たとえ高品質の材料をそろえたとしても、その使用量が不適切だと必要としている性能のコンクリートはできません。その適切な使用量を決める工程が配合設計です。

配合と配合設計とは

実際にコンクリートをつくる際は、材料をどれくらいの割合や数量で用いるかが重要となります。このような材料の混合割合や使用数量のことを配合といいます。
また配合設計とは、つくろうとするコンクリートの要求事項を満たすために配合の内容を決めることです。
コンクリートの強度は、水とセメントの割合(水セメント比)で決まります。水が少なく、セメントが多いコンクリートほど強度が大きく緻密で耐久性があります。
作業のしやすさを表すワーカビリティは、化学混和剤によって連行される緻密な気泡(エントレインドエア)と、水の量で決まるスランプによって調整されます。
硬いコンクリートは型枠の中に詰め込むのが困難で、大きな粗骨材を使ったコンクリートは鉄筋のすき間に入りづらく、材料が分離して良質なコンクリートがつくれなくなります。
このような点を踏まえて、要求事項を満たすよう配合設計をします。

配合設計の流れ

標準配合と現場配合

配合には、理想的な条件での骨材を用いた標準配合(示方配合、計画配合)と、現場の骨材の状態に合わせて補正した現場配合(修正標準配合)があります。
理想的な条件とは、骨材が表面乾燥飽水状態(表乾状態)であり、細骨材と粗骨材が5mmふるいで完全に区分されていることを意味します。
配合設計によって決められる配合は、基本的には標準配合です。つまり、骨材が理想的な条件の場合での配合ですが、実際には骨材を理想的な状態でストックできるとは限らないため、標準配合にしたがっても想定どおりのコンクリートができない場合もあります。そこで標準配合と同じ品質のコンクリートになるように現場配合で補正をしているのです。

配合設計の手順

配合設計では、誰が行っても同じ品質のコンクリートができるような配合としなければなりません。そのため手順や考え方が決められています。一般的な配合設計の手順は次のとおりです。
①粗骨材の最大寸法の選定
構造物の種類や部材寸法に応じた最大粗骨材寸法を選定します。鉄筋コンクリートの場合、鉄筋の配置や鉄筋の間隔、コンクリート表面から鉄筋までの距離(かぶり)などを考慮します。
コンクリート標準示方書では、一般的なレディーミクストコンクリートの場合、粗骨材最大寸法は20mmまたは25mm、無筋コンクリートの場合は40mmと定められています。

②セメントの種類、スランプ、空気量の選定
硬化の速さや水和熱、化学抵抗性などを考慮してセメントの種類を選定します。スランプについては施工性を考慮し、所要のコンシステンシー(フレッシュコンクリートの変形または
流動に対する抵抗性の程度)が得られる範囲でなるべく小さい値を選定します。
空気量はフレッシュコンクリートの作業性(ワーカビリティ)の改善や、硬化コンクリートの耐凍害性を考慮して選定します。

③配合強度の決定
設計基準強度と構造物の重要性、環境条件や現場条件における強度のばらつきを考慮して選定します。コンクリートの強度とは圧縮強度を指すのが一般的です。圧縮強度のほかにも曲げ強度、引張強度、せん断強度、疲労強度、鉄筋との付着強度などがあります。

④水セメント比の決定
所要の強度から定まる水セメント比と、耐久性から定まる水セメント比のうち小さい方を選定します。小さいということは、水の重量に対してセメント量が多いことを示します。

⑤単位水量、混和剤の決定
要求されるワーカビリティが得られるように単位水量を決定します。コンクリートの品質は水の量で決まり、水の量が少ないほど緻密なコンクリートとなります。そのため、所要の品質が得られる範囲内でなるべく小さい値とします。

⑥単位セメント量、混和材の決定
単位セメント量は、水セメント比(④)と単位水量(⑤)から算出します。混和材料は、コンクリートの品質を改善するために加える材料です。耐久性や施工性の向上など、必要に応じて選定します。

⑦細骨材量、粗骨材量の決定
細骨材量は、全骨材の容積に細骨材率を乗じて定めます。粗骨材量は、全骨材の容積から細骨材容積を引いて求めます。細骨材を減らすと骨材全体の表面積が減り、同じスランプを得るために必要な単位水量が減少します。そうなると経済的に良質なコンクリートとなるため、細骨材率はなるべく小さい値とします。細骨材を減らすということは粗骨材を増やすことになります。細骨材率が過少となると材料分離を起こし、打設不良の原因となることがあるため、最適な細骨材率を選定する必要があります。

⑧試し練りの配合計算
試し練りの配合計算は、1㎥のコンクリートをつくるときの各材料の割合や使用量を表す標準配合表より、実際に練り混ぜる量を計算します。

⑨試し練り
試し練りは、配合設計の手順に従った計算により算出した量で練り混ぜますが、実際に試し練りを行ってコンクリートをつくり、品質試験で目標との差を確かめる必要があります。

⑩試し練り結果の確認
試し練りの結果、目標の品質が得られなかったときには、配合の内容を補正し目標の品質に近づける必要があります。補正後に再度試し練りを行います。そして条件を満たすことができたら配合設計基準値が決定となり、配合設計は完了です。

コンクリートの強度

4種類の強度

コンクリートの強度では主に圧縮強度、引張強度、曲げ強度、付着強度の4種類が使われます。
〇圧縮強度
コンクリートが圧縮力を受けて破壊する際の強さを応力度(N/㎟)で表した値です。破壊時の最大圧縮荷重(N)を供試体の断面積(㎟)で割って算出します。コンクリートの強度を示す最も一般的な指標であり、コンクリートの構造物の構造計算にも使用されます。

〇引張強度
引張力を受けて破壊する際の強さ。

〇曲げ強度
曲げの力を受けて破壊する際の強さ。

〇付着強度
鉄筋コンクリートにおいて埋め込まれた鉄筋の引張力を付着面で割った値です。異形鉄筋の場合、鉄筋の表面に凹凸をつけて摩擦抵抗を大きくさせているため、表面に凹凸のない丸鋼より付着力は大きくなります。

4つの中で、コンクリートが最も弱いのは引張強度です。
圧縮強度を基準とすると、引張強度は1/13~1/10程度、曲げ強度は1/7~1/5程度の大きさです。
そのため、鉄筋コンクリートの場合、構造設計計算における引張強度はコンクリートでは無視し、鉄筋に受け持たせます。

配合強度

配合強度の求め方

配合強度とは、コンクリートの構造物の部材設計の際に基準とした設計基準強度(呼び強度)に割増強度を加えた強度のことをいいます。
配合強度 = 呼び強度 + 割増強度
呼び強度は、レディーミクストコンクリートを注文するときの強度区分のことです。通常は設計基準強度を呼び強度とします。呼び強度は生コン工場で標準水中養生(水中に供試体を入れておく保管方法)を行い、既定の材齢で強度を保証するものです。
割増強度とは、荷卸し地点で採取した供試体の強度が低下していた場合でも呼び強度の強度値以上を保証できるように、生コン工場が品質の変動を確率的に予測して割増した強度のことです。
配合強度は、基準とするコンクリートの材齢28日(7日)におけるあっしゅく強度で表すものとし、実際に生コン工場が練り混ぜを行う際の目標強度となります。

なお、JIS規格では強度について以下のように定めています。
① 1回の試験結果は、購入者が指定した呼び強度の強度値の85%以上でなければならない。
計算式で表すと、配合強度 = 0.85 × 呼び強度 + 3σ
② 3回の試験結果の平均値は、購入社が指定した呼び強度の強度値以上でなくてはならない。
どちらかのうち、大きい方の数値を配合強度とします。

水セメント比

水セメント比とセメント水比

水セメント比とは、コンクリート中の骨材が表面乾燥飽和状態にあると仮定した際の、セメントペースト内におけるセメントの質量(単位セメント量)に対する水の質量(単位水量)の割合比のことです。
単位水量をW、単位セメント量をCで表すことから、水セメント比のことをW/Cとも表記します。水セメント比が大きいほど、セメントペースト内での水の割合が多いことを意味します。水セメント比が小さくなるほど、強度は大きくなります。
圧縮強度または曲げ強度をもとに水セメント比を定めるには、工事に使用するコンクリート材料を用いて、水セメント比の逆数にあたるセメント水比(C/W)と、圧縮強度との関係を試験によって求めるのが原則です。

単位量

単位量とは

単位量とは、コンクリート1㎥をつくるときに用いる各材料の質量のことです。
単位セメント量(C)、単位水量(W)、単位細骨材量(S)、単位粗骨材量(G)、単位混和材料(F)があります。1㎥の中には空気量も含まれるので、厳密には1000×(1-空気量%)の容積となります。

単位セメント量

単位セメント量は、水セメント比と単位水量から求められます。
単位セメント量 = 単位水量 / 水セメント比
また、セメントの容積は次の式で求めます。
セメントの絶対容積 = 単位セメント量 / セメントの密度
絶対容積とは、各材料の質量をその材料の密度で割った値のことです。

単位水量

単位水量は、所要スランプや水セメント比を考慮して、作業ができる範囲内でできるだけ小さくなるように決めます。

単位細骨材量と単位粗骨材量

単位骨材量は、コンクリート1㎥から単位水量と単位セメント量の絶対容積と空気量を差し引いて求めます。
単位細骨材量(Sg)およびその絶対容積(Sv)は、調合設計の基礎方程式をもとに求めます。
Sv = 1000 -(Wv + Cv + Gv + Av)
Sg = Sv × 細骨材の密度
Wv:水の絶対容積
Cv:セメントの絶対容積
Gv:粗骨材の絶対容積
Av:空気の絶対容積
単位粗骨材量(Gg)およびその絶対容積(Gv)は、単位粗骨材かさ容積から求めます。単位粗骨材かさ容積とは、コンクリート1㎥をつくるときに用いる粗骨材のかさ容積であり、単位粗骨材量をその粗骨材の単位容積質量で割った値です。
Gv = 単位粗骨材かさ容積 × 粗骨材実積率 / 100
Gv = Gg / 粗骨材の絶乾密度
細骨材率を小さくすると、砂分の減少により骨材の表面積の総和が少なくなり、単位水量も減少することができるため、耐久性の高い経済的なコンクリートが得られます。