コンクリート細孔構造中における液状水移動と水蒸気移動の分離評価
コンクリート研究室
指導教官

香川雄治
下村匠

1. はじめにコンクリート構造物の品質制御の上で，内部の水分状態を予測することは極めて重要な課題である．細孔構造中の液状水は凍結融解，自己収縮の原因となり，また，中性化，塩害など構造物の耐久性を劣化させる数々の現象の進行に直接的な関与をしている．
硬化後のコンクリートが経験する外部との水分移動形態には吸水，乾燥，吸湿がある．
吸水とは，液状水としての外部との水分移動過程であり，吸水現象中のコンクリートは部分飽和状態である．乾燥，吸湿ではコンクリート内部は不飽和となり，外部とは水蒸気の形態で水分をやり取りするが，コンクリート中では液状水移動と水蒸気移動が共に生じていると考えられている．しかし，液状水の移動を実験により検証した例はない．そこで本研究では液状水中で電解し，蒸発時にはその位置に留まる塩化物イオンの特性に着目し，トレーサーとして用いることで不飽和コンクリート中の液状水移動を実験的に確認する．
2.

実験概要

水和反応の影響がない試料で液状水の移動を確認するため，セメントと粒子径の近い炭酸カルシウムを用いてモルタル供試体を作製し，塩化物イオンをトレーサーとした水分移動実験を行った．また，コンクリート細孔構造中において，液状水移動が実際に生じるか実験的検証を行うため，セメントモルタル供試体を用いて水分移動実験を行った．
表−1 炭酸カルシウムモルタル供試体の実験条件
配合量（kg)
乾燥温度
含水比実験タイプ
乾燥条件 乾燥時間（℃）(%)
W タンカル S NaCl
A-1
全面シール
295
15
A-2
一面乾燥
B-1
全面シール
14日
2012.5 246 1000 967 6.06
B-2
一面乾燥
C-1
全面シール
10197
C-2
一面乾燥
表−2 セメントモルタル供試体の実験条件
単位量（kg/m3)
実験タイプ 養生方法 養生時間 乾燥温度 乾燥条件 乾燥時間 W/C（℃）(%)
WCS NaCl
D-1
全面シール
水中養生
7日
2014日
32 320 1000 967 6.06
D-2
一面乾燥
D-3
全面乾燥
E-1
全面シール
塩水中養生
7日
6014日
32 320 1000 967 6.06
E-2
一面乾燥
E-3
全面乾燥
F-1
全面シール
塩水中養生
7日
6014日
60 417 694 967 6.06
F-2
一面乾燥
F-3
全面乾燥

150

表−1 に炭酸カルシウムモル
タル供試体の実験条件を示す．
初期水分量が液状水の移動に一面乾燥200与える影響を調べるため，含水比換算で 15％の A タイプ，12.5％の B タイプ，10％の C

全面シール

全面乾燥

単位：mm

側，底面シールタイプと 3 種類の供試体を作

1タイプ製した．表−2 にセメントモル（全面シール供試体）

2タイプ（一面乾燥供試体）
図−1

タル供試体の実験条件を示す．

3タイプ（全面乾燥供試体）

供試体の乾燥条件

毛細管空隙の連結の有無による液状水の挙動差異を検討するため，W/C=32%の D，E タイプ，W/C=32%の F タイプと 2 種類の含水比で実験を行った．図−1 に使用した供試体の寸法および乾燥条件を示す．直径 50mm，高さ 200mm の円柱供試体を作製し，それぞれ，全面シール，一面乾燥，全面乾燥，と 3 種の乾燥条件で，各条件につき 3 体ずつ，計 27 体の供試体作製した．モルタル打設時には 2 層 3 回で突き固めた．シール面には食品包装用ラップフィルムでシールを施した．乾燥後の供試体より，上面から 0mm，10mm，20mm，40mm，80mm，200mm の位置で，供試体を 4ｍｍ径のドリル等により削り出し，粉上になったものを塩化物イオン濃度測定用試料として用いた．
3. 実験結果および考察
図−2 に A タイプ（含水比 15％）供試体の塩化物イオン濃度分布を示す．全面シールを施したものでは上面からの距離に関係なく，ほぼ塩化物イオンが一様に分布していることに対し，一面乾燥では表面から 20mm 程度の上面近傍で塩化物イオン濃度が高くなっている．これは相当量の液状水の蒸発が上面またはその近傍で生じたことを示している．また，上面近傍以外では乾燥条件に関わらず，共に塩化物イオン濃度分布は一様であるが，全面シールに比べ一面乾燥ではその濃度が低くなっている．このことから，供試体中に液状水は等分布に拡散しているという条件の下で，一面乾燥条件で大気中に蒸発した上面近傍の相当量の液状水が大気中に蒸塩化物イオン濃度（kg/m3)

発し，これが駆動力となって，0それより下部の液状水が上面近傍へ移動したことが示され
図−3 に B タイプ（含水比12.5％）供試体の塩化物イオン濃度分布を示す．A タイプと同様，全面シールでは塩化物イオン濃度が一様であるのに対し，一面乾燥では上面近傍の塩化10152025303540
上面からの距離（mm）ている．

5080

全面シール
一面乾燥120

初期値
160200

図−22A タイプ供試体の塩化物イオン濃度分布403物イオン濃度が高く，これらの塩化物イオン濃度（kg/m )0位置までの液状水移動が生じ

5101520253035400たことを確認できる．A タイプ
イオン濃度が高いことから液状水の移動が顕著であるように思われるが，これは初期含水比が A タイプと比べて低く，40

上面からの距離（mm）に比べて上面近傍への塩化物80

全面シール
一面乾燥120

初期値
160

液状水単位容積あたりに含ま200れる塩化物イオンが多いため，

図−3

B タイプ供試体の塩化物イオン濃度分布

水分の移動量が同じであって塩化物イオン濃度（kg/m3)

も，塩化物イオン濃度は大きく0分の移動量自体が少なかったことに起因している．
図−4 に C タイプ（含水比10％）供試体の塩化物イオン濃上面からの距離（mm）なること，また，乾燥期間が14 日間と短かったために，水51015202530354004080

全面シール
一面乾燥120

初期値
160

度分布を示す．当初，含水比が200低いと液状水移動は起こりに

図−4くくなることを想定していたC タイプ供試体の塩化物イオン濃度分布が，A，B タイプと同様，塩0化物イオンの移動があり，低2塩化物イオン濃度（kg/m3)
468100

生を確認できた．
図 − 5 に D タ イ プ（W/C=32%，乾燥温度 60℃）
供試体の塩化物イオン濃度分布を示す． 一面乾燥供試
体の塩化物イオン濃度分布
で他のタイプと比べて上面表面からの距離（mm）含水比での液状水移動の発4080

全面シール
一面乾燥120

全面乾燥160

初期値

200

近傍でわずかに塩化物イオン濃度が高く，液状水の移動

図−5

D タイプ供試体の塩化物イオン濃度分布を推察できる．
図−6 に E タイプ（W/C＝32％，乾燥気温 60℃）供試体の経過時間と水分量の関係を示す． E−1 タイプ（全面シール）では水分が移動できないので，時間経過による含水比の3250

変化は見られず，供試体内の水分状態は乾燥初期の状

200

E−3 タイプ（全面乾燥）
では大気中への水分の拡散が見られる．

3れる．E−2（一面乾燥），水分量(kg/m )態を維持していると考えら

150

全面シール
一面乾燥
全面乾燥

10050

図−7 に E−1 タイプ（全面シール）供試体の水分量，0および塩化物イオン濃度分

04896

図−6E タイプ供試体の水分経時変化

布を示す．水分の移動がほとんど生じないため，塩化144 192 240
累計時間（hr）

288336384

物イオン濃度および水分量は供試体中で等分布に0は初期理論値に近い値となっている．理論値より水分量が減少しているが，これはセメントの水和反応が進んだためであると思われる．

上面からの距離（mm）なっており，水分量分布

40408080120

測定値

160

（一面乾燥）供試体の水図−7

初期値

ン濃度分布を示す．0mm物イオン濃度，水分量，ともに一様分布である．
塩化物イオン濃度上昇位置まで移動した水分の中には，乾燥初期，上面近1512020測定値

160

初期値

水分量（kg/m3)

塩化物イオン濃度（kg/m3)

100 200 300 400 500

00040408080120

測定値

160

初期値

200

図−810E−1 タイプ供試体の水分量および塩化物イオン濃度分布0

上面からの距離（mm）

上面近傍以外では，塩化5200

分量，および塩化物イオし，水分は減少している．

00200

塩化物イオン濃度が上昇

塩化物イオン濃度（kg/m3)0

図−8 に E−2 タイプ

から 20mm の上面近傍で水分量（kg/m3)
100 200 300 400 500

120
160

5101520測定値
初期値

200

E−2 タイプ供試体の水分量および塩化物イオン濃度分布

傍以外の位置の水分が含まれており，これが液状水の形態で上面に拡散する場合のみ，このような上面近傍での塩化物イオン濃度の上昇が起こりうる．ゆえに不飽和コンクリート

4細孔構造中で，液状水の0移動は生じていると結論
少ない上面近傍で塩化物イオン濃度が増加していることから，液状水移動は高い水分量のとき卓越し，水蒸気移動は低い水上面からの距離（mm）できる．また，水分量が分量のとき卓越することが示唆される．

水分量（kg/m3)

塩化物イオン濃度（kg/m3)

100 200 300 400 500

00040408080120
測定値
160

初期値

200

図−9図−9 に E−3 タイプ

5101512020

測定値

160

初期値

200

E−3 タイプ供試体の水分量および塩化物イオン濃度分布300（全面乾燥）供試体の水分量，250

布を示す．全面乾燥条件のため，水分の移動が顕著である．
塩化物イオン濃度は上面から 0mm から 20mm の位置で水分量(kg/m3 )および塩化物イオン濃度分

200150

全面シール
一面乾燥
全面乾燥

100

高くなっているが，同じ乾燥50条件である上面から 200mmの位置では塩化物イオン濃00度の上昇は見られなかった．
この原因として，ブリーディ0が考えられる．

化を示す．F−1 タイプ（全面シール）では水分の移動がないので，供試体内の水分状態は乾燥初期の状態を維持していると考えられ，
F−2（一面乾燥），F−3 タ

上面からの距離（mm）

図 − 10 に F タ イ プ
60℃）供試体の水分経時変

96144192240
累計時間（hr）

288336384

図−10 F タイプ供試体の水分経時変化

ングによる材料分離の影響（ W/C=60% ， 乾 燥 温 度

48

水分量（kg/m3)
100 200 300 400 500

塩化物イオン濃度（kg/m3)
00040408080120

水分量

160

初期値

200120160

5101520

水分量
初期値

200

図−11 F−1 タイプ供試体の水分量および塩化物イオン濃度分布

イプ（全面乾燥）では大気中への水分の拡散が見られる．
図−11 に F−1 タイプ（全面シール）供試体の水分量，および塩化物イオン濃度分布を示す．全面シール条件で水分の移動は生じていないが，塩化物イオン濃度，水分量，共に5水分量（kg/m3)

上面近傍で高くなってい0設時および養生初期にブリーディングが起き，水分が上面に向けて移動し空隙量が多くなったためである．
図−12 に F−2 タイプ

上面からの距離（mm）

る．これはモルタルの打100 200 300 400 500
040408080120

水分量

160

初期値0で生じていることから，同位置までの液状水の移動を確認できる．E−2 タ

上面からの距離（mm）

ン濃度の増加が上面近傍

1512020

水分量

160

水分量（kg/m3)

塩化物イオン濃度は上面少が著しい．塩化物イオ

10初期値

図−12 F−2 タイプ供試体の水分量および塩化物イオン濃度分布状態（F−1）と比較し，は 40mm より上部での減5200ン濃度分布を示す．初期近傍で高くなり，水分量00200（一面乾燥）供試体の水分量，および塩化物イオ

塩化物イオン濃度（kg/m3)

塩化物イオン濃度（kg/m3)

100 200 300 400 500

00040408080120
水分量
160

初期値

200120160

5101520

水分量
初期値

200

図−13 F−3 タイプ供試体の水分量および塩化物イオン濃度分布

イプにおいて水分量の減
少は 20mm 以上の上面近傍で著しく，その他の下部では一様分布であることに対し，F−2タイプでは水分量が 80mm でピークとなり，それより上部および下部では水分量は減少している．これは F タイプ（W/C=60%）の細孔構造中の毛細管空隙の連結および，空隙量の分布状況が原因であると考えられる．
図−13 に F−3 タイプ（全面乾燥）供試体の水分量，および塩化物イオン濃度分布を示す．初期状態（F−1）と比べ，上面近傍で塩化物イオン濃度の増加が見られる．上層では空隙が多く水分の拡散係数が大きいため，供試体全面で蒸発は生じるが，上面近傍の拡散速度が相対的に速く，その水分量の差によって下部からの液状水移動が生じたものと考えられる．上面から 40mm から 200mm の位置では液状水の移動は上下方向に生じず，各高さ位置で蒸発している．
4. 結論
一面乾燥条件のセメントモルタル供試体において，不飽和状態でのコンクリート細孔構造中の液状水の移動を実験的に確認できた．また，コンクリート細孔構造中では，空隙中の水分量が多いときには液状水移動が卓越し，低いときには水蒸気移動が卓越するという結論に達した．

6