2017年日本建築学会賞(論文)－受賞業績－

各種コンクリートの発熱・硬化性状の解明と調合設計・強度管理への応用に関する研究

宇都宮大学 教授杉山 央
1

論文の構成第１章 はじめに第２章 各種コンクリートの発熱性状と硬化性状
第３章 コンクリートの発熱による高温履歴が硬化性状に及ぼす影響の解明と定量化
第４章 セメントの水和反応・組織形成モデルを用いたコンク
リートの発熱・硬化性状の予測計算
第５章 各種コンクリートの調合設計・強度管理への応用
第６章 調合設計・強度管理等に関する情報の保管
第７章 まとめ2

研究の全体像
高強度コンクリート，プレキャストコンクリート，断面厚の大きなコンクリート
セメント

骨材

水部材
形状部材
寸法

境界条件
初期条件

セメントの水和反応

微細組織形成水和発熱
コンクリート硬化

温度上昇

水和熱の蓄積，熱伝導，放熱，加熱養生
コンクリート部材

コンクリート強度発現

コンクリート温度履歴

調合設計・強度管理への応用

3

第１章 はじめに
Heat of cement hydration

100100808060

温度 (℃)

温度 (℃)Heat of cement hydration

CenterSurface

40200CenterSurface

6040200024487296

時間 (h)

120144168024487296時間 (h)1201441684

第１章 はじめに
20℃一定
強度

温度

初期高温履歴初期高温履歴20℃一定

材齢◆コンクリート部材厚の増大- セメント水和熱の蓄積- 温度上昇◆高強度コンクリート- 単位セメント量の増大- 温度上昇量の増加◆プレキャストコンクリート- 硬化促進- 加熱養生材齢◆特異な強度発現↓・調合設計上の問題
・強度管理上の問題↓●現象の把握●原因の解明●解決策の提案

5

第２章 各種コンクリートの発熱性状と硬化性状
部材厚と温度履歴の関係
100•柱試験体Ａ 中心部 (S=1000)•柱試験体Ｂ 中心部 (S=800)•柱試験体Ｃ 中心部 (S=600)•柱試験体Ｄ 中心部 (S=400)•柱試験体Ｅ 中心部 (S=200)

温度 (℃)

80•柱試験体Ａ 表面部 (S=1000)•柱試験体Ｂ 表面部 (S=800)•柱試験体Ｃ 表面部 (S=600)•柱試験体Ｄ 表面部 (S=400)•柱試験体Ｅ 表面部 (S=200)60

S: 部材厚 (mm)
40

20
気温

普通ポルトランドセメント使用，W/C=30.0%
00

24

48

72

96

時間 (h)

120

144

168

6

第２章 各種コンクリートの発熱性状と硬化性状
単位セメント量と温度履歴の関係
100•柱試験体N28.3 中心部 (C=600)•柱試験体N30.0 中心部 (C=534)•柱試験体N48.4 中心部 (C=376)80

温度 (℃)•柱試験体N28.3 表面部 (C=600)•柱試験体N30.0 表面部 (C=534)•柱試験体N48.4 表面部 (C=376)60

C: 単位セメント量 (kg/m3)

4020

普通ポルトランドセメント使用，部材厚1000mm
00244872

96

時間 (h)

120

144

1687

第２章 各種コンクリートの発熱性状と硬化性状
コンクリートの強度発現
100

普通ポルトランドセメント使用
W/C=30.0%

圧縮強度 (N/mm2)

80

6040
標準養生
20℃一定(封かん)柱Ａ表面(追従)
柱Ａ中心(追従)
表面部コア(柱Ａ)
中心部コア(柱Ａ)

2001

3

71428

材齢 (日)

913658

第２章 各種コンクリートの発熱性状と硬化性状
最高温度と強度の関係
100

普通ポルトランドセメント使用
W/C=30.0%

圧縮強度 (N/mm2)

90

80

70
中心部コア-28d
表面部コア-28d
20℃一定(封かん)-28d
中心部コア-365d
表面部コア-365d
20℃一定(封かん)-365d

60

500204060

最高温度 (℃)

80

100

9

第３章 コンクリートの発熱による高温履歴が硬化性状に及ぼす影響の解明と定量化
コンクリートに履歴させた各種の温度パターン
100100A‑Ⅰ series

8080

A‑Ⅰ‑160A‑Ⅰ‑2A‑Ⅰ‑34020温度 (℃)

60A‑Ⅱ‑2A‑Ⅱ‑34024487296120

A‑Ⅳ series
A‑Ⅳ‑2A‑Ⅳ‑3402024487296120

B‑Ⅰ series
B‑Ⅰ‑160B‑Ⅰ‑2B‑Ⅰ‑340B‑Ⅰ‑424487296120

B‑Ⅲ series80

B‑Ⅲ‑3402448729620

B‑Ⅳ‑2B‑Ⅳ‑32002448729612040100024487296120

B‑Ⅱ series
B‑Ⅱ‑160B‑Ⅱ‑2B‑Ⅱ‑340100024487296120

B‑Ⅴ series

60

B‑Ⅴ‑1B‑Ⅴ‑2B‑Ⅴ‑3B‑Ⅴ‑4402000A‑Ⅲ‑46080

B‑Ⅳ‑140B‑Ⅲ‑4120

B‑Ⅳ series

60B‑Ⅲ‑2A‑Ⅲ‑30080

B‑Ⅲ‑160100A‑Ⅲ‑22000A‑Ⅲ‑180200A‑Ⅲ series

800080

A‑Ⅳ‑160100100200080

100

A‑Ⅱ‑1200100

A‑Ⅱ series

00244872

材齢 (時間)

9612002448729612010

第３章 コンクリートの発熱による高温履歴が硬化性状に及ぼす影響の解明と定量化
各種の高温履歴を受けたコンクリートの強度発現
1008080100

A‑Ⅱ series

8060606040404020

強度発現率 (％)

100

A‑Ⅰ series

A‑Ⅰ‑1A‑Ⅰ‑2A‑Ⅰ‑320S01008020550500

A‑Ⅳ series

10080604040
A‑Ⅳ‑120A‑Ⅳ‑220SA‑Ⅳ‑3080

A‑Ⅱ‑2A‑Ⅱ‑320S00.560100A‑Ⅱ‑15505005B‑Ⅲ series

806040B‑Ⅲ‑1B‑Ⅲ‑320S

2000.55B‑Ⅲ‑2B‑Ⅲ‑450500

B‑Ⅰ series80

B‑Ⅰ‑1B‑Ⅰ‑320S

0.55B‑Ⅰ‑2B‑Ⅰ‑45000.5550500

B‑Ⅱ series

4050500

1008060604040
B‑Ⅳ‑1B‑Ⅳ‑2B‑Ⅳ‑320S0.55550

材齢 (日)

50050500

B‑Ⅴ series

B‑Ⅴ‑1B‑Ⅴ‑320S

2000.5B‑Ⅱ‑220S0B‑Ⅳ series20

B‑Ⅱ‑120B‑Ⅱ‑3050100

A‑Ⅲ‑2A‑Ⅲ‑46020100A‑Ⅲ‑1A‑Ⅲ‑320S

2000.500.5A‑Ⅲ series

0.55B‑Ⅴ‑2B‑Ⅴ‑45050011

第３章 コンクリートの発熱による高温履歴が硬化性状に及ぼす影響の解明と定量化
微細組織の形成 －材齢１日← 20℃一定

初期高温履歴 →12

第３章 コンクリートの発熱による高温履歴が硬化性状に及ぼす影響の解明と定量化
微細組織の形成 －材齢３６５日← 20℃一定

初期高温履歴 →13

第３章 コンクリートの発熱による高温履歴が硬化性状に及ぼす影響の解明と定量化
セメント硬化体の総細孔量0.20

総細孔容積(cm3/g)

1d3d

7d

28d

91d

0.15
0.10
0.05
0.00
20℃一定

初期高温履歴普通ポルトランドセメント使用, W/C=30.0(%)

14

第４章 セメントの水和反応・組織形成モデルを用いたコンクリートの発熱・硬化性状の予測計算
 コンクリートは、使用するセメントの種類、調合、部材の形状・寸法、環境条件（温度・湿度）などによって発熱・硬化性状が大きく異なる。

 コンクリートの発熱･硬化性状を予測する。

– セメントの水和反応シミュレーションを基点
1) 様々な種類のセメント・骨材に対応
2) 様々な調合のコンクリートに対応
3) 様々な形状・寸法のコンクリート部材に対応
4) 様々な環境条件（温度・湿度）に対応
15

第４章 セメントの水和反応・組織形成モデルを用いたコンクリートの発熱・硬化性状の予測計算

 コンクリートの発熱性状の予測– セメントの水和反応熱に起因したコンクリートの温度上昇– セメントの水和反応率を精緻に予測する必要がある。

 コンクリートの硬化性状の予測– コンクリートの強度発現メカニズムは、
1) セメントの水和反応によりセメント水和物が生成され、2) セメント水和物により微細組織構造が形成される過程に支配されている。
– 水和反応率よりも、セメント水和物の生成量・生成分布など微細組織の形成過程に着目する必要がある。
16

第４章 セメントの水和反応・組織形成モデルを用いたコンクリートの発熱・硬化性状の予測計算
スケールレベル
Concrete cell

1m

Concrete member

Concrete

Cement paste cell
Cement paste
Aggregate

Water
Cement particle

5 mm

5 μm

Cement paste

17

第４章 セメントの水和反応・組織形成モデルを用いたコンクリートの発熱・硬化性状の予測計算
セメントの水和反応・組織形成モデルの概念
 水とセメント成分の双方向拡散– セメント粒子内への水の拡散– セメント粒子外へのセメント成分の拡散

Unhydrated

 2次反応– 位置によって、セメント水和物の生成量が異なる。

At an early age

C3S

W

C3A

C4AF

At a later age

W

W

C3S

C3S
C2S

W

C4 AF
GC3S

P

C3A
C4AF

r = RCRC < r < RW

C2S
W

C3S

C2S

W

C3A
C4AF
GPW

Concentration

 外部水和物の組織形成率– セメント粒子外部の水和物の生成量は、コンクリートの硬化性状に大きく関与する。

WOuter hydration product
Inner hydration product

Water0 < r < RCC3S

0C2S

P

W: Water, P: Hydration product,
G: O ther cement component

C2S
C4AF C3A
Other component

C3A

Volume ratio

Wa ter
Ce ment particle

RC RWr18

第４章 セメントの水和反応・組織形成モデルを用いたコンクリートの発熱・硬化性状の予測計算
 C3Sの拡散方程式∂ CA DA ∂  2 ∂  CA   kA CA CW= 2
 r fA    −∂t∂ r  fA  r ∂r fA

 C2Sの拡散方程式∂ CB DB ∂  2 ∂  CB   kB CB CW= 2
 r fB    −∂t∂ r  fB  r ∂r fB

 C3Aの拡散方程式∂ CL DL ∂  2 ∂  CL   kL CL CW= 2
 r fL    −∂t∂ r  fL  r ∂r fL

 C4AFの拡散方程式∂ CF DF ∂  2 ∂  CF   kF CF CW= 2
 r fF −∂t∂ r  fF  r ∂r fF

 水の拡散方程式∂ CW DA ∂  2 ∂  CW   DB ∂  2 ∂  CW   DL ∂  2 ∂  CW  = 2
 r fA  r fB  r fL  + + + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅r ∂r ∂t∂ r  fA   r 2 ∂ r ∂ r  fB   r 2 ∂ r ∂ r  fL  

19

第４章 セメントの水和反応・組織形成モデルを用いたコンクリートの発熱・硬化性状の予測計算
 C3Sの水和反応率
αA = 1−R32rCA dr*3
0VA RC CA0W

 C2Sの水和反応率
R3
αB = 1− * 3r 2CB dr
VB RC CB 0 0W

 セル全体の水和物の組織形成率
22Rt r kA CA CW
Rt r kB CB CW
3ξ A3ξ B
χ ALL =dt dr +dt dr
RW 3 CPA 0 0 0fARW 3 CPB 0 0 0fBWW

22Rt r kL CL CW
Rt r kF CF CW
3ξ L
3ξ F
dt dr +dt dr+RW 3 CPL 0 0 0fL
RW 3 CPF 0 0 0fFWW

 外部水和物の組織形成率
22R
t r kA C A C WRt r kB CB CW
3ξ A
3ξ B
χ OUT =dt dr +dt dr3333R 0R 0ff
A
B
( RW − RC ) CPA0
( RW − RC ) CPB 0WWCC22Rt r kL C L C W
Rt r kF C F C W
3ξ L
3ξ Fdt dr +dt dr+3333R 0R 0ffL
FRRCRRC00−−WCPLWCPF()
()
20W

WCC

第４章 セメントの水和反応・組織形成モデルを用いたコンクリートの発熱・硬化性状の予測計算
セメント水和物の組織形成率の計算例◆初期高温履歴◆20℃一定

組織形成率

1.0

1.0

Outer

0.8

0.8

0.6

365d
28d 0.6
3d0.4

1d0.2

0.5d

0.0

0.1d0

12

3

セル内の半径位置 (μm)

4Outer365d28d3d1d0.5d0.4
0.2

0.1d0.0012

34

セル内の半径位置 (μm)
普通ポルトランドセメント使用, W/C=40.0(%)

21

第４章 セメントの水和反応・組織形成モデルを用いたコンクリートの発熱・硬化性状の予測計算

 20℃一定– 拡散および水和反応が緩やかに進行– 時間はかかるが、外部水和物が十分に成長する
水

外部水 和物

セメント粒子

内部水 和物

未水和

初期材齢

長期材齢

 初期高温履歴– 拡散が不十分な状態での急激な水和反応– 外部水和物が十分に成長しない

未水和

初期材齢

長期材齢

22

第４章 セメントの水和反応・組織形成モデルを用いたコンクリートの発熱・硬化性状の予測計算
高強度コンクリート，プレキャストコンクリート，断面厚の大きなコンクリート
セメント

水水和反応・組織形成モデル

水和物の組織形成率

骨材

部材
形状

部材
寸法

境界条件
初期条件

拡散係数への影響
反応速度定数への影響

セメント水和反応率

セメントペースト総細孔量 セメント水和発熱速度
セメントペースト強度
コンクリートコンクリートの発熱速度

コンクリート強度

部材の熱伝導モデル

コンクリート温度23第４章 セメントの水和反応・組織形成モデルを用いたコンクリートの発熱・硬化性状の予測計算
強度・温度

強度・温度

硬化

硬化
熱伝導水和物生成・発熱

水和物生成・発熱

水和反応

水和反応

セメントA

コンクリート部材

セメントB

24

第４章 セメントの水和反応・組織形成モデルを用いたコンクリートの発熱・硬化性状の予測計算
コンクリート部材の温度履歴予測計算例
100

Temperature (°C)

N28.3 KHA-3D80

Center (Measured)Center (Simulated)

60
40

Sureface (Measured)Sureface (Simulated)

20

断面1000mmの柱 材齢3日脱型
0024487296

120Time (h)高強度柱部材，普通ポルトランドセメント使用, W/C=28.3(%)

25

第４章 セメントの水和反応・組織形成モデルを用いたコンクリートの発熱・硬化性状の予測計算
コンクリート部材の強度発現予測計算例
Compressive strength (N/mm 2)120

N28.3 KWA-28D

20S (Simulated)

10080
60

Sureface (Simulated)
Center (Simulated)

4020

厚さ600mmの壁 材齢28日脱型
007142128354249566370778491

Age (d)
高強度壁部材，普通ポルトランドセメント使用, W/C=28.3(%)

26

第５章 各種コンクリートの調合設計・強度管理への応用
断面厚の大きなプレキャスト部材の調合設計における強度補正値
コンクリート強度の分布

ΔF TD

圧縮強度(N/mm2)

TC

F28
Fq+TC+TD

T'C

1.73 σ[標準養生供試体の強度発現]

Fq
FC[PCa部材と同じ養生を行った円柱供試体の強度発現][PCa部材と同一の温度履歴を与えた円柱供試体の強度発現][PCa部材のコア供試体の強度発現]

28日
材

齢27

第５章 各種コンクリートの調合設計・強度管理への応用
プレキャスト部材の履歴最高温度と強度補正値の関係［材齢28日］圧縮強度(N/mm2)

FES
コア供試体
FPSFP20ΔF TD

PCa部材と同じ養生を行った供試体
FS=F20S{1‑hS(θ max‑20)}

F20S

TC

F20W

円柱供試体の最高温度 PCa部材の最高温度28第５章 各種コンクリートの調合設計・強度管理への応用
プレキャスト部材モデル養生供試体による強度管理29

第６章 調合設計・強度管理等に関する情報の保管

 製造～現場搬入～施工 ⇒ 流動体
 施工～供用

⇒ 硬化体

 コンクリートが流動体の段階から情報を記録する必要がある。
 そのためには、識別のための目印が必要
 流動体なのでシールやプレートは×

ICタグ
 ICタグをコンクリートに埋め込んで無線通信

30

第６章 調合設計・強度管理等に関する情報の保管②電力が受給される①電波を送るICタグ

R/W③識別番号を返送④識別番号を送る⑤情報保管
管理サーバー⑥情報を送る31

第６章 調合設計・強度管理等に関する情報の保管〈コンクリートの流れ〉
製

識別番号

搬

現場搬入・荷卸し

ＩＣタグ

通信
識別番号

コンクリート中に投入
工査

ＩＣタグ識別番号

通信
供用期間中・荷卸し・受入れ検査・運搬時間・品質管理試験①(硬化前)・受入れ責任者

施工者 検査・確認

情報送信
確認

ＩＣタグ

通信
検確認

生コン製造者 入力

投入

施

情報送信

ＩＣタグ

識別番号

・品質管理試験②(硬化後)施工者・監理者 確認
・不具合があれば原因究明
・購買者への保証責任
・補修材料・方法の選定

情報管理サーバー

運

ＩＣタグ

造・製造工場名・製品No.
・原料の情報(ｾﾒﾝﾄ、骨材等)
・コンクリートの配合計画
・実際の材料計量値
・製造責任者

情報送信
確認
情報送信

32

第７章 まとめ
本論文に示した研究成果(1) 各種コンクリートの発熱性状と硬化性状の把握(2) コンクリートの発熱による初期高温履歴が硬化性状に及ぼす影響の解明および定量化(3) セメントの水和反応レベルを起点としたコンクリートの発熱・硬化性状の予測計算方法の提案(4) 各種コンクリートの発熱・硬化性状を考慮した強度推定・調合設計・強度管理方法の提案(5) 調合設計・強度管理等に関する情報の保管方法の提案
33

学術論文リスト
1) 杉山央，桝田佳寛：初期高温履歴を受けたコンクリートの長期強度発現性，日本建築学会構造系論文集，第515号，pp.23-30，1999.1
2) 杉山央，桝田佳寛：早強セメントおよび低熱セメントを用いたコンクリートの強度発現性に及ぼす初期高温履歴の影響，日本建築学会構造系論文集，第520号，pp.9-16，1999.6
3) 杉山央，地濃茂雄：コンクリートの強度発現に及ぼす初期高温履歴の影響に関する定量的検討（中庸熱ポルトランドセメントを用いたモルタルによる基礎実験），日本建築学会構造系論文集，第525号，pp.7-13，1999.11
4) 杉山央，桝田佳寛：非定常拡散理論に基づくセメントの水和反応・組織形成モデル，セメント・コンクリート論文集，第53号，pp.35-42，2000.1
5) H. Sugiyama, Y. Masuda, and M. Abe: Strength Development of Concrete Cured Under High-temperature Conditions at an Early Age, Proceedingsof 5th CANMET/ACI International Conference on Durability of Concrete, SP-192-59, pp.965-982, 2000.66) 杉山央，桝田佳寛：積算温度方式を応用した初期高温履歴コンクリートの強度推定，日本建築学会構造系論文集，第538号，pp.21-28，2000.127) 杉山央，桝田佳寛：セメントの水和反応・組織形成モデルを用いたコンクリートの強度発現推定，セメント・コンクリート論文集，第54号，pp.646-653，
2001.18) 杉山央，桝田佳寛，岩井信彰，中川侑治：大断面プレキャストコンクリート部材製造時の温度履歴特性，日本建築学会技術報告集，第14号，pp.1318，2001.129) 杉山央，桝田佳寛，岩井信彰，中川侑治：大断面プレキャストコンクリート部材の強度特性，日本建築学会技術報告集，第14号，pp.19-24，2001.1210) 杉山央，荒金直樹：セメントの水和反応・組織形成モデルを用いたコンクリートの発熱シミュレーション，日本建築学会構造系論文集，第565号，pp.916，2003.311) 杉山央，桝田佳寛：断面厚の大きなプレキャストコンクリート部材の計画調合における強度補正値に関する研究，日本建築学会構造系論文集，第575号，pp.7-14，2004.112) 杉山央，安田正雪：各種形状・断面厚を有する高強度コンクリート部材の温度履歴特性および強度特性に関する実験的研究，日本建築学会構造系
論文集，第594号，pp.1-8，2005.813) H. Sugiyama: Physical Properties of High-Strength Concrete in Large-Size Columns and Walls - Temperature Rise and Strength Development -,Proceedings of 8th CANMET/ACI International Conference on Recent Advances in Concrete Technology, SP-235-21, pp.305-322, 2006.614) 杉山央，桝田佳寛：セメントの水和反応・組織形成モデルを用いたコンクリート部材の初期温度上昇予測，日本建築学会構造系論文集，第623号，pp.9-17，2008.1
15) 杉山央，桝田佳寛，阿部道彦，安田正雪：高強度コンクリートを用いた実大柱部材の材齢15年における強度性状および中性化，日本建築学会構造系論文集，第73巻，第631号，pp.1459-1466，2008.916) 杉山央，大久保孝昭，中島史郎：コンクリート中に埋め込んだ各種ICタグの通信性に関する研究，日本建築学会技術報告集，第15巻，第29号，pp.914，2009.217) 杉山央，角倉英明，大久保孝昭，古賀純子，平出務：大型コンクリート試験体に埋め込んだ各種ICタグの通信性に関する研究，日本建築学会技術報
告集，第17巻，第35号，pp.5-10，2011.218) 杉山央，角倉英明，江里口玲：ICタグを活用したコンクリートのトレーサビリティ確保技術 －コンクリート中に投入するIC タグの必要数量算出手法－，
日本建築学会構造系論文集，第78巻，第688号，pp.1045-1053，2013.619) 杉山央，水戸健介：柱状プレキャストコンクリートの製造過程における強度管理手法，日本建築学会構造系論文集，第79巻，第706号，pp.1729-1739，
2014.1220) 杉山央：セメントの水和反応・組織形成モデルを用いたプレキャストコンクリート部材の温度上昇予測，日本建築学会構造系論文集，第80巻，第714号，pp.1215-1225，2015.8

他１４編35