JP7394847B2 - 既存の構造物を補強および再生するためのｕｈｐｆｒｃの吹付け - Google Patents

既存の構造物を補強および再生するためのｕｈｐｆｒｃの吹付け Download PDF

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Description

本発明は、超高性能繊維補強コンクリート（ＵＨＰＦＲＣ）から作製された極薄シェルを用いて、トンネル、ボールト、金属ダクト、または回廊などの構造物を修復、再生、および補強する分野に関する。
ＵＨＰＦＲＣの名称で共に類別されるコンクリートは、金属繊維、ポリマー繊維、または鉱物繊維を用いて補強されたハイエンドコンクリートである。適切な可塑剤と組み合されたこれらの繊維は、セメントマトリクスと相互作用することにより、牽引下における延性挙動の実現と受動的補強材の使用の削減または免除とを可能にする。これらのコンクリートは、従来の高性能コンクリートよりも高い引張強度および圧縮強度を有する。
構造物を再生または補強するためにＵＨＰＦＲＣを使用する手法が知られている。しかし、この場合にＵＨＰＦＲＣは型枠に注入される。したがって、構造物の再生および補強に使用されるＵＨＰＦＲＣは、型枠への良好な充填が可能となる流体コンシステンシーを有するものとなるが、この流体コンシステンシーにより、型枠と、繊維含有量の低い、すなわち、機械特性的に魅力の低いコンクリートとの使用が必要となる。
したがって、繊維含有量の高いＵＨＰＦＲＣを用いて構造物を再生または補強することを可能にする簡易な解決策が必要である。
本発明は、これを、革新的な（または「強化された」）圧送解決策との組合せにおいて吹付けＵＨＰＦＲＣを使用することにより解決する。
実際に、別の手法で構造物を再生または補強するために吹付けコンクリートを使用することは既知の手法であるが、繊維含有量の高いＵＨＰＦＲＣの使用は、通常提案される解決策とは矛盾する。
したがって、構造物の再生または補強のために湿式吹き付けされるコンクリートは、高い可塑性でなければならない。したがって、逆の見方をすれば、本来的に可塑性のすなわち流動性の組成物が、圧送の適合性を良好にするために使用されるが、これらの組成物は、支持体上への十分なグリップのためにスプレーガン内への剛化剤の追加を必要とする。
しかし、ＵＨＰＦＲＣは、ＵＨＰＦＲＣの繊維含有量が２体積％を上回る場合には、圧送を阻止するアーチンを形成するリスクが高まることにより圧送が困難となる。これらのアーチンは繊維の絡んだものであり、ＵＨＰＦＲＣの圧送を阻止する。
したがって、高い繊維含有量を有するＵＨＰＦＲＣの吹付けにより構造物の再生または補強作業を実施することは非常に難しく、それにより吹き付けられるコンクリートは、不十分な機械特性を一般的に有する。
最近では、圧送作業との適合性を有するコンクリートを使用する必要性から、規格ＮＦ ＥＮ ２０６－１の意味の範囲内におけるスランプ値分類Ｓ３～Ｓ４、すなわち１０～２１ｃｍに対応するコンシステンシーを有するコンクリートが使用され、スランプ値分類Ｓ１およびＳ２すなわち２～９ｃｍのコンシステンシーは、使用に問題を有する。
また、ポンピング送給の難しさは、過度にコンパクトな石骨格、高いセメント含有量、および高い体積分率の金属繊維を有する混合物内における過度の摩擦によっても引き起こされ得る。この場合には、混合物は、圧送することが漸増的に困難になり、閉塞が生じる。
したがって、とりわけ２％超の繊維含有量を有するＵＨＰＦＲＣに関してＵＨＰＦＲＣを圧送および吹き付けるための解決策が存在しないことにより、当業者は、高い繊維含有量を有するＵＨＰＦＲＣを使用した吹付け技術による構造物の再生または補強を実施可能にするために展望をまったく有することができなかった。
本発明は、コンクリート製品などの既存の構造物を、ひいてはコネクタの使用を伴う金属骨組要素を再生および補強するための方法に関する。この方法は、超高性能繊維補強コンクリート（ＵＨＰＦＲＣ）により構造物の壁部を吹付け被覆することにある。
また、本発明は、本発明による方法を実現する、波形鉄シートの金属壁部とある特定の連続的な被研削体積部とからなるノズルに関する。
これに関して、本出願人は、以下のステップ、すなわち
水、流動化剤、および繊維のセメント前駆体混合物（または予混合物）からなるＵＨＰＦＲＣを調製するステップと、
適切なスプレーノズルへ圧送することによりＵＨＰＦＲＣを輸送するステップと、
スプレーノズル内に圧縮空気流を追加することにより構造物の表面上に混合物を吹き付けるステップと
を含む、構造物を補強するための新規の方法を展開することに成功した。
好ましくは、補強対象の構造物は、トンネルまたはボールトなどの地中構造物である。実際に、構造物が地中にあるという特性が、通常の補強方法の大半の使用の妨げとなる大きな制約を構成している。したがって、本発明による方法は、このコンテクストに高い関心を有する。
本発明の意味の範囲内における「補強」は、既存の構造物または新規の構造物に対して実施され得る。この場合に、補強はこの構造物の構成における１つのステップとなり得る。
ＵＨＰＦＲＣの調製のために使用されるセメント前駆体混合物（予混合物）は、結合剤、骨材、および微小ポゾラン反応要素から構成される。例えば、結合剤は、例えばポルトランドタイプセメントの中から選択され、場合によってはＨＴＳ（高シリカ含有）である。
したがって、好ましくは、セメント前駆体混合物（予混合物）は、混合物１ｍ３あたり７００～１０００ｋｇの間のセメントを含み、すなわち非常に高いセメント含有量となり、低い有孔性に関連する良好な機械特性を保証する。
使用される骨材は、例えば粒状要素（砂）、針状要素（例えばボーキサイト繊維、炭化ケイ素繊維、もしくはチタン酸カリウム繊維）、または板状要素（例えば雲母、滑石、混合ケイ酸塩、または、混合アルミン酸塩の板状物）などである。これらの骨材の特徴的なサイズは、ＵＨＰＦＲＣの繊維によりもたらされる機械特性を損なわないために十分に小さいものとなるように選択され、例えば粒状要素の場合には２ｍｍ未満、針状要素もしくは板状要素の場合には１ｍｍである。
微小ポゾラン反応要素は、シリカ合成物（例えばシリカフューム）、フライアッシュ、鉱炉スラグ、または例えばカオリンなどの粘土誘導体の中から選択される。これらの要素は、０．１μｍ～１μｍの間の基本粒径を有し、孔を閉じることによりコンクリートの稠密性を強化することが可能である。
繊維は、好ましくは金属繊維であり、例えば高強度鋼から、場合によってはステンレス鋼から、またはさらに銅、亜鉛、もしくはニッケルなどの非鉄金属で被覆された鋼から作製された繊維などである。なぜならば、金属繊維は著しい機械強度特性をもたらすからである。代替的には、これらの繊維は、ポリマー材料または鉱物材料から作製され得る。
前駆体混合物（予混合物）および繊維に加えて、ＵＨＰＦＲＣは水をさらに含む。好ましくは、含水量は非常に少なく、例えば水／セメント重量比は、０．２５未満、好ましくは０．２０未満である。有利には、非常に少ない含水量により、遊離水（すなわちセメントの化学水和反応に関与しない水）の存在を抑制することが可能となり、ＵＨＰＦＲＣの有孔性を低下させる、とりわけ連結した孔の網状組織を減らすことが可能となり、これにより塩化物などの有毒因子に対する透過性の低いＵＨＰＦＲＣが得られる。
この低い含水量を可能にするために、ＵＨＰＦＲＣは、リグノスルホン酸塩、ポリナフタレン、ホルムアルデヒド誘導体、アルカリ金属のポリアクリル酸塩またはポリカルボン酸塩、およびグラフトされたエチレンのポリオキシドの中から選択される流動化剤（または分散剤）をさらに含む。
例えば、これらの繊維は、例えば０．１～０．３ｍｍの間の直径などのより小さな平均寸法と、例えば１０ｍｍ～３０ｍｍの間の長さのより大きな平均寸法とを有する。好ましくは、より大きな平均寸法は、１４ｍｍよりも大きい。実際に、より長い繊維は、圧送中にアーチン形成リスクの強化を伴うが、より良好な機械特性ももたらし、本発明は、アーチン形成の問題をある程度において解消することが可能である。典型的には、繊維の寸法は、吹き付けたいＵＨＰＦＲＣの濃度により決定される。望まれる濃度がより高いほど、より高い利点がより長い繊維により得られる。
また、繊維の比率が、実現される機械特性における重要な要因となる。好ましくは、例えば２～３．５コンクリート体積％の間の高い金属繊維含有量が使用される。
しかし、多くの著者が、金属繊維含有量の上昇に伴うコンクリートの流動性の低下を測定し、この効果が繊維濃度と使用繊維のアスペクト因子との積として定義される経験的パラメータである繊維因子と共に上昇することを見出してきた。
次いで、ＵＨＰＦＲＣは、繊維補強コンクリート混合物の吹付けのために必要な流量および圧力に合致する有効断面積のダクトにより適切なスプレーノズルへ圧送され供給される。
搬送（または供給）ホースが、例えば２～１０ｍ３／ｈの間などの低流量、例えば７０バール超、好ましくは８０バール超などの高作業圧力、例えば１５０ｍｍ超、好ましくは２００ｍｍ超などの大ピストン径、例えば４００ｍｍ超および好ましくは５７０ｍｍ超などの大きなチャンバ長さ、ならびに例えば１００ｍｍ超および好ましくは約１５０ｍｍなどの大きな出力直径を有するピストンまたはシリンダ（ツイン型）を有するポンプに対して連結される。
Ｓ字弁の作動（またはバランス）シリンダおよびそれらの油圧制御システムの寸法設定変更もまた実施される。
この寸法設定変更により、ポンプ出力における流量変動を最小限に抑えつつ弁作動シリンダの作業範囲内に維持するために、高強度を有するＵＨＰＦＲＣ混合物のセクションを迅速にせん断することが可能となる。
この適合化により、吹付け作業に適した均一な流量を実現することが可能となる。
例えば５０ｍｍであるスプレーノズル断面またはガン入力断面に対応して、漸進的断面縮小器が、ポンプ出力と縮小された有効断面積との間に配設される。有効直径の縮小は、混合物中の繊維の均一な分布を維持してアーチン形成を防ぐために、数メートルの長さにわたり線形的にかつ規則的に実施される。ポンプ出力における１２５ｍｍの直径とホースの５０ｍｍの直径との間の移行部は、５～１０ｍｍの間の長さにわたり形成される。
適切なスプレーノズルは、デュアル圧縮空気注入により特徴づけられる。２つの対角的に対向側に位置する圧縮空気取込み部は、ノズルを形成する収束部の入力セクション上に横方向に連結される。ノズルは、加圧下において到来する繊維補強コンクリート混合物を圧送／輸送するためにガンおよび／またはホースの延長部中に取り付けられる。ノズルを形成する収束部は、５０ｍｍ径の典型的な有効断面積を有し、これはコンクリート搬送ホースの有効断面積に等しい。出力部において、ノズルは、典型的には８０％の分率、すなわち入力部の５０ｍｍに対して４０ｍｍへと縮小された有効直径を有する。ノズルは、２５０ｍｍ～３００ｍｍの間、例えば５０ｍｍの有効直径に対して３００ｍｍの長さを有する。
次いで、この混合物は、圧縮空気の追加により修復または補強の対象となる構造物の表面上に吹き付けられる。圧縮空気流は、混合物を移動させるためにノズル内へと横方向に導入され得る。
特に、本発明による補強方法は、アーチン形成の回避を可能にし、したがって、ＵＨＰＦＲＣの優れた機械特性による利点を享受しつつ、とりわけ地中構造物の場合には便利である吹付けによる補強を実現することが可能である。さらに、吹付けは、ＵＨＰＦＲＣの使用による相乗効果を有する。なぜならば、これにより、ＵＨＰＦＲＣが注入される場合には得られない優先的な繊維配向を実現することが可能となるからである。この優先的な繊維配向は、ＵＨＰＦＲＣが吹き付けられる表面上に平行な方向においてより良好な引張強度、圧縮強度、および曲げ強度を結果としてもたらす。
典型的には、吹付けは、２～１０ｍ３／ｈの間の流量で湿式で実施される。吹き付けられるＵＨＰＦＲＣの流動性がより高いほど、適用すべき圧縮空気の流量はより低くなる。結果として、まったく同一の圧縮空気流である場合に、ＵＨＰＦＲＣの流動性がより高いほど、吹付け流量はより高くなる。
したがって、好ましくは、吹付けは、１００００～１７０００ｌ／ｍｉｎの間のノズルまたはガンにおける圧縮空気流量で圧縮空気を追加することにより湿式で実施される。典型的には、吹付けは、５～１１バールの間の空気圧を有する圧縮空気を追加することにより湿式で実施される。
また、好ましくは、本発明による方法は、構造物の表面上に混合物を吹き付ける前にその表面を調製するステップを含む。表面調製は、当業者には既知の技術にしたがって実施される。他方において、ＵＨＰＦＲＣ繊維補強コンクリートの使用により、受動的補強材（例えばコンクリートの吹付け前に支持体上に固定された溶接格子の形態などの）の設置免除が可能となる。
本発明のもうひとつの対象は、本発明の方法により修理、補強、または再生された構造物である。この構造物は、ＵＨＰＦＲＣで吹付け被覆された少なくとも１つの壁部を有する。
以下に記載される非限定的な例示の実施形態から、および添付の図面を精査することにより、本発明がさらによく理解されよう。
本発明による方法において使用可能であるスプレーノズルの例示の一実施形態を示す図である。
非限定的な例示の本実施形態のコンテクストにおいて、７００～１０００ｋｇ／ｍ３のセメント含有量、２０～３０セメント重量％のシリカフュームまたはメタカオリン含有量、２～３．５コンクリート体積％の金属繊維含有量、０．２５未満の水／セメント重量比（Ｅ／Ｃ）、および０．０７ｓ－１のせん断速度に対する少なくとも３００Ｐａのせん断閾値を有するＵＨＰＦＲＣ混合物が、事前に調製される。
混合物は、剛化剤を含まない。
圧送作業は、湿式吹付けを実施するために２～１０ｍ３／ｈの流量にてピストン（ツイン型）を有するポンプによりこの混合物を圧送するように実施される。
吹付け作業自体は、１００００～１７０００ｌ／ｍｉｎの間のノズルまたはガンにおける圧縮空気流量と、５～１１バールの間の空気圧力とで圧縮空気を追加することにより実施される。
使用されるノズルは、入力部にて５０ｍｍの有効直径を有するノズルである。
吹付けは、コンクリート、金属、木材、またはさらには事前に用意された石造物から作製された表面上に実施される。
剛化剤の無追加は、ノズル吹付けまたはガン吹付けの最中である。
したがって、ＵＨＰＦＲＣ層の被覆は、最大金属繊維の長さの少なくとも２倍に等しい厚さで実施される。
この被覆の特徴は、規格ＮＦ Ｐ １８－４７０にしたがって評価される。２８日目にて９０～１８０ＭＰａの平均圧縮強度が測定され、同様に２８日目にて４～１０ＭＰａの平均引張弾性限、および規格ＮＦ Ｐ １８－７１０の章９．１における非脆性基準に準拠するクラッキング後の特性が測定される。
繊維補強混合物は、規格ＮＦ ＥＮ ２０６－１の意味の範囲内における硬さの、比較的乾燥度の高い、細工不可能なコンシステンシーを有し、このコンシステンシー分類（Ｓ１またはＳ２）は、ＵＨＰＦＲＣに関する規格ＮＦ Ｐ １８ ４７０に含まれる範囲外となる。
これは、ピストンポンプを用いて１００ｍ超の距離にわたり繊維補強混合物を圧送し、圧縮空気を用いて５０ｍｍの小サイズノズル径で非常に高い流量において吹き付けることの妨げにはならず、アーチン形成を伴わずにまたは圧送および吹付けの最中における混合物の偏析を伴わずに２～１０ｍ３／ｈの収率を達成することができる。
最大で約１００メートルが可能であるパイプ長、ノズル出力位置における約５０ｍｍの小径、高いせん断閾値および粘性を有するＵＨＰＦＲＣのレオロジー、パイプ内におけるアーチン形成リスク、およびパイプ内における製品加熱のリスクにより、流量よりも作動圧力を優先するためにロータポンプではなくピストンポンプを選択することが必要であった。
これにより、本出願人は、低流量すなわち２～１０ｍ３／ｈの間の流量、高作業圧力すなわち少なくとも８０バールの作業圧力、大ピストン径すなわち２００ｍｍのピストン径、大きなチャンバ長さすなわち少なくとも５７０ｍｍのチャンバ長さ、および例えば約１５０ｍｍの大きな出力直径を有するピストンまたはシリンダ（ツイン型）を有するポンプを選択した。
このポンプは、バランス機構に関連付けられたいわゆる「Ｓ字」弁を備える。流量変動を防止または制限するために、Ｓ字弁の作動シリンダ（バランスを確保する横シリンダ）およびそれらの油圧制御システムの出力を適合化した。
この寸法設定変更により、流量変動を最小限に抑えつつシリンダの作業範囲内に維持するために、高強度を有する繊維補強コンクリート（ＵＨＰＦＲＣ）のセクションを迅速にせん断することが可能となる。
この適合化により、均一であり、高い粘性を有する繊維補強混合物を吹き付ける作業に適した流量を実現することが可能となる。
吹付けは、手動またはロボットにより実施され得る。吹付けは、単層において、または特にコールドジョイントの形成を回避するために連続層の間において３時間を上回る遅延を伴うことなく複数の連続層において実施され得る。
図１は、ＵＨＰＦＲＣの吹付けに適したノズル１を示す。このノズルは、ＵＨＰＦＲＣ取込みパイプ１０の端部に取り付けられる。ＵＨＰＦＲＣ取込みパイプ１０は、トリプル入力取込み部１１を備え、このトリプル入力取込み部１１は、圧縮空気流を用いたパイプ１０から発せられるＵＨＰＦＲＣの混合を可能にする。圧縮空気流は、シングルまたはダブルであることが可能であり、一方および／または他方の圧縮空気供給源１２、１３に対する取込み部の結合部から発せられる。トリプル入力取込み部１１は、スプレーガン１５に対してリンクされる。トリプル入力取込み部１１とスプレーガン１５との間のリンクは、任意の種類のものであることが可能であり、例えばスナップ嵌め手段または螺着手段からなることが可能である。有利には、リンクは、例えばスプレーガンが詰まった場合など圧力がある特定の閾値を上回る場合にスプレーノズルまたはスプレーガン１５を装着解除することが可能な溶融性安全ブシュ１６を備える。
溶融性安全ブシュは、ノズル１に対する損傷を防止することを可能にする。溶融性安全ブシュは、図示しないがＵＨＰＦＲＣ収容手段へのバイパスを備えることが可能である。
スプレーガン１５は、ＵＨＰＦＲＣ取込みパイプ１０の寸法以下である実質的に円形の断面および寸法を有する。スプレーガン１５の断面が、ＵＨＰＦＲＣ取込みパイプ１０の断面未満になるように選択される場合には、結果としてスプレーガン内の圧力が上昇し、これによりコンクリートのより良好な吹付けが可能となり得る。
例えば、パイプ１０は、５０ｍｍ直径の円形断面を有することが可能であり、スプレーガン１５は、４０～５０ｍｍの間の直径の円形断面を有することが可能である。
有利には、スプレーガンの長さは、ガンの操縦性の理由によりおよび圧力保持の目的により３００～４００ｍｍの間である。
有利には、ＵＨＰＦＲＣ取込みパイプ１０は可撓性である。ＵＨＰＦＲＣ取込みパイプ１０は、弾性変形可能であってもよいまたは層でなくてもよい材料からなることが可能である。
逆に、有利には、スプレーガン１５は、剛性材料からなる。
スプレーガン１５およびＵＨＰＦＲＣ取込みパイプ１０は、取り扱う必要があるため、有利には、混合物の加熱時に完全に安全に吹付けを行うことが可能となるように断熱される。
説明されたこれらの実施形態は非限定的なものであり、本発明の範囲から逸脱することなく本発明に対して改良を行うことが可能である点が理解される。
別様のことが明記されない限り、「または」という語は「および／または」と同義である。同様に、「１つの」という語は、別様のことが明記されない限り「少なくとも１つの」と同義である。
１ ノズル
１０ ＵＨＰＦＲＣ取込みパイプ
１１ トリプル入力取込み部
１２ 圧縮空気供給源
１５ スプレーガン
１６ 溶融性安全ブシュ

Claims (9)

  1. 構造物を補強するための方法であって、
    セメント前駆体混合物と、水と、流動化剤と、金属繊維と、を含むＵＨＰＦＲＣであって、コンクリート体積の少なくとも２％を有している前記ＵＨＰＦＲＣを調製するステップと、
    スプレーノズルへ圧送することにより前記ＵＨＰＦＲＣを輸送するステップと、
    前記スプレーノズル内に圧縮空気流を追加することにより、前記構造物の表面上に前記セメント前駆体混合物を吹き付けるステップと、
    を含む、前記方法において、
    前記スプレーノズルが、ＵＨＰＦＲＣ取込みパイプ（１０）の端部に取り付けられており、前記ＵＨＰＦＲＣ取込みパイプ（１０）から発せられるＵＨＰＦＲＣをシングル又はダブルである圧縮空気流と混合するためのトリプル入力取込み部（１１）を備えており、圧送作業が、ツイン型ピストンを有するポンプにより実施され、
    前記ＵＨＰＦＲＣと前記圧縮空気流との混合物の流量が、１時間当たり２ｍ ３ ～１０ｍ ３ であり、
    吹付け作業が、１０，０００ｌ／ｍｉｎ～１７，０００ｌ／ｍｉｎの間の前記スプレーノズルにおける圧縮空気流量と、空気圧が５ｂａｒ～１１ｂａｒの間の空気圧力とで圧縮空気を追加することにより湿式で実施される、方法。
  2. 前記ポンプが、バランス機構を具備するＳ字弁を備えている、請求項１に記載の方法。
  3. 前記ポンプの作業圧力が、８０ｂａｒより大きい、請求項１または２に記載の方法。
  4. 前記金属繊維は、好ましくは高強度鋼から作製された繊維である、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記ＵＨＰＦＲＣは、コンクリート体積の２％～３．５％の間の金属繊維含有量を有する、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記セメント前駆体混合物は、混合物１ｍ３あたり７００ｋｇ～１０００ｋｇの間のセメントを含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
  7. 前記ＵＨＰＦＲＣは、０．２５未満、好ましくは０．２０未満の水／セメント重量比を
    有する、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
  8. 前記金属繊維は、１４ｍｍよりも大きい平均寸法、例えば長さを有する、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
  9. ＵＨＰＦＲＣを用いて吹付け被覆された少なくとも１つの壁部を有する、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法により補強、修復、または再生された構造物。
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