を有する繊維補強コンクリートの基礎性状

(1)

報告パネルによる護岸補修工事に適用した圧縮強度 350N/mm

²

を有する繊維補強コンクリートの基礎性状

安田瑛紀^*1・森香奈子^*1・河野克哉^*2・多田克彦^*3

要旨：流し込み成形で世界最高強度を達成するポアフリーコンクリート（PFC）の耐久性を長期暴露試験によって検討するために，超高強度繊維補強コンクリート（UFC）とPFCを併用した護岸パネルの試験施工を行った。施工にあたっては，UFCパネル内に小型のPFCパネルを埋設することで両材料のハイブリッドパネルを製造した。硬化後のPFCの力学性能はいずれもUFCと同等程度かそれ以上であり，PFCの緻密なマトリクスによって圧縮・曲げ強度および耐摩耗性能が向上することを明らかにした。

キーワード：ポアフリーコンクリート，超高強度繊維補強コンクリート，試験施工，耐久性，耐摩耗性能

1. はじめに

沿岸構造物のように塩害や磨耗等の複合劣化作用を受ける過酷環境下では，耐久性に優れるコンクリート構造物が必要となる。超高強度コンクリートは，力学的性能のみならず，塩化物イオンや水等の劣化因子に対する耐浸透性能にも優れるため，構造物の高耐久化・高寿命化に大きく寄与すると考えられる。

国内においては，2000年に圧縮強度が200N/mm²程度の超高強度繊維補強コンクリート（以下，UFC）が開発されており，数多くの施工実績が得られている ¹⁾。さらに近年では，450N/mm²以上の圧縮強度を発現する新規の超高強度コンクリートが開発されており ²⁾，通常の流し込み成型が可能なコンクリートとしては世界最高強度となる材料である。これは，最密充填を満たす結合材の配合を粉粒体の充填理論より導出し，さらに硬化後の空隙充填を図るために吸水処理および熱養生を行うことで水和反応を促進したポアフリーコンクリート（以下，

PFC）である。PFCは型枠への流し込み成型によって任

意の形状が得られるとともに，その製造工程は既存のコンクリート工場の設備で可能なものである。PFCの適用によって構造物のさらなる長大化・高層化および高耐久化が期待できるが，未だ試験室レベルでの検討に留まっており，実構造物への適用には至っていない。

本検討では，実環境下での長期暴露試験を行い PFC の耐久性を評価することを目的として，複合劣化作用を受ける沿岸道路の護岸補修工事にPFCとUFCを併用した護岸パネルを適用する試験施工を行った。本報では，

パネルの製造から設置に至るまでの一連の施工結果について報告するとともに，PFCとUFCの諸性状を比較検討したので，ここに報告する。

2. 工事概要

2.1. 護岸パネルの概要

試験施工の工事概要を表－1に，工事区間の海岸擁壁の状況を写真－1に示す。北海道の一般国道336号線の下部に位置する海岸擁壁は，激しい波と波が運ぶ砂礫による浸食・摩耗および衝撃作用，冬季の凍結融解作用といった複合的な要因で激しく浸食している。そこで，

UFC 製の護岸パネルを浸食部に設置し，裏込めのレディーミクストコンクリートで固定する護岸補修工事を行った。本年度のパネル設置枚数は6枚であり，このうち 3枚の護岸パネルは，UFCとPFCを併用したハイブリッドパネルとし，暴露試験の対象とした。

護岸パネルの概要を図－1に示す。図－1 (a)に示すように，護岸パネルは幅 1000mm，高さ 1400mm，厚さ 100mmのUFCパネルである。また，ハイブリッドパネ

写真－1 海岸擁壁の浸食状況

*1 太平洋セメント(株) 中央研究所第２研究部研究員修(工) (正会員)

*2 太平洋セメント(株) 中央研究所第２研究部主任研究員博(工) (正会員)

*3 太平洋セメント(株) 中央研究所第２研究部チームリーダー (正会員)

表－1 工事概要

工事内容超高強度繊維補強コンクリート（UFC）製パネルを使用した護岸補修工事

工事場所一般国道336号工事数量 UFCパネル 6枚

（うち3枚にPFCを部分的に適用）

建設当初の海岸擁壁前面ライン

コンクリート工学年次論文集，Vol.39，No.1，2017

(2)

ルでは，UFCパネルにあらかじめ作製したPFCパネルを埋設することによってPFCを部分的に適用した。埋設部分の詳細を図－1 (b)に示す。UFCとPFCの一体性を確保するために，PFC パネルからはステンレス鉄筋

（SUS304 SD390 D10）を定着補強用鉄筋として突出させ，UFCと接触するPFC界面には凹凸の付着層を形成した。

2.2. 試験水準

3 枚のハイブリッドパネルには養生条件および短繊維種類の異なる3種類のPFCを使用した。試験水準を表－

2に示す。水準名は，使用した材料の名称と硬化後の目標圧縮強度に対応している。PFCの破壊挙動はきわめて脆性的であるため，実用化に際してはマトリクスを短繊維で補強することが必要と考えられる。本検討では，短繊維種類に鋼繊維と集束PBO（PBO: ポリパラフェニレンズビスオキサゾール）繊維の2種類を使用した。集束 PBO繊維とは，極細のPBOフィラメント（直径12μm）を複数本束ねて樹脂で固定したものであり，合成繊維であるため腐食の可能性がない³⁾。鋼繊維には市販のUFC 用鋼繊維を使用した。

PFCの養生は，脱型直後の若材齢時に強制吸水処理を行い，その後熱養生を行うことで吸収水を内部養生水と

してさらなる硬化を促進することを特徴としている。本検討では，養生条件を変えることでマトリクス強度を変化させ，その影響を評価した。

3. パネルの作製方法

3.1 ハイブリッドパネルの製造工程および供試体作製本検討におけるパネルの製造工程を図－2に示す。PFC とUFCは異なる養生工程を要するため，まずPFCパネルを作製し，これを護岸パネルの型枠内に設置してUFC を打ち込むことでハイブリッドパネルを製造した。また，

PFCパネルの作製と同時に各種試験用の供試体を作製した。供試体と試験内容の詳細については，「4. PFCおよびUFCの諸性状」で後述する。また，比較検討用にUFC の供試体も作製した。

1000 1400

100 300

300

（単位:mm）

PFCパネル (300×300×100mm) UFCパネル

(1000×1400×100mm)

100 900

400

65 65

75

240 300

(単位：mm)

200

定着補強用鉄筋

（SUS304 SD390 D10）

ひび割れ防止用鉄筋

（SUS304 SD390 D10）

(a) パネルの概要 (b) PFCパネル埋設部分の概要図－1 ハイブリッドパネルの概要

表－2 試験水準

No. 水準短繊維種類養生条件

1 PFC-FM350 鋼繊維

脱気吸水処理

→蒸気養生

→加熱養生

2 PFC-FM250 鋼繊維蒸気養生

3 PFC-PBO200 集束PBO繊維蒸気養生

PFC打込み

脱型・

吸水処理*

熱養生

① 蒸気養生（90℃48h）

② 加熱養生*（180℃48h）

UFC打込み

1次養生（40℃16h）

脱型

2次養生（90℃48h）

PFCパネル完成

48h封緘養生 1h以内

ハイブリッドパネル完成 PFCパネルを型枠内に設置

（*：PFC-FM350のみ実施）

図－2 パネル製造過程

(3)

3.2 PFCパネルの作製 (1) 使用材料および配合

PFC および比較検討用に作製した UFC（水準名：

UFC-FM200）の材料を表－3に，配合を表－4に示す。

水結合材比はPFCでは15%，UFCでは14%とした。PFC の材料選定および配合設計は，粉体混合物における空隙率が最小となる「最密充填」を満たすことを基本としている。結合材に使用する粉体材料の混合比および石英微粉末の粒径は，計算上最密充填を満たすものを採用した

2)。UFC の材料には，UFC の設計・施工指針（案）⁴⁾に準拠した市販の標準配合粉体および高性能減水剤を使用し，細骨材および鋼繊維はPFCと共通している。

(2) 練混ぜ

PFCの練混ぜには容量30Lのオムニミキサを使用した。

練混ぜ手順は，練混ぜ直前に C，Q，SF を袋内混合し，

これとSをミキサに投入し15秒の練混ぜを行った後，W， SP1，DFを投入し4分間の練混ぜを行った。さらに短繊維の投入後，2分間の練混ぜを行った。

比較検討用に作製したUFCの練混ぜには容量100Lのパン型強制練りミキサを使用した。練混ぜ手順は，W， SP₂，B₂，Sを投入して12分間の練混ぜを行い，さらに

鋼繊維の投入後，2分間の練混ぜを行った。

(3) 吸水処理（PFC-FM350のみ）

打ち込んだ PFC は材齢 48 時間まで封緘養生（室温 20℃）を行い，PFC-FM350のみ脱型後ただちに脱気吸水処理を行った。脱気吸水処理は，アクリル製密閉容器内で供試体を完全に水中に浸漬させた状態で，容器に接続したポンプにて上層空気を排出させて減圧し，供試体外表面から内部へ水分を供給することで行った。脱気吸水の様子を図－3に示す。また，脱気時間は30分とした。

(4) 熱養生

PFC-FM350では吸水処理後，それ以外の水準では脱型後ただちに熱養生を行った。PFC-FM350では下記の

（ⅰ）蒸気養生，（ⅱ）加熱養生の養生を連続して行い，

それ以外の水準では（ⅰ）蒸気養生のみを行った。それぞれの養生条件は以下の通りである。

（ⅰ）蒸気養生

昇温速度 15℃/h，最高温度 90℃，最高温度保持時間 48h，降温速度15℃/h，相対湿度100%

（ⅱ）加熱養生

昇温速度60℃/h，最高温度180℃，最高温度保持時間 48h，降温速度60℃/h

表－4 配合

No. 水準 W/B

（%）

単位量(kg/m³)

W B1

B2 S FM PBO SP1 DF SP2

C Q SF 1 PFC-FM350

15

193 836 349 97 - 934 157 - B1×1.7% B1×0.02% - 2 PFC-FM250 193 836 349 97 - 934 157 - B1×1.7% B1×0.02% - 3 PFC-PBO200 193 836 349 97 - 934 - 30 B1×2.5% B1×0.02% - 4 UFC-FM200 14 180 - - - 1278 934 157 - - - B2×1.3%

表－3 使用材料

種類名称記号成分ならびに物性

練混ぜ水水 W 上水道水

PFC結合材

（記号：B1）

低熱ポルトランドセメント C 比表面積 3330cm²/g ，密度 3.22g/cm³ 石英微粉末 Q 密度 2.69g/cm³ ，純度99.9%以上シリカフューム SF 比表面積 20m²/g ，密度 2.24g/cm³ UFC結合材プレミクス粉体 B2 市販のUFC用標準配合粉体

細骨材 UFC用高強度砂 S 最大寸法0.3mm ，密度 2.61g/cm³

短繊維

鋼繊維 FM φ0.20×15mm ，密度 7.84g/cm³ ，引張強度 2800N/mm² ，引張弾性率 200kN/mm²

集束PBO繊維 PBO φ0.23×15mm ，密度1.51g/cm³ ，引張強度 3500N/mm² ，引張弾性率 140kN/mm²

混和剤

PFC用高性能減水剤 SP₁ ポリカルボン酸系

空気量調整剤 DF ポリアルキレングリコール誘導体 UFC用高性能減水剤 SP₂ 市販のUFC用減水剤

(4)

(5) 硬化後のPFCパネル

硬化後のPFCパネルを写真－2に示す。図に示すように PFC パネルからはステンレス鉄筋を突出させ，パネルの表面には凹凸の付着層を形成した。パネルの側面に形成した凹型の付着層はPFCパネルとUFCパネル間の付着を，パネル裏込め面に形成した凸型の付着層はパネルと裏込めのレディーミクストコンクリート間の付着を確保するものである。

3. 3 ハイブリッドパネルの製造 (1) UFCの打込み

ハイブリッドパネルの製造は，コンクリート製品工場で行った。型枠内にPFC パネルを静置し，UFC を打ち込むことでハイブリッドパネルを作製した。UFC の打込み状況を写真－3に示す。また，PFCパネルと同様に裏込め面には凸型付着層を形成した。

(2) UFCの養生

打ち込んだUFCは，打込み後一時間以内に（ⅰ）1次養生を開始し，さらに脱型後に（ⅱ）2 次養生を開始した。それぞれの養生条件は以下の通りである。

（ⅰ）1次養生（蒸気養生）

（ⅱ）2次養生（蒸気養生）

3. 4 パネルの施工

UFC の硬化によってハイブリッドパネルの製造を完了した。PFCパネル表面へのUFCの漏れ込み，パネル界面でのひび割れ発生等の製造時における異常は発生せず，

定着補強用鉄筋の使用と凹凸付着層の形成によってPFC とUFCを一体化させることが可能であった。

完成した UFC パネルおよびハイブリッドパネルを施工現場へ運搬し，護岸補修工事を実施した。パネルを浸食部の前方に設置し，所定の型枠を設置した。その後写真－4 に示すように圧送ポンプを用いて上方から裏込めのレディーミクストコンクリートを打ち込んだ。コンク

吸水口排気口

（ポンプに接続）

アクリル製密閉容器

水供試体

圧力計

図－3 脱気吸水処理

写真－2 PFCパネルの外観

写真－4 コンクリート打込み状況

PFCパネル

写真－5 施工後のハイブリッドパネル PFCパネル

写真－3 UFCの打込み状況

(5)

リートの硬化後，型枠を脱型・撤去し，試験施工を完了した。施工後のパネル状況を写真－5に示す。

4. PFCおよびUFCの諸性状 4. 1 フレッシュ性状

パネル作製に使用した PFC および比較検討用に作製したUFCのフレッシュ性状を表－5に示す。いずれの水準においても良好な流動性を示し，短繊維の沈降を伴わずに流し込みによる成形が可能であった。集束 PBO 繊維を使用したPFC-PBO200のみ空気量の増加がみられたが，これは練混ぜ時に，集束したPBOフィラメント束の間に含まれる空気が巻き込まれてしまったためと考えられる。

4. 2 力学性能 (1) 圧縮強度

圧縮強度試験はφ50×100mmの供試体を作製し，JIS A 1108に準じて行った。各水準において3個の供試体の平均値を圧縮強度とした。また，PFCの3水準においては，

各水準における所定の養生後にさらに追加の蒸気養生を行った供試体を別途作製し，この圧縮強度を測定した。

これは，ハイブリッドパネルの製造工程において，PFC パネル部は後打ちの UFC の蒸気養生を受け，これが PFCの強度変化に与える影響を検討するためである。追加の蒸気養生の条件は「3. 3 ハイブリッドパネルの製造」で述べたUFCの2次養生と同様とした。

圧縮強度試験結果を表－6に示す。PFC-PBO200 を除いて PFC は UFC より高い圧縮強度を有しており，

PFC-FM350ではUFCより50%以上高い強度を示した。

PFC-PBO200 においては，養生条件が同じである PFC-FM250 に比べて著しく圧縮強度が低下しているが，

これは前述の空気量による影響と考えられる。また，

PFC-FM350とPFC-FM250の比較より，蒸気養生後に加熱養生を行うことによって PFC の圧縮強度が顕著に増加することが確認された。

また，追加の蒸気養生によるPFCの強度増加は最大でも10%程度の軽微なものである。さらに事前検討において，PFC-FM350を1年間気中養生または水中養生に供したので，その強度発現履歴を図－4に示す。これによると，1年間の気中養生または水中養生を行ってもPFCの圧縮強度はほとんど変化しないことがわかる。また，供試体の密度変化も確認されなかった。以上より，硬化後の PFC は外部環境からの吸湿や温度履歴によって強度はほとんど変化しないことを確認し，所定の養生によって水和反応がほぼ停止していることが示唆された。

表－5 フレッシュ性状

水準フロー

（mm）*¹

空気量

（%）*²

PFC-FM350 285 2.6 PFC-FM250 278 2.0 PFC-PBO200 256 5.0

UFC-FM200 277 2.7

*¹：落下振動を伴わないフロー（JIS A 5201準拠）

*²：空気室圧力法

表－6 PFCとUFCの圧縮・曲げ強度

水準

圧縮強度

（N/mm²）曲げ強度

（N/mm²）追加養生前* 追加養生後*

PFC-FM350 342 350 52

PFC-FM250 250 279 40

PFC-PBO200 188 194 40

UFC-FM200 216 - 44

*：追加養生…昇温速度15℃/h，最高温度90℃，最高温度保持時間48h，降温速度15℃/h，相対湿度100%の蒸気養生

0 50 100 150 200 250 300 350 400

6 60

圧縮強度（N/mm2）

材齢（日）

気中20℃ 相対湿度60%

気中20℃ 相対湿度80%

水中20℃

7 28 91 365

図－4 PFC-FM350の強度発現履歴

0 10 20 30 40 50

0 1 2 3 4 5

曲げ応力（N/mm2）

クロスヘッド変位（mm）

PFC-FM350 PFC-FM280 PFC-PBO200 UFC-FM200

FM250

図－5 曲げ応力－変位関係

(6)

(2) 曲げ強度

曲げ強度試験は40×40×160mmの供試体を作製し，4 点曲げ試験によって行い，各水準において3個の供試体の平均値を曲げ強度とした。

曲げ強度試験結果を表－6 に，曲げ応力－クロスヘッド変位関係の例を図－5 に示す。圧縮強度と同じく PFC-FM350 において最大の曲げ強度を示し，UFC と比較して18%程度曲げ強度が向上した。また，圧縮強度が低下したPFC-PBO200においてもPFC-FM250と同等程度の曲げ強度を有しており，繊維の腐食膨張によるひび割れが発生しない合成繊維によっても充分な曲げ補強効果が得られることを確認した。

4. 3 すりへり抵抗性試験

すりへり抵抗性試験は平板供試体（300mm×300mm× 厚さ60mm）を作製し，ASTM C779 ⁵⁾に準じて行った。

固定した供試体に一定荷重を作用させた摩耗板に摩耗材を定量供給しながら回転（自転280rpm）させ，さらにこれを円周運動（公転12rpm）させることで表面に平行な摩耗作用を与えた。試験は 60 分間継続して行い，試験開始から終了までの 10 分間経過毎にすりへり深さを測定した。

すりへり抵抗性試験の結果を図－6に示す。PFCはいずれの水準においても UFC よりもすりへり深さが少なく，特にPFC-FM350においてはUFCと比較してすりへり深さが20％以上低減した。PFCの緻密なマトリクスによって耐磨耗性能が大きく向上することが確認された。

5. まとめ

波や砂礫による摩耗・浸食および衝撃作用，塩害作用および凍結融解作用を受ける超過酷環境下において，

PFCとUFC を併用した護岸パネルの試験施工を行った。

本検討で得られた知見を以下に示す。

(1) PFCパネル（300mm×300mm×厚さ100mm）をUFC パネル（1000mm×1400mm×厚さ 100mm）に埋設

することによってPFCとUFCを併用したハイブリッドパネルを製造した。

(2) PFC は良好なフレッシュ性状を示し，繊維沈降を伴わずに流し込みによる成形が可能であった。これによって凹凸付着層のような任意の形状を形成することが可能である。

(3) 硬化後のPFCの力学性能はUFCと同等程度かそれ以上であり，特に 2 段階の熱養生を行うことによって圧縮強度は顕著に増加する。また，合成繊維である集束PBO繊維の使用によってPFCの圧縮強度は低下したものの，曲げ強度は鋼繊維を使用したPFC と同等程度であり，耐腐食性能とひび割れ抵抗性能を確保することができる。

(4) PFCのすりへり深さはUFCに比べて最大20％以上減少し，PFC の緻密なマトリクスが耐摩耗性の向上にも寄与することが明らかとなった。

(5) 引き続き経過観察を行い，実環境下における PFC の耐久性を長期的に検討する。

謝辞

本試験施工を実施するにあたり，国土交通省北海道開発局帯広開発建設部広尾道路事務所，(株)構研エンジニアリングおよび共和コンクリート工業(株)の皆様に多大なご指導，ご協力を頂きました。また，ステンレス鉄筋を愛知製鋼(株)から，集束PBO繊維を東洋紡(株)から提供して頂きました。ここに記して深謝致します。

参考文献

1) Hiroyuki Musha, Hikari Ohkuma, Takeshi Kitamura： Innovative UFC structures in Japan, Proceedings of RILEM-fib-AFGC International Symposium on Ultra-High Performance Fibre-Reinforced Concrete, pp.17-26, 2013

2) 河野克哉，中山莉沙，多田克彦，田中敏嗣： 450N/mm²以上の圧縮強度を発現するセメント系材料の製造方法と硬化組織の変化，コンクリート工学年次論文集，Vol.38，No.1，pp.1443-1448，2016 3) 森香奈子，河野克哉，奥山幸成，榎本弘：集束PBO

繊維を使用した超高強度繊維補強コンクリートの力学特性，コンクリート工学年次論文集，Vol.33， No.1，pp.244-249，2012

4) 土木学会：コンクリートライブラリー113 超高強度繊維補強コンクリートの設計・施工指針（案），

2004

5) ASTM C779 / C779M-12：Standard Test Method for Abrasion Resistance of Horizontal Concrete Surfaces，

Annual book of ASTM 2016，2016 0.0

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

0 10 20 30 40 50 60

すりへり深さ（mm）

試験時間（分）

FM乾燥 FM蒸気 PBO蒸気 UFC PFC-FM350 PFC-FM250 PFC-PBO200 PFC-FM200

図－6 すりへり抵抗試験結果 UFC-FM200

を有する 繊維補強コンクリートの基礎性状

報告 パネルによる護岸補修工事に適用した圧縮強度 350N/mm