フジタ技術研究報告第 48 号 2012 年

コンクリートの打込みから硬化過程の水分量変化に基づく品質管理手法の提案

藤倉概裕介

要

施工者は施工時の不具合を未然に防ぐとともに、合理的で経済的な施工計画を立案することが必要である。特にコンクリート中の水分は、フレッシュコンクリートの打込みに必要な流動性を与えるだけでなく、セメントの水和反応、コンクリートの収縮とクリープの進行、耐久性などの特性を決定づける重要な役割をもつ。そのため、コンクリート中の水分の分布や状態を把握することはコンクリートの物性を評価する上で重要な情報である。そこで、本報告では型枠内に設置した計測センサーケーブルの静電容量の変化に基づき、コンクリートの打込み状況から硬化過程ならびに脱型後の乾燥過程におけるコンクリート中の水分量をリアルタイムで評価できる手法を提案する。また、本提案手法の適用性を検証する目的で、セメント硬化体を用いた基礎的な実験による比較を行った。その結果、セメント硬化体の場合ではセメントの水和反応に消費される水分量の変化やそれに基づいて推定される圧縮強度、乾燥に伴って減少する水分量の評価ができることを確認した。

Evaluation of water content during hydration of concrete
based on change in electrical capacity

Abstract
Contractors are required to select appropriate materials, and understand their effect on theperformance of the concrete over time, including placeability, strength development, and long-termdurability. Water content in the concrete influences not only workability of fresh concrete but also
serves an important role in determining the properties of cement hydrates, drying shrinkage, and theprogress of creep and durability. Therefore, understanding the distribution of water in concrete isimportant in evaluating the properties of concrete.
This report examines attempts to understand the properties of concrete based on change of electrical
capacity for the purpose of high-quality and cost-effective concrete construction. To evaluate
effectiveness of the proposed method, estimated results were compared with experimental results forwater content and compressive strength using cement hydrate specimens. The results showed that theexperimental and estimated results were in close agreement and estimated results effectively
characterized the cement hydrates.

キーワード： コンクリート、打込み、現場計測、品質管理、静電容量、水分量、圧縮強度－55－フジタ技術研究報告 第 48 号

§１．はじめに貼り付ける方法やコンクリート中に埋め込む方法などの接触方式が提案されている。コンクリート打込み状況の目視確認

近年、公共工事をはじめコンクリート構造物の高品質化、が困難な箇所や型枠への充填状況を施工中に確認する方長寿命化への要求が高まっている。コンクリート構造物の品法としては、後者の接触方式が採用され、各種センサーを質向上のためには、使用材料であるコンクリートの力学性型枠内に設置する手法が提案されている。例えば、印加電能、耐久性能といった時間軸で要求される性能を事前に照圧の残留値を用いた手法 5)や静電容量を用いた手法 6)が査することが重要である。特にコンクリート中の水分は、フレ電気的手法として提案されており、実際の現場における活ッシュコンクリートの打込みに必要な流動性を与えるだけで用事例も報告されている。しかし、これら既往のセンサーでなく、セメントの水和反応、コンクリートの収縮とクリープの進はセンサー設置位置の点での情報を得るものであり、コンク行、耐久性などの特性を決定づける重要な役割をもつ。そリートの充填状況を全体的に捉える場合や打ち込みの範囲のため、コンクリート中の水分の分布や状態を把握することを面的に捉えるためには、複数個のセンサーの設置が必はコンクリートの物性を評価する上で重要な情報である。

要になる。また、これらのセンサーは有線式のものが多く、そのような背景から、コンクリート中の水分を評価する計

現場での配線の取り回しに手間を要する。

1)。例えば、コンクリート打込み時

図 1 はセメント硬化体における相組成の概念を示す。練において施工による不具合を未然に防ぐことを目的とし、水混ぜ時の全体の体積を V0、セメントの体積を VC0、水の体分の有無を捉えることでコンクリートの充填検知や含水状態積を VW0 とおく。VW0 はセメントの水和反応による消費 VWhyd

測手法が検討されているを把握するための手法が検討されている

1)，2)。セラミック素あるいは脱型による乾燥 VWdry によって減少する。

子を用いた研究 1)では、硬化過程における含水率を推定す

Vshるなどの手法が報告されている。また、内部湿度計を用いる
水ことで硬化体内部の含水状態を評価する事例 3)も報告され

水

VW0ている。

水VWdryVWfree

Vp(t)

VWhyd

しかしながら、既往の手法では小型のセンサーを用いてV0いるため、実際の構造物内の含水状態のばらつきを考えた

水和物

VC0

場合、その評価が難しいのが現状である。実際のコンクリー

水和物

Vs

セメント

Vt

ト構造物への適用にあたっては、ある程度広い範囲で水分の状態を捉え平均的に扱う手法も必要であると考えられる。
また、現状の方法の多くは高価な上に使用目的が多様であ練混ぜ時り、計測機器の取扱いや設置にも手間がかかるため、一般的な施工において普及しているとはいえない。

未水和セメント

未水和セメント

水和反応(材齢 t)

乾燥による水分逸散

図 1 セメント硬化体の相組成の概念

そのような背景から、本研究では高品質なコンクリート構硬化コンクリート

計測センサーケーブル
フレッシュコンクリート

造物を施工することを目的とし、型枠内に設置した計測セン
サーケーブルの静電容量の変化からコンクリートの打込み

1111で打込み時の品質管理を行う手法を提案し現場への適用

11を進めている 4)。本報告では、同一のセンサーを継続的に

111111

状況をリアルタイムで把握し、ビジュアル的に表示すること用いることにより硬化過程における水分量の変化を捉え、含水率の推定を行う手法について提案するとともに、セメントペーストを用いた基礎的な検討を行い、その適用性について検証を行った結果について示す。

60180

180

180

§２．本手法の概要
2.1 本手法の原理

円筒は、光学的方法、赤外線を使用する方法や変位計を設置

180

180

180

合計 14(F)合計 646(F)

(a)

(b)

図 2 計測原理の概要

する等の非接触で行う方式と、電気的なセンサーを型枠に－56－60606060606080（打ち込み完了後は 1120(F)）

コンクリートの型枠内への充填状況を把握する方法として606080116060606060合計 840(F)(c)

コンクリートの打込みから硬化過程の水分量変化に基づく品質管理手法の提案

また、硬化収縮 Vsh や乾燥収縮の影響による体積変化も設量の把握、打込み後からの時間を表示または色分けする生じる。硬化体中の含水率の指標である体積含水率は乾ことでコールドジョイントなどの不具合を未然に防ぐことがで燥前の全体の体積 Vt に対する自由水 VWfree の割合である。

きるものとしている。これにより、コンクリート打込み時の品質質量含水率として与えられる場合もあるが、乾燥前後で体管理を実施するものである。写真 1 には既設円柱橋脚の積が大きく異なることを前提として体積 Vt を評価しておくこ

RC 巻立て耐震補強工事への適用事例を示す。コンクリートとが必要である。また、内部湿度計で計測される湿度は空打設箇所から離れた場所で携帯端末を使用して打込み高隙中の飽和度であり、空隙の体積 Vp(t)に対する自由水さを確認している状況を示す。表示画面は施工部位の半円VWfree の割合で表され、材齢とともに変化する固相部分の部分の打上がりの状況を示しており、平均打上がり速度、打体積 VS と空隙の体積 Vp(t)を十分に把握した上での評価込みからの経過時間、施工の進捗を確認することで効率的が重要である。すなわち、図 1 に示すように水分量を練混に施工管理を実施した事例である。

ぜ時からの材齢に伴って変化する相組成の中での位置づけとして整理し、一貫して捉えることも重要である。

§３．水分量の計測に関する基礎的検討

本研究で提案する手法は、図 1 に示すようにフレッシュコ
ンクリートの状態から硬化過程または乾燥による水分量の変化を把握しようとするものである。計測原理の概要を図 2

3.1 実験概要に示す。図 2(a)は何も充填されていない空の円筒に計測ケ

フレッシュコンクリート打込み後の硬化過程において、本ーブルを鉛直に設置した状況を示す。計測センサーケー計測センサーケーブルを用いて計測し、静電容量の変化

ブルは一定の間隔を持った 2 本の線により構成されており、から硬化中の水和反応や乾燥により減少する水分量を評

この間には静電容量がある。一般の空気中における比誘電価する手法について基礎的な検討を行った。まず、図 4(a)率は小さく、計測センサーケーブル全体の静電容量は少なに示すように高さ 1m、幅 50mm、長さ 300mm の壁状の試い。(a)の円筒では静電容量の合計値は 14(F)である。一方、験体を作製した。幅 50mm の壁の一面を所定の材齢にて水などの液体をはじめフレッシュコンクリートでは一般に比無線
アンテナ

計測センサー

誘電率が空気の約 80 倍と大きくなり、図 2(b)に示すようにケーブル約半分までコンクリートが打ち込まれると、その合計値は646(F)、打込み完了後は 1120(F)となる。すなわち、コンク

鉄筋

Wi-Fi

リートの打込み高さと静電容量の関係を事前に調べておくことにより、コンクリートの打ち込み高さを連続的に検知できパソコンでデータ収集るわけである。図 2(c)では硬化コンクリートの状態を示す。
フレッシュ時とは異なり水分が減少して硬化体が形成される携帯端末で表示と静電容量は低下する。この例では静電容量の合計は型枠840(F)となり、固体部分の静電容量が非常に小さいもの仮定すると、この低下量が消費、逸散により減少した水分量となるものと考えられる。

コンクリート打込み

図 3 システム概要

2.2 システム概要

遠隔での確認状況

本手法を実際の建設現場のコンクリート打込み時において適用する場合のシステムの概要を図 3 に示す。計測セン

コンクリート打設箇所

サーケーブルを型枠内の鉄筋あるいは別途用意した鉄筋等に沿わせて鉛直に設置する。図 3 に示すように計測セン
サーとパソコンなどの端末は無線を介して行われる。回収したデータは直ちに解析され、打込み高さを示すグラフや打込み状況をビジュアル化して表示する。また、計測結果の情報は Wi-Fi 機能を使って携帯端末へ転送することができ、コンクリート打込み箇所から離れた場所でも計測状況を把RC 巻立てコンクリートの打上がり状況の表示画面握することが可能である。端末表示ソフトの拡張性は高く、
写真 1 遠隔での打込みの確認状況

構造物の形状や用途に応じ、コンクリートの打設速度や打－57－フジタ技術研究報告 第 48 号

脱型して気中に曝し乾燥面とし、センサーは乾燥面から 5、計測センサーケーブル15、25、35mm の位置（No.1～No.4）および 150mm の位置（No.5）に設置した。計測線は 1.5m の長さを有し、そのう

No.1 2 3 4上面（塗装後にシール）

乾燥面
（脱型）

ちの 1m が計測に有効な線とし、メッシュ状の鉄筋に沿わせ5て幅 50mm の断面中央付近に鉛直方向に設置した。No.1～No.4 のセンサーはセメントの水和反応および乾燥面からの水分逸散の影響を調べる目的で設置し、中央に設置した

乾燥面

No.5 のセンサーは乾燥の影響を受けず水和のみによる影周囲をシール1m

響を調べる目的で設置したものである。本システムによる計50mm

測は打込み開始から実施しているが、本項では硬化過程・・

50mmにおける検証を目的とするため、打込み完了後以降の計測結果を対象とした。試験体は普通ポルトランドセメントを用

10mm

50mm

い、W/C＝50％にてモルタルミキサーで練混ぜたセメント(b)300mm(a)ペーストを上面より流し込み作製した。所定の高さ 1m まで数時間かけてゆっくりと流し込み、ブリーディング水を除去

図 4 実験試験体の概要

した後、高さ調整のためのペーストを打ち上面を均一に均100%した。更に硬化を待ち上面からの乾燥を防ぐ目的で塗料を塗布しアルミテープでシールした。試験体は 20℃、相対湿80%

度 60％の恒温恒湿室で作製，養生を行い、乾燥面の乾燥体積含有率(%)

開始材齢を 1 日、7 日とする 2 ケースを作製した。
次に、乾燥による水分逸散量を別途把握し、No.1～No.4 のセンサーで得られた結果と比較するため、図 4(b)に示すように 50mm×50mm×200mm の大きさの型枠を空隙率
セッコウ
C4AF
C3A
C2S
C3S
C4AH13
Afm
Aft
C-S-H
CaOH2
水60%
40%
20%用い試験体を作製した。試験体は(a)と同条件で練り混ぜたセメントペーストを用い、乾燥面に対して同様に上方向から0%流し込み作製した。材齢 1 日で脱型し、その直後に速やか0に湿式のカッターで 10mm ごとに切断し、周囲の水分を軽く拭き取った後に周囲に塗料を塗布しアルミテープでシー13728

材齢（日）図 5 相組成モデル（W/C=50%，20℃養生）ルした。湿式カッターによる切断時の水分がその後の水和に影響を与えるものと考えられるが、シール後の質量を基大値との比で整理したものである。硬化体の静電容量はセ準としてその後の質量変化を考えることとした。その後、図 4

メントや水和物などからなる硬化体の固相部分の静電容量に示す乾燥面のみからの水分逸散となるように切断した試の値を含むものと考えられるが、本報告では固相部分の静験体を重ね合わせ、テープで留めた後、ビニール袋で 2 重電容量に対する測定を行っていないため、計測される静電に包み込み養生した。試験体(a)と同様に材齢 1 日から乾容量の変化は全て水分の変化によるものと仮定して整理し燥させるケースでは、上記の作業後から乾燥を開始し、材た。すなわち、静電容量の変化を図 1 にて示すように練混

齢 7 日から乾燥を開始するケースでは、所定材齢となるまぜ時に与えられた水分 VW0 に対する自由水 VWfree(＝VW0で封緘養生とした。乾燥開始後、定期的に各片の乾燥開始－VWhyd －VWdry)の割合と仮定して求めたものである。また、材齢時の初期質量からの質量変化を測定した。

図中の凡例は各計測センサーケーブルの乾燥面からの距離を示す。相組成モデルとした図中のプロットは図 5 に示

3.2 実験結果および考察

す相組成モデルから求めた練混ぜ時に与えられた水分

図 5 には著者らの提案するモデル 7)により算定した相組

VW0 に対する自由水 VWfree(＝VW0－VWhyd －VWdry)の割合成を示す。相組成は実験と同様の配合条件、養生条件でを求めたものである。静電容量の変化については、未水和求めたものである。図 5 に示すようにセメントの水和反応にセメントや水和物で構成される固相部分の値を十分小さい伴って、自由水が減少することが分かる。次に、試験体(a)ものとして仮定して整理した結果ではあるが、理論的に求より得られた計測結果を図 6 および図 7 に示す。水分の割めた相組成モデルと割合変化の傾向としては一致する結合は材齢に伴って変化する静電容量の値を打込み後の最果が得られていることが分かる。これは、今回の報告ではセ－58－

コンクリートの打込みから硬化過程の水分量変化に基づく品質管理手法の提案

メントペーストを用いた検討であり、図5 に示すように硬化体1に占める自由水の割合が大きく、固相部分の静電容量の影る。コンクリートでは体積含水率は 10％前後程度となるため、固相部分も含めた静電容量の評価が必要であるものと考えられる。また、図 6 に示すように乾燥面から最も近い 5mm

水分の割合0.8

響を受けず、自由水部分に支配的であったためと想定され0.60.45mm
25mm
150mm

0.2の距離に設置したセンサーの結果は、脱型後からの水分0割合の変化が大きいことが分かる。これは乾燥による自由010

水の減少量が大きいことやそれに伴って変化する水和度との複合した結果によるものと考えられる。

1(ml)、w0 を水セメント比（W/C）、水の密度を ρc(g/ ml)、セメ

0.8

M w0 = V0(1)

水分の割合

結果から以下の方法で算定した。 V0 を練混ぜ時の体積 11 

+ ρ w ρ c ⋅ w0 30（材齢 1 日にて脱型のケース）ごとにプロットで示す。乾燥による水分割合は質量測定のの質量 Mw0 は式(1)で求められる。

20
材齢（日）

図 6 材齢と水分の割合変化の計測結果

図 8、9 は試験体(b)による試験結果を乾燥面からの距離

ントの密度を ρw(g/ ml)とおくと、V0 に対する練り混ぜ時の水

15m35mm
相組成モデル

0.60.45mm25mm
150mm0.2

ここで、ρw を 1(g/ml)とすれば、Mw0＝Vw0 であり、ここで15mｍ35mm
相組成モデル00

は水和や乾燥による体積変化を無視して考えれば、試験体(b)では一つの試験片より V0 を与えることで試験片ごとの10

材齢（日）

2030

図 7 材齢と水分の割合変化の計測結果

Mw0(＝Vw0)を式(1)より定義できる。乾燥による水分変化量（材齢 7 日にて脱型のケース）

MWdry は乾燥前の質量と乾燥後に測定された質量の差であり、乾燥による水分割合の変化は 1－MWdry/ Mw0(＝1－VWdry/Vw0)となり、相組成の体積変化として図 6、7 と同様に5mm25mm
相組成モデル整理される。
1の試験結果、相組成モデルの結果ならびに深さ 5mm での0.8試験結果と相組成モデルからの算定値を足した値（VWhyd＋VWdry を想定)を示す。図 8 より、材齢 1 日で脱型した場合の計測結果では、乾燥による水分の減少量も大きく、VWhyd＋VWdry を想定した値は試験体(a)の結果を大きく下回っていることが分かる。試験体(a)における計測結果の妥当性の水分の割合

図 8、9 中には試験体(a)による乾燥面からの深さ 5mm

15mm
35mm
5mm(a)

0.6
0.40.2△＋△0

検証も重要であるが、既往の検討 7）において示すように、乾010

燥により水和が阻害され、それにより水和による水分消費が低減した影響があるものと考えられる。これは、表層部分の材齢（日）2030

図 8 材齢と水分の割合変化

品質向上を考えれば重要な課題であるが、乾燥後は部材（材齢 1 日にて脱型）

内で常に水分移動を生じ、それに伴い水和反応の進行、空隙構造の変化、更には体積変化も生じる非平衡状態の事化から既往のモデル 7)より水和度をおよび水和度に相当す象を扱うものであり、特に若材齢時では 1 つの要因を限定するような検証データの採取は困難である。そのため、理論的なモデル化も重要であると考えられ、水分移動や含水状態に依存した水和反応のモデル化と相組成の算定方法にる相組成を求め、空隙率より推定する手法 8) により圧縮強度を算定した結果と円柱試験体による圧縮強度試験結果とを示したものである。圧縮強度についても十分に推定可能であることが分かる。

ついて今後更なる検討を進める必要がある。
図 10 には図 7 で示したセンサーNo.5 の水分の割合変－59－フジタ技術研究報告 第 48 号

5mm25mm
相組成モデル

1994

15mm
35mm
5mm(a)

2) 平田隆祥、佐野禎、十河茂幸：コンクリートの水和過程

1の水分量モニタリング技術の紹介、コンクリート工学、
Vol.44、No.5、pp.45-49、2006.5

水分の割合0.83) 平田隆祥、十河茂幸：電圧印加方式によるコンクリート0.6の充填感知に関する研究、コンクリート工学年次論文

0.4

報告集、Vol.18、No.1，pp.69-74、1996△＋△0.24) 藤倉裕介ほか：コンクリート打設状況の連続検知、ビジ0ュアル化による品質管理手法の開発と適用事例、土木
0102030

学 会 第 66 回 年 次 学 術 講 演 会 概 要 集 、 CS9-019 、

図 9 材齢と水分の割合変化（材齢 7 日にて脱型）

5) 坂井吾郎、万木正弘、坂田昇、岩城実：品質保証を考

材齢（日）pp.37-38、2011
慮した高流動コンクリートの施工について、コンクリート圧縮強度(N/mm2)60

工 学 年 次 論 文 報 告 集 、 Vol.17 、 No.1 、 pp.233-238 、

50

1993406) 橋田浩、田中享二：不透湿な仕上げ層を施工した後の30

コンクリートの含水状態（仕上げ下地としてのコンクリー

20

計測結果からの推定
圧縮試験結果（W/C=50%)10トの含水状態の検討・その 2）、日本建築学会構造系論
文報告集、No.419、pp.21-29、1991

001020
材齢（日）7) 藤倉裕介、大下英吉：任意湿度下の含水状態と反応過30程を考慮したセメント硬化体の空隙構造形成モデル、
土木学会論文集 E2（材料・コンクリート構造）、Vol.67、

図 10 圧縮強度の推定結果と実測結果の比較

No.2、pp.264-279、2011
8) 藤倉裕介、大下英吉：空隙構造と含水状態に基づくセメント硬化体の体積変化機構のモデル化に関す§４．おわりにる研究、コンクリート工学年次論文集、Vol.33、No.1、pp.611-616、2011

本報告では、型枠内に設置した計測センサーケーブルの静電容量の変化からコンクリートの打込み状況を把握し、ビジュアル化するシステムの概要を示すとともに、同センサ

ひ と こ とーの硬化過程における適用性について検討した。硬化過提案型発注をはじめ、コンクリート構程における計測結果では、静電容量の減少割合が水和に造物の高耐久化、高品質化に対するよる水分の消費および乾燥による逸散によるものと仮定して顧客のニーズは高い。高機能な材料整理を行い、既往の相組成モデルならびに実験結果と比や近年高度化する ICT 技術などを取較した。その結果、セメント硬化体においてはセンサーにより入れることで、コンクリート施工の合る計測結果は理論的な相組成モデルと比較して割合変化理化、省力化、高品質化が実現できの傾向と一致する結果が得られることが分かった。また、圧藤倉 裕介

縮強度についても本手法により推定可能であることが分かった。今後は、実際の構造物における計測データを収集し、コンクリートの強度管理や耐久性の評価に応用していきたいと考える。

参考文献
1) 湯浅昇・笠井芳夫：非破壊による構造体コンクリートの水分測定法、コンクリート工学、Vol.32、No.9、pp.49-55、－60－るものと考える。