JP5234609B2 - コンクリートの温度応力ひび割れ分散打設工法 - Google Patents

Description

本発明は、コンクリートの水和反応進行中に表層部と内部の温度差に起因して生じる表層部のひび割れ（温度応力ひび割れ）を分散・微細化するためのコンクリート打設工法に関する。

打設されたコンクリートが硬化する際には、水和反応の進行に伴って水和熱が発生し、その熱が蓄積されやすいコンクリート内部に比べ、表層部では温度が低くなる。このため、硬化途上にあるコンクリート表層部には内部との熱膨張差による引張応力が加わり、コンクリート躯体の表層部にひび割れが発生することがある。本明細書では硬化途上に発生するこの種のコンクリート表層部のひび割れを「温度応力ひび割れ」と呼んでいる。

図１に、温度応力ひび割れが生じたコンクリート躯体の断面を模式的に示す。普通コンクリート１０からなるコンクリート躯体１の表面２から、深さ方向に温度応力ひび割れ１１が生じており、表面２には粗大な割れ開口部３が露出している。なお、図中において割れの幅は誇張して描いてある（後述図２、図３において同じ）。
温度応力ひび割れは、直ちにコンクリート構造物としての強度不足を招くようなものではないが、コンクリート躯体の表面に粗大な開口部が露出している場合には、セメントマトリクスや鉄筋にとって有害な物質が侵入しやすく、コンクリート構造物の耐久性を著しく低下させる要因となる。

従来、粗大な温度応力ひび割れがコンクリート躯体の表面に口を開かないようにする対策として、躯体表層部を靱性に優れたセメント系材料で構成する方法が知られている。例えば特許文献１には大寸法のマスコンクリートの表面部のみに鋼繊維補強コンクリートを打設する方法が記載されている。しかしこの場合、普通コンクリートの上に鋼繊維補強コンクリートを打設することは可能であるが、鉛直な壁面を鋼繊維補強コンクリートの打設により構築することは困難である。

一方、ＰＶＡ繊維等で補強した高靱性のプレキャスト材で埋設型枠を形成し、この埋設型枠によってコンクリート躯体の表層部を構築する手法が採られることもある（例えば特許文献２）。
図２に、埋設型枠を使用した場合の温度応力ひび割れが生じたコンクリート躯体の断面を模式的に示す。コンクリート躯体１は、高靱性プレキャスト材からなる埋設型枠２０の内側に普通コンクリート１０を打設することによって構築されている。普通コンクリート１０との接合性を向上させるために埋設型枠２０の表面にはワッフル形状の凹凸２２を設けたり、アンカー２３を取り付けたりする措置がとられる。図中に（ａ）で示すように、普通コンクリート１０に生じた温度応力ひび割れ１１は、表層部を構成する埋設型枠２０のクラック分散作用によって微小幅の割れ２１に分散され、表面２に粗大な開口部が露出することが抑制される。しかし発明者らの調査によれば、図中に（ｂ）で示すように、温度応力ひび割れ１１の割れ幅が過大になった場合などには、埋設型枠２０において割れを分散しきれないことがあり、その場合、表面２には耐久性上問題となるような粗大な割れ開口部３が形成されてしまう。

また、埋設型枠はコストが高いことや、打設後のコンクリートとの接合性を向上させるために埋設型枠の表面をワッフル形状にしたりアンカーを設けたりする必要があり作業が繁雑になるといった問題がある。さらに鉄筋コンクリートの配筋にかからない厚さの埋設型枠しか適用できないという制約もある。長期的には埋設型枠とコンクリートの間に水が侵入するなど耐久性上の弱点を生じやすく、埋設型枠が剥離する可能性があることなどの問題点も挙げられる。

最近ではＰＶＡ短繊維を配合したクラック分散型の高靱性セメント系材料を吹き付け施工する技術も開発されている（特許文献４）。この技術は劣化したコンクリート表面の補修や橋桁の補強などに有効である。しかし、打設されたコンクリート表面に吹き付け施工を適用する場合は脱型後に行う必要があり、すでにその時点で温度応力ひび割れが生じていることも多い。その場合、せっかく高靱性セメント系材料を採用しても、そのクラック分散性能は温度応力ひび割れの微細分散化に役立たない。ひび割れの開口部を塞ぐ意味ではセメント系材料の吹き付けは有効であると考えられるが、そもそも吹き付け施工の場合は吹き付け層の肉厚が加わるため所定寸法の平滑表面を有するコンクリート躯体を得る場合の工法としては適していない。

特開平１０−２５９６６２号公報 特開２００１−２５２９１６号公報 特開２０００−７３９５号公報 特開２００６−２１４０８０号公報

本発明は上記のような現状に鑑み、硬化途上のコンクリートに生じる温度応力ひび割れの発生を無害化するための、より簡便で効果の大きい新たな手法を提供しようというものである。

上記目的は、コンクリート構造物の打設施工において、型枠を設置したのち、その型枠の打設側表面に材齢２８日で１％以上の引張歪みを示すクラック分散型のＨＰＦＲＣＣ（複数微細ひび割れ型繊維補強セメント複合材料；Ｈｉｇｈ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｃｅｍｅｎｔ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）を厚さ１０〜１５０ｍｍに吹き付け、そのＨＰＦＲＣＣの圧縮強度が材齢２８日強度の１／２に到達するまでの時期に、フレッシュコンクリートを硬化途上のＨＰＦＲＣＣの表面に接触させるように打設してＨＰＦＲＣＣとコンクリートを一体化させる温度応力ひび割れ分散打設工法によって達成される。

前記ＨＰＦＲＣＣとしては、例えば繊維径０.０５ｍｍ以下、繊維引張強度１５００〜２５００ＭＰａ、繊維長５〜２０ｍｍのＰＶＡ（ビニロン）短繊維を１〜３体積％含有するものが挙げられる。前記ＨＰＦＲＣＣを吹き付けた後、その表面に機械的外力を付与して凹凸（例えば「ほうき目」）を形成することが効果的である。

本発明によれば、以下のようなメリットが得られる。
（１）内部コンクリートと表層部ＨＰＦＲＣＣとの接合力が高いコンクリート躯体が得られることから、粗大な温度応力ひび割れに対しても優れた微細分散化作用が発揮され、またその接合面には水が侵入しにくく長期耐久性にも優れる。
（２）埋設型枠を使用する工法に比べ作業が簡便であり、コスト低減も図れる。
（３）鉄筋コンクリートの場合は配筋後の鉄筋の一部を埋設するように表層部ＨＰＦＲＣＣを形成できるのでＨＰＦＲＣＣ厚さの自由度が拡大し、温度応力ひび割れ微細分散化の性能を十分に発揮させる設計が可能となる。
（４）躯体表面の寸法形状は型枠によって定まるので、脱型後に吹き付け補修する工法に比べ寸法精度が高く平滑表面を有するコンクリート躯体が得られる。

図３に、本発明を適用して得られたコンクリート躯体の断面を模式的に示す。型枠４の内側に吹き付け施工されたＨＰＦＲＣＣ層３０と、その内側に打設された普通コンクリート１０が一体化してコンクリート躯体１を形成している。普通コンクリート１０の表層側に温度応力ひび割れ１１が生じた場合、（ａ）で示す比較的割れ幅の小さいもの、および（ｂ）で示す粗大なもの、いずれに対してもＨＰＦＲＣＣ層３０により割れは効果的に微小幅の割れ３１に微細化され、躯体の表面２に粗大な割れが露出することが防止される。

本発明では、型枠の内側にＨＰＦＲＣＣを吹き付けた後に、コンクリートを打設する。吹き付けにより形成されたＨＰＦＲＣＣ層は、その後に打設されるコンクリートの型枠として機能する。型枠として機能する点は従来の埋設型枠と共通している。しかし、発明者らの検討によれば、本発明の吹き付けによるＨＰＦＲＣＣ層の場合、粗大な温度応力ひび割れに対してもより安定して優れた微細分散作用が発揮される。その原因については現時点で十分解明されていないが、１つには吹き付けられたＨＰＦＲＣＣ層が硬化途上にある段階でフレッシュコンクリートと接触して一体化することが何らかの要因になっているものと推察される。

すなわち、本発明では型枠の内側に吹き付けられたＨＰＦＲＣＣの圧縮強度が材齢２８日強度の１／２に到達するまでの時期に、フレッシュコンクリートをＨＰＦＲＣＣの表面に接触させるように打設して、ＨＰＦＲＣＣとコンクリートを一体化させる。当該ＨＰＦＲＣＣの圧縮強度の経時変化は予め予備実験により知ることができる。ＨＰＦＲＣＣの圧縮強度が材齢２８日強度の１／２を過ぎた後にコンクリートを打設しても、従来の埋設型枠と同じくらいのひび割れ分散作用は得られるが、本発明ではより安定して優れた効果を得るために、コンクリートを打設する時期を上記のとおりに規定している。また、その時期にコンクリートを打設することによってコンクリートとＨＰＦＲＣＣ層との密着性がより確実なものとなり、長期的な耐久性も向上する。

本発明で使用するＨＰＦＲＣＣは、材齢２８日において１％以上の引張歪みを示す性質を有するクラック分散型の高靱性セメント系材料である。例えば特許文献４に開示されるようなＰＶＡ（ビニロン）短繊維を含有する吹き付けに適した配合の材料が好適である。これは、特許文献３に記載される高靱性繊維補強セメント（ＥＣＣ）を基本とした配合を有するものであり、具体的には以下の組成を挙げることができる。
すなわち、下記〔Ｍ〕の条件を満たすセメント調合材料に、下記〔Ｆ〕の条件を満たすＰＶＡ短繊維を１〜３体積％（質量換算では例えば１３〜３９ｋｇ／ｍ³）含有させたものが好適な対象として挙げられる。

〔Ｍ〕（セメント系調合材料）
水結合材質量比：２５％以上
砂結合材質量比：０〜１５０％
骨材最大粒径：０.８ｍｍ以下
骨材平均粒径：０.４ｍｍ以下
単位水量：２５０〜４５０ｋｇ／ｍ³
練り上がり時の空気量：３.５〜２０％
高性能ＡＥ減水剤：３０ｋｇ／ｍ³未満
増粘剤：０.０３〜３０ｋｇ／ｍ³

〔Ｆ〕（ＰＶＡ繊維）
繊維径：０.０５ｍｍ以下
繊維引張強度：１５００〜２４００ＭＰａ
繊維長：５〜２０ｍｍ

このような配合のＨＰＦＲＣＣ組成物を調合し、例えば特許文献４に開示されるような手法で十分に撹拌混練して短繊維を均一に分散させた後、型枠の内側（打設側）に例えば圧搾空気を用いた吹き付けガンを用いて吹き付ける。吹き付け後のＨＰＦＲＣＣ層の厚さは、想定される温度応力ひび割れの規模に応じて平均厚さ１０〜１５０ｍｍの範囲とすればよい。５０ｍｍ以上あるいは１００ｍｍ以上の厚さを確保するように管理してもよい。鉄筋コンクリート躯体の場合は通常、配筋後に吹き付けを行ってＨＰＦＲＣＣ層を形成させることになるが、配筋された鉄筋の一部をこのＨＰＦＲＣＣ層の中に埋設させることができる。したがって、鉄筋かぶり厚は通常どおり型枠位置を基準に設定することができ、かぶり厚を過度に多くとる必要がない分、耐震設計等に対する設計自由度も向上する。

型枠表面に吹き付けられたＨＰＦＲＣＣ層の内側表面（フレッシュコンクリートと接触することとなる表面）は通常、平滑にはならず、多少の凹凸を有した形状となる。この凹凸形状は、内部に打設されるコンクリートとの接合力を増大させる機能を有する。ただし、より一層優れた接合性を確保するためには、ＨＰＦＲＣＣを吹き付けた後、その表面に機械的外力を付与して更なる凹凸を形成することが効果的である。例えば、ＨＰＦＲＣＣを吹き付け後、まだ固化していない（すなわちセメントマトリクスの流動性が残っている）時期に、「ほうき目」を付けるといった簡単な凹凸付与によってコンクリートに対するアンカー効果が増大し、接合力を向上させることができる。

ＨＰＦＲＣＣ層の内側に打設するコンクリートは、普通コンクリートをはじめ、構造物の種類に応じて従来から一般的に採用されている種々のものが適用対象となる。打設方法も、従来一般的な方法に準ずることができる。

コンクリート構造物の柱を模して、コンクリート基盤上に、断面寸法３.０ｍ×３.５ｍ、一層あたりの打設高さ５.０ｍの鉄筋コンクリートの柱を２体作製した。主筋は３２ｍｍ径、スパン１１２ｍｍ、帯筋は１９ｍｍ径、スパン１２５ｍｍで配置され、鉄筋かぶり厚は４５ｍｍである。事前の温度応力解析の結果、柱基部（基盤に近い部分）に温度応力ひび割れの発生が予想されたことから、２体の柱のうち１体において、１層あたりの打設高さ５.０ｍのうち柱基部２.０ｍの部分に本発明を適用した。すなわち、配筋および型枠設置後、本発明を適用する型枠の打設側表面に、基盤から高さ２.０ｍまでの範囲にわたって、ＨＰＦＲＣＣを吹き付けた。吹き付けに際しては特許文献４に開示される撹拌混練手法を採用し、圧搾空気を用いた吹き付けガンを用いて１層あたりの吹き付け厚さを２０〜３０ｍｍ程度として厚さ１１０ｍｍのＨＰＦＲＣＣ層を形成した。鉄筋の一部はＨＰＦＲＣＣ層に埋設されている。吹き付け終了後、吹き付け面にはコンクリートとの接合力を高めるために「ほうき目」を付けた。

ＨＰＦＲＣＣは下記〔Ｍ１〕の条件を満たすセメント調合材料に、下記〔Ｆ１〕の条件を満たすＰＶＡ短繊維を２体積％含有させた配合とした。このＨＰＦＲＣＣは材齢２８日において１％以上の引張歪みを示す性質を有するものであることが予め確かめられている。

〔Ｍ１〕（セメント系調合材料）
水結合材質量比：４０％
砂結合材質量比：４１％
骨材最大粒径：０.８ｍｍ
骨材平均粒径：０.４ｍｍ
単位水量：３６０ｋｇ／ｍ³
練り上がり時の空気量：１０％
高性能ＡＥ減水剤：１０ｋｇ／ｍ³未満
増粘剤：１ｋｇ／ｍ³

〔Ｆ１〕（ＰＶＡ繊維）
繊維径：約０.０４ｍｍ
繊維引張強度：約１６９０ＭＰａ
繊維長：約１２ｍｍ

コンクリートは、水セメント比５０％、細骨材率４０％の普通コンクリートを使用した。打設は一般的な手法で行った。型枠表面にＨＰＦＲＣＣ層を形成してから普通コンクリートを打設するまでの時間は１日（約２４時間）とした。このＨＰＦＲＣＣの材齢１日における圧縮強度は材齢２８日の１／２以下であることが予め確認されている。

普通コンクリートを打設後、３日経過した時点で脱型し、その後、材齢３０日の時点でコンクリート柱の躯体表面に露出している温度応力ひび割れの様子を観察した。

図４（ａ）にＨＰＦＲＣＣ層を形成していない従来工法によるコンクリート躯体の側面に観察された温度応力ひび割れの様子を模式的に示す。この図のように、従来工法の躯体表面には縦方向のひび割れが柱基部に観察された。表面に露出している割れ開口部の幅は０.３〜０.３５ｍｍ程度であった。図４（ｂ）には側面に観察された割れの状況から推定されるＡ−Ａ’断面における温度応力ひび割れの存在状況を模式的に示す（鉄筋の記載は省略してある）。

図５（ａ）にＨＰＦＲＣＣ層を形成した本発明工法によるコンクリート躯体の側面に観察された温度応力ひび割れの様子を模式的に示す。この図のように、本発明を適用した躯体のＨＰＦＲＣＣ層の表面には微細に分散された割れが観察された。表面に露出している割れ開口部の幅は０.０４〜０.０６ｍｍ程度であった。一般的に、コンクリート躯体表面のひび割れの幅が０.２ｍｍ以上になると長期耐久性に影響を及ぼすようになるとされる。本発明によれば、本来長期耐久性に影響を及ぼすような粗大な温度応力ひび割れが生じても、表面付近で幅０.２ｍｍ未満に微細分散させることが可能であることが確認された。すなわち、有害なひび割れ開口部が表面に露出することが顕著に防止される。図５（ｂ）に本発明適用箇所の側面に観察された割れの状況から推定されるＡ−Ａ’断面における温度応力ひび割れの存在状況を模式的に示す（鉄筋の記載は省略してある）。
図６は本発明を適用したＨＰＦＲＣＣ層表面の微細化されたひび割れ開口部の様子を示す外観写真である。この写真の水平方向左端から右端までの距離は約５０ｍｍである。

温度応力ひび割れが生じたコンクリート躯体の断面を模式的に示した図。 埋設型枠を使用した場合の温度応力ひび割れが生じたコンクリート躯体の断面を模式的に示した図。 本発明を適用して得られたコンクリート躯体の断面を模式的に示した図。 従来工法によるコンクリート躯体の側面に観察されたひび割れの様子および断面におけるひび割れの存在状況を模式的に示した図。 本発明工法によるコンクリート躯体の側面に観察されたひび割れの様子および断面におけるひび割れの存在状況を模式的に示した図。 本発明工法によるコンクリート躯体の側面に観察された微細なひび割れの様子を示す図面代用写真。

符号の説明

１ コンクリート躯体
２ 躯体の表面
３ 割れ開口部
４ 型枠
１０ 普通コンクリート
１１ 温度応力ひび割れ
２０ 埋設型枠
２１、３１ 微小幅の割れ
２２ ワッフル形状の凹凸
２３ アンカー
３０ ＨＰＦＲＣＣ層

Claims (3)

1. コンクリート構造物の打設施工において、型枠を設置したのち、その型枠の打設側表面に材齢２８日で１％以上の引張歪みを示すクラック分散型のＨＰＦＲＣＣ（複数微細ひび割れ型繊維補強セメント複合材料）を厚さ１０〜１５０ｍｍに吹き付け、そのＨＰＦＲＣＣの圧縮強度が材齢２８日強度の１／２に到達するまでの時期に、フレッシュコンクリートを硬化途上のＨＰＦＲＣＣの表面に接触させるように打設してＨＰＦＲＣＣとコンクリートを一体化させる温度応力ひび割れ分散打設工法。
2. 前記ＨＰＦＲＣＣは、繊維径０.０５ｍｍ以下、繊維引張強度１５００〜２５００ＭＰａ、繊維長５〜２０ｍｍのＰＶＡ（ビニロン）短繊維を１〜３体積％含有するものである請求項１に記載の温度応力ひび割れ分散打設工法。
3. 前記ＨＰＦＲＣＣを吹き付けた後、その表面に機械的外力を付与して凹凸を形成する請求項１または２に記載の温度応力ひび割れ分散打設工法。