水セメント比
水セメント比とは、フレッシュなコンクリートやモルタルに含まれる水とセメントの質量比のことである。英語ではWater-Cement Ratioと呼ばれ、W/Cと略記される。硬化後の圧縮強度、水密性、中性化への抵抗性を左右するため、配合設計で最初に決める値として扱われてきた。一般の建築用コンクリートでは45〜65%の範囲に収まることが多い。
アブラムスの法則から始まった研究史
骨材や水の量を経験で決めていた時代は長く続いた。転機となったのは1918年である。米国ルイス研究所のダフ・アブラムス（Duff A. Abrams）が数万本の供試体を試験し、使用材料が同じで十分に締め固められていれば、強度は水とセメントの比だけでほぼ決まると発表した。これが「水セメント比説」、いわゆるアブラムスの法則である。その後1932年にノルウェーのリーセ（I. Lyse）が、強度はセメント水比（C/W）に対してほぼ直線的に変化すると示し、現在の配合設計で使われる直線式の土台になった。
定義と計算方法
計算そのものは単純で、コンクリート1m3あたりの単位水量を単位セメント量で割り、百分率で表す。
W/C ＝ W ÷ C × 100 （%）
ここでWは単位水量（kg/m3）、Cは単位セメント量（kg/m3）を示す。たとえば単位水量175kg/m3、単位セメント量318kg/m3なら約55%となる。注意したいのは、ここでいう水が骨材の表面水を含めた「練混ぜ水の総量」である点で、骨材内部に吸収された水は含めない。砂の表面水率が1%ずれるだけで、細骨材800kg/m3の配合なら水量が8kg変わり、水セメント比は2〜3ポイント動いてしまう。
強度との関係とセメント水比
リーセの考え方に基づくと、材齢28日の圧縮強度は次のように近似できる。
f′c28 ＝ A ＋ B × （C/W）
係数A、Bはセメントの種類や骨材によって変わり、各生コンクリート工場が自社の試験データから求めている。水が多いほど硬化体内部に余剰水の抜けた空隙が増え、組織が粗くなる。この単純な仕組みが、強度低下の主因となる。呼び強度24N/mm2前後の普通コンクリートでは55%付近、設計基準強度60N/mm2級の高強度コンクリートでは30%を下回る配合も珍しくない。
水和に必要な水はどれくらいか
セメントが水和反応で化学的に結合する水は、セメント質量のおよそ25%とされる。ところが実際には、ゲル空隙に保持される水も必要になる。パワーズ（T. C. Powers）の研究では、完全水和には約38〜42%が要るとされた。これより低い値では未水和のセメント粒子が残る。それでも強度は高く出るため、高強度分野では意図的に低い値が採用されている。つまり「水和に足りる水」と「施工できる水」と「性能が出る水」は、それぞれ別の数値として考える必要がある。
規格・指針による上限値
耐久性の観点から、各種基準は水セメント比の最大値を定めている。代表的な目安を下表に示す。
| 適用条件 | 上限の目安 | 主な根拠 |
|---|---|---|
| 普通ポルトランドセメントを用いる一般建築 | 65%以下 | JASS 5（日本建築学会） |
| 水密コンクリート | 50%以下 | JASS 5 |
| 海水や塩害環境にさらされる部材 | 45〜50%程度 | 土木学会コンクリート標準示方書 |
| 高強度コンクリート | おおむね40%以下 | JASS 5・各社技術資料 |
レディーミクストコンクリートを規定するJIS A 5308では、購入者と生産者の協議で上限値を指定できる。強度だけで配合を決めると耐久性の上限を超えることがあるため、両方の条件から小さいほうの値を採用するのが実務の基本となる。
水結合材比との違い
フライアッシュや高炉スラグ微粉末を混ぜる配合では、分母にこれらを加えた「水結合材比（W/B）」が使われる。両者を混同すると比較を誤る。たとえば水165kg、セメント250kg、フライアッシュ50kgの場合、W/Cは66%だがW/Bは55%となる。混和材は初期の強度発現が遅いので、W/Bが同じでも材齢28日の強度は普通セメント単味より低く出やすい。
製造現場での管理と加水の問題
生コン工場では、配合計画書に記載した水セメント比を守るため、骨材の表面水率を1日に複数回測定し、計量水を補正している。現場でよく問題になるのは、スランプが小さいからと荷卸し後に水を足す行為である。トラックアジテータ1台（4.5m3）に水を20L加えただけで、単位水量は約4〜5kg/m3増え、強度は数%落ちる。加水は施工不良とみなされ、多くの発注者が明確に禁止している。流動性が足りない場合は、工場で減水剤やAE減水剤の添加量を調整するのが正しい対応となる。
低くしすぎた場合の副作用
値を下げれば性能が上がるという単純な話ではない。単位水量を一定のまま比を下げると、セメント量が増えてコストが上がる。セメント単価をトン当たり1万数千円とすると、比を5ポイント下げるだけで材料費が1m3あたり数百円上乗せされることもある。マスコンクリートでは水和熱による温度ひび割れ、高強度域では自己収縮ひび割れのリスクも高まる。反対に単位水量が多い配合はブリーディングや乾燥収縮が大きくなるので、JASS 5は単位水量を185kg/m3以下に抑えるよう求めている。比と単位水量を組で管理する発想が、品質とコストの釣り合いを取るうえで欠かせない。
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