コンクリートの乾燥収縮ひび割れ対策に関する検討
黒岩 秀介
＊１・並木 哲
＊１・飯島 眞人
＊2Keywords : drying shrinkage, aggregate, unit water content, shrinkage-reduction, expansive admixture
乾燥収縮，骨材，単位水量，収縮低減，膨張材
1. はじめに
2009 年に改定された日本建築学会の建築工事標準仕 様書 JASS 5 では，計画供用期間の級が長期（約 100 年）以上の場合，耐久性を確保するためには収縮ひび 割れを低減する必要があるとして，コンクリートの乾 燥収縮率を 8×10-4（0.08%）以下に規定した。この値 は骨材事情によっては厳しい値であるため，実態把握 のための乾燥収縮試験が各方面で行われている例えば1）。 筆者らは，①硬質砂岩砕石と AE 減水剤を使用した スランプ 18cm の調合，②スランプを 18cm から 12cm にして単位水量を10kg/m3低減する調合，③高性能 AE 減水剤を使用してスランプ 18cm のままで単位水量を 10kg/m3低減する調合のコンクリートを比較し，スラン プを小さくしたり，高性能 AE 減水剤を用いて単位水 量を減じても，乾燥収縮率を低減できないことがある ことを報告した 2）。併せて，産地の異なる石灰砕石を 用いた数種のコンクリートを比較し，粗骨材を石灰砕 石とすれば乾燥収縮率を 5×10-4程度にまで低減できる ことを確認した。本稿では，コンクリートの乾燥収縮 率に及ぼす調合要因の影響および乾燥収縮ひび割れ対 策の効果について，より詳細な検討結果を報告する。2. 各種調合要因と乾燥収縮率の関係
2.1 乾燥収縮率に及ぼす調合要因の影響 コンクリートの乾燥収縮率に及ぼす調合要因の影響 は，表-1 に示すグループ No.1～No.4 の合計 34 調合の 実験により検討を行った。 No.1 では，乾燥収縮への影響が大きいとされる単位 水量，水セメント比，粗骨材種類，粗骨材量を変動要 因とし，各因子2 水準とする計 16 調合の比較を行った。 No.2 では，骨材に着目し，細骨材種類，粗骨材種類， 粗骨材量を変動要因とする計8 調合を比較した。 No.3 では，骨材を混合して使用する場合を想定し， 粗骨材の混合比率 4 水準，細骨材の混合比率 4 水準， 計8 調合（一部 No.1 を兼ねる）について比較した。 No.4 では，異なる粗骨材を用いて乾燥収縮率を大小 2 水準に設定したコンクリートにより，膨張材や収縮 低減型高性能 AE 減水剤の収縮低減効果を確認した。 No.4 の収縮低減効果については 3 章に示す。 表-1 実験の構成 Table 1 Planning of experimentsｸﾞﾙｰﾌﾟ 因子と水準 共通 No.1 単位水量:2（170, 185kg/m3） 水セメント比:2（47, 52%） 粗骨材種:2（安山岩砕石,石灰砕石） 粗骨材量:2（330, 360 ℓ/m3） 細骨材（山砂） No.2 細骨材種:2（安山岩砕砂,石灰砕砂） 粗骨材種:2（安山岩砕石,石灰砕石） 粗骨材量:2（330, 360 ℓ/m3） 単位水量（170kg/m3） 水セメント比（52%） 粗骨材混合比率:4（安山岩砕石:石灰 砕石=10:0, 7:3, 3:7, 0:10） 単位水量（170kg/m3） 水セメント比（52%） 粗骨材量(360 ℓ/m3） 細骨材（山砂） No.3 細骨材混合比率:4（安山岩砕砂:石灰 砕砂=10:0, 7:3, 3:7, 0:10） 単位水量（170kg/m3） 水セメント比（52%） 粗骨材量（360 ℓ/m3） 粗骨材（安山岩砕石） 膨張材:2（有,無） 粗骨材種:2（安山岩砕石,石灰砕石） 単位水量（170kg/m3） 水セメント比（52%） 粗骨材量（360 ℓ/m3） 細骨材（山砂） No.4 収縮低減型高性能AE 減水剤:2（有,無） 粗骨材種:2（安山岩砕石,石灰砕石） 単位水量と水セメント比:2 粗骨材量（360 ℓ/m3） 細骨材（山砂） ・普通ﾎﾟﾙﾄﾗﾝﾄﾞｾﾒﾝﾄ: 密度 3.16g/cm3，比表面積3330cm2/cm3 ・細骨材 山砂: 表乾密度 2.63g/cm3，吸水率1.81％，FM2.65 安山岩砕砂: 表乾密度 2.61g/cm3，吸水率3.46％，FM2.50 石灰砕砂: 表乾密度 2.70g/cm3，吸水率0.54％，FM3.16 ・粗骨材 安山岩砕石: 表乾密度 2.62g/cm3，吸水率2.78％ 石灰砕石: 表乾密度 2.70g/cm3，吸水率0.30％ ・混和剤 AE 減水剤: ﾘｸﾞﾆﾝｽﾙﾎﾝ酸系 収縮低減高性能 AE 減水剤: ﾎﾟﾘｶﾙﾎﾞﾝ酸及びｸﾞﾘｺｰﾙｴｰﾃﾙ系 ・膨張材 石灰系低添加型 ＊１ 技術センター 建築技術研究所 建築構工法研究室 ＊２ 建築本部 技術部 建築技術部
コンクリートは試験室ミキサにより製造した。スラ ンプは概ね 15.0～23.0cm の範囲にあったが，安山岩砕 砂を用いた調合の一部に 10cm を下回るもの，収縮低 減型高性能AE 減水剤を用いた調合の一部に 24cm に達 するものもあった。空気量は3.0～6.0%の範囲にあった。 標準養生した供試体の材齢28 日の圧縮強度は，山砂を 用いた水セメント比（W/C）52％では 37.4～42.5N/mm2， 山砂を用いた W/C=47％では 44.8～49.7N/mm2，砕砂を 用いたW/C=52％では 42.8～49.5N/mm2の範囲にあった。 乾燥収縮率は，100×100×400mm の供試体を用いて， JIS A1129-1:2001「モルタル及びコンクリートの長さ変 化試験方法－第 1 部：コンパレータ方法」により測定 を行った。基長の測定は材齢 7 日まで 20℃水中養生し た後に行い，その後20℃60%RH の養生室内に 26 週間 保管して長さ変化率を求めた。 図-1 a) に，W/C，粗骨材種類，粗骨材量は等しく， 単位水量のみが異なるコンクリートの長さ変化率を比 較して示す。同図のx 軸を単位水量 170 kg/m3，y 軸を 単位水量 185kg/m3のコンクリートの長さ変化率とする。 両者の関係は y=0.99x に近似できるため，乾燥収縮率 に及ぼす単位水量の影響は小さいといえる。 図-1 b) に，単位水量，粗骨材種類，粗骨材量は等し く，水セメント比のみが異なるコンクリートの長さ変 化率を比較して示す。同図のx 軸を W/C=52%，y 軸を W/C=47%のコンクリートの長さ変化率とする。ややば らつきは見られるものの両者の関係は y=0.95x に近似 できるので，水セメント比が 5％大きいと，乾燥収縮 率が5％程度増大することが確認された。 図-1 c) に，粗骨材量以外の調合要因を等しくし，粗 骨材量を 360ℓ/m3（x 軸）または 330ℓ/m3（y 軸）とす るコンクリートの長さ変化率を比較して示す。両者の 関係は y=1.03x に近似できるので，粗骨材量 30ℓ/m3 （約 80kg/m3）程度の増加に対して，乾燥収縮率は 3% 程度低下することが確認された。 図-1 d) に，粗骨材種類以外の調合要因を等しくし， 粗骨材種類を安山岩砕石（x 軸）または石灰砕石（y 軸）とするコンクリートの長さ変化率を比較して示す。 ややばらつきは見られるものの両者の関係は y=0.69x に近似できるので，石灰砕石コンクリートの乾燥収縮 率は安山岩砕石コンクリートの 70％程度に低減するこ とが確認された。 図-1 e) に，細骨材種類以外の調合要因を等しくし， 細骨材に安山岩砕砂，石灰砕砂，山砂を各々単独で用 いるコンクリートの長さ変化率を比較して示す。安山 岩砕砂（x 軸）に対して，石灰砕砂または山砂を用い る場合（y 軸）は，各々y=0.71x，y=0.83x に近似できる。 したがって，石灰砕砂コンクリートおよび山砂コンク リートの乾燥収縮率は，安山岩砕砂コンクリートの乾 図-1 コンクリートの乾燥収縮率に及ぼす調合要因の影響（乾燥期間 26 週） Fig.1 Effect of mix proportion and materials on drying shrinkage of concrete
a) 単位水量（W） b) 水セメント比（W/C） c) 粗骨材量（Gv） d) 粗骨材種類 e) 細骨材種類 f) 骨材混合比率 y = 0.99 x R2 = 0.98 -0.10 -0.06 -0.02 -0.10 -0.06 -0.02 W=170kg/m3 の長さ変化率（%） W =185k g/ m 3の長さ 変化率（ % ） y = 0.95 x R2 = 0.86 -0.10 -0.06 -0.02 -0.10 -0.06 -0.02 W/C=52%の長さ変化率（%） W / C =47%の 長 さ 変 化 率 （%） y = 1.03 x R2 = 0.97 -0.10 -0.06 -0.02 -0.10 -0.06 -0.02 Gv=360ℓ/m3 の長さ変化率（%） Gv =330ℓ /m 3の長さ 変化率（ % ） y = 0.69 x R2 = 0.73 -0.10 -0.06 -0.02 -0.10 -0.06 -0.02 安山岩砕石使用の長さ変化率（%） 石灰砕石使用の長さ 変化率（ % ） y = 0.71 x R2 = 0.94 y = 0.83 x R2 = 0.98 -0.10 -0.06 -0.02 -0.10 -0.06 -0.02 安山岩砕砂使用の長さ変化率（%） 石灰砕砂また は山砂使用の 長さ 変化率（ % ） 山砂 石灰砕砂 y = 0.021 x - 0.087 y = 0.017 x - 0.069 -0.10 -0.06 -0.02 0.0 0.5 1.0 石灰比率 長さ 変化率（ % ） 砕砂：石灰+安山岩 （粗骨材は安山岩砕石） 砕石：石灰+安山岩 （細骨材は山砂）
燥収縮率の各々70％程度，85％程度まで低減すること が確認された。本実験では，石灰石骨材による収縮低 減効果は，粗骨材と同様に，細骨材にも認められた。 図-1 f) に，細骨材を対象として，安山岩砕砂と石灰 砕砂の混合比率を変化させたコンクリートの長さ変化 率（図中●），および，粗骨材を対象として，安山岩砕 石と石灰砕石の混合比率を変化させたコンクリートの 長さ変化率（図中○）を示す。同図の x 軸を石灰石骨 材の混合比率（容積）とし，混合比率は表-1 のグルー プNo.3 に示すものとした。同図より，細骨材および粗 骨材のいずれも，混合比率に応じて，直線的に乾燥収 縮率が変化することが確認された。 2.2 乾燥収縮に及ぼす粗骨材の影響度の迅速評価 コンクリートの乾燥収縮に及ぼす骨材種類の影響は， 2.1 節からも明らかなように，単位水量や粗骨材量など の調合要因よりも大きい。コンクリートの乾燥収縮が 骨材の種類によって異なるのは，骨材自身の剛性や乾 燥収縮などによるものと考えられている 3）。このよう な骨材の特性を迅速に評価する試験方法として，BS
EN 1367-4:1998, Tests for thermal and weathering properties of aggregates－Part 4: Determination of drying shrinkage.
があり，荒井ら 4）によって国内での適用性が検討され， 筆者らも同方法の有効性を確認している2）。 迅速評価法の主な手順は，①骨材粉砕・乾燥・分級， ②練混ぜ・打込み・テーブルバイブレータによる締固 め，③脱型，材齢 2 日～7 日まで水中養生，④基長測 定後，3 日間 110℃乾燥，⑤デシケータ内で冷却（1 日 間）後に長さ測定であり，約 2 週間での判断が可能で ある。供試体寸法は図-2 に示すように 50×50×200mm と小さいが，骨材の最大寸法は 20mm とし，粒度分布 が規定されている。調合は，通常のコンクリートより も骨材比率が高く，普通ポルトランドセメント 550g， 骨材 3300g，蒸留水 300g としている。なお，山砂など の天然の細骨材には規定の粒度分布を満足できないの で適用できず，適用対象は粗骨材および同じ産地の粗 骨材を入手できる砕砂となる。また，EN 規格のセメン トや器具の入手は困難なので JIS 規格品などで試験の 一部を代用した。 図-3 に，粗骨材の迅速評価法による収縮率と，コン クリートの長さ変化率（測定方法は 2.1 節と同様）と の関係を示す。コンクリートは，W/C=52％，W=166～ 170kg/m3，細骨材を山砂とし，粗骨材の種類が異なる 21 種類とした。同図において，コンクリートの乾燥収 縮率は，粗骨材の迅速評価法による収縮率と良い相関 を示しており，同方法は粗骨材選定の迅速評価法とし て有効なものと考えられた。つぎに，これらの結果と， 2.1 節による水セメント比，粗骨材量，細骨材種類の影 響を考慮し，粗骨材の迅速評価法による収縮率から式 （1）によってコンクリートの乾燥収縮率を推測した。
εCON = R1・R2・R3・（A・εAGG + B） (1)
ここで、εCON：コンクリートの乾燥収縮率 εAGG：粗骨材の迅速判定法による収縮率 A, B：図-3 の近似式から得られる定数 R1：0.48+(W/C) / 100 , W/C は水ｾﾒﾝﾄ比（%） R2：1.36-Gvol / 1000 , Gvolは粗骨材量（ℓ/m3） R3 ：砕砂 1.2, 天然砂 1.0, 混合砂は混合 比率に応じて直線補間 図-2 粗骨材の迅速評価法（BS EN 1367-4:1998） Fig.2 Determination of drying shrinkage of coarse aggregates
a) 練混ぜ b) 供試体作製
c) 供試体（50×50×200 mm） d) 乾燥前後の長さ測定
図-3 粗骨材の迅速評価法による収縮率と コンクリートの乾燥収縮率（乾燥期間26 週）の関係 Fig.3 Relationship between shrinkage of coarse aggregates by
BSEN 1367-4 and drying shrinkage of concrete
y = 0.573 x - 0.037 R2 = 0.859 -0.08 -0.07 -0.06 -0.05 -0.04 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0.00 粗骨材の迅速評価法による長さ変化率（%） コ ン ク リ ート の 長 さ 変 化 率 （%） コンクリートは W/C=52％，山砂 W=166～170kg/m3 乾燥 材齢2 6 週 に お け る
図-4 に，式（1）によるコンクリートの乾燥収縮率計 算値と JIS A1129-1:2001 によるコンクリートの乾燥収 縮率との比較を示す。コンクリートは，2.1 節および 図-3 とは異なる様々な細骨材を混合使用しているもの とした。同図から，各種調合要因を考慮しても，粗骨 材の迅速評価法からコンクリートの乾燥収縮率そのも のを必要十分な精度で推定するのは難しいことが分か った。しかしながら，乾燥収縮率の傾向は概ね把握で きていることから，材料および調合選定時の指標とし て用いることは十分妥当であると考えられる。
3. 乾燥収縮ひび割れ対策の効果
3.1 鉄筋による収縮拘束ひび割れ試験 コンクリートの乾燥収縮率を把握できれば，日本建 築学会の収縮ひび割れ指針 5）に示される修正ベース・ マレー法などにより，収縮ひび割れ幅の予測が可能で ある。しかし，膨張材や収縮低減剤などを用いる乾燥 収縮ひび割れ対策を適用するにあたっては，より詳細 な検討や実験的な確認を行うことが望ましい。そこで， 図-5 に示す 100×100×1000mm のコンクリートに D22 の拘束鉄筋を埋設した収縮拘束ひび割れ試験体を用い て，収縮ひび割れ対策の有効性を検討した。 表-2 に，検討対象としたコンクリートの種類を示す。 コンクリートの使用材料は 2.1 節と同じとし，①単位 水量（W）170kg/m3，水セメント比（W/C）52%，石灰 砕石，粗骨材量（Gv）360ℓ/m3 のコンクリートを基本 調合（170-52-L360）として，各調合要因について，② W=185kg/m3（185-52-L360 ）， ③ W/C=47% （ 170-47-L360），④安山岩砕石（170-52-A360），⑤Gv=330ℓ/m3 （170-52-L330）とする調合のコンクリートを比較した。 これらは表-1 のグループ No.1 に示すコンクリートの一 部である。 さらに，基本調合①（170-52-L360）および乾燥収縮 の大きい調合④（170-52-A360）に対して，膨張材を添 加 し た コ ン ク リ ー ト （ ⑥L360EX, ⑦ 170-52-A360EX），W=160 kg/m3として収縮低減型高性能 AE 減水剤を使用したコンクリート（⑧160-52-L360SR, ⑨ 160-52-A360SR），W/C=47%として収縮低減型高性能 AE 減水剤を使用したコンクリート（⑩170-47-L360SR, ⑪170-47-A360SR）を各々比較し，収縮低減対策の効果 を確認した。これらは表-1 のグループ No.4 に示すコン クリートである。 図-6 に，乾燥収縮が鉄筋に拘束されることにより発 生するコンクリートの引張応力の時間変化を示す。コ ンクリートの応力は，鉄筋中央部に貼付した表・裏 2 枚のひずみゲージによる鉄筋ひずみ，コンクリートと 鉄筋の断面積比，鉄筋のヤング率から換算した。試験 体は各 2 体とし，その平均値を図示した。計測の零点 はコンクリート打込み時とした。 表-2 収縮拘束ひび割れ試験の調合Table 2 Mix proportion for drying shrinkage cracking tests
W W/C 砕石 Gv EX SR ① 170-52-L360 170 ② 185-52-L360 185 52 ③ 170-47-L360 47 石灰石 ④ 170-52-A360 安山岩 360 調 合 ⑤ 170-52-L330 170 52 石灰石 330 － － ⑥ 170-52-L360EX 石灰石 ⑦ 170-52-A360EX 170 安山岩 20 － ⑧ 160-52-L360SR 石灰石 ⑨ 160-52-A360SR 160 52 安山岩 ⑩ 170-47-L360SR 石灰石 対 策 ⑪ 170-47-A360SR 170 47 安山岩 360 － 1.5 W：単位水量（kg/m3）, W/C：水セメント比（%） Gv：粗骨材量（ℓ/m3）, EX：石灰系低添加型膨張材（kg/m3） SR：収縮低減型高性能 AE 減水剤（C×％） 定着区間=400mm 付着除去区間 定着区間=400mm =200mm 鉄筋の付着除去、ひずみ測定 試験体外形：100×100×1000mm 拘束鉄筋： D22（付着除去区間はφ20とし、テフロン巻付） 乾燥条件： 7日間の20℃水中養生後、20℃60%RHにて乾燥 拘束鉄筋 コンクリート 100mm 1000mm 図-5 鉄筋による収縮拘束ひび割れ試験体の形状 Fig.5 Test specimen for drying shrinkage cracking of
restricted concrete -0.10 -0.09 -0.08 -0.07 -0.06 -0.05 -0.04 -0.10 -0.08 -0.06 -0.04 迅速評価法から求めた長さ変化率計算値（%） コ ン ク リ ー ト の 長 さ 変化率（ % ） 式(1) 式(1)のR1=R2=R3=1 乾 燥材齢2 6 週 に お け る y=x 図-4 乾燥収縮率の実測値と骨材の迅速評価法を用いた計算値 Fig.4 Relationship between measured and calculated drying
試験体の養生は，乾燥収縮率の試験と同様に，打込 み翌日に脱型して材齢 7 日まで 20℃水中養生した後， 20℃60%RH の養生室内に保管した。 図-6 a) に，単位水量，水セメント比，粗骨材量が異 なる石灰砕石を使用したコンクリートの応力履歴を比 較して示す。応力はほぼ同様に推移しており，乾燥収 縮によって生じる引張応力に及ぼす単位水量，水セメ ント比，粗骨材量の影響は小さいことが確認された。 図-6 b) に，単位水量，水セメント比，粗骨材量を等 しくし，粗骨材種類が異なるコンクリートの応力履歴 を比較して示す。安山岩砕石を用いたコンクリートの 引張応力は，石灰砕石を用いたコンクリートの 1.5 倍 に達し，材齢68 日にひび割れを生じさせた。粗骨材の 種類は，乾燥収縮によるコンクリートのひび割れに大 きく影響することが確認された。 図-6 c) に，石灰砕石を用いた乾燥収縮の小さいコン クリートに，膨張材および収縮低減型高性能 AE 減水 剤を用いた場合の応力履歴を示す。膨張材は，材齢 7 日までの水中養生期間に 1N/mm2程度の圧縮応力を蓄 積させ，その後の引張応力を小さくさせることを確認 できた。また，収縮低減型高性能 AE 減水剤による応 力低減効果も認められた。 図-6 d) に，安山岩砕石を用いた乾燥収縮の大きいコ ンクリートに，膨張材および収縮低減型高性能AE 減 水剤を用いた場合の応力履歴を示す。膨張材は，図-6 c) と同様に引張応力を低減させた。一方，収縮低減型 高性能 AE 減水剤は，応力低減効果は認められるもの のひび割れの抑制までには至らず，図-6 c)との比較か ら，骨材選定が極めて重要であることが再確認された。 3.2 乾燥収縮により発生する引張応力の算定 実際の構造物の部材では，拘束条件が様々であり， 同じ乾燥収縮率でも発生する応力は変わってくる。実 構造物に効果的なひび割れ対策を適用していくには， 拘束状態に応じて発生応力を予測できることが望まし い。ここでは，収縮の小さい石灰砕石の調合①（ 170-52-L360），3.1 項においてひび割れを生じた安山岩砕石 の調合④（170-52-A360），安山岩砕石に膨張材を用い た調合⑦（170-52-A360EX）について，収縮拘束ひび 割れ試験の発生応力の算定を行った。 表-3 に，コンクリートの圧縮強度（JIS A1108:2006）， 表-3 コンクリートの力学特性等 Table 3 Mechanical properties of concrete
圧縮強度 N/mm2 引張強度 N/mm2 ﾔﾝｸﾞ率 kN/mm2 自由収縮ひずみ ×10-6 調合名 1 週 4 週 1 週 4 週 4 週 1 週 4 週 8 週 13 週 26 週 ① 29.6 39.2 2.48 2.81 36.1 157 369 457 512 558 ④ 27.1 37.9 1.75 2.82 30.6 203 452 588 650 717 ⑦ 26.0 39.4 1.92 2.59 31.7 178 377 503 596 682 図-6 収縮拘束ひび割れ試験によるコンクリート応力の推移 Fig.6 Time-dependent change of concrete stress
-1 0 1 2 3 0 30 60 90 材齢（日） コ ン ク リ ー ト の引張 応力 ①170-52-L360 ④170-52-A360 ひび割れ発生 乾燥開始 （N / m m 2） -1 0 1 2 3 0 30 60 90 材齢（日） コ ン ク リ ー ト の引張応力 ①170-52-L360 ②185-52-L360 ③170-47-L360 ⑤170-52-L330 乾燥開始 （N / m m 2） a) 単位水量，水セメント比，粗骨材量による影響 b) 粗骨材種類（石灰砕石と安山岩砕石）による影響 -1 0 1 2 3 0 30 60 90 材齢（日） コ ン ク リ ー ト の引張応力 ④170-52-A360 ⑦170-52-A360EX ⑨160-52-A360SR ⑪170-47-A360SR ひび割れ発生 乾燥開始 （N / m m 2 ） -1 0 1 2 3 0 30 60 90 材齢（日） コ ン ク リ ー ト の引 張応力 ①170-52-L360 ⑥170-52-L360EX ⑧160-52-L360SR ⑩170-47-L360SR 乾燥開始 （N / m m 2） c) 膨張材、収縮低減型減水剤の効果 d) 膨張材、収縮低減型減水剤の効果 （ベースコンクリートの収縮小：石灰砕石使用） （ベースコンクリートの収縮大：安山岩砕石使用）
ヤ ン グ 率 （JIS A1149:2001 ）， 引 張 強度 （ JIS A1113: 2006），収縮ひずみ（JIS A1129:2001）の実測値を示す。 また，図-7 に，これらの物性の時間変化曲線と実測値 の関係を示す。時間変化曲線は，式（2）～式（5）に 示す日本建築学会（AIJ）の収縮ひび割れ指針式5）を参 考としたが，実測値との乖離が見られたヤング率およ び収縮ひずみに関しては，図中に示す係数により実測 値との整合を図り，解析に使用した。 ・材齢t 日の圧縮強度（N/mm2） fc(t) = exp(0.31・(1 - (28/t)0.5 ))・fc(28) (2) ・材齢t 日のヤング率（kN/mm2） Ec(t) = k・33.5・(fc(t) / 60)1/3 (3) ここで，k は図-7 に示す値とした ・材齢t 日の引張強度（N/mm2） ft(t) = 0.297・fc(t) 0.637 (4) ・材齢t 日の JIS A1129 による収縮ひずみ（×10-6） ε(t) = K・[(t-7) / {0.16・(V/S)1.8 +(t-7)}]A’ (5) ここで，A'=A (V/S)-0.18，V/S 体積表面積比=25mm K および A は図-7 に示す値とした クリープは，応力の計算結果に大きな影響を与える が，本検討ではクリープ試験を行っていないため，AIJ 収縮ひび割れ指針の式(6)をそのまま用いて検討するこ ととした。また，膨張材によるケミカルプレストレス 効果は，AIJ 収縮ひび割れ指針では定式化せずに 0.2 N/mm2程度という値を示すにとどめているが，本検討 では日本コンクリート工学協会のマスコンクリートの ひび割れ制御指針５）（以下，JCI マスコン指針とする） の式(7)を用いて考慮することとした。 ・単位応力あたりのクリープひずみ (×10-6/(N/mm2)) C(t, t') = (60.5 - 0.0216G)(t')-0.33・log e(t - t' +1) (6) ここで，t'は載荷開始材齢（日） ・材齢t 日の膨張材による膨張ひずみ (×10-6) εEX(t) = 150 ( 1 - exp (-0.69 t - 0.3)1.11) (7) 図-8 に，応力解析における試験体形状のモデルを示 す。試験体寸法 100×100×1000mm に対して，対象性 を考慮して 1/8 モデルとした。鉄筋とコンクリートの 付着を除去した部分には，ヤング率の十分小さい要素 を挿入した。また，以降の検討において，コンクリー ト応力として評価するのは，図中に示す試験体中央付 近の「応力表示位置」の部分とした。なお，応力解析 には市販の 3 次元 FEM による温度応力解析用ソフト ASTEA-MACS を使用した。 図-9 に，解析による応力の時間変化を，収縮拘束ひ び割れ試験の結果と併せて示す。解析は，クリープを 考慮したものと考慮しないものの 2 ケースについて行 った。また，割裂引張試験による引張強度も図中にプ ロットした。同図によれば，収縮の小さい石灰砕石の 調合①（170-52-L360），ひび割れを生じた安山岩砕石 の調合④（170-52-A360），安山岩砕石に膨張材を用い た調合⑦（170-52-A360EX）のいずれについても，ク リープを考慮することにより引張応力は緩和され，実 図-7 応力解析に用いたコンクリート物性の時間変化 Fig.7 Time-dependent change of mechanical properties of
concrete used for stress analysis
図-8 試験体のメッシュ分割（1/8 モデル） Fig.8 Finite element mesh of specimen
D22 鉄筋 コンクリート x y z 付着除去区間 200/2mm 試験体中心点 付着除去層 応力表示位置 0 10 20 30 40 50 1 10 100 材齢（日） 圧縮強度（ N / m m 2） ①AIJ ①実測 ④AIJ ④実測 ⑦AIJ ⑦実測 0 10 20 30 40 1 10 100 材齢（日） ヤ ン グ ﾞ率 （ kN/ mm 2） ①AIJ(k=1.24) ①実測 ④AIJ(k=1.06) ④実測 ⑦AIJ(k=1.09) ⑦実測 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 1 10 100 材齢（日） 引張強度（ N / m m 2） ①AIJ ①実測 ④AIJ ④実測 ⑦AIJ ⑦実測 0 200 400 600 800 1000 0 20 40 60 80 100 材齢（日） 収縮ひ ず み （ μ ） ①AIJ(K=671,A=1.1) ④AIJ(K=862,A=1.13) ⑦AIJ(K=820,A=1.3)
験値に近づいた。また，クリープを考慮しても，計算 値は実験値よりやや高めを推移していることから，AIJ 収縮ひび割れ指針のクリープ式を用いる検討は，精度 良くかつやや安全側の評価となることが確認できた。 ⑦（170-52-A360EX）の調合は膨張材を用いている ため，初期に圧縮応力が導入される。本検討では，膨 張ひずみを JCI マスコン指針の式により考慮したが， 図-9 に示すように，初期に導入される圧縮応力は実験 値よりやや小さい。初期の圧縮応力を低く見積もるこ とは安全側の評価になるので，収縮拘束ひび割れ試験 と同程度の一般的な拘束条件であれば，乾燥収縮によ る応力算定にも JCI マスコン指針の式を用いてよいも のと思われる。 ④（170-52-A360）の調合では，収縮拘束ひび割れ試 験においてひび割れを生じたにもかかわらず，実験に よる引張応力およびクリープを考慮した解析による引 張応力は，割裂試験による引張強度以下に収まった。 AIJ 収縮ひび割れ指針では，ひび割れ発生強度は割裂 引張強度よりも小さく，割裂引張強度に対するひび割 れ発生強度の比（ひび割れ発生低減係数）は，0.5～0.9 の範囲に分布するため，ひび割れ発生の検討にあたっ ては，中間的な値の0.7 あるいは安全側の値の 0.5 の採 用を提案している。今回，収縮拘束ひび割れ試験では， 割裂引張強度（材齢28 日）が 2.82N/mm2に対して，ひ び割れ発生時の引張応力（材齢 68.3 日）が 2.1N/mm2 であり，その比は 0.74 となった。また，解析では，式 （2）および式（4）から算出される材齢 68 日の割裂引 張強度が3.22N/mm2に対して，同じ材齢68 日の引張応 力が2.43 N/mm2であり，その比は0.75 となった。よっ て，ひび割れ発生低減係数は，AIJ 収縮ひび割れ指針 が提案する「中間的な値 0.7」を採用することが妥当で あると考えられる。
4. まとめ
ひび割れに関する社会的関心は高く，また日本建築 学会の建築工事標準仕様書JASS 5 の改定においてコン クリートの乾燥収縮率が新たに規定されたこともあり， 今後も乾燥収縮ひび割れ対策が重要な品質管理項目に なると考えられる。そこで，コンクリートの乾燥収縮 率に及ぼす調合要因の影響，収縮ひび割れ試験による 乾燥収縮ひび割れ対策の効果などについて実験的検討 を行い，以下の結論を得た。 ①乾燥収縮率に及ぼす単位水量の影響は小さい。 ②W/C が 5％大きいと乾燥収縮率は 5％程度増大した。 ③粗骨材量 30ℓ/m3（約 80kg/m3）程度の差であれば， 乾燥収縮率に及ぼす粗骨材量の影響は 3％程度であ った。 ④石灰砕石コンクリートの乾燥収縮率は安山岩砕石コ ンクリートの70％程度となった。 ⑤石灰石骨材による収縮低減効果は，粗骨材と同様に， 細骨材にも認められた。山砂コンクリートおよび石 灰砕砂コンクリートの乾燥収縮率は，安山岩砕砂コ ンクリートの各々85％程度，70％程度まで低減した。 ⑥コンクリートの乾燥収縮率を大きくする骨材と小さ くする骨材を混合使用する場合，コンクリートの乾 燥収縮率は混合比率に応じて直線的に変化した。 -1 0 1 2 3 0 30 60 90 材齢（日） コ ン ク リ ー ト の引 張応 力 実験値 計算値（ｸﾘｰﾌﾟ考慮） 計算値（ｸﾘｰﾌﾟ無し） 割裂引張強度 乾燥開始 （N /m m 2 ） -1 0 1 2 3 0 30 60 90 材齢（日） コ ン ク リ ー ト の引 張応 力 実験値 計算値（ｸﾘｰﾌﾟ考慮） 計算値（ｸﾘｰﾌﾟ無し） 割裂引張強度 （N /m m 2 ） -1 0 1 2 3 0 30 60 90 材齢（日） コン クリ ー ト の 引 張 応 力 実験値 計算値（ｸﾘｰﾌﾟ考慮） 計算値（ｸﾘｰﾌﾟ無し） 割裂引張強度 （N /m m 2 ） ①（170-52-L360）：石灰砕石の調合 ④（170-52-A360）：安山岩砕石の調合 ⑦（170-52-A360EX）：膨張材を用いた調合 図-9 計算結果と実験結果の比較⑦BS 規準にある粗骨材の迅速評価法による収縮率は， 粗骨材の種類が異なるコンクリートの乾燥収縮率と 良い相関を示した。この迅速評価法は，2 週間での 評価が可能なため，粗骨材の選定方法として有効と 考えられた。 ⑧鉄筋による収縮拘束ひび割れ試験においても，単位 水量，W/C，粗骨材量などが，収縮により発生する 引張応力に大きな影響を及ぼすことはなかった。 ⑨安山岩砕石を用いたコンクリートの引張応力は，石 灰砕石を使用した場合の 1.5 倍に達し，ひび割れを 発生させた。 ⑩膨張材は，水中養生期間に圧縮応力を蓄積させ，そ の後の引張応力を小さくさせることを確認できた。 ⑪乾燥収縮の大きいコンクリートに収縮低減型高性能 AE 減水剤を用いた場合，応力低減効果は認められる ものの，ひび割れを抑制するまでには至らず，骨材 の選定が重要であることが再確認された。 ⑫AIJ 収縮ひび割れ指針のクリープ式を用いる検討， および JCI マスコンクリートのひび割れ制御指針の 膨張材による膨張ひずみの式を用いる検討は，いず れもやや安全側の評価となることから，妥当な方法 であることが確認できた。 ⑬ひび割れ発生低減係数（割裂引張強度に対するひび 割れ発生強度の比）は，AIJ 収縮ひび割れ指針が提 案する「中間的な値 0.7」を採用することが妥当と考 えられた。 参考文献 1) 吉兼亨：乾燥収縮ひずみの規制へのレディーミクストコ ンクリート業界の対応，コンクリート工学，Vol.46， No.11，pp.3-8，2008.11 2) 飯島眞人，並木哲，黒岩秀介，陣内浩，山本佳城，渡邉 悟士，渡部勝利：コンクリートの乾燥収縮ひずみ簡易評 価に関する検討 その1，2，日本建築学会学術講演梗概 集A-1 材料施工，pp.811-814，2008.7 3) 岩清水隆，米澤敏男，井上和政，松本竹史：コンクリー トの乾燥収縮に及ぼす骨材品質の影響に関する実験，日 本建築学会大会学術講演集 A-1 材料施工，pp.1079-1080， 1998. 4) 荒井正直，津平公彦，今本啓一，成田瞬：BS EN 試験に よる粗骨材の収縮特性の評価，第60 回セメント技術大会 講演要旨，pp.150-151，2006. 5) 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，2006 6) 日本コンクリート工学協会：マスコンクリートのひび割 れ制御指針，2008
