関す る実験 的研究
徳 橋 一 樹
要 旨
現在 ,コ ンク リー ト構造物 に要求 され る性能 は益々複雑かつ多様化 して きてお り ,そ れに対応す るために構造物 の長寿命化や高耐久性化 ,施 工 の合理化 を目的 とした高流動化 ,維 持管理 コス トや ライフサイクル コス トの削減 などコンク リー トの高性能化 を図 ることが強 く望 まれている。また ,こ れか らの建設事業 の発展 を考 えると ,高 性能化 した コンク リー トを一般 的な もの として積極 的 に 使 っていかなければな らない状況 にあるといえ ,コ ンクリー トの高性能化 を図 るための研究や技術 開発が極 めて重要であると考 えられ る。
特 に近年 ,鉄 筋 コンク リー トエ事 に携わ る技能労働者の減少や高齢化が進み ,工 事の工程や竣工 した建築物の品質 に重大 な影響 を及 ぼす ようになって きている。 そして ,コ ンクリー ト構造物 の早 期劣化の原因は ,主 に人手 に頼 るコンク リー トの打込み と締固めの不良にあるの認識か ら , これ ら のコンク リー トエ事 を合理的に実施 して行 くためには ,施 工の省力化お よび自動化が必須条件 とさ れ ,そ のために施工性の良い流動性 の高いコンクリー トに対す る要望が強 くなって きた。
そのような社会的状況 の もと ,「 打込み時に締固め作業が不要な自己充てんコンク リー ト Jの 概念 が提唱 され ,1988年 に世界で初 めて我が国においてが開発 された。その後 ,多 くの研究機関におい てさらなる研究 。 開発が進 め られた。 1998年 には ,土 木学会 よ り 「高流動 コンク リー ト施工指針」が 出版 され るに至 り ,既 に実構造物 にも使用 されている。土木学会「高流動 コンク リー ト施工指針」の 中で ,高 流動 コンク リー トとは ,一 般 に「フレッシュ時の材料分離抵抗性 を損 なうことな く流動性 を高めた コンク リー トである。」と定義 されてい る。通常 ,粉 体系高流動 コンク リー トの適度な材料 分離抵抗性 (粘 性 )は 鉱物質微粉末 な どの粉体材料 によ り付与 され ,そ の極 めて高い流動性 は高性 能 AE減 水斉 Jや 高性能減水剤 により発揮 され ることとなる。 しか しなが ら ,こ の ように多種多様 な 材料 を用い製造 され ,そ の組 み合わせ も複雑である高流動 コンクリー トの配合設計 は ,必 ず しも合 理的な手法が確立 されているとは考 えないのが現状である。 さらに ,現 状の指針では ,自 己充てん 性 を得 ることに配合設計の主眼がおかれてお り ,耐 久設計の概念 は取 り入れ られていない。高流動 コンク リー トは ,通 常のコンクリー トよ りも粘性が増加す ることが報告 されてお り ,特 に練混ぜ時 に粗 い気泡組織が形成 され易 く ,硬 化 コンク リー トの耐久性への悪影響が懸念 され る。
一方 ,近 年良質なコンク リー ト用骨材 の入手が次第 に困難 にな りつつあ り , また産業副産物 な ど を新たな資源 として積極的に利用す ることが強 く要請 されて来ている。 このような社会情勢 を考慮 す ると ,今 後 は ,こ れ まで高流動 コンク リー トヘの使用実績が低い砕砂や金属精錬 スラグ細骨材 な どを有効 に利用 していかなければな らない現状 にあると言 え , このような材料 を土木構造物の施工
学位記番号 と学位 :第 15号 ,博 士
(工学
)授与年月 日 :平 成 14年 3月 20日
授与時の所属 :大 学院工学研究科土木工学専攻博士後期課程
‑249‑
に使用す る機会 は今後益々増加す ると予想 される。
この ような社会的背景 に鑑 み本研究 は ,産 業副産物 も含 めた原材 ,製 造方法及 び物性 の異 なる
,種々の材料 を用いた高流動 コンク リー トの配合特性や耐久性な どの種々の性能 を明 らかにし ,そ の 自己充 てん性が得 られ るメカニズムに立脚 した合理的な配合設計手法 を提案す ることを目的 とした ものである。
本論文 はこれ らの研究成果 をまとめた ものであ り ,全 6章 より構成 され る。
第 1章 は序論であ り ,ま ず 自己充てん型高流動 コンク リー トの研究開発 の現状 について まとめ ,高 流動 コンク リー トに有望な新材料の展望 について論 じている。そして ,本 研究の目的 について述べ た。
第 2章 は ,粉 体系高流動 コンク リー トの自己充てん性 について論 じてい る。産業副産物 をソース とした新材料 も含 め ,特 にスラグ細骨材や石灰岩砕砂 ,比 表面積 の異なる種々の鉱物質微粉末 を用 いた粉体系高流動 コンク リー トの配合特性 を明 らかにしている。 そして ,本 実験で得 られた結果 と 土木学会高流動 コンクリー ト施工指針で示 されている配合の目標値 との比較検討 を行 った。その結 果 ,単 位水量 は施工指針 を満た しているものの ,粉 体絶対容積 ,水 粉体容積比および粗骨材絶対容 積 について , この施工指針の範囲内を満た さないケース もあることが分かった。 これ よ り , このよ
うなスラグ細骨材等 を含 めた新材料 を用いた場合 は ,指 針内の目標値の範囲 を広 げる必要があると 考 えられ る。
第 3章 は ,第 2章 で示 された粉体系高流動 コンク リー トの凝結特性 ,ブ リーディング特性 につい て検討 した。 さらにフレッシュコンク リー トの流動特性 を Bingham流 体 と仮定 しその レオロジー 特性ついて論 じている。粉体系高流動 コンク リー トでは ,ブ リーディングは殆 ど問題 とな らない こ と ,使 用するスラグ細骨材 の種類 により凝結特性 は大 きく異なることを確認 した。また ,コ ンク リー トの単位水量や単位容積質量の影響が主要因 とな り ,銅 スラグ細骨材および高炉 スラグ細骨材 を用 いた場合 は ,フ ェロニ ッケルスラグ細骨材 を用いた場合 と比べ ,塑 性粘度お よび降伏値が低下す る 傾向にあることを明 らかにした。
第 4章 は ,高 流動 コンク リー トの硬化後の品質 ,す なわち力学的特性や乾燥収縮特性 ,自 己収縮
特性 ,中 性化 ,凍 結融解抵抗性 な どの耐久性 について検討 し ,硬 化後の品質特性 について論 じてい る。特 に ,ス ラグ細骨材の混合率の増加 に伴い ,粉 体系高流動 コンク リー トの凍結融解抵抗性 は低 下す る傾向にあることが分かった。 これは ,コ ンク リー トの練混時 に比較的粗 い気泡組織が形成 さ れ易いためである。しか し ,AE剤 を用い適切 な空気泡 を連行 させ ることによ り,ス ラグ細骨材 を単 味で使用 した場合であって も十分な耐凍害性 を確保 で きるもの と考 えられ る。 また ,使 用す る鉱物 質微粉末 によって も高流動 コンク リー トの凍結融解抵抗性 は大 き く異なることか ら ,そ れ らの特性 を十分 に考慮 し用いることが必要である。 そして ,本 実験 に使用 した材料 によ り高流動 コンク リー トに十分 な耐凍害性 を得 るためには,気泡間隔係数 を 300 μ m程 度以下,硬化後 の空気量 を 5%以 上 とす ることが望 ましい値 と思われ る。また ,上 記凍結融解抵抗性以外の硬化 コンクリー トの性質 は
,土木学会高流動 コンク リー ト施工指針 に記述 されてい る特性 とほぼ同様 な傾 向 にある ことを示 し た。
第 5章 は , これ までの研究成果 を踏 まえ粉体系高流動 コンク リー トの配合設計手法 について論 じ
た。粉体系高流動 コンク リー トの自己充てん性 を得 るためのメカニズムは ,粗 骨材 とモルタルの密
度差 に支配 されてお り ,水 粉体容積比や粗骨材絶対容積 など配合設計 を行 う上でキーポイ ン トとな
る因子 は ,そ れ らにより評価で きることを明 らかにした。そして ,粗 骨材 とモルタルの密度差 を指
標 とした新たな配合設計手法の提案 を行 った。
第 6章 は ,本 研究の総括 として結論 を述べてい る。
主指導教員 庄谷 征 美
Experilnental Study on降 笙 ixture PrOpOrtioningム /1ethOd and Performances of Powder― Type Self― Compacting COncrete
KazukI ToKUHASI
Abstract
NoMradays,the perfOrmance required for concrete structures has gOt rnore complicated and diversined. In order to obtain this demand, the development of high― perfOrmance concrete, with either high fluidity and self― compactability to attain ratiOnahzed and labor― saving erects for manufacturing and placing of cOncrete,or high strength or high durabihty securing good serviceability and 10ng service life of cOncrete structures,is eagerly required
The research activity,for sOlving unsettled problems tO get the high performance concrete, is urgently needed ln special, in recent 」apan, the early stage deteriorations of cOncrete structures have been detected in almost aH Of the cOuntry The main causes suFering these deterioratiOns are recognized resulting frOln the man― hand placing and the inadequate consoli‐
dation in the concrete execution. TherefOre,the strOng concern on the development of high performance concrete with high nuidity and little segregation,has come to be paid
From above social and technical requirements, the concept of self― cOmpacting concrete
、 vithout necessity for cOnsondation,was propOsed by professOr Okamura at Tokyo University
、 、 ア ho Firstly developed the prOtO― type self― compacting concrete 1988 After many practical applications, RecoHllnendation for Self― COmpacting Concrete"was publshed by」 SCE in 1998.
In the recommendation,the term̀̀self cOmpacting concrete"is deFined as high nuidity COncrete without impairing the resistibility to segregation in fresh state.
The proper resistance for segregation of pOwder― type self― compacting concrete and high nuidity are exhibited by po、 、 ァ der materials like ■ lineral adHlixtures and high range water reducing agentゥ respectively HOwever, rationahzed mixture proportioning method Of powder― type self― cOmpacting concrete has not yet been achieved, because of the variety in type and plenty of combinations of constituent materials. In addition to it, the concept Of
■ lixture proportioning based on durability but self― compactabinty has not been accepted, though the susceptibility to frost damage is the very important subject due to the possible existence of rough and large air bubbles entrapped in nixing operation
Fronl these back grOunds,nrst of all,the study aimed at the clarincation of perfOrmances of poMrder― type self― compacting concrete. Those are characteristics in rnixture prOportioning and durability,varying dependent On the combination of variOus constituent materials contain‐
ing industrial by― products,the procedure and lnethod fOr production,and the type and amount
of powder adopted, and so on Second,the study alsO aimed at the prOpOsal of rationahzed
mixture proportioning method Of po、 vder― type self― compacting concrete,based on the mecha‐
nism governing the self― compactability ln the doctorial thesis,these results were described in the following six chapters.
In chapter l̀̀Introduction",the state―
of―the―art of the research and technical development On self― compacting concrete、 vas stated,and the prospect of ne、 v source of rnaterials pronlising for self― corapacting concrete、
'、ア as also referre
ln chapter 2 ̀̀Self― Compactability of PoMrder― Type Self― Compacting Concrete",the self
―C0111paCtability of powder― type high nuidity concrete was described The characteristics of mixture proportioning of the concretes, having new source of aggregates such as slag ine aggregates of industrial by― products discharged in the rennery process of metals, including inexperienced crushed sands and direrent type of mineral ane pOWders、 、 ア ith direrent level of specinc surface area,、 vere investigated Results sho、、 ア ed that there existed some cases shottπ ‐ ing not conforming to target range or regulated values in JSCE recomenndations such as absolute volume of powder, water to po、 、 ア der volume ratio and absolute volume of coarse aggregates. Therefore,some target ranges in the reco■ llnendation were iudged to be necessar‐
ily extended when new types of rnaterials、 キ rere adopted.
In chapter 3̀̀Fresh Properties of Po、
1、ア der― Type Self― Compacting Concrete",the perfor‐
mances of freshly πlixed powder― type self― compacting concrete such as properties for setting and bleeding were investigated ln addition,the rheological constants of plastic viscosity and yielding value、 vere discussed when the BinghaHi nuid was adapted for the concrete nowr. The viscosity and yielding values of concretes with copper slag and blast― furnace slag ine aggre‐
gates iowered with the increase of volume fraction of slag lt was also made clear that there
sho、
ved little bleeding water and that the setting properties greatly changed depending on the type of slag Fine aggregates.
In chapter 4 ̀̀IIardened Properties of PoⅥ
rder―Type Self― Compacting Concrete", the properties of hardened concretes such as mechanical properties, autogeneous and drying shrinkage properties,、 vater tightness,neutrahzation and freezing and tha、 ハ /ing resistance ln special, the freezing and thawing resistance of po、 vder― type self― compacting concrete was conarmed being lowered ttrith the increase of volume fraction of slag fine aggregates rnixed to normal ane aggregates. It 、 vas made clear that this deteriOration 、 vas due to the possibly easier formation of many entrapped large air bllbbles in the process of■ lixing of concrete.
Conclusively,the required amount of air and spacing factor were recognized appropriate for
50/。 and less than 300 μin, respectively, in order to attain satisfactory frost resistance of powder― type self― compacting concrete
ln chapter 5 h/1ixture Proportioning ふ/1ethod for Powder― Type Self― Compacting Con‐
crete",the■ lixture proportining inethod of po、 、 ア
der―type self― compacting concrete was discus‐
sed fronl the results previously investigated. The mechanisni to attain self― compactability of
po、
