東海大学海洋研究所研究報告第 28 号（2007）55 − 64 頁

Bull. Inst. Oceanic Res. & Develop., Tokai Univ.（2007）, 28, 55 − 64

熱帯域の海中に暴露した各種コンクリートの耐久性
渡 邉 晋 也 1）・迫 田 惠 三 2）・丸章 夫 3）・上 野 信 平 4）・吉 居 智 司 5）

On Durability of Various Concrete exposed toUnderwater Environment in Tropical Region
Shinya Watanabe1）, Shigemi Sakoda2）, Akio Maru3）, Shinpei Ueno4） and Satoshi Yoshii 5）

Abstract
In this article the properties of various concrete and porous concrete exposed to tropical marine
environment for the three years are described. The concretes used in this study are ordinary Portland
cement concrete, blast furnace slag concrete, ﬂy ash concrete and crashed stone porous concrete, blastfurnace slag coarse aggregate porous concrete. In experiments, unit weight, dynamic modulus of elasticity,
compressive strength and x-ray diffractometry tests were carried out. The results obtained from thisexperimented study are as follows ① The reductions of the compressive strength was observed for every
concretes type except Fly ash concrete, ② It is conﬁrmed by X-ray diffractometry test that the occurred
elution of Calcium hydroxide（Ca（OH）
2） from the concrete surface. In addition, I conﬁrmed that ettringite（3CaO・Al2O3・3CaSO4・31 〜 33H2O） generation was observed it in the vicinity of the concrete surface. It isthought that it is desirable to use ﬂy ash in concrete in order to control the reductive of compressive strengthof concrete under seawater enviroment.

1） 東海大学連合大学院理工学研究科総合理工学専攻〒 424-8610 静岡市清水区折戸 3-20-1

Tokai University Uniﬁed Graduate School, Graduate School of Science and Technology. 3-20-1 Orido, Shimizu-ku,
Shizuoka 424-8610, Japan2） 東海大学海洋学部海洋建設工学科〒 424-8610 静岡市清水区折戸 3-20-1

Department of Marine Civil Engineering, School of Marine Science and Technology, Tokai University. 3-20-1 Orido,
Shimizu-ku, Shizuoka 424-8610, Japan
3） 地質鉱物エンジニアリング㈱〒 350-0219 坂戸市大字片柳 2174-2

Chishitukoubutu Engineering Co., Ltd. 2174-2 Ooazakatayanagi, Sakado 350-0219, Japan4） 東海大学海洋学部海洋文明学科〒 424-8610 静岡市清水区折戸 3-20-1

Department of Marine Civilizations, School of Marine Science and Technology, Tokai University. 3-20-1 Orido,
Shimizu-ku, Shizuoka 424-8610, Japan
5） Marshalls Oceanic Institute. P. O. Box 1473 Majuro, MH96960 Marshall Islands（2006 年 9 月 4 日受付／ 2007 年 1 月 24 日受理）

56

渡邉晋也・迫田惠三・丸章夫・上野信平・吉居智司（以下 NC）の他に産業副産物の有効利用として，高炉

1 ．はじめにスラグを粗骨材に使用した高炉スラグコンクリート

筆 者 ら は， 造 礁 サ ン ゴ の 着 生 基 盤 に コ ン ク リ ー（以下 BC），石炭灰を細骨材に代替した石炭灰コンク

トブロックを使用する試みを行ってきた（渡邉ほか，

リート（以下 FAC）の 3 種類，粗骨材に砕石を用いた

2003； 渡邉ほか，2004）．造礁サンゴは着生してからポーラスコンクリート（以下 CPOC），粗骨材に高炉ス

は，場所を移動せずその場で成長をする刺胞動物であラグを用いた高炉スラグポーラスコンクリート（以下る．自然界では，岩盤等に着生するのが一般的である

BPOC）の２種類，合計 5 種類のコンクリートの耐久性

が，近年の沿岸開発等により，造礁サンゴが棲息できについて検討を行った．

る場所が破壊され少なくなってきている．そこで，失2 ．実験概要

われた造礁サンゴを増やすために，従来，造礁サンゴが棲息できなかった砂地等にコンクリートブロックを

2.1

使用材料

設置し，棲息できる場所を拡大する方法を行っていく

セメントは普通ポルトランドセメント（密度 3.16 ｇ

ことが考えられる（青田ほか，2003）．コンクリートブ/cm3 ）を用いた．粗骨材として川砂利（富士川産，最ロックの使用は，施工性，経済性を考えた際に天然岩

大寸法：25 mm），砕石 2005（静岡県宇久須産，最大石に比べて有意な点が多いと考えられる．しかし，コ

寸法：20 mm），高炉スラグ（北海道室蘭，最大寸法：

ンクリートは，海洋環境下では劣化が生じることが知25 mm）を用いた．細骨材として，川砂（静岡県安倍

られており（濱田ほか，2001），造礁サンゴが成長した川産）石炭灰（密度 2.36 ｇ /cm3 ）．本研究で用いた石時にコンクリートが劣化し，造礁サンゴが剥離してし炭灰は，JIS で規定されているフライアッシュⅠ種か

まってはコンクリートブロックを設置した意味を持た

らⅣ種に分類されている石炭灰ではなく，火力発電所

なくなってしまう．

から排出された石炭灰を分級していない非 JIS フライ

従来の海洋コンクリートの耐久性に関する国内の研究報告は，主に寒冷地域から温暖地域であり熱帯域の海中に暴露した報告はほとんど見られない．国外のアッシュを用いている．
本研究で用いた材料の性質を Table 1 に示す．
2.2

コンクリートの配合研究報告では，熱帯域でのコンクリートの耐久性の研各種コンクリートの配合を Table 2 に示す．ポーラ

究報告があるが（例えば，Hansen，1989；Geymayr，

スコンクリートの配合において水セメント比は 25 ％，1980），海中におけるコンクリートの耐久性について

目標空隙率を 26 ％とした．その他のコンクリートのの研究報告は見られない．そこで，本研究では造礁サ

水セメント比は 50 ％で，一般的なコンクリートの配ンゴが棲息する熱帯地域の海中環境に暴露した各種コ合を用いた．また，コンクリートの空気量 4 ± 1 ％，ンクリートの耐久性を検討した．

スランプ 10 ± 2 cm とした．

本研究で検討したコンクリートは，5 種類である．

2.3

供試体および養生

その中の 3 種類は蜜実なコンクリートで 2 種類は，ポー

普通コンクリート，高炉スラグコンクリート，石炭

ラスコンクリート（多孔質コンクリート）である．ポー

灰コンクリートの供試体の製作法は，JIS A 1132 にラスコンクリートは，粗骨材とバインダーであるセメ準拠した．物理・力学的性質を検討するための供試体

ントペーストおよびモルタル

Table 1 Properties of materials

で形成しているため多くの空隙や凹凸が自然に形成される．
この空隙や凹凸が造礁サンゴや大型海藻などの生物に有効であると（例えば，伊良波ほか，
2001； 玉井ほか，2003）報告がなされている．
本研究で使用したコンク
リートは，普通コンクリート

Materials
Portland Cement
River sandFineaggregate
Fly ashRiver gravel
Aggregate Crashed stone
Blast furnace slag

（g/cm3）Solidvolume
（％）

3.16
2.62
2.36
2.65
2.60
3.16

68.08
64.70
58.40
58.40

Density

Absorption Finenessmodulus（％）（F.M.）
0.89
0.69
1.02
4.04

3.1
6.87
6.58
6.71

57

熱帯域の海中に暴露した各種コンクリートの耐久性

Table 2 Mixture proportions of concrete

寸法は直径 10 cm，高さ 20 cm とした．また，Table 3 Measurement items and methods

ポーラスコンクリート供試体の製作方法は日本

Items

Methodコンクリート工学協会の「ポーラスコンクリー

Unit mass of concrete

Mass/Volume

トの供試体の作り方（案）」に準拠した．締固め

Longjtudinal wave velocity

JCI Recommendation

方法は突き棒で 2 層に分けて突き固めを行っ

Dynamic modulus of elasticity

JIS A 1127

た．1 回の試験に使用する供試体は 3 本とした．

Compressive strength

JIS A 1108

養生条件は，脱型後 20 ± 2℃の標準養生を行っ

Stanic modulus of elasticity

JIS A 1149

た．供試体は標準養生 28 日終了後，暴露場所

X-ray diffractometry test-に輸送した．
2.4

暴露環境

コンクリートを暴露した場所を Fig. 1 に示す．中部太平洋に位置しているマーシャル諸島
共和国（ 4 〜 19°Ｎ，160 〜 175°Ｅ）のマジュロ環礁（ 7°Ｎ，171°Ｅ）の礁池内である．気象分類は，中部太平洋熱帯域に位置している．
各コンクリート供試体をラグーン内の水深 5ｍに設置した．供試体を暴露した場所の周辺には造礁サンゴの幼体が多数見られ，コンクリー
トブロックを設置すれば，造礁サンゴが着生し棲息できる場所であると考えられた．暴露場所の水温は年間を通して約 29℃から 30℃，塩分は 34.4（psu）である．
2.5

暴露期間および試験方法

測定項目および測定方法を Table 3 に示す．
28 日間標準養生を行ったコンクリートを海中に暴露し，暴露期間は，1 年間，3 年間とした．
暴露後の供試体を回収し表面の付着生物を除去した．コンクリートの一般的な物理・力学的性
質を把握するために，単位容積質量，縦波伝播
速度，動弾性係数，圧縮強度，および静弾性係数を測定した．ただし，ポーラスコンクリートについては静弾性係数の測定方法が確立されていFig. 1

Location of majuro Atoll, Experiment site.

58

渡邉晋也・迫田惠三・丸章夫・上野信平・吉居智司

ないため，測定は行っていない．また，コンクリート

3．実験結果および考察の化学的性質を把握する目的で暴露期間 3 年目の供試体を用いて，表面からの深さごとにＸ線回析強度を測
定した．

3.1

単位容積質量暴露期間の経過に伴う単位容積質量の変化を Fig.
2，Fig. 3 に示す．普通コンクリートと高炉スラグコ
ンクリートは，暴露期間 1 年目では，単位容積質量は増加したものの，暴露期間 3 年目において暴露期間 1年目より低下する傾向が見られた．この理由として考えられるのは，暴露初期には，未水和セメントが水和を起こしていることが考えられる．しかし，暴露 1 年
目から 3 年目にかけては，水和反応より，コンクリー
トの水和生成物である水酸化カルシウムがコンクリー
トから溶出し，微細な空隙が多くなったことが単位容積質量を低下させた原因と考えられる．また，石炭灰
コンクリートやポーラスコンクリートでは，暴露期間

Fig. 2

Unit weight of concrete exposed to undertropical sea water.

が経過しても，単位容積質量が低下しなかった．この理由として考えられるのは，石炭灰コンクリートは，
ポゾラン反応によりコンクリートが緻密になったことが考えられる．また，ポーラスコンクリートは，表面に着生している付着生物は除去できたが，内部にある空隙にカルシウムや海洋付着生物が着生し除去できな
かった．このことが単位容積質量に影響を与えたと考
えられる．
3.2

縦波伝播速度

コンクリート中を伝播する縦波は，コンクリートが緻密になれば早く伝達する性質を利用し，コンクリー
トの品質管理に利用されている．一般的に，コンクリートが緻密になることで圧縮強度も増加すると考え
Fig. 3

Unit weight of Porous concrete exposed tounder tropical sea water.

られている．
暴露期間に伴う縦波伝播速度の変化を Fig. 4，Fig.
5 に示す．全てのコンクリートにおいて，暴露開始時から暴露 1 年目では縦波伝播速度が速くなっている．
しかし，暴露期間 1 年目から 3 年目にかけて，縦波伝
播速度は速度の増加が見られなく若干ではあるが遅くなっている．この理由として考えられるのは海水中の硫酸イオンの浸透により，膨張性物質のエトリンガイ
トが生成されたことや，コンクリートから水酸化カル
シウムが溶出したことが原因であると考えられる．
3.3

動弾性係数

暴露期間に伴う動弾性係数の変化を Fig. 6，Fig. 7に示す．普通コンクリート，高炉スラグコンクリート
Fig. 4

Longitudinal wave velocity of concrete
exposed to under tropical sea water.

では，暴露 1 年後は動弾性係数が増加したが，暴露期
間 1 年後から 3 年目にかけて動弾性係数は増加せず若熱帯域の海中に暴露した各種コンクリートの耐久性

59干減少する傾向が見られた．これに対して，石炭灰コ様に，暴露 1 年目までは，圧縮強度の増加が見られンクリートは，暴露後から動弾性係数は増加する傾向た．しかし，1 年目から 3 年目にかけて，圧縮強度がが得られた．砕石ポーラスコンクリート，高炉スラグ

2.4 〜 3.6 MPa 低下した．この理由として考えられる

ポーラスコンクリートは，暴露後 1 年目までは，動弾のは，前述したように，セメント硬化体からの水酸

性係数は増加したが，暴露 1 年目から 3 年目にかけて化カルシウムの溶出や硫酸イオンのコンクリート内部は，動弾性係数に差異は見られなかった．ポーラスコへの侵入によるエトリンガイトの生成が考えられる．

ンクリートの場合，海水に接する面積は普通コンク

Mohammed et al.（2003）による港湾空港技術研究所にリートに比べて多くなることから，普通コンクリート

おける海洋環境下で 30 年間の長期暴露試験を行ったより動弾性係数は減少することが考えられるが，単位結果，普通コンクリートの圧縮強度は低下しなかっ容積質量の結果で述べたように，空隙にカルシウムやたと報告している．また，竹田（1999）によると，本研付着生物が着生したことが動弾性係数に影響を与えた

究と同様に圧縮強度は暴露初期から低下すると報告しと考えられる．

ている．これらの違いが生じる原因として考えられる

3.4のは，コンクリートの施工不良に起因するものではな

圧縮強度

暴露期間に伴う普通コンクリートの圧縮強度の変く，使用したセメントによるものだと考えられる．セ化を Fig. 8 に示す．普通コンクリート，高炉スラグ

メントの製造技術は，日々進歩しており，30 年前にコンクリートでは，縦波伝播速度や動弾性係数と同比べて，特に粉末度が大きくなっている．粉末度が小Fig. 5 Longitudinal wave velocity of Pouros
concrete exposed to under tropical sea water.

Fig. 6

Dynamic modulus of elasticity of concrete
exposed to under tropical sea water.

Fig. 7 Dynamic modulus of elasticity of Pouros
concrete exposed to under tropical sea water.

Fig. 8Compressive strength of concrete exposed
to under tropical sea water.

60

渡邉晋也・迫田惠三・丸章夫・上野信平・吉居智司

さいと，水和反応が遅くなり初期強度発現は小さいも強度発現が期待できないと考えられている．このようのの，長期に亘り強度発現が行われる特徴がある．しな，セメントの性質が海洋環境下の暴露試験に影響をかし，粉末度が大きいすなわち，セメントの粒子が細及ぼしたのではないかと考えられる．圧縮強度が暴露かくなると，初期強度は大きくなるが，長期にわたる

開始 3 年目という早期から低下したことは，粉末度が大きいことも原因の一部ではないかと考えられる．他
方，石炭灰コンクリートは，普通コンクリートや高炉スラグコンクリートとは異なり暴露 3 年目でも圧縮強度の低下は見られなかった．その理由としては，石炭灰の特徴であるポゾラン反応が影響を及ぼしたと考えられる．この石炭灰の効果については，火山灰を使用した小樽港の長期試験報告の結果（長瀧，1995）からも類推できることから，熱帯地域の海洋環境下においても圧縮強度の低下は少ないものと考えられる．Fig.
9 に暴露期間に伴うポーラスコンクリートの圧縮強度の変化を示す．砕石ポーラスコンクリート，高炉スラ

Fig. 9 Compressive strength of Pouros concrete
exposed to under tropical sea water.

グポーラスコンクリートとも，暴露 1 年目までは圧縮強度が増加している．しかし，普通コンクリートと同様に，暴露 1 年目から 3 年目にかけて圧縮強度は低下した．また，粗骨材の違いによる 1 年目までの圧縮強度の発現は，砕石ポーラスコンクリートの方が強度発
現は大きかった．この原因として考えられるのは，粗骨材に高炉スラグを用いたポーラスコンクリートの場
合，供試体の外観からも粗骨材の表面に多数の赤錆が観察された．高炉スラグに含まれている鉄分が海水と接することにより腐食が生じ高炉スラグが膨張したのではないかと考えられる．砕石ポーラスコンクリートと比較して，暴露 1 年目までの強度発現が小さいことと，暴露 1 年目から 3 年目にかけて，圧縮強度の低下

Fig. 10 Compressive strength ratio exposed tounder tropical sea water.

が大きかったことが考えられる．Fig. 10 に暴露期間に伴う圧縮強度比の変化を示す．圧縮強度比は，各暴露の圧縮強度を暴露開始前の圧縮強度で除し，百分率で表したものである．その結果，普通コンクリート，
高炉スラグコンクリートの強度発現，強度低下は類似した傾向を示している．緻密なコンクリートの場合，使用している粗骨材の影響はあまり見られないと考えられる．一方，ポーラスコンクリートの場合，使用する粗骨材により，強度発現や強度低下に違いが見られた．この理由として，ポーラスコンクリートは多孔質であるので，海水と粗骨材が接する比表面積が大きくなったことが原因と考えられる．また，粗骨材に鉄分を含んでいる高炉スラグを用いていることも原因としFig. 11 Static modulus of elasticity exposed to undertropical sea water.

て考えられる．
圧縮強度の結果より，既往の各環境における海中で熱帯域の海中に暴露した各種コンクリートの耐久性のコンクリートの劣化と，熱帯環境下における海中でのコンクリートの劣化は，同様の傾向を示していることから，各環境における海中でのコンクリートの劣化に有意な差は無いと考えられる．
3.5

静弾性係数

静弾性係数は，静的載荷試験で得られる
応力 - ひずみ曲線の勾配で表される係数である．暴露期間に伴う密実なコンクリートの静弾性係数の変化を Fig. 11 に示す．圧
縮強度と同様に，普通コンクリート，高炉
スラグコンクリートは，暴露 1 年目までは増加し，暴露 3 年目では低下する結果が得られた．この理由は，圧縮強度が低下したことに起因するものだと考えられる．石炭
灰コンクリートも圧縮強度と同様に，暴露
3 年目においても静弾性係数は増加する結果が得られた．圧縮強度が暴露 3 年目でも増加していることが静弾性係数に影響を与えたと考えられる．
3.6

Ｘ線回析試験

X 線回折試験とは，結晶性固体に X 線を照射したときに生ずる回折現象を利用
し，X 線の回折角度から含有結晶成分を特定する試験である．圧縮強度の低下原因を検討するために，暴露 3 年目における各種
コンクリートの深さごとにおける X 線回析試験を行った．Fig. 12 から Fig. 14 に X
線回析試験結果を示す．図中に記載している C は水酸化カルシウム（ポルトランダイト），Ｅはエトリンガイト（3CaO・Al2O3・
3CaSO4・31 〜 33H2O）を表している．各種
コンクリート供試体の表面から内部に向けて，0-20 mm（以下 10 mm），20-40 mm（以下 30 mm），40-60 mm（ 以 下 50 mm）の 3箇所から試験片を採取した．Ｘ線回析試験
条件は，Cu 管球，Ni フィルター，500 cps
である．3.4 において圧縮強度の低下要因
は，水酸化カルシウムの溶出やエトリンガ
イトの生成であると前述した．Fig. 12 によると普通コンクリートの場合，深さ 10mm に 比 べ て 深 さ 30 mm と 深 さ 50 mm
では，水酸化カルシウムのピークが大き

Fig. 12 X-ray diffractometry test（NC）
C：Ca（OH）
2
E：3CaO・Al2O3・3CaSO4・31 〜 33H2O

61

62

渡邉晋也・迫田惠三・丸章夫・上野信平・吉居智司

く検出された．また，エトリンガイトは深さ 10 mm と深さ 30 mm では検出されたが深さ 50 mm ではほとんど検出されなかった．この事により暴露期間 3 年の普通コンクリートでは，表面から 10 mm まで水酸
化カルシウムが溶出し多孔質化したと考えられる．その結果，海水中に存在する各種塩類がコンクリート内部に浸透しやすくな
り，普通コンクリートの内部で膨張性物質であるエトリンガイトを生成したと考えられる．
高炉スラグコンクリートの場合，水酸化カルシウムの溶出による影響を検出することはできなかった．この理由としては，粗骨材に使用している高炉スラグは約 40 ％が酸化カルシウムで組成されている．この影響で深さ 10mm でも水酸化カルシウムのピークが検出されたと考えられる．また，エトリンガイトは深さ 10 mm までしか検出されなかった．この理由として，高炉ス
ラグの潜在水硬性により表面が緻密になり
海水中の各種塩類の浸透を阻害したと考えられる．石炭灰コンクリートの場合，普通
コンクリートと同様の傾向を示した．しかし，圧縮強度は暴露３年目では低下していないことから，細骨材として用いられている石炭灰のポゾラン物質が緻密化すること
により，圧縮強度の低下を阻止しているのではないかと考えられる．
温暖地域で 10 年間海中および海上大気中に暴露された普通コンクリートのⅩ線回
折分析の結果，海中では表面から 20 mmの深さまで水酸化カルシウムのピークが見られないという結果が得られている．また，海上大気中では，水酸化カルシウムのピークは表層でも確認できていることから，海中に暴露された普通コンクリートの場合，表層部の水酸化カルシウムが海水中に溶出した（竹田，1999）と報告されている．同一のコンクリートではない為，単純に比較はできないが熱帯域と温暖域の海中では，普通コンクリートの劣化メカニズム
が同様と考えられる．

Fig. 13 X-ray diffractometry test（BC）
C：Ca（OH）
2
E：3CaO・Al2O3・3CaSO4・31 〜 33H2O

63

熱帯域の海中に暴露した各種コンクリートの耐久性

4 ． ま と め
熱帯域の海水中に暴露した各種コンク
リートの耐久性を検討した結果，以下の知見が得られた．
1）石炭灰コンクリートを除く各種コンク
リートは，暴露 3 年目という早期から圧縮強度の低下が確認された．
2）石炭灰コンクリートを除く各種コンク
リートの場合，縦波伝播速度や動弾性係数は，圧縮強度と同様に暴露 1 年目までは大きくなったが暴露 3 年目では低下
した．
3）X 線回析試験の結果，普通コンクリー
トの圧縮強度低下の原因として考えられるのは，コンクリート表面からの水
酸化カルシウムの溶出と，海水中の各種塩類がコンクリート内部に浸透し，膨張性物質であるエトリンガイトを生成したことが考えられる．
4）海中に暴露して 3 年と短いことから熱帯域と温暖域の明確な違いが見られな
かった．
5）常時海水中にあるコンクリートの圧縮
強度低下を抑えるには，石炭灰のようなポゾラン物質をコンクリートに混入させることが望ましいと考えられる．
以上のように，熱帯域の水温が高い海水中に暴露した各種コンクリートの性質は，既往の研究で行われている温暖，寒冷地域の海水中に暴露したコンクリートの性質と現時点では，各地域における海中でのコンクリートの劣化には，大きな差は無いということが考えられる．

引 用 文 献青田徹・綿貫啓・大森信・谷口洋基（2003）
プラヌラ幼生の大量運搬によるサンゴ礁
回復技術の開発．海洋開発論文集，19，Fig. 14 X-ray diffractometry test（FAC）
C：Ca（OH）
2
E：3CaO・Al2O3・3CaSO4・31 〜 33H2O

379-384 ．
Geymayr, G. W.（1980）Repair of concretein tropical marine environment，

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