コンクリート工学年次論文集，Vol.31，No.1，2009

論文

水中環境下のコンクリートならびにモルタルの耐摩耗性について
高野智宏*1・寺田

哲美*2・山中誠*3

要旨：近年，水路等で摩耗損傷による表面の粗面化が発生し，流下能力低下をもたらす原因として問題視されている。そこで，普通強度コンクリート，高強度コンクリートならびに超高強度繊維補強モルタルについて流体エロージョン摩耗試験を実施し，耐摩耗性について検討を行った。その結果，普通強度コンクリートの耐流体エロージョン摩耗は粗骨材の最大粒径ならびに細骨材率が大きく影響する結果が，高強度コンクリートならびに超高強度繊維補強モルタルは普通強度コンクリートより耐流体エロージョン摩耗性は高いものの，エフロレッセンスならびに摩耗面近傍の粗骨材の遷移帯などの脆弱部が影響をおよぼす傾向が示された。
キーワード：高強度コンクリート，超高強度繊維補強モルタル，耐摩耗性，エロージョン摩耗，ASTM C1138
れている 1）。この他に，骨材とセメントペーストの付

1. はじめに
古くから，土木ならびに農業土木の分野で，水路等着性を改善することが耐摩耗性改善に寄与すると言わの整備がコンクリートを用いて行われてきた。近年でれている。これは混和材を用いることで骨材の付着性は整備が進み，維持管理の面で問題が生じてきている。

を改善することが可能だが，さらに混和材の種類によ多くは断面の欠損であり，大半が摩耗による水路表面ってもすりへり係数の値は変動する。この中でエトリの粗面化で，寒冷地においては凍害と摩耗の複合作用

ンガイト生成系混和材はシリカフュームならびに高炉による物が多く見られる。

水砕スラグ微粉末よりすりへり係数が小さくなる傾向が報告されている 1）2）。

水路はセメント 2 次製品と現場打ちコンクリートで施工されている。そのため，維持管理を行う上で，損一方，水流摩耗ではコンクリート中のカルシウムが傷した部分はセメント 2 次製品の入れ替え施工，又は溶出し，コンクリート強度が低下し，物理的なすりへ断面補修施工が行われている。しかし，入れ替え施工り作用の他に，化学的な劣化により耐摩耗性が低下す

や断面補修施工の場合，費用はもとより，施工期間のるとの報告もある 3）。

制限も多い。また，絶えず水が流れている施工現場でこのことから，コンクリートの摩耗現象は多数の摩は，バイパスを設けたり，水路内の排水を行う必要が耗因子により構成され，さらに複雑なメカニズムを有あり，さらには重機が入れない局所的な施工現場などしていると言われており，トライボロジー的な観点よは容易にこれらの施工を行うことはできない。

り試験方法選択する必要がある 4）5）。

そこで安価で短期間に容易に路断面の補修を行うこ
2. 摩耗についてとができる，超高強度繊維補強モルタルパネル（最小厚さ 15mm のセメント 2 次製品パネル）を用いた既存摩耗の種類を表－1 に示す。摩耗は，個体または液水路の流下能力，また，耐久性を回復させる断面補修

体の運動から 6 種に区分される 6)。しかし，実際の摩工法を開発した。本論文ではその工法で用いる超高強耗は，その環境により複雑で，大きく 4 つに区分され度繊維補強モルタルパネルの耐摩耗性を中心に述べる。

る摩耗機構が複合されている場合が多い。

これまでコンクリートの耐摩耗性におよぼす要因に本研究では水路環境における摩耗を対象にしている。

関して，すり磨きならびに衝撃に関する研究が主に多

この場合の摩耗原因は水流中に発生したキャビテーシく行われている。すり磨きならびに衝撃作用に起因しョンによる疲れならびに腐食からの摩耗，そして，土た摩耗性では一般的に細骨材率を小さくし，粗骨材の砂の流出より起こるアブレッシブからの摩耗の複合が占有面積を大きくすることが耐摩耗性改善に寄与する考察できる。よって，表で示す流体エロージョンが適と言われている 1）。しかし，セメント量が 450kg 以上当と考えられる。本報告は摩耗シュミレータによる摩で，かつ，細骨材率が小さすぎる場合はコンクリート耗現象の再現試験ではなく，流体エロージョン摩耗機の脆性化が進み，硬く脆くなることから骨材の露出面構の特性を十分に考慮された試験機によるコンクリー積が大きくてもすりへり係数が大きくなることが言わトならびにモルタルの摩耗性状について報告する。

*1 共和コンクリート工業（株）技術研究所

主任研究員

工博

*2 共和コンクリート工業（株）技術研究所

主席研究員（非会員）*3 共和コンクリート工業（株）技術研究所

研究所所長

（正会員）

-709-（正会員）出する。この時，すりへり係数のユニットの関係から，

表－1 摩耗の種類
互いに作用する要素

個体/個体：個体/液体

金属,ポリマーなど無潤滑または潤滑剤がある場合

密度は g/mm3 のユニットで計算する。すりへり係数は個体/(液体+粒子)

式（2）を用いて算出する。摩耗面積は供試体の摩耗面

運動の種類
摩耗の種類

摩耗
機
構

相応
互力
作に用よる
間応の力
相お互よ作び
用物
質

すべり

ころがり

衝撃

すべり摩耗

ころがり摩耗

衝撃摩耗

○

○

○

○

×

○

疲

れ

○

○

○

○

○

○

凝着

○

○

○

○

×

×

腐

食

○

○

○

○

○

○

アブレッシブの大きさであるため，固定値である。

微振動
流動
流動流体
フレッチング キャビテーション
摩耗
エロージョン
摩耗水3. 流体エロージョン摩耗試験方法
流体エロージョンにおける試験規格は ASTM でのみ規格化されている。よって，本論文では ASTM C1138
Standard Test Method for Abrasion Resistance of Concrete（Under water Method） に従った。この試験は水中環

側面φ300ボイド管打設面境下で鋼球がキャビテーション水流に乗り，転がりな供試体がら流れる様を規格化した試験である。
図－1 に試験装置を示す。流体エロージョン摩耗試

鋼製プレート験は試験装置の底部に φ300×110mm の円柱供試体を，図－1摩耗面を上にし設置する。この時，ASTM C1138 では

ρ=スクリューの底部と供試体の上面との間隔が 38mm になるように規定している。
鋼球は直径 25.3mm を 10 個，打設底面：摩耗面

エロージョン摩耗試験装置と型枠

Wd× 1000
Wd − WW(1)ρ : 供試体密度 (g/mm3)19mm を 35 個ならびに 12.6mm のものを 25 個用い，

Wd : 試験前供試体表乾質量 (g)すべての鋼球を供試体の摩耗面に置く。この鋼球は砂Ww : 試験前供試体水中質量 (g)利をモデルにしたものである。水はスクリューの上面γ=まで入れ，スクリューの回転速度は 1200±100rpm で回転させることが規定されている。

Wd − Wstep
ρ× A(2)

エロージョン摩耗試験で用いる供試体は試験開始前

γ: 累積すりへり係数 (mm3/cm2)に十分に吸水させ，表乾にした状態から開始している。

Wstep : 12 時間毎の表乾質量 (g)A : 摩耗面積 15×15×3.14 (cm2)

計測は 12 時間毎の表乾質量を計測し，合計試験時間が 72 時間になるまで行う。
試験結果のまとめ方に関して，既往の研究では単位面積当たりのすりへられた

4. 供試体配合と養生条件

体積で表す，すりへり係数を取り入れている場合が多4.1 供試体配合について

1）

いことから ，本論文でもすりへり係数を用いて示す。

配合は超高強度繊維補強モルタル（以後 HYUHSM）

算出式を下記に示す。式（1）により供試体の密度を算の配合はもとより，既存コンクリートに着目した配合

表－2 供試体配合

種

別供試体名
(%)

(%)

(%)

3

単位量 (kg/m )ペー

air W/(CorB) S/a

体ス
積ト比/
砂B:バインダー

WC

高強度
混和材

S

Gmax20mm

Gmax20-1
普通強度
コンク
リート

43
Gmax4039

33 1.16 145 370
602.5878

201019615

Gmax20mm70939

Gmax20mm

198 900

901211--710--

適量1201

153 695
1.17100953
Gmax25mm:40mm

1:1-HSCHYUHSM

47 0.81 150 349

4.5

Gmax20-2
高強度コンクリート
超高強度繊維補強モルタル

G

高性能AE
減水剤
VFLVFSor(L30-D0.66mm) (L12-D0.1mm) AE減水剤

594
13.02.6(1.0Vol・%)(0.2Vol・%)

3 種，高強度コンクリート 1 種を比較用に配合し，試供試体名 Gmax20-1 はセメント 2 次製品を意識した験を実施した。また，石材（花崗岩）を比較用に試験配合で材齢 14 日設計強度を 30N/mm2 としている。

した。供試体配合を表－2 に示す。すべての配合のセ

Gmax40 は Gmax20-1 の粗骨材を変更した配合である。

メントは普通ポルトランドセメントを使用している。

Gmax20-2 は細骨材率を極端に小さくした配合である。

高強度コンクリート（以後 HSC）ならびに HYUHSM

HSC のモルタル部は HYUHSM のモルタル部をイメ

ではエトリンガイト系高強度混和材を使用している。

ージしており，これに粗骨材を入れて高強度コンクリ

細骨材は普通強度コンクリートに関して北海道日高産ートにしたものである。つまり，ペースト（セメントの密度 2.69g/cm3，HSC ならびに HYUHSM は産地が同ペースト）と砂の体積比が同じ配合である。

3

じで密度 2.73g/cm の川砂を使用した。粗骨材に関して，
3

普通強度コンクリートの目標フレッシュ性状はスラGmax20mm は北海道札幌産の密度 2.59g/cm の安産岩

ンプ 8±2.5cm，空気量 4.5±1.5%とした。高強度コン3

質砕石を Gmax40mm は北海道日高産の密度 2.77g/cm

クリートはスランプフローランク 1，空気量を 2.5±の川砂利 25mm ならびに 40mm を 1 対 1 で合わせたも1.5%とした。また，超高強度繊維補強モルタルのスラのを使用した。

ンプフローは 250±20mm，空気量 2.5±1.5%とした 9）。
4.2 養生条件について

HYUHSM で使用した繊維は 2 種類のビニロン繊維を混合している。一種は図－2 に示す長さ 30mm 太さ

普通強度コンクリートは，すべて打設直後から 1 日が 0.66mm の長繊維で，もう一種は図－3 に示す長さ間の湿布養生を行い，その後，材齢 28 日まで標準養生が 12mm 太さが 0.1mm の短繊維のものを使用した。既（20±2℃水中養生）を行っている。
HSC ならびに HYUHSM は，エトリンガイト系高強往の研究などでは鋼繊維が耐摩耗性に有効と言われて7）8），本研究でのこれら 2 種の有機繊維は耐摩度混和材を使用していることから，普通強度コンクリ

耗性を改善するために用いた繊維ではなく，長繊維はートと異なる養生方法を行った。この高強度混和材は主に曲げ靭性を改善する目的で用いており，短繊維はセメント 2 次製品用に開発されたもので，常圧蒸気養乾燥収縮によるひび割れを抑制する目的で用いている。

生を含む高温による養生を実施しないと高強度混和材

よって，繊維の影響に関しては今後の研究課題とし，の効果が十分に発揮されない。よって，HSC ならびにまた，繊維の混入量，繊維の種類等を変えた研究も今HYUHSM の養生は打設直後から 1 日間湿布養生を実後実施する。

施し，その後脱型を行い，脱型後に高温温水養生を行った。高温温水養生履歴を図－4 に示す。高温温水養生は前置きを約 20℃で 2 時間行い，その後本養生を行っている。本養生は前置き養生温度 20℃から昇温速度15℃/h で 75℃まで上げ，その後，75℃を 20 時間保持する履歴である。降温は温度ひび割れを生じさせないようにできるだけゆっくり温度を下げている。高温温水養生後の HSC ならびに HYUHSM は材齢 28 日まで標準養生を実施した。
80
70図－2 ビニロン長繊維

保持75℃
20h

6050
温度(℃)

いるが降温

昇温
15℃/h

403020

前置き20℃
2h1000102030
養生時間 (h)4050

図－4 HSC ならびに HYUHSM の高温温水養生履歴

図－3 ビニロン短繊維-711-

5. 試験結果

1605.1 圧縮強度試験結果

135140130

図－5 に圧縮強度試験結果を示す。また，圧縮強度120

試験は 3 本の平均値で示す。花崗岩の圧縮強度は
2試験結果ではなく，参考文献より引用した値である圧縮強度(N/mm 2)

130N/mm と示しているが，実際に圧縮試験を行った10）。

花崗岩の圧縮強度は産地ならびに密度により結果が2異なるが，130N/mm 以上は保持していることから圧112100普通強度
80

コンクリート6045.52

縮強度を 130N/mm と示す（公開されている最低圧縮4039.746.2強度）。
普通強度コンクリートの圧縮強度は約 40N/mm2 の20結果を示し，最大骨材粒径の比較では Gmax20-1 より0
Gmax20-1

Gmax40 の結果が小さくなる結果が得られた。細骨材

Gmax40Gmax20-2

HSC

HYUHSM

花崗岩

供試体名

率をできるだけ小さくした Gmax20-2 は Gmax20-1 と

図－5 圧縮強度試験結果（供試体 3 本平均）同等の圧縮強度が得られた。HSC ならびに HYUHSM
は普通強度コンクリートより大きな圧縮強度が得られ，通強度コンクリートより小さいが，普通強度コンクリ

HSC では約 2 倍，HYUHSM では約 3 倍の圧縮強度でートと同様に粗骨材が見られ，波の頂点には粗骨材があった。HYUHSM の圧縮強度は花崗岩の公開されて存在する傾向が示された（図中白矢印）。
HYUHSM は供試体端部に約 4cm 幅の筋状の摩耗痕いる最低圧縮強度と同等の傾向が示された。
5.2 流体エロージョン摩耗状況が見られ，普通強度コンクリートならびに HSC に見られたような波打つ摩耗痕は見られなかった。

流体エロージョン摩耗状況を表－3 に示す。表の上段には試験前の状況を，下段には 72 時間後の状況を示

花崗岩に関して，摩耗痕は見られなかった。

している。

表－3 に示した摩耗状況でも見られるように，この表－3 に示すように普通強度コンクリートである

試験において供試体の中央部は摩耗されない。このこ

Gmax20-1，Gmax40 ならびに Gmax20-2 の 72 時間後のとから，図－6 で示した各供試体の摩耗状況図中の黒流体エロージョン摩耗状況には明瞭に粗骨材が見られ，矢印方向に，その上をレーザー変位計でトレースした。

さらに，波打つような摩耗痕が見られ粗面化した。

その結果を図－7 に摩耗深さとして示す。この図は供図－6 に示すようにこの波打つような摩耗痕の頂点

試体中心を摩耗深さ 0mm とした図である。この結果には粗骨材が存在する傾向が見られた。また，からも判るように，花崗岩に大きな変化は見られなかGmax20-1,2 の波の間隔は Gmax40 より狭くなる傾向もった。普通強度コンクリートの流体エロージョン摩耗見られた。

性は粗骨材に影響される傾向が示され，Gmax20-1 とHSC の 72 時間後の流体エロージョン摩耗状況は普Gmax20-2 の関係では細骨材率が大きい Gmax20-1 の摩通強度コンクリートほどではないが波打つような摩耗耗深さが深くなる傾向が示された。また，Gmax20-1

痕が見られ摩耗面が粗面化した。HSC の波の高さは普と Gmax40 の関係では最大深さが Gmax40 の方が大き表－3 流体エロージョン摩耗状況
経過時間

Gmax20-1

Gmax40Gmax20-2

試験前

72時間後

-712-

HSC

HYUHSM花崗岩

いものの，中心からの距離 80mm までは Gmax20-1 のらびに細骨材量が同じである。結果，Gmax40 の累積方が大きくなる傾向が得られた。HSC と HYUHSM のすりへり係数は Gmax20-1 より小さくなる傾向が示さ

関係では粗骨材が耐摩耗性を低下させる傾向が示されれた。既往の研究より砕石と玉砂利の違いによる影響た。これは HSC と HYUHSM のモルタル部の配合が同は少ないことが言われていることから 1），普通強度コじであることから言えると考えられる。もし，高強度

ンクリートの流体エロージョン摩耗では粗骨材の最大コンクリートの流体エロージョン摩耗性が粗骨材の影粒径が累積すりへり係数に寄与したと考えられる。

響を受けないのであれば，HYUHSM と同じ摩耗状況

この他に Gmax20-1 と Gmax20-2 の関係では，配合になることが示唆できる。しかし，HSC の摩耗深さはは異なるが，圧縮強度が同等であることから，細骨材HYUHSM より深くなる結果が得られた。つまり，摩率を出来るだけ小さくすることで，流体エロージョン

耗面近傍の粗骨材を覆っている付着力の小さいモルタ摩耗による累積すりへり係数を小さくすることができルマトリクスが摩耗し，粗骨材が明瞭に見えるようにる傾向が示された。これは既往の研究の傾向とは異ななっていることから，摩耗面近況にある粗骨材の遷移る結果が得られた。既往の研究では主に衝撃摩耗によ帯が影響しているように考えられる。

る試験結果で，摩耗機構の違いにより，このような結果が得られたと考えられる。さらに，この傾向は HSCの傾向と異なり，同じ摩耗機構でも HSC の場合は普通強度コンクリートと同じ摩耗対策ができないことが示唆できる。
HSC，HYUHSM ならびに花崗岩の累積すりへり係数は普通強度コンクリートより遙かに小さい値を示し，
72 時 間 経 過 の 普 通 強 度 コ ン ク リ ー ト が 300 ～750mm3/cm2 の範囲であったが HSC，HYUHSM ならびに花崗岩は 100mm3/cm2 以下になる結果が得られた。

累積すりへり係数 (m m 3 /cm 2 )800

図－6 各供試体流体エロージョン摩耗状況図
2花崗岩
摩耗深さ (m m )0HYUHSM‑2‑6G m ax20‑1600

G m ax20‑1G m ax40
G m ax20‑2HSC
H YU H SM
花崗岩

500400300200100

HSC‑470000

G m ax20‑2‑8122436
経過時間48(h)6072

図－8 各種供試体の累積すりへり係数‑10G m ax40‑12050100150

図－9 に HSC，HYUHSM ならびに花崗岩の詳細な供試体中心からの距離 (m m )累積すりへり係数を示す。この図に示すように花崗岩

図－7 各供試体流体エロージョン摩耗深さのすりへり係数は HSC ならびに HYUHSM より小さい。
5.3 流体エロージョン摩耗結果

このようにコンクリート用骨材として使われるような

図－8 にすべての供試体の累積すりへり係数を示す。

硬質の単独素材である石材はコンクリートのような複流体エロージョン摩耗試験は花崗岩を除き，２回行っ合された材料より流体エロージョン摩耗による耐摩耗ており，ここではその結果をすべて示す。

性が高いことが示された。先に摩耗状況でも傾向を示

粗骨材の最大粒径の違いによる累積すりへり係数はGmax20-1 および Gmax40 の試験結果から考察できる

したように，HSC は HYUHSM よりすりへり係数が大きくなる結果が得られた。と考えられる。この 2 者は配合において粗骨材の種類詳細を検討するために各時間当たりのすりへり係数および最大粒径が異なり，水セメント比，単位水量なの平均値を図－10 に示す。この図に示すように花崗岩-713-

は横一線のグラフが示され，絶えず一定量で流体エロトの耐摩耗性は粗骨材最大粒径ならびに細骨材率が影ージョン摩耗がなされていたことを示している。

響を及ぼす結果が得られた。つまり，粗骨材の最大粒HYUHSM は試験開始から経過時間 48 時間まで右肩径を大きすること，または細骨材率を小さくすること上がりの結果が得られ，各時間当たりのすりへり係数が流体エロージョン摩耗に対する耐摩耗性対策と考えの増加傾向が見られた。それ以降は一定した流体エロられる。

ージョン摩耗がなされる傾向が示された。HSC に関し

高強度コンクリートならびに超高強度繊維補強モルては試験開始から 12 時間までの各時間あたりのすりタルが流体エロージョン摩耗を受ける場合，摩耗面にへり係数は他の時間帯より大きくなる傾向を示し，12おけるエフロレッセンスならびに近傍粗骨材の遷移帯時間以降は一定した流体エロージョン摩耗がなされたの影響を受け，摩耗初期の摩耗量が増大する傾向にあ傾向を示した。

る。しかし，全体的に見て高強度コンクリートならび

このことから，摩耗状況でも示したように，流体エロージョン摩耗の初期段階ではエフロレッセンスならに超高強度繊維補強モルタルの摩耗量は普通強度コンクリートより小さくなる。

びに摩耗面近傍の骨材を覆っているモルタル部などの超高強度繊維補強モルタルの流体エロージョンによ脆弱部が流体エロージョン摩耗により洗い出されるこる摩耗量は同程度強度の高強度コンクリートより小さとで，すりへり係数を増大させることが，この HSC なくなる傾向が得られた。

らびに HYUHSM の関係で言えると考えられる。特にHSC は HYUHSM より摩耗面近傍にある骨材の遷移帯

参考文献

面積が大きいことから，脆弱部が多く，HYUHSM よ1)

増田隆，松本嘉久，渡辺芳春：高耐摩耗性コンクリート，コンクリート工学，Vol.32，No.7，

りすりへり係数が大きくなたことが考えられる。

pp.100-104，1994.72)

32

累積すりへり係数 (m m /cm )80
HSC
HYU HSM
花崗岩70

耗特性に関する実験的研究，コンクリート工学年
次論文報告集，Vol.21，No.2，pp.901-906，1999603)

50

ート工学年次論文集，Vol.27，No.1，pp.805-810，

302005204)

10堀口敬，猪又稔：コンクリートに関する各種の摩耗試験方法の特性について，コンクリート工

00122436
経過時間48(h)6072

図－9 HSC，HYUHSM，花崗岩の累積すりへり係数

学年次論文報告集，Vol.14，No.1，pp.685-690，19925)

堀口敬：表面疲労摩耗試験装置を用いたセメン

ト系材料の摩耗性状について，土木学会第 44 回年20

次学術講演会講演概要集，V-309，pp.672-673，1989

H SC
H YU H SM
花崗岩

32

石神暁郎ほか：農業用水路コンクリートに生じる摩耗現象と促進試験方法に関する検討，コンクリ

40

各時間当たりのすりへり係数(m m /cm )豊福俊英，豊福俊奏：各種コンクリートの衝撃摩6)15

広中清一郎：新しい摩擦の科学-トライボロジー入門-，株式会社講談社，19917)
10

犬塚雅生，堀口敬：鋼繊維補強コンクリートの摩耗について，第 3 回コンクリート工学年次講演会講演論文集，pp.209-212，198158)松尾久幸ほか：コンクリートの耐摩耗特性におよぼす各種要因の検討，コンクリート工学年次論文

0012243648
経過時間 (h)60

報告集，Vol.15，No.1，pp.835-840，1993729)

土木学会コンクリート委員会：超高強度繊維補強
コンクリートの設計・施工指針（案），コンクリー

図－10 各時間当たりのすりへり係数

トライブラリー113，丸善（株），2004
6. まとめ10) http://minerva.ohnolab.arch.t-kougei.ac.jp/Material/Stone.htm

本研究の範囲で次のことが言えると考えられる。
流体エロージョン摩耗を受ける普通強度コンクリー-714-