アルカリ骨材反応抑制|ASRリチウム工法協会
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亜硝酸リチウム高圧注入によるアルカリ骨材反応 抑制効果の検証|コンクリート構造物に生じたASR(アルカリ骨材反応)を抑制する補修工法 亜硝酸リチウムを主成分としたASR抑制剤をコンクリート中に圧入し、構造物全体のASR(アルカリ骨材反応)を根本的に抑制|ASRリチウム工法協会

亜硝酸リチウム高圧注入によるアルカリ骨材反応 抑制効果の検証

 
報告 亜硝酸リチウム高圧注入によるアルカリ骨材反応 抑制効果の検証
 江良和徳*1, 岡田繁之*2, 三原孝文*3, 河原健児*4
 
Verification of Controlling Effect of the Alkali-Aggregate Reaction
by Nitrous Acid Lithium Power Injection

 
Kazunori ERA*1, Shigeyuki OKADA*2, Takafumi MIHARA*3 and Kenji KAWAHARA*4

要旨: アルカリ骨材反応により劣化したコンクリート構造物に亜硝酸リチウム水溶液を高圧で注入し,以後のASR膨張を抑制する補修工事を実施した.亜硝酸リチウムによる膨張抑制効果を検証するために,亜硝酸リチウム浸透確認試験,リチウムイオン定量分析試験および促進膨張試験を実施した.これらの試験結果より,本工法によるリチウムの浸透効果,ASR膨張の抑制効果に十分期待ができることを確認した.

キーワード: アルカリ骨材反応,亜硝酸リチウム,高圧注入,残存膨張率
 

1.はじめに

 
 コンクリート構造物中の鉄筋がアルカリ骨材反応(以下、ASRと称す)によるコンクリートの膨張によって破断するという深刻な事態が明らかになったこともあり、現在、ASRは極めて注目を集めている劣化現象であると言える。
 従来、ASR の補修工法は外部からの水分供給遮断を目的とする表面保護工を中心とした工法が適用されてきた。しかしこれらの施工事例の中には、十分な効果が得られず再劣化しているケースも見受けられ、より根本的な対策方法が模索されてきた。
 一方、リチウムによるASR膨張の抑制効果に関する研究1)が国内外でなされており、亜硝酸リチウムに代表されるリチウム塩をコンクリート中に供給することで、アルカリシリカゲルが非膨張性の物質へと変化し、ASR膨張が抑制されるというメカニズムが提案されている。このようなリチウムのASR 膨張抑制効果を期待し、コンクリート内部に亜硝酸リチウムを高圧で注入して骨材周囲のアルカリシリカゲルの膨張を抑制するASR補修工法の開発、実用化が図られている2)3)
 本稿では、亜硝酸リチウム高圧注入工の施工を実施した日御碕擁壁と海田高架橋の2 件に関して、施工後に実施したASR膨張抑制効果の検証結果について報告する。
 

2.施工概要

2.1 工事概要

(1)工事その1 “ 日御碕擁壁”(写真-1)
日御碕地区擁壁施行状況|亜硝酸リチウム高圧注入によるアルカリ骨材反応 抑制効果の検証
写真-1 日御碕地区擁壁施行状況
 工事名:日御碕地区 砂防修繕工事
 発注者:島根県出雲土木建築事務所
 施工場所:島根県大社町日御碕地内
 施工数量:擁壁15m3
 工期:H15年8月〜H15年11月
 
(2)工事その2“ 海田高架橋”( 写真-2)
海田高架橋施工状況|亜硝酸リチウム高圧注入によるアルカリ骨材反応 抑制効果の検証
写真-2 海田高架橋施工状況
工事名:国道2号海田高架橋橋脚補強工事
発注者:国土交通省広島国道事務所
施工場所:広島県安芸郡海田町地内
施工数量:橋脚7基150m3,橋台2基50m3
工期:H16年6月〜H16年10月
 

2.2 工法概要

 日御碕擁壁および海田高架橋下部工は,ともに昭和50年代後半に建設されたRC構造物であり,ASRによる劣化が顕著に見られていた.特に海田高架橋の下部工は,過去にASR対策工事として有機系表面被覆材による表面保護工が施工されているが, 再劣化により塗膜表面にまでひび割れが生じていた.このような構造物に対して今回施工した工法は,コンクリートに圧入孔を削孔し,そこから亜硝酸リチウム水溶液(重量濃度40%)を圧入するASR補修工法である.図-1に工法概要図を,図-2 に施工フローを示す.
工法概要図|亜硝酸リチウム高圧注入によるアルカリ骨材反応 抑制効果の検証
図-1 工法概要図
施工フロー|亜硝酸リチウム高圧注入によるアルカリ骨材反応 抑制効果の検証
図-2 施行フロー
施工仕様一覧|亜硝酸リチウム高圧注入によるアルカリ骨材反応 抑制効果の検証
表-1 施工仕様一覧
 亜硝酸リチウムの必要量は,対象構造物のアルカリ総量(Na2O 換算)におけるNa+に対して,Li+のモル比が1.0となるように定めた.注入圧力や圧入時間などの施工仕様はコンクリートの物性や劣化状態に応じて設定する必要があり,過去の試験施工や供試体実験などで得られた知見をもとに定めた.表-1に両工事における施工仕様を示す.
 

3.効果検証のための試験方法

3.1 亜硝酸リチウムの浸透確認

呈色反応試験位置の例|亜硝酸リチウム高圧注入によるアルカリ骨材反応 抑制効果の検証
図-3 呈色反応試験位置の例
 コンクリート中の亜硝酸リチウムの浸透状況を確認するために,日御碕擁壁,海田高架橋ともに呈色反応試験を実施した.試験実施時期は本注入作業完了の2日後とし,圧入孔間の中央部付近よりφ20mm,L=200mm 程度のコアを採取し(図-3),その表面に呈色液TDI(トルエン・ジイソシアナート;亜硝酸イオンと反応して茶褐色に呈色)を噴霧して呈色反応状況を観察した.試験頻度は5〜10m2につき1箇所とした.
 

3.2 リチウムイオン定量分析

リチウムイオン分析試料の採取|亜硝酸リチウム高圧注入によるアルカリ骨材反応 抑制効果の検証
図-4 リチウムイオン分析試料の採取
 コンクリート中に供給されたリチウムイオンの分布状況を定量的に確認するために,日御碕擁壁にてリチウムイオン定量分析を実施した.工事完了の1ヵ月後に擁壁天端より長さ1.2mの長尺コアを鉛直方向に1本採取し( 図-4),それを50mm間隔で粉砕採取した各粉末試料中に含まれるリチウムイオンを,ICPプラズマ発光分光光度法により定量分析した.
 

3.3 促進膨張試験

 亜硝酸リチウムによるASR 膨張の抑制効果を定量的に確認するために,日御碕擁壁,海田高架橋ともに施工前,施工後に採取したコンクリートコア(φ100mm,L=250mm)を用いて促進膨張試験を実施した.
施工前のコアは本注入工開始の14日前に,施工後のコアは本注入完了の7日後に採取した.
コアの採取位置は圧入孔から250mm 離れた位置とした.
膨張率の測定は「40℃,RH100 %」および「80℃,1mol/l NaOH溶液」の促進養生条件下にて行った.
 「40 ℃,RH100 % 」条件下での測定は,JCI-DD2「アルカリ骨材反応を生じたコンクリート構造物のコア試料による膨張率の測定方法(案)」に準拠し,コアの基長測定後,温度20℃,相対湿度100%の条件下で約2週間の標準養生を行い,その間の膨張ひずみを測定して開放膨張率とした.
 その後,温度40℃,相対湿度100% の条件下で13週間の促進養生を行い,その間の膨張ひずみを測定して残存膨張率とした.
 膨張ひずみの測定は,ゲージプラグを接着したステンレス製バンドをコアに取り付け,コンタクトゲージにて計測した.
 「80℃,1mol/l NaOH溶液」条件下での測定は,80℃の温水中に24時間保ち,80℃における基長を測定した後,80℃,1mol/l NaOH溶液中にて14日〜21日間の促進養生を行い,その間の膨張ひずみを測定した.
 

4.試験結果とASR 抑制効果の検証

4.1 亜硝酸リチウムの浸透状況

呈色反応状況|亜硝酸リチウム高圧注入によるアルカリ骨材反応 抑制効果の検証
写真-3 呈色反応状況
 日御碕擁壁4本と海田高架橋43本の呈色反応試験結果を表-2 に示す.全採取コアの約74%に当たる35本において,コア表面の70%程度以上の範囲に呈色反応がみられた(写真-3).また,残り26%に当たる12 本の採取コアにおいても,コア表面に斑状の呈色反応,またはコンクリート内部のひび割れ(コアの不連続箇所)に沿った範囲の呈色反応がみられており,全く呈色反応示さないコアはみられなかった.
 
呈色反応試験結果|亜硝酸リチウム高圧注入によるアルカリ骨材反応 抑制効果の検証
表-2 呈色反応試験結果
 亜硝酸リチウムのコンクリート中の浸透は,主にコンクリート中の微細なひび割れを通じて,また一部はコンクリート中の連続空隙を通じて各圧入孔からその周囲へ広がっていくものと考えられる.
圧入孔間の中央部付近のコアで実施した呈色反応試験の結果,全ての箇所に呈色反応がみられたことから,各圧入孔間の範囲のコンクリート中には亜硝酸リチウムが浸透したと判断することができる.
これらの試験結果より,圧縮強度が10.9〜33.3N/mm2のコンクリートに対し,圧入孔間隔を500mm,注入圧力を0.5〜1.0MPaと設定して亜硝酸リチウム水溶液を圧入した場合,亜硝酸リチウムはコンクリート中に概ね満遍なく浸透している状況が確認できた.
 

4.2 リチウムイオン定量分析結果

リチウムイオン含有量|亜硝酸リチウム高圧注入によるアルカリ骨材反応 抑制効果の検証
図-5 リチウムイオン含有量
 日御碕擁壁にて実施したリチウムイオン定量分析結果を図-5に示す.既往の研究成果1)により,亜硝酸リチウムによってASRを抑制するために必要なLi+/Na+モル比を0.5 と設定すると,本擁壁のASR抑制対策に必要となるリチウムイオン量は0.459kg/m3となる.
 全24試料のうちの3試料において0.459kg/m3を若干下回ったものの,全体の88%の範囲には必要量以上のリチウムイオンが供給されていることがわかる.
 また,全24試料におけるリチウムイオン含有量の平均値は0.715 kg/m3であり,必要量リチウムイオン量0.459kg/m3を大きく上回る.
 リチウムイオンの分布状況と圧入孔の位置との関係を図-6 に示す.リチウムイオンは各圧入孔からその周囲へ広がっていくと考えられるため,圧入孔付近のリチウムイオン濃度がより高く,圧入孔から離れるに従って濃度が低くなると予測していたが,実際の分布状況ではむしろ上下の圧入孔間の中央部付近(試料No.9〜16)に高濃度のリチウムイオンが検出された.
リチウムイオンの分布状況|亜硝酸リチウム高圧注入によるアルカリ骨材反応 抑制効果の検証
図-6 リチウムイオンの分布状況
 このリチウムイオン分布の凹凸と圧入孔位置との関係に着目すると,図-6の中に矢印で示したように,試料No.9〜16付近には上下左右の圧入孔から浸透してくるため,結果的にリチウムイオン量が多く供給されていたと考えられる.
 これらの試験結果より,圧縮強度が10.9〜18.3N/mm2のコンクリートに対し,圧入孔間隔を500mm,注入圧力を0.5〜0.6MPaと設定して亜硝酸リチウム水溶液を圧入した場合,概ねコンクリート全範囲においてASR抑制に必要な量以上のリチウムイオンが分布している状況が確認できた.
 

4.3 促進膨張試験結果

 日御碕擁壁における「40 ℃,RH100%」条件下での促進膨張試験結果を図-7 に示す.施工前の試験体の全膨張率は0.055 %を示した.
 それに対し施工後の全膨張率の平均値は0.013%であり,施工前の値に比べて23.6%に低減されていた.
 残存膨張率で比較すると,施工前は0.041%,施工後の平均値は0.010%であり, 施工前に比べて24.4%に低減されていた.
 海田高架橋における「40 ℃,RH100%」条件下での促進膨張試験結果を図-8 に示す.施工前の全膨張率の平均値は0.049%を示した.それに対し施工後の全膨張率の平均値は0.020%であり,施工前に比べて40.8%に低減されていた.残存膨張率で比較すると,施工前の平均値は0.039%,施工後の平均値は0.009%であり,施工前に比べて25.0%に低減されていた.
 これらの試験結果より,圧縮強度が10.9〜33.3N/mm2,アルカリ総量が3.5〜5.7kg/m3のコンクリートに対し,Li+/Na+モル比を1.0とする量の亜硝酸リチウム水溶液を圧入することにより,亜硝酸リチウム圧入後のコンクリートの膨張率は注入前の25%〜40%程度にまで低減されており,以後のASR膨張を十分抑制することが可能であると考える.
促進膨張試験結果(海田高架橋,40℃,RH100%)
図-8 促進膨張試験結果(海田高架橋,40℃,RH100%)
促進膨張試験結果(日御碕擁壁,40℃,RH100%)
図-7 促進膨張試験結果(日御碕擁壁,40℃,RH100%)
促進膨張試験結果(海田,80℃,1mol/l NaOH)
図-9 促進膨張試験結果(海田,80℃,1mol/l NaOH)
 本工法施工後の効果確認試験として促進膨張試験を実施する場合,「40℃,RH100%」条件下での促進膨張試験(JCI-DD2 法)では,試験結果を得るまでに3ヶ月〜6ヶ月を要する.
 これでは施工工期内に収めることが困難となるため,より短期間で結果を得ることのできる「80℃,1mol/l NaOH溶液」条件下での促進膨張試験に着目した.
 海田高架橋における「80℃,1mol/l NaOH溶液」条件下での促進膨張試験結果を図-9 に示す.施工前の膨張率は14日間で0.115%, 21日間で0.183 %値を示した.
 それに対し施工後の膨張率は14日間で0.041%であり,14日間の膨張率で比較すると,施工前の35.7%に低減されていた.
 
 図-8 に示す海田高架橋の「40℃,RH100%」条件下での試験結果と,図-9 の「80℃,1mol/l NaOH溶液」条件下での結果とを比較すると,示される膨張率の値は当然異なるものの,膨張率の低減率に着目すると,どちらも施工後の膨張率が施工前の35〜40%程度に低減されていることが分かり,本試験の範囲内では両者からほぼ同等の評価が得られたと言える.
 ただし,促進膨張試験の結果はコアの形状寸法に大きく依存することが指摘されており4),異なる促進養生条件で得られる膨張率の相関関係を把握するにはさらに多くの比較データを必要とすると考える.
 

5.まとめ

(1)本工法の定める圧入孔間隔,注入圧力にて亜硝酸リチウムをコンクリートに圧入した場合,亜硝酸リチウムはコンクリート中に概ね満遍なく浸透しており,リチウムイオンもASR抑制に必要な量以上でほぼ分布している状況が確認できた.
(2) Li+/Na+モル比を1.0とする量の亜硝酸リチウム水溶液をコンクリート中に圧入することにより,亜硝酸リチウム圧入後のコンクリートの膨張率は注入前の25%〜40%程度にまで低減されていることが確認できた.
(3)亜硝酸リチウムの良好な浸透状況と,膨張率の低減効果が示されたことにより,本工法のASR膨張の抑制効果は十分に期待できるものと考える.
 

参考文献

1)例えば斉藤満,北川明雄,枷場重正:亜硝酸リチウムによるアルカリ骨材膨張の抑制効果,材料,Vol.41,No.468,pp.1375-1381,1992
2)江良和徳,岡田繁之,三原孝文,河原健児:亜硝酸リチウム高圧注入によるアルカリ骨材反応抑制工法(リハビリ高圧注入工法)の開発,コンクリート構造物の補修,補強,アップグレードシンポジウム論文報告集,Vol.4,pp.117-122,2004
3)金好昭彦,内田博之,狩野裕之:大型コンクリート部材におけるリチウムのASR抑制効果に関する研究,コンクリート工学年次論文集,Vol.23,pp.403-408,2001
4)大脇英司,宮原茂禎,上東泰,野島昭二:促進膨張試験によるコンクリートコアのアルカリ骨材反応性の検討,土木学会第58回年次学術講演会概要集第5部,pp.137-138,2003

*1 極東工業株式会社 技術本部技術部補修課
*2 極東工業株式会社 技術本部技術部補修課 課長
*3 極東工業株式会社 技術本部技術部補修課
*4 福徳塗装工業株式会社 コンクリート補修部 次長
 
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