凍害を中心としたコンクリートの複合劣化について-機構と対策秋田大学 大学院理工学研究科
システムデザイン工学専攻 土木環境工学コース
徳重英信

1

秋田県：凍結融解作用環境＋塩分作用環境

冬の季節風（飛来塩分）
凍結防止剤（NaCl）NaCl）

2

■凍害：コンクリート中の水分の凍結→未凍結水の移動→組織の損傷・・・・表層部から損傷が進む■塩害：塩化物イオンの浸透→鋼材の腐食・発錆（体積膨張）→鋼材周囲組織の破壊→ひび割れ・・・・内部から損傷が開始する■凍結融解作用+塩分の浸透・・・
凍害の激化（浸透圧？）⇔塩化物イオン浸透の進行助長⇒塩害の助長3凍害！

4典型的な凍害による損傷
スケーリング（Scaling）
・・・魚のうろこ（Scale）のようにペーストあるいはモルタル分が剥離する。
表面剥離が進むと全面が削ぎ落とされる。
表層から凍結する。

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ポップアウト（Pop-out）
吸水率の高い骨材など脆弱な骨材を使うと，骨材中の水分や骨材とペースト界面の劣化で，表層ペーストを伴って剥離。
割れた骨材が露出。
あるいは骨材が丸ごと剥離。

凍害が疑われる構造物の調査・対策手引書（案），独立行政法人土木研究所寒地土木研究所，平成23 年10 月
6なぜ凍害は起こるのか？
セメントペースト内の水の凍結
水はそのまま凍結すると9%の体積膨張がある。
大気圧下では0℃で凍結する。

しかし，実際には過冷却現象など複合的な要因が重なる。
細孔径が小さいと凍結しづらい。
不純物が溶解していると凍結温度は下がる。
7

ちなみに，初期凍害とは・・・
コンクリートが凝結硬化中の若材齢時に受ける凍害・・・，その後適温で養生しても強度，耐久性は著しく劣る。
霜柱をイメージ
霜柱は9%の膨張のみではなく，未凍結部の水分も氷に向かって移動し，氷が成長するメカニズム。
・・・土の凍上8凍害のメカニズム
水圧説（T.C.Powers, 1945, 1947）①凍結の順番：
凍結は，温度の低い表層から進行し，表面に最も近い毛管中の水分凍結が最初に生じる。
②未凍結水の移動
水分凍結に伴う膨張（9%）によって排除された未凍結の水分は，凍結していない内部へと移動する。
③水圧の発生未凍結水は微細な細孔組織を通過するときに，水の粘性抵抗により水圧勾配を形成し，この移動圧がマトリックスの引張強度を超えたときに劣化が起こる。
9

T.C.Powersの理論（水圧説）
水圧説は、凍害が直接的な氷晶圧に起因することに対して、氷晶の体積膨張による水移動の圧力によるとの前提での理論
飽和度が91％未満の飽水度だと劣化が低減

透水性が低い水圧の増加

凍結速度が早い
水量が多い
空隙が重要
空隙

水圧の緩和

量より気泡間の距離が近いほど良い
同じ空気量であれば、寸法の小さい空隙が大量にあるほうが良いPowersの理論（水圧説）①外気温の低下によりコンクリートの表層の水分から凍結する②表面水分の凍結により体積膨張に相当する未凍結水が移動③未凍結水の移動による水の粘性抵抗により水圧が上昇④この水圧がコンクリートの引張強度を超えた場合、細孔壁が損傷・・・凍結融解の繰返しによって損傷が進む

冷気
微細組織中の細孔
未凍結水の流れ氷

氷除々に凍結氷④気泡の効果水圧の大きさは，凍結速度，飽和度，透水性，および気泡間の距離による・・・気泡間隔の効果（AEコンクリート）

AEコンクリートは収縮する・・・

浸透圧説での説明がなされた

12

浸透圧説による劣化現象
・コンクリートの温度降下により，まず粗大径側の毛細管中の水が凍結
・微小な細孔にある水は凍結しないため，未凍結水のアルカリ濃度が増加
・周囲の未凍結のゲル水との間に浸透圧が発生
・ゲル水が毛細管の未凍結水中へ拡散し凍結が開始
・氷の成長による膨張圧でコンクリートの組織が破壊13b)浸透圧説による収縮挙動現象
・気泡に拡散された水は直ちに凍結
・毛細管中の氷晶とともに周囲の水を吸収する
・気泡中の氷晶が周囲の組織から水を吸収する場合，気泡が水で満たされるまで吸収する水の量だけ収縮・・・しかし，これだけでは劣化現象を説明しきれていない・・・※例えば，氷の線膨張係数はセメントペーストの線膨張係数の約５倍・・・温度降下／上昇時の変形挙動に影響を与える・・・など
14キーワードは”Driving Force”
・・・セメント硬化体中で水が動く起動力
水の凍結による「膨張」に伴う未凍結水の移動
例えば，RILEMの試験方法の基になったSetzerのポンプ理論，あるいは氷と水の化学的ポテンシャル（熱力学の応用）の差による氷への水の吸着による氷晶の成長※その他，特にNaClやCaCl2の侵入の影響などによる，セメント硬化体の化学的劣化による複合劣化も提唱されている。
15

耐凍害性能の確保には・・・当然，初期欠陥がない前提
1.

骨材の品質

2.

低水セメント比3.

空気量しかし，空気の「量」のコントロールだけでよいのか？
※気泡間隔係数 250μ以下
問題は空気の質！
荷下ろし時で基準をクリアしているとしても，締固め，養生でどうなるのか？・・・施工の影響は？
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T.C.Powersが推奨したAEコンクリート（1945, 1947）
微細で球形の気泡を適切な量で混入すると，凍結時の水圧が緩和される。

耐久性指数と空気量（Cordon and Merril, 1966）

限界飽水度（G.Fagerlund, 1978）17融点降下（洪悦郎，鎌田英治, 1978）18

よくある間違い

空気の質と量を分析するのに，「気泡間隔係数」で評価するのは正しい。

しかし，「気泡間隔係数」が適切であるからといって，耐久的ではない。（その他の因子があるだろう）

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空気の質
エントラップドエア：練混ぜ時に巻き込まれる比較的大きな気泡（コンクリートで1%程度？？？）エントレインドエア：混和剤によって連行される微細で球形な気泡（耐凍害性の確保）
混和剤によっては，エントラップドエア量が2%を超えるものもある。
どうする？・・・気泡間隔係数で評価？
20

モルタルでの実験例（nonAE，高性能減水剤の影響）
7.0
高性能減水剤A
高性能減水剤

エントラップドエア量
エントラップドエア量(%)

6.0

高性能減水剤A
高性能減水剤

5.04.0高性能減水剤B
高性能減水剤

高性能減水剤B
高性能減水剤

3.0
2.0
1.00.0モルタルミキサー

オムニミキサー21■凍害のメカニズムはまだ解明されていません！！
■沿岸部にある構造物では飛来塩分の影響，積雪寒冷地にある道路構造物は凍結抑制剤（凍結防止剤）により，塩化物イオンが供給され，凍害が助長される。
・・・塩害（Cl-），ASR（Na+）との複合劣化■スケーリング抑制には単位セメント量の確保■適切な連行空気量■低水セメント比■良質な骨材・・・対策は示されている。
・・・耐力低下までは・・？
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・・・複合劣化耐凍害性能の確保には・・・当然，初期欠陥がない前提
1.

骨材の品質

2.

低水セメント比3.

空気量しかし，空気の「量」のコントロールだけでよいのか？
※気泡間隔係数 250μ以下
問題は空気の質！
荷下ろし時で基準をクリアしているとしても，締固め，養生でどうなるのか？・・・施工の影響は？
23主な耐凍害性評価試験
１、急速凍結融解試験
ASTM C 666
JIS A 1148

・絶対的な評価を与える試験ではない
・水の影響を受けるコンクリートが対象
・軽量気泡コンクリートには不適切・透水性コンクリートの適用には考慮が必要

２．スケーリング試験
ASTM C 672
・毛管吸収による試験・実現象に近い試験
CIF試験
・コア採取でも試験可能
CDF試験
３．その他
一面凍結試験

・凍結防止剤による影響のあるコンクリートが対象

・多孔質な建材が対象
・凍結融解を繰り返さない・真冬の状態を想定した試験
24耐凍害性に対する東北地方の現状
コンクリート標準示方書およびJIS：→水セメント比：最大55%，空気量：4.5±1.5%
東北地方におけるコンクリート構造物設計･施工ガイドライン（案）2009.3
国交省東北地方整備局→推奨6.0±1.5%・・・実際の運用はなかった。
東日本大震災から復旧・復興
25

2009年のガイドライン（東北地方整備局）は，
東北コンクリート耐久性向上委員会（三浦 尚 東北大名誉教授)で作成
製造WGで空気量を審議
・・・4.5％±1.5%では凍結融解回数の多い東北地方での耐凍害性を保証できないのではないか？（最低で3.0％は十分か？）→最低で4.5％は確保したい→6.0%±1.5％を推奨，とした。
当初は現場打ち・生コンを想定 製品は後回し。
26

凍害及び塩害対策用の高耐久PC桁の採用について（事務連絡）
国交省東北地方整備局 道路部 道路工事課，2014.3.24

ASR対策：塩分環境下でASRを起こさない骨材を使用すること・・・SSW試験（NaClを供給させる）
塩害対策：PC鋼材，鉄筋ともに塗装処理された鋼材を使用。
凍害対策：W/C＝40%以下，荷下ろし時空気量6.0%（4.5～6.9%）27

東北地方における凍害対策に関する参考資料（案）平成29 年3 月国土交通省 東北地方整備局

凍結防止剤（凍結抑制剤）への対策
凍結防止剤（凍結抑制剤）への対策

28

東北地方における凍害対策に関する参考資料（案）平成29 年3 月国土交通省 東北地方整備局
29W/C(%)

S/C

3単位量（kg/m )
C55.0

3.0W
500S
275A(%)
1500

Flow(mm)2.2217

設置期間：平成26年1月～27年1月

30

3132

3334

35

現状の課題！ 凍結防止剤または飛来塩分が必ずある。
いまは，凍害だけでない。。。メカニズムの解明はこれから凍害が疑われる構造物の調査・対策手引書（案），独立行政法人土木研究所寒地土木研究所，2011.10
36■凍害の劣化機構はしっかりと解明されていません。
しかし対策をとることは十分に可能です。
■塩化物イオンの浸入などがあると複合劣化となります。
（凍害促進，塩害助長など）■Na+の侵入→ASR助長

NaCl・・Na+とCl-■耐久性の確保とは？
・・・構造物の性能（耐力低下）抑制，鋼材？？
■各種促進試験方法は劣化機構を直接的に解明するものではありません。
■ポゾラン材料使用時の耐久性もよくわかっていません。しかし，長期耐久性の確保には実績があります。
■よいコンクリートは長持ちします。（温故知新）

37■アルカリシリカ反応（ASR）：
反応性骨材へのアルカリ金属イオン（Na+，K+）の供給
内在+H2O→骨材の膨張 →ひび割れの発生・進展・・・・損傷が進む※凍結（防止剤）抑制剤：多くはNaCl

外来Na供給によるASRの助長

ポゾラン反応による密実化，総アルカリ量の抑制など
特に近年は，遅延型ASR（JIS法で無害と判定された骨材のASR）が課題
38

■ASR抑制の一例・・・ポゾランの利用

NaClのうちのNaの問題

Strain (×1016)

3000
2500
2000
: Plane: CfFA-20in: CfFA-20out: CfFA-10in&10Out

1500
1000
500
0048age (week)

1216

モルタルバー（SSW試験準拠：NaCl20%水溶液浸漬，40℃）
骨材：東北地方産「無害でない」骨材
W/C＝0.50
39

ポゾラン材料（火山灰）混和コンクリート小樽港北防波堤（1897～1908年 施工）
40

廣井 勇

博士の偉業

本田，中村，井元：小樽港北防波堤本体（斜塊部）の健全度について，寒地土木研究所，平成23年度

The Life of a Japanese Christian Civil Engineer, Dr. ISAMI HIROI by Tetsuro Takasaki
41

ちなみに・・・日本最初の鉄筋コンクリート橋（メラン式弧形桁橋：橋長7.3m）

琵琶湖第一疏水第11号橋：京都市山科区御陵（1903年）-国産セメントを試験的に使用田辺朔郎
42■三陸道を中心とした復興道路では，プレキャストPCを採用■秋田県では・事務連絡前に，R7きみまち大橋でプレキャスト床版をほぼ同仕様で施工
・R7荒磯橋更新事業で上部工に高耐久プレキャストPCホロー桁を採用（高耐久PC桁の第１例目）■東北地方整備局では，「東北地方における凍害対策に関する参考資料（案）平成29年３月」により凍結防止剤散布量に基づいた塩害・凍害区分を新たに設定。設計・施工時での品質確保を行う。
東北地方における凍害対策に関する参考資料（案）平成29 年3 月国土交通省 東北地方整備局

43■よいコンクリートとは？
・・・長持ちする（水密性）■耐久性とは？
・・・耐力の低下の抑制

44

ちなみに・・・
2018年JCI東北支部「東北地方における寒中コンクリートの品質確保と高耐久化」に関する研究委員会報告書より・・・

第２章 2.1.5節

寒中コンクリートに関わる海外の基準類と動向：ACIの動向■気温が降下し始めて0℃を記録するような時期となり，日別平均気温が40F（4.5℃）以下で1日以上続く場合は，コンクリート打込み後，24時間以上凍結から保護■春季に向かう時期に，日別平均気温が40F（4.5℃）以上となる場合も，同様にして3日以上保護する■コンクリート用材料の温度について詳細に記載
45■寒中コンクリートの保温に要する費用は過大なものではなく，慎重に行えば得られる利益の方が大きい■建設費を惜しんで耐久性を損なってはならない46

急がず焦らずじっくりと，良いものを造りましょう！

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