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繊維補強軽量 PC 床版の開発

繊維補強軽量 PC 床版の開発
Development of Fiber Reinforced Lightweight concrete PC slab

鈴木 聡 *1SUZUKI Satoshi

北野 勇一 *2
KITANO Yuich佐藤 正敏 *4
SATO Masatoshi

栄木 辰也 *5
EIKI Tatsunari

川口 千大 *3
KAWAGUCHI Chihiro

高度経済成長期に集中的に整備された道路橋において，鋼橋の鉄筋コンクリート（RC）床版の疲労損傷が顕在化している。疲労損傷が進行した RC 床版を対象とした床版更新工事が現在進められている。床版更新工事において更新床版に要求される性能には，急速施工性や耐疲労性などが挙げられ，この観点よりプレキャストプレストレ
ストコンクリート（PC）床版が採用されるケースが多い。また，床版更新工事に伴い高齢化した既設橋梁の鋼主桁や下部工の補強を行う必要があり，補強量を削減の省略するため，更新床版の軽量化という要求も高まっている。
そこで川田建設では，この要求にも対応するため，軽量プレキャスト PC 床版の開発に取り組んでいる。
本稿では，繊維補強軽量プレキャスト PC 床版の開発概要を示すとともに，繊維補強軽量 PC 床版の構造安全性および耐疲労性を検証するために実施した静的押抜きせん断試験および輪荷重走行試験の結果について報告する。
キーワード：軽量骨材，PVA 繊維，PC 床版，押抜きせん断耐力，耐疲労性

1． はじめに
鋼 橋 RC 床 版 の 更 新 が 各 地 で 行 わ れ， プ レ キ ャ ス ト

床版の耐疲労性を検証するために実施した輪荷重走行試験の結果について報告する。なお，後者の実験では，
PC 床版相互の継手構造には KK 合理化継手 1）を用いた。

PC 床版の要求が高まっている。高耐久で急速施工が可能なプレキャスト PC 床版（図１）は詳細な設計施工要領が整備され，採用された事例も多い。その PC 床版の軽量化は，鋼主桁や下部構造の負担を軽減できるメリットがあるが，軽量骨材コンクリートは良質の人工軽量骨材を用いた場合でも，普通骨材を用いたコンクリート（以下，普通骨材コンクリート）に比べてせん断耐力が低下するため，その改善が課題であった。
この解決策として，川田建設では，ビニロン合成短繊維を混入した軽量骨材コンクリート（以下，繊維補強軽量コンクリート）に着目し，その材料物性について実験的に検討した。その結果，繊維混入率（以下 Vf）0.5 vol.%の繊維補強軽量コンクリートであれば PC 床版として要図１

求される強度と単位重量 1.90 kN/m 3 を確保し，破壊エPC 床版を用いた更新用床版の概略図

ネルギーが軽量骨材コンクリートに対して向上することを確認した。この結果を踏まえ，PC 床版の押抜きせん断挙動について解析的に検討したところ，繊維補強軽量コンクリートを用いることで PC 床版の押抜きせん断耐力を大きく改善できることを確認した。
本稿では，これらの結果を受けて，構造安全性を検証44するため実施した静的押抜きせん断試験の結果，および

写真１＊１ 川田建設㈱技術本部技術部技術開発課 主幹＊２ 川田建設㈱技術本部技術部 次長＊３ 川田建設㈱技術本部技術部技術課＊４ 川田建設㈱プレキャスト本部生産管理部九州工場製造課 課長＊５ 川田建設㈱プレキャスト本部生産管理部九州工場品質管理課

川田技報

Vol.40 2021

軽量骨材（左）および PVA 短繊維（右）の外観

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繊維補強軽量 PC 床版の開発（2）圧縮強度2．繊維補強軽量コンクリートの概要

圧縮強度の測定結果を図２に示す。圧縮強度は，水繊維補強軽量コンクリートに用いる使用材料を表１

セメント比を普通骨材コンクリートと同程度以下かつに示す。繊維補強軽量コンクリートは，粗骨材として人Vf=0.5vol % 以下にすることで，普通骨材コンクリート

工軽量粗骨材を用い，かつビニロン合成短繊維（以下，と同等の強度発現性を示すことを確認した。

PVA 短繊維）をコンクリート体積の 0.5 vol.% を外割で（3）ヤング係数および引張強度配合したコンクリートである。セメントは早強ポルトラ

材齢 28 日におけるヤング係数は 22.0 kN/mm 2 程度，ンドセメントを，軽量骨材は最大寸法 15 mm の人工軽量

割裂引張強度は 2.2 N/mm 2 以上を示すことを確認した。

粗骨材（写真１左）を用いた。軽量骨材は十分な耐凍害（4）単位容積質量および均質性性を得るために，含水率 2 % 以下に管理されたものを用

フレッシュコンクリートの単位容積質量は，19.0 kN/m3いた。表２に PVA 短繊維の物性値を示す。PVA 短繊維以下であった。

は直径 0.66 mm で，軽量骨材コンクリートのヤング係数（5）塩分浸透抵抗性以上の引張弾性率を有し，かつ，繊維の長さ 30 mm のも繊維補強軽量コンクリートの水セメント比を普通骨材のを用いた（写真１右）。

コンクリートより 1.5 % だけ小さくすることで塩分浸透（1）目標品質の設定量が普通骨材コンクリートより減少することを確認した。

繊維補強軽量コンクリートの目標品質を表３に示す。
2（6）破壊エネルギー

設計基準強度は普通骨材コンクリートと同等の 50 N/mm

荷重 - ひび割れ開口変位（CMOD）曲線を図３に示す。とし，工場製品であるプレキャスト PC 床版の生産性をCMOD2.0 mm までの範囲の破壊エネルギーを算出したと損なわないように材齢１日でプレストレスを導入するこころ，破壊エネルギーが軽量骨材コンクリート 89 N/mとを目標とした。単位容積質量は普通骨材コンクリートに対して，繊維を混入することで 273 N/m と向上するの 20 % 軽量化，ヤング係数と引張強度は同 70 % 程度ことを確認した。に設定した。また，塩分浸透性は普通骨材コンクリートと同程度とした。
表１

使用材料材料種類
セメント（C）
早強ポルトランドセメント（密度 3.14g/cm3）
細骨材（S）
砕砂（表乾密度 2.67g/cm3）
普通骨材（N） 砕石 2005（表乾密度 2.70g/cm3）
粗骨材
人工軽量骨材（絶乾密度 1.29 ± 0.05g/cm3，軽量骨材（L）
24 時間吸水率 10 ± 3%，含水率 2% 以下）
PVA 短繊維（密度 1.30g/cm3）

短繊維（F）

表２

表３

PVA 短繊維の物性値

項目

単位標準物性値

繊維径mm0.660

繊維長mm30

引張強度N/mm2900

引張弾性率kN/mm223.0

引張伸度%

9.0

図２

圧縮強度の測定結果

繊維補強軽量コンクリートの目標品質

項目
圧縮強度
ヤング係数

目標品質
設計基準強度 50N/mm2
プレストレス導入時 35N/mm2
222.0 kN/mm（材齢28 日）

引張強度2.2N/ mm2 以上（材齢 28 日）

単位容積質量19.0 kN/m3 以下（練上り直後）

塩分浸透抵抗性

普通骨材コンクリートと同程度

図３

荷重 - ひび割れ開口変位（CMOD）曲線45

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W/C（%）

表４

押抜きせん断試験体の配合表および圧縮強度試験結果

Ｗ
165Ｃ452160457

N6L6FL636.535.035.0図４

試験体形状単位量（kg/m3）
ＳＧL739994711-493

単位容積質量（kg/m3）

F

圧縮強度
弾性係数（N/mm2） （kN/mm2）

2,350

6.50

繊維補強軽量 PC 床版の開発

70.6
52.6
56.7

1,822

写真２38.1
21.7
23.5

押抜きせん断耐力試験状況

3． 押抜きせん断耐力試験
（1）実験概要
押抜きせん断試験体の配合表および圧縮強度試験結果を表４に示す。繊維補強軽量 PC 床版の押抜きせん断挙動を検討するため，普通骨材コンクリート（N6），軽量骨材コンクリート（L6）および繊維補強軽量コンクリー
ト（FL6）を用いた PC 床版試験体を製作し，静的押抜き試験を実施した。PC 鋼材は橋軸直角方向に配置してプレストレスを 6.0 N/mm2 導入した。なお，試験体はプレストレス伝達長（65 φ =65 × 15.2=988 mm）を考慮し，橋軸直角方向の支点の外側に 1 000 mm 張り出した。
試験体は床版部分のコンクリートを打込み，蒸気養生

荷重たわみ曲線の結果（3）実験結果確認した後，プレテンション方式によりプレストレスを荷 重 た わ み 曲 線 の 結 果 を 図 ５ に 示 す。 最 大 荷 重 は，導入した。いずれの試験体も所定のプレストレスが導入

N6 で 1 037 kN，L6 で 786 kN，FL6 で 1 062 kN であっされることをひずみ計測により確認した。また，繊維補た。L6 の最大荷重は N6 の 76 % 程度となったが，FL6強軽量 PC 床版のプレストレス伝達長が設計計算で想定の最大荷重は PVA 短繊維の架橋効果により，N6 と同する PC 鋼材公称径の 65 倍以下であることを確認した。

等 と な っ た。 た だ し，L6 お よ び FL6 の 荷 重 に 対 す る（2）載荷方法

変 位 は N6 試 験 体 に 比 べ ヤ ン グ 係 数 が 小 さ い た め，1.3

試験体形状を図４に示す。試験体は，厚さ 170 mm，倍程度大きな値となった。破壊形態は N6 と L6 では最幅 2 400 mm，長さ 3 600 mm であり，載荷板直下の曲大荷重に達した後に，せん断破壊に至ったのに対して，げモーメント２辺単純支持無限版に近似させるため弾性FL6 では最大荷重後に荷重が約 50 % 程度に低下したも支持梁を想定して地覆状に増厚して剛性を高めた。床版のの完全なせん断破壊には至らなかった。

は，せん断破壊が先行するように支間 1 600 mm の連続床版下面のひび割れ状況を写真３に示す。太線が押抜版の断面力に近似するよう弾性支持条件として地覆部コきにより卓越したひび割れであり，細線はそれ以外のひンクリートを設けた。また，地覆上に鋼製枕梁を設置し，び割れである。卓越したひび割れに着目すると，橋軸PC 鋼棒にて床版の浮上りを防止した（写真２）。

方向の間隔は N6 と L6 が約 1 250 mm であるのに対し，試験体の上面中央部には輪荷重を想定した 500 × 200mm の載荷板を設置し，鉛直荷重を載荷した。

46

図５を行い，翌日に圧縮強度が 35 N/mm 以上であることを

2

川田技報

Vol.40 2021

FL6 では 1 650 mm と長い。また，後者の試験体では微細なひび割れが橋軸方向の隅々まで進展していた。こ論文 ･ 報告

写真３
表５W/C（%）
FL 床版
N 床版

FL
接合部
N
接合部

33.5
37.0
36.5
37.0Ｗ
160
165
165165

繊維補強軽量 PC 床版の開発

床版下面のひび割れ状況

輪荷重走行試験の配合表および物性試験試験結果
Ｃ478416452416

単位量（kg/m3）
EXＳＧ6883074299773999430742997L497F
6.50--

単位容積質量（kg/m3）
1,822
2,350
2,3502,350

圧縮強度
弾性係数（N/mm2） （kN/mm2）
64.7
71.0
72.1
71.4

22.2
39.2
40.440.2のことから短繊維の混入により橋軸方向のせん断破壊面積が拡大することを確認した。
このように，静的押抜きせん断試験の結果，従来 PC床版より約 20 % 軽量化しつつ，従来の PC 床版と同等の押抜きせん断耐力を有することを実験的に確認できた。

4． 輪荷重走行試験（1）実験概要
試験体形状寸法および鋼材配置を図６に示す。試験は，普通骨材コンクリートを用いた PC 床版（N 床版）と繊維補強軽量コンクリートを用いた PC 床版（FL 床版）の２種類に対して実施した。コンクリートの配合および試験前に行った物性試験結果を表５に示す。なお，接合部はいずれも普通骨材を用いた膨張コンクリートである。試験体は，直角方向に 6.0 N/mm 2 のプレストレスを導入したプレキャスト PC 床版２枚を，場所打ち接合部で一体化させた１方向の PC 床版である。場所打ち接合部の継手には，KK 合理化継手を採用した 1）。
試験体の寸法は，床版厚さ 170 mm，幅 2 300 mm，長さ 3 300 mm である。試験体は，床版支間 2 000 mmで単純支持し，試験体中央部の曲げモーメントが２辺単純支持無限版に近似するように，走行直角方向端部に弾性支持ばりを配置した。
（2）載荷方法
試験には最大荷重 300 kN，車輪移動範囲 2.0 m の輪荷重走行試験機を使用した。耐用年数相当 2） の走行回

図６数算出結果を表６に，H8 道示 RC 床版相当 3） の走行回

試験体形状寸法および鋼材配置数算出結果を表７に，試験の載荷プログラムを図７に示

230 kN 一定での走行回数は，耐用年数相当で 29 万回，す。耐用年数相当と H8 道示 RC 床版相当の走行回数は，H8 道示床版相当で 39 万回であった。これらの結果を共試験装置の占有期間や試験機の能力を考慮し，載荷荷に満足させるものと考えて載荷荷重 230 kN × 41 万回を重 230 kN 一定にてマイナー則を用いて算出した。なお，

本載荷とし，総走行回数を予備載荷も含め 46 万回とし

S-N 曲線の傾きの逆数ｍは，12.76 を用いた 4）。載荷荷重た。

47

論文 ･ 報告表６

繊維補強軽量 PC 床版の開発

耐用年数相当の走行回数

要求性能試験方法
載荷荷重 走行回数
Pi/P0
換算回数
12.76（Pi/P0）
12.76Pi（kN）
ni（P0=230kN）
ni×（Pi/P0）
250
100,000
1.09
2.900
290,000

表７NO1234567
合計

H8 道示 RC 床版相当の走行回数

要求性能
試験方法
換算回数
載荷荷重 走行回数
Pi/P0
12.76
（Pi/P0）12.76
ni×（Pi/P0）
Pi（kN）
ni（P0=230kN）
157
40,000
0.68
0.007
292
177
40,000
0.77
0.036
1,424
196
40,000
0.85
0.126
5,028
216
40,0000.94
0.454
18,164235
40,0001.02
1.288
51,500255
40,0001.11
3.787
151,488275
15,6491.20
10.241
160,265
255,649
388,161

図７

図８
写真４

試験の載荷プログラム

橋軸方向の活荷重たわみ分布

漏水確認試験状況（3）測定項目
輪荷重走行試験の所定回数完了時点で静的載荷試験を実施し，床版のたわみ，ひび割れ幅を測定した。載荷荷重（活荷重）は，移動荷重と同値とし，載荷位置は試験体の中央とした。
（4）漏水確認試験
漏水確認試験状況を写真４に示す。本試験 29 万回走行後，接合部を中心に長さ 1.2 m ×幅 2.0 m の範囲で着色水を６時間滞水させ，下面への漏水の有無を確認した。
（5）実験結果

図９

たわみの経時変化（FL 床版）

図 10

たわみの経時変化（N 床版）

本載荷の試験前後における橋軸方向の活荷重たわみ分
布図を図８に示す。図中の計算値は，版理論にて，試験体中央部の載荷面（200 × 500 mm）に輪荷重（230 kN）を載荷した２辺単純支持２辺弾性支持版の計算結果である。なお，弾性係数は実ヤング係数を，断面剛性は主鉄筋方向および配力鉄筋方向ともに，引張域を無視した断面剛性を用いた。
FL 床版および N 床版ともに，たわみ分布は接合部での角折れなど生じず，滑らかな分布を示した。また，活荷重たわみは計算たわみよりも小さかった。
次に，載荷点直下のたわみ経時変化曲線を図９と図48

川田技報

Vol.40 2021

論文 ･ 報告

図 11

ひび割れ幅の経時変化（FL 床版）

図 13

図 12ひび割れ分布図（FL 床版）

繊維補強軽量 PC 床版の開発

ひび割れ幅の経時変化（N 床版）

図 14

ひび割れ分布図（N 床版）

10 に示す。FL 床版の活荷重たわみは 2.0 mm 程度で，れ幅が安定した挙動を示し，耐用年数相当の走行回数時N 床版の活荷重たわみは 1.5 mm 程度で一定であった。に行った漏水試験では，床版部や接合部からの漏水がな除荷時の載荷点直下のたわみは FL 床版で最大 0.92 mm，いことを確認できた。これらにより，繊維補強軽量 PC

N 床版で最大 0.68 mm であった。

床版および普通骨材 PC 床版ともに，耐用年数かつ H8接合目地のひび割れ幅の経時変化を図 11 と図 12 に

年道示 RC 床版相当以上の耐疲労性を有することを確認示す。活荷重によるひび割れ幅は，FL 床版と N 床版とした。また，接合部に異常な損傷が生じないことを確認

もに，接合目地部で最大であった。FL 床版のひび割れした。

幅は 0.08 mm 程度，N 床版のひび割れ幅は 0.10 mm 程
参考文献

度で，概ね一定に推移した。
実験終了時まで，いずれの試験体のたわみやひび割れ幅は安定した挙動を示した。
試験終了時点での PC 床版下面のひび割れ分布図を図1） 吉松秀和，松井繁之，大澤浩二，中山良直，水野浩，
表真也：床版取替え用プレキャスト PC 床版の合理化継手 の 開 発， 構 造 工 学 論 文 集，vol.60A，pp.1159-1168，

13 と図 14 に示す。FL 床版と N 床版ともに，予備載2014.3

荷時点で一様に主鉄筋方向のひび割れが発生したが，本2） 長 尾 千 瑛， 広 瀬 剛 : プ レ キ ャ ス ト PC 床 版 継 手 の 疲

試験でのひび割れの進展はわずかであり，耐用年数相当

労耐久性照査試験，第 26 回プレストレストコンクリーの回数走行後の漏水確認試験では，FL 床版と N 床版とト の 発 展 に 関 す る シ ン ポ ジ ウ ム 論 文 集 ,pp.189-192，

もに，下面への漏水がないことを確認した。

2017.10

5． まとめ
押抜きせん断試験では，従来 PC 床版より約 20 % 軽3） 国土交通省国土技術政策総合研究所：道路橋床版の疲労耐久性に関する試験，国土技術政策総合研究所資料，
第 28 号，2002.3

量化しつつ，従来の PC 床版と同等の押抜きせん断耐力

4） 松井繁之 : 橋梁の寿命の予測 - 道路橋 RC 床版の疲労を有することを確認できた。

寿命予測 -，安全工学，Vol.30，No.6，1991.

輪荷重走行試験では，実験終了時までたわみやひび割49