凍害危険度 4～5 地域の山間部における橋台の凍害調査 論文 遠藤 裕丈 *1， 田畑 浩太郎 *1， 浩二 *2， 川村 葛西 隆廣 *3 The Frost Damage Investigation of Abutment on Degrees of Frost Damage Risk in 4-5 Areas Hirotake ENDOH*1, Kohtaroh TABATA *1, Kohji KAWAMURA*2 and Takahiro KASAI *3 要旨：二種類以上の凍害形態（本研究ではスケーリングとひび割れを対象）が複合した場 合の耐久性能の評価法の確立に向け，その一環として構造物の凍害の進行性の把握を目的 に凍害危険度 4～5 の山間部の道路橋の橋台にて調査を行った．スケーリングの進行性は凍 害危険度より凍結防止剤散布の影響が卓越する等の知見を得た．さらに既研究に基づく簡 易なモデルを利用して，調査で取得した実測値をもとに試行的に凍害の進行予測を試みた． キーワード：凍害，凍害危険度，橋台，スケーリング，ひび割れ，予測 1.はじめに ② ③ コンクリート構造物の損傷の進行や老朽化に ○の数値は凍害危険度 伴う維持更新費の増加により，新たな構造物へ の投資余力は減少傾向にある．このため，構造 ④ 物の機能増進，長寿命化を合理的に図るための ⑤ 設計法の整備が求められる．とりわけ寒冷地で ② は，凍害が発生した場合の耐久性等の機能を適 切に評価する技術が必要となる． ③ 路線3 ① 路線1 ② ③ ④ ① 路線2 凍害の予想程度 ① ② ③ ④ ⑤ ごく軽微 軽微 やや大きい 大きい 極めて大きい ② 現在，耐久性照査で行われる凍害の評価は単 一の凍害形態（ひび割れ）の進行を前提として いる 1) 図-1 凍害危険度マップ（北海道） 2)と調査路線 ．しかし，現実的にはスケーリングとひ び割れの複合など二種類以上の形態が同時に進 の耐久性能の評価法の確立に向け，その一環と 行するケースが殆どであり，単一形態の照査で して構造物の凍害の進行性を定量的に把握する は実態に即した構造物の寿命に影響する耐久性 ことを目的に，本研究では凍害危険度 4～5 の山 等の機能やライフサイクルコストを適切に評価 間部の道路橋の橋台を対象に剥離度およびコア することができない．また，凍害の形態や進行 採取による相対動弾性係数の測定を行った． 性は地域によっても異なるため，合理化な設計 法を確立するには地域性も考慮する必要がある． 2.調査概要 そこで，二種類以上の凍害形態（本研究ではス ケーリングとひび割れを対象）が複合した場合 2.1 調査箇所 図-1 に凍害危険度マップと調査路線，表-1 *1 独立行政法人土木研究所 寒地土木研究所 耐寒材料チーム 研究員 *2 独立行政法人土木研究所 寒地土木研究所 寒地技術推進室 研究員 *3 独立行政法人土木研究所 寒地土木研究所 寒地技術推進室 道北支所 研究員 2 3 5 凍結 防止剤 散布量 ※ 1 圧縮強度 剥離度 剥離 発生 基本的に 剥離なし 表面 1cm 1 凍害 危険度 21cm 路線 経過 年数 36 45 53 45 55 48 39 27 28 42 39 30 24 17 6cm 調査箇所 架設 橋名 年次 1-1 1976 1-2 1967 1-3 1959 1-4 1967 1-5 1957 1-6 1964 2-1 1973 2-2 1985 2-3 1984 2-4 1970 2-5 1973 2-6 1982 3-1 1988 3-2 1995 外見上健全な箇所 凍害発生箇所 12 4 動弾性係数Edn （1cm間隔） 30～35cm 調査した道路橋の諸元 剥離面から 表-1 および 動弾性係数Ed0 3 ※2003 年度の値．路線 1 の散布量を 1 として比で表示． 採取コア 動弾性係数Ed0 （最深位置） ※コアの直径は いずれも10cm 図-2 写真-1 調査項目 外観調査の状況（道路橋の橋台） に調査した道路橋の諸元を示す．凍害危険度は 長谷川 2) が最低気温や凍結融解日数などの気象 データを基に凍害の発生の危険性を地域ごとに グレード分けしたものである．調査部位は橋台 とした．調査は著者ら 3)が過年度に外観調査（写 写真-2 コア採取の状況 真-1）を行った凍害危険度 5 地域の路線 1 に架 かる 34 橋と凍害危険度 4 地域の路線 2 に架かる の圧縮強度の測定と，凍害の程度を把握するた 25 橋から外見上，凍害による損傷が大きかった めの剥離度ならびに相対動弾性係数の測定を行 橋を 6 橋ずつ計 12 橋選定し，これに凍害危険度 った．図-2 に調査項目，写真-2 に現場でのコア 4 地域の路線 3 に架かる 2 橋を加えた計 14 橋で 採取の状況を示す．以下に調査手順の詳細につ 行った．橋は山間部に位置している．2003 年度 いて述べる． における路線全線の凍結防止剤散布量は，路線 (1) 1 を 1 で表すと路線 2 は 12，路線 3 は 3 である． 2.2 調査内容 現場ではコンクリートの物性を把握するため 圧縮強度（コンクリートの物性の把握） 調査に先立ち，橋台のコンクリートの物性の 把握を行った．ここでは，外見上健全な箇所か らφ10×30～35cm のコアを採取し，表面から深 枠（50×50cm） 平均約24MPa 30 （スケーリングの程度が 大きい箇所に据え付け） 20 剥離面積 S(cm2) 平面 圧縮強度(MPa) 40 10 （スケーリング発生箇所） 0 1-1 1-2 1-3 1-4 1-5 1-6 2-1 2-2 2-3 2-4 2-5 2-6 3-1 3-2 橋名 橋台の圧縮強度 さ 0～1cm と深さ 21cm 以降をコンクリートカッ 平均剥離深さ D(mm) 断面 図-3 （10箇所の平均） ターで切り落としてφ10×20cm 寸法の試料を 図-4 作製し，圧縮強度の測定を行った．図-3 は測定 剥離度の測定要領 結果を示している．調査対象に選定した橋台の 圧縮強度の平均は約 24MPa であった．多少のば E dn 4.0387V n 2 14.438V n 20.708 らつきはあるものの，顕著な差はさほど見受け RE d られなかった． (2) E dn 100 Ed 0 (2) ここに，Edn は凍結融解を n 年受けた時の動弾 剥離度（スケーリングの評価） 室内実験では一般的に剥離片を採取し，その 性係数(GPa)，Vn は凍結融解を n 年受けた時の 質量（スケーリング量）を調べることで評価を 超音波伝播速度(km/s)，REd は凍結融解を n 年受 行うが，構造物においては不可能である．この けた時の相対動弾性係数(%)，Ed0 は供用開始直 4) ため式(1)に示す剥離度 により評価を行うこと 後の動弾性係数もしくは供用開始直後の測定値 とした． がない場合は供用中のコンクリート構造物にお D m D As D S 50 50 (1) いて健全とみなせる箇所の動弾性係数(GPa)で ある． ここに，Dm は剥離度(mm)，D は平均剥離深 緒方らは，動弾性係数が 7.0～41.5GPa の範囲 さ(mm)，As は剥離面積率，S は 50×50cm の枠 のデータの解析結果をもとに式(2)を導いてい 2 内における剥離面積(cm )である． る 5) ．今回調査対象に選定した道路橋の橋台か 図-4 に剥離度の測定要領を示す．はじめに調 ら採取したコア試料の動弾性係数は 13～35GPa 査箇所に 50×50cm の枠を据え付け，剥離深さ の範囲にあった．このため，式(2)はこの調査の を枠内で 10 点測定し，その平均（D）を求めた． 適用範囲に含まれると判断し，今回の調査では 次に，枠内のコンクリート面をデジタルカメラ 式(2)を用いて相対動弾性係数の分布を調べる で撮影し，画像解析により剥離面積（S）を求め， こととした．剥離度を測定した箇所の近傍から これを枠の面積で除して剥離面積率（As ）を求 φ10×6cm のコアを採取し，コアを挟み込む形 めた．そして，両者の積から剥離度を求めた． でコアの両側面に超音波測定器（周波数 28kHz） (3) の発・受振子をあてて，剥離面から深さ 1，2， 相対動弾性係数（ひび割れの評価） この調査では，剥離面から深さ 0～5cm の範 …，6cm の超音波伝播時間を測定し，その結果 囲における相対動弾性係数の分布について調べ を式(2)に代入して各深さの相対動弾性係数を た． 求めた． 緒方らは，超音波伝播速度から相対動弾性係 5) 数を求める式(2) を提案している． なお，Ed0 については，供用開始直後の動弾性 係数が不明である理由から，式(2)の定義に従っ ASTM C 672 による目視評価 平均約28GPa 点数 30 20 10 0 1-1 1-2 1-3 1-4 1-5 1-6 2-1 2-2 2-3 2-4 2-5 2-6 3-1 3-2 橋名 図-5 橋台の Ed0 路線1 35 30 剥離度(mm) 剥離なし 1 深さ 3mm 以下の剥離（粗骨材の露出なし） 2 評価 1 と評価 3 の中間程度の剥離 3 粗骨材がいくつか露出する程度の剥離 4 評価 3 と評価 5 の中間程度の剥離 5 粗骨材が全面露出する程の激しい剥離 路線2の 最小値(2-5橋) 25 20 15 10 5 0 0 路線3 路線2 a橋 c橋 b橋 d橋 e橋 f橋 A橋 B橋 C橋 D橋 E橋 F橋 a橋 b橋 36年 45年 1-1 1-2 1-3 1-4 1-5 1-6 2-1 2-2 2-3 2-4 2-5 2-6 3-1 3-2 36年 45年 53年 45年 55年 48年 39年 27年 28年 42年 39年 30年 供用 供用 供用 供用 供用 供用 供用 供用 供用 供用 供用 供用 供用 供用 (36年)(45年)(53年)(45年)(55年)(48年) (39年)(27年)(28年)(42年)(39年)(30年) (24年) (17年) 5 4 3 2 路線3 1 0 0 橋名および架設後の経過年数 図-6 6) コンクリート表面の状況 ASTM C 672による目視評価点 動弾性係数Ed0(GPa) 40 10 20 30 剥離度(mm) 剥離度の測定結果 図-7 剥離度と ASTM C 672 の目視評価の関係 て供用中のコンクリート構造物において健全と みなせる箇所の値をあてることとした．ここで 調査した橋は，路線に架かる橋のうち，外見上， は，同じ橋台の中で外見上健全な箇所から採取 凍害による損傷が大きい橋の中から選定してい したφ10×30～35cm のコアの最深部の動弾性 ることから，路線 1 の道路橋の橋台の剥離度は 係数と，凍害発生箇所から採取したφ10×6cm 全体的に 5mm 未満と推察される．今回の調査 のコアの深さ 1，2，…，6cm の動弾性係数の中 の範囲では，スケーリングの進行性は凍害危険 で最も大きい値を Ed0 とすることとした． 度より凍結防止剤散布の影響が卓越する傾向が 図-5 に各橋台の Ed0 を示す．多少ばらつきは 示された．一方，路線 3 の橋台は路線 1，2 に比 あるものの，今回調査対象とした橋台の Ed0 は べると供用年数は若いものの，剥離度は全体的 約 28GPa であることを確認した． に大きかった．図-7 に今回の調査で得たデータ の範囲で整理した剥離度と ASTM C 672 による 6) との関係を示す．路線 1 と路線 2 3.調査結果・考察 目視評価点 3.1 については概ね規則性がみられたものの，路線 剥離度 図-6 に剥離度の測定結果を示す．調査路線の 3 のデータはこれから逸脱する形でプロットさ 中で凍結防止剤の散布量が最も多い路線 2 の道 れた．写真-3 は路線 3 の橋台の外観を示してい 路橋の橋台の剥離度の最小値は 2-5 橋の約 5mm る．表面には健全なペーストが広く残存してい で，今回調査した路線 2 の橋台の剥離度は 5mm たものの，ポップアウトが多く確認された．供 以上であることが確認された．一方，路線 2 よ 用年数が比較的若い路線 3 の橋台は，全面的に りも凍害危険度が 1 ランク大きく，凍結防止剤 激しいスケーリングは見受けられなかったもの の散布量が少ない路線 1 は，6 橋のうち 2 橋が の，ポップアウトが顕著に発生していたために， 5mm 以上で残りの 4 橋は 5mm 未満であった． 剥離度が大きい一方で，目視評価点が小さい領 3-2 橋 回帰線は( )のデータを除外して引いている 100 剥離面から深さ1cmの 相対動弾性係数(%) 3-1 橋 写真-3 90 ( ) 80 70 60 50 路線1 路線2 路線3 ( ) 40 路線 3 の道路橋の橋台の外観 0 10 20 30 40 剥離度(mm) 平均欠損範囲 平均剥離深さ 100 路線1 図-9 相対動弾性係数(%) 80 60 40 100 1-1 1-2 1-3 (36年) (45年) (53年) がプロットされているグラフもあるが，これは コンクリートが部分的に残存しており，測定が 80 可能であったため，測定したものである．相対 60 40 0 2 4 1-4 1-5 1-6 (45年) (55年) (48年) 6 8 0 2 4 6 8 0 2 4 建設当初の表面からの深さ(cm) 平均欠損範囲 平均剥離深さ 100 6 動弾性係数は，2-3 橋，2-6 橋を除くと，表面側 8 ほど小さい結果が概ね示されており，凍害は先 ず表面側で発生し，その後，凍害が内部へ進展 路線2 している傾向が見て取れる．2-3 橋，2-6 橋につ いては，コンクリート内部に欠陥が存在してい 80 相対動弾性係数(%) 剥離度と剥離面直下（剥離面から深さ 1cm）の相対動弾性係数との関係 60 40 100 2-1 2-2 2-3 (39年) (27年) (28年) る可能性も疑われるものの，内部の相対動弾性 係数が小さかった理由については不明で，原因 の特定には至らなかった．今回調査した橋台に 80 60 40 0 2 4 2-4 2-5 2-6 (42年) (39年) (30年) 6 8 0 2 4 6 8 0 2 4 建設当初の表面からの深さ(cm) 6 おける平均剥離深さ以降の相対動弾性係数は， いずれも一般的な耐凍害性の下限とされる 8 60%1)を概ね上回っていた． 相対動 弾性係数(%) 図-9 は剥離度と剥離面直下（剥離面から深さ 平均欠損範囲 平均剥離深さ 100 図-8 路線3 のである．路線毎にみると，ばらつきはあるも 80 60 40 1cm）の相対動弾性係数との関係を整理したも 0 3-1 3-2 (24年) (17年) 2 4 6 8 0 2 4 6 8 建設当初の表面からの深さ(cm) 相対動弾性係数の測定結果 のの，剥離面直下の相対動弾性係数は，剥離度 が小さい橋台ほどやや小さい傾向が見受けられ， スケーリングの程度と剥離面直下の相対動弾性 係数の低下度合は必ずしも対応しないことが確 認された．これと同じ傾向は既往の調査 域にデータがプロットされたと言える． 3.2 相対動弾性係数 7) でも 示されている． 剥離度が極めて小さいもしくはゼロの橋台の 図-8 に相対動弾性係数の測定結果を示す．図 剥離面は，供用初期段階から早期に露出してい には剥離度を求める際に調べた平均剥離深さも る面である．これに対して，剥離度が大きい橋 あわせて示した．なお，平均欠損範囲にデータ 台の剥離面は，スケーリングの進展に起因し， 30 調査 実施時 剥離度が 小さい剥離面 コンク リート 1-1橋予測 1-2橋予測 1-3橋予測 1-4橋予測 1-5橋予測 1-6橋予測 1-1橋実測 1-2橋実測 1-3橋実測 1-4橋実測 1-5橋実測 1-6橋実測 ※破線は将来予測 25 剥離度(mm) 建設当初 20 15 10 5 凍結融解 履歴 0 スケーリング 剥離度が 大きい剥離面 相対動弾性係数(%) 100 調査実施時点において 露出している剥離面が 厳しい外気に直接 曝されている期間 建設当初の 表面から深さ1cm 80 60 40 ※破線は将来予測 （コンクリートが残存 していると仮定した場合） ※1-4橋、1-5橋は試料 欠損のためデータなし 20 0 0 調査実施時点において 露出している剥離面が厳しい 外気に直接曝されている期間 図-10 剥離度が異なる剥離面が外気に 直接曝されている期間（イメージ） 1-1橋予測 1-2橋予測 1-3橋予測 1-6橋予測 1-1橋実測 1-2橋実測 1-3橋実測 1-6橋実測 図-11 20 40 供用年数 60 路線 1 の道路橋の橋台における 剥離度および相対動弾性係数の予測 （相対動弾性係数は建設当初の表面 から深さ 1cm の結果を代表して掲載） 供用開始からある程度の年月が経過した後に露 易なモデルを利用してスケーリングは式(3)8)， 出した面であり，供用初期段階は露出しておら 相対動弾性係数は式(4) 9)による評価を試みた． ず，剥離面が厳しい外気に直接曝される期間は 前者に比べると一般的に短いと言える（図-10 にイメージを示す）．各路線において，剥離度が 小さいほど剥離面直下の相対動弾性係数が小さ D m＝ae b log t A REd＝100ect (3) d (4) い傾向が示された要因の一つとして，経過年数 ここに Dm は剥離度(mm)，REd は相対動弾性 にずれはあるものの，剥離面が外気に直接曝さ 係数(%)，t は凍結融解履歴，A は t を無次元化 れる期間の違いが影響しているように考えられ させるための係数，a，b，c，d は条件によって る． 定まる係数である． 3.3 凍害の進行予測の試み（路線 1） ここで，凍結防止剤の散布量が少なく，建設 当初から現在までの間，環境が大きく変動して ここでは，供用年数をtにあてることとし，A については路線1に架かる34橋の道路橋の供用 年数のおおよその中間値をとって30とした． いないと思われる路線1の橋台を対象に，現場で 図-11に剥離度および相対動弾性係数の予測 取得した実測値をもとに凍害の進行予測を試み の結果（ここでは代表して，建設当初の表面か た． ら深さ1cmにおける予測の結果を掲載）を示す． 現在のコンクリート標準示方書には凍害の進 一つの実測値をもとに試行的に行った予測では 行予測式が示されていないが，幾つかのモデル あるものの，凍害の推移を容易に理解できる劣 が提案されている．ここでは既研究に基づく簡 化曲線を得ることができた．今回の調査の範囲 15 3.0 9 6 平均 最小値 2.0 ただし、A=30年 1.5 3 図-12 できた．A＝30とした場合の路線1の橋台におけ る剥離度の予測式の係数の平均はaが4.54，bが 1.76であった．相対動弾性係数の予測式の係数 （深さ1～5cmの範囲）は，cが0.001～0.003で， cは表面からの距離が長くなるにつれて小さく 1.0 0 配合設計・施工指針に準じて路線1に建設された 橋台の凍害の進行予測式の諸係数を得ることが 2.5 係数b 係数a 12 最大値 剥離度の予測式の係数 a，b （路線 1 の道路橋の橋台） なる傾向が示された．dは1.2程度で，cとは対照 的に，深さによらず概ね一定の値が示された． 今後はさらに，係数 a，b，c，d と環境および 0.008 コンクリートの品質との関係の詳細な整理，ま 係数c 最大値 0.006 平均 最小値 0.004 た，塩化物イオンの供給環境がスパイクタイヤ の使用が規制されて以降，大きく変化した路線 2 や 3 においても凍害の進行予測ならびに係数 a， b，c，d の把握を行い，最終的には成果を耐久 0.002 性照査技術へフィードバックさせる予定である． 0 4.まとめ 1.5 二種類以上の凍害形態（スケーリングとひび 係数d 1.4 割れを対象）が複合した場合の耐久性能の評価 1.3 法の確立に向け，その一環として構造物の凍害 1.2 の進行性を定量的に把握することを目的に，凍 1.1 害危険度 4～5 の山間部の道路橋の橋台を対象 に剥離度およびコア採取による相対動弾性係数 深さ5cm 深さ4cm 深さ3cm 深さ2cm 深さ1cm 1.0 建設当初の表面からの深さ 図-13 相対動弾性係数の予測式の係数 c，d （路線 1 の道路橋の橋台） の測定を行った． 今回の調査で得たデータの範囲で知見を整理 すると，以下のようになる． (1) スケーリングの進行性は凍害危険度より凍 結防止剤散布の影響が卓越する傾向にあった． (2) 相対動弾性係数は全体的に概ね 60%以上で では，路線1における供用50年後の橋台の剥離度 あった．また，ばらつきはあるものの，剥離面 は6橋中2橋が10～20mm，残りの4橋は5mm以下 直下の相対動弾性係数は，剥離度が小さい橋台 の値を示すこと，一方，深さ1cmにおける相対 ほどやや小さい傾向が見受けられた． 動弾性係数は，6橋中3橋が60%以下もしくは欠 (3) 既研究に基づく簡易なモデルを利用して， 損，残りの3橋はコンクリートが残存すると仮定 凍結防止剤の散布が小さい路線の道路橋の橋台 した場合，80%以上の値を示す予測結果が示さ を対象に剥離度ならびに相対動弾性係数の進行 れた． 予測を試み，一例ではあるものの，予測式を構 図-12および図-13に今回調査した道路橋の橋 台における式(3)，式(4)の係数a，b，c，dを示す． データは少ないものの，既往のコンクリートの 成する係数を把握した． 謝辞 書，2000.3 今回の調査の実施にあたって，北海道開発局 5) 緒方英彦，服部九二雄，高田龍一，野中資博： 札幌開発建設部，旭川開発建設部，室蘭開発建 超音波法によるコンクリートの耐凍結融解特性 設部，網走開発建設部から調査フィールドを提 の評価，コンクリート工学年次論文集，Vol.24， 供していただきました．ここに記して謝意を表 No.1，pp.1563-1568，2002.6 します． 6) American Society for Testing and Materials : Standard Test Method for Scaling Resistance of 参考文献 Concrete Surfaces Exposed to Deicing Chemicals 1）土木学会：2007 年制定コンクリート標準示 （ASTM C 672） 方書「設計編」，p.123，2008.3 7) 遠藤裕丈，田口史雄，嶋田久俊，星俊彦，太 2) 長谷川寿夫：コンクリートの凍害危険度算出 田利隆，佐伯昇，名和豊春：10 数年および約 40 と水セメント比限界値の提案,セメント技術年 年経過した北海道の港湾コンクリート構造物の 報，XXIX，pp.248-253，1975. スケーリング進行性評価，土木学会論文集 E， 3) 田畑浩太郎，遠藤裕丈：寒冷地山間コンクリ Vol.64，No.3，pp.484-499，2008.9 ート構造物のスケーリングとひび割れが複合し 8) 遠藤裕丈：凍結融解と塩化物の複合作用によ た凍害の調査，第 55 回（平成 23 年度）北海道 るスケーリングに対する耐久性設計法に関する 開発技術研究発表会，2012.2 研究，北海道大学博士学位論文，p.138，2011.3 4) 北海道開発局 港湾部 港湾建設課，社団法人 9) 野口博章：凍結融解作用を受けるコンクリー 寒地港湾技術研究センター：海洋環境下におけ トの劣化予測に関する基礎的研究，法政大学博 るコンクリートの耐久性向上技術検討業務報告 士学位論文，p.32，2007.9
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