構 造 物 の 維 持 管 理 と 検 査 技 術 への 期 待 * 丸 山 久 一 * 長 岡 技 術 科 学 大 学 環 境 建 設 系 kmaru@vos.nagaokaut.ac.jp 要 旨 : セメントあるいはコンクリートの 歴 史 は 古 く 今 から 2000 年 前 の 古 代 ローマ 帝 国 の 時 代 には 既 に コンクリートで 構 造 物 が 建 造 されていた 現 在 のセメントに 至 るものは 1824 年 に 英 国 で 特 許 が 取 得 さ れたもので また 鉄 筋 コンクリートのさきがけとされる 植 木 鉢 の 製 作 は 1867 年 にフランスでなされ ている わが 国 にセメントが 入 ってきたのは 幕 末 の 頃 で 最 初 に 官 営 工 場 ができたのは 1872 年 といわ れている 殖 産 興 業 の 中 で 鉄 筋 コンクリートの 倉 庫 やコンクリート 護 岸 が 建 設 されたが 当 時 のコン クリート 構 造 物 で 100 年 を 超 えて 現 在 にまで 残 っているのは 小 樽 港 岸 壁 など 数 少 ない ただ 築 後 80 年 程 度 のものであれば 現 存 している 橋 梁 はいくつかある 1960 年 代 の 後 半 から 1970 年 代 にかけてわが 国 が 高 度 経 済 成 長 期 にあった 頃 社 会 基 盤 の 整 備 のた めに 鉄 筋 コンクリート 構 造 物 の 建 造 が 飛 躍 的 に 進 められた ところが 1980 年 代 に 入 ると 海 砂 を 用 いた 構 造 物 に 鉄 筋 の 発 錆 によるコンクリートのひび 割 れや 剥 落 が 報 告 され また 北 陸 や 東 北 地 方 の 海 岸 沿 いのコンクリート 橋 梁 ( 鉄 筋 コンクリート 橋 梁 プレストレストコンクリート 橋 梁 )では 海 から の 飛 来 塩 分 がコンクリート 中 に 浸 透 し 鋼 材 ( 鉄 筋 や PC 鋼 材 )の 発 錆 で 種 々の 不 具 合 が 生 じ 始 めた 塩 化 物 イオンによる 鉄 筋 の 発 錆 やその 予 防 対 策 についてはこの 30 年 間 でかなり 研 究 がなされ 新 たに 建 造 するコンクリート 構 造 物 については エポキシ 樹 脂 塗 装 鉄 筋 錆 びない 材 料 (FRP ステンレ ス 鉄 筋 )などの 使 用 が 可 能 となっており 電 気 防 食 工 法 も 新 設 既 設 を 問 わず 鋼 材 の 錆 の 進 行 を 抑 制 す る 上 で 有 効 であることが 実 証 されつつある ところが 問 題 は 塩 化 物 イオンが 浸 透 する 環 境 ( 塩 害 環 境 ) 下 にあって 高 度 経 済 成 長 期 に 建 造 された 数 多 くのコンクリート 構 造 物 が 著 しい 劣 化 の 徴 候 を 示 し 始 めていることである この 劣 化 は 偏 に 鋼 材 の 発 錆 によるもので コンクリートのひび 割 れ 剥 離 に 始 まり 鋼 材 の 断 面 欠 損 や 破 断 によるコンクリート 構 造 物 の 耐 荷 性 能 の 低 下 が 維 持 管 理 上 の 大 きな 問 題 となっている 管 理 者 にとっては 1 現 状 での 耐 荷 性 能 がいくらか 2 今 後 の 劣 化 の 進 行 はどのようか がもっとも 知 りたい 事 項 である そのためには 構 造 物 全 体 にわたって 鋼 材 の 腐 食 量 が 具 体 的 にいくらであるかを 把 握 する 必 要 があり それがわかれば 現 在 の 解 析 技 術 で 構 造 物 の 耐 荷 性 能 は 精 度 よく 推 定 可 能 である 経 年 劣 化 については 基 礎 的 な 研 究 がさらに 必 要 であるが コンクリート 中 の 鋼 材 の 腐 食 量 を 非 破 壊 で 検 出 で きるならば その 技 術 を 経 年 で 適 用 することにより 劣 化 の 進 行 速 度 を 把 握 することも 可 能 となる 参 考 文 献 [1] 土 木 学 会 :2007 年 制 定 コンクリート 標 準 示 方 書 維 持 管 理 編 2007 [2] 日 本 コンクリート 工 学 協 会 :コンクリート 診 断 技 術 09 2009 [3] 国 土 交 通 省 : 塩 害 橋 梁 維 持 管 理 マニュアル 2008 [4] 土 木 学 会 :コンクリートライブラリー131 古 代 ローマコンクリート 2009 [5] 長 瀧 重 義 監 修 :コンクリートの 長 期 耐 久 性 - 小 樽 港 百 年 耐 久 性 試 験 に 学 ぶ- 技 報 堂 出 版 1995 [6] 田 村 浩 一 近 藤 時 夫 :コンクリートの 歴 史 山 海 堂 1984 [7] 国 土 交 通 白 書 http://www.mlit.go.jp/hakusyo/mlit/h20/hakusho/h21/index.html 国 土 技 術 政 策 総 合 研 究 所 資 料 平 成 19 年 度 -1-
構 造 物 の 維 持 管 理 と 検 査 技 術 へ の 期 待 2010 年 6 月 30 日 長 岡 技 術 科 学 大 学 丸 山 久 一 長 岡 技 術 科 学 大 学 Nagaoka University of Technology 内 容 1.コンクリートの 略 歴 2. 塩 害 環 境 下 にあるコンクリート 構 造 物 の 維 持 管 理 3. 必 要 とされる 技 術 と 現 状 4. 開 発 が 望 まれる 検 査 技 術 -2-
1.コンクリートの 略 歴 セメント 古 代 セメント(BC.9000 天 然 セメント) (1796 J.Parker ローマンセメント) 近 代 セメント(1824 J.Aspdin( 英 ) ポルトランドセメント) 1865 年 頃 わが 国 に 輸 入 1872 年 わが 国 最 初 のセメント 工 場 設 立 1.コンクリートの 略 歴 無 筋 コンクリート 構 造 物 1889 年 横 浜 港 の 築 港 着 手 (1896 年 完 成 ) (1892 年 多 数 のひび 割 れ 発 生 ) 1896 年 函 館 港 改 良 工 事 着 手 1897 年 大 阪 港 築 港 着 手 (1899 年 ひび 割 れ 発 生 ) 1897 年 小 樽 港 築 港 着 手 ( 廣 井 勇 ) (100 年 試 験 用 供 試 体 ) -3-
1.コンクリートの 略 歴 鉄 筋 コンクリート 構 造 物 1895 年 頃 鉄 筋 コンクリートの 導 入 1903 年 若 狭 橋 ( 神 戸 市 ) 最 古 のRC 橋 (スパン 3.7m 床 版 式 桁 橋 ) 1903 年 琵 琶 湖 疏 水 路 上 の 弧 形 桁 橋 (スパン 7.3m 田 辺 朔 朗 ) 1929 年 万 代 橋 ( 新 潟 市 ) (スパン 42.4m アーチ 橋 ) 1.コンクリートの 略 歴 小 樽 港 のコンクリートの 経 年 劣 化 状 況 強 度 σ28 ( 海 水 中 ) 10 50 100 年 -4-
1.コンクリートの 略 歴 コンクリートの 劣 化 要 因 穏 やかな 劣 化 : セメントの 水 和 反 応 の 停 止 水 和 生 成 物 あるいはCa 溶 脱 による 硬 化 ペースト 組 織 の 粗 大 化 脆 化 進 行 の 速 い 劣 化 : 塩 化 物 イオンの 浸 透 ( 鉄 筋 の 腐 食 ) アル カリ 骨 材 反 応 凍 害 化 学 的 腐 食 1.コンクリートの 略 歴 コンクリートの 耐 用 年 数 穏 やかな 劣 化 : 小 樽 港 の 例 なら100 年 は 充 分 保 証 できる RCおよびPC 橋 梁 で50 年 以 上 供 用 してい るものがある 急 激 な 劣 化 : 建 設 後 10~20 年 で 劣 化 (ひび 割 れ 剥 離 等 )が 顕 在 化 40 年 ~50 年 で 架 け 替 え -5-
2. 塩 害 環 境 下 にある コンクリート 構 造 物 の 維 持 管 理 国 土 交 通 省 橋 梁 塩 害 対 策 検 討 委 員 会 (H16~H21) 塩 害 橋 梁 維 持 管 理 マニュアル 2. 維 持 管 理 橋 梁 の 架 設 数 の 変 遷 架 設 橋 梁 数 1930 1960 1980 架 設 年 度 2000-6-
2. 維 持 管 理 幌 別 橋 0.1km : 各 機 関 における 塩 害 橋 梁 の 事 例 太 平 洋 Ⅰ 日 本 海 Ⅰ 平 南 橋 0.0km 名 立 大 橋 0.0km 沖 縄 日 本 海 Ⅱ 太 平 洋 Ⅱ 太 平 洋 Ⅲ 瀬 戸 内 海 2. 維 持 管 理 維 持 管 理 マニュアルの 要 点 1. 構 造 物 の 現 在 の 状 態 を 健 全 度 判 定 で 評 価 2.これまでの 経 緯 ( 補 修 歴 等 )から 将 来 を 予 測 3. 現 在 の 知 見 に 基 づき 適 切 な 対 策 を 実 施 4. 対 策 の 効 果 を 継 続 的 に 観 察 -7-
2. 維 持 管 理 健 全 度 の 判 定 方 法 健 全 度 : 偏 に 鉄 筋 の 腐 食 状 況 による グレード 判 定 の 資 料 外 観 変 状 の 区 分 け(5 区 分 ) 鋼 材 腐 食 状 況 の 区 分 け(5 区 分 ) 2. 維 持 管 理 外 観 変 状 の 区 分 け 判 定 区 分 1 2 3 4 5 損 傷 状 況 ごく 軽 微 なひび 割 れ わずかな 錆 汁 ひび 割 れ 錆 汁 剥 離 部 分 的 剥 落 ひび 割 れ 錆 汁 剥 離 連 続 的 な 剥 落 コンクリートの 断 面 欠 損 鉄 筋 露 出 コンクリートの 断 面 欠 損 鉄 筋 の 破 断 判 定 には 過 去 の 補 修 歴 も 考 慮 する -8-
2. 維 持 管 理 鋼 材 腐 食 の 区 分 け(はつり 調 査 ) 判 定 区 分 1 2 3 4 5 鋼 材 の 腐 食 状 況 腐 食 なし ごく 表 面 的 な 腐 食 浅 い 孔 食 軽 微 な 腐 食 断 面 欠 損 が 著 しい 腐 食 鋼 材 の 破 断 2. 維 持 管 理 健 全 度 のグレード 健 全 度 グレードⅠ グレードⅡ グレードⅢ グレードⅣ 対 策 方 法 の 分 類 塩 害 対 策 は 不 要 予 防 的 な 補 修 対 策 が 必 要 進 行 抑 制 の 補 修 対 策 が 必 要 耐 荷 性 能 の 確 認 と 安 全 確 保 のた めの 早 急 な 対 策 の 実 施 更 新 を 含 めた 恒 久 対 策 の 検 討 が 必 要 -9-
2. 維 持 管 理 グレードⅠ: 塩 害 対 策 は 不 要 グレードⅠ: 塩 害 対 策 は 不 要 性 能 経 過 供 用 期 間 残 存 供 用 期 間 性 能 経 過 供 用 期 間 残 存 供 用 期 間 グレードⅡ: 予 防 的 な 補 修 対 策 が 必 要 グレードⅡ: 予 防 的 な 補 修 対 策 が 必 要 性 能 経 過 供 用 期 間 残 存 供 用 期 間 性 能 経 過 供 用 期 間 残 存 供 用 期 間 必 要 な 必 性 要 能 な 性 能 : 性 能 低 下 の 実 績 : 性 能 低 下 の 実 績 : 性 能 低 下 の 予 測 : 性 能 低 下 の 予 測 必 要 な 必 性 要 能 な 性 能 補 修 補 修 : 性 能 低 下 の 実 績 : 性 能 低 下 の 実 績 : 性 能 低 下 の 予 測 : 性 能 低 下 の 予 測 : 補 修 補 強 後 の 性 能 低 下 の 予 測 : 補 修 補 強 後 の 性 能 低 下 の 予 測 補 修 効 果 補 修 効 果 耐 用 期 間 耐 用 期 間 耐 用 期 間 耐 用 期 間 グレードⅢ: 進 行 抑 制 の 補 修 対 策 が 必 要 グレードⅢ: 進 行 抑 制 の 補 修 対 策 が 必 要 グレードⅣ: 安 全 確 保 の 早 急 な 対 策 の 実 グレードⅣ: 施 更 新 を 含 めた 安 全 恒 確 久 保 対 の 策 早 の 急 検 な 討 対 が 策 必 の 要 実 施 更 新 を 含 めた 恒 久 対 策 の 検 討 が 必 要 性 能 経 過 供 用 期 間 残 存 供 用 期 間 性 能 経 過 供 用 期 間 残 存 供 用 期 間 性 能 経 過 供 用 期 間 残 存 供 用 期 間 性 能 経 過 供 用 期 間 残 存 供 用 期 間 補 修 効 果 補 修 効 果 補 修 補 強 補 修 補 強 補 修 効 果 補 修 効 果 必 要 な 必 性 要 能 な 性 能 補 修 補 修 必 要 な 必 性 要 能 な 性 能 補 強 効 果 補 強 効 果 耐 用 期 間 耐 用 期 間 耐 用 期 間 耐 用 期 間 2. 維 持 管 理 問 題 点 鉄 筋 の 腐 食 状 況 の 定 量 的 な 把 握 は コンクリ ートをはつらないと 分 からない コンクリート 構 造 物 の 耐 荷 性 能 は コンクリー ト 中 の 全 鉄 筋 の 腐 食 状 況 によるので 部 分 的 な 検 査 では 分 からない 実 構 造 物 において 鉄 筋 の 腐 食 進 行 速 度 を 予 測 する 技 術 はまだない -10-
RC 桁 下 面 の 点 錆 -11-
はつり 後 はつり 前 目 視 による 判 定 区 分 4 PC 桁 の 軸 方 向 鋼 材 の 腐 食 に 沿 ったひび 割 れ 部 分 的 に 鋼 材 の 露 出 も 見 られる PC 鋼 材 に 沿 ったひび 割 れ -12-
-13-
桟 橋 の 床 スラブ 下 面 の 鉄 筋 の 錆 -14-
3. 必 要 とされる 技 術 と 現 状 1. 鉄 筋 の 腐 食 状 況 の 把 握 2. 鉄 筋 の 腐 食 進 行 速 度 の 評 価 3.コンクリート 構 造 物 の 耐 荷 性 能 の 評 価 4. 補 修 工 法 の 有 効 性 の 評 価 5. 補 強 工 法 の 有 効 性 の 評 価 3. 技 術 と 現 状 鉄 筋 の 腐 食 状 況 の 把 握 測 定 方 法 と 有 効 性 自 然 電 位 の 測 定 分 極 抵 抗 の 測 定 レーダー -15-
3. 技 術 と 現 状 鉄 筋 の 腐 食 進 行 速 度 の 把 握 腐 食 速 度 全 塩 分 量 の 式 ( 土 木 学 会 338 委 員 会 報 告 書 の 実 験 回 帰 式 ) 腐 食 速 度 I corr (mg/cm 2 / 年 ) 12 10 8 6 4 I corr Cl 0.46 2 0 0 5 10 15 全 塩 分 量 Cl (kg/m 3 ) 3. 技 術 と 現 状 コンクリート 構 造 物 の 耐 荷 性 能 の 評 価 76 年 間 日 本 海 沿 岸 で 供 用 され, 塩 害 劣 化 が 進 行 したRC 橋 梁 か ら 切 り 出 した 桁 の 載 荷 試 験 -16-
試 験 体 の 切 り 出 し 箇 所 海 側 の2 主 桁 を 切 り 出 した. 試 験 体 は2 体. 呼 称 は 中 桁 外 桁 とする. 中 桁 外 桁 山 側 劣 化 小 劣 化 大 海 側 劣 化 状 況 ( 中 桁 の 外 観 ) -17-
劣 化 状 況 ( 外 桁 の 外 観 ) スターラップはすべて 破 断 している 上 越 方 面 かぶり 剥 落, 鉄 筋 径 測 定 箇 所 荷 重 - 中 央 変 位 関 係 荷 重 (kn) 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 中 桁 外 桁 中 桁 外 桁 0 50 100 150 200 250 中 央 変 位 (mm) 上 段 の 鉄 筋 が 破 断 ( 解 体 調 査 で 判 明 ) 中 央 変 位 =141mm 残 存 耐 力 が80kNまで 低 下 したところで 載 荷 終 了 増 厚 コンクリート 剥 離 中 央 変 位 =68mm 海 側 +1m 付 近 で 鉄 筋 破 断 -18-
FEM 解 析 ATENA2D ATENA3D 断 面 寸 法 形 状 は50cmごと に 異 なる 鉄 筋 単 体 としてモデル 化 スターラップも 含 めて 鉄 筋 1 本 1 本 をモデル 化 解 析 モデルを 単 純 化 しても 差 し 支 えないことを 確 認 鉄 筋 の 断 面 減 少 量 海 側 断 面 減 少 率 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 鉄 筋 5 鉄 筋 2 鉄 筋 1 鉄 筋 1 鉄 筋 2 鉄 筋 3 鉄 筋 4 鉄 筋 5 0% -4-3 -2-1 0 1 富 山 方 面 (シャッター) 軸 方 向 の 位 置 (m) 上 越 方 面 ( 反 力 壁 ) 鉄 筋 3 鉄 筋 4-19-
解 析 結 果 と 実 験 結 果 の 比 較 ( 事 前 解 析 ) 600 500 荷 重 (kn) 400 300 200 100 ATENA2D ATENA3D 梁 理 論 実 験 値 400 350 300 250 200 150 100 50 解 析 値 実 験 値 0 0 5 10 15 20 25 30 中 央 変 位 (mm) 中 桁 ( 劣 化 度 は 中 程 度 ) 0 0 5 10 15 20 25 30 中 央 変 位 (mm) 外 桁 ( 劣 化 度 は 大 きい) 山 側 事 前 解 析 で 考 慮 していない モルタルとコンクリートの 境 界 は 鉄 筋 の 配 置 面 継 ぎ 手 露 出 -20-
外桁の実験値と解析値の比較 事後解析 事後解析 継ぎ手が露出した鉄筋を除去 400 実験結果 350 事前解析 300 事後解析 事前解析 事後解析 250 降伏荷重は おおむね一致 200 150 実験値 100 50 部材剛性に差がある 0 0 5 10 15 20 中央変位 (mm) ３ 技術と現状 補修工法の有効性の評価 補修工法 表面塗装 断面修復 表面 電気防食 21 25 30
3. 技 術 と 現 状 電 気 防 食 工 法 チタンメッシュ 方 式 チタングリッド 方 式 チタンリボン 方 式 チタン 溶 射 方 式 外 部 電 源 流 電 陽 極 ( 亜 鉛 板 ) 方 式 3. 技 術 と 現 状 チタンメッシュ 方 式 -22-
適用工法と防食対象桁 第８径間 陽極の 形状 適用工法 チタンメッシュ工法 適用後１２年 防食対象桁 面状陽極 海側 備 考 G8 G9 G10 G11 外部電源方式 チタングリッド工法 帯状陽極 中間 G5 G5 G6 G6 G7 流電陽極工法 面状陽極 陸側 G1 G2 G3 G4 犠牲陽極方式 亜鉛シート ３ 技術と現状 評価方法 復極量 チタンメッシュ工法 600 1997.8 R1 R3 管理値(120mV) 1998.7 1996.6 500 2001.10 1998.10 1996.10 2005.12 1997.10 2004.12 2007.11 2003.12 2001.12 400 0 1998.2 300-20 200-40 温 1997.2 気 mv ) 復 極 量 20 2006.12 2003.2 1999.2 40 R2 R4 気温 管理値(120mV) 100-60 管理値 0-80 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 通電期間 月 23 100 110 120 130 140 150
３ 技術と現状 補強工法の評価 補強工法 断面修復 ＦＲＰシート 外ケーブル工法 ３ 技術と現状 評価方法 耐荷力 補 強 耐 荷 力 竣工時 設計値 補 経過時間 24 修
４ 開発が望まれる検査技術 鉄筋の腐食状態を把握できる技術 Better はつり 非破壊 定性的 定量的 局部的 全長にわたって 平均的 ばらつきの状態 部分的 全鉄筋 １本の桁 全桁 ご清聴ありがとうございました 25