次世代社会基盤 メンテナンス工学 コンクリート工学研究室 岩城 一郎 1 コンクリートに求められるもの 新設構造物 安全性 耐久性 美観 コンクリート 低環境 負荷 高耐久化 既設構造物 経済性 延命化 2 コンクリート構造物を長持ちさせるには？ 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 コンクリート技術者としての誇り・責任感 3 既設構造物を延命化させるには？ 適切なメンテナンス技術の確立 点検 ↓ 診断 ↓ 補修・補強 ↓ 解体 ↓ 再利用 4 土木工事の変遷 年代 1889（明治22） 1908（明治41） 1929（昭和4） 1931（昭和6） 1936（昭和11） 1937（昭和12） 1938（昭和13） 1945（昭和20） 1963（昭和38） 1964（昭和39） 1965（昭和40） 1970年代 1988（昭和63） 1990年前後 1997（平成9） 1998（平成10） 我が国の土木工事 外国の動向および一般主要事項 エッフェル塔完成 小樽港防波堤完成 世界恐慌始まる エンパイア・ステートビル完成 フーバーダム完成 ゴールデンゲートブリッジ完成 青葉大橋完成 終戦 黒四ダム完成 東海道新幹線開通 名神高速道路開通 東京オリンピック 高度経済成長時代（大阪万博） 青函トンネル開通 瀬戸大橋開通 バブル経済 東京湾横断道路開通 明石海峡大橋開通 5 コンクリート橋の推移 供用年数50年未満 供用年数50年以上 250000 40 35 架設橋数割合（%） 200000 150000 100000 30 25 20 15 10 5 50000 （年） 80-89 70-79 60-69 50-59 30-49 01-29 2051 2046 2041 2036 2031 2026 2021 2016 2011 2006 2001 1996 0 -1900 0 1991 （橋数） 日本 米国 架橋年次（年） （独）土木研究所データより 6 建設投資額の推移 600,000 土木 建築 建設投資額（億円） 500,000 400,000 300,000 200,000 100,000 0 1960 1970 1980 1990 2000 年 7 福島県の道路行政の実態 うち維持補修費 はわずか78億円 福島県の道路管理延長5664km，維持管理費78億円 ちなみに首都高速道路300km，維持管理費300億円 8 これらの図表から言えること・・・ 高度経済成長時代：作らなければいけないも のを夢中で作った時代 現在：落ち着きを取り戻し，将来を見据える時 代（必要なものは作らない→必要なものは腰 を据えて作る．メンテナンス技術の蓄積） 未来：厳しい財政下で，増え続け，老朽化し 続ける社会基盤施設を効率的に維持していく 時代（維持管理の必要性↑，予算，人手↓） 9 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 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 10 歴史を繰り返さないために 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． 11 社会基盤メインテナンス工学 2001年土木学会「メインテナンス工学連合小委 員会」 が設立（コンクリート委員会，構造工学委 員会，鋼構造委員会，地盤工学委員会） 若手研究者・技術者を中心に，材料・構造形式 にとらわれず，メインテナンスを工学として体系 化し，魅力ある学際分野に発展させるべく活動 研究調査活動に基づき，「社会基盤メインテナ ンス工学」と題した教科書を出版 12 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 13 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維持管理 ニーズにあった技術開発 メンテナンスに携わるトップエンジニアの育成 総合工学としての体系化：臨床だけでも病理だ けでもだめ！ 14 「臨床」から「病理」へ 現状：症例主義，経験主義，江戸時代の医学的 基本的な「病理」はどうなっているのか？ ウィルス性， 遺伝性，生活習慣病．．．？ それに対して「薬効」 は？ メンテナンスでは， 病理＝劣化のメカニズム，物理・化学の原理 薬効＝対応する補修・補強法とその効果の予測技術 見立て＝余寿命予測 「臨床」のみのたたき上げ医者でも，「病理」だけの医 者でも，不十分である． 15 メンテナンスの最新技術 新材料（各種高性能・高機能コンクリート，FRP，ポリマー 等々） 補修・補強技術（電気防食，表面被覆，断面修復，連続繊 維シート補強，外ケーブル） 構造物の劣化予測モデル（Computer Simulation） マネジメントシステム（DB，LCC，AM，RM） モニタリング（光ファイバセンサ） 構造物の非破壊検査技術（超音波，電磁波，欠陥再構成） シーズはいくらでもある．シーズを組み合わせ，ニーズにい かに合わせることができるか？ 16 維持管理（メンテナンス）の手順 構造物 点検 維持管理区分： 維持管理区分の設定 A : 予防維持管理（予防保全 を基にした維持管理） 初期点検 B : 事後維持管理（事後保全 を基にした維持管理） 維持管理区分の決定 C : 観察維持管理（目視観察 を主体とした維持管理） 劣化予測 D : 無点検維持管理（点検を 行わない維持管理） 評価および判定 記録 対策 17 コンクリート標準示方書〔維持管理編〕 用語の定義 点検（Inspection） 目視，非破壊試験等により，構造物に変状が生 じていないか確認する行為．その手法，頻度，精 度に応じて，「日常点検」「定期点検」「詳細点検」 「初期点検」「臨時点検」に分かれる． モニタリング（Monitoring） 構造物の性能を直接的に反映している項目につ いて，適切な方法により常時観察する行為． 診断（Diagnosis） 構造物の健全度について，構造物の要求性能を 満足するか，補修・補強を必要とするか等につい て判定を行う行為． 18 補修の定義 補修： 構造物の寿命を長くする、または、 耐久性を回復・向上させるための対策 性能 補修 性能低下曲線（補修有り） 要求レベル 性能低下曲線（補修無し） 供用期間 時間 19 補強の定義 補強： 構造物の耐荷力や剛性などの力学的 性能を回復・向上させるための対策 性能 性能低下曲線（補強有り） 補強 要求レベル 性能低下曲線（補強無し） 供用期間 時間 20 補修工法の一例（電気防食工法） 電位の高低差 大 →腐食電流 大 コンクリート表面に陽極を 設置．コンクリート中の鋼 材を陰極とし防食電流を 流す．→電位の高低差を 減少． 「コンクリート補修講座」 日経コンストラクションより 21 電気防食工法の種類 22 「コンクリート補修講座」日経コンストラクションより 適切な維持管理を行うためには？ 初期コストに対する比 -LCC（ライフサイクルコスト）の概念の導入4 架け替え 3 2回目の補修 +補強. 2 旧橋撤去 コスト 縮減 新橋の建設 1回目の補修 新技術 1 -暮坪陸橋の新橋と旧橋の比較- 0 0 20 40 供用期間 (年) 60 （土木学会誌2001年12月号河野氏） 23 不適切な維持管理の事例 -再劣化日本海に面した道路橋のＲＣ桁 塩害により劣化 塩分を残したまま表面被覆 鉄筋の腐食進行 無駄 使い！ ひび割れの再発 24 エポキシ樹脂塗装鉄筋の導入 安治川鉄工建設㈱パンフレットより 塩害による早期劣化を抜本的に 改善する工法として注目． 鉄筋表面にエポキシ樹脂を静電 粉体塗装により塗膜厚約200μm で塗装． 要求性能：耐食性，曲げ加工性， 付着性等． 厳しい塩分環境下で採用→顕著 な鉄筋腐食の事例なし． 2003年度，性能照査型への移行， 国際化への対応を目的とした指 針の改定を完了 25 エポキシ樹脂塗装鉄筋の使用例 JH北陸自動車道親不知高架橋 関西国際空港 写真：安治川鉄工建設㈱パンフレットより 26 メンテナンスから設計施工へのフィードバック メンテナンス 「点検」「診断」「補修・補強」 供用期間中において構造物の性能を 要求された水準以上に保持するための技術行為 既設構造物を 対象にした行動 構造物の変状 すべての構造物に発生するわけではなく，相応の原因が存在する 供用期間中の環境作用，建設時の使用材料や施工不良，技術的な知見の不足など 点検・診断で原因が究明されても，新設構造物では同種の変状が繰り返される 変状をなくすための行為（フィードバック）が必要 27 フィードバックの流れ 環境等の作用 変状の要因の例 建設の プロセス 計画 不適切な設計 施工不良 検査不足 設計 施工 検査 変状の顕在化 メンテナンス 構造形式の選定 建設の各プロセス における作業の例 材料の選定 コンクリートの配合 かぶり 図面の作成 コンクリートの打設 コンクリートの 品質管理 非破壊検査 調査 点検 診断 打音検査 施工確認 （鉄筋組立など） 知見 設計に起因する問題 施工に起因する問題 検査で解決できる問題 新設構造物の設計・施工へのフィードバック 知見を，設計・施工・検査等のプロセスに取り込む 28 フィードバックの事例 -高架橋からのコンクリートはく落- 地覆コンクリートからの剥落 張出しスラブ下面からの剥落 特に，水切り部 小さな剥落でも新聞沙汰になり，管理者にとっては悩ましい問題 29 高架橋からのはく落箇所 高欄 地覆 柱 中間スラブ その他 17% 高欄 （目地部） 12% 張出式出部 2% 高欄（側面） 10% 中間スラブ 下面 8% 地覆 8% 電柱基礎 12% 張出しスラブ 梁 張出スラブ 下面 17% 桁座 14% 30 はく落の原因究明 調査未了 22% 鉄筋の腐食 膨張圧 44% その他 4% 部位同士の 競り合い 14% 目地部の施工不良 目地材等の 設置不良 16% 鉄筋の腐食膨張圧によるものが主要因 その他は，建設時の施工が主な原因 土 留 壁 桁座 土留壁 構造物同士の競り合い 31 はく落とかぶり，中性化残りとの関係 200 かぶりが20mm以上ある場合， 剥落はほとんど生じない 箇所数 剥落箇所 無剥落箇所 100 かぶり 0～ 10～ 20～ 30～ 40～ 50～ 鉄筋かぶり量（mm） 箇所数 200 剥落箇所 無剥落箇所 コンクリート表面 0 鉄筋 中性化深さ 中性化残り 100 中性化残りが10mm以上ある場合， 剥落はほとんど生じない 0 ～-10 ～0 ～10 ～20 中性化残り（mm） ～30 30～ 32 はく落と雨水等の影響との関係（1） 雨水等の影響がある場合 中性化深さ （m m ） 50 40 30 20 10 0 0 10 20 剥落箇所 30 40 50 60 かぶり （m m ） 無剥落箇所 70 80 90 100 中性化残り10m m 33 はく落と雨水等の影響との関係（2） 雨水等の影響がない場合 中性化深さ （m m ） 50 40 30 20 10 0 0 10 20 剥落箇所 30 40 50 60 かぶり （m m ） 無剥落箇所 70 80 90 100 中性化残り0m m 34 設計へのフィードバック（1） ① かぶりを十分に確保する． 少なくとも20mm以上とするのがよい． ② 中性化の進行が小さいコンクリートとする． 供用期間中に中性化残りが10mmを下回らないのがよい． 1965年以降の構造物は，それ以前に造られたものに比べて 中性化の進行の早いものが多い ③ 雨水や漏水の影響が極力小さい構造形式とする． 35 設計へのフィードバック（2） 設計耐用年数100年程度 建設後100年程度においての中性化残りが10mm程度 60 120 55 45 80 かぶり＝20m m 60 25 30 35 35 50 40 40 20 0 40% 75 100 設計耐用年数（ 年） 100 設計耐用年数（ 年） 120 55 80 50 60 40 30 35 35 40 65 70 60 45 25 20 かぶり＝20m m 45% 50% 55% 水セメント比（ ％） 60% (a)普通ポルトランドセメント 65% 0 40% 45% 50% 55% 水セメント比（ ％） 60% 65% (b)高炉セメント（スラグ６０％） 図 2 設計耐用年数―かぶりーW/C の関係 設計耐用年数－かぶり－W/Cの関係 土木学会 コンクリート標準示方書〔施工編〕を参考 36 設計へのフィードバック（3） コンクリートの配合と標準かぶり見直しの例 （RC ラーメン高架橋） 現行 構造物 ・ 部材・ 部 位 ｽﾗﾌﾞ ・ は り （ 上層） RCﾗｰﾒﾝ 高架 橋 ｽﾗﾌﾞ ・ は り （ 下層） 変更 耐久 性か ら 標準か ぶり ｾﾒﾝﾄ の 種 類 定ま る 最大 ( mm) の W/C( %) 耐 久性か ら 標準か ぶり ｾﾒﾝﾄ の 種類 定 ま る 最大 ( mm) の W/C( %) 上面 ３ ０ 側 面・ 下面 普通 ﾎﾟ ﾙﾄ ﾗﾝ ﾄ ﾞ ｾﾒﾝﾄ ま た は 高 炉ｾﾒﾝﾄ 上面 ｽﾗﾌﾞ ： 55 は り ： 60 ３ ０ 普通ﾎﾟ ﾙﾄ ﾗﾝ ﾄ ﾞ ｾﾒﾝﾄ ５ ０ ３ ５ 側 面・ 下面 コンクリート片剥落の恐れのある部位については，－5mmの施工誤差が生じても 中性化に対する耐用年数100年程度を満足するよう配慮 標準かぶり 30mm ⇒ 35mm 最大水セメント比 ⇒ 50% 普通ポルトランドセメントのみの使用 37 施工へのフィードバック(1) 38 施工へのフィードバック(2) コンクリートの単位水量 耐久性を含めたコンクリートの品質に及ぼす影響が大きい コンクリート標準示方書を参考に，上限値を175kg/m3 に定めた コンクリートは，製造過程，施工過程の品質管理の影響を大きく受ける 現場での受け入れ時に単位水量を直接試験することとした 静電容量法による試験 配合条件としてのスランプは参考値としての位置づけに変更 39 検査へのフィードバック かぶりの許容値の明確化 施工段階におけるかぶり管理の徹底 ＋ 構造物完成後に非破壊検査機器により かぶりを再度検査 最外縁鉄筋のかぶりのみ 検査精度を踏まえ，極端なかぶり不足を見出すことに重点 請負者に対するかぶり遵守の牽制効果 40 新材料の導入 試験，検査も抜き取りであるために100％完全とは言い切れない 剥落が第3者に被害を及ぼす部位に 繊維コンクリートを使用 0.04～0.10 vol%の添加量 剥落に十分効果があることを確認 コンクリートの施工性に大きな影響を与えない 41 フィードバックシステムの確立 従来の流れ 将来の流れ 設計・施工 ↓ 供用 ↓ 点検 ↓ 診断 ↓ 補修・補強 ↓ 解体 ↓ 再利用 42 未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 計測結果 解析結果 本部メインフレーム 計測 解析結果 レーザ・画像計測，通信機器 43 メンテナンス＆マネジメント 我が国のインフラ「造る時代から，使いこなす時代へ」 本来，維持管理はメンテナンス&マネジメントであるべき． 両者のバランスが重要 これまではメンテナンスに傾倒，今後は適切なマネジメントが 求められる． 個別の構造物（ミクロ）：ハード中心（時間軸上での劣化予測）， 構造物群（マクロ）：ソフトにも重み（時間軸と空間軸での整理が 必要→予算配分） 構造物のメンテナンスに関するシナリオを作成→シナリオをベー スにした戦略的マネジメントが必要：これを実現するためのツー ルとして，アセットマネジメント，LCC等を活用 守りのメンテナンス（保守：事後保全）から攻めのメンテナンスへ （予防保全） 「丈夫で美しく長持ちするコンクリートが丈夫で美しく長持ちする 地球・環境を支える．」 引用文献：「コンクリート構造物の戦略的マネジメントに 向けて」宮川豊章，コンクリート工学，Vol.42，No.4，2004． 44 アセットマネジメントの有用性 点検データの蓄積 （モニタリングデータ） 点検データの収集 現状（点検データ無） レベル3 高度なAM レベル2 詳細なAM レベル1 簡易なAM 劣化曲線の修正→確定 劣化曲線の作成 統計学的手法（どんぶり勘定） AMの考え方：構造物の資産価値をコスト評価に組込むこと，資産の保全及 び活用のために必要な費用を明確にする＆限られた費用の最適な使用枠 組みを得るためのツール LCCにしてもAMにしても発展途上であることは明白，シナリオ選択の目安， 技術者の判断の助け，アカウンタビリティー（市民に対する透明性） データの蓄積と共に得をする仕組み（上図参照） 青森県のAM（http://www.pref.aomori.jp/douro/asset/index.html） 45
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