第 64 回 (2020 年度) 北海道開発技術研究発表会論文

連続繊維シート補強した橋脚の維持管理に関する一提案（国研）土木研究所

寒地土木研究所

耐寒材料チーム○野々村 佳哲
内藤 勲
島多 昭典

連続繊維シートによる橋脚の耐震補強箇所において、表面保護層が経年劣化して繊維部分が外部に露出するケースが確認されている。繊維部分が露出すると、紫外線劣化による性能低下が発生し、耐震補強効果が低下する懸念がある。そこで、繊維露出後の性能劣化程度を把握するため、紫外線に対する暴露試験を開始した。本報告では、暴露試験の 2 年目の途中経過をもとに、繊維露出後の対応方法について提案を行うものである。
キーワード：炭素繊維シート、アラミド繊維シート、繊維露出、橋梁点検

1.

はじめに
連続繊維シートによる耐震補強工は、複数の材料を組み合わせて施工する工法である。標準的な材料構成を図–1 に示す。連続繊維シートによる耐震補強工では、主たる補強材である連続繊維シート層 (FRP 層、連続繊維シート＋エポキシ樹脂で構成) を、紫外線や河川流下物の衝突などによる劣化や損傷から守ることを目的として、表面保護工が施工される。この表面保護工には、一般的に、建築用仕上塗材 (JIS A 6909) に準拠した材料が使われており、山間部などの高橋脚では厚さ 1 mm の薄付け仕上げ材が、河川流下物や走行車両などが衝突する危険性のある橋脚では厚さ 10 mm の厚付け仕上げ材が使用されている。
近年、これらの表面保護工のうち、10 mm 仕上げの表面保護工にて変状が発生し、写真–1 に示すような連続繊維シート層の露出事例が複数確認されている 1) 。
連続繊維シート工法に用いる材料のうち、炭素繊維は紫外線劣化することはないが、エポキシ樹脂が劣化するため、引張強度は変わらないものの、引張剛性などが緩やかに低下することが報告されている 2) 。また、アラミ
ド繊維は繊維そのものが紫外線劣化するため、紫外線を直接受けることによって引張強度が低下することが報告されている 3),4) 。その一方で、紫外線の影響を受けるのは表層部のみであり、補強効果への影響は小さいとの指摘もある。
また、表面保護モルタルの剥落による連続繊維シートの露出については、橋梁点検の点検記録区分や写真判定
事例集には掲載されていない新しい損傷形態であるため、診断者によって B 判定、C1 判定、S 判定などの異なる判断となっているのが現状である。
そこで、保護モルタルが剥落して連続繊維シートが露図–1 連続繊維シートによる耐震補強工の層構成

写真–1 表面保護モルタルの剥落による繊維露出出した場合に、紫外線が補強効果にどのような影響を及ぼすかを把握するため、紫外線の影響の強い高地に位置する朝霧暴露試験場において暴露試験を開始した。暴露期間は橋梁点検 2 巡分となる 10 年間 (2017〜2027 年）

NONOMURA Yoshinori, NAITOH Isao, SHIMATA Akinori－ 556 －

果について報告する。また、暴露試験の途中経過をもと1 層とすることを基本とした。ただし、橋脚の段落とし部の曲げ補強では、2 層以上の層数で補強し、耐力計算に、繊維露出後の対応方法について検討を行った。の対象となる軸方向の連続繊維シートを内側に、拘束・を予定しており、本成果報告では暴露 2 年目までの結はらみ出し防止の帯鉄筋の役割を果たす周長方向の連続2.

繊維シートを外側に配置することが一般的である。そこ

暴露試験体および試験方法

で、暴露試験体については、1 層補強後その直角方向に(1) RC 梁試験体
橋脚の曲げ補強の場合、連続繊維シートの破断よりも先に圧縮側のかぶりコンクリートの圧壊が生じるため、紫外線により連続繊維シートの材料強度が低下した場合
でも、RC 構造としての補強効果には影響が生じない可能性も考えられる。そこで、紫外線劣化を受けた場合のRC 構造としての剛性や耐荷力の変化を確認するため、RC 梁の引張側に連続繊維シートを貼り付けた RC 梁試
験体を作成し、暴露試験を行った。
a) 試験体寸法
RC 梁の寸法を図–2 に示す。RC 梁の断面および鉄筋量は、耐震補強橋脚の実験などを参考に鉄筋比 1.0% とし、曲げ破壊型となるようせん断余裕度 2.5 程度を目標にせん断補強筋を配置した。コンクリートには呼び強度 30、スランプ 8 cm のレディミクストコンクリートを用いており、普通ポルトランドセメント、水セメント
比 46.0% で、現場養生供試体の 28 日強度は平均で 35.2N/mm2 であった。また、載荷試験後の RC 梁の端部より圧縮強度試験用のコアを採取しており、暴露 0, 1, 2 年目の圧縮強度はそれぞれ平均で 50.6, 52.5, 58.6 N/mm2であった。
b) 繊維種類
暴露試験に用いた連続繊維シートは計 6 種類で、炭素繊維が 3 種類 (A, B, C)、アラミド繊維のうちアラミド 1 (ケブラー、トワロン) が 2 種類 (D, E)、アラミド 2(テクノーラ) が 1 種類 (F) である。また、接着した連続繊維シート 1 層当たりの厚さは、炭素繊維が 0.111 mm(目付量 200 g/m2 )、アラミド 1 が 0.193 mm (目付量 280g/m2 )、アラミド 2 が 0.169 mm (目付量 235 g/m2 ) で、それぞれ最小設計厚さ (最小目付量) となっている。いずれも含浸樹脂にはエポキシ樹脂を用いており、各工法で指定されている標準的な樹脂塗布量とした。
連続繊維シートによる補強層数は主鉄筋と同じ方向にもう 1 枚連続繊維シートを交差させて重ねた 2 層補強の試験体も作成し、同様に暴露している。ここで、1 層補
強 RC 梁は補強用の連続繊維シートが直接的に紫外線劣化作用を受ける層構成であり、もう一方の 2 層補強 RC梁は実構造物に近い層構成となっている。なお、2 層補
強 RC 梁の交差方向の連続繊維シートは耐力に寄与しないため、1 層補強 RC 梁と 2 層補強 RC 梁の耐荷力は同等となる。

c)

暴露概要
暴露場所は富士山西方の朝霧高原に位置する朝霧暴露

試験場 (静岡県、標高 910 m) で、年間の累積紫外線量は、北海道の 2 倍程度で、沖縄と同程度となっている。
暴露状況を写真–2 に示す。暴露時には連続繊維シートの接着面側 (載荷試験時の下面側) が上側となるよう設置した。なお、10 mm 厚の表面保護モルタル層は設けず、FRP 層 (連続繊維シート＋エポキシ樹脂) の上塗りのエポキシ樹脂が暴露面となっている。また、RC 梁の側面ではコンクリートと FRP 層の施工界面が晒されることになるが、施工界面に対する処置は特に行っていない。

図–2 RC 梁の寸法

NONOMURA Yoshinori, NAITOH Isao, SHIMATA Akinori－ 557 －

写真–2 暴露試験開始時の様子 (RC 梁)

RC 梁は、2017 年 5 月にコンクリートを打設し、乾燥護塗料を塗布した。

収縮と強度発現を促して安定させることを目的に、寒地所定の暴露年数に到達後、JIS A 1191 に準拠して、炭土木研究所構内 (札幌市) の屋外敷地にて 6 ヶ月程度静素繊維では A 形試験片を 5 試料ずつ、アラミド繊維で置した。その後、2017 年 10 月下旬に RC 梁に連続繊維

は B 形試験片を 5 試料ずつ整形し、引張強度およびヤシートを接着した後、朝霧暴露試験場へ輸送し、2017 年ング係数を計測した。

11 月中旬より紫外線暴露を開始した。暴露期間は 10 年間とした。これは、損傷発生から橋梁点検を経て対策工

3.

暴露試験結果および考察を行う場合に、最長で 10 年程度の期間が見込まれるた暴露前後における RC 梁の剛性や耐荷力の変化を確認するため、静的載荷試験を暴露 0, 1, 2, 5, 10 年目に実施することを計画した。その結果、繊維補強した暴露用 RC 梁の総数は繊維種類 6 水準 × 補強層数 2 水準 ×
暴露年数 5 水準の計 60 体となった。この他に無補強のRC 梁も 2 体/暴露年ずつ作成し、紫外線暴露および載荷試験を実施している。

d)

暴露後の載荷試験

RC 梁の静的載荷試験は、図–2 に示した通り 4 点曲げ載荷とし、一方向の単調載荷とした。載荷速度は鉄筋降伏までは荷重制御で 5 kN/min、鉄筋降伏後は変位制御で 2mm/min とした。なお、連続繊維シートは暴露時の端部劣化の抑制を目的に下面全体に貼り付けていたため、支点近傍に切り込みを入れ、支点部直上の連続繊維シートと分離してから載荷試験を行っている。

(1) プレート型試験片 (1 層補強)
紫外線暴露による引張強度の推移を図–3 に示す。繊維の種類によって強度が異なるため、図–3 では引張強度の設計値に対する強度比として示している。炭素繊維、アラミド繊維ともに 2 年経過後も設計値を上回っていた。しかし、炭素繊維は強度変化が小さかった一方で、アラミド繊維では経年で強度が低下するような傾向が見られた。紫外線の影響による強度低下の可能性があり、今後の暴露試験の継続により、傾向を確認したい。
次に、暴露による引張ヤング係数の推移を図–4 に示す。メーカーによって異なるが、ヤング係数の実測値は設計値に対して ±10∼19% 程度の範囲内であることが求められる。暴露試験片のヤング係数を見ると、範囲内に概ね収まっていた。また、ヤング係数は繊維の種類に共通した傾向は確認できず、概ね横ばい傾向となっていることから、暴露 2 年ではヤング係数に及ぼす影響は小さいと考えられる。
1.61.41.210.80.60.40.20炭素繊維

アラミド繊維ABCDEF

0年目 1年目 2年目 0年目 1年目 2年目

図–3 引張強度の推移 (1 層補強)
設計値に対するヤング係数比(2) プレート型試験片本暴露試験では、連続繊維シート自体の紫外線劣化程度についても把握するため、写真–3 に示すようなプレート型試験片を設置し、RC 梁と同様に 2017 年 11 月中旬より暴露試験を開始した。試験水準数についても RC 梁と同様とし、繊維種類 6 水準 × 補強層数 2 水準 × 暴露
年数 5 水準の計 60 試料とした。
プレート型試験片のサイズは、暴露後に引張強度用の試験片を整形できるよう 30×30 cm とした。暴露面側はRC 梁と同様に上塗りのエポキシ樹脂が露出した状態になっている。一方、暴露面の反対側 (地面側) では、照り返しによる紫外線劣化が起きないよう紫外線に対する保設計値に対する引張強度比めである。

1.61.41.210.80.60.40.20炭素繊維

アラミド繊維ABC

0年目 1年目 2年目 0年目 1年目 2年目

図–4 ヤング係数の推移 (1 層補強)
写真–3 暴露試験開始時の様子 (プレート型試験片)NONOMURA Yoshinori, NAITOH Isao, SHIMATA Akinori－ 558 －DEF

(2) RC 梁 (1 層補強)
無補強の RC 梁における暴露による荷重変位曲線の推移を図–5 に示す。コンクリート圧縮強度の増大などの影響により、経年で曲げひび割れ荷重や降伏点が大きくなる傾向が確認できるものの、概ね同程度の結果となった。
次に、連続繊維シートで 1 層補強した RC 梁の荷重変位曲線を図–6 に示す。RC 梁の破壊形式は、ピーリング破壊、またはコンクリート圧壊後のピーリング破壊となっている。暴露 2 年後であっても、連続繊維シート自身のヤング係数の変化が小さいため、剛性や降伏荷重、最大荷重はほとんど変わらなかった。そのため、紫外線による劣化作用が 2 年程度の場合には、補強方向の連続繊維シートが紫外線を受けたとしても、補強効果に及ぼす影響は小さいことが確認できた。

荷重 (kN)150(3) 2 層交差補強したプレート型試験片および RC 梁実際の耐震補強を模擬し、1 層補強後その直角方向にもう 1 枚連続繊維シートを交差させて重ねた 2 層補強したプレート型試験片における引張強度の推移を図–7 に示す。図–3 に示した 1 層補強の場合と異なり、アラミド繊維であっても引張強度の低下は生じなかった。これは、外側に配置された軸直角方向のアラミド繊維のみが紫外線の影響を受け、主となる軸方向のアラミド繊維が劣化しなかったためと考えられる。
次に、暴露による引張ヤング係数の推移を図–8 に示す。引張強度の場合と同様に、経年による低下は生じず、横ばいのままとなっていることが確認できる。
また、ここには示さないが、同様に RC 梁の剛性や耐力についても低下は生じなかった。そのため、紫外線による劣化の程度や、実施工時の層構成を考慮すると、繊維補強橋脚の曲げ耐力に対し紫外線の劣化の影響の程度は小さい可能性がある。
ただし、紫外線の影響が小さいのは段落とし部の曲げ補強の場合であり、それ以外のせん断補強などの場合には紫外線による強度低下の影響を受ける可能性があることから、より慎重な判断が必要である。なお、せん断補強の場合には補強層数が厚くなる場合が多いため今後の 5, 10 年後における暴露試験によりアラミド繊維の紫外線劣化の影響が表層部のみに留まることが確認されれば、その強度低下速度は緩やかであると考えられることから、繊維露出に対する点検間隔については、従来の 5年間隔の橋梁点検と、それに続く補修対応で十分に維持管理できると考えられる。

無補強

10050

0年目
1年目
2年目

00102030変位 (mm)

図–5 荷重変位曲線 (無補強)

200

150

1000年目
1年目
2年目

50001020炭素繊維（材料B）

150

1000年目
1年目
2年目

50003010変位 (mm)

200

150

100000年目
1年目
2年目
1020変位 (mm)150

1000年目
1年目
2年目

5000301030

アラミド繊維（材料E）

200

150

1000年目
1年目
2年目

500010変位 (mm)

図–6 荷重変位曲線 (1 層補強)

NONOMURA Yoshinori, NAITOH Isao, SHIMATA Akinori－ 559 －30

アラミド繊維（材料F）

150

1000年目
1年目
2年目

502020変位 (mm)荷重 (kN)

アラミド繊維（材料D）5020

炭素繊維（材料C）

変位 (mm)

荷重 (kN)

荷重 (kN)200200

荷重 (kN)

炭素繊維（材料A）

荷重 (kN)

荷重 (kN)

20030001020

変位 (mm)30

設計値に対するヤング係数比

設計値に対する引張強度比

1.81.61.41.210.8

炭素繊維0.6ABC0.40.20

アラミド繊維DEF

0年目 1年目 2年目 0年目 1年目 2年目

図–7 引張強度の推移 (2 層・交差補強)

1.6
1.41.210.8

炭素繊維0.6ABC0.40.20

アラミド繊維DEF

0年目 1年目 2年目 0年目 1年目 2年目

図–8 引張ヤング係数の推移 (2 層・交差補強)に衝突痕や繊維断裂が確認された場合には、断裂方向の4.

橋梁点検で繊維露出を見つけた場合の対応について

連続繊維シートを重ね貼りすることで強度回復させてから補修するのが良い。また、露出した連続繊維シートに連続繊維シートによる耐震補強橋脚において表面保護浮きがある場合で、浮きサイズが大規模な場合や、浮きモルタルが消失して繊維露出している場合、連続繊維の内部に水の滞留が認められる場合には、その原因を調

シートは耐震補強のための主たる補強材であるため、コ査し、エポキシ樹脂注入や水の遮断などの対処を行ってンクリート構造物で鉄筋が露出している場合と同様に、から補修するのが良い。
また、標準的な耐震補強用の連続繊維シートでは繊維予防保全の観点から速やかに補修等を行うことが望まし方向が 1 方向に揃えられているが、施工の簡素化を目的いと考えられる。
特に、河川橋梁で流下物の衝突によって繊維の断裂がに連続繊維を縦横 2 方向に編み込んだ 2 方向繊維シー懸念される箇所や、アラミド繊維によるせん断補強橋脚トが存在する。2 方向のアラミド繊維シートについてはについては、予防保全の観点から速やかに補修等を行う

紫外線によって補強方向の繊維が劣化する恐れがあるた必要がある。

め、露出期間や露出範囲を勘案し、必要に応じて重ね貼以降では、繊維露出箇所を補修する場合に必要な調査りなどによる補強を行ってから表面保護モルタルを復旧するのが良い。

項目および対応方法案を示す。

b)(1) 調査確認事項
耐震補強橋脚において繊維露出部を補修する場合、補修方法を決めるために以下の項目を確認するのが良い。
• 露出繊維における衝突痕や繊維断裂の有無• 露出繊維における浮きの有無• 繊維種類（炭素繊維かアラミド繊維か、および 1 方向か 2 方向か）
• 補強目的（曲げ補強かせん断補強か）

せん断補強の場合
橋脚のせん断補強の場合、繊維種類に応じて対応を変える必要がある。紫外線の影響を受けにくい炭素繊維については、曲げ補強の場合と同様に、繊維露出範囲を表面保護モルタルで復旧する形で十分であると考えられる。一方、アラミド繊維については紫外線による強度低下の可能性があるため、露出期間や露出範囲を勘案し、必要に応じて重ね貼りなどによる補強を行ってから表面保護モルタルを復旧するのが良い。また、連続繊維シートを傷つけることになるが、施工箇所から連続繊維シー(2) 対応方法案a) 段落とし部の曲げ補強の場合
橋脚の段落とし部の曲げ補強の場合、紫外線劣化が生じるのは拘束効果を期待している周長方向の連続繊維シートであるため、補強当初と同等の耐震補強効果が期待できる。そのため、繊維露出箇所の補修としては、炭素繊維、アラミド繊維ともに、浮き箇所をはつり落とした後、繊維露出範囲を表面保護モルタルで復旧する形で十分であると考えられる。なお、このときの表面保護モルタルには、接着増強用のプライマーが材料構成に含まれており、かつ、連続繊維シート層との接着性能が十分に確認されている材料を選定するのが良い。
再補修時の留意事項として、露出した連続繊維シートトをサンプリングして引張強度を測定する方法 5) もあるため、耐荷力を推定する場合には必要に応じて活用すると良い。
なお、衝突痕や断裂、浮きなどが確認される場合には、前述の曲げ補強の場合と同様の対処方法となる。

c)

繰り返して剥落が生じる場合など
繊維露出範囲を表面保護モルタルで復旧した場合に、再度の剥落および繊維露出が懸念される。これまでの調査結果では、10 mm 厚の保護モルタルを施工する際、接着増強の役割を持たせたプライマーを使用し、施工後の養生期間を十分に確保した箇所において、再劣化が生じていないことを確認している 1) 。そのため、繊維露出が生じた箇所の補修に関して、通常は、従来の表面保護モNONOMURA Yoshinori, NAITOH Isao, SHIMATA Akinori－ 560 －

ルタルの再施工による対応で十分であると考えられる。
しかし、剥落が繰り返して生じる場合や、アラミド繊維シートによるせん断補強箇所などで従来以上の補修を行いたい場合には、紫外線の遮断、衝突物からの保護、美観の向上が期待できる代替材料を選定すると良い。
代替材料の 1 つに下水道用ライニング材に使用されるポリウレア樹脂がある。ポリウレア樹脂は耐摩耗性や耐衝撃性に優れた材料で、実際に採用した橋梁 (写真–4)
では施工 6 年経過後も再度の繊維露出や河川流下物による損傷は確認されていない。
写真–4 ポリウレア樹脂による補修

5.

まとめ
近年確認されている表面保護モルタルの剥落による連続繊維シートの露出に対し、適切な診断を行うための確

参考文献

認試験として、紫外線に対する暴露試験を開始した。
その結果、暴露 2 年目までの途中経過として、連続繊維シートへの紫外線の影響は、複数ある連続繊維シート層の一番外側の層のみに留まっている。今後、暴露 5,10年後においても同様の傾向が確認されれば、従来の点検とそれに続く補修対応で十分に維持管理できると考えられる。
また、暴露試験の途中経過をもとに、4 節に示す橋梁点検時における対応方法の提案を行った。今後、暴露試
験の結果や、耐震補強箇所の劣化損傷事例、補修事例を蓄積し、連続繊維シートの露出時に必要な対応をさらに検証していきたい。
謝辞
今回の暴露試験は日鉄ケミカル＆マテリアル株式会社、前田工繊株式会社、三菱ケミカルインフラテック株式会社、菊水化学工業株式会社との共同研究の一環として実施しました。暴露試験の実施に当たり、関係機関の皆様に多大なご協力をいただきました。ここに記し、お礼申し上げます。

NONOMURA Yoshinori, NAITOH Isao, SHIMATA Akinori－ 561 －1) 野々村佳哲、内藤勲、島多昭典、川村浩二、村中智幸、渡辺淳: 連続繊維シート接着工による橋脚耐震補強工の変状調査, 寒地土木研究所月報, No. 736,
2014.92) 西崎到、守屋進、木嶋健、佐々木厳: 被覆系コンク
リート補修補強材料の耐久性に関する研究, 土木研
究所成果報告書, 2009-No.9, pp.20–21, 20093) 西村次男、加藤佳孝、山口明伸、魚本健人: 紫外線促進試験による FRP ロッドの劣化性状に関する研究, コンクリート工学年次論文報告集, Vol.19,
pp.1255–1260, 1997
4) 財団法人鉄道総合研究所: アラミド繊維シートによる鉄道高架橋柱の耐震補強工法設計・施工指針,
pp.81–83, 1996
5) 野々村佳哲、安中新太郎、石川敏彦、齋藤信人、小森篤也、鈴木宣暁、大久保誠： 連続繊維シートの原
位置サンプリング方法について, 寒地土木研究所月報, No. 789, 2019.2