JP7208692B1 - コンクリート構造材を踏段部分に備えた階段構造 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明では、変形しやすい弾性的特性を発現するとともに構造材としての強度を有するコンクリート構造材を提供することを目的とするものである。【解決手段】本発明に係るコンクリート構造材は、圧縮強度試験（JIS A 1108）による圧縮強度が０．１～５．０Ｎ／ｍｍ2で変形回復率が７０％以上である上側硬化層及び圧縮強度試験（JIS A 1108）による圧縮強度が５０～１５０Ｎ／ｍｍ2で曲げ強度試験（JIS A 1106）による曲げ強度が１０～５０Ｎ／ｍｍ2である下側硬化層が一体化して構成されている。【選択図】図１
Description
本発明は、階段等の構造物に好適な特性を備えたコンクリート構造材に関する。
土木、建築分野において主な構造材としてコンクリート構造材が使用されており、構造材として必要となる力学特性に対応して十分な強度を有することが求められている。また、コンクリート構造材は、使用個所に応じて強度以外の特性を求められており、そうした特性を実現するために、例えば、壁面の場合には断熱材等を組み合せたり、床面の場合にはクッション材を組み合せて施工することが行われている。
例えば、特許文献１では、コンクリートの表面に弾性上面カバーを組み合せた段部を取り付けた足音を減じるためのコンクリート階段が記載されている。また、特許文献２では、コンクリート等の材料により成形された階段表面仕上げ材を取り付けたコンクリート階段が記載されている。
また、本発明者らは、セメントに、セルロースナノファイバー（以下「ＣＮＦ」という。）及びポリビニルアルコール（以下「ＰＶＡ」という。）を配合したセメント組成物を硬化させた変形回復率が５０％以上の硬化体を開発しており（特許文献３参照）、新たな特性を備えた材料を提案している。
上述したように、コンクリート構造材では、強度以外の特性を付与する場合、そうした特性を備えた部材を組み合せることが行われているが、こうした部材の組合せでは長期間の使用による部材の劣化や部材の分離といった問題が生じるおそれがあり、こうした問題への対策が必要となる。例えば、特許文献１に記載されているように、階段の踏み板を別部材として弾性上面カバーを取り付ける場合、長期間の使用により上面カバーの劣化が進み、減音効果が小さくなるおそれがある。
特許文献３に記載された硬化体では、コンクリート構造材として単体で使用する場合、強度の点で制約があるといった課題がある。
そこで、本発明では、軽量で変形しやすい弾性的特性を発現するとともに構造材としての強度を有するコンクリート構造材を提供することを目的とするものである。
本発明に係るコンクリート構造材は、コンクリートから形成された上側硬化層及び下側硬化層が同時硬化処理により一体化しているコンクリート構造材であって、上側硬化層は、セルロースナノファイバー及びポリビニルアルコールを含み、材齢２８日後において分離した単層状態で圧縮強度試験（JIS A 1108）による圧縮強度が０．１～５．０Ｎ／ｍｍ2で圧縮変形直後から１分～２分経過後の変形回復率が７０％以上であり、下側硬化層は、材齢２８日後において分離した単層状態で圧縮強度試験（JIS A 1108）による圧縮強度が５０～１５０Ｎ／ｍｍ2で曲げ強度試験（JIS A 1106）による曲げ強度が１０～５０Ｎ／ｍｍ2である。
本発明は、圧縮強度が０．１～５．０Ｎ／ｍｍ2で変形回復率が７０％以上の上側硬化層及び圧縮強度が５０～１５０Ｎ／ｍｍ2で曲げ強度が１０～５０Ｎ／ｍｍ2の下側硬化層を一体化したコンクリート構造材であるので、変形しやすい弾性的特性を発現する上側硬化層が構造材としての強度を有する下側硬化層と一体化して弾性的特性及び強度特性の両方を備えたコンクリート構造材を得ることができる。
また、本発明に係るコンクリート構造材は、上側硬化層にＣＮＦ及びＰＶＡを配合することで、従来のものに比べて軽量化することが可能となっており、交換等の補修作業を容易に行うことができる。
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明を実施するにあたって好ましい具体例であるから、技術的に種々の限定がなされているが、本発明は、以下の説明において特に本発明を限定する旨が明記されていない限り、これらの形態に限定されるものではない。
図１は、本発明に係るコンクリート構造材に関する断面構造を模式的に示す断面図である。コンクリート構造材１は、コンクリートで一体形成された下側硬化層１０及び上側硬化層２０の二層構造となっている。
下側硬化層１０は、通常のコンクリートと同様に、主成分となるセメントに、粗骨材、細骨材等の骨材及び練り水を配合して練り上げたセメント組成物を硬化させて形成されており、圧縮強度試験（JIS A 1108）による圧縮強度が５０～１５０Ｎ／ｍｍ2で曲げ強度試験（JIS A 1106）による曲げ強度が１０～５０Ｎ／ｍｍ2である強度特性を備えている。
上側硬化層２０は、主成分となるセメントに、粗骨材、細骨材等の骨材及び練り水とともにＣＮＦ及びＰＶＡを配合して練り上げたセメント組成物を硬化させて形成されており、圧縮強度試験（JIS A 1108）による圧縮強度が０．１～５．０Ｎ／ｍｍ2で変形回復率が７０％以上である変形しやすい弾性的特性を備えている。
こうした弾性的特性を有する上側硬化層は、セメントと、セメントに対する配合割合が０．１質量％～５質量％であるＣＮＦ（セルロースナノファイバー）と、セメントに対する配合割合が１００質量％～４００質量％であるＰＶＡ（ポリビニルアルコール）とを少なくとも含有するセメント組成物から作成することができる。また、セメント組成物には、セメントに対する配合割合が２質量％～２０質量％である鉱物粒をさらに含有することが好ましい。
コンクリート構造材１は、後述するように、下側硬化層１０となるセメント組成物の上側に上側硬化層２０となるセメント組成物を配置し、両者が一体化した状態で養生を行うことで硬化させているため、変形しやすい弾性的特性を発現する上側硬化層が構造材としての強度を有する下側硬化層と一体化して弾性的特性及び強度特性の両方を備えたコンクリート構造材を得ることができる。
また、上側硬化層１０にＣＮＦ及びＰＶＡを配合していることから、従来のコンクリート構造材に比べて軽量化を図ることができる。コンクリート構造材の密度は、弾性的特性及び強度特性のバランスからみて、１．２ｇ／ｃｍ3～１．７ｇ／ｃｍ3に設定することが好ましい。
コンクリート構造材１のこうした特性は、例えば、上側硬化層２０が厚くなるほど変形しやすくなって弾性的特性がより発現するようになり、下側硬化増１０が厚くなるほど変形しにくくなって強度特性を高めることができる。また、補強体を内蔵することでも変形を抑えて強度特性を高めることができ、構造材としての用途に応じて弾性的特性及び強度特性を調整することが可能となる。コンクリート構造材１の特性は、圧縮試験による測定データにより定量的に把握することが可能で、圧縮荷重、圧縮変形量及び圧縮変形での変形回復率といったデータに基づいて用途に応じた性能を備えているか把握することができる。
コンクリート構造材１には、上側硬化層２０の上面に表面層を積層することも可能で、例えば、遮水性の樹脂コーティング層、モルタル等の仕上げ層といった表面層が挙げられる。
コンクリート構造材１には、補強体を内蔵させて強度を向上させることも可能で、例えば、立体形状の金属製立体補強体、シート状の金属製補強体を単体又は組み合せて内蔵させることができる。
図２は、金属製立体補強体を内蔵したコンクリート構造材１の断面図である。この例では、コンクリート構造材１は、角柱形状に形成されている。内部には、図３に示すように、金属製のメッシュを円筒状に成形した金属製補強体３０が層の境界面に沿うように配置されて下側硬化層１０及び上側硬化層２０に跨るように内蔵されている。図２（ａ）では、金属製補強体３０は円筒形状に一体化しているが、図２（ｂ）では、金属製補強体３０’は軸方向に沿って所定幅で間隔３０’ａを空けた状態で結束されており、軸方向と直交する方向の荷重に対して変形しやすい形状となっている。
金属製補強体を内蔵することで、コンクリート構造材１全体の強度を補強するとともに両硬化層が分離しないように一体化するようになっており、金属製補強体の構造を変更することで、コンクリート構造材の変形及び強度の程度を調整することが可能である。
図４は、広幅に形成されたコンクリート構造材１の断面図である。この例では、図３に示す金属製立体補強体３０を幅方向に一対配置し、金属製立体補強体３０の上下にメッシュ状の金属製補強シート体３１を当接して結束具３２より固定した補強体を内蔵している。
一対の金属製立体補強体３０は、下側硬化層１０及び上側硬化層２０に跨るように配置されており、広幅に形成されたコンクリート構造材１全体の強度を補強して両硬化層が一体化した状態を保持するようになっている。
図５は、コンクリート構造材１を踏段部分に使用した階段構造の断面図である。階段構造Ｓの基台１００の踏段部分に合わせて成形された図４に示す広幅のコンクリート構造材１を配置して固定することで、階段の昇降時に踏段部分で受ける衝撃をコンクリート構造材１で緩和することができ、利用者の負担を軽減する階段を実現することが可能となる。また、軽量化されたコンクリート構造材は、容易に取り扱うことができるため、踏段部分にコンクリート構造材をボルト止め等により着脱可能に取り付けておくことで、コンクリート構造材が破損した場合に新しいものとの交換作業を容易に行うことが可能となる。
次に、コンクリート構造材１に使用する原料及び製造工程について、具体例を以下に説明する。
セメントは、普通ポルトランドセメントが好ましく、圧縮強度、引張強度及び流動性の観点から、鉱物組成がＣ3Ｓ（エーライト）４５質量％～５５質量％、Ｃ2Ｓ（ビーライト）１５質量％～２５質量％、Ｃ3Ａ（アルミネート相）５質量％～１０質量％、Ｃ4ＡＦ（フェライト相）８質量％～１０質量％であることが好ましい。メッシュ状の立体構造体といった補強材を内蔵する場合には、補強材の内部に容易に充填するための流動性を確保するためには、凝結を促進するＣ3Ａの成分量を抑えた組成とすることがさらに好ましい。
ＣＮＦ（セルロースナノファイバー）は、セルロース分子が直鎖状に配列した極細の繊維材料で、木材から得られた木材繊維又は植物繊維を化学的・機械的処理により繊維幅が数ｎｍ～数百ｎｍまで細かく解きほぐしたバイオマス素材である。
ＣＮＦは、水中に分散して三次元網目構造を形成することが知られており、高強度、高弾性率、低線膨張係数、高透明、ガスバリア性といった多くの優れた特性を備えている。また、軽量化、生産・廃棄での環境負荷の低減といった点でもメリットを有しており、様々な分野での応用に関して研究開発が進められている。
ＣＮＦのセメントに対する配合割合は、０．１質量％～５．０質量％であることが好ましく、０．１質量％より小さくなるとＣＮＦの特性が十分発現されないといったデメリットがあり、５．０質量％より大きい場合には高強度化の点でデメリットになる。
ＣＮＦを製造する場合、木材チップ等の使用原料をパルプ化した後、機械処理法、ＴＥＭＰＯ酸化法、ウォータージェット法といった公知の処理を行うことでさらに細かくして、スラリー状又は粉末状に形成して用いられる。水中対向衝突法（ＡＣＣ法）により微細化したものは、原料由来の特徴の違いが生じるようになり、例えば、針葉樹を原料とするパルプを用いたものが高強度化を図ることができるため好ましい。また、ＴＥＭＰＯ酸化処理を行う場合には、繊維幅が均一なナノファイバーが得られることから、高強度化の点で好ましい。
ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）は、ポリ酢酸ビニルのけん化物で、親水性が強く、温水にも可溶といった特性を備えている。用途に合わせて多種類のＰＶＡが開発されているが、本発明では、一部けん化型のものが好ましい。ＰＶＡを添加する場合には、予め水に溶解させた状態で添加するとよい。ＰＶＡの溶解に使用する水は、ＰＶＡの配合量に対して１５０質量％～２５０質量％の割合で添加するとよい。
ＰＶＡのセメントに対する配合割合は、１００質量％～４００質量％であることが好ましく、１００質量％より小さくなると変形しやすい弾性的特性が発現しにくくなり、４００質量％より大きい場合には、膨潤作用が顕著になるため、寸法安定性が低下する。
鉱物粒としては、粒径１ｍｍ～４ｍｍのものが好ましく、成分として硼珪酸塩鉱物（ＳｉＯ2、Ｎａ2Ｏ及びＢ2Ｏ3が主成分）を含有するものが好ましい。こうした粒径範囲のものをＣＮＦと併用することで、高強度化を発現するようになる。また、成分としてＳｉＯ2を含有することで、フライアッシュに類似した作用効果を得ることができる。
鉱物粒のセメントに対する配合割合は、２質量％～２０質量％であることが好ましく、２質量％より小さくなると強度低下といったデメリットがあり、２０質量％より大きい場合には、アルカリシリカ反応によるひび割れの発生といった問題がある。
コンクリートに用いる骨材としては、公知の粗骨材材を用いることができる。骨材のサイズは、５ｍｍのふるい目を通過しないものが８５％以上となるサイズのものを用いるとよい。また、メッシュ状の立体構造体からなる補強材を使用する場合には、メッシュを通過可能なサイズであることが好ましい。
セメントに練り混ぜる水及び養生水は、上水道水を用いることができ、５質量％～１５質量％を添加することが好ましい。
コンクリート用の混和剤としては、減水剤が挙げられる。減水剤としては、リグニン系、ナフタレンスルホン酸系、アミノスルホン酸系、ポリカルボン酸系の減水剤、高性能減水剤、高性能ＡＥ減水剤が挙げられる。高性能減水剤は、使用量を増加することにより減水性が向上するが、使用量を増加しても過剰な空気連行性や異常な凝結の遅延性が少ないため、単位水量を大幅に減少することができ、高強度コンクリートの製造に好ましい。減水剤は、コンクリートの粘性を低減する観点から０．３質量％～１．０質量％を添加することが好ましい。
補強材を用いる場合には、メッシュ状で立体形状の金属製立体補強体を用いることができる。こうした金属製立体補強体は、金属製の線材をメッシュ状に製織したシート体を立体形状に形成して、金属製の線材を互いに固定されることなくメッシュ状に交差させて構成された立体構造体とすることができる。金属製立体補強体は、耐久性の向上を図るためステンレス等の錆びにくい金属材料を用いることが好ましい。また、金属製立体補強体は、円筒体に成形して用いることが好ましい。
上述した金属製立体補強体は、コンクリート構造材内に埋設された状態では、コンクリート構造材の引張強度を向上させるように作用する。また、補強体を構成する線材は互いに固定されていないため、線材の線長方向及び線幅方向にずれるように動くことが可能となっている。そのため、後述するヤング率を低下させて、変形しやすい弾性的特性の向上を図ることができる。
また、コンクリート構造材の脆性破壊の際に、局部破壊に対応して補強体が線材自体の変形とともに線材をずらせながら変形し破壊の拡大を抑止するように作用するようになり、コンクリート構造材の脆性破壊に対する粘り強さを高めて高靱性・高耐久性を実現することができる。
コンクリート構造材の上側硬化層の露出表面に樹脂コーティング層を形成する場合には、遮水性の高い樹脂材料を用いるとよい。例えば、シリコン系樹脂塗料、アクリル系樹脂塗料が挙げられる。こうした塗料を上側硬化層の露出表面に対して付与して被膜を形成することで、遮水性を高めることができる。
コンクリート構造材を成形する場合には、上側硬化層及び下側硬化層に用いるセメント組成物をそれぞれ準備する。下側硬化層に用いるセメント組成物は、セメント及び水を所定の割合でミキサーに投入し、減水剤等の混和剤及び骨材を所定の配合割合で添加し、ミキサー内で撹拌して練り混ぜ合せる。撹拌時間は、５分～１０分に設定するとよい。金属製立体補強体を用いる場合には、メッシュ状の補強体の内部にスムーズに充填可能な流動性を確保することが好ましい。
上側硬化層に用いるセメント組成物は、セメント、水、ＣＮＦ及びＰＶＡを所定の割合でミキサーに投入し、必要に応じて、鉱物粒、減水剤等の混和剤及び骨材を所定の配合割合で添加し、ミキサー内で撹拌して練り混ぜ合せる。撹拌時間は、５分～１０分に設定するとよい。金属製立体補強体を用いる場合には、メッシュ状の補強体の内部にスムーズに充填可能な流動性を確保することが好ましい。
次に、下側硬化層となるセメント組成物を型枠内に打ち込んだ後、その上側に上側硬化層となるセメント組成物を型枠内に積層するように打ち込む。打ち込み後２４時間放置し、その後脱型して、強度試験材齢までＪＩＳ Ａ１１３２に準拠し大気養生（１５℃±２℃）を行う。こうしてコンクリート構造材を得る。また、下側硬化層及び上側硬化層の単体での強度特性を測定するために、それぞれのセメント組成物のみを型枠内に打ち込んで、コンクリート構造材と同様に養生して上側硬化体及び下側硬化体を得る。
作製されたコンクリート構造材及び上側硬化体は、圧縮強度試験（JIS A 1108）による圧縮強度試験で算出された圧縮歪曲線において、載荷開始から載荷荷重が１～２０ｋＮまでは、荷重の作用に対して内部に抵抗力（応力）が生じ、変形する変位（歪度）が直線的に増加する弾性挙動を示すようになる。
この直線の傾き（勾配）はヤング率として定義されていることから、弾性的特性の発現の指標とした。硬化体の圧縮歪曲線から得られた勾配値であるヤング率は１．０×１０1～１．０×１０3Ｎ／ｍｍ2で、従来のものより変形しやすい特性を発現している。
また、圧縮強度試験では、圧縮変形量の上限値まで変形しても破壊することはなく、載荷荷重を解除した直後には弾性体のように変形を回復するようになる。圧縮変形後のコンクリート構造材及び上側硬化体の変形回復特性は、圧縮方向の歪み量について変形直後の値（Ａ）及び所定時間（１分～２分）経過後の値（ａ）から以下の式より算出される変形回復率Ｒ（％）を指標とすることができる。
Ｒ＝［（Ａ－ａ）／Ａ］×１００
コンクリート構造材及び上側硬化体の変形回復率は、７０％以上であり、早期の変形回復を示すことから、弾性的な特性を備えている。
Ｒ＝［（Ａ－ａ）／Ａ］×１００
コンクリート構造材及び上側硬化体の変形回復率は、７０％以上であり、早期の変形回復を示すことから、弾性的な特性を備えている。
また、コンクリート構造材の圧縮変形特性については、圧縮方向の歪み量（Ｄ）及び圧縮荷重（Ｐ）に基づいて、以下の式で求められるＳＬ値を指標とすることができる。ここで、ＳＬ１は、基準となるコンクリート構造材の圧縮変形状態で求められたＳＬ値である。
ＳＬ＝Ｄ×Ｐ／ＳＬ１
同じ歪み量でＳＬ値が大きくなる場合には、強度的特性が大きいことを示しており、同じ歪み量でＳＬ値の変化が小さい場合には、弾性的特性が大きいことを示している。そのため、ＳＬ値からコンクリート構造材の特性を定量的に把握することができる。
ＳＬ＝Ｄ×Ｐ／ＳＬ１
同じ歪み量でＳＬ値が大きくなる場合には、強度的特性が大きいことを示しており、同じ歪み量でＳＬ値の変化が小さい場合には、弾性的特性が大きいことを示している。そのため、ＳＬ値からコンクリート構造材の特性を定量的に把握することができる。
＜特性試験について＞
特性試験として、以下の試験を行った。
○圧縮強度試験（ＪＩＳ Ａ １１０８） 養生直後の供試体に対して、アムスラー式圧縮試験機（株式会社テクノエナミ製；型式 圧縮試験機アムスラー式１０００ｋＮ）を用いて圧縮強度試験を行った。そして、圧縮強度試験により得られた圧縮歪曲線の勾配値からヤング率を算出した。また、圧縮方向である供試体の高さについて圧縮前、圧縮解除直後及び圧縮解除後２分経過後の長さをそれぞれ測定し、変形回復率を算出した。
○曲げ強度試験（ＪＩＳ Ａ １１０６） 養生直後の供試体に対して、上記の圧縮試験で用いたアムスラー式圧縮試験機を用いて曲げ強度試験を行った。
特性試験として、以下の試験を行った。
○圧縮強度試験（ＪＩＳ Ａ １１０８） 養生直後の供試体に対して、アムスラー式圧縮試験機（株式会社テクノエナミ製；型式 圧縮試験機アムスラー式１０００ｋＮ）を用いて圧縮強度試験を行った。そして、圧縮強度試験により得られた圧縮歪曲線の勾配値からヤング率を算出した。また、圧縮方向である供試体の高さについて圧縮前、圧縮解除直後及び圧縮解除後２分経過後の長さをそれぞれ測定し、変形回復率を算出した。
○曲げ強度試験（ＪＩＳ Ａ １１０６） 養生直後の供試体に対して、上記の圧縮試験で用いたアムスラー式圧縮試験機を用いて曲げ強度試験を行った。
＜使用原料について＞
コンクリート組成物の原料として以下のものを準備した。
○普通ポルトランドセメント（太平洋セメント株式会社製）
（密度３．１６ｇ／ｃｍ3、比表面積３３３０ｃｍ2／ｇ）
（鉱物組成；Ｃ3Ｓ５６％、Ｃ2Ｓ１８％、Ｃ3Ａ９％、Ｃ4ＡＦ９％）
〇セルロースナノファイバー（ＣＮＦ）
中越パルプ工業株式会社製ｎａｎｏｆｏｒｅｓｔ－Ｓ（ＡＣＣ法により製造）
繊維幅２０ｎｍ以下、ＣＮＦ濃度２％
〇ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）
富士フイルム和光純薬株式会社製ポリビニルアルコールＰＶＡ１５００；重合度約１５００
〇鉱物粒（チエ社製ブラジル産ショールトルマリン、粒径１～４ｍｍ、密度３．１８ｇ／ｃｍ3程度）
販売用の説明資料によれば、ナトリウム、カルシウム、マグネシウム、鉄、マンガン、アルミニウム等の珪酸類を含む硼珪酸塩鉱物粒である、と説明されている。
○細骨材（中日本砂利株式会社製）
（最大骨材寸法２ｍｍ、表乾密度２．６３ｇ／ｃｍ3）
○粗骨材（三谷セキサン株式会社製）
（最大骨材寸法１０ｍｍ、表乾密度２．７０ｇ／ｃｍ3）
コンクリート組成物の原料として以下のものを準備した。
○普通ポルトランドセメント（太平洋セメント株式会社製）
（密度３．１６ｇ／ｃｍ3、比表面積３３３０ｃｍ2／ｇ）
（鉱物組成；Ｃ3Ｓ５６％、Ｃ2Ｓ１８％、Ｃ3Ａ９％、Ｃ4ＡＦ９％）
〇セルロースナノファイバー（ＣＮＦ）
中越パルプ工業株式会社製ｎａｎｏｆｏｒｅｓｔ－Ｓ（ＡＣＣ法により製造）
繊維幅２０ｎｍ以下、ＣＮＦ濃度２％
〇ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）
富士フイルム和光純薬株式会社製ポリビニルアルコールＰＶＡ１５００；重合度約１５００
〇鉱物粒（チエ社製ブラジル産ショールトルマリン、粒径１～４ｍｍ、密度３．１８ｇ／ｃｍ3程度）
販売用の説明資料によれば、ナトリウム、カルシウム、マグネシウム、鉄、マンガン、アルミニウム等の珪酸類を含む硼珪酸塩鉱物粒である、と説明されている。
○細骨材（中日本砂利株式会社製）
（最大骨材寸法２ｍｍ、表乾密度２．６３ｇ／ｃｍ3）
○粗骨材（三谷セキサン株式会社製）
（最大骨材寸法１０ｍｍ、表乾密度２．７０ｇ／ｃｍ3）
＜混和剤について＞
混和剤として以下のものを使用した。
○高性能減水剤（ＢＡＳＦジャパン株式会社製；マスターグレニウムＳＰ８ＨＵ）
混和剤として以下のものを使用した。
○高性能減水剤（ＢＡＳＦジャパン株式会社製；マスターグレニウムＳＰ８ＨＵ）
＜補強体について＞
ステンレスメッシュ（日本精線株式会社製一般金網用ステンレス鋼線；ステンレス線の引張強度６４５Ｎ／ｍｍ2、密度７．９３ｇ／ｃｍ3）を用い、線径１．０～１．５ｍｍで網目の目開き１５ｍｍのクリンプ織タイプを使用した。補強体は、ステンレスメッシュを所定サイズの円筒体に形成し、円筒体単体又はステンレスメッシュと円筒体の組合せで用いた。
ステンレスメッシュ（日本精線株式会社製一般金網用ステンレス鋼線；ステンレス線の引張強度６４５Ｎ／ｍｍ2、密度７．９３ｇ／ｃｍ3）を用い、線径１．０～１．５ｍｍで網目の目開き１５ｍｍのクリンプ織タイプを使用した。補強体は、ステンレスメッシュを所定サイズの円筒体に形成し、円筒体単体又はステンレスメッシュと円筒体の組合せで用いた。
＜混練水及び養生水について＞
上水道水（越前市水道局；硬度２３ｍｇ／リットル）を用いた。ＰＶＡ溶解用水についても同じ上水道水を用いた。
上水道水（越前市水道局；硬度２３ｍｇ／リットル）を用いた。ＰＶＡ溶解用水についても同じ上水道水を用いた。
［実施例１］
＜セメント組成物の配合について＞
下側硬化層及び上側硬化層に用いるセメント組成物は、図７の表に示す単位量で配合した。上側硬化層に用いるＣＮＦについては、ＣＮＦ量２．６４ｋｇ／ｍ3（セメント比；２質量％）であり、ＰＶＡの単位量については、セメント比２００質量％で、ＰＶＡ溶解用水の単位量については、ＰＶＡ比１７２質量％で、鉱物粒の単位量については、セメント比９．８質量％である。
＜セメント組成物の配合について＞
下側硬化層及び上側硬化層に用いるセメント組成物は、図７の表に示す単位量で配合した。上側硬化層に用いるＣＮＦについては、ＣＮＦ量２．６４ｋｇ／ｍ3（セメント比；２質量％）であり、ＰＶＡの単位量については、セメント比２００質量％で、ＰＶＡ溶解用水の単位量については、ＰＶＡ比１７２質量％で、鉱物粒の単位量については、セメント比９．８質量％である。
＜供試体の作製について＞
原料の練り混ぜ作業には、強制撹拌式ミキサー（株式会社関西機器製作所；容量５０リットル）を使用した。ＰＶＡについては、予め溶解用水に溶解させて溶液の状態に調製した。
原料の練り混ぜ作業には、強制撹拌式ミキサー（株式会社関西機器製作所；容量５０リットル）を使用した。ＰＶＡについては、予め溶解用水に溶解させて溶液の状態に調製した。
下側硬化層に用いるセメント組成物は、ミキサーを駆動させて、セメント、水、骨材、混和剤を投入した後約５分間撹拌して練り混ぜた。上側硬化層に用いるセメント組成物は、セメント、水、ＣＮＦを投入して約３分間撹拌した後ＰＶＡ溶液を投入して約５分間撹拌し、さらに粗骨材、鉱物粒、混和剤を投入して約５分間撹拌して練り混ぜた。
得られたセメント組成物は、２個のコンクリート供試体型枠（縦１００ｍｍ×横１００ｍｍ×高さ１００ｍｍの立方体形状）に、下側硬化層となる混練物を空気が混入しないように脱泡して厚さ約２０ｍｍで打ち込んだ。
補強体として、直径８０ｍｍの単円筒体（線径１．０ｍｍ及び目開き１５ｍｍのクリンプ織を使用）の上部に平板状のステンレスメッシュ（線径１．０ｍｍ及び目開き１５ｍｍのクリンプ織を使用）を結束したものを用い、一方の型枠では円筒体の下部を約１０ｍｍの深さまで混練物に埋め込み、図２（ａ）に示す内部構造と同様の構造とし、他方の型枠では円筒体を混練物に埋め込まずに配置した。
そして、それぞれの型枠に、下側硬化層となる混練物の上部に上側硬化層となる混練物を空気が混入しないように脱泡して厚さ約８０ｍｍで打ち込み、立方体形状の２個の供試体を作製した。脱型後、二次養生（大気養生）までの間、乾燥防止のため市販のポリシートで供試体全体を密封するように被覆した。
＜供試体の養生について＞
コンクリートを型枠に打ち込んだ後ＪＩＳ Ａ １１３２に準じて大気養生（８℃～１０℃）を行った。養生後の材齢２８日の供試体に対し、圧縮強度試験を行った。圧縮強度試験では、円筒体の軸方向と直交する方向から圧縮荷重を印加するように設定した。
コンクリートを型枠に打ち込んだ後ＪＩＳ Ａ １１３２に準じて大気養生（８℃～１０℃）を行った。養生後の材齢２８日の供試体に対し、圧縮強度試験を行った。圧縮強度試験では、円筒体の軸方向と直交する方向から圧縮荷重を印加するように設定した。
試験結果を図６に示す。図６では、円筒体が下側硬化層に埋め込まれた供試体を「埋込あり」とし、埋め込まれていない供試体を「埋込なし」として、両者の圧縮歪曲線を示している。
圧縮歪曲線の推移をみると、圧縮荷重が１ｋＮまでは、補強体の影響が小さく、両者ともほぼ同じように推移しており、圧縮荷重が１ｋＮを超えてくると、「埋込あり」の方が「埋込なし」に比べて変形しにくくなっている。
圧縮歪み量１０ｍｍにおける圧縮荷重は、「埋込あり」では３．３ｋＮで、「埋込なし」では２ｋＮであった。したがって、補強体を内蔵することで、変形及び強度の調整を行うことが可能となり、補強体を両硬化層に跨るように配置して内蔵することで、変形及び強度を高めることができる。
また、圧縮歪み量１０ｍｍにおける供試体の変形回復率は９１％で、後述する実施例３に示す上側硬化体の供試体を基準としてＳＬ値は２．２であった。また、供試体の密度は１．４４ｇ／ｃｍ3であり、実施例５に示す下側硬化体の供試体の密度に比べて軽量化していることがわかる。
［実施例２］
実施例１と同様の配合で上側硬化層及び下側硬化層を作製し、内蔵する円筒体及びステンレスメッシュとして線径１．５ｍｍの線材を用いたものを使用した以外は、実施例１と同様に作製して養生することで供試体を得た。なお、供試体は、円筒体が下側硬化層に埋め込まれるように作製した。供試体の密度は、１．５６ｇ／ｃｍ3であった。
実施例１と同様の配合で上側硬化層及び下側硬化層を作製し、内蔵する円筒体及びステンレスメッシュとして線径１．５ｍｍの線材を用いたものを使用した以外は、実施例１と同様に作製して養生することで供試体を得た。なお、供試体は、円筒体が下側硬化層に埋め込まれるように作製した。供試体の密度は、１．５６ｇ／ｃｍ3であった。
図７に、圧縮試験に関する試験結果を示す。試験結果では、実施例１と比較して、ヤング率及び変形回復率の弾性的特性はほぼ同じとなっているが、圧縮特性では圧縮荷重及びＳＬ値が大きくなっており、強度特性が向上していることがわかる。したがって、補強体を変更することで、弾性的特性を維持した状態で強度を大きくするといった特性の調整が可能となる。
［実施例３］
実施例１と同様の上側硬化層となる混練物を用い、上側硬化体を作製した。
＜供試体の作製について＞
混練物は、コンクリート供試体型枠（株式会社マルイ製ソノモールド）に空気が混入しないように脱泡して打ち込み、ＪＩＳ Ａ １１３２に準じて、圧縮試験用円柱供試体（直径１０ｃｍ、高さ２０ｃｍ）を作製した。脱型後、二次養生（大気養生）までの間、乾燥防止のため市販のポリシートで供試体全体を密封するように被覆した。供試体の密度は、１．２６ｇ／ｃｍ3であった。
実施例１と同様の上側硬化層となる混練物を用い、上側硬化体を作製した。
＜供試体の作製について＞
混練物は、コンクリート供試体型枠（株式会社マルイ製ソノモールド）に空気が混入しないように脱泡して打ち込み、ＪＩＳ Ａ １１３２に準じて、圧縮試験用円柱供試体（直径１０ｃｍ、高さ２０ｃｍ）を作製した。脱型後、二次養生（大気養生）までの間、乾燥防止のため市販のポリシートで供試体全体を密封するように被覆した。供試体の密度は、１．２６ｇ／ｃｍ3であった。
＜供試体の養生について＞
実施例１と同様の養生を行った後、材齢２８日の供試体に対し実施例１と同様の圧縮強度試験を行い、圧縮強度、ヤング率、曲げ強度及び変形回復率を算出した。歪量１０ｍｍでの圧縮強度は０．２Ｎ／ｍｍ2、ヤング率は４Ｎ／ｍｍ2、歪量１５ｍｍでの曲げ強度は０．１Ｎ／ｍｍ2、歪量１０ｍｍでの変形回復率は８４％であった。
実施例１と同様の養生を行った後、材齢２８日の供試体に対し実施例１と同様の圧縮強度試験を行い、圧縮強度、ヤング率、曲げ強度及び変形回復率を算出した。歪量１０ｍｍでの圧縮強度は０．２Ｎ／ｍｍ2、ヤング率は４Ｎ／ｍｍ2、歪量１５ｍｍでの曲げ強度は０．１Ｎ／ｍｍ2、歪量１０ｍｍでの変形回復率は８４％であった。
＜樹脂コーティングについて＞
上述したように作製した後養生を行い、材齢２４日の供試体の表面に対してシリコン樹脂塗料（ニッペホームプロダクツ株式会社製）を全面に塗布した。材齢２４日の供試体に対して実施例１と同様の圧縮強度試験を行い、変形回復率を算出した。歪量１０ｍｍでの変形回復率は９２％であった。樹脂コーティングにより変形回復率が維持されていることが確認された。
上述したように作製した後養生を行い、材齢２４日の供試体の表面に対してシリコン樹脂塗料（ニッペホームプロダクツ株式会社製）を全面に塗布した。材齢２４日の供試体に対して実施例１と同様の圧縮強度試験を行い、変形回復率を算出した。歪量１０ｍｍでの変形回復率は９２％であった。樹脂コーティングにより変形回復率が維持されていることが確認された。
［実施例４］
図７に示す単位量の配合で上側硬化層となる混錬物を作製し、実施例３と同様に上側硬化体となる供試体を作製した。供試体の密度は、１．３４ｇ／ｃｍ3であった。供試体を実施例３と同様に養生した後、材齢２８日の供試体に対し実施例３と同様の圧縮強度試験を行い、圧縮強度、ヤング率、曲げ強度及び変形回復率を算出した。歪量１０ｍｍでの圧縮強度は０．７Ｎ／ｍｍ2、ヤング率は６Ｎ／ｍｍ2、歪量１５ｍｍでの曲げ強度は０．２Ｎ／ｍｍ2、歪量１０ｍｍでの変形回復率は８０％であった。
図７に示す単位量の配合で上側硬化層となる混錬物を作製し、実施例３と同様に上側硬化体となる供試体を作製した。供試体の密度は、１．３４ｇ／ｃｍ3であった。供試体を実施例３と同様に養生した後、材齢２８日の供試体に対し実施例３と同様の圧縮強度試験を行い、圧縮強度、ヤング率、曲げ強度及び変形回復率を算出した。歪量１０ｍｍでの圧縮強度は０．７Ｎ／ｍｍ2、ヤング率は６Ｎ／ｍｍ2、歪量１５ｍｍでの曲げ強度は０．２Ｎ／ｍｍ2、歪量１０ｍｍでの変形回復率は８０％であった。
［実施例５］
実施例１と同様の下側硬化層となる混練物を用い、下側硬化体を作製した。
＜供試体の作製について＞
混練物は、コンクリート供試体型枠（株式会社マルイ製ソノモールド）に空気が混入しないように脱泡して打ち込み、ＪＩＳ Ａ １１３２に準じて、圧縮試験用円柱供試体（直径１０ｃｍ、高さ２０ｃｍ）を作製した。脱型後、二次養生（大気養生）までの間、乾燥防止のため市販のポリシートで供試体全体を密封するように被覆した。供試体の密度は、２．４９ｇ／ｃｍ3であった。
実施例１と同様の下側硬化層となる混練物を用い、下側硬化体を作製した。
＜供試体の作製について＞
混練物は、コンクリート供試体型枠（株式会社マルイ製ソノモールド）に空気が混入しないように脱泡して打ち込み、ＪＩＳ Ａ １１３２に準じて、圧縮試験用円柱供試体（直径１０ｃｍ、高さ２０ｃｍ）を作製した。脱型後、二次養生（大気養生）までの間、乾燥防止のため市販のポリシートで供試体全体を密封するように被覆した。供試体の密度は、２．４９ｇ／ｃｍ3であった。
＜供試体の養生について＞
実施例１と同様の養生を行った後、材齢２８日の供試体に対し実施例１と同様の圧縮強度試験を行い、圧縮強度、ヤング率、曲げ強度及び変形回復率を算出した。歪量１０ｍｍでの圧縮強度は１０４Ｎ／ｍｍ2、ヤング率は８×１０3Ｎ／ｍｍ2、歪量１５ｍｍでの曲げ強度は１２Ｎ／ｍｍ2であった。
実施例１と同様の養生を行った後、材齢２８日の供試体に対し実施例１と同様の圧縮強度試験を行い、圧縮強度、ヤング率、曲げ強度及び変形回復率を算出した。歪量１０ｍｍでの圧縮強度は１０４Ｎ／ｍｍ2、ヤング率は８×１０3Ｎ／ｍｍ2、歪量１５ｍｍでの曲げ強度は１２Ｎ／ｍｍ2であった。
［実施例６］
実施例４と同様の配合で上側硬化層となる混練物及び実施例１と同様の配合で下側硬化層となる混練物とを用い、内蔵する補強体として、実施例２で使用した線径１．５ｍｍの線材からなる円筒体に、図２（ｂ）に示すような１０ｍｍ幅の開口が形成されたものを用いた。そして、実施例１で使用した型枠と同様のコンクリート供試体型枠（縦１００ｍｍ×横１００ｍｍ×高さ１００ｍｍ）を使用して、立方体形状のコンクリート構造材の供試体を作製した。円筒体は、二層構造に跨るように埋め込んで作製した。供試体の密度は、１．５４ｇ／ｃｍ3であった。
実施例４と同様の配合で上側硬化層となる混練物及び実施例１と同様の配合で下側硬化層となる混練物とを用い、内蔵する補強体として、実施例２で使用した線径１．５ｍｍの線材からなる円筒体に、図２（ｂ）に示すような１０ｍｍ幅の開口が形成されたものを用いた。そして、実施例１で使用した型枠と同様のコンクリート供試体型枠（縦１００ｍｍ×横１００ｍｍ×高さ１００ｍｍ）を使用して、立方体形状のコンクリート構造材の供試体を作製した。円筒体は、二層構造に跨るように埋め込んで作製した。供試体の密度は、１．５４ｇ／ｃｍ3であった。
作製した供試体に対して、実施例１と同様の養生処理を行った後、実施例１と同様に圧縮強度試験を行った。試験結果を図７に示す。試験結果では、実施例２と比較して、円筒体に開口を形成することで、圧縮特性における強度の向上が確認された。
［実施例７］
実施例６において、線径２．５ｍｍで同じ形状の円筒体で１０ｍｍ幅の開口が形成されたものを使用した以外同様の混練物を用いて二層構造のコンクリート構造材の供試体を作製した。円筒体は、二層構造に跨るように埋め込んで作製した。供試体の密度は、１．５７ｇ／ｃｍ3であった。
実施例６において、線径２．５ｍｍで同じ形状の円筒体で１０ｍｍ幅の開口が形成されたものを使用した以外同様の混練物を用いて二層構造のコンクリート構造材の供試体を作製した。円筒体は、二層構造に跨るように埋め込んで作製した。供試体の密度は、１．５７ｇ／ｃｍ3であった。
作製した供試体に対して、実施例１と同様の養生処理を行った後、実施例１と同様に圧縮強度試験を行った。試験結果を図７に示す。実施例２と比較して、円筒体に開口を形成することで、圧縮特性における強度の向上が確認された。
［実施例８］
実施例２において、線径１．５ｍｍで同じ形状の円筒体で１０ｍｍ幅の開口が形成されたものを使用した以外同様の混練物を用いて二層構造のコンクリート構造材の供試体を作製した。円筒体は、二層構造に跨るように埋め込んで作製した。供試体の密度は、１．５８ｇ／ｃｍ3であった。
実施例２において、線径１．５ｍｍで同じ形状の円筒体で１０ｍｍ幅の開口が形成されたものを使用した以外同様の混練物を用いて二層構造のコンクリート構造材の供試体を作製した。円筒体は、二層構造に跨るように埋め込んで作製した。供試体の密度は、１．５８ｇ／ｃｍ3であった。
作製した供試体に対して、実施例１と同様の養生処理を行った後、実施例１と同様に圧縮強度試験を行った。試験結果を図７に示す。実施例２と比較して、円筒体に開口を形成することで、圧縮特性における強度の向上が確認された。
［実施例９］
実施例２において、線径２．５ｍｍで同じ形状の円筒体で１０ｍｍ幅の開口が形成されたものを使用した以外同様の混練物を用いて二層構造のコンクリート構造材の供試体を作製した。円筒体は、二層構造に跨るように埋め込んで作製した。供試体の密度は、１．６２ｇ／ｃｍ3であった。
実施例２において、線径２．５ｍｍで同じ形状の円筒体で１０ｍｍ幅の開口が形成されたものを使用した以外同様の混練物を用いて二層構造のコンクリート構造材の供試体を作製した。円筒体は、二層構造に跨るように埋め込んで作製した。供試体の密度は、１．６２ｇ／ｃｍ3であった。
作製した供試体に対して、実施例１と同様の養生処理を行った後、実施例１と同様に圧縮強度試験を行った。試験結果を図７に示す。実施例２と比較して、円筒体に開口を形成することで、圧縮特性における強度の向上が確認されたが、実施例８と比較して、ほぼ同じ特性を備えていることが確認された。
［実施例１０］
実施例２において、線径３．０ｍｍで同じ形状の円筒体で１０ｍｍ幅の開口が形成されたものを使用した以外同様の混練物を用いて二層構造のコンクリート構造材の供試体を作製した。円筒体は、二層構造に跨るように埋め込んで作製した。供試体の密度は、１．６９ｇ／ｃｍ3であった。
実施例２において、線径３．０ｍｍで同じ形状の円筒体で１０ｍｍ幅の開口が形成されたものを使用した以外同様の混練物を用いて二層構造のコンクリート構造材の供試体を作製した。円筒体は、二層構造に跨るように埋め込んで作製した。供試体の密度は、１．６９ｇ／ｃｍ3であった。
作製した供試体に対して、実施例１と同様の養生処理を行った後、実施例１と同様に圧縮強度試験を行った。試験結果を図７に示す。実施例２と比較して、円筒体に開口を形成することで、圧縮特性における強度の向上が確認されたが、実施例８と比較して、ほぼ同じ特性を備えていることが確認された。
以上のことから、円筒体に用いる線材の線径及び開口の有無によって強度特性を調整することが可能となることがわかる。特に、円筒体に１０ｍｍ幅の開口を形成しておくことで、変形回復率が９０％以上で圧縮荷重が７．０ｋＮ以上の特性を備えており、軽量で弾性的特性及び強度特性を備えたコンクリート構造材を得ることができる。
本発明に係るコンクリート構造材は、軽量で変形しやすい弾性的特性を有する上側硬化層及び構造材としての強度特性を有する下側硬化層を備えることで、階段構造、床構造といった衝撃を緩和することが求められる構造材として活用することが期待される。
１・・・コンクリート構造材、１０・・・下側硬化層、２０・・・上側硬化層、３０・・・金属製補強体、３１・・・金属製補強シート体、３２・・・結束具、Ｓ・・・階段構造、１００・・・基台
Claims (4)
- コンクリートから形成された上側硬化層及び下側硬化層が同時硬化処理により一体化しているコンクリート構造材を踏段部分に備えた階段構造であって、
前記コンクリート構造材の上側硬化層は、セルロースナノファイバー及びポリビニルアルコールを含み、材齢２８日後において分離した単層状態で圧縮強度試験（JIS A 1108）による圧縮強度が０．１～５．０Ｎ／ｍｍ2で圧縮変形直後から１分～２分経過後の変形回復率が７０％以上であり、
前記コンクリート構造材の下側硬化層は、材齢２８日後において分離した単層状態で圧縮強度試験（JIS A 1108）による圧縮強度が５０～１５０Ｎ／ｍｍ2で曲げ強度試験（JIS A 1106）による曲げ強度が１０～５０Ｎ／ｍｍ2である階段構造。 - 前記上側硬化層及び前記下側硬化層に跨がって内蔵された金属製立体補強体を備えている請求項１に記載の階段構造。
- 少なくとも前記上側硬化層の表面には、遮水性の樹脂コーティング層で被覆されている請求項１又は２に記載の階段構造。
- 前記上側硬化層は、普通ポルトランドセメントからなるセメントと、セメントに対する配合割合が０．１質量％～５．０質量％であるセルロースナノファイバーと、セメントに対する配合割合が１００質量％～４００質量％であるポリビニルアルコールとを少なくとも含有するセメント組成物を硬化させて形成されている請求項１又は２に記載の階段構造。
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