JP5274322B2

JP5274322B2 - コンクリート床版

Info

Publication number: JP5274322B2
Application number: JP2009066398A
Authority: JP
Inventors: 昇坂田; 徹志閑田; 久美子須田; 賢三渡邉
Original assignee: Kajima Corp
Current assignee: Kajima Corp
Priority date: 2009-03-18
Filing date: 2009-03-18
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2023-12-12
Also published as: JP2009133196A

Description

本発明は、樹脂系の保護層で被覆したコンクリート床版であって、その保護層の破損や劣化が効果的に防止されるコンクリート床版に関する。

各種道路や軌道等の橋梁床版、塩害環境下に建造されるコンクリート構造物、さらには大量の硫化水素が発生する下水管渠や下水処理場のコンクリート構造物では、水や塩分などのコンクリートの劣化因子がコンクリート表面から浸透するのを防止するために、コンクリート表面を樹脂系の材料で被覆することが行われている。このような表面被覆材は、一般に樹脂系の塗膜やシートからなり、それらの樹脂としてはポリウレタン、ＭＭＡ、エポキシ系などの各種のものが適用されている（例えば、特許文献１）。

他方、コンクリート構造物の表面に形成された保護膜が破断や剥離するのを防止するために、このような保護膜に繊維を配合したり（例えば特許文献２）、保護膜の下地処理として炭素繊維不織布を介在させる（例えば特許文献３）ことが提案されている。

特開２００１−１３１９１６号公報特開平２−２１０１６０号公報特開平５−１２５８４１号公報

コンクリート表面を被覆した樹脂系の保護膜の破断や破損は、コンクリートの変状がその原因となることが多い。例えばコンクリート床版の上に樹脂系の保護膜（例えば防水層）を形成した場合を例とすると、コンクリート床版は乾燥収縮や繰り返し荷重などによってコンクリート内部に微細なひび割れが生じ、これが交通の往来によって微小に開閉を繰り返して、びび割れの幅、長さ、深さ等が徐々に増加し、それが床版上面まで貫通するようになると、床版上面を覆っている樹脂系の保護膜に直接的に繰り返し引張荷重がかかる。その結果、ひび割れの開閉によって保護膜は０スパンの繰り返し引張りを受けて破断に至る。また、コンクリートのひび割れ部分のエッジが保護膜にナイフ効果を与えて破断を促進する。

このようなコンクリートのひび割れに基づく樹脂系保護膜の破断や損傷は、コンクリート側での材質改善はもとより保護膜自身の材質面からの改善によっても回避されるべきであるが、土木構造物に適用できるようなコストや施工性を勘案すると、簡単に実現できるような状況にはない。したがって、本発明は、コンクリートに発生するひび割れは不可避なものとしてとらえ、繰り返し引張荷重に対しては、出来るだけ柔軟性のある樹脂系の保護膜を使用したうえ、コンクリートに発生したひび割れが直接的に保護膜の破断・破損に至らないように工夫することによって、前記の問題を解決しようとするものである。

前記の課題解決のために、本発明では、クラック分散型の繊維補強セメント複合材料をコンクリートと樹脂系保護層との間に介在させることを特徴とする。その際、保護層をポリウレア系樹脂で構成する。このとき、コンクリート側にひび割れが発生しても、クラック分散型の繊維補強セメント複合材料層によって、保護層にかかる引張荷重が緩和され、これによって保護層の破断・破損が軽減される。

すなわち本発明によれば、樹脂系の保護層で被覆したコンクリート床版において、２０℃における引張強さが１８Ｎ／ｍｍ²以上で伸び率３００％以上のポリウレア系樹脂からなる厚み１ｍｍ以上の保護層とコンクリート床版との間に、材齢２８日の硬化体の引張試験にて引張ひずみ１％以上を示すクラック分散型の繊維補強セメント複合材料からなる層であって、微小クラックが発生するというメカニズムによって引張ひずみを分散させることにより前記保護層にかかるコンクリートひび割れ起因の引張荷重を緩和する層が介在されていることを特徴とするコンクリート床版を提供する。このコンクリート床板は、その保護層の上にアスファルト舗装して道路等に供することができる。

本発明によると、コンクリート構造物の表面に樹脂系の保護層を設ける場合に、コンクリート構造物に発生するひび割れが樹脂系の保護層に伝播するのが防止されるので、樹脂系保護層の耐久性を向上させることができる。とくに、振動と繰り返し応力を受ける橋梁などのコンクリート床版に対する防水層に対して本発明を適用すると、その防水機能を格段に高めることができ、高速道路や高架軌道等の橋梁構造の長期安定化・長寿命化に大きく貢献できる。

本発明に従う高靭性ＦＲＣ材料と樹脂系保護層とからなるコンクリート構造物の被覆処理を説明するための略断面図である。普通コンクリートと樹脂系保護層とからなるコンクリート構造物の被覆処理を説明するための略断面図である。コンクリート床版に発生したひび割れが樹脂系保護層に伝わる状態を示す略断面図である。

本発明は、コンクリート構造物の表面を樹脂系の保護層で被覆する場合に、クラック分散型の繊維補強セメント複合材料が有する特有の強度特性を該保護層の損傷防止に利用する。クラック分散型の繊維補強セメント複合材料は、引張ひずみを受けて一つの微小クラックが発生した場合、そのクラックが補強繊維によってその進展が拘束されている間に次の微小クラックが発生するというメカニズムによって、一つのクラックが大きなひび割れに発展することはなく、全体として多数のクラックによって引張ひずみが分散された状況で吸収される結果、セメント系材料であっても破断に至るまでに少なくとも１％以上の引張ひずみを示すものを言う。各微小クラックは通常は引張方向とはほぼ直交する方向に多数発生し、各微小クラックにブリッジを形成している補強繊維が引張応力を負担している間はクラックの進展が停止され、その間にさらに応力が加わると、他の場所で新たな微小クラックが発生する。

このようなクラック分散型の繊維補強セメント複合材料を樹脂系保護層の下地処理としてコンクリート表面に形成しておくと、この下地のセメント複合材料にクラックが発生しても、その上に被覆されている樹脂系保護層に対しては局部的な応力を与えるようなことは防止される。その状況を図１に示した。

図１は、クラック分散型の繊維補強セメント複合材料（以下「高靭性ＦＲＣ材料」と呼ぶ）１に樹脂系の保護層２が被着された状態において、長さＬ₁から長さＬ₂に至るまで引張ひずみが与えられ、高靭性ＦＲＣ材料１内にその引張方向とはほぼ直交する方向に微小クラック３が多数の発生した状況を示している。この場合「Ｌ₂−Ｌ₁」の伸びは、セメントマトリックスの伸びがゼロであるとした場合には、多数の微小クラック３のクラック幅の総和として算出されることになる。したがって、保護層２に対しても「Ｌ₂−Ｌ₁」の伸びが加わるけれども、その伸びはＬ₂の長さ全体において一様に加わるものであり、局部的に引張応力が局在することは殆どない。

図２は、通常のコンクリート４に樹脂系の保護層２が被着された状態において、コンクリート４にひび割れ５が発生した状況を示している。コンクリート４は伸びゼロであるとすると、ひび割れ幅Ｗは、図１の場合と対比した場合には、Ｗ＝「Ｌ₂−Ｌ₁」となる。したがって、保護層２には、ひび割れ５に対応する部分において、ひび割れ幅Ｗに相当する引張ひずみが加わり、この部分の保護層２には局部的な応力が加わることによって破損することになる。しかも、コンクリート床版のように車輌の走行により繰り返し振動を受ける場合には、図３に示したように、ひび割れ５のエッジ部分で、保護層２に対してナイフ効果を繰り返し与えることになるので、保護層２の破損が加速する。このことが、従来のコンクリート床版４の保護層２（例えば防水層）の破損の主たる原因となっていた。ところが、図１のように高靭性ＦＲＣ材料１では、引張ひずみが加わっても、微小クラックの多数の発生によって、保護層２に対しては図２のような局部的な応力が作用することが緩和されるので、破断に至るようなことは回避できることになる。

本発明で使用するクラック分散型の繊維補強セメント複合材料（高靭性ＦＲＣ材料）１としては、例えば同一出願人に係る特開２０００−７３９５号公報に記載された高靭性ＦＲＣ材料を適用することができる。

すなわち、下記〔Ｍ１〕の条件を満たすセメント調合マトリクスに、下記〔Ｆ１〕の条件を満たすＰＶＡ（Poly Vinyl Alcohol）短繊維を１vol.％以上３vol.％以下の配合量で配合したクラック分散型の繊維補強セメント複合材料を、樹脂系保護層の下地処理としてコンクリート表面に施工厚み１０〜１００ｍｍで吹付けまたは打設によって敷設する。

〔Ｍ１〕
水結合材の重量百分比（Ｗ／Ｃ）：２５％以上
細骨材と結合材の重量比（Ｓ／Ｃ）：１.５以下
単位水量：２５０〜４５０Ｋｇ／ｍ³
練り上がり直後の空気量：３.５〜２０％
高性能ＡＥ減水剤：３０Ｋｇ／ｍ³未満
〔Ｆ１〕
繊維径：０.０５ｍｍ以下
繊維長：５〜２０ｍｍ
繊維引張強度：１５００〜２４００ＭＰａ

〔Ｆ１〕の条件を満たすＰＶＡ（ビニロン）短繊維としては、ポリビニールアルコール樹脂を原料として製造されたコンクリートと同等以上の弾性係数を有する短繊維であるのが好ましく、代表的なものとして、引張強度が９０kgf/cm² 級、弾性係数（ヤング率）が２９００kgf/mm² 級で、比重が約 1.3で形状が 0.66 ｍｍφ×30ｍｍの公知のもの（株式会社クラレ製）が使用できる。ビニロン短繊維の配合量が１vol.％未満ではクラック発生後の耐力が十分ではない。他方、ビニロン短繊維の配合量が３.０vol.％を超えるような多量となると、施工上必要な流動性を満たすことが困難なる。

また、高靭性ＦＲＣ材料で使用する高性能ＡＥ減水剤としては、ポリカルボン酸系、ポリエーテル系、ナフタレン系、メラミン系、アミノスルホン酸系等のものが使用できる。この中でもポリカルボン酸系またはポリエーテル系のものが好ましい。

この高靭性ＦＲＣ材料の吹付けを実施するには、練混ぜ直後のモルタルフロー値が１６５ｍｍ以上、好ましくは１７０〜１８０ｍｍであるのがよい。１６５ｍｍ未満であると吹付け手段（吹付けガン）の先で材料が適当に分散せず、吹付面に均一に付着できなくなることがある。しかし、あまりフロー値が高いとポンプ圧送時に材料分離を起こし、繊維が凝集してフアイバーボールを生ずることがあるので１８０ｍｍ以下であるのがよい。このようなモルタルフロー値を安定して確保するには、３０Ｋｇ／ｍ³未満の高性能ＡＥ減水剤を配合し、練混ぜ直後の空気量を３.５〜２０％好ましくは１０〜２０％とするのがよい。さらにこのような流動性を維持しながら材料分離抵抗を高めるために増粘剤を添加することが好ましい。とくにウエランガムなどの微生物発酵のバイオポリマーの使用（単位水量に対して０.０１〜０.２％程度を配合する）が有益である。また、スルホン基を有する芳香族化合物またはその塩と、アルキルトリメチルアンモニウム塩とからなる特殊混和剤を増粘剤の代わりに使用してもよい。

なお、適度な粒度の粉体量を確保するために、セメントの一部をフライアッシュや高炉スラグ等の混和材で代替し、また骨材としては最大粒径が０.８ｍｍ以下、平均粒径が０.４ｍｍ以下の細骨材を使用するのが好ましい。したがって、前記〔Ｍ１〕の条件として、さらに、細骨材粒径：最大粒径０.８ｍｍ以下、平均粒径０.４ｍｍ以下という要件を加えるのが好ましい。そして、この細骨材と結合材との重量比（Ｓ／Ｃ）が１.５以下となるように配合するのがよい。水結合材比（Ｗ／Ｃ）については、吹付け作業性を良好にするには２５％以上とすることが必要である。なお、施工の都合によっては、吹付けに代えて打設を行なうこともできる。

このようにして形成した高靭性ＦＲＣ材料の層は前記の〔Ｆ１〕および〔Ｍ１〕の条件を満たす限りにおいて、材齢２８日の硬化体の引張試験にて引張ひずみ１％以上を示すクラック分散型の高靭性ＦＲＣ材料（繊維補強セメント複合材料）の層となり、図１に示したようにこの高靭性ＦＲＣ材料１を下地処理とすることにより、樹脂系の保護層２はコンクリート４の変状による影響が緩和される結果、その破損や劣化が回避される。

高靭性ＦＲＣ材料１の上に被覆する樹脂系の保護層２の敷設形態は塗膜でもシートでもよく、塗膜の場合には吹付けでも塗付けでもよい。

樹脂系の保護層２は可能なかぎり延性に優れたものが好ましく、本発明に従う樹脂系の保護層２としてはポリウレア系材料が望ましい。すなわち、コンクリート構造物の表面に前記の高靭性ＦＲＣ材料１で下地処理したあと、所望によりエポキシ系またはウレタン系のプライマーを塗工したうえ、樹脂系の保護層２として、イソシアネート成分とアミン成分とからなる硬化型ポリウレア系スプレー材料を吹付け施工する。ポリウレア系樹脂の保護層２は、２０℃における引張強さ１８Ｎ／ｍｍ²以上で伸び率３００％以上、好ましくは３５０％以上を示すものがよく、その厚みは１ｍｍ以上であるのがよい。

本発明者らは、高靭性ＦＲＣ材料１とポリウレア系樹脂との組み合わせについて種々の試験を行ったが、速硬化型のポリウレアを２ｍｍ以上の厚みで被覆すれば、高靭性ＦＲＣ材料１に微小クラックが発生しても殆ど損傷も受けないことがわかった。２成分系のポリウレア系スプレー材料はコンクリートやその他の材料に対して防水を目的として汎用されており、本発明でもそれらのものが適用でき、例えば特開平８−２３８４５３号公報に記載されているポリウレア系スプレー材料が適用できる。

ポリウレア系材料のスプレーにあたっては、イソシアネート成分とアミン成分とを二液混合装置に送り込み、ここで高圧下で二液が攪拌混合されたあと、それほど時間をおかずにスプレー手段（ガン）に送液され、スプレー手段（ガン）から高靭性ＦＲＣ材料１の上に塗布する。塗布のあとは短時間（通常は２０秒以内）で硬化し始めるので、下面や側面でもだれ落ちることなく塗布できる。

コンクリート床版４に対して本発明を適用する場合、コンクリート床版４の表面に先ず前記の高靭性ＦＲＣ材料１を厚み１０〜１００ｍｍ程度で塗布し、これが硬化したあと、ウレタン系のプライマーを塗工したうえ、前記のポリウレア系スプレー材料を厚み１〜３ｍｍ程度で塗布する。次いで、接着剤を介して通常のアスファルト舗装を施す。高速道路等の場合はこのようなアスファルト舗装を施すが、高架軌道等ではアスファルト舗装は必ずしも必要ではない。いずれにしても、車輌の通過により振動と荷重とがコンクリート床版４に加わっても、材齢２８日の硬化体の引張試験にて引張ひずみ１％以上を示す高靭性ＦＲＣ材料１が下地処理の層として存在するので、その上のポリウレア系樹脂保護層２の破損や劣化が回避され、長期にわたって良好な防水機能を果たすことができる。

表１に示す配合の高靭性ＦＲＣ材料および普通モルタルをそれぞれ練混ぜ、５０×長さ１００×厚み５ｍｍのシート状に成形し、いずれの成形体も２８日間の標準水中養生を行った。高靭性ＦＲＣ材料に使用した材料は特開２０００−７３９５号公報に記載の実施例１のものにほぼ相当するものである。

得られた各成形体を室温にて乾燥後、その表面に市販のプライマー（アトミクス株式会社製の商品名アトレーヌ）を２００ｇ／ｍ²相当量を塗布し、１日乾燥処理した。次いで、表２に示すＡ液とＢ液とからなるポリウレア系スプレー材料を混合比１：１で二液混合装置に送り込み、スプレーガンを用いて塗布厚み２ｍｍで吹付け施工した。

このポリウレア系樹脂（保護層）の硬化後の性質は次のとおりである。
引張り強度：２５２ kgf/cm²（測定法：ASTM D-412）
引裂抵抗性：９２０Ｎ／ｃｍ (測定法：ASTM D-624)
伸び率：８００％ (測定法：ASTM D-412)
耐候性（Xenon Arc)：２０００時間経過後変化無し
硬度：９０（Shore A) (測定法：ASTM D-2240 ）
耐熱性能：−５０℃〜２５０℃
タックフリー：１５秒
完全硬化時間：２０℃で２４時間

次いで、ポリウレア系材料を塗布したシート状の成形体を、水平方向に懸け渡した直径１０ｍｍφの鉄筋棒に、該成形体のシートの中央部（長さ１００ｍｍの中央）を上から当て、シートの両側を手で押さえ込んで、３秒以内でほぼ９０°に折り曲げ、折り曲げ部に発生するポリウレア系樹脂保護層のひび割れ状況を観察した。その結果、高靭性ＦＲＣ材料にポリウレア系樹脂を被覆したものではポリウレア系樹脂保護層に全くひび割れが観察されなかったのに対し、普通モルタルにポリウレア系樹脂を被覆したものでは複数のひび割れが観察された。

１高靭性ＦＲＣ材料（クラック分散型の繊維補強セメント複合材料）
２樹脂系の保護層
３微小クラック
４コンクリート（床版）
５ひび割れ

Claims

樹脂系の保護層で被覆したコンクリート床版において、２０℃における引張強さが１８Ｎ／ｍｍ²以上で伸び率３００％以上のポリウレア系樹脂からなる厚み１ｍｍ以上の保護層とコンクリート床版との間に、材齢２８日の硬化体の引張試験にて引張ひずみ１％以上を示すクラック分散型の繊維補強セメント複合材料からなる層であって、微小クラックが発生するというメカニズムによって引張ひずみを分散させることにより前記保護層にかかるコンクリートひび割れ起因の引張荷重を緩和する層が介在されていることを特徴とするコンクリート床版。
保護層の上にアスファルト舗装が施された請求項１に記載のコンクリート床版。
クラック分散型の繊維補強セメント複合材料の厚みは１〜１０ｃｍである請求項１または２に記載のコンクリート床版。