（42）超軽量ｺﾝｸﾘｰﾄを用いた鋼・ｺﾝｸﾘｰﾄ合成構造浮体の研究

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第 6 回複合構造の活用に関するシンポジウム

（42）超軽量ｺﾝｸﾘｰﾄを用いた鋼・ｺﾝｸﾘｰﾄ合成構造浮体の研究

清宮理

¹

・木原一禎

²

・前川勉

³

・田村一美

⁴

1正会員早稲田大学教授理工学部社会環境工学科(〒169-8555 東京都新宿区大久保3-4-1) E-mail:[email protected]

2正会員三菱重工業株式会社鉄構建設事業本部(〒108-8215 東京都港区港南2-16-5）

E-mail:[email protected]

3三菱重工業株式会社広島製作所(〒730-8642 広島市中区江波沖町5-1）

4正会員三菱重工業株式会社広島研究所(〒730-8642 広島市中区江波沖町5-1）

浮体構造物は，海水交換性により環境への影響が小さく地震に強いことから，浮桟橋等に広く利用されている．近年，公共投資の効率的運用が求められている中，海洋環境下で耐食性に優れて管理の容易な，かつ，経済的に優れた構造物の開発が重要な課題となっている．本文では，浮体の軽量化による経済性改善を目的とした比重約 1.5 の超軽量コンクリートと鋼との合成構造による浮体構造物を対象とし、超軽量コンクリートの耐久性試験結果,超軽量コンクリートを使用した合成梁の力学特性に関する載荷実験について述べ,最後に,浮桟橋への適用例を紹介する.

Key Words : super light-weight concrete, floating structure,steel-concrete hybrid structures

1. はじめに

合成式浮体構造物は，鋼・コンクリート合成部材により浮体を製作し杭、チェーンなどで海上に係留する構造形式で桟橋や防波堤などの海洋構造物に使用される。海水交換性により環境への影響が小さく，

地震に強い利点がある．近年，公共投資の効率的運用が求められている中，海洋環境下で耐食性に優れて管理の容易な，かつ，経済的に優れた構造物の開発が重要な課題となっている．

このような背景のもと,浮体構造物の軽量化による全体物量の低減,吃水が小さくなることによる係留外力低減(係留装置の簡素化)等を目的として,超軽量コンクリート(密度約 1.5kg/l)を用いたオープンサンドイッチ構造の浮体構造物の研究開発を行った.本論文では，その成果として，超軽量コンクリートの耐久性と耐荷力に関する試験結果と，浮桟橋への適用例について報告する.

2. 超軽量コンクリートの性状

2.1 超軽量コンクリートの目標仕様

超軽量コンクリートの目標仕様を以下のように設定した.

密度:1.5g/l±0.1 設計基準強度:30N/mm² スランプ:18cm

2.2 使用材料

超軽量コンクリートに使用した材料を,表-1 に, 比較のための普通コンクリートに使用した材料を, 表-2 に示す。

表-1 超軽量コンクリートの使用材料

材料絶乾密度

(kg/l) セメント高炉ｾﾒﾝﾄＢ種 3.04 粗骨材軽量粗骨材 1.29 軽量細骨材 1.7 細骨材硬質パーライト 1.26 混和剤高性能 AE 減水剤 −

表-2 普通コンクリートの使用材料

材料表乾密度

(kg/l) セメント高炉ｾﾒﾝﾄＢ種 3.04 粗骨材石灰岩砕石 2.72 細骨材石灰岩砕砂 2.65 混和剤高性能 AE 減水剤 −

2.3 配合

試験練りを行い，上記の仕様を満足する超軽量コンクリート（AP）の配合を決定した（表-3）．なお，

比較のための普通コンクリ−ト(N)(後述する載荷試

42−1

(2)

42−2 験に使用)の配合も合わせて示す．

超軽量コンクリートの粗骨材，細骨材は全て絶乾状態にして練り混ぜたものである．従って，粗骨材，

細骨材が練り混ぜ時に吸水することを考慮すると, 実質的な水セメント比はおよそ 35%となる．なお, 粗骨材,細骨材の練り混ぜ時の吸水率は,骨材のメーカ推奨値(粗骨材,細骨材とも 5%)としたが,コンクリート密度の実測値と配合設計上の密度はほぼ一致した.

文献 1

比重 _W/C

55%

56.5%

40%

37.5%

約 35%

：N

：AP 本試験

表-3 超軽量コンクリートの配合単位量（kg/m3）

ｹｰｽ

W/C (%)

Air

(%) W C S1 S2 G Ad AP 45.0 5.0 190 422 266 131 465 4.2 Ｎ 56.5 4.5 175 310 831 - 965 3.2 注）G :粗骨材 S1:細骨材 Ad:高性能AE減水剤（AP）

S2 :細骨材(ﾊﾟｰﾗｲﾄ) Ad:AE減水剤(N)

2.4 コンクリートの性状

フレッシュコンクリートの性状を表-4 に，硬化コンクリ−トの性状を表-5 に示す．表-5 より圧縮強度はいずれも目標値(設計基準強度 30N/mm²)を満足している．また，超軽量コンクリートは普通コンクリートに比べ引張，曲げ引張，せん断強度及びヤング率は小さく,一般の軽量コンクリートと同様な結果となった．

表-4 フレッシュコンクリートの性状ｹｰｽｽﾗﾝﾌﾟ

(cm)

空気量 (%)

密度 (kg/m³)

気乾密度^注)

(kg/m³) 備考 AP 19.0 4.6 1530 1490 超軽量ｺﾝｸﾘｰﾄＮ 16.5 4.3 2320 2240 普通ｺﾝｸﾘｰﾄ注)28 日間水中養生後に取出し,2 週間室内に静置後計測．

表-5 硬化コンクリ−トの性状圧縮強度

(N/mm2)

ヤング率 (104N/mm2)

引張強度 (N/mm2)

曲げ引張強度 (N/mm2)

せん断強度 (N/mm2)

ケース

7 日 28 日 28 日 28 日 28 日 28 日 AP 27 36 1.51 2.8

(1/12.9) 4.4 (1/8.2)

4.7 (1/7.7) N 24 34 2.62 3.4

(1/10.0) 7.2 (1/4.7)

6.9 (1/4.9) 注)括弧内は，圧縮強度(材令 28 日)に対する比率を示す．

2.5 超軽量コンクリートの耐久性試験結果 (1)促進中性化試験結果

促進中性化試験を行った．試験は促進試験槽（温度 20℃，炭酸ガス濃度 5％）内に試験体（10cmφ×

20cm）を保存し，３カ月経過後，試験体を半割れにして直ちに中性化深さを計測した．結果を表-6 に示す．

普通コンクリートに比較して，超軽量コンクリートの中性化深さは非常に小さい．これは, 普通コンクリートの水セメント比(56.5%)に比較して，超軽量コンクリートの水セメント比(実質水セメント比約 35％)が小さく，セメントマトリクスが非常に緻密なためと考えら

れる．

表-6 促進中性化試験結果ケース中性化深さ(mm) AP（超軽量ｺﾝｸﾘｰﾄ） 1 以下

N（普通ｺﾝｸﾘｰﾄ） 14.2

(2)塩化物イオン浸透試験

電気泳動法による促進透過性試験を行った．試験は，拡散セル(容量 1 ﾘｯﾄﾙ，正極側 0.3N の NaOH 溶液，負極側 3%の NaCl 溶液)の中央に配置した試験体(10cmφ×3cm 厚のコンクリート)に直流電圧を負荷し，負極側から正極側へ移動した塩化物イオン濃度を,原則として１日おきに２週間程度計測した．

試験結果を図-1 に示す．超軽量コンクリート (AP)の方が普通コンクリ−ト(N)と比較して，塩化物イオン濃度が非常に小さくなった．これは前述のとおり水セメント比の違いによるものと考えられ，

文献 1)に示された結果からも，このことが裏付けられるものと考えられる．

水セメント比が異なるため単純な比較はできないが，強度を同程度に確保すれば超軽量コンクリートも普通コンクリ−トと同等以上の耐久性の性能を確保できるものと考えられる。

図-1 塩化物イオン濃度計測結果

(3)透水試験

窒素ガスを用いた加圧透水試験機を用いて促進試験を行った．試験体は 15cmφ×30cm とし，圧力容器内に設置して加圧水を作用させた．加圧水の圧力は 1.5MPa として 48 時間作用させた後，試験体を取り出し，直ちに半割にして水の浸透深さから透水係数を算出した．

試験結果を表-7 に示す．透水係数も他の試験結果と同様に，水セメント比の小さい超軽量コンクリート(AP)が普通コンクリート(N)に比較して非常に小さくなった．

表-7 透水試験結果ケース平均浸透

深さ(cm)

透水係数

(x10-4cm2／s) 備考 AP 1.2 9.6 W/C=約 35%

N 3.6 46.3 W/C=56.5%

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42−3

3. 鋼･コンクリートハイブリッド梁の載荷試験

3.1 試験概要

超軽量コンクリートを使用した鋼・コンクリ−トハイブリッド(RCH)梁の載荷試験を行い，耐力の確認を行った．模型は浮桟橋の側壁及び底版を想定し，

部分的に取り出した実物大梁模型とした．模型の概要を図-2 に示す．模型 1 と２の違いは,軸方向の鉄筋量である．

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0 5 10 15 20 25

変位 (mm)

荷重 (KN)

AP-T1

N-T1

0 5 10 15 20 25 30 35 40

0 10 20 30 40 50 60 70

変位 (mm)

荷重 (KN)

AP-C2 AP-C1

N-C1

模型 1:鉄筋 a=D16(SD295A)，鉄筋 b=D16(SD295A) 模型 2:鉄筋 a=D10(SD295A)，鉄筋 b=D16(SD295A)

図-2 試験模型（単位：mm）

(2)試験ケース

試験ケースは模型の種類(模型 1,2)，載荷方向の組み合わせにより表-8 の 5 ケースとした．なお，

載荷方向は浮体側壁の一般部(内部補剛材間の正曲げを受ける部分)及び内部補剛材部(内部補剛材で支持され,負曲げを受ける部分)をそれぞれ想定したものである．

一般部：正曲げ載荷（鋼板引張,図-3(a) 補剛材部：負曲げ載荷（鋼板圧縮,図-3(b)

各模型とも両端単純支持の 2 点載荷(4 点曲げ)とし，載荷は漸増載荷とした．

図-3 試験模型表-8 試験ケース

ケース模型

の種類

圧縮強度 (N/mm²)

ヤング率 (10⁴N/mm²)

材令

（日) AP-T1 模型１ 36.6 1.51 42 正曲げ

ｼﾘｰｽﾞ N-T1 模型１ 35.2 2.63 45 AP-C1 模型 1 36.6 1.51 42 N-C1 模型 1 35.2 2.63 45 負曲げ

ｼﾘｰｽﾞ

AP-C2 模型２ 36.6 1.51 42

(3)載荷試験結果概要

表-9 に最大荷重，破壊形態を図-4，図-5 に各シリーズの荷重と変位の関係を示す．ひび割れの発生経過は,正曲げシリーズ，負曲げシリーズともほぼ同様で，

まず，スパン中央付近に曲げひび割れが生じ，荷重を増大していくにつれ，ひび割れが進展あるいはほぼスタッド位置に新たなひび割れを生じ，最終的にはせん断破壊を生じた．超軽量コンクリートを使用したケースと普通コンクリートを使用したケースの違いはほとんど無く,鋼板が引張となる正曲げのケースでは,普通コンクリートを使用したものより,耐荷力,変形性能とも優れていると言える.

ｺﾝｸﾘｰﾄｽﾀｯﾄﾞφ16x50L 鉄筋 a 鉄筋ｂ

図-4 荷重と変位の関係（正曲げシリーズ）

図-5 荷重と変位の関係（負曲げシリーズ）

表-9 各ケースの最大荷重,破壊の状況ｹｰｽ載荷

方向

ひび割れ荷重(kN)

最大荷重

(kN) 破壊形態 AP-T1 正曲

げ 42 86.5 引張鉄筋降伏前にせん断破壊 N-T1 正曲

げ 35 77.2 せん断破壊 AP-C1 負曲

げ 3 29.8 引張鉄筋降伏後,せん断破壊

N-C1 負曲

AP-C2 負曲

4. 超軽量コンクリートを使用した RCH 浮桟橋の実施例

(a)正曲げ載荷（鋼板引張）

300

(b)負曲げ載荷（鋼板圧縮）

300

2000 100

100

100 50 50

250 150

80 150

10@200=2000 100 ⁶

鋼板 6t

2200

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4.1 浮桟橋概要

超軽量コンクリートを使用した RCH 浮桟橋を紹介する.本浮桟橋は,平成 15 年度工事で竣工し,写真-1 に示すように熊本港に設置されている。浮桟橋諸元を表-10 に示す。

表-10 RCH 浮桟橋諸元

長さ 30m

幅 5m

高さ 2.7m 乾舷 1.6m

4.2 超軽量コンクリート使用の利点

超軽量コンクリートを浮桟橋に使用することで, 次のような利点がある.

(1)経済性向上

軽量化により,浮体の喫水の低減がはかれる(図- 6).

(a)普通ｺﾝｸﾘｰﾄ使用 (b) 超軽量ｺﾝｸﾘｰﾄ使用図-6 浮桟橋断面の比較

(2)ライフサイクルコストの低減

軽量化により海水面下の浮桟橋の高さ(吃水)が小さくなり,係留外力が減少し係留系の維持管理費が低減する.また今回の配合のコンクリート材料の耐久性にも優れており補修期間の長期間化が図れる。

(3)バリアフリーへの貢献

乾舷(海水面から浮体天端までの高さ)を大きくでき (排水量を一定とした場合),浮桟橋と陸地をつなぐ連絡橋(渡り橋)の勾配を緩やかにすることができる.このため連絡橋での走行、歩行が容易となる。

4.3 超軽量コンクリートの施工

本超軽量コンクリートは,骨材を絶乾状態で使用しており,ポンプ圧送ができない。このため,施工にあたっては,バケットを使用して打設を行った.今後大量にコンクリートを打設する場合などでは配合などの見直しが必要である。

5．まとめ

(1)比重 1.5 程度,圧縮強度 35N/mm²程度の超軽量コンクリートの中性化,透水性及び塩化物浸透性の特性は,ほ

写真-1 供用中の RCH 浮桟橋

ぼ同程度の強度を有する普通コンクリ−トに比較して,非常に優れた性状を示した．超軽量コンクリートでは,骨材の脆弱さをカバーするために水セメント比を小さくしてセメントマトリクスの強度を上げており,組織が緻密になったためと考えられる．

(2)超軽量コンクリートを使用した RCH 梁は,同等の強度を有する普通コンクリ−トを使用した同構造の梁と比較して,同等以上の変形性能,耐荷力を示した.

謝辞:本研究は日本財団の助成を受け,(財)沿岸開発

技術研究センター内に設置された「超軽量コンクリート等による浮体構造物の研究委員会（委員長：早稲田大学清宮教授）」のもと実施した研究成果を一部とりまとめたものである．研究に際しては委員会によるご指導・ご助言を頂いた．関係各位に厚く御礼申し上げます．

参考文献

1)沿岸開発技術研究センター：浮体構造物技術マニュアル、平成 3 年 3 月

2) 沿岸開発技術研究センター：超軽量コンクリートを使用した RC ハイブリッド浮体構造物の設計・

施工マニュアル,平成 14 年 3 月

3) 沿岸開発技術研究センター：平成１２年度超軽量コンクリート等による浮体構造物の研究、平成１３年度３月

4)横田弘他：高性能軽量コンクリ−トによる港湾構造物建造に関する考察，軽量コンクリ−トの性能の多様化と利用の拡大に関するシンポジウム論文集，

日本コンクリ−ト工学協会,2000.8.

Study on the Floating Structure with Super Light-weight Concrete

Osamu KIYOMIYA,Kazuyoshi KIHARA,Tsutomu MAEKAWA and Kazumi TAMURA

For the development of a steel/concrete hybrid floating structure using super light-weight concrete, durability tests and loading tests were carried out. This paper presents the high durability of super-light- weight concrete and high load resistance of the steel/super light-weight concrete hybrid beams by static loading test . Finally an example of the floating structure using super light-weight concrete is presented.

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