JP6316693B2 - コンクリート用埋設部材 - Google Patents
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Description
本発明は、コンクリート用埋設部材に関する。
コンクリート構造物には、鉄筋以外にも、治具等を埋設することがある。例えば、コンクリートの型枠の幅や厚みを確保するためのセパレータや、型枠面と鉄筋との間隔を保持するためのスペーサ等である。これに加え、コンクリートの状態を検出するセンサ等のコンクリート用埋設部材、およびこれらの取り付け治具等が挙げられる。特許文献１は、センサの発明に関し、埋設対象である構造物の耐力を低下させない強度をもつ外装部で、アルミナ、ジルコニア、窒化珪素、炭化珪素に代表されるファインセラミックス材料、或いは、検査対象の構造物のコンクリートと同等以上の強度を有するコンクリート、モルタル若しくはペーストを用いることが開示されている。
一方、コンクリート構造物、または、コンクリート製品は、コンクリートの打設後のセメント水和発熱による内部発熱や、蒸気養生、直射日光等による外部からの加熱を受け、急激な温度変化を受けることがある。
温度変化を受けたコンクリート部材は、構造物を構成する各種材料の熱膨張特性に依存した体積変化が生じるが、コンクリートと鉄は、温度変化に伴う体積変化の割合が近いため、温度変化にともなう体積変化の差異が少ない。
一方、コンクリートに埋設して使用する部材の熱膨張特性が、コンクリートと異なる場合、温度変化にともなう体積変化の割合の違いから、ひずみ（応力）が生じることとなり、前記の体積変化の割合の違いが大きいほど、発生ひずみ（応力）が大きくなり、場合によっては、コンクリートにひび割れ等を生じさせることもある。
したがって、コンクリートに埋設する部材は、熱膨張特性が近いものが好ましく、一般には、セメント硬化体や、鉄などの金属が用いられる。
ところが、これらの埋設用構造部材（スペーサ、インサート、各種センサの外装材等）に、セメント硬化体以外の部材を用いた際、特に、前記のアルミナ、ジルコニア、窒化珪素、炭化珪素を用いたときは、熱膨張特性がコンクリートと異なるため、温度変化が生じた際に体積変化の割合が異なり、躯体のコンクリートと埋設部材との間にひずみが生じることがある。そのため、高強度モルタルなどのコンクリートと同種の熱膨張特性の埋設用構造部材を用いて、当該部材の強度が、埋設対象のコンクリートよりも高いことを条件に、採用されているのが現状である。一方、鉄は強度面では要求性能を満足するが、コンクリートの中性化や外来塩分による腐食の可能性を有しており、構造物の部位や設置される環境によって使用が適さないことがある。
近年では、埋設対象のコンクリート自体の高強度化が著しいため、前記の背景から、埋設部材の選定が難しくなってきている。特に、コンクリート構造物への開口等、コンクリート構造物表面への露出のない完全な埋設用構造部材では、温度変化に起因して生じる応力の開放ができないため、温度変化の応力によるひび割れ発生の懸念が生じている。
本発明は、安定な埋設用構造部材であって、コンクリート構造物が、急激な温度変化を受けても、コンクリートと埋設部材との間に温度変化に起因した体積変化の差がなく、埋設後のコンクリート構造物に、体積変化の差を原因とする応力集中が生起せず、堅牢性を保持できるコンクリート用埋設部材を、提供することを課題とした。
上記の目的を達成するために、コンクリート用埋設部材であって、マイナス２０℃から９０℃の温度範囲で熱膨張係数が７〜１１×１０-6／℃、モース硬度７〜８、曲げ強度５０ＭＰａ〜２５０ＭＰａであるセラミックス部材を用いたことを特徴とするコンクリート用埋設部材、を提供する。
従来、コンクリート構造物に対してセンサ等を埋設するときは、モルタル製の外装の埋設体で、充分であった。しかし、高強度のコンクリート構造物にセンサ等を埋設部材とするときは、構造物に使用されるコンクリートの強度に適して、かつ急激な温度変化に対しても、全体が応力に耐えうることが必要である。
ここで、コンクリート用埋設部材の材料特性として、マイナス２０℃から９０℃の温度範囲で熱膨張係数が７〜１１×１０-6／℃であることが好ましい。マイナス２０℃から９０℃の温度範囲と限定したのは、通常のコンクリート構造物の置かれる環境温度、加熱養生での熱履歴の温度、マスコンクリートにおける内部発熱による上昇温度を想定したからである。
この熱膨張係数であれば、コンクリートの熱膨張係数が７〜１３×１０-6／℃であるので、該埋設部材をコンクリートに埋設しても温度変化に起因した体積変化の差異が小さいため、温度応力が生起しにくく、ひび割れの発生を抑制することが可能となる。該埋設部材の熱膨張係数が７×１０-6／℃未満でも、または熱膨張係数が１３×１０-6／℃を上回っても、急激な温度変化に対して、埋設対象であるコンクリートと埋設部材との間に、体積変化の差異に起因した応力が発生し、発生応力が大きい場合にはひび割れを生じる可能性がある。
また、セラミックス部材のモース硬度は、モース硬度７〜８であることが好ましい。このモース硬度であれば、セラミックス部材の切削加工、ねじ切り加工が、容易であり、精度良く加工が実施できる。
さらに、曲げ強度５０ＭＰa以上を確保することにより、現存するコンクリート構造物のコンクリート強度を上回るため、対象を選ばず設置することが可能となる。曲げ強度５０ＭＰａ未満では、高強度コンクリートに適用できない場合が生ずるため、好ましくない。高強度コンクリートとは、６０Ｎ／ｍｍ２以上の圧縮強度を有するコンクリートである。高強度コンクリートを用いた構造物に埋設する部材は、当該のコンクリート強度に対して、安定して当該強度を上回る強度特性が要求されるため、当該のセラミックス部材の適用がとくに有用である。
また、曲げ強度は２５０ＭＰａ以下であることが好ましい。曲げ強度が２５０ＭＰａを超えるセラミックス部材は、そのヤング率が、コンクリート構造物に使用される鉄筋のヤング率である２００ＧＰａを上回るため、好ましくない。セラミックス部材のヤング率が鉄筋のヤング率を上回ると、セラミックス部材の変形性能が鉄筋と比して小さくなり、構造物に外力が生じた場合にひずみ差が生じるため、前記ひずみ差に起因した内部応力が発生する可能性があるからである。
当該の埋設部材は、塩分や炭酸ガスなどとの反応性を有しない安定な材質であり、密実性が高いため、コンクリート構造物に埋設しても欠陥の起点となる可能性がない。また、該埋設部材は、結晶質であることから、コンクリートに含まれるアルカリ成分（ナトリウム、カリウム、等）と反応することがないため、アルカリ骨材反応といったコンクリート特有の劣化現象が生じる懸念もない。
この埋設部材は、単独使用以外にも、アンカーピンやインサート等の金属材料とともに、他の部材と組み合わせて使用することができる。また、埋設部材自体を、他のセラミックスやセメントペースト、セメントモルタル等の組み合わせて用いることもできる。
前記セラミックス部材が、センサ外装部材であることを特徴とするコンクリート用埋設部材、を提供する。
センサ外装部材として、従来、アルミナ、ジルコニア、窒化珪素、炭化珪素が用いられている。しかし、これらも、部材の単独の強度面では優位であるが、コンクリートとの熱膨張率との差が大きく、環境温度の変化に対しては、体積変化に差異が生じ、部材内に応力が生起することがあった。これに、前記特性の該セラミックスを用いることで、温度変化に対しても堅牢な外装部材とすることができる。
センサ外装材は、そのセンサの種類によっては、全体を同一のセラミックスで構成すると、センサの役割が果たせなくなる場合がある。例えば、腐食センサでは、腐食因子が、外装材の内部の腐食感知部まで、到達する必要があり、そのためには、センサ外装部の一部をポーラスセラミックスやセメントモルタルで形成することができる。セメントモルタルはコンクリートと同じセメント硬化体であるため、センサ外装材の一部をセメントモルタルとして形成しても、複合化した外装材自体が堅牢性を保つことができる。
前記セラミックス部材がステアタイト又はフォルステライトであることを特徴とするコンクリート用埋設部材、を提供する。
ステアタイト又はフォルステライトは、ともに、マグネシアとシリカを原料として、化学的量論比で所定量を焼成して製造する。所定温度で焼成した焼結体を粉砕後、所定粉末度とするか、顆粒状に成形して、ステアタイト又はフォルステライトの成形前原料を作成した。本原料を型枠にて、プレス成形して所定の外装部形状として、さらに電気炉で焼結させて製造した。
ステアタイト又はフォルステライトは、ともに、マイナス２０℃から９０℃の温度範囲で熱膨張係数がそれぞれ、７．８、１０×１０-6／℃、モース硬度７、８、曲げ強度１２０〜１２５、１４０〜１４５ＭＰａであり、ヤング率は１０５〜１１０ＧＰａ、１２５〜１３０ＧＰａであった。更に、熱伝導率がアルミナに較べて小さいので、急激な温度変化が生じにくく、断熱効果を要するセンサ外装部材として有用である。
前記セラミックス部材に凹部を設け、凹部を金属製取り付け治具で挟み込み、ともにコンクリート構造物に内包させて、鉄筋に取り付けるコンクリート用埋設部材の埋設方法、を提供する。
例えば、ステアタイト又はフォルステライトは、モース硬度が、アルミナより小さく、加工性がよいので、支持部を凹部として形成し、これに金属製取り付け治具で挟み込み、支持部とともに、鉄筋に取り付け、コンクリート用埋設部材として使用することができる。
前記セラミックス部材に、ねじ部のある凹部を設け、金属製アンカーピン、又はこの接続部品に前記ねじ部に嵌合できるねじ部を設けて、金属製アンカーピンの少なくとも一部をコンクリート構造物に内包して取り付けるコンクリート用埋設部材の埋設方法、を提供する。
特に、セラミックス部材を切削して円柱凹部を設け、この凹部の内壁にねじ部を加工して設けることができる。一方、金属製ボルトの一端を、ねじ込み嵌合し、金属製ボルトの他端に、アンカーネット等の支持具に取り付け可能である。そして、金属製ボルトとともに、コンクリート構造物に内包して取り付けることができる。
本発明は、コンクリート用埋設体を内包するコンクリート構造物が、急激な温度変化を受けても、埋設体と埋め込まれたコンクリートとの体積変化の差異が極めて小さく、安定な埋設用構造部材であって、コンクリート構造物に用いても温度変化に起因した応力が生起せず、堅牢性を保持できるコンクリート用埋設部材を実現した。
以下、本発明の実施形態についてさらに詳細に説明する。
（外装材の構成）
図１は、本実施形態に係るステアタイト外装部材を用いたコンクリート用埋設部材１０（センサ）である。検出部１１をステアタイト外装部１２に装着し、モルタル１４で被覆する模式図である。検出部１１は、長方形状としている。検出部１１は、ステアタイト外装部の凹部１３にセットし、その表面を被覆部１４で、モルタルコートする。図１（a）は、被覆部１４が、外装部の凹部１３全体を被覆するコンクリート用埋設部材である。又、図１（ｂ）の通り、外装部の一部を、ステアタイトとするコンクリート用埋設部材である。
図１は、本実施形態に係るステアタイト外装部材を用いたコンクリート用埋設部材１０（センサ）である。検出部１１をステアタイト外装部１２に装着し、モルタル１４で被覆する模式図である。検出部１１は、長方形状としている。検出部１１は、ステアタイト外装部の凹部１３にセットし、その表面を被覆部１４で、モルタルコートする。図１（a）は、被覆部１４が、外装部の凹部１３全体を被覆するコンクリート用埋設部材である。又、図１（ｂ）の通り、外装部の一部を、ステアタイトとするコンクリート用埋設部材である。
（センサの説明）
本部材を外装材として適用した腐食センサは、鉄筋コンクリート構造物中の鉄筋の腐食環境を検出するセンサであって、鉄筋を腐食させる因子（以下、腐食因子）のコンクリートへの浸透状態を検出する検出部と、前記検出部を被覆する腐食因子の浸透を妨げないセンサ被覆部（以下、被覆部）と埋設対象である構造物の耐力を低下させない強度をもつセンサ外装（以下、外装部）と、を備えることを特徴としている。
本部材を外装材として適用した腐食センサは、鉄筋コンクリート構造物中の鉄筋の腐食環境を検出するセンサであって、鉄筋を腐食させる因子（以下、腐食因子）のコンクリートへの浸透状態を検出する検出部と、前記検出部を被覆する腐食因子の浸透を妨げないセンサ被覆部（以下、被覆部）と埋設対象である構造物の耐力を低下させない強度をもつセンサ外装（以下、外装部）と、を備えることを特徴としている。
検知部１１が腐食センサの場合は、金属薄膜や細線が腐食環境となり腐食が生じることによる電気特性の変化を検出する。腐食センサは、コンクリートに埋設して使用するため、該腐食センサの検出部の大きさとして、コンクリートに使用される骨材の寸法よりも大きな面積を有している。そのため、腐食センサの外装部は、少なくとも４０ｍｍ四方の面積と、５ｍｍ以上の厚さを有する寸法となる。このため、このような大きさを有する各種センサを保護する外装部に用いる材料の特性として、コンクリートと類似の熱膨張係数を有する本部材を用いることができる。
（外装材の大きさ）
本部材の大きさとしては、長さ４０〜１０００ｍｍである場合にとくに有用である。長さ４０ｍｍ未満の場合、温度変化に起因した体積変化の差異が小さいため、温度応力が生起しにくい。長さ１０００ｍｍを上回る場合、製造において焼結過程での収縮での歩留まりが低下し、また欠陥を生じやすくなるため、安定した部材の製造と強度の担保が難しくなるため、好ましくない。
本部材の大きさとしては、長さ４０〜１０００ｍｍである場合にとくに有用である。長さ４０ｍｍ未満の場合、温度変化に起因した体積変化の差異が小さいため、温度応力が生起しにくい。長さ１０００ｍｍを上回る場合、製造において焼結過程での収縮での歩留まりが低下し、また欠陥を生じやすくなるため、安定した部材の製造と強度の担保が難しくなるため、好ましくない。
（製造方法等）
コンクリート用埋設部材であって、マイナス２０℃から９０℃の温度範囲で熱膨張係数が７〜１１×１０-6／℃、モース硬度７〜８、曲げ強度５０〜２５０ＭＰａであるセラミックス部材は、具体的には、次ぎのように製造した。
コンクリート用埋設部材であって、マイナス２０℃から９０℃の温度範囲で熱膨張係数が７〜１１×１０-6／℃、モース硬度７〜８、曲げ強度５０〜２５０ＭＰａであるセラミックス部材は、具体的には、次ぎのように製造した。
（製造各論）
例えば、ステアタイト焼結体は、酸化マグネシウム， 酸化珪素の原料粉末に適当な有機バインダ， 溶剤および可塑剤， 分散剤を添加混合して泥漿物を作り、この泥漿物を周知のスプレイドライ法を用いて顆粒化し、この顆粒を所定の形状のプレス金型によりプレス成形した後、焼成することによって得る。また、主原料として、滑石（３ＭｇＯ・４ＳｉＯ２・Ｈ２Ｏ）を用いることもできる。
例えば、ステアタイト焼結体は、酸化マグネシウム， 酸化珪素の原料粉末に適当な有機バインダ， 溶剤および可塑剤， 分散剤を添加混合して泥漿物を作り、この泥漿物を周知のスプレイドライ法を用いて顆粒化し、この顆粒を所定の形状のプレス金型によりプレス成形した後、焼成することによって得る。また、主原料として、滑石（３ＭｇＯ・４ＳｉＯ２・Ｈ２Ｏ）を用いることもできる。
（膨張係数の測定方法）
こうして得られた焼結体を、押し棒式膨張計で測定した。測定は試料の寸法変化を試料端面に接触させた押し棒(push rod)を介して外部に置かれた変位検出器により検出した。線膨張率値が既知であるアルミナを参照焼結体とした。装置の形式は測定に際して被測定試料と参照物質を同時に用いる示差膨脹式を用いた。変位検出器としては差動トランスを用いた。変位検出における分解能は0.1μm程度である。具体的測定は、JIS R 1618-2002「ファインセラミックスの熱機械分析による熱膨張の測定方法」に準じて行った。結果は、ステアタイト焼結体とフォルステライト焼結体で、それぞれ、７．８、１０×１０-6／℃であった。
こうして得られた焼結体を、押し棒式膨張計で測定した。測定は試料の寸法変化を試料端面に接触させた押し棒(push rod)を介して外部に置かれた変位検出器により検出した。線膨張率値が既知であるアルミナを参照焼結体とした。装置の形式は測定に際して被測定試料と参照物質を同時に用いる示差膨脹式を用いた。変位検出器としては差動トランスを用いた。変位検出における分解能は0.1μm程度である。具体的測定は、JIS R 1618-2002「ファインセラミックスの熱機械分析による熱膨張の測定方法」に準じて行った。結果は、ステアタイト焼結体とフォルステライト焼結体で、それぞれ、７．８、１０×１０-6／℃であった。
この熱膨張係数であれば、コンクリートの熱膨張係数が７〜１３×１０-6／℃であるので、該埋設部材をコンクリートに埋設しても温度変化に起因した体積変化の差異が小さいため、温度応力が生起しにくく、ひび割れの発生を抑制することが可能となる。該埋設部材の熱膨張係数が７×１０-6／℃未満でも、あるいは熱膨張係数が１３×１０-6／℃を上回っても、急激な温度変化に対して、埋設対象であるコンクリートと該埋設部材との体積変化の差異に起因した応力が発生し、コンクリート構造物にひび割れを生じる可能性がある。
（モース硬度）
モース硬度は、標準鉱物に、燐灰石（モース硬度５）、正長石（モース硬度６）、石英（モース硬度７）、トパーズ（モース硬度８）、コランダム（モース硬度９）を用いて測定をおこなった。その結果、７であった。このモース硬度であれば、セラミックス部材の切削加工、ねじ切り加工が、容易で、寸法精度が良好であった。
モース硬度は、標準鉱物に、燐灰石（モース硬度５）、正長石（モース硬度６）、石英（モース硬度７）、トパーズ（モース硬度８）、コランダム（モース硬度９）を用いて測定をおこなった。その結果、７であった。このモース硬度であれば、セラミックス部材の切削加工、ねじ切り加工が、容易で、寸法精度が良好であった。
センサ外装材は、そのセンサの種類によっては、全体を同一のセラミックスで構成すると、センサの役割が果たせなくなる場合がある。例えば、腐食センサでは、腐食因子が、外装材の内部の腐食感知部まで、到達する必要があり、そのためには、センサ外装部の一部をポーラスセラミックスやポーラスモルタルで形成することができる。ポーラスモルタルを使用するとき、セメントモルタルはコンクリートと同じセメント硬化体であるため、センサ外装材の一部をセメントモルタルとして形成しても複合化した外装材自体が堅牢性を保つことができる。
図２は、別の形態であるセンサであるコンクリート用埋設部材１０に凹部１５を、金型を用いたプレス成形で設け、凹部を金属製取り付け治具３０で挟み込み、ともにコンクリート構造物に内包させて、鉄筋２０に取り付けるコンクリート用埋設部材を図示したものである。
ステアタイト又はフォルステライトは、熱膨張係数が７〜１１×１０-6／℃であるため、コンクリートおよび鋼材との熱膨張係数の差が小さいため、金属治具を使用して、コンクリートに埋設することができる。例えば図２のように、側面の支持部を凹部１５として形成し、これに金属製取り付け治具３０で挟み込み、支持部とともに、コンクリート構造物に内包させて、鉄筋に取り付けるコンクリート用埋設部材として埋設することができる。新築のコンクリート構造物では、コンクリートに打設前に組上げた鉄筋部にコンクリート用埋設部材を取り付けて埋設体とするときに用いることができる。
また、モース硬度が７〜８であると、セラミックス部材に凹部ねじ部を設け、金属製アンカーピンに凸部ねじを設ける等で嵌合させ、金属製アンカーピンの少なくとも一部をコンクリート構造物に内包して取り付けるコンクリート用埋設部材とすることができる。
コンクリート構造物を修復する際に、鉄筋部を取り付け部として使用できないときは、ハツリによって形成した空間部を形成して、埋設部材を設置する必要が生ずる。このとき、鉄筋等の固定した支持部が利用できない場合が多い。
図３は、ハツリして形成した空間にコンクリート用埋設部材を設置する例である。前記セラミックス製部材（センサ）１０に円柱凹部１６を設け、この凹部の内壁にねじ部を切削して設けることができた。ステアタイト又はフォルステライトは、モース硬度が、アルミナより小さく、加工性がよいので、切削加工が可能である。一方、このねじに金属製ボルト５０を用いて、ねじ込み嵌合した。このとき、金属ボルトの他の一端に接合部を取り付け、アンカーピン４０等の支持具に取り付け可能である。そして、アンカーピンは、予めハツリにより形成したコンクリート面１００に装着し、ハツリで生じた空間をコンクリート打設で埋め込むとコンクリート構造物に内包した、コンクリート用埋設部材を取り付けることができる。
１０：コンクリート用埋設部材（センサ）
１１：検出部
１２：外装部
１３：凹部
１４：被覆部
１５：側面切削凹部
１６：円柱状切削凹部
２０：鉄筋
３０：金属製取り付け治具
４０：アンカーピン
５０：取り付け用ボルト
１００：コンクリート面
１１：検出部
１２：外装部
１３：凹部
１４：被覆部
１５：側面切削凹部
１６：円柱状切削凹部
２０：鉄筋
３０：金属製取り付け治具
４０：アンカーピン
５０：取り付け用ボルト
１００：コンクリート面
Claims (4)
- マイナス２０から９０℃の温度範囲で熱膨張係数が７〜１１×１０-6／℃、モース硬度７〜８、曲げ強度５０〜２５０ＭＰａであるセラミックス部材を用いたコンクリート構造用埋設部材であって、側面に支持部が凹部として形成され、金属製取り付け治具で挟み込まれ、支持部とともに、コンクリート構造物に内包され鉄筋に取り付けて用いられるコンクリート用埋設部材。
- マイナス２０から９０℃の温度範囲で熱膨張係数が７〜１１×１０-6／℃、モース硬度７〜８、曲げ強度５０〜２５０ＭＰａであるセラミックス部材を用いたコンクリート構造用埋設部材に、ねじ部のある凹部を設け、金属製アンカーピン、又はこの接続部品に前記ねじ部に嵌合できるねじ部を設けて、金属製アンカーピンの少なくとも一部をコンクリート構造物に内包して取り付けるコンクリート用埋設部材の埋設方法。
- 前記セラミックス部材が、センサ外装部材であることを特徴とする請求項２記載のコンクリート用埋設部材の埋設方法。
- 前記セラミックス部材が、ステアタイト又はフォルステライトであることを特徴とする請求項２又は請求項３記載のコンクリート用埋設部材の埋設方法。
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