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太平洋セメント研究報告(TAIHEIYO CEMENT KENKYU HOKOKU) 第172号(2017)：河野 他―――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――◇論 文◇

海岸擁壁の補修工事に適用した繊維補強 PFCパネルの製造と性能

Fabrication and Performance ofFiber Reinforced Pore-free Concrete Panels
for Coast Retaining Wall Repair

河野克哉*, 森安田瑛紀*, 多香 奈 子*,田克彦**

KONO, Katsuya*;

MORI, Kanako*;

YASUDA, Eiki*;

TADA, Katsuhiko**要

旨最近, 流し込み成型によるコンクリートとしては, もっとも高い圧縮強度を発現することができる PFC(無孔性コンクリート)が開発された. 本研究は, この PFC を繊維で補強することで,海岸擁壁補修パネルに対して適用することを検討したものである. この検討の結果, UFC(超高強度繊維補強コンクリート)に繊維補強 PFC を部分的に埋め込んだハイブリッドパネルを製造し, 激しい浸食を受けた黄金道路(北海道)における海岸擁壁の補修工事に試験適用できた. また, 水中における繊維補強 PFC の圧縮強度の安定性を確認するとともに, 繊維補強 PFC の曲げ強度ならびにすり減り抵抗性を測定し, いずれも UFCとくらべて向上できることがわかった.
キーワード：無孔性コンクリート, 超高強度繊維補強コンクリート, 海岸擁壁, 補修パネル,曲げ強度, すり減り抵抗性――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――* 中央研究所 第２研究部 高機能コンクリートチーム Multi-Function Concrete Team, Central Research Laboratory* * 中央研究所 第２研究部 高機能コンクリートチーム リーダー
Manager, Multi-Function Concrete Team, Central Research Laboratory

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太平洋セメント研究報告(TAIHEIYO CEMENT KENKYU HOKOKU) 第172号(2017)：河野 他―――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――

ABSTRACT
Pore-free concrete (PFC) was developed recently for the purpose of achieving the highest
possible level of compressive strength in cast molded concrete. This study was performed
to examine the applicability of fiber reinforced PFC to repair panels for coast retainingwalls. Composite panels of ultra high strength fiber reinforced concrete (UFC) partiallyembedded with the fiber reinforced PFC were fabricated and successfully applied to therepair of severely eroded coast retaining walls in Hokkaido. It was also verified bymeasurements that the fiber reinforced PFC was stable in water in terms of compressive
strength and had higher flexural strength and abrasion resistance compared to UFC.

Keywords：Pore-free concrete(PFC), Ultra high strength fiber reinforced concrete(UFC),
Coast retaining wall, Repair panel, Fexural strength, Abrasion resistance

１．は じ め に最近, 筆者らは流し込み成型で世界最高強度を発現するコンクリートの開発に成功した 1). このコンクリートは, 材料・配合・製造方法の工夫によって内部空隙を極限まで減らすことで, きわめて高い強度を発現させるもので, PFC(無孔性コンクリート)と呼んでいる2). 本研究は, この PFCを繊維で補強して, 激しい浸食を受けた海岸擁壁の補修工事に適用することを検討したものである. この補修工事で用いた繊維補強 PFC を埋め込んだ超高度繊維補強コンクリート(以下, UFC )製パネルの製造ならびに設置工事の概要について述べるとともに, パネルに用いた繊維補強 PFC の圧縮強度特性, 曲げ強度特性およびすり減り抵抗性について検討した.

２．海岸擁壁補修工事の概要
2.1 擁壁の洗掘状況
Fig.1 は, 国道 336 号(北海道浦河郡浦河町から同道釧路市に至る一般国道)において黄金道路と呼ばれている太平洋に面した区間に建設された覆道ならびに擁壁の状況を示したものである. この黄金道路
は, 日高山脈の南端部(最南端部は襟裳岬)に位置し,海岸沿いの断崖絶壁を切り開く難工事によって開通したものである. 山側からは急斜面が崩落して落石が起こり, 海中に落下した石は波によって運ばれ,海岸擁壁に衝撃や磨耗を与えている. これら以外に海水が作用する下での凍結融解なども加わって,Fig.2 に示すように擁壁は激しい洗掘を受けている.
この擁壁は, 1970年ごろに施工されたものと推定されているものの, 浸食が顕著になったのは 2003 年
９月 26 日に発生した十勝沖地震(マグニチュード7.1)以降と考えられている. この地震によって,海底地形が変動したこと, 消波ブロックが流失したことなどから, 波による擁壁の洗掘が急激に進行するようになったとの説がある.
2.2 擁壁補修の概要
Fig.3 は, 黄金道路の海岸擁壁補修の概要について示したものである. 既存擁壁のコンクートの前方に超高強度繊維補強コンクリート(以下, UFC)製のパネルを, 鋼製アングルとのボルト接合ならびに既存擁壁とのアンカー鉄筋定着にて斜めに設置したう
えで, パネルと擁壁との間に裏込め材としてレディーミクストコンクリートを打ち込んで固定する補修工法が採用されている. また, パネルに用いるコンクリートの設計基準圧縮強度は 180N/mm2, パネルに用いたコンクリートの断面減少を想定した設計耐用年数は15年となっている.

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Rock shed
Falling rocks

Overtopping waves
Retaining wallFig. 1

Falling rocks and overtopping waves on Ougon
road (黄金道路における落石と越波)Original shape ofretaining wallFig. 2

Deeply eroded coast retaining wall
(深く浸食した海岸擁壁)

Rock ShedRoad

Retaining wall
Anchor steel barBackfill concrete
150

Scouring

8Steel angle

250 1400

1108

Panel (Thickness: 100mm)
H Steel beam

Fig. 3Outline of retaining wall repair (擁壁補修の概要)

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30

1000

100

543 20 37

38 20 425100

Adherent
layer

542

100

42

200

300

1508

PFC

1508

UFC

320
30300

380

Stainlessreinforcement

1000Fig. 4

Outline of panel used for repairs(補修用パネルの概要)

３．補修用パネルの製造と設置
3.1 補修用パネルの概要
Fig.4 は, 補修工事に適用したパネルの概要を示したものである. パネルの寸法は幅 1000 mm×高さ1508mm×厚さ100mmとなっており, パネル背面には裏込めのコンクリートとの接着性を勘案して凸型の付着層( 厚さ５mm)が設けられている. パネルに用いるコンクリートの種類は, UFC(商品名：Ductal®
FM )となっているものの, 砂礫による磨耗と衝撃がもっとも激しいと想定されるパネル下部に幅 300mm×高さ 300mm×厚さ100mm(付着層厚さ５mm)の寸法となる繊維補強 PFC 部材を埋め込んだハイブリットパネルとすることで, 新材料の実環境における暴露評価を行う計画とした.
3.2 埋込み部材の材料, 配合, 製造および仕様(1) 部材の材料ならびに配合
Table 1は埋込み部材に用いた材料を, Table 2は埋込み部材に用いた配合をそれぞれ示したものである. PFCの結合材(以下, Bpfc )には低熱ポルトランドセメント(以下, C ), 石英微粉末(以下, Q )およびシリカフューム(以下, SF )を, UFCの結合材(以下,Bufc )には市販のプレミックス標準配合粉体を用い,細骨材はいずれの場合にも珪砂(以下, S )を用いた.
また混和剤(以下, Ad )は, PFCならびに UFC のそれぞれに適した高性能減水剤(以下, それぞれ SPpfc ,SPufc)を用い, PFCの場合には消泡剤(以下, DF )も併用した. なお, PFC の結合材は, 既往の研究 2) にしたがって, 最密粒度となる処方にしている.
PFCと組み合せる繊維は鋼繊維(以下, STE)ならびに海水による腐食を生じない新開発の集束 PBO 繊維(以下, PBO)3)の２種類とし, UFCと組み合せる繊維は STE の１種類とした. なお, いずれの配合においても, 繊維混入率(以下, Vf )を２%で一定とした.
Table 2 中の配合の名称は, 結合材の種類, 繊維の 種 類 , 圧 縮 強 度 の 順 で 表 示 し て お り , PFCSTE-350の場合は, PFC結合材と鋼繊維を用いて圧縮強度 350 N/mm2 を発現するコンクリートのことを示している.
また, Table 2中には, フロー(無振動)ならびに空気量(空気室圧力法)の測定値を併記しており, いずれの配合においても, 流し込み成型における繊維の分離などを生じないコンシステンシーを有している. ただし, 他の配合にくらべて, PFC-PBO-200 の場合には, PBOフィラメントを集束させているため,練混ぜにおける解繊によってフローの低下と空気量の増加を生じる傾向となった.
(2) 部材の製造
Table 3 は, 埋込み部材の各配合に対する養生手順を示したものである. 配合名 PFC-STE-350 の場
合は, 材齢 2d で脱型直後に ⅰ)吸水処理,つづいてⅱ)蒸気養生ならびに ⅲ)加熱養生の２段階の熱養生を実施した. それ以外の配合では, いずれも材齢2d で脱型した後, ⅲ)蒸気養生のみを実施した. 各養生の方法は, 以下のとおりである.
ⅰ) 吸水処理(脱気吸水法)：Fig.5 に示すように,脱型直後の硬化コンクリートを密閉容器中で脱気下に供し, 真空になったところで水を滴下して完全に水没させてから 30 分間ほど外部から内部に水分を補給した.
ⅱ) 蒸気養生：昇温速度 15 ℃/h, 最高温度 90℃,最高温度保持時間 48h, 降温速度 15℃/h,１atmの条件とした.
ⅲ) 加熱養生：昇温速度 60℃/h, 最高温度 180℃,最高温度保持時間 48h, 降温速度 60℃/h,１atmの条件とした.

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Table 1

Material
PFC Binder (Bpfc)
UFC Binder
Fine aggregate

Materials(使用材料 )

Type
Low heat Portland cement
Quartz fine powder
Silica fumePremix powder
Silica sandSymbolCQSF
Bufc
S

Steel fiber

STE

Twisted PBO fiber bundle

PBO

PFC superplasticizer
UFC superplasticizer
Deforming agent

SPpfc
SPufc
DF

Reinforced fiber (F)Chemical admixture(Ad)

Table 2

Characteristics
Specific surface area: 3330cm2/g, Density: 3.22g/cm3
Density: 2.69g/cm3Specific surface area: 20m2/g, Density: 2.24g/cm3
Commonly-marketed standard compounded powder
Maximum particle size: 0.3mm, Density: 2.61g/cm3
Diameter: 0.2mm, Length: 15mm, Density: 7.84g/cm3,Tensile strength: 2800N/mm2, Tensile modulus: 200kN/mm2
Diameter: 0.23mm, Length: 15mm, Density: 1.51g/cm3
Tensile strength: 3500N/mm2, Tensile modulus: 141kN/mm2
Polycarboxylic type
Polycarboxylic type
Polyalklene glycol typeMix proportions of PFC and UFC(UFC ならびに FRC の配合)

単位量 (kg/m3)
AirFlowNo.
Name
Bpfc
contentF
Ad *(mm)
W
Bufc
S(%)
CQ SF
STE PBO
SPpfc
SPufc
DF
1 PFC-STE-350－
Bpfc×1.7% Bpfc×0.02%－285
2.6
157 －2 PFC-STE-300
193 836 349 97 －Bpfc×1.7% Bpfc×0.02%
－278
2.0
2.0
934
3 PFC-PBO-200－－
30 Bpfc×2.5% Bpfc×0.02%
－
256
5.0
4 UFC-STE-200
180 － － － 1278
157 －－－
Bufc×1.3% 277
2.7* Replacement as a part of unit water content, and addition to mixing water.
Vf(%)

Table 3No.
1234Name
PFC-STE-350
PFC-STE-300
PFC-PBO-200
UFC-STE-200

Procedures for curing of concrete(コンクリートの養生手順)

Procedures for curing of concrete
Removel of mold → Pre-soaking (Deairing, 30m) → Steam curing (90℃, 48h) → Heat curing (180℃, 48h)
Removel of mold → Steam curing (90℃, 48h)
Removel of mold → Steam curing (90℃, 48h)
Removel of mold → Steam curing (90℃, 48h)

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太平洋セメント研究報告(TAIHEIYO CEMENT KENKYU HOKOKU) 第172号(2017)：河野 他―――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――

Vacuum gauge② Dropping① Deairing

Water surface

Closed container
Replacing pore space with waterin concreteFig. 5 Method of deairing water absorption(脱気吸水処理の方法)

Convexadherent layer

300mm(3) 部材の仕様
パネルの一部に埋め込む部材は, それぞれ所定の材料・配合・養生方法で製造し, その概要は Fig.6に示すとおりである. 埋込み部材の外形寸法は幅300 mm×高さ300mm×厚さ100mmとし, その形状は周囲の UFC が UFC 自体の養生中における収縮によってひび割れることを防止する観点から, 四つの隅角部を面取りした八角柱とした. また, 埋込み部材には,周囲の UFC と十分に定着させるため, 曲げ加工したD10 のステンレス鉄筋( SUS304 SD390 )を配置し, 側面には凹形状の付着層を設けた. さらに施工時の裏込めのコンクリートとの定着を図るために, 埋込み部材の背面には凸形状の付着層を設けた.

Concaveadherent layer

Fig. 6
3.3 PFC-UFCハイブリッドパネルの製造と設置(1) パネルの製造
Fig.7は, PFC部材を埋め込んだ UFCとのハイブリッドパネル製造の状況について示したものである.
PFC 埋込み部材を型枠内の所定の位置に設置してUFC を打ち込んで(Fig.7(a)), 表面を均してから開孔されたゴム板を圧着することで凸型状の付着層を形成した(Fig.7(b)). その後, 一次養生として最高温度 40 ℃ の蒸気養生を行ってから材齢１日で脱型した( Fig.7(c)). さらに, 脱型した PFC-UFC ハイ
ブリッドパネルは, 二次養生として最高温度 90 ℃の蒸気養生を 48 時間行った.

300mm
Stainlessreinforcement

100mm

Outline of embedded member(埋込み部材の概要)(2) パネルの設置
Fig.8 は, PFC-UFC ハイブリッドパネルを用いた海岸擁壁補修工事の状況を示したものである.
パネルをクレーンにて吊り上げて海岸まで降ろし( Fig.8(a)), 所定の位置に設置した( Fig.8(b)).
型枠を組み立てた後, 裏込め材としてレディーミク
ストコンクリートをポンプ車のブームを延ばして圧 送 し (Fig.8(c)), 表 面 仕 上 げ を 施 し て か ら(Fig.8(d)), 現地にて養生ならびに供用を開始した.

36
太平洋セメント研究報告(TAIHEIYO CEMENT KENKYU HOKOKU) 第172号(2017)：河野 他―――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――(a) Casting of UFC(b) Shaping of convex adherent layer(c) Stripping of mold after
primary curing

Fig. 7 Manufacturing of PFC-UFC hybrid panel(PFC-UFCハイブリッドパネルの製造)(a) Lifting of PFC-UFC hybrid panel(b) Setup of PFC-UFC hybrid panel(c) Pumping of ready-mixed concrete(d) Surface finishing of concreteFig. 8 Coast retaining wall repair using PFC-UFC hybrid panel(PFC-UFC ハイブリッドパネルを適用した海岸擁壁の補修工事)

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太平洋セメント研究報告(TAIHEIYO CEMENT KENKYU HOKOKU) 第172号(2017)：河野 他―――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――

４．補修用パネルに用いた繊維補強 PFCの特性
4.1 繊維補強PFCの試験方法(1) 圧縮強度特性
圧縮強度(以下, fc’ )は, 寸法φ50×100mm の円柱供試体を用いて JSCE-G-505- に準じて測定した. なお, 埋込み部材に用いた各コンクリートは, パネルに埋め込んだ後に再度 90℃の蒸気養生に供されることになるため, 部材製造養生後ならびにパネル製造養生後の fc’ を測定した. また, PFC-STE-350 の場
合には, 水中 20℃(相対湿度100% ), 気中 20 ℃ で相対湿度 80% および気中 20 ℃ で相対湿度 60% の各条
件で約１年間保管したときの fc’ の変化も測定した.
(2) 曲げ強度特性
曲げ強度(以下, fb )は, 寸法 40×40×160mm の角柱供試体を用いて JIS A 1106 に準ずる形で行った.
なお, 万能試験機(荷重容量 100kN )を用いて, 支点間距離 120mm, 等曲げモーメント区間距離 40mm の４点曲げ試験(３等分点曲げ試験)を行い, 荷重とともに試験機のクロスヘッド変位を測定した.

(3) すり減り抵抗性
埋込み部材に用いた各コンクリートで平板(寸法30×30cm, 厚さ６cm)を作製し, Fig.9に示した回転ディスクを用いてすり減り作用を与える試験機に供した. すり減り抵抗性試験は, ASTM C779「Standard
Test Method for Abrasion Resistance of Horizontal
Concrete Surfaces」に準じる形とし, 固定した UFC
平板に対して一定荷重を作用させた磨耗板との間に磨耗材を定量供給しながら回転(自転 280 rpm)させ,さらにこれを円周運動(公転 12 rpm)させることで表面に平行な磨耗を与えた. Fig.9 に示すようにPFC な ら び に UFC平板の削り取られた深さをマイクロメータにて測定し, その平均値をすり減り深さとした. すり減り試験は 60 分間継続して行い,試験開始から試験終了まで 10 分経過ごとにすり減り深さを測定した.
4.2 繊維補強 PFCの性能(1) 圧縮強度特性
Table 4は, 繊維補強 PFCならびに UFCの力学特性についてまとめたものである. ハイブリッドパネル

Fig. 9 Measurement method for abrasion resistance of PFC( PFC のすり減り抵抗性に対する測定方法(ASTM C779))
Table 4

Mechanical properties of fiber reinforced PFC and UFC(繊維補強 PFC ならびに UFC の力学特性)
fc’ (N/mm2)

Name

After manufacturing
embedded member
PFC-STE-350
340
PFC-STE-300
250
PFC-PBO-200
188
UFC-STE-200
216
fc’：Compressive strength , fb：Flexural strength

After manufacturinghybrid panel
344
279
194－fb (N/mm2)
After manufacturinghybrid panel
52404044

38
太平洋セメント研究報告(TAIHEIYO CEMENT KENKYU HOKOKU) 第172号(2017)：河野 他(3) すり減り抵抗性
Fig.12 は, 繊維補強 PFC ならびに UFC のすり減り抵抗性試験の結果を示したものである. 試験時間
60 分におけるすり減り深さは, PFC-STE-350 の場合がもっとも小さく, 次に PFC-STE-300 の場合が小さくなった. このように, 同じ鋼繊維を用いたとき, すり減り抵抗性はマトリクス部分の強度レベルに依存することがわかった. また, 合成繊維を用いた PFC-PBO-200 の場合には, 同じ PFC 粉体を同じ養生条件として鋼繊維を用いた PFC-STE-300 の場合よりもすり減り深さは大きいものの, UFC-STE-200の場合と同程度以上のすり減り抵抗性を確保できることがわかった.

220℃

300
200
60% R.H.
80% R.H.
100% R.H. (in water)

10000912182273Duration (day)364

Change in compressive strength of fiber
reinforced PFC under various humidity(さまざまな湿度下における繊維補強 PFCの圧縮強度の変化)

60
Flexural stress (N/mm )(2) 曲げ強度特性
Fig.11 は, 繊維補強 PFC ならびに UFC の曲げ応力－たわみ関係について示したものである. fb は,
PFC-STE-350 の 場 合 が も っ と も 高 く , 次 に UFCSTE-200の場合が高くなった. また, PFC-STE-300の場合ならびに PFC-PBO-200 の場合の fb は同程度であり, UFC-STE-200 の場合の fb よりもやや低い結果となった. ポストピークの挙動は, STE を用いた場合にはほぼ同じ勾配で応力低下を生じているものの,合成繊維である PBO を用いた場合には , STE を用いた場合にくらべて急激に応力低下する傾向が認められた.

400Fig. 10

PFC-STE-350

50UFC-STE-200
PFC-STE-300

40UFC-PBO-200

3020
1000.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0
Displacement (mm)Fig. 11 Relationships flexural stress anddisplacement of fiber reinforced PFC(繊維補強 PFC の曲げ応力－たわみ関係)

0.0
Depth of abrasion (mm)

製造完了時において, PFC-STE-350 の場合には約 350N/mm2, PFC-STE-300 の 場 合 に は 約 280N/mm2,PFC-PBO-200 ならびに UFC-STE-200 の場合にはいずれも約 200N/mm2 の fc’ を発現した. いずれの配合のfc’ においても, 埋込み部材製造時ならびにハイブリッドパネル製造時ともに設計基準圧縮強度である
180 N/mm2 を上回ることが確認できた.
Fig.10 は, 相対湿度が異なる条件下で保管した繊維補強 PFC(PFC-STE-350)の fc’ の経時変化を示したものである. 相対湿度が 60% ならびに 80% の場合や, 水中の場合(相対湿度 100%)においても, 繊維補強 PFC の fc’ は 350N/mm2 程度で１年間に渡ってほぼ一定であった. このことから, PFC は製造工程において 180℃ の加熱養生で水分逸散を生じているものの, 供用中に PFC の内部に水分が浸透して強度変化を生じさせることはなく, 長期的に強度が安定しているものと推察できる.

Compressive strength (N/mm )―――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――

0.2
0.4
0.6

PFC-STE-350
PFC-STE-300
PFC-PBO-200
UFC-STE-200

0.81.0010Fig. 12

20 30 40 50
Testing time (min)60

Abrasion resistance of fiber
reinforced PFC(繊維補強 PFC のすり減り抵抗性)39
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５．ま と め
繊維補強 PFC 部材を埋め込んだ UFC とのハイブリッドパネルの製造ならびに海岸擁壁補修工事への適用にあたって, 以下のような知見が得られた.
(1) 鋼繊維ならびに集束 PBO 繊維を用いて養生条件を変化させた PFCは, いずれも設計基準圧縮
強度 180N/mm2 を超える強度発現を示した.
(2) 鋼繊維を用いて吸水処理ならびに２段階の熱養生を行った PFC は約 350N/mm2 のきわめて高い圧縮強度となった.
(3) 鋼繊維を用いて吸水処理ならびに２段階の熱養生を行った PFC はもっとも高い曲げ強度を示した.
(4) 繊維補強 PFC のすり減り抵抗性はいずれも UFCと同等以上の性能を示しており, 鋼繊維を用いて吸水処理ならびに２段階の熱養生を行った
PFCのすり減り抵抗性がもっとも高くなった.

謝

辞

繊維補強 PFC を適用したパネルによる海岸擁壁の補修工事にあたっては, 国土交通省北海道開発局帯広開発建設部広尾道路事務所, 株式会社構研エンジ
ニアリング, 共和コンクリート工業株式会社および宮坂建設工業株式会社の関係者の皆様にご協力をいただくとともに, 東洋紡株式会社から集束 PBO 繊維を, 愛知製鋼株式会社からステンレス鉄筋をご提供いただきました. ここに記して深謝致します.

参 考 文 献1) KONO,Katsuya; NAKAYAMA,Risa; TADA, Katsuhiko.
Development of the World’s Highest Strength
Cementitious Material. 太平洋セメント研究報
告. 2015,169,p.20-29.
2) 河野克哉,森 香奈子,多田克彦,田中敏嗣. 世界最高強度を発現するコンクリートの開発ならびに更なる性能向上の可能性. コンクリート工学.
2016,54(7),P.702-709.
3) 河野克哉,森 香奈子,奥山幸成,川口哲生,榎本弘. 超高強度繊維補強コンクリートに対する集束型ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾー
ル繊維の適用. 太平洋セメント研究報告. 2012,
163,p.26-37.