人工軽量骨材の物性について
（昭和51年8月31日受理）
濱本二郎
大久保仁
塩沢一雄
On the Relations between Structure and Properties
of Lightweight-Aggregate
JiroHAMAMOTO HitoshiOKUBO KazuoSHIOZAWA
Abstract This paper discusses the influence of channel of lightweight・aggregate particle on the absorption properties of lightweight・aggregates， based on the results of test on the strength of concrete． It is concluded that the channel of the aggregate particle is， in general， the most important single factor affecting absorption properties of lightweight・aggregates． 1． まえがき 米国においては1），多くの場合人工軽量骨材コンク リートの配合には水セメソト比を配合選定の基準とし て使用しない。その理由は，コソクリート製造の方法 により，混合水の何割が，コソクリートがプラスチッ クな状態にある間に骨材に吸収され，そのためにセメ ソトと反応しないか，またコンクリートの強度を高め る上で有効なペースト層がどの程度骨材粒に吸着する かを決めることが困難であるからである。コソクリー トの強度については，ある骨材に対しては適当な配合 があり，この場合にはセメント量と強度との間には一 定関係を保持し得るが，他の産地の骨材や異種類の骨 材まで取り扱う場合は，セメソト量と強度との関係値 は広い範囲で変化するとしている。この変化する主な 理由として，骨材の表面粗度・寸法・形状・弾性定 数・表面殻の有無・破砕性および岩石学的特性等が考 えられる。 我が国では，米国の実績を取り入れて発展がうなが されてきたが，前述の骨材の性質を考慮に入れて製品 化し，これを用いた構造用人工軽量骨材コソクリート については水セメント比を配合の基準にとり，コンク リートの強度については，一つの実験室で等しい骨材 を使用した場合は，その骨材を用いたコンクリートに ついて水セメソト比法則が成立するとしている。ただ し，等しい骨材を使用した場合でも，異なる実験室間 の試験値b‘1 ．一つの実験式に整理されるとはしていな い。これは一つには先に述べた骨材の吸排水特性と骨 材粒を取り巻くペーストの品質について満足な概括が 行われていないからである。 本論文はこの概括を得ようとして行った実験を述べ たものであって，骨材の吸排水特性，ならびにこれに 関連する特性としての骨材粒の細孔径分布および微細 構造を検討するものである。 2．人工軽量骨材 当地で使用されている人工軽量骨材は頁岩を主原料 とし，これを人工的に焼成して造った膨張頁岩（ex・ panded shale）2）である。骨材粒の内部は多孔質で表 面はガラス質の皮膜で覆われた構造となっている。こ れらの人工軽量骨材はまた製造方法によっても異なっ た外観を呈している。非造粒型の場合は形状は河川骨 材に類似していて，骨材粒の表面は厚いガラス質の皮 層となっており，焼き固められた外殻には割れ目が多 数発生しているのが観察される（以下非造粒型Aと記 す）。造粒型の場合は形状はほぼ球形である。骨材粒
の表面はガラス質の皮層で覆われた構造のもの（以下 造粒型Bと記す）および表面にガラス質の皮膜が観察 され難いもの（以下造粒型Cと記す）と2種類が販売 されている。これら3種類はJIS A 5002の区分によ れぽ，MA−419（川砂）である。 3． 吸排水特性 ACI（American Concrete Instititute）1｝方式では 試料に任意の水量を加え一週間後ピクノメーターに投 入するときの試料の重量と，投入することによって満 水したピクノメーターより排除される水の容積を測定 するとしているので，実験者の自己判断によることが ない。しかし骨材の石質と水とを同質として扱ってい るために，骨材の吸水量あるいは表面水量が未知であ ることからこの骨材を使用した場合コンクリートの水 セメント比はわからない。そこでピクノメーター法に よって得られた実験値を使い，一週間でその骨材が吸 いきれない水量すなわちその水量で貯蔵した加水量よ りピクノメーター中の浸水でもふえない加水量を求 め，そのときの浸水吸水量を絶乾状態の骨材に加え， 箱に貯蔵し，一週間箱をしぽしば振とうすれば，この 骨材のコソクリートと川砂利コンクリートとの時間の 経過とスラソプの傾向が等しくなることから，その加 えた浸水吸水量をACI方式による吸水量と定義し， 絶乾状態の骨材にこの吸水量を加えた状態をACI表 乾と定義した。比重の異なる骨材間での吸水能力の比 較となるので式 吸水率（o／Vol）＝（吸水量）×（骨材の絶乾比重） で吸水率を求めた。また骨材粒の空隙がどの程度水で 満たされるかは 飽水率（o／Vol）＝吸水率（o／Vol）／空隙率（o／Vol） を使用した。空隙率としては便宜上比重d。の骨材を 比重dの粒径0．074mm以下の粒に破砕したので，こ の寸法以上の細孔径の空隙を求めたことになる。 50 言40 き 婁・・ 誉 苫2・ 璽 RH 10 102030 102030 102030 加水量0％ 図一1 分 50 ρ40 ミ ∪ 倒一30
K20
｛IH 10 102030102030102030 102030102030102030 102030102030102030 加水量3％ 加水量6％ 加水量9％ ACIに準ずる細骨材の吸水率と空隙率（柱頭の数字は飽水率を示す） 0 分 50 言40 き 鷺・・ § 曇2・ 雀 細10 0 A B C A B C 4．75．05ユ 252626 293031 6．37，073 8．48．78．9 131314 分 50 ＝40 ミ3
掛30K20
糾10 0 A B C A B C 102030 102030 102030 102030 102030 102030 102030 102030 102030 102030 102030 102030 加水量0％ 加水量3％ 加水量6％ 加水量9％ 図一一2ACIに準ずる粗骨材の吸水率と空隙率（柱頭の数字は飽水率を示す） 分表一1外殻の有無と吸水性の一例 表一2 人工軽量骨材の比重および吸水量試験結果 吸 水 時 間（分） 10 30 吸水量（％）
B
除殻B
1．98 3．14 2．12 3．89 空隙率（o／Vol）＝1−da／d その結果は図一1および図一2のとおりである。図一2に 示す加水量0％の実験について造粒型Bと造粒型Bの 外殻を取り除いた骨材の場合は表一1のとおりである。 この表は骨材浸水30分程度では造粒型Bの外殻は吸 水速度を小さくする効果があることを示している。 図一2に示すように非造粒型Aの加水量0％の場合の 10分間吸水率が12．96％と大きいのは骨材粒の焼き固 められた厚い表面殻から骨材粒の内部に向かってみら れるひびわれのためと考えられる。 JISA1135は，吸水性の大きい布の上で骨材粒をこ ろがして骨材の水膜をぬぐいさって表面乾燥飽水状態 を造るよう指定している。この過程は理論的に正しく ても個人差が大きく現れる方法である。骨材面に大き な孔が多数存在したり，大きな割れ目があるときは表 面乾燥飽水状態の判定には，個人的判断を要する（表 一2）（図一3）。ペースト中での人工軽量骨材は吸水・排 水を交互に行うので吸排水のシュミレーションを用い た。実験装置として写真一1のような水圧ポソプとこ れに連結した圧力容器を製作した。骨材の吸水量は圧 力容器に骨材を入れ，水を満たし圧力容器全体の10気 圧加圧中の重量増加および除圧後の重量の減少で測定 した。なお，除圧後の吐出水量をチェックするために 除圧と同時に圧力容器から排水される水量をメスシリ ソダーに受けて測定した（図一4参照）。除圧後造粒型卦
A
B
C
粒 径 （mm）撒重絶乾比重吸
i炉鰹曝
の比重 ※ 20∼10 1．27 10∼5 1．30 5∼1．2 1．76 1．2∼0．6 1．81 0．6以下 1．89 1．17 8．36 1．18 9．65 1．51 17．02 1．48 22．09 1．61 17．00 2．44 2．43 2．40 2． 39 2． 39 20∼10 1．30 10∼5 1．32 5∼1．2 1．73 1．2∼0．6 1．86 0．6以下 2．00 1．23 5．46 1．24 6．38 1．54 12．60 1．64 13．46 1．80 11．03 2．54 2．53 2．52 2．52 2．53 20∼10 1．34 10∼5 1．39 5∼1．2 1，70 1．2∼0．6 1．82 0．6以下 2．06 1．30 2．95 1．35 2．97 1．53 11．37 L57 16．47 L86 11．10 2．50 2．50 2． 47 2．42 2．48 ※ 各粒径において，試料を絶乾としてからつぶし，呼称 0．074mmフルイ通過分について， JIS R 5201に準じて 比重試験した。 写真一1骨材の吸排水のシュミレーション装置 50 ？ さ40 喜 §・・ ミ 4・・ 篇 10 0．6以下1．2 5−−1．210∼520∼10 ∼0．6 粒径（mm） 図一3各種骨材の空隙率および吸水率 50 40 30 20 10 §30 警25 20。L＿＿＿＿一＿＿＿＿←
00．512345
除圧後経過時間（分） 図一4除圧後経過時間と吸水量Cが吸水した水は瞬間的に排水され，加圧によって吸 水した水量のうち60％以上が30秒以内に排水され た。図一4より加圧，除圧に対して，造粒型Bの吸水量 が最も安定していることがわかる。表一3は飽水率と 試験方法についての一例である。この場合吸水条件が 異なるが，概括すれぽ骨材が水中で振とうしたり，圧 力を受けた場合非造粒型A，造粒型Cの飽水率は特に 大きくなることおよび造粒型Cの飽水率は骨材外部の 条件変化による変化速度が大きいことを示している。 コンクリート中での吸水の目安を得るため，非造粒型 Aを用いて水セメソト比0．55，スランプ8cmのコソ クリートを造り，混合後15分および30分後にコンク リート中より骨材粒を拾い出し，JIS A 1135に示すと おり，吸水性の布で骨材粒表面のペーストをぬぐい， 吸水量を求めると，4．99％，5．09％とJIS A 1135の数 値の半分になった。吸水性の大きい布の上で骨材をこ ろがして，ペーストを取り除く実験操作の過程で骨材 から布へ，または布から骨材へ水の移行がある。この 移行を除くため実験方法を改め，骨材表面をアセトン で洗い，そのまま資料を重量測定装置にのせ，アセト ンの蒸発量を測定し，水の蒸発速度との相違から骨材 粒の中の水が蒸発を始めるときをもって，表面乾燥飽 水状態とした。その結果を示したのが表一4でありこ の骨材はビーカー中で振とうすれぽ20分間で吸水量 が10％を越えることからコソクリート中での吸水量 は水中より小さいことが判明した。骨材の吸水・吐水 は，周囲のペーストの品質を変えると考えられる。そ こでまだ固まらないコソクリートを加圧し，この加圧 をやめることによりコンクリート中の骨材に吸水・吐 水を行わせ，このコンクリートの圧縮強度を調べる実 験を行った。コンクリートの使用材料は，前記人工軽 量粗骨材，アサノ早強ボルトランドセメント，および 富士川上流産の砂と砂利である。コソクリートは粗骨 材の最大寸法20mm，スラソプ約15 cm，水セメン ト比0．45として粗骨材の使用容積は皆等しく揃えて ある。コンクリート供試体は直径10cm高さ20 cm の円柱供試体とし，供試体の半数は加圧機にかけ上下 から10分間10気圧で加圧したのち21°C水中養生し， 材令7日で圧縮強度を調べた。その結果が表一5であ る。コンクリートへの加圧の不均等および加圧中のエ ソトラップドエアーおよび水等の供試体外の排出等 で，水中で骨材のみの場合のように明確ではない。試 験結果は図一4と併せ考えると，おのおの人工軽量骨材 を用いたコソクリートを加圧することによって，河川 産骨材を用いたコンクリートに比べて，強度が上がら なかった理由の一つとして加圧をやめたのちの骨材よ りの吐水が周囲のペーストの品質を弱めることがあげ られる。 4． 細孔径分布 多孔性材料内の物質移動の速度は細孔径分布によっ て決まるとされている。多孔性材料の細孔分布測定に は一般に水銀ポロシメーターが使用されている。水銀 ポロシメーターの測定原理は次のようである。細孔の 表一3試験方法と飽水率との関係 試験方法 吸水時間 飽 水 率 （％）
A
B
C
ACI JIS ACI
30分 24時間 1週間 26 5 7 21 15 9 36 21 16 10気 圧 試 験 表一5加圧締め固めとコンクリートの 圧縮強度との関係
常圧！9分覆
除 圧 2時間後 48 18 18 81 67 83 51 29 25＼
川砂利
表一4非造粒型Aの試験結果の一例 非造粒型A
最大寸法 （mm） 15 粗粒率 6．75 JIS A1135絶乾踵難踵吸
i水刀j量 1．10 1．21 10．40 加水後20分間の吸 水量（％） ペースト を湿布で とる ペースト をアセト ンでとる造粒型
B
4．50 4．30造粒型
C
材令7日のコ気圧麟体よ閲丘㌶屋トの
（kg／cm2） 0 10 0 86 414 597 0 10 0 77 397 550 0 10 0 79 420 576 0 10 0 71 383 521Dilatometerφ3mm 真空ポンプ および マノメーター 水銀コック／ 大気導入コ ← ＼真空コ キ ≡ ヤ 一 水 ピ 銀だめ 言1 …三
z
ト 試 メ 料 下 部 タ 賑屯 極 図一5 水銀圧入低圧測定装置 100 90 80 70 蓮60 ＞｝・50 4030
20
10
0 pm。．1500kg／cm2 @ ．・非造粒型允 造粒型B， 造粒型C ，・ ＝一 ’ ．／^
〃’ ，／1 ノ ノ ^ ノ ／” Sそ…／” ，’ 56789 2 3 4 56789 @ 102 1032 3456789
@ 104@ 0
2 3456789
@ 10 細孔半径（A） 図一6 用いた骨材の細孔分布 断面が円形であれぽ細孔に水銀を圧入するために必要 な圧力P（kg／cm2）と半径r（cm）との間には， 1）・r＝（7．5）×（10−4） の関係がある。この式から半径1μの細孔に水銀を入 れるためには，7．5kg／cm2の圧力が必要なことがわ かる。実験に使用した装置は図一5に示す一気圧まで の低圧測定用であり，細孔半径7．5μ以下の細孔を測 定した。測定は，キャピラリー上の圧力をマノメータ ーで読むと同時に，キャピラリー中の水銀のメニスカ スの移動をカセトメーターで読み取り，試料に浸入し た水銀の量を測定する。図一6は，非造粒型A，造粒型 B，ならびに造粒型Cのそれぞれについて3粒ずつの 平均値である。図一6より細孔半径は300Aから3000A が過半数をしめていることがわかるが，これは市販さ れている人工軽量骨材について共通したことである。 また減圧測定による試験後の試料中の水銀残留重量を 検討したところ次のようであった。非造粒型Aについ ては，88．2％，造粒型Bについては，69．0％，造粒型 Cについては，90．0％。造粒型Cのように，加圧終了 後降圧するとき少量の水銀が試料の細孔から流出する だけで加圧時における圧力と細孔容積の関係と一致せ ず明確なヒステレシスを示すのは，孔が連結していて 圧力の増加につれて孔内の水銀メニスカスが消失する からで，入口のみで内部が閉じているような孔は比較 的少ないことを示している。したがって孔は均一一な円 筒状ではなくて孔相互が互いに連結した網の目のよう な構造をしていると推定される。非造粒型A，造粒型 Cは造粒型Bに比較すると複雑な孔組織をしているこ とが判明した。細孔半径50A∼7．5μについての全細 孔容積と空隙率を示したのが表一6である。非造粒型 A，造粒型Bに比較して，造粒型Cは74μ以上の孔径 表一6 空隙率と細孔容積＼＼璽類
＼
空 隙 率 （o／Vol） 細孔容積 （cm3／9） 非造粒型A
造粒型
B
造粒型
C
0．518 0．407 0．512 0．430 0．470 0．239 の空隙も7．5μ以下の孔も少ないことが判明した。 表一3，表一6より骨材の吸水が比較的長期の場合の飽水 率は空隙率および細孔容積に比例すると考えられる。 10気圧加圧で造粒型Bの飽水率が他と比較して小さい のは注目すべき現象であって，骨材粒の外殻の微細構 造が有効に働いているのも一つの原因と考えられる。5．微細構造
固体表面を研究する手段の一つとして電子顕微鏡写 真が用いられている。実験に使用した電子顕微鏡の構 造は図一7のようであって，タングステン線フィラメン トの先端から出た熱電子は，試料を通過し，対物レン ズを通過して拡大像を作る。この像は更に投影レソズ フィラメント グリット 陽極 試料 対物レンズ＿ 投影レンズ＼ フィラメント 加熱電源 高圧電源 図一7電子顕微鏡の構造 対物レンズ 電源 真空引口 投影レンズ 電源により拡大されたのち，写真フィルム面上に電子像を 結ぶ。この電子像の写真をカメラでとる。写した写真 の明暗が少ないので，シャドーイングをすることにし た。シャドーイングとして，コロジオン膜にのせた試 料を真空蒸着装置の中に入れ，クロム蒸気を斜めから 試料に吹きつけ，試料の影になる部分だけを残して， クロムからなる膜をコロジオン膜上につくる。金属膜 のない所は電子線が通りやすいので，写真のポジで白 く見える影のところに影らしくするためもう一度ポジ を反転して黒くした。非造粒型Aについて直径約1cm の代表的外観を有する骨材粒を20粒選び出し，表面 の試料を製作した（写真一2から写真一7）のち，20粒 全部について粒の中央部を切断し，切断面をかるくカ ンサス砥石で磨いたのち試料を製作した（写真一8から 写真一13）。造粒型Bおよび造粒型Cについても等しい 実験をした。写真一2から写真一37は，代表的と考えら れる写真400枚のうちからさらに厳選してある。以下 写真番号で写真の特徴を示せぽ，（2）き裂間に存在する 微孔集団（3）き裂（4）群生微孔（5）（6）種々の微孔⑦特徴的な 構造のき裂の群生（8）⑨種々のき裂㈹⑪⑫種々の導管⑬ 導管とき裂。すなわち表面殻は微孔集団とき裂とが混 合し特徴ある構造群集がある。内部は倒に示すような なめらかな破面と大小さまざまな孔がき裂と混合して いる。⑭から⑲は造粒型Bの表面殻である。⑭一般的 な下地⑮導管の太さおよび先端㈹⑰導管の分岐の状態 ⑱導管群生⑲導管⑳から2S）はその内部組織を示す。⑳ ⑳⑳㈱閻種々の導管田導管群とき裂。以上太い管から 小さい管の分岐が著しい特徴であり，また内部深く管 が連なっているものもみられた。⑳からβ［Dは造粒型C の表面組織である。㈱助⑳⑳⑳種々のき裂Bi）特徴的き 裂集団B2）から㈲はその内部組織を示す。㈱倒⑭表面組 織とほぼ等しいき裂Bs）き裂と導管B6）BO種々の導管。以 上表面・内部とも特徴としてき裂が観察されたが，そ のほかについて造粒型Bの内部組織とほぼ等しい。以 上表面組織および内部組織にみられるき裂は10気圧加 圧（表一3）で飽水率が特に大きくなる原因の一つと考 える。 6． む す び 骨材の吸排水特性は，骨材まわりにセメントペース トの層を形成する要因となるので，多孔性骨材の物性 を主として吸排水特性と関連づけて検討した。その結 鑛 写真一2
雛難懸
灘購謬難灘議， 写真一4鐵
写真一3 写真一5写真一6 写真一10 蘂 灘辮 灘灘 写真一7 鍵
蝋購
難i難 蘂 ぶ鍵蘂灘羅 嶽葺 灘 写真一11翻’
写真一8 写真一12 写真一9 写真一13写真一14 写真一15 写真一16 写真一17 写真一18 写真一19 写真一20
難叢
騨
譲難鐵講灘1 写真一21写真一22 写真一23 写真一24 写真一25 写真一26 写真一27 写真一28 写真一29
写真一30 写真一31 写真一32 写真一33 写真一34 写真一35 写真一36 写真一37
果吸水性・吐水性に関して骨材粒をとりまく環境の変 化に対して安定性を与える外殻を有する多孔性骨材を 用いたコンクリートの，骨材まわりのセメソトペース トの品質はコソクリートの圧縮強度に影響を与えるこ とが少ない。吸排水特性を考える場合，外殻・内部に 存在する割れ目は肉眼で観察される尺度でも電子顕微 鏡での尺度でも安定性に望ましくない。 最後に，山梨工業会助成資金を受けたことを付記し 謝意を表します。
