(57)【要約】【課題】本願発明の課題は、コンクリートの部分冷却において、的確に温度ひび割れを抑制することができる冷却終期を設定する技術を提供することであり、これを実現するコンクリート部分冷却方法、及び循環冷却システムを提供することである。【解決手段】本願発明のコンクリート部分冷却方法は、「冷却範囲」に対してのみ冷却する方法であり、事前解析工程と冷却工程を備えた方法である。事前解析工程では、コンクリートの冷却を停止する「冷却終期」を設定し、冷却工程では、冷却終期になるまで冷却範囲のコンクリートを冷却する。なお事前解析工程では、コンクリートの「最小ひび割れ指数」として求めるとともに、この最小ひび割れ指数が「終期用閾値」を超えるように冷却終期を設定する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンクリートを冷却範囲と非冷却範囲に分け、該冷却範囲のみに対して冷却することでコンクリートのひび割れを抑制する方法であって、
コンクリートの冷却を停止する冷却終期を設定する事前解析工程と、
前記冷却終期になるまで前記冷却範囲のコンクリートを冷却する冷却工程と、を備え、
前記事前解析工程では、打込み後のコンクリートのひび割れ指数の最小値を最小ひび割れ指数として求めるとともに、該最小ひび割れ指数があらかじめ設定した終期用閾値を超えるように前記冷却終期を設定する、
ことを特徴とするコンクリート部分冷却方法。
【請求項２】
打込み後のコンクリート温度を計測する温度計測工程を、さらに備え、
前記事前解析工程では、打込み後のコンクリート温度が最大となる時期を温度ピーク時期として算出するとともに、該温度ピーク時期後の冷却期間をピーク後冷却期間として求め、
前記冷却工程では、前記事前解析工程で得られた前記温度ピーク時期のコンクリート温度と、前記温度計測工程で得られるコンクリート温度と、前記ピーク後冷却期間と、に基づいて前記事前解析工程で設定した前記冷却終期を修正し、修正した冷却終期になると冷却を停止する、
ことを特徴とする請求項１記載のコンクリート部分冷却方法。
【請求項３】
前記事前解析工程では、解析上の冷却範囲を変えながら前記最小ひび割れ指数を求め、該最小ひび割れ指数があらかじめ設定した範囲用閾値を上回る解析上の冷却範囲を前記冷却範囲として設定し、
前記冷却工程では、前記事前解析工程で設定した前記冷却範囲のコンクリートを冷却する、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のコンクリート部分冷却方法。
【請求項４】
前記事前解析工程では、鉛直方向の範囲を設定することで解析上の冷却範囲を定め、高さを規定した前記冷却範囲を設定する、
ことを特徴とする請求項３記載のコンクリート部分冷却方法。
【請求項５】
前記事前解析工程では、水平方向の範囲を設定することで解析上の冷却範囲を定め、幅を規定した前記冷却範囲を設定する、
ことを特徴とする請求項３又は請求項４記載のコンクリート部分冷却方法。
【請求項６】
前記非冷却範囲のコンクリートを保温養生する保温養生工程を、
さらに備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のコンクリート部分冷却方法。
【請求項７】
前記冷却工程では、前記冷却範囲のコンクリート内部に水平又は略水平姿勢で埋設された冷却管内に、圧送手段によって冷媒を圧送して流過させることで、前記冷却範囲のコンクリートを冷却する、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のコンクリート部分冷却方法。
【請求項８】
冷却する対象がトンネル覆工コンクリートであり、
前記冷却工程では、循環冷却システムを用いて前記冷却範囲のトンネル覆工コンクリートを冷却し、
前記循環冷却システムは、トンネル覆工コンクリート用の移動式型枠台車に設置された前記圧送手段と冷媒冷却手段を有し、該圧送手段によって冷媒を圧送し、前記冷却管から排出される冷媒を該冷媒冷却手段によって冷却し、該圧送手段によって冷却された冷媒を圧送する、
ことを特徴とする請求項７記載のコンクリート部分冷却方法。
【請求項９】
トンネル覆工コンクリートのうち冷却範囲のみに水平又は略水平姿勢で埋設された冷却管内に、冷媒を流過させる循環冷却システムであって、
コンクリートの冷却を停止する冷却終期を求める解析手段と、
トンネル覆工コンクリート用の移動式型枠台車に設置された圧送手段と、
前記トンネル覆工コンクリート用の移動式型枠台車に設置された冷媒冷却手段と、を備え、
前記解析手段は、打込み後のコンクリートのひび割れ指数の最小値を最小ひび割れ指数として求めるとともに、該最小ひび割れ指数があらかじめ設定した終期用閾値を超えるように前記冷却終期を求め、
前記冷媒冷却手段は、前記冷却管から排出される冷媒を冷却し、
前記圧送手段は、前記解析手段が求めた前記冷却終期になるまで、前記冷媒冷却手段によって冷却された冷媒を前記冷却管内に圧送する、
ことを特徴とする循環冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、主にコンクリートのポストクーリングに関するものであり、より具体的には、あらかじめ適切な終了時期を設定したうえで部分的にコンクリートを冷却することのできるコンクリート部分冷却方法、及び循環冷却システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
コンクリートは鋼材とともに最も重要な建設材料のひとつであり、ダム、トンネル、橋梁といった土木構造物や、集合住宅、オフィスビルなどの建築構造物をはじめ、様々な構造物に用いられている。このコンクリート構造物は、あらかじめ工場等で製作されて所定の場所まで運搬されることもあるが、土木構造物や建築構造物の場合、所定の場所（現場）で直接構築されることが多い。いずれにしろ、セメントと水、骨材等を練り混ぜた状態のコンクリート（フレッシュコンクリート）を型枠の中に打込み、コンクリートの硬化を待って型枠を外すことでコンクリート構造物は構築される。
【０００３】
上記のとおり、コンクリートは時間の経過とともに硬化していく材料であり、時間の経過に応じてコンクリートの水和反応により内部温度が上昇するとともに、その強度も上がり、弾性係数も向上していく材料である。ところで、フレッシュコンクリートから「硬化した状態のコンクリート」になる過程で、あるいは硬化後に構造物として供用されている間に、ひび割れが発生することがある。コンクリートのひび割れには、構造物の用途に影響を与えない無害なものもあるが、一方でその用途に重大な影響を及ぼす有害なひび割れもある。そのため、ひび割れが発生する原因や機構については解明されている部分も多く、その対策に関しても様々な手法が採用されている。
【０００４】
ひび割れの種類はその発生原因によって分けられ、さらにコンクリート硬化前の原因と硬化後の原因で大別される。硬化前の原因としては、型枠の移動やセメントの異常凝結によって生じる「初期ひび割れ」、養生中における表面の急速乾燥によって生じる「プラスチック収縮ひび割れ」等が挙げられる。一方、硬化後の原因としては、水分損失に伴うセメントゲルの収縮によって生じる「乾燥収縮ひび割れ」や、鉄筋の腐食やアルカリ骨材反応によって生じる「物理的・化学的なひび割れ」、過大な荷重の作用や構造物の沈下によって生じる「構造ひび割れ」等が挙げられる。
【０００５】
また、比較的部材厚が大きなコンクリート構造物（いわゆる、マスコンクリート）では温度ひび割れが問題となることがある。この温度ひび割れは、内部拘束によって生ずるものと外部拘束によって生ずるものに大別され、それぞれひび割れが発生するまでの過程（メカニズム）が異なる。
【０００６】
コンクリートは硬化する過程で水とセメントの反応が起こるが、その際、水和熱が発生するためコンクリートの温度は時間とともに上昇する。ところが、外気温が低温であれば、コンクリートの表面温度は、外気への放熱（熱伝達）によってコンクリート表面に近い部分（外周部）はそれほど大きく温度上昇することはない。その結果、コンクリートの内部と外周部で顕著な温度差が生じ、内部では熱膨張するのに対して外周部ではそれほど熱膨張しないため、外周部に引張力が作用する。この引張力によって発生するのが、内部拘束による温度ひび割れである。
【０００７】
一方、コンクリートが所定の温度まで達すると今度は温度降下に転じ、温度降下に伴いコンクリートは全体的に熱収縮しようとする。ところが、既設コンクリートなどと接しているところでは、拘束状態となっているため自由に収縮することができない。この結果、コンクリートのうち特に外部に拘束された部分には引張力が作用する。この引張力によって発生するのが、外部拘束による温度ひび割れである。なお、外部拘束による温度ひび割れは、躯体を貫通するひび割れとなることも少なくない。
【０００８】
このように、内部拘束による温度ひび割れと外部拘束による温度ひび割れでは発生メカニズムが異なるものの、セメントの水和熱によって起こるコンクリートの温度上昇が原因である点では共通している。そこで温度ひび割れ対策としては、コンクリートの温度上昇を抑制する手法が主流となっている。例えば設計時の対策としては、水和熱の上昇を抑えることを目的に、低発熱セメントの使用、セメント量の低減、水和熱を低減する混和剤の使用など、配合設計に工夫がなされる。あるいは、比較的ひび割れが発生しても影響のない箇所にひび割れを誘導する目的で、ひび割れ誘発目地の設置を計画することもある。
【０００９】
施工時の代表的な温度ひび割れ対策としては、プレクーリング、ポストクーリング、長期断熱養生が挙げられる。プレクーリングとは、打込み時のフレッシュコンクリートを冷却するもので、練り混ぜ水にフレーク状の氷を用いたり、ミキサやトラックアジテータにおける練り混ぜ中に液体窒素を噴射したり、種々の冷却方法が採用されている。
【００１０】
ポストクーリングには、クーリングスロットなど躯体内部に温度拡散面を設けて自然冷却を促進する手法や、パイプ内に冷却水を通水してコンクリートを冷却するパイプクーリングなどがある。このパイプクーリングは、あらかじめ躯体内に薄肉鋼管などのクーリングパイプ（以下、「冷却管」という。）を敷設し、コンクリート打込み後に低温の水や空気等（以下、「冷媒」という。）を冷却管内に送り込むだけの対策で、比較的簡易な設備と作業によって実現でき、合理的かつ経済的な手法である。
【００１１】
従来、ポストクーリングの主な目的は、コンクリートの最高温度（以下、「ピーク温度」という。）を下げることであり、部材全体のピーク温度を早い時期に所定温度（周辺温度や予想最終温度）まで降下させることとされていた。したがって、通常は打込みを行ったコンクリート全体に対してポストクーリングを行い、ピーク温度に達したと判断されたときから所定期間（数時間〜半日程度）が経過した時点で終了するのが一般的であった。ところが発明者らは、外部拘束による温度ひび割れに関しては、打込みを行ったコンクリートのうち部分的にポストクーリングを行う方が効果的であることを研究の結果見出した。なお説明の便宜上、コンクリート全体に対して行うクーリングのことを「全体冷却」と、部分的に行うクーリングのことを「部分冷却」ということとする。
【００１２】
外部拘束された部分（以下、「被拘束部分」という。）に対して部分冷却を行うと、被拘束部分の最高温度が低減されることで部材全体の引張り応力が均一化し、その結果、局部的にひび割れ指数が小さくなることを回避することができる。また、冷却される範囲（以下、「冷却範囲」という。）と冷却されない範囲（以下、「非冷却範囲」という。）を設けることによって「タガ締め効果」を受けることができ、さらに効果的に外部拘束による温度ひび割れを抑制することができる。以下、この「タガ締め効果」について説明する。
【００１３】
冷却範囲と非冷却範囲では当然ながら温度状態が異なり、それ故、熱膨張から収縮に転換する時期も、収縮に伴う形状変化の態様もそれぞれ相違する。言い換えれば、図１に示すように冷却範囲と非冷却範囲では見かけ上異なる挙動を示すわけである。図１は、外部拘束を受けるコンクリートにおける膨張期と収縮期の形状変化を示すモデル図であり、（ａ）はポストクーリングを行わないケースを示し、（ｂ）は部分冷却を行うケースを示している。図１（ｂ）に示すように、収縮時の非冷却範囲に着目すると、非冷却範囲は自ら収縮することで冷却範囲も収縮させようとし、すなわち冷却範囲に圧縮力を導入するように非冷却範囲が変形していると見ることができる。この結果、冷却範囲（つまり被拘束部分）に外部拘束による引張力が生じたとしても、非冷却範囲からの圧縮力導入による効果でその引張力が低減され（緩和され）、外部拘束による温度ひび割れの発生が抑制されるわけである。この非冷却範囲からの圧縮力による引張力低減効果が、前記した「タガ締め効果」である。
【００１４】
以上説明した理由から発明者らは、外部拘束による温度ひび割れ対策としては被拘束部分に対してのみ冷却する「部分冷却」が有効であるという結論を得たわけである。これまで、単に部分的に冷却するという技術に関しては特許文献１で示されているものの、上記の理由に基づく部分冷却が提案されることはなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２０１６−１１５８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
ところで、既述したとおり外部拘束による温度ひび割れは、温度降下に伴う熱収縮が拘束されることによって発生し、その温度降下の程度が大きいほど発生しやすくなる。したがってコンクリートのピーク温度を下げるべくポストクーリングを行うわけであるが、冷却することで熱収縮は増加され、しかもコンクリート温度の上昇が停滞することでその強度の発現も遅れることから、却ってひび割れが生じやすくなるという側面もある。そのため早い段階で、すなわちピーク温度に達したと判断されたときから所定期間が経過した時点で、冷却を終了しているわけである。なお、ピーク温度到達後に所定期間だけ継続するのは、再度の温度上昇（リバウンド）を防ぐためである。
【００１７】
外部拘束による温度ひび割れ対策として部分冷却を行ったとしても、熱収縮の増加や強度発現の遅延を防ぐために早い段階で冷却を停止することは重要である。ところが、先にも説明したとおりこれまでは「ピーク温度到達後から所定期間を待って終了する」こととされるだけであり、適切に（いわば論理的に）冷却を終了する時期（以下、「冷却終期」という。）を設定する技術に関してはそれほど多く提案されていない。ましてや、部分冷却を行った場合において、その冷却終期を設定する技術に関してはこれまで提案されることがなかった。本願発明の課題は、コンクリートの部分冷却において、的確に温度ひび割れを抑制することができる冷却終期を設定する技術を提供することであり、これを実現するコンクリート部分冷却方法、及び循環冷却システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本願発明は、コンクリートの部分冷却を行うに当たって、コンクリートの最小ひび割れ指数を求め、この最小ひび割れ指数と終期用閾値に基づいて冷却終期を設定する、という点に着目したものであり、これまでにはなかった発想に基づいて行われたものである。
【００１９】
本願発明のコンクリート部分冷却方法は、対象となるコンクリートのうち「冷却範囲」に対してのみ冷却する方法であり、事前解析工程と冷却工程を備えた方法である。事前解析工程では、コンクリートの冷却を停止する「冷却終期」を設定し、冷却工程では、冷却終期になるまで冷却範囲のコンクリートを冷却する。なお事前解析工程では、打込み後のコンクリートのひび割れ指数の最小値を「最小ひび割れ指数」として求めるとともに、この最小ひび割れ指数が「終期用閾値」（あらかじめ設定）を超えるように冷却終期を設定する。
【００２０】
本願発明のコンクリート部分冷却方法は、打込み後のコンクリート温度を計測する温度計測工程をさらに備えた方法とすることもできる。この場合、事前解析工程では、打込み後のコンクリート温度が最大となる時期を「温度ピーク時期」として算出するとともに、温度ピーク時期後の冷却期間を「ピーク後冷却期間」として求める。また冷却工程では、事前解析工程で得られた温度ピーク時期のコンクリート温度と、温度計測工程で得られるコンクリート温度、ピーク後冷却期間に基づいて冷却終期を修正し、この修正した冷却終期になると冷却を停止する。
【００２１】
本願発明のコンクリート部分冷却方法は、事前解析工程でコンクリートの冷却範囲を設定する方法とすることもできる。この場合、「解析上の冷却範囲」を変えながら最小ひび割れ指数を求め、この最小ひび割れ指数があらかじめ設定した「範囲用閾値」を上回るときの「解析上の冷却範囲」を実際の冷却範囲として設定する。なお、鉛直方向の範囲を設定することで解析上の冷却範囲を定め、これに基づいて「高さを規定した冷却範囲」を設定することもできるし、水平方向の範囲を設定することで解析上の冷却範囲を定め、これに基づいて「幅を規定した冷却範囲」を設定することもできる。
【００２２】
本願発明のコンクリート部分冷却方法は、対象となるコンクリートのうち部分冷却を行わない「非冷却範囲」を保温養生する保温養生工程を、さらに備えた方法とすることもできる。
【００２３】
本願発明のコンクリート部分冷却方法は、「パイプクーリング」によって、冷却範囲のコンクリートを冷却する方法とすることもできる。この場合、冷却工程では、冷却範囲のコンクリート内部に略水平（水平含む）姿勢で埋設された冷却管内に、圧送手段によって冷媒を圧送して流過させる。
【００２４】
本願発明のコンクリート部分冷却方法は、トンネル覆工コンクリートに対してパイプクーリングを行う方法とすることもできる。この場合、冷却工程では、冷却範囲のトンネル覆工コンクリート内部に略水平（水平含む）姿勢で埋設された冷却管内に、循環冷却システムを用いて冷媒を圧送する。この循環冷却システムは、トンネル覆工コンクリート用の移動式型枠台車（以下、「セントル」という。）に設置された圧送手段と冷媒冷却手段を備えており、この圧送手段によって冷媒を圧送し、冷却管から排出される暖められた冷媒を冷媒冷却手段によって冷却することで循環冷却するものである。
【００２５】
本願発明の循環冷却システムは、トンネル覆工コンクリートのうち冷却範囲のみに略水平（水平含む）姿勢で埋設された冷却管内に冷媒を流過させるものであり、解析手段と、圧送手段、冷媒冷却手段を備えたものである。解析手段は、打込み後のコンクリートの最小ひび割れ指数を求め、この最小ひび割れ指数が終期用閾値を超えるように冷却終期を求める手段である。また、セントルに設置された冷媒冷却手段は、冷却管から排出される冷媒を冷却する手段であり、同じくセントルに設置された圧送手段は、冷媒冷却手段によって冷却された冷媒を冷却終期になるまで冷却管内に圧送する手段である。
【発明の効果】
【００２６】
本願発明のコンクリート部分冷却方法、及び循環冷却システムには、次のような効果がある。
（１）被拘束部分の最高温度が低減されることで部材全体の引張り応力が均一化し、その結果、局部的にひび割れ指数が小さくなることを回避することができる。
（２）「タガ締め効果」を受けることができ、すなわち被拘束部分に生じる引張力が低減されることから、さらに効果的にひび割れを抑制することができる。
（３）適切な冷却終期を設定することができることから、さらに効果的に温度ひび割れを抑制することができる。
（４）部分的に冷却するため、従来の全体冷却に比べ、クーリングパイプなど設備に掛かる費用や冷却など運転に掛かる費用を大幅に削減することができる。
（５）適切な冷却終期を設定することから、不要なクーリングによる無駄なコストや労力を省くことができるうえ、速やかに次工程に移行することができ、ひいては工期短縮に貢献することができる。
（６）循環冷却システムを用いてトンネル覆工コンクリートの部分冷却を行うと、セントルの移動とともに実施できるため、極めて効率的に部分冷却を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】（ａ）はポストクーリングを行わないケースにおける膨張期と収縮期のコンクリートの形状変化を示すモデル図、（ｂ）は部分冷却を行うケースにおける膨張期と収縮期のコンクリートの形状変化を示すモデル図。
【図２】対象コンクリートの冷却範囲と非冷却範囲を模式的に示すモデル図。
【図３】コンクリート打込み後の経過時間とコンクリート応力の関係を、冷却なしのケース、全体冷却のケース、部分冷却のケースで比較したグラフ図。
【図４】（ａ）はコンクリート打込み後の経過時間とコンクリート温度の関係を、冷却なしのケース、打込み後１日間だけ部分冷却したケース、打込み後２日間部分冷却したケース、打込み後５日間部分冷却したケースで比較したグラフ図、（ｂ）はコンクリート打込み後の経過時間とコンクリート応力の関係を、冷却なしのケース、打込み後１日間だけ部分冷却したケース、打込み後２日間部分冷却したケース、打込み後５日間部分冷却したケースで比較したグラフ図。
【図５】本願発明のコンクリート部分冷却方法の主な工程の流れを示すフロー図。
【図６】解析上の冷却範囲を変えながら温度応力解析を行うことで、冷却範囲を設定する手順の一例を示すフロー図。
【図７】（ａ）は解析上の冷却範囲を変えながら温度応力解析を行うモデル図、（ｂ）は解析上の冷却範囲を変えながら温度応力解析を行った結果を示すグラフ。
【図８】温度応力解析によって冷却終期を設定する手順の一例を示すフロー図。
【図９】（ａ）は解析上の冷却期間を２日とした場合のひび割れ指数の変化を示すグラフ図、（ｂ）は解析上の冷却期間を５．５日とした場合のひび割れ指数の変化を示すグラフ図。
【図１０】解析上の冷却期間と最小ひび割れ指数の関係を示すグラフ図。
【図１１】（ａ）はトンネル坑内に設置された循環冷却システムを示すモデル図、（ｂ）は循環冷却システムの主な構成を示すブロック図。
【図１２】冷却管のうちコンクリート壁面に近い部分を取り外し可能とする構造を示す部分断面図。
【図１３】冷却管よりも小径のグラウトホースが連結された冷却管の端部を示す部分断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本願発明のコンクリート部分冷却方法、及び循環冷却システムの実施形態の例を図に基づいて説明する。なお本願発明の循環冷却システムは、トンネル覆工コンクリートを対象として本願発明のコンクリート部分冷却方法を実施する際に利用するものである。したがって、まずは本願発明のコンクリート部分冷却方法について説明し、その後に本願発明の循環冷却システムについて説明することとする。
【００２９】
１．コンクリート部分冷却方法
（全体概要）
本願発明のコンクリート部分冷却方法は、冷却対象となるコンクリート（以下、「対象コンクリート」という。）のうち冷却範囲のみに対して冷却を行う方法である。図２は、対象コンクリート１００の冷却範囲１１０と非冷却範囲１２０を模式的に示すモデル図である。この図に示すように対象コンクリート１００は、既設コンクリートや基礎岩盤といった拘束体２００に接して構築され、すなわち外部拘束による温度ひび割れが生じやすい環境で構築される。そして、対象コンクリート１００のうち拘束体２００に接する位置から設定した所定範囲を「冷却範囲１１０」とし、冷却範囲１１０を除く範囲を「非冷却範囲１２０」とする。
【００３０】
対象コンクリート１００を全体冷却ではなく部分冷却とするのは、既述したとおり、被拘束部分の最高温度を低減することで引張り応力を均一化しこれによりひび割れ指数の低下を抑制するためであり、タガ締め効果を受けることによって効果的にひび割れを抑制するためである。
【００３１】
図３は、コンクリート打込み後の経過時間とコンクリート応力の関係を示す図であり、冷却なし（無対策）のケースと、全体冷却のケース、部分冷却のケースを比較したグラフである。なお図３では、コンクリート応力を実線で示すとともに、発現するコンクリートの引張強度を破線で示している。この図からも分かるように、全体冷却、部分冷却ともに冷却停止後には一旦コンクリート応力の伸びが鈍化しているものの、その後の伸びを見ると明らかに全体冷却よりも部分冷却の方がコンクリート応力の上昇程度が小さくなっている。この結果からも、外部拘束による温度ひび割れに関しては、全体冷却よりも部分冷却の方が有効な対策であることが認められる。
【００３２】
また本願発明のコンクリート部分冷却方法では、実際に現地（現場）で冷却を行う前に、対象コンクリート１００の冷却を停止する時期（冷却終期）をあらかじめ設定する。既述したとおり、外部拘束による温度ひび割れ対策として部分冷却を行ったとしても、熱収縮の増加や強度発現の遅延を防ぐためには早い段階で冷却を停止することが重要であり、すなわち適切な冷却終期を設定することで効果的なひび割れ対策を実現することができるわけである。
【００３３】
図４は、冷却なし（無対策）のケースと、込み後１日間だけ部分冷却したケース、打込み後２日間部分冷却したケース、打込み後５日間部分冷却したケースを比較したグラフであり、（ａ）はコンクリート打込み後の経過時間とコンクリート温度の関係を示す図、（ｂ）はコンクリート打込み後の経過時間とコンクリート応力の関係を示す図である。なお図４（ｂ）でも、コンクリート応力を実線で示すとともに、発現するコンクリートの引張強度を破線で示している。
【００３４】
図４（ａ）から分かるように、当然ながら早く冷却を停止した方がその後の温度降下の程度は小さくなるが、あまり早く停止すると１日冷却のケースのように停止後の温度再上昇（リバウンド）が生じてしまう。その結果、ピーク温度が他のケース（２日冷却と５日冷却）よりも高くなり、図４（ｂ）に示すように２日冷却のケースよりも１日冷却のケースの方がコンクリート応力は大きくなる。また５日冷却のケースでは、図４（ａ）に示すように最も早くコンクリート温度が降下するが、図４（ｂ）に示すようにコンクリートの引張強度と応力が最も接近する。したがって、コンクリートの引張強度をコンクリート応力で除した「ひび割れ指数」が最も小さな値を示すこととなり、すなわち５日冷却のケースが最も温度ひび割れを生じやすいケースとなる。
【００３５】
このように部分冷却を行ったとしても、冷却を停止する時期によって温度ひび割れの抑制効果は大きく異なる。そこで本願発明では、適切な冷却終期を合理的に設定することとした。以下、図５を参照しながら本願発明のコンクリート部分冷却方法を構成する主な要素について詳しく説明する。
【００３６】
（事前解析工程）
図５は、本願発明のコンクリート部分冷却方法の主な工程の流れを示すフロー図である。この図に示すように本願発明のコンクリート部分冷却方法は、はじめに事前解析工程を行う（Ｓｔｅｐ１００）。そして事前解析工程では、主に冷却範囲１１０を設定し（Ｓｔｅｐ１１０）、冷却終期を設定する（Ｓｔｅｐ１２０）。
【００３７】
冷却範囲１１０を設定するに当たっては、３次元ＦＥＭ（Ｆｉｎｉｔｅ  Ｅｌｅｍｅｎｔ  Ｍｅｔｈｏｄ）を用いた温度応力解析に基づいて設定することができる。例えば、冷却を行わない条件で対象コンクリート１００の温度応力履歴を算出し、さらに節点ごとにひび割れ指数を求め、このひび割れ指数が所定の閾値を下回る範囲を冷却範囲として設定する。あるいは、解析条件となる冷却する範囲（以下、「解析上の冷却範囲」という。）を複数パターン定め、そのうち「最小ひび割れ指数」が最大となるパターンを冷却範囲として設定することもできる。この「最小ひび割れ指数」は、温度応力解析によって節点ごとのひび割れ指数の履歴を求めるとともに、節点ごとの最小値を抽出し、さらに全ての節点の最小値の中から最小の値を示すひび割れ指数を抽出することで求められる。
【００３８】
図６は、解析上の冷却範囲を変えながら温度応力解析を行うことで冷却範囲を設定する手順の一例を示すフロー図である。また図７（ａ）は、解析上の冷却範囲Ｈを変えながら温度応力解析を行うモデル図であり、図７（ｂ）は、その結果を示すグラフである。なお図７（ａ）は、逆Ｔ擁壁を４分割（延長方向と前背面方向にそれぞれ２分割）した、いわゆる１／４モデルである。冷却範囲を設定する段階ではまだ冷却期間（つまり、冷却終期）が確定していないため、まずは仮の冷却期間（例えば、コンクリート打込み後２日間）を設定する（Ｓｔｅｐ１１１）。
【００３９】
仮の冷却期間を設定すると、初期値として解析上の冷却範囲を定める（Ｓｔｅｐ１１２）。例えば図７（ａ）の場合、対象コンクリート１００が逆Ｔ型擁壁のうちの竪壁部分であり、拘束体２００がフーチング部分であるから、フーチングの上端から上方に広げた領域を解析上の冷却範囲Ｈとしている。解析上の冷却範囲Ｈが定まると、温度応力解析を行う（Ｓｔｅｐ１１３）。さらに解析上の冷却範囲Ｈを変えながら（例えば、５０ｃｍずつ広げながら）、繰り返し温度応力解析を行い、図７（ｂ）に示す「冷却範囲−ひび割れ指数グラフ」を作成する（Ｓｔｅｐ１１４）。図７（ｂ）は、横軸を解析上の冷却範囲Ｈ（フーチングの上端からの幅）、縦軸をひび割れ指数としており、各節点におけるひび割れ指数の変化を示している。
【００４０】
「冷却範囲−ひび割れ指数グラフ」が作成できると、実際に冷却する冷却範囲１１０を確定する（Ｓｔｅｐ１１５）。具体的には、あらかじめ設定した閾値（以下、範囲設定用の閾値という意味で「範囲用閾値」という。）を最小ひび割れ指数が上回るときの解析上の冷却範囲Ｈを、冷却範囲１１０として確定する。例えば、図７（ｂ）に示す「冷却範囲−ひび割れ指数グラフ」に範囲用閾値を示し、最小ひび割れ指数（複数の折れ線グラフの最下点）がこの範囲用閾値ラインを超える横軸値（解析上の冷却範囲Ｈ）、すなわち図に示す適正範囲のうち適当な解析上の冷却範囲Ｈを選択し、これを冷却範囲１１０として確定する。
【００４１】
冷却範囲は、ここまで説明したように鉛直方向の範囲（つまり高さを規定した範囲）のみを設定してもよいし、これに加えて（あるいはこれに代えて）水平方向の範囲（つまり幅を規定した範囲）を設定してもよい。冷却範囲として水平方向の範囲を設定する場合は、図７（ａ）に示すように部材中心から所定幅だけ広げた範囲を「解析上の冷却範囲Ｂ」として定め、上記した手順（鉛直方向範囲の設定手順）と同様の手順を行うことで冷却範囲１１０を設定する。なお、複数のリフトに分けて対象コンクリート１００の打込みを行う場合は、各リフトに対して冷却範囲１１０を設定するとよい。
【００４２】
ところで、部分冷却とするのはタガ締め効果を受けることがその理由の１つであるが、非冷却範囲１２０を相当の領域（高さ、幅あるいは面積）とすることによって、このタガ締め効果がより大きくなることを発明者らは確認している。例えば、冷却範囲１１０の領域Ｒｃと非冷却範囲１２０の領域Ｒｕの割合（Ｒｃ／Ｒｕ）を非冷却比率とすると、この非冷却比率が所定の閾値を超えるとき全てのひび割れ指数は１以上を示す。したがって冷却範囲は、非冷却比率が所定の閾値を超えるように設定するとよい。なおタガ締め効果を受ける場合、非冷却範囲１２０はその温度が奪われていない（熱膨張している）状態であることが望ましく、また冷却範囲１１０は冷却されている状態、すなわち圧縮力が導入されやすい状態であることが望ましい。
【００４３】
図５に示すように、冷却範囲１１０が設定できると冷却終期を設定する（Ｓｔｅｐ１２０）。この場合も冷却範囲１１０の設定と同様、３次元ＦＥＭを用いた温度応力解析に基づいて設定することができる。図８は、温度応力解析によって冷却終期を設定する手順の一例を示すフロー図である。このフロー図の例では、まず既に確定した冷却範囲１１０を入力値として設定し（Ｓｔｅｐ１２１）、さらに仮の冷却終期（以下、「解析上の冷却終期」という。）を入力値として設定する（Ｓｔｅｐ１２２）。入力値として冷却範囲１１０と解析上の冷却終期が設定できると、温度応力解析を行う（Ｓｔｅｐ１２３）。さらに解析上の冷却終期を変えながら（例えば、１日ずつ延長しながら）、繰り返し温度応力解析を行い、「冷却終期−ひび割れ指数グラフ」を作成する（Ｓｔｅｐ１２４）。
【００４４】
図９は、コンクリート打込み後のひび割れ指数の変化を示すグラフであり、（ａ）は解析上の冷却期間を２日とした場合を示し、（ｂ）は解析上の冷却期間を５．５日とした場合を示している。なおこの図に示すひび割れ指数は、その時点（横軸値）において全節点中最も小さな値のひび割れ指数を選出してプロットしたものである。そして、さらに図９（ａ）や図９（ｂ）のうち最も小さな値のひび割れ指数（つまり、最小ひび割れ指数）を抽出し、横軸を解析上の冷却終期、縦軸をひび割れ指数とするグラフにプロットしたものが図１０に示す「冷却終期−ひび割れ指数グラフ」である。
【００４５】
「冷却終期−ひび割れ指数グラフ」が作成できると、実際に冷却する冷却期間を設定するため冷却終期を確定する（Ｓｔｅｐ１２５）。具体的には、あらかじめ設定した閾値（以下、終期設定用の閾値という意味で「終期用閾値」という。）を最小ひび割れ指数が上回るときの解析上の冷却終期を、冷却終期として確定する。例えば、図１０に示す「冷却終期−ひび割れ指数グラフ」に終期用閾値を示し、最小ひび割れ指数がこの終期用閾値ラインを超える横軸値（解析上の冷却終期）、すなわち図に示す適正範囲のうち適当な解析上の冷却終期を選択し、これを冷却終期として確定する。なお、範囲用閾値と終期用閾値は異なる値として別に設定することもできるし、同じ値として共通する閾値として（つまり、範囲用閾値と終期用閾値を分けることなく）設定することもできる。
【００４６】
（冷却工程）
図５に示すように、事前解析工程（冷却範囲の設定と冷却終期の設定）を終えると、実際に対象コンクリート１００のうち冷却範囲１１０に対して部分冷却を行う（Ｓｔｅｐ２００）。この部分冷却の手法は、躯体内のパイプに冷媒を流過させるパイプクーリングをはじめポストクーリングとして従来から用いられている様々な手法を採用することができる。例えば、拘束体２００であるインバートコンクリート上に構築されるトンネル覆工コンクリートが対象コンクリート１００である場合、設定された冷却範囲１１０にあらかじめ略水平（水平含む）姿勢で冷却管を埋設しておき、コンクリート打込み後にポンプ等の圧送手段を用いて冷却管内に冷媒を圧送することで、部分的な水平パイプクーリングを行うことができる。この場合、後述する本願発明の循環冷却システムを利用するとより好適となる。
【００４７】
既述したとおり、より大きなタガ締め効果を受けるためには、非冷却範囲１２０が熱膨張している状態（コンクリート温度が上昇している状態）であって、しかも冷却範囲１１０が圧縮力を導入しやすい状態になっているとよい。したがって冷却終期は、非冷却範囲１２０のコンクリート温度が上昇している間に設定するのが望ましい。また、非冷却範囲１２０のコンクリート温度が上昇中であっても（あるいは下降中でも）、より大きな圧縮力を冷却範囲１１０に導入すべく非冷却範囲１２０を保温養生することもできる（Ｓｔｅｐ３００）。保温養生することで非冷却範囲１２０はより大きく熱膨張し、これに伴って収縮時にはより大きな圧縮力を冷却範囲１１０に導入することができるわけである。
【００４８】
保温養生の手法としては、コンクリート表面に断熱マットを設置する断熱養生としたり、積極的に加温する加温養生としたり、従来から用いられている種々の手法を採用することができる。なお非冷却範囲１２０の保温養生の目的は、冷却停止後に冷却範囲１１０に対して圧縮力を導入することであるから、冷却範囲１１０の冷却停止直後に保温養生を開始してもよいし、作業の効率化を図るため部分冷却の開始と同時に保温養生を開始してもよい。
【００４９】
部分冷却は継続して行われ、事前解析工程で設定した冷却終期になると、部分冷却を停止する（Ｓｔｅｐ６００）。あるいは、部分冷却中に冷却範囲１１０の実際のコンクリート温度を計測し（温度計測工程：Ｓｔｅｐ４００）、その計測結果に応じて冷却終期を修正（Ｓｔｅｐ５００）したうえで部分冷却を停止することもできる。この場合、事前解析工程において、打込み後のコンクリート最高温度（つまり、ピーク温度）と、ピーク温度となる時期（以下、「解析温度ピーク時期」という。）を算出し、さらにこの解析温度ピーク時期と冷却終期から解析温度ピーク時期後の冷却期間（以下、「ピーク後冷却期間」という。）を求めておく。そして、解析で得られたピーク温度が現地（現場）で計測された時期（以下、「実測温度ピーク時期」という。）と、解析温度ピーク時期を照らし合わせ、一致している場合はそのまま冷却終期を待ち、異なる場合は冷却終期を修正する。冷却終期を修正する場合は、実測温度ピーク時期に解析で得られたピーク後冷却期間を加算することで新たな冷却終期を設定するとよい。
【００５０】
２．循環冷却システム
次に本願発明の循環冷却システム３００について図１１を参照しながら説明する。図１１（ａ）は、トンネル坑内に設置された循環冷却システム３００を示すモデル図であり、図１１（ｂ）は、循環冷却システム３００の主な構成を示すブロック図である。なお、本願発明の循環冷却システム３００は、ここまで説明したコンクリート部分冷却方法に使用するものであり、したがってコンクリート部分冷却方法で説明した内容と重複する説明は避け、循環冷却システム３００に特有の内容のみ説明することとする。すなわち、ここに記載されていない内容は、コンクリート部分冷却方法で説明したものと同様である。
【００５１】
図１１（ａ）に示すように循環冷却システム３００は、インバートコンクリート（拘束体２００）上に構築されるトンネル覆工コンクリート（対象コンクリート１００）を部分冷却する場合に、さらに効果的に利用することができる。図１１（ｂ）に示すように循環冷却システム３００は、解析手段３０１と、圧送手段３０２、冷媒冷却手段３０３を含んで構成され、その他、リターンタンク３０４、送水管３０５、排水管３０６、冷却管３０７を含んで構成することもできる。
【００５２】
解析手段３０１は、ここまで説明した「事前解析工程」で行う処理、すなわち冷却範囲の設定と冷却終期の設定の処理を行うもので、さらにピーク温度と解析温度ピーク時期の算出や、ピーク後冷却期間の設定、冷却終期の修正といった処理を行うこともできる。この解析手段３０１は、専用のものとして製造することもできるし、汎用的なコンピュータ装置を利用することもできる。
【００５３】
圧送手段３０２と冷媒冷却手段３０３、リターンタンク３０４は、トンネル覆工コンクリート用の移動式型枠台車（セントル）上に設置され、冷却管３０７はあらかじめトンネル覆工コンクリート内に埋設される。もちろん冷却管３０７は、トンネル覆工コンクリートのうち解析手段３０１で設定された冷却範囲１１０にのみ埋設され、その姿勢はトンネル軸方向に沿った略水平（水平含む）とされる。
【００５４】
圧送手段３０２と冷却管３０７（流入口）は送水管３０５で連結され、冷却管３０７（排出口）とリターンタンク３０４は排水管３０６で連結され、さらにリターンタンク３０４と冷媒冷却手段３０３、冷媒冷却手段３０３と圧送手段３０２は所定のパイプで連結されており、圧送手段３０２から圧送された冷媒（水や空気等）は各手段を経由して再度圧送手段３０２に戻るよう巡回している。
【００５５】
圧送手段３０２によって圧送された冷媒は、送水管３０５を通過して冷却管３０７（流入口）に流入し、さらに冷却範囲１１０を冷却しながら冷却管３０７を流過していき、冷却管３０７（排出口）から排水管３０６に排出される。このとき、冷却範囲１１０のコンクリートとの間で熱交換が行われるため、冷媒の温度は上昇した状態で（例えば温水になって）排出される。排水管３０６を通過した冷媒はリターンタンク３０４に貯留され、貯留された冷媒は順次冷媒冷却手段３０３に送られて再度冷却される。そして冷却された冷媒が、再び圧送手段３０２によって圧送される。このように圧送手段３０２は、継続して冷媒を圧送し続け、解析手段３０１で設定された冷却終期になると冷媒の圧送を停止する。
【００５６】
冷却管３０７のうちコンクリート壁面に近い流入口付近と排出口付近は、図１２に示すように冷却停止後に取り外すことができる構造にするとよい。具体的には、冷却管３０７の本管の両端（つまり、流入口と排出口）にソケットを設け、このソケットＳの内ネジとニップルＮの外ネジを利用してニップルＮをソケットＳに螺着させる。なお、ニップルＮの一部はコンクリート内に埋設され、他の一部はコンクリートの外に出るよう、このニップルＮは配置される。ニップルＮはソケットＳに螺着しているため、コンクリート外に出た部分を掴んで回すことで、冷却停止後であっても比較的容易に取り外すことができるわけである。なお、ソケットＳとニップルＮのネジ部分にはあらかじめグリスなどの剥離剤を塗布しておくと、さらにニップルＮの取り外しが容易となって好適である。
【００５７】
また、冷却停止後には冷却管３０７内にモルタル等の充填材が充填されるため、冷却管３０７の本管の端部には逆止弁Ｇを設置するとよい。また、冷却する必要がない箇所であって充填材が上部から下部へ流れ出る箇所では、図１３に示すように冷却管３０７よりも小径のグラウトホースＧを冷却管３０７端部に連結するとよい。これにより、冷却管３０７内における充填材の自由落を防止することができ、その結果、冷却管３０７の未充填部をなくすことができる。なお、冷却管３０７の流入口と排出口は、インバートコンクリート部分に設けるとよい。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本願発明のコンクリート部分冷却方法、及び循環冷却システムは、トンネル覆工コンクリートや、橋梁の上部工・下部工、擁壁、カルバート、ダムといった土木構造物、あるいは集合住宅やオフィスビルといった建築構造物、その他種々のコンクリート構造物に利用することができる。本願発明が、温度ひび割れの少ない、いわば高品質のコンクリート構造物を提供することを考えれば、産業上利用できるばかりでなく社会的にも大きな貢献を期待し得る発明といえる。
【符号の説明】
【００５９】
１００  対象コンクリート
１１０  （対象コンクリートのうちの）冷却範囲
１２０  （対象コンクリートのうちの）非冷却範囲
２００  拘束体
３００  本願発明の循環冷却システム
３０１  （循環冷却システムの）解析手段
３０２  （循環冷却システムの）圧送手段
３０３  （循環冷却システムの）冷媒冷却手段
３０４  （循環冷却システムの）リターンタンク
３０５  （循環冷却システムの）送水管
３０６  （循環冷却システムの）排水管
３０７  （循環冷却システムの）冷却管
Ｈ      解析上の冷却範囲
Ｓ      ソケット
Ｎ      ニップル
Ｖ      逆止弁
Ｇ      グラウトホース
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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