コンクリートの物理的性質とは？代表値・試験方法・実務への影響を体系的に整理

コンクリートの物理的性質（弾性係数・ポアソン比・クリープ・熱伝導率等）の代表値、JIS規格、設計・施工への影響を体系的に整理した基礎解説。

結論

コンクリートの物理的性質とは、強度以外の“変形・熱・水分・時間依存挙動”に関する定量的特性の総称で、弾性係数・ポアソン比・クリープ・熱伝導率・線膨張係数・含水率などが該当します。

これらは構造安全性・長期変形・温度ひび割れ・仕上げ施工の成否に直結するため、設計者・施工管理者にとって基礎かつ重要な指標です。

本記事では、

• 物理的性質の体系整理
• 代表的な物性値と標準範囲
• JIS規格との関係
• 設計・施工での具体的使用場面
• 経年変化による影響

を包括的に整理します。

物理的性質とは何か

コンクリートの物理的性質とは、外部作用（外力・温度・水分など）を受けたときに示す「力学的・熱的・変形的挙動」を指します。

コンクリートを評価する場合、重要なのは以下であり、物理的性質は強度と耐久性をつなぐ“橋渡し”をする。変形・熱・時間依存性を理解して初めて合理的な設計が成立します。

1. 壊れないこと（強度）
2. 変形を制御できること（物理的性質）
3. 長持ちすること（耐久性）

物理的性質と強度や耐久性との違い

コンクリートの性質は大きく次の4つに分類できます。

1. 強度特性
2. フレッシュ性
3. 物理的性質
4. 耐久性

強度との違い

構造設計において強度と物理的性質の違いは、以下であり

• 強度→壊れるかどうか
• 物理的性質→どれだけ変形(たわみ・伸縮)するか

両者の違いは、

• 強度：破壊時の最大応力
• 物理的性質：破壊に至るまでの変形や応答特性

強度が高くても、弾性係数が低ければ変形は大きくなります。

フレッシュ性との違い

フレッシュ性とは施工性能を示す指標、物理的性質は構造物としての性能を規定します。

項目	フレッシュ性	物理的性質
対象時期	打設前〜初期硬化	硬化後
主目的	施工性確保	構造性能確保
支配要因	単位水量・混和剤	水セメント比・空隙構造
代表指標	スランプ	弾性係数

ただし両者は独立ではなく、例えば以下のような連鎖が生じます。

• 単位水量増加 → 水セメント比低下・乾燥収縮増大
• 空隙率増加 → 弾性係数低下

つまり、フレッシュ性の調整は最終的に物理的性質へ影響を与えます。この視点を持たずに施工性だけを追求すると、長期変形やひび割れのリスクを増大させます。

ワーカビリティー・フレッシュ性についてはこちらの記事を参考にどうぞ。

耐久性との関係

耐久性は、硬化後の長期的な劣化に対する抵抗性能を示す概念です。一見すると物理的性質とは別物のように思えますが、実際には密接に連動しています。

空隙構造が両者を支配する

コンクリート内部の毛細管空隙構造は、物理的性質の左右するだけでなく耐久性への影響も大きい。つまり、物理的性質の基礎は耐久性の基礎でもある。

影響される物理的性質	影響される耐久性
クリープ 弾性係数 乾燥収縮	透水性 拡散係数 凍結融解抵抗

変形特性とひび割れの関係

物理的性質が温度応力や拘束ひび割れに影響しひび割れを誘発する。物理的性質は耐久性の“間接支配因子”でもあります。

ひび割れの要因（物理的性質）	ひび割れの結果（耐久性）
線膨張係数が大きい 乾燥収縮が大きい 弾性係数が高すぎる	水・塩分が侵入 鉄筋腐食 耐久性低下

長期変形と供用性能

クリープや収縮といった物理的性質は、以下に直結します。これは構造安全性だけでなく「使用性能」の問題でもあります。

• 床のたわみ増大
• 仕上げ材の剥離
• プレストレス損失

物理的性質は何で決まるのか

コンクリートの物理的性質は、配合表に記載された数値そのものではなく、硬化後に形成される内部構造（マイクロ構造）によって決定されます。

物理的性質は次の4つが複合的に作用し、弾性係数・収縮・熱伝導率・クリープなどのマクロ物性を決定します。

水セメント比と空隙構造

水セメント比（W/C）が決めるもの

水セメント比は、硬化体中の毛細管空隙量を直接支配する最重要因子であり、W/Cが高いほど、以下が生じやすくなります。

現象	結果
未反応水の蒸発による空隙増加 毛細管空隙径の増大 空隙連結性の増大	弾性係数低下 強度低下 　　乾燥収縮増大　　 クリープ増大 透水性増大

空隙率と弾性係数の関係

弾性係数は、概念的には固体骨格の剛性 × 有効断面積で決定されます。空隙が増えるということは、実質的な有効断面積が減少することを意味するため

• W/Cが小さい → 空隙率低下 → 剛性上昇
• W/Cが大きい → 空隙率増加 → 剛性低下

という明確な傾向が現れます。ただし、単純比例ではなく、空隙の分布形態と連結性が重要となります。

骨材の弾性係数の影響

コンクリートは複合材料であり、セメントペーストによって骨材を繋いだ二相材料です。そのため、全体の弾性係数は複合則（複合材料理論）に従います。

骨材の剛性が高い場合	骨材の剛性が低い場合
コンクリート全体の弾性係数上昇 クリープ低減 乾燥収縮拘束効果増大	全体剛性低下 クリープ増大 長期たわみ増加

つまり、同一強度でも弾性係数は骨材によって変わります。設計で「強度から弾性係数を一律推定」することが危険な理由はここにあります。

界面遷移帯（ITZ）の影響

界面遷移帯（ITZ）とは、骨材とセメントペーストの境界に形成される、空隙が多く・ぜい弱な領域を指します。

ITZの特徴	物理的性質への影響	耐久性への影響
水分が局所的に多い 水酸化カルシウム結晶が粗大 空隙率が高い	ひび割れの起点 剛性低下要因 クリープ増大要因	弾性係数低下 せん断剛性低下 微細ひび割れ増加

つまり、ITZは“見えないが支配的な領域”であると言えます。

空気量と熱的性質

空気量は主に耐凍害性のために管理されますが、物理的性質にも影響を及ぼします。なぜなら、空気の弾性係数はほぼゼロであり、熱伝導率も極めて低いためです。

物理的性質への影響	耐久性への影響
熱伝導率の低下 弾性係数の低下	剛性低下 たわみ増加 温度応力増加 温度ひび割れリスク増大

内部構造とマクロ物性の整理

内部構造要因	主な影響物性
水セメント比・空隙率	弾性係数、強度、収縮
骨材剛性	全体弾性係数、クリープ
界面遷移帯(ITZ）	剛性、微細ひび割れ
空気量	熱伝導率、弾性係数

配合設計を読む際には、最終的な空隙構造を想像できるかどうかが技術者の力量となると言えるでしょう。

コンクリートの物理的性質は「材料配合」ではなく「形成された内部構造」によって決まる。

物理的性質の標準値や規格

力学的性質

静弾性係数（ヤング係数）

静弾性係数とは、圧縮応力と縦ひずみの比例関係を示します。弾性域における材料の変形しにくさ（剛性）を示す指標であす。

• 一般値：2.0～3.5×10⁴ N/㎟
• 試験規格：JIS A 1149

実務では圧縮強度fc​ から推定することが多く、次式が代表的な経験式です。$$E ≒ 3.35 \times 10^4 \left( \frac{\gamma}{24} \right)^2 \left( \frac{f_c}{60} \right)^{1/3}$$重要なのは、

同一強度でも骨材の影響により弾性係数は変わる

という点です。弾性係数は、たわみ計算や応力度計算で使用されます。

ヤング係数についての詳細は、こちらの記事でも扱っています。

ポアソン比

「荷重方向のひずみ」と「直行する方向のひずみ」の比率の絶対値＝ポアソン比と言います。コンクリートであれば、圧縮した時に縦方向に縮み(縦ひずみ)、横方向へは膨らみます(横ひずみ)。

圧縮なら、「縦方向＝縮み(負のひずみ)・横方向＝膨らむ(正のひずみ)」、引張りなら「縦方向＝伸び(正のひずみ)・横方向＝細る(負のひずみ)」となるため、絶対値をとります。

縦ひずみに対する横ひずみの比で、次式が計算式です。$$\nu = \frac{\varepsilon_{横}}{\varepsilon_{縦}}$$

• 一般値：0.15～0.20
• 試験規格：JIS A 1149

ポアソン比は、クリープやたわみの予測、ひび割れ発生評価、構造解析での応力分布計算に用いられます。コンクリートのポアソン比は、強度レベルによって変化するため、正しい数値が解析精度を左右します。拘束応力解析やマスコンクリート解析では重要となります。

時間依存性（長期挙動）

クリープ

クリープとは、持続荷重下でひずみが増加する現象を言います。コンクリートは粘弾性体であり、時間とともに変形が増大するといった特徴があり、以下のメカニズムによって機構が説明されます。

• セメント水和物の粘性流動
• 微細ひび割れの進展
• ITZのせん断滑り

クリープ係数とは、時間経過による変形の増大量（クリープひずみ）と荷重をかけた瞬間の変形量（弾性ひずみ）との比を表し、次式が計算式です。$$\phi = \frac{\text{クリープひずみ}}{\text{弾性ひずみ}}$$

• 一般値：約2.0～4.0
• 高温環境下で大きくなる傾向、圧縮強度が高いほど小さくなる。

クリープ係数は、長期たわみの予測や、プレストレス量の損失、応力再分配の計算に必須であり、クリープを無視するると。長期たわみを過小評価することになり、設計上重要な係数と言えます。 

熱的性質

コンクリートの熱的性質の基本は、「熱を伝えにくく、温度の変化によって伸び縮みする」という性質を持っています。熱的性質はコンクリートのひび割れ（温度応力）の原因にもなります。

特性	標準的な値	特徴・影響要因
熱伝導率(熱の伝わりやすさ)	1.6 ～ 2.7 W/mK	・空気量が多いほど低下（断熱性が高まる） ・含水率が高いほど上昇する
線膨張係数 (熱による体積変化)	10×10-6/℃	・粗骨材の種類の影響を最も受ける ・温度差20℃で1mあたり約0.2mm伸縮
比熱(温度の上りやすさ)	0.84 ～ 1.05 kJ/kgK	・含水率が高いほど比熱は大きくなる

マスコンクリート（断面の大きい構造物）では、セメントの水和熱により内部温度上昇によるひび割れリスクが高まります。この温度ひび割れは、熱伝導率と線膨張係数の関係により発生します。

含水・空隙特性

コンクリートの内部組織は「固体」ではなく無数の空隙が存在し、空隙の量と形態がコンクリート中の水分量を左右します。

空隙の種類と役割

空隙はそのサイズによって、影響を及ぼす対象が変わります。

特性	特徴	影響要因
毛細管空隙	水分や劣化因子の通り道	・透水性・中性化・塩害に直結。
ゲル空隙	セメント硬化体そのものの微細な隙間	・主に乾燥収縮（水分の吸脱着）に関与
エントラップトエア	製造時に巻き込まれる大きな空隙	・強度や弾性係数を大きく低下させる。

「水」が引き起こす劣化の連鎖

含水率が高い、あるいは透水性が高い（空隙が連続している）状態は、以下のリスクを増大させます。

• 化学的劣化： 塩害・中性化において、水分および二酸化炭素の浸入が鉄筋腐食のトリガーとなります。
• 物理的劣化： 凍結融解作用。空隙内の水が凍結膨張し、組織を内部から破壊します。
• 付着阻害： 内部水分が多いと、防水材や仕上げ材のふくれ・剥離の原因となります。

緻密さがすべてを解決する

空隙率を下げ、空隙を不連続にすること（＝緻密化）が、力学・耐久性両面の向上につながります。

特性	強度・弾性（力学）	耐久性（劣化抵抗）
高空隙率	低下（断面欠損と同じ）	低下（浸入経路の増加）
高含水率	クリープの増大	低下（凍害・鉄筋腐食の促進）
乾燥	弾性係数の微増	収縮ひび割れのリスク

含水・空隙特性は力学性能と耐久性能を同時に支配する。

良いコンクリートを表す表現として、現場技術者は”密実なコンクリート”という言葉をよく使います。密実とは、内部の空隙が少なく高密度な状態を指し、力学・耐久性の両面において重要であるということになります。