試験・研究

高温加熱したコンクリート試験体の含水状態と電気抵抗の関係
Relationship between moisture content and electrical resistance of hardened
concrete specimens heated at high temperature.

木野瀬透 *1、吉田夏樹 *2、新大軌 *3、今本

1．はじめに啓一 *4
これまでの検討結果を火害調査に応用することで、広火害を受けたコンクリート構造物の調査診断において、範囲で火災が生じた際に熱の影響を受けた範囲および深熱の影響程度を判断することが重要である。著者らは、さを簡便に判断できる可能性がある一方で、無水 PP 溶

火害による熱の影響深さを判断する手法として、水を含液の呈色状態の判別は定性的であり、測定者による差がまないフェノールフタレイン溶液（以下、無水 PP 溶液）生じることが懸念される。そこで本研究では、熱の影響の呈色反応を利用する手法を検討してきたにより変化する「含水状態」を定量的に評価する手法を。

1）～ 5）

セメントペースト硬化体が高温加熱を受けると、内部検討した。コンクリートの含水状態を測定する手法としには極端な温度勾配が生じ、約 400℃以上の熱を受けたて、電気抵抗および静電容量を用いる電気的手法 7）や、領域では、Ca（OH）
2 の熱分解により、CaO が生成する。

変色紙および発色紙を用いる手法 8）, 9）等が提案されてい岸谷らは、火害を受けたコンクリートのはつり面に対し、る。火害後に任意の位置で深さ方向に含水状態を測定す

無水 PP 溶液 を 噴霧 し、 呈色状態 を 観察 す る こ と で、る場合、コンクリートの表面から平行に 2 つの小孔を削CaO が生成した領域を判別できると推察している 。一孔したのち、孔内に棒状の電極を挿入し、電極間の電気方で、著者らの実験において、無水 PP 溶液の呈色状態抵抗を測定する手法が有用と考えられる。

6）と CaO の生成の有無に関係は認められなかった 3）。端面

本研究では、コンクリートの含水状態と関係の深いから温度勾配が生じるように加熱したセメントペースト「電気抵抗」を用いた定量的な調査手法を検討すること硬化体の含水率分布を測定すると、約 150℃以上の熱をを目的とし、高温加熱した試験体を対象とした実験を受けた領域はほぼ絶乾状態になっており、当該領域にお行った。

いて呈色が薄くなることが明らかとなった 。このように、

なお、本報告は、過去の本誌 10）, 11）で報告した内容に無水 PP 溶液を噴霧することで、火害により約 150 ℃以新たな実験結果を追加したものであり、次章において既上の熱を受け、ほぼ絶乾状態になった部分を簡便に把握報の概要を説明する。

3）できる可能性を報告した。また、コンクリート試験体においても同様の結果が得られることを報告した 5）。

*1*2*3*4KINOSE Toru：（一財）日本建築総合試験所 試験研究センター 建材部 材料試験室
YOSHIDA Natsuki ：（一財）日本建築総合試験所 試験研究センター 建材部 材料試験室 室長 博士（工学）
ATARASHI Daiki ：島根大学 学術研究院 環境システム科学系 准教授 博士（工学）
IMAMOTO Kei-ichi ：東京理科大学 工学研究科 建築学専攻 教授 博士（工学）33GBRC Vol.48 No.1 2023.1

2．火害によるセメントペースト硬化体の含水状態および化学的な変化が PP 溶液の呈色状態に及ぼす影響（既報の概要）
2．1 実験概要
火害を受けたコンクリートにおける PP 溶液の利用方法について、岸谷ら 6）は、無水 PP 溶液の呈色状態を観察することで CaO が生成した領域を判断できると推察している。一方で、日本建築学会の指針 12）において、火害調査で使用する PP 溶液は、JIS A 1152（コンクリートの中性化深さの測定方法）に記載されている約 10 % の水を含む PP 溶液（以下、有水 PP 溶液）を用いることが記載されている。そこで、水の有無による 2 種類の PP 溶図-1 加熱方法の詳細

液の呈色状態を比較することを目的とし、火災を模擬して加熱したセメントペースト硬化体を用いて実験を行った。
実験には、水セメント比 70 % のセメントペースト硬化体（ 100 ×200 mm）を用いた。試験体は成型後、24 時間経過したのちに脱型し、実験に供するまで 20℃の水中で養生した。養生後の試験体の片端面（型枠に接していた底面）から反対の端面（非加熱面）に向かって温度勾配が生じるように著者らが提案する方法 2）により加熱した（図-1）。加熱条件は、電気炉内の温度を室温から 4 時間で 900 ℃まで上昇させ、同温度で 5 時間保持したのち、室温になるまで放冷した。放冷後の試験体を軸方向に割裂し、一方に無水 PP 溶液を、他方に有水 PP 溶液を噴霧し、呈色状態を確認した。また、同条件で加熱した試験体を用いて、加熱面からの深さ方向に粉末 X 線回折（以下、XRD）による成分分析および相対含水率の測定を行った。また、加熱面から 0、25、50、100 および 150 mmの位置に K シース熱電対を埋設した試験体を同条件で加熱し、試験体内部の受熱温度を測定した。

2．2 実験結果の概要
2．2．1

水和物の化学的変化と無水 PP 溶液の呈色状態

加熱後の試験体の割裂面に対し、2 種類の PP 溶液を噴霧した直後の呈色状態を図-2 に示す。無水 PP 溶液を図-2

PP 溶液噴霧直後の呈色状態噴霧した試験体では呈色状態に明瞭な濃淡が認められた。
対して、有水 PP 溶液を噴霧したものでは、無水 PP 溶液と概ね同じ深さ位置でわずかに濃淡が認められたものの、加熱面側は無水 PP 溶液と比較して濃く呈色した。
次に、XRD による成分分析結果を無水 PP 溶液の呈色状態に重ねて図-3 に示す。加熱面から 10 mm 毎に切断した試験片の成分を分析すると、加熱面から 30 mm までの範囲で Ca（OH）2 の熱分解により CaO が生成していた。
このようなセメント水和物の化学的変化に対し、無水 PP溶液の呈色状態の濃淡が明瞭に変化するのは加熱面から
34

図-3 成分分析結果と呈色状態

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表-1 コンクリートの配（調）合および使用材料

図-4

相対含水率および受熱温度の測定結果

約 100 mm の 位置 で あ り、 岸谷 ら の 報告 6）に 反 し てCaO の生成域を判断できないことが分かった。

3．1．2

含水状態の調整方法

2．2．2 高温加熱後の含水状態と無水PP溶液の呈色状態

水中養生後の試験体を高さ方向の中央部で切断し、直加熱面から 20 mm 毎に相対含水率を測定した結果、

径 100 mm、高さ約 95 mm の試験体を 15 体作製した。

受熱温度を測定した結果を、無水 PP 溶液の呈色状態に切断した試験体の切断面を開放面とし、打設面または型

重 ね て図-4 に 示 す。CaO が 生成 し た 加熱面 か ら 約

枠底面と側面をアルミ箔粘着テープでシールしたのち、30 mm までの範囲は、約 400 ℃以上の熱を受けた領域

105 ± 5 ℃ の 乾燥機内 に 静置 し た。 乾燥時間 は、12、であるのに対し、薄く呈色した部分は約 150℃以上の熱24、48、72 および 96 時間とし、時間経過毎に 3 体のを受けた領域であった。この領域は、ほぼ絶乾状態に試験体を乾燥機から取り出し、シリカゲルを入れたデシなった領域と概ね一致する。これより、無水 PP 溶液でケータ内で室温（20℃）まで放冷した。

は CaO が生成した領域ではなく、約 150 ℃以上に熱を3．1．3受け、ほぼ絶乾状態になった領域を判断していることが（1）電気抵抗測定項目

図-5 に電気抵抗の測定方法の概要を示す。

分かった。
この結果をコンクリート構造物の火害診断へ応用する室温（20 ℃）まで放冷した試験体の開放面を速硬型のことで、火災により約 150℃以上の熱を受け、ほぼ絶乾エポキシ樹脂系接着剤により補強し、側面を布粘着テー状態になった領域を簡便に判断できる可能性がある。簡プで補強したのち、開放面側から振動ドリルを用いて、便に約 150℃以上の熱を受けた部分を把握できれば、圧平行に 2 つの小孔を削孔した。なお、骨材径を考慮して縮強度試験や受熱温度推定試験等の詳細な調査を小孔間距離 を 40 mm、 削孔深 さ を 90 mm と し、 刃径行う範囲を限定し、効率的に火害診断を進められる可能9.5 mm のドリルビットを用いて削孔した。削孔した 2 つ性がある。の小孔内に測定部および接続部以外に絶縁被覆を施した

12）～ 14）しかしながら、無水 PP 溶液による呈色状態の濃淡を自作のブラシ型電極（材質：SUS304、電極径：10 mm、観察する方法は、測定者によるばらつきが生じる恐れの電極長：10 mm、軸径：5 mm、軸長：110 mm）を挿入ある定性的な方法である。本稿においては、電気抵抗をした。挿入した電極とインピーダンス測定器（LCR メー用いた定量的な方法について検討した結果を報告する。

タ）をワニ口クリップで接続し、電極間の電気抵抗を開放面から 90 mm の位置まで 10 mm 間隔で測定した。な3．実験概要
3．1 実験 1：電気抵抗の測定方法に関する検討

お、測定する周波数により、周囲の電気機器等の影響を

3．1．1

印加電圧は 1 V、周波数は 100 Hz と 1 kHz の 2 条件とし試験体の製作

本研究では、表-1 に示す配（調）合で練り混ぜたコンクリートを使用し、直径 100 mm、高さ 200 mm の型枠受け、電気抵抗の値が不安定になることがある 9）ことから、た。また、測定は温度 20℃、相対湿度 60 % の恒温恒湿室で行った。に打ち込んだ。試験体は 24 時間後に脱型し、実験に供するまで 91 日以上水中（20℃）で養生した。

35

GBRC Vol.48 No.1 2023.1（2）相対含水率
電気抵抗を測定した後の試験体を約 20 mm 毎に切断し、実験 1 と同様に、式（1）により相対含水率（%）を求めたのち、直線近似により加熱面から 10 mm 毎の相対含水率を求めた。なお、900 ℃で加熱した試験体では、40 mm までのスライス片は切断時に細かく崩れ、表乾質量の測定が出来なかった。測定可能であった「切断後の質量」と「絶乾質量」が等しかった（水分を全く含んで図-5いなかった）ため、相対含水率を 0 % とした。

電気抵抗の測定方法

4．実験結果および考察
4．1 実験 1：電気抵抗の測定方法に関する検討（2）相対含水率

105℃乾燥により含水状態を調整した試験体の電気抵

電気抵抗の測定後の試験体を約 20 mm 毎に乾式で切断抗と相対含水率の関係を図-6 および図-7 に示す。

し、得られた試料片について、切断後の質量、絶乾質量本実験で含水状態を調整した試験体の相対含水率は約および表乾質量を測定し、式（1）により、相対含水率（%）

2 % から約 70 % までの範囲であった。この範囲では、を求めた。なお、表乾質量は水中浸せきにより質量が恒量周波数に関わらず、相対含水率が大きくなるに伴い、電となるまで吸水させて測定した。また、加熱面からの距離気抵抗は小さくなった。両周波数において、電気抵抗とを独立変数、相対含水率を従属変数とした直線近似によ

相対含水率は全体的によく対応し、今回の電気抵抗の測り電気抵抗の測定位置における相対含水率を求めた。

定方法により、コンクリート中の含水状態を評価できるものと考えられる。

（1）

本研究では、火害により乾燥した領域を判断する目的で使用するため、相対含水率が低い領域で電気抵抗の大小を感度良く評価できた周波数 100 Hz での測定が比較3．2 実験 2：高温加熱した試験体の電気抵抗的有用と考えられる。実験 2 において、高温加熱した試3．2．1

験体の両周波数での測定結果を比較した。

試験体の製作試験体は、実験 1 と同一の配（調）合で製作したコンクリート試験体（直径：100 mm、長さ 200 mm）とし、91日以上水中で養生したのち、次項の加熱実験に供した。
3．2．2

4．2 実験 2：高温加熱した試験体の電気抵抗
4．2．1

電気抵抗の測定結果

両周波数で測定した各加熱温度における電気抵抗と加熱面からの距離の関係を図-8 および図-9 に示す。なお、

加熱方法

養生後の試験体を片端面（型枠に接していた底面）か900 ℃で加熱した試験体の周波数 100 Hz での測定におら反対の端面（非加熱面）に向かって温度勾配が生じるいて、加熱面から 40 mm の位置までの電気抵抗が今回よう、著者らが提案する方法 により加熱した。電気炉使用した LCR メータの測定上限（200 M Ω）を超えたた

内の設定温度を 2 時間で室温（約 20℃）から最高設定温め、参考として 200 M Ωとしてプロットすることとし度（加熱温度）まで上昇させ、1 時間保持したのち、そた（図中では塗りつぶしなしの赤〇で示す）。

2）のままの状態で室温まで放冷した。なお、試験体の加熱測定する周波数によらず、加熱温度が高くなるに伴い、温度は 300、500、700 および 900℃とし、各加熱温度同じ加熱面からの距離における電気抵抗は大きくなった。

で 2 体加熱した。

また、加熱温度が高いほど、電気抵抗が大きくなる傾向

3．2．3にあったが、周波数 1 kHz で測定した加熱温度 300℃の測定項目（1）電気抵抗50 mm および加熱温度 900 ℃の 0～40 mm の位置で多電気炉から取り出した試験体について、実験 1 と同様少の変動が認められた。この要因として、電極間に存在に削孔したのち、電気抵抗を測定した。なお、電気抵抗するモルタルや粗骨材の量の差が電気抵抗の測定に影響

は各加熱温度で 1 体の試験体を対象とし、加熱面からしたものと考えられる。

100 mm まで 10 mm 間隔で測定した。
36

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図-6

電気抵抗と相対含水率の関係（周波数：100 Hz）

図-7

電気抵抗と相対含水率の関係（周波数：1 kHz）

4．2．2

電気抵抗と相対含水率の関係

両周波数で測定した各加熱温度における電気抵抗と相対含水率の関係を図-10 および図-11 に示す。

図-8 電気抵抗の測定結果（周波数：100 Hz）

図-9 電気抵抗の測定結果（周波数：1 kHz）

な お、 両周波数 に お い て、 加熱温度 300 ℃ を 除 き、105℃乾燥により得られた近似線と比較すると、電気抵抗に対する相対含水率が低くなる傾向が認められた。こ加熱温度 500℃から 900℃では、電気抵抗と相対含水の要因として、高温加熱した試験体では、105℃乾燥の率の関係は概ね同様であり、高温加熱した試験体におい試験体と異なり、全面を開放した状態で加熱したことで、ても、電気抵抗により含水状態を評価できている。また、全面から乾燥し、中心部と外周部で含水状態に差が生じいずれの条件においても、電気抵抗が約 20 kΩ以上のている可能性がある。つまり、図-12 に示すように、電部分は、相対含水率が約 20 % 以下であり、約 150 ℃以気抵抗は試験体の中心部で測定したのに対し、相対含水上の熱を受けた部分と考えられる。

率は全断面で測定したことが影響したと考えられる。

37

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4．2．3

電気抵抗と無水 PP 溶液による手法の比較

各温度で加熱した試験体の電気抵抗および相対含水率と加熱面からの距離の関係について、無水 PP 溶液を噴霧した直後の写真を重ねて図-13～図-16 に示す。なお、
周波数 100 Hz の測定において、加熱温度 900 ℃で測定不可の点があったため、1 kHz の測定結果を用いて考察することとした。

300℃で加熱した試験体の無水 PP 溶液の呈色状態を観察すると、全体的に濃い呈色を示したが、加熱面から約 8 mm までの位置では薄く呈色する程度であった。電気抵抗は 100 k Ω程度であり、150℃以上の熱を受けたものと考えられる。この領域は、加熱面から約 10 mm
図‒10電気抵抗と相対含水率の関係までの相対含水率が約 20 % 以下（ほぼ絶乾状態）になっ（周波数：100 Hz）た領域と一致する。

500 ℃および 700 ℃で加熱した試験体の無水 PP 溶液の呈色状態を観察すると、いずれの加熱温度においても、相対含水率が約 20 % 以下となるほぼ絶乾状態の領域で呈色が薄くなっていた。無水 PP 溶液の呈色の濃淡が変化する位置とほぼ同位置において、電気抵抗が約 10 k
Ωから急勾配に大きくなる傾向が認められた。したがって、電気抵抗の測定により高温加熱により生じたコンクリート内部の含水状態の急激な変化を把握できると考えられる。

900℃で加熱した試験体の呈色状態を観察すると、加熱面から約 100 mm までの相対含水率が約 20 % 以下の領域では、呈色が認められなかった。この領域では、電気抵抗が 100 kΩを上回り、150 ℃以上の熱を受け、ほぼ絶乾状態になっていることを評価できたと考えられる。
図-11

電気抵抗と相対含水率の関係（周波数：1 kHz）

以上より、コンクリート構造物において火災が発生した際、火害を受けた表面から深さ方向に電気抵抗を測定することで、これまでの無水 PP 溶液による方法と同様に高温によって乾燥が進行した領域を定量的に調査できる可能性がある。しかしながら、今回の検討において、実構造物の供用中における経年による乾燥、中性化の影響やセメント水和物等の化学的変化を考慮できていない。
今後、電気抵抗と無水 PP 溶液による両手法について、実際の火害調査に応用できるように様々な条件でデータを蓄積し、使用方法を提案したいと考えている。また、
小型電気炉による高温加熱方法では、試験体断面の含水勾配を、表面から深さ方向へ均一にすることは難しい。

図-12

電気抵抗および相対含水率の測定位置と高温加熱による水分の乾燥方向のイメージ

38

今後、水平炉を用いた大型試験体の加熱実験を行い、本研究で得られた結果と比較する予定である。

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5．まとめ
本研究では、コンクリート構造物の火害を想定し、内部に温度勾配が生じるように高温で加熱した試験体を用いて、含水状態と関係の深い「電気抵抗」について検討した結果、以下の結論を得た。
（1）105℃乾燥した試験体を用いて、今回の実験における電気抵抗の測定方法は、コンクリートの含水状態
図-13

電気抵抗と相対含水率の測定結果（加熱温度：300℃）を端面から深さ方向に評価できることを確認した。
（2）電気抵抗を測定する周波数を 100 Hz と 1 kHz で検討した結果、100 Hz の方が含水状態の変化を感度良く評価できた。一方で、今回使用した測定器では、高温加熱により絶乾状態になると電気抵抗が測定上限を超えたため、測定できないことがあった。
（3）高温加熱した試験体は、電気抵抗から想定される含水状態より乾燥していた。この要因として、電気炉で加熱した試験体では加熱面以外から乾燥した可能性がある。
（4）高温加熱した試験体において、加熱面から深さ方向

図-14

電気抵抗と相対含水率の測定結果（加熱温度：500℃）に電気抵抗を測定することで、高温の影響によりほぼ絶乾状態となった領域を定量的に判断できた。
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学年次論文集，Vol.41，No.1，pp.551-556，2019

【執筆者】

*1

木野瀬 透

*4

今本 啓一

（KINOSE Toru）（IMAMOTO Kei-ichi）

40

*2

吉田 夏樹

*3 新 大軌（YOSHIDA Natsuki） （ATARASHI Daiki）