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https://doi.org/10.11501/3118225

https://hdl.handle.net/2115/51388

透水性コンクリートの配合設計法と耐凍害性に関する基礎的研究

日本語

1996-09-30

Hokkaido University

iii, 156p.

自然に対する土木構造物の対応は自然環境の保持と市民生活の安全性、快適性の確保に向けて大きな変革の時を迎え、これらの社会的要求に対応するため多岐にわたる工学的研究が進められている。その中で社会基盤設備を支える構造物に視点を向けると、コンクリートは多量に用いられ、その経済性、リサイクル性あるいは環境性能を考えると、これからもさらに重要な構造材料の一つになると考えられる。本研究ではコンクリートの環境性能を向上させるため、透水性能を持つコンクリートの性能開発を試みたものである。透水性コンクリートには設置環境から求められる透水係数が存在し、側溝や埋設護岸などの河川構造物、海岸構造物などの人間と自然環境の接点となる構造物を想定すると、適用透水係数の範囲は102-100cm/s程度と考えられる。透水性コンクリートはALC(Auto-Claved Light-weight Concrete)や気泡セメントコンクリートと同様に、多孔質コンクリートの一種であるが透水性能を発揮させることに相違点がある。製造方法は低水セメント比のセメントペーストと、Gap-gradeとした骨材配合を用いて振動締固めによってつくるのが主流である。配合設計法については骨材の粒径や粒度との相関やセメントペーストの粘性などの性質との関係等、各要素間での検討がなされているが、系統的な配合設計法を示した文献はほとんど無く、試験練りなどによって配合を決定する経験的手法によって配合設計が行われているのが実状である。また、透水性コンクリートは現在までは排水管等の地中構造物に対して用いられることが多く、凍害を受ける可能性は少なかった。しかしながら寒冷地では、今後構造物の多様化とともに温度、水分環境の厳しい地表面にさらされる利用法も多くなることが考えられ、透水性コンクリートの多孔性という性質からも耐凍害機構が一般のコンクリートより厳しくなり、試験方法の検討とともに特に耐凍害性に対する検討が必要となる。本研究では以上のことをふまえて、多孔質コンクリートの一種である透水性コンクリートに着目してその配合設計法と耐凍害性に関しての検討を行い、系統的な配合設計法の構築ならびに各種環境下の透水性コンクリートの耐凍害性の評価、凍害機構の検討および新たな試験手法についての提案を行っている。本論文は全7章によって構成されている。第1章は序論であり、本研究の背景と目的、関係する既往の研究について述べている。第2章は配合設計法の構築について明らかにしている。耐久性、構造物の設置環境によって透水性コンクリートの透水係数と強度が設定され、透水係数は連続空隙率と強い相関を持ち、実験式によってこの関係が決定される。さらに配合に用いる材料の諸量を決定するために、連続空隙以外の量についての検討を行って骨材の容積を求めるという手法を用いた配合設計法を明らかにしている。透水性コンクリートの製作時に使用する加圧振動締固めの方法によって求める骨材の総実積率を配合設計法に新たに導入し、単位粗骨材容積に相当する値を決定することにより骨材の総量が求められる。さらに所要強度から決められるセメントペーストと骨材の総容積比の値、および透水性を確保できる範囲の水セメント比よりセメント量と単位水量が決定され、以上によりすべての単位量が設定される。これを照査するために実測の透水係数と計算上から求められる透水係数の比較を行った結果、よい相関性があることが明らかにされ、配合設計法の有効性が確認されている。第3章は本研究で用いた透水性コンクリートの製作法に関して述べている。ここでは練混ぜに関する検討と、加圧振動締固めを用いた振動時間、加圧力などの成型方法について検討を行い、振動時間は約15秒程度、加圧力は6-7kgf/cm2程度が適当であることなどの製作方法、養生法について明らかにしている。第4章は透水性コンクリートの各種強度特性について述べている。この中では圧縮、曲げ、割裂引張強度ならびに弾性係数などの力学的挙動に関するパラメータ、および透水係数との相関に関して検討を行い、これらの値の相互の関係について明らかにしている。第5章以降は耐凍害性に関する検討である。第5章は透水性コンクリートが適用される環境を整理し、自然環境を想定した透水性コンクリートの耐凍害性に関する室内実験と、実際に自然環境に暴露されている構造物の凍害挙動から、実環境下での透水性コンクリートの耐凍害性について示している。この結果、実構造物で透水性コンクリートを用いる場合、水分環境の違いによって劣化形態が異なることがわかった。河川構造物で埋設護岸として用いる場合には凍結深を考慮し、また側溝などに用いる場合は、透水性コンクリート内に水分が滞留しないように裏込め砂利の使用など、透水性を十分に確保することが凍害による劣化を抑えるのに有効である事を示している。さらに水分が連続的に供給される海岸構造物の場合は、マトリックスの強度を大きくし、かつ透水係数を大きくすることにより凍害による劣化を抑える事ができることを明らかにしている。第6章は第5章で明らかにした自然環境下のコンクリートの凍害挙動を鑑みて、透水性コンクリートの凍害発生のメカニズムに関する検討を行っている。既往のコンクリートの凍害に関する説明に加えて、土の分野での凍上論を導入することによりメカニズムを説明できることを示している。また一般的なコンクリートの耐凍害性評価に対する試験方法であるASTMの試験方法で凍結融解試験を行った場合、既往の研究においても透水性コンクリートの耐凍害性はかなり低く評価されており本研究でも同様な結果を得ている。この試験環境は、透水性コンクリートが外部から氷によって密閉状態に覆われ、高い水圧が繰り返される厳しい環境条件にあり、ひび割れ破壊を起こすことがわかった。また水で満たした透水性コンクリートを完全凍結状態で長時間試験を行った結果、劣化は起こらないことを明らかにしている。さらに本研究では新たな試験方法として、凍結線を一定にした凍上試験を透水性コンクリートに関して行い、飽水された透水性コンクリート中に凍結部と未凍結部が存在する実験環境では凍結線よりやや低温側に変形が起きることを示し、実環境下で水分が下部の地中から連続的に供給される場合の劣化作用、すなわち凍上的な劣化メカニズムに対応し、有効な試験方法の一つであることを示している。ASTMの試験方法は透水性コンクリートの材料試験方法としては有効なものであるが、実環境にあてはまるケースが少ないと考えられ、実環境下での凍害劣化挙動から、透水性コンクリートの耐凍害性の評価を試験によって行う場合には、実環境を鑑みた実験が必要であることを明らかにしている。第7章は結論であり、各章の結果をまとめたものである。

1996-09-30

甲第3957号

博士(工学)

博士論文

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