寒冷地の RC 開水路側壁における 凍害劣化と診断手法に関する研究

寒冷地の RC 開水路側壁における 凍害劣化と診断手法に関する研究

Research on Frost Damage Deterioration and Diagnosis Method of RC Open Channel Sidewall in Cold Region

周 藤 将 司

Masashi SUTO

2014

目 次

第 1 章 序 論 ... - 2 -

1.1 研 究 の 背 景 ... - 2 -

(1) 農 業 水 利 施 設 の 現 状 ... - 2 -

(2) RC 開 水 路 の 供 用 環 境 の 特 徴 ... - 3 -

1.2 既 往 の 研 究 ... - 4 -

(1) コ ン ク リ ー ト 構 造 物 の 凍 害 診 断 ... - 4 -

(2) 薄 肉 構 造 で あ る RC開 水 路 の 凍 害 ... - 7 -

1.3 本 研 究 の 目 的 ... - 9 -

1.4 本 論 文 の 構 成 ... - 10 -

第 2 章 RC開 水 路 側 壁 の 凍 害 に よ る 変 状 と 力 学 特 性 の 変 化 ... - 14 -

2.1 概 要 ... - 14 -

2.2 表 面 変 状 ... - 14 -

2.3 内 部 変 状 ... - 17 -

2.4 力 学 特 性 の 変 化 ... - 22 -

(1) 検 討 概 要 ... - 22 -

(2) 供 試 体 概 要 ... - 25 -

(3) 相 対 動 弾 性 係 数 と 各 種 物 性 値 の 比 較 ... - 27 -

2.5 第 2 章 の 結 論 ... - 32 -

第 3 章 RC開 水 路 に お け る 凍 害 の 目 視 診 断 ... - 34 -

3.1 概 要 ... - 34 -

3.2 対 象 構 造 物 の 概 要 お よ び 表 面 変 状 の 発 生 状 況 ... - 34 -

3.3 採 取 コ ア に よ る 内 部 変 状 の 発 生 状 況 確 認 ... - 36 -

3.4 目 視 診 断 に よ る 層 状 ひ び 割 れ の 診 断 手 法 ... - 38 -

3.5 第 3 章 の 結 論 ... - 39 -

第 4 章 内 部 変 状 が 電 磁 波 レ ー ダ 法 に よ る 鉄 筋 探 査 に 及 ぼ す 影 響 ... - 42 -

4.1 概 要 ... - 42 -

4.2 供 試 体 に よ る 試 験 ... - 44 -

(1) 試 験 概 要 ... - 44 -

(2) 層 状 ひ び 割 れ が 電 磁 波 レ ー ダ 反 射 画 像 に 及 ぼ す 影 響 ... - 45 -

4.3 実 構 造 物 に よ る 試 験 ... - 46 -

(1) 試 験 概 要 ... - 46 -

(2) 層 状 ひ び 割 れ の 有 無 に よ る 電 磁 波 レ ー ダ 反 射 画 像 の 違 い ... - 47 -

4.4 複 数 の 開 水 路 に お け る 現 地 試 験 ... - 48 -

(1) 試 験 概 要 ... - 48 -

(2) 超 音 波 伝 播 速 度 と 電 磁 波 レ ー ダ 反 射 画 像 の 関 係 ... - 50 -

4.5 第 4 章 ま と め ... - 53 -

第 5 章 注 入 工 法 を 用 い た 層 状 ひ び 割 れ 評 価 手 法 に 関 す る 検 討 ... - 56 -

5.1 概 要 ... - 56 -

5.2 L型 ブ ロ ッ ク を 用 い た 試 験 ... - 57 -

(1) ブ ロ ッ ク 概 要 ... - 57 -

(2) 注 入 試 験 方 法 ... - 57 -

(3) 注 入 試 験 前 後 の 超 音 波 伝 播 速 度 の 変 化 ... - 59 -

(4) コ ア 観 察 に よ る 充 填 度 合 い の 確 認... - 63 -

5.3 現 場 打 ち フ リ ュ ー ム 水 路 の 側 壁 を 用 い た 詳 細 試 験 ... - 65 -

(1) 試 験 概 要 ... - 65 -

(2) 注 入 試 験 方 法 ... - 66 -

(3) 注 入 材 の 充 填 度 合 い ... - 68 -

(4) 注 入 材 充 填 前 後 の 超 音 波 伝 播 速 度 の 変 化 ... - 68 -

(5) コ ア 供 試 体 の 超 音 波 伝 播 速 度 ... - 70 -

5.4 第 5 章 ま と め ... - 72 -

第 6 章 共 鳴 振 動 法 に よ る 動 弾 性 係 数 の 現 地 試 験 ... - 74 -

6.1 概 要 ... - 74 -

6.2 小 型 起 振 機 を 用 い た 一 次 共 鳴 振 動 数 の 評 価 ... - 75 -

(1) 小 型 起 振 機 を 用 い た 共 鳴 振 動 法 の 概 要 ... - 75 -

(2) 一 次 共 鳴 振 動 数 の 評 価 ... - 75 -

(3) 供 試 体 に お け る 一 次 共 鳴 振 動 数 の 評 価 結 果 ... - 77 -

6.3 動 弾 性 係 数 評 価 フ ロ ー の 検 討 ... - 79 -

(1) 検 討 フ ロ ー の 概 要 ... - 79 -

(2) 大 型 壁 体 供 試 体 を 用 い た 検 討 ... - 81 -

6.4 実 構 造 物 を 用 い た 評 価... - 82 -

(1) 現 地 試 験 概 要 ... - 82 -

(2) フ ロ ー 図 か ら 求 ま る 動 弾 性 係 数 と ポ ア ソ ン 比 と の 関 係 ... - 83 -

6.5 第 6 章 ま と め ... - 84 -

第 7 章 結 論 ... - 88 -

参 考 文 献 ... - 93 -

謝 辞... - 97 -

摘 要... - 99 -

Abstract ... - 101 -

学 位 論 文 の 基 礎 と な る 公 表 論 文 ... - 105 -

第 1 章

序 論

- 2 - 第 1 章 序 論

1. 1 研 究 の 背 景

( 1) 農 業 水 利 施 設 の 現 状

農 業 水 利 施 設 と は 農 業 用 水 の 取 水 ・ 貯 水 ・ 導 水 ・ 送 水 ・ 排 水 を 行 う 施 設 の こ と で あ り ， 代 表 的 な も の と し て は ダ ム ・ 頭 首 工 ・ 用 排 水 機 場 ・ 用 排 水 路 な ど が 挙 げ ら れ る 。 農 業 水 利 施 設 全 体 で の 資 産 価 値 （ 農 業 水 利 ス ト ッ ク 量 ） は ， 再 建 設 費 で 約 50 兆 円 に 上 る （ 平 成 21 年 3 月 時 点 ）。 農 業 水 利 施 設 の 中 で ， 受 益 面 積

が 100ha 以 上 の 施 設 を 基 幹 的 水 利 施 設 と 言 う 。基 幹 的 水 利 施 設 に つ い て は ，用 排

水 路 の 延 長 が 約 4 万 9 千 km で あ り ， ス ト ッ ク 量 は 全 体 の 4 割 弱 と な る 1 8 兆 円 に も 上 る[1 -1 ]。

こ れ ら の 水 利 施 設 の 多 く は 戦 後 に 集 中 的 に 整 備 さ れ た も の で あ り ， 近 年 ， 耐 用 年 数 を 超 過 し 更 新 時 期 を 迎 え る 施 設 が 増 加 し て い る 。 平 成 2 4 年 度 食 料 ・ 農 業 ・ 農 村 白 書 に よ れ ば ， 基 幹 的 水 利 施 設 に お い て 標 準 耐 用 年 数 を 超 過 し て い る 割 合 は 17％ で あ り ，今 後 10 年 の う ち に 標 準 耐 用 年 数 を 超 過 す る 施 設 を 加 え る と 全 体 の 31％ と な る[1 -2 ]。

標 準 耐 用 年 数 を 超 過 し 更 新 期 を 迎 え る 農 業 水 利 施 設 に つ い て は ， 全 て を 改 築 す る こ と は 不 可 能 で あ る 。 現 在 は ， 既 存 の 農 業 水 利 施 設 の 機 能 を 効 率 的 に 維 持 す る こ と を 目 的 と し た 機 能 診 断 を 行 い ， 適 切 な 予 防 保 全 対 策 を 行 う こ と が 求 め ら れ て い る 。 機 能 保 全 対 策 を 通 じ て 施 設 の 有 効 活 用 や 長 寿 命 化 を 図 り ， ラ イ フ サ イ ク ル コ ス ト を 低 減 さ せ る こ と を 目 的 と し た 一 連 の 取 組 み を 総 称 し て ス ト ッ ク マ ネ ジ メ ン ト と 呼 ぶ 。

農 林 水 産 省 で は ， 平 成 18 年 か ら ス ト ッ ク マ ネ ジ メ ン ト に 係 る 基 本 的 な 考 え 方 と 実 施 方 針 の 枠 組 み を 整 理 す る こ と を 目 的 と し て 「 農 業 水 利 施 設 の 機 能 保 全 の 手 引 き 」 を 策 定 し て い る 。 機 能 保 全 の 手 引 き は ， 水 利 施 設 ご と に 整 理 さ せ て お り ， 開 水 路 編 ， 頭 首 工 編 な ど ， 総 論 編 を 含 め て 計 11 編 が 策 定 さ れ て い る 。 ス ト ッ ク マ ネ ジ メ ン ト の 考 え 方 と し て ，最 も 重 要 な 項 目 は ，施 設 の 長 寿 命 化 で あ る 。 施 設 の 長 寿 命 化 を 図 る た め に は ， 適 切 に 現 状 を 評 価 し ， 適 切 な 対 策 を 講 じ る こ と が 必 要 と な る 。 機 能 保 全 の 手 引 き 「 総 論 編 」 に よ れ ば ， ス ト ッ ク マ ネ ジ メ ン ト に 関 す る 研 究 は 多 く 行 わ れ て い る も の の ， 対 象 と な る 構 造 物 も 多 く ， 十 分 な デ ー タ 数 の 確 保 ま で 至 っ て い な い 現 状 で あ る と 解 説 さ れ て い る[1 -3 ]。

農 業 水 利 施 設 の 機 能 診 断 は ， 事 前 調 査 ， 現 地 踏 査 ， 現 地 調 査 と い う 順 序 に 沿 っ て 行 う こ と と さ れ て い る[1 -4 ]。 事 前 調 査 で は ， 構 造 物 の 供 用 環 境 や 供 用 条 件 を 整 理 し ， 現 地 で 実 際 の 調 査 を 行 う 際 に 必 要 と な る 基 本 デ ー タ の 収 集 を 行 う 。

- 3 -

そ の 後 の 現 地 踏 査 で は ， 実 際 に 現 地 で 概 査 を 行 い ， 調 査 箇 所 の 選 定 を 行 う 。 現 地 調 査 で は ， 踏 査 の 段 階 で 選 定 し た 調 査 箇 所 に つ い て 様 々 な 試 験 方 法 を 用 い て 精 査 を 行 い ， 詳 細 な 診 断 を 行 う 。 水 利 施 設 に お い て ， 特 に 用 排 水 路 に つ い て は 延 長 距 離 が 長 い た め に ， 現 地 調 査 を 行 う こ と が で き る 箇 所 は 時 間 面 や 費 用 面 か ら 限 定 さ れ る 。 し た が っ て ， 現 地 調 査 を 行 う 前 に 実 施 す る 現 地 踏 査 が 非 常 に 重 要 な 役 割 を 担 う こ と と な る 。 現 地 踏 査 の 段 階 で 調 査 箇 所 を 選 定 す る 際 に は ， 水 利 施 設 の 劣 化 状 態 を 適 切 に 評 価 す る た め に ， そ の 構 造 物 に お け る 代 表 的 な 劣 化 の 箇 所 を 選 定 し な け れ ば な ら な い 。 し か し 現 時 点 で は ， 明 確 な 選 定 基 準 が 定 め ら れ て い な い こ と か ら ， 農 業 水 利 施 設 の 機 能 診 断 を 確 実 に 行 う た め の 前 提 と し て ， こ の 問 題 を 工 学 的 に 解 決 す る 必 要 が あ る 。

( 2) RC 開 水 路 の 供 用 環 境 の 特 徴

本 研 究 で 対 象 と し た RC 開 水 路 は 農 業 水 利 施 設 の ひ と つ で あ り ，ス パ ン ご と に 区 切 ら れ た 構 造 体 が 連 続 し て 設 置 さ れ る こ と で 長 い 延 長 距 離 と な っ て い る 。RC 構 造 の 開 水 路 の 構 造 形 式 に は ， フ リ ュ ー ム 水 路 ， 二 次 製 品 で あ る L 型 ブ ロ ッ ク や U 型 ブ ロ ッ ク な ど が 挙 げ ら れ る 。い ず れ の 構 造 形 式 に つ い て も RC 開 水 路 の 特 徴 と し て は ， 面 的 な 広 が り を 持 つ 薄 肉 構 造 物 で あ る 点 が 挙 げ ら れ る 。

ま た ，RC 開 水 路 は ， 各 々 が 特 徴 的 な 環 境 条 件 の 下 で 供 用 さ れ て い る[1 -5 ]。 側 壁 で は ，夏 季 の 灌 漑 期 に 通 水 を 行 う と 水 位 よ り 下 部 の 水 中 に 隠 れ る 部 分（ 以 下 ， 水 中 部 と 呼 ぶ ）と ，水 位 よ り 上 部 の 気 中 に 曝 さ れ る 部 分（ 以 下 ，気 中 部 と 呼 ぶ ） が 存 在 す る 。 ま た ， 冬 季 の 非 灌 漑 期 に お い て は ， 通 水 が 無 い た め に 灌 漑 期 に 水 中 部 だ っ た 箇 所 も 気 中 に 曝 さ れ る こ と に な る 。 背 面 の 状 態 も ， 土 中 に 埋 も れ て い る 場 合 （ 埋 設 型 ） と 大 気 に 曝 さ れ て い る 場 合 （ 置 樋 型 ） に 大 別 さ れ る 。 更 に ， 土 中 に 埋 も れ て い る 場 合 に は ， 地 下 水 位 の 高 低 も 供 用 条 件 が 異 な る 要 因 と し て 挙 げ ら れ る 。例 え ば ，斜 面 に 水 路 を 設 置 し た 場 合 で は ，山 側 の 地 下 水 位 は 高 く ， 谷 側 の 地 下 水 位 は 低 く な り ， 同 一 の ス パ ン 内 で も 左 右 岸 で 条 件 が 異 な る 。 左 右 岸 で 異 な る 条 件 と し て は ， 他 に 日 射 の 影 響 も 挙 げ ら れ る 。 左 右 岸 の 側 壁 は 平 行 に 設 置 さ れ る た め ， 日 射 を 受 け る 面 は ど ち ら か 一 方 の み に 限 ら れ る 。

こ の よ う に ，RC 開 水 路 の 供 用 環 境 は 様 々 で あ り ， コ ン ク リ ー ト 構 造 物 で あ る RC 開 水 路 に 発 生 す る 劣 化 も ， こ の 環 境 条 件 に 応 じ た 特 徴 を 有 し て い る 。 特 に 寒 冷 地 に お い て は ， 凍 結 融 解 の 繰 返 し 作 用 に よ る 凍 害 劣 化 が 発 生 す る が ， 構 造 物 が 置 か れ る 環 境 条 件 の 違 い に よ っ て ， 凍 害 劣 化 に よ る 変 状 の 発 生 状 況 も 異 な る 。 一 例 と し て ，写 真 1-1 に 同 一 ス パ ン 内 の 左 右 岸 の 表 面 状 態 を 示 す 。左 岸 側 の 気 中 部 で は ， 表 面 変 状 と し て 水 路 長 手 方 向 に 延 び る ひ び 割 れ が 確 認 さ れ る 。 一 方 ， 右 岸 側 で は ， 特 に 目 立 っ た 変 状 は 確 認 で き な い 。 こ れ ら の 凍 害 劣 化 に よ る 変 状

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- 7 -

表 面 法 で は ， 測 定 方 法 と し て 表 面 走 査 法 と 超 音 波 法 （ 土 研 法 ）（ 以 下 ， 土 研 法 と 呼 ぶ ） が 提 案 さ れ て い る 。 表 面 走 査 法 は ， コ ン ク リ ー ト の 表 面 劣 化 深 さ を 推 定 す る 手 法 で あ り ，19 74 年 制 定 の BS44 08 P art5 に 示 さ れ て い る 手 法 で あ る[1 -14 ]。 日 本 で は ，19 81 年 に 柏 に よ っ て 紹 介 さ れ た[1 -1 5 ]。こ の 手 法 は 表 面 劣 化 深 さ を 推 定 す る 手 法 で あ る が ， 遠 藤 ら は 表 面 か ら 劣 化 が 進 行 す る 凍 害 劣 化 へ の 利 用 を 考 案 し ， 表 面 走 査 法 に よ る 凍 害 劣 化 深 さ の 推 定 が 可 能 で あ る こ と を 明 ら か に し て

い る[1 -16，1 -17 ]。 ま た ， 下 村 ら は ， ス リ ッ ト の 入 っ た コ ン ク リ ー ト 供 試 体 を 用

い た 検 討 か ら ，表 面 法 に よ る 評 価 可 能 な 深 さ は 70 mm 程 度 で あ る こ と を 明 ら か に し て い る[1 -1 8 ]。 土 研 法 は ， 土 木 研 究 所 に よ っ て 考 案 さ れ た 手 法 で あ り ， 超 音 波 伝 播 速 度 か ら コ ン ク リ ー ト の 強 度 推 定 を 行 う 手 法 で あ る[1 -1 9 ]。 森 濱 は ， こ の 手 法 に よ っ て ， ±15％ 程 度 の 精 度 で 強 度 の 推 定 が 可 能 で あ る こ と を 示 し て い る [1 -20 ]。

一 般 的 に コ ン ク リ ー ト の 耐 凍 害 性 を 示 す 指 標 と し て は ， 相 対 動 弾 性 係 数 が 用 い ら れ る 。 相 対 動 弾 性 係 数 に よ る 評 価 で は ，J IS A 1148 :2010「 コ ン ク リ ー ト の 凍 結 融 解 試 験 方 法 」 に お い て 凍 結 融 解 の サ イ ク ル が 300 サ イ ク ル 完 了 時 に 60％ 以 上 の 値 を 示 し て い る と 耐 凍 害 性 を 有 す る コ ン ク リ ー ト で あ る と 評 価 さ れ る 。 ま た ， 桂 ら は ， 相 対 動 弾 性 係 数 が 8 5％ を 境 に 凍 害 劣 化 の 進 行 が 加 速 す る こ と を 明 ら か に し て い る[1 -2 1 ]。

相 対 動 弾 性 係 数 は ， J IS A 11 27 :2 010「 共 鳴 振 動 に よ る コ ン ク リ ー ト の 動 弾 性 係 数 ， 動 せ ん 断 弾 性 係 数 及 び 動 ポ ア ソ ン 比 試 験 方 法 」 に 準 じ て ， 一 次 共 鳴 振 動 数 を 供 試 体 の 形 状 に 応 じ て た わ み 振 動 ， ま た は 縦 振 動 に よ っ て 測 定 し ， 劣 化 前 の 健 全 な 状 態 の 値 と 劣 化 後 の 値 の 二 乗 比 を 採 る こ と で 示 さ れ る 。 こ の 試 験 は ， 実 構 造 物 の 施 工 と 同 様 の 配 合 の コ ン ク リ ー ト 供 試 体 を 作 製 し て 行 わ れ る 。 ま た ， 破 壊 試 験 と し て 実 構 造 物 か ら 採 取 し た コ ア 供 試 体 を 用 い て 評 価 を 行 う 場 合 も あ る 。 し か し ， 定 型 以 外 の コ ン ク リ ー ト に つ い て は ， 本 試 験 法 を 適 用 し て 一 次 共 鳴 振 動 数 の 測 定 を 行 う こ と が で き な い 。 一 次 共 鳴 振 動 数 を 構 造 物 に 対 し て 直 接 測 定 す る 他 の 方 法 は 確 立 さ れ て お ら ず ， 試 験 方 法 の 考 案 が 求 め ら れ て い る 。

( 2) 薄 肉 構 造 で あ る RC 開 水 路 の 凍 害

前 項 で 述 べ た 試 験 方 法 は い ず れ も コ ン ク リ ー ト 構 造 物 を 対 象 と し た 評 価 手 法 で あ る 。 本 研 究 で 対 象 と す る RC 開 水 路 は ，1 .1 節(2)項 で 述 べ た と お り 薄 肉 構 造 と い う 特 徴 を 有 し て い る 。 近 年 の 研 究 か ら は ， 薄 肉 構 造 の コ ン ク リ ー ト 構 造 物 に お い て ， 凍 害 に よ る 変 状 が 一 般 の 構 造 物 と は 異 な る 形 態 で 発 生 し て い る こ と が 確 認 ， 報 告 さ れ て い る 。

RC 開 水 路 の 凍 害 劣 化 に よ る 表 面 変 状 で 一 般 的 に 確 認 さ れ る 変 状 は ，写 真 1- 2

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- 10 - 形 で 整 理 を 行 う 。

② 現 地 踏 査 の 段 階 で 内 部 変 状 の 評 価 を 目 視 診 断 に よ っ て 行 う 。

③ ② を 終 え た 後 ， 現 地 調 査 の 段 階 で 層 状 ひ び 割 れ の 評 価 を 定 量 的 に 行 う 。

④ 実 務 と し て 機 能 診 断 を 行 う こ と を 想 定 し て ， 非 破 壊 試 験 に よ る 凍 害 診 断 手 法 の 提 案 を 行 う 。

1. 4 本 論 文 の 構 成

本 論 文 は ， 以 下 の 7 章 か ら 構 成 さ れ る 。 第 1 章 序 論

第 2 章 RC 開 水 路 側 壁 の 凍 害 に よ る 変 状 と 力 学 特 性 の 変 化 第 3 章 RC 開 水 路 に お け る 凍 害 の 目 視 診 断

第 4 章 内 部 変 状 が 電 磁 波 レ ー ダ 法 に よ る 鉄 筋 探 査 に 及 ぼ す 影 響 第 5 章 注 入 工 法 を 用 い た 層 状 ひ び 割 れ 評 価 手 法 に 関 す る 検 討 第 6 章 共 鳴 振 動 法 に よ る 動 弾 性 係 数 の 現 地 試 験

第 7 章 結 論

各 章 の 主 な 内 容 を 以 下 に 示 す 。 第 1 章 序 論

本 研 究 の 背 景 に つ い て 述 べ ，RC 開 水 路 の 凍 害 に 関 す る 既 往 の 研 究 を 整 理 し た 上 で 課 題 と な る 点 を 見 出 し ， 本 研 究 の 目 的 を 示 し た 。

第 2 章 RC 開 水 路 側 壁 の 凍 害 に よ る 変 状 と 力 学 特 性 の 変 化

RC 開 水 路 の 凍 害 に お け る 表 面 変 状 と 内 部 変 状 の 関 連 性 に つ い て 述 べ た 上 で ， そ れ ら の 変 状 に よ る 力 学 特 性 の 変 化 を 検 討 し た 。 力 学 特 性 に つ い て は ， 相 対 動 弾 性 係 数 と の 関 係 か ら 整 理 し た 。

第 3 章 RC 開 水 路 に お け る 凍 害 の 目 視 診 断

凍 害 劣 化 の 進 行 し た RC 開 水 路 に お い て 表 面 変 状 の 形 態 か ら ，内 部 変 状 の 評 価 を 行 う こ と を 目 的 と し て 検 討 を 行 っ た 。 採 取 し た コ ア 供 試 体 に よ る 内 部 変 状 の 発 生 状 況 か ら ， 層 状 ひ び 割 れ の 生 じ 易 い 箇 所 の 表 面 変 状 の 特 徴 を ま と め た 。

第 4 章 内 部 変 状 が 電 磁 波 レ ー ダ 法 に よ る 鉄 筋 探 査 に 及 ぼ す 影 響

電 磁 波 レ ー ダ 法 に よ る 走 査 に 層 状 ひ び 割 れ が 及 ぼ す 影 響 に つ い て の 検 討 を 行 っ た 。 ま ず ， 室 内 試 験 と し て 供 試 体 を 用 い た 試 験 と 実 構 造 物 を 用 い た 試 験 を 行 い ， そ の 後 に 複 数 の 開 水 路 に お け る 現 地 試 験 を 行 っ た 。

- 11 -

第 5 章 注 入 工 法 を 用 い た 層 状 ひ び 割 れ 評 価 手 法 に 関 す る 検 討

注 入 工 法 を 用 い て 層 状 ひ び 割 れ の 発 生 範 囲 を 定 量 的 に 評 価 す る 手 法 に つ い て の 検 討 を 行 っ た 。検 討 に 際 し て は ，層 状 ひ び 割 れ が 発 生 し て い る RC 開 水 路 の 一 部 を 実 験 室 に 搬 入 し ， 室 内 試 験 を 行 っ た 。

第 6 章 共 鳴 振 動 法 に よ る 動 弾 性 係 数 の 現 地 試 験

小 型 起 振 機 を 用 い た 共 鳴 振 動 法 に よ る 一 次 共 鳴 振 動 数 の 測 定 手 法 に つ い て の 検 討 を 行 い ， そ の 実 用 性 を 確 認 し た 。 そ の 後 に ， 現 地 試 験 を 行 う 際 の 測 定 フ ロ ー を 示 し ， そ の フ ロ ー 図 に 則 っ た 測 定 を 行 う こ と で フ ロ ー 図 の 妥 当 性 の 確 認 を 行 っ た 。

第 7 章 結 論

各 章 か ら 得 ら れ た ま と め を 整 理 し ， 本 研 究 の 結 論 を 示 す と と も に ， 残 さ れ た 今 後 の 課 題 に つ い て 述 べ た 。

第 2 章

RC 開 水 路 側 壁 の 凍 害 に よ る 変 状 と

力 学 特 性 の 変 化

- 14 -

第 2 章 RC 開 水 路 側 壁 の 凍 害 に よ る 変 状 と 力 学 特 性 の 変 化

2. 1 概 要

凍 害 に よ る 変 状 は ， 表 面 変 状 と 内 部 変 状 に 区 別 さ れ る 。 表 面 変 状 と は 目 視 に よ っ て 確 認 さ れ る コ ン ク リ ー ト 表 面 に 生 じ た 変 状 で あ り ， 代 表 的 な 変 状 と し て は ， ひ び 割 れ や ス ケ ー リ ン グ ， ポ ッ プ ア ウ ト が 挙 げ ら れ る 。 一 方 ， 内 部 変 状 は コ ン ク リ ー ト 内 部 に 生 じ た 変 状 で あ り ， 代 表 的 な 変 状 と し て は ひ び 割 れ や 組 織 の 緩 み が 挙 げ ら れ る 。 内 部 変 状 は 目 視 で 確 認 す る こ と が 不 可 能 で あ る た め ， そ の 発 生 状 況 や 形 態 に つ い て は 整 理 が 行 わ れ て い な い の が 現 状 で あ る 。 ま た ，RC 開 水 路 側 壁 に 代 表 さ れ る 薄 肉 構 造 物 に つ い て は ， 近 年 ， 表 面 変 状 と 内 部 変 状 で ひ び 割 れ の 方 向 が 異 な る こ と が 報 告 さ れ て い る 。 特 に 内 部 変 状 に つ い て は ， 側 壁 表 面 に 対 し て 層 状 に ひ び 割 れ が 発 生 す る こ と が 確 認 さ れ て い る 。 し か し ， こ の 層 状 ひ び 割 れ の 発 生 形 態 に つ い て は コ ア 供 試 体 に よ る 確 認 が 行 わ れ て い る の み で あ り ， 面 的 な 広 が り に つ い て は 確 認 が な さ れ て い な い 。

そ こ で ，寒 冷 地 に お い て 長 期 間 供 用 さ れ ，凍 害 劣 化 の 進 行 し て い る RC 開 水 路 側 壁 を 対 象 と し て ，表 面 変 状 と 内 部 変 状 の 調 査 を 行 っ た 。表 面 変 状 に つ い て は ， 主 に ス ケ ー リ ン グ の 有 無 や ひ び 割 れ の 方 向 に つ い て 目 視 調 査 を 行 い ， ひ び 割 れ 深 さ と の 関 係 に つ い て の 考 察 を 加 え た 。 内 部 変 状 に つ い て は ， 開 水 路 側 壁 と し て 供 用 さ れ て い た L 型 ブ ロ ッ ク を 実 験 室 に 搬 入 し ， ブ ロ ッ ク を 長 手 方 向 に 切 断 す る こ と で 層 状 ひ び 割 れ の 分 布 や 連 続 性 の 確 認 を 行 っ た 。 さ ら に ， 層 状 ひ び 割 れ の 生 じ て い る 箇 所 に 蛍 光 塗 料 を 含 ん だ 注 入 材 を 充 填 し ， そ の 箇 所 か ら コ ア を 採 取 す る こ と で 側 壁 の 鉛 直 方 向 へ の ひ び 割 れ の 分 布 の 確 認 も 合 わ せ て 行 っ た 。

2. 2 表 面 変 状

第 1 章 で 述 べ た と お り ，RC 開 水 路 側 壁 の 表 面 変 状 と し て は ， 側 壁 の 長 手 方 向 に 延 び る ひ び 割 れ が 多 く 確 認 さ れ る 。

写 真 2- 1 は ， 北 海 道 内 で 供 用 さ れ て 40 年 程 度 が 経 過 し ， 凍 害 に よ る 表 面 変 状 が 生 じ て い る RC 開 水 路 の 目 地 近 傍 の 状 態 を 示 し た も の で あ る 。水 路 の 1 ス パ ン で 区 切 っ て 表 面 の ひ び 割 れ の 発 生 状 況 を 確 認 す る と ， ス パ ン 端 部 の 目 地 に 近 い 箇 所 で は ，写 真 2-1 に 示 す よ う な 目 地 か ら 斜 め に 立 ち 上 が る ひ び 割 れ も 確 認 さ れ た 。 こ の ひ び 割 れ に つ い て は ， 目 地 を 挟 ん で 隣 接 す る ス パ ン の ど ち ら か 一 方 の み で 発 生 し て い る 状 況 が 多 く の 箇 所 で 確 認 さ れ た 。 ひ び 割 れ が ど ち ら か 一 方 の み で 発 生 す る 理 由 と し て は ， 水 路 建 設 時 の 状 況 が 関 係 す る と 考 え ら れ る 。 水 路 の 打 設 は ス パ ン ご と に 行 わ れ る が ， そ の 際 に ス パ ン を ひ と つ 飛 ば し に し て 打 設

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- 23 - 𝐷𝐷=𝑓𝑛2

𝑓₀²× 100 式 2- 1

DM：相 対 動 弾 性 係 数（ ％ ），fn:凍 結 融 解 n サ イ ク ル 時 の 一 次 共 鳴 振 動 数（Hz），

f0:凍 結 融 解 0 サ イ ク ル 時 の 一 次 共 鳴 振 動 数 （Hz）

一 次 共 鳴 振 動 数 は ，J IS A 112 7 :201 0「 共 鳴 振 動 に よ る コ ン ク リ ー ト の 動 弾 性 係 数 ， 動 せ ん 断 弾 性 係 数 及 び 動 ポ ア ソ ン 比 試 験 方 法 」 に 準 じ て ， 対 象 と す る 供 試 体 の 形 状 に 応 じ て た わ み 振 動 ， ま た は 縦 振 動 に よ っ て 測 定 さ れ る 。 相 対 動 弾 性 係 数 は ， 前 述 の と お り J IS A 1148 :2010「 コ ン ク リ ー ト の 凍 結 融 解 試 験 方 法 」 に お い て 凍 結 融 解 の サ イ ク ル が 300 サ イ ク ル 完 了 時 に 6 0％ 以 上 の 値 を 示 し て い る と ， 試 験 を 行 っ た コ ン ク リ ー ト が 耐 凍 害 性 を 有 す る も の で あ る と 評 価 さ れ る 。 ま た ， 桂 ら は ， 相 対 動 弾 性 係 数 が 85％ を 境 に 凍 害 劣 化 の 進 行 が 加 速 す る こ と を 明 ら か に し て お り[2 -5 ]， 相 対 動 弾 性 係 数 の 閾 値 は 85％ と 考 え る こ と も で き る 。 相 対 動 弾 性 係 数 は 凍 害 劣 化 の 程 度 を 示 す 指 標 と し て 広 く 用 い ら れ て い る に も 関 わ ら ず ， コ ン ク リ ー ト の 力 学 特 性 と の 関 係 性 に つ い て 検 討 さ れ た 事 例 は 少 な い 。 構 造 物 の 耐 力 に つ い て の 検 討 は ， 超 音 波 法 や 共 鳴 振 動 法 と い っ た 非 破 壊 試 験 の 結 果 で は な く ， 圧 縮 強 度 な ど の 破 壊 試 験 の 結 果 か ら 得 ら れ る 力 学 特 性 を 示 す 値 を 基 に 行 わ れ る 。 し た が っ て ， 相 対 動 弾 性 係 数 が 低 下 す る と 力 学 特 性 に ど の よ う な 変 化 が 生 じ る の か を 明 ら か に す る こ と は ， 構 造 物 の ス ト ッ ク マ ネ ジ メ ン ト の 観 点 か ら も 重 要 な 課 題 で あ る と 言 え る 。既 往 の 研 究 と し て は ，松 村 ら[2 -6 ] や ， 高 柴 ら[2 -7 ]の 行 っ た 研 究 が 挙 げ ら れ る 。 こ れ ら の 研 究 で は ， 横 軸 に 相 対 動 弾 性 係 数 を ， 縦 軸 に 圧 縮 強 度 比 や 静 弾 性 係 数 比 を 示 し た 関 係 式 が 示 さ れ て い る 。 ま た ， 佐 藤 ら は ， 横 軸 に 凍 結 融 解 サ イ ク ル を ， 縦 軸 に 圧 縮 強 度 ， 中 性 化 深 さ を 示 し た グ ラ フ を 作 成 し て い る[2 -8 ]。 こ の 研 究 で は ， 相 対 動 弾 性 係 数 も 合 わ せ て 測 定 さ れ て い る た め ， 相 対 動 弾 性 係 数 と 圧 縮 強 度 の 関 係 を 示 す こ と も 可 能 で あ る 。 し か し こ れ ら の 研 究 は ， デ ー タ 数 が 少 な く ， 汎 用 性 に つ い て の 検 討 も 行 わ れ て い な い 。

そ こ で ， 本 節 で は ， 複 数 の 種 類 の セ メ ン ト を 使 用 し ，J IS A 1148 :2 010「 コ ン ク リ ー ト の 凍 結 融 解 試 験 方 法 」 に 示 さ れ て い る B 法 （ 気 中 凍 結 水 中 融 解 試 験 ） に よ り 劣 化 さ せ た コ ン ク リ ー ト 供 試 体 と ， 寒 冷 地 で あ る 北 海 道 内 で 供 用 さ れ て い る RC 開 水 路 か ら 採 取 し た コ ア 供 試 体 を 用 い て ， 相 対 動 弾 性 係 数 と 圧 縮 強 度 比 ， 静 弾 性 係 数 比 ， 引 張 強 度 比 お よ び 曲 げ 強 度 比 の 関 係 に つ い て 検 討 を 行 っ た 。

ま た ， 力 学 特 性 を 示 す 指 標 と し て は ， 弾 性 係 数 が 挙 げ ら れ る 。 弾 性 係 数 は ， 静 弾 性 係 数 と 動 弾 性 係 数 に 分 類 さ れ る 。 静 弾 性 係 数 は ， 破 壊 試 験 を 行 う 際 の 応

- 24 -

力 － ひ ず み 曲 線 か ら ， 最 大 応 力 の 3 分 の 1 の 応 力 点 と ひ ず み が 5 0×10^{- 6} の 点 を 結 ん だ 直 線 の 傾 き か ら 求 め る 割 線 弾 性 係 数 の 値 を 用 い る 。一 方 ，動 弾 性 係 数 は ， 前 記 の J IS A 1127 :2010 に よ っ て式 2- 2 か ら 求 め ら れ る 。

𝐸_𝐷 = 4 × 10⁻³𝐿

𝐴 𝑚𝑓²² 式 2- 2

ED：動 弾 性 係 数（N/ mm²），L：供 試 体 の 長 さ（mm），A：供 試 体 の 断 面 積（mm²），

m： 供 試 体 の 質 量 （kg），f2： 縦 振 動 の 一 次 共 鳴 振 動 数 （Hz）

式 2- 2 は ，ポ ア ソ ン 比 を 考 慮 し て い な い 形 の 理 論 式 で あ る 。ポ ア ソ ン 比 を 考 慮 し た 動 弾 性 係 数 の 理 論 式 は式 2- 3 で あ る 。

𝐸_𝐷=𝜌𝑉²(1 +𝜈)(1−2𝜈)

1− 𝜈 式 2- 3

ρ： 密 度 （kg/ m³）V： 弾 性 波 速 度 （ 音 速 ）（m/s ec），ν： ポ ア ソ ン 比

評 価 を 行 う コ ン ク リ ー ト は 三 次 元 体 で あ る 。 し た が っ て ， 実 構 造 物 に お い て 弾 性 波 を 利 用 し て 動 弾 性 係 数 を 評 価 す る 場 合 に は ， 構 造 物 の 拘 束 条 件 か ら ポ ア ソ ン 比 を 考 慮 し た式 2- 3 を 用 い る こ と が 望 ま し い と 言 え る 。凍 害 に よ る 劣 化 過 程 に お い て式 2-3 に よ っ て 動 弾 性 係 数 の 評 価 を 行 う 際 に は ，劣 化 段 階 に お け る コ ン ク リ ー ト の 密 度 ， 超 音 波 伝 播 速 度 お よ び ポ ア ソ ン 比 の 3 つ の 指 標 を 明 ら か に す る 必 要 が あ る 。 密 度 と 超 音 波 伝 播 速 度 に つ い て は ， コ ア 供 試 体 を 用 い た 試 験 に よ っ て 求 め る こ と が 可 能 で あ り 劣 化 段 階 に 応 じ て そ の 都 度 測 定 を 行 う こ と が で き る 。 ポ ア ソ ン 比 に つ い て は ， 弾 性 範 囲 内 で は 一 定 の 値 （0 .2） と し て 計 算 を 行 う 場 合 が 一 般 的 で あ る[2 -9 ]。 池 田 ら は ， ポ ア ソ ン 比 を 考 慮 せ ず に 求 め る 動 弾 性 係 数 は 静 弾 性 係 数 と 比 較 し て 5 割 程 度 大 き く な る こ と を 明 ら か に し て お り ， 動 弾 性 係 数 の 評 価 を 行 う 際 の ポ ア ソ ン 比 考 慮 の 重 要 性 を 示 し て い る[2 -10 ]。た だ し ， 池 田 ら の 研 究 で は ， ポ ア ソ ン 比 を 各 劣 化 段 階 で 一 定 値 （0 .2） と し て お り ， こ の 仮 定 条 件 が 及 ぼ す 影 響 に つ い て は 言 及 し て い な い 。

そ こ で 本 節 で は ， 凍 害 劣 化 が 進 行 し て 相 対 動 弾 性 係 数 が 低 下 し た コ ン ク リ ー ト 供 試 体 に つ い て 動 ポ ア ソ ン 比 と ポ ア ソ ン 比 の 測 定 を 行 い ， 劣 化 過 程 に お け る 両 者 の 変 化 に つ い て の 検 討 も 合 わ せ て 行 っ た 。

動 ポ ア ソ ン 比 に つ い て は ， 前 記 の J IS A 112 7 :20 10 に 準 拠 し て 試 験 を 行 っ た 。 ま ず ，ね じ り 振 動 に よ る 一 次 共 鳴 振 動 数 の 測 定 を 行 い ，式 2-4 に よ っ て 動 せ ん 断 弾 性 係 数 を 求 め た 。

- 25 - 𝐺_𝐷=4×10⁻³𝐿𝐿

𝐴 𝑚𝑓³² 式 2- 4

Gd： 動 せ ん 断 弾 性 係 数 （N/ mm²），L： 供 試 体 の 長 さ （mm），R： 形 状 係 数 ，A： 供 試 体 の 断 面 積 （mm²），m： 供 試 体 の 質 量 （kg），f3： ね じ り 振 動 の 一 次 共 鳴 振 動 数 （Hz）

そ の 後 ，式 2- 4 か ら 求 め た 動 せ ん 断 弾 性 係 数 と ，式 2- 2 か ら 求 め た 動 弾 性 係 数 を 利 用 し た式 2- 5 に よ っ て 動 ポ ア ソ ン 比 を 求 め た 。

𝜈_𝐷= 𝐸_𝐷

2𝐺𝐷−1 式 2- 5

νD： 動 ポ ア ソ ン 比

ポ ア ソ ン 比 に つ い て は ， 載 荷 試 験 に よ っ て 求 ま る 応 力 － ひ ず み 曲 線 か ら ， 動 弾 性 係 数 を 求 め る 場 合 に 使 用 す る 最 大 応 力 の 3 分 の 1 の 応 力 点 と ひ ず み が 50× 10^{- 6}の 点 の 間 の デ ー タ の 縦 ひ ず み と 横 ひ ず み か ら式 2-6 に よ っ て 求 め た 。

𝜈=横 ひ ず み

縦 ひ ず み 式 2- 6

ν： ポ ア ソ ン 比

応 力 － ひ ず み 曲 線 上 に は デ ー タ 数 が 複 数 存 在 す る た め ， 求 め ら れ る ポ ア ソ ン 比 も デ ー タ の 数 だ け 存 在 す る 。 こ こ で は ， そ れ ら の ポ ア ソ ン 比 の 平 均 値 を と っ て 供 試 体 か ら 求 ま る 最 終 的 な ポ ア ソ ン 比 と し た 。

( 2) 供 試 体 概 要

本 検 討 に お い て は ， 実 験 室 で 作 製 し た コ ン ク リ ー ト 供 試 体 と 現 場 か ら 採 取 し た コ ア 供 試 体 を 使 用 し た 。

コ ン ク リ ー ト 供 試 体 は ， 標 準 円 柱 供 試 体 （ φ100×200 mm） と 標 準 角 柱 供 試 体

（100×100×400 mm） で あ る 。 配 合 に つ い て は ， 劣 化 程 度 を 調 整 し て 相 対 動 弾 性

係 数 を 幅 広 く ば ら つ か せ て 測 定 を 行 う こ と を 目 的 と し て ，AE コ ン ク リ ー ト と

non -AE コ ン ク リ ー ト の 双 方 を 作 製 し た 。

使 用 し た セ メ ン ト は 普 通 ポ ル ト ラ ン ド セ メ ン ト （ 密 度 ：3.15 g/c m³）， フ ラ イ ア ッ シ ュ セ メ ン ト （ 密 度 ：2 .93 g/ c m³） お よ び 高 炉 セ メ ン ト （ 密 度 ：3 .0 3g/c m³） で