(57)【要約】【課題】膨張材や収縮低減剤等の混和材料の添加量に応じて、コンクリートに生ずる応力を定量的に評価できるようにする。【解決手段】膨張材や収縮低減剤等の収縮を低減させるための混和材料が添加されたコンクリートに生ずる応力を評価するための応力評価装置１０は、前記混和材料のコンクリートへの添加量が入力される入力装置２２と、前記混和材料が添加されたコンクリートに生ずる応力の時間変化と、前記混和材料の添加量との関係を表す情報を記憶するための記憶装置１８と、前記入力された添加量と、前記記憶された情報とに基づいて、前記コンクリートに生じる応力を計算するＣＰＵ１６と、を備える。【選択図】      図１
2005017040.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
収縮を低減させるための混和材料が添加されたコンクリートに生ずる応力を評価するための装置であって、
前記混和材料のコンクリートへの添加量を入力するための入力手段と、
前記混和材料が添加されたコンクリートに生ずる応力の時間変化と、前記混和材料の添加量との関係を表す情報を記憶するための記憶手段と、
前記入力された添加量と、前記記憶手段に記憶された情報とに基づいて、前記コンクリートに生じる応力を計算する計算手段と、を備えることを特徴とするコンクリートの収縮応力評価装置。
【請求項２】
前記混和材料は、膨張材および収縮低減剤を含むことを特徴とする請求項１記載のコンクリートの応力評価装置。
【請求項３】
前記記憶手段に記憶される情報は、
コンクリートの乾燥開始前において、前記膨張材の添加量と前記膨張材による膨張ひずみとの関係を表す第１の情報と、
コンクリートの乾燥開始後において、前記膨張材および前記収縮低減剤の夫々の添加量と、前記膨張材および前記収縮低減剤の双方の収縮効果を含んだコンクリートの自由収縮ひずみとの関係を表す第２の情報と、を含むことを特徴とする請求項２記載のコンクリートの応力評価装置。
【請求項４】
前記第１の情報は、乾燥開始前の膨張材によるひずみεｅｘを表す第１の関係式
εｅｘ（ｔ）＝εα・α・［１−ｅｘｐ｛−ａｅｘ・（ｔ−ｔｓ）ｂｅｘ｝］×１０−６
の係数である
εα：単位膨張材当りの最終膨張量（μｍ／（ｋｇ／ｍ３））
ｔｓ：膨張開始材齢（凝結終結時間）（日）
ａｅｘ，ｂｅｘ：膨張速度に関する係数を含み、
前記第２の情報は、乾燥開始後のひずみεｃｓを表す第２の関係式
2005017040.tif 000006
の係数である
ｔ０：乾燥開始時の材齢（日）、
εｓｈ：膨張材・収縮低減剤の無添加のコンクリートの最終収縮量、
ｃｅｘ，ｄｅｘ，ｃｓｒ，ｄｓｒ：膨張材，収縮低減剤による収縮速度低減に関する係数、
ｇｅｘ，ｈｅｘ，ｇｓｒ，ｈｓｒ：膨張材，収縮低減剤による最終収縮量低減に関する係数、を含み、
前記計算手段は、前記第１の式および前記第１の情報に基づいてコンクリートの乾燥開始前のひずみεｅｘを計算し、前記第２の式および前記第２の情報に基づいてコンクリートの乾燥開始後のひずみεｓｒを計算し、それらのひずみεｅｘ，εｓｒに基づいて応力σを計算することを特徴とする請求項３記載のコンクリートの収縮応力評価装置。
【請求項５】
有効ひずみ率ηを用いて、εｅｆｆ，ｅｘ＝η・εｅｘを計算し、このεｅｆｆ，ｅｘとεｓｒとに基づいて応力σを計算することを特徴とする請求項４記載のコンクリートの収縮応力評価装置。
【請求項６】
収縮を低減させるための混和材料が添加されたコンクリートに生ずる応力を評価するための方法であって、コンピュータが、
前記混和材料のコンクリートへの添加量が入力されるステップと、
前記混和材料が添加されたコンクリートに生ずる応力の時間変化と、前記混和材料の添加量との関係を表す情報が記憶されたステップと、
前記入力された添加量と、前記記憶された情報とに基づいて、前記コンクリートに生じる応力を計算するステップと、を実行することを特徴とするコンクリートの応力評価方法。
【請求項７】
請求項６記載の方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。
【請求項８】
請求項７記載のプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、膨張材や収縮低減剤等の収縮を低減させるための混和材料が添加されたコンクリートに生ずる応力を評価するためのシステムおよび方法、この方法をコンピュータに実行させるためのプログラム、このプログラムを記録した記録媒体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コンクリートはその打設後に各種要因の収縮によって発生する引張応力のためにひび割れを起こすことがある。例えば、マスコンクリートでは、水和発熱後の温度降下によるひび割れが起き易く、また、薄肉コンクリート部材では乾燥収縮によるひび割れが起き易い。さらに、高強度・高粉体コンクリートではセメント粒子自体の自己収縮によるひび割れが起き易い。
【０００３】
従来、このようなコンクリートの収縮によるひび割れを防止するため、膨張材や収縮低減剤が用いられている。膨張材には、ＣＳＡ系や石灰系のものがあり、何れも、コンクリートを膨張させて圧縮応力を発生させることで、収縮による引張応力を低減してひび割れを抑制する。また、収縮低減剤は、コンクリート細孔中の間隙水の表面張力を緩和させて、コンクリートの乾燥に伴う長期的な収縮を低減する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
コンクリートのひび割れは、コンクリートに生ずる引張応力が引張強度に近づくほど、発生し易くなる。したがって、コンクリートの収縮によるひび割れの起き易さは、収縮に伴ってコンクリートに発生する引張応力と、コンクリートの引張強度との比により評価することができる。一方、膨張材や収縮低減剤の添加による収縮応力の低減効果は、それらの添加量によって変化する。したがって、膨張材や収縮低減剤の添加量をひび割れ防止に必要な最小限の分量にしてコスト対効果を向上させるには、膨張材や収縮低減剤の添加量と、それらの添加による収縮応力低減の効果との関係を定量的に把握することが必要である。しかしながら、従来、膨張材や収縮低減剤の添加量は経験的に定められており、上記のような定量的な評価を行うことは考慮されていなかった。
【０００５】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、膨張材や収縮低減剤等の混和材料の添加量に応じて、コンクリートに生ずる応力を定量的に評価できるようにすることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明は、収縮を低減させるための混和材料が添加されたコンクリートに生ずる応力を評価するための装置であって、
前記混和材料のコンクリートへの添加量を入力するための入力手段と、
前記混和材料が添加されたコンクリートに生ずる応力の時間変化と、前記混和材料の添加量との関係を表す情報を記憶するための記憶手段と、
前記入力された添加量と、前記記憶手段に記憶された情報とに基づいて、前記コンクリートに生じる応力を計算する計算手段と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明において、前記混和材料は、膨張材および収縮低減剤を含むこととしてもよい。
【０００８】
また、前記記憶手段に記憶される情報は、コンクリートの乾燥開始前において、前記膨張材の添加量と前記膨張材による膨張ひずみとの関係を表す第１の情報と、コンクリートの乾燥開始後において、前記膨張材および前記収縮低減剤の夫々の添加量と、前記膨張材および前記収縮低減剤の双方の収縮効果を含んだコンクリートの自由収縮ひずみとの関係を表す第２の情報と、を含むこととしてもよい。
【０００９】
さらに、前記第１の情報は、膨張材による自由膨張ひずみεｅｘを表す第１の関係式
εｅｘ（ｔ）＝εα・α・［１−ｅｘｐ｛−ａｅｘ・（ｔ−ｔｓ）ｂｅｘ｝］×１０−６
の係数である
εα：単位膨張材当りの最終膨張量（μｍ／（ｋｇ／ｍ３））
ｔｓ：膨張開始材齢（凝結終結時間）（日）
ａｅｘ，ｂｅｘ：膨張速度に関する係数を含み、
前記第２の情報は、乾燥開始後の収縮量εｃｓを表す第２の関係式
2005017040.tif 000003
の係数である
ｔ０：乾燥開始時の材齢（日）、
εｓｈ：膨張材・収縮低減剤の無添加のコンクリートの最終収縮量、
ｃｅｘ，ｄｅｘ，ｃｓｒ，ｄｓｒ：膨張材，収縮低減剤による収縮速度低減に関する係数、
ｇｅｘ，ｈｅｘ，ｇｓｒ，ｈｓｒ：膨張材，収縮低減剤による最終収縮量低減に関する係数、を含むこととしてもよい。この場合、前記計算手段は、前記第１の式および前記第１の情報に基づいてコンクリートの乾燥開始前のひずみεｅｘを計算し、前記第２の式および前記第２の情報に基づいてコンクリートの乾燥開始後のひずみεｓｒを計算し、それらのひずみεｅｘ，εｓｒに基づいて応力σを計算することができる。また、有効ひずみ率ηを用いて、εｅｆｆ，ｅｘ＝η・εｅｘを計算し、このεｅｆｆ，ｅｘとεｓｒとに基づいて応力σを計算するようにしてもよい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。本実施形態では、膨張材および収縮低減剤の添加による収縮応力低減の効果を定量的にモデル化し、このモデルに基づいて、コンクリートの応力を評価する。先ず、このモデル化について説明する。
【００１１】
図１は、コンクリート打設後におけるコンクリートの温度変化（同図（ａ））および拘束状態での収縮・膨張に伴う応力の時間変化（同図（ｂ））を概略的に示す。なお、図１並びに以下の説明では、ひずみに関しては、膨張方向のひずみを正、収縮方向のひずみを負で表し、また、応力に関しては、引張応力を正、圧縮応力を負で表すものとする。また、図１（ｂ）において、実線は、温度変化に起因して生ずる応力変化を、破線は、温度変化に加えてコンクリートの乾燥および自己収縮による収縮を考慮した応力変化を、一点鎖線は、膨張材および収縮低減剤を添加した場合の応力変化を、夫々表しており、さらに、コンクリートの引張強度を２点鎖線で示している。
【００１２】
図１の期間Ｉに示すように、コンクリートの打設直後は、水和発熱により温度が上昇することで、コンクリート内に圧縮応力が生じ、この圧縮応力は、膨張材による膨張効果によりσｅｘだけ更に大きく（応力σの値は小さく）なる。時刻ｔ０において型枠を外すと、コンクリートの乾燥が開始する。このため、同図（ｂ）に破線で示すように、乾燥に伴うコンクリートの収縮により応力は引張側へ増加するが、一点鎖線で示すように、収縮低減剤の効果によって引張応力はσｓｒだけ緩和される。この応力が引張強度を超えるとひび割れが発生することになる。
【００１３】
このように、コンクリートの収縮のメカニズムは、コンクリートの乾燥開始前後で異なっている。そこで、本実施形態では、コンクリート収縮のモデル化を、コンクリートの乾燥開始前（つまり、型枠の除去前）と、乾燥開始後（つまり、型枠の除去後）とに区分して行っている。
【００１４】
先ず、コンクリートの乾燥開始前は、コンクリートのひずみが自己収縮ひずみと膨張ひずみとに分離できるものとし、無拘束の供試体について、膨張材を添加した場合と無添加の場合の膨張ひずみを実験により測定して、その結果から膨張材の添加による膨張ひずみ成分を算出した。そして、算出された膨張ひずみ成分に基づき、膨張材によって生ずる材齢ｔにおける自由膨張ひずみを次式によりモデル化した。
【００１５】
2005017040.tif 000004
ただし、
εｅｘ：膨張材による自由膨張ひずみ
ｔ：材齢（日）
α  膨張材添加量（ｋｇ／ｍ３）
εα：膨張材単位量当りの最終膨張量（μｍ／（ｋｇ／ｍ３））
ｔｓ：膨張開始材齢（凝結終結時間）（日）
ａｅｘ，ｂｅｘ：膨張速度に関する係数（例えばａｅｘ＝２．０，ｂｅｘ＝１．０）
である。
【００１６】
一方、コンクリートの乾燥開始後は、収縮低減剤による収縮低減効果が現れ始める。そこで、土木学会コンクリート標準仕方書（「コンクリート標準仕方書（性能照査編）」、２００２年、土木学会発行）における収縮の評価式をもとにして、膨張材および収縮低減剤により低減された材齢ｔにおける自由収縮ひずみを次式によってモデル化した。
【００１７】
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ただし、
εｃｓ：乾燥開始後の収縮量、
ｔ０：乾燥開始（脱型）時の材齢（日）、
β：収縮低減剤添加量（ｋｇ／ｍ３）、
εｓｈ：膨張材・収縮低減剤の無添加のコンクリートの最終収縮量、
ｃｅｘ，ｄｅｘ，ｃｓｒ，ｄｓｒ：膨張材，収縮低減剤による収縮速度低減効果に関する係数（例えば、ｃｅｘ＝０．９０，ｄｅｘ＝１／１０，ｃｓｒ＝０．９０，ｄｓｒ＝１／３）、
ｇｅｘ，ｈｅｘ，ｇｓｒ，ｈｓｒ：膨張材，収縮低減剤による最終的な収縮量低減効果に関する係数（例えば、ｇｅｘ＝０．９０，ｈｅｘ＝１／１０，ｇｓｒ＝０．８２，ｈｓｒ＝１／３）、
である。
【００１８】
ここで、上記式（１），（２）の妥当性を確認するため行った検証実験について説明する。この検証実験では、コンクリートに▲１▼膨張材を２０ｋｇ／ｍ３を添加、収縮低減剤を無添加の場合（図中に”Ｅｘ２０＋ＳＲ０”と示す）と、▲２▼膨張材を２０ｋｇ／ｍ３，収縮低減剤を３ｋｇ／ｍ３添加した場合（図中に”Ｅｘ２０＋ＳＲ３”と示す）について、無拘束状態での長さ変化率の時間変化を計測した。
【００１９】
図２は、上記検証実験による実測値と、上記式（１），（２）を用いて評価した予測値を示す。同図に示す通り、実測値とモデル式に基づく予測値はほぼ一致しており、式（１），（２）の妥当性が確認できた。
【００２０】
そこで、本実施形態では、上記式（１），（２）で計算される自由膨張ひずみεｅｘ及び自由収縮ひずみεｓｒを用いてコンクリートの収縮応力を計算する。ただし、自由膨張ひずみεｅｘについては、有効ひずみ率ηを用いて
εｅｆｆ，ｅｘ＝η・εｅｘ                            ・・・（３）
を計算し、このεｅｆｆ，ｅｘを用いて、次式（４）によりコンクリートの応力増分Δσを次式により計算する。
【００２１】
Δσ＝Ｅｅ（Δεｉ―μ・ΔＴ−Δεａｕｔ−Δεｅｆｆ．ｅｘ−Δεｃｓ）・・・（４）
ここで、
Ｅｅ：クリープを考慮した有効弾性係数
Δεｉ：実ひずみ増分
μ：線膨張係数
ΔＴ：温度増分
Δεａｕｔ：自己収縮ひずみの増分
である。
【００２２】
この応力増分Δσをコンクリート打設時点から積分することにより、各材齢における応力を計算することができる。ここで、応力増分の積分により収縮応力を計算するのは、有効弾性係数Ｅｅが時間の経過と共に変化するため、各時点での有効弾性係数Ｅｅの値を用いるようにするためである。
【００２３】
なお、実ひずみεｉはコンクリートに実際に生じている観測可能なひずみである。すなわち、コンクリートが完全に自由な状態（非拘束状態）であれば、温度変化やコンクリートの収縮に応じた量だけ自由にひずむことができるから、実ひずみεｉは、温度変化やコンクリートの膨張収縮によるひずみに等しくなる。この場合、式（４）の右辺はゼロとなり、したがって、コンクリートに生ずる応力σはゼロとなる。一方、コンクリートが完全に拘束されていれば、実ひずみεｉはゼロとなり、したがって、温度変化やコンクリートの膨張収縮によるひずみに弾性係数を乗じた値がそのまま応力σとなる。このように、実ひずみεｉにより、コンクリートの構造条件や拘束条件を指定することができる。
【００２４】
本実施形態では、上記の式（１）〜（４）を用いて、収縮応力を計算し、その計算値と、コンクリートの引張強度とに基づいて、ひび割れ発生を評価する。
【００２５】
図３は、本実施形態に係る応力評価装置１０の構成図である。同図に示すように、応力評価装置１０は、コンピュータシステム１２と、このコンピュータシステム１２にインストールされた評価プログラム１４とにより構成される。コンピュータシステム１２は、ＣＰＵ１６、ハードディスク装置等の記憶装置１８、ＣＲＴディスプレイや液晶ディスプレイ等の表示装置２０、および、マウスやキーボード等の入力装置２２を備えている。評価プログラム１４は記憶装置１８に格納されており、ＣＰＵ１６がこの評価プログラム１４を読み出して実行することにより応力評価装置１０としての機能が実現される。また、記憶装置１８には、上記式（１）〜（４）の計算に必要な各パラメータの値が記憶される。すなわち、式（１）に関するεα，ｔｓ，ａｅｘ，ｂｅｘ、式（２）に関する、εｓｈ，ｃｅｘ，ｄｅｘ，ｃｓｒ，ｄｓｒ，ｇｅｘ，ｈｅｘ，ｇｓｒ，ｈｓｒ、式（３）に関するη、式（４）に関するＥｅ，Δεｉ，μ，ΔＴ，Δεａｕｔが記憶されている。これらパラメータの値は、ユーザが任意に設定できるようになっている。
【００２６】
図４は、評価プログラム１４のフローチャートを示す。同図に示すように、先ずステップ１００において、記憶装置１８に記憶された上記各パラメータの値が読み込まれる。
【００２７】
次に、ステップ１０２において、膨張材および収縮低減剤の夫々の添加量αおよびβが入力装置２２から入力される。
【００２８】
次に、ステップ１０４において、式（１），（２）に基づいて、乾燥開始材齢ｔ０までの各時点ｔｊ（ｊ＝０，１，・・・，ｎ；ｔｎ＝ｔ０）での自由膨張ひずみεｅｘおよび乾燥開始材齢ｔ０以後の各時点ｔｊ（ｊ＝ｎ＋１，ｎ＋２，・・・，Ｎ）での自由収縮ひずみεｓｒが計算され、さらに、ステップ１０６において式（３）に基づいて、有効膨張ひずみεｅｆｆ，ｅｘが計算される。
【００２９】
次に、ステップ１０８において、隣接する２時点間の有効膨張ひずみεｅｆｆ，ｅｘおよび自由収縮ひずみεｓｒの増分Δεｅｆｆ，ｅｘ（＝εｅｆｆ，ｅｘ；ｊ＋１−εｅｆｆ，ｅｘ；ｊ）、Δεｓｒ（＝εｓｒ；ｊ＋１−εｓｒ；ｊ）が計算される。
【００３０】
次に、ステップ１１０において、式（４）に基づいて、各時点のΔσが計算され、ステップ１１２においてΔσをｔ＝０から積分累積することで、各時点での応力σ（ｔ）が計算される。
【００３１】
そして、ステップ１１４では、応力σ（ｔ）の計算結果が、上記図１に示すようなグラフとして表示装置２０へ表示される。このような表示により、収縮応力と引張強度とを対比して、ひび割れが起きるかどうかの判定を容易に行うことが可能となる。なお、収縮応力と引張強度との比（収縮応力／引張強度）を計算して、その値をひび割れ指標値として出力するようにしてもよい。
そして、添加量α、βを設定し直して再計算する場合は、再びステップ１０２以降の処理を繰り返す（ステップ１１６）。
【００３２】
次に、収縮応力評価装置１０による収縮応力の評価結果を検証するために行った検証実験について説明する。
【００３３】
図５は、検証実験で用いた供試体５０の概略構成図である。この供試体５０は、ＰＣＬＮＧ地上式タンクである。このような供試体５０の防液堤５２の断面に熱電対および有効応力計を設置して、温度および応力を計測した。
【００３４】
図６は、上記検証実験による計測値を実線で、また、応力評価装置１０による解析値を破線で示す。同図に示すように、応力評価装置１０による解析値は、検証実験による計測値によく一致しており、コンクリートに生ずる応力を正確に評価できていることがわかる。
【００３５】
以上説明したように、本実施形態の収縮応力評価装置１０によれば、膨張材および収縮低減剤の添加量に応じたコンクリートの収縮応力を評価することができる。すなわち、膨張材および収縮低減剤による収縮応力の低減効果を定量的に把握できるから、膨張剤および収縮低減剤の添加による費用対効果を定量的に把握することが可能となる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、膨張材や収縮低減剤等の混和材料の添加量に応じて、コンクリートに生ずる収縮応力を定量的に評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は、コンクリート打設後におけるコンクリートの温度変化を示し、図１（ｂ）は、拘束状態での収縮・膨張に伴う応力の時間変化を示す。
【図２】膨張・収縮ひずみのモデル式についての検証実験結果を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態である応力評価装置の構成図である。
【図４】本実施形態における評価プログラムのフローチャートである。
【図５】本実施形態の応力評価装置による評価結果についての検証実験で用いた供試体の概略構成図である。
【図６】本評価実験の結果を示す図である。
【符号の説明】
１０  応力評価装置
１２  コンピュータシステム
１４  評価プログラム
１６  ＣＰＵ
１８  記憶装置
２０  表示装置
２２  入力装置
【図１】
2005017040.tif 000007
【図２】
2005017040.tif 000008
【図３】
2005017040.tif 000009
【図４】
2005017040.tif 000010
【図５】
2005017040.tif 000011
【図６】
2005017040.tif 000012