中流動コンクリートの流動性状に関する基礎的研究 [ PDF

全文

(1)中流動コンクリートの流動性状に関する基礎的研究. 松藤・小山・山口研究室. 河村. 裕隆. る液相の膜，すなわち，余剰モルタル膜厚は流動性に. 1. はじめに中流動コンクリートは流動性に優れ，軽微な振動締. 寄与することのない付着モルタル膜厚と流動性に寄与. 固めにより型枠に充填可能なコンクリートである．高. する余剰のモルタル膜厚から成り，以下の式（1）で. 流動コンクリートとは異なり，粉体使用量をできるだ. 表される．. け抑えて低コストで上記の性能の実現を図るため，材. !e $ ! #. 料分離を生じない範囲でいかに流動性を得るかが重要. M e´ "e g´ !V g´ S g´ !V g´. （1）. ここで，!e ：余剰モルタル膜厚（mm）. となる．. ! ：付着モルタル膜厚（mm）. 松藤らは，流動性の検討を行うため，コンクリートを「モルタルが付着した粗骨材」と「粗骨材に付着し. Me´：付着モルタルを除いた. ていないモルタル」の二相材料として捉え，コンクリ. モルタル体積（mm3）. ートの流動性に大きく影響を与えているのは全モルタ. eg´：モルタル付着粗骨材の間隙比. ルから粗骨材の間隙を満たすモルタルおよび粗骨材に. Vg´：モルタル付着粗骨材の体積（mm3）. 付着するモルタル(以下，付着モルタル)を除く余剰の. Sg´：モルタル付着粗骨材の. モルタルであることを実験的に明らかにしている 1)．. 体積比表面積（mm2/mm3）. 本研究では，既往の研究成果をもとにコンクリート. 3.2 理論上の余剰モルタル膜厚とコンクリートの降伏値. およびモルタルの流動性状を推定することを目的とし，. 理論上の余剰モルタル膜厚とコンクリートの降伏. まず，固相および液相から成る二相材料モデルに関し. 値の関係を図 2に示す．スランプで流動性を評価でき. て仮定を設け，モルタルの物性に基づいたコンクリー. るコンクリートの降伏値は式（2）で表される 2)．. トの流動性推定モデルの構築を試みた．また，モルタ. #c $. ルを構成する粒子表面に形成される水膜厚さとモルタ. " c %30 " sl .&. （2）. 2. ここで，τc：コンクリートの降伏値（Pa）. ルの降伏値との関係について検討を行い，本モデルの妥当性を示した．. 流動性に寄与しない余剰の液相の膜. 間隙を満たす液相. 2. 二相材料モデルの流動性状に関する仮定. 流動性に寄与する余剰の液相の膜. 固相. 本研究では，コンクリートおよびモルタルを各々，固相および液相から成る二相材料モデルとして考える．本仮定の概念図を図 1に示す．まず，固相間の間隙を液相が満たし，しだいに固相表面に余剰となる液相の膜が形成されるが，このとき，固相間の摩擦，かみ. 流動しない. 合い等により，一定の膜が形成されるまで流動は開始. 流動性向上. 流動開始. 図 1 二相材料モデルの流動性状に関する仮定 τc：コンクリートの降伏値. しない．その後は，流動に寄与する余剰の液相の膜が厚くなるにつれ，流動性は向上していく．. a. b（ δ，15ρc）. 15ρc. 3. コンクリートの流動性状に関する実験. 従来の余剰モルタル膜厚理論付着モルタルを考慮した余剰モルタル膜厚理論. コンクリートを粗骨材(固相)およびモルタル（液相）付着モルタル膜厚. から成る二相材料として捉え，付着モルタルを考慮した余剰モルタル膜厚理論の妥当性を示し，コンクリー τm. トの流動性推定式を提案した． 3.1 付着モルタルを考慮した余剰モルタル膜厚. 0. 本仮定によれば，粗骨材表面に形成される余剰とな. δ. モルタルの降伏値. δe：余剰モルタル膜厚. 図 2 理論上の余剰モルタル膜厚とコンクリートの降伏値の関係. 32-1.

(2) "c：コンクリートの単位容積質量（kg/m3）. ルの降伏値を測定し，その平均値を求め，式（3）よ. sl.：スランプ（cm）. り付着モルタル膜厚を算出した．さらに，式（4）よ. 式（2）より，コンクリートが流動しない降伏値は 15"c. りモルタル付着粗骨材の間隙比を算出し，式（1）か. となる．従来の余剰モルタル膜厚理論は付着モルタル. ら余剰モルタル膜厚を求めた．. を考慮せず，余剰となるモルタルは全て流動性に寄与. 3.4 実験結果および考察. すると考える. 3)ため，図中の. a 点から余剰モルタル膜. 3.4.1 余剰モルタル膜厚とコンクリートの流動性. 厚が厚くなるにつれコンクリートの降伏値は減少し，. 余剰モルタル膜厚とコンクリートの降伏値の関係を. その値はモルタルの降伏値に近づくと推察される．こ. 図 5に示す．図より，付着モルタル膜厚程度の膜厚を. れに対し，付着モルタルを考慮した場合，余剰モルタ. 有するコンクリート A および B は流動せず，それ以上. ル膜厚のうち付着モルタル膜厚に相当する膜厚が形成. の余剰モルタル膜厚以上になって降伏値が減少し，そ. された状態である b 点を経由してコンクリートは流動. の値はモルタルの降伏値に近づく傾向が見られる．こ. を開始すると考えられ，同図中の実線で示される．. の結果は従来の余剰モルタル膜厚理論では説明できず，. 3.3 実験概要. 表 1 使用材料および物性. 3.3.1 使用材料および物性. 材料. 物性. セメント普通ポルトランドセメント. 使用材料および物性を表 1に，コンクリートの調合. 水. を表 2に示す．調合はモルタルの組成を一定とし，粗骨材量を変化させている．. 記号. 密度： 3.15g/cm3 比表面積：3260cm2/g. C. -. W. 上水道水. 細骨材. 長崎県壱岐産海砂. 表乾密度：2.56g/cm3 粗粒率： 2.37. S. 粗骨材. 長崎県西有家町産安山岩砕石表乾密度：2.76g/cm3 粗粒率：6.64. G. 混和剤. 高性能AE減水剤（標準形）. SP. ポリカルボン酸系. 表 2 コンクリートの調合およびフレッシュ性状. 3.3.2 付着モルタル膜厚一個の球に付着するモルタルの質量はモルタルの降伏値に比例する. 種類. 4)ことから，付着モルタ. ル膜厚は式（3）で表される．. # ! $$! m "m. （3）. ここで,!：付着モルタル膜厚(mm). $：実験定数. No.. W s/a W/C %） %）（（ kg/m3）（. 単位質量（ kg/m3） C. S. G. SP （ C×%）. フレッシュ性状 sl．（cm）. "c #c sf．（ cm）（ｋg/m3）（Pa）. A. 134. 27.5. 244. 532. 1512. 0.0. 20.0. 2.39. 35.90. B. 138. 28.7. 252. 549. 1470. 0.0. 20.0. 2.38. 35.74. C. 157. 34.2. 286. 624. 1296. 5.5. 20.0. 2.35. 28.75. D. 168. 37.8. 307. 670. 1188. 13.0. 27.8. 2.33. 19.79. E. 180. 41.7. 328. 716. 1080. 16.5. 29.5. 2.30. 15.55. F. 192. 45.8. 349. 762. 972. 19.5. 41.0. 2.28. 11.97. 55. 0.2. 11.38. ※ No.：調合番号 W/C：水セメント比 s/a：細骨材率 sl.：スランプ sf.：スランプフロー "c：コンクリートの単位容積質量 #c：コンクリートの降伏値 #mave.：ウェットモルタルの降伏値の平均値. 0.3. #m：モルタルの降伏値（Pa） "m：モルタルの単位容積質量(kg/m3) 付着モルタル膜厚： δ（mm）. 0.25. 本実験で使用した粗骨材について，付着モルタル膜厚と #m/"m の関係（図 3）を求めたところ，両者の間に比例関係がみられ，実験定数 $ を 0.039 とすることで付着モルタル膜厚を定式化した． 3.3.3 モルタル付着粗骨材の間隙比. 0.2 0.15 0.1. ! $ 0.039 !. 0.05. r $ 0.88. 本実験で使用した粗骨材について，付着モルタル膜 0. 厚とモルタル付着粗骨材の間隙比の関係（図 4）を求. 0. 1. 2. 3. 4. #m "m. 5. 6. モルタルの性状： τm/ρm(Pa･m3/kg). めたところ，両者の間には粗骨材単味の間隙比を始点. 図 3 モルタルの性状と付着モルタル膜厚の関係. 粗骨材の間隙比を以下の式（4）で近似した．. 0.64. モルタル付着粗骨材の間隙比：eg´. とする直線関係がみられ，本研究では，モルタル付着. 0.66. e g´ $ % ! ! # e g. #mave. （ Pa）. （4）. ここで，eg´：モルタル付着粗骨材の間隙比. eg ：粗骨材単味の間隙比（=0.633） % ：実験定数（=−0.379） 3.3.4 実験方法実験は，まずコンクリートのスランプを測定し，式. 0.62 0.6 0.58 0.56. e g´ $ " 0.379 ! ! # 0.633. 0.54 0.52. （2）を用いてコンクリートの降伏値を算出した．ま. 粗骨材単味モルタル付着粗骨材. r $ 0.99 0. 0.05. 0.1. 0.15. 0.2. 0.25. 付着モルタル膜厚：δ（mm）. た，各々の調合でウェットスクリーニングしたモルタ. 図 4 付着モルタル膜厚とモルタル付着粗骨材の間隙比の関係. 32-2.

(3) 付着モルタルを考慮した余剰モルタル膜厚理論はコン. すなわち，粒子表面に形成される水膜厚さは全て流動. クリートの流動性の評価に有効であると考えられる．. 性に寄与するものとして算出した．なお，体積比表面. 3.4.2 コンクリートの流動性の推定. 積は，細骨材についてはふるいわけ試験結果，粉体は. 図 5で得られた結果から余剰モルタル膜厚とコンク. ブレーン値より算出した．. リートの降伏値の関係を示す近似式（5）を求めた．. 4.3 実験結果および考察 4.3.1 モルタルの降伏値とフロー. 1. モルタルの降伏値とフローの関係を図 7に示す．両. （5）. 者の間には直線的な相関関係があることが知られてお. ここで，τc：コンクリートの降伏値（Pa）. り. &：実験定数（=35.485）. 5)，本実験でも同様の結果が得られた．また，タッ. ピング前のフローと降伏値の関係から，本実験におい 45. "c：コンクリートの単位容積質量（kg/m3）. 40 コンクリートの降伏値： τc（ Pa）. !e：余剰モルタル膜厚（mm） #m：モルタルの降伏値（Pa） !：付着モルタル膜厚（mm）式（5）および式（2）を用いて計算したスランプと実験値との比較を図 6 に示す．図より，スランプ 15cm 程度以上の軟練りコンクリートでは式（5）を用いて. A. 35. 付着モルタル膜厚：δ=0.2236（mm）. ,! )! # c $ & + e %15 " c " # m &( # # m *& '. 30 25 20 15 10. 流動性を推定できることがわかる．. 5. 4. モルタルの流動性状に関する実験. 0. B C D E F. モルタルの降伏値： τ m=11.384（Pa）. 0.2. 0.4. 0.6. 0.8. 1. 1.2. 1.4. 1.6. 余剰モルタル膜厚：δe（ mm）. モルタルを固体粒子（固相）および水（液相）から. 図 5 余剰モルタル膜厚とコンクリートの降伏値の関係. 成る二相材料として捉え，粒子間の相互干渉を考慮し. 30. た水膜厚さと降伏値の関係について検討を行った．. 25. 4.1 粒子表面に形成される水膜厚さ本仮定によると，コンクリートの場合と同様に，モ. 実験値（ cm）. 20. ルタルを構成する粒子表面に形成される水膜厚さは，モルタルの流動性に寄与しない水膜厚さと流動性に寄. 10. 与する水膜厚さの和として式（6）で表される．. !p $ !m #. W p " e p ! -V pi - %S pi !V pi &. 15. （6）. Y $X. 5. r $ 0.81. ここで，!p：水膜厚さ（m）. 0. 0. 5. 10. !m：流動性に寄与しない水膜厚さ（m）. 15. 20. 25. 30. 計算値（ cm）. 図 6 スランプの計算値と実験値の比較表 3 使用材料および物性. Wp：流動性に寄与しない水量を除く全水量（m3）. 材料. ep：!m を持つモルタル構成粒子の混合間隙比. 混和材. Vpi：!m を持つ i 粒子の体積（m3）. 種類. 高炉スラグ微粉末. 3940cm2/g 2.91g/cm3 比表面積：密度：. B. 石粉. 2.75g/cm3 比表面積： 1200cm2/g 密度：. Gp. N N-10 N-20 FA- 3 FA- 6 FA-10 FA-15 B-3 B-6 B-10 B-15 Gp-3 Gp-6 Gp-10 Gp-15. モルタルの使用材料は表 1で示したセメントおよび細骨材に加え，表 3に示す粉体系混和材を用いた．モルタルの基準調合を表 4に示す． 4.2.2 実験方法実験は，基準調合に対して水量を増減させることでモルタルの性状を変化させ，降伏値およびフローを測定した．また，水膜厚さは式（6）において，仮に，!m=0，. W 3. （kg/m ）（%）. 180. 3. W/C. 55. 単位質量（kg/m ） C. S. 328. 716 787 859 694 673 644 608 694 673 644 608 694 673 644 608. P（FA,B,Gp）. 3. 20 40 66 99 24 49 81 122 23 46 77 115. 2. 3. 単位表面積（×10 m /m ） C. S. 106.93. 3.93 4.32 4.71 3.81 3.69 3.54 3.34 3.81 3.69 3.54 3.34 3.81 3.69 3.54 3.34. −. ※ No.：調合番号 W/C：水セメント比 s/a：細骨材率. 32-3. FA. 表 4 モルタルの基準調合 No.. 4.2.1 使用材料および物性. 記号. 3830cm2/g 2.36g/cm3 比表面積：密度：. Spi：!m を持つ i 粒子の体積比表面積（m2/ m3） 4.2 実験概要. 物性. 石炭灰（細粉）. P（FA,B,Gp） − 7.58 15.16 25.27 37.90 9.62 19.23 32.05 48.08 2.77 5.54 9.23 13.84.

(4) てモルタルが流動を開始する降伏値は 14Pa 前後であ. び 6%外割置換した場合の水膜厚さとモルタルの降伏. ると推測される．. 値の関係を図 8および図 9に示す．両図より，水膜厚. 4.3.2 水膜厚さとモルタルの降伏値. さが大きくなるにつれ降伏値は小さくなる．また，水. 基準調合 N の細骨材に対して，各混和材を 3%およ. 膜厚さが薄くなるにつれ，構成粒子の種類および存在割合により同一水膜厚さでも降伏値に差が生じ，いず. 300 N N-SP FA B Gp. モルタルのフロー： F （mm）. タッピング有り 250. れの調合においても流動性に寄与しない水膜厚さ !m が存在する．図中には，FA ペーストの水膜厚さと降伏値の関係も併せて記しているが，FA ペーストは水膜厚さがほぼ 0 となる点から流動が開始する．これは. 200. FA の形状が球形に近いため，粒子間の相互干渉が生 150. じ難く，水膜厚さの形成とともに流動が開始するためであると考えられる．. タッピング無し 100. 4. 6. 8. 10. 12. 14. 基準調合 N に対して，混和剤を 0.4%および 0.6%添. 16. モルタルの降伏値：τ m（Pa）. 加した場合の水膜厚さとモルタルの降伏値の関係を図. 図 7 モルタルの降伏値とフローの関係. 10に示す．図より，混和剤添加率が大きくなるにつれ，. 20. モルタルの降伏値は小さくなる傾向が見られる．また，. 降伏値： τm（Pa）. きくなるにつれ薄くなる．また，混和剤は水量を抑え. N FA B Gp FAペースト. 10. て添加するほどその効果を期待できるといえる． 5. まとめ本研究で得られた結果を以下に示す．. δm（mm）. 5. 0. 流動性に寄与しない水膜厚さ !m は，混和剤添加率が大. モルタルのフロー（タッピング無し）： F0≒100（mm）. 15. 0. 1) コンクリートおよびモルタルの流動性状は各々を固相，液相から成る二相材料として捉え，固相間の 0.2. 0.4. 0.6. 0.8. 1. 間隙を満たす液相，流動性に寄与しない余剰の液相. 水膜厚さ：δp（ μm）. の膜および流動性に寄与する余剰の液相の膜を用. 図 8 水膜厚さとモルタルの降伏値の関係（外割置換率 3%） 20. いて説明できる．. 降伏値： τm（Pa）. コンクリートの流動性を推定できる．. N FA B Gp FAペースト. 10. 3) 流動性に寄与しない水膜厚さは，モルタルを構成する粒子の種類および存在割合により異なる． 4) 流動性に寄与しない水膜厚さは，混和剤添加率が大. δm（mm）. 5. 0. 2) 付着モルタルを考慮した余剰モルタル膜厚により. モルタルのフロー（タッピング無し）： F0≒100（mm）. 15. 0. きくなるにつれて薄くなる． 5) 混和剤は水量を抑えて添加するほどその効果を期. 0.2. 0.4 0.6 水膜厚さ：δp（ μm）. 0.8. 1. 待できる．【参考文献】. 図 9 水膜厚さとモルタルの降伏値の関係（外割置換率 6%） 20. 1) 松藤泰典他：「中流動コンクリートに関する基礎的研究」，日本建築学会大会学術講演梗概集，2003 モルタルのフロー（タッピング無し）： F0≒100（mm）. 2) 松藤泰典：「材料施工学講座」，2001. N N-SP(0.4%) N-SP(0.6%). 3) 友澤史紀他：「余剰モルタル膜厚によるコンクリート. 10. のレオロジー特性評価」，日本建築学会大会学術講演梗概集，1998. δm（mm）. 降伏値： τm（Pa）. 15. 5. 4) 名和豊春他：「モンテカルロ法を用いた高流動コンクリートの限界粗骨材量推定法」，土木学会論文集，2001. 0. 0. 0.1. 0.2. 0.3. 0.4. 0.5. 0.6. 0.7. 5) 水口裕之他：「フレッシュモルタルのレオロジー定数. 0.8. 水膜厚さ：δp（μm）. の測定法」，セメント技術年報，1974. 図 10 水膜厚さとモルタルの降伏値の関係（混和剤添加時）. 32-4.

(5)