Transcript 高性能コンクリート
高性能コンクリート コンクリート工学研究室 岩城 一郎 コンクリート構造物に求められるもの 新設構造物 安全性 （丈夫） （これから造るもの） 耐久性 （長持ち） 美観 （美しさ） コンクリート 構造物 環境低負荷 （環境への影響） 高耐久化 既設構造物 （いまあるもの） 経済性 （安さ） 延命化 2 新設構造物を長持ちさせるためには？ • コンクリート構造物の生涯にわたり要求される 性能（安全性，耐久性，施工性等）を満足する 適切な構造計画・設計・施工・維持管理が必要 • コンクリート構造物の高性能化 →高性能コンクリートの使用 * 高強度化→高強度コンクリート * 高耐久化→高耐久コンクリート * 高流動化→高流動コンクリート 高性能コンクリート（High-performance Concrete） • 1990年代初頭：我が国では自己充てん性を有 するコンクリートを意味する用語として用いられ ていた．By Okamura • 同時期に欧米では一般に水セメント比W/Cまた は水結合材比W/Bを25-30%程度にまで小さくし た高強度コンクリートあるいは高耐久コンクリー トを意味する． 高性能コンクリートの種類 高強度コンクリート（High-strength Concrete） • 一般のコンクリートに比べ，強度の高いコンクリート．土木で は設計基準強度f’ck=60MPa以上，建築ではf’ck=42MPa以 上，超高強度コンクリート：f’ck=100MPa以上 高耐久コンクリート（High-durability Concrete） • 一般のコンクリートに比べ，耐久性の高いコンクリート（定義 があいまい：おかれる環境ごとに劣化要因が異なる）例 非常 に厳しい環境においても所要の耐用年数（50年）を満足する コンクリート，一般あるいは厳しい環境において，耐用年数 100年を満足するようなコンクリート 高流動コンクリート（High-fluidity Concrete） • 材料分離抵抗性を損なうことなく，流動性を著しく高めたコン クリート．このうち，締固めが不要なコンクリートについては自 己充てん性を有するコンクリート(Self-compacting Concrete) と呼ぶ． 高強度コンクリート • 低水結合材比→細孔組織の緻密化（f’c－C/W関係は直線） • 反応性微粉末混和材の使用（シリカフューム：比表面積 200,000cm2/g，粉末度の高い高炉スラグ微粉末：8000cm2/g ＞普通ポルトランドセメント：3000cm2/g）→細孔組織の緻密 化と遷移帯の改質（水酸化カルシウムの消費） • 遷移帯（Transition Zone）：セメントペーストと骨材界面に存 在する厚さ20μm程度の脆弱な層，水酸化カルシウムの結 晶が多く存在，コンクリートの力学的性質や物質移動性に大 きな影響を及ぼす．（ブリーディングの影響を大きく受ける場 合，界面での性質はさらに悪化） • 高性能（AE）減水剤の使用→フレッシュコンクリートの品質の 向上 • 良質な骨材の使用→骨材強度＞セメントペースト強度 普通コンクリートと高強度コンクリートの違い 普通強度コンクリートの一例（寒冷地仕様） • W/C=50%，AE剤使用，スランプ8cm，空気量4.5%， f’ck=30N/mm2 高強度コンクリートの一例 • W/B=25%，B=C+SF，SF/(C+SF)=10%，高性能AE減水 剤使用，スランプ8cm or スランプフロー60cm，空気量 4.5%，f’ck=80N/mm2 高強度コンクリートの用途 • 部材の軽量化と部材寸法の縮小，高強度化≒高耐久 化→信頼性の向上，LCCの低減 • 具体的には圧縮力が卓越する部材（柱，PC部材） 高強度コンクリートの問題点 • 引張強度（および弾性係数）は圧縮強度の増加割合 ほど期待できない．例 示方書式 ftk=0.23f’ck2/3， f’ck=30MPa→ftk=2.22MPa，f’ck=60MPa（2倍） →3.53MPa（1.6倍），圧縮強度に対する引張強度に比 1/13.5→1/17 • 破壊が脆性的であり，変形性能に乏しい（ポストピー ク）． • 温度ひび割れおよび収縮ひび割れの危険性 大 • 耐火性：火災を受けたときに爆裂し易い．コンクリート 中の水蒸気圧の上昇 • 高濃度の硫酸環境：普通コンクリートよりも侵食速度 大（例 下水溝構造物のうち特に腐食性環境の厳しい ところ，強酸性の温泉地域） 高耐久コンクリート • 基本的には高強度コンクリート＝高耐久コンク リート＝高性能コンクリートと考えられていた． →水和熱および自己収縮・乾燥収縮に起因し たひび割れ等の要因により，必ずしも成り立た ない． • 低水セメント比とすることによる組織の緻密化と 混和材（GGBS，SF，FA）の使用による，物質移 動性の制御および遷移帯の改質（水酸化カル シウムの消費） • 施工段階におけるひび割れの制御 各劣化要因に対する高耐久化(1) 塩害に対して • W/Cの低下→細孔組織の緻密化 • 施工段階におけるひび割れの制御（使用材料の吟味：セメント， 膨張材等＋施工方法：養生等） • 高炉スラグ微粉末の使用による塩分の固定化（フリーデル氏 塩：Cl-とC3Aの反応により3CaO・Al2O3・CaCl2・10H2Oが生成）の 促進→耐久性の向上に寄与 中性化に対して • W/Cの低下→細孔組織の緻密化 • 施工段階におけるひび割れの制御 • 高炉スラグ微粉末を混和した場合，（少なくとも促進試験結果で は）中性化の進行が速くなるため注意（鉄筋腐食との相関は明 らかではない．） 各劣化要因に対する高耐久化(2) 凍害に対して • W/C45%以下，空気量4-6%とすればほぼ満足 • 低W/C，低空気量の場合，暫くは良好な耐凍害性を示すものの， 突然，急激に低下する．（標準的な300サイクルの試験方法では 判定できない．）特に乾燥の影響を受けた場合，その傾向が強 い→高強度であっても，AEコンクリートとすることが不可欠． ASRに対して • 混和材（スラグ，FA，SF）の添加が有効 • 水，アルカリ，反応性骨材のどれかを制御 • 単に水セメント比を下げただけではASR対策とはならない． 化学的侵食に対して • 高濃度の硫酸が作用する場合，低水セメント比のコンクリートほ ど侵食作用が激しい． • スラグの混和による効果は確認（著しい耐久性の向上は認めら れない）：コンクリートによる対策は現在のところ困難 高流動コンクリート • 要求性能：高流動性，材料分離抵抗性（高粘 性），間げき通過性→自己充てん性：フレッシュ コンクリートの自重により型枠内に充てんする 性能 • 試験方法：流動性→スランプフロー試験（スラン プフロー500-750mm），粘性→V漏斗試験（漏斗 流下時間7-13s），間げき通過性→自己充てん 性のレベルに応じて鉄筋による障害のレベルを 変えたボックス試験（充てん高さ300mm以上） 高流動コンクリートの種類 • 粉体系高流動コンクリート：増粘剤を用いず，主 に水粉体比の減少により，適正な材料分離抵 抗性（高粘性）を付与した高流動コンクリート． • 増粘剤系－：増粘剤により，適正な材料分離抵 抗性を付与した高流動コンクリート． • 併用系－：主に水粉体比の減少により，適正な 材料分離抵抗性を付与し，増粘剤によってフ レッシュコンクリートの品質変動を少なくした高 流動コンクリート 高流動コンクリートの特徴 • • • • 単位粗骨材量が少なく，高性能（AE）減水剤（SP剤）の使用量が多い 粉体系：水粉体比 小，増粘剤系：増粘剤の使用が不可欠 ブリーディングおよびレイタンスの発生が少ない．（高粘性） 凝結硬化が遅延する傾向（流動性確保のため，SP剤により初期の水 和反応を抑制） • 使用材料の品質変動，計量誤差による影響を受け易い→厳しい品質 管理，製造管理，施工管理が必要 • コンクリートポンプによる圧送時の抵抗 大 用途 • 振動締固めが困難な箇所（振動機が入らないところ．例 サンドイッチ 構造，コンクリート充填鋼管柱） • 工場製品（騒音防止） • 汎用コンクリートとしての適用（打込み作業の省力化，合理化，コンク リートの品質に対する信頼性の向上） 問題点 • コスト，品質変動，型枠の補強 高流動コンクリートの製造（実験室） 各種漏斗の外観および寸法 O漏斗 V漏斗 230 150 150 465 425 490（500） 単位:mm 75 65 （75） （ ）内数値は吐出口75mmの 場合の寸法を示す． 高流動コンクリートの間げき通過性試験方法 高流動コンクリートの間隙通過性試験（現場） 高流動コンクリートの施工現場 各種高流動コンクリートの配合表の比較 粉体系高流動コンクリート 粗骨材 の最大 寸法 （mm） 20 自己充 目標スラ V漏斗 てん性 ンプフ 流下時 のラン ロー 間 ク （mm） （秒） 2 650±50 7-13 水結合 水粉体 空気量 単位粗 材比 容積比 （%） 骨材絶 （%） （%） 対体積 （m3/m3 ） 29.8 81.2 6.0 0.307 単位量（kg/m3） 水 W セメ フライ 細骨材 粗骨材 高性能 AE剤 S G AE減 （g/m3 ント アッ C 水剤 ） シュ FA 156 304 220 740 827 8.38 135.5 増粘剤系高流動コンクリート 粗骨材 の最大 寸法 （mm） 20 自己充 目標スラ V漏斗 てん性 ンプフ 流下時 のラン ロー 間 ク （mm） （秒） 2 650±50 7-13 水結合 水粉体 空気量 単位粗 材比 容積比 （%） 骨材絶 （%） （%） 対体積 （m3/m3 ） 40 128 5.5 0.325 単位量（kg/m3） 水 W セメ 混和材 細骨材 粗骨材 高性能 増粘剤 S G AE減 ント C 水剤 175 430 － 790 827 8.6 8.0 併用系高流動コンクリート 粗骨材 の最大 寸法 （mm） 20 自己充 目標スラ V漏斗 水結合 水粉体 空気量 単位粗 てん性 ンプフ 流下時 材比 容積比 （%） 骨材絶 （%） （%） のラン ロー 間 対体積 ク （mm） （秒） （m3/m3 ） 2 650±50 7-13 33 93.0 4.5 0.313 単位量（kg/m3） 水 W セメ フライ 細骨材 粗骨材 高性能 増粘剤 S G AE減 ント アッ C 水剤 シュ FA 170 360 155 758 825 9.01 1.0 各種高性能コンクリートの関係 共通の条件 - 水セメント比の低減 - 高性能（AE）減水剤の使用 - 混和材の使用 ・ 高炉スラグ微粉末 ・ フライアッシュ ・ シリカフューム等 自己充てん型高強度 高耐久コンクリート（S.Q.C） ・設計基準強度60-100MPa ・設計性能保持期間100年 ・予定供用期間300-500年 高強度 コンクリート 高流動 コンクリート 高耐久 コンクリート 自己収縮， 水和熱の抑制 自己充てん型高強度高耐久コンクリートの一例 要求性能 - f’ck=80N/mm2 寒冷地の腐食性環境：耐用年数100年(かぶり50mm) - 自己充てん性を有する高流動コンクリート：所要の流 動性，粘性，間げき通過性を満足 配合条件 - 低熱ポルトランドセメント，シリカフューム使用 - W=160kg/m3，W/B=25%，SF/B=10%，SP=B*1.5%， Air=4.5%，単位粗骨材絶対体積 0.300m3/m3 粗骨材 の最大 寸法 （mm） 20 自己充 目標スラ V漏斗 てん性 ンプフ 流下時 のラン ロー 間 ク （mm） （秒） 2 650±50 7-13 水結合 水粉体 空気量 単位粗 材比 容積比 （%） 骨材絶 水 （%） （%） 対体積 （m3/m3 W ） 25.0 76.0 4.5 0.300 単位量（kg/m3） セメ シリカ 細骨材 粗骨材 高性能 AE剤 ント フューム AE減 （g/m3 S G 水剤 ） C SF 160 576 64 740 827 9.60 128.0