試験・研究

遅延エトリンガイト生成とアルカリシリカ反応の潜在性を有するコンクリートに関する試験方法の検討
Study on test methods for concrete with combined deterioration potential of delayed
ettringite formation and alkali-silica reaction
澁井雄斗* 1、吉田夏樹* 2

1．はじめに構造物・製品を対象とした品質管理試験」および「既設コンクリートの内部膨張反応による劣化のうち、アルのコンクリート構造物を想定した劣化調査・診断のためカリシリカ反応（ASR）に加えて、近年、遅延エトリンの試験」について、試験方法の有効性を検討した。実配ガイト生成（DEF）が注目されており 、劣化の過程で合のマスコンクリートやコンクリート二次製品を対象とASR と DEF が化学的に相互作用を及ぼし反応を助長しした製造・ 工事監理の品質確認試験の実施の検討や、あうことが示唆されている

2）3）

DEF と ASR の両劣化がコンクリート中で生じた場合のASR は、反応性骨材に含まれる反応性シリカがセメ

代表的なサンプルの例として、既存構造物の調査・診断

1）。

ント中のアルカリと反応してアルカリシリカゲルを生成を行う多くの技術者の参考となればと考えている。

し、水分を吸収し膨張する現象であり、細孔溶液中のは、材齢初期に高温・高 pH の影響を受けて分解した一2．試験方法2．1 コンクリートの配合

次エトリンガイトから放出される硫酸イオンおよびアル2．1．1

pH が高く、温度が高いほど促進される。一方で、DEF使用材料

ミン酸イオンが C-S-H 中に吸着し、供用期間中に再放使用材料を表-1に示す。セメントには早強ポルトラン出されることで、遅れてエトリンガイトが再生成し膨張ドセメントを使用した。細骨材には非反応性骨材として石する現象である。以上より、ASR が発生する系におい灰砕砂を、粗骨材には非反応性の石灰砕石と ASR 反応性ては、DEF も発生し易いと言われている 。

骨材として安山岩質岩を使用した。なお、反応性骨材は、4）DEF と ASR の併発メカニズムについては、一方がもJIS A 1145 化学法より溶解シリカ量 Sc = 555mmol/L、う一方の反応を促進させるといった様々な議論が行われ

ア ル カ リ 濃 度 減 少 量 Rc = 116 mmol/L で あ り、JIS Aており

1146 モルタルバー法より材齢 26 週の膨張率は 0 . 606 %、モルタル試験体を用いた実験的検討

2）3）4）

5）6）7）は行われているものの、より実構造物に近いコンクリー
ト試験体を用いた実験例 8）は少ない。そこで本研究では、

表- 1 使用材料コンクリート試験体を用いて、配合・養生条件を変化させ、DEF と ASR の反応過程の経時変化を確認すること
で、DEF と ASR の複合劣化を実験的に再現し、膨張率の測定および組織観察結果から、複合劣化が生じた際の膨張率への影響について考察を行うことを目的とした。
本稿では、DEF と ASR の複合劣化のメカニズムについて実験的に考察するとともに、「新設のコンクリート*1*238SHIBUI Yuto：（一財）日本建築総合試験所 経営企画室 兼 試験研究センター 材料部 材料試験室 修士（工学）
YOSHIDA Natsuki：島根大学 学術研究院環境システム科学系 博士（工学）GBRC Vol.49 No.1 2024.1となり、両アルカリシリカ反応性試験において「無害で配 合（複 合 -K2 SO4 と表 記）と、Na2 O 等量で 3 . 0 kg/m3ない」と判定された。また、DEF や ASR の促進のためとなるように NaOH を添加した配合（複合 -NaOH と表に、添加材として硫酸カリウム（K2 SO4）と水酸化ナト記）の 2 種類とした。両配合とも DEF と ASR の複合劣化リウム（NaOH）を使用した。

を想定した配合としているが、複合 -K2 SO4 配合は主と2．1．2

して DEF を、 複合 -NaOH 配合は主として ASR を想定

配合条件

コンクリートの配合条件を表- 2 に、使用したセメンした。なお、ASR 反応性骨材は、ペシマム条件（ASR にトの化学組成および Bogue 式より算出した鉱物組成をよる膨脹率が著しく大きくなる条件）を考慮して粗骨材

表- 3 に示す。

全体の質量比で 30 % 置換となるように使用した。

DEF 単独の劣化を想定した配合（DEF-K2 SO4 と表

なお、K2 SO4、NaOH は、 いずれも練混ぜ水にあら記）は、骨材に非反応性骨材のみを用いて、SO3 量でセかじめ溶解させて添加した。また、W/C = 68 . 6 % と一メントに対して + 約 2 % となるように K2 SO4 を添加し般的なコンクリートと比べて高い理由は、W/C が高いた。ここで、DEF に関する各推定値を表- 4 に示す。既ほどセメントペーストマトリックス中の物質移動性が容往研究

易となり11）、各反応がより早く生じ易くなると想定したでは、DEF index が 1 . 1 を超える、 あるい9）10）は SO3 /Al2 O3（モル比）が 0 . 8 以下で DEF 膨張を生じなためである。

いと報告されており、それを参考に K2 SO4 の添加量を2．2 コンクリート試験体の成形・養生方法

決 定 し た。K2 SO4 の 添 加 に よ り、DEF index が 2 . 6、コンクリート試験体作製の流れを表- 5 に示す。

SO3 /Al2 O3（モル比）が 1 . 4 となり、参考までに 90 ℃のコンクリートを練り混ぜ、「新設のコンクリート構造高温履歴を受けるモルタルの膨張率の推定値も 1 . 5 % と物・製品を対象とした品質管理試験（以下、「新設構造大きくなる条件とした。

物のための試験」と略す）」として、長さ変化測定用に両DEF と ASR の複合劣化を想定した配合は、粗骨材の端にプラグを埋設した 75×75×250 mm の角柱試験体、一部に ASR 反応性骨材を用いて、DEF-K2 SO4 の配合と75×75 ×400 mm の分析試 ß 料採取用の試験体、また、同様に SO3 量で + 約 2 % となるように K2 SO4 を添加した「既設のコンクリート構造物を想定した劣化調査・診断表- 2配合条件

表- 3 セメントの化学組成および鉱物組成表- 4Kelham および Zhang らによる DEF に関する各推定値

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表- 5 コンクリート試験体作製の流れのための試験（以下、「既設構造物のための試験」と略で 試 験 体 を 包 み、40 ℃・95 %RH で 養 生 し た 場 合す）」として、屋外暴露用に約 26×24×20 cm の試験体（「NaOH ラッピング」と表記）とした。

を成形した。

既設構造物のための試験の試験体は、20 ℃・60 %RH

成形後、 前養生として 20 ℃・60 %RH 環境下に 4 . 5環境下で成形に用いた耐熱性のプラスチック容器にいれ時間静置した後、試験体の中心部分が約 12 時間、80～たまま材齢 28 日まで封かん養生を行った後に脱型し、90 ℃ 程度の高温履歴を受けるように型枠ごと養生し、後養生として屋外暴露した。

その後、約 20 ℃まで自然降温させた。

2．3 測定項目

新設構造物のための試験の試験体は、成形から 48 時

2．3．1

長さ変化の測定間後に脱型し、後養生として、アルカリを溶脱させてコ新設構造物のための試験では、脱型した時点を基長とンクリート中の pH を低下させることで DEF を促進すし、任意の材齢において、ダイヤルゲージ法により長さるために 20 ℃の上水道水中へ浸せきさせ水中養生した変化を測定した（写真- 1 参照）。各水準の試験体数は 2場合（「水中浸せき」と表記）と、アルカリの溶脱を防ぐ体ずつとし、平均値により膨張率を算出した。なお、測ことで ASR を促進するために NaOH 溶液を含む不織布定は継続中であるが、本稿では材齢 80～84 週まで測定

40

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した結果を最終測定日として示す。
既設構造物のための試験では、屋外暴露期間中は試験体の側面に設置したプラグにより、長さ変化を測定した。
約 6 か月間の屋外暴露期間の後に、試験体上面を筒元として、直径 5 cm、長さ約 20 cm のコア試験体を採取し、既往の文献 12）13）を参考に DEF、ASR のそれぞれを促進させる条件でコアの膨張試験を実施した。DEF を促進させる条件では、アルカリを溶脱させてコンクリート中の

写真- 1 ダイヤルゲージ法による長さ変化測定の様子

pH を低下させるために温度 20 ℃の上水道水に浸せきさせ（「水中浸せき」と表記）、ASR を促進させる条件では、試験体中へアルカリを供給させるために温度 80 ℃の 1 N

NaOH 溶液に浸せきさせた（「NaOH 浸せき」と表記）。
試験体には、図- 1 に示す位置に長さ変化測定用バンドを設置し、任意の促進期間において、コンタクトゲージ法により長さ変化を測定した。各水準の試験体数は 2 体ずつとし、本稿中では検長 50 mm 間の測定データの平均値により膨張率を算出した。なお、測定は浸せき期間 32～

図- 1 コンタクトゲージ法による長さ変化測定用バンドの設置位置33 週まで実施し、膨張率が収束したものとみなした。
2．3．2

試験体断面の組織観察

DEF、ASR は膨張率の試験のみでは両劣化を区別す

新設構造物のための試験の NaOH ラッピングにおいて、材齢 50 週以降で少しずつ膨張した理由は、試験体を包むることはできないため、目視や電子顕微鏡による組織観

不織布中への幾らかのアルカリ溶脱にともなう pH 低下察が必要である。任意の材齢において、湿式のコンクにより、DEF 膨張を生じた可能性があると推測される。

リートカッターにより切り出した分析試料を鏡面状態にまた、新設構造物のための試験で、比較用として用意なるまで研磨し、真空乾燥およびカーボン蒸着を行い、した材齢初期に高温履歴を受けていない試験体では、膨電子線マイクロアナライザ（EPMA）により、各試験体張が生じなかった。の断面の組織観察を行った。

以上より、水中浸せきにより DEF 膨張の特性を捉えることができた。

3．実験結果・考察
3．1 膨張率の経時変化

3．1．2

3．1．1材を使用しているため、環境条件によって DEF あるい

DEF-K2 SO4 配合

複合-K2 SO4 配合、複合-NaOH 配合

複合 -K2 SO4 配合、複合 -NaOH 配合では、反応性骨DEF-K2 SO4 配合では、反応性骨材を使用していない

は ASR、 また DEF と ASR の両者が複合的に生じる可ため DEF のみによる膨脹が生じると考えられる。なお、能性が考えられる。なお、屋外暴露した試験体の暴露期

屋外暴露した試験体は、暴露期間中の膨張は認められ

間 中 の 膨 張 率 は、 複 合 -K2 SO4 配 合 で 0 . 071 %、 複 合ず、降雨の影響は受けたものの、DEF が生じるのに十分-NaOH 配合で 0 . 069 % であり、DEF-K2 SO4 配合と同なアルカリ溶脱と pH 低下が生じなかったと推察される。

様に屋外暴露期間中に DEF 膨張は生じずに、主に ASR

DEF-K2SO4 配合の膨張率の経時変化を図-2 に示す。

膨脹が生じたと推察される。

新設および既設構造物のための試験とも、水中浸せきした

複合 -K2 SO4 配合の膨張率の経時変化を図- 3 に示す。

条件で著しく膨張率が大きくなり、最終測定日における膨図- 3. 1 より新設構造物のための試験における最終測定

張率は、図- 2. 1より新設構造物のための試験で 1.581%、

日における膨張率は、 水中浸せきで 1 . 494 %、NaOH

図- 2. 2 より既設構造物のための試験で 1 . 574 % と同程ラッピングで 1 . 565 % であった。一方で、既設構造物の度であった。コンクリート中から水中へのアルカリ溶脱ための膨張試験では、図- 3. 2 より水中浸せきで 0.947%、と細孔溶液の pH 低下により、DEF 膨張が促進された

NaOH 浸せきで 0 . 375 % であった。と考えられる。一方で NaOH ラッピング、NaOH 浸せ

複合 -NaOH 配合の膨張率の経時変化を図- 4 に示す。

きの条件ではほとんど膨張しない傾向を示した。なお、

図- 4. 1 より新設構造物のための試験における最終測定
41

GBRC Vol.49 No.1 2024.1

2. 1 新設構造物のための膨張試験（角柱試験体）

2. 2 既設構造物のための膨張試験（コア試験体）

図- 2 DEF-K2 SO4 配合の膨張率の経時変化

3. 1 新設構造物のための膨張試験（角柱試験体）
図- 3

4. 1 新設構造物のための膨張試験（角柱試験体）
図- 4

3. 2 既設構造物のための膨張試験（コア試験体）

複合-K2 SO4 配合の膨張率の経時変化

4. 2 既設構造物のための膨張試験（コア試験体）

複合-NaOH 配合の膨張率の経時変化

日における膨張率は、 水中浸せきで 0 . 234 %、NaOH設構造物のための両試験とも膨張率が大きく、主としてラッピングで 1 . 007 % であった。一方で、既設構造物のDEF による影響を受け易いことを捉えることができた。

た め の 膨 張 試 験 で は、図- 4. 2 よ り 水 中 浸 せ き で一方で、ASR 促進を目的とした NaOH ラッピング、0 . 350 %、NaOH 浸せきで 0 . 463 % であった。

NaOH 浸せきでは、主として ASR を想定した複合 -NaOHいずれの養生条件においても膨張していることから、配合のほうが複合 -K2 SO4 配合よりも必ずしも膨張率がDEF と ASR の両者が起こりうることを捉えることがで大きくなっているわけではなく、膨張試験の結果のみできた。なお、両配合とも DEF と ASR の複合劣化を想定

は ASR による影響の程度を捉えることができなかった。

した配合としているが、 複合 -K2 SO4 配合は主としてこれは、新設構造物のための試験では基長測定前の初期DEF を、複合 -NaOH 配合は主として ASR を想定しての高温養生中に、既設構造物のための試験では初期の高いる。

温養生に加えて屋外暴露期間中に既に ASR が生じていDEF 促進を目的とした水中浸せきでは、複合 -K2 SO4配合のほうが複合 -NaOH 配合と比べて、新設および既42たためであると推測され、その影響も考慮する必要があると考えられる。

GBRC Vol.49 No.1 2024.1以上より、膨張試験によって、試験対象のコンクリー
トが今後 DEF、ASR を生じる可能性について、傾向を捉えられることが確認された。DEF については水中浸せきを行うこと、ASR については NaOH ラッピングや NaOH
浸 せきのようにアルカリの溶 脱を防ぐことで、DEF、ASR のそれぞれによるコンクリート膨張の有無を捉えることができると考えられる。しかし、DEF、ASR のそれぞれの特徴がどのようにして優位に現れるかは現時点では不明であり、例えば DEF と ASR の複合劣化を想定した複合 -K2 SO4 配合に比べて、DEF 単独の劣化を想定した DEF-K2 SO4 配合のほうが、水中浸せきした条件で膨張率が大きくなっており（図- 2、図- 3 参照）、複合劣化のほうが必ずしも膨張率が大きくならないことが分かる。

図- 5

DEF による骨材周囲のギャップ（材齢 12 週）

そのため、今後も詳細な分析によりメカニズムを確認したいと考えている。また、既設構造物のための試験の際には、コア採取時に DEF、ASR が、供用期間中に既に生じているかを組織観察により確認したうえでコア膨張試験を実施し、調査対象となる構造物コンクリートの今後の膨張しうるポテンシャルを解釈する必要がある。

3．2 断面の組織観察
本節では、 新設構造物のための試験のうち、DEFとASR の 複 合 劣 化を想 定し、 膨 張 率 が 大きかった 複 合-K2SO4 配合の NaOH ラッピングによる養生（図- 3. 1参照）を行った試験体を対象に、組織観察を行った結果を示す。
材齢 12 週の試験体断面の反射電子像を図- 5、図- 6 に示す。図- 5 では、DEF の特徴である骨材周囲のギャップ（セメントペーストマトリックスと骨材の界面に生じた隙間）が生じており、ギャップを埋めるエトリンガイ
トやセメントペーストマトリックス中に生じたひび割れ

図- 6

ASR による骨材およびセメントペーストマトリックスのひび割れ（材齢 12 週）を埋めるエトリンガイトも観察された。図- 6 では、反応性骨材およびセメントペーストマトリックス中に連続したひび割れが生じており、ひび割れ中には ASR の特徴であるアルカリシリカゲルが確認された。図- 5、図- 6 は、同一の試験体断面内で観察され、材齢 12 週において既に DEF と ASR が同時に生じていることを確認できた。
材齢 55 週の試験体断面の反射電子像を図- 7 に示す。
材齢 12 週と同様に、DEF と ASR が同時に生じていることを確認できた。
以上より、 少なくとも材齢 12 週時点で DEF と ASRの両者が生じ、以降も反応が進行したと考えられるが、DEF と ASR のそれぞれの反応がコンクリート全体の膨張率にどの程度寄与しているかは、現時点では定かではないため、今後も検討を継続し、膨張率の経時変化との関係について整理する予定である。

図- 7 DEF による骨材周囲のギャップおよび ASR によるセメン
トペーストマトリックスのひび割れ（材齢 55 週）
43GBRC Vol.49 No.1 2024.1

4．まとめ
本検討では、DEF および ASR 膨張の潜在性を有するコンクリート試験体により、「新設のコンクリート構造物・製品を対象とした品質管理試験」および「既設のコンクリート構造物を想定した劣化調査・診断のための試験」について、膨張試験、断面の組織観察を行い、以下の知見を得た。
（1）DEF-K2 SO4 配合では、水中浸せきにより著しく膨張した。水中浸せきにより DEF 膨張の特性を捉えることができる。
（2）複合 -K2SO4 配合および複合 -NaOH 配合では、DEF促進を目的とした水中浸せき、ASR 促進を目的とした NaOH ラッピングおよび NaOH 浸せきのいずれの養生条件でも膨張した。DEF と ASR のそれぞれの特徴が優位に現れるかは、今後も詳細な分析による確認が必要である。
（3）複合 -K2 SO4 配合の NaOH ラッピングでは、組織観察により DEF と ASR の複合劣化が確認された。DEFと ASR のそれぞれの反応がコンクリート試験体全体の膨張率にどの程度寄与しているかは、現時点では定かではなく、今後も検討を継続する。

5．おわりに「新設のコンクリート構造物・製品を対象とした品質管理試験」、「既設のコンクリート構造物を想定した劣化調査・診断のための試験」のどちらにおいても、DEF促進を目的とした水中浸せき、ASR 促進を目的とした

NaOH ラッピング・NaOH 浸せきを同時に行うことが有効であり、（1）水中浸せきのみで膨張した場合は主として DEF が生じる、（2）NaOH ラッピング・NaOH 浸せきのみで膨張した場合は主として ASR が生じる、（3）
水中浸せき、NaOH ラッピング・NaOH 浸せきの両養生条件で膨張した場合は DEF と ASR の両方が生じると考えられる。このように、養生条件を場合分けすることで、対象のコンクリート中で今後 DEF、ASR が生じるかを確認することができ、さらに組織観察等の詳細な分【参考文献】

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Reaction in Concrete Residual Expansion Test onConcrete Core Extracted from the Structure, 2009 .
（in French）

析と合わせて DEF、ASR の特徴を捉えることが重要である。

【執筆者】

本稿が、 これまで広く認知されてきた ASR に加え、DEF を生じる可能性が考えられる実配合のマスコンク
リートやコンクリート二次製品を対象とした製造・工事監理の品質管理試験の実施の検討や、既存構造物の調査・診断を行う多くの技術者の参考資料となればと考えている。
44*1

澁井 雄斗（SHIBUI Yuto）* 2 吉田 夏樹（YOSHIDA Natsuki）