低水結合材比（低w/b）コンクリートの自己収縮とは？原因・内部養生・ひび割れ対策

低水結合材比（w/b）が 0.35、0.30…と小さくなるほど、硬化体は緻密になり、早期強度も伸びやすくなります。 その一方で、打設後に“外へ水が出ていないのに”体積が目に見えず縮むオートジェニアス収縮（自己収縮）が無視できなくなります。

これは、セメントの水和によって内部の自由水が減り、材料の中が自分で乾いていく自己乾燥（self-desiccation）が進むためです。2010年代には、この自己乾燥を内部 RH（相対湿度）や収縮ひずみで定量的に追えるようになり、内部養生（internal curing）も実務へ持ち出せる設計論として整理されてきました。本稿では、一般の方にも伝わる言葉で、研究者が使う座標に接続しながら、低 w/b 時代の体積変化の地図を描き直します。

1｜なぜ「水が足りなくなる」と縮むのか：自己乾燥の筋道

セメントの水和は、粉体と水が新しい固相（CSH など）に姿を変える反応です。反応が進むにつれて、化学収縮（chemical shrinkage）によって空隙の合計体積は変化し、毛細管中の水の状態も変わっていきます。低 w/b では連続した自由水の領域が早く途切れ、毛細管中の水面には強い負圧（毛細管張力）が生じます。これが骨格を内側へ引き締める駆動力になり、外部から乾燥させていないのに体積は縮みます。

感覚的には、乾燥収縮が“外へ水が出ていく”現象なら、オートジェニアス収縮は“中の水が反応で目減りしていく”現象です。低 w/b になるほど、自己乾燥のスイッチが早く入るため、初期強度の立ち上がりとほぼ同時に収縮ひずみも立ち上がる――ここが高性能コンクリート（HPC/UHPC）の悩ましい二面性です。

2｜何が“増幅器”になるのか：配合・微細構造・温度履歴

自己乾燥の増幅には、主に三つの車輪があります。

一つ目は細孔構造です。微粉（シリカフュームなど）で毛細管を細くすれば、同じ含水率でも毛細管張力は高くなります。

二つ目は反応速度です。高温や急激な水和促進は、短時間に化学収縮を進めて内部 RH を速く落とします。

三つ目はCSH の組成や骨格の育ち方です。Ca/Si 比や生成過程の違いは、吸脱着の履歴や変形の戻りやすさに影響し、結果として戻りにくいひずみにつながることがあります。

要するに、“強度の立ち上がりを急ぎつつ、内部の通路構造の整理が追いつかない”前史を持つ試料ほど、微細構造が“縮みやすい側”に寄りやすい、ということです。

3｜どう測るのか：化学収縮と自己収縮は同じではない

研究室では、化学収縮とオートジェニアス収縮を別の量として測ります。化学収縮は、体積一定の条件で反応そのものによる水の目減りをみる量です。これに対してオートジェニアス収縮は、密閉・等温条件で材料骨格がどれだけ自由に縮んだかをみる量です。

両者は若材齢では近い値を取りうるものの、細孔構造や吸脱着の履歴によって差が開きます。したがって、等温・密閉・温度補償という作法を守り、同一バッチの時系列でそろえることが再現性の第一歩です。内部 RH の同時計測（小型センサ）を重ねれば、「RH がどの時点で何％まで落ちたとき、収縮がどれだけ進むか」という因果の目安も得られます。

4｜設計の打ち手①：内部養生を“設計”として位置づける

自己乾燥の対策の中心は、水を中から補給して負圧を和らげることです。含水軽量骨材（LWA）や高吸水性ポリマー（SAP）は、水で満たした小さな“タンク”を生地中に分散させ、必要なタイミングで水を吐き出します。

ここで重要なのは、これが“余分な練混ぜ水”ではない点です。余分な外水は毛細管をつなぎ直して乾燥収縮を増やすことがありますが、内部養生の水は閉じたポケットに保持され、自己乾燥が進んだときにだけ供給されます。

配合側では、必要水量の見積り（目標水和度までの化学収縮分）とタンクの分散密度が肝です。LWA なら含水率×体積率、SAP なら吸水倍率×添加率で“タンク容量”が決まります。過少なら効かず、過多なら空隙増で強度・耐久性が落ちるため、やはりバランスの設計が求められます。

5｜設計の打ち手②：配合と養生の“二人三脚”

内部養生は万能薬ではありません。w/b をやみくもに下げる、微粉を多く入れる、高温で急がせる――こうした処方では、内部養生を足してもなお収縮主導になりがちです。

目標強度に対して必要最小限の w/bを見極め、初期は温度と水分の履歴を穏やかに保つことが重要です。言い換えれば、“強度は上げるが、内部の通路構造の整理も待つ”という若材齢の作法が、戻りやすい微細構造につながります。

ブレンド系（スラグ・フライアッシュ）では、初期は水和が緩やかで自己乾燥が遅れがちですが、長期には毛細管が細くなって張力が高くなる側面もあります。したがって、内部養生＋湿潤養生の重ねがけで、初期の“水不足”と長期の“張力過多”をまとめていなす設計が安全です。

6｜“割れ”をどう抑えるか：拘束・温度と重ねて考える

オートジェニアス収縮はひずみを生むだけでなく、拘束（鉄筋・基盤・断面勾配）があれば引張応力を生みます。若材齢では、弾性率の上昇と収縮速度の掛け合わせで応力速度が決まり、そこに温度ひずみも重なって初期ひび割れの起点になります。

現場向けに翻訳すると、打ち手は三つです。すなわち、（a）収縮を小さくする（内部養生・配合・養生）、（b）拘束を弱める（打重ね・目地・配筋の工夫）、（c）同時に温度履歴を穏やかにする、の三本柱です。リング試験や自由収縮＋ヤング率の同時計測で、狙いの配合が“割れにくい座標”に入っているかを事前に確かめます。

7｜一般読者の直観：スポンジと水筒

低 w/b の生地は、目の細かいスポンジのようなものです。最初はたっぷり水を含んでいても、反応で水が“体の中に取り込まれる”につれて、スポンジの中はじわじわ乾いていきます。すると、外から押されていないのに、材料は自分で縮む方向へ動きます。

ここに小さな水筒（内部養生のタンク）をいくつも忍ばせておくと、乾きそうなときに少しずつ水がしみ出して、縮み過ぎを防いでくれます。水を足す場所とタイミングを設計する――それが内部養生の要諦です。

8｜研究を始めた人への道筋：同一バッチで“三つの縦軸”をそろえる

最短ルートは、同一試料で（1）化学収縮（容量法）、（2）オートジェニアス収縮（密閉・等温）、（3）内部 RH（小型センサ）を若材齢から並走させることです。ここに温度履歴を厳密に重ね、DVS（吸脱着）と等温カロリメトリーを足せば、「反応 → 水 → ひずみ」の三点測量が成立します。

内部養生の検討では、タンクの“水勘定”――すなわち LWA や SAP がどれだけの水をどのタイミングで供給できるか――を事前に計算し、空隙増とのトレードオフを圧縮強度・透水・電気抵抗などで確認するのが定石です。

まとめ

低 w/b の利点である緻密化・高強度は、自己乾燥という代償と表裏一体です。2010年代の進歩は、化学収縮 → 内部 RH 低下 → 毛細管張力 → 体積変化を、測定とモデルの両面から一貫して扱い、内部養生を“設計変数”に昇格させたことにあります。

配合（w/b・微粉・ブレンド）× 養生（温度・水）× 内部養生（LWA/SAP）を同じ座標で眺めれば、“強く、割れにくく、戻りやすい”若材齢へ近づけます。次回は、実験×計算の連成（STEM-EELS/EXAFS と多階層モデル）に進み、微視の化学と巨視の力学をどこまで一本化できるかを覗きます。

参考論文

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