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私の研究

水分と低温とコンクリート〜強度は環境によって変化する！〜

子田 康弘（こだ やすひろ）
日本大学工学部土木工学科准教授

１．はじめに

２．実験の概要

鉄筋コンクリートでできた柱や梁（部材）が繰

表−１に、研究を進めるための実験条件を示しり返し力を受ける（疲労）とき、部材の丈夫さはます。載荷試験方法は、静的載荷（Ｓ）と疲労載部材を構成する鉄筋とコンクリートの疲労に対す荷（Ｆ）の２条件です。環境温度は実験室内の常る強度の大きさの影響（耐疲労性）を受けます。

温（Ｎ）環境と環境試験装置内を−20℃とした低

このうち、コンクリートの耐疲労性は、コンク温（Ｌ）環境の２条件としました。また、コンクリート中の水の量（含水状態）により大きく異なリート中の含水状態は、自然な乾燥状態（気乾状り、特に水中において圧縮力が作用する下での耐態）の含水率を変え、含水率を約50％とした乾燥

１）

疲労性は空気中で乾燥した状態よりも低下し 、状態Ⅰ（d1）と、約75％とした乾燥状態Ⅱ（d2）、２）

この疲労強度の低下割合は20％ほど小さくなる

およびコンクリート中が水で満たされた状態（飽ことが実験的に明らかにされています。また、コ水状態）（ｓ）の３条件としました。よって、実ンクリートの静的（ゆっくりと破壊するまで荷重

験条件は、これらを組み合わせた合計12条件になを増加させること）な圧縮強度は、環境温度の影ります。

響を受け、氷点下では温度低下や含水量の増加に３）応じて強度が増加すると言われています。

供試体の形状は、図−１に示す直径75㎜×高さ150㎜の円柱です。供試体の作り方は、コンクリー

しかし、０℃よりも低い低温の環境下においてトを鋼製型枠に２層に分けて詰め、各層６回ずつ含水状態がコンクリートの耐疲労性に及ぼす影響

突き棒で突いた後に木槌で叩き、最後に金ごてをを体系的に評価した研究例は極めて少ない現状に用い上面仕上げを行いました。供試体の脱型と養あります。当研究室では、世界的にも珍らしい任生は、打込み後、湿布養生を行い、24時間後に脱意の環境温度下で静的および疲労の載荷が可能な型し、材齢７日まで水中養生としました。その後

環境温度制御式万能載荷試験装置を保有していまは、材齢28日まで試験室内に静置しました。製造

４）す 。そこでこの載荷試験装置を使用し、環境温したコンクリート毎に材齢28日の圧縮強度試験を度とコンクリート中の含水状態に着目した円柱供行い、圧縮強度を確認することで、製造したコン試体による静的圧縮強度試験と高サイクル疲労試クリート間のばらつきがないかの管理を行いまし験を実施し、コンクリートの耐疲労性を実験的にた。

検討した研究について述べます。

コンクリート中の含水率の調整は、材齢28日から実験条件毎に順次実施したものです。具体的な

68

福島の進路 2016. 1

私の研究
表−１

実験条件

実験
条件

載荷試験方法
静的載荷Ｓ

疲労載荷
Ｆ

温度条件
常温
Ｎ

S‑N‑d1○○

S‑N‑d2○○
○

含水状態

低温
乾燥状態Ⅰ
Ｌ（−20℃） d1（50％）○

S‑N‑s○○○

S‑L‑d2○○

S‑L‑s○○○

飽水状態
ｓ（100％）○

S‑L‑d1

F‑N‑d1

乾燥状態Ⅱ
d2（75％）

○○

○
○
○
○

F‑N‑d2○○

F‑N‑s○○○

F‑L‑d1○○

F‑L‑d2○○

F‑L‑s○○○○○○

量（絶乾質量）の平均値を把握しました。そして、ひずみゲージを貼付した後に水中に浸漬させ、質量の増加が収束した状態になった段階で乾燥状態
Ⅱ（d2）供試体を気中に移し、含水率75％となる水分逸散量を管理しました。飽水状態（ｓ）は、質量の増加が収束した状態です。
目標含水率に達した後の処置は、載荷試験中のコンクリート中の水分の逸散を防止するために、直ちに供試体の表面にロウを塗布しました。これより、長時間気中で疲労試験を行ったとしても載荷中の水分逸散はほぼ防げます。
載荷試験は、常温（Ｎ）は実験室内、低温（Ｌ）
図−１

実験に用いた円柱供試体は大型環境試験装置内にて実施しました。図−２
は、試験装置の全景であり、表−２は、試験装置方法は、実験条件を割り振った供試体の質量管理の仕様です。この装置は、環境温度が低温側で最とコンクリート水分計（高周波容量式）を用いた大−30℃になり、この環境試験装置内に載荷試験水分量測定管理という２種類の管理によって、含装置を設置することで、載荷試験を実施すると同水率を推定しました。ここでいう含水率とは、供時に環境温度の制御が可能です。

試体が飽水状態にあるときの水分量に対する実験

そして低温における温度管理は、環境試験装置直前の水分量の割合です。質量管理は、乾燥状態の設定温度−20℃に対して供試体付近で−20℃±Ⅰ（d1）の供試体の場合、脱型から試験開始時２℃としました。また、低温（Ｌ）の載荷試験にまで実験室内に静置する（21日間以上）ことで含あたっては、供試体を載荷前24時間程度、環境試水率が約50％になり、当実験室内におけるコンク験装置内で静置させコンクリート内部の水分が十リートの気乾状態と解釈できます。次に、乾燥状分凍結するように留意しました。載荷は、同一製態Ⅱ（d2）と飽水状態（ｓ）の供試体に関しては、造日時の供試体で温度条件と含水率が同じ静的載まず、事前に載荷試験用供試体と同じ形状で使用荷（Ｓ）と疲労載荷（Ｆ）を１組として扱い、まコンクリート（ｎ＝３本）の完全に乾燥した質ず静的載荷（Ｓ）を実施して圧縮強度を調べます。

福島の進路 2016. 169

私の研究３．常温と低温におけるコンクリート強度の大型環境試験装置

変化
表−３は、静的載荷（Ｓ）による圧縮強度試験の結果として、圧縮強度（強さ）とヤング率（硬載荷試験装置さ）、それぞれの結果およびその平均値と変動係数 CV（ばらつきの指標）になります。表より、変動係数 CV は、５％前後で供試体間のばらつきは小さいと判断できます。そこで、図−４に、実験条件による圧縮強度の比較を示します。図には試験した全供試体の数値を示します。図より、平図−２

環境温度制御式万能載荷試験装置

均値で、常温（Ｎ）の場合は、d1が28.0MPa であり、d2が21.3MPa、ｓが23.0MPa と、含水率

表−２

本試験装置の仕様
制御：定値・プログラム

50％よりも75％と飽水状態という条件で見かけの強度が低くなるというコンクリートの特性が表れ

大型環境 温度範囲：−30℃〜＋80℃
試験装置 湿度範囲：40％〜90％
有効寸法：Ｗ5000㎜×Ｄ5200㎜×Ｈ2958㎜
載荷試験装置

静的載荷性能：200kN表−３実験条件

疲労載荷性能：100kN
最大疲労載荷速度：５Hz

圧縮強度 平均値 CV ヤング率 平均値 CVｎ（MPa）（MPa）（％）（GPa）（GPa）（％）
１28.6

N‑d1 ２29.0

27.1
28.0

3.9

31.5

３26.5

26.6

１22.3

28.8

N‑d2 ２20.5

N‑s26.3

21.0

28.6

22.7

30.6

２23.8

３22.5
27.3
35.2

２38.2

１42.1

２42.2

３42.7

低温（Ｌ）における載荷試験状況

3.6

３１

L‑s21.3

１

L‑d1 １
L‑d2

図−３

静的載荷試験（Ｓ）の結果

23.0

2.5

28.1

28.4

7.8

27.9

4.1

30.1

4.9

31.6

―

32.7

2.1

34.5

2.0

L-d2L-s31.627.336.7―
4.031.6
32.1
33.433.9

42.3

0.6

34.0
35.4

45

次に、疲労載荷（Ｆ）を行うという手順としました。なお、疲労試験における載荷速度は１Hz です。
荷重設定は、静的載荷（Ｓ）による静的強度の70％を上限応力 S1とし、下限応力 S2は静的強度の10％とする疲労荷重としました。図−３は、低温（Ｌ）の載荷試験状況になります。

圧縮強度（MPa）

4035302520151050N-d1N-d2
図−470

福島の進路 2016. 1

N-s

L-d1

圧縮強度の比較私の研究
40

表−４ヤング率（GPa）

35

疲労試験（Ｆ）の結果

実験条件

30

応力比（％）

25N‑d1201510N‑d250N-d1N-d2
図−5N-sL-d1L-d2L-sヤング率の比較

N‑s10〜70

L‑d1ています。これに対して、低温（Ｌ）の場合は、

L‑d2

d1が27.3MPa であり、N‑d1と同程度ですが、d2ｒNrlogN

１439

2.64２14906

4.17３33106

4.52

１108374.03２17306

4.24

３296734.47４118520

5.07

１100

2.00

２391

2.59３2781

3.44１16998

4.23

１1714

3.23２3692

3.57

は36.7MPa、ｓは42.3MPa と、N‑d1に対してｓ１

40.60が約1.5倍の圧縮強度と、低温で含水率が高いと

２46

1.66

３100

2.00

４1393

3.14５17210

4.24

L‑s圧縮強度が高くなるという結果を示しております。
図−５に、ヤング率を示します。図より、平均値で、常温（Ｎ）の場合は、d1が28.4GPa、d2がr : 同一条件における疲労破壊回数の順位

27.9GPa、ｓが30.1GPa と、ヤング率（硬さ）に
106

合は、d1が31.6GPa、d2が32.7GPa、ｓが34.5GPa

105と常温（Ｎ）よりも多少ヤング率が大きめになる傾向であり、N‑d1に対してｓは約1.2倍という結果でした。本実験の範囲内では、静的載荷（Ｓ）における低温環境と含水率の影響は、ヤング率よ疲労破壊回数（回）は明確な変化は認められません。低温（Ｌ）の場

104103102

りも圧縮強度に表れました。この圧縮強度の増加

101

は、コンクリート中の自由水が凍結することで細100５）

かな隙間が氷で充填され 、液体よりも応力を負

N-d1

N-d2
図−６

担し、また氷自体も膠着作用のような結合力を発N-s

L-d1

L-d2

L-s

疲労破壊回数の比較

揮した６）ためと考えています。
表−４に、疲労載荷（Ｆ）の結果として、疲労ありました。そして、L‑s は、４回〜17,210回と破壊時の繰返し載荷回数（疲労破壊回数）Nr を極端にばらつきましたが、平均値は3,750回であ示します。また、図−６に、疲労破壊回数を示り、N‑d1よりも明らかに繰返し載荷回数が減少します。N‑d1の疲労破壊回数の単純平均値を基しました。このように、静的載荷（Ｓ）におけ準として比較すると、N‑d1の約16,150回に対しる L‑d2と L‑s の圧縮強度は、常温（Ｎ）よりもて、N‑d2は17,300回〜118,520回と明確に回数の増加しますが、疲労載荷（Ｆ）に関しては、低温違いが表れたとは言い難いですが、一方で N‑s（Ｌ）の場合、圧縮強度の傾向とは反対に、コンは100回〜2,780回と明らかに疲労破壊回数が減

クリートの耐疲労性は低下する傾向を示しました。

少しており、ｓは水中疲労試験と同様に耐疲労

つまりは、氷点下を下回る環境下においては、疲性を低下させることがわかります。これに対し労破壊に至るまでの疲労作用による損傷過程が常て、L‑d1は17,000回で N‑d1と変わりないものの、温の F‑N‑s や水中とは異なる可能性が示唆されL‑d2は約2,700回と N‑d1よりも回数が減少傾向にました。

福島の進路 2016. 171私の研究
1009080１ ％）Ｓ（干増加し、低温の飽水状態は常温の気乾状態の

松下２）
N-d1
N-d2
N-s
L-d2
L-s70

約1.2倍程度でした。これより、水分と低温の影響（環境温度と含水率の変化）は、圧縮強度の方がその影響を受けやすいといえます。
⑶

コンクリートの耐疲労性は、常温と低温ともに飽水状態で耐疲労性の低下が示されました。

60⑷

50

気中であっても飽水状態が保たれれば、コンクリートの耐疲労性が低下する可能性がありま

40123
図−７4logN567

S１ N 関係

す。また、コンクリート中の飽水した水分の凍結も耐疲労性に影響することが分かりました。
今後は、本研究で得られたコンクリートの耐疲労性を踏まえ、鉄筋コンクリートの梁や版といっ

４．環境作用が疲労破壊に及ぼす影響
図−７に、松下ら

２）の水中疲労試験におけるた部材レベルにおいてその影響の程度を評価する予定です。

本実験と同じ下限応力が10％の載荷応力（Ｓ）と疲労破壊回数（Ｎ）との関係（S‑N 関係）に各< 参考文献 >実験条件の平均疲労破壊回数をプロットとした

１）藤本将行，佐藤靖彦，角田興史雄：水中にものを示します。この図より、気乾状態の供試おけるコンクリートの圧縮疲労性状に関する

体は、N‑d2が S‑N 関係（直線）の右側に位置す

一考察，コンクリート工学年次論文集，Vo1.22，

るものの、N‑d1と L‑d2は線上付近に位置していNo.3，pp.205−210，2000．

ます。これが意味するものは、N‑d2の平均疲労

２）松下博通：水中におけるコンクリートの圧破壊回数を踏まえると、少なくとも N‑d1は常時縮疲労強度に関する研究，土木学会論文集，

水の作用を受ける状態よりは疲労破壊回数は多い

No.296，pp.87−95，1980．と解釈されます。これに対して、飽水状態の N‑sと L‑s は、明らかに S‑N 関係の左側に位置しま

３）土木学会：2012年制定コンクリート標準示方書［設計編］，2013．

す。これより、N‑s のような水の供給がない気中

４）皆川翔平，宮田祥平，子田康弘，岩城一郎：

であっても飽水状態はコンクリートの耐疲労性を任意の温度条件下における RC 部材の万能載荷低下させ、さらには、L‑s のようにコンクリート試験方法の考案，平成24年度土木学会東北支部

間隙の自由水が凍結した状態も耐疲労性の低下に

技術研究発表会，V‑22，2013．

影響するということがわかりました。つまり、コ

５）後藤幸正，三浦尚：極低温下における鉄筋コンクリートの耐疲労性を低下させる要因には、コンクリート部材の性質に関する研究，土木学会

ンクリートが完全に水に浸かる水中環境以外にも、

論文集，No.285，pp.121−134，1979．

気中における飽水状態や、飽水したコンクリート

６）三井健郎，米澤敏男，井上孝之：超高強度コが凍結するような低温環境も含まれるといえます。

ンクリートの極低温環境下での力学特性に関する研究，コンクリート工学年次論文集，Vol.19，５．まとめ

No.1，pp.175−180，1997．

本研究の範囲内より得られた知見をまとめます。
⑴

静的圧縮強度は、含水率が大きくなるにつれて、常温は低下傾向を、低温は増加傾向を示し、常温の含水率50％のコンクリートに対して低温の飽水状態は、約1.5倍圧縮強度が増加しました。

⑵

72

静的載荷によるヤング率は、低温において若福島の進路 2016. 1< プロフィール >1973年新潟県生まれ。日本大学大学院を修了
後、２年間ゼネコンに勤務した後、日本大学助手、同専任講師を経て現在に至る。