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
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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.
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凍結防止剤による劣化事例
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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
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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
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凍害による劣化形態の概念図