鳥大農研報 (Bull.Fac.Agric.,TottO Univ.)30180∼ 187(1978)
コ ン ク リー トの硫 酸 溶 液 中 に お け る侵 食 に関 す る基 礎 的 研 究
Ⅲ
.表
面凹凸の変動解析 について
服部九二雄
*昭和52年8月31日受付
Fundamental S tudies On the CorrOsiOn of COncrete
in a Sulfuric Acid SOlution
Ⅲ. Periodic Characteristics of the Variation of
Roughness on a COncrete Surfacc
KuniO HATTORIキ
Concrete has a pH of about 13, and therefore is attacked easily by acids, which have pH values less than 7. TherefOre, the cOrrOsion of a 5ワ る sulfuric acid solutiOn On concrete is severe and five tO six wecks later the durability Of cOncrete will decrease considerably.
Experiments on the influences of the cOrrOsion of a 5ワ る sulfuric acid solution on concrete were carried out,, and the fOl10wing factOrs were measured and analyzed respectively every week over a twenty weck periOd.
a. VOlume and weight
b. Bending and cOmpressive strengths c. Dynamic modulus Of elasticity d. CarbOnization of concrete
e, Variation Of a 579 sulfuric acid sOlution
f. PeriOdic characteristics of roughness On cOncrete surfaces
New apparatus was manufactured for the measurc Of roughness On concrete surfaces, and new attempts were also adopted for measuring the dynamic modulus of elasticity. In summari the results were as fonows.
生. The rates of decrease of weight and vOlume were increased ParabOhcally. 2. The first resOnance frequency during the measuring of the dynamic mOdulus
Of elasticity could be obtained easily by the smOOthing of the cOncrete
surfaces.
3. The predOminant wave length Of the roughness On concrete surfaces ranged two to eight milhmetres.
コ ンク リー ト構 造 物 は余程 の施 工不 良 な どがない限 りか ま え が き な りの寿 命 を有 し半永 久的構造 物 とい える場 合 が多 い。 多 くの農 業上 木構造 物 は,その大半 が コ ンク リー ト材 しか し,この よ うな コ ンク リー ト構 造物 に悪 影響 を及 ぼ 料 で作 られ て お り,その役 割 を果 して きて い るが,それ す因子 も
,産
業活 動 とか人 々の生活 々動 の活発 化 に伴 う らを囲 む 自然及 び人工 的環境 は 多種 多様 で あ る。 そ して 大 気 汚染,河
,II,湖沼 の汚濁 な どの ため一 層 多様 な もの *,島 取大学農学部農業工学科農業造構学研究室 D?P,Tι切 92ι ο′4gr'C″どιvTα′ ど ,ξ 沸99T,2g, F,cvゼ″ ο′Ag″テc“ ん2T?, TOιιοTJ 1/tBラ υ9T sJι♂コンクリー トの硫酸溶液中における侵食に関する基礎的研究 となって きている。 そ して,コンクリー トの果す役害Uも 重要 なもの となると共 に
,特
にその耐久性 が昨今重要 な 課題 となって きている。 そこで,筆
者は前報1'動 におい てコンクリー トの耐久性 の うち化学抵抗性 に注 目し,コ ンクリー トの5%硫
酸溶液 による侵食特性及 び強度 と, 侵食 に伴 う表面 アラサの変化 について若千 の研究 を進 め て きた。本研究は,これ らの継続 として,従
来 と同一の 実験条件 を考 えて,中
性化量の よ り厳密 な測定方法,表
面 アラサの読み取 り間隔の短縮 とその変動特性 の解析及 び動弾性係数測定時 の供試体表面の平滑処理などの改良, 改善 に主眼 をお き実験 を進 めて きた。 実 験 方 法1.使
用材料 と供 試体 の作製・養生方法 使用材料 の物理的性質 を第1表,配合 を第2表に示す。 ただ し,骨
材 は河砂・河砂利 でセメ ン トは普通 ポル トラ ン ドを用 いた。供試体 は,10×10×40cmの 型枠で作製 し 成形後一 日で脱型 し,約
1時間水中養生後,初
期 の供試 体 の重量 と体積 を測定 した。 第1表 使用材料 の物理的性 質材料
比
重資吻責寡費場介粗粒率機≧紡
; セメン ト3.15 十一
黎田ギ争本オ 2.55 2.0 0.3 3.22 た巳ギ訴ホォ 2.63 1.3 0.2 7.50* 業 人為的粒度調整による値 第2表 配 合 本骨 スニ空気
w/c S/a
単 位 量lk9/n3)尋
.而李
曇◆
票害´
FV〔
与
r;_=ど
上
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撃豊
=
(cnl量(%)(%)(%)水
セメント細骨材 組骨本オ 25 7±2 1.4 65 43.8 178 273.85 877.591留484 25 7±2 - 65.6 43.8 7.18 10,95 箭.1042.98 (注)下 欄は供試体10本の必要量 コンクリー トの練混ぜと打込みは, 2週間分 (8本) を一度に行い,各
週ごとに水中養生 (標準)供
試体 2本 と硫酸溶液養生 (浸漬)供
試体 2本 とし,後
者は第 1図 で示す方法で5%硫
酸溶液中に浸漬 した。標準及び浸漬 供試体 とも所要の養生期間中,恒
温水槽内(20°±2° C) で養生 した。実験期間は20週間とし,逐
次必要な供試体 を写￨き揚げ測定に供 した。2.測
定項 目と測定方法 2-1.測定項 目 測定項 目は,従来の実験 と同様 に以下の ものを考えた。a.重
量 と体積 第 1図 浸漬方法 b。 曲げ及び圧縮強度c.動
弾性係数d.溶
液のpH値
e。 中性化量f.表
面アラサ 次 に,上
記項 目の内,特
にb,c,e,fに
ついて,そ れ らの実験及び測定方法 を述べ る。 2-2.曲 げ及び圧縮強度 曲げ及び圧縮強度試験は,前
報までは,圧
縮強度試験 についてのみ載荷面に硫黄キャッピングを施 して試験 に 供 したが,キ
ャッピング有無の効果 を比較検討す るため に,キャッピングをしない場合の圧縮実験 を行 った。当 然のことながら,キャッピングしない場合 には,侵
食 さ れた供試体表面 には凹凸があり,圧
縮時 にこの凹凸周辺 に応 力集中が生 じ,キャッピングをした場合 に比較 して かなり低い圧縮荷重0破
壊 して しまう。 したがって,一
般 には凹凸のある供試体 については,硫
黄キャッピング などを施 して圧縮荷重及び曲げ荷重が作用する面 をかな り厳密に平面処理 して曲げ及び圧縮試験 を行 うように定められている♂
'この点を前報の結果と比較して考察を加
えた。 2-3.動弾性係数 硫酸溶液中に所要の期間浸漬 されていた供試体 は,侵
食のため表面は凹凸が著 しく,経
日するにつれ,動
弾性 係数 を測定す る際,起
振部 とピックアップ部分の密着が 十分でなく,満
足のいく第一次共鳴振動数 を測定するこ とが困難 となった。 この点 を改良するため,前
述の 2個 所 を金剛祗石で研磨 して十分 な密着が得 られるように平 面処理 を行 い,研
磨 しない場合 との比較 を試みた。 2-4.中 性化量 コンクリー トの中性化 とは,水
の存在下で一般に空気 中の炭酸 ガスと硬化 したコンクリー ト中に生成 されたセ 一 一 ４ ． ４182 服部九二雄 メン トペース ト中の水酸化 カルシウム との反応;
CC(OH)2+C02
→
CcC03+H20
によ リセメン トペース トつ ま リコンクリー トは中性化 さ れる。 このよ うなセメ ン トペース トにおける炭酸化反応 は,Cα (OH)2に限 らず各種 の水和生成物や未水利物 に おいて もおこるが,中
性化 に関 しては,Cα(OH)2の 炭 酸化の影響 が最 も大 きい。炭酸化 した コンクリー トは収 縮 して表面 に微細 なヒビ割 れ を生 じ,この収縮 ヒビ割 れ は,空
気 と水の通路 とな り深部 まで中性化 が進行 し,コ ンクリー ト寿命 を縮 める結果 となる。 このよ うな中性化 に関す る研究は内外 に多 くみ られるが,7∼9)この中性化 の考 え方 が沐研究 における硫酸 による侵食 にも適用で き るとし,主
として硫 酸 と水酸化 カル シウム との反応;CC(OH)2+H2S04
→
CαS04+2H20
によ り侵 食 された部分 を中性化部分 とし,第
2図の よ う にして中性化平均深 さをプラニメー タで算定 した。A:中
性化 しない部分 (プラニメータで測定)B:中
性化 した部分C:初
期断面の大 きさ (10× 10cm) 第2図 中性化量 の測定 2-5,表面状態 表面 アラサ を表現 す る方法 としては, A。 視党で判断す る方法 (写真方法) 1.供試体表面 を直接写真撮影す る方法 2.石膏 な どに表面 を複写 し,このサ ンプルに斜 めよ り 光 を投射 してその陰影 を写真撮影す る方法B.定
量的 な方法 1.供試体表面の凹凸 を標準砂 な どで埋 めて平面 にす る の に必要 な砂量 で表す方法 → 2.基準面に対する最高点 と最低点 との差などで表す方 法9C.定
性的な方法 1.表面の凹凸を1つ の連続 した波(一直線上に沿 って) と考えて, これをデ ィジタル化 し,スペ クトル解析 する方法 ° などが考 えられる。本研究ではAと Cの 方法 を併用 して 表面状態の変化 を追跡 した。 表面アラサをデ ィジタル化する場合,狩
に問題 となる のは表面四凸 (アナログ量)を
デ ィジタル量 として読み 取 る場合の読み取 り間隔である。前報までは,この間隔 を2 mln,0.飾としてデ ィジタル化 を試みてきた。同一の 表面凹凸をディジタル化 したデー タについて読み取 り間 隔を変えてスペ クトル解析 などの結果を比較する必要も あるが,今
回は新 しく当研究室でマルイ製作所に依頼作 製 した,読
み取 り間隔0。341m,全測定長 さ200 mm可能な 「表面アラサ測定装置」 を利用 して,石
膏 に複写 された 表面凹凸を(1/100)mlnの ダイヤルゲージでディジタル化 した。このようにして得 られた表面凹凸値の自己相関々 数,フー リェスペ ク トル及びパワースペクトルを波長に 関 して表わし,それらに含 まれる波長成分より表面凹凸 の特性 を考察 した。 結 果 と 考 察1.重
量,体
積 とpH値
の変化 先ず,第
3図 に一時間水中養生 した供試体 について得 られた初期の重量 と体積 より求まる供試体の単位体積重 さのヒス トグラムを示す。この図より,76本 の供試体の 内半数以上が,2.35∼ 2.37g/cmeの 範囲の単位体積重 さ に含まれることがわかる。 さらに,第
4図 に所要の養生 期間後の単位体積重 さの経 日変化 と初期単位体積重 さと の関係を示す。この図より浸漬供試体は,水
中供試体 に 比較 して,その上昇率が大 きいことがわかる。これは, タワシ洗いにより侵食 された部分が除去 され,よ り密実 な骨材が露出された結果と考えられる。この点は,後
述 の動弾性係数の変化 にも反映 している。 第 5図 に重量,体
積 とpHの 経 日変化 を示す。重量及 び体積減少率ともコンクリー トと硫酸との反応に伴い溶 液のpHの上昇 と共 に,放
物線状 に増大 している。 しか し12週以降,その減少率がかなりゆるやかになり,侵
食 速度の鈍化が うかがえる。 これは,侵
食に伴って生ずる 難溶性の硫酸カルシウムを主 とする反応生成物が保護層 的役割 を果す と共 に溶液の侵食能力の低下 も影響 してい るからである。 また,12週以降童量 と体積の減少率がかコンクリー トの硫酸溶液中 における侵 食 に関す る基礎的研究 2 35 初期単位体積重 さ (9/cば) 0 4 8 12 16
-
週 一 第4図 単位 体 積 重 さの変 化 2.曲げ,圧
縮強度 と動弾性係数 第 6図 に,曲
げおよび圧縮強度 と動弾性係数の経 日変 化 を示す。浸漬供試体の強度 および係数が標準供試体の それ らに比較 して相対的 に低い値 を示 しているが,圧
縮 ― 週_杢
ヂ強度 の相対差 が特 に著 しい。 これは
,前
述 の よ うに侵食 のため生 じた表面凹凸が影響 して,キャッピングをしな い場合,圧
縮時 に凹凸周辺に応力集中が発生 し低 い圧縮 荷重で破壊 した結果である。また,動
弾性係数の相対差 が他の 2つ に比較 して小 さいが,これは硫酸による侵食 後の供試体の単位体積重 さが上昇 している点から,侵
食 そのものが表層的で十分内部 まで達 していないからであ る。 さらに,動
弾性係数そのものが,使
用材料の種類, 配合,供
試体の乾湿の程度 とか内部膳造の欠陥 (空隙, 所 要 養 生 後 の 単 位 体 積 重 嗣 2 40 初期単位体積重さ(9/cnF) 第3図 初期単位体積重 さの分布 (%) 初 期 体 位 体 積 重 さ と の 比 ・ △ 到 ︱ Ｉ Ｈ Ｉ Ｉ 引 Ｏ Ю △ ● ０ △ ● ０ △△ △ 088o:
△ ● ０ △ ● Ｏ △ Ｏ Ｏ △ Ｏ Ｏ △ Ｏ Ｏ ◆ ０ △ ０ ０ 0o重
量減少率(%) ● 体積減少率(%) △pH
第5図 重量 、体積 とpHの変化 な りゆ るやかになることは,この種 の室内侵食促進実験 が12∼14週 の実験期 間で,その概 略的傾向 をつ かむ こと がで きると考 えられ る。 ●0。 ● ●●
8●3
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。 標準供試体o浸
漬供試体 16 20¶
刈
と二武
v犠
て
10 ― 一 ― 週 。● 曲 げ強度(X10kg/面
) ]
o o圧
縮強度(×102k9/cnl) △ ▲ 動弾性係数(×10k9/面) 第6図 曲げ・圧縮強度 と動弾性係数の変化 亀裂 など)に
大 きく左右 されるため,単
位体積重 さの上 昇か らも両者 にそれ程大 きな差 が生 じなかった と考 えら れる。 第7図に,動
弾性係数測定時の起振部 とピックア ップ 接触部分2個所 の金剛砥石 による研磨の効果 を示す。 こ の図よ り研磨 による表面の平滑処理 によリピックアップ_20
数の比 を百分率で表わしたものである。 この図より,圧
縮強度の相対差が極 めて大 きいことが一層はっきりす る。 しかし,その相対差が10週以降変化の小 さいほぼ一定化 した傾向がうかがえる。 さらに,,王縮時のキャッピング の影響 を見ると,キャッピングをしない場合は, 3週以 降標準供試体の強度の50%以下 となり,12週以降 に至 っ ては30%の 強度であるのに対 し,キャッピングを施すこ とにより,30∼40%程度 しか低下 しないことがわかる。 3。 中性化量 第 9図 に中性化量 と中性化平均深さの経日変化 を示す。 この図より,バ
ラツキも日立つが体積減少率 と同 じよう に放物線状に増大する傾向を呈 している。そして,中
性 化量つまり実際に硫酸により侵食 された部分 が,供
試体 服部 九二 雄 強 度 及 び 係 数 ▲ ▲士 峯 士 ムへ＼
本
生
＼
ざ
Iハ
V
か壮メ
の標準及び 浸積供試体 ×105(k9/clll) ― 週 一 ― 。標準供試体 △ 浸漬供試体 (平面処理)o浸
漬供試体 (平面処理無) 第7図 動 弾性 係 数 におけ る表 面処理 の効 果 などの密着が十分 となり,バ
ラツキの少 ない安定 した係 数が得 られると共 に,第
一次共鳴振動数を測定するのは, 平滑処理 をしない場合 に比較 して,はっきりしたピー ク 値が得 られることがわかった。 第 8図 は,標
準供試体 と浸漬供試体 との強度および係 ′ 〓 ノ μ 呼＾ ｒ ︵ ′一
Ｆ
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猟
八
コンクリー トの硫酸溶液中における侵食に関する基礎的研究 強 度 比 ・ 係 数 比 o動弾性係数 o曲げ強度 ▲ 圧縮強度 △ キャッピングしたときの圧縮強度 (昭不日50年度) 第8図 標 準 供 試体 と浸 漬 供 試体 との強度 比 お よび係 数比 ● 0 10
-週
― 中性化量(%) 体積減少率(%) 中性化平均深 さlmHl) 第9図 中性 化量 の変化 体積 の15%程度 になる場合 もある。 さらに,体
積減少率 との差 がいわゆ るタワシ洗 いで除去 で きなかった付着侵 食量 であることか ら, タワシ洗 いのみでは侵食量 の実体 を十分把握す ることはで きない とい える。 ただ し,本
方 法 で求 めた中性化量 は,中
性化平均深 さを基礎 に計算上 推定 しているため,中
性化平均深 さを算定 す るための中 性化 されてい ない部分 の面積測定 をす る際の供試体断面 接写 が極 めて重要 な意味 を持 つ。つ ま り,写
真 を原寸大 に引 き廷 ばす場合 の誤差,フェノール フタレイン溶液 に よ る変色部分 とそ うでない部分 との境 界線 を追跡す る際 の測定者の個人誤差 など,誤
差 の入 り易い要因 が多い。 これ らを一層改善す るためには,先
ず コンクリー トカ ッ ターで切断 して供 試体 断面 を十分 に平滑 にす る。変色部 分 と変色 しない部分 との境界線 の判定及びプ ラニメー タ による測定 を2人以上 で行 う。 このよ うな試み をすれば ある程度バ ラツキの少 ない結果 を得 られると思 われ る。4.表
面 ア ラサ 第10,11図に1, 7,14,20週
目についての フー リエ スペ ク トルおよびパワースペクトルの例 を示す。ただ し, スペ ク トル値 はその最大値 によ り規準化 してある。 これ らは,前
報 において表面凹凸デー タ総数 の1/20∼ 1/40の 移動平均項数 が適切で あるとい う結果 を得 ているので, これ に従 って解析 した もので ある。新 しい装置 を利用 し て求 めた表面 凹凸のデー タ総数 は751個 (全測定長 は, 150mmlであるので,移動平均項数 は37と19程度 を利用 し た。原系列 (移動平均処理 をしないもの との表面凹凸値) の例 を,第
20週 目について,第
12図に示す。両者 を比較 す るとわかるよ うに実際 には含 まれていない波長成分 が 卓越 している。第10,■図か らわかるよ うに,経
日す る につ れて,卓
越波長 が長 くな り14及び20週 目では5∼8 mlnのものが 日立つ。 しか し,いずれに して もlChlln以下 の 比較的短 い波長成分 が支配的 になっていることがわかる。 過去 3年 間にわた り,ほ
ぼ同一の配合条件下で行 われ て きた, 5%硫
酸溶液中におけるコンクリー トの侵食特 性 を実験研究 してきた。その間,測
定方法 に種々の改良 を試み,それぞれの成果 を得て きた。 3年 間の実験結果 のまとめは別の機会に譲 るとして, 5%硫
酸溶液のコン クリー トに対する侵食は著 しいものである。今回の研究 結果 を要約すれば,以
下のようになる。 1.体積 および重量は放物線状 に減少 していき,14週以 降はゆるやかな減少 となる。 2.圧縮強度試験 におけるキャッピング有無の影響は著 括 総服部九二雄
10
08
06
04
0.2 0 1.0 0.8 0.6 0.402
010
08
0.604
02
0 的)7-2(右
) P IV L.=4.096 m ax=13.829 ￨ ￨ ￨ ￨ 2 3 5 1 2 3 5 10 20 30 50 100 波長 lmllllPWL.=卓
越波長lmm) max=スペ ク トルの最大値 第10図 フー リェ スペ ク トルの例 1.008
004
02
0 1 0 0.6o4
o.2 0 0.8 0.604
0.210
08
0 0.4 0.2 0 1,0 0.8 0, 0.402
5 1 2 3 5 10 20 30 50-―
一 波長llllm)一
P,WL.=卓越 波長lnl紛 max=スペ ク トルの最大値 第 11図 パ ワー スペ ク トルの例 Ａ︲ 州￨
伍)1-2(右
) P.ヽV.L=2.844 m ax==0.141 一 一 Ａ ￨檻
値)14-3(左
) PヽV.L.=5689 m ax=10037lc)14-3(左
) P,IV.L.=5.689 m ax==0 996(d)20-3(右
) P,WL=4.876 m ax=12907q痴
コンクリー トの硫酸溶液中における侵食に関する基礎的研究 第12図 原系列(20週目)のフーリエスペ クトルの例 しく,キャッピングをしないと3週以降で標準供試体の 50%以 下の強度 となる。 3.動弾性係数 を測定する場合
