尿素を用いたコンクリートの RC ラーメン高架橋への適用

工事記録
尿素を用いたコンクリートの
RC ラーメン高架橋への適用
田中博一＊1・石本晴義＊2・野田宏昭＊3・綾野克紀＊4
概 要　コンクリートのひび割れ発生を低減する目的で尿素を用いたコンクリートを RC ラーメン高架橋のスラブおよ
び梁に約 450 m3 適用した。適用に際しては，尿素の混入量，粗骨材の種類などを要因とした配合選定試験を実施し，施工
性，乾燥収縮ひずみ低減効果などを総合的に考慮して配合を選定した。さらに，実構造物において，同時期に施工した尿
素を用いたコンクリートと普通コンクリートの温度およびひずみを計測し，ひび割れ調査を実施して比較した。その結果，
尿素および石灰岩粗骨材を用いることで，乾燥収縮ひずみが 40％以上低減すること，実構造物においてひび割れ本数が
60％以上低減することなどを確認した。
キーワード：尿素，石灰岩粗骨材，乾燥収縮，ひび割れ，現場計測，実構造物
体交差事業の完成予想図を写真-1 に，工事概要を以下
1.　は じ め に
に示す。
コンクリート構造物にひび割れが発生した場合，構造
工事名称：大分高架駅部 BL 新設他 6 工事
物の耐久性や水密性などの性能が低下することが懸念さ
発 注 者：九州旅客鉄道㈱
れる。コンクリート構造物に発生するひび割れには，セ
施 工 者：清水建設㈱・九鉄工業㈱・梅林建設㈱
メントの水和熱に起因する温度ひび割れや乾燥収縮ひび
駅部 BL 新設他工事　共同企業体
割れがある。温度ひび割れの低減については，尿素を用
施工延長：420 m
いたコンクリート（以下，尿素コンクリート）に関する
構造種別：RC ラーメン高架橋
研究が行われ，尿素を用いた場合，練混ぜ直後の吸熱反
コンクリート数量：約 5 200 m3
応による温度低減効果と硬化時におけるセメントの水和
大分高架駅部工事は，一期施工として JR 豊肥本線，
反応の抑制効果により，コンクリートの水和熱低減効果
久大本線の高架化が実施され，平成 20 年 8 月に開業さ
があると報告されている
。さらに，筆者らは，尿素
れた。本工事は，二期施工であり，大分高架駅部高架橋
の高い水溶性と非揮発性に着目し，尿素コンクリートの
の拡幅工事として，図-1，写真-2 に示すように，一期
ひび割れ低減効果に関する研究を行っており，尿素コン
施工で建設された既設梁スラブと新設梁スラブとを一体
クリートが温度ひび割れだけでなく，乾燥収縮ひび割れ
化するものである。一体化するため，既設梁スラブの拘
に対しても効果があることを明らかにした
束によるひび割れの発生が懸念された。そのため，温度
1），
2）
。
3），
4）
本稿では，尿素コンクリートを RC ラーメン高架橋へ
ひび割れだけでなく，乾燥収縮ひび割れに対しても効果
適用するにあたり事前に実施した配合選定試験，ならび
を期待できる尿素コンクリートを 1 ラーメンのスラブお
に，普通コンクリートと尿素コンクリートの温度および
よび梁（約 450 m3）に適用し，同時期に施工した普通
ひずみを現場で計測し，ひび割れ調査を実施して確認し
コンクリートと比較検討した。
た尿素コンクリートの実構造物におけるひび割れ低減効
果について報告する。
2.　工 事 概 要
本工事は，鉄道を高架化することにより，市街地の南
北の一体的な発展と踏切の遮断による交通渋滞の解消を
目的とした大分駅付近連続立体交差事業の一環で，JR 日
豊本線大分駅部において施工延長 420 m，幅 10～34 m
の RC ラーメン高架橋の躯体を構築するものである。立
＊1 たなか・ひろかず／清水建設㈱ 技術研究所 主任研究員（正会員）
＊2 いしもと・はるよし／清水建設㈱ 名古屋支店土木部 副部長
＊3 のだ・ひろあき／九州旅客鉄道㈱ 施設部工事事務所
＊4 あやの・としき／岡山大学大学院 環境学研究科 教授（正会員）
Vol. 50, No. 8, 2012. 8
写真-1 立体交差事業の完成予想図5）
689
尿素コンクリート施工箇所
施工延長 420 m
大分駅 北口
2 期工事
1 期工事
大分駅 南口
図-1 大分高架駅部工事施工箇所（平面図）
表-1 要因と水準
1期
施工
2期
施工
尿素混入量
（kg/m3）
記号
尿素 0-混合粗骨材
0
尿素 20-混合粗骨材
20
尿素 30-混合粗骨材
30
尿素 0-石灰岩粗骨材
0
尿素 20-石灰岩粗骨材
20
尿素 30-石灰岩粗骨材
30
粗骨材の種類
混合粗骨材
（石灰岩＋安山岩）
石灰岩粗骨材
（石灰岩のみ）
表-2 使 用 材 料
写真-2 尿素コンクリート適用構造物の概要
3.　配合選定試験
材料
記号
セメント
C
細骨材
S
山砂　表乾密度 2.60 g/cm3
吸水率 2.71％，F.M. 2.53
3.1 要因と水準
要因と水準を表-1 に示す。要因は尿素混入量および
粗骨材のみを用いたものの 2 水準とした。なお，尿素
0-混合粗骨材は，実施工にコンクリートを供給するレ
G1
石灰岩砕石　表乾密度 2.70 g/cm3
吸水率 0.50％　最大寸法 20 mm
G2
安山岩砕石　表乾密度 2.65 g/cm3
吸水率 0.51％　最大寸法 20 mm
粗骨材
粗骨材の種類とした。粗骨材の種類は，石灰岩砕石と安
山岩砕石を質量比 4：6 で混合した混合粗骨材と石灰岩
仕様
普通ポルトランドセメント
密度 3.16 g/cm3
混和材
U
尿素　密度 1.32 g/cm3，窒素分 46%
混和剤
Ad
AE 減水剤
合成短繊維
PP
ポリプロピレン繊維
密度 0.91 g/cm3
形状　換算直径 0.0648 mm×12 mm
ディーミクストコンクリート工場の 30-12-20 N に対す
る標準配合であり，乾燥収縮をさらに低減する目的で，
表-3 配 合
石灰岩粗骨材のみを用いた場合についても検討すること
とした。
記号
3.2 使用材料および配合
W/C （W＋U）
/C
（％） 容積比
単位量（kg/m3）
W
C
U
尿素 0-混合粗骨材
46.9
1.49
168
358
0
754 1 025
尿素 20-混合粗骨材
42.7
1.49
153
358
20
754 1 025
尿素 30-混合粗骨材
40.5
1.49
145
358
30
754 1 025
尿素 0-石灰岩粗骨材
46.9
1.49
165
352
0
766 1 037
水と混ぜると吸熱反応する（溶解熱－15.4 kJ/mol），非
尿素 20-石灰岩粗骨材
42.6
1.49
150
352
20
766 1 037
揮発性（ヘンリー定数 4.4×10
尿素 30-石灰岩粗骨材
40.3
1.49
142
352
30
766 1 037
使用材料を表-2，配合を表-3 に示す。尿素は無色無
臭で直径 1 ～ 2 mm の粒状結晶（濃度 99.0％以上）で
あり，水に溶けやすい（溶解度 108 g/100 mL（20℃）
），
－8
気圧 m /mol）などの
3
S
G
特徴がある。尿素を用いる場合，尿素が水に溶解して液
体の容積が増加するので，同一スランプを得るために単
3.3 試 験 項 目
位水量を尿素の容積分だけ減少させた3）。なお，AE 減
測定項目は，スランプ（JIS A 1101），空気量（JIS A
水剤の添加量については，尿素を用いない場合と同等と
1128），温度（JIS A 1156），圧縮強度（JIS A 1108）お
した。また，はく落防止対策として，ポリプロピレン製
よび乾燥収縮（JIS A 1129）とした。スランプ，空気量
の短繊維を混入率 0.05％（455 g/m ）として用いた。
および温度は，短繊維混入前に測定した。圧縮強度およ
短繊維混入前のスランプおよび空気量の目標値は 12 cm
び乾燥収縮は短繊維混入後のコンクリートを用いて測定
および 4.5％とした。
した。圧縮強度試験体は測定材齢まで 20±2 ℃の水中で
3
690
コンクリート工学
中養生を行った後，20±1 ℃，60±5％ RH の恒温恒湿
室内に静置した。
3.4 試験結果および考察
（ 1 ） フレッシュ性状
スランプおよび空気量は尿素の混入量によらず，所定
の範囲を満足する結果となった。コンクリート温度の測
28
コンクリート温度（℃）
養生した。乾燥収縮試験体は材齢 7 日まで 20±2 ℃の水
石灰岩粗骨材
24
22
20
18
定結果を図-2 に示す。コンクリート温度は，尿素を用
混合粗骨材
26
0
10
いた場合，粗骨材の種類によらず，コンクリートの温度
吸熱反応による温度低減効果
30
40
図-2 コンクリート温度
が 2 ～ 3 ℃低下した。これは，練混ぜ直後の尿素と水の
2），
3）
20
尿素混入量 (kg/m3)
であると考えられる。
60
圧縮強度試験結果を図-3 に示す。尿素コンクリート
の圧縮強度は，尿素混入量によらず，普通コンクリート
と同等であった。表-3 に示すように尿素コンクリート
では，尿素の容積分だけ単位水量を減少させるので，水
セメント比は小さくなるが，水と尿素を合わせた液体の
圧縮強度 (N/mm2)
（ 2 ） 圧縮強度
容積は普通コンクリートの水の容積と同等であるため，
る。また，粗骨材の種類については，コンクリートの種
低減効果は，粗骨材の種類によらず，混入量 20 kg/m
3
の場合で約 15％，混入量 30 kg/m3 の場合で約 20％であっ
圧縮強度 (N/mm2)
みとの関係を図-4 に示す。尿素による乾燥収縮ひずみ
30
尿素 0-混合粗骨材
20
尿素 20-混合粗骨材
10
尿素 30-混合粗骨材
0
20
た。尿素と石灰岩粗骨材を併用することで，乾燥収縮ひ
30
尿素 0-石灰岩粗骨材
20
尿素 20-石灰岩粗骨材
10
尿素 30-石灰岩粗骨材
0
20
40％，尿素混入量 30 kg/m3 では約 45％低減することが
のと考えられる。
3.5 選 定 配 合
配合選定試験の結果，尿素および石灰岩粗骨材が乾燥
収縮ひずみの低減に効果的であることが明らかとなっ
た。製造時にレディーミクストコンクリート工場にて 1
袋 20 kg 入りの尿素をミキサ内に手投入するので，投入
手間を省力化するために混入量を極力少なくしたいこ
と，図-4 より，尿素 20-石灰岩粗骨材の乾燥収縮ひずみ
が，
「鉄筋コンクリート造建築物の収縮ひび割れ制御設
80
100
−400
乾燥収縮ひずみ（×10−6)
を併用することで，乾燥収縮ひずみはさらに低減したも
40
60
材齢（日）
図-3 圧縮強度試験結果
により，乾燥収縮ひずみが尿素混入量 20 kg/m3 では約
と考えられる3）。乾燥収縮ひずみが小さい石灰岩粗骨材6）
100
40
骨材と比較して，尿素および石灰岩粗骨材を用いること
主要因は，単位水量の低減および尿素の非揮発性である
80
50
0
ずみはさらに低減した。標準配合である尿素 0-混合粗
明らかになった。尿素により乾燥収縮ひずみが低減する
40
60
材齢（日）
60
類によらず圧縮強度はほぼ同等であった。
尿素混入量と乾燥期間 182 日後における乾燥収縮ひず
40
0
尿素が圧縮強度に与える影響は小さいものと考えられ
（ 3 ） 乾燥収縮
50
−500
−600
−700
−800
混合粗骨材
−900
−1 000
石灰岩粗骨材
乾燥期間 182 日後
0
10
20
30
40
尿素混入量 (kg/m3)
図-4 尿素混入量と乾燥収縮ひずみとの関係
4.　実構造物への適用
4.1 使用材料および配合
計・施工指針（案）
」 に示されている特級仕様（目標値
使用材料は表-2 と同様である。配合は，配合選定試
500×10
以下）と同等であり，十分な収縮低減効果を
験で選定した表-3 の尿素 20-石灰岩粗骨材とした。な
期待できることなどを総合的に判断し，実施工に適用す
お，尿素コンクリートを適用した箇所以外は，レディー
る配合は，尿素混入量 20 kg/m3 で石灰岩粗骨材を用い
ミクストコンクリート工場の標準配合である表-3 の尿
た表-3 の尿素 20-石灰岩粗骨材とした。
素 0-混合粗骨材の普通コンクリートを用いて施工した。
7）
－6
Vol. 50, No. 8, 2012. 8
691
No.3
No.2
No.1
二期
施工
一期
施工
コンクリート内部温度（℃）
約 25 m
約 30 m
80
スラブ中央部
普通コン
60
尿素コン
40
20
0
0
1
2
3
4
5
図-5 コンクリートの温度，ひずみの現場計測箇所
4.2 現場計測項目
コンクリート内部に埋設した熱電対と埋込み型ひずみ
計を用いてコンクリートの温度とひずみを測定し，施工
後にひび割れ調査を実施した。コンクリートの温度，ひ
コンクリート内部温度（℃）
経過時間（日）
80
60
40
20
普通コン
尿素コン
梁中央部
0
0
ずみの現場計測箇所を図-5 に示す。コンクリートの温
1
2
3
経過時間（日）
4
5
図-6 コンクリートの温度測定結果
度，ひずみの計測箇所は，一期施工箇所との打継ぎ部と
なるスラブ中央部（No.1）とスラブ端部（No.2）の 2
箇所とし，スラブ厚 250 mm のほぼ中央部になるように
齢 4 週の圧縮強度は普通コンクリートで 35.7 N/mm2，
設置した。さらに，幅 0.9 m×高さ 1.4 m の横梁断面
尿素コンクリートで 36.0 N/mm2 であり，ほぼ同等で
中央部（No.3）においてコンクリートの温度を測定した。
あった。
なお，現場計測は，同規模の施工面積でほぼ同時期に施
（ 2 ） コンクリートの温度
工した普通コンクリートについても同様な測定位置で実
コンクリートの温度測定結果を図-6 に示す。気象庁
施した。
のデータによる施工時の気象条件は，普通コンクリート
4.3 施 工 方 法
の場合で天候晴，最高気温 33.4℃，日照時間 11.1 hr，
コンクリートの製造はレディーミクストコンクリート
尿素コンクリートの場合で，天候晴，最高気温 30.4℃，
工場にて行い，2.75 m3 の強制二軸練りミキサを用いて
日照時間 11.3 hr であり，どちらの場合も気温が高く，
製造した。1 バッチあたりの練混ぜ量は 2 m とし，練
日照の影響が大きい施工条件であった。
混ぜ時間は 60 秒とした。尿素は，他の材料を投入する
スラブ中央部の温度は，コンクリートの種類によらず，
際に，ミキサ内部に手投入した。製造したコンクリート
打込み直後から外気温の上昇とともにコンクリートの温
はアジテータ車に 4 m ずつ積み込み，現場まで運搬し
度は上昇し，打込み後約 7 時間後には約 40℃となった。
た。現場にてアジテータ車に短繊維を所定量投入したの
その後，外気温は下がったものの，コンクリート温度は
ち，2 分間高速かくはんさせてから，コンクリートポン
上昇し，スラブでの最高温度は打込み後約 13 時間で約
プ車を用いて打ち込み，棒状バイブレータで締め固め
55℃に達した。スラブは表面積が大きく部材厚が小さい
た。施工後，スラブ上面は材齢 7 日まで養生マットを敷
ため，外気温および日照の影響を大きく受けることによ
設して散水養生を行い，材齢 5 日で梁側面を脱型し，材
りコンクリートの温度が上昇した結果，セメントの水和
齢 21 日以降にスラブおよび梁下面を脱型した。
反応が促進されたものと考えられる。最高温度になった
3
3
4.4 試験結果および考察
（1） 施 工 性
後，温度は急激に低下し，打込み後 3 日目には約 30℃
まで低下した。最高温度に達した後は，スラブは表面積
普通コンクリート，尿素コンクリートともに受入れ時
が大きく部材厚さが小さいため放熱速度が速くなった結
の品質管理試験にすべて合格する結果となり，実施工に
果，温度低下が速くなったものと考えられる。
おいて尿素コンクリートを安定供給できることを確認し
梁中央部の温度は，コンクリートの種類によらず，打
た。打込み，締固めおよび仕上げなどの施工性について
込み後 27 時間程度で最高温度に達し，その後，ゆっく
も，尿素コンクリートは普通コンクリートと同様であ
りと低下して，普通コンクリートの場合で打込み後 12
り，問題ないことを確認した。なお，標準養生をした材
日程度，尿素コンクリートの場合で打込み後 7 日程度で
692
コンクリート工学
50
ひび割れ本数（本）
普通コン（No.1）
普通コン（No.2）
尿素コン（No.1）
尿素コン（No.2)
400
200
0
0.2 mm 以上
0.15 mm
0.1 mm
0.1 mm 未満
20
10
−200
−400
尿素コンクリート
30
0
約 1 か月後
約 4 か月後
約 8 か月後 約 18 か月後
50
0
100
200
300
400
経過時間（日）
500
600
図-7 コンクリートのひずみ測定結果（スラブ）
30℃程度まで低下した。梁の最高温度は，普通コンク
リートで約 74℃，尿素コンクリートで約 64℃であり，
ひび割れ本数（本）
実ひずみ（×10−6)
600
40
尿素コンクリートの方が普通コンクリートよりも約
40
30
20
10
0
10℃低下した。これは，尿素を用いることでセメントの
水和反応が遅延した結果であると考えられる 。
3）
50
図-7 に示す。埋込み型ひずみ計で測定される実ひずみ
40
ひずみが含まれていると考えられる。普通コンクリート
の No.2 における実ひずみは，経過時間約 2 日において
急激に約 200×10－6 増加した。No.2 については，ひび
ひび割れ本数（本）
スラブにおけるコンクリートのひずみの測定結果を
み，乾燥収縮による収縮ひずみ，弾性ひずみ，クリープ
めにひずみが急激に増加したものと考えられる。尿素コ
素コンクリートでは約－200×10－6 であり，尿素コンクリー
トは普通コンクリートより，実構造物において約 100×10－6
の収縮低減効果が確認された。これは，図-5 に示すよ
うに尿素と石灰岩粗骨材を併用することで乾燥収縮ひず
みが約 40％低減された効果によるものと考えられる。
（ 4 ） ひび割れ調査
尿素コンクリート
0.2 mm 以上
0.15 mm
0.1 mm
0.1 mm 未満
10
約 1 か月後
約 4 か月後
約 8 か月後
約 18 か月後
50
ひび割れ本数（本）
ける実ひずみは，普通コンクリートでは約－300×10－6，尿
約 8 か月後 約 18 か月後
20
していることが確認されており，ひび割れが発生したた
なった。スラブ中央部で測定した No.1 の約 1.5 年後にお
約 4 か月後
30
0
割れ調査時にひずみ計のほぼ中心位置にひび割れが発生
ンクリートの実ひずみは，測定位置によらずほぼ同様と
約 1 か月後
図-8 ひび割れ調査結果（スラブ）
（ 3 ） コンクリートのひずみ
には，温度による線膨張（自由）ひずみ，自己収縮ひず
普通コンクリート
40
普通コンクリート
30
20
10
0
約 1 か月後
約 4 か月後
約 8 か月後 約 18 か月後
図-9 ひび割れ調査結果（梁）
施工後約 1 か月，約 4 か月，約 8 か月および約 18 か
月に実施したひび割れ調査結果から得られたひび割れ幅
れる。施工後は，コンクリートの乾燥が進行するに伴い
とひび割れ本数との関係を図-8，図-9 に示す。なお，
ひび割れ本数が増加したものと考えられる。一方，尿素
ひび割れ幅はクラックスケールを用いて測定した。
コンクリートでは幅 0.1 mm 未満の微細なひび割れが発
スラブについては，普通コンクリートでは主に一期施
生したものの，施工後約 18 か月まで幅 0.1 mm 以上の
工箇所に打ち継いだ付近にひび割れが発生し，ひび割れ
ひび割れは発生しておらず，ひび割れ本数も施工後約 4
本数は材齢の経過に伴い徐々に増加する傾向が認められ
か月以降増加していない。尿素コンクリートのスラブ
た。今回施工したスラブは，施工時の外気温，日照の影
は，外気温，日照の影響を受けることにより，コンク
響により，材齢初期に急激な温度変化を受ける条件で
リートの温度は普通コンクリートとほぼ同等となったも
あったため，ひび割れが発生しやすかったものと考えら
のの，尿素および石灰岩粗骨材による乾燥収縮ひずみ低
Vol. 50, No. 8, 2012. 8
693
減効果で実ひずみにおける収縮が低減されたため，ひび
割れが減少したものと考えられる。施工後約 18 か月に
おいて普通コンクリートと比較して，尿素コンクリート
のスラブにおけるひび割れ本数は約 60％低減すること
が実証された。
梁については，普通コンクリートでは主に幅 0.1～
0.15 mm のひび割れが発生したが，尿素コンクリート
では主に幅 0.1 mm 未満の微細なひび割れが発生した。
普通コンクリートの梁のひび割れは，コンクリートの温
度が約 74℃まで上昇したことを考慮すると，水和熱に
より蓄積された温度応力および脱型後に受けた乾燥によ
り発生したものと考えられる。尿素コンクリートの梁
写真-3 大分駅全面高架化
は，尿素によるセメントの水和抑制効果でコンクリート
の温度上昇量が抑制されたため，ひび割れが減少したも
謝 辞　本工事へ尿素コンクリートを適用するにあた
のと考えられる。どちらの場合も施工後約 8 か月でひび
り，阪田憲次岡山大学名誉教授から多くの貴重な助言を
割れ本数の増加はほぼ収束している。施工後約 18 か月
頂きました。ここに記して深く謝意を表します。
において普通コンクリートと比較して，尿素コンクリー
トの梁におけるひび割れ本数は約 80％低減することが
実証された。
5.　お わ り に
平成 24 年 3 月 17 日には JR 日豊本線が高架開業し，
写真-3 に示すように大分駅が全面高架化された。本稿
では，尿素を用いたコンクリートを RC ラーメン高架橋
に適用し，実構造物におけるひび割れ低減効果について
報告した。尿素および石灰岩粗骨材を併用することによ
り，尿素による温度ひび割れ低減効果，尿素および石灰
岩粗骨材による乾燥収縮ひび割れ低減効果が得られ，実
構造物においてひび割れの発生が大幅に低減されること
が実証された。尿素を用いたコンクリートがコンクリー
参 考 文 献
1） 阪田憲次・浜田利彦・岩城圭介：尿素によるコンクリートの水和
熱低減効果に関する研究，セメント技術年報，42，pp.403～406，
1988
2） 綾野克紀・Mwaluwinga, S.・亀高誠治・阪田憲次：高流動コンク
リートの水和熱低減に関する研究，コンクリート工学年次論文報
告集，Vol.17，No.1，pp.87～92，1995
3） 河井　徹・阪田憲次：尿素を用いたコンクリートの諸特性，コン
クリート工学年次論文集，Vol.29，No.1，pp.639～644，2007
4） Tanaka. H, Hashida. H, Kawai.T：Effect of limestone as aggregate
and urea on reducing drying shrinkage of concrete, ConMat ʼ09,
pp.1160-1165, 2009
5） http://www.pref.oita.jp/site/eki/rittaiindex.html
6） 田中博一・橋田　浩：骨材の種類がコンクリートの乾燥収縮に及
ぼす影響，コンクリート工学年次論文集，Vol.31，No.1，pp.553～
558，2009
7） 日本建築学会：鉄筋コンクリート造建築物の収縮ひび割れ制御設
計・施工指針（案）・同解説，p.121，2006. 2
ト構造物のひび割れ低減対策として適用拡大することを
期待する。
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コンクリート工学