JP6082207B2 - 軽量コンクリート製床版 - Google Patents

Description

本発明は耐水性を向上させた軽量コンクリート製床版等に関する。

道路計画によっては、地上に直接道路を設けず、橋脚等を用いて道路構造を支持するような構成が採られる場合がある。このようなケースにおいては、道路構造の重量を低減する目的で、軽量骨材を使用した軽量コンクリートによるＲＣ（reinforced concrete：鉄筋コンクリート）床版が用いられることがあった。

しかしながら、通常、軽量コンクリートは普通コンクリートと比較して引張強度やせん断強度が小さく、さらに水セメント比が６０％以下の範囲では圧縮強度が小さくなる。一般に、ＲＣ床版は、上部を走行する車両からの輪荷重の繰り返し作用により押し抜きせん断破壊し終局に至る。従って、その耐久性はコンクリートの強度に大きく依存する。このため、軽量コンクリート製のＲＣ床版の疲労耐久性は、普通コンクリートを使用した場合に比べて劣ると考えられている。

一方、軽量コンクリートの疲労強度を向上させる技術として、軽量コンクリートに膨張材を混入することが提案されている（特許文献１参照）。軽量コンクリートに膨張材を混入することで、膨張材の膨張に伴うケミカルプレストレスにより、コンクリートの引張抵抗力の向上が期待できる。さらに、膨張材と軽量骨材の組み合わせが温度収縮によるひび割れ抑制に大きな効果を発揮することから、施工時のひび割れ発生も抑えられる。

特開２００８−４４８０６号公報

ところで、ＲＣ床版を用いた道路構造における課題として、耐水性の問題がある。このような道路構造では、床版の上部にゴムシートや防水材の塗布により防水層を形成することが多いが、防水層が劣化したりすると床版に雨水等が侵入し、ひび割れ等に滞留することがある。このような雨水等の水圧が上部からの輪荷重により上昇すると、ひび割れの進展につながる。従来は、このように防水層の健全性が床版の疲労耐久性に影響することから、防水層の取り換えを頻繁に行う必要がありコストがかかっていた。

しかしながら、特許文献１では、上記のような床版については特に想定されていない。コンクリートを床版に用いる場合では、上記のような耐水性の要求を満たすとともに、床版としての使用目的に合致した強度や施工性の観点から、膨張材等の配合等も限定されることになる。

本発明は、前述した問題点に鑑みてなされたもので、耐水性が高く、かつ、軽量で十分な強度も得られる軽量コンクリート製床版等を提供することを目的とする。

前述した目的を達するための本発明は、コンクリートを用いて形成した床版であって、前記コンクリートに、軽量骨材およびセメントに加えて膨張材を含有させ、当該コンクリートによる供試体の上面で5mmの深さの湛水層を設けて輪荷重走行試験を行った場合に当該供試体がせん断破壊するまでの走行回数が、第１の比較供試体の上面で前記湛水層を設けて前記輪荷重走行試験を行った場合に当該第１の比較供試体がせん断破壊するまでの走行回数、および、第２の比較供試体の上面で前記湛水層を設けずに前記輪荷重走行試験を行った場合に当該第２の比較供試体がせん断破壊するまでの走行回数より大きく、前記第１の比較供試体は、前記供試体の水の単位量を173kg/m³ に変え、セメントの単位量を267kg/m³ に変え、膨張材の単位量を0kg/m³ に変え、細骨材の単位量を861kg/m³ に変え、粗骨材の単位量を1005kg/m³ に変え、混和剤の量を1.0重量%に変えて、水結合材比を65重量%とし、細骨材率を47体積%としたもので、且つ前記軽量骨材を使用しないものであり、前記第２の比較供試体は、前記供試体の前記膨張材を前記セメントに置き換えたものであることを特徴とする軽量コンクリート製床版である。

ここで、耐水性とは、前記のように雨水等の水が滞水している場合であっても、高い疲労耐久性が得られる性質を指すものとする。そして、上記構成により、高い耐水性を有し、軽量で強度も高い床版を提供することができる。上部に防水層を設ける場合でも、ある程度の防水層の劣化は許容できて交換の頻度を低減でき、コスト減につながる。

前記膨張材は、低添加型の膨張材であり、前記コンクリート１ｍ^３あたり２０ｋｇ以上４０ｋｇ以下の割合で含有されることが望ましい。
また、前記コンクリートにおいて、水結合材比が、３８重量％以上４２重量％以下であることが望ましい。
これにより、床版としての使用目的に応じた優れた強度および施工性と、耐水性とを両立させたコンクリートが得られる。

本発明の軽量コンクリート製床版を用いることで、高い耐水性を有する道路構造が得られる。前記のように、防水層の交換頻度も低減できる。

本発明により、耐水性が高く、かつ、軽量で十分な強度も得られる軽量コンクリート製床版等を提供することができる。

道路構造３を示す図 供試体について示す図 供試体について示す図 試験装置１０について示す図 試験結果について示す図 試験結果について示す図

以下、図面を参照しながら、本発明の軽量コンクリート製床版等の実施形態について説明する。

図１は、本実施形態の床版３１（軽量コンクリート製床版）を含む道路構造３について示す図である。図１（ａ）は道路構造３の断面構成を示す図である。また、図１（ｂ）は橋脚１ａに道路構造３を設けた例、図１（ｃ）はボックスカルバート１ｂに道路構造３を設けた例である。

図１（ａ）に示すように、道路構造３は、床版３１、防水層３３、舗装層３５で構成される。

本実施形態において、床版３１は、膨張材、軽量骨材、セメント等を含有したコンクリートを図示しない鉄筋等で補強した床版である。

このコンクリートに用いられる膨張材としては、水和により膨張するものであれば、特に限定されない。特許文献１にも記載があるが、例えば、水酸化カルシウムの生成により水和膨張するもの等、ＪＩＳ Ａ ６２０２に適合する膨張材を使用することができる。

なお、本実施形態では、この膨張材として、標準添加量がコンクリート１ｍ^３あたり２０ｋｇである低添加型の膨張材を用い、これをコンクリート１ｍ^３あたり２０ｋｇ以上４０ｋｇ以下の割合となるように配合する。２０ｋｇ未満の場合は、ケミカルプレストレスの導入が得られないためコンクリートにひび割れが発生しやすくなり後述する耐水性等の点で劣り、４０ｋｇを超える場合では膨張量が大きくなりすぎ床版として求められる３０Ｎ／ｍｍ^２程度の圧縮強度を得ることが難しくなるためである。
なお、低添加型の膨張材としては、例えば石灰系のものなどがある。これは、標準添加量がコンクリート１ｍ^３あたり３０ｋｇである従来型の膨張材に比して、膨張材中の遊離石灰量を多くするなどして膨張量を多くし、低添加型としたものである。

軽量骨材は、例えば膨張頁岩を原料とした従来知られている人工の軽量骨材を使用することができる。

セメントも特に限定されることなく、公知の様々なポルトランドセメントを用いることができる。また、減水剤や空気量調整剤など、各種の混和剤を含ませることも可能である。

ここで、コンクリート調製時の水結合材比は、３８重量％以上４２重量％以下とすることが望ましい。なお、結合材はセメントと膨張材を指すものとし、結合材の重量は、これらセメントと膨張材の重量を合わせたものである。

これは、水結合材比が３８重量％未満の場合は、床版コンクリートとして必要なスランプ値を得るための単位水量が少なくなり、コンクリートの粘性が増大するため床版の施工の観点から好ましくなく、また、４２重量％を超える場合には床版として求められる前記の圧縮強度が得られないためである。

なお、その他の配合量としては、練り混ぜ性の観点から、コンクリート１ｍ^３あたり、水量は１６０ｋｇ以上とし、セメントと膨張材を合わせた粉体量は４００ｋｇ以上４５０ｋｇ以下とすることが望ましい。

防水層３３は、床版３１の上に形成される。防水層３３としては従来知られたものを用いることができ、例えば各種の防水材を塗布して形成してもよいし、ゴムシートを敷いてもよい。

防水層３３の上には、舗装層３５が設けられる。舗装層３５も従来知られたものとでき、例えばアスファルトを敷いて形成できる。

本実施形態のようにして形成した道路構造３は、例えば図１（ｂ）に示すように橋脚１ａ上に配置することもできるし、図１（ｃ）に示すようにボックスカルバート１ｂ上に配置することもできる。また、図１（ｄ）に示すようにシールドトンネル１ｃ内で配置される場合もある。その他、種々の道路として適用することができる。また、床版３１は、新設の道路に適用するだけでなく、既設の床版の打ち替えにも使用できる。

以下、実施例を挙げて本実施形態の床版の効果について説明する。ただし、本発明がこれに限られることはない。

（実施例１、２および比較例１〜３）
水、セメント、膨張材、骨材（細骨材および粗骨材）、混和剤を図２に示す配合により混合し、実施例１、２および比較例１〜３のコンクリートを調製した。図中水、セメント、膨張材、骨材（細骨材および粗骨材）の単位量はコンクリート１ｍ^３あたりの値（ｋｇ）である。また、混和剤はＡＥ減水剤であり、図の値はセメント重量に対する重量比である。なお、膨張材としては低添加型の石灰系膨張材を用いている。

実施例１、２および比較例３では骨材として軽量骨材を用い、比較例１、２では通常の骨材を用いた。さらに、実施例１、２では膨張材を使用し、比較例１〜３では膨張材を使用しなかった。

（輪荷重走行試験）
図２の配合により調製した実施例および比較例のコンクリートを用いて床版を模擬した供試体３０を作成し、輪荷重走行試験を行った。

図３はこの供試体３０について示す図である。図３（ａ）は供試体３０の平面を示す図であり、図３（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ図３（ａ）の線Ａ−Ａ、線Ｂ−Ｂによる断面図である。図に示すように、供試体３０は長方形状の平板体であり、内部に補強筋４０を配置したものである。

輪荷重走行試験は、図４（ａ）に示す試験装置１０を用いて行った。
この試験装置１０は、レール２２に沿ってスライド可能なスライドステージ２１上に供試体３０を配置し、このスライドステージ２１をレール２２に沿って往復移動させつつ、別に設けたフレーム１１に配置した負荷部１３から供試体３０に輪荷重を負荷するものである。
負荷部１３の先端には車輪が設けられる。この車輪はスライドステージ２１の移動に伴い供試体３０上を相対移動する（図４（ｂ）、（ｃ）の矢印参照）。負荷部１３は、この車輪を介して供試体３０に輪荷重を負荷するようになっている。

図４（ｂ）はスライドステージ２１上の供試体３０を上面から見た図である。供試体３０は、平面の長辺に沿った支持部３０ａ、３０ａで単純支持するとともに、短辺に沿った支持部３０ｂ、３０ｂで弾性支持し、スライドステージ２１上に配置した。

詳しくは後述するが、供試体の一部については試験条件を変えて、湛水状態を模擬した条件下で試験を行っている。この条件を図４（ｃ）に示す。図４（ｃ）は、図４（ｂ）と同様、スライドステージ２１上の供試体３０を上面から見た図である。図に示すように、この条件では、供試体３０上の外周に沿って土手状に盛上部４１を設け、その内側で５ｍｍ程度の厚みの湛水層４３を設けて湛水させた。この湛水層４３としては、布に水分を含ませたものを用いた。
この試験条件を以降水中条件というものとし、これに対し、前記の図４（ｂ）に示した試験条件を気中条件というものとする。

輪荷重走行試験は、実施例１、２、および比較例３については、初期荷重を９８．０ｋＮとして、走行２０万回までは走行１０万回ごとに２９．４ｋＮずつ荷重を増加させ、走行２０万回以降は走行５万回ごとに２９．４ｋＮずつ荷重を増加させた。
比較例１、２については、初期荷重を９８．０ｋＮとして、走行２０万回ごとに２９．４ｋＮずつ荷重を増加させた。なお、走行回数は、試験装置１０の負荷部１３の車輪が移動範囲の一端から他端まで移動した場合を１回として数えている。

また、実施例２、比較例１、３については図４（ｂ）に示す気中条件にて試験を行った。
一方、実施例１、比較例２については、図４（ｂ）に示す気中条件で走行１０万回を与えた後に、図４（ｃ）に示す水中条件で７日間湛水させた後、その条件で以降の輪荷重走行試験を実施した。

以上の条件で、各供試体がせん断破壊するまで走行を繰り返した。各供試体は、ひび割れの発生とその進展によりせん断破壊に至っていた。各供試体の疲労耐久性は、せん断破壊までの走行回数により評価した。この走行回数としては、荷重９８．０ｋＮの一定載荷とした場合の等価走行回数を用いた。等価走行回数Ｎeqの算出式は以下の通りである。
Ｎeq＝Σ（Ｐi/９８）^ｍ×Ｎi
ここで、Ｐi（ｋＮ）は実際に載荷した荷重であり、Ｎi（回）は荷重Ｐiでの走行回数である。ｍは等価換算のための係数であり、ここでは、１２．７６を用いている。

以上の輪荷重走行試験の試験結果を図５、図６に示す。図５は横軸を等価走行回数（回）とし、縦軸を供試体のたわみ量（ｍｍ）としたグラフである。また、図６（ａ）は、実施例１、２、比較例１、２、３について終局までの等価走行回数を示すとともに、この等価走行回数について、比較例１、２、３のそれぞれを基準とした場合の比を示したものである。また、図６（ｂ）は、比較例１を基準とした場合の、実施例１、２等の終局までの等価走行回数の比をグラフ化したものである。

図５、図６に示すように、普通コンクリートによる供試体を用いた比較例１、２では、気中条件による比較例１は約９９０万回で終局し、水中条件による比較例２は約２９０万回で終局した。また、軽量コンクリートによる供試体を用いて気中条件による試験を行った比較例３では約２３００万回で終局した。ここで、終局とは、コンクリートがせん断疲労破壊し、一部が破砕されて落下した状態を指している。なお、軽量コンクリートで高い疲労耐久性が得られているのは、軽量骨材が保水性に優れることから、その内部養生効果により微細なひび割れがない緻密なコンクリートとなり損傷の進展が抑制されたことが理由の一つとして考えられる。

一方、軽量骨材と膨張材を用いたコンクリートによる供試体を用いた実施例１、２では、水中条件による実施例１は約５２００万回で終局し、気中条件による実施例２は約３億３０００万回で終局した。
これは、普通コンクリートによる供試体を用いた気中条件による比較例１に対し、それぞれ、約５倍、約３３倍、水中条件による比較例２に対し、約１８倍、約１１０倍の疲労耐久性の高さを示し、軽量コンクリートによる供試体を用いた気中条件による比較例３に対し、それぞれ、約２倍、約１４倍の疲労耐久性の高さを示している。

また図５より、実施例１、２では、比較例１、２、３と比較し、等価走行回数が増加しても、たわみが増加していない。このことは膨張材により与えられるケミカルプレストレスに伴いコンクリートの引張強度が増加する効果によるものと考えられる。

以上により、本実施形態のように軽量骨材と膨張材を用いたコンクリートによる床版が、高い耐水性を有する、つまり雨水等の水が滞水している場合であっても高い疲労耐久性が得られることが確認できた。すなわち、この床版の水中条件での疲労耐久性（実施例１参照）が、普通コンクリートを用いた床版の水中条件における疲労耐久性（比較例２参照）をはじめ、普通コンクリートや軽量コンクリートを用いた床版の気中条件における疲労耐久性（比較例１、３参照）を大きく超えることが確認された。
この理由の一つとしては、膨張材により与えられるケミカルプレストレスに伴いコンクリートの引張強度が増加する効果により、ひび割れが生じにくくなり、水分の進入が抑えられていたと考えられる。

以上説明したように、軽量骨材と膨張材を使用したコンクリートを用いることで、高い耐水性を有し、軽量かつ床版としての使用目的に応じた強度や施工性を有するコンクリートが得られる。従って、前記の床版３１を、耐水性が高く、かつ、軽量で十分な強度を有するように形成できる。床版３１の上部の防水層３３についても、ある程度の劣化が許容できて交換の頻度を低減でき、コスト減につながる。さらには、防水層３３を省略した場合や、防水層３３の機能が消失した場合でも、上記の試験結果から、普通コンクリートや軽量コンクリートによる床版よりも高い疲労耐久性が得られることがわかる。また、道路構造３の長寿命化により補修や更新の頻度も下がり、ライフサイクルコストの軽減も期待できる。

以上、添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

３………道路構造
３１………床版
３３………防水層
３５………舗装層

Claims (3)

1. コンクリートを用いて形成した床版であって、
   前記コンクリートに、軽量骨材およびセメントに加えて膨張材を含有させ、
   当該コンクリートによる供試体の上面で5mmの深さの湛水層を設けて輪荷重走行試験を行った場合に当該供試体がせん断破壊するまでの走行回数が、
   第１の比較供試体の上面で前記湛水層を設けて前記輪荷重走行試験を行った場合に当該第１の比較供試体がせん断破壊するまでの走行回数、および、
   第２の比較供試体の上面で前記湛水層を設けずに前記輪荷重走行試験を行った場合に当該第２の比較供試体がせん断破壊するまでの走行回数より大きく、
   前記第１の比較供試体は、
   前記供試体の水の単位量を173kg/m³ に変え、セメントの単位量を267kg/m³ に変え、膨張材の単位量を0kg/m³ に変え、細骨材の単位量を861kg/m³ に変え、粗骨材の単位量を1005kg/m³ に変え、混和剤の量を1.0重量%に変えて、水結合材比を65重量%とし、細骨材率を47体積%としたもので、且つ前記軽量骨材を使用しないものであり、
   前記第２の比較供試体は、
   前記供試体の前記膨張材を前記セメントに置き換えたものであることを特徴とする軽量コンクリート製床版。
2. 前記膨張材は、低添加型の膨張材であり、前記コンクリート１ｍ^３あたり２０ｋｇ以上４０ｋｇ以下の割合で含有されることを特徴とする請求項１記載の軽量コンクリート製床版。
3. 前記コンクリートにおいて、水結合材比が、３８重量％以上４２重量％以下であることを特徴とする請求項２記載の軽量コンクリート製床版。