コンクリートの特性

コンクリートは圧縮強度（圧迫されたときの破壊に対する抵抗力）が比較的高いのですが、引張強度（引っ張られたときの破壊に対する抵抗力）は大幅に低いです。圧縮強度は、通常、コンクリートを成形する際の水とセメントの比率で制御され、引張強度は、鉄筋コンクリートを作る際に添加物（通常は鋼鉄）によって増加します。言い換えると、コンクリートは砂（細骨材）、バラスト（粗骨材）、セメント（結合剤とも呼ばれます）、水（添加物）でできていると言えます。

コンクリートは圧縮強度が比較的高いが、引張強度はかなり低い。その結果、補償がなければ、圧縮荷重がかかってもコンクリートは引張応力でほぼ必ず破損する。このことが実際に意味するのは、引張応力を受けるコンクリート要素は、引張強度に強い材料（多くの場合鋼鉄）で補強しなければならないということである。コンクリートの弾性は、低応力レベルでは比較的一定であるが、高応力レベルではマトリックス亀裂が発生するにつれて低下し始める。コンクリートの熱膨張係数は非常に低く、熟成すると収縮する。すべてのコンクリート構造物は、収縮と張力により、ある程度亀裂が生じる。長時間の力を受けるコンクリートは、クリープを起こしやすい。コンクリートの密度は変化するが、約2,400キログラム/立方メートル（150ポンド/立方フィート）である。^[1]

鉄筋コンクリートは最も一般的なコンクリートの形態です。補強材は多くの場合、鉄筋（メッシュ、スパイラル、バー、その他の形態）です。さまざま な材料の構造繊維が利用可能です。また、内部の鋼鉄ケーブル（緊張材）を使用してコンクリートにプレストレス（引張応力の低減）を加えることで、鉄筋コンクリートのみの場合よりも長いスパンの梁やスラブが可能になります。既存のコンクリート構造物の検査は、現場で相対的なコンクリートの強度を推定するために時々使用されるシュミットハンマーなどの機器を使用して行うと、非破壊で行うことができます。^{[引用が必要]}

コンクリートの極限強度は、水セメント比（w/cm）、設計成分、および使用される混合、配置、養生方法によって左右されます。すべての条件が同じであれば、水セメント比（セメント質）が低いコンクリートの方が、高い比率のコンクリートよりも強度の高いコンクリートになります。^{[2]セメント質材料（}ポルトランドセメント、スラグセメント、ポゾラン）の総量は、強度、水要求量、収縮、耐摩耗性、密度に影響する可能性があります。すべてのコンクリートは、十分な圧縮強度があるかどうかに関係なく、ひび割れます。実際、ポルトランドセメント含有量の高い混合物は、水和速度の増加により、実際にはより容易にひび割れる可能性があります。コンクリートが塑性状態から水和して固体に変化すると、材料は収縮します。塑性収縮ひび割れは配置後すぐに発生する可能性がありますが、蒸発率が高い場合は、暑い天候や風の強い日などの仕上げ作業中に実際に発生することがよくあります。

非常に高強度のコンクリート混合物（70 MPa 以上）では、骨材の破砕強度が極限圧縮強度の制限要因となることがあります。低密度コンクリート（水セメント比が高い）では、骨材の破砕強度はそれほど重要ではありません。アーチ、ヴォールト、柱、壁などの一般的な構造物の内部力は主に圧縮力であり、床や舗装には引張力が作用します。圧縮強度は、コンクリートの仕様要件や品質管理に広く使用されています。エンジニアは目標とする引張（曲げ）要件を把握しており、これを圧縮強度で表します。

Wired.comは2007年4月13日、アメリカコンクリート協会主催のコンテストに出場したテヘラン大学のチームが、 28日目で340～410MPa（49,000～59,000psi）という異常に高い圧縮強度を示すコンクリートブロックをいくつか作成したと報じた。^{[3]ブロックには}鋼繊維と石英の骨 材が使われているようで、石英の圧縮強度は1100MPaで、花崗岩（100～140MPa、15,000～20,000psi）などの一般的な高強度骨材よりもはるかに高い。超高性能コンクリートとしても知られる反応性粉末コンクリートはさらに強度が高く、強度は最大800MPa（116,000PSI）に達する。^[4] これらは、大きな骨材を完全に排除し、細骨材のサイズを慎重に制御して可能な限り最良の充填を確保し、スチールファイバー（スチールウールを粉砕して生成される場合もある）をマトリックスに組み込むことによって作られます。反応性粉末コンクリートは、細骨材としてシリカフュームを使用する場合もあります。市販の反応性粉末コンクリートは、17〜21 MPa（2,500〜3,000 psi）の強度範囲で入手できます。

コンクリートの弾性率は、骨材とセメントマトリックスの弾性率とそれらの相対的な割合の関数です。コンクリートの弾性率は、低応力レベルでは比較的一定ですが、マトリックスの亀裂が発生するにつれて、高応力レベルでは減少し始めます。硬化したペーストの弾性率は 10～30 GPa 程度で、骨材は約 45～85 GPa です。コンクリート複合材料は 30～50 GPa の範囲になります。

アメリカコンクリート協会は、弾性係数を次の式で計算することを許可している。^[5]

${\displaystyle E_{c}=33w_{c}^{1.5}{\sqrt {f'_{c}}}}$ (サイ)

どこ

${\displaystyle w_{c}=}$コンクリートの重量（立方フィート当たりのポンド数）と${\displaystyle 90{\frac {\textrm {lb}}{{\textrm {ft}}^{3}}}\leq w_{c}\leq 155{\frac {\textrm {lb}}{{\textrm {ft}}^{3}}}}$

${\displaystyle f'_{c}=}$28 日後のコンクリートの圧縮強度 (psi)

_{この式は完全に経験的であり、理論に基づいていません。E c}の値はpsi 単位であることに注意してください。通常の重量コンクリート (a w c_が150 lb/ft ³で、鋼鉄の場合は 5 lb/ft ³を差し引いたコンクリートとして定義)の場合、 E _cは次のように解釈できます。 ${\displaystyle 57000{\sqrt {f'_{c}}}}$

構造橋梁エンジニアが使用する出版物は、AASHTO荷重および抵抗係数設計マニュアル (LRFD) です。LRFD のセクション 5.4.2.4 によると、E _{c は}次のように決定されます。

${\displaystyle E_{c}=33000K_{1}w_{c}^{1.5}{\sqrt {f'_{c}}}}$(キシ)

どこ

${\displaystyle K_{1}=}$集計ソースの補正係数（特に指定がない限り 1.0 とする）

${\displaystyle w_{c}=}$ コンクリートの重量（ 1 立方フィートあたりのキップ）${\displaystyle 0.090{\frac {\textrm {kip}}{{\textrm {ft}}^{3}}}\leq w_{c}\leq 0.155{\frac {\textrm {kip}}{{\textrm {ft}}^{3}}}}$${\displaystyle f_{y}\leq 15.0{\frac {\textrm {kip}}{{\textrm {in}}^{2}}}}$

${\displaystyle f'_{c}=}$28 日におけるコンクリートの規定圧縮強度 (ksi)

通常の重量コンクリート（w _c =0.145 キップ/立方フィート）の場合、 E _{c は}次のように計算されます。

${\displaystyle E_{c}=1820{\sqrt {f'_{c}}}}$(キシ)

コンクリートの熱膨張係数は非常に低い。しかし、膨張に対する対策を講じなければ、非常に大きな力が生じ、その力に耐えられない構造部分の亀裂や、膨張と収縮の繰り返しが生じる可能性がある。ポルトランドセメントコンクリートの熱膨張係数は、0.000009～0.000012（1℃あたり）（8～12マイクロストレイン/℃）（8～12 1/MK）である。^[6]

コンクリートの熱伝導率は中程度で、金属よりはるかに低いですが、木材などの他の建築材料よりはかなり高く、断熱性は低いです。

鉄骨構造物の「耐火」には、コンクリートの層がよく使用されます。しかし、耐火という用語は不適切です。高温の火災はコンクリートに化学変化を引き起こすほどの熱を発し、極端な場合にはコンクリートに相当な構造的損傷を与える可能性があるからです。

コンクリートは、材​​料内で進行中の反応により、成熟するにつれて収縮し続けます。ただし、収縮率は比較的急速に低下し、時間の経過とともに減少し続けます (実用上、コンクリートは 30 年を過ぎると水和による収縮はそれ以上起こらないと通常考えられています)。コンクリートおよびレンガの相対的な収縮および膨張は、2 つの建設形式が相互に作用する場合、慎重に調整する必要があります。

コンクリート構造物はすべて、ある程度のひび割れが生じます。鉄筋コンクリートの初期設計者の 1 人であるRobert Maillart は、多くのアーチ橋に鉄筋コンクリートを採用しました。彼の最初の橋は、大量のコンクリートを使用したシンプルなものでした。その後、コンクリートの大部分がひどくひび割れており、圧縮荷重の下では構造の一部にはなり得ないことに気づきましたが、構造は明らかに機能していました。その後の設計では、ひび割れた部分を単純に取り除き、細くて美しいコンクリートのアーチを残しました。Salginatobel橋はその一例です。

コンクリートのひび割れは、収縮によって引き起こされる引張応力、または硬化中や使用中に発生する応力が原因で発生します。これを克服するために、さまざまな手段が使用されています 。繊維強化コンクリートは、混合物全体に分散された細い繊維、またはより大きな金属やその他の補強要素を使用して、ひび割れのサイズと範囲を制限します。多くの大型構造物では、コンクリートが硬化するときにジョイントまたは隠れた鋸切りが配置され、避けられないひび割れが管理可能で目に見えない場所に発生します。水タンクや高速道路は、ひび割れの制御が必要な構造物の例です。

収縮亀裂は、コンクリート部​​材が乾燥、自己収縮、または熱の影響により拘束された体積変化 (収縮) を受けるときに発生します。拘束は外部 (つまり、サポート、壁、およびその他の境界条件) または内部 (乾燥収縮差、補強) のいずれかで提供されます。コンクリートの引張強度を超えると、亀裂が発生します。発生する収縮亀裂の数と幅は、発生する収縮の量、存在する拘束の量、および提供される補強の量と間隔によって影響を受けます。これらは軽微な兆候であり、コンクリート部​​材に実際の構造的影響を与えることはありません。

塑性収縮によるひび割れは、施工後 0 ～ 2 日以内にすぐに目に見えるようになりますが、乾燥収縮によるひび割れは時間の経過とともに発生します。自己収縮は、コンクリートがまだ非常に若いときにも発生し、ポルトランド セメントの化学反応による体積減少によって生じます。

コンクリート部​​材は、加えられた荷重によって張力を受けることがあります。これはコンクリート梁で最も一般的で、横方向に加えられた荷重によって片面が圧縮され、反対側の面は曲げによって張力を受けます。張力を受けた梁の部分に亀裂が生じることがあります。亀裂の大きさと長さは、曲げモーメントの大きさと、対象箇所の梁の補強材の設計によって異なります。鉄筋コンクリート梁は、圧縮ではなく張力で亀裂が生じるように設計されています。これは、圧縮によるコンクリートの破損が発生する前に降伏する鉄筋を提供することで実現され、安全でないエリアの修復、修理、または必要に応じて避難が可能になります。

クリープとは、材料内部の応力を緩和するために材料が永久的に移動または変形することです。長期間の力を受けるコンクリートはクリープを起こしやすいです。短期間の力（風や地震など）ではクリープは発生しません。クリープはコンクリート構造物や部材に発生するひび割れの量を減らすことがありますが、クリープも制御する必要があります。コンクリート構造物における一次および二次補強材の量は、収縮、クリープ、ひび割れの量を減らすことに貢献します。^[7]

ポルトランドセメントコンクリートは水を保持します。^[8]しかし、いくつかの種類のコンクリート（透水性コンクリートなど）は水を通過させるため、雨水排水管を設置する必要がないため、マカダム道路の完璧な代替品となります。^[9]

エンジニアは通常、コンクリートの必要な圧縮強度を指定します。これは通常、28 日圧縮強度としてメガパスカル (MPa) またはポンド/平方インチ (psi) で示されます。28 日間は、希望する強度が得られるかを判断するのに長い待ち時間であるため、3 日および 7 日の強度は、コンクリートの最終的な 28 日圧縮強度を予測するのに役立ちます。100% OPC (普通ポルトランドセメント) 混合物では、7 日から 28 日の間に 25% の強度増加が見られることが多く、フライアッシュなどのポゾランやスラグセメントなどの補助セメント質材料 (SCM) を含めると、25% から 40% の強度増加を実現できます。強度増加は、混合物の種類、その構成成分、標準養生の使用、認定技術者による適切なテスト、および輸送中のシリンダーの取り扱いによって異なります。実用的な即時の考慮事項として、コンクリートの新鮮な塑性状態での基本的な特性を正確にテストする必要があります。

コンクリートは通常、打設中にサンプルが採取され、試験プロトコルでは試験サンプルを実験室条件下で養生すること（標準養生）が求められます。追加のサンプルは、早期の「剥離」強度、つまり型枠の除去、養生の評価などを目的として現場​​で養生（非標準）される場合がありますが、標準養生シリンダーが合格基準を構成します。コンクリート試験では、打設前および打設中のコンクリートの「塑性」（非水和）特性を測定できます。これらの特性はコンクリートの硬化圧縮強度および耐久性（凍結融解に対する耐性）に影響するため、作業性（スランプ/フロー）、温度、密度、および経年数の特性が監視され、「高品質」コンクリートの製造および打設が保証されます。プロジェクトの場所に応じて、試験はASTM International、欧州標準化委員会、またはカナダ規格協会に従って実施されます。品質の測定は、配送および打設されたコンクリート材料の潜在能力を表す必要があるため、コンクリート試験を実施するコンクリート技術者は、これらの標準に従って試験を実施するための認定を受けることが不可欠です。 構造設計、コンクリート材料の設計および特性は、アメリカコンクリート協会などの国家/地域の設計規格に従って指定されることが多いです。

圧縮強度試験は、認定技術者が、米国国立標準技術研究所 (NIST) のセメント・コンクリート基準研究所 (CCRL) または国際的に同等の地域機関にトレーサブルな機器で毎年校正されている計器付き油圧ラムを使用して実施されます。標準化されたフォーム ファクタは、6 インチ x 12 インチまたは 4 インチ x 8 インチの円筒形サンプルですが、一部の研究所では立方体サンプルを使用しています。これらのサンプルは、破損するまで圧縮されます。引張強度試験は、角柱状ビーム サンプルの 3 点曲げ、または標準円筒形サンプルの側面に沿った圧縮のいずれかによって実施されます。これらの破壊試験は、現場で比較対象コンクリートの上部数ミリの相対強度を手持ちで測定するリバウンド ハンマーまたはプローブ システムを使用した非破壊試験と同じではありません。 ^[10]

300℃（572℉）を超える温度では、コンクリートの圧縮強度、破壊強度、引張強度、弾性率などの機械的特性が低下し、構造変化に悪影響を及ぼします。^[11]

温度が上昇すると、コンクリートは水分の蒸発により水和生成物を失います。そのため、コンクリートの水分流動抵抗が減少し、化学的に結合した水の損失に伴って未水和セメント粒子の数が増加し、圧縮強度が低下します。^[12]また、コンクリート中の水酸化カルシウムの分解により、石灰と水が生成されます。温度が下がると、石灰は水と反応して膨張し、強度の低下を引き起こします。^[13]

温度が上昇すると、コンクリート内部に小さな亀裂が形成され、温度上昇とともに広がります。これは、セメントマトリックス内の熱膨張係数の差によって引き起こされると考えられます。同様に、コンクリートから水分が蒸発すると、水分の損失により収縮し、セメントマトリックスの膨張が妨げられます。さらに、温度が57.3°C（135.1°F）に達すると、珪質骨材はα相の六方晶系からβ相のbcc構造に変化し、コンクリートの膨張を引き起こし、材料の強度が低下します。^[14]

高温での剥離は、蒸気圧と熱応力によって顕著に発生します。^[15]コンクリート表面が十分に高い温度にさらされると、表面近くの水がコンクリートから大気中に移動し始めます。しかし、表面と内部の間の温度勾配が大きいと、蒸気は内部にも移動し、低温で凝縮する可能性があります。水で飽和した内部は、コンクリートの塊への蒸気のさらなる移動を妨げます。加熱速度が十分に高いか、または十分に密な細孔構造のために、蒸気の凝縮速度がコンクリートからの蒸気の逃散速度よりもはるかに速い場合、大きな細孔圧が剥離を引き起こす可能性があります。同時に、表面の熱膨張により、コンクリート内の引張応力に対抗する垂直の圧縮応力が発生します。圧縮応力が引張応力を超えると、剥離が発生します。^[16]

• コンクリートの分離- コンクリート用途における粒子の分離
• コンクリートのクリープと収縮