コンクリート工学年次論文集，Vol.31，No.1，2009

論文

軽量骨材の自己収縮ひび割れ低減効果に関する研究裵晟哲*1・早野博幸*2・野口貴文*3・長井宏憲*4

要旨：本研究では軽量骨材を用いた拘束下における高強度コンクリートの自己収縮低減効果を定量的に示すとともに，水和反応の指標となる物性や破面観察などの観点から軽量骨材の自己収縮低減効果を実証することを目的とした。その結果，表面乾燥状態の軽量骨材を使用することにより，普通コンクリートに比べて自己収縮ひずみおよび引張応力が低減できることを定量的に示し，ひび割れの危険性が低いことが明らとなった。軽量骨材の自己収縮低減効果に関しては，骨材周辺におけるセメントペーストの化学分析や組成像観察により，軽量骨材内部の水分がセメントペースト部分へ供給されている可能性を示した。
キーワード：高強度コンクリート，軽量骨材，自己収縮，ひび割れ, 細孔構造，水酸化カルシウム
1. はじめに物性や，細孔組織，骨材近傍の破面観察などの観点から近年のコンクリート構造物の高層化に伴い，高強度コ軽量骨材の水分供給による自己収縮低減メカニズムをンクリートに関する研究開発が活発に行われている。高実証することを目的とした。

強度コンクリートはスパンの長大化や高層化だけではなく，高耐久化も実現可能とする材料であるが，水セメ

2．実験概要ント比が低いため，若材齢時において自己収縮ひび割れ2.11)使用材料及び調合の発生が懸念される 。また，部材断面が大きい場合，コンクリートの使用材料を Table.1 に示す。シリーズ 1

単位セメント量の増大に起因する自己収縮や温度変形の実験では，軽量骨材の含水状態がコンクリートの自己などによって拘束条件の厳しい場合にはひび割れの発収縮へ及ぼす影響についても検討するため，絶乾状態及生が懸念される。高強度コンクリート特有の現象である

び表乾状態の軽量粗骨材と，比較として普通骨材を用い自己収縮を低減する方法は様々なものが挙げられるが，た 3 種類のコンクリートを対象に実験を行った。各コン

その中で，大量の水分を保有する軽量骨材の適用は，自クリートの調合を Table.2 に示す。調合条件は水セメン

己収縮の要因となる自己乾燥を低減する効果的な手法

ト比 25％，空気量 2％とし，コンクリートの練り混ぜはである。

100L パン形ミキサを使用してモルタルを 90 秒間練り混ぜ，その後，粗骨材を投入して 90 秒間練り混ぜた。

そのメカニズムとして，骨材中の水分がペーストに供給され自己乾燥を抑制していることが推定されるが，実2.2

際にこの現象が確認されているわけではない。以上のよシリーズ１: 拘束下のひび割れポテンシャル評価(1)自由収縮試験

うな背景から，本研究では軽量骨材を用いることによる自由収縮試験は，JCI 自己収縮委員会報告書で提案さ拘束下における高強度コンクリートの自己収縮低減効れている「セメントペースト，モルタル及びコンクリー果を定量的に示すとともに，セメントペーストの水酸化トの自己収縮及び自己膨張試験方法」に準じて行った。

カルシウム量や結合水量などの水和反応の指標となる

自由変形量の測定は養生温度を 20℃とし，型枠底部にはTable.1

Materials (Series 1)

Material

Characteristics
3

Specific surface area : 3290 cm2/g

Ordinary Portland Cement

Density : 3.16g/cm

Coarse aggregate

Saturated Surface dry Density : 2.64g/cm3

Light-Weight Aggregate

Surface dry Density : 1.65g/cm3

Water absorption : 0.60％
Water content : 32％
Water content : 0％

Land Sand3

Surface dry Density : 2.59g/cm

Water absorption : 1.97％

あ*

1 東京大学大学院*

工学系研究科建築学専攻

2 太平洋セメント（株）中央研究所

工博

大学院生(正会員)(正会員)*

3 東京大学大学院

工学系研究科建築学専攻 准教授

工博

(正会員)

*

工学系研究科建築学専攻

工博

(正会員)

4 東京大学大学院

助教-565-Table. 2Symbol

W/C(%）

ｓ/a(%)

Mix proportions（Series 1）
Unit content（kg/m3）

Air Content(%)

WCSG903

N－O25

LW－S

44.9

2.0

160

640

719561425

LW－D※Symbol

N－O : Ordinary concrete in case of using Normal Aggregate(Saturated Surface dry condition), LW－S :Concrete in case of using Light-Weight Aggregate(Surface dry condition), LW－D：Concrete in case of using Light-WeightAggregate (Absolute dry condition)
摩擦低減のためテフロンシートを敷き，ポリエステルフイルムで密閉して 100×100×400 ㎜直方体の両端にガイドを埋設し，低圧型接触変位計（反力 0.25N）によって測定を行った。
(2)擬似完全拘束試験
コンクリートを擬似的に完全拘束する試験としては
Fig.1 に示す可変拘束応力試験機 VRTM（Variable RestraintTesting Machine）を用いた。本試験機は，中央に打ち込まれたコンクリートの変位ならびに応力状態をモニタリングし，クロスヘッドを任意に制御することによってFig.1 Variable Restraint Testing Machine(VRTM)

様々な拘束条件を擬似的に再現することが可能である。
2)

本実験では，既往の研究 を参考にして測定区間（長さ500mm 断面 100×100mm）のひずみトリガーを 4μ，応力Table.3 Materials（Series 2）

2

トリガーを 0.01N/mm として擬似完全拘束状態とした。

Material

Characteristic(3)強度試験

Ordinary

VRTM で材齢 1，7 日の測定終了後，クロスヘッドを強Portland制的に移動させて供試体の直接引張試験を行い，ひび割Cement

れ破断時の引張強度をひび割れ発生強度とした。また，

CoarseSaturated Surface dry Density : 2.64g/cm3材齢 1，3，7，28 日に φ10×20cm の封緘供試体で割裂引

aggregate

Water absorption : 0.60％

張試験，材齢 7，28 日に圧縮強度試験を行った。

Light-Weight

Surface dry Density : 1.65g/cm3

Aggregate

Water content : 32％

Density : 3.16g/cm3
Specific surface area : 3110 cm2/g

2.3 シリーズ２: 化学分析及び細孔構造観察による評価(1)試験体

Table.4 Mix proportions（Series 2）

化学分析及び細孔構造観察用試験体の使用材料をSymbol

Table.3 に示す。粗骨材からセメントペーストに供給される水分の影響を検証するため，試験体は砂は使用せず，調合で実験を行った。W/C25%のセメントペーストに φ15～20mm 粗骨材を練り混ぜ，φ10×20cm の円柱型枠に打ち込みモデル試験体とした。養生は 20℃封緘とし，所定の材齢に達した後，ペースト部分の試料を採取した。分析用試料中に粗骨材が混入しないようにするため，骨材のWCSPS

252761102

2.56―P－LWG903561※Symbol P － N : Specimen in case of using Normalaggregate(Saturated Surface dry condition), P － LW :Specimen in case of using Light-Weight aggregate(Surfacedry condition)

界面から 2mm～7mm の距離における部分を水，熱を加Table.5 Experiment level and Material age（Series 2）

えないようにハンマー等で破砕し，試料採取後アセトンに浸漬して水和を停止させ，105℃乾燥してから試験を行った。別途，組成像観察用の試験体は W/C25%のセメ
ントペースト φ10×20cm の円柱型枠の中程まで打ち込み，（％）

P－Nその砂をセメントペーストに置換して Table.4 のようなUnit content（kg/m3）

W/C

1day

3day

7day

28day

I，D，P，B

I，D，P

I，D，P

I，D，P，B

I：ig.loss，D：DTA，P：Porosity，B：BEI

-566-

500

中央部に粗骨材を 1 個設置し，その後セメントペーストを上端まで打ち込んで組成像観察用試験体とした。骨材切断してからアセトンで水和を停止させた。
(2)試験水準及び材齢試験は，Table.5 に示すように表乾状態の普通骨材およ300

Strain(10 -6 )が中心になるようにダイヤモンドカッターで円板状にN-O
LW - S
LW - D

100-100

び軽量骨材を用いた細骨材抜きコンクリートモデルを-300

各々P－N 及び P－LW とし，各材齢で所定の場所から採-500取した試料を対象に実施した。組成像観察は，材齢 1 日，012Fig.2

Autogenous Shrinkage strain

28 日のみについて実施した。
(3)強熱減量(ig.loss)

34Age(Days)

56767

試料をメノウ乳鉢で微粉砕し，JIS A 5202「ポルトランドセメントの化学分析方法」に準拠して測定した。

4

所定の材齢に達した試料をメノウ乳鉢で微粉砕し，DSC 試験機を使用して測定を行い，水酸化カルシウム量を算出した。測定条件は，昇温速度：10℃/分，測定温度：室温～600℃で行い，空気中の二酸化炭素よる炭酸化を防ぐため，窒素ガスを流入し，同雰囲気下で昇温しStress(N/mm2)(4)示差走査熱分析(DSC)
20-2た。

-4(5)組成像観察(BEI)
骨材とペーストの界面が含まれるようにして 20mm 角程度の大きさに硬化体試料を成形し，エポキシ樹脂中にN-O
LW - S
LW - D012345Fig.3 Shrinkage Stress changes under quasi-completerestraint

包埋して鏡面研磨を行い，導電性を持たせるために炭素
これは，LW－D の絶乾軽量骨材が練混ぜ時などの極若蒸着を行った後，Ｘ線マイクロアナライザーを用いて反材齢時において一時的に吸水し，それを材齢 1 日までの射電子像観察を行った。
(6)細孔径分布(Porosity)

間に自己乾燥を生じているペーストマトリック中に供所定の材齢に達したのち，水銀圧入式ポロシメーター給して一旦は膨張傾向を示したが，その吸水量は LW－Sの軽量骨材と異なり微量であるため，すべての水を放出にて試料の細孔径分布測定を行った。

した後，自己乾燥が生じ，自己収縮が増大していったも
3．実験結果及び考察(シリーズ１: 拘束下のひび割れポのと考えられる。しかし，LW－S は材齢 1 日以後からほテンシャル評価)

ぼ一定の速度で圧縮応力が上昇する傾向が示された。こ

3.1 自由収縮ひずみ

れは，軽量骨材の含水状態が自己収縮低減効果に最も重各コンクリートの凝結始発時から 7 日までの自由変形ひずみを Fig.2 に示す。材齢 7 日においては、N－O の場要な影響を与えることを示したと考えられる。
3.3

強度特性によるひび割れポテンシャル評価

合に比べて LW－D の場合は自己収縮ひずみを約 300μ 低

材齢 1，７日まで擬似完全拘束下で測定を行った後，減することができた。一方，LW－S の場合は収縮せずクロスヘッドの強制移動による試験体の引張載荷を行200μ の膨張傾向を示し，結果的に約 600μ の自己収縮低い，ひび割れ発生強度の測定を行った。VRTM による直減効果が示された。

接引張試験で得られた直接引張強度に対する拘束応力の比(VRTM 拘束応力/直接引張強度)をひび割れポテン

3.2 擬似完全拘束下における応力
擬似完全拘束下の応力を Fig.3 に示す。N－O は，若材シャルとし，各コンクリートの評価を行った。材齢 1，7齢時に自己収縮ひずみが増大するため，急激に引張応力日各々の直接引張強度をベースとしたひび割れポテンが増大し，その後も徐々に増加する傾向がみられる。軽シャル結果を Fig.4 に示す。既往の研究 3)においては，直量骨材を用いたコンクリートに関しては，材齢 1 日の時

接引張強度と割裂引張強度はほぼ同等という結果が得点では骨材の含水状態に関わらず一時的に応力が圧縮られておりともに試験で偏心などが生じなければ本質となっているが，その後の挙動は大きく異なり，LW－D的に同一と考えられる。本研究では若材齢における直接はほぼ一定の速さで引張応力が増大する傾向を示した。

引張強度が割裂引張強度試験の結果(Fig.6)と同様な強-567-度発現比を生じるものと仮定して材齢 7 日の直接引張強ようにひび割れポテンシャルの推移を算出した。Fig.5
より，材齢 1 日においては，LW－S 及び LW－D は含水状態に関わらず N－O に比べてひび割れの危険性は非常に低いことが分かる。材齢 7 日では，LW－D は Fig.3 に示すように引張応力が増大していることから，ひび割れ危険性は N－O と同程度となっているが，LW－S は材齢100
Cracking Potential（％）

度に基に材齢 1，3 日の直接引張強度を推定し，Fig.5 の80

LW-SLW-D60
40200
1-20-40

7 日においても圧縮応力を保持しており，自己収縮によN-OAge(Days)

るひび割れポテンシャルは極めて低いことが定量的に明らかとなった。また、Fig.5 で推定した材齢 1 日のひび

7Fig.4 Results of evaluation cracking potential

割れポテンシャルと Fig.4 で算出した結果は同様な傾向を示していることから，各材齢全てにおいて VRTM によ

100

張強度と特定の材齢で直接引張強度試験を行うことで自己収縮によるひび割れポテンシャルの推移を推定することが可能である。各材齢の引張強度及び圧縮強度の結果を Fig.6 及び Fig.７に示す。引張強度において，LW－D は材齢 3 日より 7 日に強度が下がっており LW－S及び N－O に比べ，ばらつきが大きい傾向を示した。圧Cracking Potential（％）

る直接引張強度試験を実施しなくても，各材齢の割裂引

80

LW-S

LW-D

136040200-20-40

縮強度においては、LW－S 及び LW－D は N－O に比べN-OAge(Days)て圧縮強度が低くなる傾向を示した。軽量コンクリートの中でも LW－S は LW－D に比べ，材齢 28 日には7Fig.5 Results of evaluation cracking potential

210N/mm 以上の差が出ており，軽量骨材の含水状態は自己収縮量とともに強度発現にも影響を与えることを確

6LW-S2Tensile Strength(N/mm)

認することができた。

54．実験結果および考察(シリーズ２: 化学分析および細孔構造観察による評価)
4.1

LW-D

N-O

43

化学分析結果普通骨材を用いた試験体（P－N）に比べ，表面乾燥状態の軽量骨材を用いた試験体（P－LW）では，軽量骨材

21中の水分がセメントペーストマトリックスに供給され0ていると考えた場合，粗骨材間のペーストでは水分供給

13Age(Days) 728によって水セメント比がより高くなり，セメントペース
Fig.6 Results of Tensile stress

ト部分の水和進行速度が速くなると考えられる。その影響によって結合水量，水酸化カルシウム生成量が多くな
2Compressive Strength(N/mm)

ることが予想される。分析から得られた各試験体のセメ
ントペーストの結合水量および水酸化カルシウム量の結果をそれぞれ Fig.8 および Fig.9 に示す。Fig.8 より，P－LW の場合は材齢 1 日から 28 日まで全水準において P－N に比べ結合水量が上回る傾向を示した。また，Fig.9により，水酸化カルシウム生成量も P－LW の方が P－Nに比べ，各材齢で値が大きくなる傾向を示し，若材齢時に表乾状態の軽量粗骨材からセメントペーストマトリックスに水分の供給が行われていることが分析結果よ

120

LW-S

LW-D

7Age(Days)

N-O

100
80604020028Fig.7 Result of Compressive Strength

り間接的に確認できた。

-568-

1day

3day

P-LW

7day

28day

Amount of Ca(OH)2(%)

Combined Water Dosage(%)

18171615141312111014131211109876

1day

3day

7day

P-LW

P-N

28day

P-N

Fig.9 Amount of Ca(OH)2

Fig.8 Combined Water Dosage

PHHPUPUA

A
A－

10μm
×500
N-1day(Normal Aggregate)

N-28day-A(Normal Aggregate)H

N-28day-B(Normal Aggregate)

PHPUUH

UA

A

A
P

LW-1day( Lightweight aggregate)P

LW -28day-A(Lightweight aggregate)

LW -28day-B(Lightweight aggregate)

Fig.10 Interface between aggregate and cement paste (BEI)
4.2程度の空隙が生じていることがわかる。 材齢 1 日より組成像観察（BEI）

粗骨材からの水分供給を可視的に確認するためセメ

28 日には空隙が大きくなっており，これはセメントペー

ントペーストの界面の組成像観察を行った。材齢 1，28ストの収縮によって空隙層が大きくなったと判断され

日 2 ヶ所の組成像観察結果を Fig.10 に示す。

る。普通骨材界面に比べ，軽量骨材界面では，LW-28day-B

反射電子像は，物質を構成する鉱物の平均原子番号ののように骨材とセメントペーストの界面が材齢 1 日より違いにより明暗が生じ，平均原子番号が大きいものほど緻密になっており骨材とセメントペーストの付着が良明るく観察されるものである。白色部分は未水和セメン好になっていることが確認できた。しかし，軽量骨材界ト粒子(U)，灰色部分はセメント水和物(H)（水和物の種面の中では，LW-28day-A のように 20μm 以上の粗い部分類や緻密さによって明暗が生じる），黒色部分は空隙(P)も存在していることを確認した。これは若材齢時，軽量である。両者を比較すると，普通骨材界面には数 μm 程

骨材から供給される水分によって骨材の周りの水セメ度の空隙層が存在しているが，軽量骨材界面では 10μmント比が局所的に高くなって生じた空隙であると推定

以上の粗い空隙部分と骨材内部の連通気孔が連続してされる。軽量コンクリートは骨材自体の強度が低いため生じていることが分かる。この空隙構造から，軽量骨材普通コンクリートに比べて強度低下するが，このように内部の水分がセメントペースト部分へ供給されやすい

表面乾燥状態の軽量骨材を使用した場合に骨材界面に形態となっていることが伺える。

生じた空隙もコンクリート若材齢時の強度低下の一つ

材齢 28 日の組成像観察結果，普通骨材界面では 10μmの原因になると考えられる。

-569-

Cumulative Micropore Volumes （%）

30P-LW
P-N

2520

1day

15303030252525202020

3day157day

15101010105555000.001

0.001

0.010.1
110
Micropore Diameter（μm）

Fig.11

Micropore Volumes （%）

8P-LWP-N

7651day

4000.010.1
110Micropore Diameter（μm）

0.001

0.01
0.1
1
10
Micropore Diameter（μm）

0.001

887776665553day

7day

443333222211110000.001

0.01
0.1
1
Micropore Diameter（μm）

10Cumulative micropore volume in paste (%)

84

28day

150.1
101000 0.001
0.1101000Micropore Diameter（μm）
Micropore Diameter（μm）

28day

00.001

0.1
1010000.1
101000 0.001
Micropore Diameter（μm）
Micropore Diameter（μm）

Fig.12 Micropore volume in paste (%)に4.3細孔径分布に示すとともに軽量骨材からセメントペーストへの水

骨材から 2～7mm の距離における材齢 1，3，7，28 日のペースト積算空隙量と細孔空隙分布の結果を Fig.11 お分供給を実証することを目的として検討を行った。本研究で得られた結果は以下の通りである。

よび Fig.12 に示す。積算空隙量は材齢 1 日から両骨材を(1)表面乾燥状態の軽量骨材を使用することにより，用いた試験体間で若干の差異が生じ，材齢の経過に伴い普通コンクリートに比べて自己収縮ひずみおよび引張その差が大きくなっていることがわかる。一般的には，応力が低減できることを定量的に示し，ひび割れの危険同条件の場合，W/C が小さいペーストの方が積算空隙量性が低いことを明らかにした。

は小さくなるはずである。本実験では，材齢初期におい(2)軽量骨材の自己収縮低減効果に関して，骨材周辺ては P－LW の見かけ上の W/C が大きくなったことが想におけるセメントペーストの化学分析や組成像観察に定されるが，その後の軽量骨材からの水分の供給が徐々より，軽量骨材内部の水分がセメントペースト部分へ供に行われることによる内部養生効果により，ペースト部給されている可能性を示した。の積算空隙量が普通骨材に比べて小さくなったと推察される。したがって，ペーストマトリックス部の強度に参考文献

関しては，P－N よりも P－LW の方が高くなっている可1)

能性が示唆されるが，実際のコンクリートとしての強度は，軽量骨材自体の強度や界面の脆弱さが原因で，軽量日本コンクリート工学協会：自己収縮研究委員会報
告書，pp.97-101，2002

2)

丸山一平ほか：擬似完全拘束下における若材齢高強コンクリートの方が低下するものと考えられる。細孔空度コンクリートの性状に関する研究，コンクリート

隙分布では，P－LW の方が P－N に比べ水分供給によっ

工学年次論文報告集，Vol.25，No.1，pp.485-490，2003て水和反応進行がより早くなり，0.01～0.1μm の毛細管

3)4)

米田俊一ほか：各種低熱セメントを用いたコンクリートの伸び特性、土木学会第 47 回年次学術講演会

空隙の領域 の空隙が一層減少する傾向が見られた。

変梗概集，pp.732-733，1992
5．まとめ4)

本研究では軽量骨材を用いることによる拘束下における高強度コンクリートの自己収縮低減効果を定量的-570-

P. Kumar Mehta, et al. : Concrete Microstructure,Properties, and Material，pp.26-27，1986