社会基盤維持管理工学特論 概説 コンクリート構造物を長持ちさせるには？ ～劣化と耐久性，メンテナンスの考え方～ 2014年4月15日 岩城 一郎 1 講義の内容 1. 2. 3. 4. 5. 6. コンクリートとは？鉄筋コンクリートとは？ コンクリート構造物に求められるもの 劣化とは？耐久性とは？ コンクリート構造物の劣化要因 我が国のインフラがおかれている現状 歴史を振り返り，歴史を繰り返さないために 7. 我が国の特殊性，これからのメンテナンスに求 められるもの 8. インフラの医療，コンクリート・ドクターの養成 9. まとめ 2 コンクリートとは？ • 水，セメント，砂，砂利を練り混ぜ，型に流し込み，締 め固めたもの．水とセメントの水和反応により固まる． • 我が国のインフラ※を構成する材料のうち最も多く用 いられているもの． • 圧縮（押す力）に強く，引張に弱い． セメント 水 水和直後 数時間後 数日後～数年後 ※ 「インフラストラクチャー（Infrastructure）」の略で，「社会基盤」 や「社会資本」を指す．ここでは，道路（橋，トンネル），港湾，空 港，鉄道，通信，電力，水道など，私たちの快適で，安全・安心 な生活を支えるための公共性の高い施設を意味する． 3 鉄筋コンクリートとは？ • 引張に弱いコンクリートの弱点を鉄筋で補強し， 一体化したもの（⇔無筋コンクリート）． • コンクリート構造物のほとんどは鉄筋コンクリート • 鉄筋はさびやすい（酸化しやすい）が，コンクリー トのアルカリ性によって保護されている． →何らかの原因により鉄筋がさびる と鉄筋コンクリートは劣化する． 鉄筋のさび 4 コンクリート構造物に求められるもの 新設構造物 安全性 （丈夫） 美観 （美しさ） （これから造るもの） 耐久性 （長持ち） コンクリート 構造物 環境低負荷 （環境への影響） 長寿命化 既設構造物 （いまあるもの） 経済性 （安さ） 延命化 5 劣化とは？耐久性とは？ • • 劣化：時間の経過と 共に性能が低下する こと 性能 高 耐久性：劣化に対す る抵抗性．要求され ている性能を下回る までの期間により評 価される性質． 要求性能 耐用年数 設計耐用年数 低 時間 6 コンクリートはなぜ劣化するか？ • 物理的作用，化学的作用，生物学的作用： 中性化，塩害，凍害，アルカリシリカ反応， 化学的侵食，疲労 ① • 設計ミス，施工ミス （管理ミス） ② • 手抜き・偽装！！ ⑤ ③ ⑥ ④ 写真：①東京大学出版会 社会基盤メインテナンス工学，②安治川鉄工パンフレット， ③土木学会 耐久性データベースフォーマット，④，⑥日経BP コンクリート名人養成講座より 7 コンクリート構造物を長持ちさせるには？ コンクリート工学の先人たちの教えから • コンクリート技術者の使命「いいコンクリート構 造物をつくるためには，親切に，丁寧に」 by 吉田徳次郎先生 • 土木技術者の使命「世のため，人のため，良い ものを安く造る」 by 岡村甫先生 技術者としての誇り・責任感 8 コンクリート構造物の寿命は？ • コンクリート構造物の寿命は半永久的 （メンテナンスフリー）と考えられていた． • 高度成長期（1970年前後）の建設ラッシュ • 1980年代：コンクリート構造物の早期劣化問題 • コンクリート構造物は一体，何年もつのか？？？ 平均すると50年くらいしかもたないのでは？？？ • どうしたら長持ちさせることができるのか？ 9 ①中性化（ちゅうせいか） • 二酸化炭素（CO2）の作用により，コンクリートの アルカリ性が失われて鉄筋がさびる（酸化する） 現象，Ca(OH)2＋CO2→CaCO3＋H2O • 鉄筋のさびによる体積増加（膨張圧）がコンク リートに作用し，コンクリートが剥落（はくらく） 資料提供 横浜国立大学 細田 暁 先生 10 ②塩害（えんがい） • 塩（NaCl）の侵入により，コンクリート中の鉄筋 がさびる（酸化する）現象．鉄筋のさびによる体 積増加（膨張圧）がコンクリートに作用し，コンク リートが剥落（はくらく），鉄筋が破断（はだん）． • 海洋構造物や融雪剤として塩をまく構造物で多 く見られる． 安治川鉄工建設㈱ パンフレットより 11 ③凍害（とうがい） • コンクリート中の水分が凍ると体積膨張し，融け ると元に戻る．この作用（凍結融解作用）が繰り 返し起こることにより，コンクリートがぼろぼろに なる現象． ひび割れ スケーリング ポップアウト 資料提供 八戸工業大学 阿波 稔 先生 12 ④アルカリシリカ反応 • コンクリート中のアルカリ（Na+，K+）と，ある種の 砂や砂利（骨材）が反応することにより，吸水膨 張性の物質が生成し，コンクリートに大きなひび 割れを発生させたり，鉄筋を破断させる現象． アルカリシリカ反応によるひび割れ 鉄筋の破断 13 ⑤化学的侵食 • 下水道施設では，生物学的 作用（バクテリア）により硫 酸（H2SO4）が発生し，これ がコンクリートを侵食したり， 鉄筋をさびさせる現象 化学的侵食により 劣化したコンクリート 化学的侵食により さびた鉄筋 14 コンクリート構造物を長持ちさせるには？ 1. コンクリート構造物の変状とその程度，原因を 分析し，適切な時期に，適切な方法により補 修・補強を施すことが重要（メンテナンス）． 2. 構造物の計画→設計→施工→検査→維持管 理におけるミスを減らす（技術力の向上）． 3. 手抜き・偽装の撲滅（技術者倫理）． 15 我が国のコンクリート橋の推移 40 日本 米国 35 30 200000 25 150000 20 15 100000 10 5 50000 各年代ごとのコンクリート橋が 造られた割合（日米の比較） 2051 2046 2041 2036 2031 2026 2021 2016 2011 2006 2001 1996 架橋年次（年） 0 1991 80-89 70-79 60-69 50-59 30-49 01-29 -1900 0 （橋数） 架設橋数割合（%） （独）土木研究所データより 供用年数50年未満 250000 供用年数50年以上 （年） 我が国のコンクリート橋数の予測 （50年未満，以上） 16 我が国の建設投資額の推移 600,000 土木 建築 建設投資額（億円） 500,000 ピーク時 約40兆円 400,000 300,000 200,000 現在は 約20兆円 100,000 0 1960 1970 1980 1990 2000 年 国土交通省データより 17 歴史を振り返る •ローマ帝国の滅亡 「すべての道はローマに通ず」（道 路，上下水道の整備）→計画・設 計・施工までは良かったが・・・→メ ンテナンス？？→社会基盤施設を 放棄→首都移転 ポン・デュ・ガール •荒廃するアメリカ 1930年代のニューディール政策 （社会基盤施設の建設ラッシュ） →1970年代のオイルショック →1980年代道路構造物の劣化に より道路機能の著しい低下→経済 的・社会的な大損失 ゴールデンゲート ブリッジ 18 最近の道路橋の事例から カナダの事例 我が国の事例 米国の事例 ケンプラッツHPより 19 歴史を繰り返さないために • インフラのメンテナンス が我が国の土木の 新たな仕事 • 土木技術者としての英知を結集させる． • 誰の仕事？ 幸か不幸か，我々の仕事 • どうせやるなら，魅力ある仕事として発展 させたい． 20 我が国の特殊性 • 限られた財源下での集中的なメンテナンス • 少子高齢化時代のメンテナンス • 複雑な地形・厳しい自然環境（島国，北海道～ 沖縄，地震・台風）→過酷で多様な条件 • 我が国独自のメンテナンス技術の体系化 • メンテナンス技術を通した国際貢献 • 耐震技術，長大トンネル・長大橋の設計・施工 技術に続く，国際競争力のある看板として発展 21 これからのメンテナンスに求められるもの • 少ない予算で合理的なメンテナンス • メンテナンスするための技術開発（モニタリング， 非破壊試験，診断，補修・補強） • メンテナンスに携わるトップエンジニアの育成 （インフラの医療とこれに携わるドクターの養成） 光ファイバによるモニタリング サーモグラフィによる 劣化箇所の検出 コンクリート補強 用新材料（炭素繊 維シート） 22 人の寿命とコンクリートの寿命 • 日本人の平均寿命：男子79.19歳，女子85.99歳 （平成19年度調）→世界有数の長寿国 • 理由：食生活？保険制度，医療の高度化（病理の 解明，医療 機器の発達，新薬の開発，ドクターの 知識・経験・技能の向上等） コンクリート構造物を長持ちさせるためには？ • 劣化（病気・怪我）の原因と程度を探り（診断）， 適切な処置を施す（治療） ，「医療行為」が必要 →コンクリート・ドクターの仕事 23 コンクリート・ドクター 東京大学出版会：社会基盤 24 メインテナンス工学 橋の疲労メカニズムの解明と対策 首都高速道路の 断面交通量 １日約１０万台 １年約３０００万台 ３０年で約１０億台 実物大の模型の作製 車両の大型化・交通量の増加 調査点検 補強方法の開発と適用 実際の橋の疲労状態を再現可能 な輪荷重走行試験 25 損傷状況の診断 コンクリートの検査技術の開発 OPC-蒸気養生 サーモグラフィによるコンクリートの 劣化箇所の検出 鉄筋コンクリー トのX線画像 BB-蒸気養生 EPMAによるコンク リート内部の塩分濃 度分布 26 塩害橋の病理解剖 27 将来のメンテナンス像 人工衛星，成層圏プラットフォーム 解析結果 計測 計測結果 計測結果 大型ｺﾝﾋﾟｭｰﾀ（ﾃﾞｰﾀﾍﾞｰｽ） 解析結果 計測結果 トップ エンジニア 計測 解析結果 東京大学出版会：社会基盤 メインテナンス工学より レーザ・画像計測，通信機器 28 まとめ • コンクリートの劣化要因：①中性化，②塩害，③ 凍害，④アルカリシリカ反応，⑤化学的侵食 • インフラ（コンクリート構造物）のメンテナンスを 土木の新たな仕事として発展させることが重要 • メンテナンスのための新たな技術開発，トップエ ンジニアの養成が不可欠→インフラの医療とこ れに携わるコンクリート・ドクターの養成 • 維持管理はメンテナンス＆マネジメント→メンテ ナンスだけではなく，マネジメントも重要 • 我が国独自の看板技術→新たなビジネスチャ ンス→国際貢献 29
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