自己乾燥と自己収縮の違い｜内部相対湿度が下がる仕組み

セメント硬化体を密封して外部への水分蒸発を防いでも、内部相対湿度が低下することがあります。この現象が「自己乾燥」です。

自己乾燥は、セメントの水和反応によって内部の水が使われ、細孔が水で満たされなくなることで起こります。そして、内部相対湿度の低下に伴ってセメント硬化体の外形寸法が小さくなる現象が「自己収縮」です。

最初に関係をまとめると、次の順番になります。

セメントの水和反応が進む
　　　　↓
反応物より水和生成物の絶対体積が小さくなる
　　　　↓
細孔を満たす水が不足する
　　　　↓
内部相対湿度が低下する（自己乾燥）
　　　　↓
細孔内に毛細管張力などが生じる
　　　　↓
セメント硬化体が変形する（自己収縮）

一方、外部へ水分が蒸発して生じる「乾燥収縮」は、自己収縮とは発生条件が異なります。

本記事では、自己乾燥、内部相対湿度、自己収縮を一続きの現象として整理し、低水結合材比や混和材による違い、測定方法、実験結果を読むときの注意点まで解説します。

自己乾燥・化学収縮・自己収縮の違い

自己乾燥を理解するには、「化学収縮」と「自己収縮」を分けて考える必要があります。

用語	何が変化するか	外部への水分移動	主な測定対象
化学収縮	水和反応に伴う反応物と生成物の絶対体積	不要	反応系内部の体積変化
自己乾燥	細孔内部の水分状態と内部相対湿度	不要	内部相対湿度
自己収縮	セメント硬化体の外形寸法	不要	長さ・体積・ひずみ
乾燥収縮	外部への水分移動に伴う外形寸法	必要	長さ・ひずみ

化学収縮とは

セメントと水が反応すると、C-S-Hや水酸化カルシウムなどの水和生成物ができます。

このとき、水和生成物が占める絶対体積は、反応前のセメントと水が占めていた絶対体積の合計より小さくなります。この反応に伴う体積減少が化学収縮です。日本語の文献では、水和収縮と呼ばれることもあります。

凝結前のセメントペーストはまだ流動性を持っているため、化学収縮による体積減少が試料全体の変形として現れやすい状態です。一方、凝結後は固体骨格が形成されるため、化学収縮のすべてがそのまま外形寸法の減少になるわけではありません。

自己乾燥とは

凝結後も水和反応は続きます。しかし、密封されたセメント硬化体では、反応によって不足した水を外部から補給できません。

その結果、水で満たされていた細孔の一部に気相が生じ、内部相対湿度が低下します。外部へ水分が出ていないにもかかわらず、内部が乾燥した状態へ移行するため、自己乾燥と呼ばれます。

密封養生・一定温度の条件でも、内部相対湿度の低下と変形が生じることは実験的に確認されています。

自己収縮とは

自己収縮は、外部との水分移動がない状態で生じるセメント系材料の収縮です。

自己乾燥によって内部相対湿度が下がると、細孔内の液状水に形成されるメニスカスによって毛細管張力が生じます。この力がセメント硬化体の固体骨格に作用することで、外形寸法が小さくなります。

ただし、自己収縮の機構を毛細管張力だけで説明できるとは限りません。相対湿度の範囲や細孔径によっては、C-S-Hの表面エネルギー、吸着水の状態、層間水、固体構造の変化なども関係すると考えられています。毛細管張力は、特に比較的高い相対湿度の範囲で自己収縮を説明する代表的な考え方です。

内部相対湿度はなぜ下がるのか

水和反応で自由水が減少する

セメント硬化体の内部にある水は、すべてが同じ状態ではありません。

大まかには、次のように分けられます。

水和物の構造に取り込まれた水
C-S-Hなどの表面に吸着した水
微細な空隙に保持された水
比較的大きな毛細管空隙にある自由水

水和反応が進むと、自由水の一部が水和物の構成水や吸着水として取り込まれます。同時に、C-S-Hなどの水和物が成長して毛細管空隙を埋めていきます。

そのため、「水の総量が減ること」と「水が存在する細孔が細かくなること」が同時に進みます。

C-S-Hの生成や基本的な構造については、C-S-Hゲルがセメントの強度を生み出す仕組みでも詳しく解説しています。

細孔が水で満たされなくなる

水和生成物の絶対体積は、反応したセメントと水の絶対体積より小さくなります。そのため、水和反応が進むと、固体と液体だけでは埋まらない空間が生じます。

外部から養生水が供給される場合は、その空間へ水が移動できます。しかし、密封された試料や外部から水が届きにくい部材内部では、細孔の一部が不飽和になります。

この変化を時間軸で見ると、次のようになります。

段階	水分状態	外形寸法への影響
練混ぜ直後	セメント粒子間を水が満たしている	流動状態のため外形が定まりにくい
凝結前	水和反応と化学収縮が進む	沈下やブリーディングの影響も受ける
凝結後	固体骨格が形成される	自己収縮の測定開始点を設定できる
水和進行中	自由水が減り、細孔が不飽和になる	内部RHが低下し、自己収縮が進む
長期材齢	水和速度と水分移動が遅くなる	収縮の進行も緩やかになる

低水セメント比のセメントペーストを密封養生した研究では、水セメント比0.25の試料で内部湿度の低下と自己収縮が確認された一方、水セメント比0.50の試料では内部湿度の明確な低下と自己収縮が確認されませんでした。ただし、これは特定の材料と試験条件による結果であり、水セメント比だけで発生の有無を一律に決められるわけではありません。

内部相対湿度は含水率と同じではない

内部相対湿度が100％から95％へ下がったとしても、「内部の水が5％減った」という意味ではありません。

内部相対湿度は、細孔内の水の熱力学的な状態を表す指標です。同じ含水量でも、細孔径分布、細孔溶液のイオン濃度、C-S-Hへの吸着状態、温度などが異なれば、測定される相対湿度も変わります。

したがって、内部相対湿度と質量含水率は区別して扱う必要があります。特に混和材を使用した系では、細孔構造だけでなく細孔溶液の組成も変わるため、相対湿度の比較条件をそろえることが欠かせません。

細孔溶液の性質を調べる場合は、セメント細孔溶液の採取・分析方法も参考になります。

自己収縮と乾燥収縮は何が違うのか

自己収縮と乾燥収縮は、どちらもコンクリートの長さが短くなる現象ですが、水分移動の条件が異なります。

比較項目	自己収縮	乾燥収縮
主な原因	水和反応に伴う自己乾燥	外気への水分蒸発
外部への水分移動	ない	ある
試験体の状態	封緘・密封	乾燥環境へ開放
生じやすい配合	低水結合材比、高粉体量	幅広い配合
湿度変化の位置	部材内部でも生じる	表面から内部へ進む
影響が目立つ時期	若材齢から進みやすい	乾燥開始後から進む
部材内の分布	比較的均一になりやすい	表面と内部に差が生じやすい

実際のコンクリート部材では、型枠内や封緘中に自己収縮が進み、脱型後に乾燥収縮が重なります。そのため、開放条件で測定した長さ変化をそのまま自己収縮と判断することはできません。

また、若材齢の変形には、自己収縮以外にも温度収縮、プラスチック収縮、沈下、型枠との摩擦などが含まれる可能性があります。自己収縮を評価するときは、水分条件と温度条件を分けて管理する必要があります。

低水結合材比で自己乾燥が大きくなる理由

最初から使える水が少ない

低水結合材比では、結合材量に対して練混ぜ水が少ないため、水和反応の進行によって自由水が不足しやすくなります。

さらに、水和生成物が毛細管空隙を早い段階で分断すると、外部から湿潤養生を行っても、部材内部まで養生水が届きにくくなります。

つまり、低水結合材比のコンクリートは、外部から見ると湿潤養生されていても、内部では自己乾燥が進むことがあります。

細孔が細かいほど大きな毛細管張力が生じる

水和が進んで細孔が微細化すると、水が抜け始める細孔の半径も小さくなります。

一般に、メニスカスの曲率半径が小さいほど、液状水に生じる負圧は大きくなります。そのため、低水結合材比による細孔構造の微細化は、内部相対湿度の低下だけでなく、固体骨格へ作用する収縮力の増加にも関係します。

ただし、「細孔が細かいから自己収縮が大きい」とMIPの結果だけで結論付けるのは早計です。

MIPでは、試料の乾燥前処理や水和停止によって細孔構造が変化する可能性があります。また、MIPで得られる細孔径分布は、内部相対湿度や水分状態を直接測定したものではありません。

MIPの結果を自己乾燥と結び付ける場合は、セメントのMIP（水銀圧入法）入門で前処理と測定原理も確認しておく必要があります。

混和材を入れると自己収縮はどう変わるか

混和材を使用したときの自己乾燥や自己収縮は、置換率だけでは決まりません。

主に次の条件が関係します。

混和材の反応速度
混和材自身の化学収縮
水和物の生成量と種類
細孔構造の微細化
細孔溶液の組成
水結合材比
養生温度
材齢

シリカフューム

シリカフュームを使用すると、細孔構造が微細化しやすく、ポゾラン反応によって自由水も消費されます。

シリカフュームを加えたセメントペーストを長期間測定した研究では、シリカフュームの添加によって内部相対湿度の低下と自己収縮がともに増加したことが報告されています。

ただし、コンクリートでは骨材による拘束があるため、ペーストの測定値をそのままコンクリートへ当てはめることはできません。

高炉スラグ微粉末

高炉スラグ微粉末を使用した系では、初期のクリンカ水和に加えて、スラグ反応によるC-(A)-S-Hなどの生成が進みます。

水セメント比0.25のセメントペーストを対象とした研究では、高炉セメントB種の試料で普通ポルトランドセメントより多くのC-S-Hが生成し、大きな自己収縮が確認されました。一方で、その大小関係はスラグの粉末度、置換率、温度、刺激条件などによって変わるため、「スラグを入れると常に自己収縮が増える」とは限りません。

高炉スラグの反応そのものについては、高炉スラグ微粉末が反応する仕組みで詳しく整理しています。

自己乾燥と自己収縮は何で測るか

目的によって必要な測定方法は異なります。

知りたいこと	主な測定方法	分かること
内部がどの程度乾燥したか	内部相対湿度センサー	RHの経時変化
外形がどの程度縮んだか	埋込みひずみ計、変位計、波形チューブ	自己収縮ひずみ
水和反応による絶対体積の減少	水置換法、膨張計	化学収縮
水和反応がどこまで進んだか	熱量測定、結合水量、TG、XRD	水和速度・水和度
細孔がどう変化したか	MIP、吸着法、NMR	細孔径分布・水の存在状態
液相の組成がどう変化したか	細孔溶液抽出、ICP、IC、pH測定	イオン濃度・液相組成

内部相対湿度の測定

代表的な方法は、密封した容器や試料内部の空間に湿度センサーを設置し、セメント硬化体と空気の湿度が平衡になった後の値を測定する方法です。

試料を細かく砕いて密封容器に入れ、平衡時間を短縮する方法もあります。ただし、破砕中の乾燥や温度変化を防がなければなりません。

内部相対湿度の測定では、温度管理が特に重要です。飽和に近い範囲では、試料とセンサーの温度差がわずかでも大きな誤差につながります。Jensenの報告では、室温付近かつ飽和に近い条件で1℃の温度差が約6％RHの測定誤差を生じさせる可能性が示されています。

自己収縮ひずみの測定

自己収縮は、外部との水分移動を防いだ供試体で測定します。

主な方法は次のとおりです。

供試体端部の変位を変位計で測定する
コンクリート内部に埋込みひずみ計を設置する
波形チューブにセメントペーストやモルタルを封入する
柔軟な膜に試料を入れて体積変化を測定する

測定では、型枠との摩擦、封緘不足、温度ひずみ、測定開始時点の設定が結果に影響します。

日本コンクリート工学会の試験方法では、供試体の自由な変形を妨げないように型枠との摩擦を減らし、外部との水分移動を防ぐ方法が示されています。

測定開始時点をそろえる

自己収縮ひずみは、どの時点をゼロとするかによって値が変わります。

凝結前のセメントペーストは固体骨格が十分に形成されていないため、長さの基準を明確に定めにくい状態です。そのため、コンクリートでは凝結始発などを測定開始点とする方法があります。

異なる論文の自己収縮量を比較するときは、次の項目を確認する必要があります。

測定開始点が練混ぜ直後か凝結始発か
収縮を正とするか負とするか
温度補正を行っているか
線ひずみか体積ひずみか
ペースト、モルタル、コンクリートのどれか
密封方法が同じか

数値だけを表から抜き出して比較すると、材料差ではなく試験方法の差を比較してしまうことがあります。

実験結果はRH・ひずみ・水和反応を合わせて読む

自己乾燥の研究では、一つの測定結果だけで原因を判断しないことが基本です。

内部RHが下がり、自己収縮も増えた場合

自己乾燥が自己収縮の主な要因になっている可能性があります。

ただし、温度履歴が同じか、測定開始点が適切か、封緘が保たれているかを先に確認します。水和発熱による温度変形が残っていると、RHとひずみの関係を誤って評価する可能性があります。

内部RHは下がったが、自己収縮が小さい場合

内部RHの低下量が同じでも、収縮量が同じになるとは限りません。

セメント硬化体の弾性係数、クリープ、骨材による拘束、収縮低減剤による表面張力の変化などによって、同じ毛細管圧力に対する変形量が変わるためです。

この場合は、ペーストとコンクリートを分けて比較し、弾性係数や骨材量も確認します。

自己収縮が増えたが、内部RHがほとんど変わらない場合

次の可能性を確認します。

センサーの応答が遅れている
センサーと試料に温度差がある
凝結前の変形が含まれている
温度ひずみの補正が不十分
化学収縮を外形変化として測定している
初期膨張後の減少を収縮量として数えている

内部RHと収縮ひずみには、測定位置や平衡時間による時間差が生じることもあります。RH曲線とひずみ曲線が完全に同じ時刻から変化しないことだけを理由に、両者が無関係とは判断できません。

MIPで細孔が微細化していた場合

細孔の微細化は、自己乾燥を生じやすくする要因の一つです。しかし、MIPの結果だけでは、実際に内部相対湿度が低下したかは分かりません。

次のように測定を組み合わせると、結果を説明しやすくなります。

熱量測定・結合水量
　→ 水和反応の進行を確認
内部相対湿度
　→ 自己乾燥の進行を確認
自己収縮ひずみ
　→ 外形寸法の変化を確認
MIP・吸着法・NMR
　→ 細孔構造と水の存在状態を確認
細孔溶液分析
　→ 液相組成と混和材反応を確認

自己乾燥を研究するときの確認項目

実験計画を立てるときは、次の順番で条件を整理すると、測定結果の意味を判断しやすくなります。

外部との水分移動を許すのか、封緘するのかを決める
自己収縮の測定開始時点を決める
試料とセンサーの温度を一定に保つ
内部RHと自己収縮ひずみを同じ時間軸で測る
熱量測定や結合水量で水和反応の進行を確認する
細孔構造と細孔溶液を補助的に測定する
ペースト、モルタル、コンクリートを区別して比較する
水結合材比だけでなく、結合材量と混和材置換率も記録する

特に重要なのは、自己乾燥を「細孔が細かくなった現象」だけで説明しないことです。

水和反応による水の消費、化学収縮、内部相対湿度、細孔構造、固体骨格の変形を順番に確認することで、測定結果を無理なく説明できます。

自己乾燥・自己収縮に関するよくある質問

自己乾燥と乾燥収縮は同じですか？

同じではありません。

自己乾燥は、外部への水分蒸発がなくても、水和反応によって内部相対湿度が低下する現象です。乾燥収縮は、コンクリートから外気へ水分が移動することで生じます。

ただし、実際の部材では自己収縮と乾燥収縮が重なるため、開放条件の長さ変化だけで両者を分けることはできません。

水セメント比が高ければ自己乾燥は起こりませんか？

水セメント比が高いほど自由水が残りやすいため、一般には自己乾燥の影響が小さくなる傾向があります。

ただし、セメントの種類、粉末度、混和材、温度、水和度によっても変わります。特定の水セメント比を境に、自己乾燥が完全になくなると考えるのは適切ではありません。

MIPで自己乾燥の有無を判断できますか？

MIPだけでは判断できません。

MIPで分かるのは、主に圧入可能な細孔の径分布です。内部相対湿度や細孔内の水分状態を直接測定する方法ではありません。

自己乾燥を確認するには、内部相対湿度の測定を組み合わせる必要があります。

自己収縮を小さくする方法はありますか？

代表的な方法として、内部養生、収縮低減剤、膨張材、配合の見直しなどがあります。

内部養生では、あらかじめ吸水させた軽量骨材や高吸水性樹脂などを内部の水分供給源として利用します。水和反応で細孔内の水が不足したときに養生水を供給し、内部相対湿度の低下を抑える考え方です。効果は材料の吸水量、放水特性、粒径、配置によって変わるため、同じ添加量でも結果が異なる場合があります。

まとめ｜自己乾燥は水和・水分・変形を順番に考える

自己乾燥、内部相対湿度、自己収縮は、次の順番で整理できます。

水和反応
　↓
化学収縮と自由水の減少
　↓
細孔の不飽和化
　↓
内部相対湿度の低下
　↓
毛細管張力などの発生
　↓
自己収縮

自己乾燥は内部の水分状態、自己収縮は外形寸法の変化を表します。両者は密接に関係しますが、同じ意味ではありません。

研究で自己乾燥を評価するときは、自己収縮ひずみだけで原因を決めず、内部相対湿度、水和反応、細孔構造を同じ時間軸で比較する必要があります。

まずは、使用する試料について「封緘条件」「測定開始点」「温度履歴」を整理し、内部RHと自己収縮を同時に測定できる実験計画になっているかを確認することが次の一歩です。

参考文献

Jensen, O. M., Hansen, P. F., “Autogenous Deformation and Change of the Relative Humidity in Silica Fume-Modified Cement Paste,” ACI Materials Journal, Vol. 93, No. 6, pp. 539–543, 1996.
Lura, P., Jensen, O. M., van Breugel, K., “Autogenous Shrinkage in High-Performance Cement Paste: An Evaluation of Basic Mechanisms,” Cement and Concrete Research, Vol. 33, No. 2, pp. 223–232, 2003.
平尾宙・内川浩・羽原俊祐「硬化セメントペーストの湿度および硬化体構造の変化と自己収縮」秩父小野田研究報告、第48巻、1997年.
日本コンクリート工学協会「自己収縮研究委員会報告」コンクリート工学年次論文報告集、Vol. 19、No. 1、1997年.