凍害コンクリート工学研究室岩城一郎凍害とは • 劣化要因：凍結融解作用 • 劣化現象：コンクリート中の水分が凍結と融解を繰り返すことによって，コンクリート表面からスケーリング，微細ひび割れおよびポップアウトなどの形で劣化する現象． • 劣化指標：相対動弾性係数（コンクリート標準示方書〔施工編〕），凍害深さ（同〔維持管理編〕）凍害による劣化機構三浦尚著，土木材料学，コロナ社より抜粋 • コンクリート中のペーストおよび骨材に含まれている水分が凍結すると，体積が増大し，それによって発生した圧力は，近くに空げきがあって緩和されない限り，まわりのペーストを破壊し，コンクリートにすき間（細かいひび割れ）をつくる．その後，水が供給されてそのすき間が水で満たされた後，再び凍結すると，膨張によってそのすき間がさらに広がる．そして，このようなことが繰り返されることによって劣化は進行する． • コンクリートの間げき中の水はアルカリ溶液であるため，コンクリートの温度が下がると，大きな間げきの水の一部が氷になる．すると，同じ間げき中の未凍結部分ではアルカリ濃度が高くなり，浸透圧の関係で周辺の凍結していない水を引きよせる（その結果，一部の間げきの脱水により，コンクリートは凍結初期には収縮する）．そのため，氷の体積はますます増大し，その膨張圧によってコンクリートが破壊される．ただし，多くの気泡がある場合には，水の移動が妨げられ，このようなことは起こらない． • コンクリート中にある過冷却の液体と氷との蒸気圧の違いによって，大きな間げき，あるいはコンクリート表面などのような凍結可能な所への水分の移動が起こる．その結果，ペースト中に部分的な脱水が起こり（この結果，コンクリートは凍結の初期には収縮する），また，裂け目やひび割れ中への氷の蓄積が起こる．凍害による劣化機構の概念図図：日本コンクリート工学協会，「凍結防止剤によるコンクリート構造物の劣化研究委員会報告書」より抜粋凍害による劣化形態 (1) ひび割れ D-cracking Map-cracking 写真：土木学会，コンクリートライブラリー109，「コンクリートの耐久性に関する研究の現状とデータベース構築のためのフォーマットの提案」より抜粋 (2) スケーリング（scaling）縁石のスケーリング（凍結防止剤の影響）スケーリング (3) ポップアウト（pop out）低品質粗骨材の使用鋼材の露出腐食の促進写真：土木学会，コンクリートライブラリー109，「コンクリートの耐久性に関する研究の現状とデータベース構築のためのフォーマットの提案」より抜粋凍害に影響を及ぼす要因内的要因 • 水セメント比：細孔組織が緻密で凍結可能な自由水が少ない． • 空気量：AEコンクリート（微小な気泡を人工的に連行させたコンクリート）とすることにより耐凍害性が飛躍的に改善 • 飽水度（コンクリート中の空隙にどれ位水分が満たされているか？）：ある値以下であれば，優れた耐凍害性を示す．一般に Non-AEで80%程度，AEで90%程度（理論上は飽水度91.7%以下であれば氷の形成に伴う膨張圧は作用しない．） • 気泡間隔係数 ASTM C 457：200-250μm以下とすることにより優れた耐凍害性を示す．外的要因 • 気象条件（最低気温，日射量，凍結融解回数），水の供給条件 • 最低気温：冷却最低温度が低いほどより小さな細孔径まで凍結可能． • 日射量：凍害は凍結作用だけでなく融解作用が不可欠． • 水の供給条件：乾燥していれば凍害は発生しない．凍害に影響に影響を及ぼす要因 Referring to Properties of Concrete, 4th Edition by A. M. Neville 凍害に対する劣化対策 • 水セメント比を下げ，組織を緻密化する • AEコンクリートとすることによりコンクリート中に所定の空気量を連行する． • 良質な骨材を使用する． • 水分の供給を遮断することにより，コンクリート内部の飽水度の上昇を防ぐ．凍害による劣化の考え方耐久性（機能性） - 構造物本体の耐荷性能に影響を及ぼすことは稀． - コンクリート塊の落下等第三者被害は重要な問題． - 塩分環境下においては鋼材腐食を促進させる恐れあり．美観スケーリング，ひび割れ等が卓越すれば，市民に不安感，不快感を与える． →資産価値の低下転載不可 10 凍害に関する研究・北海道内陸ほどではないが，凍害危険度高・JCI東北支部「東北地方におけるコンクリート構造物の凍害に関する調査研究委員会（2001年）」（委員長：庄谷先生）：凍害の実態調査長谷川・藤原著：コンクリート構造物の耐久性シリーズ凍害より抜粋庄谷，月永：コンクリート工学，Vol.42，No.12，pp.3-8，2004．凍結防止剤の散布による劣化の促進 • 1991年スパイクタイヤの規制：凍結防止剤（主にNaCl）の散布量急増（規制前の約10倍） • JCI「凍結防止剤によるコンクリート構造物の劣化研究委員会（1999年）」（三浦尚委員長） • 劣化の特徴 - コンクリート表面の激しいスケーリングとして現れる凍害 - アルカリ骨材反応の促進 - コンクリート中の鋼材の急速な腐食（塩害） - およびこれらの複合劣化三浦尚：コンクリート工学，Vol.38，No.6，pp.3-8，2000． 12 凍結防止剤による劣化事例 13 凍結防止剤によるRC床版の劣化機構融雪剤の影響を受けて劣化した実RC床版 40mm アスファルト舗装 35mm アスファルト舗装水平クラック土砂化防水工（塗膜系、ｼｰﾄ系）塩分浸透深さ融雪剤の影響を受けて劣化したRC床版のイメージ図 14 凍害に関する今後の検討課題凍害の発生中性化及び塩分浸透の促進耐久性の低下 CO2及びCl－のコンクリート内部への浸透鉄筋腐食の促進スケーリング及び微細ひび割れの進展設計時のかぶりスケーリング深さ・凍害による劣化を他の劣化要因（例えば中性化や塩害）との複合劣化問題として捉える．・凍害を受けたコンクリート内部の物質移動性の把握→モデル化健全部鉄筋劣化深さ元の微細ひび割れコンクリート表面凍害による劣化形態の概念図