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凍害 コンクリート工学研究室 岩城 一郎 凍害とは • 劣化要因：凍結融解作用 • 劣化現象：コンクリート中の水分が凍結と融解を 繰り返すことによって，コンクリート表面からス ケーリング，微細ひび割れおよびポップアウトな どの形で劣化する現象． • 劣化指標：相対動弾性係数（コンクリート標準示 方書〔施工編〕），凍害深さ（同〔維持管理編〕） 凍害による劣化機構 三浦尚著，土木材料学，コロナ社より抜粋 • コンクリート中のペーストおよび骨材に含まれている水分が凍結すると， 体積が増大し，それによって発生した圧力は，近くに空げきがあって緩 和されない限り，まわりのペーストを破壊し，コンクリートにすき間（細か いひび割れ）をつくる．その後，水が供給されてそのすき間が水で満たさ れた後，再び凍結すると，膨張によってそのすき間がさらに広がる．そし て，このようなことが繰り返されることによって劣化は進行する． • コンクリートの間げき中の水はアルカリ溶液であるため，コンクリートの 温度が下がると，大きな間げきの水の一部が氷になる．すると，同じ間 げき中の未凍結部分ではアルカリ濃度が高くなり，浸透圧の関係で周 辺の凍結していない水を引きよせる（その結果，一部の間げきの脱水に より，コンクリートは凍結初期には収縮する）．そのため，氷の体積はま すます増大し，その膨張圧によってコンクリートが破壊される．ただし， 多くの気泡がある場合には，水の移動が妨げられ，このようなことは起 こらない． • コンクリート中にある過冷却の液体と氷との蒸気圧の違いによって，大 きな間げき，あるいはコンクリート表面などのような凍結可能な所への 水分の移動が起こる．その結果，ペースト中に部分的な脱水が起こり （この結果，コンクリートは凍結の初期には収縮する），また，裂け目や ひび割れ中への氷の蓄積が起こる． 凍害による劣化機構の概念図 図：日本コンクリート工学協会，「融雪剤によるコンク リート構造物の劣化研究委員会報告書」より抜粋 凍害による劣化形態 (1) ひび割れ D-cracking Map-cracking 写真：土木学会，コンクリートライブラリー109， 「コンクリートの耐久性に関する研究の現状とデータ ベース構築のためのフォーマットの提案」より抜粋 (2) スケーリング（scaling） 縁石のスケーリング（融雪剤の影響） スケーリング (3) ポップアウト（pop out） 鋼材の露出 低品質粗骨材 の使用 腐食の促進 写真：土木学会，コンクリートライブラリー109， 「コンクリートの耐久性に関する研究の現状とデータ ベース構築のためのフォーマットの提案」より抜粋 凍害に影響を及ぼす要因 内的要因 • 水セメント比：細孔組織が緻密で凍結可能な自由水が少ない． • 空気量：AEコンクリート（微小な気泡を人工的に連行させたコン クリート）とすることにより耐凍害性が飛躍的に改善 • 飽水度（コンクリート中の空隙にどれ位水分が満たされている か？）：ある値以下であれば，優れた耐凍害性を示す．一般に Non-AEで80%程度，AEで90%程度（理論上は飽水度91.7%以下 であれば氷の形成に伴う膨張圧は作用しない．） • 気泡間隔係数 ASTM C 457：200-250μm以下とすることにより 優れた耐凍害性を示す． 外的要因 • 気象条件（最低気温，日射量，凍結融解回数），水の供給条件 • 最低気温：冷却最低温度が低いほどより小さな細孔径まで凍結 可能． • 日射量：凍害は凍結作用だけでなく融解作用が不可欠． • 水の供給条件：乾燥していれば凍害は発生しない． 凍害に影響に影響を及ぼす要因 Referring to Properties of Concrete, 4th Edition by A. M. Neville 凍害に対する劣化対策 • 水セメント比を下げ，組織を緻密化する • AEコンクリートとすることによりコンクリート中に 所定の空気量を連行する． • 良質な骨材を使用する． • 水分の供給を遮断することにより，コンクリート 内部の飽水度の上昇を防ぐ． 凍害による劣化の考え方 耐久性（機能性） - 構造物本体の耐荷性能に影響を及ぼすことは稀． - コンクリート塊の落下等第三者被害は重要な問題． - 塩分環境下においては鋼材腐食を促進させる恐れあり． 美観 スケーリング，ひび割れ等 が卓越すれば，市民に 不安感，不快感を与える． →資産価値の低下 転載不可 10 凍害に関する研究 ・北海道内陸ほどではないが，凍害 危険度 高 ・JCI東北支部「東北地方におけるコンク リート構造物の凍害に関する調査研究 委員会（2001年）」（委員長：庄谷先 生）：凍害の実態調査 長谷川・藤原著：コンクリート構造物の耐久性 シリーズ 凍害 より抜粋 庄谷，月永：コンクリート工学，Vol.42，No.12，pp.3-8，2004． 融雪剤の散布による劣化の促進 • 1991年スパイクタイヤの規制： 融雪剤（主にNaCl）の散布量 急増（規制前の約10倍） • JCI「融雪剤によるコンクリート 構造物の劣化研究委員会 （1999年）」 （三浦尚委員長） • 劣化の特徴 - コンクリート表面の激しいス ケーリングとして現れる凍害 - アルカリ骨材反応の促進 - コンクリート中の鋼材の急速な 腐食（塩害） - およびこれらの複合劣化 三浦尚：コンクリート工学，Vol.38，No.6，pp.3-8，2000． 12 凍害に関する今後の検討課題 凍害の発生 中性化及び塩分浸透の促進 耐久性の低下 CO2及びCl－のコンクリート 内部への浸透 鉄筋腐食の 促進 スケーリング及び 微細ひび割れの進展 設計時のかぶり スケーリング 深さ ・凍害による劣化を他の劣化要因 （例えば中性化や塩害）との複合劣化 問題として捉える． ・凍害を受けたコンクリート内部の 物質移動性の把握→モデル化 健全部 鉄筋 劣化深さ 元の 微細ひび割れ コンクリート 表面 凍害による劣化形態の概念図