コンクリートはカレンダーを所有していない

 建設現場の午前7時。2日前にコンクリートスラブが打設され、次の作業員が待機している。誰もが同じ疑問を抱いている。「コンクリートは型枠を外すのに十分な強度があるだろうか？」長い間、正直な答えは「おそらく」だった。判断は経験則、経験、そしてどこかの研究所で粉砕された少数の試験片に基づいていた。この記事では、より信頼性の高い答えを得るための方法を説明する。それは「成熟度法」と呼ばれるものだ。

コンクリートが硬化する際に内部で実際に何が起こるのか、なぜ暦が適切な指標にならないのか、成熟度法がどのように段階的に機能するのか、どこで標準化されているのか、どのような場合に有効で、どのような限界があるのか​​を見ていきます。

ほとんどの化学反応と同様に、水和反応は温度に大きく依存します。温かければ反応は速くなり、冷たければ遅くなり、十分に冷たくなると反応はほぼ停止します。これはパン生地の発酵に似ています。暖かいキッチンでは1時間で発酵しますが、同じ生地でも寒い地下室でははるかに時間がかかります。そのため、「コンクリートは3日経過している」というだけでは、ほとんど何もわかりません。穏やかな夏の3日間と凍える11月の3日間では、全く異なるコンクリートになります。時間だけでは強度はわかりません。時間と温度を組み合わせることでわかります。多くの現場では、これは今でも固定された待機時間で処理されています。たとえば、「X日後にスラブを取り外す」など、冬には追加の猶予が設けられる場合もあります。これらのルールは単純ですが、内在的な問題があります。悪い状況で安全を確保するには、保守的にならざるを得ず、作業員は必要以上に長く待つことがよくあります。そして、状況がルールで想定されているよりも悪い場合、2 保守的ではありません。 

熟成度法は、コンクリートが時間とともにどれだけの熱を吸収したかを記録し、その合計値を用いて強度を推定します。分かりやすい例えは貯蓄口座です。コンクリートは1時間ごとに、口座にいくらかの熱を「預け入れ」ます。暖かい時間は大きな預け入れ、寒い時間は小さな預け入れ、凍える時間はほとんど何も預け入れません。この残高が熟成度と呼ばれます。この方法の重要なルールは単純です。同じ配合で同じバランスのコンクリートであれば、高温で急速に熟成したか低温でゆっくりと熟成したかに関わらず、ほぼ同じ強度になります。したがって、「コンクリートの築年数は？」と問う代わりに、「どれだけの熱を蓄積したか？」と問うのです。温度は簡単に、継続的に、そして何も損傷することなく測定できるため、この質問には測定可能な答えがあります。 

従来、強度試験は小型の試験体（立方体または円柱）を用いて行われてきました。これらの試験体は、同じコンクリートから作られ、近くまたは実験室に保管され、プレス機で圧縮されます。これは信頼できる方法のように思えますが、落とし穴があります。小型の試験体は、実際の構造物と同じ温度にさらされないのです。大きなスープ鍋の横に置かれたカップのお茶を想像してみてください。どちらも最初は同じくらい熱いですが、カップの方がはるかに早く冷めます。コンクリートも同様の挙動を示します。水和反応によって発生する熱を思い出してください。厚い壁やスラブは、その熱を小さな試験体よりもはるかに長く保持しますが、小さな試験体はほぼ瞬時に熱を失ってしまいます。

結果として：

•  通常または温暖な条件下では、実際の元素の強度は試験サンプルが示すよりも強い場合が多い。そのため、作業員は必要以上に長く待たされることになる。

• 寒冷地では、状況は逆になることもあります。暖房の効いた実験室に保管されたサンプルは問題なさそうに見えても、実際に屋外のデッキに置かれたスラブは予想よりも強度が低い場合があるのです。これが危険なケースです。

実務上の問題もあります。試験片の作製、保管、輸送、試験が必要で、結果が出るまでには数時間から数日かかります。その頃には、現場での決定はすでに下されていることも少なくありません。また、単一の試験片はコンクリートの1つのサンプルを表すものであり、一晩中風にさらされたスラブの端面を表すものではありません。成熟度法は、実際の構造物内部という重要な場所で温度を測定し、結果を次の試験日ではなく継続的に提供するため、これらの問題を回避できます。  

ステップ1：システムにあなたのミックスを学習させる。

コンクリートの配合は、セメントの種類、水の量、添加剤、その他の材料によって、それぞれ異なるペースで強度を増していきます。そのため、この方法はまず一度のキャリブレーションから始まります。研究所で、実際の配合の試験片を作成します。一部には温度センサーを取り付け、残りは様々な経過時間で強度試験を行います。各試験において、強度はその時点までに蓄積された熱量と関連付けられます。これらのペアを組み合わせることで、その配合における「蓄積された熱量」と「到達強度」の関係を示す曲線が作成されます。これは、配合ごとに作成された翻訳表のようなものと考えることができます。

 

ステップ2：現場で測定する。

コンクリート打設前に、小型の温度センサーを鉄筋の該当箇所に取り付けます。コンクリートが打設された瞬間から、センサーは24時間体制で自動的に温度を記録します。最新のシステムはデータを無線で送信するため、誰もリーダーやケーブルを持ってセンサーまで行く必要はありません。

 

ステップ3：強さを読み取る。

ソフトウェアは各センサーで収集された熱量を合計し、校正曲線上の対応する強度を参照します。現場チームは、構造物の各位置における推定設置強度をリアルタイムで確認できます。例えば、打撃に必要な強度など、目標値が定義されている場合は、その値に達したことをシステムに表示することもできます。 

 これをより具体的に説明するために、典型的なプロジェクトにおけるプロセスは次のようになります。

• 数週間前：配合は研究所で調整される。理想的には、後日納品されるのと同じ工場で同じ配合で作られたコンクリートを用いて調整される。

• コンクリート打設前日：合意された位置にセンサーを鉄筋に固定し、各センサーをソフトウェア上で部材および校正済みの配合情報にリンクさせる。

• 打設中：センサーはコンクリートに囲まれた瞬間から記録を開始します。最初の数時間は、打設直後のコンクリートの温度と、その温度上昇の速さを示します。

• 翌日以降は、現場管理者は検査結果を待つ代わりに、ノートパソコンやスマートフォンで推定強度を確認する。通常、最も温度の低いセンサーが最終的な判断基準となる。

• 決定の時：関連するすべてのセンサーが必要な強度を示し、重要な工程に必要な追加のチェックがすべて完了したら、型枠を取り外すか、次の工程を開始できます。

• その後、温度と強度の履歴が保存され、プロジェクトの資料として使用できます。   

米国では、成熟度法には独自の規格があり、1987年に初版が発行されたASTM C1074「成熟度法によるコンクリート強度推定のための標準実施方法」です。この規格は、プロセス全体を段階的に網羅しています。計算方法（単純加算法と等価材齢法）の両方を説明し、実験室での配合の校正方法、型枠の取り外しやプレストレス導入などの重要な工程の前に必要な追加チェックについても規定しています。そのため、ASTM C1074は世界中の多くのプロジェクトやセンサーシステムの基準となっています。

ヨーロッパでは、施工基準EN 13670において、温度測定から現場強度を推定することが明示的に認められています。しかし、ASTM C1074のような詳細な校正手順は規定されていないため、具体的な手順は各国の規則、ガイドライン、およびプロジェクト仕様に委ねられています。 

自分で計算する必要はありませんが、一般的に3つのアプローチがあることを知っておくと役立ちます。これらはすべて同じ論理に基づいており、暖かい時間と寒い時間にどれだけの重み付けをするかという点だけが異なります。

ナース・ソール法として知られるこの単純な計算方法は、1950年頃の研究に遡ります。これは「下限温度を超える温度×時間」を合計するものです。下限温度は基準温度と呼ばれ、コンクリートが全く強度を増さないと想定される温度です。これは通常0℃前後で設定されるか、特定の配合について実験室で決定されます。結果は度時間または度日で表されます。この方法は温度の影響を直線として扱います。つまり、温度が2倍になれば、強度が2倍になるということです。これは理解しやすく、0℃から40℃程度の通常の温度範囲ではうまく機能するため、特に北米では今でも広く使用されています。

等価年齢法（Freiesleben Hansen & Pedersen、1977）は、化学におけるアレニウスの式に基づいており、反応をより現実的に記述します。この方法は、特定のセメントが温度に対してどれほど敏感であるかを示す活性化エネルギーと呼ばれる値を使用します。結果は度時間ではなく、「このコンクリートは、20℃でX日間保管された場合と同じ成熟度である」という形で表されます。これは、温度が大きく変動する場合や、コンクリートが極端な高温または低温で硬化する場合に、より正確です。この方法とNurse-Saul法は、いずれもASTM C1074に記載されています。

加重成熟度法は1970年代に開発され、デ・フリーによって改良されました。この方法は他の2つの方法の中間に位置し、一般的な反応モデルではなく、セメント固有の感度値であるC値を使用します。C値は通常1.25から1.75の間です。C値はセメント製造業者から直接入手できる場合が多く、そのためこの方法は日常的な使用において実用的です。オランダではNEN 5970として標準化されており、特に事前校正済みのセメントデータを使用するシステムにおいて、ヨーロッパで広く使用されています。

どの方法を用いるかよりも、それを一貫して用いることの方が重要である。校正曲線、成熟度計算、現場での目標値はすべて同じ方法に基づいていなければならない。

Vemaventuriのシステムは、ASTM C1074に記載されているNurse-Saul法とArrhenius法（等価年齢法）の両方に対応しているため、プロジェクトや仕様で必要とされる方法を選択できます。

この例の数値は説明のためのものであり、簡略化されています。

 

例えば、校正の結果、特定の混合物が600度時間（つまり、下限温度より10℃高い温度で60時間）を蓄積すると、打撃に必要な強度に達することがわかったとします。

• 暖かい一週間：コンクリートの温度は約20℃で推移し、約30時間後には600度時間に達する。

• 寒い週：コンクリートの温度はわずか8℃程度にしかならない。同じ結果を得るには約75時間かかる。 
  
  

 

配合も目標とする樹勢も同じなのに、収穫時期がほぼ2日もずれる。例えば「48時間後に収穫」といった固定ルールでは、暖かい週には必要以上に1日長く収穫を待たなければならず、寒い週には収穫が早すぎることになる。成熟度モニタリングを使えば、センサーが目標値に達したことを知らせてくれる。 

 

実際には、温度は常に変化しています。コンクリートは水和反応によって温まり、夜間に冷え、日中に再び温まります。そのため、センサーは平均値に頼るのではなく、数分ごとに温度を継続的に記録するのです。 

成熟度測定法では、センサーが設置されている地点の温度を測定します。したがって、最も重要な疑問は、どの地点が判断基準となるかということです。いくつかの原則が参考になります。

• 最も温度が低い箇所は、端部、角部、薄い部分など、スラブの中央部よりも早く熱を失います。風や夜間の冷え込みにさらされる上面も重要です。最も温度が低い箇所が目標強度に達していれば、通常は部材の残りの部分も目標強度に達しています。

• 構造的に重要な箇所とは、型枠を取り外した際に最も大きな荷重がかかる部分、例えば支柱周辺やプレストレス部材のアンカー部などを指します。構造技術者はこれらの箇所を把握しています。

• 最後に打設された部分：長時間の打設では、一日の終わりに打設されたコンクリートは、午前中に打設されたコンクリートよりも数時間新しい。多数のセンサーを無作為に配置するのではなく、少数の適切な場所に設置する方が通常は良い。プロジェクト責任者は、事前に設置場所について合意しておくべきである。 

• 型枠と昇降サイクル：型枠の取り外し、移動、昇降の適切なタイミングを知ることで、各サイクルを短縮できます。多層階のプロジェクトでは、これは全体のスケジュールに反映され、同時に現場に置いておく型枠の量を減らすことにもつながります。

• ポストテンションと荷重：コンクリートが規定の強度に達してから初めて、プレストレス鋼材に張力をかけることができます。測定データは実験結果を待つ必要がなく、最も重要なアンカーゾーンの強度を示します。

• 冬季のコンクリート打設：寒い時期には、コンクリートが実際に強度を増しているかどうか、また暖房や断熱などの保護措置をいつ撤去できるかを確認できます。これにより、保護措置を早めに撤去してしまうリスクと、必要以上に暖房費を払い続けるリスクの両方を回避できます。

• 夏のコンクリート打設：暑い時期には、同じ温度データからコンクリートが過度に温まっているかどうかが分かります。過度に温まると、ひび割れが発生したり、長期的な品質が低下したりする可能性があります。

• 低炭素コンクリート：クリンカー含有量の少ない、環境に優しいセメントの多くは、初期の強度発現が遅い。そのため、経験則に基づいた計画が難しくなり、まさにそこで成熟度法が役立つ。実際の強度発現状況を把握できれば、工期リスクを理由にこれらの配合を避けるのではなく、自信を持って使用しやすくなる。

• 記録データ：記録されたデータは、各要素で実際に何が起こったかを示します。これは、品質記録、引き継ぎ、および後々発生するあらゆる質問に役立ちます。 

成熟度に基づく方法は強力だが、魔法ではない。その限界を知っておくことは重要だ。

• 校正の精度が重要となる。温度計では、納入されたコンクリートが校正済みの配合と一致するかどうかを判断できない。配合が変わったり、現場で水が追加で加えられたりすると、曲線はもはや適合しなくなる。そのため、重要な工程においては、適切なコンクリートが納入されたことを確認するための追加チェックが基準で求められている。また、供給業者、セメント、配合が変更されるたびに校正を見直すことも理にかなっている。

• これは適切な養生を前提としています。水和反応には水が必要です。気温がどれほど高くても、コンクリートが早すぎる時期に乾燥してしまうと、期待通りの強度が得られません。
• これは初期段階での判断に最適です。初期に非常に高温になるコンクリートは、最初は急速に強度を増しますが、ゆっくりと硬化するコンクリートよりも後々やや強度が弱くなる傾向があります。そのため、この方法は主に初期段階の判断に用いられ、最終的な強度を予測するためには用いられません。

• これは適合性試験に取って代わるものではありません。納入されたコンクリートが規定の強度等級を満たしていることを証明するために用いられる標準試験（通常は28日後）は依然として必要です。成熟度法は、それとは異なる疑問に答えるものです。すなわち、この部材のコンクリートは現時点でどの程度の強度を持っているか、ということです。

• センサーの設置場所は重要です。センサーは自身の位置の温度しか把握できません。重要な場所ではなく、都合の良い場所に設置すると、誤った結果が得られる可能性があります。

つまり、この方法はすべての検査を置き換えるものではありません。現場で最も重要な疑問、つまり「今すぐ準備は整っているか？」という点について、推測に頼る必要がなくなるということです。