博士学位論文第7号平成21年6月

氏
名
権代由範
博士の専攻分野の
名
称
博士（工学）
学位記番号
博第４５号
学位授与年月日
平成２１年３月１９日
学位授与の要件
学位規則第４条第１項該当
学位論文題目
塩化物環境下におけるコンクリートのスケーリング抵抗性とその評価手法に関す
る実験的研究
(Experimental Study on Scaling Resistance and that Evaluating Methods of
Concrete Exposed to Chloride Environment )
論文審査委員
（主査）八戸工業大学教授
（副査）八戸工業大学教授
（副査）八戸工業大学教授
（副査）八戸工業大学教授
月永
滝田
庄谷
熊谷
洋一
貢
征美
浩二
論文の内容の要旨
寒冷地のコンクリート構造物は，冬期の苛酷な寒冷気象により凍結融解作用を受け，凍害を生じる。こ
れまで，凍害による劣化は，凍結水圧作用下における組織の膨張による劣化，即ち，ひび割れや剥落･崩
壊として認識されていた。しかし，近年，建築・土木コンクリート構造物において，コンクリート表層が
鱗状に剥離するスケーリングが最も多く観察されるようになった。この要因として，NaCl を主成分とす
る凍結防止剤の散布量増加が挙げられる。我が国では，1991 年にスパイクタイヤの使用規制に関する法
律が施行され，冬期の路面凍結の防止措置として凍結防止剤の散布量が急増し，寒冷地コンクリートは厳
しい塩化物環境下に曝される機会が増加した。その結果，塩化物と凍結融解の複合作用により著しく促進
されるスケーリングが顕在化し，これまで目立たなかった凍害の新たな劣化形態として注目されている。
しかし，我が国では，塩化物環境下におけるコンクリートのスケーリング抵抗性評価手法は確立されてお
らず，寒冷地コンクリートの耐久性照査や維持管理の観点から，評価手法の確立は，緊急かつ重要な課題
である。
本研究は，以上を背景に，我が国における塩化物環境下でのスケーリング抵抗性評価手法の提案を目的
に実験的な検討を行ったものである。本論文では，海外において主流となっているスケーリング試験
｢ASTM C672 法｣(以下，ASTM 法と略記)および｢RILEM CDF 法｣(以下 RILEM 法と略記)に着目し，ス
ケーリングの発生性状および試験法の簡便性や有用性について相対評価を行い，我が国における汎用性お
よび簡便性を有する試験法として，RILEM 法の適用を提案している。さらに，これらスケーリング試験
の実施に必要な大型設備を必要としない簡易試験法として，家庭用冷凍庫を用いた試験法を提案している。
また，実構造物を対象としたスケーリング抵抗性評価手法として，コンクリートの透気性を指標とした簡
易透気試験法の採用を提案している。
第１章は緒論であり，研究の背景と目的を述べている。
第２章｢我が国におけるスケーリング試験法適用の提案｣では，我が国におけるスケーリング抵抗性試験
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法の標準化に資するため，海外規格 ASTM 法および RILEM 法を対象に比較実験を行い，両試験法の試
験条件に基づくスケーリングの発生性状や試験法の簡便性および汎用性について相対評価を行っている。
得られた知見を以下に示す。
1） ASTM 法，RILEM 法における，スケーリング量およびスケーリング発生の経時変化には大きな相違
が生じる。これは，両試験法における，NaCl 試験溶液の供給方法が，上面吸水と下面吸水とで異な
ることに大きく依存し，凍結融解に伴う試験溶液の濃縮により生じた，試験溶液内の濃度勾配の影響
に起因する。
2）スケーリング量の変動係数は，RILEM 法による場合が小さい。これは，凍結融解を与える伝熱媒体
の相違に起因する。ASTM 法は空気を媒体としているのに対し，RILEM 法はブライン液を媒体とし
ていることから，RILEM 法は厳密な温度制御が可能であり，試験値の変動を抑制し，より高い精度
を有する試験が可能である。
3） RILEM 法は，現行の凍結融解試験 JIS A 1148 A 法の試験装置を準用することが可能で，試験に用
いる備品も入手し易く，汎用性および簡便性を有する。従って，我が国におけるスケーリング試験法
として RILEM 法の適用が提案できる。
第３章｢スケーリング試験の簡易法の提案｣では，大型試験設備を用いず，低コストで簡易的に実施可能
なスケーリング試験法として，冷凍庫と恒温室の間での供試体移動により凍結融解作用を与える試験法を
開発，提案している。ここでは，ASTM 法とその簡易法および RILEM 法とその簡易法の４試験を実施し，
各試験法によるスケーリング量，塩化物イオン浸透深さ，並びに歪変化について比較検討を行った。得ら
れた知見を以下に示す。
1） ASTM･RILEM 両簡易法では，冷凍庫の使用による急激な温度変化を生じ，準拠法と比較して凍結
融解の温度条件は苛酷となり，スケーリング量は増加傾向を示す。しかし，水セメント比毎のスケー
リング抵抗性を反映することから，調(配)合や使用材料によるスケーリング抵抗性の相対的な比較試
験として適用性を有する。
2） ASTM 簡易法は，冷凍庫使用に加え，試験の簡便性を考慮し供試体の小型化を図っている。スケー
リング量は試験面積が小さくなると減少傾向を示すが，水セメント比毎のスケーリング抵抗性を反映
し，相対的な比較試験として適用できる。
3） ASTM･RILEM 両簡易法の塩化物イオン浸透深さは，ASTM･RILEM 両準拠法のそれと大きな相違
はなく，簡易法の妥当性を裏付ける。また，塩化物イオン浸透深さとスケーリング量に相関が見られ，
スケーリング劣化の進行が，塩化物イオンの浸透･拡散により促進されることを裏付ける。
4） ASTM･RILEM 両簡易法による断面内の歪変化は，冷凍庫の温度制御能力に起因し不規則な挙動を
示すが，凍結に伴う収縮歪みを生じ，簡易法によるスケーリングの発生は，塩化物作用下における浸
透圧に起因することを裏付ける。また，収縮歪みの発生挙動や最大値は，ASTM･RILEM 両準拠法
と近似した傾向が得られ，簡易法の妥当性を裏付ける。
5）冷凍庫と 20℃に管理可能な室を用いることで，大型設備を現有しないコンクリート関連企業や研究
機関においても，スケーリング抵抗性の評価が可能となる。
第４章｢スケーリング抵抗性評価手法としての簡易透気試験法適用の提案｣では，スケーリングが水や塩
化物の浸透･拡散により促進され，コンクリートの緻密性に依存するという観点から，緻密性を間接的に
表す指標としてコンクリートの透気性に着目し，実構造物に適用可能な簡易透気試験法の採用を提案して
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いる。ここでは，簡易透気試験法の測定条件，有用性並びにスケーリング抵抗性の評価指標としての適用
性について検討した。得られた知見を以下に示す。
1）簡易透気試験法の試験装置は，吸引鐘・真空ポンプ・差圧計・デジタルマルチメータ･パーソナルコ
ンピュータから構成され，透気性指標値は，吸引鐘内の真空度の低下量と低下時間の平方根から求ま
る勾配を｢簡易透気係数｣として算出できる。
2）簡易透気試験の試験条件として，試験面シール幅をチャンバー外周 60mm，部材端から吸引鐘中心ま
での距離を 150mm 確保することで，
従来，30%程度の試験値の変動が見込まれる透気試験において，
変動係数 15%を実現した。また，測定対象の部材厚さの影響は，厚さ 100mm 以上の部材であれば，
無視できる。
3）簡易透気係数は，養生条件により異なるコンクリートの表層組織の緻密性を反映し，さらに，実用実
績に優れたトレント透気係数，室内試験により得られるアウトプット透気係数と対応関係を示すこと
から，簡易透気試験法の有用性が認められる。
4）簡易透気係数は，ASTM 法によるスケーリング量と対応関係を示すことから，実構造物コンクリー
トを対象としたスケーリング抵抗性評価手法として，適用性を有する。
第５章は本論文の結論であり，本研究により得られた成果を述べている。
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ABSTRACT
In cold regions, concrete structures suffer from frost damage caused by freeze-thaw action during
severe cold winter. In general, deteriorations by frost damage have been recognized as the crack,
spalling or degradations which are caused by the expansion of the internal structures developed by
unfrozen water pressure during freezing. In recent years, however, the termed scaling that surface
layers of concrete are scaled off by delamination, have been observed in concrete structures .This will
be attributed to the increased spread of de-icing salts, mainly composed of sodium chloride (NaCl), on
road surfaces. In Japan, strict limitations on the use of studded tires from 1991 resulted in a rapid
increase in the use of de-icing salts to prevent road surfaces from freezing. Because of this, concrete
structures in cold regions are now exposed to a more severe chloride environment than ever. As a
result, scaling of concrete has existed clearly because it is synergistically promoted by the combined
freeze-thaw action with the chloride ion penetration, which is recognized as a form of frost damage
often observed. Japan currently has no technical method regulated to evaluate concrete scaling
resistance under the chloride environment. Thus, the establishment of such test methods is an urgent
and important subject from the viewpoints of concrete durability, as well as maintenance and
management of concrete in cold weather regions.
In this background, the experimental study was conducted for testing the scaling resistance in a
chloride environment. In this paper, ASTM C672 and RILEM CDF were examined for testing scaling,
which are in popular use outside Japan. These tests were compared from the ease of use and testing
utility, and the application of RILEM CDF was proposed as an available test method in Japan. In
order to perform these scaling tests rapidly and without requiring the use of large controlled chamber,
test method utilizing a home freezer was proposed. As a technique to evaluate scaling resistance of
actual structures, test method for the air permeability of concrete was proposed as an index.
Section 1 shows the introduction of this paper and describes the background and purpose of this
research.
Section 2 "Proposal of the Scaling Test Method Applicable in Japan" introduces the companion
experiments using the overseas standards ASTM C672 and RILEM CDF, in order to contribute to the
standardization of the scaling resistance test method in Japan. Both tests were examined to
determine their ability to assess the development of scaling, their ease of use and availability of the
test conditions. The following results were obtained.
1） The amount and the development of scaling over the passage of time differed greatly between
ASTM C672 and RILEM CDF. Since the different procedures are adopted in supplying and
penetrating the NaCl water solution, from the top surface of test specimen in ASTM method and
the bottom surface in RILEM method, this difference may result from the influence of
concentration gradient of the test solution caused by the condensation during freeze-thaw cycles.
2） The coefficient of variation regarding the amount of scaling measured was smaller for the RILEM
CDF method. This is considered to be greatly attributed to the different heat transfer media used
in applying the freeze-thaw action. Different from the ASTM C672 method using air as transfer
media, the RILEM CDF method uses brine liquid. As a result, the RILEM CDF method allows for
more strict temperature control and suppresses the variation of test values, resulting in higher
test accuracy.
3） For the RILEM CDF method, the test equipment used in the current freeze-thaw test JIS A 1148
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A, is accordingly applied. The test does not require any other instruments difficult to get in hand
and is broadly applicable and easy to use.
Accordingly, the adoption of RILEM CDF method is
proposed as the scaling test method adaptable in Japan.
Section 3 "Proposal of a Simplified Test Method for Scaling Resistance" discusses a test method
developed to conduct freeze-thaw test not requiring large test facilities, instead of works simply by
moving the specimens between a freezer and a thermostatic chamber. This scaling resistance test can
be performed easily and at low cost. In this research, four kinds of tests, using the standard and
simplified ASTM C672 method and the standard and simplified RILEM CDF method, were examined.
The amount of scaling, chloride ion penetration depth and strain change were compared in each test
method and the following results were obtained.
1） In the simplified ASTM and RILEM methods, the temperature conditions for freeze-thaw are
more severe than in those of the standard methods, because of the drastic temperature changes in
a freezer. As a result, the amount of scaling tends to increase. However, the simplified methods
accurately reflect the scaling resistance in different water-cement ratio and are, therefore,
applicable to relative comparisons of scaling resistance.
2） For the simplified ASTM method test, small specimens were used for convenience with a freezer.
The smaller the test surface area, the less the amount of scaling. However, this method accurately
reflects the scaling resistance in different water-cement ratio and is therefore applicable to
relative comparisons.
3） The chloride ion penetration depth observed by the simplified ASTM and RILEM methods was
not significantly different from that observed by the standard ASTM and RILEM methods. This
means the reasonability for the adoption of the simplified methods. In addition, a correlation was
found between the chloride ion penetration depth and the amount of scaling. This supports the
conclusion that scaling is promoted by the penetration and diffusion of chloride ions.
4） Strain changes by the simplified ASTM and RILEM methods showed irregular behaviors
depending on the temperature control capacity of the freezer, but contraction strains were
observed in freezing. Thus, the simplified methods support the conclusion that scaling can be
influenced by osmotic pressure. Since the observed contraction strain and its maximum values
were approximately the same as those observed in the standard ASTM and RILEM methods, the
use of the simplified methods was judged available and promising.
5） By using a freezer and the chamber maintained at 20℃, scaling resistance can be easily
evaluated in concrete companies and research institutes and so on with no large test facilities.
Section 4 "Development of a Rapid Air Permeability Test Method to Evaluate Scaling Resistance of
Concrete" introduces a rapid air permeability test method. Since scaling is promoted by the
penetration and diffusion of water and chloride, it therefore depends on the rigidity and permeability
of concrete. By considering the air permeability, a rapid air permeability test method was developed
applicable to actual concrete structures. This air permeability test method was examined in different
testing conditions and the availability and validity were investigated. The following results were
obtained:
1） The test equipment used to apply the rapid air permeability test, consisted of a vacuum chamber,
a vacuum pump, a differential pressure gage, a digital multi-meter, and a personal computer. The
air permeability index value can be calculated with the gradient of the reduction of the vacuum
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pressure versus the square root of its duration in the vacuum chamber, which was designated as
the "rapid air permeability factor."
2） For the rapid air permeability test, the sealing width of 60 mm was secured around the chamber
and a distance of 150 mm was secured from the specimen edge to the center of the vacuum
chamber. These test conditions reduced the coefficient of variation to 15% in the air permeability
test, in contrast to that of 30% always expected. The influence of the thickness can be ignored if
the specimen thickness is 100 mm or more.
3） The rapid air permeability factor accurately reflects the tightness of a concrete surface layer
structure, depending on the curing conditions. In addition, this factor was found to be in good
compatibility with the Torrent air permeability factor and output air permeability factor. As a
result, the usefulness of the rapid air permeability test method was proven.
4） The rapid air permeability factor was also found to be compatible with the amount of scaling
tested by the ASTM C672 method. Therefore, the application of the rapid air permeability test
method for actual structures, as a technique for evaluating and diagnosing concrete scaling
resistance was judged promising.
Section 5 is the conclusion of this paper and describes the results of this research.
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論文の審査結果の要旨
寒冷地のコンクリートに特有な劣化として古くから凍害が知られているが，わが国においては，現在に
おいても凍害による劣化事例は後を絶たない。1991 年にはスパイクタイヤ使用規制に関する法律が施行
されたことにより，塩化物を主成分とする凍結防止剤の散布量が著しく増加し，この時期を境として，凍
結融解と塩化物の作用が複合することによって生ずるコンクリートのスケーリングが新しいタイプの凍
害劣化として注目されている。スケーリングに関する研究は，海外において進展がみられ，既にスケーリ
ング試験法の標準化も行なわれているが，わが国におけるスケーリング研究の遅れは否めず，試験法の標
準化も遅れている。
本論文は，コンクリートのスケーリング劣化を対象とし，スケーリング抵抗性とその評価手法について
検討したものであり，５章で構成されている。
第１章は緒論であり，研究の背景と目的を述べている。
第２章は，わが国の実状に適したスケーリング試験法について提案している。わが国におけるスケーリ
ング試験法の標準化に資することを目的に，海外規格で主流となっている ASTM 法および RILEM 法を
対象に比較実験を行い，両試験法の試験条件に基づくスケーリングの発生性状や性状の異なる要因につい
て多角的に検討し，さらに試験精度や試験に用いる装置・備品類を含めた試験の簡便性と汎用性について
相対評価を行い，わが国における適用性の高い試験法として RELEM 法の採用を提案している。
第３章は，第２章の検討を基に，スケーリング試験の簡易法について提案している。寒冷地コンクリー
トのスケーリング抵抗性の確保においては，多くの機関によるデータの蓄積が必要であるとの観点から，
大型試験設備を用いず，低コストで簡易的に実施可能なスケーリング試験法として，ASTM 法および
RILEM 法に準拠し，冷凍庫と恒温室の間での供試体移動で凍結融解作用を与える簡易的なスケーリング
試験法を開発･提案している。ここでは，ASTM 法とその簡易法および RILEM 法とその簡易法の４試験
を実施し，それぞれの試験法によるスケーリングの発生性状や性状の異なる要因について多角的に検討し，
スケーリング試験の簡易法としての妥当性と有用性を述べている。
第４章は，スケーリング抵抗性評価手法として吸引鐘を用いた簡易透気試験法について提案している。
実構造物の維持管理の立場からは，コンクリートのスケーリング抵抗性を現場で非破壊的かつ簡便に評価
する必要がある。また，スケーリングは水と塩化物の浸透･拡散により促進され，コンクリートの緻密性
に依存することから，緻密性を間接的に表すコンクリートの透気性が有用な評価指標となる。これらの観
点から，実構造物に適用可能な簡易透気試験法に着目し，独自の透気性指標値の算出法を提案するととも
に，試験条件，試験精度および試験の有用性について多角的に検討し，簡易透気試験から求める透気性指
標値がスケーリング抵抗性の評価指標として適用できることを述べている。
第５章は結論を述べており，本研究により得られた成果をまとめている。
以上，本研究により得られた成果は，塩化物環境下におけるコンクリートのスケーリング試験法および
実構造物におけるスケーリング抵抗性評価手法の確立において有用な知見をもたらし，寒冷地におけるコ
ンクリート構造物の耐久性向上に寄与する。
よって，本論文は，博士（工学）の学位論文として十分な価値を有するものと認める。
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最終試験の結果の要旨
博士学位論文の予備審査および本審査・最終試験において，学位論文の内容を適切に発表し，関連分野
に関する質疑に対しても的確に答え，十分な専門知識と研究展開能力を有することが認められた。
学位論文に関連する研究成果は，査読付論文 11 編（内，1 編は英語口頭発表を含んだ英語論文），本
学紀要英語論文 1 編，口頭発表 12 編に公表し，さらに，外部からの研究に対する受賞も 2 件あることか
ら，研究業績は十分あると認められた。
以上より，論文を中心とした科目試験は合格と認める。
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