JP4805618B2 - 免震材料の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、免震材料に関するものである。

従来、地震による被害を低減するために、ゴムを用いた免震構造が提案されてきた（例えば、特許文献１参照）。地中部で、低剛性・高靭性能材としてＰＶＡポリマーを安定利用する際には、作用土圧に起因した加圧脱水による性能劣化やクリープ変形に対する配慮が求められる。その対策として、土砂材料と混合して使用する方法が挙げられる。ＰＶＡポリマーおよび土砂材料は、材料が入手しやすく安価である。

特開２００１−０２７２８４号公報

しかしながら、ＰＶＡポリマーと土砂材料との混合材において、土砂材料を母材とする場合、低剛性・高靭性機能が損なわれる。また、土砂材料を母材としない場合、作用土圧が相応に大きくなると、加圧脱水による性能劣化やクリープ変形の発生が懸念される。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、低剛性・高靭性で、加圧脱水による性能劣化やクリープ変形が懸念されない安価な免震材料を提供することにある。

前述した目的を達成するための本発明は、母材であるゴムチップと、前記母材の結合材であるＰＶＡポリマー溶液とを混合し、加圧下で固結させる工程を有し、前記ゴムチップと前記ＰＶＡポリマー溶液との前記混合比は、前記固結後の前記ゴムチップの密度が、前記ＰＶＡポリマー溶液と混合する前の前記ゴムチップの最小密度以上となるように設定され、前記ＰＶＡポリマー溶液は、濃度が３〜８％であることを特徴とする免震材料の製造方法である。

ＰＶＡポリマー溶液には、免震材として固結した後の剛性が、ゴムチップ単体の剛性以下となるものを用いる。固結後の剛性は、弾性係数Ｅ＝０．５ＭＮ／ｍ^２以下とするのが望ましい。ゴムチップと混合するＰＶＡポリマー溶液の濃度をＰＶＡ／水×１００＝３〜８％程度とすると、固結後のＰＶＡポリマー溶液がこれらの条件を満たす場合が多い。

ゴムチップとＰＶＡポリマー溶液との混合比率は、免震材料として固結した後の含有ゴムチップの密度が、ＰＶＡポリマー溶液と混合する前のゴムチップの最小密度以上となるように設定する。ＰＶＡポリマー溶液と混合する前のゴムチップの最小密度は、０．４３３ｇ／ｃｍ^３以上とするのが望ましい。

本発明では、ゴムチップを母材とし、結合材としてＰＶＡを組み合わせて、ゴムチップとＰＶＡポリマー溶液を混合して固結させることにより、免震材料を得る。

本発明によれば、低剛性・高靭性で、加圧脱水による性能劣化やクリープ変形が懸念されない安価な免震材料を提供できる。

以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態を詳細に説明する。本実施の形態では、ゴムチップとＰＶＡポリマー溶液とを混合し、固結させて免震材料を得る。ゴムチップとＰＶＡは、いずれも低剛性・高靭性の機能を有する材料である。ゴムチップは、母材として用いられる。ＰＶＡポリマー溶液は、ゴムチップの結合材として用いられる。

まず、ゴムチップの基本特性について述べる。図１は、本実施の形態で用いたゴムチップの粒度分布を示す図である。図１の横軸はゴムチップの粒径Ｄ（ｍｍ）、縦軸は通過質量百分率（％）である。図１の曲線１は、ゴムチップの粒径と通過質量百分率との関係を示す。図１に示すように、本実施の形態で用いたゴムチップの粒径は、０．８〜５ｍｍ程度である。

図１に示すゴムチップは、粒子密度が１．１４５ｇ／ｃｍ^３、最大乾燥密度が０．５４９ｇ／ｃｍ^３（間隙比ｅ_ｍｉｎ＝１．０８６）、最小乾燥密度が０．４３３ｇ／ｃｍ^３（ｅ_ｍａｘ＝１．６４４）である。ゴムチップには、例えば、廃タイヤを裁断し、チップ化したものを用いる。

次に、ＰＶＡポリマー溶液の基本特性について述べる。ＰＶＡポリマー溶液は、酢酸等でｐＨを調整したものであり、濃度は４％、５％とする（ＰＶＡ／水×１００で算出）。

次に、上述した基本特性を有するゴムチップとＰＶＡポリマー溶液とを混合し、固結させて得られた免震材料に対して行った各種試験について説明する。試験に供する供試体は、大気圧下、加圧下（原位置では加圧された状態で固結する）の２方法で作製した。供試体の形状は、直径５ｃｍ、高さ１０ｃｍの円柱形とした。

大気圧下で供試体を作製する際には、ゴムチップとＰＶＡポリマー溶液を事前混合し、供試体作製用型枠に所定量打設し、固結後に脱型して、所定養生日数まで通常室内にて封緘養生した。供試体密度は、ｅ＝０．５程度（最大密度程度）とした。また、ＰＶＡポリマー溶液の事前混合量は、完全飽和を仮定して設定した。

加圧下で供試体を作製する際には、所定密度で作製したゴムチップ供試体に加圧下でＰＶＡポリマー溶液を注入する方法が考えられるが、ここで説明する試験の供試体は、以下の方法を用いて作製効率を高めた。まず、ＰＶＡポリマー溶液とゴムチップを撹拌混合して型枠に打設し、ＰＶＡポリマー溶液を満たしたタンク内で約３０分間真空脱気した。次に、供試体をタンクから取り出して５０ｋＰａの上載圧を加圧した後、再度タンク内に戻して拘束圧２００ｋＰａ加圧下で固結させた。そして、供試体固結後、脱型し、通常室内にて３日間封緘養生した。

第１に、大気圧下で作製した、ゴムチップと５％ＰＶＡポリマー溶液からなる供試体に対して行った一軸圧縮試験の結果について述べる。図２は、所定の養生日数で行った一軸圧縮試験（軸ひずみ速度１％／分）の結果を示す図である。図２の（ａ）図の横軸は養生日数、縦軸は一軸圧縮強度である。凡例３は、所定の養生日数での一軸圧縮強度を示す。図２の（ｂ）図の横軸は養生日数、縦軸は変形係数である。凡例５は、所定の養生日数での変形係数を示す。

図３は、養生３日目に行った一軸圧縮試験（軸ひずみ速度１％／分）の結果を示す図である。図３の横軸は圧縮ひずみ、縦軸は圧縮応力度である。曲線７は、養生３日目の供試体の圧縮ひずみと圧縮応力度との関係を示す。

図２、図３から、ゴムチップと５％ＰＶＡポリマー溶液を混合して得られた免震材料は、比較的短期間の養生でも、充分に固結していることがわかる。また、この免震材料は、低剛性・高靭性機能を有していることが確認できる。

次に、大気圧下で作製した、ゴムチップのみからなる供試体（供試体１）、ゴムチップと５％ＰＶＡポリマー溶液からなる供試体（供試体２、供試体３）、ゴムチップと４％ＰＶＡポリマー溶液からなる供試体（供試体４）、加圧下で作製した、ゴムチップと５％ＰＶＡポリマー溶液からなる供試体（供試体５）について行った動的変形試験について述べる。

図４、図５、図６は、養生３日目に行った動的変形試験（繰り返し載荷回数１０回）の結果を示す図である。なお、供試体１、供試体２、供試体３、供試体４供試体５の動的３軸試験の拘束圧σｃは、それぞれ９８．１ｋＰａ、１９６．２ｋＰａ、４９．０５ｋＰａ、９８．１ｋＰａ、９８．１ｋＰａである。

図４の横軸は片振幅軸ひずみ、縦軸は等価ヤング率である。曲線９、曲線１１、曲線１３、曲線１５は、それぞれ、供試体１、供試体２、供試体３、供試体４の片振幅軸ひずみと等価ヤング率との関係を示す。

図５の横軸はせん断ひずみ、縦軸は等価せん断剛性率である。曲線３１、曲線３３、曲線３５、曲線３７は、曲線３９は、それぞれ、供試体１、供試体２、供試体５、供試体３、供試体４のせん断ひずみと等価せん断剛性率との関係を示す。

図６の横軸はせん断ひずみ、縦軸は体積ひずみである。凡例５１から凡例５９は、各ステップ毎に排水したときのせん断ひずみと体積ひずみとの関係を示す。凡例５１、凡例５３、凡例５５、凡例５７、凡例５９は、それぞれ、供試体１、供試体３、供試体４、供試体２、供試体５の試験結果である。

図４、図５から、ゴムチップ単体の供試体と比較して、ゴムチップとＰＶＡポリマー溶液を混合して得られた免震材料からなる供試体は、低剛性で、ひずみ振幅増大に伴う剛性劣化が少ないことがわかる。

また、図６から、ゴムチップ単体の供試体（凡例５１）と比較して、ゴムチップとＰＶＡポリマー溶液を混合して得られた免震材料からなる供試体（凡例５３、凡例５５、凡例５７、凡例５９）は、大きなせん断ひずみを受けても、繰り返しせん断に伴う体積変化が少ないことが確認できる。図４から図６のいずれの試験結果を見ても、免震材料の特性は、供試体の作成方法に殆ど依存しない。

図４、図５、図６から、特に、大きなひずみレベルでの材料安定性が求められる場合、ゴムチップ単体では免震材としては適さないと判断される。図中には示さないが、ＰＶＡ単体でも、ゴムチップと混合した免震材料より性能が劣ることを確認している。

次に、加圧下で作製した三軸供試体について行った圧密試験について述べる。図７、図８は、養生３日目に行った等方圧密試験の結果を示す図である。図７の横軸は拘束圧、縦軸は軸ひずみおよび体積変化量である。折れ線６１は、拘束圧と軸ひずみとの関係を示す。折れ線６３は、拘束圧と体積変化量との関係を示す。

図８の横軸は経過時間、縦軸は軸ひずみおよび体積変化量である。曲線６５は、経過時間と軸ひずみとの関係を示す。曲線６７は、経過時間と体積変化量との関係を示す。

図７、図８から、ゴムチップとＰＶＡポリマー溶液を混合して得られた免震材料では、高い有効拘束圧を負荷した際にも、供試体の体積収縮は、体積ひずみで数％程度に収まる傾向が見受けられる。なお、圧密圧力が３４ｋＰａ以下の低圧時には、軸ひずみの発生が小さく過圧密的な特性が見受けられることが確認されている。

図示していないが、ゴムチップ単体、ＰＶＡ単体の一次元圧縮試験では、上載圧８０ｋＰａ時にはいずれも約１５％、３２０ｋＰａ時にはいずれも約３０％、６４０ｋＰａ時にはそれぞれ４０％、６０％の圧縮ひずみが生じることが確認されている。従って、圧密（または圧縮）圧力にもよるが、３００ｋＰａ程度までの範囲の圧力レベルにおいて、ゴムチップ単体、ＰＶＡ単体では、ゴムチップとＰＶＡポリマー溶液を混合して得られた免震材料より大きい、数％から３０％程度の体積ひずみが発生するものと考えられる。

このように、母材であるゴムチップと、結合材であるＰＶＡポリマー溶液を混合し、固結させて得られる免震材料は、ゴムチップ単体やＰＶＡ単体と比較して、低剛性・高靭性で、載荷時の体積変化が軽微である。そのため、置換工法による振動遮断壁造成の際に、クリープによる長期変形の発生抑制（周辺地盤の変形抑制）のために使用できる。また、高拘束圧下で使用が必要な場合に、低剛性・高靭性機能を確保できる。

本発明の免震材料は、振動遮断壁の他に、トンネル免震や基礎免震等としても使用できる。これらに用いれば、低剛性・高靭性機能によるトンネル、基礎等への地震作用力の低減や、高拘束圧下での低剛性、高靭性機能の確保が可能となる。また、少なくともトンネル免震に適用した場合において、シリコン系の免震材よりも経済的である。

なお、免震材料の母材であるゴムチップとして、本実施の形態で述べた基本特性を有するもの以外を用いてもよい。ゴムチップの粒子密度、最大・最小密度は、上述した値に限らないが、最小密度は、０．４３３ｇ／ｃｍ^３以上とするのが好ましい。また、粒度分布は、図１に示すものでなくてもよい。

また、結合材であるＰＶＡポリマー溶液として、本実施の形態で述べた基本特性を有するもの以外を用いてもよい。ＰＶＡポリマー溶液は、固結後の剛性がゴム以下（通常、ゴム単体の弾性係数Ｅは、１ＭＮ／ｍ^２程度）となるものとする。免震材を設置する場合、免震材のせん断弾性係数をＧｉ、地盤のせん断弾性係数をＧｇとして、Ｇｉ／Ｇｇを１／１００とすることが目安となっている。ゴムと混合するＰＶＡポリマー溶液の特性は、このような目安や、対象とする構造物の必要性能に基づいて設定する。

上述した目安によると、仮に、大規模地震時の地盤のせん断弾性係数Ｇｇを２０ＭＮ／ｍ^２とする場合、免震材のせん断弾性係数Ｇｉは０．２ＭＮ／ｍ^２以下であることが求められる（弾性係数Ｅは、０．６ＭＮ／ｍ^２程度）。従って、ＰＶＡポリマー溶液は、固結後の弾性係数Ｅが０．５ＭＮ／ｍ^２となるようなものを用いるのが望ましい。固結後のＰＶＡポリマー溶液の弾性係数はポリマー溶液濃度の他、架橋材の種類と濃度に依存するが、ゴムチップと混合する前の濃度で管理する場合、ＰＶＡ／水×１００＝３〜８％程度とするのがよい。

さらに、免震材料の作製は、上述した方法に拠らなくてもよい。ゴムチップに混合するＰＶＡポリマー溶液の量は、免震材料として固結した後の含有ゴムチップの密度が、ゴムチップ単体の最小密度以上となるように設定する。

以上、添付図面を参照しながら本発明にかかる免震材料の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本実施の形態で用いたゴムチップの粒度分布を示す図 所定の養生日数で行った一軸圧縮試験の結果を示す図 養生３日目に行った一軸圧縮試験の結果を示す図 養生３日目に行った動的変形試験の結果を示す図 養生３日目に行った動的変形試験の結果を示す図 養生３日目に行った動的変形試験の結果を示す図 養生３日目に行った等方圧密試験の結果を示す図 養生３日目に行った等方圧密試験の結果を示す図

符号の説明

１、７、９、１１、１３、１５、３１、３３、３５、３７、３９、６５、６７………曲線
３、５、５１、５３、５５、５７、５９………凡例
６５、６７………折れ線

Claims (1)

1. 母材であるゴムチップと、前記母材の結合材であるＰＶＡポリマー溶液とを混合し、加圧下で固結させる工程を有し、
   前記ゴムチップと前記ＰＶＡポリマー溶液との前記混合比は、前記固結後の前記ゴムチップの密度が、前記ＰＶＡポリマー溶液と混合する前の前記ゴムチップの最小密度以上となるように設定され、
   前記ＰＶＡポリマー溶液は、濃度が３〜８％であることを特徴とする免震材料の製造方法。

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