自己充填コンクリートが進化を遂げて汎用化間近。コンクリート技術の新時代へ

大内 雅博OUCHI Masahiro

専門分野

土木工学、コンクリート工学、鉄道史

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鉄筋を有する型枠内に重力の作用だけで充填することから、締め固めが不要な自己充填コンクリート。日本発のオリジナル技術として世界で認知され、高強度を要する大型構造物に採用されてきた。しかし、特殊なセメントを多く使用するため、高コストであることが一般構造物への普及の妨げとなっている。大内教授は、コンクリート中の微細な空気泡を活用することで、自己充填性を保持しながらセメント量を低減できる「気泡潤滑型自己充填コンクリート」を開発。2018年には新型増粘剤(信越化学工業製)の添加により、さらなる品質向上を果たし、経済的で高信頼な自己充填コンクリートの実用化が間近に迫ってきた。
強度を維持してコストを抑えた気泡潤滑型自己充填コンクリート

 コンクリートは、鉄筋を有する型枠内に確実に締め固められることで設計通りの性能を発揮する。締め固めには熟練の経験を要し、不十分な場合は、強度だけでなく耐久性も損なうおそれがある。そんな課題を解決しようと開発されたのが、自重のみによって型枠の隅々にまで流れ込む自己充填コンクリートだ。1980年代初頭、社会問題化したコンクリートの早期劣化をきっかけに、大内教授の恩師でもある岡村甫氏によって提唱され、1988年にプロトタイプが完成。明石海峡大橋をはじめとする大型構造物や、密な鉄筋を有する長大な橋梁に採用され、工期の短縮や耐久性の向上に貢献してきた。しかし、自己充填性を付与するためには高価なセメントを使用する必要があり、その使用量も多く、単価が普通コンクリートの約2倍になることから、日本での普及率は1%未満に留まっている。
 大内教授は、学部時代に自己充填コンクリートに出合って以降、これを一般構造物へと広く普及させるための技術開発を一貫して行ってきた。セメント量を減らして普通コンクリート並みの強度であっても高い自己充填性を維持できる技術を研究する中で直面したのが、「セメント量が減少すると、材料間の摩擦が大きくなり、流動性が損なわれる」という問題だった。これに対して、「セメントの代わりに微細な空気を増やし、クッションのようにして摩擦を減らす」ことを発案。2014年、練り混ぜ手順の工夫により、空気泡を微細化しながら空気量を増やすことで、空気泡にコンクリートの流動性を高めるベアリング効果を付与し、材料間の摩擦低減に成功した。これにより、従来と同等の自己充填性を保持しながら、セメント量の低減と普通セメントのみの使用を可能とした、低コストで高信頼なコンクリートを完成させ、「気泡潤滑型自己充填コンクリート」と名付けた。
「自己充填コンクリートの経済性を向上させるためには、『不要な強度を付与しない』ことが効果的だと考えました。もちろん最低限の強度は必要ですが、土木構造物や建築物の部材には強度にかかわらずある程度以上の厚さが必要であり、安価で高い信頼性を担保する材料を多く使用する方が経済性向上には必要です。そこで、コンクリートの容積を構成する材料の中で、最も高価なセメントの使用量を削減するため、水セメント比を普通コンクリート並みに高めることで、気泡潤滑型自己充填コンクリートを開発しました。微細な空気泡を連行することで、セメント量の削減に加え、安価な細骨材を増やした配合でも、自己充填性を付与することが可能になってきました」
 2015年には、高知県産業振興センター・地域研究成果事業化助成金に採択され、有限会社高知コンクリートサービスと共同で、実用化に向けた製造技術の開発をスタートした。大内教授は、過去にも産学連携の取り組みをともに行ってきた同社に、絶大な信頼を寄せているという。高い技術力はもちろん、技術開発への真摯な姿勢を持つパートナーの存在は、研究開発における強固な推進力になっている。

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粘着力を生かしたNATTO技術」で品質を劇的に改善

 微細な空気泡を増やすことで、自己充填性を保持したままセメント量を低減させた気泡潤滑型自己充填コンクリート。しかし、水セメント比が一定の大きさを越えると、モルタルと骨材との間の粘着力が低下して剥離が生じ、最高ランクの自己充填性(土木学会基準のR1)を得られなくなることがわかってきた。
「実際の施工時に起こる材料の品質変動を考慮すると、空気泡の質をより高め、空気量も普通コンクリートの標準量と同程度にまで抑えることが必要であるとわかってきたのです」
 この課題に対して、大内教授は新型増粘剤を添加し、モルタルの粘着力を向上させることで解決の道を見出した。新型増粘剤を加えると、モルタルが骨材表面に付着して剥離を抑制し、摩擦が緩和され、モルタルと粗骨材が一体となって流動することを実験から明らかにしたのだ。
「新型増粘剤の添加によって粘着力が高まると、空気泡の質が向上し、時間が経過しても空気泡の細かさを維持できることもわかりました。これによって、気泡潤滑型自己充填コンクリートの自己充填性と安定性が劇的に改善しました」
 この高い粘着力を納豆の粘り気になぞらえ、「"NATTO(New Adhesion Technology for flowingThrough Obstacle)技術"が進化させた自己充填コンクリート」と銘打ち、「NATTO技術を広めたい」と語る。
 一般構造物への普及に向けた経済的な自己充填コンクリートの実用化まで、あと一歩のところに来ている。これが実現すれば、施工の省力化はもちろん、鉄筋が過密な箇所にも確実に充填できることから、地震に対して性能通りの強度を発揮させることにも寄与できる。さらには、鉄筋腐食の原因となる充填不良の根絶にもつながり、設計・施工時には算定しにくい「長期劣化による補修コスト」を不要にすることも可能だ。
 プロトタイプの完成から30年の時を経て、いよいよ自己充填コンクリートの普及を加速させる技術が実現する。コンクリート技術における新時代の幕開けとも言えそうだ。