コンクリートの中性化

０７．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


電磁気的作用


温度変化
化学的作用


放射線、電気、磁気
熱的作用


重力、拘束力・変形、熱力学エネルギー、振動
水、酸化剤、還元剤、酸、アルカリ、塩
生物的作用

菌類、動物
０７－１．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
０７－１．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


塩害


アルカリ骨材反応が生じる
化学的侵食


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


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）
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



凍結融解・



（耐漏水性上）
（対人・対物安全性上、修復性上）
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


コンクリート表面にひび割れ発生
かぶりコンクリートの剥落（鉄筋露出）
アルカリ骨材反応


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）
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）
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+CO2→CaCO3+H2O
アルカリ性の消失（pH=8.5～10）

C3S2H3の炭酸化反応
C3S2H3+3CO2→3CaCO3+2SiO2+3H2O
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
 屋内
 河川中
 下水中
 促進中性化試験

0.03%
0.1%程度
0.001～0.003%
0.3%
5%
外的要因（環境条件）の影響

温度
高温→CO2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
中性加速度減少
圧縮強度・水セメント比の影響

圧縮強度（ ∝細孔空隙量→CO2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/mm2：一般（耐用年数30年）
24N/mm2 ：標準（耐用年数65年）
30N/mm2 ：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
モルタル下地プラスター
モルタル
モルタル下地塗装
タイル
石張り
仕上げ材の劣化も要考慮
0.8
0.4～0.6
0.3～0.6
0.2～0.4
0.1～0.4
0.1～0.2
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)C2／R2(x-0.25)2 (x≧0.6)
t=7.2C2／R2(4.6x-1.76)2
(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）

CO2の拡散
∂C／∂t = D∂2C／∂x2

CO2の拡散＋中性化反応
∂C／∂t = D∂2C／∂x2 - kCCa

CO2の拡散＋中性化反応＋炭酸化反応
∂C／∂t = D∂2C／∂x2 - R1CCa - R2CCCSH
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CO2侵入
 CO2が細孔溶液に溶解（CO32-, HCO3-）
 Ca(OH)2と炭酸イオン、重炭酸イオンが中性化反
応し、 CaCO3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、CaCO3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
中性化
かぶり厚さ
施工不良
塩化物イオンの濃縮
鉄筋腐食
ひび割れ
構造性能の低下
日常安全性の低下
美観の低下
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
中性化深さ
かぶり厚さ
腐食開始
打放し
塗装仕上
仕上厚さ
塗直し
タイル仕上げ
時間
モルタル仕上げ
中性化による鉄筋腐食の進行
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∂2C／∂x2
D：拡散係数
塩害（２）

空隙量




固定化能力




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）
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
塩害（３）

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*107)
高炉セメントの場合
logD = {19.5*(W/C)2-13.8 *(W/C)-5.74}+log(3.15*107)
塩害（４）
塩化物イオン濃度
表面濃度
60年
50
40
30
発錆限界濃度
20
10
仕上げ厚さ
かぶり厚さ
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-+Fe2+
カソード反応：O2+2H2O+4e-→4OH錆:FeO(H2O)x


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


体積膨張（2～6倍）：酸化状態に依存
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
鉄筋の腐食と構造物の耐荷性

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Ⅰ
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
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
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




凍結融解回数・凍結温度


建築物の部位（水がかり）
養生条件
仕上げ材
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）
凍結融解（３）

気泡分布

空気量・気泡間隔係数




骨材の凍結融解抵抗性
融氷剤



化学混和剤量（AE剤、AE減水剤、高性能AE減水剤）
骨材


気泡間隔
：0.1～0.2mm
気泡の大きさ：0.05～1mm
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%
90%
空気量3%
要求耐用年数
立地環境
建築部位
ASTM相当
サイクル数
サイクル
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）
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+、OHpH=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CO2
：地下水・海水中のSO42-、Cl：工業用水中のH+
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+H2CO3→CaCO3［不溶性］+2H2O
 CaCO3+CO2+H2O←→Ca(HCO3)2［水溶性］
 地下水・海水のpH≧8
：遊離CO2濃度は無視可能
 pH≦7
：遊離CO2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（C3A･CaSO4 ･18H2O）のエトリンガイト
（C3A･3CaSO4･32H2O）への変化
C3A･CaSO4･18H2O+2Ca(OH)2+2SO4+12H2O→C3A･3CaSO4･32H2O
C3A･Ca(OH)2･18H2O+2Ca(OH)2+3SO4+11H2O
→C3A･3CaSO4･32H2O

水酸化カルシウム、CSHゲルの石膏への変化

Na2SO4+Ca(OH)2+2H2O→CaSO4･2H2O+2NaOH
 高アルカリ性の保持：CSHゲルの安定化

MgSO4+Ca(OH)2+2H2O→CaSO4･2H2O+Mg(OH)2Mg(OH)2
3MgSO4+3CaO･2SiO2･3H2O+8H2O
→3(CaSO4･2H2O)+3Mg(OH)2+2SiO2･H2O
 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

Download Report