土木学会論文集E2（材料・コンクリート構造）, Vol. 70, No. 4, 417-427, 2014.

高炉スラグ細骨材を用いたコンクリートの凍結融解抵抗性に関する研究
綾野

克紀1・藤井隆史21フェロー

岡山大学教授大学院環境生命科学研究科（〒700-8530 岡山県岡山市北区津島中3-1-1）
E-mail: toshiki@okayama-u.ac.jp

2正会員

岡山大学准教授

大学院環境生命科学研究科（〒700-8530 岡山県岡山市北区津島中3-1-1）
E-mail: t-fujii@okayama-u.ac.jp

蒸気養生を行ったコンクリートは，AE剤を用いても，必ずしも高い凍結融解抵抗性を得ることはできない．しかし，高炉スラグ細骨材を用いたコンクリートは，AE剤を用いることなく凍結融解抵抗性を高めることが可能なため，蒸気養生を行っても，高い凍結融解抵抗性を得ることができる．一般のコンクリートでは，骨材界面に多くの水酸化カルシウムが析出する．低温下では，骨材界面に析出した水酸化カル
シウムが水に溶け易くなり，その間隙に水が溜まる．本論文では，水酸化カルシウムの溶け出した間隙に溜まる水が凍ることで膨張圧が生じ，粗骨材の周辺にひび割れが生じること，また，反応性の高い非晶質
な高炉スラグ細骨材を用いた場合には，骨材界面に析出する水酸化カルシウムの量が少なくなるために凍結融解抵抗性が向上することを示す．

Key Words : freeze-thaw resistance, blast furnace slag sand, interface between aggregate and paste,calcium hydroxide, temperature dependent solubility

1. はじめに

炉スラグの品質管理も同時に行われている．その結果，溶融状態の高炉スラグを水で急冷した高炉水砕スラグは，AE剤によりコンクリート中に連行する独立した微細製品と呼べる程に品質が一定しており，コンクリートのな空気泡は，コンクリート中でボールベアリングの役割
結合材として用いることが可能な材料である2)．高炉スを果たし，フレッシュコンクリートの流動性を改善し，ラグを微粉末とし，結合材として用いたコンクリートの打込み時の欠陥を減少させる等の効果がある．また，硬凍結融解抵抗性は，適切な空気量を確保することで一般化後のコンクリート中の水分の凍結融解の繰返し作用に的なAEコンクリートと同程度になる報告がある3)．また，対する抵抗性，すなわち，凍結融解抵抗性を著しく増大
高炉スラグを細骨材として用いたコンクリートでは，適させる．AE剤は，コンクリートの施工性能および凍結
切な強度および空気量を確保できれば，一般のAEコン
融解抵抗性を向上させるために不可欠なコンクリートのクリートと同程度になるという報告もある4)．
混和剤である1)．しかし，プレキャスト製品のように，これに対して，本論文では，反応性の高い非晶質な高蒸気養生を行う工場製品においては，AE剤を用いても， 炉スラグを細骨材として用いれば，粗骨材とモルタルと期待する凍結融解抵抗性を得られず，低温の環境下では， の界面に水酸化カルシウムが析出しにくくなり，AE剤を用いることなく，また，蒸気養生を行っても，高い凍現場打ちのコンクリートに比べて，早期に劣化する可能
結融解抵抗性のあるコンクリートを製造できることを示性がある．供用中の橋梁におけるコンクリート床版の取替え等においては，一般の交通に支障を及ぼさないよう， す．さらに，高炉スラグ細骨材を用いることの効果は，高い塩分濃度の塩水中においても認められることを示す．
プレキャスト製品の活用が望まれる場合も多く，蒸気養
一方，一般の細骨材を用いたコンクリートでは，粗骨材生を行うプレキャスト製品の凍結融解抵抗性の改善が望の界面に多く析出する水酸化カルシウムが水に溶けるこ
まれている．
とで，その間隙に水が溜まり，その水が凍ることで膨張
高炉スラグは，鉄鉱石から銑鉄を製造する過程で発生圧が生じ，粗骨材周辺のモルタルにひび割れが生じるこする副産物である．銑鉄を製造する工程では，より多くとを示す．
の銑鉄を製錬するために，銑鉄の品質管理と同時に，高417

土木学会論文集E2（材料・コンクリート構造）, Vol. 70, No. 4, 417-427, 2014.
表-1 塩水を用いた凍結融解試験用コンクリートの配合
単位量 (kg/m3)

圧縮強度
HRW
AE
De-F 空気量の(N/mm2)
RA(B×%) (B×%) 測定値(%)
W
G
(B×%)
OPC GGBF
CS
BFS
7日 28日
0
438
0
849
878
0.004
3.6
39.5
52.4
40
0.5
60
175
263
840
868
0.009
4.8
36.1
46.4
0
0
0.000
0
700
0
739
764
0.9
0.018
3.6
64.2
69.9
25
60
280
420
723
748
0.7
0.060
3.4
66.4
70.7
4.5
0
438
0
862
878
0.006 0.012
5.5
47.9
57.3
40
0.5
60
175
263
852
868
0.006 0.006
5.1
46.9
54.7
100
0
0
700
0
750
764
1.0
0.009 0.003
3.8
66.8
77.0
25
60
280
420
734
748
0.6
0.006 0.000
4.3
69.9
74.4
0
438
0
883
913
2.2
50.6
59.6
0.5
20
350
88
879
909
2.4
48.6
64.0
40
40
263
175
876
906
0.4
2.5
42.1
48.5
60
175
263
873
902
0.3
2.2
37.3
46.7
0
0
0.000
0
700
0
772
798
0.9
1.1
84.7 101.5
20
560
140
767
793
0.8
1.6
90.5 102.8
2025
50.0 175
40
420
280
762
787
0.7
2.0
78.4
94.8
60
280
420
756
782
0.6
0.8
72.2
88.7
0.5
4.4
50.3
64.3
0
438
0
896
913
0.7
0.300
2.1
58.2
76.6
2.0
0.000
20
350
88
893
909
0.5
3.5
48.2
60.8
40
40
263
175
889
906
0.4
4.2
45.8
55.0
0.000
0.3
4.1
42.6
57.3
100
0
60
175
263
886
902
0.5
0.300
2.4
45.6
68.0
1.0
0.000
4.1
70.2
78.2
0
700
0
784
798
1.2
0.300
2.5
65.0
77.9
25
0.6
0.000
4.3
68.8
86.5
60
280
420
768
782
0.8
0.300
2.1
72.3
89.3
33
590
290
2.6
41.3
63.3
40
40
263
175
906
0.4
0.000
67
292
593
3.3
44.1
69.1
OPC: 普通ポルトランドセメント, GGBF: 高炉スラグ微粉末, CS: 硬質砂岩砕砂, BFS: 高炉スラグ細骨材, HRWRA: 高性能減水剤, AE: AE剤, De-F: 消泡剤
Gmax
(mm)

W/B
(%)

GGBF/B BFS/S 空 気 量 の s/a(%)(%) 設計値(%) (%)

B

S

2. 塩水中における凍結融解抵抗性程度となるように添加し，AE剤を用いる場合には，空気量の設計値を4.5%とした．高炉スラグ細骨材を用いた
場合に巻き込まれるエントラップトエアがコンクリートの凍結融解抵抗性に与える影響を調べるために，消泡剤を用いてエントラップトエアを取り除いた配合も用いた．
b) 凍結融解試験
凍結融解試験は，JIS A 1148: 2010に規定される水中凍(1) 実験概要a) 使用材料および配合
結合材には，普通ポルトランドセメント（密度：3.15g/cm3，ブレーン値：3,350cm2/g）および高炉スラグ微粉末（密度：2.89g/cm3，ブレーン値：4,150cm2/g）を用いた．細骨材には，硬質砂岩砕砂（表乾密度：2.65g/cm3，
吸水率：1.70%，粗粒率：3.04）および高炉スラグ細骨材（表乾密度：2.69g/cm3，吸水率：0.61%，粗粒率：2.51）を用いた．粗骨材には，硬質砂岩砕石（最大寸法：20mm，表乾密度：2.74g/cm3，吸水率：0.64%，粗粒率：6.87）を用いた．混和剤には，ポリカルボン酸系高性能

結融解方法（A法）に準拠して行った．ただし，本実験
では，強度の高いコンクリートを用いるために，供試体を浸漬する水には，凍結融解作用による劣化が促進されるように，塩化ナトリウム水溶液を用いた6)．塩化ナト
リウム水溶液の濃度は，JSCE-G 572-2003「浸せきによる
コンクリート中の塩化物イオンの見掛けの拡散係数試験
方法（案）」を参考に質量パーセント濃度で10%とし，供試体の浸漬に用いた塩水は測定毎に全量入れ替えた．
実験には，蒸気養生または標準水中養生を材齢14日まで行った100×100×400mmの角柱供試体を用いた．蒸気養生は，2012年制定土木学会コンクリート標準示方書［施工編］に示される方法7)に従い，打設後3時間型枠内に静置した後，1時間あたりに20℃の速さで65℃まで昇温させ，その後4時間保持した後，自然冷却によりコンクリートの温度を下げた．蒸気養生後は，水中養生を材
齢14日まで行った．標準水中養生を行った供試体は，コ減水剤，変性アルキルカルボン酸化合物系陰イオン界面活性剤を主成分とするAE剤およびポリオキシアルキレ
ンアルキルエーテル系消泡剤を用いた．
表-1に，コンクリートの配合，練混ぜ直後の空気量および標準水中養生を行ったコンクリートの圧縮強度を示す．コンクリートの水結合材比は，AE剤を用いなくても凍結融解抵抗性が得られる5)といわれる25%と，一般的なプレキャスト製品に用いられる40%とした．単位水量および細骨材率は，それぞれ，175kg/m3および50.0%の一定とした．また，高性能減水剤は，スランプが21cm

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110

110

AEコンクリート(標準水中養生)

90

AEコンクリート(蒸気養生)

80

Non-AEコンクリート（標準水中養生）70

相対動弾性係数（％）

相対動弾性係数（％）

AEコンクリート(標準水中養生)

100

100

Non-AEコンクリート（蒸気養生）

60
水セメント比: 25%
GGBF/B: 0%
細骨材: 硬質砂岩砕砂

50

90
80
70

AEコンクリート(蒸気養生)

60
Non-AEコンクリート
水セメント比: 40%（標準水中養生） GGBF/B: 0%
細骨材: 硬質砂岩砕砂（蒸気養生）

50
40

40
0

50

100

150

200

250

0

300

50

サイクル数（回）AE コンクリート

DF=93, W300=5.9%

標準養生
DF=48, W300=76.3%

DF=25, W221=69.0%

蒸気養生
DF=33, W300=48.2%

250

300

DF=13, W180=95.1%

図-3 凍結融解試験終了後における硬質砂岩砕砂を用いた供試

W/B=25%

W/B=40%

DF=103, W300=0.2%

DF=103, W300=2.0%

DF=102, W300=0.3%

DF=103, W300=2.7%

DF=101, W300=0.1%

DF=59, W300=2.4%

DF=97, W300=0.0%

DF=92, W300=1.3%

標準
養生

蒸気
養生

DF=28, W300=66.3%

Non-AE コンクリート

AE コンクリート
Non-AE コンクリート

W/C=40%蒸気
養生
DF=101, W300=4.5%200

図-2 蒸気養生の影響 (W/C=40%)

標準
養生
DF=103, W300=0.6%150

サイクル数（回）図-1 蒸気養生の影響 (W/C=25%)
W/C=25%

100

標準
養生

蒸気
養生

図-4 凍結融解試験終了後における硬質砂岩砕砂を用いた供体の外観（GGBF/B=0%）

試体の外観（GGBF/B=60%）

ンクリート打込み後，24時間常温で型枠内で養生を行った後に脱型し，材齢14日まで水中養生を行った．

110
GGBF/B: 60%

相対動弾性係数（％）

100(2) 実験結果および考察
a) 蒸気養生の影響
図-1および図-2は，それぞれ，細骨材に硬質砂岩砕砂を用いた水セメント比が25%および40%のコンクリートの凍結融解試験結果を示したものである．結合材には，
普通ポルトランドセメントのみを用いている．図中の●および○は，それぞれ，AE剤を用い標準水中養生および蒸気養生を行ったコンクリートの結果を，また，■および□は，AE剤を用いず標準水中養生および蒸気養生を行ったコンクリートの結果を示している．強度の高い
水セメント比が25%のコンクリートであっても，AE剤を用いない場合には，200サイクル程度で相対動弾性係数がJIS A 1148: 2010で試験終了とされる60%を下回ってい
る．一方，水セメント比が40%のコンクリートにおいては，蒸気養生を行ったものは，AE剤を用いても150サイ

90
GGBF/B: 40%

80
70

GGBF/B: 0%

GGBF/B: 20%60
水結合材比: 40%
養生方法: 蒸気養生
細骨材: 硬質砂岩砕砂

50
40
0

50

100

150

200

250

300

サイクル数（回）図-5 高炉スラグ微粉末の効果

クル程度で相対動弾性係数が60%を下回っている．
図-3は，凍結融解抵抗試験終了後におけるコンクリートの外観を撮影したものである．供試体の写真にサイクル数が示されていないものは，凍結融解の繰返しを300

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土木学会論文集E2（材料・コンクリート構造）, Vol. 70, No. 4, 417-427, 2014.
GGBF/B

硬質砂岩砕砂高炉スラグ細骨材

GGBF/B0%

硬質砂岩砕砂高炉スラグ細骨材

DF=13, W180=95.1%

DF=100, W300=3.4%

DF=29, W300=55.4%

DF=105, W300=1.3%

DF=52, W300=5.0%

DF=101, W300=0.7%

DF=92, W300=1.3%

DF=102, W300=1.0%0%
DF=33, W300=48.2%

DF=100, W300=0.4%

20%

20%
DF=41, W300=25.1%

40%

40%
DF=97, W300=0.3%

60%

60%
DF=97, W300=0.0%

DF=101, W300=0.0%

図-6 高炉スラグ細骨材の効果（W/B=25%）

図-7 高炉スラグ細骨材の効果（W/B=40%）

P N
(1)
300
ここに，DFは，耐久性指数で，Pは，凍結融解をNサイ
クル繰り返した後の相対動弾性係数(%)で，Nは，相対動弾性係数が60%になるサイクル数または300サイクルのいずれか小さい方のサイクル数である．
w  wn(2)
Wn  0
 100
w0
DF 

110
BFS/S=100%

相対動弾性係数（％）

サイクル与えた後の写真である．図中のDFおよびWnは，耐久性指数およびnサイクル後における質量減少率で，式(1)および式(2)により計算して求めた値である．

100
BFS/S=67%90
BFS/S=33%80
水結合材比: 40%
GGBF/B: 40%
養生方法: 蒸気養生

70

BFS/S=0%60
0

ここに，Wnは，凍結融解をnサイクル繰り返した後の質量減少率(%)で，wnおよびw0は，それぞれ，凍結融解をnサイクル繰り返した後および凍結融解試験前の供試体の質量(g)である．
水セメント比が25%のものであっても，塩水を用いた試験では，AE剤を用いなければ，凍結融解の繰返しを300サイクル行う前に破壊に至っている．一方，水セメ

50

100

150

200

250

300

サイクル数（回）図-8 高炉スラグ細骨材の効果

くても，高炉スラグ微粉末の使用量が多くなるにつれ，
凍結融解抵抗性は向上しており，高炉スラグ微粉末を質量比で結合材の60%用いると，AE剤を用いなくても十分な凍結融解抵抗性が得られることが分かる．なお，図-5に示した結果は，AE剤は用いず，細骨材には硬質砂

ント比が40%のものは，標準水中養生を行ったAEコン
クリートを除き，全てが破壊に至っている．
b) 高炉スラグ微粉末の効果
図-4は，高炉スラブ微粉末を結合材の60%用いたコンクリートに凍結融解の繰返しを300サイクル与えた後の外観を示したものである．水結合材比が25%および40%
においては，高炉スラグ微粉末を結合材の60%用いることで，AE剤を用いることなく，蒸気養生を行っても，高い凍結融解抵抗性が得られていることが分かる．添田らによっても，結合材に高炉スラグ微粉末を用い，高流動コンクリートとすれば，100m以下の細孔が増加する
ために凍結融解抵抗性が向上する8)と報告されている．
しかし，硬質砂岩砕砂を用いたコンクリートの凍結融解抵抗性に，高炉スラグ微粉末の使用量が与える影響を示した図-5から明らかなように，高流動コンクリートでな

岩砕砂を用い，蒸気養生を行ったものである．
c) 高炉スラグ細骨材の効果
図-6は，水結合材比が25%のコンクリートにおいて，細骨材の種類がコンクリートの凍結融解抵抗性に与える影響を示したもので，細骨材の全てに硬質砂岩砕砂を用いた場合と，高炉スラグ細骨材を用いた場合とを比較している．凍結融解の繰返しを300サイクル与えた後の外観からも，高炉スラグを細骨材に用いることで，結合材に高炉スラグ微粉末が用いられていない場合においても，高い凍結融解抵抗性が保たれていることが分かる．一方，
図-7は，水結合材比が40%のコンクリートにおいて，細骨材の種類がコンクリートの凍結融解抵抗性に与える影響を示したものである．水結合材比が40%の場合においても，高炉スラグを細骨材として用いた場合には，高炉

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DF=101, W300=0.2%

DF=103，W300=1.2%

蒸気
養生

標準
養生
DF=101, W300=0.1%

DF=27, W300=47.8%

蒸気養生
DF=100, W300=0.4%

DF=100, W300=3.4%

標準
養生
DF=101, W300=0.2%

DF=106, W300=2.1%

蒸気養生
DF=101, W300=0.1%

DF=102, W300=0.1%

DF=103，W300=0.4%

DF=102, W300=0.0%

DF=103, W300=0.4%

DF=102, W300=0.1%

DF=104, W300=0.8%

DF=101, W300=0.0%

DF=102, W300=1.0%

DF=101, W300=0.3%

DF=95, W300=1.6%

DF=102, W300=0.2%

DF=105, W300=1.7%

標準
養生

蒸気
養生

標準
養生

蒸気
養生

図-10

た供試体の外観（GGBF/B=0%）

W/B=40%蒸気養生

DF=76, W300=5.5%

図-9 凍結融解試験終了後における高炉スラグ細骨材を用い

W/B=25%
標準
養生

DF=102, W300=4.1%

Non-AE コンクリート

Non-AE コンクリート

AE コンクリート

標準
養生DF=102, W300=0.4%

消泡剤添加

W/C =40%

消泡剤添加

AE コンクリート

W/C =25%

凍結融解試験終了後における高炉スラグ細骨材を用いた供試体の外観（GGBF/B=60%）

ートでは，AE剤を用いていないにも係らず，空気量がスラグ微粉末の使用に関係無く，高い凍結融解抵抗性が4.4%と多いが，その凍結融解抵抗性は小さい．これに対得られていることが分かる．
して，消泡剤を用いて気泡を消し，空気量を2.1%とした
図-8は，高炉スラグ細骨材の使用量がコンクリートのものは，水セメント比が40%のコンクリートであっても，凍結融解抵抗性に与える影響を示したものである．図中
高い凍結融解抵抗性が得られている．すなわち，高炉スの○，△，◇および□は，それぞれ，質量比で，高炉ス
ラグ細骨材を用いることによって巻き込まれるエントラ
ラグ細骨材を全細骨材量の0%，33%，67%および100%用
ップトエアは，コンクリートの凍結融解抵抗性を改善さいた結果である．コンクリートの水結合材比は40%で，せる効果はなく，高炉スラグ細骨材を用いることによっ高炉スラグ微粉末の使用量は，質量比で結合材の40%でて巻き込まれるエントラップトエアは，消泡した方が凍あり，高炉セメントB種に相当する．なお，養生は蒸気結融解抵抗性を向上させることができるといえる．
養生を行い，AE剤は用いていない．この図より，高炉
図-10は，結合材に質量比で60%の高炉スラグ微粉末
スラグ細骨材の使用量が多くなるほど，コンクリートのを用い，細骨材の全てに高炉スラグ細骨材を用いたコン
凍結融解抵抗性は向上し，細骨材の3分の1に高炉スラグ
クリートに，凍結融解の繰返しを300サイクル与えた後細骨材を用いると，凍結融解の繰返しを300サイクル与の供試体の外観を示したものである．結合材に高炉スラ
えても，コンクリートの相対動弾性係数は，60%を上回
グ微粉末を60%用いた場合は，水結合材比，養生方法，
ることが分かる．
エントラップトエアの有無に係わらず，全ての場合にお図-9は，細骨材の全てに高炉スラグ細骨材を，また，
いて，AE剤を用いることなく，高い凍結融解抵抗性が結合材の全てに普通ポルトランドセメントを用いたコン
得られている．
クリートに，凍結融解の繰返しを300サイクル与えた後の供試体の外観を示したものである．AE剤を用いていない標準水中養生を行った，水セメント比が40%のコン
クリートのみ破壊に至っているが，それ以外のコンクリ
3. 淡水中における高炉スラグ細骨材を用いたコートにおいては，養生方法に係らず破壊に至っているもンクリートの凍結融解抵抗性のはない．高炉スラグ細骨材を用いたコンクリートでは，(1) 実験概要
エントラップトエアが巻き込まれ易い特徴がある9)．コa) 使用材料および配合
ンクリートの配合を示した表-1に示されるように，標準
表-2に，コンクリートの配合，練混ぜ直後の空気量お水中養生を行った水セメント比が40%のNon-AEコンクリ

421

土木学会論文集E2（材料・コンクリート構造）, Vol. 70, No. 4, 417-427, 2014.
表-2 淡水を用いた凍結融解試験用コンクリートの配合
Gmax
(mm)

W/B GGBF/B BFS/S 空気量の s/a(%)(%)(%) 設計値(%) (%)

圧縮強度 (N/mm2)
HRW
蒸気養生
標準養生
空気量の
RA
測定値(%) 気中 水中(B×%)
28日 91日
14日 14日

単位量 (kg/m3)
B

S

G
BFS
0
0
2.7
31.5
0
50.3
350
0
939
5.3
30.1
50
100
0
60
50.1
140
210
923
4.4
23.0
20
2.0
175
944
0.25
0
993
0
3.1
19.7
0
52.1
269
0
1,008
5.5
18.8
65
100
0
60
51.8
108
162
996
5.1
14.7
OPC: 普通ポルトランドセメント, GGBF: 高炉スラグ微粉末, CS: 硬質砂岩砕砂, BFS: 高炉スラグ細骨材, HRWRA: 高性能減水剤
110

C

GGBF

相対動弾性係数（％）

標準水中養生(材齢91日試験開始)

蒸気養生後水中養生(材齢14日試験開始)

70

蒸気養生後気中養生(材齢14日試験開始)

60

標準水中養生(材齢28日試験開始)

50

43.6
40.7
39.3
28.3
29.8
30.3

45.3
40.3
43.1
33.8
36.3
37.5

90
80

●: 蒸気養生後気中養生(材齢14日試験開始)○: 蒸気養生後水中養生(材齢14日試験開始)■: 標準水中養生(材齢28日試験開始)□: 標準水中養生(材齢91日試験開始)

7060

細骨材: BFS
水セメント比: 50%
GGBF/B: 0%

50

40

40
0

50

100

150

200

250

300

0

50

100

サイクル数（回）
図-11

34.7
33.6
25.9
21.7
25.7
18.1

100

90
80

CS
925

110

細骨材: 硬質砂岩砕砂
水セメント比: 50%
GGBF/B: 0%100

相対動弾性係数（％）

W

150

200

250

300

サイクル数（回）硬質砂岩砕砂を用いたコンクリートの凍結融解抵抗性

図-12（W/C=50%）

高炉スラグ細骨材を用いたコンクリートの凍結融解抵
抗性（W/C=50%）

れの養生を行ったコンクリートにおいても，300サイク
よび圧縮強度を示す．コンクリートの単位水量および単33ルの凍結融解作用に対して，相対動弾性係数がほぼ
位粗骨材量は，それぞれ，175kg/m および944kg/m の一定としている．なお，いずれのコンクリートにおいても， 100%に保たれている．
AE剤は用いていない．また，結合材，細骨材，粗骨材
図-13および図-14は，それぞれ，細骨材に硬質砂岩砕および混和剤は，2.(1)の実験概要に示したものと同じで
砂および高炉スラグ細骨材を用い，結合材には普通ポルある．
トランドセメントを用いた，水セメント比が65%のコンb) 凍結融解試験
クリートの凍結融解抵抗性を示したものである．硬質砂
凍結融解試験は，JIS A 1148: 2010に規定される水中凍岩砕砂を用いた場合は，100サイクルまでに全ての供試
結融解方法（A法）に準拠して行った．なお，本実験に体が破壊に至っている．これに対し，高炉スラグを細骨は，一般的な強度のコンクリートの供試体を用いており， 材に用いた場合は，硬質砂岩砕砂を用いた場合に比べて，供試体を浸漬する水も，JIS A 1148: 2010に従い水道水を高い凍結融解抵抗性が得られていることが分かる．ただ用いている．
し，蒸気養生を行った後に水中養生を行ったものは，凍結融解の繰返しを300サイクル行った後も相対動弾性係(2) 実験結果および考察
数が60%を上回っているのに対し，蒸気養生を行った後
図-11および図-12は，それぞれ，細骨材に硬質砂岩砕に，気中養生を行ったものは，早期に劣化している．す砂および高炉スラグ細骨材を用い，結合材には普通ポル
なわち，水セメント比が大きい場合には，高炉スラグを
トランドセメントを用いた，水セメント比が50%のコン
細骨材に用いたコンクリートであっても，十分な水中養クリートの凍結融解試験の結果を示したものである．硬
生を行わない場合には，期待する凍結融解抵抗性が得ら
質砂岩砕砂を用いたコンクリートにおいても，凍結融解
れないことが分かる．
抵抗性は，養生期間とともに上がる．ただし，標準水中図-15および図-16は，細骨材に高炉スラグ細骨材を用養生を91日間行っても，300サイクルの凍結融解作用にい，結合材に質量比で60%の高炉スラグ微粉末を用いた，
対して，相対動弾性係数が60%を上回ることはない．こ
水結合材比が，それぞれ，50%および65%のコンクリー
れに対して，高炉スラグ細骨材を用いた場合には，いずトの凍結融解抵抗性を示したものである．水結合材比が

422

110

110

100

100

相対動弾性係数（％）

相対動弾性係数（％）

土木学会論文集E2（材料・コンクリート構造）, Vol. 70, No. 4, 417-427, 2014.

標準水中養生(材齢28日試験開始)

90
標準水中養生(材齢91日試験開始)

80

蒸気養生後水中養生(材齢14日試験開始)

70
蒸気養生後気中養生(材齢14日試験開始)

60
細骨材: 硬質砂岩砕砂
水セメント比:65%
GGBF/B: 0%

50
40
0

50

100

150

200

250

蒸気養生後水中養生(材齢14日試験開始)

90
80
70

蒸気養生後気中養生(材齢14日試験開始)

60
細骨材: BFS
水セメント比: 65%
GGBF/B: 0%

50
0

50

100

硬質砂岩砕砂を用いたコンクリートの凍結融解抵抗性

200

250

300

図-14

高炉スラグ細骨材を用いたコンクリートの凍結融解抵
抗性（W/C=65%）

110

110

標準水中養生(材齢91日試験開始)

標準水中養生(材齢91日試験開始)

100

相対動弾性係数（％）

100

相対動弾性係数（％）

150

サイクル数（回）（W/C=65%）90
蒸気養生後水中養生(材齢14日試験開始)

80

標準水中養生(材齢28日試験開始)

7060

蒸気養生後気中養生(材齢14日試験開始)

細骨材: BFS
水結合材比: 50%
GGBF/B: 60%5090標準水中養生(材齢28日試験開始)

8070

蒸気養生後水中養生(材齢14日試験開始)

60
50

蒸気養生後
気中養生(材齢14日試験開始)

40

40
0

50

100

150

200

250

0

300

50

100

150

細骨材: BFS
水結合材比: 65%
GGBF/B: 60%
200

250

300

サイクル数（回）サイクル数（回）図-15標準水中養生(材齢28日試験開始)

40

300

サイクル数（回）図-13標準水中
養生(材齢91日試験開始)

高炉スラグ細骨材と高炉スラグ微粉末を用いたコンク

図-16

リートの凍結融解抵抗性（W/B=50%）

高炉スラグ細骨材と高炉スラグ微粉末を用いたコンク
リートの凍結融解抵抗性（W/B=65%）

100×20mmの試験片を切り出し，試験片表面に蛍光塗料

50%の場合であっても，蒸気養生を行った後に気中養生を配合したシアノアクリレート系接着剤を含浸させた後，を行った場合には，凍結融解の繰返しを300サイクル与
えた後の相対動弾性係数は，60%を下回っている．また， 表面を研磨し，紫外線を照射し，デジタルカメラを用いて撮影した．
水結合材比が65%の場合には，標準水中養生を91日間行b) モルタル小片を用いた凍結融解試験ったもののみが，300サイクルで60%以上の相対動弾性
凍結融解試験に用いたモルタル小片は，一辺が10mm係数を保っている．高い水結合材比においては，高炉スの立方体である10)．塩化ナトリウムによる水の凝固点降
ラグ細骨材に加え，結合材にも高炉スラグ微粉末を用い下が凍結融解抵抗性に影響を及ぼすことを示すために，ると，より長く水中養生を行わなければ，期待する凍結
塩化ナトリウムと同様に水の凝固点降下を生じさせるグ
融解抵抗性を得られないことが分かる．
リセリンも用いて試験を行った．試験には，20℃の水中で14日間養生を行った後，塩化ナトリウム水溶液または
4. 高炉スラグ細骨材を用いたコンクリートの凍 グリセリン水溶液中で1週間，-17℃の冷凍庫内に置いた
後，20℃の室内に1日間置いた供試体を用いた．塩化ナ
結融解抵抗性改善のメカニズム
トリウム水溶液は，質量パーセント濃度で0%，3%およ(1) 実験概要
び10%のものを用い，グリセリン水溶液は，質量パーセa) 凍結融解作用によって生じる内部ひび割れの観察
ント濃度で0%，25%および50%のものを用いた．なお，
凍結期間の影響をみるために，質量パーセント濃度で試験には，2章および3章で凍結融解試験を行った供
50%のグリセリン水溶液を用いた試験では，20℃の水中試体を用いた．凍結融解試験終了後の供試体から100×423

土木学会論文集E2（材料・コンクリート構造）, Vol. 70, No. 4, 417-427, 2014.

図-18 凍結融解の繰返しを 219 サイクル行った後の Non-AE コ

図-17 凍結融解試験前の Non-AE コンクリートの断面

ンクリートの断面

図-20 凍結融解の繰返しを 300 サイクル行った後の AE コンク

図-19 凍結融解試験前の AE コンクリートの断面

リートの断面

粗骨材とモルタルの間に白く光る部分が少ないのに対し，凍結融解後の供試体には，粗骨材とモルタルとの界面が白く光っていることが分かる．図-18の右図からも明らかなように，粗骨材とモルタルとの界面を起点とするひ
び割れが，モルタル部に，長く，多く生じていることが分かる．凍結融解試験後のひび割れの多くは，骨材の周辺に存在していることから，骨材界面の間隙に溜まった水が凍結し，膨張することで，モルタル部にひび割れを生じさせたものと考えられる．
図-19および図-20は，それぞれ，細骨材に硬質砂岩砕砂を用いた水セメント比が40%のAEコンクリートの凍結融解試験前と凍結融解を300サイクル繰り返した後の断面を撮影したものである．この供試体の結合材は普通
ポルトランドセメントで，材齢14日まで標準水中養生を行ったものである．なお，凍結融解を300サイクル繰り返した後の相対動弾性係数は93%である．凍結融解試験
前の供試体では，AE剤を用いていないものと同様に，粗骨材とモルタルとの界面に白く光る部分は少ない．しかし，凍結融解の繰返しを行った後の断面では，粗骨材とモルタルとの界面に空隙が生じているものの，粗骨材とモルタルとの界面を起点とするひび割れは，Non-AE
コンクリートに比べ，少ないことが分かる．
図-21および図-22は，それぞれ，細骨材に高炉スラグ
細骨材を用いた水セメント比が50%のNon-AEコンクリー
トの凍結融解試験前と凍結融解を460サイクル繰り返した後の断面を撮影したものである．この供試体の結合材で14日間養生を行った後に，-17℃の冷凍庫に1週間，2週間および4週間置いたものも試験に用いた．1回の凍結融解試験では，試験片4個（約11g）に対し，蒸留水を50mlの割合で用いた．モルタル小片を用いた凍結融解試
験は，-17℃の冷凍庫に16時間静置後，20℃の恒温槽に8時間静置するサイクルを1サイクルとした．モルタル小片は，融解後に蒸留水から取り出し，崩れ落ちた部分を除いて，質量を測定した．
モルタルのセメントには，普通ポルトランドセメントを用い，細骨材には，硬質砂岩砕砂および高炉スラグ細骨材を用い，AE剤は用いていない．なお，モルタルの
水：セメント：細骨材の比は，質量比で，1：2：4.5である．本実験に用いた普通ポルトランドセメント，硬質砂岩砕砂および高炉スラグ細骨材は，2. (1)の実験概要に示すものと同じである．
(2) 実験結果および考察
a) 凍結融解作用によって生じる内部ひび割れ
図-17および図-18は，細骨材に硬質砂岩砕砂を用いた
水セメント比が50%のNon-AEコンクリートの凍結融解試
験前と凍結融解を219サイクル繰り返した後の断面を撮影したものである．写真中で白く光っている部分が空隙である．この供試体の結合材は普通ポルトランドセメン
トで，材齢28日まで標準水中養生を行ったものである．
なお，219サイクルの凍結融解を繰り返した後の相対動弾性係数は22%である．凍結融解試験前の供試体には，

424

土木学会論文集E2（材料・コンクリート構造）, Vol. 70, No. 4, 417-427, 2014.

図-22 凍結融解の繰返しを460サイクル行った後の高炉スラグ

図-21 凍結融解試験前の高炉スラグ細骨材を用いた Non-AE コ

細骨材を用いた Non-AE コンクリートの断面

ンクリートの断面

NaCl 濃度

硬質砂岩砕砂グリセリン
濃度

高炉スラグ細骨材

0%

0%

3%

25%

10%

50%

図-23 塩水に浸漬した後に凍結融解試験を実施したモルタル

硬質砂岩砕砂高炉スラグ細骨材

図-24 グリセリン水溶液に浸漬した後に凍結融解試験を実施の破壊状況（10サイクル後）したモルタルの破壊状況（10サイクル後）は普通ポルトランドセメントで，材齢28日まで標準水中養生を行ったものである．なお，凍結融解を460サイク
ル繰り返した後の相対動弾性係数は100%である．凍結融解の繰返しを与えた後も，ひび割れの進展の起点となる粗骨材界面の空隙は極めて少ない．また，凍結融解の繰返しを460サイクル与えた後においても，モルタル部のひび割れは少ない．図-22の右図からも，ひび割れ進展の起点となる粗骨材界面の空隙が極めて少ないことが分かる．すなわち，高炉スラグを細骨材として用いたコ
ンクリートの凍結融解抵抗性が向上するのは，粗骨材とモルタルとの界面に析出する水酸化カルシウムの量が少ないために，水酸化カルシウムが溶け出した後にその間隙を埋める水が凍ることによって発生する膨張圧が少な
いためと考えられる．
b) 水酸化カルシウムの影響
図-23は，-17℃の冷凍庫内で，それぞれ，質量パーセ
ント濃度で0%，3%および10%の塩水に1週間浸漬した，
1辺が10mmの立方体のモルタル試験片を，蒸留水中で凍ものである．この図より，硬質砂岩砕砂を用いたモルタ
ルは，塩分濃度が0%の蒸留水に浸漬させたもののみが破壊に至っておらず，高濃度の塩水に浸漬させたものほど，著しい劣化を生じていることが分かる．質量パーセ
ント濃度で3%および10%の塩水の凝固点は，それぞれ，-2.0℃および-7.1℃であり，凝固点の低い溶液中に浸されたモルタルほど，早期に劣化が生じている．これに対して，高炉スラグ細骨材を用いたモルタル試験片は，いずれの条件においても，破壊に至っていない．
図-24は，-17℃の冷凍庫内で質量パーセント濃度で0%，25%および50%のグリセリン水溶液に1週間浸漬したモル
タル試験片を，蒸留水中で，凍結融解の繰返しを10サイクル行った結果である．なお，質量パーセント濃度で50%のグリセリン水溶液は，-17℃でも凍結することはな
く，25%のグリセリン水溶液でもシャーベット状になる程度で完全に凍結することはなかった．この図より，硬質砂岩砕砂を用いたモルタルは，高濃度のグリセリン水
溶液に浸漬させた後に凍結融解試験を実施した場合にも，早期に凍結融解作用によって破壊に至ることが分かる．

結融解の繰返しを10サイクル行った後の状況を撮影した

425

土木学会論文集E2（材料・コンクリート構造）, Vol. 70, No. 4, 417-427, 2014.
20

20
1週間

0

質量変化率（％）

質量変化率（％）

0
-20
-40

2週間

-60
4週間

-80

0

5

-40

○: 1週間△: 2週間□: 4週間-60-80

細骨材: 砂岩砕砂グリセリン濃度: 50%

-100

-20

細骨材: 高炉スラグ細骨材
グリセリン濃度: 50%

-100
10

15

20

0

サイクル数（回）

5

10

15

20

サイクル数（回）図-25 硬質砂岩砕砂を用いたモルタルの凍結融解抵抗性に

図-26 高炉スラグ細骨材を用いたモルタルの凍結融解抵抗

グリセリン水溶液での浸漬期間が与える影響

性にグリセリン水溶液での浸漬期間が与える影響

すなわち，塩水を用いた場合と同様に，凝固点の低い溶液中に置かれた後に，凍結融解の繰返しを行ったものほど，早期に破壊に至っているといえる．また，細骨材に高炉スラグを用いたモルタルでは，塩水を用いた場合と同様に，破壊に至っているものはない．
図-25は，-17℃の冷凍庫内で，質量パーセント濃度で50%のグリセリン水溶液に1週間，2週間および4週間浸漬した後に，蒸留水で凍結融解の繰返しを行った硬質砂
岩砕砂を用いたモルタルの質量変化率を示したものである．この図より，グリセリン水溶液に長期間浸漬させた
後に，蒸留水での凍結融解の繰返しを行ったものほど，
その質量変化率が大きいことが分かる．とくに，グリセリン水溶液に，4週間浸漬させたモルタルは，凍結融解試験を開始する時点で，質量比で50%の質量損失が生じている．これに対して，細骨材に高炉スラグ細骨材を用いた試験結果を示した図-26からは，いずれの条件においても，20サイクルの繰返しまで質量変化を生じているものはない．
図-27は，水酸化カルシウムの水への溶解度と溶液の温度の関係11)を示したものである．多くの溶質が，温度が高いほど，溶解度も高くなるのに対し，水酸化カルシ
ウムは，温度が低いほど，溶解度が高くなる．図-27には，0℃までの水温での水酸化カルシウムの溶解度しか示していないが，濃度が10%の塩水の場合は，-7℃まで溶液が凍ることがないため，より水酸化カルシウムの溶解度が高いことが考えられる．すなわち，低温下の溶液に長期間浸漬した後に，淡水で凍結融解の繰返しを作用させた硬質砂岩砕砂を用いたモルタルの凍結融解抵抗性が低下した理由は，硬質砂岩砕砂の界面に析出した水酸
化カルシウムが溶出し，その後を満たした水が凍結することで，モルタル内部に膨張圧が生じ，破壊に至ったものと推察される．これに対して，高炉スラグ細骨材を用いたモルタルでは，細骨材の界面に水酸化カルシウムが

図-27 水酸化カルシウムの溶解度の温度依存性

析出しないために，低温下の溶液に長期間浸漬したものであっても，高い凍結融解抵抗性が保たれたものと考えられる．

5. まとめ以下に本論文で得られた結論を示し，本論文のまとめとする．
(1) 相対動弾性係数から判断すれば，高炉スラグを細骨材として用いることで，AE剤を用いることなく高い
凍結融解抵抗性を得ることができる．このために，蒸気養生を行ったコンクリートにおいても，高い凍結融解抵抗性を得ることができる．
(2) 高炉スラグ細骨材を用いたコンクリートの凍結融解
抵抗性が向上するのは，粗骨材とモルタルとの界面に析出する水酸化カルシウムが少ないためである．

426

土木学会論文集E2（材料・コンクリート構造）, Vol. 70, No. 4, 417-427, 2014.
コンクリートの耐久性に及ぼす影響，コンクリート
工学年次論文集，Vol.23，No.2，pp.427-432，2009.6(社)日本材料学会編：コンクリート混和材料ハンドブ
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工編］，p. 355，2013.3
鉄鋼スラグ協会：鉄鋼スラグ統計年報（平成 23 年度
8) 添田政司，大和竹史，左東有次，江本幸雄：高炉ス
ラグ微粉末を用いた早強性を有する高流動コンクリ実績），2012.7
ートの耐凍害性に関する研究，コンクリート工学年
檀康弘，伊代田岳史，兼安真司，植木康知：高炉ス
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ラグ微粉末を用いたコンクリートの凍害および凍結
9) 日本建築学会：高炉スラグ細骨材を用いるコンクリ防止剤に対する劣化抵抗性，土木学会論文集 E，Vol.
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65，No. 3，pp. 291-299，2009.7
10) 小山田哲也，羽原俊祐，高橋拓真，高橋俊介：スケ
上本洋，阿部道彦，鹿毛忠継，浅野研一：高炉スラーリング劣化を考慮した新しい凍結融解試験法の検グ細骨材を用いたコンクリートの凍結融解に関する
討，コンクリート工学年次論文集，Vol. 33，No. 1，
実験，コンクリート工学年次論文集，Vol. 33，No. 1，
pp. 935-940，2011.6
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p.784，1975.
細孔分布が高強度コンクリートの耐凍結融解性に及ぼす影響，コンクリート工学年次論文報告集，Vol.
12，No. 1，pp.679-684，1990.6(2014. 4. 3 受付)
竹田宣典，十河茂幸：凍害と塩害の複合劣化作用が

参考文献
1)
2)
3)

4)

5)

6)

RESISTANCE TO FREEZING AND THAWING ATTACK OF CONCRETE WITH
BLAST FURNACE SLAG FINE AGGREGATE
Toshiki AYANO and Takashi FUJII
Concrete cured by steam can not have high resistance to freezing and thawing attack even if AE agent is
added at mixing. However, the concrete with blast furnace slag fine aggregate can have high resistance tofreezing and thawing attack even if AE agent is not mixed. That is why the concrete with blast furnace slag
fine aggregate can have high resistance to freezing and thawing attack even if it is cured by steam. The
calcium hydroxide deposits around the coarse aggregate in ordinary concrete. The calcium hydroxide iseasier to dissolve in water at low temperature. The water is accumulated in a gap made by dissolved calcium
hydroxide. The accumulated water expands when it freezes and cracks yields around aggregate. In thispaper, it is shown that calcium hydroxide does not deposit around the aggregate and the resistance to freezing and thawing of concrete is improved when blast furnace slag is used as fine aggregate.

427