論文鋼橋 RC 床版の ASR 劣化に伴うひび割れ発生に関する一考察

(1)

論文鋼橋 RC 床版の ASR 劣化に伴うひび割れ発生に関する一考察

青山實伸

*1

・有馬直秀

*2

・川村満紀

*3

要旨：鋼橋RC床版でASR劣化が進行した場合，床版内部に水平方向のひび割れが発生することが報告されている。この事象を解明するためにRC床版をモデル化してFEM解析を実施した。その結果，コンクリート内部のASR劣化に伴う非膨張層や膨張の活発な層の存在によって，ASR膨張により床版内部の上下方向に引張応力が発生して水平方向ひび割れの発生要因になることが推察された。ASRに伴うひび割れ発生は床版内において非膨脹層と膨張の活発な層が存在することと深く関係し，このASR劣化の特徴を勘案してFEM解析を行うことによって，劣化に伴うひび割れ発生の推定が可能であることを明らかにした。

キーワード：ASR，RC床版，水平ひび割れ，FEM解析

1. はじめに

ASR によって劣化した構造物を適切に補修し維持管理を行うためには，ひび割れ発生の特徴を踏まえた劣化現象を把握することが重要になる。

温度および湿度を正確に管理した条件下における鍵本らの研究

1)

では，ASR膨張はコンクリート内部の相対湿度分布と密接に関係し，高い相対湿度が維持されているコンクリート内部ではASR膨張が継続するが，表面近傍では徐々に相対湿度が低下するので ASR 膨張ひずみが低減することを，大型コンクリート円柱（φ450 mm ^×

900 mm）を用いた実験によって明らかにし，その結果，

コンクリート円柱表面近傍に発生する引張応力により表面ひび割れ（巨視ひび割れ）が生じることを明らかにしている。また，再飽和過程においてはASR膨張が低減した表層よりさらに内部の表面からの深さ約100 mmの中間領域は，それより内部よりASR膨張が活発に進行することを見出している

1）

。著者らは，自然条件下にあった実際の橋脚パラペット部材の切断面におけるひび割れ発生状況やASRゲルの観察，内部の相対湿度の測定を行った結果，鍵本らの研究における表面ひび割れと同様な過程を経て生じたと推察される巨視ひび割れが存在していることを確認している

2）

。これまでに著者らは

3）

，ASR劣化の生じたカルバートの垂直壁端面の無補強コンクリート部材中央部表面の縦方向に生じた幅の大きなひび割れは，ある深さになると約 90° 方向を変えてコンクリート表面に平行に進展することを観察している。そこで，現地における調査結果と鍵本らの研究結果を踏まえた，2次元モデルのFEM解析を実施し，非膨張層と活発なASR膨張を示す中間層の存在が，ひび割れの方向を約90°変化させる事象の要因であることを明らかにした。

ここでは，新たに鋼橋RC床版のASR劣化に伴う水平

ひび割れの発生に関して，RC 床版の立体モデルを作成して，モデルでは非膨張層と活発なASR膨張を示す中間層を設定し，それに基づいて実施した FEM 解析の結果に対して考察を加えた。

2. 鋼橋RC床版の概要とASR劣化 2.1 鋼橋RC床版の概要

検討の対象となるRC床版の構造を図－1に示す。床版は，3m間隔の主桁に支持される床版厚220 mmの鉄筋コンクリート版で，主桁上の版厚は300 mmでハンチが設けられている。床版上面には，75 mm厚のアスファルト舗装が敷設されている。主桁は対傾構よって主桁の面外方向の変形が拘束されている

コンクリート設計基準強度は24 N/mm²である。コンクリートの示方配合を表－1 に示す。支間中央部の床版下側にはD19 mm鉄筋が125 mm間隔，床版上側ではD19

mm鉄筋が250 mm間隔で配置されている。主桁上の支

点部の床版上側にはD19 mm鉄筋が125 mm間隔，床版

下側ではD19 mm鉄筋を，250 mm間隔で配置されてい

る。

図－1 鋼橋RC床版の構造

*1 中日本ハイウエイ・エンジニアリング名古屋（株）金沢支店道路技術部上席調査役博士(工) (正会員)

*2 中日本ハイウエイ・エンジニアリング名古屋（株）金沢支店道路技術部構造技術課係長 (正会員)

*3 中日本ハイウエイ・エンジニアリング名古屋（株）金沢支店特別技術顧問金沢大学名誉教授工学博士 (名誉会員) 表－1 RC床版コンクリートの示方配合水W

(kg)

ｾﾒﾝﾄ C(kg)

W/C (%)

粗骨材G (kg/m³)

細骨材S (kg/m³)

減水剤 (kg/m³)

160 300 53 1,108 750 0.75

コンクリート工学年次論文集，Vol.39，No.1，2017

(2)

図－2 RC床版の圧縮強度の頻度分布

図－4 コアの静弾性係数 /圧縮強度比および静弾性係数と圧縮破壊時最大ひずみとの関係

2.2 鋼橋RC床版のASR劣化 (1) 圧縮強度・静弾性係数

ASR 劣化発生地域とされている富山県内の北陸自動車小矢部IC～朝日IC間にある建設後35～45年経過した13橋梁で，RC床版から径55 mm×長さ約150 mmのコアを採取して求めた圧縮強度と静弾性係数の測定値の頻度分布を図－2および図－3に示す

4)

。

図－2および図－3に示す記号nはコア数，mは測定値の平均値，s は測定値が正規分布とした場合の標準偏差値を示している。圧縮強度の頻度分布の平均値と標準偏差値より設計基準強度24 N/mm²を下回る確率は 3 % と推定される。弾性係数は，道路橋示方書

5)

に与えられている値 2.5×10^-4N/mm²と比較すると低下している傾向にある。

図－4の上段は，コアの静弾性係数/圧縮強度比と圧縮破壊時の最大ひずみとの関係を示す。静弾性係数と圧縮破壊時の最大ひずみの関係をプロットすると下段のような図になる。両者間には比較的良好な相関性があり，静弾性係数が小さくなると圧縮破壊時の最大ひずみは大きくなる。ASR劣化が進行すると微視ひび割れ

1）

が増加し

図－3 RC床版の静弾性係数の頻度分布

図－5 RC床版内部の水分率分布の測定結果

て静弾性係数が小さくなり，微視ひび割れの増加に伴って圧縮破壊時の最大ひずみが増大すると考える。これらの特性値はASR劣化進行程度を示す有効な指標になる。

図より，RC 床版部材においては静弾性係数は低下し，

圧縮破壊時の最大ひずみが増大していることがわかる。

このことは床版では ASR 劣化が進行していることを示している。

(2) RC床版内部の湿度分布

RC 床版は部材厚の小さい構造物であるが，年間を通じて湿度の高い地域では，床版内部の湿度が高いことが報告されている

6）

。建設後40年経過した北陸自動車道の RC床版内部の水分率分布の測定結果を図－5に示す。測定は径3mmの孔を30mm間隔で2本削孔して，深さごとに孔と孔の間の水分率をコンクリート水分計（HI-800）を用いて実施した。図より床版下面の表面付近は水分率が最も小さく，深さ40mm程度まで漸増し，40mm～70mm 間で急増して，それ以深は僅かに増加傾向を示している。

この結果，RC床版内部の約60mm以深は湿度が高くASR 反応が継続する環境にあることが推察される。なお，測定位置の中性化深さは約20mmである。

(3) ASR劣化床版中のひび割れ

RC床版のASR劣化が進行すると水平ひび割れが発生すると報告されている。

小林らは

7）

，山間寒冷地にあった鋼橋RC床版の撤去床版を詳細に調査している。RC床版切断面に観察され y = -0.18x + 1,170

R² = 0.60

0 200 400 600 800 1,000 1,200 1,400

静弾性係数/圧縮強度

y = -0.0005x + 3.5 R² = 0.76

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0

0 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 静弾性係数（×104N/mm2)

圧縮破壊時の最大ひずみ(µ） 0

2 4 6 8 10

24-28 28-32 32-36 36-40 40-44 44-48

頻度

圧縮強度(N/mm²) f'_ck=24, n=13 m=30.1, s=4.4

(N/mm²)

0 2 4 6 8 10

0.8-1.2 1.2-1.6 1.6-2.0 2.0-2.4 2.4-2.8 2.8-3.2

頻度

静弾性係数(×10⁴N/mm²) f'ck=24, n=13

m=20,800, s=5,000 (N/mm²)

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

0 1 2 3 4 5 6

床版下面からの距離（mm）

水分率（%）

(3)

写真－1 RC 床版切断面に観察された多数の水平ひび割れの発生状況

6)

た多数の水平ひび割れの発生状況を写真－1 に示す。水平ひび割れのなかには骨材粒子を貫通しているものもある。これらのひび割れは，ASR劣化と凍害が複合して発生したものであると述べている

7)

。

写真－2は，北陸自動車道の富山県内にある2橋のRC 床版において，舗装面から下方向に採取した径30 mmコアで観察された水平ひび割れを示す。この写真よりA橋ではRC床版上面から100 mm および75 mmの深さで水平方向のひび割れがあったと推察される。骨材周りには反応リムが観察される。B橋では床版上面から 100 mm の深さに複数の水平方向のひび割れが発生している。これらのRC床版では床版内部の中央付近に水平ひび割れが発生しているという特徴がある。

RC床版においてASRが生じた場合には，鉛直方向の拘束力が小さいために水平ひび割れが発生すると報告されている

8)

。

3. 鋼橋RC床版のひび割れ発生に関する考察

本研究におけるRC床版においては，立体FEMモデルを作成し，FEM解析によって床版内部の応力度状態を推定してRC床版において見られる水平ひび割れ発生に関して考察をおこなう。

写真－2 コアで観察された水平ひび割れ

図－7 鋼橋RC床版の解析モデルⅡ

3.1 解析モデル

RC床版の解析モデルを図－6および図－7に示す。橋軸直角方向は図－1 に示す外主桁上から中主桁上間の支間中央の範囲とし，橋軸方向は鉄筋配置間隔を勘案して

125 mmの幅とする。FEM解析における要素分割は図－6

に示すように横断方向の要素は50×20 mmとし，橋軸方向の要素を 50×62.5mmとする。解析の対象となる要素

は2,388となる。鉄筋は図－6の下段に示す実配置より，

125 mm間隔で配置した区間はD19 mm鉄筋を，250 mm

図－6 鋼橋RC床版の解析モデルⅠ（モデルの範囲と要素分割）

S2^面 S1^面

主桁g上 a断面

【A橋】【B橋】

(4)

間隔で配置した区間はD19 mmあるいはD16 mmの鉄筋量の1/2を，表面から40 mmの深さの橋軸方向の要素間にコンクリートと完全付着するという条件で配置する。

他にRC床版の上下に橋軸方向の鉄筋が配置されているが解析上は考慮していない。図－7に示す位置の解析モデルの境界条件を表－2に示す。

RC 床版はアスファルト舗装で覆われているので，上面からの相対湿度の低下はなく，湿度の低下は床版下面からのみ生じると考える。したがってASRに伴う劣化の進行の領域は床版下面から設定する。領域の設定は，劣化状況調査から得られた強度性状および湿度分布の調査結果や，鍵本らの研究

1)

を踏まえて，A～Dの4領域に区分する。劣化が進行した段階では，A領域は非膨張層を想定している。非膨張層の厚さは，これまでに調査した相対湿度分布や著者等が橋脚パラペット部材の切断面で実施した相対湿度調査結果

2）

を参考にして60 mmと設定した。B領域とC領域は膨張の活発な層であり，鍵本らの研究

1)

を参考に80 mmと仮定した。B領域とC領域で

は材料の強度性状が異なる。D領域は，ASR劣化コンクリート体の内部にあって劣化初期の段階から膨張が緩やかに継続することを想定して設定されたものである。B 領域とC領域の膨張量はD領域の膨張量の1.3倍とした。

ここで，FEM解析は ASR劣化進行に伴う非膨張層や活発な膨張層の存在，静弾性係数の低下の経過を勘案して実施した。鍵本の研究

1)

によると，非膨脹層は比較的早く形成され，非膨脹層が形成されたあと膨張の活発な層が形成される。ここでは活発な膨張層が形成された後に内部の劣化が進行し静弾性係数が低下すると仮定し，

図－4を参考にして静弾性係数を設定した。非膨脹層は RC 床版下面から内部に向かって進行し，活発な膨張層も同じように進行すると想定される。

深部の膨張の緩やかな層の膨張量は，著者等が橋脚パ

ラペット部材で実施した調査とFEM解析の結果

2)

，内部

で0.24 %の膨張が生じると鉄筋は降伏し，鉄筋の応力測

定結果290 N/mm²であったことから，膨張ひずみは1,800 µと推定された。橋脚パラペットの静弾性係数は1.18× 10⁴N/mm²，RC床版の劣化が進行した段階の静弾性係数を1.5×10⁴N/mm²としたことから，膨張ひずみは約1,400 µと推定される。BおよびC領域とD領域の膨張量比が 1.3倍であることから，D領域の膨張ひずみを1,000 µに設定する。

FEM解析は，膨張過程と各過程の膨張量を表－3に示すように推定して，全体として9ステップの解析を実施することにした。表－3 に示す各ステップの領域変化と D領域の膨張経過を図に示すと図－8のようになる。なお，FEM解析ソフトはFemap with NEi Nastranを用いる。

3.2 解析結果

図－9は，ステップ6の図－7に示すS2面位置で内部膨張量100μとした場合のFEM解析結果を示す。図－10 はステップ6の解析結果の変位図を示す。S2面のRC床版内部に発生する主応力度は図－11に示すようになる。

図－10より床版のｚ方向の変位は，支間中央で上に反る形で生じている。これは主桁によるx方向変位の拘束とコンクリート内の非膨張層や膨張層の存在によって生じる。図－11 より主応力度は，z（鉛直）方向で引張応力が， x（水平）方向に圧縮応力が生じている。z 方向は非膨張層と膨張層との境界部下側に最大1.7 N/mm²の引張応力度が，また，活発な膨張層と緩やかな膨張層の

表－2 解析モデルの境界条件位置位置 x y z 回転

g上桁上固定固定固定 x,y,z軸自由

S2面端面固定自由自由 x軸自由

表－3 ASR劣化に伴う膨張過程と膨張性状および各領域の層厚や静弾性係数

ステップ膨張状況

各領域の層厚(mm)

静弾性係数 (×10^-4N/mm²)

D領域の膨張ひずみ(µ)

A領域 B領域 C領域 D領域

各ステップのひずみ

累計ひずみ

ステップ 1 一様膨張 0 －－ 220 A～D=3.0 0 0

ステップ 2 一様膨張 20 －－ 200 A～D=3.0 100 100

ステップ 3 一様膨張 40 －－ 180 A～D=3.0 100 200

ステップ 4 一様膨張 60 －－ 160 A～D=3.0 100 300

ステップ 5 活発膨張層40mm 60 40 － 120 A～D=3.0 50 350 ステップ 6 活発膨張層80mm 60 40 40 80 A～D=3.0 50 400 ステップ 7 活発膨張層80mm 60 40 40 80 A&B=3,C&D=2.5 200 600 ステップ 8 活発膨張層80mm 60 40 40 80 A&B=3, C&D=2.0 200 800 ステップ 9 活発膨張層80mm 60 40 40 80 A&B=3, C&D=1.5 200 1,000 ポアソン比：コンクリート0.17，鉄筋0.3

(5)

図－10 膨張量100µとした場合の鋼橋 RC 床版変位図

（z方向：ステップ6）

境界部上側に 0.5N/mm²の引張応力度が発生している。

ｘ方向は非膨張層上側に最大3.7 N/mm²の圧縮応力度が生じている。なお，S2面と図－7に示すa断面との応力度の差は小さい。

鉄筋には上筋で13.8 N/mm²，下筋で6.3 N/mm²の引張応力度が発生している。

3.3解析結果の考察

各解析ステップで膨張層の膨張量が100 µの時の RC 床版内部のz方向に発生する引張応力度を図－12に示す。

ステップ1～4は非膨張層の進行過程の解析結果を示す。

図－11 RC床版内部に発生する主応力度（ステップ6）

ステップ1の解析結果より非膨張層が存在しない場合，

発生する引張応力度は僅かである。非膨張層厚の拡大にともない大きな引張応力度が発生する位置は移動する。

ステップ 4～6 は活発な膨張層の進行過程の解析結果である。非膨張層と同様に引張応力度の発生位置が変化する。ステップ6～9は ASR 膨張の継続による弾性係数の低下過程の解析結果を示す。弾性係数の低下に伴い発生す 0

20 4060 80 100120 140 160180 200 220

1 2 3 4 5 6 7 8 9

各ステップ

D領域 C領域 B領域 A領域 0

250 500 750 1,000

膨張量（µ）

累計値各ステップ

図－8 各ステップの領域変化とD領域の膨張経過

0.50 0.36 0.23 0.10 0 mm

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

-4 -3.5 -3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 RC床版下面からの距離床版下面からの距離床版下面からの距離床版下面からの距離(mm））））

発生主応力度（

発生主応力度（N/mm²)

x方向 z方向

図－9 膨張量100µとした場合の鋼橋RC床版の FEM 解析結果（s2面，ステップ6）

(6)

図－12 RC床版内部の z 方向に発生する引張応力度

る引張応力度は順次低下している。

RC床版のASR劣化進行によってD領域の累加膨張量

が1,000 µに達した段階でのRC床版内部のz方向に発生

する引張応力度は図－13のように推定される。引張応力度は,図－12 に示す各ステップの解析結果に表－3に示す各ステップの膨張量との比を乗じた値の累計値である。

なお，非膨張層の境界部に発生する引張応力度は，境界部の位置が順次移動することを勘案して推定した。

RC 床版内の推定引張応力度は，下側鉄筋付近で 2.9 N/mm²， C領域とD領域の境界部付近で2.3 N/mm²と大きな値を示している。下側鉄筋付近に発生する引張応力は，鉄筋との付着力があることからひび割れ発生に至るリスクは小さいと考える。他方，RC 床版内部には膨張初期の段階から引張応力が発生するため，ASR劣化進展に伴う水平方向の微視ひび割れが発生し，引張応力度の増大と共に振動や疲労劣化の影響が加わることから，水平方向のひび割れ発生に至るリスクが高くなると推察する。なお，鉄筋に発生する応力度は上筋で96 N/mm²，下

筋で43 N/mm²と，大きな引張応力度が発生する。

4. まとめ

RC床版におけるASR劣化をモデル化することによって行ったFEM解析の結果とまとめると次のようになる。

(1) 北陸自動車道においてASR発生地域にあるRC床版は静弾性係数が低下している。

(2) RC床版ではASR劣化が進行すると，床版内部の上下方向に引張応力が発生する。大きい引張応力が発生する位置は，非膨張層と膨張層との境界部下側と活発な膨張層と緩やかな膨張層の境界部上側である。

(3) RC床版内部にはASR膨張初期の段階から引張応力が発生するため，ASR劣化進展に伴う水平方向の微視ひび割れが発生し，引張応力度の増大と共に振動や疲労劣化の影響が加わることから，水平方向のひび割れ

発生に至るリスクが高くなると推察する。

(4) 非膨張層や膨張の活発な層の存在をモデル化した FEMによってASRの劣化事象を定量的に説明することができる。

参考文献

1）鍵本広之，安田幸弘，木下茂，川村満紀：大型コンクリート円柱における ASR 表面ひび割れの発生メカニズム，コンクリート工学論文集，vol.25， pp.201-211，2014

2）有馬直秀，石川裕一，青山實伸，川村満紀：実際の ASR劣化部材におけるひび割れ発生過程，コンクリート工学年次論文集，Vol.35, No.1, pp.979-984, 2013 3）青山實伸，石川裕一，川村満紀：ASR劣化した無補強コンクリート部材の表面ひび割れの進行過程，コンクリート工学年次論文集，Vol.37，No.1，pp.889-894， 2015

4）青山實伸，菊池徹，川村満紀，戎家隆：ASR劣化上部工コンクリート部材の力学的特性，コンクリート工学年次論文集，Vol.38，No.1，pp.466-470，2016 5） (社)日本道路協会：道路示方書，p.87，2012 6） Stark, D: The Moisture Condition of Field Concrete

Exhibiting Alkali-Silica Reactivity, Proceedings of the 2^nd Intl .Conf. on Durability of Concrete, Montreal, Canada, pp.973-987,1991.

7）小林孝一，鹿野裕，六郷恵哲：山間寒冷地における RC床版のASRと凍害による複合劣化の事例とその検証実験，土木学会論文集E2（材料・コンクリート構造），Vol.70，No.3，pp.320-325，2014

8）久保善司，佐古崇，川崎文義，横山広：床版部材の ASR 膨張挙動と FRPシート貼り付けによる膨張抑制，ンクリートト工学年次論文集，Vol.31，No.1， pp.1243-1248，

図－13 D領域の累加膨張量が1,000µに達した段階でのRC床版内部のz方向に発生する引張応力度

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5

床版下面からの距離（ｍｍ）

引張応力度（N/mm²)

D層の累積膨張量1,000μ

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

引張応力度（N/mm²) D 領域膨張量：100 µ

ステップ1 ステップ2 ステップ3 ステップ4 ステップ5 ステップ6

ステップ7&8 ステップ9

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