コンクリート診断士【火害】

火災によるコンクリートの劣化への影響について教えて！

火災によるコンクリートの変色状況は、温度に応じて異なります。以下に、各温度範囲での変色状況とその意味を説明します。

変色状況と温度範囲

表面にすす等が付着している状態（300℃未満）

変色状況: 表面がすすや煤で黒くなっている。
温度範囲: 300℃未満。
説明: この温度範囲では、コンクリート自体に大きな変化はなく、主に表面の汚れが見られます。コンクリート内部の温度上昇は限定的で、構造的な強度低下は少ないです。ただし、すすの除去や表面の清掃が必要です。

ピンク色（300～600℃）

変色状況: コンクリートがピンク色に変色。
温度範囲: 300～600℃。
説明: この温度範囲では、コンクリート中の水酸化カルシウム (Ca(OH)₂) が分解し始めます。特に500℃前後で強度の低下が顕著になります。ピンク色の変色は、水酸化鉄の分解によるものです。内部のひび割れや強度低下が進行する可能性が高くなります。

灰白色（600～950℃）

変色状況: コンクリートが灰白色に変色。
温度範囲: 600～950℃。
説明: この温度範囲では、セメントペーストがさらに分解し、強度が著しく低下します。骨材も熱によって膨張し、内部の応力が増大します。灰白色の変色は、セメントの主要成分であるカルシウムシリケートが分解し、酸化カルシウム (CaO) が生成されるためです。これにより、コンクリートの一部が粉状になることがあります。

淡黄色（950～1200℃）

変色状況: コンクリートが淡黄色に変色。
温度範囲: 950～1200℃。
説明: この温度範囲では、コンクリートの全体的な構造が著しく劣化し、ほぼすべての結晶構造が崩壊します。淡黄色の変色は、コンクリート中の化学成分が高温により再結晶化したり、他の酸化物が生成されたりするためです。強度はほぼゼロに近くなり、完全な再構築が必要です。

融解する（1200℃以上）

変色状況: コンクリートが融解。
温度範囲: 1200℃以上。
説明: 1200℃を超えると、コンクリートの成分が融解し始めます。これは通常、火災の中心部や非常に高温の条件でのみ見られます。融解したコンクリートは、再利用や修復が不可能であり、完全に取り除き、再構築する必要があります。

火災によるコンクリートの変色状況は、火災の温度によって異なります。低温では表面のすすが見られるだけですが、温度が上がるにつれてコンクリートの内部構造が劣化し、色がピンク色、灰白色、淡黄色に変化し、最終的には融解に至ります。変色状況と温度範囲を基に、火災後のコンクリートの評価と修復計画を立てることが重要です。

火災の後で、コンクートの受熱温度はどうやって分かるの？

受熱温度の判断

受熱温度を判断するには、以下のような方法を用います。これらの方法は、火災や高温環境にさらされたコンクリートや建材の温度履歴を推定するために用いられます。

変色状況の観察

高温にさらされたコンクリートは特定の温度範囲で色が変化します。この変色パターンを観察することで、受熱温度を推定できます。

300℃未満: 表面にすす等が付着
300～600℃: ピンク色に変色
600～950℃: 灰白色に変色
950～1200℃: 淡黄色に変色
1200℃以上: 融解

熱重量分析（TGA）

熱重量分析（Thermogravimetric Analysis, TGA）は、試料を加熱しながら重量変化を測定する方法です。特定の温度で発生する化学反応に基づき、受熱温度を判断できます。

X線回折（XRD）

X線回折（X-ray Diffraction, XRD）は、試料中の結晶構造を調べる方法です。高温にさらされたコンクリート中の結晶構造変化を検出し、受熱温度を推定します。

UVスペクトル法

UVスペクトル法（紫外可視分光法、UV-Vis分光法）は、物質が紫外線（UV）および可視光（Vis）を吸収する特性を利用して、物質の定量および定性分析を行う手法です。

物理的検査

高温にさらされたコンクリートの物理的特性（例えば、強度や弾性係数）の変化を測定することで、受熱温度を推定します。

TGAとは？

熱重量分析（TGA：Thermogravimetric Analysis）は、試料を加熱しながらその重量変化を測定する分析手法です。この方法は、材料の熱安定性や分解特性を調べるのに広く用いられます。TGAは、試料の加熱に伴って起こる物理的および化学的変化を重量変化として捉えるため、材料の特性や成分の定量分析に役立ちます。

TGAの原理

TGAの基本原理は、試料を一定の加熱速度で加熱し、その間に発生する重量変化を精密に測定することです。一般的なTGA装置は以下のような構成要素を持ちます。

試料ホルダー：試料を載せるためのプラットフォーム。
天秤：重量変化を測定するための高精度なバランス。
炉：試料を加熱するための加熱装置。
ガス供給装置：酸化や還元などの雰囲気を制御するためのガス供給システム（例：窒素、酸素、アルゴンなど）。
データ記録装置：温度と重量変化のデータを記録および解析するシステム。

TGAのプロセス

試料の準備：試料を適切な形状と重量（通常数ミリグラムから数グラム）に調整します。
試料のセット：試料を試料ホルダーにセットし、装置の天秤に載せます。
加熱プログラムの設定：特定の加熱速度（通常は数℃/分）で試料を加熱するプログラムを設定します。一定温度での保持時間や冷却プロファイルも設定することができます。
測定の開始：試料を加熱しながら、温度と対応する重量変化をリアルタイムで記録します。
データ解析：得られた熱重量曲線（温度に対する重量変化のグラフ）を解析し、材料の熱特性を評価します。

TGAの応用

分解温度の測定：材料が分解し始める温度を特定できます。
成分分析：複数成分からなる材料の各成分の含有量や分解特性を明らかにできます。
熱安定性評価：材料が高温環境下でどの程度安定であるかを評価します。
水分含有量の測定：材料中の水分や揮発成分の含有量を測定します。
酸化還元反応の解析：材料が酸化または還元する温度やその挙動を解析します。

TGAの利点と注意点

利点：

高精度で定量的なデータが得られる。
多くの材料に適用可能。
分解温度や熱安定性などの重要な情報を提供。

注意点：

試料の均一性が重要。異なる成分が均一に混ざっていないと、正確なデータが得られないことがある。
測定条件（例えば雰囲気ガスや加熱速度）の選定が結果に大きく影響する。

TGAは、材料科学、化学、環境科学、製薬などの分野で広く使用される重要な分析手法です。

UVスペクトル法とは？

UVスペクトル法（紫外可視分光法、UV-Vis分光法）は、物質が紫外線（UV）および可視光（Vis）を吸収する特性を利用して、物質の定量および定性分析を行う手法です。これは、物質の吸収スペクトルを測定し、そのスペクトルから物質の濃度や化学構造を解析するための非常に有効な方法です。

原理

UV-Vis分光法の基本原理は、物質が特定の波長の光を吸収することで、その吸収スペクトルに特徴的なピークが現れるというものです。吸収される光の波長と吸光度は、物質の分子構造や電子状態に依存します。以下のビールの法則（Beer-Lambert Law）を基に、溶液中の物質の濃度を定量することができます。

$A = \varepsilon \cdot c \cdot l$

手順

試料の準備：分析対象の試料を適切な溶媒に溶解し、溶液を準備します。
装置のセットアップ：UV-Vis分光光度計に試料をセットします。試料セルに試料溶液を入れます。
波長範囲の設定：分析に適した波長範囲（通常は200〜800 nm）を設定します。
背景補正：溶媒のみを入れたセルを使用して背景補正を行います。これにより、溶媒による吸収を差し引くことができます。
測定：試料の吸収スペクトルを測定します。特定の波長における吸光度を記録します。
データ解析：得られた吸収スペクトルを解析し、吸光度と波長の関係をプロットします。

応用

UV-Vis分光法は、化学、環境科学、材料科学、生物学、薬学など、さまざまな分野で広く応用されています。以下にいくつかの具体的な応用例を示します。

化学分析：化合物の定量分析や純度の確認。
生物学：DNA、RNA、タンパク質の濃度測定。
環境科学：水質中の有害物質や汚染物質の検出。
薬学：医薬品成分の分析や品質管理。
材料科学：新材料の光学特性評価。

利点と注意点

利点：

迅速かつ簡便：試料準備が簡単で、短時間で分析が可能。
高感度：微量成分の検出が可能。
非破壊的：試料を破壊せずに分析が可能。

注意点：

試料の透明性：試料が透明でなければ、正確な吸収スペクトルが得られない。
試料の溶解性：分析対象が適切な溶媒に溶解する必要がある。
干渉成分：溶液中の他の成分が吸収スペクトルに影響を与える可能性がある。

火災で、コンクリートのアルカリ性が失われる？

アルカリ性の損失

はい、火害によってコンクリートのアルカリ性が損失することがあります。以下にそのメカニズムと影響について説明します。

火害によるアルカリ性の損失のメカニズム

水分の蒸発:

火災による高温はコンクリート中の水分を急速に蒸発させます。この過程で、水和反応で生成された水酸化カルシウム (Ca(OH)₂) も失われます。
水酸化カルシウムはコンクリートのアルカリ性を保つ重要な成分であり、その損失はコンクリートのpHを低下させます。

化学的分解:

コンクリート中の水酸化カルシウムは約400℃を超えると分解し始め、酸化カルシウム (CaO) と水蒸気に変わります。これにより、アルカリ性が低下します。

$Ca(OH)_2 \rightarrow CaO + H_2O$

酸化カルシウムは水に溶けて再び水酸化カルシウムになる可能性がありますが、火災後は水分が不足しているため、アルカリ性の回復は限定的です。

炭酸化の促進:

火災後、コンクリート表面の微細なひび割れや多孔質化により、二酸化炭素 (CO₂) の侵入が容易になります。
二酸化炭素はコンクリート中のカルシウム成分と反応し、炭酸カルシウム (CaCO₃) を生成します。これにより、アルカリ性がさらに低下します。

$\text{Ca(OH)}_2 + \text{CO}_2 \rightarrow \text{CaCO}_3 + \text{H}_2\text{O}$

アルカリ性の損失による影響

鉄筋の腐食:コンクリートのアルカリ性が低下すると、鉄筋の表面に形成される不動態皮膜が破壊されやすくなります。これにより、鉄筋が腐食しやすくなります。
強度の低下:アルカリ性の低下はコンクリートの化学的安定性を損ない、長期的な強度の低下を引き起こします。
耐久性の低下:アルカリ性が低下したコンクリートは、外部環境からの化学的浸食に対する耐性が低下します。

アルカリ性の損失を調査する方法は？

コンクリートのアルカリ性の損失を調査するためには、いくつかの方法があります。以下に代表的な方法を紹介します。

フェノールフタレイン試験

フェノールフタレイン試験は、コンクリートの表面から中性化の深さを測定するために広く用いられる簡便な方法です。

試料採取：コンクリートの表面からコアサンプルを採取します。
切断：コアサンプルを断面が見えるように切断します。
試薬塗布：フェノールフタレイン溶液を切断面に塗布します。
観察：溶液を塗布した部分がピンク色に変わるかどうかを観察します。ピンク色に変わる部分はアルカリ性（pH > 9）を示し、無色の部分は中性化（pH < 9）を示します。

化学分析

X線回折（XRD）や熱重量分析（TGA）を用いて、コンクリート中の化学成分の変化を分析する方法です。

X線回折（XRD）：

試料準備：粉末状のコンクリート試料を用意します。
測定：XRD装置で試料を測定し、化学成分を同定します。
解析：水酸化カルシウム（Ca(OH)₂）の減少や炭酸カルシウム（CaCO₃）の増加を確認します。

熱重量分析（TGA）：

試料準備：小さな試料片を用意します。
測定：TGA装置で試料を加熱し、重量変化を測定します。
解析：特定の温度範囲での重量減少から、水酸化カルシウムの分解や炭酸カルシウムの形成を確認します。

火災後の補修方法は？

火害の補修方法

火害後のコンクリート構造物の対策には、損傷の評価と修復が含まれます。以下に、火害後の具体的な対策手順を示します。

現地調査と損傷評価

視覚的検査：コンクリート表面の変色、ひび割れ、剥離などを確認します。変色状況に基づいて、受熱温度の推定も行います（例：ピンク色は300～600℃、灰白色は600～950℃）。
非破壊検査：超音波検査、赤外線サーモグラフィー、放射線透過検査などを使用して、内部の損傷やひび割れの広がりを評価します。
コアサンプリング：損傷の程度をより詳しく調べるために、コンクリートのコアサンプルを採取し、実験室での分析を行います。
フェノールフタレイン試験：コアサンプルを切断し、フェノールフタレイン溶液を塗布して中性化の深さを確認します。

強度の評価

圧縮強度試験：コアサンプルの圧縮強度を測定し、火災による強度低下の程度を評価します。
弾性係数測定：コンクリートの弾性係数を測定し、火災後の材料特性の変化を確認します。

修復と補強

表面修復：ひび割れや剥離部分を修復材で補修します。エポキシ樹脂やポリマーセメントモルタルなどが使用されます。
鉄筋の防錆処理：火災によるアルカリ性の低下で腐食が進んだ鉄筋を防錆処理し、必要に応じて防錆塗料を塗布します。
再アルカリ化：中性化が進行している場合、再アルカリ化処理を行います。これには、コンクリート表面にアルカリ性の溶液を塗布する方法や電気化学的な方法があります。
補強：火災による損傷が深刻な場合、追加の鉄筋やFRP（繊維強化プラスチック）などで補強を行います。
防水処理：水分の浸入を防ぐため、防水材をコンクリート表面に塗布します。これにより、劣化の進行を抑制します。