WO2018003190A1 - プレストレストコンクリートの製造方法 - Google Patents

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博美 西薗
信男 標
広一 高江洲
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    • C04B28/02Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements containing hydraulic cements other than calcium sulfates
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    • E01CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
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    • E01D1/00Bridges in general
    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E04BUILDING
    • E04CSTRUCTURAL ELEMENTS; BUILDING MATERIALS
    • E04C5/00Reinforcing elements, e.g. for concrete; Auxiliary elements therefor
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    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E04BUILDING
    • E04CSTRUCTURAL ELEMENTS; BUILDING MATERIALS
    • E04C5/00Reinforcing elements, e.g. for concrete; Auxiliary elements therefor
    • E04C5/08Members specially adapted to be used in prestressed constructions

Definitions

  • the present invention relates to a prestressed concrete that is introduced by using both a chemical stress caused by a concrete expansion material and a mechanical stress using a continuous fiber reinforced wire, and in particular, pre-stressed water using sulfate ions or seawater containing sulfate ions.
  • the present invention relates to a method for producing stress concrete.
  • PC steel material high tension steel material
  • PC steel wire or 2 to 3 strands of PC steel stranded wire are used in the long line method or Concrete is cast while being tensioned by the form fixing method, and after curing and curing, these PC steel wires are cut to produce prestressed concrete.
  • prestressed tendons using rods made of fiber materials reinforced in one direction with high-strength glass fiber, carbon fiber, aramid fiber, etc., have been used and are attracting attention as prestressed concrete with excellent corrosion resistance.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-155623 is disclosed as a technique for expressing high tensile strength and shear strength of prestressed concrete.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-326285 is disclosed as a technology for a prestressed concrete tension material using a continuous fiber reinforced plastic composite material.
  • the concrete structure shrinks due to the progress of drying from the surface, and cracks occur when the shrinkage stress exceeds the tensile strength of the concrete.
  • the expansion material includes a material that expands with a hydration reaction, and prevents drying shrinkage of the concrete structure by hydration expansion.
  • Japanese Unexamined Patent Publication No. 2005-162564 is disclosed as a concrete expansion material. This is because cheap lime is used for mortar and concrete, without going through the complicated process of adding clinker fired products by adding other raw material components as in the past and causing little increase in cost. It can be used as an expansion material for mortar, and can provide a stable expansion force that can sufficiently resist the shrinkage and external pressure of mortar and concrete. In particular, chemical prestressing can be introduced without using a large amount. It is intended to provide a concrete into which an expandable material and chemical prestress can be introduced.
  • prestressed concrete was developed with the aim of overcoming the problem of being the biggest weakness of concrete, which is strong against compression but weak against tension. This is a pre-stressed state that prevents tensile stress from being generated in the concrete when it receives a load, or controls the tensile stress, and can prevent cracking due to tensile stress compared to ordinary reinforced concrete. Is.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2015-20925 it is a mortar for injection used in a prepacked concrete construction method or a postpacked concrete construction method in which a concrete shell crushed to a size of 200 mm or more and 500 mm or less is used as a coarse aggregate.
  • a method for producing concrete using seawater as kneaded water for kneading the binder and fine aggregate is disclosed.
  • the purpose is to improve the initial strength by using seawater as the mixing water, shorten the period until demolding, ensure sufficient strength, high production efficiency, and contribute to the suppression of bleeding. It is.
  • JP-A-2005-281112 after a reinforcing bar structure composed of reinforcing bars is placed in a concrete formwork, alumina cement, seawater, fine aggregate, and coarse aggregate are mixed together to form a fluid.
  • Seawater-mixed alumina cement concrete is disclosed in which fresh concrete is produced, filled with the fresh concrete in a mold, and a reinforcing steel structure is embedded and hardened.
  • seawater contains salt and rusts the rebar
  • various restrictions have been imposed on the production of concrete.
  • the initial strength is improved and the rebar is corroded. It has come to be used for prevention.
  • Prestressed concrete is an effective technology that can suppress cracks on the surface, which can be said to be the fate of concrete.
  • Japanese Patent Laid-Open No. 2005-281112 Japanese Patent Laid-Open No. 2005-281112
  • alumina concrete has high density, increases strength, and suppresses the entry of chlorine ions from the outside.
  • rusting of the PC steel can be prevented, the curing period is very short compared to Portland cement, and the ettringite that exhibits the expansion effect is cured insufficiently, so that the expansion effect is hardly expected. For this reason, the adhesive force cannot be increased.
  • Ettringite (3CaO ⁇ Al2O3 ⁇ 3CaSO4 ⁇ 32H2O) is an aluminate phase (tricalcium aluminate, 3CaO ⁇ Al2O3) and SO4 2- (sulfate ion) during cement hydration in the presence of SO4 2- (sulfate ion) and H2O. And hydrate produced by the reaction of H2O. If the amount of ettringite produced is too large, the hardened cement will be expanded.
  • the resulting ettringite (3CaO ⁇ Al2O3 ⁇ 3CaSO4 ⁇ 32H2O) is a very small crystal of several microns, and this crystal is colloidal during the cement paste hardening process, and is formed in a small gap between the gels. It develops and reduces shrinkage caused by hardening of the gel and shrinkage caused by cocoon drying, and further expands the gel.
  • the expansion in this case is an expansion deformation that occurs along with the increase in strength. In the present invention, this promotes the strength and expansion of the adhering portion between the tension material and the concrete in the prestressed concrete, and increases the adhesion. It seems to be.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and uses chemical stress caused by an expanding material and mechanical stress caused by a continuous fiber reinforced wire, and also uses seawater as mixing water to increase adhesion, It is an object of the present invention to provide prestressed concrete capable of sufficiently exerting the strength due to stress.
  • the present invention provides a prestressed concrete manufacturing method in which mechanical stress due to a tension material and chemical stress due to an expansion material are introduced.
  • a method for producing prestressed concrete is characterized in that sulfate ions are mixed in mixed water and mixed at a ratio of 1000 to 5000 ppm per unit mass of water.
  • the mechanical stress by the tension material may be any as long as it can introduce mechanical tensile stress to concrete in advance using various wire materials as tension material, and either pre-tension method or post-tension method.
  • the introduction method may be used.
  • the chemical stress due to the concrete expansion material may be any expansion material as long as it is used for concrete, and may be an admixture that can introduce chemical stress into concrete.
  • the kneading water is water for kneading binders such as cement and aggregates such as gravel and sand. Conventionally, fresh water such as tap water is used. Water in which sulfate ions are mixed is used.
  • Sulfate ions for use in the present invention is good kneading in water any as long as it becomes a sulfate ion.
  • sodium sulfate (Na2SO4) or the like may be used such as water-soluble sulfate.
  • the sulfate ion in the kneaded water may be any one as long as the amount of ettringite produced during cement hydration is sufficient for the expansion effect. When the ratio of sulfate ions in the kneaded water is 1000 ppm or less, the production of ettringite is insufficient, which is not preferable.
  • the amount of ettringite produced is too large, so that the expansion effect becomes excessive and causes cracking, which is not preferable.
  • it is about 1500 to 4000 ppm, more preferably about 1800 to 3000 ppm.
  • Claim 2 is a method for producing prestressed concrete, characterized in that seawater is used as sulfate ions mixed in the kneaded water.
  • Seawater is water collected from the sea. It is mainly composed of water and is composed of about 3.5% salt and trace metals, and sulfate ion (SO4 2- ) contains about 0.2649% by mass. . (Content varies depending on the sea area.)
  • the inside of the concrete is alkaline, and the surface of the reinforced PC steel is about 20 to 60 micrometers thick.
  • seawater collected from the sea may be used as it is, preferably seawater from which dust has been removed with a filter or the like, and not a surface seawater with a lot of suspended matter, but a certain depth with little dust. You may use the seawater.
  • the tension material is a rust-resistant wire, and the method for producing prestressed concrete according to claim 1 or claim 2 is provided.
  • the rust-resistant wire may be any wire as long as the concrete does not rupture due to expansion of the tension material due to rusting after the concrete is placed.
  • a non-rusting metal such as an alloy, molybdenum alloy, or tungsten alloy, or a non-metallic material such as a resin material or a vegetable fiber material may be used.
  • the tension material is a continuous fiber reinforced wire, and the method for producing prestressed concrete according to claim 1 or claim 2 is provided.
  • the continuous fiber reinforcing wire is a linear continuous fiber reinforcing material, and is a PC tension material made of a reinforcing fiber reinforcing material continuously formed into a linear shape.
  • the continuous fiber reinforcing material is a general term for carbon fibers, glass fibers, aramid fibers, vinylon fibers and the like bound with an epoxy resin or the like.
  • the reinforcing fiber reinforcing material is lightweight, high strength, high elasticity, corrosion resistance, non-conductive, non-magnetic, etc., with physical properties (tensile strength, elastic modulus) superior to those of reinforcing bars and excellent corrosion resistance and electromagnetic properties not found in reinforcing bars. It is what has.
  • Linear means round, rectangular, deformed (rib, indented surface) rods, braided rods, stranded strands, grids, etc., generally linear or 2D or 3D assembled from its shape units. That means.
  • the expansion material is lime-based expansion material such as quick lime, calcium sulfoaluminate, ettringite-based expansion material such as seawater, ettringite-lime composite expansion material, iron powder-based expansion material, magnesium-based expansion material, It is the 1 type, or 2 or more types of mixture chosen from the aluminum powder type expansion material, the shale type expansion material, and the quartzite type expansion material, The any one of Claim 1-5 characterized by the above-mentioned. This is a method for producing prestressed concrete.
  • the effect of the chemical stress is not particularly limited as long as it acts on the concrete surface, and may be any as long as it has a light weight and cracking suppressing effect.
  • the seawater used in the kneaded water according to claim 7 is 50 to 200% by weight with respect to the total weight of the kneaded water, according to any one of claims 2 to 6. It is set as the manufacturing method of the prestressed concrete of description.
  • the amount of seawater used for the mixing water is 50% by weight or less, the amount of ettringite (3CaO, Al2O3, 3CaSO4, 32H2O), which is an expansion material that expands the cement hardened body, is small when the amount of sulfate ions in the seawater is small.
  • the expansion effect cannot be expected. 60 to 150% by weight is preferable, and 80 to 120% by weight is more preferable.
  • the amount of seawater when using concentrated seawater that has been concentrated is converted to the weight of natural seawater before concentration.
  • the sulfate ion contained in the said seawater is contained in the ratio of 1500-3000 ppm per unit mass of seawater, In any one of Claims 2-7 characterized by the above-mentioned. It is set as the manufacturing method of the prestressed concrete of description.
  • the sulfate ion in natural seawater is about 2000 to 2800, and there will be slight fluctuations when dust is removed by a normal filter. It is within the range of 3000 ppm.
  • a variety of existing technologies can be used to remove the chlorine ions.
  • a method of precipitating and removing chloride ions as silver chloride with an aqueous silver nitrate solution or an ion exchange resin may be used.
  • the discontinuous fiber reinforcing material may be any fiber reinforcing material in a discontinuous state.
  • the fiber dimensions are preferably 0.005 to 1.0 mm in diameter and 2 to 30 mm in length, more preferably from the viewpoint of preventing material separation of these fibers in the blend and improving the bending strength and toughness after curing.
  • a diameter of 0.01 to 0.5 mm and a length of 5 to 25 mm are preferable.
  • the aspect ratio (fiber length / fiber diameter) of the carbon fiber is preferably 20 to 200, more preferably 30 to 150.
  • the blending amount is suitably 0.2 to 5.0%, preferably 0.5 to 3.0%, more preferably 0.8 to 2.0%, as a volume percentage in the blend. If the blending amount is less than 0.2%, it is not expected to increase the bending strength or toughness. On the other hand, if this blending amount exceeds 5.0%, the unit water amount increases to ensure fluidity and the like, and even if the blending amount is increased, the fiber enhancement effect is not improved. This is not preferable because so-called fiber balls are easily formed in the kneaded product.
  • discontinuous fiber reinforcing material according to claim 11, wherein the discontinuous fiber reinforcing material is a reinforcing fiber material made of one or more fibers selected from metal fibers, carbon fibers, glass fibers, and resin fibers.
  • the prestressed concrete manufacturing method according to any one of claims 1 to 10.
  • the present invention has the following effects. 1) In the manufacturing method of prestressed concrete, by using sulfate ions in the kneaded water, ettringite, which is an expansion material, is generated during cement hydration. Can do.
  • seawater is used as the mixing water, and sulfate ions in the seawater produce ettringite, which is an expansion material during cement hydration.
  • the adhesion force of can be increased.
  • seawater As the kneaded water, it is possible to cover, as chemical stress, a portion that is less susceptible to mechanical prestress due to its expansion action.
  • the thickness of the concrete can be reduced and the shape of the notch can be reduced, greatly expanding the degree of freedom in design.
  • FIG. 1 a mechanical prestress introduction method by a pretension method is shown in FIG. 1
  • FIG. 1 is an explanatory diagram of a pretension bed (manufacturing apparatus). This is an example in which a tension of 50 tons (490 kN) is introduced using a strand of ⁇ 26 mm from PC steel as the tension material.
  • three prestressed concrete members are simultaneously manufactured in a longitudinal direction on a pretension bed (manufacturing apparatus) by a long line type.
  • lattice reinforcement (rebar) and formwork are assembled in a state where the strands of PC steel are in tension, and concrete is placed and cured.
  • the prestressed concrete according to the present invention realizes a new concrete composition, tension material, and tensile load.
  • seawater is used instead of water as mixing water.
  • the total weight per square meter is 2434.9 kg, and the ratio of seawater to the total amount is 7.2%.
  • seawater was collected from about 100 m of sea off the northern Zanpa Cape in Okinawa Prefecture, and used to remove dust and the like with a 0.5 mm mesh net.
  • the components of seawater are as follows. Specific gravity pH Na + K + Ca + Mg + Cl - SO 4 2- Co 3 2- (ppm) 1.02 8.1 9290 346 356 1167 17087 2378 110
  • the sulfate ion in the kneaded water and seawater is 2,378 ppm.
  • prestressed concrete with a reduced concrete plate thickness may be used.
  • One having a size of 2.4 m ⁇ 36 mm may be used as one body, and five tension members may be arranged at intervals of 500 mm in the lateral direction.
  • FIG. 2 shows a layout of the tendon.
  • the thickness T of the prestressed concrete 1 is 36 mm, and the tension material 2 having a diameter of 12.5 mm is arranged at the center of the plate thickness.
  • Lattice bars 3 were placed on the upper surface of the tendon.
  • the fog thickness is about 7 mm.
  • Compressive strength after prestressed concrete production was 60 MPa or more, which satisfied the strength standard.
  • the thickness of the prestressed concrete of this example is 36 mm.
  • the plate thickness needs to be about 30 mm in consideration of problems such as rust, so the fog thickness is more than that of the prestressed concrete of the present invention.
  • the weight of the prestressed concrete according to this example was 648 kg.
  • the plate thickness is 82 mm considering the fog thickness.
  • the approximate weight of general reinforced concrete calculated at 2.5 tons per m3
  • the present invention produces an ettringite that expands when concrete is hardened by mixing sulfate ions or seawater with the kneaded water, and exerts an adhesive force between the tension material and the concrete by making the concrete dense and exhibiting an expansion force. Is to strengthen.
  • test method and evaluation conform to the “Strength test method for reinforcing steel and concrete by pull-out test (JSTM C 2101)” at the Building Materials Testing Center, and the amount of slip: 0.002D (diameter) And the maximum adhesion stress at the time of fracture was compared.
  • seawater C was 123.6% higher than industrial water C in terms of maximum adhesion stress. From these results, it was confirmed that the use of seawater as concrete mixing water increased the degree of adhesion stress.

Abstract

【課題】 膨張材によるケミカルストレスと連続繊維補強線材によるメカニカルストレスを併用し、かつ、練り混ぜ水に海水を使用し、付着力を高め、プレストレスによる強度を十分に発揮させることのできるプレストレストコンクリートを提供することを課題とする。 【解決手段】緊張材による機械的ストレスと、膨張材によるケミカルストレスとを導入し、練り混ぜ水に海水を用いたことを特徴とするプレストレストコンクリートの製造方法とするものである。

Description

プレストレストコンクリートの製造方法
 本発明は、コンクリート膨張材によるケミカルストレスと、連続繊維補強線材を用いたメカニカルストレスとを併用して導入するプレストレストコンクリートに関し、特に硫酸イオン、あるいは硫酸イオンを含む海水を練り混ぜ水に使用するプレストレスコンクリートの製造方法に関する。
 従来より、機械的特性(圧縮強度、曲げ強度等) に優れるセメント系材料にプレストレスを導入してなるコンクリートの開発が行なわれている。
 従来のプレストレストコンクリートにおいて、プレテンション方式の場合は、プレストレスを導入する緊張材として高張力鋼材(PC鋼材)を使用し、PC鋼線や2~3本撚りPC鋼撚り線をロングライン方式または型枠定着方式によって緊張しながらコンクリートを打設し、養生硬化後にこれらのPC鋼線を切断してプレストレストコンクリートを製造している。
 近年、高強度を有するガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維などにより一方向に強化した繊維素材によるロッドを利用したプレストレスト緊張材が使用され、防蝕性に勝れたプレストレストコンクリートとして注目されている。
 プレストレストコンクリートの高い引張強度やせん断強度を発現する技術として特開2004-155623号が開示されている。
 連続繊維強化プラスチック複合材によるプレストレストコンクリート緊張材の技術として、特開2002-326285号が開示されている。
 また、通常、コンクリート構造物は、その表面から乾燥が進むため、収縮し、その収縮応力がコンクリートの引張り強度を上回るとひび割れが生じることとなる。
 このひび割れを低減するためには、コンクリートに所定のコンクリート混和材料を配合することにより、コンクリートの乾燥収縮量を補償するに足りる膨張量を与えること、あるいは乾燥収縮量を低減することが必要である。そのためのコンクリート混和材料として、膨張材や収縮低減剤が知られている。
 このうち、膨張材は水和反応に伴って膨張する材料を含み、水和膨張によりコンクリート構造物の乾燥収縮を防止するものである。
 コンクリートの膨張材として、特開2005-162564号が開示されている。これは安価な生石灰を、例えば従来のように他の原料成分を加えてクリンカ焼成物を製造するような煩雑な処理を経ることもなく、且つコストの増加を殆どもたらさずに、モルタルやコンクリート用の膨張材として十分使用できるようにし、モルタルやコンクリートの収縮や外圧に十分対抗できるような安定した膨張力を付与できる膨張材、特に、大量に使用しなくともケミカルプレストレスの導入を可能にした膨張材及びケミカルプレストレスが導入できるコンクリートを提供するとしたものである。
 このように、プレストレストコンクリートは、コンクリートの最大の弱点である、圧縮には強いが引張には弱いという問題を克服する目的で開発されたものであり、荷重が作用する前にコンクリート部材に圧縮力がかかった状態(プレストレス)とし、荷重を受けた時にコンクリートに引張応力が発生しないようにする、もしくは引張応力を制御するもので、通常の鉄筋コンクリートに比べ、引張応力によるひび割れを防ぐことができるものである。
 また、近年、東北の被災地復旧工事等で、建設資材が足りないため、海水を練り混ぜ水に用いたコンクリートが開発されている。
 例えば、特開2015-20925号公報では、200mm以上500mm以下の大きさに破砕されたコンクリート殻を粗骨材とするプレパックドコンクリート工法、又は、ポストパックドコンクリート工法に使用される注入用モルタルであって、結合材及び細骨材を練り混ぜる練り混ぜ水として海水を用いるコンクリートの製造方法が開示されている。
 練り混ぜ水に海水を用いることで初期強度を向上させ、脱型までの期間の短縮を目的とするものであり、十分な強度を確保させ、製造効率が高く、ブリーディング抑制にも寄与するというものである。
 また、特開2005-281112号公報では、鉄筋により構成される鉄筋構造体をコンクリート型枠内に配置した後に、アルミナセメントと海水と細骨材と粗骨材をを練り混ぜて流動体状のフレッシュコンクリートを生成し、このフレッシュコンクリートを型枠内に充填して鉄筋構造体を埋設して硬化させた海水配合型アルミナセメントコンクリートが開示されている。
 水道水配合型普通ポルトランドセメントコンクリートや水道水配合型アルミナセメントコンクリートに比べて、鉄筋の腐食防止効果が高いものである。
 また、プレストレストコンクリートのPC鋼材の腐食防止にも適応可能とされている。
 このように、従来、海水は塩分を含むため、鉄筋を錆びさせてしまうため、コンクリートの製造において種々の規制がされていたものであるが、使用方法によっては、初期強度の向上や鉄筋の腐食防止などに活用されるようになってきている。
特開2004-155623号公報 特開2002-326285号公報 特開2005-162564号公報 特開2015-20925号公報 特開2005-281112号公報
 上記の従来特許公報に示すように、プレストレストコンクリートは、その強度を高めるために種々の開発が行われている。
 従来のプレストレストコンクリートは、その用途として、橋梁、電柱、コンクリートパイル、建設部材や、建築物の梁などによく使用され、主に構造材に用いられている。
 プレストレストコンクリートは、コンクリートの宿命ともいえる、表面のひび割れを抑制できる効果的な技術である。
 また、上記の従来特許公報では、コンクリートの練り混ぜ水に海水を使用することにより、初期強度の向上、鉄筋の腐食防止効果が期待できる。
 プレストレスコンクリートでは、機械的プレストレスを付与するために、緊張材に引張応力をかけた状態で打設するが、打設後に緊張材とコンクリートの付着力が問題となる。すなわち、硬化時にコンクリートの膨張効果が必要となる。
 付着力が小さいと、緊張材とコンクリートの付着部で滑りが生じてしまい、プレストレスが十分に発揮されないことになる。
 上記の従来特許公報(特開2005-281112号公報)では、プレストレストコンクリートへの適応可能とされているが、アルミナコンクリートでは、緻密性が高く、強度を高め、外部からの塩素イオンの侵入を抑え、PC鋼材の錆びを防止できるが、ポルトランドセメントに比べて硬化期間が非常に短く、膨張効果を発揮するエトリンガイトの生成が不十分のまま硬化してしまうため、膨張効果はほとんど期待できない。このため、付着力は高められない。
 エトリンガイト(3CaO・Al2O3・3CaSO4・32H2O)は、SO42-(硫酸イオン)とH2Oが存在するセメント水和時に、アルミネート相(アルミン酸三カルシウム、3CaO・Al2O3)とSO42-(硫酸イオン)とH2Oが反応し、生成される水和物をいう。エトリンガイトの生成量が多すぎるとセメント硬化体を膨張させる。
 生成されるエトリンガイト(3CaO・Al2O3・3CaSO4・32H2O)は、数ミクロン程度の非常に小さい結晶で、この結晶がセメントペーストの硬化過程に おいてコロイド状で、ゲル間の微細な空隙にイガグリ状に発達し、ゲルの硬化による収縮ならびに 乾燥による収縮を低減し、さらに膨張させる働きをする。この場合の膨張とは、強度の増進に 伴って生じる膨張変形のことであり、本発明では、これが、プレストレストコンクリートにおいて、緊張材とコンクリートの付着部の強度、膨張を促進し、付着力を高めるものと思われる。
 本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、膨張材によるケミカルストレスと連続繊維補強線材によるメカニカルストレスを併用し、かつ、練り混ぜ水に海水を使用し、付着力を高め、プレストレスによる強度を十分に発揮させることのできるプレストレストコンクリートを提供することを課題とする。
 本発明は諸課題を解決するために、請求項1では、緊張材による機械的ストレスと、膨張材によるケミカルストレスとを導入するプレストレストコンクリートの製造方法において、アルミナセメントを除くセメント材を用い、練り混ぜ水に硫酸イオンを練り混ぜ水の単位質量当たり、1000~5000ppmの比率で混合して製造することを特徴とするプレストレストコンクリートの製造方法とするものである。
 該緊張材による機械的ストレスとは、各種の線材を緊張材としてコンクリートにあらかじめ機械的な引張応力を導入できるものであればいずれでもよく、プレテンション方式あるいはポストテンション方式のいずれの方式によるプレストレスの導入方式でも良い。
 該コンクリート用膨張材によるケミカルストレスは、コンクリート用として使用されている膨張材であればいずれの膨張材を混入しても良く、コンクリートにケミカルストレスを導入できる混和剤などでも良い。
 該練り混ぜ水とは、セメントなどの結合材、及び砂利や砂などの骨材を練り混ぜるための水であり、従来、上水道水などの真水が使用されているが、本請求項1では、硫酸イオンが混合された水を使用するものである。
 本発明に使用する硫酸イオン(SO42-)は、練り混ぜ水中で硫酸イオンとなるものであればいずれでも良い。例えば、水溶性の硫酸塩など、硫酸ナトリウム(Na2SO4)などでも良い。
 該練り混ぜ水中の硫酸イオンは、セメント水和時に生成されるエトリンガイトの量が膨張効果に十分な生成量となるものであれば良い。
 練り混ぜ水中の硫酸イオンの比率が1000ppm以下では、エトリンガイトの生成が不十分であり好ましくない。5000ppm以上では、エトリンガイトの生成量が多くなりすぎるため、膨張効果が過剰となり、ひび割れの要因となるため好ましくない。
 好ましくは、1500~4000ppm、さらに好ましくは、1800~3000ppm程度が良い。
 請求項2では、前記の練り混ぜ水に混合する硫酸イオンとして海水を用いることを特徴とするプレストレストコンクリートの製造方法である。
 海水は、海から採取される水であり、水を主成分とし、3.5%程度の塩、微量金属から構成されており、硫酸イオン(SO42-)は、0.2649質量%程度が含まれている。(海域により含有量は異なる。)
 一般に、コンクリートの材料としてポルトランドセメントを用いた鉄筋コンクリートやPC鋼材を用いたプレストレストコンクリートの場合、コンクリート内部はアルカリ性となっており、鉄筋PC鋼材などの表面には、20~60マイクロメートル程度の厚さの鉄の水酸化物(γ-Fe2O3・nH2O、nは自然数)の薄い皮膜(以下、「不動態皮膜」という。)が形成されているため電気化学的に安定であり、鋼材は腐食しにくくなっている。
 しかし、コンクリート構造物は塩化物イオン(Cl-)がコンクリート内部に浸透すると、これに伴い鋼材表面の不働態被膜が破壊され、鋼材の腐食を生じるという問題があるため、練り混ぜ水に海水を使用することは一般的にはほとんどなかった。
 該海水は、海から採取した海水をそのまま使用しても良く、好ましくは、フィルターなどでごみなどを除去した海水が良く、浮遊物の多い表層海水ではなく、ごみなどの少ない一定程度の深さの海水をくみ上げて使用しても良い。
 請求項3では、前記の緊張材は、難錆性線材であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のプレストレストコンクリートの製造方法とするものである。
 該難錆性線材は、コンクリート打設後において、緊張材の錆びによる膨張によってコンクリートが破裂する恐れのない線材であればいずれでも良く、例えば、ステンレス鋼、アルミニウム合金、チタン合金、ニッケル合金、クロム合金、モリブデン合金、タングステン合金などの難錆性金属や、樹脂材、植物繊維材などの非金属材を用いても良い。
 請求項4では、前記の緊張材は、連続繊維補強線材であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のプレストレストコンクリートの製造方法とするものである。
 該連続繊維補強線材とは、線状の連続繊維補強材であり、連続的に線状に成形された強化繊維補強材によるPC緊張材である。連続繊維補強材は、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ビニロン繊維などをエポキシ樹脂などでバインドしたものの総称である。
 該強化繊維補強材は、軽量、高強度、高弾性、耐食性、非電導、非磁性など、鉄筋よりも優れた物性(引張強度、弾性率)と鉄筋にはない優れた耐食、電磁気的特性とを有しているものである。
 線状とは、丸形、矩形、異形(リブ、インデンテッド表面)ロッド、組紐状ロッド、撚り線状ストランド、格子状等、概して線形形状またはその形状単位からの2次元または3次元組立て形状を意味するものである。
 請求項5では、前記の連続繊維補強線材は、金属繊維、アラミド繊維、炭素繊維、ガラス繊維、ポリ-p-フェニレンベンゾビスオキサゾール繊維から選ばれた1種又は2種以上の繊維による強化繊維線材であることを特徴とする請求項4に記載のプレストレストコンクリートの製造方法とするものである。
 請求項6では、該膨張材は、生石灰等の石灰系膨張材、カルシウムサルホアルミネート、海水等のエトリンガイト系膨張材、エトリンガイト-石灰複合系膨張材、鉄粉系膨張材、マグネシウム系膨張材、アルミニウム粉末系膨張材、頁岩系膨張材及び珪石系膨張材から選ばれた1種又は2種以上の混合物であることを特徴とする請求項1から請求項5までの何れか1項に記載のプレストレストコンクリートの製造方法とするものである。
 該ケミカルストレスの効果は、コンクリート表面において作用するものであればよく、軽量化とひび割れ抑制効果を有するものであればいずれでも良く、組み合わせを限定するものではない。
 請求項7では、前記の練り混ぜ水に用いる海水は、練り混ぜ水全重量に対して、50~200重量%であることを特徴とする請求項2から請求項6までのいずれか1項に記載のプレストレストコンクリートの製造方法とするものである。
 該練り混ぜ水に用いる海水の量は、50重量%以下では、海水中の硫酸イオンが少なく、セメント硬化体を膨張させる膨張材となるエトリンガイト(3CaO・Al2O3・3CaSO4・32H2O)の生成量が少なく、膨張効果が期待できない。好ましくは、60~150重量%が良く、さらに好ましくは、80~120重量%が良い。
 海水を濃縮した濃縮海水を使用する場合の海水の量は、濃縮する前の自然海水の重量で換算するものとする。
 請求項8では、前記の海水に含まれる硫酸イオンは、海水の単位質量当たり、1500~3000ppmの比率で含有されていることを特徴とする請求項2から請求項7でのいずれか1項に記載のプレストレストコンクリートの製造方法とするものである。
 自然海水中の硫酸イオンは、概ね2000~2800程度とされており、通常のフィルターにより、ごみ等を除去した場合には、若干の変動があるが、どこの海水を使用しても、1500~3000ppmの範囲内となる。
 請求項9では、前記の海水は、塩素イオンが除去された海水を練り混ぜ水とすることを特徴とする請求項2から請求項8までの何れか1項に記載のプレストレストコンクリートの製造方法とするものである。
 該塩素イオンの除去には、種々の既存技術を使用できる。例えば、硝酸銀水溶液で塩化物イオンを塩化銀として沈殿させて除去する方法や、イオン交換樹脂などを使用しても良い。
 請求項10では、コンクリート打設時に不連続繊維補強材を混入したことを特徴とする請求項1から請求項9までの何れか1項に記載のプレストレストコンクリートの製造方法とするものである。
 該不連続繊維補強材は、不連続状態の繊維補強材であればいずれでも良い。
 繊維の寸法は、配合物中におけるこれら繊維の材料分離の防止や硬化後の曲げ強度や靭性の向上の点から、直径0.005~1.0mm、長さ2~30mmが好ましく、さらに好ましくは、直径0.01~0.5mm、長さ5~25mmが良い。また、炭素繊維のアスペクト比(繊維長/繊維直径)は20~200が好ましく、30~150がより好ましい。
 配合量は、配合物中の体積百分率で、0.2~5.0%が適当であり、0.5~3.0%が好ましく、0.8~2.0%がより好ましい。この配合量が0.2%未満では曲げ強度や靭性を高めることは期待できない。一方、この配合量が5.0%を超えると、流動性等を確保するために単位水量が増大するうえ、配合量を増やしても繊維の増強効果が向上しないため、経済的でなく、さらに混練物中にいわゆるファイバーボールを生じ易くなるので、好ましくない。
 請求項11では、該不連続繊維補強材は、金属繊維、炭素繊維、ガラス繊維、樹脂繊維から選ばれた1種又は2種以上の繊維による強化繊維材であることを特徴とする請求項1から請求項10までのいずれか1項に記載のプレストレストコンクリートの製造方法とするものである。
 本発明は以下の効果を奏する。
1)プレストレストコンクリートの製造方法において、練り混ぜ水に硫酸イオンを使用することにより、セメント水和時に膨張材であるエトリンガイトを生成するため、その膨張作用により、緊張材とコンクリートの付着力を高めることができる。
2)プレストレストコンクリートの製造方法において、練り混ぜ水に海水を使用することにより、海水中の硫酸イオンにより、セメント水和時に膨張材であるエトリンガイトを生成するため、その膨張作用により、緊張材とコンクリートの付着力を高めることができる。
3)上記の付着力の強化により、機械的プレストレス時の滑りを防止でき、強力でかつ信頼性の高いプレストレストコンクリートを実現できる。
4)上記の付着力の強化により、機械的プレストレスの緊張材の有効範囲を大きく広げることができる。
5)練り混ぜ水に海水を使用することにより、その膨張作用により、機械的プレストレスの影響しにくい部分をケミカルストレスとしてカバーすることができる。
6)練り混ぜ水に塩素イオンを除去した海水を使用することにより、PC鋼材を緊張材として使用しても錆びの問題を解消できる。
7)コンクリート中に不連続繊維補強材が混入されていると、コンクリートの曲げ強度を向上させることができ、膨張材の効果を高め、付着力を高めることができる。
8)コンクリートの薄肉化や切り欠き形状が可能となり、デザインの自由度が大きく広がる。
9)機械的ストレスとケミカルストレス及びエトリンガイト生成の相乗効果により、表面形状の変化や切り欠き部、あるいは、開口部を設けた場合においても強度を高めることができるので、思い切ったデザイン構成を可能とし、よりフレキシブルなプレストレストコンクリートが実現できる。
10)薄肉化と軽量化、及びひび割れ抑制により、今までコンクリートでは使用不可能であった部材への適用が可能となる。
11)金属部材、ガラス部材、硬質樹脂部材、木部材、制振部材や免振部材などの衝撃エネルギー吸収部材、先行躯体としての型枠材などの代替部材として活用できる。
本発明のプレストレスコンクリートの製造方法を示すフロー図である。 本発明によるプレストレスコンクリートにおける緊張材の配置を示す概略図である。 付着力比較試験に使用した工業用水使用コンクリートの強度試験成績書である。 付着力比較試験に使用した海水使用コンクリートの強度試験成績書である。
 本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
 最初にプレテンション方式による機械的なプレストレスの導入方法を図1に示す。
 図1は、プレテンションベッド(製造装置)の説明図である。
 緊張材としてPC鋼より線φ26mmを使用し、50トン(490kN)の緊張力を導入する例である。
 この例では、図1に示すように、ロングライン式でプレテンションベッド(製造装置)上に長手方向に3体のプレストレストコンクリート部材を同時に製造するものである。
 (A)に示すように、反力台間にPC鋼より線を張り、左側のジャッキで50トン(490kN)の引張荷重で緊張させ、プレストレス力を付加する。
 次に(B)に示すように、PC鋼より線が緊張した状態で格子筋(鉄筋)、型枠組み立てを行い、コンクリートを打設・養生する。
 所定のコンクリート強度が得られたら、(C)に示すように、緊張ジャッキを徐々に解放し、PCより線を切断し、プレストレストコンクリート部材を緊張させる。
 このように、プレストレストコンクリートは製造される。
 本発明によるプレストレストコンクリートは、新規なコンクリートの組成、緊張材、及び引張荷重を実現するものである。
 以下にコンクリートの打設におけるコンクリートの配合を示す。(単位kg/m3)

コンクリート配合例1(基本配合)
普通ポルトランドセメント       : 626
海水                 : 175
細骨材                : 809
粗骨材                : 818
混和剤:減水剤            :   6.89
 本実施例では、練り混ぜ水として水に替えて海水が使用されている。
1m3当たりの総重量は、2434.9kgであり、総量に対する海水の割合は、7.2%である。
 また、海水は、沖縄県の北部残波岬沖、約100mの海中より採取し、0.5mmメッシュの網でごみ等を除去したものを使用した。
 海水の成分は以下のとおりである。

比重  pH  Na+   K+   Ca+   Mg+    Cl-   SO4 2-  Co3 2- (ppm)
1.02  8.1  9290  346  356  1167  17087  2378  110
 また、上記の基本配合に膨張材を添加した場合のコンクリート配合を以下に示す。(単位kg/m3)

コンクリート配合例2(膨張材添加)
普通ポルトランドセメント       : 606
膨張材                :  20
海水                 : 175
細骨材                : 809
粗骨材                : 818
混和剤:減水剤            :   6.89

 本実施例では、1m3当たりの総重量は、2434.9kgであり、総量に対する海水の割合は、7.2%である。
 また、上記の基本配合にフライアッシュを添加した場合のコンクリート配合を以下に示す。(単位kg/m3)

コンクリート配合例3(フライアッシュ添加)
普通ポルトランドセメント       : 563
フライアッシュ            :  63
海水                 : 175
細骨材                : 798
粗骨材                : 810
混和剤:減水剤            :   6.89

 本実施例では、1m3当たりの総重量は、2381.5kgであり、総量に対する海水の割合は、7.3%である。
 また、上記の基本配合に膨張材、フライアッシュ、繊維補強材を添加した場合のコンクリート配合を以下に示す。(単位kg/m3)

コンクリート配合例4(膨張材+フライアッシュ+繊維補強材添加)
普通ポルトランドセメント       : 621
膨張材                :  20
フライアッシュ            :  71
繊維補強材              :   9.1
海水                 : 185
細骨材                :1205
粗骨材                : 267
混和剤:減水剤            :  11.38

 本実施例では、1m3当たりの総重量は、2381.5kgであり、総量に対する海水の割合は、7.3%である。
 上記のコンクリート配合例1から4については、いずれも、練り混ぜ水中及び海水中の硫酸イオンは、2,378ppmである。
 また、コンクリートの板厚を薄くしたプレストレストコンクリートとしても良い。
 例えば、緊張材として、難錆性線材であり、連続繊維補強線材である、直径12.5mmの炭素繊維強化型高分子(CFRP)材によるより線を使用し、プレストレストコンクリートのサイズは、3m×2.4m×36mmのものを1体とし、短手方向に500mm間隔で5本の緊張材を配置したものでも良い。
 図2に緊張材の配置図を示す。
 プレストレストコンクリート1の厚さTは、36mmであり、φ12.5mmの緊張材2を板厚の中心部に配置した。
 緊張材の上面に格子筋3を配置した。カブリ厚は約7mmである。
 以上のコンクリート組成において、緊張材を配置し、緊張材1本当たりに18kNの引張荷重を導入した。
 約24時間養生後、緊張力を解放した。
 プレストレストコンクリート製作後の圧縮強度は60MPa以上であり、強度基準を満たすものであった。
 本実施例のプレストレストコンクリートの板厚は36mmである。従来の鋼製緊張材(φ12.5mm)を使用したプレストレストコンクリートの場合、板厚は、錆びなどの問題を考慮し、カブリ厚は30mm程度必要であるため、本発明のプレストレストコンクリートよりカブリ厚の差分(30mm-7mm)、すなわち、片側で23mm程度厚くする必要がある。
 また、本実施例によるプレストレストコンクリートの重量は648kgであった。
 鋼製緊張材を用いたプレストレストコンクリートの場合には、板厚はカブリ厚を考慮して82mmとなる。一般的な鉄筋コンクリートの概算重量(1m3あたり2.5tonで算出)で算出すると、約1476kgとなり、50%以上の軽量化となった。
 プレストレスコンクリートにおいては、引張応力に弱いという、コンクリートの弱点を、緊張材による機械的プレストレスによりカバーし、引張応力によるひび割れ等を防ぐことができるものである。
 このプレストレスの能力を十分に発揮させるためには、コンクリートと緊張材との付着力が重要となる。付着力が不十分な場合には、コンクリートと緊張材の間ですべりが発生し、機械的なプレストレスが発揮できなくなる。
 本発明は、練り混ぜ水に硫酸イオンあるいは海水を混合することにより、コンクリート硬化時に膨張作用をするエトリンガイトを生成させ、コンクリートを緻密にかつ膨張力を発揮させることで、緊張材とコンクリートの付着力を強化するものである。
 以下に海水を用いた付着力の比較試験を示す。
〈付着力比較試験〉
 従来の工業用水を用いたコンクリート(工業用水C)と、海水を用いたコンクリート(海水C)の付着力比較試験を行った。
 試験方法及び評価は、(財)建材試験センターの「引抜き試験による鉄筋とコンクリートとの付着強さ試験方法(JSTM C 2101)」に準拠し、すべり量:0.002D(直径)での付着応力度及び破断時の最大付着応力度を比較した。
〈試験体〉
1)工業用水C  3体
  練り混ぜ水:工業用水
比重:1.0
  硫酸イオン:7.0mg/L(7ppm)
2)海水C  3体
  練り混ぜ水:読谷村海水
  比重:1.02   
  硫酸イオン:2090mg/L(2132ppm)
3)試験体条件
 ・試験体サイズ
  立方体試験体:200mm×200mm×200mm
  鉄筋直径:13mm(SD295A D13)
  付着部分:50mm

 ・コンクリートの配合割合
  普通ポルトランドセメント       : 621
  膨張材                :  20
  海水又は工業用水           : 185
  細骨材                :1205
  粗骨材                : 267
  混和剤(減水剤)           :  11.38
  フライアッシュ            :  71
  炭素繊維               :   9.1

 ・強度試験:材齢28日(図3、図4参照)
    圧縮強度:工業用水コンクリート:99.1N/mm2
    圧縮強度:海水コンクリート:88.5N/mm2
〈試験体製作状況〉
  型枠状況
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
(付着部拡大状況)

  打設状況
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000004
〈試験体〉
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000005
〈試験装置〉
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000006
(試験装置全体外観)

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000007
(試験体部分の状況)
〈破断状況〉
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000008
(ねじ部での破断状況)

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000009
(鉄筋部での破断状況)
〈試験結果〉
工業用水C-1
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000010
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000011
工業用水C-2
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000012
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000013
工業用水C-3
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000014
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000015
海水C-1
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000016
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000017
海水C-2
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000018
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000019
海水C-3
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000020
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000021
〈付着応力度の比較〉
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000022

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000023
 材齢28日の強度試験では、工業用水使用のコンクリートに対して海水使用コンクリートは89.3%であり、強度が低い値であったが、付着応力度(表1)は、全体としては、工業用水Cに対して海水Cは228.0%と非常に高い値となった。(試験体2では海水Cの方が低い値を示したが、強度試験を考慮すると付着応力度は良好な値となっている。)
 また、最大付着応力度では、工業用水Cに対して海水Cは123.6%と高い値となった。
これらの結果から、コンクリートの練り混ぜ水に海水を使用することにより、付着応力度が高くなることが確認できた。
 従って、練り混ぜ水に海水を混合することにより、付着力の増加が認められ、プレストレス導入によるプレストレストコンクリートの性能を高めることができるものである。
 1 プレストレストコンクリート
 2 緊張材
 3 格子筋

Claims (11)

  1.  緊張材による機械的ストレスと、膨張材によるケミカルストレスとを導入するプレストレストコンクリートの製造方法において、アルミナセメントを除くセメント材を用い、練り混ぜ水に硫酸イオンを練り混ぜ水の単位質量当たり、1000~5000ppmの比率で混合して製造することを特徴とするプレストレストコンクリートの製造方法。
  2.  前記の練り混ぜ水に混合する硫酸イオンとして海水を用いることを特徴とする請求項1に記載のプレストレストコンクリートの製造方法。
  3.  前記の緊張材は、難錆性線材であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のプレストレストコンクリートの製造方法。
  4.  前記の緊張材は、連続繊維補強線材であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のプレストレストコンクリートの製造方法。
  5.  前記の連続繊維補強線材は、金属繊維、アラミド繊維、炭素繊維、ガラス繊維、ポリ-p-フェニレンベンゾビスオキサゾール繊維から選ばれた1種又は2種以上の繊維による強化繊維線材であることを特徴とする請求項4に記載のプレストレストコンクリートの製造方法。
  6.  前記の膨張材は、生石灰等の石灰系膨張材、カルシウムサルホアルミネート、エトリンガイト系膨張材、エトリンガイト-石灰複合系膨張材、鉄粉系膨張材、マグネシウム系膨張材、アルミニウム粉末系膨張材、頁岩系膨張材及び珪石系膨張材から選ばれた1種又は2種以上の混合物であることを特徴とする請求項1から請求項5までの何れか1項に記載のプレストレストコンクリートの製造方法。
  7.  前記の練り混ぜ水に用いる海水は、練り混ぜ水全重量に対して、50~200重量%であることを特徴とする請求項2から請求項6までのいずれか1項に記載のプレストレストコンクリートの製造方法。
  8.  前記の海水に含まれる硫酸イオンは、海水の単位質量当たり、1500~3000ppmの比率で含有されていることを特徴とする請求項2から請求項7でのいずれか1項に記載のプレストレストコンクリートの製造方法。
  9.  前記の海水は、塩素イオンが除去された海水を練り混ぜ水とすることを特徴とする請求項2から請求項8までの何れか1項に記載のプレストレストコンクリートの製造方法。
  10.  コンクリート打設時に不連続繊維補強材を混入したことを特徴とする請求項1から請求項9までの何れか1項に記載のプレストレストコンクリートの製造方法。
  11.  該不連続繊維補強材は、金属繊維、炭素繊維、ガラス繊維、樹脂繊維から選ばれた1種又は2種以上の繊維による強化繊維材であることを特徴とする請求項10に記載のプレストレストコンクリートの製造方法。
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