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
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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
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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?
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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
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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.
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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)
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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.
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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
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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.
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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
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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
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