2020/8/27

2020年8月27日

近未来コンクリート研究会
2020年度 第1回協議会

ホームページより「RC構造物の診断に必要な各種分析技術」
11:45～12:45

茨木柚季

住友大阪セメントグループ

株式会社中研コンサルタント
ISO/IEC17025適合試験所 JNLA登録認定取得
Chuken Consultant Co.Ltd.

講演項目

株式会社中研コンサルタント
JIS Q 17025適合試験所

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1

試験紹介
1. 岩種判定
2 .粉末Ｘ線回折
3. SEM-EDS
4. EPMA
5. 塩化物イオン濃度測定(電位差滴定法)
6.塩化物イオン量の簡易試験方法(迅速法)本 社・大阪技術センター（大阪市）
東京事務所（千代田区）
船橋技術センター（船橋市）
栃木技術センター（佐野市）
名古屋技術センター（北名古屋市）
高知技術センター（高知･須崎市）
東北試験所（宮城・仙台市）(2013年9月10日開所）

コンクリート・セメントに関して、ぜひ弊社に気軽にご相談ください。
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一般的なコンクリートの材料構成（体積割合）の概要

1 .骨材の岩種判定• ASR発生状況の確認• 有害鉱物の有無を確認(ASRやポップアウトの原因となる鉱物)

偏光顕微鏡観察

目視観察
クロスニコルJCI HP 「月刊 コンクリート技術」より引用
オープンニコル• 粗骨材の物性
JIS A 5308「レディーミクストコンクリート」
JIS A 5005「コンクリート用砕石及び砕砂」などで規定→打設する前の骨材• 岩種判定は、コンクリートコアに含まれる骨材を調査

偏光顕微鏡
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岩石と鉱物
• 異なる岩種でも、外観が似ている場合がある。
オープンニコル
岩石(玄武岩)：鉱物の集合体

ENGADGET HPより
火成岩
26％

クロスニコル58％
鉱物(長石)：規則正しい原子配列を持つ結晶

日本自然保護協会HPより
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岩石写真：倉敷市立自然史博物館HP「岩石の肉眼での同定」より
偏光顕微鏡写真：コンクリート診断 アルカリシリカ反応性判定のための岩石試料の偏光顕微鏡写真集(鳥居 和之)
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アルカリシリカ反応
ASR (Alkali-Sillica Reaction)

輝石安山岩• 同じ岩種でも、異なる見え方を示す
偏光顕微鏡画像

骨材

偏光顕微鏡画像

構造物

輝石安山岩

コンクリートメンテナンス
協会HPより他の安山岩

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岩種判定(偏光顕微鏡観察)

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作業手順(薄片作製)
コンクリートチップ• ASR発生状況の確認• 有害鉱物の有無を確認(ASRやポップアウトの原因となる鉱物)

薄片作製位置の選定
観察箇所の切り出し

JCI-DD3「骨材に含まれる有害鉱物の判別(同定)方法(案)」JCI-DD4「有害鉱物の定量方法(案)」に準拠

・コア中に普遍的に含まれる骨材・・有害骨材を含める。

研磨面

1次研磨・研磨紙カーボランダム)#600(約20μm)→#800→# 1000→#2000(約10μm)→# 3000
薄片偏光顕微鏡
卓上研磨機

ごく小さな視野なので、コンクリート構造物全体を評価するとは限らない。
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スライドガラス

スライドガラス貼り付け

接着面

2次研磨
・半自動で機械研磨(約#600)→薄くする目的・マイクロメーターで厚さを調整する

・エポキシ樹脂系接着剤で研磨面に張り付ける。
ボンドEセット
気泡が入らないよう注意する

精密研磨機

試料の厚さ約30μm

薄く切断

手研磨
・ガラス板上で、研磨材と水を混ぜて研磨する。
・研磨材(カーボランダム)#600(約20μm)→#800→# 1000→#2000(約10μm)→# 3000

精密切断機
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偏光顕微鏡
手研磨

拡大機能＋試料に偏光を当てて観察
鉱物種(ミクロ)を特定→岩種(マクロ)を特定

クロスニコル・厚さを偏光顕微鏡で確認する→長石や石英が灰色になるまで研磨
試料の厚さ 15~30µm

オープンニコル(ポラライザーのみ挿入)
骨材
カバーガラス

カバーガラス
クロスニコル(ポラライザーとアナライザー挿入)

表面の乱反射を防ぐ

日本自然科学写真協会HP「私の偏光顕微鏡写真撮影法」よりカバーガラス完成
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事例紹介(ASR)• 促進膨張試験(JCI-DD2法)

促進膨張試験(JCI-DD2法)
JCI-DD2法 ※JCI-S-011法
今後どの程度膨張するか、コアの膨張量を測定※一般的にはJCI-S-011法「アルカリ骨材反応を生じたコンクリート構造物のコア試料による膨張率の測定方法（案）」

長さ変化率(%)• 岩種判定(偏光顕微鏡観察)

開放膨張

促進膨張

20℃
95%～40℃
95%～

保管期間(日)Chuken Consultant Co.Ltd.

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偏光顕微鏡観察17

岩種判定(目視判定)
試験目的
骨材

モルタル
ペースト部

• ASR発生状況の確認• 有害鉱物の有無を確認(ASRやポップアウトの原因となる鉱物)

ルーペ観察

粗骨材

細骨材

GA/AM
TF

変斑れい岩/角閃岩
凝灰岩

JCI-DD3「骨材に含まれる有害鉱物の判別(同定)方法(案)」JCI-DD4「有害鉱物の定量方法(案)」に準拠
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岩種判定との比較

2 .粉末X線回折
試験目的
固体試料中の結晶学的構造を調べる• 骨材中の有害鉱物の同定• 水和物の同定(エトリンガイト、生石灰、C-S-Hなど)• エフロレッセンスの同定

共通点• どちらも骨材中の鉱物の同定ができる

偏光顕微鏡でのASR評価基準

相違点

正体が分かる・骨材(有害鉱物)
・セメント水和物、セメント鉱物• 骨材だけでなく、セメント水和物なども同定できる(エトリンガイト、生石灰、C-S-Hなど)• 偏光顕微鏡では判定できない、微量
Katayama, T., Oshiro, T., Sarai, Y., Zaha, K.,andの有害鉱物を判定することができる。 Yamato, T. : Late-expansive ASR due toimported sand and local aggregates in• ASRの劣化状況は確認できない
Okinawa Island, southwestern Japan,

粉末にして分析

Proceedings of the 13th International
Conference on Alkali-Aggregate Reaction inConcrete, Trondheim, Norway, PP.862-873,
2008

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作業手順
•

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測定装置

JCI-DD3「骨材に含まれる有害鉱物の判別(同定)方法(案)」

コア採取・粗粉砕

データ解析

粉末試料

コアから粗骨材を取り出す
ゴニオメーター(角度を変える)

微粉砕・試料調整

測定

X線管球・一般に、試料は数μm以下の粉末に調整。
・耳かき1杯程度～小さじ1杯程度の量
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X線検出器

スペクトリス社製 X’ Pert PRO MPD
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測定

データ解析

粉末試料
ゴニオメーター(角度を変える)
X線管球

ICDD(International Centre for DiffractionData)の粉末回折データベースを利用し、自動でピークサーチ

X線検出器
産総研HP・非晶質(ASRゲル、火山ガラス)は同定不可

日産アークHP

JAIMA HP
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骨材に起因する劣化(ポップアウト)
区分
硫酸塩

鉱物名
石膏、無水石膏、アルナイト硫化物

黄鉄鉱、磁硫鉄鉱、白鉄鉱、黄銅鉱

3 . SEM-EDS

反応メカニズム
セメント中のC3Aと反応して、エトリンガイトを生成して膨張
セメント中のCaと反応して石膏をつくり、C3Aと反応してエトリンガイトを生成して膨張
乾湿繰り返しにより骨材自身が粉状化

ローモンタイト、レオンハルダイト
モンモリロナイト、サポナイト、イライト、粘土鉱物
乾燥による収縮と湿潤による膨張を繰り返す
絹雲母、膨潤性緑泥石
酸化物 生石灰、ベリクレス、ウスタイト
水和により膨張、コンクリート打設早期にポップアウト
その他
含鉄ブルーサイト、コーリンガイト
酸化、炭酸化により新鉱物の生成と膨張

コンクリート診断(鳥居和之)より試験目的• ASRゲルの形態観察および元素分析• フライアッシュの形態観察および元素分析• セメント水和物の形態観察および元素分析

生石灰（CaO）による反応
CaO+H2O→Ca(OH)2
CaOがCa(OH)2に変化すると体積が約2倍SEM観察

EDS分析
001
13500

Si12000

粉砕

10500
9000
Counts沸石

257500
6000
4500

形態観察

ポップアウト(生石灰CaO)

O
C

3000

00.00

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観察視野：~50mm

KKAlNa

1500
1.00

2.00

3.004.00

5.00

6.00

7.00

8.00

9.00

10.00

keV

Chuken Consultant Co.Ltd.

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走査型電子顕微鏡
SEM(Scanning Electron Microscope)

SEM観察画像エトリンガイト(針状)JAIMA HP「走査電子顕微鏡(SEM)の原理と応用」より
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エフロレッセンスの一例(さいころ状)

フライアッシュ(球状)28エネルギー分散型X線分析装置
EDS(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)• SEMに取り付けX線を検出し、元素情報を得る装置(検出器)• 凹凸試料の分析が比較的容易

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SEM観察、EDS分析
001
13500

ASRゲルの外観写真

Si

12000

ASRゲルのEDS分析図

10500

Counts

9000
7500
6000
4500

O
C

3000

K
K

AlNa

1500
00.00

EDS

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

8.00

9.00

10.00

keV

ASRゲルのSEM写真

乾燥による典型的なひび割れ
SEM観察では真空雰囲
気下に試料を設置する
ため、水分が飛ぶ
株式会社ツチヨシ産業HPより
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面分析

4 . EPMA• EPMA (Electon Probe Micro Analyzer)
元素分析機能が付いた電子顕微鏡

深さ方向に切断(最大80×80mm)

CS

Cl

Si

Na

K

カラーバー

日本電子社製JXA-8200
80mm

試験目的
調査項目

分析元素

アルカリ骨材反応

Na,K,Si,Ca

80mm

塩害

Cl,Ca,Na,C

炭酸化

C,Ca,Cl,S,Na,K

硫酸塩劣化

S,Ca,Al

複合劣化

Na,K,Cl,C,S,Ca,Si

硬化体、クリンカ組成分析

Si,Al,Fe,Ca,S,Mg,Na,K

面分析

Chuken Consultant Co.Ltd.

• 高分解能であり、ビジュアル的に把握することができる。
• 多元素の面分析が同時に可能• ペースト部と骨材部の状況判別が可能→塩分分布を正確に知ることができる

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複合劣化(中性化と塩害)
表面

33

面分析

深部

C

深さ方向に切断(最大80×80mm)

多C

S

Cl

Si

NaK

カラーバー

中性化(C)
・試料表面がピーク
低Cl

多塩害(Cl)・中性化部分より深部に濃縮

低Chuken Consultant Co.Ltd.

34• 高分解能であり、ビジュアル的に把握することができる。
• 多元素の面分析が同時に可能• セメントペースト部と骨材部の状況判別が可能→塩分分布を正確に知ることができる
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作業手順

EPMA装置土木学会(2006):コンクリート技術シリーズ69 硬化コンクリートのミクロの世界を拓く新しい土木学会規準の制定－ＥＰＭＡ法による面分析方法と微量成分溶出試験方法について－に準拠

サンプル採取・試料切断

鏡筒検出器(EDS)

面分析検出器(WDS)

樹脂埋め込み

試料導電処理(蒸着)
鏡面研磨

真空乾燥

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試料予備排気室

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EPMA装置の原理

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X線検出器
• 電子線で励起された特性X線を検出
EDS(Energy Dispersive Spectroscopy)エネルギー分散型
WDS(Wave Dispersive Spectroscopy)波長分散型

電子銃から放出された電子線を数十kVに加速し、試料に照射すると、試料から特性X線が発生します。
特性X線は元素に固有な波長を持っています。
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日本電子株式会社ホームページより

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WDS(EPMA)EDS(SEM-EDS)

分析方式

分光結晶による経時的分析

半導体検出器による多元素同時分析

分析対象元素4Be以上

11Na以上（ 5B以上）

分析電流

多少

分析時間

遅速

分析時の試料損傷

大小

定量分析精度高低分析限界濃度5B～9F 11Na～92U

0.01～0.05wt%
0.001～0.01wt%

1～10wt%0.1～0.5wt%

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試料条件

5 . 全塩化物イオン測定(電位差滴定法)• JIS A 1154 硬化コンクリート中に含まれる塩化物イオンの試験方
ドリル粉法に準拠

測定時間(8cm×8cmの試料面)• 800×800(pix)×50(msec/pix)=32000sec≒9時間

コンクリートコア

ピクセル数
800pix

深さごとに切断
Cl-量が定量的に分かる

100μm
土木学会(2006):コンクリート技術シリーズ69 硬化コンクリートのミクロの世界を拓く新しい土木学会規準の制定－ＥＰＭＡ法による面分析方法と微量成分溶出試験方法について－より引用

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作業手順

電位差滴定法•JIS A 1154 硬化コンクリート中に含まれる塩化物イオンの試験方法やに準拠•抽出した溶液について塩化物イオン電極を用いた電位差滴定装置を用いて硝酸銀溶液(AgNO3)で滴定する。

1. 試料調製・切り出し

3.電位差滴定

コンクリートコアまたはドリル粉

硝酸(1+6)70mlでCl-抽出
過酸化水素添加煮沸
冷却
電位差滴定測定2.微粉砕(コンクリートコア)

41• 硝酸銀溶液を滴加→塩化銀が沈殿
硝酸銀

塩化銀

Cl-+AgNO3→ AgCl↓(白色沈殿物)• 電極間に生じる電位差を測定し、その変化率が最大になるところ(変曲点)を自動で検出
電極
試料台(24試料まで)

硝酸銀

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結果

6.迅速法
国土交通省「レディーミクストコンクリート単位水量測定要領(案) 」掲載手法

特徴① 現場での測定が可能② 全塩化物イオン量の測定が可能③ 測定時間が早い
1試料あたり30~40分程度で測定できる④ JISとほぼ同等の値が得られる
JIS A 1154「硬化コンクリート中に含まれる塩化物イオンの試験方法」の測定結果と同等の値が得られる。
単位容積質量

コンクリート供試体をNaCl溶液に一定期間浸漬→新設構造物の見かけの拡散係数も算出可能
Chuken Consultant Co.Ltd.

JIS法との比較

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SALMATE-100 測定手順

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6.迅速法
国土交通省「レディーミクストコンクリート単位水量測定要領(案) 」掲載手法

特徴① 現場での測定が可能② 全塩化物イオン量の測定が可能③ 測定時間が早い
1試料あたり30~40分程度で測定できる④ JISとほぼ同等の値が得られる
JIS A 1154「硬化コンクリート中に含まれる塩化物イオンの試験方法」の測定結果と同等の値が得られる。
上澄液を塩分計で測定する

現場で簡単に測定が可能
JIS法との比較
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終わりに近未来コンクリート研究会の皆様、お忙しいところお聞きくださりありがとうございました。

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