重量コンクリートの遮蔽性能に関する研究

２０１８年度 博士学位論文

重量コンクリートの遮蔽性能に関する研究

井 川 秀 樹

首都大学東京 都市環境科学研究科

目 次

第１章 序論 ··· 1

１．１ 研究の背景 ··· 2

１．２ 既往の研究 ··· 4

１．２．１ 重量コンクリートに関する既往の研究 ··· 4

１．２．２ 放射線遮蔽性能に関する既往の研究 ··· 5

１．２．３ 水分移動抵抗性に関する既往の研究 ··· 6

１．２．４ 自己治癒性能に関する既往の研究 ··· 8

１．３ 研究の目的 ··· 10

１．４ 研究の概要 ··· 12

参考文献【第１章】 ··· 14

第２章 重量コンクリートの放射線遮蔽性能の検討 ··· 21

２．１ はじめに ··· 22

２．２ X 線照射装置による試験方法の検討 ··· 23

２．２．１ 実験方法 ··· 23

（１）使用材料と調合 ··· 23

（２）試験体の概要 ··· 24

（３）X 線デジタル画像の撮影 ··· 25

（４）遮蔽率の評価方法 ··· 26

２．２．２ 実験結果および考察 ··· 28

（１）硬化コンクリートの性質 ··· 28

（２）X 線撮影結果および L 値の分布 ··· 29

（３）遮蔽率の測定結果 ··· 31

（４）線減弱係数 ··· 34

（５）質量吸収係数 ··· 35

２．３ 実物大試験体を用いた X 線透過デジタル画像による コンクリートの X 線遮蔽性能 ··· 37

２．３．１ 実験方法 ··· 37

（１）使用材料および調合 ··· 37

（２）試験体の概要 ··· 38

（３）X 線デジタル画像の撮影 ··· 38

（４）2 層明度分析によるコンクリート遮蔽率の評価方法 ··· 39

２．３．２ 実験結果および考察 ··· 42

（１）コンクリートの性質 ··· 42

（２）X 線撮影結果および L 値の分布 ··· 43

２．４ まとめ ··· 47

参考文献【第２章】 ··· 48

第３章 重量コンクリートの水分移動抵抗性の検討 ··· 49

３．１ はじめに ··· 50

３．２ 水分移動抵抗性に関する試験方法 ··· 51

３．３ 供試体を用いた性能検討に関する実験概要 ··· 53

３．３．１ 実験方法 ··· 53

（１）使用材料および調合 ··· 53

（２）コンクリートの練混ぜと供試体の製造 ··· 55

（３）表面透水試験方法 ··· 56

（４）細孔径分布の測定 ··· 56

３．３．２ 実験結果および考察 ··· 57

（１）フレッシュコンクリート ··· 57

（２）硬化コンクリートの試験結果 ··· 58

（３）表面透水試験結果 ··· 60

（４）重量コンクリートの細孔径分布の評価方法 ··· 63

（５）細孔径分布の測定結果 ··· 64

（６）細孔径分布の測定結果と表面透水性の関係 ··· 66

３．４ 実物大試験体を用いた性能検討に関する実験概要 ··· 69

３．４．１ 実験方法 ··· 69

（１）使用材料および調合 ··· 69

（２）試験体の製造方法 ··· 70

（３）表面透水試験方法 ··· 72

（４）コアの採取および諸物性試験 ··· 73

（５）細孔径分布の測定 ··· 73

３．４．２ 実験結果および考察 ··· 73

（１）フレッシュコンクリート ··· 73

（２）表面透水試験結果 ··· 74

（３）コア供試体の諸物性 ··· 78

（４）細孔径分布の測定結果 ··· 83

３．５ まとめ ··· 86

参考文献【第３章】 ··· 89

第４章 重量コンクリートの自己治癒性能の検討 ··· 93

４．１ はじめに ··· 94

４．２ コンクリートの自己治癒性能に関する国内外の研究内容 ··· 95

４．２．１ 自然治癒に関する研究内容 ··· 95

４．２．２ 自律治癒に関する研究内容 ··· 99

４．２．３ 自動修復・その他に関する研究内容 ··· 106

４．３ 蒸気養生方法が自己治癒性能に与える影響について ··· 109

４．３．１ 実験方法 ··· 109

（１）使用材料および調合 ··· 109

（２）練混ぜ方法および養生条件 ··· 110

（３）自己治癒試験用供試体製造方法 ··· 110

（４）ひび割れ透水試験方法（自己治癒性能の定量化） ··· 111

（５）マイクロスコープによる観察 ··· 112

４．３．２ 実験結果および考察 ··· 112

（１）コンクリートの試験結果 ··· 112

（２）透水試験結果 ··· 114

（３）マイクロスコープによる観察結果 ··· 116

４．４ 繊維の種類が自己治癒性能に与える影響 ··· 118

４．４．１ 実験方法 ··· 118

（１）使用材料および調合 ··· 118

（２）練混ぜ方法および養生条件 ··· 118

（３）自己治癒試験用供試体製造方法 ··· 118

（４）ひび割れ透水試験方法（自己治癒性能の定量化） ··· 118

（５）マイクロスコープによる観察 ··· 118

４．４．２ 実験結果および考察 ··· 119

（１）コンクリートの試験結果 ··· 119

（２）透水試験結果 ··· 119

（３）マイクロスコープによる観察結果 ··· 122

（４）ハーゲン・ポアズイユ式による透水性の考察 ··· 124

４．５ 繊維の種類と混入量が自己治癒性能に与える影響 ··· 127

４．５．１ 実験方法 ··· 127

（１）使用材料および調合 ··· 127

（２）練混ぜ方法および養生条件 ··· 127

（３）自己治癒試験用供試体の製造方法 ··· 128

（４）ひび割れ透水試験方法 ··· 129

（５）マイクロスコープによる観察 ··· 129

４．５．２ 実験結果および考察 ··· 129

（１）コンクリートの試験結果 ··· 129

（２）透水試験結果 ··· 130

（３）マイクロスコープによる観察結果 ··· 132

４．６ 自己治癒におけるひび割れ内部の性状に関する検討 ··· 133

４．６．１ 実験方法 ··· 133

（１）使用材料および調合 ··· 133

（２）練混ぜ方法および養生条件 ··· 133

（３）自己治癒試験用供試体製造方法 ··· 133

（４）ひび割れ透水試験方法 ··· 133

（５）マイクロスコープによる観察 ··· 134

（６）スキャナ画像および走査電子顕微鏡による観察 ··· 134

４．６．２ 実験結果および考察 ··· 135

（１）コンクリートの試験結果 ··· 135

（２）透水試験結果 ··· 137

（３）マイクロスコープによる観察結果 ··· 139

（４）スキャナ画像および走査電子顕微鏡による観察結果 ··· 139

４．７ まとめ ··· 145

参考文献【第４章】 ··· 147

第５章 重量コンクリート製実物大試験体の耐荷性能の検討 ··· 151

５．１ はじめに ··· 152

５．２ 耐荷性能に関する実験概要 ··· 153

５．２．１ 実験方法 ··· 153

（１）使用材料および調合 ··· 153

（２）ボックスカルバートの製造方法 ··· 153

（３）外圧試験方法 ··· 153

５．２．２ 実験結果および考察 ··· 155

（１）フレッシュコンクリート ··· 155

（２）コア供試体の諸物性 ··· 155

（３）外圧試験結果 ··· 156

５．３ まとめ ··· 162

参考文献【第５章】 ··· 162

第６章 結論 ··· 163

６．１ 各章のまとめ ··· 164

６．２ 今後の課題と展望 ··· 168

謝辞 ··· 169

- 1 -

第１章

序 論

- 2 - １．１ 研究の背景

放射線遮蔽コンクリートは， 日本建築学会JASS 5 22節「遮蔽用コンクリート」

に，

主として生体防護のために，ガンマ線（以下γ線）や中性子線などの放射線を遮蔽する目 的で用いられる鉄筋コンクリート造として規定されている。放射線遮蔽の方法は，

（１） 必要な部材断面寸法の確保による方法

（２） 鉄板などを用いて必要な部材断面寸法を補う方法

（３） 重量コンクリートによる方法

のいずれか，またはその組み合わせとされている。γ線の遮蔽性能は，遮蔽体の密度と厚 さの積にほぼ比例するため，特に部材厚さの制約を受ける建築構造物では重量コンクリー トが採用される。そのため本研究では，放射線を遮蔽するコンクリートとして，高密度の 骨材を用いた重量コンクリートとして進めることとする。

このように，重量コンクリートは建築構造物に多く用いられているが， 2011年3月に発生 した東日本大震災に伴う福島第一原子力発電所の事故以降，特に東日本方面での使用が増 えている。その用途としては，事故により発生した放射性物質を格納するための容器

も その一つである。

放射能は原子力発電所施設付近だけではなく，地下水や雨水，広範囲に亘り土壌などを 汚染し，その影響は近隣の地域に留まらず，関東にまで及んでいる。そのため，それら汚 染水や汚染除去作業などで発生した土砂あるいは建造物の瓦礫などを長期に渡り封じ込め 処理として保管し，放射線を遮蔽する施設の設置が急務となっている。これらの処理には，

低レベル放射性廃棄物処分のための浅地中トレンチ処分，ピット処分，余裕深度処分，高 レベル放射性廃棄物処分のための地層処分などがあり，遮蔽性能を有するコンクリートの 適用が検討されている

。特に，最終処分までの間は放射性物質を一時保管する必要があ

図 1-1 放射線遮蔽容器の実施例

- 3 -

り，そのための放射線遮蔽容器の検討もなされている

。なお，一般的に格納容器とは 原子炉格納容器を指すが，本論文においては，一時保管のための放射線遮蔽容器について も格納容器と称する。

このように，現時点では放射線遮蔽容器に用いられる重量コンクリートの開発が特に必 要であると考えられる。格納容器に求められる遮蔽性能には，放射線遮蔽性能，物質漏洩 防止性能，耐荷性能の3つが挙げられる。ここで，放射性遮蔽性能は主にγ線に対するもの であるが，レントゲン等で使用されるX線とは同じ電磁波の一種であり，波長領域もほぼ同 一である。そのため本研究では，γ線の代わりに遮蔽性能試験はX線にて行うものとする。

放射線遮蔽性能の中で，X線に対する材料の遮蔽率は，例えばX線源を用いて対象材料のX 線の透過量を線量計により測定する方法がある

。 しかし，X線源として放射性物質を用 いる場合は危険が伴い現場での適用は特に難しい。また，線量計による鉄筋コンクリート の遮蔽率の測定では，コンクリート部，鉄筋部，欠陥部など，遮蔽率の分布を正確に評価 することが難しい。さらに遮蔽率を算定するためには，線源の放射線量と材料の透過後の 放射線量を評価する必要があるが，それらは同時に測定できないため，通常は，線源の放 射線量を照射時間等から推定するためバラツキが大きくなる。そこで遮蔽率が既知の校正 板などを同時に写し込みそれとの比較で評価を行うことが有効であるが，大型の鉄筋コン クリート部材の評価では校正板の写し込みが困難である。一方，コンクリートはマトリッ クスと骨材からなり，それぞれの構成要素の遮蔽に対する特性が異なると考えられる。

従って，コンクリートの遮蔽性の特徴を把握するためには，X 線の照射とともにその厚さ による透過率の分布を評価する必要があるが，それに関する研究は見られない。例えば，

照射後のX 線画像をデジタル処理することで，透過したX 線の分布を分析することなどが 考えられる。

次に，物質漏洩防止性能を確保するためには，コンクリートの遮水性能が重要になる。

コンクリートの遮水性能は，耐久性の中で，中性化や塩害，凍害などの劣化現象の影響を 受ける水分移動抵抗性と大きくかかわり，コンクリート表層部の透水性で表すことができ る

。そこで本研究における物質漏洩防止性能については，水分移動抵抗性にて検証する。

また，放射線遮蔽容器として放射線の遮蔽性能と同時に重要なことは，汚染廃棄物の外部

への漏えいを長期間にわたり皆無にすることである。しかしながら，コンクリートにはひ

び割れが発生する危険性が有り，特に一時保管容器の場合，埋設せず地上に設置している

ケースが多く，湿度や温度など気象要因による体積変化などによってその危険性はさらに

高まる。ひび割れから容器内への水の侵入を回避するため，容器内部には防水塗装などが

施されているが，長期間のひび割れからの侵入水によって塗膜が劣化し，損壊する危険性

も考えられる。コンクリートに発生したひび割れには通常，エポキシ樹脂などを注入する

などの対策がとられるが，放射線の遮蔽を考慮すると，メンテナンスフリーであることが

望ましい。そこで，コンクリートの自己治癒性能によるひび割れの自己修復機能に着眼し

た研究

などが重要である。

- 4 -

耐荷性能については，自己治癒性能は構造的なひび割れ幅の 0.2mm 以上では機能しにく いとされているため，そのひび割れが発生しないような構造とする必要がある。また，例 えば現状の放射線遮蔽容器は運搬が容易に行えるように薄くて小型なタイプが主流である が，限られた敷地内で大量の廃棄物を長期間に亘って安全に保管するためには，多層に積 み重ねて使用しても問題がないように，構造的耐力や水分移動抵抗性を兼ね備えた容器の 必要がある。さらに，放射能汚染環境下を想定すると，建造物の急速施工が必要で，その ためにはプレキャスト化は有用な手段となり，それらの躯体を PC 鋼棒などによる連結で一 体化して大型化し，継手部と内層に防水処理を施すことで，大型放射線遮蔽容器にできる というメリットがある。このようなプレキャストコンクリートでは，通常の部材厚で遮蔽 性能を高めるために，より密度の高い骨材が用いられるので，製造時の材料分離が大きく なるなどの問題があり，材料分離抵抗性を付与することも必要になる。

１．２ 既往の研究

１．２．１ 重量コンクリートに関する既往の研究

重量コンクリートの建設は，γ線の照射室や原子炉などの強い放射線を取り扱う施設が 急激に増加する1950年代から増えており，多くの研究がおこなわれてきた

。基本 的には高密度の鉱石（重晶石，赤鉄鉱，磁鉄鉱など）を骨材としてコンクリートの密度を 高めたものが多い

。当初は国内産の鉄鉱石が用いられたが， 1980年代になると国 内産の鉄鉱石の枯渇と価格高騰のため，輸入骨材による研究が行われるようになった

1-15)^など

。1990年代からは，産業副産物の有効利用を主眼とし，また，安定供給も加味する

上で，電気炉酸化スラグの利用などの研究が進められた。岩永らは，産業副産物の電気炉 酸化スラグを消波ブロックに利用する研究を行った

。肥後らは，電炉メーカーから出さ れる鉄鋼副産物などの非鉄鉱石系材料に着眼し，粒形や粒度，表面形状などが様々である 副産物を効果的に組み合わせた酸化鉄粉を用いた重量コンクリートについて研究している

1-17)

。神崎らは，電気炉酸化スラグ骨材を使用して，非構造部材ではあるが，実大打設実験

を行った結果を報告している

。現在では，鉄分を多く含むダストと還元スラグを混合溶 融し，冷却固化したものを破砕し，粒度調整した金属スラグ骨材が流通している

。

施工法においては，初期には重量骨材の材料分離の問題から，プレパックド工法による 施工法が研究されていたが

，プレパックド工法よりも普通練りの方が強度は高くな るとの報告

もなされている。その後，化学混和剤の普及により，スランプが5cm～12cm 程度のコンクリートでの施工が行われるようになり

，大量に打込みするために遅 延型の減水剤を用い，ポンプ施工も行われている

。1970年代には，原子炉の隔壁に 用いる密度5.0以上の重量コンクリートの研究も進められた

。

放射線の遮蔽に用いる重量コンクリートとともに，その重量特性を生かした構造物に対

する研究も進められてきた。市田らは，強力な波が作用する灯標の建設に密度3.5の重量コ

ンクリートを使用した

。また青戸らは，列車騒音低下のため軌道部に重量コンクリート

- 5 -

を用いた実験を行っている

。千葉は，水産用の浮上防止用構造物に重量コンクリートを 用いるための研究を行った

。川端らは，金属スラグ系骨材や酸化鉄粉などによる重量コ ンクリートを防波堤に用いることで，波力の破壊エネルギーが60％に低下するとの報告を 行っている

。

以上のように，重量コンクリートは普通コンクリートに比べ密度が大きく，放射線の遮 蔽性能に優れるという特長を有している。特に，放射線の中でも最も人体に有害とされ問 題となるγ線を遮蔽するためには，コンクリートの密度を高めることが有効な手段である。

従来，重量コンクリートは，建築構造物に多く用いられる他，その重量特性から消波ブ ロック，防波堤，貨物船のバランスウエイトなどにも用いられている。そのため，高密度 としての特性値や施工法に関する研究はなされているが，重量コンクリート構造物の耐久 性に関わる研究はあまり見られない。特に，放射線遮蔽容器に用いられる重量コンクリー トでは，一時保管容器として埋設せず地上に設置しているケースが多いため，耐久性は非 常に重要なファクターである。また，重量骨材も安定的に供給されるものでなくてはなら ない。そこで本研究における重量コンクリートには，比較的低エネルギーの放射線の遮蔽 を対象とし，高密度の金属スラグ骨材を用い，コンクリート密度を3.1～3.6の範囲と設定す る。また，放射線遮蔽容器の耐久性を高めるために，材料分離抵抗性を高めた中流動コン クリートについての検討とする。なお，本研究における中流動コンクリートの定義は，ス ランプフロー値を500mm程度とし，コンクリートの打設時に補助的に振動をかけて流動性 を高めたコンクリートとした。

１．２．２ 放射線遮蔽性能に関する既往の研究

放射線にはα線・β線・γ線・Ｘ線・中性子線などの種類があり，各々性質が異なる。

従って遮蔽の方法も異なってくる。α線やβ線は極めて透過力が弱いのでコンクリートに よる遮蔽の対象にはならない。Ｘ線とγ線とは光線と同様な一種の電磁波で，両者に本質 的な差異はない

。そのため，放射線遮蔽の研究は，Ｘ線やγ線に関するものが多い。 1980 年代～1990年代にかけては，多くの放射線遮蔽性能に関する研究

がなされ ている。この背景には，1970年代の石油危機以降，電力の供給を火力発電から原子力発電 に切り替え，原子力発電炉の設置許可申請が1970年代に集中

した影響が有るものと考え られる。2000年代に入ると，使用済み核燃料の貯蔵容器の検討

や，原子力発電所の廃 止措置後に放射化したコンクリートをクリアランスレベル以下にし，再利用を可能にする

研究

などもなされている。

2011年3月11日に発生した東日本大震災に伴う福島第一原子力発電所の事故以降は，放射

性汚染物質の拡散による大規模な放射能汚染により，汚染物質を格納する容器などの研究

が進められている

。また吉川らは，一時保管施設の遮蔽用盛土に対し，放射線

遮蔽性能の定量評価

を行っている。

- 6 -

このように，放射線遮蔽性能に関する研究は，時代背景とともに研究そのものの内容も 変化している。特に 2011 年の東日本大震災以降では，格納容器による放射性廃棄物を遮蔽 する施設の設置が急務であり，一時保管のための格納容器も必要とされた。そこで本研究 では，放射線遮蔽性能として，比較的低レベル放射性廃棄物の保管のための，放射線遮蔽 容器の開発を主眼とした検討を進めることとする。また，Ｘ線とγ線とは光線と同様な一 種の電磁波で，両者に本質的な差異はないことから，研究に用いる放射線の種類はＸ線と した。

放射線に対する材料の遮蔽率は，例えば X 線源を用いて対象材料の X 線の透過量を線量 計により測定する方法がある

。一方，コンクリートはマトリックスと骨材からなり，そ れぞれの構成要素の遮蔽に対する特性が異なると考えられる。従って，コンクリートの遮 蔽性の特徴を把握するためには， X 線の照射とともにその厚さによる透過率の分布を評価す る必要があるが，それに関する研究は見られない。その手法として，例えば，照射後の X 線画像をデジタル処理することで，透過した X 線の分布を分析することが考えられる。し かし， X 線源として放射性物質を用いる場合は危険が伴い現場での適用が難しい。また，線 量計による鉄筋コンクリートの遮蔽率の測定では，コンクリート部，鉄筋部，欠陥部など，

遮蔽率の分布を正確に評価することが難しい。さらに遮蔽率を算定するためには，線源の 放射線量と材料の透過後の放射線量を評価する必要があるが，それらは同時に測定できな いため，通常は，線源の放射線量を照射時間等から推定するためバラツキが大きくなる。

そこで遮蔽率が既知の校正板などを同時に写し込みそれとの比較で評価を行うことが有効 であるが，大型の鉄筋コンクリート部材の評価では校正板の写し込みが困難という問題が ある。これらを鑑み，本研究では比較的低エネルギーの X 線の遮蔽を対象とし，X 線透過 デジタル画像を用いコンクリートの X 線遮蔽率に及ぼす構成要素の影響を把握するととも に，重量骨材の使用により密度を変えたコンクリートの遮蔽性能の評価を行うこととする。

また，光電管方式の X 線源の照射装置を用い，放射線の透過を明度分布の 2 次元画像とし てとらえることで，遮蔽率の分布を詳細評価することとした。またそれを用い，実機大型 試験体に対する新たな評価方法として，鉄筋とコンクリートをＸ線画像に同時に写し込み，

遮蔽率が既知の鉄筋を校正用材料として利用し，コンクリート部分の遮蔽率を評価する手 法を試みる。

１．２．３ 水分移動抵抗性に関する既往の研究

コンクリート構造物の耐久性には，中性化や塩害などによる鋼材の腐食や，アルカリシ

リカ反応，凍結融解作用などによるコンクリートの劣化がある。そのため，コンクリート

の表層部は,外的な劣化因子が作用する場合, コンクリート内部への劣化因子の侵入・拡散

に低抗する保護層として,構造体の耐久性を左右する機能を担っているといえる

。これ

らを適正に把握するためには，コンクリート内部への水分移動を把握する方法がある。村

田は，コンクリートの透水試験方法として，従来一般に用いられている供試体からの流出

- 7 -

量を測定するアウトプット方法は材令の若いコンクリートには適用できるが，長期材令の 比較的高密度のコンクリートの場合には相当な水圧を長時間加えても流出量が得られず試 験できない場合が多いため，コンクリートに圧入した水の平均浸透深さを測定し，これと 水圧の大きさおよび水圧を加えた時間との関係から得られる拡散係数を水密性の尺度とす る浸透深さ試験方法を考案している

。狩野・仕入ら

は，骨材の粒度およびセメント ペーストの濃度を変化させたときのモルタルおよびコンクリートの透水試験を行い，骨材 の最大寸法の大小がコンクリートの水密性に影響を与えること， W/C は 55％以下にするこ となどの結論を得ている。大岸ら

は，コンクリート構造物の耐久性を評価する上でコン クリートの水密性は重要な意味を持つとし，構造物コンクリートの透水試験結果に及ぼす 調合や運搬，圧送，打込み，養生方法の影響を明らかにする目的で評価を行っている。

粗骨材の分離が物質移動抵抗性に及ぼす影響について，早川らは粗骨材の分離およびブ リーディングが表層透気性に及ぼす影響について検討し，材料分離はブリーディングを大 きくし，表層透気係数とも相関関係にあることを示した

。さらに，骨材の品質がブ リーディングや乾燥収縮などに影響を与えるとし，吸水試験や透水試験などを用いた研究 も行われた

。また，松崎ら

は単位水量と水セメント比がコンクリート表層部の 透気性に及ぼす影響について検討した。溝渕ら

は，コンクリート用混和材の高炉スラグ 微粉末を高含有（75％）させた場合のコンクリートの水密性について検討している。建築 では表面仕上げ材を用いる場合も多いため，コンクリート表面改質剤，撥水材，タイル仕 上げなどの品質についての研究も多い

。

コンクリートの実構造物の耐久性を調査するためには，実構造体から採取したコンクリ ートコアを用いるケースが多い。しかし，コア採取が小規模であっても構造上問題となる 場合があること，構造物の所有者の心理的な問題や作業が大掛かりになること，補修の費 用がかかることなどから試験データの数量に制限が生じる。そこで，非破壊で簡易に試験 ができ信頼性の高い数値が得られれば，正確な構造物の耐久性を診断することができる。

このような観点から，実構造物に適用できる試験方法が検討されてきた

。 以上，水分移動抵抗性は骨材の品質や粒形，粗骨材の最大寸法などによって変化するこ とが明らかとなっており，水セメント比や混和材の使用についても水分移動抵抗性を変化 させる大きな要因である。また，材料分離も水分移動抵抗性を低下させる大きな要因とな る。本研究における重量コンクリートでは，高密度の骨材を使うために材料分離などを起 こしやすく，水分移動抵抗性に大きな影響を与えるものと考えられるため，不分離性の中 流動コンクリートを用いるが，それらに関する実験データはあまり見当たらない。さらに，

自己治癒性能を付与するために低水セメント比で，フライアッシュや膨張材などの混和材

を使用しているが，重量コンクリートにおいてそのような調合での，水分移動抵抗性に関

する研究はほとんどない。そこで，重量コンクリートにおける水分移動抵抗性に関する検

討を行うこととした。なお，水分移動抵抗性に関する試験方法については，第 3 章 重量

コンクリートの水分移動抵抗性の検討 3.2 水分移動抵抗性に関する試験方法に詳述する。

- 8 - １．２．４ 自己治癒性能に関する既往の研究

コンクリートのひび割れが，水の供給によって自然治癒する現象は以前から知られてお

り，村田

は，1952 年にセメントペーストの癒着について，コンクリートの癒着に関す

る予備試験として報告している。それ以降，自己治癒性能については多くの研究がなされ ており，そのメカニズムも概ね解明されている。Hearn

は透水試験を行い，自己治 癒によって透水率が１桁以上低下し，その効果は透水試験開始の 100 時間以内が最も顕著 であるとしている。 Edvardsen ら

は，そのメカニズムとしてコンクリート中の Ca

が CO

と反応して CaCO

結晶を析出し，自己治癒作用を起こすことを示した。積極的に自 己治癒を起こす研究としては，フライアッシュ

や膨張材

，特殊混和

材

を添加したもの，造粒技術

や有機繊維を用いたもの

等，

さまざまな研究がなされてきた。なお，自己治癒に関する文献の内容については第４章 重 量コンクリートの自己治癒性能の検討 ４．２コンクリートの自己治癒性能に関する国内 外の研究内容に詳述する。

コンクリート工学会（JCI；Japan Concrete Institute）では，「セメント系材料の自己 修復性の評価とその利用法研究専門委員会」（2007 年～2008 年）を設置し，五十嵐心一教 授（金沢大学）を委員長として自己治癒／修復に関する報告書を取りまとめている

。そ の中には，自己治癒は図 1-2 のように定義され，また，表 1-1 のように分類されている。

各用語に対しては，表 1-2 にあるように，適応範囲と研究事例が示されている。

図 1-2 自己治癒／修復コンクリートの定義

Self Healing(Self Repairing)/ 自己治癒・修復

Autogenous Healing/ 自己治癒

Natural Healing/ 自然治癒

Engineered Healing / Repairing

Recovery/ 機能回復

Autonomic Healing

/ 自律治癒

(Activated Repairing) / 自動修復

設計型自己治癒 / 修復

[A]

[B]

[C]

- 9 -

表 1-1 各現象のメカニズムと分類

分類 メカニズム

自然治癒 Natural healing

材料設計などに特別な配慮を講じずとも，例えば水分などが存在す る環境下でコンクリートのひび割れが自然に閉塞する現象

自律治癒 Autonomic heafing

水分などが存在する環境下でコンクリートのひび割れを閉塞ある いはそれを促進させることを期待し，適切な混和材の使用などの材 料設計を行ったコンクリートにおいて，ひび割れが閉塞する現象 自動修復

Activated healing

自動的な補修作業を行うことを目的としたデバイス類があらかじ め埋設されたコンクリートにおいて，その機構によってひび割れが 閉塞する現象

自己治癒 Autogenous healing

自然治癒と自律治癒を包含する概念で，水分などが存在する環境下 でコンクリートのひび割れが閉塞する現象全体

設計型自己治癒/修復 Engineered healing/

repairing

自律治癒と自動修復を包含する概念で，ひび割れの閉塞・補修を目 的として材料設計が行われたコンクリートを用いることにより，ひ び割れが閉塞する現象

自己治癒/修復 Self Healing/

Repairing

これらの人間の手に拠らないひび割れ閉塞現象の全体

【参考】 Healing, autogenous … a natural process of filling and sealing cracks in concrete or in mortar when kept damp. (ACI の定義より)

表 1-2 各用語に対応する研究事例

記

号 用語 研究事例 治癒/

修復

発現の 種類 [A] 自然治癒 低水セメント比の残存未水和セメントの再水和

治癒 水理構造物に見られるひび割れの再水和 潜在型

[B] 自律治癒

フライアッシュの利用

設計型 特殊混和材（膨張材）の利用

繊維補強コンクリートに見られる治癒現象 バクテリアの利用

[C] 自動修復

マイクロカプセル等の添加

修復 脆性パイプネットワークの利用

発熱デバイスの利用

形状記憶合金の利用

モニタリング技術との融合

- 10 -

自己治癒性能については非常に多くの研究がなされており，そのメカニズムも概ね解明 されつつある。しかしこれらの研究の中に，材料分離抵抗性を高めたコンクリートの自己 治癒に関する研究はあまり見られない。さらに，重量コンクリートの自己治癒性能に関す る研究については皆無である。

そこで本研究は，高密度の骨材を用い，材料分離抵抗性と自己充填性を高めた中流動の 重量コンクリートについて，ひび割れの修復を目的とした，自己治癒性能の基礎的な検討 を行うこととする。なお対象とする構造物は放射線遮蔽容器を主なものとするため，万が 一ひび割れた場合でも確実に自己治癒性能が発揮されるように，普通コンクリートとして 研究実績の多い，残存する未水和セメントの再水和による自然治癒と，フライアッシュや 膨張材等の混和材および有機繊維等の添加による自律治癒を中心とした検討として進める。

１．３ 研究の目的

本研究は，重量コンクリートの遮蔽性能の重要な要素である放射線遮蔽性能，水分移動 抵抗性，および耐荷性能を確保することを目的とし，自己治癒性能ほか基本的な性能につ いて検討し，優れた重量コンクリートの調合計画および構築のための基礎資料を得ること を目的とした。

放射線遮蔽性能について本研究では，比較的低エネルギーのX線の遮蔽を対象とし， X 線 透過デジタル画像を用いてコンクリートのX 線遮蔽率に及ぼす構成要素の影響を把握する とともに，重量骨材の使用により密度を変えたコンクリートの遮蔽性能を評価した。その 方法として，光電管方式のX線源の照射装置を用い，放射線の透過を明度分布の2次元画像 としてとらえることで， 遮蔽率の分布を詳細評価した。さらに，実機大型試験体に対する 新たな評価方法として，鉄筋とコンクリートを校正用材料として利用し，コンクリート部 分の遮蔽率を評価する手法を提案した。また重量コンクリートでは，骨材の密度が高くな ることで骨材が分離し， X線の遮蔽性能の低下も想定されるため，材料分離抵抗性を高く する必要があり，その調合計画を実施した。本手法を用いて，実大コンクリート容器のX線 遮蔽率の高さ方向の分布に及ぼす材料および打込み方法の影響も把握した。

水分移動抵抗性については，重量コンクリートの遮水性能として表面透水性に着目し，

コンクリートの密度や水セメント比，および膨張材などの混和が表面透水性に及ぼす影響 について示し，コンクリートの細孔径分布との関係について検討を行った。これは，中性 化や塩害などによる鋼材の腐食や，アルカリシリカ反応，凍結融解作用など，コンクリー トの耐久性に関わる現象を適正に把握するためには，コンクリート内部への水分移動の把 握が必要不可欠なためである。その実験を通し，供試体レベルでの重量コンクリートの表 面透水性と細孔量の関係について検討した。さらに，内幅 W1.2m×奥行 D1.5m×有効高

H1.5m（内空容積：2.7m

）の放射線遮蔽容器を実機プラントにて試作製造し，振動締固め

条件を変えたときの打込み高さ方向（H1.5m）の材料分離性状が，コンクリートの諸物性

と表面透水性および細孔量に与える影響について普通コンクリートと比較評価した。また，

- 11 -

本容器を屋外曝露し， 3 年 6 か月経年したコンクリート表面の透水性により遮水性能を確認 し，合わせてコンクリートの細孔径分布と諸物性試験を実施した。

乾燥収縮等によるコンクリートのひび割れからの放射線汚染物質の漏えいを防止する目 的として，ひび割れ自己治癒性能について研究を進めた。自己治癒性能のメカニズムは概 ね解明されつつあり，混和材としてフライアッシュや膨張材などを添加したもの，造粒技 術や有機繊維を用いたものなどの様々な研究がなされている。しかしこれらの中に，材料 分離抵抗性を高めた重量コンクリートの自己治癒に関する研究は見られない。そこで本研 究では，材料分離抵抗性を高め，中流動とした重量コンクリートにより供試体を製造して ひび割れを導入し，拘束治具によりひび割れ幅を一定とし，なおかつ初期の透水量もコン トロールできる試験体の製造方法を考案し，検討を進めた。

耐荷性能の検討では，ボックスカルバート（内幅B1200mm×内高H1500mm×長さL1500

mm) を放射線遮蔽容器と想定して実機プラントにて試験製造を行い，振動締固め条件を変

えたときの打込み高さ方向(L1500) の材料分離特性が，構造体の力学挙動に及ぼす影響に

ついて評価した。

- 12 - １．４ 研究の概要

第１章「序論」では，本研究の背景と既往の研究を述べ，研究の意義を明確にして，研 究の目的を述べている。また，本研究の概要と研究フローを示した。

第２章「重量コンクリートの放射線遮蔽性能の検討」では，X線照射装置による試験方法 の検討と，その結果により重量コンクリートの放射線遮蔽性能の有効性を証明している。

また，重量コンクリートにて製造した実物大遮蔽容器を用い，光電管方式のX線源の照射装 置により，放射線の透過を明度分布の2次元画像としてとらえることで，遮蔽率の分布を詳 細評価する手法を提案している

。

第３章「重量コンクリートの水分移動抵抗性の検討」では，中性化や塩害などによる鋼 材の腐食や，アルカリシリカ反応，凍結融解作用などによるコンクリートの劣化を適正に 把握するために，コンクリートへの水分移動を直接的に評価する方法として表面透水試験 を実施している。その中で，単位容積質量や水セメント比，および膨張材などの混和が表 面透水性に及ぼす影響について示し，コンクリート表層部の細孔径分布と表面透水性との 関係について検討している。また，重量コンクリートにて製造した実物大放射線遮蔽容器 を用い，表面透水試験を実施すると同時に，その近傍から採取したコア供試体により表層 部の細孔径分布を測定し，その関係性について確認している

。

第４章「重量コンクリートの自己治癒性能の検討」では，材料分離抵抗性と自己充填性 を高めた中流動重量コンクリートの，汚染物の外部漏えいを防止するための，コンクリー トの自己治癒性能によるひび割れの修復に着目して研究を進めている。その調合条件とし て，数種の混和材を用い，自己治癒に効果的と思われる有機繊維の種類と混和量を変化さ せた試験体にあらかじめひび割れを発生させ，水中浸漬させた後のひび割れからの透水量 により，自己治癒による修復機能を定量的に評価し，自己治癒性能に効果的な調合計画と 有機繊維の種類を提案している。また，自己治癒後のひび割れ表面をマイクロスコープに て，内部については走査型電子顕微鏡（SEM）によって検証し，自己治癒のメカニズムに ついて明らかにしている

。

第５章「重量コンクリート製容器の耐荷性能の検討」では，内幅1200mm×内高1500mm×

長さl500mmのボックスカルバートを放射線遮蔽容器と想定して，実機プラントにて試験製 造を行い，振動締固め条件を変えたときの打込み高さ方向(l500mm) の材料分離特性が，構 造体の力学挙動に及ぼす影響を，耐圧試験を実施して確認している。また，高さ方向に採 取したコア供試体により，材料分離特性がコンクリートの圧縮強度とヤング係数に与える 影響について確認している

。

第６章「結論」では，本論文の結論および今後の課題を述べている。

- 13 - 本研究のフローを図 1-3 に示す。

図 1-3 研究のフロー 第1章 序論

・研究の背景と目的

・既往の研究

放射線遮蔽性能の検討

・X線による透過試験 ・X線透過デジタル画像による評価

水分移動抵抗性の検討 水分移動抵抗性の検討

・表面透水性能試験

・細孔径分布測定試験

・表面透水性能試験

・細孔径分布測定試験

・透水試験による評価

・マイクロスコープによる評価

・走査型電子顕微鏡による評価

・外圧試験

・コアの圧縮強度試験

結 論

ラ ボ レ ベ ル で の 検 証

自己治癒性能の検討

放射線遮蔽性能の検討

実 構 造 物 レ ベ ル で の 検 証

耐荷性能の検討

第4章 第5章

第2章

第3章

- 14 - 参考文献【第１章】

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1-85） Y. Kitsutaka, Y. Ogawa, T. Yokomuro, H. Igawa：Evaluation of X-ray Shielding Performance for Concrete Box Culvert by Using X-ray Digital Image and Double Layer Value Analysis Method, CONMAT’15, 2015

1-86） 井川秀樹，横室 隆，橘高義典，小川洋二：重量コンクリートの表面透水性と細

孔空隙量の関係， コンクリート工学論文集，第27巻，pp.57-66，2016

1-87） 井川秀樹，横室 隆，橘高義典，小川洋二：重量コンクリートを用いた遮蔽容器

の表面透水性と細孔空隙量の関係について， コンクリート工学論文集，第 28巻，

pp.61-69，2016

1-88） 井川秀樹，横室 隆，橘高義典，江口秀男：重量コンクリートの自己治癒に関す

る研究， Cement Science and Concrete Technology， Vol.69,pp.335-340,2015

1-89） 井川秀樹，横室 隆，橘高義典，江口秀男：繊維補強した重量コンクリートの自

己治癒性能に関する研究， コンクリート工学年次論文集， Vol.38， No.1，pp.1677-1682，

2016

1-90） 井川秀樹，横室 隆，橘高義典，江口秀男：繊維補強の種類と混入量を変化させ

た重量コンクリートの自己治癒性能に関する研究， コンクリート工学年次論文集，

Vol.39， No.1，pp.1441-446，2017

1-91） 井川秀樹，江口秀男，橘高義典：重量コンクリートの自己治癒性能に関する基礎的研

究， 日本建築学会構造系論文集， 83巻，748号，pp.763-772，2018.6

1-92） H. Igawa， Y. Kitsutaka， T. Yokomuro， H. Eguchi: Self-Healing Performance of Fiber Reinforced Heavyweight Concrete, 9th RILEM International Symposia on Fiber Reinforced Concrete, (BEFIB),pp.1360-1368,2016

1-93） H. Igawa， Y. Kitsutaka， T. Yokomuro， H. Eguchi: Self-Healing Performance of

Heavyweight Concrete with Steam Curing, 19th International Conference on

Cement, Concrete and Construction Technology, Miami USA Mar 09-10, 2017, 19

(3) Part V, pp.687-691, 2017

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1-94） 小川洋二，横室 隆，橘高義典，井川秀樹：中流動の重量コンクリートを用いたボ

ックスカルバートの力学的挙動と表面遮水性能への振動締固めによる影響， コンクリ

ート工学年次論文集， Vol.36 ， No.1 ， pp.1780-1785 ， 2014

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第２章

重量コンクリートの放射線遮蔽性能の検討