コンクリート工学年次論文集，Vol.35，No.2，2013

論文

中間定着部を用いたプレストレス導入工法に関する実験的検討
三本竜彦*1・溝垣道男*2・山根隆志*3・吉武

勇*4

要旨：既設コンクリート構造物の内部補強や新旧部材の一体化を実現する方法として，中間定着部を有する
プレストレス導入工法を考案した。本稿ではその構造概要および中間定着部の構築方法を報告する。中間定着部の耐荷性能を調べるため，φ23mm の PC 鋼棒を使用した実大供試体による載荷実験を行った。その結果，
中間定着部は SBPR930/1080（丸鋼 B 種 1 号）の規格破断荷重を上回る耐荷性能を有すること，中間定着部における PC 鋼材の引抜力に対する抜け出し量は，内部くさび効果が作用するため急激に増加することがないことを確認した。
キーワード：定着，拡径削孔，内部くさび，プレストレス，補強部材周辺に補強材配置空間が必要

1. はじめに打継目がRC構造のため，PC構造に比べひび割れが発生しやすい

これまで多くのコンクリート構造物が，人々の安心・安全を守り，生活や暮らしを向上させるための社会資本Aとして建設されてきた。今後は，持続可能な社会を構築していくために，これまでに建設してきたコンクリート構造物を，ニーズの変化に応じて補強・改良し，有効利A エポキシ樹脂で定着した鉄筋増杭用していくことが求められている。
既設コンクリート構造物を補強する場合，一般に，鋼A-A 断面図

板や連続繊維シートを部材外に補強材として配置する
方法，コンクリート断面を増厚する方法，部材外に配置した緊張材によりプレストレスを導入する方法等がある 1)。これらはいずれも補強しようとする部材の周辺に多数の削孔が必要となる

補強材を配置する空間が必要になるため，周辺環境条件a)基礎構造物を補強する場合やコスト，技術的な問題等により実施が困難であるケー

図－１b)部材の追加を行う場合

既設構造物を補強・改良する場合の問題点

スが少なくない（図－１a）。
また，既設コンクリート構造物に新たにコンクリート部材周辺に補強材配置空間が不要場合，コンクリート部材同士の接続はエポキシ樹脂等によって既設コンクリートに定着した鉄筋を用いた RC 構
補強PC鋼材造による接続とすることが一般的である。この構造では，プレストレスにより，ひび割れ抵抗性が向上
大きな曲げモーメントが発生する部分を打ち足して部材を追加することがあるが，このような既設コンクリートに鉄筋を定着するため多数の削孔が必要となることがあり，既設鉄筋を避けた位置への削孔が困難となる場合がある。さらに，耐久性の観点から弱A

A

補強PC鋼材

エポキシ樹脂で定着した鉄筋
A-A 断面図点となりやすい打継ぎ部が RC 構造であるため，PC 構造に比べひび割れが生じやすい（図－１b）。
本研究では，既設コンクリート内部を拡径削孔し，埋設した（以下，中間定着と表記）PC 鋼材を用いてプレストレスを導入することで，既設構造物の内部補強あるい削孔数の減少a)基礎構造物を内部補強する場合は新旧部材の一体化を図る工法を考案した。この工法の図－２

主な特長を以下に述べる（図－２）。
*1 極東興和(株)事業本部事業推進部技術企画課課長代理*2 極東興和(株)事業本部事業推進部技術企画課課長*3 極東興和(株)事業本部事業推進部*4 山口大学大学院

理工学研究科准教授

博(工)

(正会員)

-1357-

中間定着したプレストレス導入工法の利点(正会員)

部長b)部材の追加を行う場合

既設コンクリート

セグメント

先端リング

リングナットPC鋼材

シャフト

ケーシング充填材
写真－１

拡径ビット

A

先端リング
シャフト

拡径削孔部
図－３
(1)

中間定着部の構造

削孔，緊張に必要な作業空間が確保できればプレストレスによる部材補強が可能であり，部材(2)

A周辺に追加部材を設置する空間が不要である。

(1) 拡径ビット挿入時

新旧コンクリートを一体化する場合，プレストセグメント
ケーシングレスにより樹脂アンカー本数を少なくできる。
(3)

B

新旧コンクリートの打継目にプレストレスが作用するためひび割れ抵抗性が向上する。

本報では，中間定着部を有するプレストレス導入工法
Bの概要を述べるとともに，中間定着部の耐荷性能を調べ(2) 拡径削孔時るため実施した実大供試体による載荷実験により得られた知見を報告する。

C

2. 工法の概要
2.1 中間定着部の特徴
本工法ではコア削孔した既設コンクリート内に挿入Cした PC 鋼材の先端部を固定するため，図－３に示す中(3) 削孔終了(拡径ビット回収)間定着部を構築する。中間定着部は削孔した既設コンク

セグメント

シャフト

リート，リングナットを装着した PC 鋼材，中間定着部の既設コンクリートと PC 鋼材の空隙部に注入する充填材で構成され，中間定着部の既設コンクリートは定着構造をコンパクトにするため，円錐台と円筒を組み合わせA-A断面た形状で拡径削孔している。この削孔形状により，PC
図－４

鋼材に緊張力が作用した際に充填材がコンクリート内B-B断面(4) 断面図

C-C断面

拡径ビット概要図で“内部くさび”の役目を果たし，引抜力に対して抵抗する効果が期待できる。

ャフトの形状に応じて外周へ徐々に押し出され，コンク

2.2 拡径削孔方法

リート内部に円錐台と円筒を組み合わせたダクトを形

拡径削孔は写真－１に示す専用の拡径ビットを用い成するように拡径削孔する（図－４）。先端リング付近て行う。拡径ビットはコンクリート面を削るセグメントのシャフトには膨らみがないため，ケーシングを先端まを取り付けたケーシングと，先端リングと結合したシャで押し込むと，拡径削孔前のビットと同様にセグメントフトから構成されており，シャフトの外径は途中が野球をケーシング内に格納することが可能であり，削孔後にバットに類似した膨らみを有する形状となっている。コ

拡径ビットを引き抜いて回収することができる構造とア削孔部に挿入したビットの先端リングが削孔先端になっている。

達した後，ケーシングを回転しながらさらに奥に押し込

拡径ビットによる削孔形状を確認するため，拡径削孔むことで，ケーシング内に格納しているセグメントがシ後の内部に型取り材を充填して硬化させたサンプルを-1358-

せん断抵抗接着や摩擦による抵抗
緊張
接着や摩擦による抵抗

リングナットa) 緊張初期の荷重伝達機構

写真－２

拡径削孔形状
拡径削孔

内部ひび割れ摩擦による抵抗緊張既設コンクリート

摩擦による抵抗(1) コンクリートコア削孔(最深部の拡径削孔)
PC鋼材

充填材

モルタル(くさびとして抜け出しに抵抗)(2) PC鋼材挿入・先端部のモルタル充填

リングナットb) 内部ひび割れが生じた後の荷重伝達機構

図－６

緊張新設コンクリート(3) 新設コンクリート打設・緊張

中間定着部の荷重伝達機構と充填材の機械的なかみ合いによって生じる充填材のグラウト

せん断抵抗と，充填材と PC 鋼材や既設コンクリートの接着や摩擦による抵抗によって，緊張力が既設コンクリートに伝達する 2)。このうち充填材の接着による抵抗は(4) グラウト施工

図－５

相対ずれが生じた時点で喪失すると考えられ，その後は施工手順

充填材のせん断抵抗と摩擦抵抗により荷重を伝達する。
緊張による引抜力が増加して充填材に内部ひび割れ

写真－２に示す。

が生じた b)の状態においては，リングナット前面の充填2.3 施工手順

材がコンクリート内で“内部くさび”となって，PC 鋼材

本工法の施工手順を以下に示す（図－５）。
(1) 既設コンクリートにコア削孔した後，最深部を拡径の若干の抜け出しを伴いながら引抜力に抵抗する。このとき充填材の円周直角方向には圧縮力が作用するため，削孔する。
(2) リングナットを装着した PC 鋼材先端を充填材によ充填材と PC 鋼材や既設コンクリートの摩擦による抵抗も増加する。

り固定する。

このように複雑な荷重伝達機構を有すると推定され(3) 部材増設の場合は，新設コンクリート部材を施工する中間定着部の耐荷性能を把握するため，実大サイズのる。
(4) 中間定着部の充填材および新設コンクリートの強度が所定の値に達した後に，PC 鋼材を緊張する。

要素試験体を用いた載荷実験を実施した。
3.2 材料および試験体形状(1)(5) PC 鋼材周辺にグラウトを充填し，PC 鋼材の防錆おPC 鋼材

本実験では，既設構造物への適用を踏まえてφ23mmよび部材との一体化を図る。の PC 鋼棒を使用した。用いた PC 鋼棒は JIS G 3109 に適
3. 中間定着部の耐荷性能実験合する種類のうち，引張強さおよび降伏耐力が最も高い

3.1 中間定着部の荷重伝達機構

SBPR1080/1230（丸鋼 C 種 1 号）である。
(2)

中間定着部の荷重伝達機構は，緊張力の増加によって削孔形状標準のコア削孔部の削孔径は，PC 鋼棒の挿入や防錆の以下のように推移するものと予測される（図－６）。
引抜力の小さい緊張初期の状態 a)では，リングナットためのグラウト充填等を考慮してφ42mm とした。拡径-1359-

削孔部は拡径ビットで削孔可能な形状とし，内部くさび表－１

形状に影響する円錐台削孔部はφ70mm への削孔径変化

プレミックス材

水

圧縮強度（実測）を 100mm の長さで削孔する形状とした。φ70mm 一定径

25kg/袋3.0kg/袋100.0N/mm2の区間は 50mm の長さとしたが，これはリングナットか高強度モルタルの配合，圧縮強度※ 配合はモルタル 1 袋あたりの数量を示す

ら伝達される充填材の圧縮力分布が 45°で分布すると中間定着部(要素試験体)詳細
42PC鋼棒 φ2323モルタル仮定したとき，円錐台の削孔面に圧縮力（支圧力）が有500効に作用するように定めたものである（図－７）。
コンクリートブロック

外径に対し，挿入時の余裕を考慮してφ38mm とし，ナ5 30ットの高さは 30mm とした。なおリングナットの材質は
SS400 である。
PC 鋼棒と既設コンクリート部材は充填材を介して一リングナットから45°の圧縮力分布線

3870

リングナット

充填材

1000(4)1004250

鋼棒に装着するリングナットの外径はコア削孔部のねじ加工

リングナット115100(3)する必要があることから，充填材に用いるモルタルには500体化すること，また拡径削孔した定着部に隅々まで充填プレストレスを伝達しうる強度のほか，流動性，無収縮1性，ノンブリージングといった性能が求められる。その1ため本試験では一般的に使用されている設計基準強度

7050N/mm2 相当のモルタルではなく，SD685 等の高強度鉄

図－７50 100

中間定着部

500
１－１断面

供試体形状（単位：mm）

筋用モルタル充填継手の充填材として開発された設計
基準強度 100N/mm2 の高強度モルタルを使用した 3)。こ

表－２のモルタルはセメント，混和剤，細骨材をあらかじめ混材

コンクリートブロックの配合と力学物性

料

種

単位量（kg/m3）

類合された材料に水を加えて練り混ぜるプレミックスタ

水

地下水

151

イプであり，現場で安定した品質が確保可能な無収縮性セメント

早強セメント419の高強度モルタルである。モルタルの配合および載荷試

細骨材

島根県江津産732

験時の圧縮強度（材齢 8 日）を表−１に示す。

粗骨材

島根県江津産1049

3.3 供試体

混和剤

高性能減水剤

3.35

本実験で用いた実大供試体の概要を図－７に示す。供

圧縮強度（実測）：52.2N/mm試体は中間定着部を模した要素試験体とコンクリートヤング係数（実績）：33.8～36.3kN/mm22ブロックで構成している。本実験では荷重伝達における重要な要素である充填材に先行してひび割れが生じる状態を対象としたことから，PC 鋼棒を中間定着するコン

センターホールジャッキ(最大能力：700kN)
変位計

センターホール
ロードセル(容量：500kN)

変位計（PC鋼棒）

500

クリートブロック（0.5m×0.5m×1.0m）には，定着部の引抜力に対して充分な強度を確保し，またジャッキの反力台として充分な剛性を得るため，表－２に示す設計基

支圧板 200×200 t=25
支圧板 125×125 t=252

準強度 50N/mm のコンクリートとした。なお，ブロックの中心にはコンクリート打設前に削孔を模したダクト

図－８

1000

変位計
（充填材）

載荷試験方法（単位：mm）（φ42mm～φ70mm）を設置した。
充填材の拡径部への充填は，鉛直方向へのプレストレ
ス導入を想定して中間定着部が下となるようにコンクり付け，削孔中心に鋼棒を配置できるように固定した。
3.4 実験方法

リートブロックを立てた状態で実施し，PC 鋼棒の挿入前荷重載荷は実際の施工と同様に，緊張端に設けたセンに注入ホースをダクト内に配置して上面から自由充填ターホールジャッキ（最大能力：700kN）により PC 鋼材させた。モルタルを充填した後，リングナットを装着しにプレストレスを導入する方法で中間定着部に引抜力た PC 鋼棒をダクト内に挿入し，屋外で 8 日間静置してを作用させた（図－８）。載荷は PC 鋼棒の降伏耐力養生した。なお PC 鋼棒には実施工を想定してロックボ（448.7kN）まで緊張力を漸増する単調載荷とした。PC

ルト用のちょうちん型スペーサーを孔内の２箇所に取鋼棒に導入した緊張力はジャッキとコンクリートブロ-1360-

ックの間に設置したセンターホール型ロードセル（容500量：500kN）により計測した。

450400量を求めるため，図－８に示す 3 箇所に変位計を設置し350

緊張力(kN)

また PC 鋼棒の伸びと中間定着部の PC 鋼棒の抜け出した。PC 鋼棒の抜け出し量は中間定着部の鋼棒先端と充填材の 2 箇所の計測値の差から求め，PC 鋼棒の伸びはセン300
250200ターホールジャッキのストローク伸び計測値から PC 鋼150棒の抜け出し量を差し引いて求めた。

1003.5 実験結果

50鋼棒抜け出し量
鋼棒伸び0PC 鋼棒の緊張力と伸びの関係，緊張力と PC 鋼棒の抜

0510伸び，抜け出し量(mm)け出し量の関係を図－９に示す。
PC 鋼棒の伸びは緊張力が 400kN に達するまではほぼ

図－９

15

緊張力-伸び，緊張力-抜け出し量の関係

線形挙動を示したが，それ以降は明瞭な降伏点を示さず，伸びが増加する PC 鋼材特有の非線形挙動を示した。土

撮影

木学会のコンクリート標準示方書 4)に従い求めた PC 鋼棒の比例限界は 429kN であり，試験結果は概ね一致する。

PC鋼棒

緊張力が 230kN を超えたあたりから PC 鋼棒の抜け出しが観察されたが，抜け出し量が急激に増加することはなく，緊張力の増加と比例して安定して増加する傾向を示した。このため，中間定着部の荷重伝達機構は PC 鋼棒の抜け出しが生じた後も有効に機能するものと判断される。

写真－３

PC 鋼材の緊張力が降伏耐力を超える 449.6kN まで達PC 鋼棒抜け出し状況(除荷後)しても中間定着部は破壊に至らなかったことから，その時点で試験を打ち切り，緊張力を開放した。PC 鋼棒の最境界面のひび割れ

大抜け出し量は 1.4mm であった（写真－３）。
載荷試験後，供試体を PC 鋼棒配置方向に切断し，中PC鋼棒間定着部のひび割れ発生状況を確認した（写真－４）。
充填材の内部ひび割れはリングナット周辺に多く発生しており，ひび割れ幅が 0.5mm 程度の比較的大きいひび
割れはリングナット前面に作用する支圧分布と一致する方向に発生している。このことから，リングナットと充填材充填材の機械的なかみ合いが中間定着部の荷重伝達に内部ひび割れ
リングナット大きく寄与していることがわかる。またコンクリートと
写真－４充填材の境界面に微細なひび割れの発生がみられたこ

中間定着部切断状況とから，PC 鋼材の安定した抜け出しを伴いながら引抜力に抵抗する挙動を示したのは，充填材の一部がコンクリ荷重値に耐えることが要求されている。研究対象の中間ートとずれを生じながら内部くさびとして有効に機能定着構造は一般的な定着具を使用せず，PC 鋼棒とリングしたものと推察される。

ナット，モルタルで構成する定着構造であるが，コンク以上の結果から，本試験で用いた PC 鋼棒φ23 の中間リート標準示方書の規定に準じて適用性を考察した。
本試験で用いた PC 鋼棒φ23mm の中間定着構造は最定着構造は SBPR1080/1230（丸鋼 C 種 1 号）の降伏耐力

大荷重 449.6kN まで破壊しないことを確認したが，この以上の耐荷性能を有することが確認できた。

最大荷重は SBPR930/1080（丸鋼 B 種 1 号）の規格引張荷重値（表－３）を上回る荷重である。したがって，実4. 中間定着部の適用性について
5)

土木学会のコンクリート標準示方書 では，ポストテ構造物においては SBPR930/1080（丸鋼 B 種 1 号）やンション方式のプレストレストコンクリートに使用すSBPR785/1030（丸鋼 A 種 2 号）の鋼材を使用することで，る定着具の性能として，緊張材の規格に定められた引張定着部に求められる性能を満足することができる。

-1361-

表－３
5. 水平方向施工への適用性について

PC 鋼棒φ23mm の規格値

記号（種類）

降伏耐力

引張荷重

先述の実験では PC 鋼材を鉛直方向に配置したケース

SBPR785/1030（丸鋼 A 種 2 号）

326.1kN

427.9kNを想定して検討したが，PC 鋼材を水平方向に配置するケSBPR930/1080（丸鋼 B 種 1 号）

386.4kN

448.7kNースにおいては，注入した充填材が重力によって拡径部

SBPR930/1180（丸鋼 B 種 2 号）

386.4kN

490.2kNの外に流出するのを防止するためのパッキン等を設置

SBPR1080/1230（丸鋼 C 種 1 号） 448.7kN

511.0kN

しなければならない。充填材の注入が PC 鋼材配置前に可能である鉛直方向施工とは異なり，水平方向施工ではパッキンパッキンを取り付けた PC 鋼材を配置した後に充填材を注入することが基本となる。
PC 鋼材配置後に充填材を注入する場合，注入に使用するパイプは PC 鋼材のクリアランスを考慮するため，最大径を 9mm 程度とする必要があり，モルタルでは注入注入パイプが困難となることが予想された。そこで水平方向施工の(1)注入開始時場合にはパイプ径が 9mm 程度であっても注入が可能であるエポキシ樹脂を充填材に使用することを検討した。
拡径削孔形状に加工した透明アクリルパイプを使用しエア溜まりた充填状況の確認実験では，一部未充填箇所が残るものの内部くさびとして機能する円錐台部は良好な充填状況を示した（写真－５）。
ただし充填材は長期に渡り PC 鋼材の引抜きによる支圧力を受けることから，エポキシ樹脂の耐荷性能や長期(2)注入完了耐久性の確認が今後の課題と考えている。
写真－５エポキシ樹脂充填状況

6. まとめ本研究では，拡径した中間定着部の実大供試体による載荷実験を実施し，PC 鋼棒φ23mm を使用した場合にお謝辞：本検討を進めるにあたり，(株)シブヤ，東京ファける中間定着構造の耐荷性能を調べた。本研究で得られブリック工業(株)，(株)モルテン，アオイ化学工業(株)た主な結論を以下に示す。の４社に多大なご協力を頂いた。また日本スプライスス(1) 実大規模の試験体を用いた実験による最大荷重は，リーブ(株)には実験材料を提供して頂いた。ここに記し

SBPR1080/1230（丸鋼 C 種 1 号）の降伏耐力以上でて謝意を表す。

あり，SBPR930/1080（丸鋼 B 種 1 号）の規格引張荷
参考文献

重を上回る耐荷性能を確認できた。
(2) 中間定着部では PC 鋼棒の抜け出しは生じたものの，

1)

割れ調査，補修・補強指針－2009－，2009.3.

抜け出し量は急激に増加することなく，引抜き荷重に応じて線形的に増加する傾向を示した。このこと(社)日本コンクリート工学協会：コンクリートのひび2)

村上雅英，藤達也，窪田敏行：引き抜き試験によより，PC 鋼棒の抜け出しが生じた後も，内部くさびるはり主筋の機械式定着耐力の評価，コンクリート効果により中間定着部の荷重伝達機構は有効に機工学論文集，No.8，Vol.2，pp.1-10，1997.7.

能することがわかった。

3)(3) 水平方向施工における充填材として，注入の観点からエポキシ樹脂の使用を検討し，良好な充填結果が(社)土木学会：鉄筋定着・継手指針[2007 年版]，2007.8.

4)(社)土木学会：2007 年制定

コンクリート標準示方書［設計編］，2008.3.

得られた。
今後は提案した中間定着構造を実構造物に適用する

5)

際に必要となる部材厚や鋼材間隔とコンクリート強度の関係や，設計に使用する諸数値を検証するための実験が必要であると考えている。また施工で生じる誤差等の影響を踏まえた性能確認を実施する必要がある。

-1362-(社)土木学会：2007 年制定
書［施工編］，2008.3.

コンクリート標準示方