(57)【要約】【課題】プレストレストコンクリート床版のプレストレスを１方向とした場合でも、普通コンクリートを用いたプレストレストコンクリート床版と同等、或いは、それ以上の耐荷性能を期待することができる繊維補強軽量コンクリートを提供する。【解決手段】ベースコンクリートに有機繊維が混入されてなる繊維補強コンクリートであって、ベースコンクリートが、軽量骨材を使用した軽量コンクリートであり、軽量骨材の最大粒径よりも大きな繊維長を有し、ベースコンクリート自体の（即ち、有機繊維を混入せずにベースコンクリートを硬化させた場合の）弾性係数よりも大きな弾性係数を有する有機繊維が、ベースコンクリートに対し、体積比で０．２５〜０．７５％混入されていることを特徴としている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースコンクリートに有機繊維が混入されてなる繊維補強コンクリートであって、
前記ベースコンクリートが、軽量骨材を使用した軽量コンクリートであり、
前記軽量骨材の最大粒径よりも大きな繊維長を有し、前記ベースコンクリート自体の弾性係数よりも大きな弾性係数を有する有機繊維が、前記ベースコンクリートに対し、体積比で０．２５〜０．７５％混入されていることを特徴とする繊維補強軽量コンクリート。
【請求項２】
前記ベースコンクリートが、設計上の圧縮強度４０〜６０Ｎ／ｍｍ2、単位重量１７００〜１９００ｋｇ／ｍ3であることを特徴とする、請求項１に記載の繊維補強軽量コンクリート。
【請求項３】
前記有機繊維の繊維長が２０ｍｍ以上であることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の繊維補強軽量コンクリート。
【請求項４】
前記有機繊維の弾性係数が２０ｋＮ／ｍｍ2以上であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の繊維補強軽量コンクリート。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の繊維補強軽量コンクリートを用いたことを特徴とするプレストレストコンクリート床版。
【請求項６】
ベースコンクリートに有機繊維が混入されてなる繊維補強コンクリートであって、
前記ベースコンクリート自体が、普通骨材を用いたコンクリートよりも、せん断耐力又は破壊エネルギーが低いコンクリートであり、
前記ベースコンクリートに用いられる粗骨材の最大粒径よりも大きな繊維長を有し、前記ベースコンクリート自体の弾性係数よりも大きな弾性係数を有する有機繊維が、前記ベースコンクリートに対し、体積比で０．２５〜０．７５％混入されていることを特徴とする繊維補強コンクリート。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軽量骨材を使用した軽量コンクリートに関し、特に、有機繊維を混入させることによって耐荷性能を向上させ、プレキャスト製のプレストレストコンクリート床版を薄肉軽量化することができる繊維補強軽量コンクリート、並びに、この繊維補強軽量コンクリートを使用したプレストレストコンクリート床版に関する。
【背景技術】
【０００２】
橋梁等のコンクリート床版が老朽化した場合、床版の取替工事が実施されることになるが、新旧の設計基準との関係で、次のような問題が生じることがある。コンクリート床版の旧設計基準においては、現行基準よりも小さい床版厚での設計が認められていたため、取替工事の対象となる既設コンクリート床版が、現行基準よりも小さい床版厚で設計されている場合、この既設床版を、現行基準に沿って設計された床版厚の大きい（即ち、重量も大きい）新規のコンクリート床版と取り替えると、死荷重の増大によって上部工主桁や下部工の耐力が不足してしまい、その結果、床版取替工事に先立って、上部工主桁等の補強工事が必要になり、工期や施工費用が増大してしまう可能性がある。
【０００３】
このような問題への対策として、コンクリート床版を軽量化することが考えられる。新規に設置するコンクリート床版を、軽量骨材を使用した軽量コンクリートで構成することにより軽量化することができれば、主桁や下部工における耐力不足の問題、及び、追加補強工事による工期や施工費用の増大という問題を回避できる可能性がある。
【０００４】
但し、軽量コンクリートを用いたコンクリート床版は、現在主流となっている普通コンクリートを用いたプレストレストコンクリート床版と比較して耐荷性能において劣っており、この点で更なる対策が必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−１１９１１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
例えば、軽量コンクリートを用いることで軽量化できる分（但し、主桁や下部工における耐力不足の問題が生じない範囲で）、床版厚を大きくすることにより、耐荷性能を向上させることが考えられる。しかしながら、床版取替工事においては、路面高さ等の関係から、床版厚を大きくすることができない場合がある。
【０００７】
また、軽量コンクリートに対しプレストレスを導入する際、１方向だけでなく、２方向（橋軸方向及び横断方向）に導入することにより、床版の押抜きせん断耐荷力を向上させる方法も考えられるが、２方向にＰＣ鋼材を配置すると、床版厚を十分に薄くできないばかりか、施工の手間が増え、工期も長期化してしまうという問題がある。
【０００８】
本発明は、このような従来技術における問題を解決しようとするものであって、プレストレストコンクリート床版のプレストレスを１方向とした場合でも、普通コンクリートを用いたプレストレストコンクリート床版と同等、或いは、それ以上の耐荷性能を期待することができる繊維補強軽量コンクリート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】
【０００９】
本発明に係る繊維補強軽量コンクリートは、ベースコンクリートに有機繊維が混入されてなる繊維補強コンクリートであって、ベースコンクリートが、軽量骨材を使用した軽量コンクリートであり、軽量骨材の最大粒径よりも大きな繊維長を有し、繊維混入によるコンクリートの弾性係数の低下を回避するために、ベースコンクリート自体の（即ち、有機繊維を混入せずにベースコンクリートを硬化させた場合の）弾性係数よりも大きな弾性係数を有する有機繊維が、ベースコンクリートに対し、体積比で０．２５〜０．７５％混入されていることを特徴としている。
【００１０】
尚、ベースコンクリートは、設計上の圧縮強度４０〜６０Ｎ／ｍｍ2、単位重量１７００〜１９００ｋｇ／ｍ3であることが好ましく、また、有機繊維は、繊維長が２０ｍｍ以上（２０〜１００ｍｍ）で、弾性係数が２０ｋＮ／ｍｍ2以上であることが好ましい。
【００１１】
また、本発明に係る繊維補強コンクリートは、ベースコンクリートに有機繊維が混入されてなるものであって、ベースコンクリート自体が、普通骨材を用いたコンクリートよりも、せん断耐力又は破壊エネルギー（即ち、有機繊維を混入せずにベースコンクリートを硬化させた場合のせん断耐力又は破壊エネルギー）が低いコンクリートであり、ベースコンクリートに用いられる粗骨材の最大粒径よりも大きな繊維長を有し、ベースコンクリート自体の（即ち、有機繊維を混入せずにベースコンクリートを硬化させた場合の）弾性係数よりも大きな弾性係数を有する有機繊維が、前記ベースコンクリートに対し、体積比で０．２５〜０．７５％混入されていることを特徴としている。
【００１２】
また、本発明に係るプレストレストコンクリート床版は、上記繊維補強軽量コンクリートを用いたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る繊維補強軽量コンクリートは、有機繊維を適切な割合でベースコンクリートに混入させることにより、耐荷性能を大幅に向上させることができ、これをプレストレストコンクリート床版に適用した場合には、導入するプレストレスを１方向とした場合でも、普通コンクリートを用いたプレストレストコンクリート床版と同等、或いは、それ以上の耐荷性能を得ることができる。従って、プレストレストコンクリート床版を薄肉軽量化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明に係る繊維補強軽量コンクリート等に関する圧縮強度試験の結果を示すグラフである。
【図２】図２は、本発明に係る繊維補強軽量コンクリート等に関する圧縮強度と弾性係数の関係を示すグラフである。
【図３】図３は、比較例４と本発明２の破壊エネルギーの算出結果（荷重−ひび割れ開口変位（ＣＭＯＤ）曲線）を示すグラフである。
【図４】図４は、有機繊維を０．５％混入した本発明２（ＦＬ２）の「荷重−ＣＭＯＤ曲線」（図３）の測定データから多曲線近似法により算出した引張軟化曲線である。
【図５】図５は、比較例５，６、及び、本発明３，４についての解析結果（荷重−変位関係）を示すグラフである。
【図６】図６は、比較例５，６、及び、本発明３，４についての解析結果（最大主ひずみ−荷重関係）を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、「繊維補強軽量コンクリート」又は「繊維補強コンクリート」として実施することができるほか、これらのコンクリートを使用した「プレストレストコンクリート床版」として実施することができる。以下、本発明の実施形態について、それぞれ説明する。
【００１６】
本発明の第一実施形態に係る「繊維補強軽量コンクリート」は、ベースコンクリートに対し、補強繊維として有機繊維が混入されていることを特徴とするものである。本実施形態においては、ベースコンクリートとして、軽量骨材（最大粒径１５ｍｍ）を使用することにより、設計上の圧縮強度が４０〜６０Ｎ／ｍｍ2、単位重量が１７００〜１９００ｋｇ／ｍ3となるように調整した軽量コンクリートを使用している。
【００１７】
また、本実施形態においては、軽量骨材の最大粒径よりも大きな繊維長（具体的には、２０ｍｍ以上、最長で１００ｍｍ程度）を有し、軽量コンクリートの弾性係数よりも大きな弾性係数（具体的には、２０ｋＮ／ｍｍ2以上）を有する有機繊維（例えば、弾性係数の標準値が２３ｋＮ／ｍｍ2のＰＶＡ繊維等）が、ベースコンクリート（軽量コンクリート）に対し、体積比で０．２５〜０．７５％混入されている。
【００１８】
設計上の圧縮強度が５０Ｎ／ｍｍ2の標準的な軽量コンクリート（軽量１種）の弾性係数は、２０ｋＮ／ｍｍ2程度であり、これよりも大きな弾性係数を有する有機繊維を補強繊維として混入することにより、耐荷性能の向上効果を期待することができる。
【００１９】
尚、ベースコンクリートは、軽量コンクリートには限定されず、普通骨材を用いたコンクリートよりも、せん断耐力又は破壊エネルギーが低いコンクリートをベースコンクリートとすることもでき、この場合も、ベースコンクリートに用いられる粗骨材の最大粒径よりも大きな繊維長を有し、ベースコンクリート自体の弾性係数よりも大きな弾性係数を有する有機繊維を、ベースコンクリートに対し、体積比で０．２５〜０．７５％混入させることにより、普通骨材を用いたコンクリートよりも高い耐荷性能を得ることができる。
【００２０】
本発明の第二実施形態に係る「プレストレストコンクリート床版」は、繊維補強軽量コンクリートを用いたことを特徴としている。より具体的には、この床版は、第一実施形態において説明したような繊維補強軽量コンクリートに対し、プレテンション方式又はポストテンション方式によりプレストレスを導入することによって形成されている。
【００２１】
本実施形態のプレストレストコンクリート床版は、ベースコンクリートとして軽量コンクリートを用いることにより、普通コンクリートのプレストレストコンクリート床版よりも、軽量化することができ、また、プレストレスを１方向のみに導入した場合でも、ベースコンクリートに有機繊維を混入させることにより、
普通コンクリートを用いたプレストレストコンクリート床版と同等、或いは、それ以上の耐荷性能を期待することができる。
【実施例】
【００２２】
以下、本発明の発明者らが行った各種試験の結果を、本発明の実施例として説明する。
【００２３】
まず、下記の表１に示すような配合により、６種類のコンクリートの供試体（比較例１，２、本発明１、比較例３，４、本発明２）を製作した。具体的には、比較例１は、普通コンクリートのプレストレストコンクリート（プレテンション方式）用の標準的な配合であり、比較例２〜４、及び、本発明１，２は、粗骨材として人工軽量骨材を用いた軽量コンクリートのプレストレストコンクリート用の配合となっている。
【００２４】
尚、６種類のコンクリートのすべてにおいて、セメントとして密度３．１３ｇ／ｃｍ3の早強ポルトランドセメントを使用し、また、細骨材として表乾密度２．６４ｇ／ｃｍ3の砕砂を使用した。粗骨材としては、比較例１においては、表乾密度２．６６ｇ／ｃｍ3の砕石を使用し、比較例２〜４、及び、本発明１，２においては、絶乾密度１．２９ｇ／ｃｍ3、含水率２％以下の人工軽量骨材を使用した。水セメント比は、比較例１〜３、及び、本発明１においては３８．４％とし、比較例４、本発明２においては３５．４％とした。
【００２５】
ベースコンクリートのスランプについては、比較例１では１２±２．５ｃｍ、比較例２，４では１０±２．５ｃｍ、比較例３では２３±１．５ｃｍ、本発明１，２では２１±１．５ｃｍと設定し、高性能ＡＥ減水剤とＡＥ剤にて調整した。尚、空気量は、比較例１では４．５±１．５％、比較例２〜４、及び、本発明１，２においては５±１．５％とした。
【００２６】
また、本発明１，２においては、有機繊維を、コンクリート体積に対し０．５％、比較例３においては１．０％混入させた。尚、有機繊維としては、直径０．６６ｍｍ、標準長３０ｍｍ、弾性係数２３ｋＮ／ｍｍ2、破断伸度９．０％の標準物性を有するＰＶＡ繊維を使用した。ＰＶＡ繊維は、予め練り混ぜられたベースコンクリートに投入し、６０秒間練り混ぜを行った。尚、繊維混入後のスランプは、本発明１，２、及び、比較例３のいずれも１０±２．５ｃｍであることを確認した。各供試体は、最高温度４５℃を４時間継続させる蒸気養生を行い、翌日の脱枠後２０℃の室内にて所定の材齢まで保管した後、各種試験を行った。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
上記表１に示す６種類のコンクリートを対象として、圧縮強度及び弾性係数を測定した。図１は、材齢１日及び７日の時点での圧縮強度の測定結果を示すグラフである。この図に示すように、繊維混入率を１．０％とした比較例３を除き、いずれも材齢１日で３５Ｎ／ｍｍ2、７日で５０Ｎ／ｍｍ2をクリアした。繊維混入率を１．０％とした比較例３は、プレストレス導入時強度（材齢１日で３５Ｎ／ｍｍ2）、及び、設計基準強度（材齢７日で５０Ｎ／ｍｍ2）を満足しなかった。この結果より、繊維混入率は、圧縮強度の観点から、１．０％未満（０．７５％以下）とすべきことが確認された。
【００２９】
図２は、圧縮強度と弾性係数の関係を示すグラフである。尚、この図において「◆」は、繊維混入率を０．０％とした比較例２の圧縮強度と弾性係数の測定結果、「○」は、繊維混入率を０．５％とした本発明１の測定結果、「×」は、繊維混入率を１．０％とした比較例３の測定結果である。また、この図には、本発明１（○）の測定結果の近似式が破線で示されているほか、土木学会が２０１２年に制定したコンクリート示方書（コン示）に示される普通骨材を用いた普通コンクリートの弾性係数が実線で、また、軽量骨材を用いた軽量コンクリートの弾性係数の実測値を近似した結果（近似式）が一点鎖線で、それぞれ示されている。
【００３０】
図２からもわかるように、比較例２，３、及び、本発明１のコンクリート供試体における圧縮強度と弾性係数の関係は、繊維混入率に関係なく一定であり、設計上の圧縮強度５０Ｎ／ｍｍ2に到達する時点における弾性係数は２０ｋＮ／ｍｍ2程度であった。尚、有機繊維として混入されているＰＶＡ繊維の弾性係数は、上述の通り２３ｋＮ／ｍｍ2であり、各供試体のコンクリートの弾性係数よりも大きい。本発明に係る「繊維補強軽量コンクリート」は、ベースコンクリートの弾性係数よりも大きな弾性係数を有する有機繊維を、ベースコンクリートに対して混入することが一つの要件となっているところ、本発明１のコンクリート供試体は、この要件を満たしていることになる。
【００３１】
次に、上記表１に示す比較例４と本発明２を対象として、（一社）日本コンクリート工学会（ＪＣＩ）によって定められている「ＪＣＩ基準」の一つである「切欠きはりを用いたコンクリートの破壊エネルギー試験方法（ＪＣＩ−Ｓ−００１）」を実施し、破壊エネルギー及び引張軟化曲線を算出した。
【００３２】
図３は、比較例４と本発明２の破壊エネルギーの算出結果（荷重−ひび割れ開口変位（ＣＭＯＤ）曲線）を示すグラフである。有機繊維を混入していない比較例４（Ｌ２）の破壊エネルギーは８９Ｎ／ｍ、一方、有機繊維を０．５％混入した本発明２（ＦＬ２）の破壊エネルギーは２７３Ｎ／ｍとなった。尚、このグラフから、有機繊維を混入した場合、コンクリートにひび割れが発生した後もコンクリートに荷重が残存することがわかる。この試験結果より、繊維混入による効果（耐荷性能向上効果）が確認された。
【００３３】
図４は、有機繊維を０．５％混入した本発明２（ＦＬ２）の「荷重−ＣＭＯＤ曲線」（図３）の測定データから多曲線近似法により算出した引張軟化曲線である。この結果より、繊維補強軽量コンクリートの残存引張強度を算出すると０．３Ｎ／ｍｍ2となり、耐荷性能を解析的に評価するための繊維混入による効果を定量的に把握した。
【００３４】
次に、上記試験結果（図１〜図４に示した測定データ及び算出データ）を用いて、下記の表２に示す４種類のプレストレストコンクリート床版の解析モデル（比較例５，６、及び、本発明３，４）を設定し、ＰＣ鋼材の緊張力を１０００Ｎ／ｍｍ2とした場合における非線形ＦＥＭ解析を実施した。尚、各解析モデルは、幅３．６ｍ、長さ４．８ｍ、高さ１７ｃｍの矩形断面を有する床版部材に、ＰＣ鋼材１５．２ｍ（ＳＷＰＲ７ＢＬ）を長さ方向の断面に３６本配置する構成とした。
【００３５】
【表２】
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【００３６】
図５は、上記表２の比較例５，６、及び、本発明３，４についての解析結果（荷重−変位関係）を示すグラフである。このグラフに示される通り、普通コンクリート（繊維混入なし）を用いた比較例５（ＰＡ−Ｎ）の耐力（最大荷重）が約８００ｋＮであったのに対し、軽量コンクリート（繊維混入なし）を用いた比較例６（ＰＡ−ＬＬ）の耐力は６１０ｋＮとなり、比較例５よりも低い結果となった。一方、有機繊維（ＰＶＡ繊維）を混入させた繊維補強軽量コンクリートを用いた本発明３（ＰＡ−ＬＬＦ）、及び、本発明４（ＰＡ−ＬＬＦ０２５）の耐力は、いずれも８００ｋＮを大幅に上回る結果となり、有機繊維を適切な割合で混入させることにより、耐荷性能を大幅に向上させることができることが確認された。
【００３７】
図６は、上記表２の比較例５，６、及び、本発明３，４についての解析結果（最大主ひずみ−荷重関係）を示すグラフである。このグラフから、繊維補強軽量コンクリートを用いた本発明３（ＰＡ−ＬＬＦ）、及び、本発明４（ＰＡ−ＬＬＦ０２５）のプレストレストコンクリート床版の耐力が、普通コンクリートを用いた比較例５（ＰＡ−Ｎ）のプレストレストコンクリート床版の耐力を上回るには、最大主ひずみ２００００×１０−６（２．０％）まで破壊に至らないことが条件であることがわかる。
【００３８】
尚、これらの解析結果（図５及び図６のグラフ）によると、ＰＶＡ繊維をコンクリート体積に対し０．２５％混入させた本発明４（ＰＡ−ＬＬＦ０２５）は、普通コンクリートを用いた比較例５（ＰＡ−Ｎ）の耐力（８００ｋＮ）を十分上回るものの、荷重が８００ｋＮを超えたあと、最大主ひずみが急増していることがわかる（図６参照）。混入したＰＶＡ繊維の破断によって耐荷力が決定されると考えられる。このため、有機繊維としてＰＶＡ繊維を添加する場合、繊維混入率の下限値は、０．２５％となることがわかった。
【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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