コンクリート工学年次論文集 Vol.31

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けいざぶろうつくとの
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1 論文高強度コンクリートの水和発熱と自己の初期特性に及ぼす試験体寸法および遅延剤の影響李義培 *1 金圭庸 *2 南正樹 *1 *3 嚴泰善要旨 : 試験体寸法が大きいほど最大水和上昇量, 水和発熱上昇区間の水和上昇量, 材齢 91 日における自己および自己増加区間の自己量は増加し, 遅延剤を混入した場合にはその値は減少する傾向が見られたまた, 水和発熱上昇速度と材齢 91 日における自己の比例関係から, 自己は初期材齢の水和発熱上昇速度によって影響を受けると推察された一方, 凝結と屈曲点および水和上昇時点はセメントの水和反応において密接な関係があることを確認したキーワード : 試験体寸法, 遅延剤, 高強度コンクリート, 水和熱, 自己, 初期特性 1. はじめに水和熱および自己は高強度コンクリートの基本的な初期材齢特性として密接な関係があり, 初期材齢において水和発熱特性は自己に影響を及ぼす既往の研究では, セメントペースト, モルタルおよびコンクリートで発生する自己の大きさおよび発現率は初期材齢の内部の履歴と大きさによって影響を受けると報告されている 1),2),3),4),5) 一方,W/C が低い高強度コンクリートの場合, 打ち込み後数日以内に自己の大部分が発現するため 6), 初期材齢の水和熱および自己の特性と関係は高強度コンクリートの自己において非常に重要だと考えられる従って, 本研究では試験体寸法および遅延剤の影響による高強度コンクリートの水和発熱および自己の挙動特性を分析し, 初期材齢の水和熱および自己の特性と関係を定量的に検討したまた, 凝結の始発および終結の水和物成分分析を行い, 自己評価の基準である凝結と水和および自己の履歴特性との関係を検討した 2. 実験計画および方法 2.1 実験計画表 -1 は本研究の試験体の条件を示したものである高強度コンクリートの水和発熱と自己の関係を評価するため, 試験体の寸法は 1 1 4mm 試験体を基準にして, 試験体の厚さと長さを 1.5 倍大きくした mm 試験体を作製したまた, 実部材の寸法を考慮して 3 3 3mm の簡易断熱試験体を作製し, 加えて遅延剤による初期材齢の水和熱および自己の特性を検討するため遅延剤.3% を混入した 3 3 3mm 試験体も作製した表 -1 試験体の条件区分条件 1) 寸法養生気中 (2 ) 簡易断熱遅延剤混入無し無し有り凝結試験体 - モルタル - 1) 寸法 : ( 試験体の断面長さ ) 2 ( 試験体の長さ ) (mm) 種類セメント細骨材粗骨材遅延剤高性能減水剤表 -2 使用材料の種類と特性物理化学的性質普通ポルトランドセメント密度 : 3.15g/cm 3, 粉末度 : 3,77cm 2 /g 海砂, 密度 : 2.54g/cm 3 F.M. : 3.5, 吸水率 : 1.1% 砕石, 密度 : 2.65g/cm 3 F.M. : 6.2, 吸水率 : 1.39% 糖類系ポリカルボン酸系一方, 水和および自己の履歴と凝結との関係を検討するため, 水和, 自己および凝結を寸法 mm モルタル試験体により測定した水和物の成分分析を行うため同一条件のセメントペースト試験体も作製し, 練混ぜ前のセメント粉末, 始発時, 終結時および一日後の硬化した試料を採取して XRD 分析を行った 2.2 使用材料および調合表 -2 はコンクリート使用材料の種類および特性を示したものである表 -3 はコンクリートの調合を示したもので,W/C 2% と単位セメント量 8kg/m 3 に設定した 2.3 試験体の作製および試験方法 *1 大韓民国忠南大学校大学院建築工学科博士課程 ( 正会員 ) *2 大韓民国忠南大学校建築工学科助教授工博 ( 正会員 ) *3 雙龍洋灰工業 ( 株 ) 技術研究所コンクリート研究室室長工博 ( 正会員 )

W/C (%) 表 -3 コンクリートの調合 Slump 単位量 (kg/m 3 ) -flow S/a (mm) W C G S 2 65±5.

と寸法 15 15 6mm 試験体については 1 日後に型枠を脱型し PE フィルムとアルミニウム接着テープで密封した試験体の内部と自己は熱伝対と埋込み型ひずみゲージを使用して測定し, 測定は 1 分間隔で 91 日までデーターローガ (Data-logger) で記録した一方, 自己を評価するためには初期水和熱による熱膨張の影響を取り除くために補正しなければならない

自己増加区間上昇量上昇率水和発熱上昇速度 - を基準して回帰分析し, 決定係数が.

2 W/C (%) 表 -3 コンクリートの調合 Slump 単位量 (kg/m 3 ) -flow S/a (mm) W C G S 2 65± 図 -3 水和発熱および自己の挙動特性の分析概要図 -1 水和および自己の測定試験模式図図 -2 熱膨張係数の測定試験模式図水和および自己の測定のための試験体の作製および試験模式図を図 -1 に示す寸法 3 3 3mm 試験体は厚さ 1mm の発泡ポリスチレン断熱材で簡易断熱処理し, 型枠を脱型せずにコンクリートのと自己を継続的に測定した寸法 1 1 4mm と寸法 mm 試験体については 1 日後に型枠を脱型し PE フィルムとアルミニウム接着テープで密封した試験体の内部と自己は熱伝対と埋込み型ひずみゲージを使用して測定し, 測定は 1 分間隔で 91 日までデーターローガ (Data-logger) で記録した一方, 自己を評価するためには初期水和熱による熱膨張の影響を取り除くために補正しなければならないこれより本研究では熱膨張を取り除いた自己を式 (1) により計算した ε = ε C + ( C γ ) f i ε ここに, ε f : 熱膨張を取り除いた自己 ( 1-6 ) ε i : 測定した ( 1-6 ) C ε : ゲージの校正係数 ( 1-6 /1 1-6 ) β t (1) 表 -4 分析区間と特性係数の定義および算定方法特性係数定義および算定方法水和発熱上昇区間自己増加区間上昇量上昇率水和発熱上昇速度 - を基準して回帰分析し, 決定係数が.95 以上になる時点 - 最大上昇量の 8% 1) にな時点 - 区間の上昇量 - 上昇量 = T f - T i - 最大上昇量に対する区間の上昇率 - 上昇率 =(T f - T i )/(T m -T ) 1 - 区間の勾配 - 回帰式の回帰係数 (a) - 屈曲点 - 屈曲点を基準に回帰分析して決定係数が.95 以上になる時点 - 区間の縮増量縮増量 - 縮増量 = S f - S i - 材齢 91 日における自己に縮増率対する区間の縮増率 - 縮増率 = (S f - S i )/S 区間の勾配自己速度 - 回帰式の回帰係数 (a ) 1) 断熱上昇式による断熱上昇曲線を分析した既往の研究 7) の結果である C β : ゲージの補正係数 ( 1-6 / ) γ : 試験体の熱膨張係数 ( 1-6 / ) Δt: 変化コンクリートの熱膨張係数 (γ) は各調合および骨材の特性によって異なり, また初期材齢コンクリートの場合水和反応が進むにつれて熱膨張係数の値が変化するため実測値を使用しなければならない本研究ではコンクリートのを一時的に急上昇させて膨張量を計測した既往の研究 4) を基に, 図 -2 に示すように熱伝対と埋込み型ゲージを埋め込んだ Φ1 2mm 試験体を作製

3 熱膨張係数 ( 1-6 / ) 遅延剤無混入遅延剤混入材齢図 -4 熱膨張係数の測定結果表 -5 熱膨張係数の算定結果調合 1) 毎に適用した熱膨張係数遅延剤無混入遅延剤混入 7 以前 y = -1.6x ~ 24 y = 83.23e -.99x 24 以後以前 y = -1.3x ~ 3 y = 93.55e -.768x 3 以後 1.2 1) y : 熱膨張係数 ( 1-6 / ), x : した後, 水槽中の水を 1 分間約 15 づつ上昇させ, その時の試験体の増加量および膨張量を測定して熱膨張係数を算定した 2.4 水和発熱および自己の挙動特性の分析方法初期材齢の水和と自己の挙動特性を定量的に分析するため, 本研究では図 -3 のように水和および自己が急速に増加する区間である水和発熱上昇区間および自己増加区間を分析区間と設定した区間の設定方法は基準点から回帰分析して決定係数が.95 以上になる区間までを設定し, 水和発熱上昇区間の基準点は最大上昇量の 8% 7) にな時点であり, 自己増加区間の基準点は屈曲点であるまた, 各々区間の特性分析と関係検討のために使用した係数の定義および算定方法は表 -4 に示す図 -5 自己および水和の履歴曲線 3. 実験結果および考察 3.1 初期材齢コンクリートの熱膨張係数初期材齢コンクリートの熱膨張係数の測定結果を示した図 -4 によると遅延剤を混入しなかったコンクリートの熱膨張係数は試験体の作製後徐々に低下し, 約 7 後からは急速に低下して約 24 以後からは約 / で一定値となった遅延剤を混入したコンクリートも同様の傾向を示し, 約 3 以後からは約 / の値となった本研究では実測値を用いて表 -5 に示すように各における熱膨張係数を算出し, これにより自己に対して熱膨張補正を行った 3.2 熱膨張補正後の自己と水和の履歴特性図 -5 は水和熱による熱膨張を補正した後の自己と水和の履歴を示したものであり, 試験体作製直後から測定した結果である寸法 1 1 4mm 試験体の最高水和および材齢 91 日における自己は各々 32, で, 寸法 mm 試験体の場合は各々 34, であった寸法 3 3 3mm 試験体は寸法 1 1 4mm 試験体に比べて水和は約 2.3 倍の 73, 自己は約 7 倍の試験体表 -6 水和発熱特性の分析結果回帰式水和発熱上昇速度 ( /hr.) 最大上昇量区間上昇量区間上昇率 (%) Y = X Y = X Y = X ( 遅延剤 ) Y = X

4 表 -7 自己特性の分析結果試験体 ( 1-6 ) ( 1-6 ) 回帰式自己速度 ( 1-6 /hr.) 91 日自己 ( 1-6 ) 区間量 ( 1-6 ) 区間率 (%) Y = X Y = X Y = X ( 遅延剤 ) Y = X 自己 ( 1-6 ) T3 T2 T1 T t t1 t2 4.6 (78.%) * 最大上昇量 = T3 T * 区間の上昇量 = T2 T1 * 区間の上昇率 = T2 T1 T3 T 1 t3 材齢 1.4 (75.9%) (78.%) 36.7 (72.%) 遅延剤無区間の上昇量区間の上昇率図 -6 水和上昇量および上昇率 (44.7%) 33.8 (71.8%) 遅延剤有 (44.%) (33.%) t t1 t2 t91 材齢 S * 91 日自己 S1 = S91 * 区間の量 = T2 T1 * 区間の率 S2 S = S2 S1 S (63.8%) 遅延剤無図 -7 自己量および率区間の量区間の率 (63.5%) 遅延剤有まで増加し, 初期水和が高いほど自己も大きくなった遅延剤を混入した寸法 3 3 3mm 試験体の水和は約 68, 自己は約となり, 遅延剤を混入しなかった試験体に比べて値が小さくなった一方, すべての自己履歴で打ち込み後 5~17 の間に屈曲点が現れ, 内部が急速に上昇すると類似な傾向で見られたまた, 初期自己と水和が急速に増加する履歴の形も非常試験体製作後経過水和発熱上昇区間自己増加区間 t * : t1 * : t2 * t2 : t2 t 遅延剤無遅延剤有図 -8 水和発熱上昇区間と自己増加区間のに類似しており 3), 両者の間には相関性が相当高いと判断された 3.3 初期材齢の水和発熱および自己の挙動分析 (1) 水和発熱の挙動特性表 -6 は水和発熱上昇区間における挙動特性を分析した結果であり, 図 -6 は区間の水和上昇量および最大上昇量に対する区間の上昇率を示したものである本研究の範囲で水和上昇率は全般的に約 7~8% であり, 最大上昇量と水和発熱上昇区間の水和上昇量は試験体寸法が大きくなるほど増加する傾向が見られた水和発熱上昇速度に関して寸法 1 1 4mm および mm 試験体は各々 1.59 /hr. および 1.63 /hr. となり, 寸法 3 3 3mm 試験体は寸法 1 1 4mm 試験体に比べて約 6 倍の 9.9 /hr. で算定され, 試験体寸法が大きくなるほど水和発熱上昇速度も増加する傾向が見られた一方, 遅延剤を混入した試験体の水和発熱上昇速度は減少した (2) 自己の挙動特性表 -7 は自己増加区間における挙動特性を分析した結果であり, 図 -7 は区間の自己量および材齢 91 日における自己に対する区間の率を示したものである水和発熱特性とは異なり試験体寸法が大きく

25 材齢 91 日の自己 ((-1) 1-6 ) 2 15 1 ( 遅延剤 ) 5 * W/C : 2% 15 2 6 1 2 * Cement : OPC, 8kg/m 3 4 1 2 3 4 5 自己速度 ((-1) 1-6 /hr.) 図 -9 自己速度と材齢 91 日の自己の関係自己速度 ((-1) 1-6 /hr.

5 25 材齢 91 日の自己 ((-1) 1-6 ) ( 遅延剤 ) 5 * W/C : 2% * Cement : OPC, 8kg/m 自己速度 ((-1) 1-6 /hr.) 図 -9 自己速度と材齢 91 日の自己の関係自己速度 ((-1) 1-6 /hr.) * W/C : 2% * Cement : OPC, 8kg/m ( 遅延剤 ) 図 mm モルタル試験体の水和, 自己および凝結の測定結果水和発熱上昇速度 ( /hr.) 図 -1 水和発熱上昇速度と自己速度の関係なるほど率も増加し, また材齢 91 日における自己と自己増加区間の自己量も増加した自己速度において, 寸法 1 1 4mm および mm 試験体は各々 /hr., /hr. となり, 寸法 3 3 3mm 試験体は寸法 1 1 4mm 試験体に比べて約 43 倍の /hr. で算定され, 試験体寸法が大きくなるほど自己速度は増加する傾向が見られた一方, 遅延剤を混入した試験体の自己速度は減少した (3) 水和発熱特性と自己特性の関係図 -8 は水和発熱上昇区間と自己増加区間のを比較した図である寸法 1 1 4mm および mm 試験体の場合水和発熱上昇区間と自己増加区間の差が多少発生したしかし, 寸法 3 3 3mm 試験体は遅延剤の有無に関係なく水和発熱上昇区間と自己増加区間のは非常に類似していた図 -9 は自己速度と材齢 91 日における自己の関係を示したものであり, 自己速度が増加するほど材齢 91 日における自己も増加する傾向が見られた図 -12 練混ぜ前のセメント試料, 始発および終結, 1 日後の試料の XRD 分析結果また, 図 -1 は水和発熱上昇速度と自己速度の関係を示したものであり, 水和発熱上昇速度が増加するほど自己速度も増加する傾向が見られた図 -9 と図 -1 の結果から, 水和発熱上昇速度が増加するほど自己速度と材齢 91 日における自己は増加する傾向が見られるすなわち, 初期材齢において水和発熱上昇速度は自己に大きい影響を及ぼすと考えられる 3.4 水和発熱および自己の挙動特性と凝結の関係図 -11 は寸法 mm モルタル試験体の水和, 自己および凝結の測定結果で, 水和温

6 度が上昇する時点と自己が急速に増加する屈曲点が始発と終結の間に位置づけるここで本研究では水和反応による化学成分の変化を精密に分析するために練混ぜ前のセメント粉末, 始発時, 終結時および一日後の硬化した試料を採取して XRD 分析を行い, その結果を図 -12 に示す練混ぜ前のセメント試料では石膏および半水石膏のピークが現れたしかし, 始発時には石膏のピークが減少しエトリンガイトの生成が観察され, さらに終結時の石膏は見れずエトリンガイトのピークが高くなったすなわち, 練混ぜ後石膏と水和物の反応によってエトリンガイトが生成し膨張するまた終結で石膏が全部消費さればエトリンガイトが形態変化を起こし, 水和反応が活性化して水和および自己が急速に増加するこの結果自己履歴に屈曲点が現れ, 初期自己と水和が急速に増加する時点が類似であると判断される 8) 一方, 日本コンクリート工学協会の自己研究委員会の報告書では自己の基点を凝結の始発として定義している 6) これは自己をコンクリートのひび割れの要因として検討するためには流動を伴うフレッシュコンクリートの体積変化を除外する必要があり, その基準を凝結としていた上記の分析結果を基に, フレッシュコンクリートの液性状態から硬化状態に変化する時点, 凝結, 屈曲点および上昇時点はセメントの水和反応過程において密接な関係があることを確認できた 4. まとめ試験体寸法および遅延剤の影響による高強度コンクリートの水和発熱および自己の挙動に対する初期特性を分析した結果は次のようである (1) 試験体寸法および遅延剤に関係なく, 初期材齢での水和熱と自己が急速に増加する時点とそれらの履歴曲線の間には高い相関性があると見られた (2) 試験体寸法が大きくなるほど最大水和上昇量, 水和発熱上昇区間の水和上昇量, 材齢 91 日における自己および自己増加区間の自己量は増加し, 遅延剤を混入した場合にはその値が減少する傾向が現れた (3) 水和発熱上昇速度と自己速度の比例関係から, 初期材齢での水和発熱上昇速度の調節によって自己を低減するものが可能であると考えられる (4) ひび割れ評価において有効自己の基準である凝結と屈曲点および水和上昇時点はセメントの水和反応過程において密接な関係があることを確認した謝辞本論文は 27 年度政府 ( 教育科学技術部 ) の財源に韓国科学財団の支援を受けて遂行された研究 (R ) で, 研究者の一部は 2 段階 BK21 事業の支援を受けましたまた, 雙龍洋灰工業 ( 株 ) 技術研究所の李宗烈所長からご協力を頂き, ここに感謝の意を表します参考文献 1) Bjøntegaard, Ø., Sellevold, E.J. and Hammer, T.A.: High Performance Concrete at Early Ages: Selfgenerated Stresses Due to Autogenous Shrinkage and Temperature, In the Int. Semina : Self-desiccation and its Importance in Concrete Technology, Lund, Sweden, pp. 1-7, ) Bjøntegaard Ø., Sellevold E.J. and Hammer T.A.,: High Performance Concrete at Early Ages: Selfgenerated Stresses Due to Autogenous Shrinkage and Temperature, Supplementary paper at the Third CANMET/ACI International Symposium on Advances in Concrete Technology, Auckland, New Zeeland, pp , ) Horita, T. and Nawa, T.,: A Study on Autogenous Shrinkage of Cement Mixes, J. Struct. Constr. Eng., AIJ 542, pp. 9-15, 21 4) Loukili, A., Chopin, D., Khelidj, A. and Touzo, J. L.: A new approach to determine autogenous shrinkage of mortar at an early age considering temperature history, Cement and Concrete Research 3, pp , 2 5) Shima, T., Matsuda, T., Koide, T., Kawakami, H., Suzuki, Y. and Nishimoto, Y.: Autogenous Shrinkage Characteristic of Ultra High-Strength Concrete Cured under High Temperature (Part1. Experimental Result and Shrinkage Decrease Effect by Expansive Admixture), Proceeding of the architectural research meetings of AIJ, pp. 69-7, 26 6) 自己研究委員会報告書, 日本コンクリート工学協会,1996 7) Euibae Lee, Kyoungmo Koo, Gyuyongkim Kim, Sangsoo Lee and Hayoung Song: A Study on the Relationship between Hydration Heat and Autogenous shrinkage of high Strength Concrete, The 7th International Symposium on Architectural Interchanges in Asia, pp , 28 8) T. Takahasi, H. Nakata, K. Yosida and S. Goto: Influence of Hydration on Autogenous Shrinkage of Cement Paste, Concrete Research and Technology 7, pp , 1996

コンクリート工学年次論文集Vol.35

コンクリート工学年次論文集Vol.35 論文セメント量及びによるコンクリートの断熱温度上昇特性具冏謨 *1 金圭庸 *2 宮内博之 *2 *3 金武漢要旨 : 本研究では, コンクリートの断熱温度上昇に影響を及ぼすセメント量ととの関係を検討したコンクリートの断熱温度上昇特性を評価するためにコンクリート調合を考慮して結合材量を設定し, コンクリートは 25 及び 35 の 2 水準としたセメント量は断熱温度上昇量と温度上昇速度に線形的関係があり,