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JP2018179509A - レジンコンクリートの強度推定方法および推定システム - Google Patents

レジンコンクリートの強度推定方法および推定システム Download PDF

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Abstract

【課題】レジンコンクリートの長期信頼性がより正確に評価できるようにする。【解決手段】第1工程S101で、レジンコンクリートの含水量の変化とレジンコンクリートの強度の変化との間の比例関係を求める。次に、第2工程S102で、レジンコンクリートの含水量を求める。次に、第3工程S103で、第2工程で求めたレジンコンクリートの含水量から、第1工程で求めた比例関係よりレジンコンクリートの強度を推定する。【選択図】 図1

Description

本発明は、樹脂を結合材としたレジンコンクリートの強度推定方法および推定システムに関する。
通常、コンクリートは、骨材と結合材から構成される。結合材として熱硬化性樹脂などの樹脂材料を用いるレジンコンクリートは、通常のセメントを結合材に用いるコンクリートに比べて高強度である。このため、レジンコンクリートを用いることで、より薄くより軽量化した構造物を設計することが可能となる。レジンコンクリートは、同じ強度のセメントコンクリート構造物の約3分の1から2分の1の重量にできる。このような特徴を有するレジンコンクリートは、例えば、工場で作製したレジンコンクリート構造物を現場へ輸送して設置する場合、輸送コストを低減することができる。
また、セメントによる鉄筋コンクリートでは、内部の鉄筋が引張強度を担保しているため、セメントの中性化や塩化物イオンの浸透により鉄筋が腐食すると強度が低下する。一方、レジンコンクリートの場合、合成樹脂の種類にもよるが、一般的に使用される不飽和ポリエステル樹脂やエポキシ樹脂は高強度であることから、鉄筋無しでも引張強度が担保できる。このため、鉄筋が不要となり、鉄筋コンクリートのような酸によるセメントの中性化や塩化物イオンの浸透による鉄筋の腐食を心配する必要もないという利点もある。
レジンコンクリートは上述したような特性を活かし、マンホール、下水パイプ・情報用ボックスなど、広く構造物に適用されている。このような構造物の長期維持管理のためには、設置下におけるレジンコンクリートの耐用年数予測に基づいた効率的なメンテナンスが求められる。
従来、レジンコンクリートの主な劣化要因は、結合材に用いられる樹脂部分の加水分解によるものと考えられていた(非特許文献1)。レジンコンクリートの耐久性を評価するための劣化加速試験は、熱水中で処理を行った際の温度依存性評価によって行っている。しかし、レジンコンクリートの劣化のメカニズムは、正確には確認されておらず、従来の試験では実際の経年劣化を正確に推定することができていないという問題があった。
前述したように、樹脂部分の加水分解がレジンコンクリートの主な劣化要因と考えられていたため、これまでは、次に示すように寿命を予測していた。温度を変えた熱水中でレジンコンクリートの耐久性を評価する試験を実施し、温度依存性を明らかにすることで、常温での寿命を予測する(非特許文献1)。従来、この寿命予測により、期待する耐用年数の間、強度低下が問題ないレベルであることを確認していた。
川久保 専吉 他、「ポリエステルレジンコンクリートの劣化について」、材料 別冊、第24巻、260号、380−385頁、1975年。 J. Crank, "THE MATHEMATICS OF DIFFUSION SECOND EDITION", London, Oxford University Press, pp. 244-246, 1975. Y. Takeshita et al., "Water Absorption and Degraded Stress Relaxation Behavior in Water-Borne Anticorrosive Urethane/Epoxy Coatings", Journal of Chemistry and Chemical Engineering, vol. 9, pp. 75-89, 2015. 戸川 隼人 著、「微分方程式の数値計算−有限要素法と差分法−」、株式会社 オーム社、第1版、第4刷、103頁、昭和52年。
非特許文献1では、熱水中での加速試験による実験結果より、レジンコンクリートの強度低下が、「P=P0−f(T)×log(t/τ)(t≧τ)・・・(1)」におけるレジンコンクリートの強度Pの変化により示されるとしている。なお、P0は、レジンコンクリートの初期強度、f(T)は、特性変化実験式の勾配、tは、経過時間、τは、誘導期間である。
非特許文献1においては、実験において、強度低下が進行しない誘導期間が認められている。また、液の浸透が影響するような劣化反応においては、誘導期間で反応速度式を修正して特性変化を推定した方が、単にアレニウス式を用いて推定するよりも妥当な結果が得られるという「Heitman」らの報告が非特許文献1の中で引用されている。これらのことより、非特許文献1では、式(1)に示すように、誘導期間τが用いられている。
非特許文献1では、60℃、80℃、100℃の各温度において得られたf(T)およびτの値を用いてアレニウスプロットを作成し、この後の強度低下を推定している。
しかし、近年になって非特許文献1の方法では、レジンコンクリートの経年劣化が正確には推定できないことが明らかになってきており、より正確なレジンコンクリートの長期信頼性評価方法が求められている。
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、レジンコンクリートの長期信頼性がより正確に評価できるようにすることを目的とする。
本発明に係るレジンコンクリートの強度推定方法は、レジンコンクリートの含水量の変化とレジンコンクリートの強度の変化との間の比例関係を求める第1工程と、レジンコンクリートの含水量を求める第2工程と、第2工程で求めたレジンコンクリートの含水量から比例関係よりレジンコンクリートの強度を推定する第3工程とを備える。
上記レジンコンクリートの強度推定方法において、第1工程では、レジンコンクリートからなる同一の寸法の複数の試料を用意し、レジンコンクリートが使用される使用箇所の温度より高い範囲で設定した、水の中または多湿とした空気中に試料を配置し、所定の時間が経過するとともに取り出して試料の強度の測定を実施して、時間経過によるレジンコンクリートの初期強度からの強度の低下および重量変化を測定し、測定された時間経過による強度の低下の測定値と重量変化の測定値との関係から比例関係を求める。
上記レジンコンクリートの強度推定方法において、第2工程では、ある温度におけるレジンコンクリート中の水の拡散係数と、レジンコンクリートにおける水の拡散の活性化エネルギー(水の拡散の温度依存性)とを用いてレジンコンクリートにおける含水量の経時変化を求め、第3工程では、第2工程で求めたレジンコンクリートにおける含水量の経時変化から比例関係よりレジンコンクリートの経時的な強度変化を推定する。
上記レジンコンクリートの強度推定方法において、第2工程では、複数の温度におけるレジンコンクリート中の水の拡散係数を求め、求めた各温度における拡散係数から、レジンコンクリートにおける水の拡散の活性化エネルギーを算出する、
上記強度推定方法において、第2工程では、レジンコンクリートにおけるある温度の拡散係数、レジンコンクリートにおける水の拡散の活性化エネルギー、経過時間、およびレジンコンクリートの設置環境の温度から、差分法によりレジンコンクリートの含水量を計算する。
上記レジンコンクリートの強度推定方法において、第2工程におけるレジンコンクリートの含水量の計算では、所定の温度におけるレジンコンクリートにおける水の拡散係数でのレジンコンクリートの経時的な含水量の変化の計算結果について、含水量を被説明変数、経過時間を説明変数としてある温度におけるレジンコンクリートにおける含水量の経時変化の多項式近似を実施して近似式を作成し、近似式を活性化エネルギーを用いて経過時間を補正補正して用いることで、近似式を作成する際の温度とは異なる温度とされたレジンコンクリートの経時的な含水量の変化を計算する。
また、本発明に係るレジンコンクリートの強度低下推定システムは、評価対象のレジンコンクリートが使用される使用箇所の温度より高い範囲の温度の雰囲気としてレジンコンクリートからなる試料の強度を低下させる強度低下部と、強度低下部で強度が低下した試料の曲げ強度もしくは引張強度を測定する強度測定部と、強度低下部で強度が低下した試料の重量の増加を測定する重量測定部と、強度低下部を用いて強度を低下させた試料の強度の低下を強度測定部で測定した強度低下測定結果と、強度低下部を用いて強度を低下させた試料の重量の増加を重量測定部で測定した重量増加測定結果とから、レジンコンクリートの含水量の変化とレジンコンクリートの強度の変化との間の比例関係を求める計算部と、レジンコンクリートの含水量から計算部で求めた比例関係よりレジンコンクリートの強度を推定する推定部とを備え、強度低下部における雰囲気は、水の中または多湿とした空気中である。
上記レジンコンクリートの強度低下推定システムにおいて、強度低下部は、評価対象のレジンコンクリートが使用される使用箇所の温度より高い範囲の複数の温度の雰囲気としてレジンコンクリートからなる試料の強度を低下させ、計算部は、強度低下部を用いてレジンコンクリートが使用される使用箇所の温度より高い範囲で設定した複数の温度の雰囲気の各々に試料を配置し、所定の時間が経過するとともに取り出し、強度測定部を用いて試料の強度低下を測定した結果、および重量測定部を用いて試料の重量増加を測定した結果より、比例関係を示す関係式の係数を算出し、各温度におけるレジンコンクリートにおける水の拡散係数を算出し、異なる温度毎に得られる拡散係数を用いて活性化エネルギーを算出し、拡散係数および活性化エネルギーを導入した式を用いた温度と経過時間よりレジンコンクリートにおける含水量の経時変化挙動を算出し、算出したレジンコンクリートにおける含水量の経時変化挙動を用いて関係式から強度変化挙動を算出する。
以上説明したように、本発明によれば、レジンコンクリートの含水量の変化とレジンコンクリートの強度の変化との間の比例関係を用いるようにしたので、レジンコンクリートの長期信頼性がより正確に評価できるという優れた効果が得られる。
図1は、本発明の実施の形態におけるレジンコンクリートの強度推定方法を説明するためのフローチャートである。 図2は、曲げ試験におけるレジンコンクリートの破断面を観察した結果を模式的に示す断面図である。 図3は、強度低下が生じ始めた後の強度と、Mt/M∞のデータより回帰直線を得て、式(2)におけるAとBの値を決定するために用いた回帰直線の例を示すグラフである。 図4は、80℃,90℃,100℃の温度条件の各々で劣化させた試料の経時的な重量変化のデータを用いて式(3)および式(3’)より得られたグラフである。 図5は、拡散係数9.35×10-122/s(80℃)、1.49×10-112/s(90℃)、2.33×10-112/s(100℃)を対数lnDとしたものを縦軸に、横軸を1/RTとしてプロットしたグラフである。 図6は、実施の形態におけるMt/M∞の計算結果を示す特性図である。 図7は、本発明の実施の形態におけるレジンコンクリートの強度推定システムの構成を示す構成図である。 図8は、本発明の実施の形態における他のレジンコンクリートの強度推定システムの構成を示す構成図である。
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。はじめに、本発明の要点について説明する。
非特許文献1では、熱水中での加速試験による実験結果より、レジンコンクリートの強度低下が式(1)で示されるとしている。この式(1)によれば、レジンコンクリートの強度は、経過時間の自然対数に対して直線的に低下することになる。式(1)は実験的に得られたものであり、劣化プロセスの分析からこの式を検証するなどの理論的な裏付けはなされていない。
発明者らは、レジンコンクリートの劣化にはレジン内部への水の浸透が影響していると考えられることから、劣化に寄与する因子として水が、拡散によってレジンコンクリート内部へ浸透していくような劣化モデルについて考察した。
劣化因子である水の拡散は、フィックの法則に従うと考えると、レジンコンクリートへの侵入量は経過時間の1/2乗に比例する(非特許文献2参照)。拡散によって水がレジンコンクリート内部へ供給され、レジンコンクリートの強度低下が進行するのであれば、経過時間の対数よりも経過時間の1/2乗が関与した強度低下推定式となる方が、化学的な劣化プロセスから考察した際には自然である。
しかし、高分子材料を板状とした部材の含水量は、初期は経過時間の1/2乗に比例して増加するが、飽和含水の60〜70%程度まで含水が進行すると、含水量は経過時間の1/2乗に比例しなくなることが知られている(例えば非特許文献3参照)。
実際に発明者らが、非特許文献1と同様なレジンコンクリートの加速劣化実験を実施したところ、非特許文献1の誘導期間が終了した後は、強度低下と経過時間の1/2乗は、途中までは比例関係が見られたが、途中からは強度低下と経過時間の1/2乗は直線関係から外れることがわかった。これは、レジンコンクリートも飽和含水の60〜70%程度まで含水が進行した後は、含水量は経過時間の1/2乗に比例しなくなるためと説明できる。また、非特許文献1と同程度の温度と試験時間では、強度低下が経過時間の対数によく従ったが、より長時間の試験を実施すると強度低下と経過時間の対数の関係は直線関係ではなくなった。
以上の実験結果から、非特許文献1では短期間の実験では強度低下と経過時間の対数の間によい直線関係が得られたため、式(1)の強度低下推定を作成しているが、長期間にわたる強度低下挙動の推定には適合していなかったと考えられる。
以上の検証の結果、発明者らは、まず、強度低下と経過時間の1/x(1/4)乗に比例関係があり、この比例関係により、レジンコンクリートの強度低下が推定できるという知見に得るに至った。
この方法では、試験片(試料)の強度の測定を実施して、時間経過によるレジンコンクリートの初期強度からの強度の低下を複数の温度毎に測定し、測定された時間経過による強度の低下の測定値と、複数の温度の雰囲気において経過した時間の1/x乗(x≧2)との関係を示す関係式を、設定した複数の温度毎に求め、求めた複数の温度毎における関係式における係数から、レジンコンクリートの強度低下の活性化エネルギーを求め、求めた活性化エネルギーを用い、使用箇所の温度と使用箇所における経過時間の関数でレジンコンクリートの強度低下を推定する。
しかし、上述した知見では、実験結果に基づいているものの、強度低下メカニズムは明らかにはなっておらず、1/4乗に比例関係があるとした理論的裏づけに乏しかった。
上述した知見をもとに、発明者らは、レジンコンクリートの含水による重量増加から含水量を求め、含水量と強度低下の関係を比較したところ、含水量の増加と強度低下は比例関係にあることがわかった。このため、発明者らは、経過時間の(1/x)乗を説明変数として強度低下推定式を作成するのではなく、含水量を説明変数として強度低下推定式を作成し、なんらかの方法で含水の進行の経時変化を計算できれば、より正確なレジンコンクリートの強度が推定できるものと考えた。
本発明では、レジンコンクリートの強度低下と含水量とが比例関係にあることより、レジンコンクリートの含水量から、レジンコンクリートの強度を推定するようにした。図1に示すように、まず、第1工程S101で、レジンコンクリートの含水量の変化とレジンコンクリートの強度の変化との間の比例関係を求める。次に、第2工程S102で、レジンコンクリートの含水量を求める。次に、第3工程S103で、第2工程で求めたレジンコンクリートの含水量から、第1工程で求めた比例関係よりレジンコンクリートの強度を推定する。
例えば、第1工程では、レジンコンクリートからなる同一の寸法の複数の試料を用意し、レジンコンクリートが使用される使用箇所の温度より高い範囲で設定した、水の中または多湿とした空気中に試料を配置し、所定の時間が経過するとともに取り出して試料の強度の測定を実施して、時間経過によるレジンコンクリートの初期強度からの強度の低下および重量変化を測定し、測定された時間経過による強度の低下の測定値と重量変化の測定値との関係から比例関係を求めるようにすればよい。
上述した本発明によれば、対象となるレジンコンクリートの含水量が分かれば、当該レジンコンクリートの強度が判明する(推定できる)。また、対象となるレジンコンクリートにおける含水量の経時変化が分かれば、当該レジンコンクリートの強度低下が判明する。
ところで、曲げ試験におけるレジンコンクリートの破断面を観察すると、製造直後のレジンコンクリートは、図2の(a)に示すように、樹脂結合材201および骨材202に亀裂203が発生して割れている。これに対し、劣化したレジンコンクリートにおいては、骨材202は割れずに、図2の(b)に示すように、骨材202と樹脂結合材201との界面に沿って亀裂204が生じた。
このことから、レジンコンクリートにおける強度低下では、以下のメカニズムが考えられる。なお、以下では、骨材の強度を骨材強度とする。また、樹脂結合材は、正確には樹脂+重炭酸カルシウムから構成され、この強度を結合材強度とする。また、骨材と樹脂との界面の付着力は、界面付着力とする。
[第1段階]
製造直後は,骨材強度よりも結合材強度および界面付着力が強いため、まず骨材が割れ、この後、直ちに骨材周辺の樹脂に応力が集中して樹脂も破断する[図2の(a)]。この第1段階では、樹脂(樹脂+炭酸カルシウム)の部分を水が拡散し、時間の経過とともに樹脂の部分の強度や骨材との付着力が低下していても、レジンコンクリートの強度は最も弱い骨材の強度で決まるため、レジンコンクリートの強度は一定である。この強度が一定の期間は、非特許文献の式(1)におけるレジンコンクリートの強度が一定の誘導期間τのことである。
[第2段階]
一方、劣化が進行した後は、結合材強度もしくは界面付着力が低下して骨材強度を下回るため、骨材は割れず、骨材に沿った割れが生じる。このため、時間の経過とともに樹脂の部分の強度や、界面付着力が低下すると、レジンコンクリートの強度も低下する。
第1段階でも第2段階でも、結合材強度や界面付着力が低下しているが、第1段階では、これらの低下がレジンコンクリートの強度としては現れてこないだけである。
以上示したように、発明者らの鋭意の検討により、レジンコンクリートにおける含水量と強度(強度低下)との間には、比例関係にあることが分かり、含水量から強度が求められることが分かった。例えば、強度低下推定式「P=A−B×u・・・(2)」により、判明している(測定した)含水量uから強度Pを計算することで、強度低下が推定できる。なお、P:強度,A:定数,B:強度低下の係数である。
ここで、式(2)は、レジンコンクリートにおける含水量の増加に比例して強度が低下している領域の状態を示す線形式であり、Aは、Pが含水量を0としたときのレジンコンクリートの強度となるように補正する定数である。言い換えると、縦軸P、横軸uとしたグラフの上で、線形関数である式(2)の直線のP軸における切片の値がAである。
また、Bは、含水量が強度低下と比例するとした場合の強度低下の係数であり、経過時間の対数が強度低下と比例するとした場合の係数f(T)とは異なる値となるが、強度低下の傾きを決定する係数である点は同じである。また、uは、レジンコンクリートの単位体積あたりの含水量を用いても良く、現在の含水量(Mt)が飽和含水(M∞)に対して、どれくらい含水が進行しているかの値(Mt/M∞:0〜1の値を取る)の値を用いても良い。
ところで、上述したように、推定対象のレジンコンクリートの含水量がわかれば、このレジンコンクリートの強度が推定できるが、地中に埋設されたレジンコンクリートの含水量は容易には測定できない。また、含水量がわかって強度が測定できても、この後の強度低下挙動がどうなるのかを推定することはできない。
これに対し、レジンコンクリートの経時的な含水量の変化(含水挙動)を求め、含水量の経時的変化を算出し、これを用いることで、レジンコンクリートの強度変化が求められる。例えば、算出した含水量の経時変化を式(2)に代入することで、強度の経時的変化を算出することができる。これにより、レジンコンクリート構造物設置から現在までの経過年数がわかれば、現在のレジンコンクリートの強度を推定できるだけでなく、将来の強度低下挙動についても推定できるようになる。
高分子材料を板状とした部材中の含水挙動を求めるためには、例えば差分法が挙げられる(非特許文献4参照)。これによれば、拡散係数と厚さの情報があれば、レジンコンクリート中の含水量の経時変化が計算できることがわかる。差分法では、深さ方向に細かく区分したセルごとの含水量が計算できるため、これらの平均値をとれば全体の平均的な含水量が算出できる。ここで、含水量はレジンコンクリートの単位体積あたりの含水量を用いても良く、現在の含水量(Mt)が飽和含水(M∞)に対して、どれくらい含水が進行しているかの値(Mt/M∞:0〜1の値を取る)を用いても良い。
拡散係数は、温度により変化するが、すべての温度で拡散係数を測定するのは困難である。これに対し、水の拡散の活性化エネルギー(水の拡散の温度依存性)がわかり、ある温度の拡散係数がわかっていれば、異なる温度の拡散係数を推定できるため、異なる温度すべての拡散係数を用意する必要はなくなる。拡散の活性化エネルギーおよびある温度の拡散係数が予めわかっていれば、これらの値を使用すればよい。拡散係数や活性化エネルギーが不明な場合、複数の温度(望ましくは異なる3つ以上の温度)で拡散係数を測定し、これらからアレニウスプロットを作成し、その回帰直線の傾きから活性化エネルギーを求めることができる。
ある温度の拡散係数を求めるためには、純水中、もしくは高湿度に設定した空気中にレジンコンクリートを設置し、レジンコンクリートの重量増加からレジンコンクリート中の水の拡散係数を求めるとよい。複数の温度の拡散係数が必要な場合は、複数の温度に設定した純水中、もしくは高湿度に設定した空気中の各々に、レジンコンクリートの試料を設置し、各温度におけるレジンコンクリート(試料)の重量増加から、各温度におけるレジンコンクリート中の水の拡散係数を求めることになる。
板状のレジンコンクリートにおける初期の含水挙動は、フィックの法則に従うため、次の式(3)で示すことができ、Mt/M∞と経過時間の1/2乗は比例(直線)関係にあることが知られている(非特許文献2参照)。
Figure 2018179509
しかし、式(3)が成立するのは、Mt/M∞が0〜0.6程度の領域であり、この範囲よりMt/M∞の値が高くなると、徐々に、Mt/M∞は式(3)には従わなくなっていくことが知られている(非特許文献3)。
そこで、式(3)成立するMt/M∞が0〜0.6程度の領域で、縦軸をMt/M∞、横軸を経過時間の1/2乗をレジンコンクリートの厚さで除した値(t1/2/l)とすると、Mt/M∞と経過時間の1/2乗の関係は、直線上にプロットされる。このため、この直線の傾きをIとすると、式(3)から「D=I2(π/16)・・・(3’)」が導け、式(3’)から拡散係数を求めることができる。
レジンコンクリートの拡散係数を複数の温度で求めれば、アレニウスプロットから活性化エネルギーを求めることができるため、ある温度T1での拡散係数DT1がわかっていれば温度T2での拡散係数DT2は、以下の式(4)により推定できる。
Figure 2018179509
含水挙動の計算には、その温度で実測した拡散係数を用いても良いが、上述したように、ある温度の拡散係数と活性化エネルギーから別の温度の拡散係数を推定した拡散係数を用いてもよい。
またMt/M∞の時間経過に伴う挙動は、差分法による計算でその都度求めても良いが、計算量が膨大となり、利便性に欠ける。これに対し、レジンコンクリートの厚さを常に一定の厚さとして扱える場合、やや強引な手法ではあるが、ある拡散係数におけるMt/M∞の変化挙動は、経過時間を説明変数とした多項式近似で表すことができる。温度が変わって拡散係数が変わる場合は、上記多項式近似を補正することで計算の省力化を図ることができる。
例えば、ある拡散係数におけるMt/M∞の変化挙動を、「u=ax4+bx3+cx2+dx+e・・・(5)」と4次式で近似すれば、かなり正確に含水挙動を近似することができる。なお、u:レジンコンクリート全体のMt/M∞,x:経過時間t(秒)の1/2乗である。
式(5)のxについては、経過時間の1/2乗ではなく、経過時間そのもので含水挙動の近似式を作成することもできるが、横軸を経過時間の1/2乗としたほうが多項式近似しやすい曲線の形状となる。同じ4次式で比較すると、横軸を経過時間の1/2乗とした方が、得られる近似曲線がMt/M∞の変化挙動により近くなる。
次に、異なる温度(拡散係数)の場合に上記の多項式を補正する方法について説明する。通常、拡散係数を修正すると、その都度、差分法によるMt/M∞の挙動の計算が必要となり計算が膨大となる。そこで、拡散係数ではなく、経過時間の方を補正して計算する方が簡便であるため、この方法について説明する。
拡散係数Dにおける含水挙動の経時変化を差分法などで計算した結果が既にあり、拡散係数が2倍(2D)のt秒経過時の含水量が知りたい場合、拡散係数2Dで再計算する必要はなく、拡散係数Dでの2t秒後の結果がそのまま利用できる。
このため、拡散の活性化エネルギーEaが前述のように算出されていれば、ある温度T2で拡散係数がわかっている温度T1でのt1秒後と同じ含水状態となる時間(t2)は、以下の式(6)で求めることができる。
Figure 2018179509
従って、前述の式(5)に代入する経過時間の値を、式(6)によって補正すれば、その都度、異なる温度における拡散係数でMt/M∞の経時変化挙動を計算する必要がなくなり、異なる温度(拡散係数)における強度低下推定を簡便化することができる。
レジンコンクリートの強度としては、曲げ強度もしくは引張強度が好適に用いられるが、その他の強度の値を用いても本発明が利用できることは容易に類推できる。
これまでに説明したように、本発明では、レジンコンクリートの強度低下と含水量が直線関係にあることを利用し、レジンコンクリートの含水量の変化とレジンコンクリートの強度の変化との間の比例関係を求め(強度低下推定式を作成し)、強度低下の推定を行う点が従来にはない特徴である。加えて、含水量の経時変化を計算することにより、経時的な強度低下推定を可能とする点も従来にはない特徴である。
[実施例]
次に、強度低下を推定する方法について具体的に説明する。まず、厚さ1cm、平面視の形状が25×25cmの、板状のレジンコンクリート試料を作製した。複数のレジンコンクリート試料を作製した。これらの試料の初期強度を測定したところ、レジンコンクリート3個の平均曲げ強度は、250kg/cm2であった。残る試料を80℃、90℃、100℃の恒温水槽中に設置し、時間経過とともに3個ずつ取り出して曲げ強度と重量変化を測定し、平均曲げ強度を算出した。最終的にレジンコンクリートは100kg/cm2まで曲げ強度が低下した後、強度変化が見られなくなった。
なお、上述した実験では、曲げ強度を用いて実験を行ったが、レジンコンクリートの場合、曲げ強度と引張強度の間には強い相間があるため、引張強度を用いても良い。また他の強度指標を測定して引張強度や曲げ強度の代わりとすることは容易に類推できる。
レジンコンクリートの時間t経過後の含水率Mtは、レジンコンクリートの初期重量(乾燥重量)m0および時間t経過後のレジンコンクリートの重量mtを用いて「Mt(%)=100×(mt−m0)/m0・・・(7)」と表す。レジンコンクリートの重量や強度が変化しなくなった時のMtを飽和含水率M∞とすれば、Mt/M∞の値は最初が0でそこから含水が進行するとこの値は増加していき、最終的に飽和含水に至ると値が1となる。
本発明においての含水量の変化挙動はこのMt/M∞で説明するが、Mt/M∞ではなくレジンコンクリートの単位体積あたりの含水量(g/m3)等を代わりに用いてもよいことは容易に類推できる。
まず、レジンコンクリートの含水量と強度の関係式を作成する。レジンコンクリートは含水の進行(Mt/M∞)と比例して強度低下するため、強度低下推定式は前述した式(2)となる。なお、ここでは、u=Mt/M∞である。強度低下が生じ始めた後の強度と、Mt/M∞のデータより回帰直線を得て、AとBの値を決定するために用いた例を図3に示す。図3に示すように、縦軸P、横軸uとしたグラフの上で、線形関数である式(2)の直線のP軸における切片の値は、300となる。また、傾きは200となる。従って、式(2)は、「P=300−200×u・・・(2’)」となる。
なお、u:Mt/M∞に小さな値(例えば0〜0.2)を代入すると、強度の算出結果が、レジンコンクリートの初期強度より高い強度を示す場合がある。これは、前述した強度低下メカニズムの、第1段階にあると考えられる。この場合は、レジンコンクリートの初期強度(250kg/cm2)から低下していないと推定する。式(2’)が成り立つのは、概ねu:Mt/M∞が0.25〜0.3以上の場合である。
次に、拡散係数および活性化エネルギーの求め方について説明する。80℃,90℃,100℃の温度条件の各々で劣化させた試料の経時的な重量変化のデータを用い、前述した式(3)および式(3’)より、縦軸をu:Mt/M∞とし、横軸をt1/2/lとすると、図4に示すグラフとなる。
発明者らによる以前の実験では、強度低下と経過時間の1/4乗に比例関係がある結果が得られている。この結果は、図4に示すように、経過時間の1/2乗に従うMt/M∞が0〜0.6程度の領域よりも、Mt/M∞の値が高くなると、徐々に、Mt/M∞は、上記の関係には従わなくなっていくが、そのMt/M∞の挙動が、第1段階(誘導期間)が終わって強度低下が始まった第2段階の領域においては、結果的に経過時間の1/4乗でよく近似できていたことによる。
しかし、Mt/M∞は、1.0以上の値にならないのに対し、経過時間の1/4乗の値は上昇し続けるため、より長期間の挙動を計算すると経過時間の1/4乗の挙動はMt/M∞の挙動から乖離することは明らかである。従って、強度低下が経過時間の1/x(1/4乗)と比例することを利用するより、強度低下が含水量と比例することを利用した方が、強度推定精度が高くなることは明らかである。
図4において、Mt/M∞<0.6以下の直線領域の傾きをIとすると、式(3’)より各温度の拡散係数を求めることができる。この例では、拡散係数は9.35×10-122/s(80℃)、1.49×10-112/s(90℃)、2.33×10-112/s(100℃)と求められた。
アレニウスの式は、以下の式(8)により表され、対数をとると式(8’)となる。
Figure 2018179509
式(8’)のlnkの部分を拡散係数の対数lnDとしたものを縦軸とし、横軸を1/RTとしたグラフの傾きから、活性化エネルギーEaが算出できる。前述の3つの拡散係数の対数lnDとしたものを縦軸に、横軸を1/RTとしてプロットしたものを図5に示す。
図5に示す回帰直線の傾きから、活性化エネルギーは49976J/mol≒約50kJ/molであると算出された。次に80℃の拡散係数とこの活性化エネルギーから常温域(例えば15℃)の拡散係数を算出する。
ある温度T1での拡散係数DT1がわかっていれば、温度T2での拡散係数DT2は前述したように式(4)により求められる。従って、DT1に9.35×10-122/s(80℃)、T2に80℃=353K、T1に15℃=288K、Eaに50kJ/molを代入すると、DT2は2.00×10-122/s(15℃)と算出される。このように、ある温度での拡散係数と活性化エネルギーがわかっていれば他の温度での拡散係数を推定することが可能になる。
次に、算出した15℃の拡散係数(2.00×10-122/s)を用いたレジンコンクリートの含水挙動の経時変化を計算する方法について説明する。レジンコンクリートの飽和含水率をM∞とすると、物質の濃度u×(Mt/M∞)の非定常状態拡散は、フィックの第2法則により、1次元では次の式(9)により表すことができる。
Figure 2018179509
本検討では式(9)を、以下に示す差分法の陽解法式(9’)[例えば非特許文献4]を用いて解き、u×(Mt/M∞)をレジンコンクリートの各深さxにおける含水進行率として求めることで、塗膜の吸水挙動をシミュレーションできる。
Figure 2018179509
ここでは、レジンコンクリートを厚さ方向に1mm毎に細かく区分し、各領域における含水進行率u×(Mt/M∞)、およびレジンコンクリート全体を平均した含水進行率u×(Mt/M∞)を算出する。詳細な計算条件は以下に示す通りである。
以下では、厚さ5cmのレジンコンクリートについて計算する。下記計算条件においてレジンコンクリートの計算上の厚さを2.5cmとしたのは、板状のレジンコンクリートの両側からの水の浸み込みを想定し、計算量縮減のために、レジンコンクリート中心部分から片側のみを計算し、もう反対側のレジンコンクリートは線対称な含水挙動を取ると仮定して計算したためである。このため、5cmの半分の厚さ2.5cmで計算を実施している。
計算結果を図6に示す。このように、ある経過時間t後のレジンコンクリートのMt/M∞が算出できるため、経過時間t後のレジンコンクリートのu×(Mt/M∞)を式(2)[または式(2’)]に代入すれば、経過時間t後のレジンコンクリートの強度が推定できる。
これまでに説明した方法である時間を経た後のレジンコンクリートの含水量を計算し、含水量からレジンコンクリートの強度を推定してもよい。しかし、温度(拡散係数)が変わるたびに上記のような差分法による計算を実施してu×(Mt/M∞)の経時変化を算出するのは大変である。そこで、次に説明する方法で、計算を簡易化できる。
レジンコンクリートの厚さを常に一定の厚さ(例えば5cm)として扱う場合、やや強引な手法ではあるが、u×(Mt/M∞)の変化挙動を、経過時間を説明変数とした多項式近似で表すことができる。
例えば、拡散係数2.0×10-132/s、厚さ5cmの場合、4次式で近似して式(5)のa〜eの各係数を決定すると、6×109秒(=約190年)経過時までの含水挙動は「u=5.44×10-204−1.02×10-143+4.56×10-102+1.31×10-05x+1.23×10-02・・・(5’)」と表すことができる。なお、u:レジンコンクリート全体のMt/M∞,x:経過時間t(秒)の1/2乗である。式(5)で推定したuと、実際に差分法で計算したuの相関を計算すると,かなり正確(決定係数R2=0.9999)に含水挙動を近似することができることがわかった。
このように、差分法を用いて計算しなくとも、xに経過時間t(秒)の1/2乗を代入すれば簡便にレジンコンクリート全体のMt/M∞を求められる。
式(5’)のxについては、経過時間tの1/2乗ではなく、経過時間tそのもので含水挙動の近似式を作成することもできるが、横軸を経過時間tの1/2乗としたほうが多項式近似しやすい曲線の形状となるようで、同じ4次式で比較すると、横軸を経過時間の1/2乗としたほうが得られる決定係数が高くなるため、経過時間の1/2乗を採用することとした。
温度が変化すると拡散係数も変化するが、Mt/M∞の経時変化を求めるためには、その都度、差分法によるMt/M∞の挙動の計算が必要となり計算が膨大となる。そこで、拡散係数ではなく、経過時間の方を補正して計算する方が簡便であるため、次にその方法について説明する。
式(9’)からも明らかであるが、拡散係数が2倍となった場合、次の時間ステップまでの経過時間dtを1/2とすれば次の時間ステップまでに移動する水の量は同じである。差分法では、これを繰り返し実施しているため、ある拡散係数Dでのt秒後と、温度が上がって拡散係数が2倍(2D)となった場合の半分の時間t/2秒後において拡散の進行方向に対して、全く同じ含水量分布が得られることになる。このため、ある拡散係数Dでの含水進行の経時変化の計算結果が既にある場合、拡散係数が2倍(2D)でのt秒後の結果が知りたい場合、拡散係数2Dでのt秒後を計算するのではなく、拡散係数Dでの2t秒後の結果があれば、このまま拡散係数2Dでのt秒後として利用できることになる。
拡散係数の活性化エネルギーをEaとすると温度T2で温度T1でのt1秒後と同じ含水状態となる時間(t2)は、前述した式(6)により計算される値となる。従って、式(6)に代入する経過時間の値を、式(7)によって補正すれば、その都度、各温度における拡散係数で含水進行率u×(Mt/M∞)の挙動を計算する必要がなくなり、強度低下推定式の作成を簡便化することができる。
例えば、式(5’)のように15℃で拡散係数2.0×10-13 2/sの含水挙動が既に計算されていて、拡散の活性化エネルギーが50kJ/molとわかっている場合、25℃での含水進行率u×(Mt/M∞)の挙動は式(6)のT2に25℃=298K、T1に15℃=288Kを代入すればt2=2.02×t1と算出される。
例えば、温度25℃(T2)での10年後(≒315360000秒後)のMt/M∞が知りたい場合、15℃での315360000×2.02秒後の結果がこのまま利用でき、315360000×2.02=637027200、637027200の1/2乗は25239であり、この25239を式(5’)のxに代入すればu:Mt/M∞=0.49と算出される。この算出結果を、式(2)[式(2’)]へ代入すれば、25℃の環境における10年後のレジンコンクリートの強度が202kg/cm2と推定できる。
次に、上述したレジンコンクリートの強度推定方法を実施するためのシステムについて図7,図8を用いて説明する。このシステムは、強度低下部301、強度測定部302、重量測定部303、計算部304、推定部305、記憶部306、表示部307、入力部308を備える。
強度低下部301は、評価対象のレジンコンクリートが使用される使用箇所の温度より高い範囲の温度の雰囲気としてレジンコンクリートからなる試料の強度を低下させる。強度低下部301における雰囲気は、水の中または多湿とした空気中である。
強度低下部301は、例えば、図8に示すように、設定温度が異なる複数の処理槽321,322,323を備える。処理槽321は、例えば、収容されている水を温度60℃に維持している。処理槽322は、例えば、収容されている水を温度80℃に維持している。処理槽323は、例えば、収容されている水を温度100℃に維持している。
また、処理槽321は、例えば、収容されている湿度100%の空気を温度60℃に維持している。処理槽322は、例えば、収容されている湿度100%の空気を温度80℃に維持している。処理槽323は、例えば、収容されている湿度100%の空気を温度100℃に維持している。
これらの温度は、レジンコンクリートの強度低下のデータを集める期間と水の沸騰を考慮すると60〜100℃の範囲内で実施することが望ましいが、劣化が急速に進行する試料ではより低温で試験を実施してもよい。また、異なる複数の温度とは、少なくとも2つ以上の温度条件が必要だが、望ましくはアレニウスプロットが直線上に乗るかどうかを確認するため、3つ以上の温度条件であることが望ましい。
強度測定部302は、強度低下部301で強度が低下した試験片の曲げ強度もしくは引張強度を測定する。強度測定部302は、引張試験や曲げ試験が実施できる万能試験機から構成されていればよい。これ以外の強度低下測定手段を用いても同一の効果が得られることは容易に類推できる。
重量測定部303は、強度低下部301で強度が低下した試料の重量の増加を測定する。重量測定部303は、例えば、電子天秤などから構成すればよい。なお、重量測定部303は、電子天秤に限らず、他の重量測定手段を用いても同一の効果が得られることは容易に類推できる。
なお、強度低下部301から強度測定部302まで、および強度低下部301から重量測定部303までの試料の移動は手動で行っても良く、ロボットアームなどにより自動で移動させる機構を備えていても良い。
計算部304は、強度低下部301を用いて強度を低下させた試料の強度の低下を強度測定部302で測定した強度低下測定結果と、強度低下部301を用いて強度を低下させた試料の重量の増加を重量測定部303で測定した重量増加測定結果とから、レジンコンクリートの含水量の変化とレジンコンクリートの強度の変化との間の比例関係を求める。
例えば、強度測定部302で測定された強度の測定値、および重量測定部303で測定された重量(重量増加)の測定値は、記憶部306に記憶される。このようにして記憶部306に記憶された測定値を用い、計算部303は、比例関係を求める。
推定部305は、レジンコンクリートの含水量から、計算部304で求めた比例関係よりレジンコンクリートの強度を推定する。推定部305が推定した結果は、表示部307に表示される。含水量の情報などは、例えば、入力部308より入力される。また、入力部308により、強度を推定したい設備の情報なども入力される。
ここで、強度低下部301により、評価対象のレジンコンクリートが使用される使用箇所の温度より高い範囲の複数の温度の雰囲気として、強度を低下させたレジンコンクリートからなる複数の試料を作製し、これらの試料の測定結果より、計算部304では、以下に示すように、レジンコンクリートの強度の変化を求めるようにしてもよい。
まず、強度低下部301を用いてレジンコンクリートが使用される使用箇所の温度より高い範囲で設定した複数の温度の雰囲気の各々に試料を配置し、所定の時間が経過するとともに取り出し、強度測定部302を用いて試料の強度低下を測定した結果、および重量測定部303を用いて試料の重量増加を測定した結果より、比例関係を示す関係式の係数を算出する。
次に、各温度におけるレジンコンクリートにおける水の拡散係数を算出する。次に、異なる温度毎に得られる拡散係数を用いて活性化エネルギーを算出する。次に、拡散係数および活性化エネルギーを導入した式を用いた温度と経過時間よりレジンコンクリートにおける含水量の経時変化挙動を算出する。この後、算出したレジンコンクリートにおける含水量の経時変化挙動を用いて関係式から強度変化挙動を算出する。
なお、計算部304、推定部305、記憶部306、表示部307は、例えば、CPU(Central Processing Unit;中央演算処理装置)と主記憶装置と外部記憶装置とネットワーク接続装置となどを備えたコンピュータ機器であり、主記憶装置に展開されたプログラムによりCPUが動作することで、上述した各機能が実現される。
以上に説明したように、本発明によれば、レジンコンクリートの含水量の変化とレジンコンクリートの強度の変化との間の比例関係を用いるようにしたので、レジンコンクリートの長期信頼性がより正確に評価できるようになる。
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
301…強度低下部、302…強度測定部、303…重量測定部、304…計算部、305…推定部、306…記憶部、307…表示部、308…入力部、321,322,323…処理槽。

Claims (8)

  1. レジンコンクリートの含水量の変化と前記レジンコンクリートの強度の変化との間の比例関係を求める第1工程と、
    前記レジンコンクリートの含水量を求める第2工程と、
    前記第2工程で求めた前記レジンコンクリートの含水量から前記比例関係より前記レジンコンクリートの強度を推定する第3工程と
    を備えることを特徴とするレジンコンクリートの強度推定方法。
  2. 請求項1記載のレジンコンクリートの強度推定方法において、
    前記第1工程では、
    前記レジンコンクリートからなる同一の寸法の複数の試料を用意し、
    前記レジンコンクリートが使用される使用箇所の温度より高い範囲で設定した、水の中または多湿とした空気中に前記試料を配置し、所定の時間が経過するとともに取り出して前記試料の強度の測定を実施して、時間経過による前記レジンコンクリートの初期強度からの強度の低下および重量変化を測定し、
    測定された時間経過による強度の低下の測定値と重量変化の測定値との関係から前記比例関係を求める
    ことを特徴とするレジンコンクリートの強度推定方法。
  3. 請求項1または2記載のレジンコンクリートの強度推定方法において、
    前記第2工程では、ある温度における前記レジンコンクリート中の水の拡散係数と、前記レジンコンクリートにおける水の拡散の活性化エネルギーとを用いて前記レジンコンクリートにおける含水量の経時変化を求め、
    前記第3工程では、前記第2工程で求めた前記レジンコンクリートにおける含水量の経時変化から前記比例関係より前記レジンコンクリートの経時的な強度変化を推定する
    ことを特徴とするレジンコンクリートの強度推定方法。
  4. 請求項3記載のレジンコンクリートの強度推定方法において、
    前記第2工程では、複数の温度における前記レジンコンクリート中の水の拡散係数を求め、求めた各温度における拡散係数から、前記レジンコンクリートにおける水の拡散の活性化エネルギーを算出する
    ことを特徴とするレジンコンクリートの強度推定方法。
  5. 請求項4記載のレジンコンクリートの強度推定方法において、
    前記第2工程では、
    前記レジンコンクリートにおけるある温度の拡散係数、前記レジンコンクリートにおける水の拡散の活性化エネルギー、経過時間、および前記レジンコンクリートの設置環境の温度から、差分法により前記レジンコンクリートの含水量を計算する
    ことを特徴とするレジンコンクリートの強度推定方法。
  6. 請求項5記載のレジンコンクリートの強度推定方法において、
    前記第2工程における前記レジンコンクリートの含水量の計算では、
    所定の温度における前記レジンコンクリートにおける水の拡散係数での前記レジンコンクリートの経時的な含水量の変化の計算結果について、含水量を被説明変数、前記経過時間を説明変数としてある温度における前記レジンコンクリートにおける含水量の経時変化の多項式近似を実施して近似式を作成し、
    前記近似式を、前記活性化エネルギーを用いて前記経過時間を補正して用いることで、前記近似式を作成する際の温度とは異なる温度とされた前記レジンコンクリートの経時的な含水量の変化を計算する
    ことを特徴とするレジンコンクリートの強度推定方法。
  7. 評価対象のレジンコンクリートが使用される使用箇所の温度より高い範囲の温度の雰囲気として前記レジンコンクリートからなる試料の強度を低下させる強度低下部と、
    前記強度低下部で強度が低下した前記試料の曲げ強度もしくは引張強度を測定する強度測定部と、
    前記強度低下部で強度が低下した前記試料の重量の増加を測定する重量測定部と、
    前記強度低下部を用いて強度を低下させた前記試料の強度の低下を前記強度測定部で測定した強度低下測定結果と、前記強度低下部を用いて強度を低下させた前記試料の重量の増加を前記重量測定部で測定した重量増加測定結果とから、前記レジンコンクリートの含水量の変化と前記レジンコンクリートの強度の変化との間の比例関係を求める計算部と、
    前記レジンコンクリートの含水量から前記計算部で求めた前記比例関係より前記レジンコンクリートの強度を推定する推定部と
    を備え、
    前記強度低下部における雰囲気は、水の中または多湿とした空気中であることを特徴とするレジンコンクリートの強度低下推定システム。
  8. 請求項7記載のレジンコンクリートの強度低下推定システムにおいて、
    前記強度低下部は、
    評価対象の前記レジンコンクリートが使用される使用箇所の温度より高い範囲の複数の温度の雰囲気として前記レジンコンクリートからなる前記試料の強度を低下させ、
    前記計算部は、
    前記強度低下部を用いて前記レジンコンクリートが使用される使用箇所の温度より高い範囲で設定した複数の温度の雰囲気の各々に前記試料を配置し、所定の時間が経過するとともに取り出し、前記強度測定部を用いて前記試料の強度低下を測定した結果、および前記重量測定部を用いて前記試料の重量増加を測定した結果より、前記比例関係を示す関係式の係数を算出し、
    各温度における前記レジンコンクリートにおける水の拡散係数を算出し、
    異なる温度毎に得られる前記拡散係数を用いて活性化エネルギーを算出し、
    前記拡散係数および前記活性化エネルギーを導入した式を用いた温度と経過時間より前記レジンコンクリートにおける含水量の経時変化挙動を算出し、
    算出した前記レジンコンクリートにおける含水量の経時変化挙動を用いて前記関係式から強度変化挙動を算出する
    ことを特徴とするレジンコンクリートの強度低下推定システム。
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