鋼繊維補強モルタルの耐久性に関する研究
2.坑道での吹付SFRMのボーリング調査

2・1 吹付SFRMの諸元および施工箇所の状況

1977年4月に太平洋セメント(株)上磯工場峩朗鉱山の機械搬入坑道(北海道上磯郡)において,日本初の吹付SFRMの施工がおこなわれた.坑道は峩朗鉱山の石灰石鉱床の一部であり,坑口から454 〜 475 mの若干軟弱化した21 m区間に,平均吹付厚10 cmで,約60 mのSFRMを吹き付けた.使用した鋼繊維は四角ねじれ形で,断面は0.25 mm×0.25 mm,長さは20 mmである.セメントは超早強セメント,細骨材は川砂(粒径5 mm以下,粗粒率 2.53)を用い,水セメント比は0.5,鋼繊維混入率(体積)は0 〜 2 %であった.SFRMはプラントで製造し,生コン車によって現場まで搬送した後,連続圧送式の吹付機により吹付をおこなった.並行して力学試験がおこなわれており,材令28日の曲げ強度(JIS A 1106)は5 〜 6 MPa,圧縮強度(JIS A 1114)は40 〜 60 MPa,せん断強度は7 〜 10 MPaであった15).また,材令1年での中性化深さ試験の結果は1 〜 2 mmであった15)

坑道からのSFRMの切り出しは吹付施工後18年強経過した1995年7月31日と8月1日におこなった.図1に示すように,SFRMの施工区間より任意に選んだ6カ所から,直径40 cmおよび10 cmのボーリングによって切り出した.

坑道壁面から水は湧き出しておらず,若干湿っている程度であった.坑道付近の湧水の発生箇所から水を採取し分析したところ,表1の結果となった.平均的な河川水に比べて,Cl,SO4−が少なく,HCO3−が多い.これは石灰石中を通った水により,CaCO3が溶解したためと考えられる.

試験体採取時に,坑内の温度および湿度を測定した結果,温度は11 〜14 ℃,湿度は80 〜 95 %であった.坑外では温度24 ℃,湿度70 %であり,坑内温度は夏にもかかわらず,かなり低いことや,坑口から450 mほど離れていることから推定して,坑内温度は岩盤温度に近い温度で,年変化および日変化はさほどないことが予想される.坑内の二酸化炭素の濃度測定をおこなった結果,外気とほぼ同程度の0.03 %であった.

2・2 SFRMの発錆と中性化

坑道壁面を目視観察した結果,表面に露出している鋼繊維にはすべて錆が発生していた.この壁面に露出している鋼繊維のいくつかをモルタルから引き抜いたところ,モルタル中にあった部分は錆びていなかった.また,ボーリングで採取したコアの側面を観察した結果,錆びているのは表面だけで内部に存在する鋼繊維は全く錆が発生していないことが判明した.このことを確認するために,採取した円柱形供試体(直径10 cm)を吹付面と平行に3 cmごとに輪切りにした.得られた円盤を砕いて,その中から鋼繊維を採取した.採取した鋼繊維を観察した結果,坑道壁面の鋼繊維以外は錆びていないことがわかった.

採取した円柱形供試体(直径10 cm)の圧裂引張試験を実施した.破断面をはけで十分清掃した後,フェノールフタレイン1 %エタノール溶液を直接噴射し,着色(赤紫色)部と非着色部の境界から,モルタルの中性化深さを求めた.6カ所から採取したSFRMの中性化深さの測定結果を表2に示す.表では,No.3の供試体の中性化深さが最も深く,No.1,6の供試体が浅い.漏水の影響や微小亀裂の発生などの局所的な要因で,ばらつきが生じたのではないかと考えられる.中性化深さは,経過年数の平方根に比例するとされており2.16),前節で述べた材令1年の中性化深さ1 〜 2 mm15)から計算すると,材令18年では4.2 〜 8.5 mmとなり,中性化深さは経過年数の平方根にほぼ比例して増加している.

配合は若干異なるが,材令20年での打込SFRMの中性化深さが0.5 〜 10.4 mmであった横須賀6)の結果と同程度であった.

打込コンクリートの中性化深さの推定式16)に水セメント比0.5を代入すると,材令18年で中性化深さの計算値は8.5 mmとなる.吹付の場合,打込に比べ,空隙率が大きくなることから二酸化炭素が浸透しやすくなり,中性化深さが2倍程度大きくなるとの報告がある12)が,表2に示したように中性化深さのばらつきは大きく,中性化に関する特性は打込コンクリートと大きくは変わらないと考えられる.

モルタルのpHの測定をおこなった.坑道壁面から3 cmごとにわけた試料を,90μm以下に粉砕し,固形分の濃度10%(質量)の懸濁液にし,JIS Z 8802に基づいてpHを測定した.その結果を表3に示す.pHは約12であり,このことからもほとんど中性化していないことがわかる.

2・3 力学試験

ボーリングで切り出した試料を用い,一軸引張試験ならびに一軸圧縮試験を実施し,材令18年での力学特性を検討した.ボーリングで切り出した試料のうち,鋼繊維が混入していないものをプレーンモルタルとし,鋼繊維の混入しているものは,その断面に現れる鋼繊維の本数から鋼繊維混入率を求めると,約1%であった.

吹付SFRMの場合には,鋼繊維の配向により力学的特性に異方性が生じる.そこで図2に示すように吹付面と平行方向(a方向)と,それに垂直方向(b方向)の2方向からボーリングして試験体を作製した.供試体の寸法は直径3 cm,高さ6 cmの円柱形とし,同一条件で3本ずつの試験をおこなった.

@)一軸引張試験
容量10 kNのサーボ試験機を用い,定歪速度制御(歪速度10−6 s−1)で,一軸引張試験をおこなった.実験方法は福井ら17)を参照されたい.
応力−歪曲線を図3に示す.a方向の場合,鋼繊維の有無によらず強度は4.4 MPaである.強度破壊点以降,プレーンモルタルは急激に応力が減少しているのに対して,SFRMでは徐々に応力が低下しており,鋼繊維の混入により強度破壊点以降の挙動に差が出ている.SFRMの強度破壊点直後の残留強度は2 MPa程度である.福井ら18)が実施した材令約1年のSFRM(一軸引張強度:4.2MPa)でも,鋼繊維混入率1 %の残留強度は2MPaとほぼ同じであった.両者とも,(残留強度)/(強度)は50%強で,材令によらずほぼ同じであった.2・1で述べたように同じ配合のプレーンモルタル(材令28日)に対して,a方向の試験体と同じく,鋼繊維と平行に引張応力が生じるように曲げ試験がおこなわれており,5 〜 6 MPaの曲げ強度が得られている.試験方法が異なるので,両者の定量的な評価は難しいが,曲げ強度が一軸引張強度より大きくなることを勘案すれば,さほど劣化しているとは判断できない.
b方向の場合には,強度は2 MPa程度とa方向の半分以下である.これは福井ら18)で指摘しているように,吹付コンクリートは吹き付け面と平行な層をなし,層間は比較的分離しやすいためである.ばらつきはかなり大きいが,a方向と同様にb方向の場合でも,鋼繊維の混入により強度は変化しているとはいえない.強度破壊点以降ではSFRMの方が,若干延性的な傾向がうかがえるものの,a方向ほどは改善されていない.この理由は,鋼繊維はb方向では破断面と平行に配向しており,鋼繊維の引き抜き抵抗がほとんど発生しないためである.これらの事項は,福井ら18)が,材令約1年のSFRMを実験した結果と定性的に一致しており,18年の経過後もその特性を保持していることがわかる.

A)一軸圧縮試験
容量150 kNサーボ試験機(MTS社製)により,定歪速度制御(歪速度10−5 s−1)で一軸圧縮試験をおこなった.応力−歪曲線を図4に示す.一軸圧縮強度は50 〜 60 MPaであり,鋼繊維の有無や載荷方向によらずさほど変化していない.強度破壊点以降の特性は,鋼繊維の混入により延性的となるが,その差はa方向に比べ,b方向の方が大きい.これらの特徴は,楊ら19)が報告した吹付SFRMの特性と一致している.1977年に28日材令の試験体により圧縮試験(JIS A 1114)が実施されている.本研究でおこなった試験方法と異なるが,その強度は40 〜 60 MPaと本研究で得られた一軸圧縮強度とさほど変わらないことからも,力学的特性はさほど変化していないことがわかる.