JP5288929B2

JP5288929B2 - コンクリート堤体の構築方法

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Publication number: JP5288929B2
Application number: JP2008201418A
Authority: JP
Inventors: 昇坂田; 大介林; 吾郎坂井; 康祐横関; 悦久高田; 紀夫滝口; 昭武井; 信也松本
Original assignee: Kajima Corp
Current assignee: Kajima Corp
Priority date: 2008-08-05
Filing date: 2008-08-05
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2028-08-05
Also published as: JP2010037797A

Description

本発明は、ＲＣＤ（ＲｏｌｌｅｒＣｏｍｐａｃｔｅｄＤａｍ−ｃｏｎｃｒｅｔｅ）工法を用いた堤体の構築方法に関する。

コンクリート堤体の合理的な構築方法としてＲＣＤ工法が知られている。ＲＣＤ工法は、単位結合材量が少ない貧配合の超硬練りゼロスランプコンクリートをダンプトラック等で打設現場に搬送し、ブルドーザー等で敷き均し、その後、振動ローラーで締め固める工法である。その際、堤体の外周部を有スランプコンクリートによる枠組み構造とし、その内部に上記の超硬練りコンクリートを１層あたり０.５〜１ｍ程度の厚さ（リフト高さ）に敷設して、各リフト毎に締固めを行い、層状に積み上げていく。ＲＣＤ工法は中・大規模ダムの建設で主流になっている。

従来、ＲＣＤ工法に適用するコンクリート（以下「ＲＣＤコンクリート」ということがある）は、水和熱を低減するために単位結合材量を１２０〜１３０ｋｇ／ｍ³程度とし、セメントの３０％程度をフライアッシュで置換した配合のものが多くの大規模ダムにおいて採用されている。

特開２００１−１９２２５４号公報特開平９−４１３４６号公報特開平２−２３９１４４号公報特許第３６０８９１１号公報

ダムコンクリートはマスコンクリートであるため、温度応力ひび割れの対策が極めて重要である。従来、ＲＣＤコンクリートには上記のような貧配合のコンクリートを採用しているが、内部の発熱が過大にならないように、１層あたりのリフト厚さは通常１ｍ以内に制限される。このため、大規模ダムでは何十層ものリフトを繰り返す必要があり、これが工期の長期化を招く要因となっている。また夏期には、内部コンクリートの温度が過大とならないように高価なチラー設備などを用いてコンクリートの冷却を行っており、ダム建設のコストを押し上げている。

一方、最近では産業界において環境負荷低減の要請が高まっている。ダム建設には大量のセメントが使用されるが、セメント１ｔを製造すると約２００ｋｇのＣＯ₂が排出されるとされ、今後はダム建設においてもできるだけ環境負荷の小さい材料に切り替えていく対策が望まれる。

本発明は、大規模ダムをはじめとする堤体の建設において、工期の短縮化、水和熱冷却コストの低減、および環境負荷の低減を一挙に実現することが可能な技術を提供しようというものである。

上記目的は、ＲＣＤ工法によりコンクリート堤体を構築するに際し、粗骨材最大寸法５０〜２００ｍｍ、単位結合材量１００〜１７０ｋｇ／ｍ³、単位細骨材量６００〜８００ｋｇ／ｍ³、単位粗骨材量１４００〜１７００ｋｇ／ｍ³の超硬練りコンクリート配合において、結合材に占める高炉スラグ微粉末量を７１〜９６質量％好ましくは８５〜９６％とした、材齢９１日の圧縮強度が１５〜３５Ｎ／ｍｍ²となる性質を有するゼロスランプコンクリートを堤体内部の構成材料として適用し、堤体の冷却設備を設置せずに１層あたりのリフト高さを１.２〜２.０ｍとしてＲＣＤ工法の打設を行うコンクリート堤体の構築方法によって達成される。

ここで、材齢は打設時を基準にした日数である。圧縮強度はＪＩＳＡ１１３２：２００６に準拠して、４０ｍｍの網ふるいで４０ｍｍを超える粗骨材粒子を除去した試料により定めることができる。ゼロスランプコンクリートとは、スランプ試験においてスランプが０ｃｍとなるコンクリートである。

本発明によれば、以下のようなメリットが得られる。
（i）従来のＲＣＤコンクリートと比べ水和熱が大幅に低減されるので温度応力ひび割れ発生の感受性が小さくなり、１層あたりのリフト高さを増大させることができる。これにより堤体の建設工期が短縮化し、特に大規模ダムの建設において大きな工期短縮効果が期待される。
（ii）従来、温度応力ひび割れの発生を抑制するために採用されていた対策を大幅に軽減することが可能になる。
（iii）高炉スラグは高炉メーカーで不可避的に発生する副産物であり、セメントの大部分をこれに置換すると、セメントクリンカー焼成時の石灰石の脱炭酸や、焼成に必要な燃料の燃焼による、ＣＯ₂の発生量が大幅に削減できる。特に大規模ダムの建設においてその効果は極めて大きい。

セメントの一部を高炉スラグで置換したコンクリートは知られているが、７０％を超えるような多量の高炉スラグで置換すると種々の弊害が生じることから、一般的にそのようなコンクリートは採用されない。発明者らはその弊害について詳細に検討した結果、ＲＣＤコンクリートのセメントを高炉スラグで多量置換することの可能性について以下のような知見を得た。

（１）一般に高炉スラグはアルカリの刺激によって硬化する潜在水硬性を有しているが、セメントを高炉スラグで多量に置換すると、コンクリート中のアルカリの絶対量が不足し、ブリーディングの影響によってアルカリが均質に分布しない状況あるいはレイタンスとして失われる状況が生じると、コンクリートが硬化しない恐れがある。
ＲＣＤコンクリートでは単位水量を例えば８０〜１１０ｋｇ／ｍ³と少なくすることが可能であり、これによってブリーディングはほとんど発生しないため、硬化しない状況は回避できる。

（２）一般にセメントを高炉スラグで多量に置換すると、自己収縮ひずみが大きくなるため、ひび割れが発生しやすくなる。
しかしＲＣＤコンクリートでは上記のように単位水量を少なくすることが可能であり、自己収縮ひずみの問題は回避される。

（３）一般にセメントを高炉スラグで多量に置換すると、初期の強度発現が小さく、型枠の脱型時期が遅くなる。また、グリーンカットの時期が遅くなる。
しかしＲＣＤコンクリートは振動ローラによる転圧で自立するため、初期の強度発現は問題とならない。また通常のコンクリートとは施工方法が異なり、グリーンカットの時期が問題となることもない。

（４）一般にセメントを高炉スラグで多量に置換すると、特に材齢２８日強度が低くなる。
しかしＲＣＤコンクリートの強度保証材齢は従来一般に９１日とされている。発明者らの検討によれば、セメントを高炉スラグで多量に置換（例えば置換率８５〜９６％）した場合、材齢２８日強度は低下するものの、材齢２８日から９１日にかけて強度が着実に増大することがわかった。そして、材齢９１日の圧縮強度は１５〜３５Ｎ／ｍｍ²となり、十分な強度を呈する堤体が構築できることが明らかになった。

（５）一般にセメントを高炉スラグで多量に置換すると、中性化の進行が早くなる傾向がある。
しかしＲＣＤ工法の堤体内部には鉄筋が配置されないので、中性化の問題は生じない。

以下、本発明をより具体的に説明する。
発明者らの検討によれば、高炉スラグでセメントの大部分を置換する本発明のＲＣＤコンクリートにおいても、水結合材比、粗骨材最大寸法、単位水量、単位結合材量、単位細骨材量、単位粗骨材量などについては、従来から実績のあるＲＣＤコンクリートの基本的な配合を適用することができる。

すなわち、水結合材比は６０〜１００％の範囲とすることができ、６５〜９０％であることがより好ましい。単位水量は８０〜１１０ｋｇ／ｍ³とすることが好ましく、８０〜１００ｋｇ／ｍ³とすることが一層好ましい。単位結合材量は１００〜１７０ｋｇ／ｍ³とすることができ、１１０〜１５０ｋｇ／ｍ³あるいは１１０〜１４０ｋｇ／ｍ³に管理しても構わない。単位細骨材量は６００〜８００ｋｇ／ｍ³の範囲で調整することができる。単位粗骨材量は１４００〜１７００ｋｇ／ｍ³で調整することができる。

粗骨材最大寸法は５０〜２００ｍｍの範囲とすることができ、５０〜１７０ｍｍとすることがより好ましい。５０〜１００ｍｍの範囲としても構わない。粗骨材最大寸法が５０ｍｍを下回ると、堤体の構造にとって必要な強度が安定して得られない場合がある。ただし、粗骨材は篩い分けされた複数種類の異なる最大寸法を有するものをブレンドすることが望ましい。粗骨材の粒度分布を例示すると、最大寸法８０ｍｍ超え〜２００ｍｍのもの（例えばＧ１５０）：０〜４００ｋｇ、最大寸法４０ｍｍ超え〜８０ｍｍのもの（Ｇ８０）：３５０〜５５０ｋｇ／ｍ³、最大寸法２０ｍｍ超え〜４０ｍｍのもの（Ｇ４０）：３５０〜５５０ｋｇ／ｍ³、最大寸法２０ｍｍ以下のもの（例えばＧ２０）：３５０〜７００ｋｇ／ｍ³の粗骨材配合を採用することができる。細骨材率ｓ／ａは３５％以下とすることが望ましく、３１％以下に管理しても構わない。例えば２０〜３１％と低くすることができる。

前述のように高炉スラグ微粉末はセメントのアルカリ分の刺激を受けて硬化する。特にセメントの大部分を高炉スラグで置換したコンクリートでは、アルカリ分が不足すると硬化不良が生じる危険性がある。このようなことからＪＩＳにおいても高炉スラグの混入率は７０％以下に規定されている。アルカリ分が不足する要因として、一般のコンクリート、すなわち有スランプ（スランプ２〜２１ｃｍ程度）の場合、高アルカリのブリーディング水が打設後数時間で発生することが挙げられる。また、高炉スラグ微粉末の添加量が過度に多くなると凝結時間が大幅に長くなり、側圧が大きくなる、脱型時間が長くなるなど、施工上大きな問題となる。

これに対し、本発明で対象とするコンクリートは超硬練りであるため、ブリーディングはほとんど発生しない。また、ローラーで振動締固めするだけで自立するため、初期の強度は必要なく、高炉スラグ微粉末を多量に含有させたことにより凝結時間が遅くなっても全く問題ないのである。発明者らの検討の結果、結合材に占める高炉スラグ微粉末量を７１質量％以上と極めて大きくしても、所望の特性を十分に満たす堤体が構築できることを見出した。これにより堤体の建設に伴って排出されるＣＯ₂の量を大幅に削減することが可能になる。

さらに発明者らの詳細な検討によれば、結合材に占める高炉スラグ微粉末量を概ね８０質量％以上に大きくしていくと、水和反応に伴う発熱量が急激に低減することを見出した。特に結合材に占める高炉スラグ微粉末量が８５質量％以上のものは発熱量の低減効果が非常に大きい。一方、結合材に占める高炉スラグ微粉末量が過度に高くなるとアルカリ刺激剤を添加しないと所定の強度が発現しないようになる。種々検討の結果、本発明では結合材に占める高炉スラグ微粉末量は９６質量％まで許容される。なお、結合材にはフライアッシュ等の微粉末が含まれていても構わないが、結合材に占めるセメント量は４質量％以上を確保することが望ましい。

堤体のＲＣＤコンクリートとしては、材齢９１日の圧縮強度が１５〜３５Ｎ／ｍｍ²となる性質を有していることが望ましい。材齢９１日の圧縮強度が２０±５Ｎ／ｍｍ²の範囲になるように管理してもよい。上記のコンクリート配合の範囲においてそのような性質を持たせることができる。なお、材齢２８日の圧縮強度は概ね８〜２０Ｎ／ｍｍ²程度となる。

混和剤は従来のＲＣＤコンクリートに添加されるものや、高炉スラグを添加したコンクリートに添加される公知のものが適宜利用できる。例えばブリーディング抑制をより一層確実に行うために、ＭＣ、ＨＥＣ、ウエランガム等の水溶性高分子を少量添加しても構わない。アルカリ刺激剤は特に添加する必要はない。

上記のコンクリートを適用したＲＣＤ工法の施工は、基本的には従来と同様に行えばよい。ただし、高炉スラグを多量に配合した上記のコンクリートは水和熱の発生が低く抑えられるので、ＲＣＤ工法における１層あたりのリフト高さを大きくすることができる。従来、ＲＣＤ工法では温度応力ひび割れの観点から１層あたりのリフト高さを１ｍを超える高さとすることが難しかった。本発明によればリフト高さを１.２ｍ以上とすることが可能である。従来と同様の冷却設備を適用すれば、３ｍ程度のリフト高さを実現することも可能と考えられる。ただし、締固めの作業性等を考慮すると２.５ｍ以下あるいは２ｍ以下とすることが好都合である。一方、夏期において堤体の冷却設備を設置しない施工を実施することは堤体建設コストの低減に極めて有効である。その場合、外気温が例えば２５℃以上となる時期に、堤体の冷却設備を設置することなく、１層あたりのリフト高さを１.２〜２ｍあるいは１.２〜１.６ｍとしてＲＣＤ工法の打設を行う堤体の構築方法が実現できる。また、従来は堤体のＲＣＤ工法においては温度応力ひび割れを抑制するために打上がり速度、打込み温度、目地切り間隔などの規制が設けられているが、本発明によればこれらの規制を緩和することができる。

表１に示す配合の超硬練りゼロスランプコンクリートを想定し、硬化時に発生する水和熱の相対比較試験、および材齢９１日の圧縮試験を行った。これらの試験では表１の配合から粗骨材Ｇ８０およびＧ１５０を除いたコンクリートを用いた。粉体材料としては以下のものを使用した。
・セメント：普通ポルトランドセメント、ブレーン比表面積３４００ｃｍ²／ｇ
・高炉スラグ微粉末：ブレーン比表面積約４０００ｃｍ²／ｇ、ＳｉＯ₂；３３％、Ａｌ₂Ｏ₃；１６％、Ｆｅ₂Ｏ₃；１％、ＣａＯ；４３％、ＭｇＯ；６％
・フライアッシュ：ＪＩＳＡ６２０１、II種相当品

〔水和熱の相対比較試験〕
各コンクリート混練物を５００ｍｍ×５００ｍｍ×５００ｍｍの型枠内に打設し、コンクリート試験体を作製した。型枠の外側を断熱材で囲んだ。試験体中央部に設置した熱電対により硬化時の温度変化をモニターした。打込み温度は２１〜２４℃、硬化中の外気温は２３〜２７℃であった。表１中に、打設からの材齢が２.５日時点および１０日時点における内部温度を例示する。各配合のコンクリートについて同一条件で断熱材を使用していることから、「水和熱の発生量」に及ぼす「結合材に占める高炉スラグ微粉末量」（以下「高炉スラグ置換量」という）の影響を相対的に比較することができる。表１に見られるように、従来のＲＣＤコンクリートの標準的な配合（フライアッシュ置換率３０％）である試料Ｎｏ.１に比べ、高炉スラグ置換量が７１％以上のものは水和熱の発生が少なく、高炉スラグ置換量が８０％以上になると水和熱の発生が急激に低減することがわかる。

〔材齢９１日圧縮強度〕
各コンクリート混練物の硬化体について、ＪＩＳＡ１１３２：２００６に準拠して材齢９１日の圧縮強度を測定した。アルカリ刺激剤は使用していない。結果を表１中に示す。いずれの試験体も、高炉スラグ微粉末を多量に配合したことによるコンクリートの硬化不良は見られず、材齢９１日圧縮強度は１５〜３５Ｎ／ｍｍ²の範囲に収まっていた。セメントの大部分を高炉スラグ微粉末で置換した超硬練りゼロスランプコンクリートはＲＣＤコンクリートとして適用できるものであることが確認された。粗骨材の配合を表１のように調整したＲＣＤコンクリートが大規模ダムの構造材料として十分な強度特性を有することは過去の実績からも実証されている。

Claims

ＲＣＤ工法によりコンクリート堤体を構築するに際し、粗骨材最大寸法５０〜２００ｍｍ、単位結合材量１００〜１７０ｋｇ／ｍ³、単位細骨材量６００〜８００ｋｇ／ｍ³、単位粗骨材量１４００〜１７００ｋｇ／ｍ³の超硬練りコンクリート配合において、結合材に占める高炉スラグ微粉末量を７１〜９６質量％とした、材齢９１日の圧縮強度が１５〜３５Ｎ／ｍｍ²となる性質を有するゼロスランプコンクリートを堤体内部の構成材料として適用し、堤体の冷却設備を設置せずに１層あたりのリフト高さを１.２〜２.０ｍとしてＲＣＤ工法の打設を行うコンクリート堤体の構築方法。
前記コンクリートは単位水量を８０〜１１０ｋｇ／ｍ ³ としたものである請求項１に記載のコンクリート堤体の構築方法。
前記コンクリートは水結合材比を６０〜１００％としたものである請求項１または２に記載のコンクリート堤体の構築方法。
前記コンクリートは結合材に占める高炉スラグ微粉末量を８５〜９６質量％としたものである請求項１〜３のいずれかに記載のコンクリート堤体の構築方法。
外気温が２５℃以上となる時期に堤体の冷却設備を設置せずに１層あたりのリフト高さを１.２〜２.０ｍとしてＲＣＤ工法の打設を行う請求項１〜４のいずれかに記載のコンクリート堤体の構築方法。