PREDICTION OF TEMPERATURE AND MOISTURE DISTRIBUTION IN HIGH-STRENGTH MASS CONCRETE BASED ON HEAT AND MOISTURE TRANSPORT MODEL

Abstract

High strength concrete, which is characterized by a low water to cement ratio, has larger cement content than ordinary concrete. Even if the cross sectional area of reinforced concrete member is reduced on account of high strength, significant temperature rise at an early age can be observed. Additionally the low water to cement ratio leads autogenous shrinkage in the concrete. These phenomena may jeopardize durability and appearance of concrete members due to early age cracking. Regarding this problem, it is of vital importance to predict distribution and histories of temperature and moisture, which play important roles in early age cracking. In this research, based on the hydration model, heat and moisture transport behavior including latent phenomenon is modeled. And a potential of the proposed model is investigated with comparison of experimental data. As a result, it shows that the proposed model has a high potential to render the experimental data. Keywords : Heat and moisture transport model, High strength mass-concrete, Temperature and moisture distribution, Hydration model, Latent heat 水熱連成移動モデル，高強度マスコンクリート，温湿度分布，水和反応モデル，潜熱 １. はじめに コンクリート中の温度および湿度の分布や履歴を求めることは， 1)コンクリートの強度・ヤング率，2)温度ひずみ，3)収縮ひずみ等 のコンクリートの物性や状態を予測するための基礎技術であり，応 力やひび割れ危険性，ひび割れ幅の予測へと繋がるもので，鉄筋コ ンクリート部材を対象とした性能設計の枠組みの底辺をなす。 温度履歴の予測に関しては，従来，断熱温度上昇曲線にもとづく 発熱項，見かけの熱伝導率・比熱，及び境界条件を設定し，非定常 熱伝導解析を行ってきた。しかし，断熱温度上昇曲線は断熱状態の コンクリートの水和発熱を簡易な形で表現したものであり，断熱状 態に無いコンクリートの水和発熱過程を断熱温度上昇曲線で表現す ることは厳密には適切でない。そのため，マスコンクリート中の温 度予測に関しては，セメントの水和反応の温度依存性を考慮した解 析の必要性が指摘されている 1) 。しかし，既に Maruyama らが指摘し ているように 2) ，水和反応モデルにもとづく非定常熱伝導解析であ っても，比熱や熱伝導率を一定とした解析では，発熱項と移動項の 解析上のバランスがとれず，精度向上に繋がらない場合がある。 一般にコンクリート中の温度はコンクリート中の水分の影響を 受ける。これは，水分の比熱や潜熱がセメントの比熱や発熱量に比 べて大きいことや，湿度勾配だけでなく温度勾配によっても水分が 移動することなどから裏付けられる。このことを考慮すると，マス コンクリート中の温度予測の高精度化には，温度と水分の相互依存 性を考慮する必要があるといえる。 多孔体中の水・熱連成移動の研究は，土壌の分野に古くから実績 があり，代表的なものに Philip ら 3) ，Luikov ら 4) や De Groot ら 5) の研 究がある。コンクリート分野で水分の移動に温度勾配の影響をモデ ル化した近年の成果に石田ら 6) の研究が挙げられるが，水の移動の 温度への影響を考慮していない。また，水・熱連成問題としてコン クリート中の温度や湿度分布を扱った研究に，Kamp ら 7) ，Roelfstra ら 8) の研究があるが，いずれも見かけの拡散係数，移動係数を用い て定性的傾向を議論するにとどまっており，水和にともなう細孔構 造の変化，温度に依存する水の物性，水和反応と自由水の相互依存 性等を総合的にモデル化し，マスコンクリート中の温度及び湿度分 布予測手法に関して定量的に論じたものでは無い。 本研究では，高強度マスコンクリート中の温度及び湿度分布予測 を目的とし，水和反応モデル CCBM 9) にもとづく材齢によって変化 する細孔構造，毛細管空隙中の自由水とコンクリート中の熱の連成 移動，及び潜熱のモデル化を行い，水と熱の移動の相互依存性を明 示的に考慮した水熱連成移動解析手法を提案するとともに，その提 案手法の現象再現能力に関して考察を行う。 ２. 水の性質 本研究では， セメント硬化体中の水分の熱力学的挙動を扱うことに なるが，諸問題に際して，温度に依存する水の性質に関してモデル化 水熱連成移動解析にもとづく高強度マスコンクリート中の温度及び湿度分布の予測