コンクリートの微細構造観察の試み

株式会社大林組 東京本社 技術本部

技術研究所 生産技術研究部 人見尚

コンクリートとは？

• 骨材 ： 砂と石(細骨材と粗骨材）

• 接着剤 ： セメント 石灰石を焼成

これらを練混ぜて自然硬化させる

↓

コンクリート・コンクリートは様々な材料を混ぜ合わせることができる → 工業材料としては異質

・誰が作っても(一応は)できる → 自由度の多さ

セメント中のカルシウム-シリカ系化合物と反応して↓

CH（Ca(OH)2） と CSH（3CaO・2SiO2・3H2O）

なる化合物を作る↓

セメント硬化体

コンクリートはどのような材料か？

水酸化カルシウム：水溶性 カルシウムシリケート化合物：難溶性

・セメント硬化体はポーラス・骨材との接着はあまりよくない

骨材とセメントの間には遷移帯と呼ばれる粗な領域

コンクリートの劣化

初期の劣化

水和固化時の発熱と冷却における各材料の膨張収縮比の差→ ひび割れの発生

気中構造物

水中構造物

① 乾燥収縮ひび割れ② 炭酸化② 鉄筋腐食

① 表面劣化② 炭酸化(溶脱の抑制)③ 鉄筋腐食④ ひび割れ

水分の蒸散(乾燥)CO２の侵入飛来塩分(Cl-)の浸透

Ca2+の溶脱CO3

-の浸透Cl-の浸透SO4

2-の浸透

中長期的な劣化

長期的な劣化

カルシウム溶脱：カルシウム成分を地下水に溶出させポーラスに変化する →放射性廃棄物処分場

本研究の目的

・細孔構造や骨材との界面・力学的性質と空隙・化学変化のモデル化

コンクリートの耐久性能を精密に評価・予測する

既存の実験では観察不可能であった

コンクリートの空隙構造・力学的性質・物質移行経路

コンクリート内細孔構造・ひび割れを捉える

モルタル(メゾモデル)

×10-3m

コンクリート(マクロモデル)

ｍ

劣化した領域

この部分の何がどのように変化したか？

力学性能と拡散性能との関係は？

コンクリートは階層構造をもつ

セメント硬化体(ミクロモデル)

×10-6m

マルチスケールアナリシスが必要

コンクリートの内部構造を見る

１．輪切りにして観察する

２．非破壊で観察する

微小厚さを研磨除去し，平滑面を出し，表面観察を行う．この繰り返し

問題点：像からどうやって空隙を判別するか？微小研磨や観察面を精度良くそろえられるか？

試験体にCT撮影を施す

問題点：線源に何を使うか試験体の大きさは？そもそもそのような装置はどこに

X線CT撮影 − SPring-8

X線CT撮影SPring-8で実験を行うことの利点１．最適なエネルギーを選択できる２．高分解能である

試料の撮影

0°〜180°まで，1500枚の透過像（レントゲン写真）を撮影し，そこから断面図を再構成する

・視野：500um× 500um →1000×1000ピクセル 0.5um／1ピクセル・最小径1.5umの細孔まで識別可能 (3ピクセル分)

W/C40%モルタル W/C60%モルタルW/C50%モルタル

X線CT撮影例

試料：電気化学的促進試験で作成

変質モルタルW/C 50%変質モルタルW/C 40%

明るさ

ピクセル数

白で表示黒で表示

輝度分布

結果から空隙を取り出すW/C40%モルタル W/C60%モルタルW/C50%モルタル

W/C50% 変質モルタルW/C40% 変質モルタル

空隙の空間構造と質が分かる１普通ポルトランドセメント W/C 0.5

健全セメント硬化体 溶脱セメント硬化体

粗大空隙

全空隙

空隙の空間構造と質が分かる２

低熱セメント＋フライアッシュ W/C 0.5

健全セメント硬化体

全空隙

溶脱セメント硬化体

粗大空隙

１．新しい解析手法複雑境界条件や移流を考慮FEMや差分法でない解析法

２．劣化状態把握の高精度化劣化状態に応じた物性の把握X線CTによる空隙の把握（従来法は１cm以上の幅）

コンクリート内細孔構造・ひび割れを扱う

モルタルとしての拡散係数

ペーストとしての拡散係数

モルタル

(メゾモデル)

セメントペースト(ミクロモデル)

コンクリート(マクロモデル)

溶脱した領域

この部分の拡散係数は？

溶脱・変化の状況

溶脱・変化の状況

コンクリートの劣化・溶脱の解析

細孔中のイオンの移動から正確な拡散係数を求める

格子ボルツマン法(ＬＢＭ)＋X線CT+マルチスケール解析による

耐久設計・耐久性予測システム

・物質の移行解析：格子ボルツマン法

・真の拡散係数：SPring-8 のX線CT像からの細孔モデル

X線CTの成果の活用

イオンの浸透度合いの定量評価

LBM → 複雑境界中の拡散解析を可能に

コンクリート中の物質移動解析には拡散係数など物性値が必要↑これまでは，マクロな実験より定めた（誤差が多い）

マイクロ構造中の拡散を解きイオンの浸透度合いを評価

500ピクセル分 500立方立体格子 空隙中の拡散 拡散係数の近似

0

5

10

15

20

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

溶脱

標準養生

Ca濃

度 [mmol/l]

深さ方向 [mm]

その例として 溶脱によるセメント硬化体の変化を考察

解析結果 ー イオンの浸透しやすさ

0

5

10

15

20

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

溶脱

標準養生

Ca濃度 [mmol/l]

深さ方向 [mm]

0

5

10

15

20

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

溶脱

標準養生

Ca濃度

[mmol/l

]

深さ方向 [mm]

普通ポルトランドセメント 低熱ポルトランドセメント＋フライアッシュ

普通ポルトランドセメント；溶脱によって，浸透しやすくなる

低熱ポルトランドセメント＋フライアッシュ；溶脱での変化は少ない，

もともと浸透しやすさは大きい

更なる試み ー 化学成分の空間分布

X線吸収係数による画素数のヒストグラム(縦軸対数表示)

この部分の違いは？

セメントの硬化過程で成分が変わる

空隙

青黒 緑 白

X線吸収係数

画素数

ケイ素成分やエトリンガイドなど

CSH(I,II) 未水和セメント

CH

空隙

青黒 緑 赤 白

画素

数

これらの構成物割合の差がピークとなって現れるのでは？

セメントペースト中の水和物分布（推定）

材齢28日材齢2日

・未水和セメントと思われる領域が材齢経過で減少

・CHは未水和セメントに接して存在

しきい値を設け物質ごとに着色表示

S・エトリンガイドなど： 青CSH: 緑CH： 赤

未水和セメント： 白

まとめ

SPring-8においてコンクリートのX線CT観察を行った．

1.非破壊でのモルタル内部の観察が可能

2.３次元での内部構造の検討が可能

3.CT像より空隙の径のヒストグラムの分布がわかる

4.空隙には連続するものと独立したもの（気泡状)のものが混在

→ X線CT観察のみが得られる多くの有用な知見

応用として

5.CT像より，拡散係数などの物性値を算出できる

6.高精度なコンクリート劣化の評価・予測に有益

7.成分分析にも応用可能の可能性が

謝辞

• 本研究は，SPring-8における課題研究課題番号：2006A0205，2006B0157 ，2007A1951，2007B1819においてBL20XUおよびBL47XUを用いた成果です。

ここに銘記し，謝意を表します。