(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐火性を有するトンネル覆工用のセグメントの製造方法であって、
水酸化カルシウムを含有しない程度にポゾランを含有するコンクリート材、又は前記ポゾランを含有しないコンクリート材のうち、何れか一方のコンクリート材をセグメント型枠に打設し、該打設したコンクリート材が半固結状態になった後で、かつ、前記一方のコンクリート材を打設した後、６０分以内に、他方のコンクリート材を、前記打設したコンクリート材と一体になるように打設するコンクリート打設工程と、
前記セグメント型枠に打設された前記両コンクリート材を所定時間養生して固化させる養生固化工程とを含むことを特徴とする耐火セグメントの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネル内空間を狭めることなく施工でき、簡便かつ安価に製造できる耐火セグメントの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来よりトンネル内で火災等が発生した場合に、トンネルを覆工するコンクリートセグメントがその熱によって劣化することが知られている。これはコンクリートに含有される水酸化カルシウムが高温になると熱分解して生石灰になり、生石灰がコンクリート内で水分を吸収して膨張し、その膨張圧によりコンクリートにき裂を生じさせるためである。
【０００３】
これに対し、例えば特許文献１〜３には耐火セグメントに係る技術が開示されている。  
特許文献１には、アルミナセメントを材料とする耐火コンクリート層が、セグメント本体と一体となるようにして形成されたコンクリートセグメントが開示されている。  
また、特許文献２には、断熱材を金属板で覆った耐火パネルを、トンネルの一次覆工体として設置されたセグメントの内周面に設置する技術が開示されている。  
また、特許文献３には、発泡骨材を配合したモルタルや、空隙を多く含むモルタル等の断熱性を有する被覆層を一体となるように積層したセグメントが開示されている。
【特許文献１】特開２００２−１９４９９６号公報
【特許文献２】特開２００２−２０１８９６号公報
【特許文献３】特開２００４−３２８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示されるコンクリートセグメントでは、耐火コンクリート層に用いられるアルミナセメントの凝結速度が、コンクリートセグメントの本体を構成する汎用セメント（例えば、普通ポルトランドセメント）よりも早い。したがって、アルミナセメントと汎用セメントとが一体化するように凝結させるためには、アルミナセメントの凝結速度を遅延させる混和剤を配合する必要があり、材料コストが嵩む。また、アルミナセメントの凝結速度は、温度や湿度によっても大きく変動するため、凝結速度のコントロールが困難である。
【０００５】
また、上記アルミナセメントを用いた耐火コンクリート層を備えるセグメントを構築したとしても、長期間使用するにつれて耐火コンクリート層からセグメント本体のコンクリートに水和物が転移し、セグメント本体のコンクリートの強度が低下することがある。
【０００６】
さらに、アルミナセメントは、他の一般的なセメントに比べて高価なため施工コストが嵩むうえに、材料の状態では風化しやすく、貯蔵する環境に留意する必要があり、管理に手間を要する。
【０００７】
また、特許文献２に開示されるコンクリートセグメントでは、耐火パネルをセグメントに設置するために、ボルト等の固定具を用いて固定しなければならず、なんらかの理由でボルトが破損した場合には、耐火パネルがトンネル内の空間に脱落してしまう。また、耐火パネルの厚みによりトンネル内空間が縮小してしまう。
【０００８】
また、特許文献３に開示されるコンクリートセグメントでは、発泡骨材を配合したモルタルや空隙を多く含むモルタルからなる被覆層の強度が、セグメント本体のコンクリートと比べて小さいことから、その被覆層と一体となったセグメントの厚さは、コンクリートのみからなるセグメントの厚さよりも大きくなり、やはりトンネル内空間が縮小してしまう。
【０００９】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、簡便かつ安価に製造でき、トンネル内空間を狭めることなくトンネルを覆工することが可能な耐火セグメント及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するため、本発明は、耐火性を有するトンネル覆工用のセグメントの製造方法であって、水酸化カルシウムを含有しない程度にポゾランを含有するコンクリート材、又は前記ポゾランを含有しないコンクリート材のうち、何れか一方のコンクリート材をセグメント型枠に打設し、該打設したコンクリート材が半固結状態になった後で、かつ、前記一方のコンクリート材を打設した後、６０分以内に、他方のコンクリート材を、前記打設したコンクリート材と一体になるように打設するコンクリート打設工程と、前記セグメント型枠に打設された前記両コンクリート材を所定時間養生して固化させる養生固化工程とを含むことを特徴とする。
【００２３】
本発明のセグメントの製造方法によれば、ポゾラン反応により、水酸化カルシウムを含有せず耐火性を有するコンクリート層を備えるセグメントを、簡便かつ安価に製造することができる。 
また、先に打設した一方のコンクリート材を打設し、該打設したコンクリート材が半固結状態になった後で、かつ、前記一方のコンクリート材を打設した後、６０分以内に、他方のコンクリート材を先に打設したコンクリート材と一体になるように打設することにより、表層のポゾランを含有するコンクリートと、表層以外のポゾランを含有しないコンクリートとを、確実に一体化させることができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、簡便かつ安価に製造でき、トンネル内空間を狭めることなくトンネルを覆工することが可能な耐火セグメント及びその製造方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の好ましい一実施形態について図面に基づき詳細に説明する。  
図１は、本実施形態に係る耐火セグメント１０の断面図である。
【００２６】
図１に示すように、耐火セグメント１０は、トンネル内空間側（同図中では下側）の表層を構成する、水酸化カルシウムを含有しないコンクリート層（以下、耐火コンクリート層２０という）と、耐火コンクリート層２０の背部を構成する通常のコンクリート層（以下、非耐火コンクリート層３０という）とが一体となるように形成したものである。なお、同図において、耐火セグメント１０中に配される鉄筋等の表示は省略している。
【００２７】
耐火コンクリート層２０及び非耐火コンクリート層３０は、セメント、混和材、骨材、水、及びその他添加材により構成されている。ただし、耐火コンクリート層２０には、セメント中の水酸化カルシウムを消失させるために、混和材の中にポゾランが配合されている。
【００２８】
ここで、耐火コンクリート層２０にポゾランを配合したのは、以下の理由による。すなわち、一般的な工事や構造物で構築されるコンクリートに用いられるセメント（例えば、普通ポルトランドセメント等）は、加熱によりコンクリートを劣化させる原因となる水酸化カルシウムを含有している。このセメントに所定の比率でポゾランを配合すると、セメント中の水酸化カルシウムがポゾランと化学反応して珪酸カルシウムになり、水酸化カルシウムが消失する。このように、ポゾランを配合することで、簡便に水酸化カルシウムを消失させることができるため、耐火コンクリート層２０にポゾランを配合したのである。
【００２９】
ポゾランの配合比率は、ポゾランの占める重量がセメントと混和材との合計重量の６０〜８０％となるようにする。これは、セメント中の水酸化カルシウムを消失させるために、少なくとも６０重量％以上配合する必要があること（本出願人の特許２９４１２６９号公報に記載）、また、ポゾランの配合比率が増加するとコンクリートの圧縮強度が低下するが、配合比率が８０重量％までであればセグメントとしての必要な圧縮強度が得られていることによる（発明者ら発表による学会予稿集に記載（Development of low alkaline cement considering pozzolanic reaction for support system in HLW repository construction, M.Nakayama, K.Iriya, A.Fujishima, M.Mihara, K.Hatanaka, Y.Kurihara and M.Yui, Proceedings of Materials Research Society Symposium, Vol.932 , p.159-166(2006)）。
【００３０】
ポゾランとしては、シリコン合金を製造する際の副産物であるシリカヒュームと、微細な石炭灰であるフライアッシュとを混合したものを用いる。
【００３１】
シリカヒュームの配合比率は、シリカヒュームの重量がセメントと混和材との合計重量の１０〜２０％となるようにする。これは、シリカヒュームを少なくとも１０重量％配合していればコンクリートセグメントの初期強度（材齢一週間以内の圧縮強度）が基準を満たすこと、そして施工に必要な流動性を確保するために２０重量％以上配合できないことによる。また、ポゾランのうちシリカヒュームを除いた残部をフライアッシュとする。
【００３２】
なお、コンクリート材にこれらポゾラン材料を配合しても、その凝結速度は特段変化しない。
【００３３】
また、その他ポゾラン以外の混和材として、高炉で銑鉄を製造するときに生ずるノロ（スラグ）を急冷した高炉スラグを用いてもよい。具体的には、このようなセメント及び混和材の配合比率として、セメント及び混和材の合計重量１００に対し、普通ポルトランドセメントの重量を２０、シリカヒュームの重量を２０、高炉スラグの重量を３０、フライアッシュの重量を３０とすることができる。
【００３４】
また、添加材として耐火コンクリート層２０にポリプロピレンを添加することが好ましい。ポリプロピレンは、火災時にコンクリート中で消失することにより、コンクリート内部に空隙が生じ、この空隙がコンクリートの中の水みちとなることから、コンクリート内部における水分の膨張を回避し、より一層確実にコンクリートの熱による劣化を防止する。
【００３５】
耐火コンクリート層２０は、トンネル空間内で火災等が発生した場合に、その熱が耐火コンクリート層２０の表面から非耐火コンクリート層３０まで伝導しても、非耐火コンクリート層３０に熱による損傷が生ずることのないような厚みに構成される。
【００３６】
具体的には、耐火コンクリート層２０の厚さは、耐火コンクリート層２０の表面にＲＡＢＴ曲線による加熱条件で熱を与えた場合に、耐火コンクリート層２０と非耐火コンクリート層３０との境界面における温度が、３５０℃以下になるように設定される。なお、３５０℃以下は、コンクリートが耐力低下を起さないとされている温度である。また、ＲＡＢＴ曲線とは、ドイツ連邦共和国の「道路トンネルの設備と運用に関する規制」の中で規定される耐火性能試験における温度履歴を示す曲線である。
【００３７】
図２は、ＲＡＢＴ曲線を示すグラフである。図２に示すように、ＲＡＢＴ曲線は、先ず試験開始から５分間で、時間と比例しながら１２００℃まで加熱し、その後開始から６０分までその温度を維持し、さらにその後開始から１７０分まで時間と比例しながら試験開始時の温度まで冷却するような温度履歴を示す。
【００３８】
実際にＲＡＢＴ曲線による加熱条件に基づく耐火コンクリート層２０の厚さを検討するための試験を行ったので、その詳細結果について説明する。
【００３９】
図３は、耐火コンクリート層２０の厚さを検討するための試験に用いた試験体の概要を示す概要図である。
【００４０】
図３に示すように、コンクリートセグメントを模擬した幅４７００ｍｍ×奥行８００ｍｍ×高さ５００ｍｍの試験体を作製した。なお、作製にあたり、試験体内部に温度を測定するための複数の熱電対を、加熱表面（図中に示す下面）から所定の深さに設置した。
【００４１】
図４は、試験体に用いたコンクリートの層構造及び材料組成を示す表である。  
図４に示すように、コンクリートの層構造及び材料組成によって３種類の試験体を作製した。試験体Ｎｏ．１及び試験体Ｎｏ．２は、加熱表面側に厚さ５０ｍｍの耐火コンクリート層と、残りの厚さ４５０ｍｍの部分に非耐火コンクリート層とを有する２層構造とした。これに対し、試験体Ｎｏ．３は、耐火コンクリートのみから構成される１層構造とした。２層構造の試験体についての耐火コンクリートと非耐火コンクリートとの材料組成は、試験体Ｎｏ．１はポリプロピレン（図中ではＰＰ繊維と表示）の配合の有無のみが異なり、試験体Ｎｏ．２はポリプロピレンだけでなくその他コンクリート材料も異なるものとした。また、試験体Ｎｏ．３の耐火コンクリートの材料構成は、試験体Ｎｏ．２の耐火コンクリートと同様のものを用いた。
【００４２】
以上のような各試験体についてＲＡＢＴ曲線による加熱条件に基づく耐火性能試験を行い、各試験体内の各深さに設置された各熱電対によって測定された温度履歴を記録した。さらに、各温度履歴における最高温度を抽出し、その温度履歴が測定された試験体表面からの深さと、抽出した最高温度との関係を整理した。
【００４３】
図５は、試験体Ｎｏ．１〜３の夫々について試験体表面からの深さと、その深さで測定された最高温度との関係を示したグラフである。また図６は、試験体Ｎｏ．１〜３の夫々について試験体表面から３５０℃に達する深さをまとめた表である。なお、３５０℃に達する深さは図５から読み取ったものである。
【００４４】
図５に示すように、３種類の試験体はほぼ同様な温度分布を示す。そして、何れの試験体Ｎｏ．１〜３も表面からの深さが５０ｍｍ以上であれば、内部温度は３５０℃以下になることが分かる（図６参照）。すなわち、本試験体と同様の構成でセグメントを構築する場合には、少なくとも耐火コンクリート層２０の厚さを５０ｍｍとすることで、非耐火コンクリート層３０の耐力低下を防止することができる。
【００４５】
次に、耐火セグメント１０の製造方法について説明する。  
図７は、耐火セグメント１０の製造工程を説明するための図である。
【００４６】
図７に示すように、耐火セグメントの製造方法は、ポゾランを含有するコンクリート材２２を打設する耐火層打設工程Ｓ１０と、ポゾラン含有しないコンクリート材３２を打設する非耐火層打設工程Ｓ２０と、打設されたコンクリートを養生及び固化する養生固化工程Ｓ３０とから構成される。
【００４７】
耐火層打設工程Ｓ１０では、上記説明したような所定比率のポゾランを含有したコンクリート材２２（固化後に耐火コンクリート層２０になる）を型枠４０と蓋型枠４２を組み合わせた型枠内に打設する。型枠４０としては、プレキャストセグメントを製造する際に通常使用される型枠４０を用いることができる。蓋型枠４２は、型枠４０と組み合わされた際に、型枠４０内の底面と対向する面が、型枠４０内の底面と一定の距離を隔てるような湾曲面を有する板材であり、その中央部にコンクリート材を注入する注入口４４が形成されている。そして、蓋型枠４２を、型枠４０内の底面との距離が、設定すべき耐火コンクリート層２０の厚さとなるように配置し、コンクリート材２２を打設する。
【００４８】
非耐火層打設工程Ｓ２０では、耐火層打設工程Ｓ１０でセグメント型枠４０に打設されたコンクリート材２２が半固結状態になったときに、蓋型枠４２を取り外して、非耐火コンクリート層３０を形成する形状を有する蓋型枠４３に交換し、ポゾランを含有しないコンクリート材３２（固化後には非耐火コンクリート層３０になる）を、コンクリート材２２の上面と一体となるように打設する。
【００４９】
養生固化工程Ｓ３０では、耐火層打設工程Ｓ１０及び非耐火層打設工程Ｓ２０で打設された両コンクリート材２２，３２を充分に養生し一体に固化させる。そして、一体になった耐火コンクリート層２０及び非耐火コンクリート層３０を型枠４０及び蓋型枠４３から離型することにより、耐火セグメント１０が作製される。
【００５０】
ここで、耐火コンクリート層２０と非耐火コンクリート層３０との打設タイミングの間隔（以下、打ち重ね時間という）と、層間の接合強度との関係を検討する試験を実施したのでその結果について説明する。
【００５１】
図８は、打ち重ね時間と層間の接合強度との関係を検討するための試験に用いた試験体の外形図である。
【００５２】
図８に示すように、厚さ５０ｍｍの耐火コンクリート層２０と、厚さ１５０ｍｍの非耐火コンクリート層３０との２層からなる直径１００ｍｍ×高さ２００ｍｍの円柱状の試験体を、打ち重ね時間によって６種類作製した（打ち重ね時間：０分、３０分、６０分、９０分、１２０分、１５０分）。また、比較するうえで、ポゾランを配合しない非耐火コンクリート材を用いて層構造をなさない一体打ちの試験体を同形状で作製した。
【００５３】
また、耐火コンクリート層２０と非耐火コンクリート層３０には、図４で示した試験体Ｎｏ．１と同じ組成の耐火コンクリート及び非耐火コンクリートを用いた。
【００５４】
これら各試験体について直接引張試験を実施した。直接引張試験は、その試験方法がコンクリートの強度試験として規格化されていないため、図９に示すような試験方法で実施した。
【００５５】
図９に示すように、試験体の両端面に治具を接着剤で取り付け、これら試験体の両端に引張荷重を直接かけ、試験体が破断するまでの荷重を測定した。そして、このときの最大引張荷重を試験体端面の面積で除した値を引張強度とした。また、２層の各試験体と一体打ちの試験体との強度比を求めた。
【００５６】
図１０は、直接引張試験の結果を示し、同図（ａ）はその結果をまとめた表、同図（ｂ）は２層の各試験体と一体打ちの試験体との強度比をまとめたグラフである。
【００５７】
図１０に示すように、打ち重ね時間が１２０分を越えると耐火コンクリート層２０と非耐火コンクリート層３０との境界部の引張強度が急激に低下することが確認された。また、打ち重ね時間が６０分以内であれば、一体打ちした試験体の割裂引張強度と同程度の強度が得られることを確認した。すなわち、本試験体と同様の構成でセグメントを作製する場合には、打ち重ね時間を６０分以内にすることにより、耐火コンクリート層２０と非耐火コンクリート層３０とを一体化させることができる。ただし、打ち重ね時間が短くなり過ぎてしまうと、耐火コンクリートと非耐火コンクリートとが混ざり合ったり、耐火コンクリートが流動したりして、設計通りの耐火コンクリート層２０が形成されないことがあるので、少なくとも耐火コンクリート層２０が半固結状態になったときに非耐火コンクリート材３２を打設することが好ましい。
【００５８】
以上説明した本実施形態の耐火セグメントによれば、耐火コンクリート層２０は、その構成材料の混和材として少なくともポゾランを含むことにより、ポゾラン反応によってコンクリート中の水酸化カルシウムが消失される。すなわち、耐火コンクリート層２０の表面にトンネル火災等によって熱が与えられても、生石灰が生じることはないことから、コンクリート内でその生石灰の水分吸収による膨張も生じないので、き裂等の損傷が生じにくい。
【００５９】
また、表層の水酸化カルシウムを含有しない耐火コンクリートは、通常のコンクリートと強度が変わらないことから、耐火コンクリート層２０を設けない場合に比べてセグメント厚を大きくしなくてもよい。このため、トンネル内空間を狭めることなくトンネルを覆工することができる。
【００６０】
また、本実施形態の耐火セグメントによれば、耐火コンクリート層２０が、非耐火コンクリート層３０と一体になるように形成されていることにより、火災等でトンネル内部から熱が耐火セグメント１０に与えられても、耐火コンクリート層２０が非耐火コンクリート層３０への熱伝導を抑制するので、非耐火コンクリート層３０に熱による損傷が生じにくい。
【００６１】
また、本実施形態の耐火セグメントによれば、セメントと混和材との合計重量のうち、ポゾランの占める重量が６０〜８０％であることにより、コンクリートに含有される水酸化カルシウムが消失されるとともに、セグメントとして必要な強度を備える。
【００６２】
また、本実施形態の耐火セグメントによれば、ポゾランとして、少なくともシリカヒュームが用いられ、前記セメントと混和材との合計重量のうち、前記シリカヒュームの占める重量が１０〜２０％であることにより、トンネル覆工用のセグメントとしての初期強度（材齢一週間以内の圧縮強度）が基準を満たすとともに、打設時に必要な流動性を備える。
【００６３】
また、本実施形態の耐火セグメントによれば、耐火コンクリート層２０のコンクリートの材料コストは非耐火コンクリート層３０のコンクリートと比べて割高であるが、耐火コンクリート層２０のコンクリートが耐火セグメント１０に形成される領域を、耐火を対象とする表層側に限定しているので、セグメント全体を耐火コンクリートで構成する場合に比べて、材料コストを低減することができる。
【００６４】
さらに、耐火コンクリート層２０の厚さが、耐火コンクリート層２０の表面をＲＡＢＴ曲線による加熱条件で加熱した場合に、耐火コンクリート層２０と非耐火コンクリート層３０との境界面における温度が３５０℃以下になるように、つまり非耐火コンクリート層３０が耐力低下を起さないように設定されていることにより、材料費が高い耐火コンクリートの厚みを必要最小限として、これにより製造コストの削減に寄与できる。
【００６５】
また、本実施形態の耐火セグメントの製造方法によれば、非耐火層打設工程Ｓ２０において、ポゾランを含有しないコンクリート材３２を、ポゾランを含有するコンクリート材２２が半固結状態になったときに、コンクリート材２２の上面と一体になるように打設することにより、耐火コンクリート層２０と非耐火コンクリート層３０とを確実に一体化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本実施形態に係る耐火セグメント１０の断面図である。
【図２】ＲＡＢＴ曲線を示すグラフである。
【図３】耐火コンクリート層２０の厚さを検討するための試験に用いた試験体の概要を示す概要図である。
【図４】試験体に用いたコンクリートの層構造及び材料組成を示す表である。
【図５】試験体表面からの深さと、その深さで測定された最高温度との関係を試験体ごとに示したグラフである。
【図６】試験体Ｎｏ．１〜４の夫々について試験体表面から３５０℃に達する深さをまとめた表である。
【図７】耐火セグメントの製造工程を説明するための図である。
【図８】打ち重ね時間と層間の接合強度との関係を検討するための試験に用いた試験体の外形図である。
【図９】直接引張試験の方法を示す図である。
【図１０】直接引張試験の結果を示し、同図（ａ）はその結果をまとめた表、同図（ｂ）は２層の各試験体と一体打ちの試験体との強度比をまとめたグラフである。
【符号の説明】
【００６７】
１０  耐火セグメント
２０  耐火コンクリート層
２２、３２  コンクリート材
３０  非耐火コンクリート層
４０  型枠
４２、４３  蓋型枠
４４  注入口
Ｓ１０  耐火層打設工程
Ｓ２０  非耐火層打設工程
Ｓ３０  養生固化工程
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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