経年コンクリートの中性化の評価に関する研究

(1)

総合研究所・都市減災研究センター(UDM) 研究報告書 (平成25年度)

テーマ3 小課題番号3.1-4

1

経年コンクリートの中性化の評価に関する研究

齊藤辰弥^＊１中村則清^＊２阿部道彦^＊3 中性化屋外暴露材齢25年

環境条件水セメント比圧縮強度

1.はじめに

コンクリートの中性化に関する調査研究は数多く行われているが、長期間屋外に暴露したコンクリートの中性化についての研究報告例は比較的少ない。また、屋外暴露時の供試体の場所や方位、降雨の有無などの環境条件を考慮した実験例も少なく、環境条件がコンクリートの中性化に与える影響についての比較、検討が十分に行われていない現状となっている。

以上のことから、屋外に25年間暴露した供試体の中性化深さを調べ、各種環境条件がコンクリートの中性化に及ぼす要因について比較を行った。

2.実験概要

表-1 のように、普通ポルトランドセメント、高炉セメントB種、フライアッシュセメントB種および、軽量コンクリート1種の4種類のコンクリート(記号:N、S、F、 L)をそれぞれ水セメント比 50、60、70%の 3 水準(L は

50,60%の2水準)作製した。コンクリートのフレッシュ性

状は、スランプ 18cm、空気量 4%を目標とし、供試体は 150×150×600(mm)の角柱とした。

供試体は、茨城県つくば市に位置する平屋の建物の北側と南側に設置した架台上に図-1 のように暴露した。北側の供試体は建物の日陰になるように暴露されている。

南側の供試体は建物から少し離れた場所に暴露しており

図-1 供試体の配置図表-2 中性化深さ測定結果

表-1 コンクリートの調合表

表-1 コンクリートの調合表記号セメント

種類粗骨材

種類 W/C

(%) 単位水量

(kg/m³) セメント (kg/m³)

細骨材 (kg/m³)

粗骨材 (kg/m³)

空気量(%)

4週圧縮強度 (N/mm²) 50 178 356 733 1007 4.3 41.3 60 176 293 789 1007 4.3 32.8 70 176 251 823 1007 4.6 24.1 50 173 346 738 1007 4.4 33.8 60 171 285 795 1007 5.0 27.0 70 171 244 831 1007 4.0 21.4 50 177 354 728 1007 5.0 37.9 60 175 292 784 1007 4.6 28.3 70 175 250 820 1007 4.5 22.6 50 167 334 867 571 4.7 36.1 60 165 275 918 571 4.3 21.0 N

F

S

L

砕石

軽量 N

S

F

N

南面北面南面北面南面北面南面北面南面北面南面北面南面北面南面北面南面北面南面北面南面北面南面北面 50 1.8 2.3 2.3 2.2 1.9 2.6 6.4 5.4 9.7 7.6 10.3 6.2 1.2 3.1 1.8 2.4 2.6 1.6 3.8 5.5 7.0 6.2 6.4 4.8 60 5.3 5.4 5.3 5.3 6.1 8.0 14.0 12.1 19.3 17.0 16.2 20.2 5.9 5.4 3.6 6.1 4.6 7.3 6.6 7.8 8.4 6.5 8.3 4.5 70 8.4 7.3 11.1 9.3 7.5 10.2 15.9 16.0 29.0 28.0 23.6 28.4 6.8 8.0 11.8 11.2 11.9 12.1 14.5 12.7 24.4 23.4 25.7 24.9 50 3.7 4.1 2.0 2.0 5.2 6.0 7.6 6.6 13.4 15.3 14.2 15.2 4.6 4.0 1.3 1.5 1.6 2.8 6.6 7.9 12.5 10.3 11.1 9.8 60 6.8 10.1 5.6 5.0 8.0 9.5 10.1 9.6 21.6 19.4 20.7 17.2 6.1 5.4 5.2 4.2 5.7 6.8 9.1 9.1 17.9 18.5 14.6 13.5 70 8.2 6.2 12.0 9.3 13.1 10.1 18.2 15.5 26.1 29.1 29.3 27.7 10.8 7.4 7.6 11.0 6.8 11.0 16.2 14.7 23.6 23.1 23.0 22.4 50 5.8 4.7 4.7 1.6 8.6 8.2 9.1 5.7 14.0 12.7 11.0 12.9 2.0 3.1 2.9 3.5 5.9 5.2 7.9 7.1 13.0 12.2 11.4 12.2 60 9.0 6.4 8.2 5.2 9.5 11.9 11.9 12.7 18.5 21.2 20.9 23.8 7.5 5.7 5.3 5.8 5.0 5.7 12.8 12.9 17.9 21.0 17.3 20.8 70 10.3 10.1 10.9 10.5 10.7 11.5 18.0 18.0 27.1 24.8 32.3 30.4 13.6 8.3 12.0 11.6 17.6 14.4 19.9 17.3 28.6 27.8 27.4 29.9 50 2.9 4.0 1.6 1.2 4.3 4.5 9.0 8.9 16.3 13.4 14.1 13.5 4.4 2.8 8.2 6.7 4.2 4.2 4.9 7.8 12.9 15.8 4.5 11.4 60 9.7 11.2 9.1 8.4 12.1 14.1 18.7 16.4 30.3 27.8 30.4 29.7 10.2 7.1 5.2 4.0 10.6 12.8 12.3 11.6 23.7 21.6 26.3 23.6

屋根なし

材齢25年材齢20年

材齢10年

N 軽

量 S

材齢20年

砕石粗骨材

中性化深さ(mm) 屋根あり

北側

屋根あり

屋根なし

材齢10年

南側

材齢20年

F セメント

W/

C(%)

N

平屋の建物供試体

供試体屋根あり

屋根あり

N N

屋根なし屋根なし

＊1：工学院大学研究生＊2：建材試験センター＊3：工学院大学建築学科教授工博

(2)

2 日差しが当たる状態になっている。さらに、南側北側それぞれの半分の供試体にはアクリル製の屋根をかけており、雨がかかりにくい状態になっている。また、供試体の北面と南面以外はエポキシ系樹脂でシールして暴露している。

試験は、1987年7月に開始しており、暴露10年¹⁾、20 年 ²⁾での測定がすでに行われている。本実験では、暴露 25年での中性化深さの測定を行った。

3.実験方法

中性化深さの測定は、供試体をコンクリートカッターで切断し、JIS A 1152(コンクリートの中性化深さの測定方法)に準じて切断面の片側5箇所(材齢10年は片側3箇所) をそれぞれ供試体の南面と北面で区別して測定した。

4.実験結果および考察 4.1 中性化深さの測定結果

表-2に中性化深さの測定結果を示す。また、図-2に中性化深さの経年変化を示す。一般的に中性化は時間の平方根に比例して進行するとされているが、図-2 で示すように水セメント比 70%については、それぞれの種類のコンクリートでほぼ比例する形になっている。また、その他の水セメント比のものは、材齢20年から25 年にかけて、中性化の進行が減少しているものがいくつか確認できるがおよそ比例する形にある。中性化深さが減少して

図-3 供試体の向きによる比較図-2 中性化深さの経年変化

L-50

0 5 10 15 20 25 30 35

0 2 4 6

√年

中性化深さ(mm)

F-50

0 5 10 15 20 25 30 35

0 2 4 6

√年

中性化深さ(mm)

S-50

0 5 10 15 20 25 30 35

0 2 4 6

√年

中性化深さ(mm)

N-50

0 5 10 15 20 25 30 35

0 2 4 6

√年

中性化深さ(mm)

L-60

0 5 10 15 20 25 30 35

0 2 4 6

√年

中性化深さ(mm)

F-60

0 5 10 15 20 25 30 35

0 2 4 6

√年

中性化深さ(mm)

S-60

0 5 10 15 20 25 30 35

0 2 4 6

√年

中性化深さ(mm)

N-60

0 5 10 15 20 25 30 35

0 2 4 6

√年

中性化深さ(mm)

N-50

-5 5 15 25 35

0 10

√年

中性化深さ(mm) 南側屋根なし　南面南側屋根なし　北面北側屋根なし　南面北側屋根なし　北面南側屋根あり　南面南側屋根あり　北面北側屋根あり　南面北側屋根あり　北面 F-70

0 5 10 15 20 25 30 35

0 2 4 6

√年

中性化深さ(mm)

S-70

0 5 10 15 20 25 30 35

0 2 4 6

√年

中性化深さ(mm)

N-70

0 5 10 15 20 25 30 35

0 2 4 6

√年

中性化深さ(mm)

北側屋根あり

0 1 2 3 4 5 6 7 8

南面北面

中性化速度係数(mm/√年)

北側屋根なし

0 1 2 3 4 5 6 7 8

南面北面

南側屋根あり

0 1 2 3 4 5 6 7 8

南面北面

南側屋根なし

0 1 2 3 4 5 6 7 8

南面北面

-2.0 8.0

南面北面

N-50 S-50 F-50 L-50

N-60 S-60 F-60 L-60

N-70 S-70 F-70

(3)

3 いる点は、暴露10年、20 年、25 年での測定者が異なったことや、水セメント比が小さいものは相対的に中性化深さが小さいため測定のわずかな誤差が結果に大きく影響してしまったことが一因と考えられる。

4.2 暴露場所による中性化速度係数の比較 (1)供試体の向きの影響

図-3 に示すようにそれぞれの調合条件で、供試体の南面と北面では中性化速度係数に大きな差はなかった。これは供試体の暴露場所や屋根の有無に関係なくいえる。

そのため、以降は南面と北面の平均を用いて比較を行う。

(2)供試体の暴露場所の影響

図-4 に供試体の暴露場所による比較を示す。屋根がなく降雨がある場所に暴露している供試体の水セメント比 70%のFとSおよび水セメント比50%のLに関しては、

暴露場所が南側より北側の方が中性化速度係数は大きくなった。しかし、その他の供試体に関しては、屋根の有無に関係なく、暴露場所が南側の方が北側より中性化速度係数が大きくなった。これは、暴露場所が北側では、

建物の影となり降雨によって濡れた後、供試体に日があたらないため南側に比べ乾きにくい条件となっているためと考えられる。

(3)屋根の有無による影響

図-5 に屋根の有無による影響を示す。暴露場所が南側の場合と北側の場合に関係なくすべての供試体において屋根のある方が屋根のない方よりも中性化速度係数が大きくなった。これは、屋根がある方は降雨によって濡れることが少なかったため、中性化速度係数が大きくなったと考えられる。

4.3 調合条件が中性化速度係数に与える影響

中性化速度に影響する調合条件としては、一般に水セメント比が大きいほど中性化速度係数も大きくなる傾向があるが、図-6 に示すように本研究でも同様の傾向が見られた。骨材の種類では、水セメント比が同じ場合、軽量コンクリート 1 種の方が普通コンクリートよりも中性化速度係数が大きくなった。これらのことは暴露場所、

屋根の有無に関わらずいえる。

また、普通ポルトランドセメントを使用したコンクリートの中性化速度係数を1としたときのAIJ指針³⁾の白山式他による中性化速度比と今回の各コンクリートの試験結果の比較を表-3 に示した。値にややばらつきが見られるが、AIJ指針と同様に普通ポルトランドセメント＜高炉セメントB種＜フライアッシュセメントB種の順に中性化速度係数が大きくなる傾向がみられた。

図-7 に調合条件と屋根の有無による比較を示す。水セ

メント比 50%の供試体は、屋根ありに対する屋根なしの

中性化速度係数の比にばらつきが大きく、コンクリートの種類によって降雨による影響が大きくなった。水セメント比が 60%ではコンクリートの種類による降雨の影響

図-5 屋根の有無による比較

表-3 各コンクリートの中性化速度比

N S F L N S F L

AIJ指針³⁾ 1.00 1.41 1.82 1.20 AIJ指針³⁾ 1.00 1.41 1.82 1.20 W/C=50% 1.00 1.76 2.60 1.40 W/C=50% 1.00 1.62 1.45 1.66 W/C=60% 1.00 1.24 1.42 1.81 W/C=60% 1.00 1.02 1.12 1.57 W/C=70% 1.00 1.26 1.18 W/C=70% 1.00 1.04 1.07

N S F L N S F L

AIJ指針³⁾ 1.00 1.41 1.82 1.20 AIJ指針³⁾ 1.00 1.41 1.82 1.20 W/C=50% 1.00 1.19 1.88 2.46 W/C=50% 1.00 1.74 1.93 1.72 W/C=60% 1.00 1.02 1.05 1.54 W/C=60% 1.00 2.05 2.53 3.00 W/C=70% 1.00 0.85 1.24 W/C=70% 1.00 0.97 1.19

南側屋根なし南側屋根あり

北側屋根あり北側屋根なし

図-4 暴露場所による比較屋根あり　平均

0 1 2 3 4 5 6 7 8

南側北側

屋根なし　平均

0 1 2 3 4 5 6 7 8

南側北側

北側　平均

0 1 2 3 4 5 6 7 8

屋根なし屋根あり

南側　平均

0 1 2 3 4 5 6 7 8

屋根なし屋根あり

図-6 中性化速度係数の各種コンクリートの比較屋根あり　平均

0 1 2 3 4 5 6 7 8

N S F L

屋根なし　平均

0 1 2 3 4 5 6 7 8

N S F L

-2.0 8.0

N S F L

W/C=50% 南側 W/C=60% 南側 W/C=70% 南側 W/C=50% 北側 W/C=60% 北側 W/C=70% 北側

(4)

4 が小さくなり、水セメント比 70%ではその差がさらに小さくなった。これは、水セメント比 70%では単位セメント量が少ないため、環境条件の影響が表れにくかったと考えられる。

4.4 圧縮強度と中性化速度係数の関係

図-8に標準養生4週の圧縮強度と中性化速度係数の関係を示す。また、表-4に図-8から求めた各コンクリートの近似式を示す。暴露場所が北側の供試体では、屋根なしのFと屋根ありのNについてばらつきが見られたが、

その他のコンクリートについてはほぼ類似の中性化速度係数になった。南側の供試体については、屋根の有無に関係なく直線的な関係でばらつきが少なく、同一圧縮強度でいずれのコンクリートでもほぼ類似の中性化速度係数になった。また、軽量コンクリートについては近似線を引くための点が2点しかないため参考値としている。

5. まとめ

1) 中性化深さは、水セメント比70%では時間の平方根に比例した。その他の水セメント比のものも中性化がいくつか減少しているものがあったがおよそ時間の平方根に比例した。

2) 供試体の南面と北面では中性化速度に大きな差はなかった。

3) 暴露場所が建物の南側の供試体の方が、建物の北側にある供試体よりも、中性化速度係数が大きくなった。

4) 屋根がある場合の方が屋根のない方よりも中性化速度係数が大きくなった。

5) セメントの種類では、普通ポルトランドセメント＜高炉セメントB種＜フライアッシュセメントB種の順に中性化速度係数が大きくなった。

6) 同一水セメント比の場合、軽量コンクリートは普通コンクリートよりも中性化速度係数が大きかった。

7) 水セメント比50%のものは、屋根ありに対する屋根なしの中性化速度係数の比にばらつきが大きかったが、

水セメント比が60%、70%と大きくなると、ばらつきが小さくなった。

8) 同一圧縮強度で比較すると環境条件ごとに類似の中性化速度係数となりばらつきが少なかった。

【参考文献】

1) 長谷川拓哉,他:暴露試験に基づく中性化に影響する各種環境条件に関する検討, 日本建築学会学術講演梗概集, pp.403~404,1998

2) 築地健,他:屋外暴露による中性化に及ぼす各種環境条件の影響, 日本建築学会関東支部研究報告集, pp.33~36,2007

3) 日本建築学会:鉄筋コンクリート造建築物の耐久設計施工指針(案)・同解説, pp.101~103,2004

【謝辞】

実験に際し、工学院大学学生の尾作勇介君、鈴木健之君、田迎聡士君、中村建君の協力を得ました。記して謝意を表します。

図-8 圧縮強度と中性化速度係数の関係表-4 図-8 より求めた各コンクリートの近似式

南側屋根なし南側屋根あり

普通ポルトランドセメント y = -0.092(x -47.2) y = -0.221(x -49.7) 高炉セメント B 種 y = -0.140(x -39.9) y = -0.231(x -45.7) フライアッシュセメント B 種 y = -0.074(x -55.5) y = -0.218(x -49.4) 軽量コンクリート y = -0.229(x -21.8) y = -0.207(x -50.5)

北側屋根なし北側屋根あり

普通ポルトランドセメント y = -0.114(x -45.1) y = -0.217(x -45.0) 高炉セメント B 種 y = -0.121(x -38.2) y = -0.204(x -44.4) フライアッシュセメント B 種 y = -0.129(x -43.2) y = -0.218(x -48.8) 軽量コンクリート y = -0.049(x -60.5) y = -0.168(x -49.5)

0 1 2 3 4 5 6 7 8

50 60 70

水セメント比(%) 屋根ありに対する屋根なしの中性化速度係数の比

N　南側 S　南側 F　南側 L　南側

N　北側 S　北側 F　北側 L　北側

図-7 中性化速度係数による各種コンクリートの比較

南側屋根あり

0 2 4 6 8

0 10 20 30 40 50

圧縮強度(N/mm2)

N S F L

北側屋根あり

0 2 4 6 8

0 10 20 30 40 50

圧縮強度(N/mm²)

N S F L 南側屋根なし

0 2 4 6 8

0 10 20 30 40 50

圧縮強度(N/mm2)

N S F L

北側屋根なし

0 2 4 6 8

0 10 20 30 40 50

圧縮強度(N/mm²)

N S F L