JP5064605B2 - コンクリート構造物の単位膨張材量決定方法 - Google Patents

Description

本発明は、コンクリート素材とコンクリート構造物及びその製造方法に関し、特に、鉄筋コンクリート構造物等の壁やスラブ等の面部材に好適に用いられ、初期欠陥となる乾燥収縮及び温度収縮に起因するひび割れを抑制または防止することが可能なコンクリート素材とコンクリート構造物及びその製造方法に関するものである。

近年、鉄筋コンクリート構造物や鉄骨鉄筋コンクリート構造物等の建築構造物の分野においては、耐震性の向上等の観点から、耐久性のより高いものが要求されている。
建築構造物の高耐久化を図るためには，初期欠陥となるひび割れを防止しなければならないが、このひび割れは、特に、壁やスラブ等の面部材において発生し易いために、これらの面部材においては、特に初期の養生過程において、主に乾燥収縮に起因するひび割れを抑制もしくは防止する必要がある。このひび割れの主要因としては、乾燥収縮や自己収縮および温度応力が挙げられる。

そこで、温度応力を低減するために、従来のセメントを改良した低発熱形セメントが提案され実用に供されている（例えば、非特許文献１参照）。
また、収縮を低減するために、膨張材や収縮低減剤が提案され実用に供されている（例えば、非特許文献２参照）。

「低熱ポルトランドセメントを用いた超高強度コンクリートの実用化に関する研究」、日本建築学会学術講演梗概集、２０００年、Ａ−１（材料施工）、ｐ．９１９−９２０ 「コンクリートの自己収縮研究委員会報告書」２００２年９月、（社）日本コンクリート工学協会、ｐ．２０７−２１０

ところで、従来のコンクリート構造物においては、収縮と温度応力が絡み合ってひび割れが発生するものであるから、収縮の低減、あるいは温度応力の低減という個別の対策を単独で採用するだけでは、コンクリート構造物に発生するひび割れを防止することは困難である。
また、最近では、低発熱形セメントと膨張材（あるいは収縮低減材）を併用したコンクリート素材を用いることにより、コンクリート構造物の温度ひび割れ対策を図っている。
この場合、強度低下を引き起こさないために、（社）土木学会の「膨張コンクリートの設計施工指針」では、膨張材を添加したコンクリートの拘束膨張率を１５０×１０−６〜２５０×１０−６と規定している。しかしながら、収縮の影響が顕著な場合においては、ひび割れ防止の観点から各コンクリート素材の各構成材料本来の性能を把握した上で各構成材料の最適な使用量を検討する必要があるが、このような検討を行った例はいまだに無いのが現状である。

特に、乾燥収縮が顕著なコンクリート構造物の場合、そのひび割れ発生を抑制もしくは防止するために、膨張材の使用量を増加させることが考えられる。この場合、鉄筋等の拘束があればケミカルプレストレスや硬化体組織の緻密化などが図られるために、ひび割れに対して本来の効果を十分に発揮することが可能であるが、この場合においても、配筋する鉄筋の方向性により拘束が小さいまたは無いに等しい場合、過度な膨張が生じて硬化体組織が緩み、場合によっては微細なひび割れが生じることさえある。
このように、乾燥収縮が顕著なコンクリート構造物においては、従前にも増して硬化体組織が緩まない範囲で十分に大きな膨張率を確保するために、その膨張率の選定が重要となるが、このような検討を行った例はいまだに無いのが現状である。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、特に乾燥収縮によるひび割れが顕著となるスラブや壁等の構造物を構成する面部材において、初期欠陥となる乾燥収縮に起因するひび割れを抑制または防止することができるコンクリート構造物の単位膨張材量決定方法を提供することを目的とする。

本発明者等は、鋭意検討した結果、低発熱形セメントと低添加型膨張材とを組み合わせた場合に、この低添加型膨張材の単位量を１２．５〜２７．５ｋｇ／ｍ^３とすれば、スラブや壁等の構造物を構成する面部材においても、初期欠陥となる乾燥収縮に起因するひび割れを抑制または防止することができることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明のコンクリート素材は、低発熱形セメントと、低添加型膨張材と、骨材とを含み、前記低添加型膨張材の単位量は１２．５〜２７．５ｋｇ／ｍ^３であることを特徴とする。

このコンクリート素材では、前記低発熱形セメントを、低熱ポルトランドセメントとするのが好ましい。
前記低添加型膨張材を、エトリンガイト−石灰複合系膨張材とするのが好ましい。

本発明のコンクリート構造物は、低発熱形セメントと、低添加型膨張材と、骨材と、水とを含むコンクリート材料を打設してなるコンクリート構造物であって、前記コンクリート材料の打設後、養生７日目における膨張率は１５０×１０^−６〜７５０×１０^−６の範囲内であることを特徴とする。

前記低発熱形セメントと前記低添加型膨張材との和に対する前記水の割合Ｘ（重量％）と、前記コンクリート材料における前記低添加型膨張材の単位量Ｙ（ｋｇ／ｍ^３）とは、次式
２５．０−０．２５Ｘ≦Ｙ≦４７．５−０．５Ｘ
を満足することが好ましい。

前記コンクリート材料は２５℃以上の高温の温度領域にて打設され、この高温打設時における前記低添加型膨張材の単位量は１７．５〜２７．５ｋｇ／ｍ^３であり、かつ、前記低発熱形セメントと前記低添加型膨張材との和に対する前記水の割合Ｘ（重量％）と、前記コンクリート材料における前記低添加型膨張材の単位量Ｙ（ｋｇ／ｍ^３）とは、次式
３０．０−０．２５Ｘ≦Ｙ≦４７．５−０．５Ｘ
を満足することが好ましい。

また、前記コンクリート材料は１５℃以上かつ２５℃未満の中温の温度領域にて打設され、この中温打設時における前記低添加型膨張材の単位量は１５〜２５ｋｇ／ｍ^３であり、かつ、前記低発熱形セメントと前記低添加型膨張材との和に対する前記水の割合Ｘ（重量％）と、前記コンクリート材料における前記低添加型膨張材の単位量Ｙ（ｋｇ／ｍ^３）とは、次式
４０．０−０．５Ｘ≦Ｙ≦４５．０−０．５Ｘ
を満足することとしてもよい。

さらに、前記コンクリート材料は１５℃未満の低温の温度領域にて打設され、この低温打設時における前記低添加型膨張材の単位量は１２．５〜２２．５ｋｇ／ｍ^３であり、かつ、前記低発熱形セメントと前記低添加型膨張材との和に対する前記水の割合Ｘ（重量％）と、前記コンクリート材料における前記低添加型膨張材の単位量Ｙ（ｋｇ／ｍ^３）とは、次式
２５．０−０．２５Ｘ≦Ｙ≦４２．５−０．５Ｘ
を満足することとしてもよい。

本発明のコンクリート構造物の製造方法は、低発熱形セメントと、低添加型膨張材と、骨材と、水とを含むコンクリート材料を打設するコンクリート構造物の製造方法であって、前記低発熱形セメントと前記低添加型膨張材との和に対する前記水の割合Ｘ（重量％）と、前記低添加型膨張材の単位量Ｙ（ｋｇ／ｍ^３）とが、次式
２５．０−０．２５Ｘ≦Ｙ≦４７．５−０．５Ｘ
を満足するように、前記低発熱形セメント、前記低添加型膨張材及び前記水それぞれの量を調製することを特徴とする。

本発明のコンクリート素材によれば、低発熱形セメントと、低添加型膨張材と、骨材とを含み、前記低添加型膨張材の単位量を１２．５〜２７．５ｋｇ／ｍ^３としたので、初期欠陥となる乾燥収縮に起因するひび割れを防止することができる。

本発明のコンクリート構造物によれば、コンクリート材料の打設後、養生７日目における膨張率を１５０×１０^−６〜７５０×１０^−６の範囲内としたので、特に乾燥収縮によるひび割れが顕著となるスラブや壁等の構造物を構成する面部材においても、初期欠陥となる乾燥収縮に起因するひび割れを防止することができる。

本発明のコンクリート構造物の製造方法によれば、低発熱形セメントと低添加型膨張材との和に対する水の割合Ｘ（重量％）と、前記低添加型膨張材の単位量Ｙ（ｋｇ／ｍ^３）とが、次式
２５．０−０．２５Ｘ≦Ｙ≦４７．５−０．５Ｘ
を満足するように、前記低発熱形セメント、前記低添加型膨張材及び前記水それぞれの量を調製するので、乾燥収縮に起因するひび割れが生じないコンクリート構造物を作製することができる。

本発明の一実施形態の高温打設コンクリート材料における水／（セメント＋膨張材）に対する低添加型膨張材の単位膨張材量の範囲を示す図である。 本発明の一実施形態の中温打設コンクリート材料における水／（セメント＋膨張材）に対する低添加型膨張材の単位膨張材量の範囲を示す図である。 本発明の一実施形態の低温打設コンクリート材料における水／（セメント＋膨張材）に対する低添加型膨張材の単位膨張材量の範囲を示す図である。 中温打設コンクリート材料（Ｎｏ．１〜６）の材齢（日）における一軸拘束膨張率を示す図である。 中温打設コンクリート材料（Ｎｏ．７〜１２）の材齢（日）における一軸拘束膨張率を示す図である。 中温打設コンクリート材料（Ｎｏ．５、１３〜１６）の材齢（日）における一軸拘束膨張率を示す図である。 高温打設コンクリート材料（Ｎｏ．２１〜２７）の材齢（日）における一軸拘束膨張率を示す図である。 高温打設コンクリート材料（Ｎｏ．２８〜３３）の材齢（日）における一軸拘束膨張率を示す図である。 低温打設コンクリート材料（Ｎｏ．４１〜４７）の材齢（日）における一軸拘束膨張率を示す図である。 低温打設コンクリート材料（Ｎｏ．４８〜５３）の材齢（日）における一軸拘束膨張率を示す図である。 ひび割れ抵抗試験を行うコンクリート試験体の形状を示す断面図である。 ひび割れ抵抗試験におけるひび割れ発生の一例を示す模式図である。 ひび割れ抵抗試験による応力の測定結果とひび割れ発生時点を示す図である。 普通ポルトランドセメントを使用したコンクリート材料のひび割れ発生の一例を示す模式図である。 低熱ポルトランドセメントを使用したコンクリート材料で単位膨張材量を変化させた場合の応力の測定結果を示す図である。

本発明のコンクリート素材とコンクリート構造物及びその製造方法を実施するための最良の形態について説明する。
本実施形態のコンクリート素材は、低発熱形セメントと、低添加型膨張材と、骨材とを含むものである。

低発熱形セメントは、水和熱が低く、打設後の材齢が長期に亘った場合においても十分な強度を有するものであればよく、例えば、ケイ酸二カルシウム（２ＣａＯ・ＳｉＯ_２）を４０重量％以上とし、アルミン酸三カルシウム（３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３）を６重量％以下とした低熱ポルトランドセメントが好適に用いられる。この低熱ポルトランドセメントは、日本工業規格：ＪＩＳ Ｒ ５２１０において規格化されている。

低添加型膨張材は、打設後のコンクリート構造物の収縮を補償するもので、例えば、石灰系膨張材、エトリンガイト系膨張材、エトリンガイト−石灰複合系膨張材等が好適に用いられる。
エトリンガイト−石灰複合系膨張材としては、例えば、遊離石灰を５０重量％、アウイン（３ＣａＯ・３Ａｌ_２Ｏ_３・ＣａＳＯ_４）を２０重量％、無水石膏を３０重量％含む膨張材が好適に用いられる。

低添加型膨張材の単位量は、１２．５〜２７．５ｋｇ／ｍ^３が好ましく、例えば、１５℃〜２５℃の温度にてコンクリートを打設する場合、セメントと膨張材の和に対する水の割合が０．４５のときは、１７〜２３ｋｇ／ｍ^３である。
低添加型膨張材の単位量を上記のように限定した理由は、単位量が１２．５ｋｇ／ｍ^３未満では、膨張材の添加効果が小さく、乾燥収縮に対して十分な膨張効果が得られず、その結果、コンクリート構造物の収縮を補償することができないからであり、また、単位量が２７．５ｋｇ／ｍ^３を越えると、過度の膨張が生じる虞があり、その結果、コンクリート構造物に微細なひびが生じる虞があるからである。

また、この単位量の最適な範囲は、コンクリート素材を打設する際の外気温度により変化する。例えば、夏場の高温時には、コンクリートの硬化が速いため、低添加型膨張材の単位量を多くする必要がある。反対に、冬場の低温時には、コンクリートの硬化が遅いため、低添加型膨張材の単位量を少なくする必要がある。

ここで、外気温度の範囲を３種類の温度領域に分類した場合の、各温度領域における単位量の最適な範囲は次の通りである。
（１）高温領域
２５℃以上の温度領域であり、この高温領域にてコンクリート材料を打設する場合の低添加型膨張材の単位量は１７．５〜２７．５ｋｇ／ｍ^３である。

（２）中温領域
１５℃以上かつ２５℃未満の温度領域であり、この中温領域にてコンクリート材料を打設する場合の低添加型膨張材の単位量は１５〜２５ｋｇ／ｍ^３である。
（３）低温領域
１５℃未満の温度領域であり、この低温領域にてコンクリート材料を打設する場合の低添加型膨張材の単位量は１２．５〜２２．５ｋｇ／ｍ^３である。

例えば、セメントと膨張材の和に対する水の割合が０．４５のときは、高温領域における低添加型膨張材の単位量は１９〜２５ｋｇ／ｍ^３、中温領域における低添加型膨張材の単位量は１７〜２３ｋｇ／ｍ^３、低温領域における低添加型膨張材の単位量は１４〜２０ｋｇ／ｍ^３である。

骨材は、通常のコンクリートに用いられるものであれば、特に限定されるものではなく、細骨材としては、川砂、陸砂、破砕砂等が、また、粗骨材としては、川砂利、陸砂利、破砕石等が、好適に用いられる。
このコンクリート素材は、必要に応じて減水剤等を添加してもよい。
減水剤としては、例えば、ＡＥ減水剤、高性能減水剤、高性能ＡＥ減水剤等が好適に用いられる。

本実施形態のコンクリート材料は、上述した低発熱形セメント、低添加型膨張材、骨材、水、必要に応じて減水剤等を秤量し混合することにより得られる。
この低発熱形セメントと低添加型膨張材との和に対する水の割合Ｘ（重量％）と、コンクリート材料における低添加型膨張材の単位量Ｙ（ｋｇ／ｍ^３）とは、次式
２５．０−０．２５Ｘ≦Ｙ≦４７．５−０．５Ｘ
を満足することが好ましい。

特に、２５℃以上の高温領域にてコンクリート材料を打設する場合は、次式
３０．０−０．２５Ｘ≦Ｙ≦４７．５−０．５Ｘ
を満足することが好ましい。

また、１５℃以上かつ２５℃未満の中温領域にてコンクリート材料を打設する場合は、次式
４０．０−０．５Ｘ≦Ｙ≦４５．０−０．５Ｘ
を満足することが好ましい。

また、１５℃未満の低温領域にてコンクリート材料を打設する場合は、次式
２５．０−０．２５Ｘ≦Ｙ≦４２．５−０．５Ｘ
を満足することが好ましい。

図１〜図３は上記の式を図示したもので、本発明のコンクリート材料における水／（セメント＋膨張材）Ｘ（重量％）に対する低添加型膨張材の単位膨張材量Ｙ（ｋｇ／ｍ^３）の範囲を示したものである。これらの図においては、２本の直線により単位膨張材量Ｙの上限値と下限値を示している。
ここで、図１は３０℃（高温領域）にてコンクリート材料を打設した場合の水／（セメント＋膨張材）Ｘ（重量％）に対する低添加型膨張材の単位膨張材量Ｙ（ｋｇ／ｍ^３）の範囲を、図２は２０℃（中温領域）にてコンクリート材料を打設した場合の水／（セメント＋膨張材）Ｘ（重量％）に対する低添加型膨張材の単位膨張材量Ｙ（ｋｇ／ｍ^３）の範囲を、図３は１０℃（低温領域）にてコンクリート材料を打設した場合の水／（セメント＋膨張材）Ｘ（重量％）に対する低添加型膨張材の単位膨張材量Ｙ（ｋｇ／ｍ^３）の範囲を、それぞれ示している。

図中、「○」は膨張もしくは乾燥収縮に起因するひび割れが全く認められないことを、「×」は膨張もしくは乾燥収縮に起因するひび割れが認められたことを、それぞれ示している。また、図１中の直線Ｌ_Ｈ１は高温領域（Ｈ）の上限を、直線Ｌ_Ｈ２は高温領域（Ｈ）の下限を、図２中の直線Ｌ_Ｍ１は中温領域（Ｍ）の上限を、直線Ｌ_Ｍ２は中温領域（Ｍ）の下限を、図３中の直線Ｌ_Ｌ１は低温領域（Ｌ）の上限を、直線Ｌ_Ｌ２は低温領域（Ｌ）の下限を、それぞれ示している。
なお、上限を上回る領域でのひび割れは、コンクリートの膨張に起因するものであり、下限を下回る領域でのひび割れは、コンクリートの乾燥収縮に起因するものである。

このひび割れの評価は、水／（セメント＋膨張材）Ｘ（重量％）と低添加型膨張材の単位膨張材量Ｙの異なるコンクリート材料を複数種類作製し、各コンクリート材料毎に２個ずつ１０ｃｍ×１０ｃｍ×１５０ｃｍの大きさのコンクリート試験体を作製し、このコンクリート試験体の表面を目視にて観察し、膨張もしくは乾燥収縮に起因するひび割れの有無を調べた。

図１によれば、コンクリート素材を打設する際の外気温度が高温領域（Ｈ）の場合、低添加型膨張材の単位膨張材量（ｋｇ／ｍ^３）の範囲がこれらの直線Ｌ_Ｈ１、Ｌ_Ｈ２の範囲内、
すなわち、
３０．０−０．２５Ｘ≦Ｙ≦４７．５−０．５Ｘ
を満足するものであれば、初期欠陥となる膨張もしくは乾燥収縮に起因するひび割れが全く認められないことが分かる。

また、図２によれば、外気温度が中温領域（Ｍ）の場合、初期欠陥となる膨張もしくは乾燥収縮に起因するひび割れが全く認められないためには、低添加型膨張材の単位膨張材量（ｋｇ／ｍ^３）の範囲が直線Ｌ_Ｍ１、Ｌ_Ｍ２の範囲内、
すなわち、
４０．０−０．５Ｘ≦Ｙ≦４５．０−０．５Ｘ
を満足するものであればよいことが分かる。

また、図３によれば、外気温度が低温領域（Ｌ）の場合、初期欠陥となる膨張もしくは乾燥収縮に起因するひび割れが全く認められないためには、低添加型膨張材の単位膨張材量（ｋｇ／ｍ^３）の範囲が直線Ｌ_Ｌ１、Ｌ_Ｌ２の範囲内、
すなわち、
２５．０−０．２５Ｘ≦Ｙ≦４２．５−０．５Ｘ
を満足するものであればよいことが分かる。

本実施形態のコンクリート構造物は、上述したコンクリート材料を打設し、その後所定期間養生することにより得られる。
このコンクリート構造物の材齢７日、すなわち、コンクリート材料の打設後、養生７日目における膨張率は１５０×１０^−６〜７５０×１０^−６の範囲内であることが好ましい。
この膨張率の範囲は、一軸拘束膨張試験方法により測定した場合、コンクリート材料の硬化体の湿潤養生７日目の一軸拘束膨張率が１５０×１０^−６〜７５０×１０^−６の範囲内であるということである。

ここで、材齢７日における膨張率を１５０×１０^−６〜７５０×１０^−６の範囲と限定した理由は、膨張率が１５０×１０^−６未満では、乾燥収縮の補償を十分に行うことができず、この乾燥収縮に起因するひび割れが生じ易くなるからであり、また、膨張率が７５０×１０^−６を越えると、コンクリート構造物に過度の膨張に起因するひび割れが発生し易くなるからである。
ただし、コンクリート強度の発現が遅い低温時のコンクリート打設においては、材齢１４日における膨張率が４００×１０^−６を超えないことが好ましい。

このコンクリート構造物を製造するには、低発熱形セメントと低添加型膨張材との和に対する水の割合Ｘ（重量％）と、低添加型膨張材の単位量Ｙ（ｋｇ／ｍ^３）とが、次式
２５．０−０．２５Ｘ≦Ｙ≦４７．５−０．５Ｘ
を満足するように、低発熱形セメントと、低添加型膨張材と、骨材と、水とを、それぞれ秤量し、これらをミキサ内に投入し、これらが十分に均一分散するまで十分に混練し、コンクリート材料を調製する。

その後、速やかに、このコンクリート材料を所定形状の型枠内に打設し、十分な養生を行う。この養生に必要な期間は、コンクリート素材を打設する際の外気温度により変化するので、コンクリート材料の養生期間を外気温度を考慮して設定する必要がある。例えば、冬場の低温時の養生期間は、夏場の高温時の養生期間より長く、最低７日間は必要である。
この養生により低添加型膨張材が膨張効果を発揮し、コンクリートの乾燥収縮を補償する。これにより、コンクリート構造物は、過度の乾燥収縮や過度の膨張が生じることなく、所望の形状を保持しつつ、機械的強度を十分発現することができる。

以下、実施例及び比較例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。

Ａ．コンクリートの一軸拘束膨張率及び膨張ひび割れ「中温打設コンクリート材料の評価」
まず、表１に示すように、セメントの種類、コンクリート材料中の水／（セメント＋膨張材）及び単位膨張材量をそれぞれ設定し、２０℃の中温領域にてコンクリート材料を打設し、Ｎｏ．１〜１６のコンクリート材料を作製した。

次いで、コンクリート材料（Ｎｏ．１〜１６）の一軸拘束膨張率を測定した。一軸拘束膨張率の測定は「日本工業規格ＪＩＳ Ａ ６２０２の付属書２ 膨張コンクリートの拘束膨張および収縮試験方法」のうち、Ｂ法「膨張及び収縮を対象とした試験方法」に準拠して行った。

図４は、Ｎｏ．１〜６各々の各材齢（日）における一軸拘束膨張率を示す図であり、図５は、Ｎｏ．７〜１２各々の各材齢（日）における一軸拘束膨張率を示す図であり、図６は、Ｎｏ．５、１３〜１６各々の各材齢（日）における一軸拘束膨張率を示す図である。

これらの図から、低熱ポルトランドセメントを用いた場合、他のセメントを用いた場合と比べて一軸拘束膨張率が大きくなっていることが分かる。乾燥収縮に起因するひび割れを低減するコンクリート材料は、この材料に含まれる低添加型膨張材の膨張作用によってひび割れの原因となる収縮を補償するため、低熱ポルトランドセメントと低添加型膨張材の組合せが特に効果的であることが分かる。
また、低添加型膨張材を単位量あたり１５ｋｇ以上用いることにより、１５０×１０^−６以上の膨張率が得られる。したがって、乾燥収縮に起因するひび割れに対し、抵抗性を有するものとなる。

表２は、コンクリート材料（Ｎｏ．１〜１２）の無拘束状態における膨張ひび割れの確認試験を行った結果を示している。
この確認試験では、各コンクリート材料（Ｎｏ．１〜１２）毎に３個ずつ、外径１０ｃｍ、高さ２０ｃｍの大きさの円柱状のコンクリート試験体を作製した後、湿潤養生１日目で型枠を脱型し、このコンクリート試験体を２０℃の水中に浸漬させ、その後１日毎にコンクリート試験体の表面を目視にて観察し、膨張ひび割れの有無を調べた。

表２から、Ｎｏ．１、２、４〜７、１０、１１のコンクリート試験体では、水中浸漬後６日（試験体作製後７日）においても、膨張ひび割れの発生は認められなかった。一方、Ｎｏ．３、８、９、１２のコンクリート試験体では、水中浸漬後２日（試験体作製後３日）でひび割れが発生した。
以上の結果、図４および表２より、膨張ひび割れを発生させずに乾燥収縮によるひび割れに対し抵抗性が得られる１５０×１０^−６以上の膨張率を得るためには、低添加型膨張材の単位膨張材量（ｋｇ／ｍ^３）の範囲を図２に示す直線Ｌ_Ｍ１、Ｌ_Ｍ２の範囲内とすればよいことが分かった。

「高温打設コンクリート材料の評価」
上記の「中温打設コンクリート材料」と同様にして、コンクリート材料を複数種作製し、これらのコンクリート材料の一軸拘束膨張率を測定し、さらに、無拘束状態における膨張ひび割れの確認試験を行った。
まず、表３に示すように、コンクリート材料中の水／（セメント＋膨張材）及び単位膨張材量をそれぞれ設定し、３０℃の高温領域にてコンクリート材料を打設し、Ｎｏ．２１〜３３のコンクリート材料を作製した。

次いで、コンクリート材料（Ｎｏ．２１〜３３）の一軸拘束膨張率を測定した。
図７はＮｏ．２１〜２７各々の材齢（日）における一軸拘束膨張率を、図８はＮｏ．２８〜３３各々の材齢（日）における一軸拘束膨張率を、それぞれ示す図である。
これらのコンクリート材料は、低熱ポルトランドセメントと低添加型膨張材を組み合わせて用いているので、この材料に含まれる低添加型膨張材の膨張作用によって１５０×１０^−６以上の膨張率が得られ、乾燥収縮に起因するひび割れに対し抵抗性が得られることが分かった。

表４は、上記の「中温打設コンクリート材料」と同様にして、コンクリート材料（Ｎｏ．２１〜３３）の無拘束状態における膨張ひび割れの確認試験を行った結果を示している。

表４から、Ｎｏ．２１〜２８及びＮｏ．３０〜３２それぞれのコンクリート試験体では、水中浸漬後６日（試験体作製後７日）においても、膨張ひび割れの発生は認められなかった。一方、Ｎｏ．２９、３３のコンクリート試験体では、水中浸漬後２日（試験体作製後３日）でひび割れが発生した。
以上の結果、図７、図８および表４より、膨張ひび割れを発生させずに乾燥収縮によるひび割れに対し抵抗性が得られる１５０×１０^−６以上の膨張率を得るためには、低添加型膨張材の単位膨張材量（ｋｇ／ｍ^３）の範囲を図１に示す直線Ｌ_Ｈ１、Ｌ_Ｈ２の範囲内とすればよいことが分かった。

「低温打設コンクリート材料の評価」
上記の「中温打設コンクリート材料」と同様にして、コンクリート材料を複数種作製し、これらのコンクリート材料の一軸拘束膨張率を測定し、さらに、無拘束状態における膨張ひび割れの確認試験を行った。
まず、表５に示すように、コンクリート材料中の水／（セメント＋膨張材）及び単位膨張材量をそれぞれ設定し、１０℃の低温領域にてコンクリート材料を打設し、Ｎｏ．４１〜５３のコンクリート材料を作製した。

次いで、コンクリート材料（Ｎｏ．４１〜５３）の一軸拘束膨張率を測定した。
図９はＮｏ．４１〜４７各々の各材齢（日）における一軸拘束膨張率を、図１０はＮｏ．４８〜５３各々の各材齢（日）における一軸拘束膨張率を、それぞれ示す図である。
これらのコンクリート材料は、低熱ポルトランドセメントと低添加型膨張材を組み合わせて用いているので、この材料に含まれる低添加型膨張材の膨張作用によって１５０×１０^−６以上の膨張率が得られ、乾燥収縮に起因するひび割れに対し抵抗性が得られることが分かった。

表６は、上記の「中温打設コンクリート材料」と同様にして、コンクリート材料（Ｎｏ．４１〜５３）の無拘束状態における膨張ひび割れの確認試験を行った結果を示している。

表６から、Ｎｏ．４１〜４８及びＮｏ．５０〜５２のコンクリート試験体では、水中浸漬後６日（試験体作製後７日）においても、膨張ひび割れの発生は認められなかった。一方、Ｎｏ．４９、５３のコンクリート試験体では、水中浸漬後２日（試験体作製後５日）でひび割れが発生した。
以上の結果、図９、図１０および表６より、膨張ひび割れを発生させずに乾燥収縮によるひび割れに対し抵抗性が得られる１５０×１０^−６以上の膨張率を得るためには、低添加型膨張材の単位膨張材量（ｋｇ／ｍ^３）の範囲を図３に示す直線Ｌ_Ｌ１、Ｌ_Ｌ２の範囲内とすればよいことが分かった。

Ｂ．コンクリートのひび割れ抵抗性の評価
実際のコンクリート構造物では、コンクリート中に埋設される鉄筋や既存のコンクリート構造物に収縮が拘束されることによって引張応力が発生し、この引張応力がコンクリート構造体の引張強度を上回った場合に、コンクリート構造体にひび割れが生じる。ここでは、実際の建築構造物における拘束応力発生現象を模擬した試験を行うことにより，コンクリートのひび割れ抵抗性を評価した。

図１１は、ひび割れ抵抗試験を行うコンクリート試験体の形状を示す断面図であり、このコンクリート試験体１は、１００ｍｍ×１００ｍｍ×１５００ｍｍの大きさのコンクリート２中に、直径３１．８ｍｍ、長さ１６００ｍｍの異形棒鋼３を配筋し、この異形棒鋼３の中央部の上下にひずみゲージ４を貼り付けたものである。

このコンクリート試験体１は、温度２０℃、湿度６０％の恒温室にて作製され、作製後３日間はコンクリート内部の水分が逸散しないようにポリエステルフィルムで封緘される。この封緘は，実構造物における型枠存置期間とほぼ同等の効果を有する。その後，ポリエステルフィルムを除去すると、このコンクリート試験体１は乾燥により収縮する。このコンクリート試験体１には、異形棒鋼３が埋設されているので、この異形棒鋼３により収縮が拘束され、その結果、応力が発生する。この応力は、異形棒鋼３にひずみとなって現れるので、異形棒鋼３の中央部に貼り付けられたひずみゲージ４、４によりこのひずみを検出すれば、この検出値により応力が算出される。この応力がコンクリート２の収縮力を超えると、コンクリート２にひび割れが発生する。

コンクリート２の応力は、異形棒鋼３のひずみの平均値を用いて、次の計算式により算出することができる。
σｃ＝（Ｅｓ×εｓ×Ａｓ）／Ａｃ
ただし、σｃ：コンクリートの体積変化により発生する応力（Ｎ／ｍｍ^２）
Ｅｓ：異形棒鋼（鋼材）の弾性係数（Ｎ／ｍｍ^２）
εｓ：異形棒鋼（鋼材）のひずみ
Ａｓ：異形棒鋼（鋼材）の中央部断面積（ｍｍ^２）
Ａｃ：コンクリートの純断面積（ｍｍ^２）

ここで、コンクリート材料（Ｎｏ．５）についてひび割れ抵抗性の評価を行ったところ、材齢１４０日においても、ひび割れは全く認められなかった。
また、コンクリート材料（Ｎｏ．５）の組成で膨張材を全く使用しないコンクリートについてひび割れ抵抗性の評価を行ったところ、図１２に示すように、コンクリート１１の表面に幅が０．２５ｍｍ程度のひび割れ１２が発生していることが認められた。

図１３は、上記のひび割れ抵抗試験による応力の測定結果とひび割れ発生時点を示す図である。ここでは、５種類のコンクリート材料（Ｎｏ．５、１３〜１６）各々の材齢（日）における応力の変化をグラフ化した。なお、いずれのコンクリート材料においても水結合材比を４５％、単位膨張材量を２０ｋｇ／ｍ^３とした。

図１３によれば、低熱ポルトランドセメントを使用したコンクリート材料（Ｎｏ．５）では、引張応力が小さく、ひび割れの発生には至っていないことが分かった。一方，普通ポルトランドセメントを使用したコンクリート材料（Ｎｏ．１３）、早強ポルトランドセメントを使用したコンクリート材料（Ｎｏ．１４）、中庸熱ポルトランドセメントを使用したコンクリート材料（Ｎｏ．１５）、高炉セメントＢ種を使用したコンクリート材料（Ｎｏ．１６）では、引張応力が大きく、微細なひび割れが多数確認された。
図１４は、普通ポルトランドセメントを使用したコンクリート材料（Ｎｏ．１３）の材齢３９日の表面性状を示す模式図であり、コンクリート２１の表面に幅が０．０５ｍｍ程度の微細なひび割れ２２が多数発生していることが認められた。

図１５は、低熱ポルトランドセメントを使用したコンクリート材料について、水結合材比４５％で単位膨張材量を変化させた場合の応力の測定結果を示したものである。
ここでは、単位膨張材量を２４、２０、１５、１０ｋｇ／ｍ^３の４通りとし、これらに対応するコンクリート材料（Ｎｏ．４、５、８）及び単位膨張材量１０ｋｇ／ｍ^３のコンクリート材料（Ｎｏ．１７）を用いて試験を行った。

この図によれば、単位膨張材量が１５ｋｇ／ｍ^３を超えた場合、ひび割れは確認されなかったが、１５ｋｇ／ｍ^３以下（Ｎｏ．４、１７）ではひび割れが発生していることが確認された。この場合（Ｎｏ．４、１７）の材齢３日における一軸拘束膨張率は１１０×１０^−６以下であった。
このコンクリートのひび割れ抵抗性の評価によれば、材齢７日における一軸拘束膨張率が１５０×１０^−６以下であると、乾燥収縮によるひび割れの可能性があり、指針をクリヤーできないことが分かった。

本実施形態によれば、低発熱形セメントと低添加型膨張材とを併用することにより、所定の膨張率を満足することはもちろんのこと、初期の膨張ひび割れ，乾燥収縮によるひび割れを抑制することができるひび割れ低減コンクリートの製造が可能となった。

本発明は、特に乾燥収縮によるひび割れが顕著となるスラブや壁等の建設構造物を構成する面部材において、初期欠陥となる乾燥収縮に起因するひび割れを抑制または防止することができるので、鉄筋コンクリート構造物や鉄骨鉄筋コンクリート構造物における耐久性のさらなる向上、耐震性のさらなる向上を図ることが可能となり、その効果は、非常に大きなものである。

１ コンクリート試験体
２ コンクリート
３ 異形棒鋼
４ ひずみゲージ

Claims (5)

1. 低発熱形セメントと、低添加型エトリンガイト−石灰複合系膨張材と、骨材と、水とを含むコンクリート材料を打設するコンクリート構造物の単位膨張材量決定方法であって、
   打設時の外気温度を、２５℃以上の高温領域、１５℃以上かつ２５℃未満の中温領域、１５℃未満の低温領域の３種類の温度領域に分類し、
   前記低添加型エトリンガイト−石灰複合系膨張材の単位量を、前記打設時の外気温度に対応して、前記高温領域の１７．５〜２７．５ｋｇ／ｍ^３、前記中温領域の１５〜２５ｋｇ／ｍ^３、前記低温領域の１２．５〜２２．５ｋｇ／ｍ^３、のいずれかとし、
   かつ、前記低発熱形セメントと前記低添加型エトリンガイト−石灰複合系膨張材との和に対する前記水の割合Ｘ（重量％）から、前記低添加型エトリンガイト−石灰複合系膨張材の単位量Ｙ（ｋｇ／ｍ^３）を、次式
   ２５．０−０．２５Ｘ≦Ｙ≦４７．５−０．５Ｘ
   を満足するように、前記低添加型エトリンガイト−石灰複合系膨張材の単位量を決定することを特徴とするコンクリート構造物の単位膨張材量決定方法。
2. 前記打設時の外気温度が２５℃以上の高温領域の場合に、前記低発熱形セメントと前記低添加型エトリンガイト−石灰複合系膨張材との和に対する前記水の割合Ｘ（重量％）から、前記コンクリート材料における前記低添加型エトリンガイト−石灰複合系膨張材の単位量Ｙ（ｋｇ／ｍ^３）を、次式
   ３０．０−０．２５Ｘ≦Ｙ≦４７．５−０．５Ｘ
   を満足するように、前記低添加型エトリンガイト−石灰複合系膨張材の単位量を決定し、
   前記打設時の外気温度が１５℃以上かつ２５℃未満の中温領域の場合に、前記低発熱形セメントと前記低添加型エトリンガイト−石灰複合系膨張材との和に対する前記水の割合Ｘ（重量％）から、前記コンクリート材料における前記低添加型エトリンガイト−石灰複合系膨張材の単位量Ｙ（ｋｇ／ｍ^３）を、次式
   ４０．０−０．５Ｘ≦Ｙ≦４５．０−０．５Ｘ
   を満足するように、前記低添加型エトリンガイト−石灰複合系膨張材の単位量を決定し、
   前記打設時の外気温度が１５℃未満の低温領域の場合に、前記低発熱形セメントと前記低添加型エトリンガイト−石灰複合系膨張材との和に対する前記水の割合Ｘ（重量％）から、前記コンクリート材料における前記低添加型エトリンガイト−石灰複合系膨張材の単位量Ｙ（ｋｇ／ｍ^３）を、次式
   ２５．０−０．２５Ｘ≦Ｙ≦４２．５−０．５Ｘ
   を満足するように、前記低添加型エトリンガイト−石灰複合系膨張材の単位量を決定することを特徴とする請求項１記載のコンクリート構造物の単位膨張材量決定方法。
3. 前記低発熱形セメントは低熱ポルトランドセメントであることを特徴とする請求項１または２記載のコンクリート構造物の単位膨張材量決定方法。
4. 前記低熱ポルトランドセメントは、ケイ酸二カルシウムを４０重量％以上、かつ、アルミン酸三カルシウムを６重量％以下としたことを特徴とする請求項３記載のコンクリート構造物の単位膨張材量決定方法。
5. 前記エトリンガイト−石灰複合系膨張材は、遊離石灰を５０重量％、アウインを２０重量％、無水石膏を３０重量％含むことを特徴とする請求項３または４記載のコンクリート構造物の単位膨張材量決定方法。

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