技術資料

干満帯におけるコンクリート構造物の凍結融解に着目した
表面温度の観測結果と一考察
長谷

一矢

干満帯において凍結融解作用が起きているとして１．はじめにも、基本的に海中では凍結融解作用は起きないため、コンクリート構造物の劣化機構として、中性化、塩潮位変動により水面が上下する干満帯においては、凍害、凍害、化学的侵食、アルカリシリカ反応、疲労、結融解の程度も一様ではないと想定される。本技術資

すりへりなどが挙げられる。本技術資料は、これら劣料は、干満帯におけるコンクリート表面温度の観測結化機構の中から凍害に関連した一つの観測結果と考察果を示すとともに、干満帯における凍結融解についてを述べるものである。凍害とは、コンクリート中の水考察するものである。

分が凍結する際の体積膨張と、融解の際の水分供給という凍結融解作用を繰り返すことにより、コンクリー

２．観測方法ト表面から徐々に劣化する現象である。凍害による被害は寒冷地にある土木構造物全般に見られるが、特に本資料で報告する現地観測は、網走港モヨロ地区

海岸施設や港湾施設など海に面した構造物に著しく、にある物揚場にて実施した（図－1）。観測期間はその部位は構造物天端面や海水面付近に多いことが報2019/12/12 14:00～12/13 14:00の1昼夜（24時間）であ告されている

る。観測方法は、既設構造物内部に温度センサーを設1)-3)。写真－1は、防波堤の海水面付近、いわゆる干満帯が劣化している状況の一例である。

置する方法ではなく、モルタルで製作した温度観測用筆者が所属する寒冷沿岸域チームでは、沿岸にあるの供試体を既設構造物前面に設置して観測する方法とコンクリート構造物を対象とした凍害と海氷摩耗によした。供試体の設置位置は図－1の●地点であり、日る複合劣化について研究を進めている。海氷が構造物射を十分に受けられる南向きの位置としている。なを摩耗する部位は、主に干満帯であると考えられ、こお、調査位置付近には日射を遮る障害物はない。の干満帯が凍結融解作用によってどの程度脆弱化して

図－2は温度観測用供試体の構造と設置状況を示しいるのかを把握することが一つの課題であった。そこている。供試体のモルタル部分の寸法は、長さ1.0m、で、基礎資料を得るべく、冬期に港湾施設の干満帯で幅0.06m、厚さ0.04mであり、木製の型枠にモルタルコンクリート表面の温度観測を実施した。

を打設する方法で製作した。モルタルの配合は表－1

写真－1
寒地土木研究所月報№809

干満帯の劣化事例
2020年９月

図－1

現地観測地点

25

供試体構造図
A

正面図

供試体設置状況
A-A 断面図

正面図[ m ]熱電対0.1

モルタル0.2

型枠(木材)

0.2[ m ]+2.50
0.005

0.04
干満帯

0.2
0.06+2.50+2.0+1.8+1.6+1.4+1.2+1.0+0.8+0.6+0.4+0.2

H.W.L.
+1.40

1.0断熱材

断面図

L.W.L.
±0.00

0.20.1※高さ表記はD.L.基準※H.W.L.、L.W.L.は設計潮位A

図－2

温度観測用供試体の概略図
表－1に示すとおりであり、水セメント比、使用セメント、モルタル供試体の配合

目標空気量は一般的な港湾構造物のコンクリート配合

水セメント比(％)

使用セメント

目標空気量(%)

細骨材率(%)と同等である。モルタル供試体の表面温度を観測する

47.4

高炉B種

5.5

100

ために、熱電対をモルタル表面から5mmの深さに0.2単位量(kg/m 3 )m間隔で5本埋め込んだ。そして、モルタルへの熱の水

セメント

細骨材

粗骨材

混和剤(g/m 3 )（AE助剤）

伝達が表面からのみになるよう、木製型枠の側面と背2284815590301

面に厚さ2cmの断熱材を貼り付けた。この供試体を2本製作し、図－2供試体設置状況に示すように物揚場側壁に吊り下げ、高さD.L.+2.0m～+0.2mの範囲の供試体表面温度を0.2m間隔で計10点観測できるようにした。
図－3は、供試体の設置状況（写真左）とサーモグラフィーで撮影した熱分布画像（写真右）である。写真左に示すとおり、物揚場の側壁に供試体を段違いに2本吊るし、供試体下部には重りを吊り下げて、供試体を物揚場側壁に沿わせて設置した。観測地点の物揚場は網走川の川筋に位置するため、波の影響はほとんどなく、目視ではあるが水面変動は±0.1m程度であった。写真右の熱分布画像は供試体と物揚場側壁の温図－3

供試体の設置状況と熱分布画像度差を把握する目的で撮影したものである。両者には材質の違い（コンクリートとモルタル）や形状の違い位データを補正して使用することとした。

があるため表面温度は一致しないと想定されたが、その温度差は1.4℃程度（12/13 10:16撮影時点）であった。

３．観測結果

温度観測データは、サンプリング周波数1minでデータロガーに記録した。気温と潮位は気象庁の観測

図－4は供試体温度、気温、海水温、潮位の経時変記録 を使用することとし、海水温については海表面化を示している。横軸の時刻は観測期間である12/12（深さ5cm以浅）を温度計で4回（12/12 15:50、12/1314:00～12/13 14:00の24時間（1昼夜）を示しており、7:00、10:30、12:50）観測した。なお、潮位は網走港

縦軸左は供試体温度・気温・海水温、縦軸右は潮位を検潮所のデータを使用しているが、観測地点で目視確示している。供試体で計10点の温度観測を行っている

認した潮位とやや差が見られたことから、検潮所の潮が、図を読みやすくするため4枚に分けて作図してお4)26

寒地土木研究所月報№809

2020年９月

20

供試体温度D.L.+1.8

2

供試体温度D.L.+1.6

10

150.5

0022:00

時刻

2:00
12/13

6:00

10:00

-0.5
14:00

2.5
● 潮位（補正後）● 海水温（実測）〇 気温（気象庁）

20

供試体温度D.L.+1.4

物揚場

供試体温度D.L.+1.2

2

供試体温度D.L.+1.0 温度計測点

151.5

10

150.5

00

18:00

22:00

25
20

時刻

2:00
12/13

6:00

10:00

-0.5
14:00

2.5(c)● 潮位（補正後）● 海水温（実測）〇 気温（気象庁）

供試体温度D.L.+0.8

物揚場

供試体温度D.L.+0.6

2151.5

10

150.5

温度計測点

00-5
14:00
12/12
25

18:00

22:00

時刻

2:00
12/136:00

10:00

-0.5
14:00

2.5(d)● 潮位（補正後）● 海水温（実測）〇 気温（気象庁）

20

供試体温度D.L.+0.4

物揚場

2

供試体温度D.L.+0.2

151.5

101
温度計測点

50.5

00-5
14:00
12/12

18:00

№809

22:00

時刻
図－4

寒地土木研究所月報

潮位（m）

(b)

潮位（m）

25

18:00

12/12

気温・海水温・供試体温度 （℃）

2.5
物揚場

1.5

-5
14:00

気温・海水温・供試体温度 （℃）

供試体温度D.L.+2.0 温度計測点

15-5
14:00
12/12

気温・海水温・供試体温度 （℃）● 潮位（補正後）● 海水温（実測）〇 気温（気象庁）

潮位（m）

(a)

潮位（m）

気温・海水温・供試体温度 （℃）

25

2020年９月

2:00
12/13

6:00

10:00

-0.5
14:00

モルタル供試体表面の温度変化と気温、海水温、潮位27り、上段から図－4(a)、(b)、(c)、(d)としている。

測点が気中に露出したと同時に、海水温から気温に向

各図の気温、海水温、潮位は全て同一のデータであかって温度が低下している状況がわかる。温度変化のる。色分けされた実線が干満帯における高さ別の供試

速度は供試体の熱伝達率や気温・海水温との温度差に体温度、〇が1時間毎の平均気温、●が4回観測した海よるが、今回の観測においては、1時間程度で気温・水温であり、縦軸左で値を読む。●は1時間毎の潮位海水温と同じ温度になるようであった。ここで着目すであり、縦軸右で値を読む。また、温度観測地点と潮べきは、気温の低下に伴いマイナス温度となった供試位の関係を読みやすくするため、縦軸右の目盛りに合体が、潮位の上昇により水没してプラス温度に転じた

わせて物揚場の概略図と温度観測点を示した。さらにことである（もしくはその逆の現象）。一般にコンク温度観測点には一点鎖線を引いており、潮位との位置リートの凍結融解は外気温と日射により起こる現象で関係をわかりやすくした。例えば、一点鎖線が●よりあると認識されていると思われるが、干満帯において上に位置する時間帯は、温度観測点が気中に露出しては潮位の影響も含まれるようである。

いることを示す。観測期間中の気温は、最高気温5.4℃、

図－4(d)の供試体温度は高さD.L.+0.4m、+0.2mの最低気温-3.3℃であった。海水温は、4点のデータの温度変化である。潮位変動と温度観測点の高さを比みではあるが、最高水温2.4℃、最低水温-0.1℃であっ較すると、D.L.+0.2mは観測期間中の最低潮位よりもた。潮位（補正後）は、最高潮位+1.55m、最低潮位低い位置にあり、常に海水温と一致している。一方、+0.33mであった。

D.L.+0.4mは12/12 21:00頃から23:00頃にかけて気中に

図－4(a)の供試体温度は高さD.L.+2.0m、+1.8m、  露出しており、海水温から気温に向かって温度低下し+1.6mの観測記録である。潮位変動と温度観測点の高ている。しかし、気中に露出している時間が2時間程さ（3本の一点鎖線）を比較すると、この3点は常に気度しかなかったため、図－4(b)、(c)の同時刻の供試中に露出していることがわかる。その温度変化を見る

体温度と比べると、温度が下がりきらなかったことがと〇で示される気温とほぼ同じ温度変化を示していわかる。干満帯の下部は気中に露出する時間が短く、る。12/13 8:00から温度が急激に上昇しているが、こコンクリート表面が冷却されづらい傾向にある。

れは日射によるコンクリート表面の温度上昇である。
12/13の天候は晴れ、雲量は2～3割であった。気中に

４．干満帯の凍結融解に関する一考察

露出した供試体の表面温度は日射を受けている時間帯1昼夜の現地調査結果から、干満帯においては、気を除き、概ね気温に一致している。
図－4(b)、(c)の供試体温度は高さD.L.+1.4m、+1.2

温や日射に加え、潮汐の影響も加わりコンクリート表m、+1.0m、+0.8m、+0.6mの観測記録である。潮位面の温度変化が起きていることを確認できた。このこ変動と温度観測点の高さを比較すると、潮位変動によとを踏まえ、網走港における1シーズンの気温変動とり、気中に露出している時間帯と海中に水没している潮汐変動の観測記録に基づき、干満帯における凍結融時間帯の両方の状態がみられる。観測開始時点から潮解について考察することとした。

気温 （℃）

位は低下傾向にあったが、海中に水没していた温度観

2301潮位（m）

40020
気温潮位

10-10-2-10-3-2011/1201912/1

図－528図－5は気象庁が公表 4)している網走の気温データ

1/1
12/31
2020

2/11/30

3/1
2/29-4
4/13/30

時刻

網走港の気温変動と潮位変動（2019/11/1～2020/4/1：気象庁4））
寒地土木研究所月報№809

2020年９月

凍結融解回数（試算） （回）200
凍結融解判定条件
凍結：0℃未満
融解：0℃以上（水没時）

150[m]
H.W.L＋1.4＋2.4
構造物

干満帯
L.W.L
±0.0

100[D.L.]500

観測地点：網走港（気象庁）
期間：2019.11.1～2020.3.31

00.5

11.5

2

高さ D.L. （m）
図－6

干満帯における高さと凍結融解回数（試算）と網走港検潮所の潮位データである。データ期間は2019/11/1から2020/4/1までの1シーズンとした。以降、この期間のデータに基づき考察を行う。
図－6は干満帯における構造物側壁の干満帯における高さと凍結融解回数（試算）の関係を示したものである。この考察の中では、凍結融解回数を実際のコンクリートの状態から求めることができないため、気温と潮位変動に基づく温度変化から判断して求めることとした。その判断の考え方は、対象とする高さが気中に露出して、気温が0 ℃未満になった時に凍結し、潮位変動により水没した時に融解するというものである。なお、本考察は干満帯における高さと凍結融解の関係を相対的に評価して傾向を把握するものであるた
め、①海水の塩分濃度やコンクリートの細孔径により凍結温度は0℃より低くなること、②コンクリート表面が気温や海水温と一致するまでにやや時間を要すること、③気温が氷点下でも日射により融解することの3点については考慮しないこととした。図に示すよ
うに、凍結融解回数の試算結果は、D.L.±0mで4回、D.L.+0.6mで128回、常に気中に露出しているD.L.+1.5mで41回となっており、干満帯の中央部、つまり平均潮位付近が最も凍結融解回数が多い結果となった。その回数は気中部D.L.+1.5mの約3倍である。
コンクリートの凍結融解において外力となる要因には、最低温度、冷却速度、凍結持続時間などがあり、この中では最低温度の影響が大きいことが既往の研究5-6)で明らかにされている。図－7は、凍結融解
1サイクル毎の最低気温と凍結継続時間を階級別に整理し、その各階級の凍結融解回数を示している。図のx軸がサイクル毎の凍結継続時間、y軸がサイクル毎の最低気温、z軸が各階級別の凍結融解回数（試算）

図－7

干満帯における高さと凍結融解回数（想定）である。干満帯における高さの傾向を把握するため、
寒地土木研究所月報№809

2020年９月



29

(a)D.L.+1.5m、(b)D.L.+1.0m、(c)D.L.+0.6m、(d)位以上の凍結融解による劣化リスクは気中部と比D.L.+0.2mの4ケースを代表として示している。4ケー較しても十分に高いと考えられる。

スを比較してみると、y軸に示す最低温度の分布は、干満帯における凍結融解作用による劣化を定量的に凍結融解回数（試算）に差はあるものの-2℃から-8評価するには室内試験等を実施する必要がある。ま

℃にピークをもつ類似した分布となっている。大きくた、干満帯における水分量の調査も必要となる。今後、異なるのはx軸の凍結継続時間であり、平均潮位付近これらの課題についても取り組む予定である。の(c)では最長16時間、最低潮位に近い(d)では最長4時間となっており、(a)、(b)と比較すると潮位変動

謝辞：国土交通省北海道開発局網走開発建設部網走港の影響を強く受けていることがわかる。

湾事務所より、現地観測のフィールド提供とご協力を凍結融解による劣化の観点からどの高さが最も厳し頂きました。ここに記して謝意を表します。

い環境条件にあるかは一概に評価できないが、少なくとも(d)より(c)の方が厳しい環境にあることは明ら参考文献

かである。そして常時気中にある(a)と干満帯の(b)、(c)を比べても、干満帯の凍結融解による劣化のリス

1)

クは十分に高いと考えられる。

ジャーナル，Vol.4，No.11，pp.56-61，1966.
2)
3)

本技術資料の主要な結論を以下に示す。

気象庁Web https://www.jma.go.jp/jma/index.
html（2020年8月11日確認）

5)とを確認した。

石井清・江川顕一郎・堤知明・野口博章：凍結融解作用を受けるコンクリートの劣化予測に関する研究，土木学会論文集，No.564，Ⅴ-35，pp.221-(2) 網走港における1シーズンの気温、潮位観測記録

232，1997．

を一例に、日最高および最低気温と潮位変動を組み合わせて凍結融解回数を試算した結果、干満帯

林正道：寒冷地におけるコンクリート構造物，土木学会論文集，No.402，Ⅴ-10，pp.1-13，1989．

4)

よる凍結および融解に加え、潮位変動による融解を含む凍結融解作用が繰り返される環境にあるこ今井益隆：コンクリート構造物の凍害調査，コンクリート工学，Vol.14，No.11，pp.16-22，1976.

５．まとめ(1) 一昼夜の現地観測により、干満帯は気温や日射に

林正道：土木構造物の凍害状況，コンクリート・

6)

田畑雅幸・洪悦郎・鎌田英治：コンクリートの耐の平均潮位付近で最も凍結融解回数が多くなるこ

凍害性におよぼす環境要因の影響－養生と凍結融とがわかった。それは、常時気中に露出している解の条件－，セメント技術年報，Vol.37，pp.349-気中部の約3倍であった。

352，1983．

(3) 同観測記録から凍結融解1サイクル毎の最低気温と凍結継続時間を階級別に整理し、その各階級の凍結融解回数を試算した結果、干満帯の凍結融解による劣化のリスクは、平均潮位以下より平均潮位付近の方が高いことがわかった。また、平均潮

長谷 一矢
HASE Kazuya
寒地土木研究所
寒地水圏研究グループ
寒冷沿岸域チーム
研究員

30

寒地土木研究所月報№809

2020年９月