研究報告

特集：鉄道とプレストレストコンクリート

PC まくらぎの維持管理に関する最近の研究
渡辺勉＊1・箕浦慎太郎＊2・松岡弘大＊3・後藤恵一＊4

わが国の PC まくらぎは 1951 年から試験敷設が開始されたが，近年では設計上の耐用年数である 50 年を超えるものが増えてきており，定量的な健全度判定基準や交換基準に基づく効率的な維持管理手法の構築が求められている。本稿では，これまで筆者らが実施した PC まくらぎの維持管理に関する研究の概要を紹介する。具体的には，PC まくらぎの主な変状，営業線から経年 PC まくらぎを幅広く収集しマクロな視点から耐用期間を提案した事例や変状の生じた PC まくらぎの性能評価を行った事例などを紹介する。また，目視では確認できないひび割れの検知を目的とした PC まくらぎの打音検査手法についても紹介する。
キーワード：PC まくらぎ，維持管理，鉄道，打音検査
め，たとえばある時期において，既設の PC まくらぎに耐

1．は じ め に荷性能を満足しない不良 PC まくらぎが急増かつ連続的にプレストレストコンクリート製のまくらぎ（以下，PC発生した場合，交換工事が追いつかなくなり，安全性に影まくらぎ）は，鉄道の高速化，快適化，安定輸送に欠かす響を及ぼすことが懸念される。このような状況を回避することのできない重要な構成要素である。わが国の PC まくために，今後の PC まくらぎの維持管理は，耐荷性能とリらぎは，1951 年に初めて試験敷設されて以降，現在までンクした定量的な健全度判定基準や交換基準に基づき計画の累計敷設本数は国鉄，JR だけでも 4000 万本を超えてい的に実施することが望ましい。
このような背景から筆者らは，今後新たな維持管理体系る。
PC まくらぎの維持管理は，年 1 回程度の定期的な徒歩の構築のため，経年 PC まくらぎの実態調査や交換基準に巡回において外観目視検査が行われ，PC まくらぎの表面関する研究を進めている 2 〜 7）。本稿では，これまで筆者状態を指標とする基準に基づき交換の要否を判定するらが実施した PC まくらぎの維持管理に関する研究や新た体系となっている。この基準は必ずしも PC まくらぎの耐に開発した打音検査手法の概要について紹介する。なお，

荷性能とリンクしたものではなく定性的なものであるた

PC まくらぎの交換理由には，PC まくらぎとレールを締結め，不良と判定されても交換の緊急性は不明である。このするための部材であるレール締結装置や埋込栓の不良も含ため，一般的な PC まくらぎの設計上の耐用年数である 50まれるが，本稿では対象としないこととする。

1）

年を超えても供用上問題がなければ使用を継続しているの

2．PC まくらぎの経年劣化による変状が実態である。しかしながら，列車荷重や環境作用によりPC まくらぎの経年劣化は確実に進行するため，今後は耐PC まくらぎは基本的に土木コンクリート構造物と同じ荷性能に問題がある PC まくらぎが増加するものと想定さ変状が生じる。図 - 1 には PC まくらぎに生じる主な変状れる。の例を示した。図 - 1（a）は PC まくらぎの表面に発生し営業線における PC まくらぎの敷設本数は膨大であるが，た各種ひび割れであり，曲げひび割れは車輪やレールの表一晩の夜間工事で交換できる本数は限られている。このた面の凹凸に起因する衝撃荷重により発生する。また，縦ひ＊1

Tsutomu WATANABE（公財）鉄道総合技術研究所
鉄道力学研究部 主任研究員＊2

Shintaro MINOURA＊3（公財）鉄道総合技術研究所
鉄道力学研究部
副主任研究員Kodai MATSUOKA（公財）鉄道総合技術研究所
鉄道力学研究部
副主任研究員80＊4

Keiichi GOTO

（公財）鉄道総合技術研究所
鉄道力学研究部 主任研究員

プレストレストコンクリート

特集 / 研究報告
縦ひび割れ

曲げひび割れ（底面）載荷点

PC まくらぎ

曲げひび割れ

縦ひび割れ

曲げひび割れ（側面）支点
載荷点（a）各種ひび割れ
摩耗（底面）

図- 2

JIS E1201 に規定される曲げ試験の概要

表- 1

対象とした PC まくらぎの年代別本数

まくらぎ
種別
2010
摩耗（底面，側面）

3号

7年代
2000

1990

1980

1970

1960

1950

合計

8192043380135（b）摩耗

2 000

支圧板腐食に伴う端部コンク
リートのひび割れ・欠落

A130※上面最小かぶり 25 mm※下面最小かぶり 30 mm

196.8

図- 3（c）ポストテンション方式特有の変状

図- 1A

BC

BC
175.7

182.5

240

174

Φ2.9 mm3 本 PC 鋼より線

159.7

後埋めモルタルの欠落

載荷スパン
700 mm

支点剥落・スケーリング・微細ひび割れ

曲げひび割れ240

240

対象とした直線用PCまくらぎ（3号）の構造概要

PC まくらぎに生じる主な変状の例

3．経年 PC まくらぎの性能評価

び割れはアルカリ骨材反応やエトリンガイトの遅延生成，

3.1

剥落，スケーリングや微細ひび割れは凍害により発生する。

評価方法

凍害による変状は，とくに AE 剤を使用せずに製造されたPC まくらぎの維持管理では PC まくらぎ 1 本 1 本の性

プレテンション式の PC まくらぎが寒冷地に敷設された場能を把握し管理することが理想的であるが，現時点ではそ合に多く見られる変状である 3）。AE 剤未使用の理由は，こまでの技術レベルに達していないのが実態である。そこ

PC 鋼より線とコンクリートとの付着力の低下や強度発現で，営業線に敷設された経年 PC まくらぎを幅広く収集し，の遅れなどに対する懸念であるが，1990 年に JIS E1201 にPC まくらぎの性能をマクロな視点から評価することとし空気量が規定され，現在では AE 剤が用いられておりプレた。具体的な評価方法は，図 - 2 に示す JIS E1201 に規定

テンション式の PC まくらぎの耐凍害性は改善されている。

される曲げ試験とした。この試験は本来であれば PC まく

図 - 1（b）は PC まくらぎの摩耗である。PC まくらぎ

らぎ製造直後の性能確認のために実施される試験であるの摩耗は，列車通過時の動的・衝撃的な作用によって PCが，この試験以外に PC まくらぎの力学的性能を定量的にまくらぎとバラストの相対運動（擦れる，衝突）により発評価でき，かつ適用実績が豊富な試験は存在しないため，生する。

本試験方法を経年 PC まくらぎの評価に準用した。試験結図 - 1（c）はポストテンション方式の PC まくらぎに見果は，ひび割れ発生荷重と最大荷重で整理した。なお，本られる特有の変状である。具体的には，後埋めモルタルのJIS にはそれぞれの基準値として曲げ保証荷重 P cr，曲げ破欠落やかぶり不足などにより支圧板が腐食したことによる壊荷重 P u が規定されており，それぞれ式（1），式（2）に端部コンクリートのひび割れ・欠落である。

より算定される値であり，試験では曲げ保証荷重 P cr を載

これらの PC まくらぎに生じうる変状に対し，鉄道総研荷した時にひび割れを生じないこと，曲げ破壊荷重 P u をでは『コンクリートまくらぎの健全度の判定手引き』8）を載荷した時に PC まくらぎが破壊しないことを確認する。

発刊しており，PC まくらぎの状態に応じた変状原因の検Pcr ＝ 4 ×（σCPr × 0.9 + fta）× Z/L⑴

討，健全度のランク付け，変状に対する措置の方法の検討

Pu ＝ 4 × 3σpe × Z/L⑵などが行えるようになっている。

ここにσCPr は導入プレストレス力によるコンクリートの応力，fta は引張縁の許容応力度（= 3 N/mm2），σpe：有効Vol.63, No.2, Mar. 2021

81

特集 / 研究報告
おり，PC 鋼材に到達しているものも見られる。

プレストレス力によるコンクリート応力（有効率 65 %），⑵

Z は断面係数，L は載荷スパン（= 700 mm）である。
3.2

一般環境に敷設された PC まくらぎの性能評価⑴

対象まくらぎひび割れ発生状況に対応した健全度判定

既往の研究 6） より縦ひび割れの有無による曲げ試験結果に及ぼす影響は小さいことが明らかとなっている。この

表 - 1 および図 - 3 に対象とした PC まくらぎを示す。

ため，図 - 4 を参考に交換計画を検討可能であるが，こJIS E1201 に規定される直線用 PC まくらぎ（3 号まくらぎ

れに加えてひび割れによる PC 鋼線の腐食も懸念されること呼ばれる）135 本を対象とし，前述の曲げ試験を実施しとから，ひび割れの幅と深さの評価が重要である。そこで，た。緊張方式はプレテンション方式である。敷設区間は凍

図 - 6 に示すようにひび割れ幅と深さの関係を整理し，害や塩害などの危険度が低い一般的な環境である。

これに基づきひび割れ幅に応じた健全度判定指標の例を表⑵- 2 のように提案した。これにより，ひび割れ幅に応じた曲げ試験結果に基づく耐用期間の検討

図 - 4 に曲げ試験結果に基づく PC まくらぎの累積通ト措置の方法を検討することが可能である。ただし，本指標ンと載荷荷重の関係を示す。なお，累積通トンとは PC まを適用する際には，現場の PC まくらぎを確認する必要がくらぎ上を通過する列車の重量の総和であり，線区によっあり，今後は効率的にひび割れ状態を把握する手法の開発て大きく異なるが首都圏では年間 2000 万トンを超える高が望まれる。

密度線区もある。図 - 4 より PC まくらぎごとにばらつくが，累積通トンの増加とともにひび割れ発生荷重および最大荷重が低下する傾向にあることが分かる。
ひび割れ発生荷重
最大荷重
JIS 曲げ保証荷重
JIS 曲げ破壊荷重

300

ひび割れ

95% 信頼区間
平均値

200150

図- 510070605040302010050095% 信頼区間
下限値
051015202530

累積通トン（億トン）

図 - 4 PC まくらぎの曲げ試験結果（載荷荷重と通過トン数の関係）

DPC まくらぎ断面内の縦ひび割れの発生状況の例
3号まくらぎ
レール位置断面のかぶり

3号まくらぎ中央断面のかぶり

00.1

図- 6

これらの試験結果に基づき，PC まくらぎの耐用期間の表- 2

提案を試みた。具体的には，ひび割れ発生荷重と最大荷重が指標となるが，ここでは最大荷重に着目することとし，
図 - 4 に示すように，最大荷重に関する試験結果の 95 %信頼区間の平均値および下限値を示す近似直線を求めた。
次に，それらの直線が JIS の規格値である曲げ破壊荷重を下回る累積通トンを耐用期間とすることとした。図 - 4

健
全度

ひび割れ幅W（mm）

A

W ≧ 0.5

平均値をベースとすると 30 億トンが耐用年数の目安となることが分かる。JIS の規格値を下回ったとしてもただちに安全性上の問題が発生するわけではないと考えられる

0.80.91

ひび割れ幅とひび割れ深さの関係
縦ひび割れが発生した PC まくらぎの健全度判定指標の例

判定基準の例措置の例

状態
連続的に縦ひび割れ
端部に亀甲状ひび割れ交換を計画

AE 剤未使用の PC まくらぎの凍害に対する性能評⑴

対象まくらぎ

本節で対象とした PC まくらぎは凍害危険度が高い地域

介を省略したが PC まくらぎの経年に基づいて耐用年数をに敷設された AE 剤未使用の PC まくらぎを対象とした。

設定することも可能である 2）。
対象まくらぎ

0.4 0.5 0.6 0.7
ひび割れ幅（mm）

価

換計画を策定することが可能である 9）。なお，本稿では紹⑴

0.33.4が，これらの具体的かつ定量的な累積通トン数を目安に交

縦ひび割れの発生した PC まくらぎの性能評価

0.2交換（中央断面の場合）を計画
B 0.5 ＞ W ≧ 0.05 上面や側面に縦ひび割れ
経過観察C0.05 ≧ W
ヘアークラック程度
経過観察S
健全より，曲げ試験結果の下限値をベースとすると 15 億トン，

3.3

ひび 長さ
備考
割れ（mm）A 30
B35 鋼材到達
C35 鋼材到達
D 30 鋼材到達

C

ひび割れ深さ（mm）

載荷荷重（kN）

250

ひび割れ

A

B

2 章で示したとおり PC まくらぎの凍害は，AE 剤未使用のコンクリートを用いて製造された PC まくらぎが寒冷地

本節では縦ひび割れが発生した PC まくらぎを対象に評に敷設された場合に散見されている。図 - 7 に凍害によ価を実施した。図 - 5 に縦ひび割れ発生状況の例を示す。

り変状が生じた PC まくらぎの例を示すが，変状の程度は

縦ひび割れは上面だけではなく，側面，底面にも発生してさまざまである。

82

プレストレストコンクリート

特集 / 研究報告300
曲げ試験最大荷重
Y（kN）

PCまくらぎ①：スケーリング，中央部に剥落

PCまくらぎ②：端部，中央部に剥落

PCまくらぎ③：まくらぎ全体にわたり剥落

凍害により変状が生じた PC まくらぎの例

振動モード

1次

図- 8⑵

50

Y = -158X + 215
R2 = 0.568

0%0%
40% 50% 60%
80%
100%
PCまくらぎ上面に発生した変状領域の割合X（%）

変状領域の割合と曲げ試験時の最大荷重との関係■営業線での検証結果

健全側面
底面

側面
底面

0.1

0500
1 000
振動数［Hz］

2次

3次

800

側面
底面

700
600

ひび割れ

側面
底面

9000.01

鋼棒破断

950
900
850
800
750
700

1

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

まくらぎ番号

ひび割れ
曲げ試験済み1 2 3

4 56 7

まくらぎ番号

図- 9100

振動数
［Hz］

0B線区
D線区

JIS曲げ破壊荷重150■実験室での検証結果

スペクトル
フーリエ振幅［m/s2］

衝撃加振試験

2000

振動数［Hz］

図- 7A線区
C線区250

PC まくらぎの振動モード

図 - 10側面

PC まくらぎの打音検査手法の妥当性の検証結果

凍害による変状領域の割合に対応した健全度判定

凍害による変状は気温や日射などの敷設環境を大きく受タブレットコンピュータけるため，3.1 で示したような累積通トン，あるいは経年で耐用期間を評価するのは難しいと考えられる 4）。そこで，
PC まくらぎ上面に発生した凍害に起因する剥落，スケー

ハンマーリング，微細ひび割れなどの変状が生じた領域の割合と騒音計

PC まくらぎの曲げ試験における最大荷重の関係を図 - 8のように整理した。図 - 8 より，両者には相関性が見られるとともに，凍害による変状が PC まくらぎ上面の 50 %
図 - 11以上で見られるようになると JIS の規格値である曲げ破壊

PC まくらぎの打音検査のイメージ荷重を下回ることが分かる。これを指標とすれば，凍害が発生した PC まくらぎについては変状領域の割合に応じた

図 - 11 に本手法を実務で適用する場合を想定した打音健全度判定が可能となる。ただし，本指標を適用する際に検査のイメージを示す。装置の構成は長尺のハンマ，ズボは，3.3 の縦ひび割れのケースと同様に，現場の PC まくンの裾に取り付けたマイクおよびタブレットコンピュータらぎを確認する必要があり，今後は効率的に PC まくらぎーであり，PC まくらぎの打撃，打音収録などの作業を立上面の状態を把握する手法の開発が望まれる。

ったまま進めることが可能である。現在はさまざまな環境下で打音検査を実施し，実用化に向けた課題点の抽出，検4．PC まくらぎの打音検査手法

証などを行っている。

図 - 1（a）に示したレール位置断面に発生した曲げひ5．お わ り にび割れは，PC まくらぎがバラストに埋まっているため，バラストをかき出さないかぎり目視では発見できない変状

本稿では，PC まくらぎの維持管理に関する筆者らの研である。このような目視では確認できないひび割れを検知

究概要や新たに開発した打音検査手法について紹介した。

するため，筆者らは打音による検査手法に関する検討を行PC まくらぎの耐荷力が累積通トン数の増加に伴い低下すっている

るマクロな傾向や変状に対応した劣化傾向などの定量化，。

10）

図 - 9 に PC まくらぎの振動モードを示す。本手法はさらには打音検査手法の開発など，PC まくらぎの維持管

PC まくらぎの 3 次モードの固有振動数が曲げひび割れの理を取り巻く個々の現象解明は進みつつある。定量的な健発生により低下することに着目したものであり，その妥当全度判定基準や交換基準に基づく新たな維持管理体系の構性は図 - 10 に示すように実験室のみならず営業線におい築に向けて，今後も研究の深度化を図っていく所存である。ても実証されている。本手法を用いることにより，PC まなお，本研究の遂行には鉄道事業者各社様の多大なるご協くらぎの健全度を定量的に評価することが可能である。

力をいただいた。ここに感謝の意を表する。

Vol.63, No.2, Mar. 202183特集 / 研究報告
参考文献

2020.116 ）箕浦慎太郎，渡辺

1 ）鉄道総合技術研究所：鉄道構造物等維持管理標準（軌道編）の2 ）渡辺文集，Vol.38，No.2，pp.1585-1590，2016.

勉，曽我部正道：営業線に敷設された経年 PC まくらぎ

7 ）箕浦慎太郎，渡辺の耐荷力評価，日本鉄道施設協会誌，Vo.64，No.4，pp.49-52，
勉，後藤恵一，飯島亨，盛田ート工学年次論文集，Vol.37，No.2，pp.1345-1350，2015.

慶：寒冷地における AE8 ）鉄道総合技術研究所鉄道技術推進センター：コンクリートまく

コンクリートを使用していない経年 PC まくらぎの性能評価，らぎの健全度の判定手引き，2015.6

第 28 回プレストレストコンクリートの発展に関するシンポジウ

9 ）渡辺ム論文集，pp.377-382，2019.11
4 ）箕浦慎太郎，渡辺勉，飯島亨，石田哲也：凍害を受けた PC

ウム（J-RAIL2020），S2-1-6，2020.1210）松岡弘大，渡辺学年次論文集，Vol.42，No.1，pp.665-670，2020.
勉，後藤恵一，箕浦慎太郎，飯島勉，箕浦慎太郎，後藤恵一：曲線区間に敷設された経年PC まくらぎの性能評価，第 27 回鉄道技術・政策連合シンポジ

まくらぎの実態調査と健全度判定基準の検討，コンクリート工5 ）渡辺勉，鈴木大輔，上半文昭：営業線 PC まくらぎの摩耗性譲渡その耐荷力への影響に関する検討，コンクリ

2018.43 ）渡辺勉，井上寛美，片山雄一郎：縦ひび割れの発生した PC まくらぎの健全度評価，コンクリート工学年次論手引き，pp.236-237，2007.3

勉，箕浦慎太郎，曽我部正道，面高陽紀：損傷 PC まくらぎの振動モード特性と打音による簡易検知手法の亨：塩害環境下に敷開発，土木学会論文集 E2，Vol.74，No.3，pp.158-175，2018.

設された経年 PC まくらぎの性能評価，第 29 回プレストレスト
コンクリートの発展に関するシンポジウム論文集，pp.161-166，【2020 年 12 月 24 日受付】

新刊案内

繊維強化ポリマー（FRP）のコンクリート構造物への適用に関する設計・施工指針
令和 2 年 9 月

コンクリート構造物の耐久性を向上させるため，腐食が生じない繊維強化ポリマー（FRP）を鉄筋あるいは PC 鋼材の代替材料として適用することが求められてきています。本工学会では，「繊維強化ポリマーのコンクリート構造物への適用に関する委員会」（委員長：睦好宏史 埼玉大学）を 2017 年に設置し，指針の策定に取り組んでまいりました。本指針は，1996 年に刊行された土木学会の指針（案）に基づいて，わが国や欧米の最新の研究成果および本工学会が 2019 年に刊行した「コンクリート構造技術規準－性能創造による設計・施工・保全－」を新たに取り入れたものです。実橋を対象とした試設計，LCC 比較，品質規格試験および各繊維強化ポリマーの特性（炭素，アラミド，ガラス，バサルト）についても詳述されており，最新の技術指針となりますので，是非ご活用ください。
01章
02章
03章
04章
05章
06章
07章
08章
09章
10章
11章
12章
13章

総則
設計，施工，保全の基本事項
材料作用
性能照査
終局限界状態に対する検討
供用限界状態に対する検討
疲労限界状態に対する検討
耐久性に関する検討
耐震に関する検討
構造細目
施工
保全

＜参考資料＞
01章 試設計例
・PC床版
・PC桁橋3例
・LCC試算02章 品質規格・試験
03章 技術資料
・材料諸元・特性値一覧
・CFRP ケーブル・ロッド
・CFRP 格子筋
・AFRP 異形ロッド
・AFRP 組紐ロッド
・BFRP 異形ロッド

定
価 9,240 円（税込）／送料 500 円
会員特価 7,700 円（税込）／送料 500 円（全 356 ページ）

公益社団法人 プレストレストコンクリート工学会

84

プレストレストコンクリート