コンク リー ト破砕物の再利用 に関す る研究
――再 生 コンク リー トの弾塑性的性質――
西 林
新
蔵
*・矢 村
潔
*・吉
野
公*(1982年 6月 11日
受理
)The Recycling Use of Waste Concrete as Aggregate
――――
Elastic and Plastic Properties of Recycled Concret一
Shinzo NIsHIBAYASHIIKiyoshi YAMURAキ
,Akira YosHINO*
(Received」une ll,1982)
The study on the recycling cOncrete froHl Mァ astes to produce useful aggregate for
ne、v concrete COntributs tO the solutiOn 01twO problems frhe first, there is the shOrtage of aggnegate for cOncrete frOm river and, secondary, there is the x/aste
dispo磁l prOblem
ln this study, the elastic and plastic prOperties Of recycled concrete 、vhich Ⅵras
produced by the crused、 vaste concrete in place Of the conventional coarse aggregate,
are experimenta■y investigated Many kinds Of test cOncerning with modulus Of
elasticity,drying shrinkage and creep of recycled concrete,M′ ere carried out and the
results Obtained from these experirnents are discussed comparing 、vith that of concrete containing conventional coarse aggregate.
ThrOugh these investigatiOns, it may be concluded that the elastic and plastic properties Of the recycled concrete can be presumed by considering in relation together tO the properties of aggregate produced frOm crused concrete and cOncrete
containilag conventional coarse aggregate
1. `よ
じ
め │こ コンク リー ト構造物の解体 によって生ずるコンク リー ト廃棄物 を破砕 して
,新
たにコンク リー ト用骨材 として 再利用す る考 えは,今
後予想 され る骨材資源の枯渇 に対 処 し,さ らに産業廃棄物 の処理,資
源の有効利用等の面 か らも多 くの メリッ トが期待 され よ う。本研究 は,この よ うな観点 に立って計画 された コンクリー ト破砕物の再 利用に関す る研究 プ ロジェク トの一環 として行 った もの であ るい。 従来か ら各方面 でなされて きた研究 を通 して,コ ンク リー ト廃棄物 を破砕 して得 られ るいわゆ る再生骨材 は, それほ ど高品質 を必要 としないコンク リー トには十分に 利用す ることが可能であ ることが知 られてい るゆ∼'9しか し,再
生骨材 にはモルタル分がかな り付着 あるいは含有 されてい るので,これ を用 いた コンク リー トではコンク リー ト全体 に占めるモルタルの絶対容積が,.同程度の圧 縮強度 を有す る普通 コンク リー トよ りもかな り大 きくな り, これがコンク リー トの変形挙動,す
なわ ち弾塑性 的 性質にかな りの影響 を与 えることが予想 され る。 そこで 本研究では,粗
骨材 として再生骨材 を使用 したコンクリ ー トのヤ ング係 数,ク
リープお よび乾燥収縮等 を中心 と した弾塑性 的性 質 について実験的 に明 らかに してい く。*
土木工学科 Dept Of Ci I Engineerilag2.実
験 概 要 ― 卜は,径が10∼20 cm程度の大 きさのブロックとして打 設 し,28日 間水中養生 したあとシー トをかぶせて屋外に1 2,1
実験計画放置 しておいた。破砕 はコ ンク リー トの材令3∼4ヶ 月
1
本実験 は,再
生 コ ンク リー トの変形挙動 を明 らかにすで
,ジ
ョークラッシャー (ラサエ業製,シ
ングル トッグI
るために計画 した もので,静
的圧縮試験 による応力∼ ひル クラッシャー107型
)を
用いて行 った。破砕物 の最大 ずみ特性 に関す る実験,クリープ,乾燥収縮 に関す る実験寸法 は25 mm程度 になるようにクラ ッシャー を調整 し,ま が含 まれ る。 なお
,実
験 はそれぞれの要因 について,再
た破砕物 は5 mllふるいでふ るって細粒 を とり除 き
,再
生 生 コンク リー トお よびそれ と同一のスランプ,水
セメン粗骨材 とした。本実験 で は
,破
砕物 の細粒分 は使用 しな 卜比 を有 する普通の砕石 を用いた比較用の コンク リー トか った。 (コ ン トロール用 コンク リー ト)と対応 させて行 った。 試験要因等 をまとめてTable Iに示す。
2.2
使用材料 および再生骨材の製造 本実験 で使用 したセメ ン トは,宇
部興産社製の普通 ポ ル トラン ドセ メン トであ る。破砕 して骨材 を製造 する原 料 となるコンク リー ト(原コンク リー ト)お
よび コン ト ロール用 コ ンクリー トには粗骨材 として砕石 (骨材最大 寸法 15 mm,比 重270,F M 655)を
使用 した。細骨材 はすべて川砂 と海砂 を411の
割合で混合 した もの (比 重259,FM.273)を
使用 した。 原 コンク リー トの配合 を Table Ⅱに示す。原 コンクリTable II M prOportion of original concrete
Table I Test program
Table III WI proportions of concrete
Items Performance
Concrete
Recycled R―I, R― H, R III
Control C―I, C― H, C―HI
Sustained comp stress
0,1斃 ,│∝
孝Static comp test Stress‐strain curve
Comp.strength Young's modulus
*αθ :Comp.strength of concrete at 28 days.
Max size of agg (mm) Slump (Cm) Air (%)
Water
Cemelat ratio ″/C
(%) Fine agg ratio S/α (%) │ヽ「ater 摩 (鷺/nf) CementC
(lcg/1n3) Aggregate (kg/1na) FineS
CoarseC
15186
350
713
Kind Of lnlx. Max. SiZe of agg (mm) SIultap (Cm)A i r
銘
Water
cement ratio ″/C
(%) Fine agg ratio S/α (%) Water ″ (kg/m3) CementC
(Fg/m3) Aggregate (kg/nf) Admixture Pozz Nα 81MP A
(%) FineS
CoarseC
誌
脇 卜
H
R III 789 C×025
700島
隅と
C祖
C III C×0.25 1082103 鳥 取 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第
13巻
2.3
コンク リー トの示方配合 再生 コンク リー トの配合 は,ス
ランプ7 5cm,単
位 セ メン ト量 250 kg/nf,350 kg/tF,450 kg/Hfと し,試
し練 りによって決定 した。 その示方配合 をコン トロール用 コ ンク リー トの配合 と合わせてTabiC IIに 示す。2.4
供試体 ク リープ試験用供試体 は,断
面中心部 に塩化 ビニール 管 を配 した10× 10× 38 cm角柱2本を直列 に並べ,供試体 間 な らびに両端に鋼製 プ レー トを挿入 し,塩
化 ビニール 管 に φ13 ulll高周波焼 入PC鋼
棒 を通 した ものであ る。乾 燥収縮試験用供試体 は,断
面 中心部 に塩化 ビニエル管 を 配 した10× 10× 38 cmの角柱 とした。ク リー プ試験用,乾 1燥収縮測定用共,供
試体 には相対す る2面にそれぞれ2 組 ず つ,ひ
ずみ測定用 のプラグを貼付 けた。 ク リー プお よび乾燥収縮試験用供試体 の概略 をFig.1に示す。 静的圧縮載荷試験 お よびヤ ング係数の測定にはφ10× 20 cm円柱供試体 を使用 した。Fig.l Test specimens
各供 試体 は,コ ンク リー ト打設後24時間恒温恒 湿室 (20°
C,90%RH)中
に放置 した後脱型 し,脱
型後材令 27日 まで水中養生.行
った。なお,コンク リー ト打設 は 原 コンク リー トを破砕後数 ヶ月で行 った。2.5
実験方法 ク リープ試験 にお ける応力の導入 は,コンク リー ト材 令 28国 にあ らか じめ設置 しておいたPC鋼
棒 をジャ ッキ で緊張す ることによって行 った。応力の導入 に先立 ち, ク リー プ試験用供試体 と同一条件下で打設,養
生 した円 柱供試体 を用いてコンクリー トの圧縮強度,ヤ
ング係数 を測定 し, これ らの値 をもとに導入応力の大 きさを決定 した。導入応力の大 きさは,Table Iに示す ように斃/3, 斃/4としたが,そ
の値 が ■O kg/cばを超 える場合 には,PC鋼
棒 の容量か ら ■O kg/ばとした。応力導入後供試体 は恒温恒湿室 (20°C,90%RH)内
に静置 し,長
さ変化 (ひずみ)の
測定 は,フ
ーゲ ンベルガー型 ひずみ計 (検 長10イ ンチ)によって行 った。 またク リープ試験用供試 体 と同一条件 の もとで打設,養
生 した乾燥収縮用供試体 は,材令 28日 か らクリープ試験用供試体 と同様 に恒温恒 湿室 に静置 し,長
さ変化 を測定 した。 各 コンク リー トは,材令 28日,3ヶ月,6ヶ月 但φ10× 20銅 円柱供試体 を用 いて静的圧縮載荷試験 を行 い,圧縮 強度 を求 める と同時 に,供
試体側面 に設置 した電気抵抗 線 ひずみ計 によって応力∼ ひずみ曲線,ヤ
ング係数(1/
3割線弾性係数)を
求 めた。3.実
験 結 果 お よ び考 察3.1
静的圧縮載荷試験 再生 コンク リー トおよびコン トロール用 コンク リー ト の材令 28日 における圧縮強度,ヤング係数 をTable Ⅳ に, 応力∼ ひず み曲線 を Fを 。2に示す。 一般 にコンク リー トの応力∼ ひずみ曲線 は,高
強度 に な るほ ど原点 における曲線の立上が り勾配 は大 きく,曲
線型 は直線 に近 くなることが知 られているが,再
生 コンTablelv Comp.Strength and Young'8 1nOdulus
of concrete Kinds Of mlx.
Comp
strength Jc (kgf/cぱ) Young's modulusA
(×105kg7o42) R IH
Ⅲ 209 303 407 2 31 2 76 3 02 C IH
III 235 411 514 2 89 3.56 3 90 ク リー トにおいて もこれ と同 じような傾 向が認 め られる。 一方,対
応 する配合の再生 コンク リー トとコ ン トロール 用 コンクリー トの応力∼ ひずみ曲線 を比較 す る と,い
ず れの配合において も,再
生 コンク リー トの方 が原点 にお ける曲線の立上 が り勾配 は小 さ く,比
較的低応力の領域 か ら上 に凸の曲線 となる傾 向が認 め られ る。 次 に材令 28口 におけるコンクリー トの圧縮 強度 とヤン グ係数の関係 をFig.3に示す。これによると再生 コンク リー トおよび コン トロール用 コンク リー トとも圧縮 強度Ptug
Ptug 10 in.
命 E 望 ち こ 0 (a)
Fig.2 Stress‐strain
(b)
curves of concrete (b)Mix II
(C)
(C)M HI
Vahes Of A,B and Sm(X105)
(a)hfix I Table v Kinds Of mlx ぬ β s,(×105) R I
H
III 0 76 0 66 0.33 0 04 0.04 0 09 22 9 22.6124
C IH
III 1 15 1 11 0 73 0 06 0 08017
16 7 12 959
Fig。
3 Rё
latiotthips betweem modulus of elasticity and compressive strength―R―I
――C-1
Fig.4 Results of drying shrinkage tests
とヤ ング係数 は直線 関係 を示 してお り
,そ
の直線の傾 き は両者でほぼ等 しい。 また再生 コンク リー トのヤング係 数 は,同
程度 の圧縮強度 を有 し,普
通 の骨材 を使用 した コンク リー トの85%程
度 になっている。3.2
乾燥収縮お よびク リープ 材令 28日 を基点 に とったそれぞれのコンクリー トの乾 燥収縮 ひずみ∼時間曲線 をFig.4に示 す。この曲線 型 を 双 曲線 と仮定 し,次
式にあてはめて最小2乗法 によって 実験定数4,β
お よび サを無限大 とした ときの推定 最終 乾燥収縮 ひずみ (鈴=1/B)を
計算す るとTable vに 示 す通 りとなる。 Sι=寿
ここにSど :時間t(日)に
おける乾燥収線 ひずみ (×106) 協 :推 定最終乾燥収縮 ひずみ チ:時間 (日)4,ど
:実 験 定数 表か ら,実
験定数4す
なわ ち曲線の立上 が りは,貧
配 合のコ ンク リー トほ ど大 きく,また再生 コンク リー トと コン トロール用 コンク リー トでは,後
者の方が大 き くな鳥 取 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第
13巻
っている。 しか し,推
定最終乾燥収縮 ひずみは,再
生 コ ンク リー トの方が大幅 に大 き くなっている。 これは,再
生骨材の方が砕石 に比べて吸水率が大 き く材令初期 にお ける含水量が大 きいので,当
初,新
しいモルタル に再 生 骨材か ら水分 の補給がなされ,乾
燥収縮の発現が お くれ るが,時
間がたつにつれて,水
分 の散逸 が継続 し,最
終 的には再生骨材中に含 まれているモルタル も乾燥収縮 す るために,最
終 的な乾燥収縮 ひずみが大 き くなる と考 え ることがで きる。Table vI Results of creep test
Kinds Of ■1lX Sustained
comp
stress (kg7cド) Elastic strain (×10-5) Creep factor 1 ― ∝ 3 1 ― 嵯 4 1 ― ∝ 3 1 ― 暁 4 1 ― ∝ 3 1 ― 暁 4 R II
III 69 ︲01 一 52 76 110 30 37 一31
26
32
28
2.0 C I II III 28 一 一 59 103 110 27 一 一 30 3.123
19
定最終 ク リープひずみを導入時 の弾性 ひずみで除 した値 で ある。 これ らの図表 よ り,そ
れぞれの配合 のコンク リー トの ク '― プひずみは,応
力導入後,約
250日 か ら 300日 で ク リープひずみの増加 はゆるやかになる。一般 に再生 コ ンク リー トは,再
生骨材 に含 まれてい るモルタル分が ク リープ変形 をす るために,コ ン トロール用 コンク リー ト に比べ,単
位応力 当 りの ク リープひずみは大 きくなって いる。 また,本
実験 での応カ レベル内では,各
配合 とも Da s‐GЙnvilleの法則が成立 してお り,単位応力当 りの ク リー プひずみは,導
入応カ レベ ルに関係 な くほぼ等 し い値 を示 してい る。 さらに,水
セ メン ト比別 に比較すれ ば,水
セメン ト比が大 きくなれば,ク リープひずみは大 き くなっている。 コンク リー トの ク リー プ機構 については,きわめて複 雑 であ り,影
響 を与 える要因 も多 く,現
在 で も不明な点 が多い。 したが って, ここではご く単純 に,再
生 コンク リー トとコン トロール用 コンクリー トの ク リープひずみ 量 の差 について比較,検
討す るに とどめる。すなわ ち, 本実験 で各配合 ごとの単位応力 当 りの ク リープひずみ を 再生 コンク リー トとコン トロール用 コンク リー トとを 'ヒ 較 すれば,両
コ ン ク リー トにお いて モルタル分 におけ る単位応力 当 りのク リープひずみ (=コ ン トロール用 コ ンク リー トの ク リー プひずみ)に
はそれ ほ ど大差が ない もの と考 えられ, したがって,両
コンク リー トのク リー プひずみの差 は,再
生骨材 に付着 しているモルタル分 の ク リープひずみ と考 えることがで きる。 この ような考 え で,そ
れぞれの配合 について再生,コ
ン トロール両 コン ク リー トの ク リープひずみを比較 してみる と,両
コンク´ 全 ? t 評 0 も 8 фb υ環 受 お 令 F E 評 , も D фb 迎 牛一9 吾 ︵∼ ミ 荏 ゼ P も 律 巨 3 り〓 8 ′w鼻 (b) 口 R-11 … 一 ■ C―III0
100
輌
300 400 Time(days) (C)Fig.5 Results of creep tes偽
(a)MiX I (b)IIiX II (c)MiX IH
次に再生 コンクリー ト, コン トロール用 コンク リー ト の クリープひずみ∼時間曲線 をFig.5に示 す。なおク リ ープひずみは単位応力当 りの ク リープひずみ(=/4/σ,/r: ク リープひずみ,σ :導 入応力)で示 す。 さらに
,導
入応 力度 とク リープ係数 を Table Ⅵ に示 す。 ここで,ク リー プ係数 は,ク リープひずみ∼時間 曲線 を乾燥収縮の場合 と同様 に式(1)にあてはめて, チを無限大 として求めた推 o R―I ● C-1 (a)リー トの ク リープひずみの差は
H>I>Ⅲ
となっている。 また再生 コンクリー トに含 まれ る再生骨材量 はI>H>
Ш となってお り,Hの
配合 における両 コンク リー トの ク リープひずみ量の差が大 きく出ている。 しか しこれ らの 差 の相違 は,同
一配合 における再生, コン トロール両 コ ンクリー トのクリープひずみの差 に較 べて きわめてわず かであ り,再
生 コンク リー トの ク リー プを,上
記考 え方 で取 り扱 っておおむね さしつかえない と考 えられ る。 な お,本
実験 では,対
応する配合 における再 生,コン トロ ール用 コンク リー トの単位応力 当 りの ク リー プひずみの 差 はおおむね3∼ 4× 106でぁった。この問題 に関 しては, 次項で さらに具体的に検 討す る。3.3
複合則による再生 コンク リー トの弾塑性解析 一般 にコンクリー トは骨材 とマ トリックス(モルタル) との複合材料 と考 えることがで きる。 そ して この場合再 生 コンク リー トの特性 が普通の コンク リー トと異 なる原 因 は,主
として粗骨材の特性 によるもの と考 え られ る。 そ こで,本
節では複合則 モデルに再生骨材 の特性 を考慮 す ることによって,再
生 コンク リー トの弾塑性解析 を試 み る。複合モデル としては,過
去数多 くの研究者 によっ て様々 なモデルが提案 されているが, ここで は,そ
れ ら の中で比較 的簡単で力学的に矛盾が少 ない とされているU」 CountOの複合モデルを用い ることにす る5七 Fig.6
にCOuntoの複合モデルを示す。図中の
Mは
マ トリックス,Aは
骨材 を表わす。 この複合モデルでは,全
体 の弾性係数 (こ こではヨンク リー トのヤ ング係数 に対応 する
)は
次式で示 され る。
Fig。 6 11odel of Counto
1
2c
Table vⅡ Estimatio■ of modulus of elasticity
バge
kinds Of
mlx
vrodulus of elasticity鳥 ×lo5kgf/cド
lortar Exp value Cal value
I 2 26 2 79 2 65 3 02 3 05 3 I I 2.48 3 20 3.20 6 [ 1 2 52 3 08 2.88 3 37 駐 :骨材の弾性係数 β独:マ トリックスの弾′性係数 晩 :骨 材の絶対容積 ここで, コン トロール用 コンク リー トの弾性係数 と, それに用い られている砕石の弾性係数(推定値
=70×
105 kg/c∬ )からモル タルの弾性係数 β′ を求 め,また,再
生 骨材の弾性係数 は,再
生骨材 を製造 した原 コンク リー ト の弾性係数 を用 いて再生 コンク リー トの弾性係数 を算定 した。その結果 を実験値 と比較 して Table Ⅵlに示 す。 こ れ によると,各
配合,材
令 とも実験値 と計算値 は比較 的 よ く一致 している。 次にコンク リー トのク リー プひずみに対す る複合則 について検討す る。COu武oは Fig.6に示 すモデル を用 い
て クリープひずみに関す る算定式 を提案 しているうちゞ,そ こでは骨材 はク リープ変形 を しない と仮定 してい る。 こ れ を「骨材 も時間依存l■の変形 をす るJとい う仮定 の も とに修正す ると次の式 を得 ることがで きる。
∠
号
子
と
こ
=寿ざ
1-帰
形ぷか
β 紹 2 2 / /瓶
価
瓶
T ■ , I l ■ 上ド
ざ
σ
ぼ
A B C D 十 111)協
十
三
耳
峙
発
敦
ア
司
率 Eα(瑞
)【
零
)どπ
+β可
9″(ナ ) ここ│こ 」駐:コ ンク リー トの弾性係数 '・.(2) ・…… …・・(3)鳥 取 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第
13巻
ここに 島:モ
ルタルの弾性係数 島:骨
材の弾性係数 92(チ):モ
ルタルの ク リープ係数 9α(ナ):骨
材のク リープ係数 ここで,コ ン トロール用 コンク リー トの ク リープひず み∼時間曲線 か ら骨材のク リープ係数 を0としてモル タ ルのクリープ係数 物 (ナ )を求め,再生骨材の原 コンクリ ー トの ク リープひずみ∼時間曲線か ら再生骨材のク リー プ係数?v(チ )を求め,(3)式に代入す る と どにおける再生 コンク リー トの ク リープひずみを計算することができる。 その結果の一例 を実験値 と比較 してFig.7に示 す。これ によると,実験値 と計算値 は,比較的 よ く一致 している。 以上の ように,再
生 コンク リー トの弾塑性的挙動 は, 基本的には,普
通 の コンクリー トの弾塑性的挙動 に再生 骨材の特性 を考慮 す ることによって,あ
る程度 まで把握 す ることが可能 であ る。O Recyc■ing concrete Exper
口 Original concrete . Recycling cOncrete Calcu
0 □ 0 ロ 0 ロ O ● ︱ ロ 0 日 6 ロ 0 日 0 0 ● ロ 0 0 1 ● 十 日 それほ ど大 きくないが
,最
終的 には,普
通 コンク リー ト の1.4∼ 2倍程度 に達す る。 俗)再
生 コンクリー トの ク リープひずみ量 は,導
入応 力が圧縮強度の%以
下程度 であれ ば,Da s‐Glanvilleの 法則 に従 い,導
入応力量 に比例 す る。 また,ク
リープひ ずみ量 の増加割合 は,応力導入後 250∼300日程度でゆる やかになって くる。本実験 に関す る限 り,応 力導入後400 日程度 における再生 コンク リー トの ク リープひずみ量 は 普通 ヨンク リー トと比較 して,単
位 ク リープひずみ量 で 3∼4× 10 堰 度大 きくな る。この値 は,配 合等 によって あ まり大 きな差 はな く,再
生骨材 中に含 まれ てい るモル タル分がク リープ変形 を起 こした量 で あると考 えること がで きる。(4)再
生 コンク リー トのヤ ング係数, ク リープひずみ 量等 は,再
生骨材 の原料 となる原 コ ンク リー トの物性 お よび再生 コンク リー トの新 モルタル部 の物性 がわかれば, 各種の複合則モデルを適用することによってある程度 ま で推定する ことがで きる。 最後 に,本研究 は著者の一人 に与 え られた昭和 54∼56 年度文部省科学研究補助金 による成果 の一部 であること を付記する とともに,本
研究 を遂行 す るに当 り終始御協 力 を賜 った土木工 学科材料研 究室の諸氏 に対 し感謝の意 を表 する次第である。 参 考 文 献1)西
林,矢
村,吉
野,湊
:コ ンク リー ト破砕物 の再利 用 に関す る基礎的研究,鳥
取大学工学部研究報告, 第12巻 , 1号,昭
和56年10月2)建
築業協会,建
設廃棄物処理再利 用委員会:再生骨 材 コンク リー トに関す る研究,コ
ンク リー トエ学, Vol 16, Nα 7, 1978.3)A D Buck:Recycled Concrete as a Source of Aggregate,ACI JOur,Vo1 74,No 5,1977. 4)S R Yannas:Waste Concrete as Aggregate for
New Concrete,ACI Jour.,Vo1 74,No.8,1977.
5)U」
COulltO:The effects Of the elastic mOdulus ofthe aggregate on the elastic modulus,creep,and creep recovery of concrete, rag Of concrete Research,Vol 16,No 48,Sept.,1964.
→
F
F
ゼ
o
こ
餅
o
b
υ妥
受
齢
20.認
個
α
ysP
Fig. 7 Estiュnation of creep of recycling
concrete