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コンクリートの中性化進行の理論的予測法と数値解析 : 鉄筋コンクリート造建築物外壁の耐久性予測法に関する研究(その1)

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全文

(1)

【

論

 

文

】

UDC :691

.

32 :666

.

97 ;541

.

456

   日本建築 学会構造系論文 報告集 第

42S

号

・

1991

年]

O

月

Journal

。f

 

St

・

uct

.

 

Constr

、

 

Engng

、

 

AIJ

,

 

N。

.

42s

,

 

Oct

.

、

1991

コ

ン .

ク リ

ー

ト

の

中性 化 進 行

の

理

論

的

予

測

法

と

数値 解析

鉄筋

コ ン ク

リ

ー

ト

造建

築物

外壁

の

耐久性 予 測法

に

関

す

る

研究

(

そ の

1

)

THEORETICAL

 

PREDICTIVE

 

METHODS

 

AND

 

NUMERICAL

 

ANALYSIS

    

FOR

 

THE

 

PROGRESS

 

OF

 

NEUTRALIZATION

 

OF

 

CONCRETE

        

Prediction

 

of

 

service

 

lives

 

of

 

external

 vertical  walls

’

       

of

 

reinforced

 

concrete

 

buildings

(

Part

 

1

)

  福 島

敏 夫

*

Toshio

 

FUKUSfflMA

 

Neutralization

 

processes

 of concrete  a[e 

theoreticall

 modelled  

for

 

three

 a

.

ssumed  cases  of neutra

−

lizatien

 mechansims  and  

discussed

 

based

 upon  unsteady  state  

dynamic

 analysis  

for

 the unsteady

diffusion

 

of

 carbon  

dioxide

 

in

 concrete  accompanied  

by

 carbonation  feaction  with  calcium  

hydrox−

ide

 and  calcium  silicate  

hydrate

, 

taking

 

into

 accout  

of

 

beth

 cases  of the constant  and 

increasing

concentration

 

of

 at皿ospheric  carbon  

dioxide

.

      

’

  

・

 

Influences

 of various  extrinic  and

 

intrinsic

 

factols

 Qn  

the

 

progress

 of 亡

he

 neutTalization  of con

・

crete  are evaluated

,

 using  

the

 

parabolic

 

law

 

involving

 constant  

term

 

derived

 

from

 

this

 

qsnste

ζ

dy

state 

dynamics,

 which  

is

 effective  enough  

to

 understand  and  

predict

 almoSt  al且

the

 neutralization

’

P

「ocesses

.

 

Kegworcts

:neutralization

,

 carbon 読 0 爵 漉

,

 carbonation  reation

,

 

dTffasion

,

 unsteady  state 

dpamic ’

ana

・

         lysis

,

 

Parabotic

 

lo

ω

        

中性 化

,

二

酸 化 炭 素

,

炭

酸

化

反

応

,

拡 散

,

非 定 常 速 度 論 解 析

,

放 物 線 則

1,

は じめ に

 

コ ン ク リ

ー

トの

炭 酸 化

によっ て

起

こ る

中性 化

は

,

内部

鉄 筋

に

対

するコ ン クリ

ー

トの

強

ア ル カ 1

」

性

に よる

防 食 機

能

が 低

下

す る 現

象

と し て,

一

般 大 気 環 境 下

で の

鉄 筋

コ ン ク リ厂 ト

造 建 築 物

の

耐 久 性

に

重 要 な影 響 を 及

ぼ

す

ば か り で な く,

内部 鉄 筋

の

腐 食

の

進 行

と

関 連

し て そ の

寿 命 予

測 や

維 持

・

補 修 方 法

の

確 立

の

基 礎

と

も

な るた めに

,

コ ン ク リ

ー

トの

中 性 化 進 行

の

合

理

的

予

測

法

の

確 立

が 必

要

で あ る。 コ ン

ク

リ

ー

トの

中 性 化

進

行

は

,

こ れ まで の数 多 くの

実 験 研 究

や

実

態

調 査

の

結 果

か ら

,一

般

的

に は,

経

過

時

間 に

関

す る

n

法 則

,

す

な

わ ち

放 物 線 則

に

従 う も

の と

了

解

さ れて い る1 ]

−

6)

。

理

論

的

に も

,

炭 酸 化

層

内

で の 二

酸 化

炭 素

の

拡散

を

律

速

と し た

場 合

の

定常

拡 散

に

関

する

簡 単

な 速

度 論

に よっ て

放

物 線

則

が

得

ら れ る

。

)ンク リ

ー

ト

.

の

中

性

化

の

経

時 進

行

に及 ぼ すい くつ か の

外 的

・

内 的 要

因

を加

味

し た

放 物 線 則

を

実

験

的

に

求

め よ う と す る

研 究

は,

膨 大

な

数

に

上

っ てお り

,

最 近

では

,

友 沢

1〕

,

阿

部

8}お よ

び

平

井

9) ら に よ る

精

力 的 な 研

究

に基づ く 成 果 が あ る

。

しか し

,

直

接 的

な

劣

化 外 力

で

あ

る 二

酸

化 炭

素

濃 度

,

コ ン ク リ

ー

トの

種 類

と

水

セ メ ン ト

比

お よ び 圧

縮 強 度

,

施

工

条 件

,

温

・

湿

度

,

含 水 率

,

仕

上

材

の

有

無 と その種 類 と 厚 さ

,

部

位

条

件

,

環 境 条 件 等

の

各 種

の

外 的

・

内 的 要 因

の

影 響

を すべ て

加 味

し た

最 良

の

放物線則

を

実

験 的

に のみ

求

め よ う と す る と

,

余

り に も

多

くの労 力 と 時 間 と

費

用 を 要 する ため

,

必

ず

し

も容 易

で は ない

。

ま た, 理

論 的

に は,

’

パ ラ メ

ー

タ

ー

が

必

ず

し も

独 立 的

に

分 離

で

き

ない

場 合

に

も

デ

独 立

の パ ラメ

ー

タ

ー

と して

取

り

扱

っ て

,

諸 因 子

の

影 響

を

中 性 化 速 度 係 数

に

対

する

単 純

な

掛 算

で もっ て

実

験 式 を 導 く

例

も

多

く

,

実

験 的

に の み コンク リ

ー

トの

中 性 化

進

行

の

予

測 式 を

求

め る ことに は や や

限 界

が あるこ と は

否

め ない。 し か し

,

コ ン ク リ

ー

トの

中 性 化 機 構

に

関

して理

論

的 検 討 を 加 え た

論

文

ln )

−

13 〕

も

それほ ど

多

く な く

,

コ ンク リ

ー

トの

中 性 化 機

構

につ い て は

不 明

な

点

も

多

い

。

他方

,

これ まで は

,

.

中

性

化

の

直接 的 劣 化 外 力

で ある

大 気 中

の 二

酸 化 炭 素 濃 度

は

,

屋

外

で

300ppm

,

.

屋 内

で

1000

 

ppm

の

一

定

とし て

取

り

扱

わ れ てきた が

,

今 後

は

,

地

球 環 境 問

題と し て の

大 気 中

の 零 建 設

省

建 築研究所 先 端 技 術 研 究 官

・

工 博

Bullding

 

Research

 

Instltute

,

 

Ministy

 of 

Construcnon

,

 

Dr

.

 

Eng

.

1

(2)

二

酸 化 炭

素

濃 度

の

増 大 傾 向

を もコ ン ク リ

ー

トの

中 性 化 進

行 予 測に 組み入れ る 必 要 も あ る

。

し た がっ て

,

基 本 的 原

理 に

基

づいて

中

性

化 過

程

に

関

す る

適 当

な 理

論 的

モ デル

を

展 開

し

,

その

経 時 進 行

に

関

して理

論的考 察

を

行 う

ことは

,

中性

化 機 構 と

経

時 進 行 を 理 解 す る う えで有 力 な 方 法 と な る と も

考

え ら れ る

。

 

本 研 究

では

,

コ ンク リ

ー

トの

中 性 化 機 構

の理

解

と

経 時

進 行

予

測 式

の

確 立

の た めに

,

コ ン ク リ

ー

トの

中 性 化 過 程

の

理 論 的

モデル

化 を行

い,

非 定 常 速 度 論 解 析

に

基

づいて,

各 種

の

外 的

・

内 的 要 因

の

影 響 を 数 値 解 析

に

基

づい て

評 価

する14)

Nll

)

。

さ ら に

実 験

結

果

および

実 態 調 査 結 果

および

既 往

の

中 性 化 進 行 評 価 式

との

比 較

に

よ り

,

この

理 論 的 考

察

の

検 証

と

根 拠

を

確

か め

,

コ ンク リ

ー

トの

中 性 化 現 象

の

物

理

化 学 的 解 釈

と 工

学 的 実 用性

との

間

の

関 連 性

に

留 意

し な が

ら

,

鉄 筋

コ ンク

リ

ー

ト造 建 築 物 外 壁

の

耐 久 性 予 測 法

の

確 立

に

資 す

るこ

と を 目的 と す

る。

2.

研 究 方 法

お よ

び研 究 結 果

 

コ ンク リ

ー

トの

中 性 化 過 程

の

理 論 的

モデル

化

を

行

い

,

妥 当

と

考

え ら れ るい くつ かの

仮

定

の も とで

初 期

条

件

と

境

界 条 件

を

設 定

し た

微 分

基

礎 方 程 式

に

対

して

,

ラ

プ

ラス

変

換 法

で

解 析 解

ま た は

数 値 解 を求

め, そ れ に

基

づいてコ ン ク リ

ー

トの

中 性 化 進 行 過 程

の

物 理 化 学 的 解 釈 を 行

う と と

も

に,

各 種

の

外 的

・

内 的 要

因が コ ンク リ

ー

トの

中 性 化 進

行

に

及

ぼ

す 影 響 を評 価

し

,

既 往

の

実験 結 果 等 と

の

比 較 を

行 う

。

2

.

1

  理 論 的

モ デル の

概 説

 

コ ン ク

リ

ー

ト

の

中 性 化

の

進 行

は,

種

々 の

外 的

・

内 的 要

因

の

影 響 を受 け

る

。

性 能

・

機 能

の

劣 化

とし て の

耐 久 性

の

観 点

か らは, コ ンク リ

ー

トの

中

性

化

は,

“

コ ン ク リ

ー

ト の

強

アル カ リ

性

に

基

づ く

内

部

鉄 筋

に

対

す る

防食 機

能

の

低

下 現 象

”

で

あ

るが

,

物 理 化 学 的 観 点

か ら

見

る と

,

“

水 酸

化

カ ル シ ウ ム お よび

珪 酸

カ ル シ ウ ム

水 和 物

ゲルとの

炭 酸

化 反 応

を

伴 う

二

酸 化 炭 素

の コ ン ク リ

ー

ト

表 面

か

ら内 層 部

へ の

拡 散

過

程

”

と

考

え られ る

。

後 者

の解

釈

に

従

っ て理

論

的

なモデル 化 を 行 う もの で ある

。

2

.

L1

炭 酸 化 反 応

 

コ ン ク

リ

ー

ト中

の

炭 酸 化 反 応

は

,

水 酸 化

カ ルシ ウム

(

Ca

(

OH

)

:

)

およ び

珪 酸

カ ル シウム

水 和 物 ゲ

ル

(

3CaO

・

2SiO

,

・3H20

:

略 号

;

C −S −H

)

の 二

酸 化 炭 素

(

CO2

)

と

の

次

の

2

つの

反 応 (

そ れ ぞ れの

反 応 速 度 定 数

;

h1,

翻

で

起

こ り

,

固

体 生 成 物

と し ての

炭 酸

カル シ ウム

(

CaCO

,

)

を

生

じる

。

     

hl

CO2

十

Ca

(

OH

)

2

−

CaCO3

十

H20

…・

……

(

1

)

(

A

)

  (

B

)

    (

H

,

O

) (

P

)

   (

Ω)

       

ka

COi

十

3CaO

。

2SiO

,

・

3H20 →

(

A

} (

C

)

2

           

3CaCO3

十

2SiO2

十

3H20 ・

……・

(

2 )

            

(

P )   (R )   (

9

)

た だ し

,

(

1

)

の

反 応

が

炭 酸 化

の

主 反 応

で あ り

(

h、

》

h2

)

,

(1 )

の

反

応

に は

,

若 干

の

水 (

H

,

O

)

が

触 媒 的

に作 用 す る

。

中性 化

する

前

の コ ンク

リ

ー

トで は,

水和

に よっ て

生

じ た

Ca

(

OH

}

2 は

,

コ ン クリ

ー

ト

中

の

空 隙 水

に

溶 解

す る が

,

大 部 分

は

固 体

とし て

存 在

し

,

空 隙 水 溶 液

は,

Ca

(

OH

)

2 の飽

和 水 溶 液

になり

,

コ ン ク リ

ー

ト

は

約

pHl2

.

6

の

強

アル カ リ

性

を

示

す が

,

(

1

)

の

反 応

に

よ

り,

pH

は

8.3〜

10,

0

に

低

下 す る

(

完

全 な

中 性

の

状

態で は な く

,

弱アル カ リ

性

の

状 態

と な る

)

。

コ ンク リ

ー

トの

中 性 化

は,

(

1

)

の

炭

酸 化 反 応

に よ る アル カ リ

性

低 下

によ る

も

の で

,

(

2

}

の

反 応

は

,

炭 酸 化 反 応

では あ る が

,

ア ルカ リ

性 低 下

の

主

反

応

ではない

。

し たが っ て

,

コ ンクリ

ー

トの

中 性 化

は ,

炭 酸 化 反 応

を 通 じ て

起

こる

結

果

と して の

現 象

で

あ

り,

炭

酸

化

と

は

必 ず

し

も

同

一

視

で き ないと

考

えら れ る

。

2.

1.

2

 

二酸

化 炭 素

と

水 酸 化

カル シ ウム の コ ン ク リ

ー

ト

      中

での拡

散

過

程

 

CO

,は

,

上 記

の 二 つ の

炭 酸

化 反

応

を

伴

い な が ら コ ン ク リ

ー

ト

中 を拡 散

し,

後

に

CaCO

,を

析 出

さ せ る ことに よ り

,

コ ン ク リ

ー

トの

中 性

化 が

Fig.1

の よ うに

進 行 す

る

も

の と

考

えられる1)。 こ の

時

,

以

下の

基 本 的 仮

定

が

考

え ら れる

。

(

a

) 最 初

,

半 無 限

コ ンク リ

ー

ト固 体 中

に

Ca

(

OH

)

2 お よ び

C −S −H

が

均

一

に

存

在

して

(

初 期

モ ル

濃 度

,

CbO,

 

Cco

)

い て

,

半

無

限

気

体中

の

CQ2

(

一

定

の

場 合

の

初 期

モル

濃

度

,

concrete  surface

CO2

■ 彊レ

CO2

ゆ    

CO2

Gonce

皿

t職恒Gn   (冶〔

OH

)2 即 。

fc

。 ・c・ete

・

3H、・

canlP ]ete ]y  

pa4

且y

ce

      由s   

f

        concrete

 

surfaoe

Fig

.

1

 

Schematlc

 

diagran

 

for

 

the

 

progress

 of neutrahzation

(3)

C

. :

濃 度

が

増 大

す

.

る

場 合

の

濃 度 関 数

,

C

粛

1

)

がコ ンク

リ

ー

ト表 層 (

x

=O

に

と

る

)と接 触

し

た

時

か ら

,

コ ンク リ

ー

トの

中 性 化

が

進 行

す る

。

(

b

) 気相

を

第

1

相 (

x

<

0

)

, 固

相

を

第

il

相 (

x >

0

)

と し

,

両相

にお け る二

酸 化 炭

素

濃 度

を

C

。1

,C

.

,

拡 散 係 数

を

Dai,

 

D

. と す る

。

(

c

} 拡 散性

の

CO2

は , コ ン ク リ

ー

ト

表

面

で

平 衡 条 件

(

Cat;

mCa

]

,

 

m

は

,

表

面

平 衡 定

数で

,

原

理 上

0

≦m ≦

1

の範 囲 内の 任

意

の

値

を 取 り 得 る

。

)

が 満 足 さ れ ない か ぎ り,

表 面 物 質 移 動 抵 抗

の

影 響

を

受

け る

(

表

面 物 質 移 動

定 数

,h

. :

平 衡 条 件 が成

り

立

つ

場 合

には

h

. → +・。

)

。

CO

,の

拡 散

に

対

する

表 面 仕 上 材 等

の

中 性

化 遅 延 効 果

(

仕

上 材

の

厚

さ

,L

:

仕 上 材 中

の

C

軌

の

拡 散 係 数

, 

D

)

は,

次

の

形

で

定 義 さ

れ る

総 括 物 質 移 動 定 数 (

κ

徳

)

の

中

に

組

み

入

れ られる

。

    1

/

ん

西

=

1

/

h

.十

L

/

D

………t・

・

……・

・

…

(

3

)

(

d

)

 

コ ン ク

リ

ー

ト固 体 中 を 拡 散 す

る

CO

, は,

(

1 }

,

(2 )

の

反 応

に

よ

り

CaCO

,

(

濃 度

Cp

、

) を固 体 生 成 物

と して

残 す

。 こ の

際

CO

,の

固 体 内 拡 散 と

,

生 成

す る

水

の

外 部

へ の

拡 散

との

間

に は

,

等

モ ル

相 互 拡 散

の

条 件

が

満

足 さ れ るものとす る

。

(

e

) 炭 酸 化 過 程 を通 じ

て

,

反 応 熱 等

は

無 視

で き, コ ン ク リ

ー

ト

中

に おい ては ほ ぽ

一

定

の

等 温 条 件

(

温 度

T

>

が

満

足 さ れる

。

(

f

)

Ca

(

OH

)

t はコ ン ク リ

ー

ト

内 層 部

か ら ゆっ く り と

逆 拡

散

し

(

コ ンク リ

ー

ト

中

のモル

濃度

お よ び

拡

散

係 数

,

Cb2,

 

i

)b2

)

,

表 面

か ら

正 拡 散

す る

CO2

と

(

1

)

の

反 応

で

CaCO

、 に

転 化

す る。 これに比べ て, 

C −S −H

(

濃 度

C

。 ,

〉

の

拡 散

は な く, コンク リ

ー

ト

内

の

各 位 置

に

局 在

し な

が

ら

CO

,と

(

2

)

の

炭

酸 化 反 応 を起

こす

も

の

と 考

え る こ

と

ができ る。

(9 )

CO

,と

Ca

(

OH

)

2 との

接

触

反

応 面 (

a

.R

)

は,

時 間

と と もに

,

連

続

的

に

内

層

部

に

移 動

し

,

この

接 触 反 応 面 が

中 性 化 深

さ を

与

え る。 し か し

,

この

時

,

CO

,と

Ca

(

OH

)

2 との

炭

酸 化

反

応

は

完

結

せ

ず

,

一

部 未 反 応

の ま ま

CO

,は

,

さ らに

内 層 部

に

拡 散

する ために

,

中性 化 深

さ より

も 内部

に おい て

も

,

CaCO3

濃 度

は

必

ずしも

0

で はない。

 

Cp

、

(

δ

瀛

,

 

t

)

=0.

01

 

C

。2

(

O,

 

t

}

な る

条 件

を

満

足 す る δ

翻 の

を もっ て

,

炭 酸 化

フ ロン トの深 さ を

定 義

す る ものと す る

。

(

h

)

拡

散

係 数 お よ び 反 応

速 度 定

数はアレ ニ ウス に

従

っ た

温

度依 存性

を

示

すが,

拡 散 係 数

は ま た,

水

一

セ メ ン ト 比

(

W

/

C

)

,

圧

縮 強 度 (

Fc

)

お よ

び ポ

ロシ ティ

(

ε

)

な

ど

の

多

変

数 関 数 と な り

,

次の形で

表

すこ とが でき る

   

Di

≡

D

‘o

(

W

/

C ,

 

Fc,

ε

・

・

・

)

exp

(

− Eu

/

kT

)

t…

 

(

4

「

)

こ こ で

T

は

絶 対

温

度

,k

は ボ ル ツマ ン

定 数

,

 

Et

、は

拡 散

の

活 性 化

エ ネル ギ

ー

を 示 す

。1

)tは

Dai,

 

D

.

,

 

Db2,

 

D

等

を代 表

して

表

した

も

の で

あ

る。 し た がっ て

,

コ ン ク リ

ー

トの

中 性 化 進 行

に

及

ぼ すコ ンク リ

ー

トの品

質 係 数

や

含 水

率

の

影

響

は,この

拡散定

数

の

中

に

組

み 込 むこ と がで き る

。

他

方

,

炭

酸 化 反 応

の

速 度 定 数

は

,

次 式

で

表

せ る

。

    

島

≡≡κ 」oexp

(

− E

丿4/ん

T

)

・

…・

・

……・

・

…・

…・

…

 

(

5

)

こ こ で

,EJ

, は

炭 酸 化 反 応

の

活 性 化

エ

ネ

ルギ

ー

を

示

す。

傷

は

,h

,お よ び

k

、を

代表

して

表

し た もの であ る

。

(

i

} 微 視 的

に は

,

粒 子

分

散

強

化

型 複 合 材

料

の コ ンク

リ

ー

ト

に

あ

っ て は

,

拡 散

は

,

セメ ン トペ

ー

ス トの

細 孔 分

布

に

従

っ て

,

不 均

一

に起 こる と して もt 巨

視

的

に

見

れ

ば

,

有

効 拡 散 定 数 を 設 定 す ることに よ り

,一

様 な 拡

散

過 程 と み な すこと がで き る

。,

2.

2

 非

定

常

速

度論解 析

の

過 程 と結 果

お よ

び解 釈

2

.

2

.

1

大

気

中の 二

酸

化

炭 素 濃 度

を

一

定

と し て

水 酸

化カ

     

ル シ ウム との

瞬 間 接 触

2

次 不 可 逆 反 応

の み

を考

      慮 す

る

場 合

  次

の

解 析 経 過

に よ り

,

定 数 項 を伴 う放 物 線 則

を

近 似 的

に

導 出

す ること が で き る

[

基 礎 方 程 式

]

          

∂2Cai

     

∂

Ca

、

       〔

−

QQ く:じ≦

0

)

・

…

 

『

9・

・

・

…

 

(

6

)

   

万

=

Dal

 

 

∂

x2

       

∂2

.

Ca

!

     

∂

C

.

               

(

0

<x ≦δππ

)

………・

・

…

(7

>

     

=

・

D

.       ∂

t

      ∂x2

       

∂ZCbl       ∂

Cbi

       

(

δrR ≦ x く 十〇〇

)

・

・

tt・

・

…

  (

8

)

   

玩

一=

D

・ , ∂x ・

 

  瞥

一

・。

響

(

・・

一

・..

)

………・

・

…・

・

…

(

・

)

[

初 期 条 件 ]

 

t

≦

0

 

−

oo ≦

x

く

0

:

Ca匸

=

Cag ・

…・

・

…・

…………

(

10

)

       

0

く x 〈 十 QO

・

:

Cb2

‘ =

Cb

。

・

・

………・

一 ……・

(

11

>

       

0

く

x

く+

・

oo :

Ca

:

=0………・

……一

(

12

)

       

0

〈 x 〈 +。。 :

C

ρ != 

O

・

………・

…・

…・

…一

(

13

)

[

境 界 条

件]

  t

≧

O

 

x

→

−

oo

 

:

Cal=Cag・

・

t.

t・

・

・

…

 

−t・

・

・

…

 

一…

 

t−・

(

14

}

    

x

→ 十QO :

Cbt

=

CbO・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

…

 

(

15

}

 

「

  

 

 

x

−

・ ・

N

・

ur ・aee −

一

・。

警

一一

・。

響

       

…・

…・

…………・

…・

・

・

・

…

(

16

)

  

 

 

コσ

一

・・

一

・

瑠

・

一

・ 。9

(

・。

一

・ ・。

)

・

…・

(

17

>

     

x

 

=

=

 

8XR

:

C

α2

=Cp2=

0

……・

…

 

……・

…

 

…・

・

(

18

〕

      ∂

Ca2

       

∂

Cb

!

    

X

=fiXR

:

N

… er ・・ce

=一D

覦

万

=

D

・・

万

             

一一・

・

・

・

・

・

・

・

・

…

 

9・

・

・

・

・

…

 

一

・

・

・

・

・

・

・

…

 

(

19 )

  初 期 条 件

と

境 界 条 件

を

考 慮

し て

,

微 分 基 礎 方 程

式 に

Laplace

変換

を

行

っ て

無 次 元 濃 度 形 式

の

解

を 求 め る と

(

解

の

導 出 過 程

につ い て は

付 録 参 照 ) を 求

め る と

,

次

の

よ う

にな る。

 

 

 

C

鷺

‘

L1

一

舞

〉

踟

α ・・

[

、

濠

3

(4)

 

 

 

 

 

 

 

・ 、

撫

]

+

er

・・

[

、

濠

 

 

 

 

 

 

 

一

,

撫

]

}

一 ………・

……・

(

・。

)

 

 

 

C

響

L

芻

{

er

・・

[

x

−

 

O

』

 R2VDEi

]

 

 

 

 

 

 

 

−

er

・ ・

[

D

』R

−

x2VbEi

]

}

・・≦・・く ・・R

       

…・

一 ………・

・

・

………・

……

(

21

)

 

 

 

響

)

−

1

−

er

・・

[

x

一

δ.R2VbEI

]

…

R … 〈+・ ・

       

…………一 …・

・

……・

……・

(

22

>

    

C

, 、

(

x

,

の

     

Dbst

    

C

、。

=

4T

:x

=

6

・

・

R

… … ’

””’

〔

23

)

これ らの

函

数

の

濃 度 プ

ロ フ ィ ル

を

Fig.

2

に

示

す

。

 

た だ し

,

δxR は

,

次

の函 数

方

程 式

痔

α ・

[

一

、

浣

,

]

…

〜

傷

…

[

、

撫

]

 

 

一 ・

硯

、

睾

〉

鷹

]

…・

一 ・

・

一 ………・

…

(

・

4 )

の

根

と して

得

ら れ る

も

の であ る。

肪

・

4 …

,

撫

・ ・ の・

合 …

 

  

・ ・

p

(

δ

9

,

4D

.

t

)

・ ・

一

、

鍛

 

 

 

er

・

(

(

、

缶

)

畴

,

島

で あ る か ら

,

初

期

近

似

と して

(

門

∈ 9 丶

一

〇

∈

}

帽 O 写 雪 口  

り

口 OO

 

一

〇

〇

 

 

 

 

 

 

 

 

 

〇

 

 

 

 

 

 

 

 

δ

rk

(

tl

)

 

 

 

 

δ 凪

(

t2

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ oo

       

D¢

pt

庶rom  eoncrCte  

Surfaee

Fig

.

2

 

Shematic

 

profiles

 ol the 

progress

 of neutralization  under

     

the two  assumptions  of  constant  concentratlon  of  atmos

・

     pheric

 carbon  

dioxide

 

gas

 and unsteady  state 

diffusion

     of  carbon  

dioxide

 

in

 concrete  accompan 重ed with  

instant

     

ir

匸eversible  caronat めn reactiQn  with  caicium  

hydrox

一

     孟

de

.

4

 

 

 

a

・R・

鴛

一

研

涯

霧

[

,

篶

一

漉

]

a

               

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

…

 《25

)

の

形

の

中 性 化 進 行

の

速度 式

を

導

くこと がで き る。 こ れ は

定 数 項

を

伴 う放 物 線 則

で

,

近 藤

らの

中性

化 進

行

に 関 す る

次

の

実 験 式

10 }と

一

致 す

る。

    

(

DxR

十

1

)

2

=

・ket− ・

…・

…・

・

………

(

26

)

す な わ ちコ ン クリ

ー

トの

中 性 化

進

行

は

,

次

の

4

つ の

式

で

表

せ ること に な る。

   

娠

三

κ。

π

一z

      

(

t

。

=

(

1

/

h

。

)

t ≦

t

;

0

≦

t

≦

t

。

,

OxR

=

0 )

・

…

(

27

)

融

砿

蔬

[

2

C

 

Cb

.,

〉

霧

]

・

・

・

…

(

・

8

)

 

 

 

1

一

咢

籍

D ・

秀

………・

一 一

(

・

9

}

こ こ で,

ke

は

,

中 性 化 進 行 速 度

を

表

すパ ラ メ

ー

タ

ー

で あ り

,CO2

お よ び

Ca

(

OH

)

,の

初

濃 度

比

C

。g

/Cb

。

,

 

CO

, お よ

び

Ca

(

OH

)

:の コ ン ク

リ

ー

ト内

の

拡 散 定 数

D

。2

,

Db

,

,

表 面 平 衡 定 数

m

等

に

よ

り

決 定 さ

れ

,

こ の

値

が

小

さい ほど

中 性 化 進 行

は

遅

い こと を

示

す。

定 数 項

‘は

,

総

括 物 質 移 動 抵 抗

icag

を

介

して

仕

上

材

の

中 性 化 遅 延 効 果

に

関 連

し

,

中 性 化

が

進

行

す る

前

の

誘 導 期 (

t

。

)

ま た は,

外 挿

した 場

合

の

中 性

化 遅 延 深 さに

対 応

する

。

仕 上 材

のない

場

合

は

通

常

1

=

O

で ,

原 点

を

通

る

放 物 線 則

に な る が ,

仕

上

材

の あ る

場 合

は

,

k

。 と

1

の

両 方

で

中 性 化 抑 制 効 果

を

表

すこ

と

にな る

。

こ の

定 数 項

を

含

む

一

般

的

な

放 物 線 則

を

利

用

し,

物 性 定 数

や

CO

、お よ び

Ca

(

OH

>

2 の

初 濃 度

に適

当

な

数 を 代 入

して

計 算 す

ることに よ り

,

コンク リ

ー

トの

中

性 化 進 行

に

及

ぼ

す

CO

,

濃 度

,

温

・

湿

度

,

コ ンク リ

ー

ト の

含 水 率

,

仕 上 材 等

の

諸 因 子

の

影 響

を

理 論 的

に

評 価

す る こ

と が

で き る

。

 

w

/

C

=

60

%の

普 通

コ ン ク リ

ー

ト

の

屋 外

での

中 性 化 進

01

(

∈ ∈

)

】

曇 昌 岩 目 ε 爲

嘱

[

鐸

3Z0

    4 

8

  L2   16  20   2ら  2巳 30         Tlm已 し (year) 。

。

仁d

。

。

. ;so: hyd・ati

・

・

;・

・

25。kgtml       D8L 

■

 0

.

13Bcm21see

     

D。2

・

3

.

5E

−

5

。m21 ・ec       Db2

・

2

,

5E

−

LO・

・

2ノ

…

     

ロ−

e

.

う

     

CbO

・

L且OE

−

4Ca(OH〕2

皿

・

11c

・

3       ka呂

’

 

◆

+

四

Fig

.

3

 

1nf

且ロence  of the concentration  of atmospheric  

CO20n

     

the

 

progress

 of carbonation  on outdQQ 【

・

exposed  con

−

      crete

.

(5)

〔

F 三 x5 鵞

筥

」

δ

軸

。

5

α

Φ

o

ミ

1

瑠

  cq1 °% ア

.

5% 5% 3% 024681012       Time

 

t

 

[mo[th) ee

:

etera ヒed

 

C dltlon   D

、

。

’

1

・

°37E

・

楠mZ伽

・

亡h   D

=

383∈+3  ’mo

冂

th

  ●

し

  Dゼ 3

.

89 mm

’

1

・

・

onth   D 。。

=

1

・

10E

・

7C・〔。H)

,

 mel ノ  ’     

づ 

 

’

=

1

Fig

・

4 1n‘

luence 

of

 

し

he 

concentration

 

oI

 CO

,

 gas 

on

 

the

     

progress

 Df carbonation  of  concre しe under  accelerated

    

conditions

 

〔effects

 

of

 

acce しeration

 

of c

.

arbo 皿ation 》

.

行

に

対

して は

,

単 位

セ メ ン ト

量

250kg

/

m3 で

水 和 率 を

80

% と す る 場 合

,

Fig

.

3

におい て,

下 段

に

示

さ れ る

数

値

を

設

定

す る と

,

大 気 中

の

CO2ec

度

が

屋 外

コ ン ク

リ

ー

トの

中

性

化 進

行

に

及

ぼ す

影 響

は か な り

大

き く な る こ と が わ か る

。

 

Fig.

4

は,

同 様

に して

,20

°

c

,

60

%

R

,

H

.

の

状 態

で の

促 進 中 性 化 試 験 を 想 定

し た

場

合

の

CO

,

濃 度

の

影 響

を

示

し て お り

,CO

,

濃 度

が

相 当

の 影 響 を

持

つ こ と が わ かる。

し

か し,

実 際

に は,

炭 酸 化 反 応

は,

一

定

の

有

限

速度

で

起

こ り

,

こ こ で

仮 定

してい る

瞬 間 接触 反 応

では ない こ と を

考

慮す ると

,

そ の

促 進 率

は

,

t

も う

少

し

小

さくなると 思 わ れ る。

.

 

Fig.

5

は

,

コ ン クリ

ー

トの

中 性 化 進 行

に

及

ぼ す

温 度

の

影

響

を

示

す もの である

。

コ ン ク リ

ー

トの温

度

が

増 大

す る にっ れ

,

ア レニ ウス

則

に

従

っ て

,

コ ンク リ

ー

トの

中 性 化

進 行

が

速

く な ること を

示 す

。 し か し

,

CO2

の

拡 散

と

Ca

(

OH

)

2の

拡 散

の

増 大

が や や

相 殺 効 果

を

示

し

,

20

〜

50

℃ の

温 度

の

範 囲 内

で は

,

温 度

の

促 進 率

は

,

それほ ど

高 く

な

〔

∈ ξ

一

X

 

=

O

爭

呱

N

齟

罵 彗

中

Z

一

〇

≡

“

り

O

 

ロ

 

C

≡

110E

.

7C

己

〔OH )mdrmm

:

di

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ヨ

C

叩

=

?

.

2TE二9CO 耐 ’

  ,

           

守

k 

−・

coJaO  

■

1296E

・

1   ’齢 bl 卩 

■

3

.

S3E

+

3m

聖

’耐 “) ‘2 ) {3) 〔4 )       石 me ヒゆ

叩

thl

Fig

,

5

 

1nfluence

 of  the tempelature  of  

the

 

prog

爬 ss Qf carbona

.

     t弖on of concrete  under  accelerated  conditions

.

0      

 

0      

 

0      

 

0

     

 

0         0 0         8         6  

 

   

4

     

 

2

(

日

5N5

巳 噂

5

箸 劇

ヨ

8Z0

   4   8   12  16 20   24 283e O

・

03竃 CG2 0utdoor  ; 80罵

hydraにion ; c 

“

 :5ekg1皿

3

D

。

L

−

0

.

138

・

m2 !

・

・

c Da2

−

3

.

5E

−

5・m2 !・e・

m

目

0

.

5

Ttme t (year)

CbO

・

「

1

.

IOE

−

4Ca(OH)2田 。1!c

皿

3

〔1) (2) (ユ} ⊂4> PARAMETER  ; Db2 (L) ;%2

=

z5 三

一

Ucm2 〆8ec (2);% 2

−

5

.

OE

−

n

・

m2 ノ・・c (3) ゆ b2

−

75E

−

IL・・Z〆・

・

c (4)iDb2

−

LOE

−

Le・m2ts ・c (5

)

・Db

.

2 

・

・

 2

・

5E

一

且・

・

囗

2〆

・

e

・

Hamada

’

8

’

law ; UIC 

罰

 60鬼 t

昌

ア

.

2冗2

Fig

.

6

 

1nfluence

 of  the 

backward

 

diffusion

 of 

Ca

(

OH

) zfrom  the

     

inner

 

layer

 of concrete

 

(supressing  effects of water

    

content  of  concrte )

 

on

 

the

 

progress

 

of  carbonation

 

of

     

outdoors

・

eXPQsed

.

ら ないこと が わか る。

 

コ ン ク リ

ー

トの

含水 率

が ゴンク リ

ー

ト

の

中 性 化 進

行

に 及 ぼ す 影 響は

,

は る かに著 しい。

Fig

.

6

は,

屋 外

コ ン ク リ

ー

トの

中性

化

進

行

に

及

ぼ す コンク リ

ー

ト内 層 部

か らの

Ca

(

OH

)

2の

逆 拡 散

の

影

響

,

し た がっ て

,

コ ンク

リ

ー

ト の

含 水 率

の影 響 を 示 す

。

こ こ で

,

Ca

(

OH

)

、の コ ン ク

リ

ー

ト

中

に お ける

逆 拡 散 係 数

D

,,

[

c皿 e

/

sec

]

とコ ン ク

リ

ー

ト

の

含 水 率

(

w

[

%])

は

,

次

の

形

の

指 数

関

数

で

関 係

づ け ら れ る

。

    Dbr

=

exp

(

0

.

0767528

 

w

−

25

:

1797

)

・

…・

……・

(

30

)

Ch

(

OH

)

,の逆

拡 散

が

増 大

す るにつ れ

,

したがっ て

,

含

水

率

が

高

く な るに つ れて

,

中 性 化 進 行 速 度

を

表

す

係

数

ke

の 減

少

に よ り

,

中 性 化

の進

行

が

遅

れる

状 況 を

示

す。

理 論 計 算

によ るこ の

中 性 化 進 行

の

状 況 と

, 日

本

の屋

外

コ ン クリ

ー

トの

中性 化 進 行

につ い て

一

般 的

に

成

り 立つ と さ       CO 

』

501e   T

,

20

℃       tt     50                    

3001O

 O30

巨

[

X 匚 0

ヨ

碍

套

」

岡

り

甲

O =

一

α

ロ

O

Fig

.

7

   

・

50   0246BIO12       Tame t

 

(month }   〔1)

「

k 

=

2

.

590mmlmonth

 

B

=

1

.

5

     

ユ

げ                              〔

2

,: 

=

2

、

590E

・

t

   

B

呂

15

.

0

      2   〔3): 

昌

1

.

813E

−

1    日

i21.

5       s   〔

4

,:   

=

1

.

295E

・

1     Bi30

.

0

       く

InfluenCe

 of   sulfaCe  mass  transfer resiStance

 

(retar

−

daUon

 ef‘ects of 

finlshing

 materia [s)on the 

progress

 Qf

concrete  under  an accelerated  condition (

CO

,

,

5

%;

T

,

20

℃ ;

R

.

H

.

6096

)

.

 month (1)   〔3}

t4

) 1

冨

3

.

89m2 /m  出

=

383E

+

3mmTlr

  t/

(6)

れ る

浜 田

式 (

WIC

 == 

60

%

の

場 合

に

対 応 )

n と を

比 較

す る

と

,

浜 田 式

は

,

雨

の

降

りか か る

屋 外

の

比 較 的 含 水 率

の

高

い コ ンク リ

ー

トの

中 性 化 進 行 を 表 す も

の と

解 釈

でき る

。

 Fig

.

7

は

,

促

進 条件

下

で の コ ン クリ

ー

トの

中 性 化 進 行

に

及

ぼ

す総 括 物

質

移 動 抵 抗

の

影 響 (

仕 上 材 等

の

中 性 化 遅

延 効 果

)

を

示

す もので

あ

る

。

透 気 率

が

小

さ くて

,

厚

い

仕

上 材

の

場 合

には

,

総括物

質 移 動 抵 抗

の

影 響

が

無 視

し

得

ず

,

定 数 項

t

に

関

連

し て,

一

定

の

誘 導 期 (

t

。

)

が

増 大 す

る

傾 向

が あ るこ と が わか る

。

こ の

仕 上 材 等

の

中性 化 抑 制 効 果

に

関

して は,

次

報

で

詳

し く

報 告

するが

,

Fig

.

8

に示 さ れ る よ う に,

各 種

の

仕 上 材

に

よ

る

表

面

処

理 を

行

っ たコ ン ク リ

ー

ト

の

促 進 中 性 化 試 験 (

30

℃

,60

%

R .

H .

 

CO

, :

5

% の

促

進 条 件 )

の

結 果

か ら

,

コ ンク リ

ー

トの

中 性 化 進 行

が こ の

定 数 項

を

伴

う

放 物

線

則

に

従

うこと, また,

Fig.

9

に

示 さ

れ る

よ う

に

,17

年 経

過

し た

鉄 筋

コ ンク

リ

ー

ト造 壁

式 4 階

建 共 同 住 宅

で

,

屋

内

コ ン ク リ

ー

トの

中性

化 深 さが

仕

上

材

の

全 厚

に

比 例

し て

小

さ く なっ て い る とい う

結

果

が

得

ら れて い て,

理 論 的 推 論

と

一

致

し ていること が

明

ら か になっ て お り, こ の

非 定 常 速 度 論 解 析

の

妥 当 性

の

検 証

が

得

ら れ てい るls)

・

19]

。

 

この

定 数 項 を伴 う放 物 線 則

は

,

コ ンク リ

ー

トの

中 性

化

進 行

の

大 部 分

の

状 況

を う ま く

説

明づ け る

。

2

.

2

.

2

大 気 中

の 二

酸

化 濃

度

を

一

定

と し て,

水 酸 化

カ ル

       

シ ウムお よ

び 珪 酸

カ ル シウム

水 和 物 ゲ

ル との

2

     

つ の炭

酸

化 反

応

を

考 慮

す る

場 合

 

Ca

(

OH

)

sの

炭

酸 化 反 応

は

,

 

C −S −

H

の

炭 酸 化 反 応

に

比

して

十 分 速

く

,

瞬 間 接 触 反応 と

み な

す

こ

と

がで

き

る

も

の と す る。 また,

C −

S

−

H

の

炭

酸 化 反 応 は, 

CO

,の

濃 度

に

関

す る

擬

一

次 反 応

とみ な

す

こ と が で きる

も

の と し

,

C −S−H

の コ ン ク

リ

ー

ト

の

中

での

拡 散

は な く

,

コ ンク

リ

ー

ト内

の

各

位

置

に

局

在

し な がら

炭 酸 化 反 応

が

起

こる もの

と

す

る。

表 面仕

上

材

のない

打 放 し

コ ンク リ

ー

トの

中性化

進

行

を

対 象

と す る ものと する

と

,

次

の

微 分

基

礎 方 程 式

と

初

期 条 件

お よ び

境

界

条件

を設 定

する こと がで き る

。

[

基 礎 微

分

方 程 式 ]

.

 

 

 

響

一

・・ ∂

!

睾

,

, ・

一

…

x

≦ …

…・

一 …・

〔

31

)

       

∂tCat

     

∂

C

.

       

− htCcoCaz

:

0

≦

x

く 十〇Q

   

読

一=

D

. ∂コ

c

・

       

・

一 ………・

…一 ・

…・

…

(

32

)

 

 

 

響

一 ・ ・ ∂

1

象

・・…

x

<…

一 ・

……

(

33

)

響

一一h

、

C

。・

C

。 !・・≦

x

< +・・

一 ・

・

……

(

3

・

)

響

一

編

・c。

Cat

+

h

,・・・

…

。・

x

< +・ ・

         

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

…

 

∴

・

(

35

)

6

(

≡

;

言

【

尸

旦 ぞ ζ o = 起

一

塁 弓 Z

f

,

9

,

P

・

a τypeS。

f

 5ロ

fa

。已価 5 }血z圃 e 「ia且5   ◎   △  

O

 

o

 

矚

 

口

 

 

()   Φ

 

e

;   ×

Fig

.

8 Results 

ef supp [essive

 

effects

 

of surface

 finishlng

     

materials  en the 

pr

・

gsess

。

f

 neutraliza し

i

。n (

rf

 concrete

     

by

 accelerated  carbona し

ion

 tesing(

30

°

C

,

60

%

R

.

 

H

.

,

     

CO2

;

5

%}

.

0         0         0         0         0 4        

 

3          

 

2           L  

(

日

EVk

石

9

℃ 偶 O , 琶 調

ヨ

59Z       0       10      20      30      40

      TOta1 Thicknes8  0f F五ntshing

      Materials L (  }

Fig

.

 

g Relationship

 

betwee

ロ

the

 

dep

し

h

 Qf carbonatien  of 

indoor

     coロcrete and the total 

thickness

 of 

finishiRg

皿aterials

    

(resuits 。

Hield

 research  

f

・r extemal  vertical  walls  

in

 an

    

existing  rein 正orced  

building

 aged  

17

}

−

black

 circle

,

2nd

     

floQr

 concrete ;white  circle

,

4th

 

flooi

 concrete

.

[

初 期 条

件]

 t

≦

O   

x

>

0

:

C

α1=

C

.

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

…

 

(

36

)

     

ユ:>

0

:

C

α2

=

0

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

…

 

(

37

)

     

コ

c

>

0

:

CbZ=CbO…一 ………一 一 ・

…一

(

38

>

     

x >

0

:

 

CCt

=

Cco

・

一・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

…

 

(

39

)

     

x

>

0 

:

C

ρt;

O・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

…

 

(

40

)

[

境 界 条 件

]

 t

≧

O 

x

=

0

:

C

.

=

mCai

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

…

 (

41 )

    

二じ

一

レ

ー

QQ :

C α

匸

=C α

9

・

・

・

・

…

 甲

・

・

・

・

・

…

 

9・

・

・

・

・

・

…

 

(

42 )

 

  

 

x

− ・・

一

・。

讐

一一

・。

響

・

・

一 …

(

・

3

)

     

こじ

→

十〇〇

 

:()a2

=0−・・

一・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

…

 

《

44

)

    

コじ→ 十〇Q

 

:

Cb2

;C

りo

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

…

 

一・

・

・

…

 

(

45

)

     

x

一

ウ十〇Q

 

:

Cc2”

 

Cco・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

…

 

一・

・

・

・

・

…

 《46 )

    

x

→ + ◎o :

C

ρ2=

O

………・

・

…………

(

47

>

図

Fig ・ 4 1n‘ luence  of   し he  concentration   oI  CO ,  gas  on   the

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