鉄筋コンクリート構造物の劣化の進行予測手法に関する研究 [ PDF

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(1)鉄筋コンクリート構造物の劣化の進行予測手法に関する研究. 梅﨑聖 1．はじめに. 総和で表される．. 高度経済成長期以降に社会資本として建設された鉄. (1). D = Σkidi. 筋コンクリート構造物（以後 RC 構造物）は現在多大. D ：性能低下率（0≦D≦100）. なストックを形成している．これらの多くは現時点に. ki ：劣化要因 i に関する重要度係数（Σki=100）. おいて建設後 30∼40 年を経過しており，多くが老朽化. di ：劣化要因 i の劣化グレード（0≦di≦1）. による補修または建替えの問題を抱えている．しかし. RC 構造物の性能低下を評価する場合，外力に対す. ながら，昨今の経済情勢からは全ての建替えを短期間. る構造安全性や落下物など日常的な危険に対する安全. で行うことは難しく，また，環境面からもストックの. 性など種々のものが考えられる．本研究ではこのうち. 有効活用並びに長寿命化が求められている．. コンクリートの材料的見地からみて最も基本的な性能. さらに加えて，高度経済成長期以降の十数年間に建. である構造安全性について考慮する．このとき，劣化. 設された RC 構造物は耐久性上の問題を抱えている．. 要因としてはコンクリートの初期性能を示す圧縮強度，. 社会資本ストックの大量需要による大量生産の必要性. 塩化物量と経過に伴う劣化を示す中性化，鉄筋腐食を. から建設ラッシュが発生し，その結果コンクリート材. 対象とする．性能低下率 D はこれらの劣化要因を対象. 料の品質の低下や施工不良などを引き起こした背景を. として以下の式(2)のように表される．. もつ．これらの RC 構造物はこれまでも早期劣化を引. D = kcsdcs + kcldcl + kcadca + kcodco. (2) kcs，kcl，kca，kco：圧縮強度，塩化物量，中性化，. き起こし社会問題（最近の事例では 1999 年山陽新幹線. 鉄筋腐食に関する重要度係数. トンネル内のコンクリート剥落事故）となってきており，現在供用されている RC 構造物の耐久性には不安. dcs，dcl，dca，dco：圧縮強度，塩化物量，中性化，. が残っている．しかし，竣工後数十年を経過してもな. 鉄筋腐食に関する劣化グレード. お健全な状態にある建築物が多く存在するのも事実で. ここで，各劣化要因の劣化グレードは圧縮強度の場. ある．したがって，これらの RC 構造物の建替えが必. 合は設計基準強度に対する評価として，塩化物量，鉄. 要であるか補修で十分かを合理的に判断するには，こ. 筋腐食は絶対値に対する評価として，中性化はかぶり. の時代の社会背景を考慮した戦略的なストックマネジ. 厚さに対する評価として，それぞれ下記のように表さ. メントを実施することが不可欠である．. れる（後出図-3 参照）．. 本研究では RC 構造物の劣化度を竣工後から現在，. （圧縮強度）.   dcs = gcs fcs   Fc   . (3). （塩化物量）. dcl = gcl( fcl). (4).   dca = gca fca  x 0    . (5). dco = gco( fco). (6). 将来にわたって総合的に評価可能な手法の開発について検討したものである．具体的には，劣化度の進行予測関数（性能低下率予測関数）を演繹的に導出し，その関数の妥当性を実構造物の調査結果を基に検証した．（中性化）（鉄筋腐食）. 2．性能低下率予測関数 1)性能低下率. gcs，gcl，gca，gco：圧縮強度，塩化物量，中性化，鉄. RC 構造物が時間の経過に伴って性能低下を生じる. 筋腐食に関する劣化グレード関数. 場合，個々の劣化現象が単独に進行することは少なく，. fcs：圧縮強度 (N/mm2)，Fc：設計基準強度 (N/mm2). 複数の劣化が並行して進行することが多い．したがっ. fcl：塩化物量 (kg/m3). てこれらの劣化要因を総合的に評価する尺度として与. fca：中性化深さ (cm)，x0：かぶり厚さ (cm). えられる性能低下率は，式(1)のように個々の劣化要因. fco：鉄筋の腐食減量 (%). の劣化グレードに重みとして重要度係数を乗じた値の. これら各劣化要因のの劣化グレードを代入すること. 38-1.

(2) (7). 2)各劣化要因に及ぼす竣工年と経過年数の影響前節で示した各劣化要因に対する時間の影響は，竣. (1977年) 細骨材中の塩分含有量規制 (1986年) コンクリート中の塩化物総量規制. 塩化物量 fcl.  fcs   fca   D = kcsgcs  + kclgcl( fcl) + kcagca + kcogco( fco)  Fc   x0     . 圧縮強度 f cs 圧縮強度/設計基準強度. により，式(2)は以下の式(7)で表される．. 工年 t’と経過年数 t の影響に大別される．前者は建設. 竣工年 t’ （年）. された年代の時代背景に主として影響される場合であ. 竣工年 t’ （年）. 図-1 圧縮強度，塩化物量と竣工数の関係. り，圧縮強度と塩化物量が該当する．例えば圧縮強度中性化深さ fcs. ないと考えられ，図-1 に示すように竣工年が新しいほど圧縮強度の設計基準強度に対する圧縮強度比は大きくなる傾向にある 1)．また塩化物量は細骨材中の塩分含有量が規制された 1977 年をピークにそれ以後減少. 0. し，さらに 86 年のコンクリート中の総量規制以後は規. 塩化物による腐食中性化による腐食. 0. 経過年数 t （年）. 経過年数 t （年）. 2). 制値である 0.3kg/m 以下で推移する傾向にある．. 図-2 中性化深さ，鉄筋の腐食減量と経過年数の関係. し，基本的に竣工年に影響されない場合である．中性化と鉄筋腐食がこれに該当する．例えば中性化には中性化速度係数が圧縮強度の影響を受けるなどの間接的影響はあるが，基本的に経過年数の平方根に比例して進行する．鉄筋腐食に関しても，中性化 3)または塩化物に起因する場合 4)，さらには両者が同時に起こる場. 圧縮強度の劣化グレード dcs. 一方，後者は竣工後の時間の経過にともなって進行. 1.0. 0.5. 0 0. 合など複雑となるが，基本的には経年とともに進行す. fcs(t') = acst'+bcs. (8). fcl(t ') = aclt '+b. (9). fca (t ) = aca t = aca ( fcs ) t. (10). 1.0. 0.5. 0 0. fco(t ) = aco1t + aco2 (t −t 0)  2 t −  x0   aca( fcs)   . 0.5. 0 0. 鉄筋腐食の劣化グレード dco. 下の式で与えられる．. 中性化の劣化グレード dcl. を反映して，竣工年 t’及び経過年数 t の関数として以. 1.0. 1.0 0.85 圧縮強度/設計基準強度 f cs. る．したがって，それぞれの劣化要因は上記相互関係. = aco1( fcl, fcs, x0)t + aco2( fcs, x0). 中性化が鉄筋位置に達するまでの期間塩化物と中性化による腐食. 0 0. 塩化物量の劣化グレード dcl. 3. 鉄筋腐食減量 f co (%). 中性化速度係数：C=A×t 0.5 ただし， C：中性化深さ A：中性化速度係数. は，極端な劣化が生じない限り，経年とともに低下し. 0.3 0.5 0.7 中性化深さ/かぶり厚さ fca. 0.6 1.2 塩化物量 fcl (kg/m3). 1.0. 0.5. 0 0 1.0 6.0 鉄筋の腐食減量 fco (%). 図-3 各劣化要因における劣化グレード関数示すように階段状で表されることが多い 5)6)が，本来は. (11). 同図に実線で示したように連続的に与えるべきものを. t’：竣工年（西暦年），t：経過年数（年）. 算定作業の簡略化のために階段状に設定していると解. acs,bcs ：圧縮強度近似式の係数と切片. 釈すべきである．本研究では劣化グレードを連続関数，. acl,bcl ：塩化物量近似式の係数と切片. すなわち劣化グレード関数で表し性能低下率予測関数. 0.5. aca. ：中性化速度係数 (cm/年 ). に用いた．その際，得られる劣化グレードが文献で示. aco1. ：塩化物に起因する鉄筋腐食速度 (%/年). される値よりも必ず安全側になるように劣化グレード. aco2. ：中性化に起因する鉄筋腐食速度 (%/年). 関数を設定した．. t0. ：中性化が鉄筋位置まで達する時間 (年) 4)性能低下率予測関数. 3)劣化グレード関数. 前節までの検討により，性能低下率予測関数 D は以. 先に述べた劣化グレードは，一般的に図-3 の破線で. 下の式(12)で表される．. 38-2.

(3)  acst '+bcs   aca( fcs )  t  + kclgcl (aclt '+ bcl ) + kcagca  Fc   x0  2   x0    + kcogco aco1( fcl , fcs , x 0 ) t + aco 2( fcs, x 0 ) t −      aca( fcs )     (12). D (t ' , t ) = kcsgcs. 腐食減量の和となるものとして算定する（式(18)(19)）．尚，それぞれの要因における係数内の値については平均値から±1.64σの範囲までのデータを各劣化要因内の係数に考慮した． [中性化 8]]. 5)性能低下率予測関数の係数. fca (t ) = x0. (W/C≦60%). fca (t ) 4.6 ( w / c' ) − 1.76 t = x0 x0 7 .2. ここでは，式(12)で表された性能低下率予測関数の各劣化要因内のそれぞれの係数について検討する．まず，竣工年 t’に依存する劣化要因について，圧縮強度は図-4 に示す既存建築物のコンクリートコア強度. (塩化物に起因する鉄筋腐食 4)). うに圧縮強度は 1970 年代以前のものに一部圧縮強度. fco(t ) = aco1( fcl, fcs, x0)t. が設計基準強度を下回るものが存在するがわずかであ. (50%≦(W/C)≦55%) [{0 .2085 (W / C ) −7 .7754 }( fcl ( t ')) ] x0 −0 .5 aco1 = 0.0926e. る．塩化物量については，図-5 に示すように塩害に関する実態調査データ 7)より塩化物量の許容限度が規定で回帰した式(16)で表す．このとき 1986 年以後の塩化. 3.0. [圧縮強度 ] fcs(t') = 0.0039t'-6.19 ± 1.64σ Fc. (σ=0.37). (15). 圧縮強度/設計基準強度 (fcs /Fc). 物量は規制量 0.3kg/m3 を一定に推移するものとする．. 2]. [塩化物量 7)]. fcs /Fc =-6.1938+0.003897t' R=0.0657. 2.5 +1.64σ 2.0 1.5 1.0 -1.64σ 0.5. σ=0.37 0.0. (1960-1976) f cl (t ') = 0.0822t'-160.95 ±1.64σ. 1950. (σ=0.708). (1977-1986). 1955. 1960 1965. f cl (t ') = 0.3 ±1.64σ. (σ=0.503). 1975. 1980 1985. 1990. 図-4 竣工年 t’と圧縮強度(fcs/Fc)の関係. (σ=0.503). 3.0. 次に，竣工後の経過年数 t に依存する劣化要因にお (17)により評価した．中性化速度係数は種々の条件により影響を受けるが，本研究では養生条件 9)（標準養 10). の影. 響ついて考慮する．仕上げの影響については今後の検. 2.4. 1977年規制実施. 1986年規制実施. fcl=-0.1285t'+255.41 R=0.49. σ=0.708. 3. 塩化物量 fcl (kg/m ). いて，中性化の経年による劣化は岸谷式 8)を用いた式. 生・無養生）及び設計基準強度 Fc の時代変遷. 1970. 竣工年 t'（西暦年）. (16). f cl (t ') = 0.1285t'-255.41± 1.64σ. (1987-). (18). (55%＜(W/C)≦65%) [{0 .0387 (W / C ) +1.5733 }( fcl ( t ')) ] x 0 −0 .5 aco1 = 0.0926e. された 1977， 1986 年を境とするそれぞれの前後の期間. 約 90%）を各劣化要因内の係数に対応させた．. (17). [鉄筋腐食]. の調査データを回帰した式(15)で表す．同図に示すよ. れの回帰線から±1.64σの範囲までのデータ（全体の. t x 0 0.3(1.15 + 3( w / c' )). W/C：水セメント比 (%)，w/c’＝(W/C)/100. 2). 尚，強度，塩化物量ともにばらつきを考慮してそれぞ. ( w / c' ) − 0.25. (W/C≧60%). 討課題とした．中性化速度とかぶり厚さはそれぞれの. 1.8. 1.2. +1.64σ +1.64σ fcl=0.082245t'-160.95 R=0.41. 0.6. ばらつきについても考慮した．鉄筋腐食の進行については，塩化物に起因する場合，中性化に起因する場合，両者が相互に作用する場合に分類して評価した．ただし，両者に起因する場合の鉄筋腐食減量は式(11)で示されるように塩化物及び中性化によるそれぞれの鉄筋 38-3. σ=0.503. -1.64σ. 0.0 1960. 1965. -1.64σ. 1970. 1975. 1980. 竣工年 t'（年）. 図-5 竣工年 t’と塩化物量 fcl の関係. 1985. 1990.

(4) 設計基準強度：18. (中性化に起因する鉄筋腐食 11))  x0    aca . 2. fco(t ) = 0.44 + 0.26 t − . (塩分混入ｺﾝｸﾘｰﾄ) fco = 0.20 + 0.41 t −  x 0   aca . (19). 2. ここで，上記のように決定した各係数を用いた劣化予測関数と実際の RC 構造物の劣化との対応を，国内の公営集合住宅の耐久性調査結果のデータより検証す. 塩化物による腐食減量 fco1 (%). (通常のｺﾝｸﾘｰﾄ). 18∼21混在. 12 x0，fcl(t'，+1.64σ). 9. x0(-1.64σ) fcl(t'，+1.64σ). x0(+1.64σ) fcl(t'，+1.64σ). 6. x0(-1.64σ)，fcl(t') x0，fcl(t'). 3. x0(+1.64σ)，fcl(t'). 0. る．尚，同データには先の係数の決定に用いたデータ. 1960. は含まれていない．図-6 及び 7 は仕上げのないコンク. 1965. 1970. と式(17)及び(18)より得られる劣化進行の予測値を比. 35. 数の決定に用いたデータにより決定したものを適用し. 化の総和によって表される性能低下率予測関数は既存. 竣工年：1960. 30 性能低下率 D. ていることは明らかである．したがって，これらの劣 RC 構造物の劣化を評価する手法として妥当であると. 1985. 竣工年：1970. 竣工年：1965. 竣工年：1975. 竣工年：1970. 25. 竣工年：1975 竣工年：1965. 竣工年：1980. 20. 竣工年：1980. 竣工年：1985. 15. 竣工年：1960. 10 竣工年：1985. 5. いえる．. 0 1960. 1970. 1980. 3.性能低下率予測関数の適用例ここに，性能低下率予測関数の適用例を示す．図-8 は 1960 年から 1985 年まで 5 年毎に竣工された平均的. 1980. 図-7 腐食減量 fco と実構造物調査データとの対応. 較したものである．尚，各図中の標準偏差も，先の係. まで含めて本研究で示した方法により適切に評価でき. 1975. 竣工年 t'（年）. リート部材の中性化と塩化物による腐食減量の測定値. ている．両図より，既存 RC 構造物の劣化がばらつき. 設計基準強度：21 ※ 2000年時点における腐食減量 fco1. 1990 2000 2010 竣工年 t' （年）. 2020. 2030. 図-8 性能低下率予測関数の進行 4．まとめ. で良好な RC 構造物について竣工後の経過年数に伴う. 本研究は RC 構造物の劣化度を現状から将来にわた. 性能低下率の進行を予測したものである．同図から，. って総合的に評価可能な性能低下率予測関数を演繹的. 1970 年代に建設された RC 構造物の性能低下率が最も. に導出し，その関数の妥当性を実構造物データを基に. 大きな値をとることがわかる．したがって，この時代. 確認した．. に建設された RC 構造物の建替え・補修を優先すべき. 《参考文献》. であると判断できる．. 1)益尾潔他:一般地域の既存建物と地震被災建物におけるコンクリートの圧縮強度，コンクリート工学年次論文報告集,Vol.21,No.2,1999 2)建設省:コンクリート構造物耐久性調査検討委員会の提言,2000.12. （設計基準強度の変遷）設計基準強度:18. 6.0. 設計基準強度 :18∼21 混在. 3)友澤史紀他:中性化および鉄筋腐食速度にもとづく鉄筋コンクリートの. 設計基準強度：21. 速度論的耐久性調査予測手法に関する予備的考察,日本建築学会大会学術講演梗概集,1985.10. ※2000年時点における中性化深さ fca. 4)松林祐二他:塩化物を含んだコンクリート中の鉄筋腐食速度に関する. 無養生＋1.64σ. 4.0. 無養生. 3.0. 標準養生. 6)国土交通省総プロ:長期耐用都市型集合住宅の建設・再生技術の開. 2.0. 標準養生−1.64σ. 7)友澤史紀他:鉄筋コンクリート造建築物の塩害実態調査,建築研究報告，. 中性化深さ fca (cm). 5.0. 屋外暴露試験,日本建築学会構造系論文集,第 536 号,2000.10 5)建設大臣官房技術調査室:鉄筋コンクリート造建築物の耐久性向上技術,技報堂,1986.6 発,平成 12 年度報告書,2001.3 No.118，1988.11. 1.0. 8)岸谷孝一:鉄筋コンクリートの耐久性,鹿島建設技術研究所出版部,1963. 0.0 1960. 9)日本建築学会:暑中コンクリートの施工指針(案)・同解説,2000. 1965. 1970. 1975. 1980. 1985. 竣工年 t'（西暦年）. 図-6 中性化深さ fca と実構造物調査データとの対応. 10)坂巻健太他:既存鉄筋コンクリート造建築物のコンクリート強度に関する研究,日本建築学会大会学術講演梗概集,2001.9 11)福島敏夫他:鉄筋コンクリート構造壁の高分子仕上塗材の中性化抑制機能とその劣化機構,建築研究報告,No.127,1990.8. 38-4.

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