第 1 回 コンクリートの配合設計と練り混ぜ
1. コンクリートの配合設計
1.1 配合設計の目的 コンクリートの配合は，構造物に必要な強度，水密性，耐久性，鋼 材を保護する性能および作業に適するワーカビリティーを持つ範囲 内で，単位水量ができるだけ少なくなるように定める． 1.2 使用材料の種類と特性値 (1) 粗骨材 砕石，表乾密度ρg = 2.67 (g/cm3)，最大寸法 Gmax = 20 (mm) (2) 細骨材 川砂，表乾密度ρs = 2.58 (g/cm3)，粗粒率 F.M. = 2.77 (3) セメント 早強ポルトランドセメント，密度ρc = 3.14 (g/cm3) 1.3 基準配合の計算 (1) 水セメント比W/Cの選定 ① セメント水比 C/W（水セメント比の逆数）と圧縮強度 f'c（材齢 28 日における強度）との関係をあらかじめ求めておく． f'c [N/mm2]＝A＋B×( C/W )（A, B：定数） ② コンクリートの圧縮強度の試験値が，設計基準強度 f’ckを下回 る確率が 5%以下となるように，割増し係数α を乗じて配合強度 f'cr (= α･f'ck) を算定する． ③ ①で求めた関係式に，②で求めた配合強度 f'crを代入して，対 応する水セメント比 W/C を算定する． (2) 粗骨材最大寸法Gmaxの選定 粗骨材最大寸法 Gmaxは，部材寸法や鉄筋あきを考慮して設定し， 鉄筋コンクリートの場合，部材最小寸法の 1/5，鉄筋の最小あきの 3/4，鉄筋のかぶりの 3/4 を超えてはならない． (3) スランプの選定 スランプは，大きくすると施工性が高まるが，その反面，材料分離 も生じやすくなるため，施工可能な範囲内（部材寸法や鉄筋あきな どの配筋条件，締め固め作業などの施工条件などを考慮する）で， できるだけ小さく設定する（→単位水量の最小化とほぼ同義）． 付記 1.1 W/C 一定の下で単位水量 W が多 くなると，単位セメント量 C も増加し て不経済となる．また，セメントペー ストが多くなるため，材料分離が生じ やすくなるだけでなく，水和発熱，乾 燥収縮などひび割れを発生させる要 因の影響が大きくなる． 1.2 これらは本講義で用いる材料で あり，現場によってセメントや骨材の 種類，密度や表面水率は異なる．常に これと同じ物性値になると勘違いし ないこと．セメントを計量・ミキサへ 投入する際は口に吸い込まないよう にマスクを着用すること． 1.3(1) ① セメント水比と圧縮強度の関係式 は，数多くの試験結果を回帰して求め る．本実験では，今まで埼玉大学で行 った実験結果をもとに決めた A = － 13.1，B = 25.4 を用いる． ② 割増し係数は，予想される圧縮強 度の変動係数に応じて定められる（一 般に 1.1～1.7 程度）が，本実験では配 合強度＝設計基準強度（α = 1）とする． 1.3(2) 本実験では，Gmax = 20(mm) を 用いることとする．無筋コンクリート である場合，Gmaxは部材最小寸法の 1/4 を超えてはならない． 1.3(3) 実際には，打設時の最小スラ ンプに対して，コンクリートの現場ま での運搬や時間経過に伴うスランプ の低下（スランプロス）を考慮して， 練り上がり時の目標スランプを設定 する．本実験では事前に定められた目 標スランプ値を用いる．(4) 単位水量Wおよび細骨材率s/aの選定 細骨材率 s/a は，所要のワーカビリティーが得られる範囲内で単位水 量 W が最小となるように，試験によって定める． 粗 骨 材 の 最 大 寸 法 AE コンクリート 空気量 (%) AE 剤を用いる場合 AE 減水剤を用いる場合 細骨材率 s/a (%) 単位水量 W (kg) 細骨材率 s/a (%) 単位水量 W (kg) (mm) 15 7.0 47 180 48 170 20 6.0 44 175 45 165 25 5.0 42 170 43 160 40 4.5 39 165 40 155 上の表に示す値は，細骨材として「普通の粒度の砂（粗粒率 2.80 程度）」，粗骨材として「砕石」を用い，水セメント比 W/C = 0.55 程 度，スランプ 8cm 程度のコンクリートに対するものである．使用材 料や目標品質が異なる場合は，以下の補正表に従って補正する． 区 分 s/a (%)の補正 W (kg/m3)の補正 細骨材の粗粒率 ±0.1 → ±0.5 補正しない スランプ ±1 cm → 補正しない ±1.2 % 空気量 ±1 % → ∓0.5 ~ 1.0 ∓3 % 水セメント比 ±0.05 → ±1.0 補正しない 粗骨材の種類 川砂利 → – 3 ~ 5 – 9 ~ 15 kg 1.3(4) 今回は，左の表に従って基準 配合を選定する．一般には，選定した 基準配合で試し練りを行い，必要に応 じて配合補正を行う． 本実験では「AE 減水剤を用いる場合」 によって設定する． 注）「単位量」あるいは「単位○○○ 量」とは「コンクリート 1m3を作製す るために必要となる各材料の質量」の ことを意味する． 注）細骨材および粗骨材が与えられた 場合，所要のワーカビリティーが得ら れ，かつ単位水量が最小となるような 最適な細骨材率が存在する．この値 は，用いる細骨材の粒度やコンクリー トの空気量，単位セメント量，混和材 料の種類などによって相違するので， 本来は試験によってこれを定めるよ うに規定されている． (5) 試験配合（基準配合）の計算 ① 単位セメント量 C (kg/m3 ) を算定する． ② 単位骨材容積 a (m3 ) を算定する． 単位骨材容積 a m3 = 1 m3 - 水の容積 + セメント容積 + 空気量 = 1 m3 - 単位水量 1000 + 単位セメント量 セメント密度 × 1000 + 空気量 (%) 100 ③ 単位細骨材量 S (kg/m3) ，単位粗骨材量 G (kg/m3) を算定する． 単位細骨材量 S kg/m3 = 細骨材密度 × 単位細骨材容積 × 1000 = 細骨材密度ρs × 単位骨材容積 a × 細骨材率 s/a (%) 100 × 1000 単位粗骨材量 G kg/m3 = 粗骨材密度ρg × 単位骨材容積 a × 100 - 細骨材率 s/a (%) 100 × 1000
(6) 基準配合の表示 算定した基準配合を，以下の表形式でまとめる． 基準配合表 班名 f'cr (N/mm2) Gmax (mm) スランプ (cm) 空気量 (%) W/C (%) s/a (%) 単位量 (kg/m3) 水 W セメント C 細骨材 S 粗骨材 G AE 剤 AE 減水剤 (ml) M1 講義中に 伝える 20 15 7.0 M2 20 8 4.0
注）混和剤（AE 剤，AE 減水剤）の混入量は事前実験により求めてある．本実験では，AE 剤：単位セメント量の 0.006%，
AE 減水剤：単位セメント量 100kg あたり 250ml とする．ただし，これは目安であり，実際は材料や天候などに応じて 微調整する．上記の値が常に適切とは限らないので注意． 1.4 基準配合の意味 実際のコンクリート施工に用いられる配合，すなわち，所要の品質（強度，水密性，耐久性，ワーカ ビリティー）を有するコンクリートが得られる配合のことを「示方配合」と呼ぶ．所要の品質のコンク リートを得るための配合は唯一ではないため，使用材料特性や構造物の環境条件，施工条件に応じて， 試行錯誤によって決定する必要がある． 今回計算した「基準配合」は，あくまでも「暫定的な配合」であり，自分たちが必要とする「示方配 合」を定めるためのスタートとなる配合である．したがって，計算された基準配合に基づいてコンクリ ートを作製しても，所要の品質（強度，スランプ）が一発で得られるとは限らない． 仮に，セメントと骨材の密度や細骨材の粗粒率，粗骨材最大寸法など配合計算に用いる特性値が全く 等しい材料を用いたとしても，セメントの粉末度，骨材の粒度分布や粒形，コンクリートを作製する環 境条件などが異なった場合は，でき上がるコンクリートの性状は異なったものとなる． 教室で計算した基準配合を用いて，コンクリートの練り混ぜを実験で行うが，実験レポートでは間違 っても「１回目の練り混ぜで予定通りのスランプが出なかったので実験は失敗だった」などという考察 は書かないように．失敗ではなくむしろ「予定通り出なくても全く不思議ではない」のである．
2. コンクリートの練り混ぜ
2.1 示方配合の決定 所要の強度，スランプ，空気量から計算された基準配合を用いて 練り混ぜを行い，最終的な示方配合を決定する（班毎）． (1) 計量配合（現場配合）の計算 基準配合や示方配合は単位量で示されているため，実際にはコン クリートの製造量（今回は 40 l とする）に応じて材料を準備する． 水，細骨材は，細骨材の表面水補正を行った上で計量する． (2) 計量 水・セメントの計量はプラスチックバケツ，細骨材・粗骨材はバケ ツあるいはプラスチックボックスを用いる．水と骨材は計量後，蒸 発・乾燥を防ぐために濡れたウェスを容器にかぶせておく． 2.1 教室で計算した 2 配合に対して， 2 班に分かれて示方配合を決定するた めの練り混ぜ実験を行う． 2.1(1) → 基準配合×練混ぜ量(l )÷1000 → S' = S×( 1 + k )，W' = W－S×k （k：細骨材の表面水率） 2.1(2) 計量した混和剤は，練混ぜ水に 溶かす．(3) 練混ぜの手順 ① 細骨材の 1/2，セメント，細骨材の残りの順に投入する． ② ミキサ回転（30 秒）→ かき落とし → ミキサ回転（30 秒） ③ 水を 9 割ほど投入する．こぼさないように． ④ ミキサ回転（60 秒）→ かき落とし → ミキサ回転（30 秒） ⑤ 粗骨材と水の残りを投入する． ⑥ ミキサ回転（60 秒）→ かき落とし → ミキサ回転（60 秒） ⑦ 完成・搬出 (4) スランプ試験 p.6 に示す方法により，スランプ試験を行う． (5) 示方配合の決定と配合の修正 スランプの実測値が目標スランプから±1.5cm 以内におさまった 場合は，その時の基準配合をそのまま示方配合とする．おさまらな かった場合は，得られた結果に応じて配合を修正し，基準配合を再 計算する［時間の都合上，練混ぜは各班 3 回までとする］． スランプを 1cm 増減させるためには，単位水量 W を 1.2%増減させ る．水セメント比 W/C および細骨材率 s/a は変化させないが，単位 水量が変われば，その他の単位量は全て変化する． 2.1(3) スコップ・スランプコーンは ウェスで濡らし，使用直前まで濡れた ウェスで覆っておく．ミキサも使用前 に内側を軽く濡らしておく．少量の水 の蒸発がスランプに影響するのであ る． 注）ミキサ回転中は危険なので，覗き 込んだりしないこと． 2.1(4) 突き固めを均一に行うこと， スランプコーンを一定速度で鉛直に 引き上げることが重要である． 2.1(5) 単位水量の増加は，強度低下に は直接つながらない（強度は水セメント 比のみで決まることを前提としている ため）．水セメント比一定のもとでは， 単位水量の増加によって単位セメント 量も増加するため，セメントペースト量 が増加（細骨材・粗骨材量が減少）する． 注）本来は，スランプ・空気量が目標値 でも，所要のワーカビリティーを得るた め，細骨材率と単位水量を調整すること がある（s/a：±1%→W：±1.5kg）． 示方配合は，以下の表に基づいて作成する（非常に重要！！）． 示方配合表 班名 f'cr (N/mm2) Gmax (mm) スランプ (cm) 空気量 (%) W/C (%) s/a (%) 単位量 (kg/m3) 水 W セメント C 細骨材 S 粗骨材 G AE 剤 AE 減水剤 (ml) (6) 空気量測定試験 スランプが所定の値を満たした後，p.7 に示す方法により，空気量 測定試験を行う． (7) 強度試験用供試体の作製 詳細は TA の指示に従って作製すること． ① 圧縮強度試験用供試体（φ10×20cm）×3 体 鋼製型枠に 2 層で詰める．各層を突き棒で 10 回突き固め，型枠 上縁まで詰め，上端はてこでならす． ② 引張強度試験用供試体（φ15×20cm）×3 体 鋼製型枠に半分～2/3 の高さまで 2 層で詰める（高くしすぎると 試験不可能となるので注意）．各層を突き棒で 25 回突き固め． (8) 後片付け 使った道具は，コンクリートが固まる前にきれいに洗う． 注）本来はスランプのみでなく，空気 量も目標値と実測値の差に応じて修正 する．本実験では，時間の都合上，空 気量は測定のみとし，目標値と異なっ ていても配合修正には考慮しないもの とする．
(9) 後日（TA が実施） 脱型（水曜日）：型枠をはずし，養生槽に入れる． 2.2 レポート (1) 示方配合決定までの過程（練混ぜ結果） ・基準配合表（1m3あたりの量．小数点以下を四捨五入） ・練混ぜ結果（スランプ試験，作製したコンクリートの状態） ・目標スランプ±1.5cm におさまった場合： その時の暫定配合をそのまま示方配合とする． ・目標スランプ±1.5cm におさまらなかった場合： 目標スランプとの差の分を補正し，これを示方配合とする． (2) 決定した示方配合表（1m3あたりの量．小数点以下を四捨五入） 必ず前頁の表の形式で表記すること．示方配合表が正しく示され ていないレポートは大幅に減点する． (3) 考察 配合の修正によって各材料の比率がどのように変わり，それによ って何ゆえにスランプが変わったかなどを考察すること．一発で目 標値が得られた場合は，スランプをより小さく（もしくは大きく）， ワーカビリティーをより向上させるためにはどうすればいいかな どを考察する．思うようなスランプが得られなかった場合は，その 原因，目標通りのスランプを得るためにはどのように補正すればよ かったなどを考察する． (4) 感想 自由に記述してよい． レポート作成上の注意 注１）作製したコンクリートの状態を 説明するのに，べちょべちょしていた， どろどろだった，カチカチだったなど， 小学生みたいな表現は使わないこと． 注２）基準配合・示方配合の水，セメ ント，骨材の単位量は，小数点以下を 四捨五入すること． 注３）基準配合表・示方配合表は，計 量配合ではなく，表乾状態の骨材を用 いてコンクリート 1m3を作製するため に必要な各材料の量（すなわち，練り 混ぜ量や表面水補正を行う前段階での 分量）を示すこと．全く同一の品質の コンクリートを製造する場合でも， 日々の気温・湿度変動に伴って変化す る細骨材の表面水率などによって，毎 回異なる計量配合を適用する．したが って，実務で配合表を開示するときに は，練混ぜ量や現場の環境条件の違い によって変動しない配合を示すのが通 常である． 注４）「とても疲れた」，「初めてコンク リートを触って楽しかった」，「コンク リートの性質が変わってびっくりし た」，などは感想であり考察ではない． 2.3 誤解しないでほしい事項 配合設計で所要のスランプ・空気量に従って配合を計算し，実際にコンクリートを練混ぜてみると， 目標のスランプ・空気量を満足しないことはよくある．だからと言って実験が失敗というわけではない． 計算した配合はあくまでも暫定的な基準配合であり，所要の性質を持つコンクリートを製造するための 唯一の配合ではなく，使用材料の特性や天候などの環境条件に応じて修正する必要がある． さらに，補正表に従って基準配合を修正しても，ぴったり目標値におさまるとは限らない．配合修正 に用いる補正表は，膨大な数の試験に基づいた経験的なものであり，ぴったりその通りになるわけでは ない．あくまでも目安として用い，後は微調整して目標スランプ・空気量に近づけるのである． 実際の現場では，必要なワーカビリティ－・空気量を得るために，AE 剤や AE 減水剤などの混和剤添 加量も微調整を行うが，混和剤量の調整は熟練した経験が必要であることと，時間の都合上，本実験で は単純に単位水量の調整のみで目標値を目指すこととした．混和剤の量も調整すれば，より容易に目標 値に近づけやすくなる．考察では，単位水量を減らすということは何を意味するかなどに着目して考察 を進めること．
