人工軽骨材を用いた軽量コンクリートについて

人 工 軽 骨 材 を 用 い た 軽 量 コ ン ク リー トに つ い て ＊

中

島

儀八＊＊ 中

島

泰

一＊＊

On the Light-Weight

Concrete

Used

Artifiial

Light-Weight

Aggregate

by

Gihachi

NAKAJIMA and Taichi

NAKAJIMA

(Sumitomo Construction Co., Ltd., Tokyo)

Recently,

with the tendency

to lighten structures

coming out, some artificial

light-weight

aggregates

having

excellent qualities

suitable

for high strength

structural

use have come to be

produced for trial.

We tested these artificial light-weight aggregates

and light-weight

concrete using these

aggre-gates,

and further,

checked up the effects of these light-weight

concrete

used in prestressed

concrete members,

comparing with normal-weight

concrete in the same case.

(Received Sept. 5, 1952)

1. ま え が き わ が 国 で最 も早 くか ら利 用 され てい る軽 量 骨材 と し て は, 天 然 産 軽 骨 材 の 火 山れ きが あ る. こ とに, す ぐ れ た 原材 の産 出が あ る こ と と, 人 工 軽 骨 材 が 生産 難 で あ る こ と とに よ って, 戦 後構 造 用 と して 研 究 開発 され, 軽 量 コ ン ク リー トと して構 造体 に使 用 され る よ うに な り, す で に相 当 の年 を経 て き た. この 軽 量 コ ン ク リー トは 一 般 に重 量 が 軽 い 代 わ りに そ の強 度 は 弱 い が, 構 造 的 に 見 る と強 度 の 低 下 よ り重 量 軽 減 の 影 響 が大 き く 経 済 的 に 有利 だ と言 わ れ て い る. しか し一 般 に は, 必 要 強 度 を得 るため に セ メ ン ト量 が比 較 的 多 くな りが ち で 不 経 済 な こ と も多 い. 一 方, 諸 外 国, 特 に 米, 独 に お け る軽 量 コ ンク リー トに つ い て は, これ まで に ほ う ぼ うで 紹 介 され てい るが, 最 も広 範 に使 用 され て い る 軽 骨 材 と して膨 張 粘 土, 頁岩 お よ び膨 張 ス ラ グ等 の人 工 軽 骨材 が あ る. この 製 造 方法 もめ ざ ま しい 発展 を続 け, これ を用 い た軽 量 コ ン ク リー トの 応 用 分 野 も, 建 築 用, 土 木構 造 用 等 とそ の 範 囲 を しだい に 拡 大 して い る. と ころ で, 軽 量 コ ン ク リー トの使 用 に つ い て は従 来, そ の諸 性 質 が 通 常 の コ ン ク リー トよ り強 度, 耐 久 度 お よび施 工 法 にお い て 劣 るの で, そ の 応用 の 範 囲 が 制 限 され る と考 え られ が ち で あ っ た. しか し, 最 近 の 米, 独 に お け る人 工 軽 骨 材 の進 歩 は め ざ ま し く, 大 規 模 な 生産 施 設 に よ る均 一 な 骨材 の大 量 生 産 と同 時 に, そ の 骨材 に よ る軽 量 コ ン ク リー トの諸 性 質 の 研 究 が な され, 現 在 で は, 高 強度 構 造 用 の 軽量 コ ン ク リー トが 研 究 され 施 工 され て い る段 階 で あ る. この よ うな天 然 産 火 山れ きに 対 して, 比 重 の割 合 に 概 して堅 硬 で, 吸 水 率 も低 く, 粒 形 も丸味 が ちで 非 常 に す ぐれ た性 質 を もつ膨 張 粘 土, 頁岩 の人 工 軽 骨 材 に つ い て は これ まで に 国内 で も研 究 され, 企 業 計 画 が あ った が燃 料 高 の た め に, ま た, 天 然 火 山れ き との 競 走難 も予 想 され た た め企 業 化 され るに至 らなか っ た もの で あ る. と こ ろが, 今 後 の 構 造 物 の軽 量 化, 一 般 骨 材 の需 給状 態 等 を考 慮 して, 高 強 度 構造 用 と して す ぐれ た 品質 の人 工 骨 材 の 生 産 を準 備 す る時期 に き て い るの で は な いか と も考 え られ, 最 近 この 企業 化 が進 め られ て い る. こ こに, こ れ ら試 作 品 を用 い た高 強 度 構 造 用 の か た練 り軽 量 コ ン ク リー トに つ い て二, 三 の 試 験 を実 施 し, 更 に, これ ら軽 量 コ ン ク リー トを用 い たPC部 材 の破 壊 試 験 も行 な っ た結 果 の一 端 を報 告 す る. 2. 軽 骨 材 二, 三 の 人 工軽 骨 材 を用 い, ス ラ ン プ0.5cm, σ28 =300kg/cm2のPC部 材 を製 作 し, 更 に破 壊 試 験 を 行 な っ たが, 骨材 の単 位 容 積 重 量, コ ンク リー トの 見 掛 比 重, 圧 縮 強 度, 引張 強 度, 弾 性係 数等 につ い て も検 討 して み た. 比較 の ため 大 島産 火 山れ き, 相 模 川産 川 砂, 川 砂 利 も使用 した. 用 い た 人工 軽 骨 材 は 膨 張 頁岩, 溶 融 フ ライ ア ッ シ ュを骨 材 と した もの で あ る. (I) 軽 骨材 の種 類 (Table 1) (II) 軽 骨材 の単 位 容 積 重量(Table 2) 3. 軽 量 コ ンク リー ト ＊ 原稿受付 昭和37年9月5日 ＊＊ 正 員 住友建設株式会社 昭 和37年12月 (27)

746 中 島 儀 八, 中 島 泰 一 まず, 普 通 コ ン ク リー トと同配 合 で 軽量 コ ン ク リー トを製 作 し, 同 一 ス ラ ンプ0.5cmを 得 る よ うに そ れ ぞれ の水 セ メ ン ト比 の加 減 を行 な った. 軽 量 コン ク リ ー トに用 い た 骨材 はTable 3に 示 して あ る. (I) 配 合 試 験 体 は普 通 コ ン ク リー トで1m3あ た りセ メ ン ト: 320kg, 砂: 845kg, 砂 利: 1090kg (重量 比1:2.64 :3.41) を 標準 と し, 軽 骨材 使 用 時 にはTable 4の よ うに 同量 の セ メ ン ト320kg/m3を 用 い て 同容 量 の骨 材 を 使用 した もの で あ る. な お, 大 島 産 火 山 れ き使 用 時 に は セ メ ン ト量 は 若 干増 した. (II) 製 作 お よび 養 生 水 セ メ ン ト比 は 一 応試 験 練 の値 を採 った. この た め 打 設 時 の ス ラン プ値 に は 若 干 の変 動 を生 じた. な お, コ ン ク リー ト打 設 時 の 骨材 の含 水 率 はTable 2の よ うに川 砂 で は3%で あ っ た ため, 現 場 調 合 で は この調 整 を行 な った. LC-1に つ い て も同様 の こ とを行 な っ たが, LC-2で は野 積 骨 材 を そ の まま 使用 して 水量 の 調 整 は 特 に 行 な は なか っ た. た だ し, 含 水 率 だ け それ ぞれ の 骨 材 を増 量 して使 用 した. LC-3に つ い て は川 砂 はLC-1と 同 様 に取 り扱 っ たが, 粗 骨 材 につ い て は LC-2の 方 法 に よ って 製 作 した. コ ン ク リー ト供 試体 は φ15×30cmの 標準 型 を使 用 した. 養 生 は い ず れ も 初 期 電 熱 養 生 と し, 後 自然 養 生 を 行 な っ た. 電 熱 養 生 時 間, 最 高 温 度 に つ い て はTable 5に 示 す. なお, 使 用 セ メン トは 小 野 田 普通 ポ ル トラ ン ドセ メ ン トで あ 1) り, これ ら コン ク ー ト供 試 体 は, い ず れ も軽 骨 材 使 用

Table 1 Kind of lightweight aggregate

Table 2 Unit weight of lightweight aggregate

() Hydrous rate of aggregate in using

Table 3 Signs test of piece and used aggregate

Table 4 Mix proportions (kg/m3)

S/S+G=43.7%

PC部 材 の プ レス トレス導 入 時, 耐 力試 験 時 の コ ンク リー トの強 度 試 験 用 の もの で あ る. (III) 圧 縮 強 度 PC部 材 の プ レス トレス導 入 時 (材合8∼16日) お よ び 耐 力 試 験時 (材令23∼41日) の圧 縮 強 度 お よび材 令 に よ る強 度 の増 加 につ い て 求 め た. (IV) 引 張 強度 破 壊 試 験 時 の 引張 強 度 はTable 7に 示 す. (V) 弾 性 お よび 最 大 ひ ず み 度 圧 縮 試 験 時 に 弾性 試 験 も行 ない, そ れ ぞれ の応 力 度 ひ ずみ 度 曲線 を 求 め てみ た. ま た, 応 力度 が強 度 の約 50%前 後 で一 度 減 力 し, 一 部 でそ の 残 留 ひ ず み を も求 め た. 弾 性 係 数, 最 大 ひ ず み 度 に つ い て 試 験 結果 を Table 8, 9, Fig. 1∼4に 示 す. (VI) 見 掛 比 重 破 壊試 験 時 の見 掛 比 重 はTable 7に 示 す. (VII) 試 験結 果 軽 骨 材 お よび これ を用 い た 砂率 一 定, セ メ ン ト量一 定 に した場 合 の 軽量 コ ン ク リー トの 試 験結 果 につ い て 比 較 す る と,

Table 6 Compressive strength

Table 7 Tensile strength and apparent specific gravity (at strength test)

Table 8 Elastic modulus and strain at 1/3σB

Table 9 Maximum strain and residual strain

Note: (a) Maximum strain-1476×10-6(0.88)-shows strain in loading-0.88σB (b) Residual strain-112×10-6(0.66)-shows

permanent strain found after complete unloading from 0.66 σB loading (0.66 σB→0)

Fig. 1 Load-strain curve of normalweight at prestressing

748 中 島 儀 八, 中 島 泰 一 (1) Table 10の 普 通 骨 材 との 比 較表 に 示 す よ う に, 骨 材 の単 位 容積 重 量 は人 工 軽 骨材 で も種 別 に よ り 異 な り, 粗 骨 材 で は(a)フ ライ ア ッ シ ュ加 工 品 は 大 島 産 天 然 火 山れ き とほ ぼ 同値 の普 通 骨材 の約52%, (b) 膨 張 頁 岩 では 約35%, 細 骨 材 は, (b)膨 張 頁岩 で は 約75%(粘 土)で あ る. (2) 人工 軽 骨 材 使 用 軽量 コ ンク リー トは 普 通 コ ン ク リー トに対 してTable 11, 12に 示 す よ うに, ○圧 縮 強度 は細 骨 材 に 川 砂, 粗 骨 材 に(a)フ ライ ア ッ シ ュ加工 品 を用 い た 場 合, 同強 度 が い くぶ ん高 め とな り, 大 島 火 山れ き使 用 コ ン ク リー トよ り若 干高 強 度 を 示 す. 細 骨 材, 粗 骨材 と もに(b)膨 張, 頁 岩(粘 土)を 用 い た場 合 は約25%の 低 下 を見 る. なお, 初 期 養 生 を行 な っ た ため か, それ ぞれ 材 令 に よ る特 に大 きな 強 度 の増 大 は 認 め られ なか っ た. ○弾 性 係 数 は 普通 コ ンク リー トに比 較 して 小 さ く使 用 骨 材 の 種 類 に よっ て(a)軽 砂 利 使用 の川 砂 軽 砂利 コ ン ク リー トLC-1は 約20%低 下, (b)の 軽 砂, 軽 砂 利 使 用 コ ン ク リー トLC-2は 約50%の 低 下 とな り, ま た, LC-1の よ うに コ ン ク リー ト強 度 が 同 じで も 骨材 の影 響 を受 け弾 性 係 数 は 低下 す る こ とが わ か る. 材 令 に よ る影 響 も少 ない ○破 壊 ま たは 破 壊 近 くで の ひ ずみ 度 は 普 通 コ ン ク リー トに比 較 して 大 きい が, 応 力 度 が 強 度 の約50%前 後 で は そ の残 留 ひ ず み は逆 に小 さ くな り, 特 にLC-2で は こ の傾 向が 著 しい. ○引 張 強 度 は 若 干 低 下 す るが 特 に 骨 材種 類 に よ る差 異 は比 較 的 小 さい. ○見 掛 比 重 は 使用 骨 材 に よ って 異 な り, LC-1 (フ ライ ア ッシ ュ加 工 品使 用) で約20%, LC-2 (軽砂, 軽 砂 利

Fig. 2 Load-strain curve of lightweight concrete at prestressing

Fig. 3 Load-strain curve of normalweight concrete at strength test

Fig. 4 Load-strain curve of lightweight concrete at strength test

Table 10 Ratio of unit weight of lightweight aggregate-to normalweight

aggregate-Table 11 Change of strength of lightweight concrete to normalweight concrete

Table 12 Rate of change of strength and elastic modulus for age in days at strength test at prestressing

膨 張頁 岩 使 用)で 約40%と な る. 以上 の結 果 は 砂 率, セ メ ン ト量 一 定(320kg/m3)の 場 合 の試 験 結 果 であ るが, 砂 率, セ メ ン ト量, 水 セ メ ン ト比, 養 生 等 に よ る影 響 は大 き い もので あ るた め, 現 在試 験 続 行 中 で あ る. 4. 軽 量 コ ンク リー トを用 い たPC部 材 こ う配 付T型PC屋 根 ス ラ ブを軽 量 コ ンク リー トを 用 い て 製 作 し, 普 通 コ ン ク リー トとの比 較 曲げ 耐 力 試 験 を行 な っ た. (I) 供 試 体 の製 作 Fig. 5に 示 す よ うな断 面 寸 法 を もつ供 試 体 を プ レテ ンシ ョン方 式 に よっ て製 作 した. 2-φ9.3mmス トラ ン ドを 用 い 導 入 プ レ ス ト レ ス 力P=6000kg×2= 12000kg, 偏 心 距 離 (中央 断 面) e=20.7cmと して σ28=300kg/cm2を 得 る よ う前 記 配 合 に よ り試 験体 の 作 成 を行 な っ た. 試 験 体 記号 はTable 3に 示 す. PC ス トラ ン ドの緊 張 時 の 伸 び はTable 13に 示 す. 作 成 時 の ス ラ ンプ, 養 生 につ い て は軽 量 コ ンク リー トの 項 参 照 され た い. (II) プ レス トレス 導 入 型 わ くの 関係 で順 次 試 験 体 の 打 設 を行 な っ た ため, プ レス トレス導 入 時 の材 令 に は 多 少 の ずれ を生 じた. 導 入 時 の 中 央 断面 の ひ ずみ お よび た わ み の測 定 を ワイ ヤ ー ス ト レー ンゲ ー ジ, ダ イ ヤル ゲ ー ジで測 定 した. (Fig. 5参 照 の こ と). (III) 載 荷 試 験(曲 げ試 験) (i) 実 験 計 画 Fig. 6に 示 す 載 荷方 法 に よ り, 10 tonオ イ ル ジヤ ッキ で 載荷 した. 載 荷 は まず初 き裂 発 生 以 内 で一 回 の 弾性 試 験 を行 な った. す な わ ち, 0.25 ∼0.5∼1.0tonご との荷 重 階 で2.0tonま で載 荷 した 後 除 荷 し, 再 び 初 き裂発 生確 認 まで 載 荷 し初 き裂 発 生 確 認後, 再 び除 荷 した 後 破壊 ま で載 荷 を行 な っ た. (ii) 測 定方 法 Fig. 6に 示 す 位 置 に検 長4cmの コ ン タ ク トゲ ー ジを また 単 軸 の ワイ ヤ ー ス トレー ンゲ ー ジを は りつ け る こ とに よ って各 点 の ひず み を測 定 し, 更 に, 各 点 の た わ み を ダ イ ヤル ゲ ー ジ, 竹 ス ケ ール に よ って 測 定 した. こ の際, 荷 重 は ロー ドセ ル に よ って 確 認 した. (iii) き裂 発 生 状 況 お よ び破 壊 性 状 各 供 試 体 につ い て そ れ ぞ れ の き裂 発 生 状 況, お よび破 壊 性 状 はFig. 7∼16参 照 され たい.

Table 13 Stretch of strand at prestressing

(l=49.400m)

Fig. 5 Outline of test piece, and measuring method of strain and deflection at pre-stressing

Fig. 6 Loading points of bending strength test, and measuring positions of strain and deflection

750 中 島 儀 八, 中 島 泰 一

Fig. 8 LC-1

Fig. 9 LC-2

Fig. 10 LC-2

Fig. 11 LC-3

Fig. 12 LC-3

5. 実 験 結 果 と そ の考 察 (I) プ レス トレス 導 入時 の ひず み お よび そ り プ レス トレス導 入 時 の ひ ず み お よび そ り測 定 結 果 は Table 14に 示 す よ うに 使 用 骨 材 の種 類 に よ って 若 干 異 な り, 普 通 コ ンク リー トに 比 較 して川 砂, 軽 砂 利 コ ン ク リー ト部材 (LC-1, LC-3) で は や や大 とな るが, 軽 砂, 軽 砂利 コ ン ク リー ト (LC-2) では 約2倍 近 い 値 を示 す. (II) き裂 荷 重 お よび 破 壊 荷 重 Table 15に き裂 荷 重, 破 壊荷 重 を示 す. 普通 コ ンク リー ト部 材 で は き裂発 生 荷 重 は実 験 値 が 計算 値 よ り小 さ い の に対 して 破 壊 荷重 は大 と な って い る. この傾 向 は軽 量 コ ン ク リー ト部 材 にお い て 著 し く. 特 にLC-2 材 で は き裂 荷 重 の実 験 値 は 計 算 値 の 約64%で あ るの Fig. 13 NC-1

Fig. 14 NC-1

Fig. 15 NC-2

Fig. 16 NC-2

752 中 島 儀 八, 中 島 泰 一 に 対 して破 壊 荷 重 は 約117%と な って お り, フ ライ ア ッシ ュ加工 品 を粗 骨 材 と した 川 砂軽 砂 利 コン ク リー ト は き裂 荷 重, 破 壊 荷 重 と も普 通 コ ン ク リー トよ りも大 きい. 部材 の破 壊 は い ず れ もス ラ ブ上 面 の リ ブ コン ク リー トの圧 縮破 壊 に よ って 生 じた もの で あ る. き裂 発 生 お よ び破 壊 状 況 はFig. 7∼16を 参 照 され た い. なお, き裂 荷 重 は普 通 コン ク リー ト, 川砂, 川 軽 砂 コ ンク リー トで は 破壊 荷 重 の約50%で あ っ たが, 軽 砂, 軽 砂 利 コ ン ク リー トで は37%で あ った. (III) た わ み 測 定 結 果 載 荷 に よ るたわ み を中 央 断 面下 縁 に つい てFig. 17, 18に 示 す. 川 砂, 川 軽 砂 コ ン ク リー トで は 普通 コン ク リー トと 大 差 な い. しか し軽 砂, 軽 砂 利 コ ン ク リー トは たわ み は 大 き くな る. 6. む す び 各 方 面 で の試 作 研 究 の結 果, 骨 材 粒度 の調 整 が 可 能, 粗 骨 材 の 粒 形 が 整 っ た もので あ り, ウオ ー カ ビ リチ の 良化, 軽 量 で 高 強 度 の もの, 更 に一 部 で は 吸水 率 の 小 さ い もの, 所 要 コ ン ク リー ト強 度 に 応 じて 原材 料 で骨 材 の強 度 の加 減 が 可能 等 の す ぐれ た諸 性 質 を もつ人 工 軽 骨 材 の生 産 が 可 能 とな っ て き た ため, 従来 天 然 火 山 れ き に見 る よ うな 多量 な セ メ ン トを必 要 とす る. 砂 率 の増 加 を必 要 とす る等 の 欠点 が 解 消 され, す ぐれ た特 性 を もつ軽 量 コン ク リー トの作 成 が 可 能 とな っ て き た. こ こに 国 内 で試 作 され て い る人 工 軽 骨 材, これ を用 い

Fig. 17 Deflection curve (Lower edge

at mid-span)

Fig. 18 Deflection curve (Lower edge

at mid-span)

Table 14 Measured strain, stress and center deflection at prestressing at mid-span + Tension - Compression

Note: (a) Distribution of extreme fiber stress of center section in case of normal-weight concrete -σ28=300kg/cm2

By prestressing force only By prestressing force+dead weight

Upper edge (1) +4.56kg/cm2 -1.34kg/cm2

Lower edge (3) -62.09 〃 -45.10 〃

(b) See Fig. 5 on measuring position

Table 15 Cracking load and destructive load

たか た 練 リコ ンク リー トお よ び 軽 量 コ ンク リー トの PC部 材 の試 験 結 果 の一 端 を報 告 した. これ に よ り高 強 度 コ ン ク リー ト, PC部 材 へ の利 用 も充 分 で あ る こ とが 確 認 され た が, なお 現 在, 乾 燥 収縮 お よ び ク リー プ, セ メ ン ト量, お よ び砂 率 の 影 響, 軽 砂 の利 用 に よ る軽 量 化, 等 に つ い て 引 き続 き試 験 中 で あ るの で, こ れ らは 後 日に 譲 る こ とに す る. 付 記 以 上 の試 験 に 用 い た 人工 軽 量 材 以 外 に, 現 在 更 に1 種 (LC-4) 追 加 して試 験 を行 な って い るが, 報 告 す る 段 に至 っ てい ない の で, これ ら試 作 を行 な った際 の デ ー タ ー の一 部 をTable 16に 示 す. Table 16