寒い地域でよく見られるコンクリートのひび割れや表面の剥がれは、実は「凍害」と呼ばれる劣化が原因で起こります。
コンクリート内部に入り込んだ水が凍ったり溶けたりを繰り返すことで、少しずつ内部から破壊が進んでしまう現象です。
本記事では、凍害が起こる仕組みや発生しやすい条件、そして長持ちするコンクリートをつくるための対策を、図解や写真を交えながらわかりやすく解説します。
コンクリートの凍害のメカニズムや原因
コンクリートの凍害についてみていきましょう。
コンクリートの凍害とは？
コンクリート凍害とは、寒冷地でコンクリート内部に含まれる水分が凍結と融解を繰り返すことで生じる劣化現象のことです。
「コンクリート内部の水が凍って膨らむ → ひびが入る → 溶けて水が入り込む → また凍ってさらに広がる」
コンクリートには目に見えない微細な空隙があり、そこに水が入り込むと、気温が低下した際に水が凍って体積が膨張します。
この膨張圧によって内部に微細なひび割れが発生し、凍結と融解が繰り返されることでひび割れが拡大し、表面の剥離や内部破壊へと進行していきます。
コンクリート凍害のメカニズムとは？
コンクリート凍害のメカニズムは、コンクリート内部にしみ込んだ水が冬の低温で凍結して体積が膨張し、その膨張圧によって内部に微細なひび割れが生じ、さらに気温の上昇で氷が溶けて水がひびの中に入り込み、再び凍結することでひびが広がるというサイクルが繰り返されます。
最終的に表面の剥離や内部破壊などの劣化が進行していく現象を指します。
一方、コンクリートの凍害は劣化機構と呼ばれ、コンクリートの劣化機構には凍害以外にもコンクリートを劣化させる要因があります。
コンクリート凍害の原因は？
凍害の原因は、コンクリート中に含まれる【水分】です。
水が凍ったり溶けたりをくり返すことが原因となります。
凍結融解（とうけつゆうかい）作用ともいいます。
コンクリートの凍結温度は水セメント比などによってちがいますが、およそ、-0.5 ～-2.0 ℃くらいといわれています。
やはり凍害の問題は、寒い北海道や東北地方などで多いです。
コンクリート凍害の種類と特徴
凍害の特徴として、代表的なものでスケーリングやポップアウト、微細ひびわれがあります。
凍害はコンクリートの外側の破壊だけでなく、コンクリートの性能の劣化や強度の低下を引き起こしたりもします。
スケーリング
スケーリングとはコンクリートの表面がフレーク状に剥離（はくり）する状態のこと！
コンクリートの中に含まれる水分が凍ったり溶けたりするのがくりかえされると起こります。
スケーリングは自然環境下での現象なので、事前の予測がむずかしいです…( 一一)
コンクリート表面がボロボロになってしまいます。
ポップアウト
ポップアウトとは、コンクリート表層部がまるく穴が空いたように抜け落ちてしまう現象。
表層下の骨材の膨張により、骨材上部のコンクリートが押し出され、跡のクレーター状のくぼみのことです。
凍結融解作用、 反応性骨材、鉄筋のさびなどが原因で発生します。
微細ひびわれ
微細ひび割れは、亀の甲羅のようにひびわれが起こる現象です。
主に凍結融解作用や乾燥による原因です。
コンクリート凍害の対策
凍害の対策としては、以下の3つが考えられます。
凍害の対策
- 骨材の品質については、吸水率の小さい骨材を用いること
- AE剤あるいはAE減水剤を使用して、適正量のエントレインドエアを連行させること
- 水セメント比を小さくして密実なコンクリートとすること
凍害対策①骨材の品質確保
コンクリート凍害対策の1つ目は骨材の品質については、吸水率の小さい骨材を用いることです。
吸水率は高ければ高いほど、強度に悪影響を与えます。
骨材に空隙が多いとそのすきまに水が入るため、吸水率が高くなります。
吸水率が高いほど骨材の密度は小さく、安定性試験の損失量やすりへり減量が大きいです。
できるかぎり吸水率が小さい骨材を使いましょう。
吸水率の定義
吸水率［％］=吸水量÷絶乾状態の質量
各種骨材の吸水率の規格値
| 骨材の種類 | 吸水率の規格値［％］ |
| 砂利（粗骨材）・砂（細骨材） | 砂利：3.0以下砂：3.5以下 |
| 砕石（粗骨材）・砕砂（細骨材） | 3.0以下 |
| 高炉スラグ骨材（細骨材） | 3.0以下 |
| 高炉スラグ骨材（粗骨材） | L：6.0以下 N：4.0以下 |
| フェロニッケルスラグ骨材（細骨材） | 3.0以下 |
| 鋼スラグ骨材（細骨材） | 2.0以下 |
| 電気炉酸化スラグ骨材（細骨材） | 2.0以下 |
| 電気炉酸化スラグ骨材（粗骨材） | 2.0以下 |
（引用：工事共通標準示方書 品質管理基準及び規格値）
凍害対策②適切な混和剤の使用による空気量調整
コンクリート凍害対策の2つ目は適切な混和剤の使用による空気量調整です。
エントレインドエアとは、AE剤などを使うことによりコンクリート中につくられた微細で独立した気泡です。
混和剤の種類によって異なりますが、一般的な大きさは25～250μｍ程度です。
この空気量（気泡）を調整することで、耐凍害性やワーカビリティーの改善に効果があります。
空気量が同じでも気泡の大きさが小さく、気泡同士の間隔が小さい場合にはその効果が大きくなります。
適切にAE剤やAE減水剤を使うことで凍害を防ぎましょう。
凍害対策③水セメント比を小さくする
コンクリート凍害対策の３つ目は水セメント比を小さくして密実なコンクリートとすることです。
水セメント比は、水とセメントの比率を百分率で示した値です。
以下の式で計算します。
水セメント比＝W／C（％）
Wは単位水量、Cは単位セメント量です。
水セメント比が大きすぎると、強度や耐久性の不足につながります。
どちらかと言えば水セメント比は小さい方が良いです。
ただし、水セメント比を小さくしすぎるとワーカビリティの低下につながります。
ワーカビリティの低下をさけるため、高性能AE減水材などの混和剤を使いましょう。
たとえば、土木工事のレディーミクストコンクリートの水セメント比は、以下の基準が設けられています。
- 無筋コンクリートで55％～65％
- 鉄筋コンクリートで45％～55％
可能な範囲で、できる限り水セメント比を小さくしてください。
コンクリートの凍害対策とは？特徴やメカニズムを解説まとめ
コンクリート凍害まとめ
- 凍害のメカニズムとは、コンクリート内の水分が移動することによってその水圧でコンクリートが壊されること
- 凍害の原因はコンクリート内の【水分】
- 凍害の特徴で代表的なものは、スケーリング・ポップアウト・微細ひび割れの３つ
凍害の対策
- 骨材の品質については、吸水率の小さい骨材を用いること
- AE剤あるいはAE減水剤を使用して、適正量のエントレインドエアを連行させること
- 水セメント比を小さくして密実なコンクリートとすること
今回は以上です。
参考になればうれしいです
ありがとうございました。