骨材を用いたコンクリートの物質浸透特性

(1)

論文 CaO ・ Al

₂

O

₃

骨材を用いたコンクリートの物質浸透特性

伊藤慎也

^*1

・盛岡実

^*^２

・中西縁

^*3

・伊代田岳史

^*4

要旨：カルシウムアルミネートの一種である

CaO・Al₂O3

を骨材として使用したセメント硬化体について，セメント種別の基礎物性および簡易透水試験による物質浸透性の検証を行った。その結果，CaO・Al

₂O₃

骨材を用いたコンクリートの強度特性とコンクリートの吸水特性とには相関が認められず，CaO・Al

₂O₃

骨材表面部の反応により生成するハイドロカルマイトやフリーデル氏塩の生成量が物質浸透性に関係している可能性が示唆された。また，これら水和物の生成には，Ca(OH)

₂

生成量や塩化物イオンの存在が影響する。

キーワード：カルシウムアルミネート，骨材，遷移帯，塩化物イオン，フリーデル氏塩

1.

はじめに

日本は海に囲まれた島国であり，特に沿岸部のコンクリート構造物においては塩害による劣化が多く報告されている。近年では，コンクリートの塩害劣化を引き起こす元となる可溶性塩化物イオンをコンクリート内部で化学的に固定化し，無害化する技術としてカルシウムアルミネート系の材料が開発され，多くの研究成果が報告されている。中でも，カルシウムアルミネートの一種である

CaO・2Al₂O3

（以下，CA

₂

）は，ポルトランドセメントと混和することにより，セメント水和物である

Ca(OH)2

（以下，CH）と反応してハイドロカルマイトを

生成し，コンクリート中に浸入してきた塩化物イオンをフリーデル氏塩として固定化することや，塩化物イオンの拡散係数を小さくする効果をもたらすことが報告されており

¹⁾^～⁴⁾

，既にモルタル製品やコンクリート用の混和材としての実用化が進められている。当該材料は，硬化体中のセメントペースト部分の改質を目的とした技術といえるものである。一方で，モルタルやコンクリートには，骨材とセメントペーストとの間に遷移帯と呼ばれるポーラスな脆弱層が存在する

⁵⁾^－⁷⁾

。この遷移帯は，CH の積層や直径

50ｎm

以上の粗大な空隙を含む欠陥部分となり得ることや，その厚さは水セメント比によって変化し，特に水セメント比が高い場合に，塩化物イオンをはじめとする劣化要因物質の硬化体内部への拡散移動が大きくなることが加藤らの研究

⁶⁾^－⁷⁾

により明らかとなっており，コンクリート構造物の劣化を防止するためには遷移帯部分の改質も重要であると言える。

筆者らは，カルシウムアルミネートがセメント水和物の

CH

と反応してハイドロカルマイトを生成して緻密化することや，塩化物イオンが作用する場合にはフリーデル氏塩を生成して緻密化することに着目し，

CaO・Al₂O3

（以下，CA）を主成分とする骨材（以下，CA 骨材）を

用いた場合の遷移帯改質効果について検討を進めてきた。

その結果，普通セメントを用いたモルタル・コンクリートに適用した場合，骨材表層部が反応することで遷移帯部分にハイドロカルマイトやフリーデル氏塩等の水和物を生成することを確認し，緻密化による遷移帯改質の可能性を見出している

^8)-9)

。

そこで，本研究では

CA

骨材を用いたコンクリートについてセメント種別の基礎物性を把握するとともに，遷移帯改質効果の確認を目的として，簡易透水試験による物質透過性の検証を行った。

2.

実験概要

2.1

使用材料

(1)

セメント

本研究におけるセメントは，いずれの試験においても普通ポルトランドセメント（以下，OPC）および低熱ポルトランドセメント（以下，LPC）を用いた。

(2)

骨材

表－1 に，本研究において使用した

CA

骨材の主要な化学成分および密度を示す。また，図－1 に

CA

骨材の外観を示す。

CA

骨材は最大粒径

20mm

の粗骨材であり，

JIS A 5005

に規定される粒度分布の範囲内となるよう調

製した。また，比較用の粗骨材として大分県津久見市青江胡麻柄山系の石灰石砕石（以下，天然骨材）を用いた。

図－2 に本研究において使用した粗骨材の粒度分布を示す。なお，細骨材には千葉県君津市法木産の山砂を使用した。

2.2

供試体の調製

(1)

ペースト供試体

表－2 にペースト配合を示した。本研究においては，

CA

骨材の反応性の違いを考察するため，ペースト試験においては

CA

骨材を予めポッドミルで粉砕して粉末化

*1

デンカ株式会社青海工場セメント・特混研究部先任研究員（正会員）

*2

デンカ株式会社青海工場セメント・特混研究部部長博士（工学）（正会員）

*3

芝浦工業大学工学部土木工学科

*4

芝浦工業大学工学部土木工学科教授博士（工学）（正会員）

コンクリート工学年次論文集，Vol.39，No.1，2017

(2)

したものを用いた。

50mass％とし

て練混ぜを行った

成水和物に与える影響を確認するため

水道水と

3％濃度の

(2) コンクリート供試体

表－3 にコンクリート配合を示した。コンクリート試験においては

れの配合においても細骨材には天然骨材を使用した。

まり，CA 細骨材の影響を受けない条件で実験検討を行った。なお

G2

と表記した。

度の

NaCl

水溶液も用い体も作製した。

2.3

試験項目および測定方法

(1) CA

骨材の反応性検証

セメント種別での確認するため同定を行った。なお

び

7

日とした。ペースト供試体はまで封緘養生を施し

(2) コンクリートの基礎物性

コンクリートの基礎物性としては確認としてJIS A 5308

の測定を行った。また

した圧縮強度の測定を行った。なおは20℃封緘養生とし

(3) 物質透過性の検証

CA骨材の使用によって遷移帯改質効果がある場合

ンクリート内部への物質浸透性

た。そこで，

リート内部への水の浸透に与える影響を確認した。簡易透水試験では

ら5cm分を切断して取り除いたから厚さ5cm

に示すように供試体上面にプラスチックカップを設置し

No.

N NCA NCA

－

S

L LCA LCA－S

したものを用いた。いずれもとし，粉末化したて練混ぜを行った。なお

成水和物に与える影響を確認するため

％濃度の

NaCl

コンクリート供試体

にコンクリート配合を示した。コンクリート試験においては，粗骨材だけの影響を確認

れの配合においても細骨材には天然骨材を使用した。

細骨材の影響を受けない条件で実験検討を行なお，表中には，

と表記した。なお練混ぜ水には上水道水の他に水溶液も用い

体も作製した。

試験項目および測定方法骨材の反応性検証

セメント種別での時間経過に伴う水和生成物の変化を確認するため，粉末

X

線回折

同定を行った。なお，測定した。ペースト供試体はまで封緘養生を施し，試験直前に粉砕し

コンクリートの基礎物性コンクリートの基礎物性としては

JIS A 5308

に準拠したスランプおよび空気量の測定を行った。また，強度特性として

した圧縮強度の測定を行った。なお封緘養生とし，測定材齢は物質透過性の検証

骨材の使用によって遷移帯改質効果がある場合ンクリート内部への物質浸透性

，簡易透水試験により粗骨材の違いがコンクリート内部への水の浸透に与える影響を確認した。簡易

ではφ10×20cm 分を切断して取り除いた

5cmに切断したものを供試体として

に示すように供試体上面にプラスチックカップを設置し

セメント

OPC

LPC

いずれもペーストの粉末化した

CA

骨材を外割で

。なお，塩化物イオンの供給有無が生成水和物に与える影響を確認するため

NaCl

水溶液を使用した。

コンクリート供試体

にコンクリート配合を示した。コンクリート試だけの影響を確認

れの配合においても細骨材には天然骨材を使用した。

細骨材の影響を受けない条件で実験検討を行

，天然粗骨材を

なお練混ぜ水には上水道水の他に水溶液も用い，内在塩分のある状態での供試

試験項目および測定方法骨材の反応性検証

時間経過に伴う水和生成物の変化を線回折法（XRD

測定材齢は，練混ぜ前

した。ペースト供試体は，所定の材齢に達する試験直前に粉砕し

コンクリートの基礎物性コンクリートの基礎物性としては，

に準拠したスランプおよび空気量強度特性として

した圧縮強度の測定を行った。なお，

測定材齢は28日および

骨材の使用によって遷移帯改質効果がある場合ンクリート内部への物質浸透性に影響が出るものと考え

簡易透水試験により粗骨材の違いがコンクリート内部への水の浸透に与える影響を確認した。簡易

20cmの円柱供試体

分を切断して取り除いた上で，残った部分の上端ものを供試体として

に示すように供試体上面にプラスチックカップを設置し

W/C (%)

s/a (%)

50 48

ペーストの水セメント比は骨材を外割で

5％添加し

塩化物イオンの供給有無が生

，練混ぜ水には水溶液を使用した。

にコンクリート配合を示した。コンクリート試だけの影響を確認するため，

れの配合においても細骨材には天然骨材を使用した。

細骨材の影響を受けない条件で実験検討を行天然粗骨材を

G1，CA

骨材をなお練混ぜ水には上水道水の他に

3

内在塩分のある状態での供試

時間経過に伴う水和生成物の変化を

XRD）にて水和物の

練混ぜ前，1 日およ所定の材齢に達する試験直前に粉砕し，試験に供した。

フレッシュ性状のに準拠したスランプおよび空気量

強度特性としてJIS A 1108に供試体の養生方法日および56日とした。

骨材の使用によって遷移帯改質効果がある場合に影響が出るものと考え簡易透水試験により粗骨材の違いがコンクリート内部への水の浸透に与える影響を確認した。簡易の円柱供試体の打設面上端か

残った部分の上端ものを供試体として用い，図－

に示すように供試体上面にプラスチックカップを設置し

表－3

W

170

水セメント比は

％添加し塩化物イオンの供給有無が生練混ぜ水には上

にコンクリート配合を示した。コンクリート試

，いずれの配合においても細骨材には天然骨材を使用した。つ細骨材の影響を受けない条件で実験検討を行骨材を

3％濃

内在塩分のある状態での供試

時間経過に伴う水和生成物の変化を

）にて水和物の日およ所定の材齢に達する試験に供した。

フレッシュ性状のに準拠したスランプおよび空気量に準拠供試体の養生方法日とした。

骨材の使用によって遷移帯改質効果がある場合，コに影響が出るものと考え簡易透水試験により粗骨材の違いがコンクリート内部への水の浸透に与える影響を確認した。簡易の打設面上端か残った部分の上端

図－3 に示すように供試体上面にプラスチックカップを設置し

Al2

55.6

No.

各ふるいの通過率（%）

コンクリート配合単位量（

C

340

表－

化学成分（％）

2O3 CaO MgO

55.6 31.7

図－

No. W/C (%) 1

50 2

3 4 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

～5

各ふるいの通過率（%）

コンクリート配合単位量（kg／m

³

）

S G1

852

951

－

854

954

－

表－1 CA 骨材の化学成分化学成分（％）

MgO SiO2

4.2 4.6

図－1 CA 骨材外観

図－2 粗骨材の粒度分布

表－2 ペースト配合

セメント

OPC

LPC

5 10

ふるい目の大きさ（

G1 G2

951

－

1007

－

954

－

1010

－

骨材の化学成分化学成分（％）

FeO S 0.9 0.18

骨材外観

粗骨材の粒度分布

ペースト配合

CA

骨材

外割

5％

15 20

ふるい目の大きさ（mm）

天然骨材 CA

練混ぜ水

水道水

1007

3

％

NaCl

水道水

1010

3％NaCl

密度

(g/cm³) 0.18 2.89

練混ぜ水

水道水

3％NaCl

水道水

3％NaCl

25 天然骨材 CA骨材

練混ぜ水

水道水

NaCl

水溶液水道水

NaCl

水溶液

(3)

た中に100ccの水を入れ，所定の時間ごとに供試体重量を測定し，その重量増加分を試験前の供試体重量で除すことで吸水率を求めた。なお，供試体は材齢28日まで封緘養生を施し，その後7日間40℃の環境下で強制的に乾燥させ，乾燥による質量減少量が全体質量の1％以下になったことを確認した上で試験に供した。

3.

結果と考察

3.1 CA

骨材の反応性

図－4～図－7 に，各種ペースト供試体における時間経過別の

XRD

パターンを示す。練混ぜ水に水道水を用いた図－4 および図－6 においては，練混ぜ前には

CA

のピークが確認されるものの，時間の経過に伴いそのピークが減少し，代わりにハイドロカルマイト（図中は

HC

と表記）が生成していることが分かる。また，図－5 およ

び図－7 に示す

3％NaCl

水溶液で練混ぜた場合において

は，水道水で練混ぜた場合と同様に，練混ぜからの時間経過に伴い

CA

のピークが減少しているが，ハイドロカルマイトは確認されず，フリーデル氏塩（図中は

F

塩と表記）のみ確認されている。これらは，式(1)および式(2) に示す理論式の反応が起こっているためと考えられ，水和生成物としてはセメントの種類による影響は確認されない。従って，既往の研究

^8)-9)

のとおり

CA

骨材自身が水和反応する材料特性を保有しており，セメント水和物として

CH

が供給される条件下ではハイドロカルマイトが生成し，更に塩化物イオンが存在する場合にはフリーデル氏塩が生成して塩化物イオンを固定化することができ，その反応自体はセメントの種類に関わらず一様に行われるものと考える。ただし，セメントの種類によって生成された水和物の

XRD

ピーク強度には差が認められることから，

CA

骨材の反応量はセメント由来の

CH

供給量に応じて変化するものと推察される。

O H OH Ca O Al CaO

2 2 3

2

2 2 3

2

12 ) ( 3

10 ) ( 3

・

→

+

(1)

図－3 簡易透水試験概要

100mm

50mm 63mm

コンクリート供試体水（100cc）

88mm

プラスチックカップ

図－4 XRD（配合 No.1 OPC-水道水）

図－5 XRD（配合 No.2 OPC-NaCl 水溶液）

図－6 XRD（配合 No.3 LPC-水道水）

図－7 XRD（配合 No.4 LPC-NaCl 水溶液）

：CA ：CH ：HC

1日

7日練混ぜ前

2θ（°）

強度

2θ（°）

強度

1日

7日練混ぜ前

：CA ：CH ：F塩

2θ（°）

強度

1日

7日練混ぜ前

：CA ：CH ：HC

2θ（°）

強度 1日

7日練混ぜ前

：CA ：CH ：F塩

(4)

−

+

→

+ + +

OH O H CaCl O Al CaO

Cl O H OH Ca O Al CaO

2 11 3

2 9 ) ( 3

2 2 3 2

2 2 3

2

・

・ (2)

3.2

コンクリートでの評価

(1)

フレッシュ性状

フレッシュ性状の測定結果を表－4 に示す。減水剤および

AE

助剤の添加量を一定とした場合，OPC では

CA

骨材の使用に伴いスランプが減少する傾向が認められた。

一方で，LPC 配合においては同様な傾向が認められず，

CA骨材配合のスランプはL

と同等かそれ以上を示した。

本研究においては，プレウエッティングした

CA

骨材をコンクリートの練混ぜを行う直前に表面乾燥状態に調製して使用しているにも関わらず，セメントの種類によってフレッシュ性状に違いが認められていることとなり，

その原因としては骨材の形状や表面水による影響が除外できる。CA 骨材の実用化にあたっては，適切なフレッシュ性状の確保が重要となるため，CA 骨材とセメント由来成分との相互作用などの検証を行う必要があり，これについては今後の課題である。

(2)

強度特性

図－8 に材齢

28

日と

56

日の各配合における圧縮強度測定結果を示す。OPC をベースとした配合においては，

CA

骨材を用いることで圧縮強度が増加する傾向が認められ，材齢

28

日，

56

日ともに

NCA

配合が最も高い強度を示した。天然骨材を使用した

N

配合とは粗骨材以外の配合条件が全く同じであることから，この強度特性の違いは

CA

骨材に起因していることが明らかであり，前述の式(1)および(2)に示す

CA骨材の水和反応によってハイ

ドロカルマイトおよびフリーデル氏塩を生成したことが影響しているものと推察される。表－5 に，CA，CH，

ハイドロカルマイトおよびフリーデル氏塩の密度を示した。これを元に式(1)と式(2)の体積変化を算出すると，固相の体積増加率がいずれも

182％となり，骨材表面部の

体積が大幅に増加することを意味している。このため，

CA

骨材が反応したことにより，骨材周辺の固相体積が増加することで緻密化し，それが圧縮強度の増加に繋がったものと推察される。一方，LPC をベースとした配合においては，CA 骨材の使用による強度増進効果が認められない結果となった。CA 骨材自身の反応そのものはセメントの種類によらず一様であることが確認されていることから，セメント由来の

CH

供給量の違いが，骨材表面に生成するハイドロカルマイトやフリーデル氏塩の絶対量に影響を及ぼし，強度特性に差が認められるほどの緻密化効果が得られなかった可能性が考えられる。これについては，コンクリート内部，特に骨材界面付近での組織構造や，空隙量などとの関連も併せ，今後の検証が必要と考える。

(3)

物質浸透性

CA

骨材の使用により，その反応性から骨材表面部にハイドロカルマイトやフリーデル氏塩などの水和物を生成しているものと考えられ，それがコンクリート硬化体内部の緻密化に寄与している可能性が考えられた。そのため，CA 骨材の使用有無が実際の物質浸透性に与える影響を検証するため，簡易透水試験を実施した。測定材齢は

30

時間までとし，各コンクリート供試体の吸水率を物質浸透性の評価指標とした。図－9 に

OPC

配合における吸水率の経時変化を示す。また，セメントの種類がコンクリートの吸水率に与える影響として，図－10 に材齢

30

時間時点の

CA

骨材を用いた配合におけるコンクリートの吸水率を示す。図－9 より，OPC 配合においては，

試験開始から材齢

30

時間の段階で，天然骨材を用いた

N

配合と比較して，

CA

骨材を用いた

NCA

配合では約

25％，

NCA-S

配合では約

50

％の吸水率低下が認められている。

表－4 フレッシュ性状

No．

減水剤

AE

剤

C×%

スランプ

（cm）

空気量

（％）

N

C×0.5%

0.002 7.5 4.7

NCA 3.5 4.4

NCA-S 0.0016 4.0 5.4

L

0.002 10.0 3.2

LCA 13.0 3.2

LCA-S 0.0016 10.0 4.7

図－8 圧縮強度

表－5 化合物の密度

密度（g／cm

³

）

CA 2.95

CH 2.24

ハイドロカルマイト

2.02

フリーデル氏塩

2.09 0

10 20 30 40 50 60

N NCA NCA-S L LCA LCA-S

圧縮強度（N/mm2)

材齢28日材齢56日

(5)

一方で，材齢高い値を示しておりが認められないる。まず，式

部で起こったことによりデル氏塩が生成し

の遷移帯部分が緻密化されりも

NCA

配合および

の吸水率が小さくなったものと推察される。またの研究

¹⁰⁾

において

させた場合，

でも塩化物イオンが作用した場合に生成することが報告されている。

ンが存在する環境下においては式(3)に示す反応が起きているもの

3 ( 4

CaO CaO

→

表－5 に示す水和物密度および

g/cm³

を用いて当該反応における固相の体積増加率を算出すると

220

ととなる。ただし

はセメントから供給される骨材の外側表面

るが，式(3)

あり，直接的には遷移帯と推察される

おいては式(2)

の反応による骨材表層部の緻密化

でコンクリートの吸水率が低下したものと推察される。

CA

骨材の吸水率は

試体を乾燥状態にした上で試験を開始している

材自身の吸水が簡易透水試験で得られるコンクリートの吸水率に影響を及ぼすものと考える。従って

骨材表層部の緻密化がるコンクリートの吸水率れる。また，

水率に大きな差が認められていることが分かる。これは図－8 で示した

の緻密性の違い

起因するものと推察した。

これは既往の文献いて強熱減量分を補正した。図－12

に少ないことが分かる

多量の

CA

骨材を用いているため，式（

カルマイトが生成する反応は

材齢

28

日の圧縮強度としては高い値を示しており，圧縮強度と

が認められない。この原因としては以下のように考察す式(1)および式(2)

部で起こったことにより

ル氏塩が生成し，それらの体積増加によって骨材界面の遷移帯部分が緻密化され

配合および

NCA

の吸水率が小さくなったものと推察される。またにおいて

CA

骨材自身を

，セメント由来の塩化物イオンが作用した場合にすることが報告されている。

ンが存在する環境下においてはに示す反応が起きているもの

20 )

3 2

CaCl O Al CaO

O Al CaO

・

・ +

に示す水和物密度および

を用いて当該反応における固相の体積増加率を算

220％となり，式

ただし，図－11 はセメントから供給される

骨材の外側表面部，すなわち，遷移帯

(3)の反応は主に

直接的には遷移帯と推察される。従って，NCA

(2)の反応による遷移帯部分の緻密化

による骨材表層部の緻密化

でコンクリートの吸水率が低下したものと推察される。

骨材の吸水率は

0.5％程度だが

試体を乾燥状態にした上で試験を開始している

材自身の吸水が簡易透水試験で得られるコンクリートの吸水率に影響を及ぼすものと考える。従って

骨材表層部の緻密化が

NCA

コンクリートの吸水率

，図－10 より

水率に大きな差が認められていることが分かる。これはで示した圧縮強度の違い

違い）に加えものと推察した。

往の文献

⁴^）

をもとにいて強熱減量分を補正し

12 より，LPC はことが分かる。

骨材を用いているため，式（

カルマイトが生成する反応は

日の圧縮強度としては圧縮強度と吸水率

の原因としては以下のように考察す

(2)に示す反応が

部で起こったことにより，ハイドロカルマイトとフリーそれらの体積増加によって骨材界面の遷移帯部分が緻密化され，天然骨材を用いたＮ配合よ

NCA-S

配合におけるコンクリート

の吸水率が小さくなったものと推察される。また骨材自身を

3%NaCl

セメント由来の

CH

が供給されない条件下塩化物イオンが作用した場合には

することが報告されている。すなわちンが存在する環境下においては，CA 骨材に示す反応が起きているものと考えら

11 2 20

2 2 2

O H CaCl

Cl O H

・ + + ⁻

に示す水和物密度および

Al₂O₃

・

を用いて当該反応における固相の体積増加率を算式(2)と同様に

11 に模式的に

はセメントから供給される

CH

との反応であるため

，すなわち，遷移帯

主に

CA

骨材の内側で起こる反応直接的には遷移帯部分の改質には寄与しないもの

NCA-S

配合中のの反応による遷移帯部分の緻密化

による骨材表層部の緻密化の双方が寄与することでコンクリートの吸水率が低下したものと推察される。

％程度だが，簡易透水試験では供試体を乾燥状態にした上で試験を開始している

材自身の吸水が簡易透水試験で得られるコンクリートの吸水率に影響を及ぼすものと考える。従って

NCA

配合と

NCA

コンクリートの吸水率の差につながったものと推察さより，OPC 配合と

水率に大きな差が認められていることが分かる。これは圧縮強度の違い（セメントマトリックス

に加え，セメント由来のものと推察した。図－12 に

CH

をもとに，測定したいて強熱減量分を補正し，

CH

中の

CaO

は

OPC

よりも

。本研究では，セメントに比して骨材を用いているため，式（

カルマイトが生成する反応は

CH

量に依存す

日の圧縮強度としては

NCA

配合が最も吸水率との結果にの原因としては以下のように考察す

に示す反応が

CA

骨材の表面ハイドロカルマイトとフリーそれらの体積増加によって骨材界面天然骨材を用いたＮ配合よ配合におけるコンクリートの吸水率が小さくなったものと推察される。また，

3%NaCl

水溶液に浸漬が供給されない条件下フリーデル氏塩をすなわち，塩化物イオ骨材の表面部ではと考えられる。

) 3 (

3 Al₂O₃・H₂O

3

・

3H₂Oの密度

を用いて当該反応における固相の体積増加率を算体積膨張を示すこ示すとおり，式との反応であるため

における反応とな骨材の内側で起こる反応部分の改質には寄与しないもの

配合中の

CA

骨材表面にの反応による遷移帯部分の緻密化と，式

の双方が寄与することでコンクリートの吸水率が低下したものと推察される。

簡易透水試験では供試体を乾燥状態にした上で試験を開始しているため材自身の吸水が簡易透水試験で得られるコンクリートの吸水率に影響を及ぼすものと考える。従って，上述した

NCA-S

配合とにおけ

の差につながったものと推察さと

LPC

配合とで水率に大きな差が認められていることが分かる。これは

セメントマトリックスセメント由来の

CH

供給

CH

生成量を示す。

た

CH

生成量を用

CaO

含有割合を示しよりも

CH

生成量が大幅本研究では，セメントに比して骨材を用いているため，式（1）よりハイドロ量に依存すると考えら配合が最もに相関の原因としては以下のように考察すの表面ハイドロカルマイトとフリーそれらの体積増加によって骨材界面天然骨材を用いたＮ配合よ配合におけるコンクリート

，既往に浸漬が供給されない条件下フリーデル氏塩を塩化物イオの表面部では

) (3)

の密度

2.42

を用いて当該反応における固相の体積増加率を算

示すこ式(2) との反応であるため

CA

における反応とな骨材の内側で起こる反応で部分の改質には寄与しないもの骨材表面に式(3) の双方が寄与することでコンクリートの吸水率が低下したものと推察される。

簡易透水試験では供ため，骨材自身の吸水が簡易透水試験で得られるコンクリートの上述した配合とにおけの差につながったものと推察さとで吸水率に大きな差が認められていることが分かる。これは，

セメントマトリックス供給量に生成量を示す。

生成量を用含有割合を示し生成量が大幅本研究では，セメントに比して

）よりハイドロると考えら

0.5 1.5

吸水率（％）

0.5 1.5

吸水率（％）CH量（質量%)

図－

図－12

0

0.5 1 1.5 2

0 5

N NCA NCA-S

0 0.5 1 1.5 2

NCA

0 5 10 15

図－9 簡易透水試験結果（

図－10 セメント種別の吸水率比較

図－11 CA 骨材の反応模式図

12 セメント種別

10 15

経過時間（時間）

N NCA NCA-S

LCA

NPC

簡易透水試験結果（

セメント種別の吸水率比較

骨材の反応模式図

セメント種別 CH 生成量

15 20

経過時間（時間）

NCA-S

LPC

簡易透水試験結果（NPC）

セメント種別の吸水率比較

生成量

25 30

LCA-S

LPC

(6)

れる。従って，LCA 配合は

NCA

配合よりもハイドロカルマイトの生成量が必然的に少なくなり，遷移帯部分の緻密化効果が小さくなったものと推察される。また，

LCA-S

配合においては

CA

骨材自身の反応によって骨材

表層部の緻密化が起こったため，

LCA

配合よりも吸水率が小さくなったものと推察される。今後，コンクリート内部の空隙構造や骨材界面付近の組織構造に関する詳細調査が必要と考えるが，いずれにしても，CA 骨材の反応による水和物生成が物質の浸透性に影響を及ぼしている可能性が示唆された。

４. まとめ

カルシウムアルミネートを主成分とする

CA

骨材に関し，セメント種類別の反応性を検証するとともに，CA 骨材を使用したコンクリートについて，基本物性の確認と物質浸透性に与える影響について検証を行い，以下の結果を得た。

(1) CA

骨材は，セメントの種類によらず水和反応を示すことが確認された。ただし，CA 骨材を粗骨材として使用した場合のコンクリートにおいて，セメントの種類によって同一減水剤添加量におけるスランプ値に違いが認められた。

(2) コンクリートの強度特性において，OPC

配合では

CA

骨材の使用により圧縮強度が増加する傾向が認

められ，

LPC

配合においては

CA

骨材による強度増

進効果は認められなかった。

(3) OPC

配合，

LPC

配合ともに簡易透水試験における吸水率は圧縮強度との相関が認められなかった。これは，CA 骨材表面部でハイドロカルマイトおよびフリーデル氏塩を生成する緻密化反応と，塩化物イオン存在下における

CA

骨材自身の内部反応が並行して起こったためと推察した。

(4) セメントの種類によって，コンクリートの吸水特性

に違いが認められた。これは圧縮強度の違いによる硬化体マトリックスの違いに加え，セメント由来の

CH

生成量に起因するものと推察した。

参考文献

1)

盛岡実ほか：セメント混和材及びそれを用いたセメント組成物，特開

2005-104828

号公報（2005.4）

2)

盛岡実ほか：CaO･2Al

₂O₃

の塩化物イオンの拡散抑制効果とその機構，土木学会コンクリート技術シリーズ No.89，混和材料を使用したコンクリートの物性変化と性能評価研究小委員会(333委員会)報告書

No.2，pp.443-448（2010.5）

3)

田原和人ほか：CaO･2Al

₂O3

を混和したセメント硬化体の塩化物イオン固定化挙動，セメント・コンクリート論文集，No. 64，pp. 428-434(2011.2)

4)

田原和人ほか：CaO・2Al

₂O₃

を混和した種類の異なるセメント硬化体の水和挙動及び塩化物イオン固定化能力，セメント・コンクリート論文集，

No. 65，

pp.427-434

（

2012.2

）

5)

新宮康之，宮川豊章，服部篤史，井上晋，藤井学，

川東龍夫：コンクリート中の骨材界面組織が物質透過性に与える影響，土木学会年次学術講演概要集，

第5部，Vol.49，p.468-469（1994.9）

6)

加藤佳孝，魚本健人：構成材料の空間的特性を考慮したコンクリートの有効拡散係数の予測モデル，コンクリート工学論文集，

Vo.16，No.1，pp.11-21

（2005.1）

7) KATO Y., UOMOTO T.

：

Modeling of Effective Diffusion Coefficient of Substances in Concrete Considering Spatial Properties of Composite Materials, Journal of Advanced Concrete Technology., Vol.3 No.2 pp.241-251 (2005.7)

8)

伊藤慎也，

庄司慎，盛岡実，伊代田岳史

：CaO ・Al2O3 骨材の塩化物イオン浸透抑制効果とその機構，コンクリート工学年次論文集, pp939-944（2016.7）

9)

骨材を用いたコンクリートの物質浸透特性

論文 CaO ・ Al

O

骨材を用いたコンクリートの物質浸透特性

伊藤 慎也

・盛岡 実

・中西 縁

・伊代田 岳史

要旨： カルシウムアルミネートの一種である

を骨材として使用したセメント硬化体について，セ メント種別の基礎物性および簡易透水試験による物質浸透性の検証を行った。その結果，CaO・Al

骨材を 用いたコンクリートの強度特性とコンクリートの吸水特性とには相関が認められず，CaO・Al

骨材表面部 の反応により生成するハイドロカルマイトやフリーデル氏塩の生成量が物質浸透性に関係している可能性が 示唆された。また，これら水和物の生成には，Ca(OH)

生成量や塩化物イオンの存在が影響する。

キーワード：カルシウムアルミネート，骨材，遷移帯，塩化物イオン ，フリーデル氏塩

はじめに

（以下，CA

）は，ポルトランドセメン ト と 混 和 す る こ と に よ り ， セ メ ン ト 水 和 物 で あ る

（以下，CH）と反応してハイドロカルマイトを

生成し，コンクリート中に浸入してきた塩化物イオンを フリーデル氏塩として固定化することや，塩化物イオン の拡散係数を小さくする効果をもたらすことが報告され ており

。この遷移帯は，CH の積層や直径

により明らかとなっ ており，コンクリート構造物の劣化を防止するためには 遷移帯部分の改質も重要であると言える。

筆者らは，カルシウムアルミネートがセメント水和物 の

と反応してハイドロカルマイトを生成して緻密化 することや，塩化物イオンが作用する場合にはフリーデ ル氏塩を生成して緻密化することに着目し，

（以下，CA）を主成分とする骨材（以下，CA 骨材）を

用いた場合の遷移帯改質効果について検討を進めてきた。

。

そこで，本研究では

骨材を用いたコンクリートに ついてセメント種別の基礎物性を把握するとともに，遷 移帯改質効果の確認を目的として，簡易透水試験による 物質透過性の検証を行った。

実験概要

使用材料

セメント

本研究におけるセメントは，いずれの試験においても 普通ポルトランドセメント（以下，OPC）および低熱ポ ルトランドセメント（以下，LPC）を用いた。

骨材

表－1 に，本研究において使用した

骨材の主要な 化学成分および密度を示す。また，図－1 に

骨材の 外観を示す。

骨材は最大粒径

の粗骨材であり，

に規定される粒度分布の範囲内となるよう調

製した。また，比較用の粗骨材として大分県津久見市青 江胡麻柄山系の石灰石砕石 （以下， 天然骨材）を用いた。

図－2 に本研究において使用した粗骨材の粒度分布を示 す。なお，細骨材には千葉県君津市法木産の山砂を使用 した。

供試体の調製

ペースト供試体

表－2 にペースト配合を示した。本研究においては，

骨材の反応性の違いを考察するため，ペースト試験 においては

骨材を予めポッドミルで粉砕して粉末化

デンカ株式会社 青海工場 セメント・特混研究部 先任研究員（正会員）

デンカ株式会社 青海工場 セメント・特混研究部 部長 博士（工学） （正会員）

芝浦工業大学 工学部 土木工学科

芝浦工業大学 工学部 土木工学科 教授 博士（工学） （正会員）

したものを用いた。

て練混ぜを行った

成水和物に与える影響を確認するため

水道水と

表－3 にコンクリート配合を示した。コンクリート試 験においては

れの配合においても細骨材には天然骨材を使用した。

まり，CA 細骨材の影響を受けない条件で実験検討を行 った。なお

と表記した。

度の

水溶液も用い 体も作製した。

試験項目および測定方法

骨材の反応性検証

セメント種別での 確認するため 同定を行った。なお

び

日とした。ペースト供試体は まで封緘養生を施し

コンクリートの基礎物性としては 確認としてJIS A 5308

の測定を行った。また

した圧縮強度の測定を行った。なお は20℃封緘養生とし

ンクリート内部への物質浸透性

た。そこで，

リート内部への水の浸透に与える影響を確認した。簡易 透水試験では

ら5cm分を切断して取り除いた から厚さ5cm

に示すように供試体上面にプラスチックカップを設置し

－

したものを用いた。いずれも とし，粉末化した て練混ぜを行った。なお

成水和物に与える影響を確認するため

％濃度の

コンクリート供試体

にコンクリート配合を示した。コンクリート試 験においては，粗骨材だけの影響を確認

れの配合においても細骨材には天然骨材を使用した。

伊藤慎也

・盛岡実

・中西縁

・伊代田岳史

要旨：カルシウムアルミネートの一種である

を骨材として使用したセメント硬化体について，セメント種別の基礎物性および簡易透水試験による物質浸透性の検証を行った。その結果，CaO・Al

骨材を用いたコンクリートの強度特性とコンクリートの吸水特性とには相関が認められず，CaO・Al

骨材表面部の反応により生成するハイドロカルマイトやフリーデル氏塩の生成量が物質浸透性に関係している可能性が示唆された。また，これら水和物の生成には，Ca(OH)

キーワード：カルシウムアルミネート，骨材，遷移帯，塩化物イオン，フリーデル氏塩

）は，ポルトランドセメントと混和することにより，セメント水和物である

生成し，コンクリート中に浸入してきた塩化物イオンをフリーデル氏塩として固定化することや，塩化物イオンの拡散係数を小さくする効果をもたらすことが報告されており

により明らかとなっており，コンクリート構造物の劣化を防止するためには遷移帯部分の改質も重要であると言える。

筆者らは，カルシウムアルミネートがセメント水和物の

と反応してハイドロカルマイトを生成して緻密化することや，塩化物イオンが作用する場合にはフリーデル氏塩を生成して緻密化することに着目し，

骨材を用いたコンクリートについてセメント種別の基礎物性を把握するとともに，遷移帯改質効果の確認を目的として，簡易透水試験による物質透過性の検証を行った。

本研究におけるセメントは，いずれの試験においても普通ポルトランドセメント（以下，OPC）および低熱ポルトランドセメント（以下，LPC）を用いた。

骨材の主要な化学成分および密度を示す。また，図－1 に

骨材の外観を示す。

製した。また，比較用の粗骨材として大分県津久見市青江胡麻柄山系の石灰石砕石（以下，天然骨材）を用いた。

図－2 に本研究において使用した粗骨材の粒度分布を示す。なお，細骨材には千葉県君津市法木産の山砂を使用した。

骨材の反応性の違いを考察するため，ペースト試験においては

デンカ株式会社青海工場セメント・特混研究部先任研究員（正会員）

デンカ株式会社青海工場セメント・特混研究部部長博士（工学）（正会員）

芝浦工業大学工学部土木工学科

芝浦工業大学工学部土木工学科教授博士（工学）（正会員）

表－3 にコンクリート配合を示した。コンクリート試験においては

まり，CA 細骨材の影響を受けない条件で実験検討を行った。なお

水溶液も用い体も作製した。

セメント種別での確認するため同定を行った。なお

日とした。ペースト供試体はまで封緘養生を施し

コンクリートの基礎物性としては確認としてJIS A 5308

した圧縮強度の測定を行った。なおは20℃封緘養生とし

リート内部への水の浸透に与える影響を確認した。簡易透水試験では

ら5cm分を切断して取り除いたから厚さ5cm

したものを用いた。いずれもとし，粉末化したて練混ぜを行った。なお

にコンクリート配合を示した。コンクリート試験においては，粗骨材だけの影響を確認

細骨材の影響を受けない条件で実験検討を行なお，表中には，

と表記した。なお練混ぜ水には上水道水の他に水溶液も用い

試験項目および測定方法骨材の反応性検証

セメント種別での時間経過に伴う水和生成物の変化を確認するため，粉末

同定を行った。なお，測定した。ペースト供試体はまで封緘養生を施し，試験直前に粉砕し

コンクリートの基礎物性コンクリートの基礎物性としては

に準拠したスランプおよび空気量の測定を行った。また，強度特性として

した圧縮強度の測定を行った。なお封緘養生とし，測定材齢は物質透過性の検証

骨材の使用によって遷移帯改質効果がある場合ンクリート内部への物質浸透性

，簡易透水試験により粗骨材の違いがコンクリート内部への水の浸透に与える影響を確認した。簡易

いずれもペーストの粉末化した

。なお，塩化物イオンの供給有無が生成水和物に与える影響を確認するため

にコンクリート配合を示した。コンクリート試だけの影響を確認

なお練混ぜ水には上水道水の他に水溶液も用い，内在塩分のある状態での供試

試験項目および測定方法骨材の反応性検証

時間経過に伴う水和生成物の変化を線回折法（XRD

した。ペースト供試体は，所定の材齢に達する試験直前に粉砕し

コンクリートの基礎物性コンクリートの基礎物性としては，

に準拠したスランプおよび空気量強度特性として

骨材の使用によって遷移帯改質効果がある場合ンクリート内部への物質浸透性に影響が出るものと考え

簡易透水試験により粗骨材の違いがコンクリート内部への水の浸透に与える影響を確認した。簡易

分を切断して取り除いた上で，残った部分の上端ものを供試体として

ペーストの水セメント比は骨材を外割で

，練混ぜ水には水溶液を使用した。

にコンクリート配合を示した。コンクリート試だけの影響を確認するため，

細骨材の影響を受けない条件で実験検討を行天然粗骨材を

骨材をなお練混ぜ水には上水道水の他に

練混ぜ前，1 日およ所定の材齢に達する試験直前に粉砕し，試験に供した。

フレッシュ性状のに準拠したスランプおよび空気量

強度特性としてJIS A 1108に供試体の養生方法日および56日とした。

骨材の使用によって遷移帯改質効果がある場合に影響が出るものと考え簡易透水試験により粗骨材の違いがコンクリート内部への水の浸透に与える影響を確認した。簡易の円柱供試体の打設面上端か

残った部分の上端ものを供試体として用い，図－

％添加し塩化物イオンの供給有無が生練混ぜ水には上

，いずれの配合においても細骨材には天然骨材を使用した。つ細骨材の影響を受けない条件で実験検討を行骨材を

）にて水和物の日およ所定の材齢に達する試験に供した。

フレッシュ性状のに準拠したスランプおよび空気量に準拠供試体の養生方法日とした。

骨材の使用によって遷移帯改質効果がある場合，コに影響が出るものと考え簡易透水試験により粗骨材の違いがコンクリート内部への水の浸透に与える影響を確認した。簡易の打設面上端か残った部分の上端

コンクリート配合単位量（