コンクリート工学の基礎と応用
コンクリート工学の基礎と応用

北海道大学大学院工学研究科
環境機能マテリアル工学研究室
杉山 隆文

コンクリートとは？
・一般にはＪＩＳ製品

構造材料（他に鉄、石材、木材）（品質規格：ＪＩＳＡ５３０８）・セメント、水、骨材で構成
・工程（流動体から固体への変化）
練混ぜ→運搬→打込み→養生→硬化・圧縮強度：１８～６０Ｎ/ｍｍ2
・透水性：１０－５～１０－９ダルシー

1コンクリート工学
第１章 緒論
よいコンクリートを造るための条件ほか
第２章 セメントの硬化および硬化体の性質
ポルトランドセメントの水和 ほか
第３章 まだ固まらないコンクリートの性質
ワーカビリティー、材料分離、初期性状ほか
第４章 コンクリートの強度
圧縮強度、各種強度 ほか
第５章 コンクリートの変形性能
応力－ひずみ曲線、弾性係数、時間依存性の変形ほか
第６章 水密性、耐久性、その他の性質
気象作用に対する耐久性、化学的侵食ほか

コンクリート工学（つづき）
第７章 セメントおよび水第８章 骨材および混和材料
第９章 配合第１０章 製造およびレディーミクストコンクリート第１１章 運搬、打込み および養生第１２章 特殊なコンクリートの施工
第１３章 品質管理、品質検査および試験

2

コンクリートの構成
空気50リットル

水170リットル
細骨材
340リットルセメント100リットル

細骨材3０0リットル

コンクリートの構成

粗骨材340リットル

粗骨材
４０0リットル

コンクリートの一般的な混合割合（1,000リットル当り）

コンクリートの種類
 一般的に使用されるコンクリート

一般構造物：普通コンクリート 特殊な構造物に使用されるコンクリート

コンクリートダム：ダムコンクリート
大型構造物：マスコンクリート
超高層ビル：高強度コンクリート
 特殊な施工に使用されるコンクリート

狭隘な箇所
水中施工などなど：高流動コンクリート：水中コンクリート3

コンクリート配合設計
ひび割れ抵抗性
塩害抵抗性

水密性

中性化抵抗性

耐火性

アルカリ骨材
反応抵抗性

耐久性

すりへり抵抗性

設計基準強度
割増し係数

流動性

強度

温度補正

良い
コンクリート 施工性

養生条件

材料分離抵抗性
ポンプ圧送性
経時変化

経済性

JCI コンクリート技術の要点

START

コンクリートの配合設計手順

粗骨材の最大寸法の選定

構造物の種類、部材の寸法、鉄筋あき、かぶりセメントの種類、スランプ、空気量の選定

構造物の種類、環境条件、施工方法

配合強度の決定

設計基準強度、変動係数、気温、材齢、構造物の重要度

水セメント比の決定

配合強度、耐久性、水密性

4単位水量、混和剤量の決定

スランプ、空気量、混和剤単位水量、水セメント比
混和材

単位セメント量、混和材量の決定

ワーカビリティー、骨材形状
骨材粒度

細・粗骨材量の決定
試し練り配合の計算
試し練りN

Y
条件を満足するか？

示方配合

END

フレッシュコンクリートの要求性能
1．所要の空気量を有すること
2．取扱いによる材料の分離をできるだけ起こさないこと
3．適度な柔らかさを持つこと
4．変形と流動に対する抵抗性

これらを総称する
コンクリートの性質（コンシステンシー）
5. ゆっくりとした変形性

ワーカビリティー（プラスティシティー）
6．比較的容易にポンプ圧送できること（ポンパビリティー）
7．仕上げが容易であること

構造物の種類
施工条件で異なる（フィニッシャビリティー）
JCI コンクリート技術の要点

5スランプとスランプフロー

スランプコーンと検尺
スランプ18cm

スランプ8cm

高流動コンクリート；スランプフロー；60～70cm

不適切なコンクリート

セメントの種類
セメントの種類
ポルトラ
ンドセメ
ント
（JIS R5210）

混合セメ
ント

その他

特性と用途

普通ポルトランドセメン
ト

工事用または製品用として最も多く使用されている一般的なセメントである。

早強ポルトランドセメン
ト

早期に高い強度が得られ、プレストレストコンクリート、寒中コンクリート、工場製品などに使用される。

超早強ポルトランドセメ
ント

早強ポルトランドセメントよりさらに早期に強度が得られ、緊急工事、寒中工事、グラウト用などに用いられる。

中庸熱ポルトランドセメ
ント

水和熱が比較的小さいセメントであり、ダムなどのマスコンクリートに使用される。

低熱ポルトランドセメン
ト

中庸熱ポルトランドセメントより水和熱が低く、マスコンクリート、高強度コンクリートなどに使用される。

耐硫酸塩ポルトランドセ
メント

硫酸塩との反応性が小さく、硫酸塩を含む土壌地帯での工事に適する。耐海水性にも優れている。

高炉セメント（JIS R5211)

潜在水硬性のある高炉スラグを混合したセメント。化学抵抗性、水密性、アルカリ骨材反応防止効
果などに優れる。

シリカセメント（JIS R5212)

純度の高いけい石などの粉末を混合したものであり、オートクレーブ養生をする製品に使用される。

フライアッシュセメント
（JIS R 5213)

火力発電所などから発生するフライアッシュを混合したセメント。水和熱が低いため、ダムなどのマスコンクリートに使用される。

エコセメント（JIS R5214)

都市ごみを焼却した際に発生する灰に、必要に応じて下水汚泥などの廃棄物を加えたものをセメン
ト１ｔあたり５００ｋｇ程度原料として用いたセメント。

白色セメント

鉄分を極端に少なくして白色にしたセメント。顔料を入れて着色することもできる。

アルミナセメント

アルミン酸カルシウムを主成分とし、非常に早強性が高く、1日で普通ポルトランドセメントの28日に相当する強度が得られる。緊急工事用のほかキャスタブル耐火物としても利用も多い。

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Raw Materials for Manufacturing Cement

セメントができるまで（原料工程・焼成工程）
セメント協会HP
セメント協会HP

Rotary kiln7クリンカー

セメントができるまで（仕上工程）

Process for burning

Process for pre-heating andpre-ground with rotary kiln

8セメントの主成分
セメント原料

酸化カルシウム（天然材料）

二酸化けい素

酸化アルミニウム

酸化第二鉄

CaO

SiO2Al2O3Fe2O3

石灰石

47～55％

～4％

～2％

～2％

粘土

～5％

45～80％

10～30％

3～10％

けい石

～2％

70～95％

2～10％～5％40～90％

酸化鉄原料
参考：ポルトランドセメント63～65％

20～23％

Lime stone → CaO + CO2
Clay→ SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 + H2O

3.8～5.8％

2.5～3.6％

3CaO・SiO2（珪酸三石灰）
2CaO・SiO2 （珪酸二石灰）
3CaO・Al2O３ （アルミン酸三石灰）
4CaO・Al2O3・Fe２O3 （アルミン鉄酸四石灰）

硬化セメントペーストの構成
1.CＳH: Calcium Silicate Hydrate（珪酸カルシウム水和物：無定形）
2.CH: Calcium Hydroxide（水酸化カルシウム：六角板状）
3.Ettringite（エトリンガイト：針状）
4.Monosulfate（モノサルフェート）
セメント協会提供

2C3S(3CaO・SiO2)+7H2O →C3S2H4+3Ca(OH)2
2C2S(2CaO・SiO2)+5H2O →C3S2H4+Ca(OH)2
C3A(3CaO・Al2O３)+3Ca2++3SO42-+32H2O→C6AS3H32
C3A(3CaO・Al2O３)+ C6AS3H32 +4H2O→3C4ASH129

骨材の種類
骨材の種類

説明

砂（細骨材）
および砂利（粗骨材）

岩石をその起源とし、自然の作用によって作られた骨材。採取される場所により、川砂・川砂利、海砂・海砂利、山砂・山砂利、陸砂・陸砂利などに区分して呼称されることが多い。

砕砂（細骨材）および砕石（粗骨材）

岩石を破砕して製造した骨材。粒度よって細骨材の砕砂と粗骨材の砕石となる。

スラグ骨材（細骨材、粗骨材）

金属製錬などの際に発生するスラグ（鉱さい）を原材料にして人工的に製造される骨材の総称。高炉スラグ、フェロニッケルスラグおよび銅スラグを原料とするスラグ骨材がコンクリート用骨材として実用されており、電気炉酸化スラグ、汚泥スラグなども実用化のために検討がなされている。

人工軽量骨材（細骨材、粗骨材）

けつ岩、フライアッシュなどを主原料として人工的に製造した普通の岩石と比較し密度の小さい骨材。

再生骨材（細骨材、粗骨材）

廃棄コンクリートをクラッシャなどで破砕して人工的に製造した骨材。単にコンクリートを小さく砕いて粒度調整したものが多く、このような場合には、骨材周囲にセメントペーストやモルタルが付着しており、通常の骨材より吸水率が高いなど品質が低下する。最近では、通常の骨材の品質にほぼ同等な再生骨材を製造する方法も提案されている。

コンクリート
断面写真

Sand

Air

セメントペースト
粗骨材（HFA)砂

Cementpaste
Sand

HFA aggregate.

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コンクリートの強さ
コンクリートの強度
コンクリートの強度
セメント
セメント
圧縮強度
圧縮強度

水水

引張強度
引張強度

化学反応
（水和反応）

セメント水和物
セメント水和物
結合

骨材
骨材

曲げ強度
曲げ強度
せん断強度
せん断強度

使用材料

付着強度
付着強度

配合

支圧強度
支圧強度

材齢
施工方法

疲労強度
疲労強度

打ち込み、締固め
養生

JST webラーニング教材抜粋
webラーニング教材抜粋

圧縮強度と水セメント比の関係

P.58

１、水セメント比説
D.A.Abrams提唱提唱))
１、水セメント比説 (1919年、(1919年、D.A.Abrams
σ＝Ａ／Ｂ（Ｗ／Ｃ）
２．セメント水比説
I.Lyse提唱提唱))
２．セメント水比説 (1932年、(1932年、I.Lyse
σ＝Ａ＋Ｂ・（Ｃ／Ｗ）
３．セメント空隙説
A.N.Talbot提唱提唱))
３．セメント空隙説 (1921年、(1921年、A.N.Talbot
σ＝Ａ＋Ｂ・（ｃ／ｖ）

ここで、ｃ：セメントの絶対容積
ｖ：単位水量と空気量との和＊コンクリートの強度とセメント強度の関係
σ＝ K｛Ａ・（Ｃ／Ｗ） ＋Ｂ｝

ここで、K
ここで、K：セメントの圧縮強度

11

JCI コンクリート技術の要点(N/㎟)

超高強度繊維補強200
圧 150
縮強 100
度
500

超高強度

一般

流動化 高強度

1015
スランプ

20

高流動506070 cm
スランプフロー

JST webラーニング教材抜粋
webラーニング教材抜粋

12

問題：設計時にこの構造物で留意することは？
答：鉄筋腐食しないように、コンクリートの耐久性を高めるように設計すること

飛来塩分

鉄筋の腐食

日本は３５０００ｋｍの海岸線を有する．構造物の塩害は、主要な研究テーマ
コンクリート構造物では、鉄筋の腐食で耐久性の低下、構造安全性の低下が発生する。
塩害に対して高い抵抗性を有するコンクリート材料の開発

25

実験室内の腐食実験


供試体寸法:100×100×400mm
鉄筋（丸鋼：直径19mm）
自然電位計測：埋込み型鉛照合電極
50mm
10%NaCl 溶液

25100mm
100mm

25 50 20D19D1920電極

電極
電極
400mm

塩水供給試験

100mm

100mm

断面13コンクリート中の鉄筋腐食

電極

コンクリート中のマクロセル腐食機構
Cl－

H２O

H２O

O２O２Fe(OH)２

Corrosion products

OH－

Fe２＋OH－current

current

Fee－
anode

cathodee－cathode

腐食の電気化学的反応
アノード酸化反応

Fe→Fe2+＋２e－

カソード還元反応

O2＋２H2O＋４e－→４OH－

FeO・(H2O)x
酸化第一鉄
酸化第二鉄他

14腐食によるコンクリートのひび割れ発生（腐食物の体積膨張による）異型鉄筋の腐食 コンクリートの人工バリアへの適用研究
・地下水のアタックカルシウム成分の溶出バリアや構造の機能低下
・アルカリ影響
埋 戻支 保充 填
低透水層
ﾍﾞﾝﾄﾅｲﾄ系材料

廃棄体

ｺﾝｸﾘｰﾄﾋﾟｯﾄ

低拡散層
ｾﾒﾝﾄ系材料

15コンクリート中の細孔溶液
Diamond, 1981

コンクリートとアルカリ コンクリート内部の細孔溶液
・高濃度水酸化アルカリ

 セメント水和物（水酸化カルシウム）
 アルカリ骨材反応（アルカリシリカ反応）
・ある種のシリカ鉱物（オパール、クリストバ
ライト、トリジマイト、火山ガラス等）含有骨材と化学反応によるコンクリートの異常膨張

16超長期間コンクリートと接することで生じるナトリウム型ベントナイトの変質：カルシウム型化
Direct current
voltage 15V

電気泳動法を利用した促進試験
Anode２＋

CaConcrete

Ca

Steel mesh

CarbonSaturated
Calcium solution

CathodeInterface

Bentonitesand mixture

２＋

Composite of ConcreteConcrete-Bentonite sand mixture
under the electrical migration test

Concrete

5mm

Change in color in the Bentonite

Bentonite sand mixture

コンクリートコンクリート-ベントナイト砂混合土の界面High

CaLow
HighNaLow
5mm

Interface17コンクリート工学における環境対応
セメント製造（１トン）に伴うＣＯ２発生比較

ポルトランドセメント
ＣＯ２ ７５６．９ｋｇ/ｔ
×６０８９万ｔ＝４６００万ｔ
エネルギ-起源：化石燃料燃焼
原料起源：石灰石脱炭酸

エコセメント（ＪＩＳ Ｒ５２１４）
製品１t
製品１tにつき，都市ゴミ焼却灰，下水汚泥などの廃棄物を５００kg（乾燥）以上使用などの廃棄物を５００kg（乾燥）以上使用

原料や熱源としての廃物利用，産業副産物利用の推進
石炭灰，高炉スラグ，汚泥，建設発生土
燃え殻，ばいじん，ダスト，非鉄鋼屑

沿岸の環境保全（磯焼け対策）を目指す
コンクリート材料の開発

18コンクリート工学
１．構造材料としてのコンクリート
２．製造，施工，硬化後の性質，（維持管理），（解体・廃棄），（リサイクル）における配慮
３．環境調和型，環境対応型コンクリート

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