第章

6

コンクリート構造物への影響評価

第６章

コンクリート構造物への影響評価 ● 目次

我孫子研究所構造部長

上席研究員

金津努

我孫子研究所構造部

主任研究員

山本武志

６−１

コンクリートの劣化要因 ………………………………………………………………………………………………… 73

６−２

暴露実験による影響評価 ………………………………………………………………………………………………… 75

コラム５：コンクリートのつらら現象 …………………………………………………………………………………………… 79

金津努（1978年入所）
LNG地下タンク，原子力発電所格納容器の温度応力設計合理化研究に従事。現在は，原子力発電所屋外重要土木構造物の耐震設計合理化研究，コンクリート製電力施設の健全度診断，酸性雨影響などの研究に取り組んでいる。

72

山本 武志（1993年入所）
フライアッシュの有効利用に関して，品質と混和したコンクリートの性能評価，JIS改正に関する調査研究に従事。現在は，フライアッシュのアルカリ骨材反応抑制効果やポゾラン活性の早期評価の研究に取り組んでいる。

６−１

コンクリートの劣化要因の表面から徐々に空隙の pH が低下し，セメント水和物が変質する。いわゆる中性化と呼ばれる現象である。

6-1-1 はじめに水和物の変質速度は，コンクリート構造物の状態や環コンクリートの経年劣化には，塩害，アルカリシリ境条件により異なる。特に，ひび割れが生じた場合や，カ反応，炭酸化，硫酸塩による浸食，凍害などのようコンクリート打設時に過剰の練混ぜ水が投入されて空に，十年から数十年で被害が顕在化するような現象（注１）

隙が多いコンクリートの場合は劣化が促進される。コと，酸性雨のように劣化進行が非常に緩慢で，通常のンクリートに生じるひび割れの原因は，外力荷重，温構造物の耐用年数内でそれが原因と判断することが難度応力，乾燥収縮，凍結融解，アルカリシリカ反応，しい現象がある。劣化速度の速い現象については，経塩害による鉄筋膨張などである。つまり，コンクリー

年変化の評価方法や対策技術が開発され，耐用年数がト打設時に用いる材料および配合の違いと，構造物を数十年のコンクリート構造物では，これらの劣化現象

供用する場所の地域特性の違いにより，コンクリート¸を考慮に入れた設計手法が提案されている 。しかし，に生じるひび割れの特性が異なる。その結果，H ＋の影

酸性雨については現象が十分に解明されておらず，こ響度合いはかなり異なると考えられる。わが国におけれに起因する経年劣化の評価は困難な状況にある。

る雨水の年平均 pH は 4.6 〜 5.2（平均 4.8）の範囲にある

最近は既設施設の共用期間の延伸，耐用期間が 100 年

が，降水量の分布を考え合わせると，雨水を介して地を越える施設の設計などが行われるようになってきた。

表面へ負荷される H ＋量（湿性沈着量）は，南西地域のまた，既設施設の施工方法に起因する劣化の早期顕在方が北東地域より多くなる¹。したがって，コンクリー化が問題となっている。従来，二次的な要因としてのトに及ぼす影響も地域により異なるものと考えられる。

位置づけであった酸性雨の影響も，他の要因との複合劣化要因として考慮するべき事項となってきた。

6-1-3

酸性雨による炭酸化の促進

本節では，降雨に起因するセメント硬化体の化学的変質について，既往の知見をとりまとめた。

コンクリート表面とひび割れ面は，空気中の二酸化炭素の影響により，セメント水和物（C-S-H，Ca（OH）
2）

6-1-2 劣化因子が炭酸化したカルサイト（CaCO3）の薄膜で覆われている。その状態のひび割れに酸性雨が浸入した場合の化

コンクリートとは，セメントペースト（セメント・学反応式をコラム５に示した。浸透水はカルサイトを水）に骨材（砂・砂利）を混ぜた硬化体であり，主要溶解して高濃度の H ＋と HCO3 −を含む水となるが，ひびな水和物は Ca-Si-H2O 系化合物（C-S-H）と Ca（OH）2 で割れを出ると脱炭酸が起り，炭酸カルシウム（CaCO3）ある。コンクリート中の空隙に水分が浸透することにが析出するº。

より，Ca（OH）2 が Ca2 ＋と OH −に解離する。また，セメントに微量含まれている Na 2 O，K 2 O が溶解して Na ＋ ，6-1-4酸による水和物の化学的変質K ＋，OH −になるため，コンクリート中の空隙の pH は12 〜 13 と非常に高い。しかし，空気中の二酸化炭素や中性の水にモルタルを浸漬した場合でも，モルタル水素イオン（H ＋）を含んだ雨水，河川水，霧などに曝から Ca2 ＋が溶出する。しかし，酸性溶液に浸漬した場されると，H ＋と OH −の中和反応が起り，コンクリート合の方が溶出量は著しく多くなる。pH 4.0，pH 3.5，

注１：これらの要因を考慮した設計を行った場合には，現象は生じないか，顕在化するまでにかなりの長期間を要する。

pH 3.0 の溶液にモルタルを浸漬した実験»が行われ，pHの違いによるペースト部の CaO，SiO 2，Al 2O 3，Fe 2O 3，

電中研レビュー No.43 ● 73

50

SiO240Fe2O33020Al2O31070706060
SiO25040

Al2O33020MgOCaO

100010 20 30 40
浸漬時間（日）_図6-1-1

5000204060
浸漬時間（日）

pH4.0

`

CaO

504030
SiO220MgO Al2O3 Fe2O310Fe2O3MgO080

0530

pH3.0

種々pH条件での組成成分割合の経時変化（普通ポルトランドセメント、W/C＝50％）(4)MgO の溶出特性の違いが明らかにされた（図 6-1-1）。
また，各試料とも浸漬時間の経過とともに変色した。
pH 4.0 では浸漬開始後数日で黒色になり，25 日程度で隅角部が白色に変色した。pH 3.0 では 50 日目程度で茶色（赤褐色）に変色した。これらの変色は，ペースト
表層部における元素の存在比率と関係があり，特にFe2O3 と Al2O3 は内部から表層部に向かう濃縮作用があ

10motfro
CCa4CCamO32)2OHO36fro(CaCaCO3 from C-S-H0

炭酸化による化学的変化
図6-1-2yrh

he80esatdr

ると考えられている。

6-1-5

10 15 20 25
浸漬時間（日）apH3.5

炭酸カルシウム量（mmol/g-cem.）

成分組成割合（％）

60

成分組成割合（％）

CaO

成分組成割合（％）

70

1.0
2.0
3.0
シリカゲル量（mmol/g-cem.）

炭酸カルシウム量とシリカゲル量の関係 (5)セメント水和物である C-S-H を定量分析する手法を用いて，他のセメント水和物（Ca（ OH）2，モノサルフェート）と合わせて炭酸化速度が評価された¼（図 6-1-2）。

（×10−3）14

その結果，Aセメント水和物である C-S-H と Ca（ OH）212が大きい，C C-S-H に比べてモノサルフェートの炭酸化速度の方が大きい，D C-S-H の炭酸化は，カルシウム含有率が低い低カルシウム型の C-S-H を経て進行することが明らかにされた。

空隙容積（ml/g）の炭酸化は同時期に始まり，その後もほぼ並行して進行する，B C-S-H に比べて Ca（ OH）2 の炭酸化速度の方

前養生：40℃、18時間
炭酸化：２日間
非炭酸化
炭酸化
前養生

1086426-1-6

炭酸化による物理的変化

010−1
10010−2
細孔径（μm、対数スケール）

炭酸化によるセメント組織の変質について，実験的に次の知見が得られている。モルタルを炭酸化させ，

図6-1-3

各試料の細孔径分布 (6)その炭酸化した部分と炭酸化していない部分の細孔径分布の比較により，炭酸化した領域のほうが 1 μ m 以下いう結果が得られている½（図 6-1-3）。また，空隙量のの細孔径容積が全般的に低下し，組織が緻密化すると低下にともない，モルタルの曲げ強度は増加する。一74般に，水酸化カルシウムが炭酸化により炭酸カルシウ

Ca 溶出が容易な組織に変質することも事実であり，ひム（カルサイト，バテライト，アラゴナイト）に変化

び割れなどの欠陥ができる場合には，劣化を促進するすることで，硬化体内の細孔量は低減する。しかし，要件になる。

６−２

暴露実験による影響評価
酸を 5 ： 2 ： 3（当量比）の割合で混合して調製した。
pH は 2.5，3.0，4.0，5.6 の４段階とした。

6-2-1 はじめに前節で述べたように，酸性雨の影響は長期にわたっ`試験体の条件てゆっくりと進行する性質のものであり，暴露試験に

¸

形状・寸法

より影響を検証するには，長期間の継続実験を必要と降雨に曝される面の状態が強度に反映され易いようする。当研究所では，４か年にわたり酸性雨を模擬しに，板状試験体を曲げ強度試験に用いた（図 6-2-1）。

た人工雨を用いて暴露試験を実施し（総降雨量は約

形状は厚さ 1.5 cm，幅 4 cm，長さ 16 cm である。この9000 mm），以下の４つの観点から酸性雨のコンクリー

大きさの関係から，試験体はモルタル（コンクリートトへの影響を評価した。

から砂利部分を除いたもの）で作製した。曲げ試験は，

ApH によって表面浸食量はどのように異なるか降雨に曝される面を引張り側にして実施した。

B

コンクリート内部にどのように影響するか¹

C

コンクリートの強度は影響を受けるのかD

コンクリートの表面状態（色調）にどのように試験要因
酸性雨の影響は，コンクリート構造物の欠陥部で早期に顕在化することが既往の研究から明らかにされている。本研究では，モルタルの水セメント比（以下影響するかW/C）を大きくして品質を低下させ，構造物の欠陥を実験的に再現することにした。

6-2-2 模擬酸性雨による暴露実験

W/C を 60 ％，80 ％，100 ％に変え，単位体積当たり_

酸性雨の条件のセメントペースト量が一定となるように配合を決定

模擬酸性雨の陰イオン組成は，わが国での実測例をした。一般の配合では W/C 65 ％がほぼ上限なので，参考にして，純水（pH 5.6 ：対照）に硫酸，硝酸，塩W/C 80 ％，100 ％ は品質をかなり低下させたものと考

15mm

模擬酸性雨暴露試験状況

40mm

160mm

15mm

モルタル試験体

荷重

酸性雨の当たる面

図6-2-1

モルタル試験体と曲げ強度試験方法

電中研レビュー No.43 ● 75

えることができる。試験体は１ケース３本である。

である。
浸食速度は pH が 4.0 を下回るようになると増加し始a

降雨条件

め，pH 3.0 を下回ると急激に大きくなった。この領域

1 降雨イベントを６時間，16 mm とし，これを２日にでは，モルタルの品質の影響も大きくなるが，pH の影１回降らせた（雨量は１週間で約 50 mm）。これは，乾響はさらに著しい。pH 3.0 の場合の浸食速度は，pH 5.6

湿を与えることにより実際の降雨条件に近づけるように比較して，品質が通常のモルタル（W/C ： 60 ％）で配慮したものである。模擬酸性雨の総雨量は約 9000

約 1.6 倍，品質不良のモルタル（W/C ： 80 ％，100 ％）mm であり，これは単純に年平均（約 1700 mm）で換で約 2 倍となった。pH が 2.5 になると，品質が通常のモ算すると，わが国の降水量の５〜６年分に相当する。

ルタルで約 3.8 倍，品質不良のモルタルで約 4.3 倍となっ現実には，pH 4.0 を下回る雨が年間 1700 mm 降っていた。降雨量 10000 mm のときの浸食量は，pH 5.6 の場合るわけではない。

で 0.3 mm 程度，pH 2.5 の降雨で 1.0 〜 1.4 mm と推定される。
本実験で得られた pH と浸食速度の関係を pH が変動6-2-3 表面の浸食量についてする実際の降雨の場合に適用するとすれば，各 pH の降表面浸食量（浸食厚さ）は，所定降雨量を暴露した毎に 0.01 mm まで測定した。この測定値は，雨滴が試雨量に浸食速度を乗じて，それらを積算することにより，表面浸食量の評価は可能と考えられる。

験体表面に衝突する際の物理的な現象に起因する量と，酸性雨によりセメントペースト硬化体が変質して失わ6-2-4内部への影響についてれる量を合わせた量である。
降雨量と浸食量とは，模擬酸性雨の種類に関係なく試験体内部への影響は，組織の密実さ，品質の良さ非常に良好な直線関係が認められたことから，単位降を表す指標として，単位体積当たりの細孔容積と主要雨量当たりの浸食深さ，つまり浸食速度として図 6-2-2な水和物である CSH（Ca-Si-H2O 系化合物）を測定してに示した。この図から，モルタルの W/C の影響，模擬評価した。酸性雨の内部への進入により硬化体が分解

酸性雨の pH の影響を明確に把握することができる。

して各種イオンが溶出し，組織が多孔質化することが模擬酸性雨の pH が 4.0 以上の場合には，W/C の大き予測された。

い（品質不良の）モルタルの方が浸食速度はやや大き

実験結果（図 6-2-3）は，品質が不良なモルタルほどいものの，大きな差はなかった。つまり，わが国で通総細孔容積は大きい値となったが，模擬酸性雨に暴露常認められる酸性雨の pH 程度では，コンクリートの品されても，それらの値は初期値のまま経時的にはほと質が悪くても（W/C ： 80 ％，100 ％），浸食に与える影んど変化しなかった。むしろ，経時的に小さくなる傾響は pH 5.6 の降雨の場合と大差がないことを示すもの

向が認められた。別途実施した NO 3 − の測定結果から，酸性雨は内部へ浸透しているが，モルタルの微細構造へは悪影響を及ぼしていないことが示唆された。

16

表面浸食速度（×10−3mm mm−1）

さらに，セメントペースト硬化体の品質をより的確

W/C：60％
W/C：80％
W/C：100％

1412に評価するため，試験体の表層（5 mm）と内部（中央10部 5 mm）の２箇所から試料を採取し CSH を測定した

86（図 6-2-4）。模擬酸性雨の影響は，pH 2.5 の場合に明確4に認められ，表層ほど CSH が多く分解されたが，pH

204.0 と pH 5.6 では採取場所による差はそれほど大きくな
2345

模擬酸性雨のpH6かった。むしろ，モルタルの品質（W/C）の影響が大きい。W/C が 100 ％と品質がかなり悪い場合は，降雨

図6-2-276

模擬酸性雨のpHと表面侵食速度の関係

のみにより CSH の分解が進行した。

単位モルタル量当たりの細孔容積（cc g−1）

W/C; 60％

0.12

W/C; 80％

0.12

0.1

0.1

0.1

0.08

0.08

0.08

0.06

0.06
○ pH 2.5△ pH 3.0□ pH 4.0◇ pH 5.6● 気乾暴露

0.04
0.02
00.04
0.02

2000

4000

6000

W/C; 60％

pH 2.5

4000

6000

08000

2000

4000

6000

8000

総降雨量（mm）

総降雨量と試験体内部の総細孔容積1.5

2pH 4.02000

総降雨量（mm）

図6-2-3

1.5

0.02
00

8000

○ pH 2.5△ pH 3.0□ pH 4.0◇ pH 5.6● 気乾暴露0.04

00

W/C; 100％

0.06○ pH 2.5△ pH 3.0□ pH 4.0◇ pH 5.6● 気乾暴露総降雨量（mm）

CaO/SiO2モル比0.12W/C; 80％
pH 2.5

W/C; 100％
pH 4.0pH 5.61.5

pH 5.6pH 2.511pH 4.0

10.5

pH 5.60.50.50

平均 内 表面 平均 内 表面 平均 内 表面0平均 内 表面 平均 内 表面 平均 内 表面0

総降雨量：9000mm

総降雨量：9000mm

図6-2-4

平均 内 表面 平均 内 表面 平均 内 表面

総降雨量：9000mm

C-S-Hの分析結果

本暴露実験から，モルタル内部への影響は次のよう的にやや低下し，その割合は pH が低いほど大きくなっに結論される。酸性雨の pH が 3.0 を下回る場合や，モた。すなわち，モルタルの品質が悪く pH が低い場合は，ルタルの品質が非常に不良の場合は，pH 5.6，W/C

降雨量 9000 mm 程度で曲げ強度に若干の影響がでるも60 ％の条件に比較して，セメントペースト硬化体の分のと考えられる。

解が顕著に生じる。しかし，pH が 4.0 以上，W/C が80 ％以下ならば，酸性雨の影響はほとんどない。

6-2-4 で述べたように，セメント硬化体の CSH 分解の程度は内部より表層部で著しく，その傾向は pH が低いほど大きい。ここで述べた曲げ強度に対する影響は，6-2-5 曲げ強度に与える影響
模擬酸性雨に曝した面を引張り側として，試験体のそうした CSH 分解の結果と符合するものである。

6-2-6

表面状態（色調）について曲げ試験を行った結果を図 6-2-5 に示す。ここでは pH5.6 の場合を基準として強度変化を整理した。

降雨に起因するコンクリートの色調の経時変化は，曲げ強度は，モルタルの品質や模擬酸性雨の pH の違一つの劣化事象と考えられる。色調の変化は，物理的，いにより，経時変化にわずかであるが差が生じた。

化学的な影響に比べて短期間で顕在化する現象である

W/C が 60 ％の場合は，降雨量が約 9000 mm となってため，他の要因を二次的要因を位置づければ，コンクも，pH にかかわらず曲げ強度比はほとんど変化しなかリート構造物の性能に影響する一次的要因である。

った。一方，W/C が 80 ％の場合は，曲げ強度比は経時

図 6-2-6 は総雨量約 9000 mm，試験日数 1430 日の時

電中研レビュー No.43 ● 77

W/C; 60%

曲げ強度比（pH X/pH5.6）

1.5

1

W/C; 100%

W/C; 80%

1.5

1.5

1

○pH 2.5△pH 3.0□pH 4.0◇pH 5.60.5

1○pH 2.5△pH 3.0□pH 4.0◇pH 5.60.50002000 4000 6000
総降雨量（mm）

8000

図6-2-50○pH 2.5△pH 3.0□pH 4.0◇pH 5.60.5

2000 4000 6000 8000
総降雨量（mm）

002000 4000 6000
総降雨量（mm）

8000

総降雨量に伴う曲げ強度比の変化同じであった。一方，模擬酸性雨に暴露した試験体は，W/C；60％

pH が 5.6 から低くなるにしたがい表面が赤茶けてきた。

総降雨量；9000mm

約８cm

これは，モルタル中の鉄分（Fe）が酸化されて褐色化したものと考えられる。既往の研究 ¾、¿によれば，Feは酸性環境下であっても溶出しにくく，残留と濃縮が顕著になり，酸化とともに赤褐色化することが確認されている。
気乾（室内） pH 2.5

pH 3.0pH 4.0pH 5.6

pH が 5.6，4.0 では，色調は気乾状態とそれほど大きく相違しなかったが，pH が 3.0，2.5 ではかなり色濃く

図6-2-6

各pHの条件での試験体表面の色調の相違なった。このような状態は，降雨量 2100 mm 時点で現れており，影響の顕在化は早い。しかし，実際の降雨点の試験体（W/C 60 ％）の外観を示した。室内に放置

pH のレベル（pH 4.0 以上）では，色調変化は緩慢に進した試験体（気乾）は，暴露開始時の外観とほとんど行する。

78

コラム５ コンクリートのつらら現象
Ca2 ＋＋ 2HCO3 − → CaCO3 ＋ H2O ＋ CO2 ↑ひび割れの入ったコンクリートの表面に，白色πの液ダレ痕のようなものが付着していることがある。それは降雨の作用により生成した炭酸カルシ同時に，コンクリート空隙内の pH 低下により，ウムの白色沈澱であるº。

セメント水和物である Ca-Si-H2O 系化合物の一部がひび割れ内の表層部は，セメント水和物（Ca溶解する（式∫）。ここで生成した H4SiO4 がゲル化（OH）2）と空気中の炭酸ガスの反応により生成した

し，ひび割れを閉塞することがあり，つららの形カルサイト（CaCO3）の膜で覆われている。そこに成を律速する要因となる。

酸性雨が浸透すると，式∏の反応が生じる。
（Ca）x（Si）y（H2O）z ＋ nH ＋ →CaCO3 ＋ H ＋ → Ca2 ＋＋ HCO3 −∏xCa2 ＋＋ yH4SiO4 ＋ mH2O

雨水がひび割れ内を浸透する間に，雨水は Ca 2 ＋∫実構造物に生じるつららの成長は，ひび割れ幅，−と HCO3 を含むかなり濃厚な溶液になる。やがて環境温度，湿度，風，日射などの影響を受けるの雨水がひび割れのそとに出ると，大気に開放されで，降雨の影響を評価するのは難しいÀ。また，純るため脱炭酸が起り，CaCO 3 が析出する（式π）。

水やアルカリ水によってもつらら現象の起ること

つまり，ひび割れが発生しているコンクリート部が明らかにされており，必ずしも酸性雨に特定さ材の下部で，円形状の結晶塊が生成し，徐々に成れる現象ではないが，pH が低い雨水の方が成長を長することによりストロー状のつららとなる（写促すことも確認されているÁ、Â。

真１）
。

写真１

コンクリートつらら

電中研レビュー No.43 ● 79