コンクリートの品質をめぐる最近の動向
建設省土木研究所 地質化学部
コンクリート研究室長
コンクリート研究室長
小 林 茂 敏
1 はじめに
コンクリートの構造物は任意の形状のものが築造出来,かつ,強度や耐久性も大きいので,経済的にも優れたものであるとして古くからダムや橋等の多くの土木構造物に採用されてきた。ただ,コンクリートには配合や現場の施工方法を正しく守らないと低品質のものが出来易いという特質があるため,昭和30年~40年代の経済の急成長期におけるすさまじい建設ラッシュ時に作られるコンクリート構造物には一抹の不安がない訳でもなかった。折しも昭和50年代後半から塩害,アルカリ骨材反応等という耳新しい呼び名のコンクリートの劣化現象が多発し始め,「コンクリートにしのび寄る危機」としてマスコミにも大きく取り上げられるに至って,コンクリートの耐久性に関する国民の信頼は一気に失墜した。
建設省でもこの問題は住宅,社会資本の安全性および国家の経済,財政基盤にかかわる極めて重大な問題であるとの認識のもとに「コンクリートの耐久性向上技術の開発」をはじめいくつかの総合技術開発プロジェクトが組まれて,合理的な対処の方策が調査・研究されてきた1)。また,関係学協会,官庁でもそれぞれの立場から対処の方法が検討され,最近になってその成果が各種の通達や基準となって着々と実施されるようになってきた。
本文では塩害,アルカリ骨材反応とはどういうものなのか,それに対する対策として,どのような機関でどのような方策が出されたかを解説をしながら紹介させていただくことにする。
2 塩害とはとのような現象か
「塩害」という言葉は本来は,海水や塩分を含んだ風雨によって植物や田畑の作物が枯れる現象を意味するものであった。
最近使い始められた「コンクリートの塩害」という言葉は,コンクリート構造物が塩分によって被害を被るということであるが,なぜコンクリート構造物が塩分によって被害を被るかについては多少の説明が必要かと思われる。
コンクリートそのものは,本来塩分に対してそれほど弱い材料ではない。したがって,防波堤や消波ブロック等のような多数のコンクリート構造物が,海中や波打際に建設され,かつ,十分な耐久性を示している。ただし,コンクリート構造物には鉄筋コンクリートやプレストレストコンクリートのように,コンクリートの内部に鉄筋やPC鋼線のような鋼から作られた材料が多数埋込まれている。その代表的な例はコンクリート橋である。
このような構造物では多量の塩分が鋼で出来た材料のところまで浸み込んでゆくと鋼製材料は錆びる。
もちろんそのようなことが容易に生じないように鉄筋とコンクリートの表面との間にかぶり(図ー1)というものを設けて,鉄筋まで塩分が浸み込んでゆくまで長年月かかるようにしてはある。しかしながら,塩分の量があまり濃かったり,コンクリートの品質が悪くて塩分が容易に浸み込み易いものであったり,または,かぶりがうすいと短期間に濃い塩分が鉄筋に達してしまう。
塩分がコンクリートに達して,鉄筋が錆びるとどのようになるかを写真で示そう。
コンクリート中の鉄筋表面がかなり広い面積にわたって錆びると写真ー1のように鉄筋に沿ってコンクリートにひびわれが発生する。さらに錆が進むと,コンクリートが写真ー2のように剥離する。
ひびわれや剥離の生じたコンクリートにさらに塩分を補給し続けるとついには写真ー3のような鉄筋の断面積が減ってきたり,切れたりする。このような状態になると,構造物の耐荷力にも影響をし始めてくる。
コンクリートに塩分が入り込む原因には,
① 海水や潮風がコンクリート表面に付着する場合
② 融氷材(塩化カルシウムや岩塩)の散布のために浸み込む場合
③ 海砂や塩分を含んだ混和剤を使用するために最初から入り込む場合
とがある。
マスコミではマンション等の建築物の劣化と未洗浄海砂とを結びつけて報道されたため,コンクリート中に初期に含まれる塩分量というものに世間の関心が集中したが,土木構造物の場合には,①の海からの外来塩分による被害が圧倒的に多く,③の材料中の塩分が原因と考えられる被害例は建設省における多数の土木構造物の調査の例ではまだ発見されていない。
②の融氷材による塩害も,我が国はまだ塩分の散布が比較的少ないので具体的な被害例は発見されていないが,米国北部,カナダ,北欧等では海からの塩害と同様,深刻な問題となっている2)。
海からの外来塩分による被害も全国一律に発生している訳ではなく,日本海沿岸地域,沖縄等における被害が顕著である。おそらく日本海沿岸の冬期の強い季節風,沖縄の台風等のような塩分を含んだ風や波しぶきが塩害と密接に関係しているものと思われる3)。
3 アルカリ骨材反応とはとのような現象か
アルカリ骨材反応というのは一口にいえばコンクリート骨材に含まれている特殊な鉱物とセメントの中に含まれているナトリウム,カリウム等のアルカリ金属が反応して,コンクリートが膨張し,ひびわれが発生する現象である。(写真ー4,5,6)
今から約50年ほど昔,米国で発見されたものであるが,我が国ではそのようなものはほとんど無いとして,あまり関心が持たれていなかった。しかし,昭和58年頃,関西地方で事例が発表されたのを契機に,建設省や学会による調査が進み,今では全国各地で発生していることがわかってきた。
アルカリ骨材反応によるひびわれは乾燥収縮によるひびわれにも似た方向性のない亀甲状のひびわれとなることが多い。自然状態の構造物ではひびわれが発生するのは建設してから数年以上後のことになるのが普通であり,ひびわれの進行も非常にゆるやかであるが,ひびわれ巾はかなり大きくなる場合もある。
アルカリ骨材反応を防止するには反応性鉱物を含む骨材を使用しないのも一方法であるが,反応性骨材を用いても
1)低アルカリ形と称されるアルカリ量の少ないセメントを使用する。
2)高炉スラグやフライアッシュのようなポゾランと称する混ぜ物をセメントに混ぜて使用する。
3)コンクリートに含まれるアルカリの総量を一定値以下にする。
のような方法で反応の防止ができることも研究の結果明らかになっている。
反応性骨材かどうかを知るためには,モルタルを作って膨張を測定する方法(モルタルバー法),骨材のアルカリ溶液中での反応量を測定する方法(化学法)等があるが,我が国の場合,安山岩や玄武岩のような火性岩や,チャートのような堆積岩のかなり多くのものが反応性であることがわかってきている4)。したがって,アルカリ骨材反応を防止するのに無害の骨材を使用する方法だけを採用していたら骨材の供給に大混乱を生じるようになるおそれがある。一方,セメントの低アルカリ化,高炉セメントの普及などが進んできているので,セメントの種類の選択や総アルカリ量のチェックによって対処する方法は最も簡単で,かつ確実な方法となってきている。
4 建設省関係における品質規定の動向
建設省関係の土木工事に使用されている設計,施工に関する基準類で,この数年の間にコンクリートの品質や耐久性改善のために制定もしくは改訂されたものを年代順に示すと表ー1のようになる。
これらのうち,建設省が直接制定したり通達しているものをまず紹介する。
4.1 道路橋の塩害対策指針
建設省では我が国の公共道路に架設される橋はすべて日本道路協会発行の「道路橋示方書」によって設計施工することを通達している。
「道路橋の塩害対策指針(案)」は海上,海岸付近に架設された道路橋に多発している塩害を防止するために昭和59年新たに制定されたものであり,この地域に架設される道路橋は道路橋示方書に加えて,この指針にも従わなければならなくなった。
対策の基本方針はコンクリートの品質を高めること(水セメント比を一定値以下とすること)およびコンクリートのかぶり厚を大きくすること(地域,構造物の部位によって5~7cm以上にする)である。また,かぶり厚が十分にとれない場合にはエポキシ塗装鉄筋という錆びない鉄筋(写真ー7)の使用やコンクリートの表面に防塩塗装を行う方法によって対処してよいことも規定している。
4.2 コンクリート中の塩分総量規制
昭和61年6月,技調発第285号通達によってコンクリートに最初から入ってくる塩分量が規制された。
従来は海砂とか,練り混ぜ水中の塩分量の限度のように材料別に規制されたものがコンクリート中に含まれる塩分の総量としても許容限度を定め,これを荷卸し時に確認してから使用するということになった。これはコンクリートの品質管理にとって大きな改革である。
荷卸し時に検査する為には短時間で簡易に測定できる塩分測定器が必要であるが,優れた機器が多数開発され,国土開発センターから評価書が出されている。
塩分総量の規制値は塩素イオン量で鉄筋コンクリート構造物,ポストテンションプレストレストコンクリート構造物は0.6kg/m3,プレテンションプレストレストコンクリート製品およびシース内のグラウトは,0.3kg/m3である。
最近の調査では,ほとんどすべての生コンは規制値の数分の一以下の塩分量となっている。
通達は昭和61年6月に発されたが,昭和62年4月から完全実施されている。
この塩分規制に従う場合,発注者,工事責任者,生コン業者等が各々なすべき作業は表ー2のようになる5)。
4.3 アルカリ骨材反応抑制暫定対策
昭和61年6月建設省技調発第287号通達によりアルカリ骨材反応の抑制対策が制定された。この暫定対策によれば,建設省で使用されるコンクリートはアルカリ骨材反応を抑制するために次の4つの対策のいずれかを行わなければならない。
1)アルカリ骨材反応性が無害の骨材を使用する。
2)低アルカリ形のセメントを使用する。
3)B種の高炉セメントを使用する。
4)コンクリート中のアルカリ総量を3kg/m3以下とする。
反応性骨材の試験は,化学法とモルタルバー法の2種類の方法が規定されている。前者は,3~4日で結果が得られるが,やや試験技術を要する。後者は,試験方法は容易であるが,結果が得られるまでに6ヶ月以上を要する。
我が国は火山国であり,安山岩や玄武岩といった火山岩が多いためか前述のようにアルカリ骨材反応性を示す骨材がかなり多い。したがって,建設省では無害の骨材を使用するという対策のみを指定することがないように配慮し,4つのうちでどれでも実施出来るものをひとつ採用すればよいとしている。
現在のセメントのアルカリ含有量は0.7%以下であること等を考えた場合,どのような条件のときにどの方法を選ぶのが簡単で合理的かを示せば,表ー3のようになる6)。
4.4 土木工事共通仕様書7)
建設省各地方建設局は,土木工事共通仕様書を制定している。この中に土木材料,コンクリート工事等に関する規定も入っているが,建設省通達,土木学会コンクリート標準示方書の改訂,JISの各種規格の改正等に整合させるために昭和62年4月に改訂を行った。
5 土木学会における品質規定の動向
土木学会コンクリート標準示方書は,昭和61年10月大改訂が行われた。内容も従来よりも充実し,「施工編」,「設計編」,「舗装・ダム編」の3冊に分冊された大著となった。建設省の場合には,設計は「道路橋示方書」や「河川砂防技術基準」,施工は「土木工事共通仕様書」等によって行われているので,学会示方書が改訂されたからといっても直接影響はないが,どの仕様書類でも,規定されていない事項は学会示方書に準ずるように指示しているし,また,現行の規定類も改訂の折には学会示方書も参考にされるので,間接的には大きな影響力を有していると言ってよいであろう。
5. 1 コンクリート標準示方書(施工編)
コンクリート新材料の積極的な活用,耐久性に関する規定の強化等を行っている。
主な改訂点のいくつかをあげれば次のようになる。
① フレッシュコンクリート(まだ固まらないコンクリート)中の塩分総量の標準的な規制値を示した。
② アルカリ骨材反応およびその抑制方法に関する記述を充実させた。
③ 高炉スラグ微粉末,流動化剤,シリカフューム等新しい混和材料に関する記述を強化した。なお,高炉スラグ微粉末は,コンクリートの練混ぜ時にポルトランドセメントに混ぜ,高炉セメントを用いたのと同じことにすることを目的とした混和材である。
シリカフュームはシリカ質の超微粒の粉末で,適切な使用をすればコンクリートの水密性を高める効果があるが,反面,単位水量や混和材の使用量も増える。
シリカフュームはシリカ質の超微粒の粉末で,適切な使用をすればコンクリートの水密性を高める効果があるが,反面,単位水量や混和材の使用量も増える。
④ マスコンクリート用に温度ひびわれ防止のための記述を強化した。
⑤ 水中コンクリート,プレパックドコンクリートのような特殊コンクリートの記述を強化した。
⑥ 海洋コンクリートの耐久性にかかわる規定を厳しくした。
⑦ コンクリートの品質を設計基準強度を下まわる確率を5%以下とするように高くし,検査の方法も改訂した。この改訂によって示方書によるコンクリートの品質と現在のJIS規格による生コンの品質と非常に近いものとなった。
5. 2 コンクリートの標準示方書(設計編)
土木学会のコンクリート構造物の設計法は大変革を行った。従来の設計法は「許容応力度法」と称される,コンクリート部材に発生する応力度が材料に許容出来る応力度以下であれば良いとするものであった。
新しく作用された設計法は「限界状態設計法」と称される方法で,構造物が破壊したり有害なひびわれが生じるなど,構造物の安全性や使用性を損う可能性のある全ての状態に対して,それぞれの適切な安全度をもつように設計することである。同示方書では設計の便宜を考えて限界状態を,(i)終局限界状態,(ⅱ)使用限界状態,(ⅲ)疲労限界状態の三つのグループに分類して安全度の照査を行うこととしている。安全係数には材料係数(γm),荷重係数(γf),荷重組合わせ係数(φ), 構造物解析係数(γa),部材係数(γb),構造物係数(γi),等多数の種類のものがある。部材強度の計算式も各限界状態に応じて,新たに提案された計算式によっている。これらの考え方や計算式は世界の時流に乗ったものであり,学術的にも高水準なものではあるが,各種の安全率,係数類の適正な値等についてはまだ吟味の余地がある。さらには,このような考え方なり設計方法を技術者に教育をしたり,理解させたりするのにはしばらくの年月を要するものと考えられる。
したがって,道路橋示方書等のような比較的革進的な示方書でも,このような新しい設計法を本格的に採用するようになるのは,早くても昭和65年以後になるものと考えられるが,遅かれ早かれ我が国のコンクリート構造物の設計方法は,次第にこのようなものに変わってゆくと考えられるので,設計関係にたずさわる人は少しずつ内容の理解に努められるとよいと思う。
6 JIS関係の品質規定の動向
建設省の通達,土木,建築両学会の示方書類の改訂を受けてJIS規格も続々改訂されている。以下にコンクリートに特に関係の深いものだけを紹介する。
6.1 JIS A 5308レデーミクストコンクリート
昭和61年10月改訂されたが,改訂内容はアルカリ骨材反応に対する対策,塩分の総量規制に対応するものである。その要点は,
1)アルカリ骨材反応防止のための原則として非反応性の骨材を用いる。
2)無害であることが確かめられていない骨材若しくは有害となった骨材を用いる場合には,低アルカリセメント,高炉セメントB種,あるいはコンクリート中のアルカリ総量を3.0kg/m3以下におさえる等の対策を行う。
3)骨材が反応性かどうかの試験は付属書に示されている化学法又はモルタルバー法による。
4)コンクリート中の総塩分量の限度は0.3kg/m3(購入者が指示した場合は0.6kg/m3以下)とする。
5)塩分量の試験は付属書に示す方法によるが,購入者が指示した場合は簡易に測定できる試験方法によって試験しても良い。
6)納品書には塩分量やアルカリ骨材反応に対する対策方法等を表示する。
等である。
6.2 JIS A 5004コンクリート用砕砂
アルカリ骨材反応に対処するため,砕砂はアルカリ骨材反応性の試験を行い①無害と判定されたものは「砕砂A」と表示し,②試験で無害とならなかったもの,あるいは試験を行わなかったものは「砕砂B」と表示するように改められた。したがって,B種の砕砂を使用する場合には,抑制対策を行って使用することになる。
反応性のある骨材もB表示をすることにより,JIS製品として販売できるようにしたところに改正の特徴がある。
6.3 JIS A 5005コンクリート用砕石
アルカリ骨材反応に対処するため,砕砂と同じようにA種とB種とを作り①試験結果が無害のものは「砕石 2505 A」のように表示し②無害と判定されなかったもの,試験を行わなかったものは,「砕石 2505 B」のように表示するように定められた。
したがって,B種の砕石を用いる場合にはアルカリ骨材反応抑制対策を行って使用することになる。なお,A種の骨材にB種の骨材を混合するような場合には混合したもの全体をB種とみなし,対策を行って使用しなければならない。
そのほか,比重は絶乾比重で表示すること,砕石2505の粒度分布は土木学会の規定と整合させることなども併せて改正された。
6.4 JIS A 6204コンクリート用化学混和剤
コンクリート用化学混和剤の中には,塩化物やNa+等を含むものがあり,コンクリート中の塩分総量やアルカリ総量等に影響を及ぼすので,これを規制ないしは表示するように改められた。
すなわち①塩分の含有量によってⅠ種(Cℓーが0.02kg/m3以下),Ⅱ種(Cℓーが0.2~0.6kg/m3)に分けられる。②コンクリート中に持ち込まれる全アルカリ量はNa2O換算値で0.3kg/m3以下となるように規制される。③塩化物量,全アルカリ量等は所定の様式で報告しなければならない。
6.5 コンクリート工場製品
JIS規格には多くのコンクリート製品があるが建設省の通達ではこれらの製品でもアルカリ骨材反応や塩分の規制を守らなければならないことになっている。したがって,これらのコンクリート製品を規定するJISも改訂時期になったものから順次,これらの通達の規制の内容を満足するものに改められている。なお,これら工場製品では受入れ検査時の非破壊試験で規制を満足しているかどうかをチェックすることはできないので,工場の品質管理のデータや試験成績票で確認することになる。
7 あとがき
コンクリートの品質に関する信用回復のために塩分量規制,アルカリ骨材反応に対する対策等コンクリートの生産者に課せられた負担は多大なものであった。多少のとまどいはあったものの大きなトラブルもなく改訂規格が実施されるようになったのは建設省,土木建築両学会,JIS等がよく協力し統一した内容の規格に一斉に変更された為と考えている。現在,骨材価格の上昇の気運,外国セメントの輸入の増大など様々な厳しい現実がある中で,コンクリートの品質改善のために行われた各種の対策は,現時点で考えられる方法として最良のものであったのではなかろうか。まもなく建設省のコンクリートの耐久性に関する総合プロジェクトも終了するが,それまでに修正していかなければならない規定や判定方法等について,現場からのきたんのない意見を伺いたいと考えている。
参考文献
1)布施洋一:コンクリートの耐久性向上への取組み,月刊建設Vo1.31,1987.10
2)建設省土木研究所コンクリート研究室:コンクリート構造物の塩害に関する文献調査抄訳集,土木研究所資料,第2174号,昭和60年3月
3)池田道政:塩害によるコンクリート構造物の損傷状況調査結果,道路,1984.2
4)建設省土木研究所土質化学部地質研究室:コンクリートの劣化実態調査報告(1),土木研究所資料,第2369号,昭和61年4月
5)建設大臣官房技術調査室:コンクリートの耐久性向上技術,㈶国土開発技術研究センター,1986.10
6)小林茂敏:アルカリシリカ反応抑制対策—アルカリシリカ反応は容易に防げる—,土木研究資料Vol29,No.7,1987.7
7)建設省関東地方建設局:土木工事必携,昭和62年版