コンクリート舗装の品質保証における新たな開発により、品質、耐久性、ハイブリッド設計コードへの準拠に関する重要な情報が得られます。
コンクリート舗装の施工では緊急事態が発生する可能性があり、施工業者は現場打ちコンクリートの品質と耐久性を検証する必要があります。これらの事象には、打設工程中の雨水への曝露、養生剤の塗布後、打設後数時間以内の塑性収縮およびひび割れ、コンクリートのテクスチャおよび養生に関する問題などが含まれます。強度要件やその他の材料試験が満たされていても、現場打ちコンクリートが配合設計仕様を満たしているかどうか懸念されるため、技術者が舗装部分の撤去と交換を要求する場合があります。
この場合、岩石学やその他の補完的な（ただし専門的な）試験方法によって、コンクリート混合物の品質と耐久性、および作業仕様を満たしているかどうかに関する重要な情報が得られます。
図1. コンクリートペーストの蛍光顕微鏡写真の例。0.40 w/c（左上）および0.60 w/c（右上）。左下図はコンクリート円筒の抵抗率を測定する装置。右下図は体積抵抗率とw/cの関係。Chunyu QiaoおよびDRP（Twining Company）
エイブラムスの法則：「コンクリート混合物の圧縮強度は、水セメント比に反比例する。」
ダフ・エイブラムス教授は、1918 年に水セメント比 (w/c) と圧縮強度の関係を初めて説明し [1]、現在エイブラムスの法則と呼ばれる「コンクリートの圧縮強度 水セメント比」を定式化しました。圧縮強度の制御に加えて、水セメント比 (w/cm) は、ポルトランドセメントをフライアッシュやスラグなどの補助的なセメント材料で置き換えることを考慮しているため、現在では好まれています。また、コンクリートの耐久性を左右する重要なパラメーターでもあります。多くの研究により、w/cm が約 0.45 未満のコンクリート混合物は、凍結防止剤による凍結融解サイクルにさらされる地域や土壌中に高濃度の硫酸塩がある地域などの過酷な環境でも耐久性があることが示されています。
毛細管細孔はセメントスラリーに固有のものです。これは、セメント水和生成物と、かつて水で満たされていた未水和セメント粒子との間の空間です。[2] 毛細管細孔は、連行細孔や捕捉細孔よりもはるかに微細であるため、これらと混同しないようにする必要があります。毛細管細孔が繋がっている場合、外部環境からの流体がペーストを通して浸透する可能性があります。この現象は浸透と呼ばれ、耐久性を確保するためには浸透を最小限に抑える必要があります。耐久性のあるコンクリート混合物の微細構造は、細孔が繋がっているのではなく、セグメント化されています。これは、w/cmが約0.45未満の場合に発生します。
硬化コンクリートのw/cmを正確に測定することは非常に困難ですが、信頼性の高い方法があれば、硬化した現場打ちコンクリートの調査において重要な品質保証ツールとなります。蛍光顕微鏡は、その解決策を提供します。その仕組みをご紹介します。
蛍光顕微鏡法は、エポキシ樹脂と蛍光染料を用いて材料の細部を観察する技術です。医学分野で最も広く用いられていますが、材料科学においても重要な応用があります。コンクリートにおけるこの手法の体系的な応用は、約40年前にデンマークで始まりました[3]。北欧諸国では1991年に硬化コンクリートのw/c（水/セメント比）の推定法として標準化され、1999年に改訂されました[4]。
セメントベースの材料（コンクリート、モルタル、グラウトなど）の w/cm を測定するには、蛍光エポキシを使用して、厚さ約 25 ミクロンまたは 1/1000 インチの薄片またはコンクリートブロックを作成します（図 2）。 このプロセスには、コンクリートコアまたはシリンダーを、面積が約 25 x 50 mm（1 x 2 インチ）の平らなコンクリートブロック（ブランクと呼ばれる）に切断することが含まれます。 ブランクをスライドガラスに接着し、真空チャンバーに配置して、エポキシ樹脂を真空下で導入します。 w/cm が増加すると、接続性と気孔の数が増えるため、より多くのエポキシがペーストに浸透します。 顕微鏡でフレークを調べ、一連の特殊なフィルターを使用してエポキシ樹脂内の蛍光染料を励起し、余分な信号をフィルタリングします。 これらの画像では、黒い領域は骨材粒子と未水和セメント粒子を表しています。 2 つの多孔度は基本的に 0% です。明るい緑色の円は空隙率（気孔率ではありません）を表し、空隙率は基本的に100%です。これらの特徴の一つである、斑点状の緑色の「物質」はペーストです（図2）。コンクリートのw/cmと毛細管気孔率が増加するにつれて、ペースト特有の緑色はより明るくなります（図3参照）。
図2. 凝集粒子、空隙（v）、ペーストが見られる薄片の蛍光顕微鏡写真。水平視野幅は約1.5mm。Chunyu QiaoとDRP（Twining Company）
図3. 薄片の蛍光顕微鏡写真。w/cmが増加するにつれて、緑色のペーストが徐々に明るくなる様子がわかる。これらの混合物は気泡を含み、フライアッシュを含む。Chunyu QiaoとDRP（Twining Company）
画像解析とは、画像から定量的なデータを抽出することです。これは、リモートセンシング顕微鏡から、さまざまな科学分野で利用されています。デジタル画像の各ピクセルは、基本的にデータポイントになります。この方法により、これらの画像に見られるさまざまな緑の明るさレベルに数値を割り当てることができます。過去約20年の間に、デスクトップコンピューティング能力とデジタル画像取得の革命により、画像解析は多くの顕微鏡学者（コンクリート岩石学者を含む）が使用できる実用的なツールになりました。私たちは、スラリーの毛細管多孔度を測定するために、画像解析をよく使用します。時間の経過とともに、次の図（図4および図5）に示すように、w/cmと毛細管多孔度の間には強い系統的統計相関があることがわかりました。
図4. 薄片の蛍光顕微鏡写真から得られたデータの例。このグラフは、1枚の顕微鏡写真における特定のグレーレベルにおけるピクセル数をプロットしています。3つのピークは、骨材（オレンジ色の曲線）、ペースト（灰色の領域）、および空隙（右端の未充填のピーク）に対応しています。ペーストの曲線から、平均細孔径とその標準偏差を計算できます。Chunyu QiaoとDRP、Twining Company 図5. このグラフは、純セメント、フライアッシュセメント、天然ポゾランバインダーからなる混合物における、一連のw/cm平均毛細管測定と95%信頼区間をまとめたものです。Chunyu QiaoとDRP、Twining Company
最終的に、現場コンクリートが配合設計仕様に適合していることを証明するには、3つの独立した試験が必要です。可能な限り、すべての合格基準を満たす打設箇所からコアサンプルを採取するとともに、関連する打設箇所からもコアサンプルを採取してください。合格した打設箇所のコアは対照サンプルとして使用でき、関連する打設箇所の適合性を評価するためのベンチマークとして使用できます。
弊社の経験では、実績のあるエンジニアがこれらの試験データをご覧になった場合、他の重要な工学特性（圧縮強度など）が満たされていれば、通常は施工を承認していただけます。w/cmと地盤係数の定量的な測定値をご提供いただくことで、多くのプロジェクトで規定されている試験の範囲を超えた試験を実施し、対象となる混合物が優れた耐久性につながる特性を備えていることを証明することができます。
デイビッド・ロススタイン博士（Ph.D.、PG、FACI）は、トワイニング社傘下のDRPの主任リソグラファーです。25年以上の専門的な岩石学者としての経験を持ち、世界中で2,000件以上のプロジェクトから10,000点以上のサンプルを自ら検査してきました。トワイニング社傘下のDRPの主任科学者であるチュンユ・チャオ博士は、地質学者および材料科学者であり、セメント材料、天然および加工岩石製品の分野で10年以上の経験を有しています。彼の専門分野は、画像解析と蛍光顕微鏡を用いたコンクリートの耐久性研究で、特に凍結防止剤、アルカリシリコン反応、および下水処理場における化学的侵食による損傷に重点を置いています。
投稿日時: 2021年9月7日