【GR】コンクリートの豆知識 vol.1 〜コンクリートとは何かを学ぼう〜

こんにちは!エコモットの奈良です!

北海道は全国に先駆けて紅葉のピークを迎えました。これからどんどん寒くなり冬が近づいてきます。
土木建設の現場では降雪・積雪対策の他に、コンクリート打設における寒中コンクリートの温度管理が必要になってくる季節ですね。

それにしても、コンクリートにはなぜ温度管理が必要なのでしょうか。
今日はそうした疑問にお答えするとともに、コンクリートとは何なのかと言った、
もう一歩基礎的な部分に踏み込んでお伝えしようと思います。

そもそもコンクリートってなに?

まず、コンクリート・モルタル・セメントの話をしましょう。

セメント(A)は石灰を熱処理した粉状のものになります。
そのセメントに水と砂を混ぜたものが、モルタル(B)になります。
そのモルタルに、砂利や砕石を混ぜたものがコンクリート(C)です。

参考:一般社団法人セメント協会より

これらの構成要素をヨーグルトで例えてみると…
ヨーグルト菌がセメント、牛乳が水、シリアルが砂、フルーツが砂利や砕石になります。
モルタルはシリアル入りヨーグルト、コンクリートはシリアルやフルーツが入ったヨーグルトといったイメージですね。

↑コンクリートはシリアルやフルーツが入ったヨーグルトのようなイメージです

コンクリートの歴史

今では土木や建築でなくてはならないコンクリートですが、その歴史は意外に古く、約2,000年前の古代ローマ帝国でコンクリートの原型が使われていたようです。
観光名所でおなじみのローマのパンテオン神殿もコンクリート建造物で、ローマン・コンクリートと呼ばれるものです。
また、セメントの歴史はさらに古く、約9,000年前から使われていたようです。

ただし、ローマン・コンクリートは、現在使用されているコンクリートと組成が異なります。
現在のコンクリートに近い組成のもので作られた現存する最古の建築物は、1904年に建てられたフランスの「サン・ジャン・ドゥ・モンマルトル教会」で、まだ約110年ほどの歴史です。
当時画期的だった鉄筋コンクリートで建設されました。

現在身の回りにあるコンクリートの構造物や建築物ですが、100年後にはなくなっているかもしれませんね。

↑ローマのパンテオン神殿

 
それでもコンクリートの構造物が多く作られるのは、やはり材料の調達のしやすさや加工の自由度、コストのメリットに加えて、十分な強度が確保できるといったところでしょうか。

コンクリートの材料となる主成分のひとつである二酸化ケイ素は、酸素とケイ素の化合物で、ともに地球上に多く存在する物質です。
また、流動性があるので加工がしやすく、様々な形状に作成することが可能です。
数少ない欠点として、その重さによる運搬などのしにくさがあります。

鉄筋と組み合わせることでより性能が向上

さてそのコンクリートですが、自重によりその性能を発生する重力式ダムのような構造物以外は、鉄筋と組み合わせた「鉄筋コンクリート」として使用されるケースがほとんどです。
ビルやマンションなどでは、すっかりお馴染みの建材ですね。

コンクリートは、圧縮には非常に強い性能を発揮しますが、引っ張りには圧縮ほどの性能はありません。その性能を補完するのが、鉄筋です。

鉄筋は、圧縮はもちろん引っ張りにも非常に強い性能があります。
ただし、鉄筋はコンクリートと比較すると単位当たりの単価が高くなります。また、外気にさらされると酸化により腐食します。

そこで、コンクリート内の必要な個所に鉄筋を入れることにより、お互いの性能を補完し合います。

↑引張断面に鉄筋を入れることで圧縮力にも引張力にも強くなります

 
コンクリートは引っ張り側に鉄筋が入ることにより、その分のコンクリート量を減らすことができます。
一方、鉄筋は強アルカリのコンクリートに守られることで、腐食のリスクから避けられます。

コンクリート・鉄筋それぞれの弱点と補い、強みを活かしているのが鉄筋コンクリートなのですね。

コンクリート内の水分

ここまでコンクリートの歴史とその特徴をざっくりとお話ししましたが、
さて、最初にちらっと触れました温度管理について話を戻しましょう。

コンクリートを作る際、セメントに水を混ぜると化学反応(水和反応)を起こし、硬化を始めます。
そのセメントの主成分である酸化カルシウムは水と反応すると発熱します。

コンクリートの内部温度を計測するのは、この反応が終わり硬化の完了を確認するためです。

ということは、硬化が完了するまでわずかながらでもコンクリート内に水が存在することになります。

ほとんどの物質は温度が低くなると、分子の運動量が少なくなり、体積が減少します。
ただし、水は4℃の状態が最も体積が小さく、それを下回ると膨張します。
凍らしたペットボトルが膨れるのと同じ原理ですね。

その膨張がコンクリート内部で起きると、コンクリートのひび割れなどの原因となります。
そのため、冬季間のコンクリートの打設には、養生内の適切な温度管理が必要となるのです。

 

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今回は、コンクリートの豆知識(vol.1)のお話でした!
土木現場に欠かせないコンクリートは、突き詰めれば突き詰めるほど奥深い素材です。次回もまたコンクリートのお話の続きができたらと思います!

 
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参考文献:
一般社団法人セメント協会 コンクリートとは https://www.jcassoc.or.jp/cement/1jpn/je1.html
文部科学省 第1章 水の性質と役割 https://www.mext.go.jp/b_menu/shingi/gijyutu/gijyutu0/shiryo/attach/1331537.htm
水村俊幸 他著「最新図解基礎からわかるコンクリート」ナツメ社(2018年発行)

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