Name: freeze-thaw damage in concrete
Uploaded: 2024-11-07T14:48:50.000Z
Duration: 1 min 27 s
Channel: JoVE

濡れた道路脇の縁石など、寒冷地のコンクリート構造物は水分を保持し、霜の作用やその後の損傷に対して脆弱になります。
縁石に使用される除氷塩は、コンクリートにより多くの水を引き込み、温度が変動する凍結融解サイクル中の損傷を悪化させます。
霜の作用から生じる主な問題は、水がコンクリートの多孔質構造に浸透して内部に留まる表面スケーリングです。
温度が下がって水が凍ると、凍った水の膨張がコンクリートに圧力をかけます。この圧力により、コンクリートの外層にひび割れや欠けが生じる可能性があります。
もう一つの大きな問題は、エッジやジョイントの近くの損傷の一種であるD割れです。これらのD字型の亀裂は、コンクリートの強度を脅かすより深い構造上の問題を示しています。
凍結時に水が膨張するためのスペースを提供する空気混入ボイドがないコンクリートは、凍結融解サイクルを繰り返すことで深刻な損傷を受けます。
各サイクルによりコンクリートが膨張し、さらなる亀裂が発生し、最終的には破壊的なプロセスである剥離が発生し、コンクリートの破片が構造物から剥離し、コンクリートの構造強度が大幅に低下します。

コンクリートの凍結作用

Frost Action on Concrete

寒冷気候の道路沿いにあるコンクリート構造物などは、湿気を帯びることがあります。この湿気により、気温が氷点下になると、コンクリート構造物は凍結による損傷を受けやすくなります。湿気が加わると、気温の変動時に損傷が悪化し、凍結と融解が繰り返されることになります。氷を溶かすためにこれらの構造物に散布される凍結防止剤は、凍結と融解のサイクルを加速させ、コンクリートにさらに多くの湿気を吸収させます。


 この凍結融解サイクルは主に表面スケーリングを引き起こします。表面スケーリングでは、水がコンクリートに浸透して凍結し、膨張して圧力がかかります。この圧力によりコンクリートの表面層が破壊され、亀裂や欠けが生じる可能性があります。コンクリートの細孔内の水が凍結すると、周囲のゲル水との熱力学的不均衡が生じ、より多くの水が移動して凍結し、圧力が高まります。また、水中の塩分による浸透圧により、より多くの水が細孔に押し込まれ、凍結融解サイクル中の圧力が強まります。


 コンクリートの奥深くでは、縁やジョイント付近にDクラックが生じることがあります。これらの深い D 型の亀裂は、コンクリートの耐久性に重大な問題があることを示しています。空気を含んだ空隙のないコンクリートは、凍結融解サイクルに対して最も脆弱です。これらの空隙はコンクリート内の小さな空間で、緩衝材として機能し、凍結した水が膨張しても損傷を引き起こしません。これらの空隙がなければ、膨張によって亀裂が増え、最終的にはコンクリートの一部が剥がれて全体の構造が弱まる剥離につながります。

濡れた道路脇の縁石など、寒冷地のコンクリート構造物は水分を保持し、霜の作用やその後の損傷に対して脆弱になります。
除氷...

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土木工学

Unit 1

ユニット1

Freezing and Thawing in Concrete

コンクリートの凍結融解

KEY TERMS AND CONCEPTS

主要用語と概念

freeze-thaw damage in concrete

Freeze-thaw damage in concrete is a major problem in cold climates. Roadside concrete and other outdoor structures can hold moisture, and that water can freeze when temperatures drop below freezing. When the weather changes again and again, repeated freezing and thawing can weaken the concrete over time.

De-icing salts can make the damage worse. These salts are spread on ice to help melt it, but they also pull more moisture into the concrete and add to the freeze-thaw cycle. One common result is surface scaling, which happens when water enters the concrete, freezes, and expands. The expansion creates pressure that can crack the surface and cause chips.

The pressure can also build inside the pores of the concrete. When pore water freezes, it can create a thermodynamic imbalance with the surrounding gel water, so more water moves in and freezes. Salt in the water can add osmotic pressure, which pushes even more water into the pores. In deeper parts of the concrete, D-cracking can form near edges and joints. These deep, D-shaped cracks show serious durability problems.

Concrete without air-entrained voids is most vulnerable to this kind of damage. Air-entrained voids are tiny spaces in the concrete that act like buffers and give freezing water room to expand. Without them, the expanding ice causes more cracks and can lead to spalling, where pieces of concrete break away and weaken the structure.

Freeze-Thaw Damage in Concrete

frost action on concrete

Freeze-thaw damage in concrete is a major problem in cold climates. Roadside concrete and other outdoor structures can hold moisture, and that water can freeze when temperatures drop below freezing. When the weather changes again and again, repeated freezing and thawing can weaken the concrete over time. De-icing salts can make the damage worse. These salts are spread on ice to help melt it, but they also pull more moisture into the concrete and add to the freeze-thaw cycle. One common result...

frost resistant concrete

Protecting Concrete from Freeze-Thaw Damage

Concrete can break down during freeze-thaw cycles, so frost resistance matters in cold weather. When water inside concrete freezes, it expands and can create internal pressure that leads to cracking. Builders use several strategies to reduce that damage and keep concrete strong. One key method is air entrainment, which adds tiny air bubbles to the mix. These small voids give ice room to expand, so pressure inside the concrete stays lower. The amount of entrained air is usually about 4% to 7%...

air-entraining agents

Freeze-Thaw Protection in Concrete

Air-entraining agents help concrete resist damage in cold climates. They also improve the workability of the mix. Their main role is to reduce cracking when freezing and thawing happen again and again. These agents work by adding tiny air bubbles to the concrete. The bubbles give water room to expand when temperatures drop. They also lower the surface tension of water, which helps form stable, small bubbles instead of weak, accidental voids. The goal is to create many small, evenly spread air...

measurement of air content in concrete

Concrete Air Content Testing Methods

Concrete air content testing helps show how much air is trapped in fresh concrete. This matters because air content affects structural integrity and durability. It is especially important for concrete used in places with severe weather. Proper air content also helps concrete resist freeze-thaw cycles and can improve workability and strength. Several ASTM standards describe how to measure air content in fresh concrete. The pressure method, ASTM C231, is the most common. It uses a sealed chamber...

effects of air-entrainment in concrete

Air Bubbles and Freeze Resistance in Concrete

Air bubbles in concrete help the mix resist damage from freeze-thaw cycles. Air entrainment adds tiny air pockets that work as internal voids. These voids give freezing water room to expand. That reduces internal stress and helps prevent cracks. This protection matters in places with repeated freezing and thawing. Without enough space for expanding ice, concrete can deteriorate faster over time. Air-entrained concrete is designed to limit that repeated stress. It helps protect the structure...

key terms and concepts

Learn how freeze-thaw cycles, de-icing salts, and trapped moisture damage concrete, causing surface scaling, D-cracking, and spalling in cold climates.

Freeze-Thaw Damage in Concrete | JoVE K12

JoVE Core Civil Engineering provides a foundational exploration of essential construction materials in civil engineering, focusing on bricks, stones, steel, wood, and concrete through easy-to-understand animated videos. This collection covers the properties, manufacturing processes, and practical applications of these materials. Additionally, the accompanied science-in-action videos demonstrate the research experiments performed in laboratories.

civil engineering

Freeze-Thaw Damage in Concrete

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