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1 土研新技術ショーケース 1 in 熊本 研究背景 1 改質セメントによるコンクリートの高耐久化技術 塩害 コンクリート構造物の劣化が顕在化 中性化 性能規定型設計体系への移行 道路橋示方書 土木研究所寒地土木研究所寒地保全技術研究グループ耐寒材料チーム吉田行 < 共同研究 : 北海道大学 日鐵セメント株式会社 日本サミコン株式会社 > 凍害化学的腐食 温泉水 維持管理費 補修費等 LCC の増加 補修 改築工事に伴う環境負荷の増大 長期的な耐久性の確保が重要 耐久性の確保 目標期間 1 年 研究背景 近年のコンクリートの要求性能 長期的な耐久性の確保 長寿命 維持管理費の削減 LCC の削減 環境に及ぼす影響の低減 セメント 結合材 の改質 コンクリートに求められる性能 性能設計耐用年数 1 年 橋梁下部工 擁壁等 橋梁上部工 PC コンクリート構造物の高耐久化 ex; 道路橋示方書では塩害対策区分 S 所定かぶり + 塗装鉄筋の使用 コンクリート塗装などを併用 初期コスト等の増加 コンクリート自体の高耐久化 効率的なLCCの削減 環境負荷の低減も可能 セメント 結合材 の改質各種セメントと混和材の積極的な利用 耐久性 耐塩害性 耐凍害性等耐凍害性等 耐久性 耐塩害性 耐凍害性等耐凍害性等 ひび割れ抵抗性 乾燥収縮 ひび割れ抵抗性 乾燥 自己収縮 低発熱性 大規模 温度ひび割れ 早期強度 低熱セメント ビーライト系セメント 高炉スラグ微粉末 早強セメント 早期強度の確保 各種混和材の組合せ 高炉スラク フライアッシュ シリカフューム ビーライト系セメントとは? ビーライト CO SiO が多いセメント 長期強度発現に優れる 水和熱が小さい 球形に近く流動化しやすい 強度発現 各鉱物の特性 相対比較 エーライト C S ビーライト C S アルミネート相 C A フェライト相 C 4AF 初期 1 日程度 中 小 大 小 早期 ~8 日 大 中 小 小 長期 8 日以降 中 大 小 小 水和熱 中 小 大 中 化学抵抗性 中 大 小 大 4 セメントの鉱物組成 セメント 比表面積 :m /g C S C S C A C 4AF 普通セメント OPC : 54% ビーライト系セメントト B : 4 5% 一般的なもの 市販品 低熱ポルトランドセメント JIS R 51 初期強度発現が小さい 耐久性は? 中性化 耐凍害性 5

2 高炉スラグ微粉末とは? 製鉄所の溶鉱炉で銑鉄と同時に生成される溶融高炉スラグを急冷精製した高炉水砕スラグを乾燥微粉砕したもの 潜在水硬性 :COH などのアルカリ存在下で水と反応硬化 水和熱の抑制 アルカリシリカ反応の抑制 硫酸塩や海水に対する化学抵抗性の向上 塩化物イオンや酸素の浸透に対する抵抗性の向上 初期強度発現が小さい 乾燥収縮が大きい? 高炉 B 種セメント 6 使用結合材 シリーズ 1 下部工対応 ビーライトセメント B : 比表面積,17 m /g ベースセメント ビーライトセメント B6 : 6,41 m /g 普通ポルトランドセメント OPC:,7 m /g 高炉 B 種セメント BB: 4,8 m /g 混 和 材 高炉スラグ微粉末 4S4,6S6, 7S8 m /g シリーズ 上部工対応 ベースセメント早強ポルトランドセメント HP : 混和材 4,77m /g 高炉スラグ微粉末 6HBS6: 6,m /g フライアッシュⅡ 種 HF:,71m /g シリカフューム HSF1: 1,m /g 7 物性 強度 発熱 収縮特性 8 圧縮縮強度 MP 圧縮強度発現シリーズ1 橋梁下部対象 :W/B=4% セメント単味 W/B=4% 材齢 日 圧縮強度 MP 改質ビーライト従来ビーライト普通セメント高炉 B 種 1 W/B=4% スラグ置換 改質ビーライト普通セメント高炉 B 種改質 + スラグ6 改質 + スラグ8 スラグ置換率 6% 材齢 日 圧縮縮強度 N/mm 圧縮強度発現 シリーズ 上部工対象 :W/B=4% 水結合材比 4% プレテンション方式 材齢 日 HP HBS6 HF HSF1 いずれも一般的な設計基準強度 σ84n/mm 以上 シリカフュームを用いたケースは材齢初期より強度大 高炉スラグは 材齢 8 日以降シリカフュームと同程度 1 断熱温度度上昇量 シリーズ 1W/B=%: 高流動コンクリート B=5g/m 断熱温度上昇特性 B=5g/m B=5g/m B6 B OPC 経過日数 日 断熱温度度上昇量 B=467g/m B=5g/m B=49g/m B=48g/m B=48g/m B6 S6-4 S6-6 S8-4 S 経過日数 日 低熱セメントとスラグの使用による水和熱の抑制 11

3 収縮特性 乾燥収縮 1 1 乾燥収縮ひずみ シリーズ 1:W/B=4% W/B=4% ひずみと質量減少率の関係 耐久性試験結果 塩分浸透 浸透 中性化 凍結中性化 凍結融解融解 スケーリング抵抗性 化学的抵抗性 粉末度 6 以上の高炉スラグ混入 高炉スラグ微粉末 6 ブレーン以上で収縮が抑制される傾向 質量減少が小さいものほど収縮は小さい傾向 電気泳動によるコンクリート中の塩化物イオンの実効拡散の実効拡散係数試験方法 案 陰極 JSCE-G571- 直流安定電源 15V 陽極 14 塩化物イオンの実効拡散係数 塩分浸透抵抗性評価 塩分の浸透予測 1 年後 表面塩分量 9g/m 汀線 で試算 15 NCl 水溶液.51mol/L % 透過セル供試体 φ1 5m NOH 水溶液.mol/L Cl - 電極 チタンメッシュ 試験装置 高炉スラグとシリカフュームを用いた配合は実効拡散係数が極めて小さい 促進中性化試験結果 16 凍結融解試験結果 17 質量変化率 % 淡水 シリーズ -1-1 塩水 水比 4% では改質ビーライトの中性化深さが若干大 水比 % では中性化深さが極めて小さい 相対動弾性係数 % 早強セメント早強 + フライアッシュ早強 + シリカフューム早強 + 高炉スラク 1 サイクル数 回 早強セメント早強 + シリカフューム早強 + 高炉スラク 1 サイクル数 回

4 スケーリング試験の概要 ASTM C 67 温度履歴 1 サイクル : 時間 ~ 8 時間 目視評価 スケーリング量 深さ測定 養生 : 7 日間湿布養生 8 日まで気中養生 相対湿度 6% 温度 m m.5m % ー NCl 水溶液試験水湛水 m 18 スケーリング量 g/ m. 水結合材比 =4% 改質ヒ ーライト試験溶液従来ヒ ーライト 1.6 %NCl 溶液普通セメント高炉 B 1. 改質 +S6-4.8 改質 +S6-6 S6: 高炉スラグ微粉末.4 比表面積 6クラス置換率 4 or 6% 凍結融解サイクル 回 スケーリング抵抗性 高炉 B 種セメント 19 1m 土手の据付け 1 面凍結融解試験 改質ビーライト + スラグ 6 従来ビーライト 低熱ポルト 化学的抵抗性 硫酸浸せき試験結果 硫酸濃度 :5%pH= 約.1 シリーズ 1 対象構造物 用途 一般構造物 強度発現特性 性能一覧 収縮特性 断熱 自己 凍害 スケーリンク 初期 中 長期強度 乾燥収縮 中性化 塩害 セメントの種類 温度 収縮 空気量による 抵抗性 化学的 抵抗性 W/B W/B W/B W/B W/B W/B W/B W/B 1~7 7~8 91 以降 W/B W/B4 以下 4 以上 以下 4 以上 以下 4 以上 以下 4 以上 普通ポルトランドセメント 高炉 B 種セメント - 改質ビーライト系セメント 耐久性 1 擁壁 橋脚 橋台などの大型構造物 低熱ポルトランドセメント - - 改質ビーライト + 高炉スラグ 改質ビーライト + 高炉スラグ6 6% - - 改質ビーライト + 高炉スラグ 8 6% - : 極めて良好 : 良好 : 適用環境や要求性能による判断が必要 : 別途対策が必要 -: 未実施 普通セメント改質 + スラグ 8 改質 + スラグ 4 シリーズ 強度発現特性収縮特性耐久性対象断熱自己凍害凍害スケーリンク 化学的初期中 長期強度乾燥収縮中性化塩害構造物セメントの種類温度収縮 真水 塩水 抵抗性抵抗性 用途 W/B W/B W/B W/B W/B W/B W/B W/B W/B W/B W/B W/B W/B 1~7 7~8 91 以降未実施未実施 4% 5% 4% 45% 4 以下 45% 4 以下 45% 4 以下 45% 5% 4% 45% 早強ポルトランドセメント PC 構造物や冬期施工 早強 + 高炉スラグ6 早強 + シリカフューム - 早強 + フライアッシュ - : 極めて良好 : 良好 : 適用環境や要求性能による判断が必要 : 別途対策が必要 -: 未実施 要求性能および LCC を考慮した適切な選択が重要 試験施工事例 1 改質セメントコンクリートの試験施工 橋梁地覆 早強セメントと高炉スラグ微粉末を組合せたコンクリートW/B=4% の性能評価 海岸線から 5m 程度の塩害対策 S 区分地域 施工箇所 新設橋梁の地覆コンクリート橋長 5m:PC 単純箱桁 改良セメント試験施工箇所 含浸材試験施工箇所 試験施工事例 改質セメントコンクリートの試験施工 皿形側溝 早強 普通セメントと高炉スラグ微粉末を組合せたコンクリートの性能評価 皿形側溝 U 型トラフ 道路用縁石 護岸堤模擬試験体 渡島半島 海側 試験施工状況 吐出状況 打設終了後 地覆 既設橋 供用 8 年 の地覆コンクリート劣化状況 施工量 1.8m ポンプ圧送性 脈動もなく良好 施工性の検証 耐久性に関する調査を継続 工場製品への適用性の確認

5 形側溝 中性化の影響皿中性化の影響品上面浸透面試験施工事例 改質セメントコンクリートの試験施工 工場製品 早強 普通セメントと高炉スラグ微粉末を組合せたコンクリートの性能評価 調査 1 回分 1 年後回収 製品 1 普通 + スラク 標準品 即脱型 製品 早強 + スラク 北海道の峠 6 合目および7 合目付近の登り車線側 既設劣化状況 4 皿形側溝の試験施工前後 施工箇所 1 付近 施工箇所 5 即脱製品 開発品 6 合目付近 7 合目付近 耐久性に関する調査を継続 即時脱型製品との比較 冬期間は概ね雪に覆われている 雪の下は未確認 凍結防止剤の影響を受ける環境下にある 塩化物イオンの浸透状況 流込み型 年目 6 7 セメントペースト中の塩化物イオンの濃度分布 製7 合目設置 6 合目設置 普通 + スラグ 年経過後 早強 + スラグ 年経過後 普通 + スラグ 年経過後 早強 + スラグ 年経過後 塩分浸透深さスラグ製品 < 即脱型 極表層部が低濃度特に即脱型 即脱型 一般 年経過後 即脱型 一般 年経過後 経年的に表層部の塩分濃度が増加 スラグ製品は一般即脱型より内部への浸透が少ない傾向 早強セメント + 高炉スラグ 6LCC 試算例 橋梁形式 : ポストテンション方式 T げた橋 現場打ち施工 改質セメントコンクリート単価 : 通常の 1. 倍程度 橋長 m 5 径間数 - 総幅員 m 1.7 排水桝の個数 個 計算期間 年 1 ケース 1 一部塗装併用 ケース 高耐久セメント 塩害対策区分 S 塩害対策区分 S 環境区分 凍結防止剤 使用する 使用する 交通量 交通量普通 交通量普通 コンクリート強度 σ=4n/mm σ=4n/mm N/mm コンクリート種類標準 早強 コンクリート 改質セメント かぶり 7mm 7mm mm 鉄筋 エポキシ鉄筋部分使用 普通鉄筋 PC 鋼材縦締め 普通 PC 鋼材 普通 PC 鋼材 PC 鋼材横締め 普通 PC 鋼材 普通 PC 鋼材 シース縦締め ポリエチレンシース ポリエチレンシース シース横締め ポリエチレンシース ポリエチレンシース 表面塗装 桁端塗装 塗装無し 支承 ゴム支承 TYPEB ゴム支承 TYPEB 地覆 高耐久地覆 タイフ 高耐久地覆 タイフ 高欄 コンクリート製壁高欄 コンクリート製壁高欄 舗装 普通アスファルト舗装 普通アスファルト舗装 橋面防水 シート防水 シート防水 排水桝 鋼製 鋼製 コスト係数 LCC 試算結果 初期コストで 5% 1 年後で % 程度のコスト縮減が可能 ケース 1 ケース 年 使用ソフト 新設 PC 橋のライフサイクルコスト CRCソリューションズ 社 プレストレスト コンクリート建設業協会監修 8 改質セメントコンクリートの配合設計施工マニュアル 案 第 1 章総則 1.1 適用範囲 1 この設計施工マニュアル 案 は 各種セメントおよび混和材の適切な組合せにより耐久性の向上を図る 改質セメントを用いたコンクリートの設計施工についての一般の標準を示すものである このマニュアル 案 に示されていない事項は 土木学会コンクリート標準示方書および関連する施工指針等による この設計施工マニュアル 案 における混和材の置換率の範囲は 各種混和材を用いた混合セメントの B 種相当を標準とする 1. 用語の定義改質セメント - 各種セメントおよび各種混和材の種類および置換率を コンクリートの要求性能に応じて適切に組み合わせ 従来の一般的なセメントよりも性能を向上させた結合材の総称 混和材 - セメントあるいは骨材の一部を代替して用い セメントとの使用により ポゾラン反応あるいは潜在水硬性を有する無機質粉末 なお 本マニュアル 案 では 高炉スラグ微粉末 シリカフュームおよびフライアッシュに限定する 膨張材は収縮抑制対策として別途定義 9

6 e p i d lim Cd C d p d e lim s ds e 1 D e s.8 s 1 s / B B6 OPC B6S86 BS フレッシュコンクリートの空気量 % 改質セメントコンクリートの配合設計施工マニュアル 案 第 章コンクリートの品質.1 総則改質セメントを用いたコンクリートは 高性能減水剤または高性能 AE 減水剤によって 品質のばらつきが少なく 作業に適するワーカビリティーを有するとともに 硬化後は所要の性能を持つものでなければならない. セメントと混和材の種類および混和材置換率の選定セメントと混和材の種類および混和材置換率は その使用目的に応じて要求されるコンクリートの品質を満足するように適切なものを選定しなければならない 各種結合材を用いたコンクリートの性能 強度発現特性 収縮特性 耐久性 対象 断熱 自己 凍害 凍害 スケーリンク 化学的 初期 中 長期強度 乾燥収縮 中性化 塩害 構造物 セメントの種類 温度 収縮 真水 塩水 抵抗性 抵抗性 用途 W/B W/B W/B W/B W/B W/B W/B W/B W/B W/B W/B W/B W/B 1~7 7~8 91 以降 未実施 未実施 4% 5% 4% 45% 4 以下 45% 4 以下 45% 4 以下 45% 5% 4% 45% 早強ポルトランドセメント 早強 + 高炉スラグ6 PC 構造物や 冬期施工 早強 + シリカフューム - 早強 + フライアッシュ - : 極めて良好 : 良好 : 適用環境や要求性能による判断が必要 : 別途対策が必要 : 検討中 -: 未実施 第 章材料 セメント 混和材 剤 に関する規定 改質セメントコンクリートの設計施工マニュアル 案 第 4 章配合ひび割れ抵抗性の照査要求性能の決定拘束応力, 自由収縮ひずみコンクリートの性能の設定ひび割れ発生確率 E ひび割れ指数の設定 :I d p 1, [ 1 exp ] 収縮ひび割れ抵抗性の照査使用材料, 配合の選定 h 収縮ひずみ量の予測と照査 拘束応力, 引張強度の予測, 1 1 ひび割れ指数の算定 :I r No 引張強度, ヤング係数ひび割れ抵抗性を満足する I r I p? /. 結合材の種類, 水結合材比の領域抽出 Yes E 1 5 /.4 / 6 使用材料, 配合の抽出耐久性の照査耐久性の照査へ 各特性値の予測と照査 耐久性の照査中性化塩害凍害 耐久性を満足する結合材の種類, 配合条件の決定強度の照査要求性能を満足する配合の決定配合設計フロー 中性化速度係数 鋼材腐食発生限界深さ y y mm/ 週 屋外 =.8 屋内 = mm/ 週 屋外 5 年, 屋内 7 年まで mm/ 週 上記以降 D W / B i y d y 1. y lim: 鋼材腐食発生限界深さ y d : 中性化深さの設計値 C d : かぶりの設計値 C : 中性化残り mm 1~5mm γ: 諸係数 見かけの拡散係数への変換 6. exp.587 r D.168 r 4.87 拡散係数による塩害照査 D e : 実効拡散係数 m / 年 γ l C 1-er.1 / D d +C x, W/B: 水結合材比 γ i C li m ゴンペルツ曲線 DF ^ exp AIR DF: 耐久性指数, AIR: フレッシュコンクリートの空気量 : グラフのスケールに関する係数耐久性指数の上限値 1 とした,: グラフの形状を決定する係数 =1. 1-4,C=. 耐久性指数 85 を満足する空気量 5.8% 以上 6% を目安耐久性指数 7 4.7% 以上耐久性指数 6 4.% 以上 1. 耐久性指数 空気量と耐久性指数の関係 1 改良セメントコンクリートの配合設計施工マニュアル 案 第 5 章コンクリートの製造および打込み貯蔵設備 計量 練混ぜ 運搬および打込みに関する基本的事項 第 6 章養生 6. 湿潤養生混和材を用いたコンクリートは 特に 初期の養生が極めて重要 混合セメント B 種の湿潤養生基準を標準とする 湿潤養生期間の標準 日平均気温 普通セメント 混合セメントB 種 早強セメント 15 以上 5 日 7 日 日 1 以上 7 日 9 日 4 日 5 以上 9 日 1 日 5 日 第 7 章工場製品工場製品の製造および成形において 特に必要な事項 コンクリートの品質 促進養生 製造方法 流込み 即時脱型方式 特に留意すべき事項 各種セメントや混和材を用いたコンクリートの性能評価は 事前に試験練り等を行い確認することが原則 各種セメントや混和材の選定にあたっては その供給量や品質を事前に確認するとともに 地域の状況により運搬や貯蔵に費用を要する場合もあるため 供給体制等も含めて確認しておく レディーミクストコンクリートや工場製品として実際に用いる場合には あらかじめコンクリート工場との協議が必要 各種指定事項 製品の種類等 高炉スラグ微粉末に添加される石こう量はJISの上限値の4% 程度を推奨 初期強度発現および自己収縮の低減 高性能 AE 減水剤あるいは AE 減水剤の使用により凝結時間が遅れる傾向があるため 型枠や支保工にかかる圧力を考慮しておく 強度が早期に確保された場合でも 所定の養生期間は湿潤状態を保つ 特に寒中コンクリートとして施工する際は留意が必要 4 改質セメントコンクリートの設計施工マニュアル 案 については 寒地土木研究所のホームページより無償で公開する予定 H4 年度中 本技術に関するお問い合わせは 下記までお願いいたします 寒地土木研究所 hp:// 技術相談窓口寒地技術推進室 TEL: FAX: MAIL:gijuusoudn@eri.go.jp 研究チーム直通 耐寒材料チーム TEL: 担当 : 吉田

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強度のメカニズム コンクリートは 骨材同士をセメントペーストで結合したものです したがって コンクリート強度は セメントペーストの接着力に支配されます セメントペーストの接着力は 水セメント比 (W/C 質量比 ) によって決められます 水セメント比が小さいほど 高濃度のセメントペーストとなり 接着 コンクリートの強度 コンクリートの最も重要な特性は強度です ここでは まず コンクリート強度の基本的特性について解説し 次に 呼び強度および配合強度がどのように設定されるか について説明します 強度のメカニズム 強度の影響要因 強度性状 構造物の強度と供試体強度 配合 ( 調合 ) 強度と呼び強度の算定 材料強度のばらつき 配合強度の設定 呼び強度の割増し 構造体強度補正値 舞鶴市および周辺部における構造体強度補正値

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