4 1.2.2 凍結融解試験方法とその結果利用に当たっての課題
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(3) はじめに コンクリートは，近代を代表する建設材料の一つであり，この材料が現在の社会 基盤の整備に果たした役割が大きいことについて，異論を唱える者はいないであろ う．とりわけ我が国の戦後復興に果たした役割は極めて大きいと言える．すなわち， 先の大戦により，我が社会が近代化に傾注して，造り上げてきた社会資本を瞬時に 失った．これを契機に，社会資本が再構築されることとなり，時代が要請する性急 さが，短期間に多量の社会基盤整備を加速することとなる． この時代において，建設材料としてコンクリートはその製造方法が持つ特殊性か ら，全国各地に浸透することとなる．すなわち，コンクリートが建設材料として本 格的に用いられるまでは，木材，石材あるいは鋼材が主体であり，これらは，全て 予め所要の寸法・形状に加工する必要がある．一方，コンクリートを用いる場合に は，任意の寸法・形状の構造体の創生が現場において可能であり，我が国の狭隘な 国土条件を考慮した場合，当時の必要とされる量的な要請から，構造物を構成する 部材を予め製造準備しておく用地の確保ならびに運搬を行うよりは，構成する素 材，特に容積で 8 割強を占める水と骨材を現地で調達できる点が魅力的な建設材料 であったものと考えられる．ただし，このような材料が持つ特質性の活用は，熟練 した現場技術者の不足，物流の効率化，資材の中央管理の効率性などから次第に見 直されることも増え，一部の構造体ではプレキャスト部材へと転換されていくこと となる． コンクリートが構造部材として多用されるようになったもうひとつの要因は，外 観あるいは触感から連想される石材に似た人工石材の安心感であったと思われる． それまで，石材で造られた構造体は極めて耐久的であることは万人が経験的に知っ ており，木製あるいは鋼製の構造体が風雨に晒されると劣化し，長期的にこれを維 持管理していく必要性を認識していたはずである．一方，コンクリートから受ける イメージは，準石材の感があり，維持管理が不要な材料の認識が広まっていく． このようにして，戦後の社会資本整備が急速に進む中，ある転換点を迎えること になる．すなわち，我が国のある時期以降の急速な経済成長後のある部分で空虚化 が顕在化し，不思議にも同じくして，急速に整備された社会資本がある綻びを現す こととなる．すなわち，メンテナンスフリーと言われてきたコンクリートの劣化が 顕在化することとなる．全ての綻びがそうであるように，その問題に対しても古く から専門家によって研究されきた事例であることが多い．ただ，それが正面から真 摯に取り上げられるか否かは，その社会の技術力に裏付けられた成熟度に依存する ものと考えられる．これを契機にコンクリートの耐久性に係わる研究事例数は飛躍 的に増加する．特にこの時期に顕在化したコンクリートの劣化として，塩害，アル カリ骨材反応および炭酸化による組織の変質などが挙げられる． コンクリートの代表的な劣化形態としては，これ以外に凍害を挙げることができ る．この問題は，古くから認識されてきた劣化形態であるが，ある混和剤の開発を 契機にその被害は激減していく．その混和剤とは AE 剤（Air Entraining Agent） であり，この混和剤がコンクリートの凍結融解抵抗性向上に極めて有効であるとい う情報は，戦後すぐに米国からもたらされ，その後我が国においても製造・開発が 行われ，次第に利用が拡大して行く．特に 1978 年に行われたレディーミクストコ ンクリートの JIS 改正により，AE コンクリートが標準的なコンクリートとなって 行く．ただし，AE 剤を用いていれば，凍結融解作用による劣化を全て回避できる.
(4) かと言えば，そうでは無い事例も存在する．例えば，品質的に劣る骨材を用いた場 合などがこれに当たり，AE 剤を用いても凍結融解抵抗性を付与できない場合があ る．そこで，AE コンクリートであっても，使用実績が乏しい骨材を用いる場合， 新たなる結合材・混和材を用いる場合ならにび新たなる配合を適用する場合などに は，予め試験を通じて対象となるコンクリートの凍結融解抵抗性を確認する方法を 採っている．その試験方法として我が国で最も標準的に用いられているのが，JIS 規格に定められている促進凍結融解試験（JIS A 1148 「コンクリートの凍結融解 試験方法」）である． ただし，この試験は直接的にコンクリートの凍結融解抵抗性を判断するものでは ないことが記されている．すなわち，同規格によれば，「この試験方法は，使用材 料や配合などの異なるコンクリートの凍結融解抵抗性を相互に比較するためのも のであって，コンクリート構造物における耐凍害性を直接的に評価したり，耐凍害 性によって定まるコンクリート構造物の耐用年数を予測するためのものではな い．」と謳われている． このように，建設材料としてのコンクリートの耐久性が問題視されている中で， その耐久性を照査する試験方法あるいはその評価方法が確立されていないことは 重要な問題であり，とりわけ少子高齢化が現実的となった我が国に於いては，新規 に造るコンクリート構造物の設計時の耐久性照査はもとより，既存のストック財と してのコンクリート構造物の耐久性を的確に評価していくことが不可欠と考えら れる．現行の促進凍結融解試験が直接的にコンクリートの耐凍害性を評価できない とする背景には，この試験環境が，促進試験であるがために自然環境と比較してか なり過酷であり，また，自然環境下の凍結融解作用と定量的な比較が十分に出来て いないためと考えられる． 本論文は，現行の促進凍結融解試験結果から，自然環境下で凍結融解作用を受け るコンクリートの劣化予測を行う方法を研究した成果について纏めたものである． 具体的には，不規則に変化する外気温の最低温度の影響をどのように評価するか， 促進試験において冷却速度が相当に速い影響をどのように評価するのか，促進試験 の試験体の露出環境が非現実的である点をどのように評価するか，凍結融解作用に よって力学性能はどのように低下していくのか等について検討し，促進凍結融解結 果から，凍結融解作用を受ける自然環境下のコンクリートの劣化予測手法について 研究した成果を纏めたものである．.
(5) 目 1.. 序. 次. 論 _______________________________________________________________ 1. 1.1 研究の背景と本研究の目的 .......................................... 1 1.2 関連する既往の研究の整理と本研究の位置づけ ........................ 4 1.2.1 劣化メカニズム ............................................ 4 1.2.2 凍結融解試験方法とその結果利用に当たっての課題 ............ 13 1.3 本論文の構成 ..................................................... 16 【参考文献】 .................................................... 17 2.. 最低温度が凍結融解抵抗性に及ぼす影響_________________________________ 19 2.1 はじめに ......................................................... 19 2.2 コンクリートの細孔構造 ........................................... 20 2.3 細孔量と凍結融解抵抗性 ........................................... 24 2.3.1 実験概要 .................................................. 24 2.3.2 凍結融解試験結果 .......................................... 28 2.3.3 細孔量測定結果 ............................................ 36 2.3.4 凍結細孔量と凍結融解抵抗性 ................................ 39 2.4 最低温度と凍結細孔量 ............................................. 47 2.4.1 実験概要 .................................................. 47 2.4.2 最低温度の影響 ............................................ 52 2.4.3 水セメント比に対する依存性 ................................ 61 2.5 まとめ ........................................................... 66 【参考文献】 .................................................... 67. 3.. 基準化凍結融解サイクル法 ____________________________________________ 69 3.1 はじめに ......................................................... 69 3.2 最低温度と破壊サイクル数 ......................................... 70 3.3 重み係数と基準化凍結融解サイクル数 ............................... 72. i.
(6) 3.3.1 水セメント比が一定の場合 .................................. 72 3.3.2 水セメント比が相違した場合 ................................ 76 3.4 自然環境下への適用検証と劣化曲線の同定 ........................... 83 3.4.1 概要 ...................................................... 83 3.4.2 暴露試験結果 .............................................. 84 3.4.3 暴露中の強度補正 .......................................... 89 3.4.4 凍結融解回数の算出 ........................................ 99 3.4.5 適用結果と劣化曲線の同定 ................................. 102 3.5 促進試験結果からの劣化予測方法 .................................. 108 3.5.1 促進試験の問題点 ......................................... 108 3.5.2 室内促進試験結果 ......................................... 109 3.5.3 最低温度の相違の補正 ..................................... 111 3.5.4 凍結速度の相違の補正 ..................................... 114 3.5.5 促進試験結果からの推定結果 ............................... 123 3.6 まとめ .......................................................... 130 【参考文献】 ................................................... 131 4.. 凍結融解作用が力学性能に及ぼす影響__________________________________ 133 4.1 はじめに ........................................................ 133 4.2 試験概要 ........................................................ 134 4.2.1 試験ケース，使用材料および配合 ........................... 134 4.2.2 供試体および試験方法 ..................................... 135 4.3 非劣化状態の力学性能 ............................................ 136 4.4 凍結融解作用に伴う相対動弾性の変化 .............................. 139 4.4.1 共鳴振動法による相対動弾性係数 ........................... 139 4.4.2 超音波法による相対動弾性係数 ............................. 142 4.4.3 測定方法の相違の影響と耐久性指数 ......................... 145 4.5 凍結融解作用に伴う力学性能の変化 ................................ 148 4.6 まとめ .......................................................... 157 【参考文献】 ................................................... 158. 5.. 劣化深度評価に関する検討 ___________________________________________ 159. ii.
(7) 5.1 はじめに ........................................................ 159 5.2 検討内容 ....................................................... 161 5.3 試験方法 ....................................................... 163 5.3.1 コンクリートの材料と配合 ................................ 163 5.3.2 供試体および実験方法 ..................................... 163 5.4 一面凍結融解作用による劣化...................................... 166 5.4.1 スラブ内の最低温度 ...................................... 166 5.4.2 スラブ内の相対動弾性係数 ................................ 167 5.4.3 スラブ内の長さ変化 ...................................... 168 5.5 一面から凍結融解作用を受けるコンクリートの劣化評価 .............. 169 5.5.1 スラブ内の最低温度に応じた劣化の推定..................... 169 5.5.2 一面凍結融解作用を受けるコンクリートの劣化 ............... 173 5.6. まとめ ........................................................ 182 【参考文献】 ................................................... 183. 6.. 結. 論 _____________________________________________________________ 185. 謝. 辞 ............................................................. 189. iii.
(8) 表目次 表－ 2.1 セメントの物理的性質及び化学成分........................................................... 24 表－ 2.2 骨材の試験結果 ........................................................................................... 24 表－ 2.3 試験区分...................................................................................................... 25 表－ 2.4 コンクリートの配合.................................................................................... 25 表－ 2.5 水セメント比を相違させたプレーンコンクリートの凍結融解試験結果..... 29 表－ 2.6 試験開始材齢を相違させたプレーンコンクリートの凍結融解試験結果..... 30 表－ 2.7 水セメント比を相違させた AE コンクリートの凍結融解試験結果 ............ 31 表－ 2.8 プレーンコンクリートの回帰係数と相関係数 ............................................ 32 表－ 2.9 AE コンクリートの回帰係数と相関係数..................................................... 32 表－ 2.10 回帰係数と相関係数.................................................................................. 34 表－ 2.11 水セメント比，材齢を相違させたコンクリートの細孔径分布 ................. 37 表－ 2.12 試験区分.................................................................................................... 47 表－ 2.13 セメントの物理的性質 .............................................................................. 48 表－ 2.14 骨材の試験結果 ......................................................................................... 48 表－ 2.15 コンクリートの配合.................................................................................. 48 表－ 2.16 試験区分と用いた劣化指標 ....................................................................... 51 表－ 2.17 最低温度を相違させたプレーンコンクリートの凍結融解試験結果.......... 53 表－ 2.18 回帰係数.................................................................................................... 55 表－ 2.19 最低温度と水セメント比を相違させた凍結融解試験結果 ........................ 62 表－ 2.20 凍結細孔量比............................................................................................. 64 表－ 3.1 水殿ダムサイト暴露供試体のコンクリートの配合 ..................................... 84 表－ 3.2 水殿ダムサイトにおける小型供試体の暴露試験結果 ................................. 88 表－ 3.3 圧縮強度試験結果 ....................................................................................... 89 表－ 3.4 水殿ダムサイトにおける小型供試体の修正相対動弾性係数....................... 98 表－ 3.5 促進凍結融解試験結果 .............................................................................. 109 表－ 3.6 凍結速度が凍結融解抵抗性に及ぼす影響 ................................................. 114 表－ 3.7 促進試験劣化曲線の回帰係数 ................................................................... 124 表－ 4.1 試験ケース ................................................................................................ 134 表－ 4.2 骨材の試験結果 ......................................................................................... 134 表－ 4.3 コンクリートの配合.................................................................................. 134 表－ 4.4 圧縮強度試験結果（材齢 28 日）.............................................................. 136. iv.
(9) 表－ 4.5 圧縮強度用供試体の相対動弾性係数の変化.............................................. 139 表－ 4.6 引張強度用供試体の相対動弾性係数の変化.............................................. 139 表－ 4.7 圧縮強度用供試体の回帰係数 ................................................................... 141 表－ 4.8 引張強度用供試体の回帰係数 ................................................................... 141 表－ 4.9 圧縮強度用供試体の相対動弾性係数の変化.............................................. 142 表－ 4.10 引張強度用供試体の相対動弾性係数の変化............................................ 142 表－ 4.11 圧縮強度用供試体の回帰係数.................................................................. 144 表－ 4.12 引張強度用供試体の回帰係数 ................................................................. 144 表－ 4.13 破壊サイクル数 ....................................................................................... 146 表－ 4.14 相対動弾性係数の低下に伴う力学性能の変化 ........................................ 149 表－ 5.1 コンクリートの配合.................................................................................. 163. 図目次 図－ 1.1. Powers の水圧説を説明するモデル .............................................................. 5. 図－ 1.2 凍結温度一定下におけるセメントペーストの長さ変化 [1.7]....................... 6 図－ 1.3 セメントペーストの構造 [1.7] ..................................................................... 7 図－ 1.4 浸透圧による水分移動（STEP1:場の温度が－5℃の場合） .......................... 9 図－ 1.5 浸透圧による水分移動（STEP2:場の温度が－10℃に低下した場合） ........ 10 図－ 1.6 浸透圧における気泡の役割 ......................................................................... 11 図－ 1.7 気泡内に形成された氷の観察例 [1.9]......................................................... 11 図－ 1.8 凍結融解試験に供されたコンクリートの中心部の温度履歴例 ................... 13 図－ 2.1 コンクリートの構造[2.6] ............................................................................ 20 図－ 2.2 セメントペーストの空隙[2.7] ..................................................................... 21 図－ 2.3 間隙の名称[2.9]........................................................................................... 21 図－ 2.4 セメントペーストの細孔構造のモデル ....................................................... 22 図－ 2.5 細孔径分布の測定例[2.12] .......................................................................... 23 図－ 2.6 凍結融解試験の１サイクル当たりの温度履歴 ............................................ 26 図－ 2.7 プレーンコンクリートの凍結融解試験結果................................................ 33 図－ 2.8 AE コンクリートの凍結融解試験結果 ........................................................ 33 図－ 2.9 試験開始材齢を相違させた場合の凍結融解試験結果 ................................. 34. v.
(10) 図－ 2.10 相対動弾性係数と長さ変化の関係 ............................................................ 35 図－ 2.11 セメント水比と総細孔量の関係 ................................................................ 38 図－ 2.12 材齢と総細孔量の関係 .............................................................................. 38 図－ 2.13 細孔径と凝固点降下.................................................................................. 39 図－ 2.14 樋口の式を用いた空隙内の氷点................................................................ 40 図－ 2.15 プレーンコンクリートの細孔分布 ............................................................ 41 図－ 2.16 AE コンクリートの細孔分布 .................................................................... 42 図－ 2.17 材齢が相違した場合の細孔分布................................................................ 42 図－ 2.18 水セメント比の相違による影響（プレーンコンクリート）..................... 43 図－ 2.19 開始材齢の相違による影響（プレーンコンクリート）............................ 44 図－ 2.20 水セメント比と材齢の影響 ....................................................................... 44 図－ 2.21 水セメント比の相違による影響（AE コンクリート） ............................. 45 図－ 2.22 対象とする細孔径のサイズの影響（AE コンクリート） ......................... 46 図－ 2.23 対象とする細孔径のサイズの影響（プレーンコンクリート） ................. 46 図－ 2.24 凍結融解試験の１サイクル当たりの温度履歴（シリ－ズ II-3）............. 49 図－ 2.25 凍結融解試験の１サイクル当たりの温度履歴（シリ－ズ II-4）............. 50 図－ 2.26 凍結融解試験結果（共鳴振動法） ............................................................ 54 図－ 2.27 凍結融解試験結果（超音波法）................................................................ 54 図－ 2.28 凍結融解試験結果（長さ変化）................................................................ 55 図－ 2.29 共鳴振動法の回帰係数 .............................................................................. 56 図－ 2.30 超音波法の回帰係数.................................................................................. 56 図－ 2.31 長さ変化の回帰係数.................................................................................. 56 図－ 2.32 任意の最低温度下における相対動弾性係数（共鳴振動法）..................... 57 図－ 2.33 任意の最低温度下における相対動弾性係数（超音波法） ........................ 57 図－ 2.34 任意の最低温度下における長さ変化......................................................... 58 図－ 2.35 凍結可能な細孔量比.................................................................................. 59 図－ 2.36 共鳴振動法による破壊サイクル数 ............................................................ 60 図－ 2.37 超音波法による破壊サイクル数................................................................ 60 図－ 2.38 水セメント比を相違させた場合の最低温度の影響 ................................... 63 図－ 2.39 破壊サイクル数と凍結細孔量比................................................................ 65 図－ 3.1 最低温度と破壊サイクル数の関係 .............................................................. 70 図－ 3.2 最低温度と破壊サイクル数の関係(水セメント比別)................................... 71 図－ 3.3 基準化凍結融解サイクル数による表示（共鳴振動法）.............................. 74. vi.
(11) 図－ 3.4 基準化凍結融解サイクル数による表示（超音波法） ................................. 75 図－ 3.5 最低温度と破壊サイクル数の関係（図－ 3.2 再掲） ................................. 77 図－ 3.6 回帰係数Ａ，Ｂの回帰 ................................................................................ 77 図－ 3.7 水セメント比，最低温度が相違した場合の破壊サイクル数....................... 78 図－ 3.8 基準化凍結融解サイクル数による表示 ....................................................... 79 図－ 3.9 試験開始材齢および水セメント比が相違した場合の基準化例 ................... 81 図－ 3.10 AE コンクリートで水セメント比が相違した場合の基準化例 .................. 82 図－ 3.11 水殿ダムサイトにおける小型供試体の暴露試験結果................................ 85 図－ 3.12 圧縮強度と動弾性係数の関係 [3.8] .......................................................... 87 図－ 3.13 暴露供試体の相対動弾性係数の変化（模式図）....................................... 87 図－ 3.14 測定開始時に対する材齢 18 年の圧縮強度比............................................ 90 図－ 3.15 修正相対動弾性係数の算出概念................................................................ 90 図－ 3.16 修正相対動弾性係数の算出手順................................................................ 91 図－ 3.17 積算温度と圧縮強度の関係 ....................................................................... 93 図－ 3.18 圧縮強度と動弾性係数の関係 ................................................................... 94 図－ 3.19 積算温度と動弾性係数の関係 ................................................................... 95 図－ 3.20 水殿ダムサイトにおける小型供試体の修正相対動弾性係数..................... 97 図－ 3.21 凍結温度を 0℃とした場合の凍結融解回数............................................. 100 図－ 3.22 凍結温度を－4℃とした場合の凍結融解回数.......................................... 100 図－ 3.23 最低温度別に観た凍結融解回数頻度....................................................... 101 図－ 3.24 基準化凍結融解サイクル法による劣化曲線の同定（共鳴振動法）........ 104 図－ 3.25 基準化凍結融解サイクル法による劣化曲線の同定（超音波法） ........... 105 図－ 3.26 基準化凍結融解サイクル法による劣化曲線の同定（質. 量） ............... 107. 図－ 3.27 促進凍結融解試験結果 ............................................................................ 110 図－ 3.28 基準化凍結融解サイクル法による促進結果の表示 ................................. 110 図－ 3.29 基準化凍結融解サイクル法による最低温度の補正 ................................. 113 図－ 3.30 凍結速度が凍結融解抵抗性に及ぼす影響 ............................................... 115 図－ 3.31 凍結速度が劣化に及ぼす影響 ................................................................. 115 図－ 3.32 凍結速度と破壊サイクル数の関係 .......................................................... 117 図－ 3.33 細孔径と累積細孔量比の関係 ................................................................. 119 図－ 3.34 回帰係数α，βの関係 ............................................................................ 120 図－ 3.35 他の試験シリーズにおける回帰係数α，βの関係 ................................. 120 図－ 3.36 同一材料の場合のα，βの関係(試験区分 II-1, II-3) ................................ 121. vii.
(12) 図－ 3.37 同一材料の場合のα，βの関係(試験区分：II-4) .................................... 122 図－ 3.38 促進試験の回帰結果................................................................................ 123 図－ 3.39 回帰係数α，βの関係 ............................................................................ 124 図－ 3.40 促進凍結融解試験結果から暴露環境下への推定結果 ............................. 126 図－ 3.41 実測と推定値の差 ................................................................................... 127 図－ 3.42 プレーンコンクリートとＡＥコンクリートの α と β の関係 .................. 129 図－ 4.1 共鳴振動数および超音波伝播速度測定方法.............................................. 135 図－ 4.2 セメント水比と圧縮強度の関係................................................................ 136 図－ 4.3 セメント水比と引張強度の関係................................................................ 137 図－ 4.4 圧縮強度と引張強度の関係 ....................................................................... 137 図－ 4.5 圧縮強度とヤング係数の関係 ................................................................... 138 図－ 4.6 圧縮強度用供試体の相対動弾性係数の変化（共鳴振動法）..................... 140 図－ 4.7 引張強度用供試体の相対動弾性係数の変化（共鳴振動法）..................... 140 図－ 4.8 圧縮強度用供試体の相対動弾性係数の変化（超音波法） ........................ 143 図－ 4.9 引張強度用供試体の相対動弾性係数の変化（超音波法） ........................ 143 図－ 4.10 測定方法の相違が相対動弾性係数に及ぼす影響..................................... 145 図－ 4.11 圧縮強度用供試体の破壊サイクル数....................................................... 147 図－ 4.12 引張強度用供試体の破壊サイクル数....................................................... 147 図－ 4.13 圧縮強度比の変化（共鳴振動法） .......................................................... 150 図－ 4.14 ヤング係数比の変化（共鳴振動法）....................................................... 150 図－ 4.15 引張強度比の変化（共鳴振動法） .......................................................... 151 図－ 4.16 圧縮強度比の変化（超音波法）.............................................................. 151 図－ 4.17 ヤング係数比の変化（超音波法） .......................................................... 152 図－ 4.18 引張強度比の変化（超音波法）.............................................................. 152 図－ 4.19 相対動弾性係数と力学性能比（共鳴振動法） ........................................ 153 図－ 4.20 相対動弾性係数と力学性能比（超音波法）............................................ 153 図－ 4.21 既往の研究結果との比較（圧縮強度比） ............................................... 155 図－ 4.22 既往の研究結果との比較（ヤング係数比）............................................ 155 図－ 4.23 圧縮強度とヤング係数の関係 ................................................................. 156 図－ 5.1 検討の流れ ................................................................................................ 162 図－ 5.2 一面凍結融解試験 ..................................................................................... 165 図－ 5.3 温度管理用供試体の温度履歴 ................................................................... 165 図－ 5.4 スラブ供試体内の最低温度の分布 ............................................................ 166. viii.
(13) 図－ 5.5 スラブ供試体内の相対動弾性係数 ............................................................ 167 図－ 5.6 スラブ供試体内の長さ変化 ....................................................................... 168 図－ 5.7 相対動弾性係数の実測値と推定値の比較 ................................................. 170 図－ 5.8 長さ変化の実測値と推定値の比較 ............................................................ 172 図－ 5.9 内部拘束力の推定 ..................................................................................... 173 図－ 5.10 凍結時と融解時の組織のモデル化 .......................................................... 174 図－ 5.11 凍結時のヤング係数の算出手順 .............................................................. 177 図－ 5.12 スラブ供試体内の凍結時における ヤング係数の算出方法(300 サイクル時) ...... 178 図－ 5.13 内部拘束力による残留ひずみを考慮した長さ変化 ................................. 181. ix.
(14)
(15) 1. 序 論. 1.1 研究の背景と本研究の目的 コンクリートは，近代の代表的な建設材料のひとつである．その特徴のひとつとして， 任意の形状が建設地点において造ることができることを挙げることができる．すなわち， コンクリートと両翼を担う建設材料として鋼材を挙げることができるが，その多くは工場 にて予め加工されたものを建設地点まで運搬する必要があり，その組み立てには熟練した 技術者を要する．もっともコンクリートの場合においても，その製造，打設にあたって， 知識・経験が豊富な技術者を必要とするほか，機能が発揮されるまでに養生期間を要する など，この材料独自の配慮が必要とされる． コンクリートは，材料分類上，さまざまな捉え方が可能であるが，複合材料としての一 面をもつ．すなわち，構成する材料は，水硬性セメント，水，堅硬な骨材および空気など の複数の材料から構成される．その構成される材料の量的な決定に際しては，少なくとも 堅硬な骨材周辺を水硬性セメント，水および空気から構成されるセメントペーストで覆い 包み，また，打設の容易性を勘案してある程度の流動性が求められる．流動性を付与する ためには，水の量を増せば可能となるが，単純に水だけを増せば結合材としての強度が低 下するほか，材料が分離し，材料としての均一性を損なうこととなる．そこで，施工性も 確保した上で所要の強度を発揮できるように，各材料の混合割合を設計することとなる． ここで，問題となるのが，コンクリートの骨格を成す骨材の性状である．すなわち，使用 する骨材は，現在までは河川から採取されるもの，あるいは砕石場から採取されるものが 圧倒的に多く，その形状は雑多であり，また，その堅硬さの程度も相当異なることから， これに合わせて母材であるセメントペーストを構成する水硬性セメント，水および空気の 量を，その都度骨材の性状に合わせて設計すること，すなわち，配合設計が必要となる． また，この材料で特徴的な点として， “水”の存在を挙げることが出来る．構成材料として 水を用いているのは，当然のことながら水硬性セメントと反応し，結合力に富むセメント 硬化体を造るためであるが，コンクリートに使用された水がすべてセメントと結合するこ とはない．未水和状態のセメントが常に水と接している状態を想定した場合，完全にセメ ントが水和するために必要な水の量は重量比で 40%程度とする考えがある[1.1]．しかし， コンクリートの内部では未水和のセメントが注水直後と同等程度の状態で水と接している ことはない．セメントと水の反応は，注水直後から進行し，セメント粒子の周りには外部 生成物を析出し，また内部にも生成物を造り，セメント粒子を中心に緻密な固相を形成し ていく．このとき重要な点は，水と接触して水和が起きている部分は，外部に生成された 水和物の先端ではなく，あくまでもそのセメント粒子がもと位置したその箇所の未水和部 分で起きていることである．すなわち，未水和部分のセメントが水和するためには，水は セメント周辺に形成された緻密な相の障壁を越えて内部まで浸透していく必要がある．こ のために，セメントの水和の進行は，等速度的なものとはならず，次第に速度を落として いくこととなる．この証として，数十年の長期に亘って未だコンクリートの強度が伸び続 けている例を挙げることができる．したがって，材料がもつ潜在性を十分に発揮させるた め；水とセメントを十分に反応させて未水和セメントを無くして材料の持つ能力を発揮さ せるためには，相当の時間が必要となる．ただし，これでは建設材料として用いることが. 1.
(16) できないため，我々は予め固相の核となるセメントの量を相対的に増加させ所定の期間内 に所要の強度が得られるようにセメントと水の量を選定している． コンクリートの強度は， 水とセメントの比率，厳密には空気も含めた比率に支配されるが，これらの合計量が少な くとも骨材表面を覆い包むことが必要であり，また打設に必要な流動性を考慮して，コン クリート中の水の絶対量が決められ，上述の水とセメントの比率からセメントの絶対量が 決められていくこととなる．この場合，用いる骨材の形状および粒度が適当なものでなけ れば，また流動性を必要以上に高めた場合には水の量は増すこととなり，その水全てがセ メントと結合することができないことから，コンクリート構造物が供用される長期間に亘 って，その材料の中に水が存在し続けることとなる． コンクリートは，耐久的な材料の一つとして位置づけられている．何をもって耐久的で あるかとういことについては種々の議論があろうが，少なくともこれを用いた構造物が 100 年程度経っても未だ現存している事例があることが，一つの証になると思われる．し かし，これ以前に所要の機能を果たせなかったコンクリート構造物があることも事実であ る．その最大の原因は，耐久的と考えられているコンクリートであっても材質劣化を起こ していくことが挙げられる．その最大の原因としては，上述のとおり，構成材料としての 水の存在を挙げることができる．コンクリートの劣化形態には，中性化（炭酸化） ，凍害， 塩害あるいはアルカリ骨材反応等他が挙げられるが，これらは全て構成材料としての水の 存在の影響が挙げられる．すなわち，コンクリート中に存在する水は，大別してセメント 硬化体の主体をなす C-S-H として化学的に結合しているもの，これらと物理的な力によっ て結びついているゲル水，ならびにセメント硬化体間の間隙に存在する毛細間隙水に大別 される．このうち，毛細間隙水は物理的な条件，すなわち，それが存在する空間サイズに 起因する力によってその場に留まっており，サイズが大きい間隙に存在するものは，自然 気象下のもとでは比較的簡単にコンクリート外部に排出される．したがって，コンクリー トは多孔質材料としての一面を持っており，中性化，塩害などの原因となる物質の侵入を 容易にし，内部に水分を保持することから物質移動を助けるほか，外部から水の供給があ れば，その侵入を許容し，アルカリ骨材反応の進行条件を満足させるほか，凍結融解によ る劣化も助長することとなる．このように，コンクリートの劣化は，構成する材料の水の 影響を大きく受けているものと考えられる． 本論文では，これらコンクリートの劣化のうち，凍結融解作用を受けた際のコンクリー トの劣化とその予測方法に焦点を当てている．凍結融解作用に対し，コンクリートが脆弱 であることは古くから認識されていたが，AE 剤の発見・開発によりその耐久性は飛躍的 に向上した．現在の建設材料としての地位を確かなものにしたのは，この AE 剤の発見・ 開発によるところが極めて大きい．我が国にその技術が伝えられたのは戦後直ぐのことで あるとされ，その効果を確かめるために促進凍結融解試験が実施されるとともに，コンク リートに耐凍害性が付与できる混和剤の開発にその試験が使われてきた．また，その後， 堅硬な骨材の枯渇に合わせて使用骨材の適否あるいは新たなる配合，混和材の使用の適否 について，それらコンクリートを対象としてこの試験が適用され，そのコンクリートの耐 候性が議論されてきた．しかし，その試験の生い立ちが，あくまでも AE 剤の開発あるい は使用骨材の適否など， ある基準とするコンクリートの耐久性に対しての相対比較であり， その試験をもって，直接的にコンクリートの耐久性を評価する試験では無いことに注意を 要する．このことは，例えば最近 JIS 化されたコンクリートの凍結融解試験方法において も， この試験が直接的にコンクリートの耐久性を評価する試験ではないことを謳っている． では，なぜ，この試験が直接的にコンクリートの耐久性を評価することができないかとい う点について，つぎのように考えられる．すなわち，凍結融解作用によるコンクリートの 劣化を評価する方法としては，他の劣化問題の評価がそうであるように，室内促進試験を. 2.
(17) 用いるのが一般的である．ただし，その試験条件は，一般的に当該コンクリートが供用さ れる自然環境と比較して過酷であり，その促進性があまりにも構造物が供用される実環境 下と相違するために，促進試験結果から直接的に供用環境下におけるコンクリートの劣化 を予測することは不可能とする考え方が一般的であるためと思われる． 近年， AE 剤を用いたコンクリートであっても，想像以上に劣化が早期化している場合 があること，反面 AE 剤を用いていないコンクリートであっても未だ十分に構造体として 供用できていることなど，コンクリートの劣化が問題視され，とりわけ，少子高齢化を迎 えた我が国においては，既存社会ストック財の適正管理の必要性が叫ばれており，凍害だ けに係わらず，その劣化予測の技術の確立が重要視されている．例えば，欧州では，従前 の促進凍結融解試験の試験方法そのものを見直そうとする動きさえ始まっている[1.2]. 本論文では特に，従来の促進凍結融解試験が数多く行われてきて，その結果の蓄積が多 い点を考慮し，この試験方法を通じて得られた結果から，自然環境下に置かれるコンクリ ートの劣化予測手法を考案しようとするものである．その場合，その劣化のメカニズムか ら数理的にアプローチする方法も考えられるが，次節で述べるとおり，現状ではそのメカ ニズムを明快に説明する段階に至っていないことを考え，室内試験結果と暴露環境下の試 験結果を比較し，コンクリートの材料特質を考慮したうえで，その関係を定量的に結びつ ける方法を提案するものである．具体的には，促進試験において，最低温度が比較的低い 温度で一定に保たれていることの影響，凍結融解速度が自然環境下と比較して速いことの 影響，凍結融解作用が力学性能に及ぼす影響および試験体全面が水で囲まれた状態で凍結 融解が繰り返され自然環境下と比較して露出条件が相違することの影響の４点に着目し， これらの影響を定量的に評価し，自然環境下におけるコンクリートの劣化予測を可能にす ることを目的とする．. 3.
(18) 1.2 関連する既往の研究の整理と本研究の位置づけ 1.2.1 劣化メカニズム (1)古典的理論 凍結が起きた際の最も古典的な説明は，バルク水が氷に変化した際の体積膨張 9%に相 当する力がコンクリート内に存在する水分でも同様に発生するであろうとする考え方であ る．古典的な理論のうち，よく知られているものに 1944 年に Collins が提唱した「アイス レンズ形成理論」[1.3]がある．この理論は，熱の流れの方向に直角のレンズ状の氷が形成 されると考えるものである．この理論は，結合力の乏しい多孔性の材料において適用され るものであり，土質材の凍害理論および若材齢のコンクリートに適用されるが，硬化した コンクリートの凍害劣化現象を十分には説明できない．. (2)Powers の水圧作業仮説 1945 年 に "A Working Hypothesis for Further Studies of Frost Resisitance of Concrete"が，1949 年には"The Air Requirement of Frost-Resistant Concrete"が T. C. Powers によって発表された[1.4],[1.5]．これらの論文の中で Powers は，セメントペース トの多孔質特性，気泡間隔と凍結速度下の関係を定量的に表す「水圧説」を示した．この 理論は，コンクリートの凍害損傷を説明した最初の微視的モデルに基づく説として著名な ものである．この説の基本を成す仮説は，凍害損傷が結氷箇所からの水の流れによって引 き起こされると考えている． 飽水状態にある供試体において，温度が 0℃以下に低下した時，毛細管中の水が凍結し 始める．この時，氷の形成によって毛細管中では体積増加が起きる．毛細管中は水で満た されているために，毛細管は自由に膨張することができないので，ある量の水が毛細管か ら外部へ追い出されることとなる．この水の移動する方向は，系の中では損傷を起こさな いで凍結できる唯一の可能な場所，すなわち気泡へ移動しなくてはならないはずである． 従ってその水は多孔質体，ある透水性を持ったセメントペーストを通して移動しなくて はならない．この多孔質体を通しての水の流れに伴って発生する力を求めるに当たって， Powers は Darcy の法則を適用した．その際に，もしその力がペーストの引張強度を超え るなら，例えば水が移動しなくてはならない距離があまりにも長い場合，あるいは凍結速 度が速い場合には，その浸透圧は高まり，これによってセメントペーストは引張力で破壊 されると考えた． Powers は，図－ 1.1に示すような，単一の空隙が硬化セメントペーストのシェルで囲 まれたモデルを考え，これに Darcy の法則を適用し，その浸透力を算出する式－ 1.1を示 した．. Pmax =. η⎛. 1 ⎞ UC φ ( L) ⎜1.09 − ⎟ s⎠ K 3⎝. 式－ 1.1. ここで， Pmax:空隙へ向かう水の流れ（浸透流）によって引き起こされる力の最大値 η ：水の粘性 s ：硬化セメントペーストの飽水度 U ：結氷速度 C ：冷却速度 K ：硬化セメントペーストの透水係数. 4.
(19) φ ( L ) ：空隙に向かって流れる水の最大移動距離 である． Powers は，この浸透流によって引き起こされる力（Pmax ）がセメントペーストの引張強 度を越えるまでに高まったときに，ひびわれが発生すると考えた．Powers によれば φ ( L ) は，次のように計算できるとしている．. φ ( L) = ここで，. L3 3 2 + L rb 2. 式－ 1.2. rb：空気泡の半径 L ：空気泡を囲むセメントペーストシェルの厚さ である． 空隙へ向かう水の流れ（浸透流） 硬化セメントペースト. L 空. 隙. rb r ⊿r. 図－ 1.1 Powers の水圧説を説明するモデル. 水圧説は，連行空気泡の有益性を最初に説明した理論であったという点において非常に 有意義なものであった．しかし，この説の紹介以降多くの研究がなされたが，この説によ ってすべての現象を説明することはできなかった．水圧説は，今では説得性が乏しいもの となっている．すなわち，多くの実験が，水は氷ができている毛細管細孔に向かって動く 傾向があり，Powers が考えたように氷ができている毛細管細孔から水が排出されること はない傾向を示したためである． Powers は，Helmuth と共同して，凍結の最中に氷が形成されている毛細管細孔へ水が 移動する傾向があり，そしてこの移動がペーストを収縮させるという重要な事実を発見し たのは，1953 年のことであった[1.6]． 図－ 1.2[1.7]は，凍結中のセメントペーストの長さ変化を測定した実験結果である．こ の実験の特徴的な点は，凍結中に一旦温度降下を中止させ，ある一定温度を保持した点に ある．温度一定下におけるセメントペーストの長さ変化は，AE 剤を用いて空気泡を連行 させた場合においては収縮し，AE 剤を用いない場合においては膨張を示した．凍結温度 を一定に保持したことは，先の式－ 1.1において冷却速度Ｃを 0℃／hr にしたことに相当 し， Pmax （空隙へ向かう水の流れ（浸透流）によって引き起こされる力の最大値）は発生 しないこととなり，セメントペーストは膨張も収縮も生じないはずである．. 5.
(20) 図－ 1.2 凍結温度一定下におけるセメントペーストの長さ変化 [1.7] Powers と Helmuth は，収縮・膨張の原因がゲル水の凍結細孔への移動にあると考えた． その考え方は次のとおりである．もし飽和したセメントペーストの温度がわずかに 0℃以 上にあるなら，毛細管細孔での水はゲル間隙での水と熱力学的に平衡であると考えられる ことができる．いま，このペーストの温度が 0℃以下に減少したら，所定の温度において 氷の自由エネルギーが液体水のそれより低いから，この平衡は壊されることとなる．その ために，ゲル間隙での液体水は，氷ができ始めた毛細管細孔に向かってそれを強制的に移 動させるポテンシャルエネルギーを獲得する． この水が凍結している毛細管細孔に届く時， その水は凍結し，そして氷結晶は大きさを増す．この氷結晶の成長は氷結晶と細孔固体壁 の間の凍結していない水のフィルムに圧力を発生させる．その圧力が，系が平衡を再確立 する時間の間にあまりにも大きくなるなら， 細孔が十分に膨張することができないために， 永久の損傷が起こる． このゲル間隙からの水の離脱運動は浸透力としてペーストに作用し， AE 剤を用いた場合では収縮を引き起こし，AE 剤を用いないものでは膨張を起こすと考え た．これが「修正水圧説」と呼ばれているものである．. (3)浸透圧説 修正水圧説では，ゲル間隙から凍結部分への水分移動を考えるに当たって，セメントペ ーストの細孔内での水が，純粋な水ではなく，細孔水中に塩類（主に Na２O と K２O ） を含んでいることを考慮していなかった．そこで，熱力学の知識に基づいて，この凍結作. 6.
(21) 用の理論を再度修正することとなる．これが，Powers によって 1975 年に発表された「浸 透圧説」[1.8]である． セメントペーストは図－ 1.3[1.7]のように表され，気泡，毛細管細孔（以下，単に細孔） およびゲル間隙から成る．もし，飽和したセメントペーストで 0℃以下に温度が低下して も，水は次に示す二つの理由によってすぐには凍結しない．その理由の一つ目は結氷する 温度を低下させる溶解化学物質，塩類の存在であり，二つ目は小さい間隙ほど表面張力が 大きくなり凝固点が降下するためである．. 図－ 1.3 セメントペーストの構造 [1.7]. 以下，図－ 1.4および図－ 1.5に示す模式図に従って浸透圧説を解説する． 【STEP1 例えば場の温度が－5℃の場合】 1-1： 大きな細孔中で氷ができ始める．(－5℃に応じた細孔径で凍結が起きる．) 1-2： 氷の形成によって，氷の中には化学物質が入り込めないので細孔内で化学物質の濃 縮が起きる．濃縮は，系の温度に応じた溶融温度の濃度に達するまで進む． 1-3： 濃度濃縮が起きた細孔と周辺の細孔の間に濃度勾配が生じるために，浸透圧が発生 し，これが駆動力となって，水分の移動が生じる． 1-4： 濃度濃縮が起きた細孔に周辺の細孔からの水が到達したことによって，溶液濃度が 一旦減少する．これによって再度氷が成長し易い状況が生まる．細孔内が飽和して いれば，氷の体積膨張によって細孔内に圧力を発生させることとなり，また水分移 動の際に,周辺の水分が移動した細孔にも圧力を発生させることとなる．. 7.
(22) 1-5： 大きな細孔では，平衡濃度に達するまで再び氷が成長し，氷の成長による内部圧力 が増すとともに，溶液の濃度濃縮が起き，濃度勾配が生じ，再度周辺の細孔から水 分が移動してくる． 以降，STEP1-4 と STEP1-5 が繰り返され，一定温度下であっても，長さの変化が生じ ることとなる． 【STEP 2，例えば場の温度が－10℃に低下した場合】 2-1： ２番目に大きなサイズをもつ細孔（－10℃での凍結サイズに応じた細孔）で氷が でき始める． 2-2： １番大きなサイズの溶液濃縮のために生じる水分移動とともに，２番目に大きなサ イズをもつ細孔での濃度濃縮のための水分移動が起きる． 以降，STEP１と同様なメカニズムで損傷が進む．. ただし，温度が下がるにつれて総ての間隙内の水が凍るわけではない．すなわち，ゲル 水は－78℃までは凍らない[1.7]ので，一般の気象環境下ではコンクリート内には必ず水分 が存在することになり，これが貯水池の役割を果たすため，持続的に損傷が続くこととな る．. 8.
(23) STEP 1-1： 大きな細孔中の溶液から氷ができ始め る．（－5℃に応じた細孔径で凍結が起き る． ） 氷晶 毛細管間隙. 毛細管間隙内の濃縮. STEP 1-2： 氷の形成によって体積膨張による圧力が 発生するとともに，氷の中には化学物質が 入り込めないので細孔内で化学物質の濃 縮が起きる． 濃縮は，系の温度に応じた溶融温度の 濃度に達するまで進む．. 氷晶成長に伴う 圧力発生. STEP 1-3： 濃度濃縮が起きた細孔と周辺の細孔の 間に濃度勾配が生じるために，浸透圧が発 生し，これが駆動力となって，水分の移動 が生じる． 水分移動. STEP 1-4： 濃度濃縮が起きた細孔に周辺の細孔から の水が到達したことによって，溶液濃度が 一旦減少する．これによって再度氷が成長 し易い状況が生まれる．氷形成による体積 膨張によって細孔内に圧力を発生させる ことなり，また水分移動の際にも周辺の水 分が移動した細孔にも圧力を発生させる こととなる．. 水分侵入によ る濃度減少. STEP 1-5： 大きな細孔では，平衡濃度に達するまで再 び氷が成長し，氷の成長による内部圧力が 増すとともに，溶液の濃度濃縮が起き，濃 度勾配が生じ，再度周辺の細孔から水分が 移動し易い状態が形成される．. 氷晶成長と圧 力の発生. 以降，STEP 1-4～STEP 1-5 が繰り返され，一定温度下であっても，長さ変化が生 じることとなる．. 図－ 1.4 浸透圧による水分移動（STEP1:場の温度が－5℃の場合）. 9.
(24) 2 番目に大 きい細孔. STEP 2-1： ２番目に大きなサイズをもつ細孔（－10℃ での凍結サイズに応じた細孔）で氷ができ 始める．. STEP 2-2： １番大きなサイズの溶液濃縮のために生じ る水分移動とともに，２番目に大きなサイ ズをもつ細孔での濃度濃縮のための水分移 動が起きる．以降，STEP１と同様なメカニ ズムで損傷が進む．. 図－ 1.5 浸透圧による水分移動（STEP2:場の温度が－10℃に低下した場合）. また，この理論において Powers は AE 剤によって連行された気泡の役割効果を次のよ うに説明している（図－ 1.6） ． 気泡の内壁には僅かながらの水分を有しているものと考 えられる．温度が降下すると細孔内の水分と同時に気泡内においても氷が形成される．こ れによって溶液の濃縮が起きるが，未凍結の細孔からの水分移動が氷が形成されている細 孔へと向かう同時に，気泡内へも水分移動が起きる．たとえば，図－ 1.7は気泡内に形成 された氷の観察例[1.9]である．これによって，気泡が無い場合と比較して細孔内の氷の成 長が抑制されるとする考えである． この理論は，融雪剤の散布によるスケーリング劣化を よく表現できることが多くの研究者によって認められている．しかし，これを一般のコン クリートの凍害に適用するには未だ説得力に欠ける．すなわち，この理論では凍結速度の 影響が表現できていないのである． 以上のように，水圧説あるいは浸透圧でセメント硬化体の凍結膨張を説明できるとも考 えられるが，Beaudoin が報告した事例は，凍結融解作用による劣化の複雑さを示してい る．通常セメント硬化体の間隙部は水で満たされているが，水の替わりに単体では凍結時 に収縮するベンゼンを用いての凍結時の膨張・収縮挙動を観察報告している[1.10]．これ によれば，凍結時には，セメントペースト硬化体は膨張することが観察されている．すな わち，セメント硬化体の間隙部を埋める液体が，凍結時に収縮する特徴を有するベンゼン を用いてもセメントペースト硬化体が膨張することが確認され，このことからも，未だ凍 結よる多孔体の損傷メカニズムが複雑であり，劣化機構を明快に説明できる理論がないこ とを示している．. 10.
(25) 気泡 小さい細孔. 大きい細孔. 気泡内の水分. 気泡. 気泡内の水分 の濃縮. 未凍結細孔か らの水分移動. 図－ 1.6 浸透圧における気泡の役割. 図－ 1.7 気泡内に形成された氷の観察例 [1.9]. 11. 細孔内の水分 の濃縮.
(26) (4)その他過冷却水圧などの影響説 Litvan[1.11],[1.12],[1.13]は，内部圧力と膨張は，過冷却水が氷が生成できる場所に移動 する際に発生するとしている．氷の形成は自分が居るその場では起きず，自分の居る場所 よりも低エネルギー位置へ移動して氷を生成するとし，その移動により内部圧力の発生と 膨張を引き起こすとしている．すなわち，ある温度で毛細管空隙の水が氷になったとき， ゲル間隙の水はサイズが小さいために過冷却状態の液体状態のままでいる．このとき，低 エネルギー状態にある毛細間隙中の凍結水と，高エネルギー状態にあるゲル間隙中の過冷 却水との間に熱力学的な非平衡状態が生まれる．氷と過冷却水のエントロピーの違いは， 過冷却水をよりエネルギーが低い氷が生成されている場所へ移動させる駆動力を発生させ るとしている． 鎌田[1.14]は，Powers が提唱した浸透圧説において，毛細間隙への水分供給源がゲル水 であるとする考えに対しは否定的であり，拡散に寄与する水は，よりサイズが小さい毛細 間隙の過冷却水であるとしている． また，桂[1.15],[1.16]は過冷却水の凍結による変形が長さ変化の挙動と調和的であり，未 凍結水の移動圧の発生原因が，過冷却状態にあった水が凍結する際の急激な結晶成長圧に よるものであることを報告している． 以上のように，凍結融解作用による劣化のメカニズムに関して，多くの研究がなされて おり，次第に明らかになりつつある．上述の各研究に共通するのは，コンクリートが多孔 材料であり，その特徴に基づいて研究が行われていることであろう．すなわち，コンクリ ート中にある細孔はそのサイズが広範囲に亘るため， 同一温度では凍り始めることはない． ある温度で氷と水が混在するため，相変化に伴う比容積増加による未凍結水の移動，氷と 水の混在に伴う熱エネルギーの非平衡状態の回復を駆動力とする未凍結の移動などが劣化 に大きな影響を与えていると考えられ，その原因はコンクリートが多孔材料であり，その 細孔のサイズが広範囲に分布するためと考えられる． 本論文では２章において，コンクリートを多孔材料として捉え，凍結時の最低温度が凍 結融解抵抗性に及ぼす影響について，細孔構造との関係から論ずることとする．. 12.
(27) 1.2.2 凍結融解試験方法とその結果利用に当たっての課題 コンクリートの凍結融解抵抗性を評価する方法としては，ASTM C 666 “Standrd Test Method for Resistance of Concrete to Rapid Freezing and Thawing”が標準的な試験方 法とされ，我が国ではこれに準じて数多くの試験が行われてきている．もっとも我が国で は，JIS A 6204“コンクリート用化学混和剤”の附属書 2 に“コンクリートの凍結融解試 験方法”があり，また，JIS A 1148 “コンクリートの凍結融解試験方法”があるが，とも に ASTM C 666 に準じた方法である．ただし，JIS A 1148 では，凍結融解試験に供する 材齢を 28 日とした点が他の２基準と比較して特徴的である．しかし，いずれの方法もコ ンクリートの凍結融解抵抗性を直接的に評価するものでない点に留意すべきである． 以下，JIS A 1148 を例にとり，その試験方法を紹介する． 試験時の水分の供給方法によって A 法（水中凍結，水中融解） ，B 法（気中凍結，水中 融解）の２種類があが，圧倒的に A 法が用いられている． 凍結融解の１サイクルは，供試体の中心部温度が 5℃から－18℃に下がり，また，－18℃ から 5℃に上がるものとする．各サイクルの最高および最低温度は 5±2℃および－18± 2℃の範囲内になければならない．凍結融解１サイクルに要する時間は，3 時間以上，4 時 間以内でなければならない．凍結融解１サイクルに要する時間のうち，融解行程に要する 時間は，A 法の場合には 25%以上，B 法の場合には 20%以上とする． 供試体の中心温度が 3℃から－16℃に下がるのに要する時間は，凍結行程に要する時間 の 1/2 以下になってはならない．同様に，－16℃から 3℃に上がるのに要する時間は，融 解行程に要する時間の 1/2 以下になってはならない． 凍結融解試験に供されたコンクリートの中心部の温度測定結果例を図－ 1.8に示す．. 10. 5. 温度 ( ℃ ). 3℃. 0. -5. -10. -15. -20 0. －16℃. 60. 120. 180. 240. 時間 ( 分 ). 図－ 1.8 凍結融解試験に供されたコンクリートの中心部の温度履歴例 試験は，通常 300 サイクルまで繰り返され，その間のコンクリートの劣化の状況を動弾 性係数，質量の変化から評価される．また，組織の弛緩を直接的に計測する長さ変化も用 いられる場合がある．また，試験は試験開始直前に計測した動弾性係数に対する試験中の. 13.
(28) 動弾性係数の比（相対動弾性係数）が 60%を下回った段階で終了する場合がある．これは， 動弾性係数を求めるために計測するたわみ振動による一次共鳴振動数が，相対動弾性係数 が 60%程度まで劣化した状態では測定困難になる場合が多いことに起因している． 自然環境下における劣化を事前に予測する場合には，短期間でその予測を行いたいこと から対象試料を促進試験に供することが一般的である．ただし，その促進試験条件が想定 する自然環境下とどのように結びつくかが判っていることが不可欠となる． 凍結融解作用を受けた場合，その劣化予測手法を提案した研究例は幾つかある[1.17]が， 凍結融解試験の試験条件が自然環境下とどのように結びつくかいうことを定量的に検討し た例，すなわち自然環境下の気象情報などを考慮した例[1.18][1.19]は極めて少なく，促進 試験の結果から自然環境下におけるコンクリートの劣化の予測を行うことが未だできない 状態にある． 促進凍結融解試験が我が国で実施され始めたのは，戦後，AE 剤が我が国に導入された のが契機と思われる．その後，コンクリートの凍結融解抵抗性に関する研究事例は飛躍的 にその数を増すこととなるが，その研究主体が新規に建設されるコンクリート構造物に用 いられる材料の開発あるいは配合の検討を対象にしたものが圧倒的に多い． 凍結融解試験結果は，実務には次のように用いられているものと思われる．たとえば， 新たなる産地の骨材を用いようとした際，これを用いて造ったコンクリートの促進凍結融 解試験結果が，使用実績が多くこれを用いた実構造物が長期に亘って耐久的あることが確 認できている骨材を用いた場合の促進凍結融解試験結果と比較して，遜色が無ければ使用 可能との判断する．また，促進試験環境下が過酷であることは承知のうえで，そのような 過酷な環境下で耐久的であれば，自然環境下においても耐久的であるはずとの安全側の判 断を行っているものと思われる．骨材資源が豊富であった時代であればこのような考え方 は認められると考えられるが，骨材の枯渇が叫ばれて久しく，また近年では再生骨材の利 用が進み始めている現状を踏まえれば，今後は促進凍結融解試験結果から当該構造物の立 地環境に合わせた劣化の予測が必要と考えられる． 本論文では３章において，促進凍結融解試験結果から自然環境下における劣化を予測す る手法について述べることとする． 劣化の程度を評価する指標として，相対動弾性係数が用いられることが圧倒的に多い． これは，凍結融解サイクル数の増加にともなってコンクリートが劣化していく状態を非破 壊的に計測できる利便性が高いことによるものと考えられる．たとえば，2002 年に制定さ れたコンクリート標準示方書「施工編」では相対動弾性係数を用いてコンクリートの凍結 融解抵抗性を照査することとなっている．では，その相対動弾性係数が例えば力学的にど のような意味を持っているのかといえば，定量的な検討は必ずしも十分ではないと思われ る．上述のように仮に自然環境下における相対動弾性係数の変化が予測できたとしても， その相対動弾性係数の低下が力学的にどのような影響をもたらすかが判らなければ，コン クリートの劣化予測ではなく，相対動弾性係数の低下予測に留まることとなる． 本論文では４章において，凍結融解作用を受けたコンクリートの力学性能変化を実験的 に求め，相対動弾性係数の低下と力学性能の変化について述べることとする． 試験に用いる供試体は，その断面は正方形で一辺の長さは 10 ㎝とし，長さ 40 ㎝の角柱 形状である．A 法では，これを凍結融解試験中常に約 3 ㎜厚の水で供試体全面が覆われる ようにするため，予め水を入れた内面に突起を有するゴム製の容器に格納し，試験に供す る．このように凍結融解作用を受ける常時に亘って周りを水で囲まれることになる. また，ゴム容器に入れた供試体を不凍液が入った凍結融解試験槽に入れるが，ゴム容器 周囲には僅かであるが不凍液の液圧が生じていることとなり，ゴム容器と供試体の間にあ. 14.
(29) る水が供試体に押し込まれるような状態にある．実構造体ではこのような露出条件を有す る例が多いとは考え難く，この試験で得られた結果とコンクリート構造物の劣化を直接的 に結びつけることは極めて不適正と思われる． RILEM TC 176 委員会(委員長：Max J. Setzer)では，供試体底面だけを水に漬け毛管浸 透を生じさる状態にした供試体に対して，最高温度が 20℃，最低温度が－20℃となる凍結 融解サイクルを１日当たり 2 回作用させる CIF 試験 （Capillary Suction, Internal damage and Freeze-Thaw Test）を提案している[1.2]． 本論文では５章において，現行の促進凍結融解試験の供試体露出環境があまりにも実構 造物と相違している点にも着目し，これに替わる一面凍結融解試験を実施するとともに， 凍結融解作用を受けたコンクリートの劣化深度の評価方法について述べることとする．. 15.
(30) 1.3 本論文の構成 本論文は，室内促進試験から得られた結果に基づき，これを用いて自然環境下における コンクリートの劣化予測方法の確立を目的としている． 本論文は，６章から構成される． 第１章では，現在までの凍結融解作用による劣化評価方法およびそれらの問題点につい て論じ，本研究の位置づけを行った．凍結融解作用による劣化評価方法は，室内促進試験 を実施し，これによって行われるのが圧倒的に多いが，自然環境下における劣化との対応 が極めて不明確である．また，論理的にそのメカニズムを明らかにする研究は幾つかある ものの，劣化機構を明快に説明できる理論がない．また，試験方法も促進試験下での劣化 の相対的な比較が行えるのみであり，その結果を利用して自然環境下の劣化を予測した研 究事例は極めて少ない．本章では，これらの点を既往の文献調査結果を中心に論じ，これ らを解決しようとする本研究の位置づけについて述べた． 第 2 章では凍結時の最低温度が凍結融解抵抗性に及ぼす影響を実験的に明らかにした結 果について述べている．コンクリートは多孔材料の一つと分類でき，その力学性能がそう であるように凍結融解作用を受けるコンクリートの劣化も，組織内の空隙の量とサイズに 影響される．凍結温度が低いものほど劣化が大きくなる原因について，細孔構造との関係 から論ずる．また，水セメント比および試験開始材齢の影響を凍結細孔量との関係から論 じている．さらに，細孔構造から破壊サイクル数を推定する方法についても示している． 第 3 章では，自然環境下におけるコンクリートの劣化を評価しようとした場合，最低温 度が不規則に変化することから，この影響を定量的に評価できる方法を提案している． 最低温度および水セメント比が変化した場合のコンクリートの劣化を「基準化凍結融解 サイクル法」を用い，見かけ上凍結融解サイクル数を変化させることによって，任意の最 低温度および水セメント比のコンクリートの劣化に置き換えることが可能であることを示 す．これによって，日最低温度が不規則に変化する自然環境下におけるコンクリートの劣 化予測が可能であり，暴露試験結果から自然環境下におけるコンクリートの劣化曲線の同 定を行っている．さらに，この方法を用いれば，従来の室内促進凍結融解試験結果から自 然環境下における劣化曲線の推定が可能であることも示した． 第 4 章では，凍結融解作用が力学性能に及ぼす影響について検討し，凍害劣化の劣化指 標である相対動弾性係数の変化が圧縮強度，引張強度およびヤング係数などの力学性能に 及ぼす影響を，実験を通じて定量的に明らかにしている． 第 5 章では，凍結融解作用を一面に限定した試験を実施し，劣化深度の評価方法につい て検討した結果を示している．現行の水中凍結水中融解による試験結果を用いて，同位の 最低温度下におけるコンクリート内部の劣化を推定している．その結果，現行の水中凍結 水中融解による試験結果を用いて推定した場合，表面からの劣化が最低温度だけでは推定 できない場合があることを示し，その原因が深度毎に劣化が相違することによって生じる 自己平衡力の存在の可能性について分析している． 第 6 章では，各章のまとめを行い，本論文の結論をまとめている．. 16.
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