Transcript 強いコンクリート構造物つくるためには？

強いコンクリート構造物を作るためには？
－材料と構造の関係－
コンクリート工学研究室
岩城 一郎
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構造材料学で何を学んだか？
• コンクリートの構成材料とその性質
水，セメント，細骨材，粗骨材，混和材料
• コンクリートの性質
フレッシュコンクリート（ワーカビリティー等）
硬化コンクリート（強度，変形，耐久性等）
• コンクリートの製造・施工方法
計量→練混ぜ→運搬→打込み→締固め→養生
• 各種コンクリートの性質と設計・施工上の要点
マスコンクリート，暑中コンクリート，寒中コンク
リート，高流動コンクリート等
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コンクリートとは？
• 水，セメント，細骨材，粗骨材，（混和材料）からな
る．
• 最初軟らかく，時間の経過とともに硬化する．
• 圧縮に強く，引張に弱い．
＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊
• 我が国の社会基盤施設を構成する材料のうち最も
多く用いられているもの．
国内年間需要量約2億m3（国民一人当たり1.5m3/
年）
• 長所：安い，入手しやすい，丈夫，長持ち
• 耐震性，早期劣化問題，環境問題？
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コンクリートは何から出来ているか？
水＋セメント＋砂（細骨材）＋砂利（粗骨材）＋α
→セメントペースト部（約3割）＋骨材部（約7割）
残った
セメント
セメントが
固まったもの
コンクリート橋
砂利
気泡
砂
コンクリート
空隙
セメントペースト
C&Cエンサイクロペディア
（セメント協会）より引用
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なぜコンクリートは硬くなるか？
水とセメントが化学反応し，生成した水和物が
セメント粒子間の隙間を埋めて一体化するため．
（はじめ軟らかく徐々に硬くなる性質）
セメント
セメント
水
練混ぜ直後
数時間後
数日後～数年後
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コンクリートの強さはどれくらい？
• 一般のコンクリートの強さ（圧縮強度）は
30MPa （300kgf/cm2）程度
→さいころの上にKONISHIKIが載っても
壊れない強さ！
体重
60kg
なんと
400人
載っても
壊れない！
直径
10 cm
メガパスカル
３０ MPa の
コンクリート
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コンクリートの強さは何で決まるか？

コンクリートの中身（セメントペーストと骨材）の
弱い部分で決まる．
セメントペーストの強さ＜骨材の強さ
セメントペーストの強さで決まる．
7
コンクリートを強くするには？（Part1）
• セメントペーストを強くする．
• できるだけセメントペースト内部の隙間（空隙）を
少なくする．
水に対するセメントの量を多くする．
• 通常は水：セメント＝1：２（質量比）
水とセメントの比を１：４にしては？
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水に対するセメントの量を多くすると？
練混ぜが困難になる．（ホットケーキ，お好み
焼きを思い出して！）
特殊な薬を使ってセメント粒子を分散させる．
（高性能減水剤）
練混ぜが可能になる．
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圧縮強度(MPa)
水に対するセメント量とコンクリートの
強さとの関係は？
70
60
50
40
30
20
10
0
R 2 = 0.9745
1.5
2
2.5
3
3.5
4
C /W
コンクリートの圧縮強度はC/Wに正比例する．
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コンクリートを強くするには？（Part2）
• 特殊な薬を用いてセメント水比を高く設定する
ことにより，100MPa近い圧縮強度をもつコンク
リートを作ることが可能．ただしこの方法にも
限界がある．
• セメント粒子よりもさらに細かい反応性の物質
を用いて，さらに隙間を埋める．
例：シリカフューム：平均粒径0.1μm程度
（セメント：平均粒径30μm程度）
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シリカフュ-ムを用いると？
通常のコンクリート
セメント
水和直後
数日後から数年後
シリカフュ-ム（S.F.）を
セメント
用いたコンクリート
S.F.
S.F.の使用により100MPa以上の圧縮強度をもつコンク
リートが実現（ただし，骨材も強くする必要がある）
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コンクリートを強くすると？（Part1）
Cost（円）
コストが高くなる．
セメント：10000円/ton，砂・砂利：1000円/ton
16000
14000
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
R 2 = 0.6871
0
10
20
30
40
50
圧縮強度（
M Pa）
60
70
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コンクリートを強くすると？（Part2）
3
セメントの使用量（kg/m
）
セメント量：増→発熱量：増→過大なひび割れ：増→強く
て，値段が高い割には耐久性：低
600
500
R 2 = 0.6193
400
300
200
100
0
0
10
20
30
40
50
圧縮強度（
M Pa）
60
70
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コンクリートを強くしたとしても？
コンクリートは圧縮に対しては大きな力に抵抗するが
引張に対しては小さな力で簡単に壊れてしまう．
引張強さは圧縮強さの1/10以下
いくらコンクリートを圧縮に対して強くしてもそれに見合
う引張強度は得られない．
例 圧縮強度30MPa→引張強度3MPa
圧縮強度100MPa→引張強度6MPa
コンクリートは強ければよいというものではない．
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曲げを受けるコンクリート部材
上側で圧縮力，下側で引張力を受ける
荷重P
荷重とたわみの関係
P
たわみδ
δ
引張側でひび割れが発生し，急激に壊れる．
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引張側に鉄筋を入れると？
荷重とたわみの関係
P
δ
ひび割れは発生するが，十分な荷重に耐え
ることが出来る→鉄筋コンクリート
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さらに鉄筋の量を増やすと
荷重とたわみの関係
P
阪神高速道路㈱HP
より
δ
さらに大きな荷重に耐えることができるが，別
の大きなひび割れが発生し急激に壊れる．
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あばら骨を入れると？
荷重とたわみの関係
P
δ
大きな荷重に耐えることが出来ると共に，急激
な破壊を防止することが出来る．
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鉄筋コンクリートをさらに進化させると？
• プレストレストコンクリート：引張側のコンクリートに圧
縮力を導入→ひび割れのないコンクリート，より大き
な力に耐えられる（コンクリート全体が圧縮力に対し
て抵抗）
鉄筋コンクリート
プレストレストコンクリート
• 支間（スパン）の長い橋，タンク等，重要構造物のほ
とんどはプレストレストコンクリート
20
新たなコンクリート材料の開発
•
•
•
•
•
•
•
•
超高強度鋼繊維補強コンクリート
ダクタルプレミックス+専用鋼繊維+専用減水剤
骨材を使用しない．
鉄筋を使用しない．
太平洋セメント㈱
自己充てん性あり．
HPより抜粋
圧縮強度200MPa以上
曲げ強度40MPa以上
厳しい環境下でも100年
以上の使用に耐えうる．
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酒田みらい橋
• 超高強度鋼繊維補強
コンクリートを用いた
歩道橋
• 最大部材厚8cm
• プレストレストコンク
リート
（外ケーブル方式）
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酒田みらい橋パンフレットより抜粋
これまでの内容の整理
• コンクリートを強くすることは比較的簡単
• コンクリートを強くするとコストがかかる．
• コンクリートをいくら強くしたとしてもコンクリー
ト構造物が強くなるとは限らない（コンクリート
は圧縮に強く，引張に弱い．）
• 鋼材により，適切に補強することが重要
• 新しいコンクリート技術の開発
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まとめ
コンクリートに求められるもの
丈夫
長持ち
美しい
コンクリート
環境に
優しい
要求される性能・
用途に合った最適
な材料，構造形式
を選定することが
重要！！
コンクリート技術者
の使命
安い
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