7. 建築材料の耐久性 (1) 耐久性の定義 狭義 部材 材料の環境作用による劣化に対する抵抗性 広義 建築物 部材の性能の維持存続性 Durability (ISO 15686-1 : 2000) Capability of a building or its parts to perform its required function over a specified period of time under the influence of the agents anticipated in service Durability is not an inherent property of a material or component, although the term is sometimes erroneously used as such 荷重 作用の種類 (ISO 15686-1) 機械的作用 重力 拘束力 変形 熱力学エネルギー 振動 電磁気的作用 放射線 電気 磁気 熱的作用 温度変化 化学的作用 水 酸化剤 還元剤 酸 アルカリ 塩 生物的作用 菌類 動物 7. コンクリートの耐久性 化学的劣化 侵食性流体とセメント硬化体の間の陽イオン交換反応 軟水によるセメント硬化体の加水分解 溶出 空隙率と浸透性の増加 アルカリ性の低下 質量損失 劣化現象の促進 強度と剛性の低下 膨張性生成物の形成 ( 硫酸塩による膨張 アルカリ骨材反応 鉄筋の腐食 ) 内部応力の増加 強度と剛性の低下 ひび割れ スポーリング ポップアウト 変形 1
7. コンクリートの耐久性 物理的劣化 表面摩耗 すり減り 侵食 キャビテーション ひび割れ 体積変化 温湿度の変化による体積変化 空隙中の塩類の結晶圧 荷重 過載荷と衝撃 繰返し載荷 極端な温度下の曝露 凍結融解 火災 劣化作用と維持管理限界状態 中性化 コンクリートの中性化深さが 鉄筋位置にまで到達する ( 鉄筋の腐食開始 ) 塩害 鉄筋の位置におけるコンクリート中の塩化物イオン量が 0.3(0.6, 1.2)kg に到達する ( 鉄筋の腐食開始 ) 凍結融解 コンクリート表面にひび割れ スケーリングが発生する アルカリ骨材反応 アルカリ骨材反応が生じる 化学的侵食 コンクリートが侵食される 乾湿繰返し 温冷繰返し ひび割れが発生する 劣化作用と終局限界状態 中性化 塩害 鉄筋の腐食によるかぶりコンクリートのひび割れ発生 ( 対人 対物安全性上 耐漏水性上 修復性上 ) 腐食による鉄筋の断面欠損が数 10% に到達 ( 構造安全性上 ) 凍結融解 コンクリート表面にひび割れ発生 ( 耐漏水性上 ) かぶりコンクリートの剥落 ( 鉄筋露出 ) ( 対人 対物安全性上 修復性上 ) アルカリ骨材反応 コンクリート表面にひび割れ発生 ( 耐漏水性上 ) 化学的侵食 かぶりコンクリートの欠落 ( 鉄筋露出 ) ( 対人 対物安全性上 修復性上 ) 乾湿繰返し 温冷繰返し コンクリート表面のひび割れ発生 ( 耐漏水性上 ) 中性化による劣化 (1) 2
中性化による劣化 (2) 中性化 ( 炭酸化 ) 反応 Ca(OH) 2 の中性化反応 Ca(OH) 2 +CO 2 CaCO 3 +H 2 O アルカリ性の消失 (ph=8.5~10) C 3 S 2 H 3 の炭酸化反応 C 3 S 2 H 3 +3CO 2 3CaCO 3 +2SiO 2 +3H 2 O セメント硬化体の分解 中性化速度に対する影響要因 外的要因 ( 環境条件 ) 大気中の炭酸ガス濃度 温度 湿度 内的要因 ( コンクリートの性能 品質 ) セメント 骨材 混和材料の種類 コンクリートの圧縮強度 水セメント比 部位 施工程度 仕上材の種類 炭酸ガス濃度 屋外 0.03% 屋内 0.1% 程度 河川中 0.001~0.003% 下水中 0.3% 促進中性化試験 5% 3
外的要因 ( 環境条件 ) の影響 温度高温 CO 2 の拡散速度増加 中性化速度増大 湿度 相対湿度 50~70% で中性化速度最大 相対湿度 100% で中性化速度ゼロ 屋内と屋外 屋内は屋外の 1.7 倍程度 雨掛かり部分 北面 ( 高湿 ) は小さい セメント種類の影響 中性化速度 ( 同一 W/C 同一養生条件 ) 早強 (0.6~0.8)< 普通 (1.0)< 低熱高炉セメント A 種 (1.3) <B 種 (1.4) <C 種 (1.8) フライアッシュセメント B 種 (1.8~1.9) 水和反応の遅いセメント 十分な養生 骨材種類の影響 中性化速度 ( 同一 W/C 同一養生条件) 川砂 川砂利コンクリート (1.0) < 川砂 軽量粗骨材コンクリート < 軽量細骨材 粗骨材コンクリート (1.1~1.5) 骨材の透気性の違い 混和材料種類の影響 AE 剤 AE 減水剤 高性能 AE 減水剤 空気量増加 中性化速度増大 セメント分散 水量減少 中性化速度減少 混和材 ( 粉体 ) の影響ポゾラン反応 Ca(OH) 2 の消費 組織の緻密化 高炉スラグ微粉末 フライアッシュ シリカフューム 粉末度に依存中性化速度増大中性化速度減少 4
圧縮強度 水セメント比の影響 圧縮強度 ( 細孔空隙量 CO 2 の拡散 ) 圧縮強度増加 中性化速度減少耐久設計基準強度 (JASS5) 18N/mm 2 : 一般 ( 耐用年数 30 年 ) 24N/mm 2 : 標準 ( 耐用年数 65 年 ) 30N/mm 2 : 長期 ( 耐用年数 100 年 ) 水セメント比水セメント比減少 中性化速度減少水セメント比 40% で中性化速度ゼロ 圧縮強度と中性化速度の関係 部位 施工の影響 部位 ( 柱 壁 ) 高所ほど中性化速度大 ( 同一打込み ) 締固め十分な締固め 密実 中性化速度減少 ひび割れひび割れに沿って中性化の進行 打継ぎ面打継ぎ部下側で中性化速度著しく増大 仕上げ材種類の影響 中性化速度 ( 仕上げ無し1.0) プラスター 0.8 モルタル下地プラスター 0.4~0.6 モルタル 0.3~0.6 モルタル下地塗装 0.2~0.4 タイル 0.1~0.4 石張り 0.1~0.2 仕上げ材の劣化も要考慮 5
中性化の予測 ( t 則 ) 基本式 C=A t C: 中性化深さ A: 中性化速度係数 岸谷式 t=0.3(1.15+3x)c 2 /R 2 (x-0.25) 2 t=7.2c 2 /R 2 (4.6x-1.76) 2 (x 0.6) (x 0.6) x: 水セメント比 R: 中性化比率 ( セメント 骨材 化学混和剤に関するパラメータ ) 中性化の予測 ( 拡散方程式 ) CO 2 の拡散 C/ t = D 2 C/ x 2 CO 2 の拡散 + 中性化反応 C/ t = D 2 C/ x 2 - kcca CO 2 の拡散 + 中性化反応 + 炭酸化反応 C/ t = D 2 C/ x 2 -R 1 CCa - R 2 CC CSH 中性化に伴うコンクリートの変質 水分が逸散した細孔空隙に CO 2 侵入 CO 2 が細孔溶液に溶解 (CO 3 2-, HCO 3- ) Ca(OH) 2 と炭酸イオン 重炭酸イオンが中性化反応し CaCO 3 を生成 CSH ゲルと炭酸イオン 重炭酸イオンが炭酸化反応し CaCO 3 を生成 中性化 炭酸化により ph 低下 細孔構造変化 中性化による建築物の性能低下 コンクリートの品質 水セメント比混和材置換率かぶり厚さ施工不良 中性化 鉄筋腐食 ひび割れ 塩化物イオンの濃縮 構造性能の低下日常安全性の低下美観の低下 6
鉄筋のかぶり厚さのばらつき 中性化領域と鉄筋腐食 中性化の進行 中性化による鉄筋腐食の進行 中性化深さ かぶり厚さ 腐食開始 打放し 塗装仕上 塗直し タイル仕上げ 仕上厚さ モルタル仕上げ 時間 7
塩害による劣化 (1) 塩害による劣化 (2) 塩害 (1) 塩化物イオンのコンクリート表面への付着 立地環境 海岸形状 海岸からの距離 風速 風向 建築部位 コンクリート表面の塩分濃度 仕上げ材 塩化物イオンの拡散 移流 固定化 コンクリートの特性 ( 空隙構造 固定化能力 ) C/ t = D 2 C/ x 2 D: 拡散係数 塩害 (2) 空隙量 水セメント比 強度 混和材の種類 ( フライアッシュ 高炉スラグ微粉末 ) と量 ( 置換率 ) セメントの反応率 ( 養生方法 養生温度 養生期間 ) 固定化能力 セメントの種類と量 セメントの反応率 ( 養生方法 養生温度 養生期間 ) 混和材の種類 ( フライアッシュ 高炉スラグ微粉末 ) と量 ( 置換率 ) 仕上げ材の種類と耐久性 8
塩害 (3) 塩害 (4) 塩化物イオン濃度 表面濃度 40 50 60 年 塩化物イオンの拡散係数 ポルトランドセメントの場合 logd = {4.5*(W/C) 2 +0.14 *(W/C)-8.47}+log(3.15*10 7 ) 高炉セメントの場合 logd = {19.5*(W/C) 2-13.8 *(W/C)-5.74}+log(3.15*10 7 ) 仕上げ厚さ 20 10 30 かぶり厚さ 発錆限界濃度 コンクリート表面からの距離 鉄筋の腐食 鉄筋の腐食 鉄筋の腐食 鉄筋の腐食 アノード反応 :Fe 2e - +Fe 2+ カソード反応 :O 2 +2H 2 O+4e - 4OH - 錆 :FeO(H 2 O) x 体積膨張 (2~6 倍 ): 酸化状態に依存 溶液中に塩化物イオンがない場合 不動体被膜は ph11.5 以上で安定 溶液中に塩化物イオンがある場合 Cl - /OH - モル比 >0.6 :ph>11.5でも不動体被膜が破壊 コンクリートの電気抵抗 50~70kΩcm 腐食速度は非常に遅い 9
鉄筋の腐食と構造物の耐荷性 鉄筋の腐食と降伏点の低下 Ⅰ 鉄筋の腐食 鉄筋断面積減少 部材耐力の減少 鉄筋断面積減少 ひび割れ発生 かぶりコンクリート剥落 変形 破壊の局所化 部材耐力の減少 変形量の増大 軸方向ひび割れの発生 付着強度の低下 変形 破壊の局所化 曲げ耐力の低下 付着破壊モード 靱性の低下 鉄筋の腐食と降伏点の低下 Ⅱ 鉄筋の腐食とヤング係数の低下 10
鉄筋の腐食と付着強度の低下 Ⅰ 鉄筋の腐食と付着強度の低下 Ⅲ 鉄筋の腐食と梁の曲げ耐力 鉄筋の腐食と柱のせん断耐力 11
凍結融解による劣化 (1) 凍結融解による劣化 (2) 凍結融解 (1) 劣化形態 ひび割れ スポーリング スケーリング 劣化メカニズム 毛細管空隙中の水の凍結 体積の増加 (9%) 空隙の膨張 or 過剰水の押出し 水圧の発生 ひび割れ 水圧の大きさを左右する因子 漏出境界 ( 気泡 エントレインドエア ) までの距離 ( 気泡間隔 ) 硬化体の浸透性 ( 組織の空隙構造 : 空隙の大きさ 数 連続性 ) 氷の形成速度 ( 冷却速度 ) 凍結融解 (2) コンクリート中の水分 建築物の部位 ( 水がかり ) 養生条件 仕上げ材 凍結融解回数 凍結温度 立地条件 ( 日最低 最高温度 ) 疲労破壊 コンクリートの特性 ( 気泡分布 強度 骨材 ) 12
凍結融解 (3) 気泡分布 空気量 気泡間隔係数 気泡間隔 :0.1~0.2mm 気泡の大きさ :0.05~1mm 化学混和剤量 (AE 剤 AE 減水剤 高性能 AE 減水剤 ) 骨材 骨材の凍結融解抵抗性 融氷剤 プラス効果 : 氷形成温度の低下 マイナス効果 : 塩の吸湿による飽水度の増加 : 空隙中の過冷却水の凍結による破壊 : 塩の濃度勾配 凍結時間差 応力差 : 過飽和溶液中での結晶の成長 仕上げ材の種類と耐久性 凍結融解 (4) 相対動弾性係数空気量 6% 要求耐用年数立地環境建築部位 ASTM 相当サイクル数 90% サイクル 空気量 3% アルカリ骨材反応による劣化 (1) アルカリ骨材反応による劣化 (2) 13
アルカリ骨材反応による劣化 (3) アルカリ骨材反応 (1) 骨材中の反応性シリカ分とアルカリとの反応によるアルカリシリカゲルの生成 コンクリート中の反応性シリカ量 骨材の種類 石英安山岩 凝灰岩 シリカ質頁岩 シリカ質石灰岩 石英岩 コンクリート中のアルカリ濃度 セメント 化学混和剤のアルカリ成分 アルカリ金属イオン (Na + K + ) 水酸化物イオン (OH - ) 混和材の種類と量 アルカリシリカゲルの吸水膨張 水分の存在 立地環境 建築部位 硫酸による劣化化学的侵食 (1) 十分に水和したセメント硬化体 比較的難溶性のカルシウム水和物 (CSH CH) 平衡状態 高 ph の細孔溶液 高濃度の Na + K + OH - ph=12.5~13.5 酸性 中性環境 (ph<12.5) では化学的に非平衡状態 アルカリ性の低下 水和生成物の不安定化 ph 6 : 化学的侵食の速度は遅い ph<6 : 軟水 汚水中の遊離 CO 2 : 地下水 海水中の SO 4 2- Cl - : 工業用水中の H + 14
化学的侵食 (2) 酸によるコンクリート表面の侵食 コンクリートの特性 水酸化カルシウム量 ( セメントの種類 混和材の種類と量 ) Ca(OH) 2 +H 2 CO 3 CaCO 3 [ 不溶性 ]+2H 2 O CaCO 3 +CO 2 +H 2 O Ca(HCO 3 ) 2 [ 水溶性 ] 地下水 海水の ph 8 : 遊離 CO 2 濃度は無視可能 ph 7 : 遊離 CO 2 は有害な濃度 空隙量 ( 水セメント比 セメントの水和率 ) 仕上げ コンクリートでは対処できない場合の表面保護 化学的侵食 (3) 硫酸塩によるコンクリートの侵食 モノサルフェート (C 3 A CaSO 4 18H 2 O) のエトリンガイト (C 3 A 3CaSO 4 32H 2 O) への変化 C 3 A CaSO 4 18H 2 O+2Ca(OH) 2 +2SO 4 +12H 2 O C 3 A 3CaSO 4 32H 2 O C 3 A Ca(OH) 2 18H 2 O+2Ca(OH) 2 +3SO 4 +11H 2 O C 3 A 3CaSO 4 32H 2 O 水酸化カルシウム CSHゲルの石膏への変化 Na 2 SO 4 +Ca(OH) 2 +2H 2 O CaSO 4 2H 2 O+2NaOH 高アルカリ性の保持 :CSHゲルの安定化 MgSO 4 +Ca(OH) 2 +2H 2 O CaSO 4 2H 2 O+Mg(OH) 2 Mg(OH) 2 3MgSO 4 +3CaO 2SiO 2 3H 2 O+8H 2 O 3(CaSO 4 2H 2 O)+3Mg(OH) 2 +2SiO 2 H 2 O Mg(OH) 2 : 不溶性 低アルカリ性 CSHゲルの不安定化 コンクリートのポーラス化 脆弱化 15