型枠に、前記比較例１の普通コンクリートを高さ19.8cmまで充填し、65℃で3時間蒸気養生し、その後２週間の気中養生を行った。該普通コンクリート上面を粗面仕上げした後、該普通コンクリートの上面に、前記実施例２記載の配合物を高さ23.5cmまで充填し、20℃で48時間前置き後、90℃で48時間蒸気養生して、部材厚さ23.5cm(硬化体厚さ3.7cm、普通コンクリート厚さ19.8cm)×幅30cm×長さ3mの複合部材を製造した。
この複合部材の硬化体を圧縮側として、曲げ載荷試験を行った。その結果、曲げ耐力は、79.4×10⁶kNmであった。
この複合部材と同等の強度を有するコンクリート部材を比較例１の普通コンクリートで製造したところ、その厚さは55cm必要であり、本発明の複合部材では、普通コンクリート製の部材に比べてその質量が約42％であった。

実施例６（複合部材の製造と性状評価）
SD 1275相当の鉄筋(D22)２本を高さ5cmの位置に配置した幅30cm×長さ3mの型枠に、前記比較例１の普通コンクリートを高さ18.7cmまで充填し、65℃で3時間蒸気養生し、その後２週間の気中養生を行った。該普通コンクリート上面を粗面仕上げし、該普通コンクリートの上面に、前記実施例３記載の配合物を高さ22.4cmまで充填し、20℃で48時間前置き後、90℃で48時間蒸気養生して、部材厚さ22.4cm(硬化体厚さ3.7cm、普通コンクリート厚さ18.7cm)×幅30cm×長さ3mの複合部材を製造した。
この複合部材の硬化体を圧縮側として、曲げ載荷試験を行った。その結果、曲げ耐力は、79.4×10⁶kNmであった。
この複合部材と同等の強度を有するコンクリート部材を比較例１の普通コンクリートで製造したところ、その厚さは55cm必要であり、本発明の複合部材では、普通コンクリート製の部材に比べてその質量が約41％であった。

（ａ）は本発明の複合部材の１例の側面断面図、（ｂ）は（ａ）における正面断面図である。本発明の複合部材の他の例の正面断面図である。

符号の説明

１複合部材
２硬化体
３普通コンクリート
４鉄筋

Claims

セメント100質量部、ポゾラン質微粉末5〜50質量部、細骨材50〜250質量部、水10〜30質量部及び減水剤0.1〜4.0質量部（固形分換算）を含む配合物の硬化体と、普通コンクリートを一体化してなる複合部材であって、硬化体を複合部材の圧縮側に配置し、かつ、普通コンクリートの引張側に鉄筋を配置したことを特徴とする複合部材。
配合物に、平均粒径3〜20μｍの無機粉末を、セメント100重量部に対して50重量部以下含む請求項１記載の複合部材。
配合物に、金属繊維、有機繊維及び炭素繊維からなる群より選ばれる１種以上の繊維を含み、金属繊維の配合量が配合物中の体積の4％以下、有機繊維及び炭素繊維の配合量が配合物中の体積の10％以下である請求項１又は２記載の複合部材。