コンクリートのひび割れ抑制材料についてご紹介!

コンクリートは引張強さが小さい反面、圧縮強度が大きい性質をもつ脆性材料です。コンクリートのひび割れは、構造物の美観を損なうだけではなく、コンクリートの劣化を進行させ、耐久性や防水性を低下させます。

ただ、現状の技術では、ひび割れの発生を完全に防止することは非常に困難であるため、コンクリートのひび割れを抑制するための対策がとられています。ここでは、初期に発生しやすいひび割れを抑制する材料についてご紹介していきたいと思います。

1. 初期に発生しやすいひび割れは?

コンクリートに発生するひび割れの要因としては、コンクリートの材料・配合、施工、使用・環境、構造・外力またはその組合せなどさまざまです。初期に発生しやすいひび割れには、「乾燥収縮ひび割れ」、「自己収縮ひび割れ」、「温度ひび割れ」があり、コンクリート構造物の寿命に大きく影響することが判明しています。

まずは、「乾燥収縮ひび割れ」、「自己収縮ひび割れ」、「温度ひび割れ」の発生メカニズムをご説明します。

1-1. 乾燥収縮ひび割れ

乾燥収縮ひび割れは、乾燥によるコンクリート中の水分の蒸発より、コンクリートの体積が減少し、収縮する現象で周囲の拘束によって発生するひび割れです。

乾燥収縮が起こりやすい要因としては、単位セメント量および単位水量が多い(水セメント比が大きい)ほど、乾燥収縮が大きくなる傾向になりますが、特に単位水量の影響が大きいといわれてます。

なお、乾燥収縮ひび割れの詳細については、こちらのページ「乾燥収縮によるコンクリートのひび割れ」を参照してください。

1-2. 自己収縮ひび割れ

自己収縮ひび割れは、コンクリートの硬化の過程でセメントと水の水和反応の進行によりコンクリートの体積が減少し、収縮する現象です。自己収縮が起こりやすい要因としては、水セメント比が小さいコンクリートほど、自己収縮ひび割れが発生しやすくなります。

1-3. 温度ひび割れ

温度ひび割れは、いわゆる「マスコンクリート」に起こりやすく、セメントと水の水和反応で発生する熱(水和熱)よって温度が上昇するとコンクリートは膨張し、温度が降下するとコンクリートは収縮していきます。

マスコンクリートは部材が大きいため、コンクリートの内部と表面に温度差が生じやすく、その温度差によって内部拘束応力がはたらき、引張応力がコンクリートの引張強度より大きくなるとひび割れが発生します。

なお、コンクリートの温度変化によるひび割れのメカニズムは、「コンクリートの温度変化によるひび割れ」こちらのページで詳しく説明しています。

2. ひび割れを抑制する材料

乾燥収縮ひび割れ、自己収縮ひび割れ、温度ひび割れに共通する要因は、コンクリートが収縮する際に周囲の拘束によって引張応力がはたらき、コンクリートがもつ引張強度より引張応力が大きくなるとひび割れが発生します。

そこで、ひび割れを抑制するためには?と考えたとき、どうすればよいと思いますか?それはコンクリート自体の収縮低減ができれば、ひび割れは発生しにくくなるはずです。それでは収縮低減を目的としたひび割れの抑制するための材料をご紹介していきましょう。

2-1. 石灰石骨材の使用

乾燥収縮には石灰石骨材を用いることが有利であるといわれています。石灰石骨材を使用することにより期待される効果として収縮ひずみを600~700×10-6にできます。

2-2. 収縮低減剤の使用

収縮低減剤は、生コンクリート練混ぜ時に添加する混和剤タイプと出来上がった構造物に塗布するタイプがあります。収縮低減剤は、コンクリート及びモルタル中の自由水の表面張力を低減し、毛細管張力の減少により乾燥収縮を抑制する効果があります。収縮低減剤を使用することによって、収縮低減剤を使用しない場合より15~30%の収縮ひずみを低減できます。

2-3. 膨張材の使用

膨張材は、生コンクリート練混ぜ時に添加することによって、コンクリート硬化時に体積を膨張させることでコンクリート中に圧縮応力を発生させ、収縮による引張応力を低減する効果があります。また、マスコンクリートの温度応力によるひび割れを効果的に抑制することを目的とする水和熱抑制型の膨張材も利用されています。

膨張材を使用することによって、膨張材を使用しない場合より150×10-6以上の収縮ひずみを低減ができます。

2-4. 短繊維素材の使用

近年、橋梁やトンネル等でコンクリートの剥落事故が相次いで起こり,大きな社会問題となっています。その解決策の一つとして微量の繊維をコンクリートに混入させ、剥落を防止する技術が注目されています。

この繊維素材は、長さが数ミリから十数ミリに切断した「短繊維」と呼ばれるもので、材質は主に「鋼繊維」「ガラス繊維」「炭素繊維」及び「有機系繊維」に分かれています。

建設材料に繊維を混入させて、材料の性能を向上させる試みは古くから行われていました。古代エジプト文明では、藁で補強した日干し煉瓦が使われていたようです。我が国においては、鋼繊維補強コンクリートが1970年に、科学的に安定した炭素繊維が1980年代に開発・実用化されました。

そして、近年で最も注目されているのが有機系繊維。この繊維は、密度が小さく軽量でコンクリートに混入した際に流動性への影響が少ないという特徴があり、その使用用途が拡大しています。

3. まとめ

耐久性の観点から収縮ひずみについて、建築学会では800μm以下、土木学会では1200μm以下と規定されています。初期に発生するひび割れはコンクリート構造物の寿命に大きく影響することが判明していることから、ひび割れ抑制の対策が必要です。

今回、ひび割れの抑制材料として、石灰石骨材、収縮低減剤、膨張材をご紹介させていただきました。また、抑制材料は単独での使用のほかに組合せて使用することもできます。組合せでの使用では抑制材料を単独で使用する場合よりも収縮ひずみの低減が大きくできます。

もし、目標とするコンクリートの収縮ひずみがある場合には、石灰石骨材+収縮低減剤などの組合せにより、ひび割れ抑制をしてみてはいかがでしょうか。