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乾燥を受けるセメント硬化体の水和の進行を表わす式

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(1)

【論   文

l

UDC :691

32 :691

53 ;691

54 日本 建築学会構 造 系 論 文報告集 第 361号

昭 和 61 年 3月

け る セ

硬 化 体

水 和

正 会 員 正 会 員 正 会 員

* *

* **  

1

ま え が き  コ ン クリ

モ ル タルはセ メ ン トの水和に よっ てその 物 性 値を示す指 標の 大き さ が刻々 と変化し て い く

そこで

水 和 過程

水和 度の測 定, 水和度と物 性 値 との連などにつ い て古 くか ら多くの研 究が な さ れてき て い る

最近で は大 井の研 究聖〕発 表さ れ

現 在 までの研 究につ い ても簡 潔に述べ れ てい る。 そこ で, 本論において

従 来の研 究 を あら た めて括す るの で は 屋 上 屋 を重ね ること に なりか ね ない の で省 略した いと思 う

ただ,本研究の 方向

目的は少し異なっ て いるの で

そ の ことにつ いて若 干 説 明し て おき たい

 

いま

コ ンクリ

ト, モル タル がいか なる条 件 下に置 か れて いよ う と もある定め ら れ た方 法で測 定された水 和 度と物 性 値と の間に

対 応 関 係

義 的に成り立 っ とる な ら , 水 和 度 を媒介と し た

いわゆる換 算材令 とい う概 念が成り立つ (いか な る条件下というの を ある 限 定さ れ た条 件 下と して も よい し

その場 合は限 定さ れ た わ く組み で話 が 進め ら れ る)。 これに よっ て 任 意の 条 件 下に さらされ た実 在す るコ ン クリ

ト部 材の物性 値 を刻々 の材 令に お い て推定す る問 題は

水 和 度の進行を 推 定 する問題に還 元さ れ, 水和過程下で の

例え ば

力 学的挙 動 等の推 定につ いて解 析的な手法が可 能とな っ て く る

 

ところで 上記の 目的 を達 成 する に はの よ う な 明らか に して お く必要が あ る

 

  水 和 度の定義, 測定 方 法    水 和 度の進行過程の数 式 化    水 和 度 と物性値と の対応関 係   につ い て は

水 和反 応に よっ て生成する物質, その構 造の特 定, 生 成 過 程, さ ら に は

生 成 物 質の量が厳 密に 測 定 されて い る かどう か な ど が中心的な課 題であろ う が, こ こ での 目 的に対し て は必 ずし も厳密な議 論は必 要 と されない

こ こで の水和 度は

実 用 的な範 囲

水 和  ・ 大分 大学 教 授

工博 # 西業 大 学  助 教授

工修 * * *大 分 大 学   講 師

工博   (昭 和 60 年3月8日 原稿 受理) の進行を全 体 的に表し得る もの で あ り

しか も, 実 測 が 手 軽で あ る よ う なもの であれ ば, 間接 的な物 理 量で十 分 で あ る

そこで

こ こ で は簡単にし得る結 合 水 量 を 水和 度の指 標にすることにす る。   は実 在の コ ンクリ

トの物性の変 化 を取り扱う に は最 も重 要な事 項であ り

本 論のテ

マ である

従来か らも経 験 式, 反 応 速度理 論 を応用し た式 な ど が示さ れて いる。   にっ い て は

対応 す る物性値に は各 種の ものが あり

すべ につ い て対 応 関 係を 明 ら かに す る に は膨大な実 験 研 究 が必要と な る。 よ く知ら れて い るよ うに 圧縮強 度につ いては水和 度と の関 連で と ら え る研 究ZL3 )が 古く から行わ れ て きて い る

ま た

ク リ

プにつ い ても水 和度との関連で と ら え る研 究4)

6) も多い。 その他に も, 精粗さま ざ ま だ が

水 和 度 との対 応 関 係が求 められ てい る。

 

さて

上 記の事項 につ い て はすで にくの研 究が なさ れて い る ことを述べた が

実 際 ,水中,若し く は シ

ル養 生の場 合 がほと ん どであり

し か も

温度が水 和に いか に影 響す る か とい うこ と が興味の心 と なっ て い る。 温 度と水和の関係は最 も重 要な テ

マ で あ ること は 言 うまで もないが

実在の コ ン クリ

トは材令のか なり 早い時期か ら乾 燥を 受 けて い る場 合が く, この乾 燥に よ る水和の阻 害も主要な テ

マ とな り得る筈であ る。 つ ま り

乾 燥の程 度に よっ て そ の後の水 和の進行が どの よ うに制さ れ る か を 明 ら かに しておか ない と, 実在する コ ンク リ

トの物 性 値は推定し得ない ことにな る。 しか も, コ ンクリ

トの乾 燥は非常に遅い ため 部 材寸法が 大き く な る と

部 材の表層部と内 部とで は長いの 度 合いが 異 なっ て お り その こ と が水 和の進行に影響を 与え る た め

物 性 値その もの も部材内 部の位 置によっ て 異なっ て く る。 こ の こと は

早 期 材 令か ら乾燥を受け る コ クリ

トの物 性 値の推定は析 的に行わざるを得な い し

解 析 を行う 場合には

上記  項の水和度の進 行 過 程の数 式 化におい て 乾燥の影 響が適切に評 価 さ れて い な け ればな ら ない ことを意 味してい る。

 

以 上よ り, 本 研 究で は, 水 和 現象その もの につ いての 検 討は行わ ないが

水和の進 行に乾 燥が どの ように影 響 す る か を実 測し

ま た

水 和の進 行 を 数学 的に表 現し

一 21 一

(2)

そ の中に乾 燥の 響 を適切に取 り込 むことを 目 的と し た。

2.

水和度の定義

 

水 和 度は

,一

般に は, 完 全 結 合 水 量に対する 「ある材 令に お ける使 用セメ ン ト量当た り の結 合 水量」の比 と し て表さ れ ること が多い

完 全 結 合 水 量 とは

水 和 し た セ メ ン ト量当た りの結合水 量であり

理論 的

実 験的に求 め られて き てい る。 関ら 3 )は こ れ W

C =

37% と して いる。 ところ が, 図

一1

か らもわか るよ うに

現実的に は こ の値よりも か な り低い 結 合 水 量で増 加が ほ ぼ停止し ている。 し かも

最 大の結合水 量の値は, 水セ メ ン ト比, 養 生 条 件

セ メン トの種類などに よっ て大き く異な るこ とがわ か る。 これ は, 完 全 結 合 水 量が条 件に よっ て異な るとい う よりも

従 来か らいわれ て い るように

セメ ン トの水 和 反応に おいて, 水和が 進 むにつ れて

セメン ト粒 子と水との接触が妨 げら れ

つ い には

未水 和粒子 が 残 存し た ま ま, 見掛け上, 水 和が終 了し た と み な さ れ る状 態に至 る」こ と に よ るもの と考えられ る。 図

1の 縦 軸は使用 し た セメ ン ト量 当たり の 結 合水量 で あ る か ら, 未 水 和セメ ン ト粒子が残 存す る限り

完 全結合 水量 より小さ な値と な る

残 存 する未 水 和 粒 子の量 は, 水セ メ ン ト比

養生 条 件

セメ ン トの種 類な ど条件に よっ て 異 なる だ ろう。  ところで

完 全 結 合 水量 は水和し たセ メン トに消 費さ れた水 量で あ る か ら

これ は各条件に よっ てさほど 差が ある とは思わ れ ない の で

水和度に お よ ぼ す各 条 件の影 響 を 完 全 結 合 水 量を共 通 基 盤と して

的に評 価す る に は都 合が良いだ ろ う。 し か し, 本論の場 合のよ うに

あ る条 件 下で刻々 の水 和 度の 進展状況 を数 式 表 示する場 合 に は

完 全 結 合水量と見掛け上終 局的に達 成す る結 合 水 量と が余り に か け離れ ている た め, 適 切な方 法と はいえ な い。 む しろ

対 象と する現実 的な期 間 内に お い て

終 局 的な結 合 水量 を設 定 し, こ れ を基 準に し て水 和 度を表 す方が よ り合理的である

河 角 らS)

密 封 養 生  

03

  0

2

E

 

O’

1 櫃 崇 0 100      200     

300

    材    令   (日〕 図

1 結 合 水 量の測 定 例 400 は完 全 結 合 水 量 をW /

C 軍

25% と見る の が妥 当で あ る と して こ れ を基 準に し て水 和 度を表している 〔し か し, これ は完 全 結 合 水 量という より

上述し た よ うな意味で の 見 掛 け上 水 和が終 局し た時点で の結合水 量と見る方 が妥 当で ある と思う)

そこで

本 論 は

水 和がほ ぼ終 了し たと見 な され る時点で の結 合水量を終 局結合水 量と 名付 け

次 式で水 和 度を表すこと に す る

   

m

…・

………一 ……・

………一 ・

……・

(1)  m :水 和 度  an :材 令 T に お け る使 用し た セ メン ト量当た りの結      合 水 量 (g/g )

 

肱 :使用し たセ メ ン ト量 当りの終 局結合水量 (g/g ) 上 式の 肱 は使 用 し た セ メ ン ト量 (未水和粒 子も含む) 当た りの値である か ら もはや

理論 的に は決め ら れ な い で, 各 種 条 件ご とに実 験に よっ て求め な け ればな ら な い

その上

Wn を測定し た の と同じ条件下で の水和 度 につ い て し か相互比 較は意 味を持た ない

 しか し

あ ら ゆ る条 件 下ご と に 肱 を 設定す る とい う の で は逆に (1 )式の利用価値を 失い

本 論の 目的 を達 成する こと はで き ない

えば

乾 燥履歴に よっ て iVn は異な る が

この乾 燥 履 歴は無数の場合が考え ら れ, そ の都 度 肱 を設定して いたの では (1 )式は利 用できな い

そ こ で

本 論で は

Wn

を水セ メン ト比 ごとに設 定す ることにする。これ は,空隙や セ メン ト粒子の分 散に よっ て決 まる組 織の骨 格構造が水セ メン ト比によっ て決 まる とする もの で

その 骨格構 造の枠内で, 例えば

温 度が 上が れ ば水 和が早め ら れ

乾燥に よっ て水 分 を失えば

そ の骨格 構 造の わ く内で分 を失わ ない時の終 局 結 合 水 量 まで達 成し得ない と考え る ことに な る

な お

温 度に つ い て

常 温の範囲内と す れば水 和の遅 速に は影 響を お よ ぼす が

終局結合 水 量に は影 響 を お よぼ さ ないと考え る

 上の よ うに水 和 度を定 義す れ ば, 同

水セメ ン ト比 内 で基 準と な る水 和曲線 (例えば, シ

ル養生, 温 度 20

°

C

の場 合の材 令

結 合水量曲線 )を設 定し

これを 比 較 するこ とに よっ て

(1 )式の m は い わ ゆる 換 算 材 令と まっ た く同じ意味を持っ てい ることになる

こ れ は

本論の 目的と

致す る

 

3.

試片の乾燥 度の定義  試 片の乾 燥 度は試 片の含 有 水 分量 (蒸 発 可 能水 )また は

含 有 水 分量 と熱 力学的に平衡す る相 対 湿 度に よっ て 表さ れ るのが

般 的で あ ろ う

しか し, こ の表し方は本 論の場 合に は必ずし も適切な方 法と は い え な い。 なぜ な ら

含 有 水 分 量は水 和に よっ て刻々と変化して いる (こ の よ う な状態 を本論は取り扱っ てい る )た め

乾 燥 度を パ ラメ

と し て実 験を行う 場合

パ ラメ

その ものが刻々 と変 化して しまうか ら ま た

試 片の水分 が

(3)

乾 燥 また は水和に よっ て刻々 と変 化し て い る場 合

試 片と平 衡す る相 対 湿 度その も のを測 定す るの は不 可 能に 近いからで あ る

平 衡状態の問題 を取り扱う場合に は

相対 湿 度で表すのが最も有 利と な ろ う。

 

本 論の問 題 設定が 試 片が水 分 を 失うこと によっ て 以後の水 和の進 行がどう影 響を受けるか」に

る ことを 考え れ ば

試 片が失っ た水 分 量によっ て乾燥 度 を表 すの が 適 切 と考え ら れ る

し かも

水 和の進行へ 影 響

失っ た水 分 量とい う よ り も現 在 含 有し てい る水分 量に対 して

燥によっ て ど れ だ けっ た か がむ し ろ問 題で あ ろ う

そこで 乾 燥度はの よ うに表す

 

い ま, 含有 水 分 量 (蒸発可 能 水 )が wの時に

微小 時 間 内に失っ た水 分 量を

dwa

と する時, 乾 燥 度

P

の変 化 を次 式で表す。        

dw

   

dP

= 「

nt

”… ’

”… ”一 ・

…・

一 一 ・

…・

(2 ) 材令 K よ り乾 燥を開 始した時の材令

T

にお け る乾 燥度

P

は次式で表せ る。

 

 

 

P

・・

一 ……・

……一 ・

(・) (2 ), (3 )式は乾 燥 度の増 加は失っ た水 分 量の増 加の み によっ て生じ るもの であり, 水和の 進行に伴う含 有 水 分 量の変 化によっ て は影 響 を受け ない よ うに くふ う され て い る

 

4

結合水量の増 加 速 度 を表 す式

 

水 和 反 応の速度を表す理 論 式につ い ては友 沢S) すで に発 表し てい る。 これはゲル生成物中の水の拡 散など を 考 慮し て お り

水和の開始 直 後か ら水和の終了 ま で を 表 し得る理論式と して の条 件 を備えて い る と考え られ る。 本 論に お い て もこ の式 を用いること は当然 可 能 だ が

た だ 本 論は水和が あ る程 度 進 行し た時点で の ことを 対 象 としており

この場 合に は

水 和の進行 状態は比 較的単 純な曲 線でさ れてお り

こ の曲線は た か だ か2個 程 度 の実 験 定 数 を 含ん だ経 験 式で十 分に表せ ること が予 想さ れ る た め

以 下の よ うに

敢え て単純 な 式 を用い る こ と に し た。  

4−1

乾 燥 を受け ない場 合

 

乾燥を受 けない場 合の合 水 量の進 行につ い て の実 測 は 過去に多く行わ れて いる。 し か し, その進 行 過 程 を

般的に数 式 表 示し, 実用的な形で利 用でき る よ うにする 研究は意 外と少ない

 

さて

簡 単な反 応 速度式を用いれ ば 水和反 応の速 度 は未反応 物 質の量によっ て次式の よ うに表せ る

     

d

ωn

   

誦 「

αo

ω昂)

°

C − CH

…………・

……

(4)  

C

:使 用し た セメ ン ト量 (g) 隅 :使し た セ メ ン ト量当た り の水量 (g/g) CH:材 令

T

まで に水 和したセ メン ト量 (g)    

=C

×ωn/完全 結 合 水 量

 

α。 :水和の進 行しや す さを表す係 数 こ こ で

(隅

ω陀)は未水 和の全 残 存 水 量, (

C − CH

) は全未 水 和セ メ ン ト量で あ る。

般に は, 加水量 は水 和 に必要な量 よりも 多い か ら

こ の式は 未 水和のセメ ン ト粒 子が残 存す るり水和の進 行 速 度に は な ら な ところ が

セ メ ン トのは水 和が進む につ 成し たゲル粒 子の構 造によっ て水の拡 散が難と な

未 水 和の セメ ン ト粒子 と水のが阻 害さ れ ること に な る

この た め

後の実 験結果か らもわ か るように

未水 和セメ ン ト粒 子が残 存す るに も か か わらず見掛け上 水 和 が終了 し た かの ような現象が見ら れ る。こ れらの こと は

水 和 反 応の起こ りや すさを表す (

4

)の式の a。は定数 で はな く

水和が進むにつれて小さ く なっ て行く よな ωn の関 数である ことを意味し ている。 そこで, 河角ら S) は (

4

)式の α。が時 間, ま た は換 算 材 令の関数と して い るQ

 

こ こ で は

実 用性と簡便さを考 慮に入 れ て

(4)式 を次の ように修正 し たい と思う

     

dWn

   

π

广

α1

ω∂(

c

c

・)

     

α(

Wn −

Wn)2

………・

……

 

……・

……・

(5 }

 

Wn :使 用し た セメ ン ト量当た りの局 結 合 水 量 gg )

 Cn

:終 局 的に反 応 し たセ メ ン ト量 (g)    

CX

既/完 全結合 水 量

 

α:水 和の進行し や す さを表す係数    

aiXC /完全結 合 水 量 上の式は 終局 的に水 和する で あ ろ う水の量 をあ ら か じ め実 測し てお き

水 和の速 度はこの残 存 量に依存す る と す るもの である。 この式は実 験 定 数と して 縣 を導入 す る た め

理 論 式と して洗 練さは欠け る が

終 局 値 を押さ えて い る ため実測 デ

タに比 較的よ く合わ せやすい こと と

何 よりもま し て, αが定 数で あ る た め

(5)式 を 解く と双 曲線 式       嫣

T

   

Wn

 

1

   

”一

”・

 

(6 )

     

T

となっ て

取 り扱い が簡 単な こと が特 徴である

余 w

終 局 結 合 氷 量

       

  

 

T

2 乾燥を受 け ない場 合の結 合 水量の進 行 模式 図 お よ び 用      語

記 号等の

23

(4)

 な お

結 合水量 (ωn)の 進 行につ い て の模 式 図を 図

2示 す

, 打 設 時 総 水 分 量 (W。)か らWn を 差 し引いたもの が蒸 発可能 水 (We)と な る。   4

2 乾燥を受ける場 合

 

水 和の進 行途 中に乾 燥 を受け た場合

そ れ が水 和の進 行に対し て負の要因 とな ることは当 然 予 想さ れ る た め, 乾燥がどの よ う なメ カニ ズム で水 和を阻害す る かを解 明 す るこ と は重 要な問 題であろ う。 し か し

こ こ で は

乾 燥の程度と水 和の進 行 過 程 を 簡 便に利 用し や すい形で数 式化す るこ とを 目的 と して い る た め, 乾 燥を受け ない場 合の

5

式 を基 準に し て

乾 燥を受け る場 合の水和の 進 行を表す式を経験 的に しか も

実 測 可 能な デ

タを 基に数 式 化が可能で ある よ うな式を導いて み たい と思 う。

 

さ て, (

5

)式 を基 準に して, 経 験 式とし て乾燥の影 響を含んだ 式 を導く に は

2

つ の方 法が考え ら れ る。 1つ は

基 準の式に乾 燥度を含んだ 項 を単に掛 け合わ せ る方 法で, も う 1つ は

5

)式の係数 αは

と し

終 局 結合水量 嬬 が乾 燥 度に応じ て減 少 する とする方法で あ る

前者は

般に よ く用い ら れる手 法で あ り

,BaZant9

〕 の式もこ の範 ちゅうにはいる。 こ の方 法だ と

終 局結合 水量 が乾 燥の影 響 を 受 けない ことにな る。前 述の ように, 乾 燥を受け る と, 水 和の進行速 度 が低 下 する だ けでは な く終 局結合水量 も明 確に減 少し ている ことを考え れ ば

こ の方法は本論の場 合 不 向きであ ることがわかる。 そこ で

本 論で は後 者の方 法によっ た

す なわち

乾 燥を受 けること に よっ てその後の終 局結合 水量 Wn が低 下す る と す る もの で ある

 

とこ ろで, 乾 燥 度と終 局結合 水 量 との 関 係が必要と なって くる が

乾燥履歴は無 数のケ

スが考え ら れ る た め

すべ ての ケ

スに対 応 して両 者の関 係を実測デ

タ とし て そろ えて お くの は不 可 能であ る

そこで

こ こで は まず

基本と な る乾 燥 状 態を設 定し

その態での 乾 燥 度と終局結合水量 との関係 を実 測し て お き, その結 果を任意の乾燥履歴の場 合に拡 張でき る よ う に理 論 化し てお く必 要が あ る

こ こ で は 基 本と な る乾燥状 態と し て

次 項に述べ , 「材 令

K

において

分 を失

        

K

   材   令  

T

3 材 令 K に お い て矩 形状の乾 燥 を受ける場 合の結 合水量      の進 行 模式 図および用 語

記 号等の定 義     ω。

w、は そ れ ぞれ脱 水 量

蒸 発 可 能水 量 を表わ す変 数 い その後 試 片からの水 分の入 りが ない態」を採 用 した

この状 態は実験 的に容 易に実 現 可 能で

水 和 度の 進 行 状態 も実測 し や すいか らである

 4

2

1 矩 形 状の脱水を受ける場 合  図

一3

に材令

K

に おい て

定の脱 水 ω dr を

受 け

以 後 水 分の出入 り が ない場 合 (矩 形 状の脱 水と呼んで いる) の結 合 水量の進 行につ い て の模 式 図

な らびに関連 す る 記 号の定 義を示し てある

。Wk

は材 令

K

におい て

の乾 燥を与え た時の終 局 結 合 水 量6Wk は乾燥にょっ て阻害され た結 合水 量, δW. は乾 燥を受け ない と し た 時の材 令

K

か ら終 局 時 まで の結 合 水 量の増加分 (

Wn

ω 。K)で あ る

こ こでの問 題は

「材 令 K におい て

定の分を失っ た場合, 以 後, いかに水 和が進 行し

終 局 結 合水量 は水分を失わ ない場 合に較べ て ど れ だ け減少 するか」で あ る

 

まず

乾燥度t「) を求めて お こ う

3の よ うに

瞬 間的に矩形状の tVdκを与え る時

〔3)式は次の よ う に な る

 

 

 

P

 

      tVeK      

……・

……・

…………・

(7)        

=ln

      tVeκ

Wex い う ま でもなく

乾 燥 度

P

は材 令

K

に おいて失った水 分 WdK の み に依 存し

そ の水 和の進 行に は無 関 係 で あ る。 したがっ て,

P

は初 期条件の 役 割 を果た し

本論で設 定され た問 題に有 効で あ る

 

次に

P

と W 撫との関係を実測デ

タ よ り求 めるこ と に なる

とこ ろで

Wk は同じ乾 燥 度 を 与え た場 合 でも

乾 燥 時 材 令

K

に よっ て著し く影 響 を 受ける。 そ こ で,次の よ うに規 準 化した値 を用い て み る ことにす る。 い ま, 乾 燥 度の増 分

dP

が生 じ

その結 果とし て終 局結 合 水 量 が

d

ve

減 少し た と す る

こ の

dW

:を

δ

W

n (それ以 後 乾 燥を生

ない と し た時の終 局 結 合 水量 の 増分)で次 式の よ うに無 次 元 化 する

  

 

dQ

一 ……・

…・

一 …・

…………・

…・

(8 ) こ こ で

Q

を終 局 結 合 水 量 低 減 比m と名付ける

上の式 を時 刻

K

に おいて矩 形 状の乾 燥を与え た場 合に当て は め る と

  

 

Q

  、

      母

Wnk

               

−t・

 (9 )        

=ln

       δ既 尾

一w

  注) 既 報10 }に お い て

P を Wa /w

t

 Q W撫/δiV. で   定 義したが

これ は

矩 形 状の乾 燥の み に限定すれ ば 分 か   り や す く

実 験 デ

タの整理 に便利だが

こ れを連 続的な   乾燥の場 合に拡 張 する時

整合性 を 失い

適切な定 義では   ない こと が判 明し た の で

本論のよ うに訂 正す ること に し   た

(5)

w

 

dW

T

F

      

K

 

 

 

T

4 材 令τに おい て微 小の乾燥増分 が生じ た 場合の結 合 水       量の進 行 模 式 図およ び用 語

記 号 等の定 義  ただし

,W

#は終 局 結合水 低 減 量 を表す変数であ る。  こ こ で は

P

と W蘇との 関 係の か わ り に

P

Q

と の関係で実 測デ

タを整理 し      

Q

ノ(

P

………・

…7…………・

…・

……・

(10) を求める ことにする

こ の よ うに規準す ることに よっ て,

K

が大き い 場合

W

撫も小さ く な る が

同 時に

δ

vr

. も小さ く な るので

 

K

の影 響が消去さ れる の で は ないか と予 想さ れる

P

す る

JV

餐κが求ま れ ば

5

) 式に お け る 肱 を (

Wn− W

缶)に置き換え た

   

…一 ・

………・

…・

1

が材 令

K

以 降の結 合 水 量の進行を表すことにな る。 こ の式 を解く と               (

Wk −

 Wnt)(T

K )                              

一 ……

(12)      Wn

Wnx十

   

    

α(隔z鳧

:Wnx}+(

T 一

κ) と な る。  4

2

2  連 続 的な乾 燥を受け る場 合  図

4の よ うに

乾 燥 履歴の途中に材 令 τ に お い て乾 燥度の増 分

dP

が生じ た と す る と

こ の

dP

に よっ て終 局結 合水量 は

dW

#。 だ け減 少する

いま

(10)式 をP で微 分 す る と

   

dQ 一

dP ……・

……一 …………・

(13) であ り, (8 >式か ら

d

曜 τは次の よ うにな る。

   

dW

(・・

A

w。

9fp

d

一…・

一 ……・

(14) 乾 燥の増 分が連 続 的に材令

K

か ら

T

まで に生じ る場 合 の結 合 水 量の 減少量

W

缶は

重ね合わ せ の法則が成り 立つ と仮 定すれば

   

w :T

(w 毎

P ・

…・

…・

……・

15

) より得ら れ る

 こ れ よ り

材 令

T

まで に任 意の乾 燥 履 歴 を 受け た場 合の材 令

T

に お け る結合 水量 の進 行 速 度は次 式で表さ れる

     dWn          

三:

a(

Wn 一

回厂 7

wni

 (16)      

dT

(16) 式はもはや

双 曲 線 式で は表せず, 通 常は刻々に 数値 積 分 することにな る だろ う。  

5.

実  験  

5−1

実験 計画   実験は次の 4点 を 目 的 としてっ た

  乾 燥を受け な い場 合, (5)式, (6)式 が妥 当か ど う か を検 討す る

  乾燥を受け る場 合, (

11

)式, (

12

)式が妥 当かどう か を 検 討す る

  妥 当 だと す る と

乾 燥 度

P

と結 合 水 量 低 減比

Q

との関係 を実 測する

  以 上の結果 を も とに 連続 的な乾 燥 を受け る場 合の (14), (15 )式が妥 当か ど うかを検 討 する

 そ の た め

実 験は次の 4つ の シ リ

ズで行っ た

 シリ

ズ1 :打 設 直後か ら シ

ル養 生 を継 続し, 結 合 水 量の進 行 過 程を測 定 する。 実 験 要 因は

水セ メン ト比 (

1

C =65,50,40

%)と す る。 図

一2

に相 当

 シ リ

ズ2 :所 定の材 令におい て所 定の乾 燥 度を与 え, その後シ

ル養 生 下で の結 合 水 量の測 定。 実 験 要 因 は

乾 燥 時の材 令 (

K =1,3,

7

14

28日)

乾 燥の 程度 (

P

22

±1

°

C

湿 度40±5 1

6 , 24時 間乾燥 )の

2

要 因とする。 水セ メ ン ト比

3に 相 当

シ リ

3

各 種 条 件 下で の終 局 結 合 水 量の み の 定。 実験 要因は

水セメン ト比 (

W

C =

65

50

40 % }

乾 燥 時の 材令 (

K =1,3,

7

14

28日 )

乾 燥 度 (P度22±1℃

湿405 1

6 , 24時 間 乾 燥} O    l 日    3 日 4v

材      令     (日 ) 終 局 時 0    1 日  3日 2h

Oh2h

2h2h

4h2h

7h 終 局 時 0    1 日 6h

Oh6h

2h6h

4h6h

7h 終 局 時 祠     24h 24h

Oh     註} 数 字 は 乾 煥 炉 での乾燥 時 間 を示す 図

5 階 段 状の乾 燥を受け る 場合 (シ リ

ズ4)の実 験 プロ グ      ラ ムおよび記 号       (例えば

最上図記号2h

4 hは

材令1日におい て 2       時 間 乾 燥 後 直 ちにシ

ル し

その後 材 令3日 に おいて 4      時間 乾 燥さ せ

以後

試験 時までシ

ルし たことを表 す

25

(6)

1 調 合 表 セ  メ  ン  ト 水 砂

a

1

0

65

2

0

b

1

O

50

1

5

C

1

0

4Q

1

32

(重 量 比 ) の

3

要 因 と する

一3

に相 当

 シ リ

ズ4:図

5に示すプログ ラムでの矩形状お よ び 階段 状の乾 燥 を 与え た場 合の終 局 結 合 水 量の測 定

水 セ メン ト比は

65

%の

種 類

な お

脱 型 直後よ り シ

ル養 生 を継 続し た場 合の結 合 水 量の経 時 変化につ い て も 測定し て おいた

  5

2 使用 材料, 調 合  セメ ン トは普通ボル トラン ドセメ ン ト, 骨材は 豊浦産 標準砂 を使 用し た

調 合 を表

1に示す

  5

3 試 片, 養 生   試 片は で きる だけ短 時間内に所 定の乾 燥を得るた めに 厚さ

6mm

で面 積

4

×

6cm

の薄 板 を用いた

試 片は打 設 後, 水 分の蒸 発 を防ぐ た め打 設 面 をシ

ル養生 し

24 時間後 脱 型 し, 直ちに ビニ

ル の薄 膜とパ ラフ ィ ンで シ

ル し, 温 度

20

℃ 湿潤中で保 管した

シ リ

2

3

4

に おいて は

所 定の材 令におい て所 定の乾 燥 度 を与え る が

これは

温 度 22±1℃

湿 度40±5%の乾 燥 炉 で所 定の時 間乾 燥し

それぞれ異な る乾 燥の試 片 を得た。 所 定の乾 燥を与え た後は再び シ

ル養 生を行い

20℃ の湿 潤 中で保 管し た

 5

4 結 合 水 量の測 定  結 合 水 量の測 定に は各種の方 法 が 用い られてい る が

こ こ で は下 記の方 法を用い た

ま た

般に は

微 粉 末 試 料によっ て行っているが

こ こで は

モ ル タル供 試 体 を 粉 砕せず

そ のま まの状 態で行 うことに した

こ れ らの 理由は

手 軽に行え る こと

し か も

測 定 条 件さ え

定 に して おけば その範 囲 内で は正 確な値が得られ や すい こ と

本論の目 的が結 合 水 量の絶 対 値その もの よりも水 和 反応の進行を間 接 的に表 現し得れ ば十 分な ことな どによ る。  まず,

105

℃ の乾 燥 炉で

24

時 間 乾 燥 を行い,重 量

WI

。5 を測 定 し た

次い で

そ の供 試 体を 1000℃ の電 気 炉で 6時 間 強 熱 減量 し その 重 量 Wi。。。を測 定し た。 こ れ よ り

Wn

隅・・¶  

温 度 105℃

1000℃ 間に 骨 材 中に含ま れ る水 分 量

使用セ メ ン ト量 か ら 結 合 水 量 を 求 め た

骨材中に含ま れ る水分 量 は

別 に

骨 材の み につ い て 105

1000℃ に おける水 分を測 定 し た もの で あ る

26

5

2

M15

010

SEALED

                w/c=

50

°ん

 

 

 

w’c=

6

  

 

  

 

 

o

      木オ     令    (冒 ) 図

6 シ

ル養 生 を 継続し た場 合 (加 水 直 後か ら

度 も乾 燥 を       受け ない)の結 合 水 量の進 行  

6.

実 験の結 果   6

1 乾 燥 を 受け ない場合 (シ リ

ズ1)  シリ

ズ1の実 験 結 果が 図

一6

に示さ れて い る。 縦 軸 は使 用し たセ メ ン ト重 量 当た りの結 合水量で

ある

 こ れ による と

材 令の ご く初 期に おいて は各 水セ メ ン ト比 と もほ ぼ同じ結 合 水 量であるが, 材 令 が経つ と, 水 セメ ン ト比によっ て結 合 水 量の進 行に差が大 き くで て く るよ うに な る

明ら か に

水セ メ ン ト比が小さ い ほど終 局 結 合 水 量は小さ く なっ て い る

本 実 験の結 果は図

1 に示し たものとほぼ同じ傾 向 を 示して いる

終 局 的 な結 合 水 量 も

密 封 養 生の場 合お お よそ 0

25程 度と見 ら れ てい る か ら, 本 実 験 結 果 も妥 当な値 と思わ れ る。  い ま

こ の実 測 デ

タを双曲線式 (6 )に あて は め て み る と

6の実 線の よ うにな る

これに よ る と

材 令の ご く初 期におい て実 線の方 が若干下 回っ てい る。 こ れ は

む ろ ん

単 純な双 曲線 式で は水 和の進行を 正確に は表 し き れ ない こと を示し てい る

式を も う少し くふ う

a

4

3

2

1

’,

D ●

− a

O

−・

Wn

°

251

1201Wnl

5i

9101

’ ↓

o

W

h

4

65

1

 

WlC

7 Wn

αの推 定 値

(7)

匚 を

調

° ’。

25

20

X

. 

15

9 

1

K

1DAY

 

 

 

 

 

1

,一一

一一一

 

 

P

O

58

 

 

77

 

D

,__一

一一

D9 广

1F5

6Psil

一一■

τ 「

 

ノ 刀

’”

’ り

9

− 一一一

【t

一一

P

δ

『一『

v

 

 

137

 

14

°

1

25

        

28

     

56

    ネオ     令     (B) (a〕 乾燥開始材令K

1 → ト

F き

z

1

K

3DAYS

   

   

   厚

ト ー

 

 

 

 

_

_

A

1戦

’一一

圏一

 ,’

ロ  D

− _ 一一一

ユ イト

ー一 一

1卜

卩一一

r

      

P

1

291

ok137va

 

2s

s61

    材      令     (日 ) (b) 乾 燥 開始 材 令 K

3日

       

き 踟

15

乂 N 湘 Ψ 梅 崇

K

7DAVS

o

° ノ。

(c   

28

材     令    (日1 乾 燥 開始 材 令 K

7日 一

56

 

25F

el

 

2

15

K

14

28DAYS

                      

P

0

796

        

P

0

     

− 一

 

一一一一

a

− −

ll

− 一

 

一皿

『一

’…

i” 

− m .一

一一

t8

「 引

 

      材      令    (日)       (d)乾 燥 開 始 材 令K

14

28 日 図

8  材 令K におい て矩 形 状の乾 燥 を 受け た場 合の結 合 水 量      の進行 す ればよ り よ く合わ せ られ るようにする ことは可 能であ ろ う

し か し

全 体 的に み ると, ほぼ よ く

致し てい る と み な し得ることから, 水 和の進行速度を表す (

5

>式 が実 用 的に妥 当であると み な し て よい であ ろう。   さて

こ の デ

タ の範囲内か ら (5) 式終 局 値 と係 数 α を推 定 して みると図

一7

の よ う に な る a は水 セ メ ン ト比が大き い ほど 直 線 的に減少して い る。 監 は 逆に水セ メ ン ト比が大き い ほ ど直線 的増 大す る。 い う までもな く, こ のよ う な実 験か らα

臥 につ いて

般 的な結 論 を 得ることはで き ない。 こ こ で の a

監 は本 実 験 範 囲 内で の

実測 デ

タに過 ぎ ない

ただ

般 的に い っ て, 水セ メン ト比が大 きい ほど 大き く な る と考えられ

α は そ れ に応 じて決まる実 験 定 数とい うこ とになる であろ う

  6

2 材 令

K

において

定の乾燥を受 け

以 後シ

ル      養 生が継 続され た場合 (シ リ

ズ2

シ リ

ズ3)

 

8 (a

b

c), (

d

)に

,K

= 1

3

7

14

28 日に おい て各 種の乾燥 度

P

を与え た時の結 合 水 量の進 行が示さ れて い る

。P

は (7 )式か ら計 算さ れ る値で ある

こ れ ら の図によると, 明 ら かに P が大き く な る ほ ど その後の結 合 水 量の進 行は低下して い る し

終 局 結 合水量も小さ く な る。 な お, この測定結果から乾燥 度に 応じて局結合 水 量は大き く影響 を 受 け る た め

実 験 定 数 と して両 者の関 係 を 実 測し て お き, そ れ を基に して水 和の進行を表示 する手 法は十 分に妥当なこと が わか る

K

が1, 3日で は

,P

が大きい場 合 (電 気 炉で の乾 燥 時 間が 24 時間), 炉での乾 燥 時 間 中に水 和が進む た め初 期 に大き な結 合 水量 の増加が見ら れ る。 所 定の乾 燥 度 を与 えるた めに必 要な乾 燥時間中の の進 行は実 験 上や む を得な い が 理論上は差で あ る。 そこで

本 来

こ の 値は補 正されな け ればな ら ない が, た だ

誤 差を正 し く 定 量で きない し

値その もの も小さい の で

こ こ で は無 視し そ の ま まの デ

タを用い た。  各 乾 燥の程 度ご との実 測 デ

タを (12 )式に あ て は め てみ る と

8の点 線の よ うになる

こ れに よ る と

ほ ぼ よ く当て はまっ て い ると見てさ しつか え ない 。 しか も

こ の場 合

双 曲 線 式の係 数 a は乾 燥 を受け ない場 合 (シ

ル養 生 )の値を そのま ま用いたもの であ る

こ の こと か ら

矩形 状の乾 燥を受けた時のそれ以後の 水量のは終 局 結 合 水 量の値 をかえるだけ で, シ

)V

養生さ れ た も の と同 様な傾 向を示 すと考え られ る

も ち ろ ん, 乾 燥 が極端に大 き くな ると水 和そ のもの が進ま な く な る か ら その場 合は除 外し な け れ ば なら な い

 次に

乾 燥 度に よっ て終局結 合水量 が ど う変 化す る か を見て み よ う (シ リ

ズ3)

9(a), (

b

), (c)に 各 水セメ ン ト比 ご とに

P

Q

関 係の実 測 値 を示 してい る

こ こで,

Q

は (

9

)式で与え ら れる。 

P

は (7) 式で与え られ る

27

(8)

 図

9 (a

b

cに よると

P

−Q

関 係は乾 燥を与 えた材令に か か わ らずほぼ同

線上に乗る と み な して よ

a

N

Φ

2

5

2

O

1

5

1

0

  

0

5

0

2

5

a

  

2

0

5

0

5

1

  ー   ( U

抛 帯

0

0

5

1

0

      車乞     燥     度 (a) 水セ メン ト比 WIC

65%

1

5P

0

5

1

0

車乞   燥      度      P 〔bl 水セ メ ン ト比W /C

50 %

1

5

いと思わ れ る

こ の こと は

同じ乾 燥 度を与え た場 合

終 局 結 合 水量の低 減量 は乾 燥 材 令

K

が大きいほ ど小さ く な る が

これ を

若 し乾 燥が与え ら れ な かっ た場 合に 終 局的に増加す るであ ろ う結合 水量 (凧

Wntで無 次 元化 し た 場 合

乾 燥 材 令 κ に無 関 係に

P

の みで

義 的 にえ られ ること を示してい る

こ れ は 本論で定義し た

P −

Q

関係がこ の種の問 題の基 本 的な関 係 式と し て極 めて有 利で ある こと を示し てい る

各図か ら もわ か るよ うに

P −

Q

係は ほぼ直 線で表せ る ことが わ か る

さ ら に

,P −

Q

関係を水セメ ン ト比ごとに見ると

水セメ ン ト比 が小さ く な る と直 線は左 側に よっ てお り, ま た, こ う配も大き く なっ て い る。 これ は, 同じ乾燥度で も水 セ メン ト比 が小さい ほど終局結合 水 量 低 減 比は大き く な る

ま り

メン ト比 が小さい ほ ど乾燥に よ る影 響 が大きい こと を示 してい る。 し か し, 水セ メ ン ト比 50 % と

65

%で は

P −

Q

関係は ほ ぼ 同

で あ る と み な さ れ る と 思 わ れ る

し た がっ て

水セメン ト比 がこの程度の 範囲内で あ れ ば, 水セ メ ン ト比に無関係に 同

P

Q

関 係 を設 定し ても実 用 上は十 分と考え られ る。  6

3 階段 状の乾 燥を受ける場 合 (シリ

ズ4)  本 実験の よ うに 2段 階の乾 燥 を 受ける場 合の乾 燥 度

P

お よび終 局 結 合 水 量 低 減 比

Q

(3)

(8)式の定 義 よ り, 次 式で表され る

G

2

2

 

 

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

 

 

 

 

ー          

1

         

0

Φ

0

0

5

1

0

1

5

       乾      燥      度      P       (c ) 水セ メント比 WIC

40% 図

9 矩形 状の乾 燥 を 受 け た 場 合の P

−Q

の関 係

(9)

        Wel       We3 P

=ln

      十ln      ωθ1

△Wdl        ωε3

△Was ・一 ・

 

1

た だ し

添字の 1

3は材令 1

3日に お けるそれぞれ の 値 を示 す

  次に,実測 よ り得ら れ た

P −

Q

関係を図

10に示した。 図 中の  印お よび実線は矩 形状の単発の乾燥を受けた時 の

P −

Q

関係を示す もの であ る (乾燥 時の 材 令は κ

1 日)

本 実 験の 目的は, 前 述し た よ う に, 矩形 状の単 発 の乾 燥 を受けた場 合の

P −

Q

関 係 を 連 続 的な乾燥を受け る場 合の P

Q

関 係へ 適 用で きるか ど う か を確め ること に ある。 い い かえれば,

Q

につ いて, (

15

)式の よ う な 重ね合わせ の法 則が な り たつかどう か, よ り具体 的にい え ば

本 実 験の よ うに

材 令 1日 と 3日 に おいて任意の 組み合わ せの乾 燥の程 度 を 与え て も,

P

Q

と の関係 は

義 的に同

の線 上にるこ と を確か め ることであ る

10に よれ ば

実 験誤差は当然含ま れて い る と 思わ れ るが,そ れ でも,実 用 的にほ ぼ 同

の直線上に乗っ て いると思 われる。 また

水セメ ン ト比が65% と同じ で ある図

9(a)と図

10で は

,P −

Q

関係は若 干 後 者 の方がこう配が小さいが, ほぼ同じ直 線関係を示 し てい る と見て よい と思 う (両 者は実 験 時 期 が 異なっ て お り, セ メ ン トの種 類

手 順 等の違い による誤 差に よって多少 異なっ た実 験 結 果が得 られ るの はむし ろ当然 と 思わ れ

o

2

5

2

O

1

5

z

1

o

o

5

  

0

       

0

5

      

1

0

      

1

5

      車乞     燥      度      P 図

10 矩形 状お よ び階段 状の乾 燥 を受け た場合の P

−Q

関 係 る}。

 

以上の実 験 結 果よ り, 矩 形状の単発の乾 燥を受 けた場 合の P

Q

関 係 を用い て任意燥 を受 け る 場 合

Q

が 推 定できることが わ か る。  7

あ と がき

 

本 論におい て 以 下要約るよ うな仮 定, もし く は 概 念の導 入が行われ かつ そ れ ら の妥 当 性につ い て実 験 的な検討が行わ れ た

 

  完 全 結 合 水 量の か わ りに合 水 量 を用いた

 

  結 合 水 量の進 行 速 度 を表す式と し て

終 局 結 合 水量 を終 局値と す る 2次の反 応 速 度 式を ア ナロジ

的に用い た

 

  あ る時刻における乾 燥の程 度の

AP

(脱 水 量のその時 点で の蒸 発 可 能 水)と して表し た

 

  乾燥による影 響は乾 燥の程 度対 応して終 局 結 合 水 量 が低 減さ れ る とし た

 

  ある時 刻 τ に お け る乾燥の程度の増 分 AP に よ る 結 合 水 量の低 減量 △W 毎をそれ結 合 水 量の終 局 増加 分で無 次 元 化して

こ れ を終 局結合水量低 減 比 増 分

AQ

と名付けた

 

  任意の乾 燥 履 歴に よる終 局結 合水量の低 減量

刻 刻に お け る乾燥ア タッ クによる結 合 水 量低減増分 量の総 和で ある

重ね合わ せ の法 則

と し た

 以上 を用い

  乾 燥 を 受け ない 場合の結 合 水量の進 行 を表 す (5 )式,   乾燥に よ る終局 結 合水量の低 減 を 表 す P

Q

関 係 (10 )式 を決 定す るこ と に よ り

乾燥 過 程 下にある水 和の進 行が定 量 的に推 定で きること を示 し た

また,   ,   と もその決 定 手 順は比較的単純で あり, 十 分 実 用 性に耐え得るもの と考え ら れ ること か ら も本論の 目的に適っ て い る

  参 考 文献  1) 大井 孝和 :コ ン ク リ

ト供 試体に お け る セ メン トの水和     の進 行とコ ン ク リ

ト強 度 発 現の関 係

日本 建 築 学 会論     文報告集

第343号

昭 和59年9月

 2) Powers

 T

 C

& Brownyard

 T

 

L.

Studies

 of the     physical  properties of Hardened Portland Ce皿ent

    Paste

 Part 6 Relations of Physical Characteristic of the

    Paste

 to Compressive Strength

 J

 of  A

 C

1

Vel

18

    No

7

 March

1g47

 3) 関 慎 吾

笠原 清

栗 山 武 雄

河 角 誠: セ メ ン トの

    水和進行率か ら求ま るコ ン ク リ

トの有効セ メン ト水比

    と 圧縮 強 度との関 係につ い て

土木 学 会論 文集 第 工46

    昭和42年10月

 4) Batant

  Z

 P

:Viscoe且asticity of Solidifying Porous

    Materia且

Concrete

 

J.

 of the Engineering Mechanics

    EM6

 Dec

1977  5>河角 誠

関 慎 吾

笠原 清

栗 山武 雄 ; セ メ ン トの     水 和 と内 部 水の粘 性か ら み たコ ンク リ

トの ク リ

プ特     性

土木学会論文集 第321号

昭 和57年5月  6) 永 松 静 也

佐 藤 嘉 昭 ;水 和 過 程に あ るコ ンク リ

トのク     リ

プ 関 数t 日本 建 築 学 会 論 文 報 告 集

第344号

昭和

一 29 一

(10)

7

8

59年lo月

Pewers

 T

C

& Brownyard

 T

L

;Studies of the

Physical Propertles of 

Hardened

 

PoTtland

 

Cement

Paste

 Part 2 Studies of Water Fixation

 

J.

 of  A

 C

1

Vol

18 No

3 Nov

1946 友 沢 史 紀 :セメ ン トの水 和 反応モデル

セメ ン ト技 術 年 報 IXVM

昭和49年 ) 9 10)

Baiant

 Z

P

:Censtitutive Equation for Concrete

Creep

 and  

Shrinkage

 

Based

 on 

Thermodynamics

 of

Multiphase Systems

 Materiaux et  Constructien

 Vol

3

No

13

1970 永松 静 也

竹 田 吉 紹

佐藤嘉 昭 :若 材 令 時 よ り乾燥を受 ける モ ル タル の水 和お よ び強 度に関 す る 研究

セメ ン ト 技 術 年 報38

昭 和59年5月

SYNOPSIS

UDC  691

32 :691

53 :691

54

         

MATHEMATICAL

 

EXPRESSION

 

FOR

 

HYDRATION

 

PROCESS

 

OF

       

CEMENT

MORTAR

 

ALLOWED

 

TO

 

DRY

by Dr

 SE■Kl NAGAMATSU

 Professor of  Oita U血v

YOSHF

  TSUGU  TAKEDA  Assoc

 Prefessor qf Nishi皿ippon Insti

  tute of  Technology

 and  Dr

 YOSHIILKI STO

 Lecturer

  of Oita Univ

Members of A

1

 

J.

 In this paper

 we  suggested  an eq 皿ation  which  represents  the 

hydration

 

process

 o 正 cement

morthr  under  any

表 一 1 調 合 表 セ   メ   ン   ト 水 砂 a 1 0 ・ 65 2 . 0 b 1 O ・ 50 1 ・ 5 C 1 0 ・ 4Q 1 ・ 32 (重 量 比 ) の 3 要 因 と す る 。 図 一3 に 相 当 。   シ リ ー ズ 4 : 図 一 5 に 示 す プ ロ グ ラ ム で の 矩 形 状 お よ び 階段 状 の 乾 燥 を 与 え た 場 合 の 終 局 結 合 水 量 の 測 定 。 水 セ メ ン ト比 は 65 % の 一 種 類 。 な お , 脱 型 直

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者は買受人の所有権取得を争えるのではなかろうか︒執行停止の手続をとらなければ︑競売手続が進行して完結し︑