(57)【要約】【課題】耐火材のセグメントからの剥離をなくし、強固にセグメントと一体化された耐火層を有するトンネル用耐火セグメント及びその製造方法を得る。【解決手段】トンネル用コンクリートセグメントにおいて、該セグメント表面に耐火モルタルの被覆層を化学結合により一体的に積層することを特徴とするトンネル用耐火セグメント。前記耐火モルタルが急硬材を添加した急硬性耐火モルタルであることを特徴とするトンネル用耐火セグメントである。【選択図】　　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネル用コンクリートセグメントにおいて、該セグメント表面に耐火モルタルの被覆層を化学結合により一体的に積層することを特徴とするトンネル用耐火セグメント。
【請求項２】
前記耐火モルタルが急硬材を添加した急硬性耐火モルタルであることを特徴とする請求項１記載のトンネル用耐火セグメント。
【請求項３】
前記急硬性耐火モルタルが前記急硬材添加１分後に貫入抵抗値が０．１Ｎ／ｍｍ２以上になる急硬性耐火モルタルであることを特徴とする請求項２記載のトンネル用耐火セグメント。
【請求項４】
前記急硬性耐火モルタルは水固形分比が１００％以下で、絶乾密度が０．４ｔ／ｍ３〜１．０ｔ／ｍ３であることを特徴とする請求項２又は３いずれか記載のトンネル用耐火セグメント。
【請求項５】
前記急硬性耐火モルタルの被覆層内には、補強金網が該金網の一部を耐火モルタル層表面より突出させ、コンクリートセグメント内に埋設させる形態で配置されていることを特徴とする請求項２〜４いずれか記載のトンネル用耐火セグメント。
【請求項６】
急硬材添加１分後に貫入抵抗値が０．１Ｎ／ｍｍ２以上になるように調整された急硬性耐火モルタルを型枠に打設し、該急硬性耐火モルタルの貫入抵抗値が０．１Ｎ／ｍｍ２以上に達した後、該急硬性耐火モルタルの上に１２０分以内にコンクリートを打設することを特徴とするトンネル用耐火セグメントの製造方法。
【請求項７】
型枠にコンクリートを打設し、コンクリートが完全に固まらないうちに耐火被覆材を前記コンクリート表面に積層することを特徴とするトンネル耐火セグメントの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トンネルの覆工体を構成するトンネル用セグメントの表面に耐火モルタル層を一体的に積層するトンネル用セグメントに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般にトンネルは、複数個のセグメントを連結することにより一次覆工構造物を構築し、この構造物の内壁に防火用二次覆工として厚さ２００〜３００ｍｍ程度のコンクリート層を形成することにより構築される。しかし、二次覆工のコンクリート層は２００〜３００ｍｍ程度の厚さを有するため、トンネル内径を縮小することになり、トンネル内空間の有効断面積が小さくなってしまい、このためこの二次覆工の厚み相当分の縮小された分だけトンネルの掘削断面積を大きくしなければならず、コストアップの一因になっている。そこで、最近、二次覆工を行わず、一次覆工構造物にコンクリート層に代えて薄層の耐火断熱層を貼り付ける耐火工法が採用されるようになった（例えば、特許文献１参照。）。この防火層が、耐火材を吹き付けて形成されるもの、耐火材を板状に形成してなる耐火パネル、該耐火パネルの外周面に鋼板を取り付けてなる二重パネル、外周側から内週側に至るに従い鋼板、石綿、耐火ボードを順次積層させてなる複合積層パネル、耐火パネルの内部にプレストレス材を設けたプレストレス付きパネルのいずれかからなるものが開示されている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−２９４０９８号公報
【特許文献２】
特開２００１−２７１５９７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
トンネル内で発生する自動車火災においては、被災時の最高温度は約１２００℃以上にも達することが知られている。従来の耐火材を板状に形成してなる耐火パネル、例えば耐火レンガ、耐火タイル、石膏ボード等の耐火材をコンクリートからなるセグメントに接着剤等で取り付ける場合は、高温になると容易に接着剤がはがれ、耐火材がコンクリートセグメントから脱落し、コンクリートセグメントの耐火には役にたたない。また、耐火パネルと鋼板からなる二重パネルもコンクリートセグメントと鋼板の接着力に問題があり、高温になると膨張係数の差で容易に剥離する。鋼板、石綿、耐火ボードからなる積層パネルも同様にその接着力に問題がある。さらに、コンクリートセグメントに耐火材としてロックウール、セラミックウール、石膏等の無機質系材料を吹き付け、又は塗布した場合も、コンクリートセグメントとの接着力が弱く容易に剥離、脱落する。本発明は上記従来の問題すなわち、耐火材のセグメントからの剥離をなくし、強固にセグメントと一体化される耐火層を有するトンネル用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。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の請求項１に係るトンネル用耐火セグメントによれば、トンネル用コンクリートセグメントにおいて、該セグメント表面に耐火モルタルの被覆層を化学結合により一体的に積層することを特徴とするトンネル用耐火セグメントを提供する。また、請求項２に係るトンネル用耐火セグメントによれば、前記耐火モルタルが、急硬材を添加した急硬性耐火モルタルであることを特徴とするものであり、請求項３に係るトンネル用耐火セグメントは前記急硬性耐火モルタルが前記急硬材添加１分後に貫入抵抗値が０．１Ｎ／ｍｍ２以上になる急硬性耐火モルタルであることを特徴とするものである。また、請求項４に係るトンネル用耐火モルタルセグメントによれば、前記急硬性耐火モルタルは、水固形分が１００％以下で、絶乾密度が０．４ｔ／ｍ３〜１．０ｔ／ｍ３であることを特徴とするものである。また、請求項５に係るトンネル用耐火セグメントによれば、前記急硬性耐火モルタルの被覆層内には、補強金網が該金網の一部を耐火モルタル層表面より突出させ、コンクリートセグメント内に埋設させる形態で配置されていることを特徴とするものである。さらに、請求項６に係るトンネル用耐火セグメントの製造方法によれば、急硬材添加１分後に貫入抵抗値が０．１Ｎ／ｍｍ２以上になるように調整された急硬性耐火モルタルを型枠に打設し、該急硬性耐火モルタルの貫入抵抗値が０．１Ｎ／ｍｍ２に達した後、該急硬性耐火モルタルの上に１２０分以内にコンクリートを打設することを特徴とするトンネル用耐火セグメントの製造方法を提供する。また、別の製造方法として、型枠にコンクリートを打設し、コンクリートが完全に固まらないうちに耐火被覆材を前記コンクリート表面に積層することを特徴とするトンネル耐火セグメントの製造方法を提供する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の具体的な実施形態を詳細に説明する。トンネル用セグメントを６０Ｎ／ｍｍ２を超える強度を有するコンクリートとした場合、トンネル内の火災によって、コンクリートが爆裂し、トンネルの機能が大きく損なわれる危険性がある。６０Ｎ／ｍｍ２を超える高強度コンクリートをトンネルの覆工に使用する場合、その表面に耐火被覆層を設けコンクリート本体の温度上昇を抑える必要がある。すなわちコンクリートの許容温度を水酸化カルシウムの脱水温度を考慮して３５０℃以下に抑える必要がある。また、前述の６０Ｎ／ｍｍ２を越えるような高強度コンクリートの場合、水酸化カルシウムの熱分解温度以下であっても、熱応力や内包する水分の蒸気化にともなう内圧の上昇により、コンクリートは亀裂、爆裂し、その強度が劣化する。したがって本発明は予めコンクリートセグメントに耐火被覆層を形成し、前記コンクリートセグメントと耐火被覆層を強固に一体化させることにより、火災時においても耐火被覆層が剥離、脱落せず、したがってコンクリートが３５０℃以下に抑制され、亀裂、爆裂等による強度の劣化を防止したトンネル用耐火セグメントおよびその製造方法を提供する。本発明のトンネル用耐火セグメントは、コンクリートセグメント表面に耐火モルタルの被覆層が化学結合により一体的に積層され形成される。すなわち、本発明のトンネル用耐火セグメントは、コンクリート及び耐火モルタルの被覆層がまだ完全に硬化しない段階で双方を接触させ、耐火モルタルとコンクリートの界面において互いのセメントペーストが化学結合（水和結合）するため一体的な構造となり、界面の付着強度が増大し、コンクリートと耐火モルタル被覆層の境界で剥離が生じにくく、またコンクリート層から耐火モルタル被覆層が脱落する可能性も少ない。
【０００７】
［第一の実施の態様］
本発明の第一の実施の態様について以下に説明する。
本発明のトンネル用耐火セグメントに使用される耐火モルタルとしては、断熱性に優れるバーミキュライト、パーライト等の発泡骨材が配合される。本発明に使用されるコンクリートは通常のコンクリートでよいが、スランプ５ｃｍ以下の固練りコンクリートが望ましい。スランプ５ｃｍ以下の固練りコンクリートを使用すると耐火モルタルの材料とコンクリートの材料が混じりあわずに、コンクリート層の上に所定厚さの耐火モルタルの被覆層を形成でき、耐火性能を確保できる。耐火モルタルの材料とコンクリートの材料が混じりあうと耐火性能が不十分になる。本発明のトンネル用耐火セグメントの製造方法について以下に説明する。
【０００８】
本発明のトンネル用耐火セグメントの製造方法は、型枠にスランプ５ｃｍ以下の固練りコンクリートを流し込み、型枠バイブレータで振動を加えて締め固める。その後コンクリートの凝結の終結となる貫入抵抗値が２８．０Ｎ／ｍｍ２になる前に耐火モルタルを打設し、コンクリート上に所定の厚みになるように積層する。以下実施例を用いてさらに詳細に説明する。
【０００９】
【実施例】
第一の実施の態様に係る発明の実施例を以下に示す。
［耐火モルタルの使用材料及び配合］
セメント
普通ポルトランドセメント　太平洋セメント社製　密度３．１５ｇ／ｃｍ３石灰石微粉末
有恒工業社製　４０００ｃｍ２／ｇ　密度２．７０ｇ／ｃｍ３
マイカ
商品名：マスコバイトマイカＣ−２０　カナダマイカ社製　嵩密度０．２　５ｇ／ｃｍ３
バーミキュライト
商品名：バーミキュライトファイン　三方商工社製　嵩密度０．０７５〜　０．１１ｇ／ｃｍ３　　３００〜３０００μｍ
混和剤　コンクリート用ＡＥ減水剤
商品名：ポゾリスＮＯ．７０　ポゾリス物産（販）
耐火モルタルの配合は表１に示す。
【００１０】
【表１】
2004003285.tif 000002
【００１１】
［コンクリートの使用材料及び配合］
セメント
普通ポルトランドセメント　太平洋セメント社製　密度３．１５ｇ／ｃｍ３細骨材
陸砂　表乾比重２．６５　吸水率１．６３％　ＦＭ２．８８
粗骨材
硬質砂岩　表乾比重２．６５　吸水率０．９０％　ＦＭ６．５０
高炉スラグ微粉末
第一セメント社製　比重２．９１　４０００ｃｍ２／ｇ
高性能ＡＥ減水剤
ポゾリス物産社製　ＳＰ８Ｓ−ＢＳｘ２
コンクリートの配合を表２に示す。
【００１２】
【表２】
2004003285.tif 000003
【００１３】
［実験］
上記材料及び配合のスランプ５ｃｍ以下、絶乾密度２．３ｔ／ｍ３の固練りコンクリートを３０×３０×３０ｃｍの型枠に流し込み、型枠バイブレータで振動を加えて締め固めた。その後所定の時間経過後に上記材料及び配合からなる耐火モルタルをコンクリートの上に厚さ３０ｍｍに吹き付け施工して成形体を製造した。成形体製造３ヶ月後に以下の試験を行った。
【００１４】
［付着強度試験］
４×４ｃｍの鋼製アタッチメントを耐火モルタル上にエポキシ系の接着剤を用いて貼り付けた後、建研式の引っ張り試験機を用いて付着強度を測定した。
［耐火試験］
耐火モルタル面を耐火炉にセットし、耐火炉の温度を点火後５分で１２００℃まで上げ、以後１２００℃を５５分間継続後、常温までの冷却時間１１０分のサイクルをかけ、耐火モルタルとコンクリートの界面にセットした熱電対で温度履歴を測定した。これらの結果を表３に示す。
【００１５】
【表３】
2004003285.tif 000004
【００１６】
表３の結果から、本発明のトンネル用耐セグメントにおいては、コンクリート層と耐火モルタル層が強固に積層され、界面で耐火モルタル層の剥離や、コンクリート層からの脱落等が起こらず、また、コンクリート層の表面温度は２０２℃以下に抑えられるので、コンクリート層が亀裂、爆裂等により劣化するのを防止できる。
【００１７】
［第二の実施の態様］
次に第二の実施態様に関して説明する。
本発明において、急硬性耐火モルタルとは、モルタル中に空隙が多く急硬性かつ断熱性のあるモルタルのことで、バーミキュライト、パーライト等の軽量骨材を用いたもの、または空気連行剤等により含有気泡量が多いモルタルのことである。該急硬性耐火モルタルのベースは、一般にセメント、石灰石粉末、マイカ、バーミキュライトの混合物から造られる。セメントは用途によりどのような種類のセメントを用いてもかまわないが、普通セメントが汎用的で入手が容易で好ましい。石灰石粉末やマイカは、モルタルのプラスチシチー向上のために用いられる粉体で、フライアッシュ、高炉スラグ、シリカフュームなどの他の粉体でもかまわない。バーミキュライトは軽量骨材で、これに代えてパーライトなどの軽量骨材を用いることも可能である。これらの固形分混合物に通常水５０重量部から１００重量部を加えて練り混ぜる。本発明ではこのベースの耐火モルタルに急硬材を添加して、耐火モルタルに急硬性を付与する。本発明において、急硬性耐火モルタルとは、急硬材添加１分後に貫入抵抗値が０．１Ｎ／ｍｍ２以上の強度に達するものをいう。
【００１８】
急硬性耐火モルタルを製造するにあたり、重要なことは、その絶乾密度が０．４ｔ／ｍ３〜１．０ｔ／ｍ３に調整されていることである。さらにはその水固形分比が１００％を越えないことである。耐火モルタルの絶乾密度が１．０ｔ／ｍ３を越える場合、断熱性能が劣り所定の耐火性能を発揮することが難しい。また、０．４ｔ／ｍ３を下回ると空隙が多くなりすぎ耐久性が劣り実用に耐え得ない。また、水固形分比が１００％を越えると硬化物が緻密に組織化せず、耐久性が劣り、実用に耐えない。絶乾密度が０．４ｔ／ｍ３〜１．０ｔ／ｍ３に調整する方法は、いろいろあるが一例としては普通セメント４５〜５５％、バーミキュライト（粒径５ｍｍ以下、０．６ｍｍ以上、嵩密度０．１８ｋｇ／ｌ）１５〜２５％、石灰石微粉末（粒径０．１５ｍｍ以下）１２〜２２％、マイカ（粒径５ｍｍ以下、０．６ｍｍ以上）７〜１７％の混合物を水混合物比０．５〜１．０とすることで得られる。この組成は特に限定されるものではなく、バーミキュライトに代えて他の軽量骨材、例えばパーライトなどを用いても良い。その場合、軽量骨材の嵩密度がバーミキュライトより大きい場合は、含有量を高めて混合物の密度を所定の範囲内に収める必要がある。また、空気連行剤を添加しても良い。
【００１９】
急硬材は、液体では珪酸ナトリウム、アルミン酸ナトリウム、粉体ではカルシウムアルミネート鉱物粉砕物などがある。一般にセメント用急結材、急硬材として使用されているものであればどのようなものでも使用可能である。急硬材の添加量は、急硬材添加１分後に貫入抵抗値が０．１Ｎ／ｍｍ２を上回るように調整する。一例を示すとセメントに対し、カルシウムアルミネート系のもので１％から１５％、珪酸ナトリウム、アルミン酸ナトリウム系のもので１％から１０％である。
【００２０】
次に本発明のトンネル用耐火セグメントの製造方法について説明する。急硬性耐火モルタルの型枠への打設方法は、ミキサー等にて急硬材とベースの耐火モルタルを練り混ぜ流し込んでも、また、耐火モルタルを練り混ぜ、ポンプ圧送し、空気圧で吹き入れてもよい。この場合、急硬材は吹き付けノズル部で耐火モルタルに注入すると良い。ノズル部で急硬材を注入しながら耐火モルタルを吹き入れて打設する方法は、モルタルの可使時間の調整がいらず、また、ミキサーなどの器具洗浄回数を減らせ効率的である。
【００２１】
急硬耐火モルタルの貫入抵抗値が０．１Ｎ／ｍｍ２に達した後、コンクリートは１２０分以内に打ち込むのが良い。１２０分を過ぎると先に打設した急硬性耐火モルタルの表面が乾燥硬化し、後から打設するコンクリートと一体的に付着することが妨げられる。すなわち急硬性耐火モルタルの貫入抵抗値が０．１Ｎ／ｍｍ２に達した後、１２０分以内にコンクリートを打設すると、急硬性耐火モルタル表面はまだ完全に乾燥硬化しておらず、後から打設するコンクリートとの間で水和反応が起き、急硬性耐火モルタル表面とコンクリートは化学結合により強固に結合される。したがって急硬性耐火モルタルはコンクリートと完全に一体化し、急硬性耐火モルタルがコンクリートから剥離することはまったくない。後から打設するコンクリートは通常のコンクリートであり、特に限定されない。
【００２２】
一般に、急硬性耐火モルタル層の厚さは２０ｍｍから８０ｍｍ程度であるので、トンネル内空間の有効断面積を大きく減少させることはない。
【００２３】
また、型枠内に予め補強のための金網を設置してから急硬性耐火モルタルを打ち込むと急硬性耐火モルタル層の補強に役立つ。さらに、この補強金網に適当な山折り等をつけ、急硬性耐火モルタル層表面から金網の一部を突出させると、後から打設するコンクリート側に山折り等の上部が入り込みコンクリートセグメント内に埋設され、より強固にモルタル層とコンクリートが一体化される。
【００２４】
また、別の製造方法として、型枠にコンクリートを打設し、コンクリートの表面が完全に硬化せず、半硬化の状態で、コンクリート表面に耐火被覆材を打設する方法がある。この方法では、コンクリート表面が完全に硬化せず半硬化の状態で耐火被覆材をコンクリート表面に注入し積層するので、コンクリートの表面近傍でコンクリートの材料と耐火被覆材料が混ざり、まだ未反応のセメント粒子と耐火被覆材の粒子が混ざり結合して、化学反応を起こし硬化するので、コンクリート層と耐火被覆層の境界がなくなり、強固にコンクリート層と耐火被覆層が一体化する。したがって、トンネル内の火災により高温になっても耐火被覆層がコンクリート層から剥離しにくく、また、材質が同じなのでコンクリートが熱膨張しても熱膨張係数の差が小さく、脱落、剥離しにくい。
【００２５】
【実施例】
普通セメント５２重量部、バーミキュライト１８重量部、石灰石微粉末１７．５重量部、マイカ１２重量部、混和剤０．５重量部よりなるベース耐火モルタルに表１に示す水を加え、練り混ぜた後、ポンプ圧送し、３０×３０×３０ｃｍの型枠内に５ｃｍの厚さに吹き入れた。このとき吹き付けガン部分で空気圧にて表１に示す急硬材を添加した。吹き付け終了後１分で、貫入抵抗値が０．１Ｎ／ｍｍ２以上であることを確認し、その２分後スランプ１８ｃｍ、絶乾密度２．３ｔ／ｍ３の普通コンクリートを上から流し込み、型枠バイブレータで振動を加えて締め固めた。使用材料を以下に示す。
【００２６】
［使用材料］
セメント
普通ポルトランドセメント　太平洋セメント社製　密度３．１５ｇ／ｃｍ３石灰石微粉末
有恒工業社製　４０００ｃｍ２／ｇ　密度２．７０ｇ／ｃｍ３
マイカ
商品名：マスコバイトマイカＣ−２０　カナダマイカ社製　嵩密度０．２　５ｇ／ｃｍ３
バーミキュライト
商品名：バーミキュライトファイン　三方商工社製　嵩密度０．０７５〜　０．１１ｇ／ｃｍ３　　３００〜３０００μｍ
混和剤　コンクリート用ＡＥ減水剤
商品名：ポゾリスＮＯ．７０　ポゾリス物産（販）
急硬剤
ＣＡ：カルシウムアルミネート系　太平洋ショットマスター　太平洋マテリ　アル社製
ＬＡ：アルミン酸カルシウム系　ＱＰ８８　ポゾリス物産（販）
【００２７】
次に、この成形体を９１日室内で養生した後、急硬耐火モルタル面を耐火炉にセットし、耐火炉の温度を点火後５分で１２００℃まで上げ、以後１２００℃を５５分間継続後、常温までの冷却時間１１０分のサイクルをかけ、急硬性耐火モルタル表面から５ｃｍ（平面中央）の深さ位置にセットした熱電対で温度履歴を測定した。この結果を表４に示す。
【００２８】
【表４】
2004003285.tif 000005
【００２９】
表１の結果から急硬材添加１分後の貫入抵抗値が０．１Ｎ／ｍｍ２以下の比較例１〜３の場合、急硬性耐火モルタルと後から打設したコンクリートが混ざり合い、急硬性耐火モルタルの耐火性能が落ちる。これはモルタル中の空隙量が減少するためと考えられる。急硬材添加１分後の貫入抵抗値が０．１Ｎ／ｍｍ２以上の実施例１〜３では、急硬性耐火モルタルがある程度硬化しているため、後から打設するコンクリートと混ざり合わず、したがって急硬性耐火モルタル中の空隙が減少することなく、かつ急硬性耐火モルタル表面とコンクリートは強固に化学結合し一体化される。このようにして作られた本発明のトンネル用耐火セグメントは十分な耐火性能を発揮し、１２００℃に加熱しても急硬性耐火モルタルの表面から５ｃｍの深さの位置にセットされた熱電対に記録された最高温度は８５℃を越えず、急硬性耐火モルタル層が薄くても、トンネルの耐火材として非常に優れた効果を発揮することが確認された。
【００３０】
【発明の効果】
本発明のトンネル用耐火セグメントによれば、耐火モルタル被覆層により、トンネル内の最高温度が１２００℃を越えるような火災の場合でも、耐火モルタルにより、断熱され、コンクリートセグメントに熱が伝わらず、コンクリートセグメントが３５０℃以上となることがないので、コンクリートが劣化せず、トンネル構造体として機能が維持される。また、耐火モルタルと、コンクリートセグメントは化学結合により強固に一体化され、高温になっても耐火モルタルがコンクリートセグメントから脱落、剥離することがないので、コンクリートセグメントの強度は劣化しない。さらに本発明のトンネル用耐火セグメントは、セグメント表面に被覆される耐火モルタル層が従来のコンクリートによる二次覆工に比べて薄層なので、トンネル内空間の有効断面積を少し小さくするだけなので、掘削断面積を大きくする必要がなく、コストを抑えることができる。