塩害を受けるコンクリート道路橋の耐久性評価
岡村甫*

小窪幸恵**

高知工科大学 社会システム工学科〒782-8502 高知県香美市土佐山田町宮ノ口１８５
E-mail: *okamura.hajime@kochi-tech.ac.jp **kokubo.sachie@kochi-tech.ac.jp
要旨：我国の社会基盤施設の老齢化に伴い、維持管理技術や耐久性への関心、必要性はますます高まっている。構造物の性能評価を行うための研究は現在多くの機関で進められている。しかし、これらの多くは個別部材・構造物を対象としており、国や県といったある機関単位で管理する複数構造物の評価を対象としているものは少ない。筆者らは、維持管理予算や計画の立案に必要となる、構造物全体のマクロな耐久性評価システムの構築を試みている。その第一歩としてコンクリート橋梁に対する塩害劣化を対象として研究を進めている。システムの概要と、その精度を左右する劣化メカニズムに対する検討、そしてアウトプットとしての劣化シミュレーション、維持管理費試算の例を示す。
Abstract: Currently, simulation system for concrete deterioration that brings the possibilityof evaluating the performance of the concrete structures is now under researching by many
institutes. Most of the simulation systems are intended for an individual structure or single
member. Based on these facts, it is necessary for all structures that are managed by organizationsuch as country or prefecture to establish the system that is able to evaluate the performanceof the structure and maintenance cost. The authors proposed the system with the methodology tocompute the total maintenance costs for chloride attack by probabilistic way in preceding paper[1]. In order to improve the system, modelling of chloride penetration was proposed.

１．はじめに検過程を経ることなく、ある地域に存在する構

社会基盤構造物の成熟と老朽化に伴い、効率造物全体の状況を定量的に把握するシステム的な維持管理システムの構築が意識され始めである。点検結果はシステムの精度を向上させて久しい。構造物のライフサイクルコストるためには用いるが、点検結果を用いて劣化状（LCC）やアセットマネジメントといった維況の把握を行うのではない。必要最低限の点検

持管理上の手法は、大量の構造物を少ない人員で適切な維持管理計画を立て、その実行がシスで低コストに維持しなければならないというテム全体の改善にフィードバックされるもの

社会の要請と相まって、その効率的な実施が試を目指しており、それを総合的マネジメントシみられてきた。しかし、現状において現実的なステムと位置づけている。

LCC の提案、アセットマネジメントの例はま一方、筆者が専門とするコンクリート材料にだ少ない。一方、研究の分野においても、劣化おいて、その耐久性能に最も致命的な影響を与進行の理論的研究の蓄積をいかに実構造物のえるとされる劣化の一つが“塩害”である。我

設計・維持管理に繋げるかが一つの争点となっ国は、四方を海に囲まれた島国であり、当然のており、より実践的な研究形態の必要性が高まことながら海からの飛来塩分を受ける範囲がっている。

広い。また、気象環境の面でも塩害を助長する筆者らが進めている耐久性評価システムは、要因は多く、太平洋側に襲来する台風、日本海個別部材・構造物を対象とするものではない。

側の冬期季節風により多くの塩分がコンクリ

通常、個別構造物の耐久性を評価する場合、なート構造物に付着・浸透し、内部鉄筋の腐食原んらかの点検を必要とするが、本システムは点因となっている。

２．総合的マネジメントシステムの概要
総合的マネジメントシステムの概要について以下に説明する。

３．塩害劣化メカニズム
塩害劣化は(1) 潜伏期、(2) 進展期、(3) 加速期、(4) 劣化期の四つの劣化過程からなり、実用に耐えうる総合的マネジメントシステ

最終の劣化期以降を使用不可能、つまり更新・ムとは、簡単なインプットデータを元に、マク補修・補強により劣化期以前の状態に改善してロな劣化予測が可能で、かつ維持管理業務で使あるべき過程と定義する。上記四つの期間を定用可能な精度を必要とする。簡易性と使用精度義する 4 つの限界状態を以下に示す。のバランスは各劣化要因に与えられるばらつ

限界状態 1: 鉄筋腐食開始

きと劣化メカニズムそのものによって左右さ限界状態 2: ひび割れ発生れる。

限界状態 3: コンクリートかぶりの剥落システムの手順を図１に示す。まず、図中①限界状態 4: 使用不可能との判断で対象構造物の形状・寸法、材料特性、劣化外筆者らは、潜伏期を表面塩分一定として解い力値等のばらつきを考慮して与え、保有構造物た Fick の拡散式により、潜伏期以降の劣化過の形式、経過年毎に対する劣化予測を行う。劣程は潜伏期間に比例して進行すると仮定して化シミュレーションシステムは、各劣化モデル劣化予測を行ってきた［１］。しかしながら、と構造物がその劣化状況に至る確率計算機能

外部からの飛来塩分を受ける場合、表面塩分量から成る。これにより、与えられた全構造物がは時間に対して増加するはずである。潜伏期間

各劣化状況に至る確率を算出し、将来のある時に対する予測精度を向上させるため以下の検点における全構造物の性能確率分布が得られ討を行っている。

る②。③で劣化状況毎の補修計画の仮定を行い、３．１．潜伏期④で維持管理コストの算出が可能となる。③か

潜伏期とは、供用開始からコンクリート内ら④を繰返すことで維持管理計画の最適化が部の鉄筋が腐食を開始するまでの期間である。

図られる。検証と各部へのフィードバックによコンクリート中への塩化物イオンの浸透現象りシステム全体の精度向上がなる。このように、は、拡散理論に基づくものとして Fick の拡散検証による精度向上機能をシステムに組み込方程式の解を用いて塩化物イオン濃度を推定

むことで将来的な改善機能の役割を果たす。

するのが一般的である。本研究では、表面の塩次項では、劣化シミュレーションの精度を左化物イオン量が時間の平方根に比例して増加右する劣化モデルについて述べる。

するとして解いた式１［２］［３］を用いることとする。

システム

システム精度の向上

検証

②

補修計画
③

実構造物データ

図１

総合的マネジメントシステム概念④

維持管理コスト

劣化シミュレーション

全構造物性能確率分布①

将来ある時点での入力データ

30%

式１25%

C(x,t) ：距離 x 時間 t の塩化物イオン濃度,kg/m3

S ：表面塩化物イオン濃度係数, kg/m3√t
D：見かけの拡散係数, cm2/year
t：時間, 年
x：コンクリート表面からの深さ, cm
erf(s)：誤差関数

Distribution, %⎡x2x π ⎧x⎫⎤
C ( x, t ) = S t ⎢exp(−)−) ⎬⎥⎨1 − erf (Dt4
⋅
Dt
Dt2
⋅
2
⋅⎭⎦
⎩
⎣

20%
15%
10%
5%
0%
-20

2130

3140

4150

5160

6170

7180

8190

91100

Concrete cover for main steel, mm

図２

主筋に対するかぶりの分布式１より塩分の進入から鉄筋位置において腐食限界塩化物イオン量に達するまでの時間

土木学会示方書［４］では見かけの拡散係数を算出する。

として、セメント種毎に水セメント比の関数と（１）腐食限界腐食限界塩化物イオン濃度は、して提示されている。これは、実験、調査等の平均を 1.8 kg /m3、標準偏差を 0.2 とする［４］。

コア採取から得られた塩分濃度から拡散方程（２）鉄筋コンクリート主桁は、橋軸方向に配式を回帰分析して得られた見かけの拡散係数

置された主筋とそれを取り巻く帯筋とからなである。従って、同じ水セメント比に対してかる。既存構造物の多くが、主筋の外側に帯筋をなり大きなばらつきを持っている。

配しており、このため塩分による腐食は主筋よ

一方、コンクリート内部の水分が塩分移動にりも帯筋の方が早く開始するものの、構造的な及ぼす影響は大きく、見かけの拡散係数は水分欠陥となり得るのは主筋である。

移動、すなわち乾湿繰返し等の環境条件により図２は、1938 年に建設された鉄筋コンクリ変化すると思われる。これを確認するために、ート橋の主鉄筋を、電磁誘導方式の非破壊鉄筋東京大学にて開発された、無機複合材料の物質探査機でかぶり調査を行った結果である。

平衡・移動解析システム DuCOM［５］を使

主筋のかぶりは約 20mm から 100mm まで分布し、やや対数正規分布の形に近い。これを参考に、かぶりの分布を対数正規分布とし、平用して外部環境を変化させた場合の見かけの拡散係数に対する考察を行った。
DcCOM に対するインプットデータとして、均を 1.68ｍｍ、標準偏差を 0.14 とする。

表面塩化物イオン量については、式１の境界条（３）コンクリート内の塩分移動は、濃度差拡件と同様に時間の平方根で増加する（式２）と散の他に乾湿繰返しの際に生じる水の移動にし、高知県の気象データを元に温度と湿度変化伴って起こり、その他にも化学的な固定や吸着を考慮した条件で解析を行った。などが複雑に絡んだ現象である。このように複数の移動機構による実現象での塩分浸透を単純な拡散式（式１）で表すために拡散係数を見かけの拡散係数として考える必要がある。

C0 = S t

式２C0：表面塩化物イオン量, kg/m3
解析結果より得られた塩分濃度分布に対して式１の D と S を適当に変化させることで、最も適合のよい D を見かけの拡散係数とした。
その結果得られた知見を以下に示す。
１．見かけの拡散係数は水セメント比の増加ととともに図３のように増加する。これは既存の調査結果と一致する。

してあるが、飛来塩分が継続的に構造物に到達

見かけの拡散係数 D cm2/y10する場合、表面塩分は増加傾向を示すはずであ8る。一方、表面塩分量は地域区分と海岸距離の影響を受けることが広く知られているが、同一6地域においても海岸距離以外に風速、風向、海4岸形状の影響を大きく受けるとスパキットは報告している［６］。例えばスパキットの計算

2

では、高知県安芸市の海岸から 100m 地点の表

02530354045505560

面塩化物イオン濃度係数 S は 1.5 となるのに対65して、同地点から東へ約 20km の奈半利町内

w/c

見かけの拡散係数と水セメント比のの海岸距離 30m 地点で S=1.2 としている。こ関係（S=0.9 で表面塩分を与えた場合）

れは各地点の風速と海から飛来塩分の運搬に

図３有効となる風向、そして海岸形状の影響による２．境界に与える塩分量を変化させた場合、境ものであり、単純に海岸距離のみで飛来塩分量界塩分量が小さい場合は見かけの拡散係数がの大小を述べることができないことを示して大きくなり、表面塩化物イオン濃度係数 0.9 かいる。

ら見かけの拡散係数が一定となった。（図４）

見かけの拡散係数同様に行った DuCOM に見かけの拡散係数 D cm2/y

よる解析結果から、コンクリート表面に境界条2.2件として与えるための表面塩化物イオン濃度2係数と塩分浸透後の塩分濃度分布を表現する

1.8

表面塩化物イオン濃度係数は異なるという結1.6果を得た。これは、コンクリート表面において1.41.2

外部環境よりも高濃度の塩分が集まる擬似吸1着と呼ばれる現象が報告されており、合理的な結果であるといえる［７］。

0.80

図４123

表面塩化物イオン濃度係数についても、見掛表面塩化物イオン濃度係数 Skg/m3・√tけの拡散係数とともに現在研究を進めている。

見かけの拡散係数と境界塩分量の３．２．潜伏期以降関係（水セメント比 50％）
図４による見かけの拡散係数は水セメント潜伏期以降の劣化過程は潜伏期間に比例と仮定すると前述した。

比 50％の場合である。水セメント比 50％の場

潜伏期間を左右する塩分の浸透は、外部から合は、約 10 年間の解析結果において見かけの飛来する塩分環境ならびに温度や湿度等の気拡散係数はほぼ一定であるものの、水セメント象環境、コンクリート材料の性質と内部鉄筋ま比を 60％とした場合の解析結果では、見かけでのかぶりが特に大きな影響を及ぼす。しかし、の拡散係数は経時変化するなど図４とは全くこれらは潜伏期以降、すなわち腐食開始からひ違う傾向を示す。見かけの拡散係数は、他の要び割れ発生、その後の劣化過程にも同様に大き因との関係に不明な点も多いため現在も検討な影響を与えるため、塩害劣化過程を潜伏期にをつづけている。

比例するとして扱うことが可能であると思わ（４）境界塩分量、すなわちコンクリート表面れる。の塩化物イオン濃度は前述したように式２で表される。土木学会示方書［４］等では、表面塩化物イオン濃度が時間に対して一定と仮定

４．特定地域に存在する複数橋梁に対す
る劣化予測

維持管理費（百万円）

コンクリート主桁に対して、将来の塩害劣化の450予測と維持管理費の試算を行った。なお、この400際の潜伏期間の算出は表面塩分を一定とした

350

250

５に示すように現存する桁が経過年毎にどの劣化過程に至るかをシミュレートした。図５は、

図６

2030

2020

西暦2010年と構造形式、本数をインプットすることで図200001990

通省が保有するコンクリート橋梁主桁の建設

1980

50
1970

100期の倍数にたいしてばらつきを設定し、国土交

1920

150

進展期、加速期、劣化期を算出するための潜伏1960200

腐食限界塩化物イオン量、そして潜伏期以降の1950る、表面塩分量、かぶり、見かけの拡散係数、Repair cost

300

1940

場合の Fick 式の解を用いた。Fick 式を構成す

Maintenance cost

1930

［１］では、2003 年までに架設された国道

図５に対する維持管理費の予測結果［８］で規定された塩害地域区分２（沖縄の海ト（劣化予測と維持管理コスト予測）の例を示

岸から 100m 以上、日本海側特定地域の海岸かした。本システムの実用性は劣化予測精度と簡ら 100m-200m まで、その他地域の海岸から 100m

易性のバランスに左右される。

まで）における既存主桁の劣化予測である。

り、現在高知県内の実構造物の調査を行ってい桁本数1000る。今後、これらデータによる劣化予測、そしUnusable
stage
Deterioration
stage
Acceleration
stage
Progressstage
Incubation
stage

900
800
700
600
500
400300劣化精度の向上には、検証データが必要であてシステム全体の精度を向上させるとともに、実用可能な形への改善を進めていく。

参考文献［１］Nasu S, Okamura H, Kokubo S. Maintenance

図５2030

2020

2010

2000

1990

1980

1970

西暦

1960

［２］丸屋剛, 宇治公隆, コンクリートへの塩分の拡
1950

01940

100

IABMAS’04 Kyoto, with CD-Rom, 2004.
1930

and

1920

200

劣化予測の計算結果（1984 年以前の国道コンクリート主桁）
図６では、図５の結果に対し、進展期から劣化期に移った時点で電気防食工法にて補修を行うとして計上した維持管理費である。電気防ManagementofConcreteBridges.

散浸透に関する表面塩分量の定式化, コンクリート工学年次論文報告集,
1989［３］川村力他,

11-1 p.597-602,

鉄道構造物の調査に基づくコンクリート中への塩化物イオン浸透に関する研究,
土木学会論文集 No.781/Ⅴ-66, p.193-204

2005［４］（社）土木学会：2002 年制定コンクリート標準
示方書施工編,2002

食工法は、主桁一本につき 1200 万円とし、維［５］http://concrete.t.u-tokyo.ac.jp/ja/

持費として年間 12 万円で計算した。

［ ６ ］ Swatekititham S, Okamura H, Life-span

４．まとめ
コンクリート構造物の総合的マネジメント

Simulation for RC Structures under Japan
Oceanography,ThesecondInternationalCongress 2006, Fib, Naples

システムの概要と、塩害劣化メカニズムに対す［７］石田哲也「微細空隙を有する固体の変形・損傷る考察、そして具体的なシステムのアウトプッと物質エネルギーの生成・移動に関する連成解析システム」1999 年東京大学学位論文［８］（社）日本道路協会：道路橋の塩害対策指針（案）･
同解説,

1984