コンクリート部材への水の浸透・乾燥に及ぼすひび割れの影響に関する実験と数値解析
コンクリート研究室 工藤めい
指導教員 下村 匠
1. はじめに水の浸透によるコンクリート中の鋼材腐食が問題となっており，コンクリート中への水の浸透量減少量を 15 日間測定した．乾湿繰返しは 3 サイクル実施した．
実験結果

2.2

過程を精密に予測する手法がいっそう求められ各供試体の乾湿による質量変化を図-1 に，乾燥ている．一方，供用中のコンクリート構造物には，開始時を原点にした 1 サイクル目の乾燥過程の質ひび割れが生じているものが多く存在するが，ひ量変化を図-2 示す．吸水過程，乾燥過程ともに質び割れがコンクリートの水の浸透および乾湿挙量変化量は，ひび割れ幅の大きい供試体ほど大き動に及ぼす影響について，定量的な関係は明らかくなっている．これより，表面ひび割れはコンクとなっていなく，ひび割れの影響を精度よく考慮できる技術的基盤を構築することが望ましい．
w0w0.27

そこで本研究では，一本および複数本のひび割返し試験を行った．また，ひび割れの影響を考慮した数値解析法を開発し，その結果に基づき，複数本のひび割れを有するコンクリートの乾湿挙動について，ひび割れの影響を効果的に表す指標について検討した．

w0.15w0.74

25

水分量の変化 [kg/m3]

れを有するコンクリート供試体を用いて乾湿繰

w0.04
w0.63

201510500

一本のひび割れを有するコンクリートの乾2.

燥・吸水挙動に関する実験
2.1

204060
時間[day]80100

図-1 各供試体の乾湿による水分量の変化

供試体概要および試験方法

実験 1 では，ひび割れがコンクリートの吸水おw0w0.27に，1 本のひび割れを有するコンクリート供試体を用いて，吸水過程を含む乾湿繰返し試験を実施した．
供試体は，1 つの供試体に対して 1 本のひび割れを有する 100×100×150mm のものとした．ひ
び割れ幅は，0，0.04，0.15，0.27，0.63，0.74mm の6 水準とした．

水分量の変化 [kg/m3]

よび乾燥に及ぼす基本的な影響を把握するため

程では，温度 20℃・湿度 50%の環境で供試体の質

w0.15
w0.74

0-2-4-6-8-10-12-140

吸水を伴う乾湿繰返し試験において，吸水過程は供試体の質量増加量を 20 日間測定し，乾燥過

w0.04
w0.63

図-23

69時間[day]1215

各供試体の 1 サイクル目の乾燥過程の水分量の変化

リートの乾湿挙動に影響を及ぼすこと，その影響状水体積[m2]， w：ひび割れ幅[m]である．ΔWsucの程度はひび割れ幅に依存することが明らかとは既往研究 2)の吸水モデルにより算定した．ひびなった．

割れ内は浸透距離 xcr+Δxcr までが液状水で満たされているとし，改めて 2 次元解析によりひび割れ

3. ひび割れの影響を考慮したコンクリートの吸水過程の解析法の構築部分以外のコンクリートへの吸水量を求めた．
乾燥過程では，コンクリート表面およびひび割コンクリート細孔組織中の水分移動とひび割れ面からの乾燥を考慮した．ひび割れ幅が小さい

れ内における水分移動およびそれらの相互作用

ほどひび割れ面からの乾燥速度が小さくなるとを考慮して，供試体の乾湿挙動の 2 次元解析を行したモデルを用いた 3)．

う．

3.2

3.1

コンクリート細孔組織中の水分移動

提案数値解析法による実験結果の再現

図-4 に実験 1 の各供試体の乾湿挙動の解析結果

コンクリートが大気に接した状態（不飽和状態）を実験結果とともに示す．いずれの供試体も吸水におけるコンクリート細孔組織中の水分移動（乾燥・吸湿）は，コンクリートの細孔構造と細孔組

コンクリート ひび割れ織中の気液二相水分の熱力学的挙動に基づいた下村らのモデル 1)を用いて解析した．本研究では

Δt・v・w

乾燥過程と吸水過程を 2 次元解析で統一的に扱う
ΔWsuc

ことを優先し，コンクリート表面が R.H.100%の空気に接した場合の液状水移動として吸水現象をΔxcr・w

xcrv

表した．
3.2

ΔWsucw

ひび割れ内の水分移動およびコンクリート細孔中の移動との相互作用

図-3

ひび割れ部の吸水は表面張力による平行板間ひび割れ内への吸水とひび割れ面からコンクリート中への吸水の液状水の移動として表し 2)浸透速度を計算した．
ひび割れ幅 実験値
w0w0.04
w0.15
w0.27
w0.63
w0.74

液状水で満たされているひび割れ部分からのコンクリート細孔中への液状水の浸透は吸水現象として表した．各時間におけるひび割れ内の液状在する液状水量とひび割れからコンクリート細孔中に吸水される液状水量の質量保存を考慮し，図-3 に示す考え方の下，式(1)により求めた．

Δxcr ∙ w = Δt ∙ v ∙ w － ΔWsuc(1)

水分量の変化 [kg/m3]

水の浸透深さの増分 Δxcr[m]は，ひび割れ内部に存

151050

水の浸透速度 [m/s]，Δxcr：時間増分における液状割れ面からコンクリート細孔内に吸水される液200

ここに，Δt：時間増分[s]，v：ひび割れ内の液状水の移動距離 [m]，ΔWsuc：単位奥行あたりのひび25

解析値

図-4204060
時間[day]80100

提案解析法による実験 1 の各供試体の乾湿挙動の解析結果

過程・乾燥過程ともに解析値と実験値はほぼ一致

w0
l60_w0.32
l100_w0.60

しており，ひび割れ幅が大きいほど吸水，乾燥といる．これより，コンクリート細孔中とひび割れ内における水分移動，およびそれらの相互作用を考慮することで，ひび割れの影響を含むコンクリートの乾湿挙動が良好に再現できた．

5

水分量の変化 [kg/m3]

もに質量変化量が大きくなる傾向が再現されて

0-5-10-15

4. 複数のひび割れを有するコンクリート部材の0乾湿挙動に関する実験と解析
4.1

供試体概要および試験方法

10

複数のひび割れを表す指標としてひび割れ幅・間を有する l60 シリーズ 3 体（平均ひび割れ幅：0.15，0.32，0.75mm），供試体 1 体に対して 4 本のひび14

水分量の変化 [kg/m3]

供試体は，供試体 1 体に対して 7 本のひび割れ

6070

l60_w0.15l60_w0.75l100_w1.26

1086
4200.0幅：0.60，1.26mm），ひび割れなしの 6 水準とし吸水を伴う乾湿繰返し試験において，吸水過程50

12割れを有する l100 シリーズ 2 体（平均ひび割れた．

30 40
時間[day]w0l60_w0.32
l100_w0.60

ト供試体を用いて，乾湿繰返し試験を実施した．

割れ間隔の比）に着目する．

20

図-5 各供試体の乾湿による水分量の変化

実験 2 では複数のひび割れを有するコンクリー

隔の平均値，ひび割れひずみ（ひび割れ幅とひび

l60_w0.15l60_w0.75l100_w1.26

図-60.51.01.5時間[day]2.0

各供試体の 1 サイクル目の吸水過程の水分量の変化

は供試体の質量増加量を 2 日間測定し，乾燥過程
供試体名 実験値w0
l60_w0.15l60_w0.32
l60_w0.75l100_w0.60
l100_w1.26

では，温度 20℃・湿度 50%の環境で供試体の質量減少量を 12 日間測定した．乾湿繰返しは 5 サイクル実施した．
実験結果および再現解析結果

各供試体の乾湿による質量変化を図-5 に，吸水開始時を原点にした 1 サイクル目の吸水過程の質量変化を図-6 に示す．ひび割れ間隔が約 60mm の
l60 シリーズおよびひび割れ間隔が約 100mm の
l100 シリーズの各供試体の質量変化量をそれぞれ比較すると，いずれのシリーズにおいても吸水過程，乾燥過程ともに平均ひび割れ幅が大きい供試

5水分量の変化 [kg/m3]

4.20-5-10-150

体ほど吸水および乾燥が促進される傾向を示している．これらの傾向は，実験 1 の傾向と一致す
る．図-7 は，構築した解析法に，各供試体のひび解析値

図-7102030 40
時間[day]506070

提案解析法による実験 2 の各供試体の乾湿挙動の解析結果

つつ実験結果の傾向を良好に再現している．これ
より，複数のひび割れを有するコンクリートの乾湿挙動は，ひび割れに関する平均値を用いて一本のひび割れを有する供試体の乾湿挙動から予測できるといえる．
また，図-5～図-7 よりひび割れ間隔，幅ともに異なるがひび割れひずみが近い値である
l60_w0.32 と l100_w0.60 お よ び l60_w0.75 とl100_w01.26 はそれぞれ乾燥・吸水ともに近い挙動

水分量[kg/m3]

結果であり，ひび割れ様態の影響を適切に考慮し水分量の変化 [kg/m3]

割れ幅・間隔の平均値を適用させて計算した解析
15.010.05.0
1サイクル目の吸水2日目
0.00.0 0-5.0-10.0-15.0を示した．図-8 は， l60 シリーズおよび l100 シリ

0ーズの全ての供試体の乾燥過程および吸水過程の水分量をひび割れひずみで整理したものであ

0.005
0.01
1サイクル目の乾燥12日目

0.005
0.01
ひび割れひずみw/l

ひび割れひずみがコンクリートの乾燥・吸水に及ぼす影響

図-8る．図-8 より，乾燥・吸水ともに，ひび割れ幅およびひび割れ間隔の値に関わらず，全ての供試体
110以上より，複数本のひび割れを有するコンクリート部材の乾湿挙動を予測する場合，ひび割れひずみがひび割れの状態を表す有効な指標となるといえる．

乾湿挙動
平衡水分量105

定常状態

100959005. コンクリート部材の乾燥・吸水に及ぼすひび割れの影響に関する感度解析

水分量の振幅共通して表現できることがわかる．

供試体の水分量 [kg/m3]が同一線上に乗り，ひび割れひずみで乾湿挙動が50 100 150 200 250 300 350 400
時間 [day]

図-9 長期乾湿挙動の指標の抽出方法

本章では，本研究で構築した水分移動解析法を用いて，ひび割れを有するコンクリート部材の乾する長期乾湿挙動の平衡水分量，図-11 は水分量

燥・吸水に及ぼす各種要因の影響を系統的に検討の振幅を示したものであり，1 サイクルの吸水日する．

数の割合 Wt/(Wt+Dt)が異なる 3 ケースを記載して5.1

ひび割れひずみが長期乾湿挙動に及ぼす影いる．図-10 より，乾湿繰返し環境下の平衡水分響（検討 1）

量は，ひび割れひずみによらず，吸水日数の割合

図-9 は，検討 1 および検討 2 における供試体ので決まることがわかる．また，図-11 より，同じ乾乾湿挙動の評価指標の抽出方法を示したもので湿条件下での乾湿による水分量の振幅は，ひび割ある．長期の乾湿挙動の評価指標として，平衡水れひずみ w/l の値に依存しており，実験 2 で見ら分量（定常状態における水分量の平均値）と水分れた傾向と一致する．さらに，いずれの乾湿条件量の変動（定常状態における乾湿を伴う水分量のもひび割れひずみが大きいほど乾湿による変動変化の振幅）を用いることとする．

幅が大きく，乾湿作用の影響を受ける傾向が確認

図-10 は，各ひび割れ幅のひび割れひずみに対できる．

5.2

乾湿のサイクルの長さが乾湿挙動に及ぼす影響（検討 2）

図-12 は，ひび割れ幅 w およびひび割れ間隔 l
イクルの日数 Wt+Dt を 7 日，28 日，350 日とし，吸水日数の割合 Wt/(Wt/+Dt)を 0.14～0.86 の範囲で変化させた場合における平衡水分量である．図-12 より，乾湿 1 サイクルの日数を 7 日とした場

108
平衡水分量[kg/m3]をそれぞれ 0.6mm，180mm で一定とし，乾湿 1 サ

ひび割れ幅：○w0○w0.2 □w0.4◇w0.6 △w0.8 ×w1.0
Wt/(Wt+Dt)

106

0.86

1040.57
102
0.29

100

合と 28 日とした場合の平衡水分量は，ほぼ同じ

980.000値となった．一方，乾湿 1 サイクルの日数を 350日とした場合は，前 2 者とは異なる傾向を示した．
これより，予測対象を長期の平衡水分量に限れば，

図-10

0.005
0.010
ひび割れひずみw/l

ひび割れひずみと乾湿条件が平衡水分量に及ぼす影響

およそ月単位の乾湿サイクルのモデルデータを用いても，実際にはそれより細かいサイクルの乾可能性が示唆された．
5.2

水の浸透による鉄筋腐食に対するひび割れ幅の限界値に関する検討（検討 3）

検討 3 では，土木学会コンクリート標準示方書で設けられている鉄筋コンクリートのひび割れ幅の限界値の妥当性について検討した．図-13 お水分量の振幅[kg/m3]

湿作用を受ける場合と同じ予測結果が得られる

Wt/(Wt+Dt)

100.29

80.57

60.86

4200.000

よび図-14 は，ひび割れ間隔 l が 100mm でひび割れ幅 w を 0.0mm～1.5mm の範囲で変化させた場
合の，連続吸水時間が 6 時間，12 時間および 2412

ひび割れ幅：○w0○w0.2 □w0.4◇w0.6 △w0.8 ×w1.0

図-11

時間時点の鉄筋位置の平均水分量であり，かぶり0.0050.010
ひび割れひずみw/l

ひび割れひずみと乾湿条件が乾湿に伴う水分量の変化に及ぼす影響

c が 50mm（図-13）と 100mm（図-14）の計算結果を示している．図中には，示方書によるかぶり
Wt+Dt ：

c に対するひび割れ幅の限界値 wlim（0.005c）も記間のケースにおいて限界値 wlim 以下のひび割れ幅
は，ひび割れがないコンクリートの水分量とほぼ同じであり，ひび割れによる影響がみられない．
しかし，限界値 wlim より大きいひび割れは，ひび割れ幅が大きいほど水分量が高くなっており，徐々にひび割れ幅による影響は鈍感になっている．これより，ひび割れ幅の限界値以下のひび割

平衡水分量 [kg/m3]

び 100mm のいずれの場合も，全ての連続吸水時

28日

350日110してある．
図-13 および図-14 より，かぶりが 50mm およ

7日

105
10095
9085
80

00.2

0.4

0.60.81

吸水日数の割合 Wt/(Wt+Dt)

図-12 乾湿 1 サイクルの長さと吸水日数の割合が平衡含水量に及ぼす影響

れを制御することがコンクリート中の鋼材腐食

吸水時間：

鉄筋位置の平均水分量[kg/m3]に対して有効であり，ひび割れ幅の限界値は，鉄筋位置の水分量で比較すれば，かぶりが異なる場合においてもほぼ同等であることがわかる．
6. まとめ本研究で得られた知見を以下に示す．
1)

コンクリートの表面に生じたひび割れはコンクリートの表面からの吸水および乾燥を験により確認した．
2)

10.0

6.0
4.0
2.0
0.0
0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50
ひび割れ幅w [mm]吸水時間：
鉄筋位置の平均水分量[kg/m3]

リートの乾湿挙動が，ひび割れの影響を含めて良好に再現できた．
複数のひび割れを有するコンクリート部材の乾湿挙動の予測には，ひび割れの状態を表す指標としてひび割れ幅とひび割れ間隔の比であるひび割れひずみが有効であることを実験および感度解析により示した．
ひび割れひずみは乾湿繰返しを受けるコン

wlim：0.25

8.0

コンクリート細孔中とひび割れ内におけるた数値解析により，ひび割れを有するコンク

4)

24h

図-13 各ひび割れ幅の鉄筋位置の平均水分量

水分移動およびそれらの相互作用を考慮し

3)

12h

かぶりc ：50mm，ひび割れ間隔l：100mm
12.0

促進し，吸水過程・乾燥過程ともにひび割れ幅が大きいほどその影響が大きいことを実

6h

6h

12h

24h

かぶりc ：100mm，ひび割れ間隔l：100mm
12.0
wlim：0.50
10.0
8.0

6.0
4.0
2.0
0.0

0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50
ひび割れ幅w [mm]図-14 各ひび割れ幅の鉄筋位置の平均水分量

クリートの長期平衡水分量には影響しないが，乾湿に伴う水分量の変動の大きさはひび割れひずみが大きいほど大きくなることが

5)

感度解析により明らかとなった．

クリートの乾燥収縮モデル，土木学会論文集，

実環境に置かれたひび割れを有するコンク

No.520,pp.35-45，1995.8

リートの長期の乾湿挙動を予測する場合，乾2)

H. T. Thynn and T. Shimomura: Hybrid

湿サイクルの 1 サイクルの長さを 1 か月程度computational method for capillary suction andに設定した環境作用モデルを用いても十分

nonsaturated diffusion in concrete， ConMat'09，な予測結果が得られる可能性を感度解析に

pp.1075-1080，2009より示した．
6)

参考文献：
1) 下村匠，前川宏一：微視的機構に基づくコン

3)

Nguyen Thi Hien and Takumi Shimomura:

水の浸透によるコンクリート部材の内部鋼

Evaluation of InFluence of Flexural Crack on

材の腐食には，土木学会コンクリート標準示

Chloride Ingress Into Con-crete in RC member by

方書によるひび割れ幅の限界値以下のひび

Numerical Simulation， コンクリート構造物の割れを制御することが有効であることを感補修，補強アップグレード論文報告集，第 14度解析により示した．

巻，pp.221-226，2014.10