強いコンクリート構造物を作るためには？－材料と構造の関係－コンクリート工学研究室岩城一郎 1 構造材料学で何を学んだか？ • コンクリートの構成材料とその性質水，セメント，細骨材，粗骨材，混和材料 • コンクリートの性質フレッシュコンクリート（ワーカビリティー等）硬化コンクリート（強度，変形，耐久性等） • コンクリートの製造・施工方法計量→練混ぜ→運搬→打込み→締固め→養生 • 各種コンクリートの性質と設計・施工上の要点マスコンクリート，暑中コンクリート，寒中コンクリート，高流動コンクリート等 2 コンクリートとは？ • 水，セメント，細骨材，粗骨材，（混和材料）からなる． • 最初軟らかく，時間の経過とともに硬化する． • 圧縮に強く，引張に弱い．＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊ • 我が国の社会基盤施設を構成する材料のうち最も多く用いられているもの．国内年間需要量約2億m3（国民一人当たり1.5m3/ 年） • 長所：安い，入手しやすい，丈夫，長持ち • 耐震性，早期劣化問題，環境問題？ 3 コンクリートは何から出来ているか？水＋セメント＋砂（細骨材）＋砂利（粗骨材）＋α →セメントペースト部（約3割）＋骨材部（約7割）残ったセメントセメントが固まったものコンクリート橋砂利気泡砂コンクリート空隙セメントペースト C&Cエンサイクロペディア（セメント協会）より引用 4 なぜコンクリートは硬くなるか？水とセメントが化学反応し，生成した水和物がセメント粒子間の隙間を埋めて一体化するため．（はじめ軟らかく徐々に硬くなる性質）セメントセメント水練混ぜ直後数時間後数日後～数年後 5 コンクリートの強さはどれくらい？ • 一般のコンクリートの強さ（圧縮強度）は 30MPa （300kgf/cm2）程度 →さいころの上にKONISHIKIが載っても壊れない強さ！体重 60kg なんと 400人載っても壊れない！直径 10 cm メガパスカル３０ MPa のコンクリート 6 コンクリートの強さは何で決まるか？  コンクリートの中身（セメントペーストと骨材）の弱い部分で決まる．セメントペーストの強さ＜骨材の強さセメントペーストの強さで決まる． 7 コンクリートを強くするには？（Part1） • セメントペーストを強くする． • できるだけセメントペースト内部の隙間（空隙）を少なくする．水に対するセメントの量を多くする． • 通常は水：セメント＝1：２（質量比）水とセメントの比を１：４にしては？ 8 水に対するセメントの量を多くすると？練混ぜが困難になる．（ホットケーキ，お好み焼きを思い出して！）特殊な薬を使ってセメント粒子を分散させる．（高性能減水剤）練混ぜが可能になる． 9 水に対するセメント量とコンクリートの強さとの関係は？圧縮強度(MPa) 70 60 50 R 2 = 0.9745 40 30 20 10 0 1.5 2 2.5 3 3.5 4 C /W コンクリートの圧縮強度はC/Wに正比例する． 10 コンクリートを強くするには？（Part2） • 特殊な薬を用いてセメント水比を高く設定することにより，100MPa近い圧縮強度をもつコンクリートを作ることが可能．ただしこの方法にも限界がある． • セメント粒子よりもさらに細かい反応性の物質を用いて，さらに隙間を埋める．例：シリカフューム：平均粒径0.1μm程度（セメント：平均粒径30μm程度） 11 シリカフュ-ムを用いると？通常のコンクリートセメント水和直後数日後から数年後シリカフュ-ム（S.F.）をセメント用いたコンクリート S.F. S.F.の使用により100MPa以上の圧縮強度をもつコンクリートが実現（ただし，骨材も強くする必要がある） 12 コンクリートを強くすると？（Part1） Cost（円）コストが高くなる．セメント：10000円/ton，砂・砂利：1000円/ton 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 R 2 = 0.6871 0 10 20 30 40 50 圧縮強度（M P a） 60 70 13 コンクリートを強くすると？（Part2） 3 セメントの使用量（kg/m ）セメント量：増→発熱量：増→過大なひび割れ：増→強くて，値段が高い割には耐久性：低 600 500 R 2 = 0.6193 400 300 200 100 0 0 10 20 30 40 50 圧縮強度（M P a） 60 70 14 コンクリートを強くしたとしても？コンクリートは圧縮に対しては大きな力に抵抗するが引張に対しては小さな力で簡単に壊れてしまう．引張強さは圧縮強さの1/10以下いくらコンクリートを圧縮に対して強くしてもそれに見合う引張強度は得られない．例圧縮強度30MPa→引張強度3MPa 圧縮強度100MPa→引張強度6MPa コンクリートは強ければよいというものではない． 15 曲げを受けるコンクリート部材上側で圧縮力，下側で引張力を受ける荷重P 荷重とたわみの関係 P たわみδ δ 引張側でひび割れが発生し，急激に壊れる． 16 引張側に鉄筋を入れると？荷重とたわみの関係 P δ ひび割れは発生するが，十分な荷重に耐えることが出来る→鉄筋コンクリート 17 さらに鉄筋の量を増やすと荷重とたわみの関係 P 阪神高速道路㈱HP より δ さらに大きな荷重に耐えることができるが，別の大きなひび割れが発生し急激に壊れる． 18 あばら骨を入れると？荷重とたわみの関係 P δ 大きな荷重に耐えることが出来ると共に，急激な破壊を防止することが出来る． 19 鉄筋コンクリートをさらに進化させると？ • プレストレストコンクリート：引張側のコンクリートに圧縮力を導入→ひび割れのないコンクリート，より大きな力に耐えられる（コンクリート全体が圧縮力に対して抵抗）鉄筋コンクリートプレストレストコンクリート • 支間（スパン）の長い橋，タンク等，重要構造物のほとんどはプレストレストコンクリート 20 新たなコンクリート材料の開発 • • • • • • • • 超高強度鋼繊維補強コンクリートダクタルプレミックス+専用鋼繊維+専用減水剤骨材を使用しない．鉄筋を使用しない．太平洋セメント㈱自己充てん性あり． HPより抜粋圧縮強度200MPa以上曲げ強度40MPa以上厳しい環境下でも100年以上の使用に耐えうる． 21 酒田みらい橋 • 超高強度鋼繊維補強コンクリートを用いた歩道橋 • 最大部材厚8cm • プレストレストコンクリート（外ケーブル方式） 22 酒田みらい橋パンフレットより抜粋これまでの内容の整理 • コンクリートを強くすることは比較的簡単 • コンクリートを強くするとコストがかかる． • コンクリートをいくら強くしたとしてもコンクリート構造物が強くなるとは限らない（コンクリートは圧縮に強く，引張に弱い．） • 鋼材により，適切に補強することが重要 • 新しいコンクリート技術の開発 23 まとめコンクリートに求められるもの丈夫長持ち美しいコンクリート環境に優しい要求される性能・用途に合った最適な材料，構造形式を選定することが重要！！コンクリート技術者の使命安い 24