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繊維補強ポリマーセメントコンクリートの開発 ー新設歩道橋 鋼床版舗装コンクリートへの適用ー

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(1)

UD.C691.3284 要 約 1.はじめに

2検

討概要 3.試験結果および考察 刊

はじめに ヨンクリー トに混入する短繊維

,特

に有機合成繊維はひび 割れ分散や進展の抑制

,耐

衝撃性の向上等が期待でき

,さ

ら に

,最

近では

,高

架椅等のコンクリー ト構造物の剥離・諏」落 防止 を期待できる材料 として注 目されてきている。有機合成 繊維をコンクリー トやモルタルヘ混入する場合

,一

様 に分散 せずファイバーボールと言われる繊維の固まりができること があ り

,こ

れを防 ぐために特殊な分散機を使用することがあ る。 しか し

,な

るべ くであれば ミキサやアジテータ車等へ直 接投入することによって均―に分散 することが望 ましい。 一方

,コ

ンクリー トの材料 としてポ リマーを使用すること によ り曲げ強度

,接

着強度

,防

フlく′l生

,耐

薬品1生

,耐

衝撃′生等 が向上すると言われてお り,有機合成繊維 と同様 に最近では, 薄層舗装やコンクリー ト構造物の補修 ・補強材料 として盛ん に使用 されている り。 本研究で検討対象 としたのは

,新

設の歩邁橋の鋼床版上に 適用す るコンクリー トであ り

,鋼

床版上 に厚 さ30∼ 1(Xれ11 のコンクリー トを打設 し

,橋

面 に3(Xl× 3(Xl×2()〔】1lmの磁器質 タイルを貼 り付ける設計 とした。 しか し

,鋼

床版上に一般的 なコンクリー トを打設 した場合

,主

に乾燥収縮 に起因するひ び割れに伴い,橋面に貼 り付けたタイルにひび害Jれが発生 し, 美観

,歩

行性 を低下 させ るだけでな く

,雨

水等 の浸透により 銅床版 自体の耐久性 も低下させることが考えられた。 東急建設技術研究所報No 27

繊維補強ポ リマーセメン トコンクリー トの開発

― 新設歩道橋

鋼床版舗装 コンクリー トヘの適用 ―

伊藤

正憲

*

早川

健司

玉井

真―

・キ

前田

欣昌

** 歩道橋の今岡床版上に打設する舗装コンクリー トに乾保収縮等を原因とするひ0堵Jれの発生によって歩道橋としての要求性能で ある歩行性

,美

観,および耐久性等に影響を及ぼすことが考えられた。そこで,ひo卜」れの低減と分散,曲 げ靭性

,読

米 性等 の向上を目的として各種の材料評価試歌を実施した。その結果、ネット状のポリプロピレン繊維は、施Il生、多散性が良好で あり、収縮低減剤 との併用によりひ0常1れ発生日芽攻ん対 恭加の2∼3倍f呈度遅延させることができ、また,ひつ(1れ 幅の進展 も 約20ο/ο程度抑制できることが分かった。また、ポリマーとしてアクリル樹脂エマルションをl吏用した場合(pc窮%)、 吸水・透 米性能を改善できることが分かった。そ して、これらの材料をう輩定 した配合条件で新設の歩道橋制床版上舗装コンクリー トに 適用 した結果、良好な施

I性

を確イ呆して打設するとができた。 キートト・

:

ひび割れ,ポリプロピレン繊維,ポリマー,収縮低減剤,鋼床版 目 次 と.実構造物への適用 5.まとめ そこで

,本

研究では

,

ミキサやアジテータ車に直接投入す ることがで きる有機合成繊維 とポリマーおよびヨンクリー ト の収縮 を低減する収縮低減剤の使用 を検討 し

,こ

れ らの材料 が主 に硬化後の物性 にどのような影響を及ぼすかを検討する ことによって

,新

設の歩道橋 に適用する舗装コンクリー トの 最適な使用材料

,配

合条件等について検討 したものである。 また

,本

報では

,実

際に新設の歩垣橋の銅床版上舗装 コン クリー トに選定 した繊維補強ポリマーセメントコンクリー ト を適用 した結果についてもあわせて報告する。

2

検討概要

21使

用材料 木検討で使用 した材料 を表 1に 示す。繊維は

,一

般的な有 機合成繊維 と異な り

,写

真 1に 示すポ リプロピレン繊維をネ ツ ト状 に結合加工 したものを使用 した。 この繊維は表面に特 殊な親水処理 を施す ことによ り

,従

来の有機合成繊維で問題 となっていた分散性 と付着性 を改善 した繊維であ り

,特

殊な 分散機等は使用せず

,現

場においてアジテータ車に直接投入 することが可能であ り

,施

工性 を改善させた繊維である。な お

,本

検討では繊維長19■unのものを使用 した。 ポ リマーは全固形分濃度 457οのアクリル樹脂エマルショ ンを使用 した。このポリマーは

,セ

メン ト混和用に開発 され た ものであ り

,コ

ンクリー トに混和 した場合 もゲル化 しに く

(2)

されていることな どを特徴 とするポ リマーである。 さらに

,本

検討 においては

,コ

ンクリー ト組織 自体の毛細 管空隙中の液相における表面張力を大中冨に低減することによ リコンクリー トの収縮 を抑制する収縮低減済Jの使用 を検討 し たそ,なお

,粗

骨材は

,検

討対象 とした銅床版上の舗装厚が 30 ∼

100mmで

あつたため,最大寸法

13mmの

粗骨材 を使用 した。 表

1

使用材準r 項 目 セメント 密度316g/cm3 細骨材 粗骨材 密度264g/cm3

13mm

ホ°リマー テ・ィスハ°―シ°ヨシ 全国形分450% 鱗 い

19mm

低級アルヨールのアルキレシオキンドイ寸カロ物 ,肖泡斉1 写真

1

ネッ ト状ポリプロピレン繊維

22配

合 木検討で変化 させた要因 と水準 を表2に

,配

合表 を表

3に

示す。検討 した配合要因は

,ポ

リマーセメン ト比(P/C),繊 維 混入率

,収

縮 低減剤添加率であ り

,そ

れぞれ標準添加量 と材 料 コス トを考慮 して3水準 に設定 した。配合は

,一

般的な鋼 床版上に打設するコンクリー トの配合条件等 を参考 に して水 セメン ト比(W/C)を 407ο,細骨材率(Wa)を657ο,単位セ メン ト 量 を 450kg/m3と した。目標 としたコンクリー トの コンシステ ンシーは

,施

II生 を考慮 してスランプ 18±2 5cm,空気量 5 ±1.57οとし

,高

性能減水剤お よび消泡剤の使用量で調整 した。 なお

,液

体である収縮低減剤は

,単

位水量の一部 として配合 計算 した。

23練

混ぜ方法および試験体採取 本検討では

,新

設の歩道橋 に適用することを目的 としたた め

,開

発段階においては現場での打設状況を考慮 して練混ぜ と訓験体採取およつ`各種試験を実施 した9 および現着時にアジテータトラックに所要量の繊維を直接投 入 した繊維混入コンクリー トの2つ の状態である。従って, 図1に示すフローで練混ぜおよび試験体の採取を実施 し

,各

種材料の影響を検討 した。なお、使用 したミキサは50リ ット ルの強制練 リパン型 ミキサである。 表

2検

討要因 と水準 要 因 P/C 3. 6.0 PPF (vol

01 0.151 0.3

鰍 添加量

0, 3.01 6.0

3

示方配合表(Ⅵ/C=40%,s/a=6酬 ) MA × 002 002 002 004 006 006 006 004 15秒 60秒 60秒 60秒 図

1

練混ぜ方法 と試験体採取のフロー

24試

験項 目および方法 実施 した試験項 目および方法 を表4に示す

cな

,訓

敬の 項 目は使用材料の特徴を評価で きる訓験を選定 した。ポリマ ーを混和することによる影響 を評価するために吸水

,透

水試 験 を

,繊

維お よび収縮低減剤の影響 を評価するために曲げタ フネス試験

,長

さ変化率試験

,ひ

つ滞!れ拘束試験等 を実施 し た。 No * 記号 C 普通 ホ°ルトランドセメント 細 目:君津産 粗 ロツ(王子産 S G 八王子産砕石 P アクリルエマザレション PPF ホ和)フ ° ロヒ°レン ネット状繊維 SRA SP ホ°リカザレホ'シ酸勇 MA SP 単位量(kg/mO) P+ W C S G P/C (%) PPF (vol%) SRA (kg/m3' 12 1077 582 06 1054 570 135 05 180 08 177 030 06 09 030 06 015 174 1030 555 27 06 015 177 450 S,C揺玖 Wキ(P,SFA SP,VAl投入

G投

入 て―スコ "リ ートのフレノン垢鹸 繊維無混入の 言録 脚 理 箭 佐投入 鮒 臥 御 言J呼勇鶯 'ヽ イt:姦と 鰤 "リ ートの フレル融

(3)

東急建設技術研究所報No 27 表

4

訓験項目と方法 5 4 3 2 1 0 試験項 目 スランフ 空気量 吸水率 透 水 圧縮強度 ヤンク・係数 曲げ タフネス ひび割れ 拘束 材齢・試験体・養生等 黛 ︶ 科 < 答 変化率

3試

験結果および考察

31繊

維を混入した場合のスランプの変化 試晩練 りの段階で

,高

性能減水剤の使用量 を一定 とし

,繊

維 を混入 していないベースコンクリー トのスランプ と

,続

け て繊維を投入 した後のスランプを測定 した結果,Vf=0157cで 25∼

45cm,Vf O.30%で

4,0∼

45cmの

スランプ低下 とな り, 繊維混入率が高 くなるに従い投入前後のスランプロスが大 き くなった。

32吸

水・透水性能 ポリマー混和の影響 を評価す るためNo.1∼3の配合を対象 として材齢

28日

において吸水率訓験および透水試瞼を実施 した。図2に各コンクリー トの24時間までの吸水率 を示す。 P/C=37οとした場合の吸水率は

,,∞

7οとほぼ同等の吸水率 と なった。一方,P/C巧 %と すると吸水特性が改善 される傾向に あった。 図 3に ⅣCと透水性 を評価で きる初期拡散係数 を示す。こ こで

,初

期拡散係数 とは村田ら ⊃が提案 している式(1)により 算出 した ものである。その結果

,P/Cが

大 きくなるほ と羽 期 拡散係数は小 さくなる傾向

,す

なわち水が通 りに くくなる傾 向にあった。 この ようにポリマーの混和によって吸水・透水 性能が改善 されたことは

,一

月免的に言われているようにコン クリー トの内部に存在する比較的大 きな細孔がポリマーで充 填 または連続ポリマーフイルムでシールされた組織構造にな つたことが影響 しているもの と考えられたIち

中 作

ここに, βo2:初 期拡散係数lin2/seC) D,,:平均浸透深さlin血) 歩:水圧を加えた時間ls∝) t itに関する補正係す攻 ξ:水圧に関する係数

5 10 15 20

吸 水 時 間 (hour) 図

2

吸水時間 と吸水率の関係 25 40E-06 30E-06 20E-06 10E-06

00E+00

0246

P/C(%) 図

3 P配

と初 期 拡 散 係 数 の関係

33強

度,ヤ ング係数 図4に各配合の材齢 7日

,28日

の圧縮強度を示す③繊維, ポリマー

,収

縮低減剤を使用 していない No.1の 材齢 28日 の 圧縮強度は 58.5N/mm2で ぁった。これに繊維

,ポ

リマー

,収

縮低減剤を混和 した場合

,圧

縮強度は若干低下する傾向にあ つた。特に

,図

5に示す ようにP/Cが高 くなるほど

,材

齢28 日で40N/nim⊇ 以上の強度力M早られているが,若干圧縮強度は 低下する傾向にあ った。 図6に圧縮強度 とヤング係数の関係 を示す。圧縮強度に対 するヤ ング係数の比は

RC示

方書の値 ⊃よりも若干低 くなる 傾向にあった。 しか し

,RC示

方書に示 されている値は

,単

位容積質量を考慮することがで きない。そこで

,図

7に示す ようにヤング係数の推定において単位容積質量を考慮するこ とができる

NcwRC式

りを適用 した。 □材齢28日 ■材齢7日 所定材齢 まで 20°C,60。/ORH の 室 内 で封 4威養生 材齢 7日 まで 湿布養生, 以 後

,20℃

60%RHの

室内に暴露 0 ︵ ぐ N N o く 筆 懸 益 埠 環 尽 長 さ 0       0       0       0 ︵ 推 E \ こ 慨 韻 鐸 四 0

23456

配 合番号 図

4材

齢 7日 、28日 圧縮強度 7 8 ―e―P/CO% ▲― P/C3% ―日―P/c酬 準叡1ノ条件 」IS A l101 」IS A l128 全浸吸水 24時 間まで 材齢28日 φ10×5cm 加水圧 力 03N/mm2 1時間 ∼φ拍論10×28日5cm 」IS A l108 」SCE G502 材齢 7,28日 φ10×20cm 」SCE G552 摺玲28日 □10× 10×40cm 」IS原 案「ヨンク リートの乾燥収 縮 ひ び 割 れ 試験方法」 ヨンタクトケ'―シ与去に より測定 」IS A l129 □10× 10×40cm

(4)

の低 下にはyaや

Gmax等

が影響 しているものと考えられた。 しか しなが ら

,本

検討の姑象構造物が銅床版上のコンクリー トであるため

,ヤ

ング係数カシトさくなることにより曲げ岡!性 が低 くな り

,た

わみ追徒1生が よ り期待で きるようになるとも 考えられた。 80 2 4 6 P/C(%) 図

5

νCと圧縮 強度 の 関係 RC 。材齢7日 口材齢28日 0 20 40 60 圧 箱調蛍度(N/mm2) 図

6圧

縮強度 とヤ ング係数の関係 度の耐荷力 を残 し

,そ

の程度は繊維混入率が高 くなるほど大 きか った。従 って

,曲

げ靭性係数は,Vf=0.15%と したもの (No.7,8)が 平均 0.12N/mm2程 度,Vf=〈l.37ο としたもの研o.4, 6)が平均

0.18Wmm2程

度 とな り

,混

入率が高 くなるに従い, 曲げ靭性が改善 される傾向にあった。 しか し

,鋼

繊維を使用 した-1史的なコンクリー トと比較 した場合には

,ポ

リプロピ レン繊維のヤング係数が銅繊維の 1/40程 度 と小 さいため曲 げ靭性の改善効果は比較的小 さいものとなった。 20 15 Z 10 側 悼 5 0 00

05 10 15

たわみ

(mm)

8荷

重一たわみ曲線

20

35長

さ変化 図9に乾燥期間と自由収縮 ひずみの関係 を示す。乾燥期間 180日 までの自由収縮ひずみは収縮1舅成斉1を添加することに よ り小 さくな り

,無

添加の もの と比較 した場合

,6kym3の

添 加で約10∼159/ο収縮力V,制される傾向にあった。-1完的には 収縮低減剤の使用 により20∼407οの抑十u効果が期待で きる と 言われているが

,長

さ変化率訓験で対象 とした配合がポリマ ーを混不日した もののみであつたため

,基

準 としている

No3

の コンクリー トもポリマーの効果によりある程度収縮量力Ψ「 制 されていたことによリー般的なγ「制効果 と士ヒ鞍 してその程 度力Ⅵヽさくなったものと考えられた D。 乾 燥 期 間(日)

0 50 100 150 200

0         0         0 6     4     2

O E E \ Z 主 ︶ 無 唾 拿 A 平 ご E E \ Z 主 ︶ 筆 雖 冬 ハ 予 投 翠 0 80 40

-400

︲ P

×

︶唸

o 10 20 30 実 測 ヤング係 数(kN/mm2) 図

7実

測 と推定 ヤ ング係数の関係 0 00 0       0 0       0

34曲

げ強度1曲Iザタフネス 材齢28日における曲げ強度は

,繊

維混入率

,収

縮低減剤 1恭加量の違いによる明確 な影響 は無 く4.6∼5.5N/mm2程 度で あった。図8に曲げタフネス試験結果である荷重―たわみ曲 8

-1000

PPFvo恥 (13 (la 015 015 No (1118 (li82 0138 O013 (1175 .側 巧 3 ・ N No No NewRC式(ki二10,k2三10) Ec=kl・ k2 33500 (γ /24)2(fc/600)1/9

0-No3

-ロ

ー No 5 ‐― Δ‐‐‐No 7 ― 0 ロ 図

9乾

燥期間と自由収縮 ひずみの関係

(5)

東急建設技術研究所報No 27

36ひ

び割れ 図10にひび割れ拘束試験の結果である乾燥期間と拘束鋼 材のひずみの関係 を

,表

5には各コンクリー トのひび割れ発 生 日数の平均値 を示す。ただ し,図 10に は

,ひ

び割れ発生材 齢 にば らつ きがあるため

,安

全側である最 も早 くひび割れが フ(生 した試験体のデータを示 した

cひ

び害Jれが発生するまで の 日数は

,収

縮低減測の添加量が多 くなるほど長 くなる傾向 にあ り

,約

2∼3倍程度長 くなる傾向にあった。 図 11に ひび割れ幅の経時変化 を示す。なお

,ひ

0滑 」れ幅 は自由収縮ひずみを差 し引いたものであるじまた

,No5は

試 験体

3体

ともに計測 した区問以外にひび害!れが発生 したため, データか ら除外 した。 ひび割 れが発生 した時点での ひび割れ幅 はいずれ も約 0.lrlnl程度であつた。ひ6靖Jれ発生後のひび割れ幅の進展は 収縮低減剤の添加量が多いほど

,ま

,繊

維混入率が大 きく なるほと半「制 される傾向にあ り

,SRA 6Ψ

n3,vf=0.37っ とし た

No6は

無添加の

No3と

比較 して約20%程度ひび割れ幅の 進展力V「制 されていた。 しか し

,図

11中の長期乾燥期 間における傾 きに繊維混入 率 による影響力Чまとんど見られなか った。これは一般的な鋼 繊維 と比較 した場合

,ポ

リプロピレン繊維自体のヤング係数 力Ⅵヽさいことに起因するため と考えられた。。 0 10 乾 燥 期 間(日) 20 30 40 図

10

乾燥期間 と拘束鋼材 ひずみの関係 05

50 100 150

乾 燥 期 間(日) 図 ¬ 乾燥期 間 とひび割れ幅の関係

200

5

ひ8滞 」れ発生 日数の平均 No 8 3 0.15 ひ 15.1 発生 日

37繊

維の分散性 今回検討 した繊維 を混入 したコンクリー トの打設は,現着 時のアジテー タ車に所要量の繊維を直接投入することを想定 した。 この場合

,何

分の攪拌時間で繊維が均―に分散するか を確認 してお くこと力Yヽ要である。そこで

,積

載量2m3で運 搬 したスランプ

22cmの

コンクリー トに直接投入国か ら繊維 を手投入 し

,一

定の排出量幻(0.3m3毎)│こ試料を採取 し繊維の 分散1生を洗い試験 により評価 した。なお

,分

散1生の評価 では Vf=037οとし

,ポ

リマー

,収

縮低減剤等は使用 しなかった。 表6に繊維の洗い試験の結果を示す。なお

,こ

のデータは 繊維投入後の攪袢時間を高速

5分

とした場合の結果である。 アジテータ車から6回の試料を採取 し

,各

繊維混入率 を測定 した結果

,繊

維の開繊状態 もえ好であ り,変動係数

35%と

良 好 な分故性が確保で きることが確認で きた。従 って

,実

際の 打設では

,繊

維投入後

5分

以上の高速攪拌が必要であること が確認できた。 表

6

繊維洗い試験結果 No 繊子性lvol%) 設計V「030%,採取平均 :03凱 ,変 動係数 i35%

4実

構造物への適用

41構

造物概要 対象 とした構造物 は

,国

道上下

6車

線お よび高速道路上下

4車

線の合計10車線 を横断する新設の歩道橋であ り,フイレ ンデール形式の橋桁である。橋長は

49.5m,主

構幅は 4.5m, 主構高は

35mで

あ り

,歩

道橋の橋面には鋼床版上の タイル 舗装 とし,橋軸直角方向に排水勾配を,窪保するために厚 さ30 ∼

100mmの

コンクリー トを打設するように設計 したもので ある。歩邁椅の主桁構造図を図 12に 示す。

200

0         0         0         0 0         0         0 2         4         6 一           一           一

︲?

×

C じ 埋 ミ 厠 わ 0 4 0 03 0       0 2 【vrn′ 0.3 0.3 0.15 lvOl°/o) 18.7 9.5 15.6 26.5 26.7 029 030 029 029 032 )4

-0-No 3

-No 4

-日

― No 6 ‐・ ‐0‐‐‐No 7 -‐△‐・ ‐

No8

△ 00 0 図

12歩

道橋の主桁構造図

(6)

実際の打設には

,配

合 No.6を 適用 し

,設

計打設数量は約 16m3で ぁった。従って,4rl13積みで

4車

のアジテー タ車で運 搬 し,現着 時に各車 12kgの 繊維 を投入 して攪拌 した後,ポ ン プ圧送l酉己管約 80m)し て打設 した。表

7に

品質管理項 目とそ の結果をまとめて示す。実際の打設では

,平

均逗搬時間約55 分

,繊

維投 入後 も開発段階で想定 したスランプロスと同 じ 4.5cmと な り

,想

定 していたコンシステンシーを確保するこ とがで きた。 表

7

品質管理項 目と結果 項 目 3車目 スランプ 言練 235 195 空気量試験 65%

43硬

化物性の確認 表 8に 打設時に採取 した試料の圧縮,曲 げ強度試験結果を 示す。圧縮強度は開発段階での結果 よりも若干大 きくな り, 曲げ強度は同等 となった。 また

,曲

げ靭1生係数は若干低 くな った。 しか し

,最

大荷重に達 した後の耐荷力が開発段階での 試験の結果 と等 しくなった。 以上のことよ り,実際に打設 したコンクリー トは目的とし た ものが良好な状態で1丁設で きた もの と考えられた。 494 53 曲げ靭性係数 015

5

まとめ 適用対象を銅床版上に打設す る舗装 コンクリー トとして, 繊維補強ポ リマーセメン トコンクリー トについて

,主

,吸

水・透米陛能,ひび割れ,曲げ靭性等について検討 した結果, 以下のことが明らか となったc l)ネッ ト状 に加工 されたポ リプロピレン繊維は

,施

工性が優 れてお り

,ま

,分

欲1生も良好であつた。 2)ポリマーの混和 により吸水・透フl(′ヒが大 きく改善 される傾 向にあったが

,圧

縮強度は

,P/C力

次 きくなるほ ど低下す る傾向にあつた. 3)繊維の混入によ り

,曲

げ靭性が改善 され

,そ

の程度は繊維 の混入率が高いほど大きかつた。 41繊維の混入によるひび割れ発生 までの期 間に及ぼす影響 は 見 られなかった。 しか し

,収

縮低減剤の使用によ りその期 間が2∼

3倍

程度遅れる傾向にあつた。 5)ひ0モJれ発生後のひ0モJれ幅の進展 は

,収

縮低減剤

,繊

維 の添加量が多いほとV「市Uされる傾向にあ り

,SRA 6唯

/ma,

Vf判 .3%で 20%程度の抑制効果があつた。 由 謝 辞 本検討を実施するにあたり三菱化学産資(1朱l手塚氏,武田薬品工業(材、)南田氏,lttlン ` rフェック山代氏ほか,関係各位のご協力に感謝致 します9 参考文献 1)ポリマーセメン トモルタル技術資料

,情

報開乳 19881 2)村田二郎他:コンクリー トにおけるカロF土浸透流に関する石オ究,コ ンクリー トエ学論文集,W研11,Nol,pp 61-74,20(X11 3)土木学会:コンクリー ト標準示方書C編キ冊 4)コンクリー ト便覧,技報堂出版

,p242,19962

5)コ ンクリー ト用イ印 材料の規格と性能評価, 日本コンクリー トエ学協会九州支部,pp 78‐79,199911 6)原田用久他:新交通 システム走行路のひび割れ対策に関する実験的研究

,土

木学会第 49回年次講演概要集,平 501,pp 1002‐1003,19949

he APPHCAHON OF FIBER RE11ヽ

OR甑

Ⅳ□

Nr Pon中

R cEMtt CON側

TO THEStt PLtt FLOOR PAVEⅣ IENT CONCRE町

.

M.Ito,K.Hayakawa,S.Tamal And Ч

lMaeda

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全度 436 53 28d 018 時期 鉾 1車 目 出荷時 23∼24cm 235 現着時 22∼23cm 225 180 18±

25cm

離 投入後 5±15% 65%

参照

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