基礎ゼミ 橋の材料と構造を観る
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Transcript 基礎ゼミ 橋の材料と構造を観る
私たちの暮らしを支えるコンクリート
強いコンクリート構造物を作るためには?
日本大学工学部土木工学科
コンクリート工学研究室
岩城 一郎
1
はじめに
コンクリート:橋,トンネル,ダム,あるいは建物といった私たち
の生活になくてはならない構造物を作る上で最も重要な材料
コンクリートの不思議
- コンクリートはどのような材料からできているか?
- どうして固まるか?
- どのくらいの強さがあるか?
メインテーマ:「コンクリートの強さ」
- コンクリートの強さはどのくらいか?
- どうしたら強いコンクリートをつくることができるか?
- コンクリートの強さとコンクリート構造物の強さとの関係は?
2
私たちの暮らしを支えるコンクリート
コンクリート:我が国の社会基盤施設を構成する材料の
うち最も多く用いられているもの.
国内年間需要量約2億m3(国民一人当たり1.5m3/年)
長所:安い,入手しやすい,
丈夫,長持ち
耐震性,早期劣化問題,
環境問題?
コンクリートで作られている
もの?
3
コンクリートは何から出来ているか?
水+セメント+砂(細骨材)+砂利(粗骨材)+α
→セメントペースト部(約3割)+骨材部(約7割)
残った
セメント
セメントが
固まったもの
コンクリート橋
砂利
気泡
砂
コンクリート
空隙
セメントペースト
C&Cエンサイクロペディア
(セメント協会)より引用
4
なぜコンクリートは硬くなるか?
水とセメントが化学反応し,生成した水和物が
セメント粒子間の隙間を埋めて一体化するため.
(はじめ軟らかく徐々に硬くなる性質)
セメント
セメント
水
練混ぜ直後
数時間後
数日後~数年後
5
コンクリートの強さはどれくらい?
一般のコンクリートの強さ(圧縮強度)は
30MPa (300kgf/cm2)程度
→さいころの上にKONISHIKIが載っても
壊れない強さ!
体重
60kg
なんと
400人
載っても
壊れない!
直径
10 cm
メガパスカル
30 MPa の
コンクリート
6
コンクリートの強さは何で決まるか?
コンクリートの中身(セメントペーストと骨材)の
弱い部分で決まる.
セメントペーストの強さ<骨材の強さ
セメントペーストの強さで決まる.
7
コンクリートを強くするには?(Part1)
セメントペーストを強くする.
できるだけセメントペースト内部の隙間(空隙)を
少なくする.
水に対するセメントの量を多くする.
通常は水:セメント=1:2(質量比)
水とセメントの比を1:4にしては?
8
水に対するセメントの量を多くすると?
練混ぜが困難になる.(ホットケーキ,お好み
焼きを思い出して!)
特殊な薬を使ってセメント粒子を分散させる.
(高性能減水剤)
練混ぜが可能になる.
9
圧縮強度(MPa)
水に対するセメント量とコンクリートの
強さとの関係は?
70
60
50
40
30
20
10
0
R 2 = 0.9745
1.5
2
2.5
3
3.5
4
C /W
コンクリートの圧縮強度はC/Wに正比例する.
10
コンクリートを強くするには?(Part2)
特殊な薬を用いてセメント水比を高く設定する
ことにより,100MPa近い圧縮強度をもつコンク
リートを作ることが可能.ただしこの方法にも
限界がある.
セメント粒子よりもさらに細かい反応性の物質
を用いて,さらに隙間を埋める.
例:シリカフューム:平均粒径0.1μm程度
(セメント:平均粒径30μm程度)
11
シリカフュ-ムを用いると?
通常のコンクリート
セメント
水和直後
数日後から数年後
シリカフュ-ム(S.F.)を
セメント
用いたコンクリート
S.F.
S.F.の使用により100MPa以上の圧縮強度をもつコンク
リートが実現(ただし,骨材も強くする必要がある)
12
コンクリートを作っているところを
見てみよう
材料実験の時間に,自分の目で確認して見
よう.
13
コンクリートを壊しているところを
見てみよう
材料実験の時間に,自分の目で確認して見
よう.
14
コンクリートを強くすると?(Part1)
Cost(円)
コストが高くなる.
セメント:10000円/ton,砂・砂利:1000円/ton
16000
14000
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
R 2 = 0.6871
0
10
20
30
40
50
圧縮強度(
M Pa)
60
70
15
コンクリートを強くすると?(Part2)
3
セメントの使用量(kg/m
)
セメント量:増→発熱量:増→過大なひび割れ:増→強
くて,値段が高い割には耐久性:低
600
500
R 2 = 0.6193
400
300
200
100
0
0
10
20
30
40
50
圧縮強度(
M Pa)
60
70
16
コンクリートを強くしたとしても?
コンクリートは圧縮に対しては大きな力に抵抗するが
引張に対しては小さな力で簡単に壊れてしまう.
引張強さは圧縮強さの1/10以下
いくらコンクリートを圧縮に対して強くしてもそれに見合
う引張強度は得られない.
例 圧縮強度30MPa→引張強度3MPa
圧縮強度100MPa→引張強度6MPa
コンクリートは強ければよいというものではない.
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曲げを受けるコンクリート部材
上側で圧縮力,下側で引張力を受ける
荷重P
荷重とたわみの関係
P
たわみδ
δ
引張側でひび割れが発生し,急激に壊れる.
18
引張側に鉄筋を入れると?
荷重とたわみの関係
P
δ
ひび割れは発生するが,十分な荷重に耐え
ることが出来る→鉄筋コンクリート
19
さらに鉄筋の量を増やすと
荷重とたわみの関係
P
旧阪神高速道路公団
資料より
δ
さらに大きな荷重に耐えることができるが,別
の大きなひび割れが発生し急激に壊れる. 20
あばら骨を入れると?
荷重とたわみの関係
P
δ
大きな荷重に耐えることが出来ると共に,急激
な破壊を防止することが出来る.
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鉄筋コンクリートをさらに進化させると?
プレストレストコンクリート:引張側のコンクリートに圧
縮力を導入→ひび割れのないコンクリート,より大き
な力に耐えられる(コンクリート全体が圧縮力に対し
て抵抗)
鉄筋コンクリート
プレストレストコンクリート
支間(スパン)の長い橋,タンク等,重要構造物のほ
とんどはプレストレストコンクリート
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新たなコンクリート材料の開発
超高強度鋼繊維補強コンクリート
ダクタルプレミックス+専用鋼繊維+専用減水剤
骨材を使用しない.
鉄筋を使用しない.
太平洋セメント㈱
HPより抜粋
自己充てん性あり.
圧縮強度200MPa以上
曲げ強度40MPa以上
厳しい環境下でも100年
以上の使用に耐えうる.
23
酒田みらい橋
超高強度鋼繊維補強
コンクリートを用いた
歩道橋
最大部材厚8cm
プレストレストコンク
リート
(外ケーブル方式)
24
酒田みらい橋パンフレットより抜粋
これまでの内容の整理
コンクリートを強くすることは比較的簡単
コンクリートを強くするとコストがかかる.
コンクリートをいくら強くしたとしてもコンクリー
ト構造物が強くなるとは限らない(コンクリート
は圧縮に強く,引張に弱い.)
鋼材により,適切に補強することが重要
新しいコンクリート技術の開発
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まとめ
コンクリートに求められるもの
丈夫
長持ち
美しい
コンクリート
環境に
優しい
要求される性能・
用途に合った最適
な材料,構造形式
を選定することが
重要!!
コンクリート技術者
の使命
安い
26