技術資料

寒冷地の床版のかぶり部で生じる層状ひび割れの進展過程に関する一考察林田宏

１．はじめに寒冷地の道路橋床版では、疲労と凍害の複合劣化によって、写真－1に示すように、多数の水平ひび割れが層状に発生した「層状ひび割れ」が発生している。
この層状ひび割れは、以下のような過程を経て、深さ方向に進展するとされている2)。
①

かぶり部でひび割れが発生（白点線）②

上鉄筋付近でひび割れが発生（黄点線）③

上下鉄筋間でひび割れが発生（赤点線）

これらの層状ひび割れの発生メカニズムに関して、上記②と③については、以下のような報告を行った3), 4)。
1）上鉄筋付近で生じる水平ひび割れは、図－1のよ写真－1

疲労と凍害の複合劣化で生じた層状ひび割れ1)

うにアーチ機構の影響によって発生する。
2）上下鉄筋間の層状ひび割れは、図－2のように発生するせん断ひび割れや水平ひび割れである。
今回は、写真－1に白点線で示すようなかぶり部で水平ひび割れ

生じる層状ひび割れの進展メカニズムに関して、図－3のような検討を行った。以下、その結果について報図－1

 荷に伴って形成されるアーチ（青色部分）の影響
載によって上鉄筋付近に水平ひび割れが発生3)

図－2

せん断ひび割れによる上下鉄筋間の層状ひび割れ4)告する。
２．かぶり部で生じる水平ひび割れの発生メカニズム
本章では、層状ひび割れを構成するそれぞれの水平ひび割れが、どのように発生するのかについて考えてみたい。その際、着目すべき点は、写真－1のように、層状ひび割れの間隔が概ね粗骨材の寸法と一致している1)ことである。このようになる原因として、以下のことが関係していると考えられる。以降では、これらの詳細について述べる。
1）粗骨材界面に形成される強度的弱点
2）輪荷重によって発生する大きな圧縮力（疲労）3）凍結作用に伴って発生する凍結膨張圧（凍害）２．１

粗骨材界面に形成される強度的弱点

粗骨材の周りには、強度的に弱点となる遷移体や空隙が存在する。
遷移体とは、骨材とセメントペーストの間に形成さ寒地土木研究所月報№833

2022年７月

かぶり部の水平ひび割れの発生メカニズム（2章）
かぶり部の層状ひび割れの進展メカニズム（3章）
寒冷地の道路橋床版の劣化進行過程（4章）

図－3

本研究の概要29

ひび発生

強度的に弱点となる粗い組織である遷移体5)

図－4
遷移体

ひび発生

図－6 圧縮力によって骨材下面の空隙からひび割れが発生

空気や水が溜まる
水

空気

進展

図－5

 材下面に溜まるブリーディング水や空気が骨コンクリート硬化後、空隙となる

進展

図－7 空隙内の水が凍結する際の膨張圧でひび割れが進展れる粗い組織のことである（図－4）。また、骨材下面

図5, 6, 7は、さらに大きな弱点となる。それは、図－5のように、ブリーディング水や空気が骨材下面に溜まり、コンクリート硬化後には、空隙（水隙）となるからである。
図－8

２．２

骨材間のひび割れがつながり水平ひび割れとなる

圧縮力と凍結融解の繰り返しで骨材下面からひび割れが進展し水平ひび割れが形成される

図－1のようにアーチ機構が形成されると、アーチ進展クラウンとなるかぶり部には、輪荷重によって大きな圧縮力が作用する。この圧縮力によって、空隙内の水には水圧が発生する。また、図－6のように、圧縮力進展(a) 輪荷重通過時に発生する水圧で水平ひび割れが進展による変形に伴って鉛直方向に引張応力も発生する。
このため、骨材下面の空隙から微細なひび割れが発生
また、寒冷地の床版では、空隙内の水が凍結する際にも、凍結膨張圧によって微細なひび割れが発生する（図－7）。そして、このひび割れは、輪荷重による圧縮進展進展する。

(b) 凍結時に生じる凍結膨張圧によって水平ひび割れが進展
図－9

 荷重と凍結融解の作用で骨材下面に生じた水平輪ひび割れの幅や発生範囲がさらに拡大していく

作用や凍結融解作用が繰り返されるたびに、その長さが徐々に伸びていく。その結果、骨材間のひび割れがつ床版防水が施工されていない場合、次章で述べるせながり、水平ひび割れが形成されることとなる（図－8）。

ん断ひび割れを通じて、上面から水平ひび割れに水が供給される。このため、図－9(a)のように、輪荷重が輪荷重と凍結融解の作用で骨材下面に生じた通過する際に発生する水圧によって、水平ひび割れが水平ひび割れの幅と発生範囲がさらに広がるさらに進展する。また、寒冷地の床版では、水平ひび

図－8の段階の水平ひび割れは、目視では確認でき割れ中の水が凍結する際の膨張圧によって水平ひび割ないほど幅が狭い。しかし、前節で述べたメカニズム

れの幅がさらに拡大するとともに、平面的にも水平ひは、その後も続くため、水平ひび割れの幅や発生範囲び割れの発生範囲が拡大する（図－9(b)）。

２．３は、さらに拡大していく。具体的には、以下のとおりである。
30

これが寒冷地にある道路橋床版で、広範囲にわたって水平ひび割れが発生する原因であると考えられる。
寒地土木研究所月報№833

2022年７月

大

圧縮応力

大0圧縮応力

大0

圧縮応力

0

この線よりも応力が大きい
骨材界面でひび割れが発生(b) 上の薄い版が破壊すると、下の版に (c) 同様の行程が繰り返され、かぶり部(a) 大きな圧縮作用の繰返しによって圧縮が作用し、次のひび割れが発生に層状ひび割れが形成される骨材界面を繋ぐ水平ひび割れが発生

図－10

かぶり部で生じる層状ひび割れの進展メカニズム

３．かぶり部で生じる層状ひび割れの進展メカニズム

は、上から順に発生する。図－10は、この過程を示した概念図である。以下、詳細について述べる。
３．１20
深さ（mm）

層状ひび割れを構成するそれぞれの水平ひび割れ

0406080

圧縮応力が大きな上面付近にある粗骨材下面
100

で最初に水平ひび割れが発生する

120

アーチ機構の形成に伴って、かぶり部には大きな圧下鉄筋-500縮力が作用している。しかし、深さ方向の応力分布は一様ではない。図－11は床版供試体を用いて静的載荷

中立軸
上鉄筋圧縮←

図－110500
1000
断面ひずみ分布（μ）

1500
→引張

床版供試体の深さ方向のひずみ分布3)試験を行った際のひずみ分布である。図のように、圧縮応力が大きいのは上面付近であり、深くなるほど圧縮応力は小さくなる（中立軸で0）。このため、圧縮応力が大きな上面付近にある粗骨材界面をつなぐようなせん断ひび割れ形で、最初の水平ひび割れが発生する（図－10(a)）。
３．２

水平ひび割れの上側の薄い版は、輪荷重によって破壊され、圧縮応力を負担できなくなる

図－12 水平ひび割れの上の薄い版にせん断ひび割れが発生

水平ひび割れが発生すると、水平ひび割れより上側は、厚さが粗骨材の寸法程度しかない「薄い版」とな発生する。圧縮力が作用するかぶり部では、このようる。この薄い版に輪荷重が作用すると、図－12のような、1) 水平ひび割れの発生、2) 上側の薄い版の破壊、に、せん断ひび割れが発生する。その後、輪荷重が繰

3) 下の版に新たな水平ひび割れが発生、という行程

り返し作用するのに伴って、薄い版には多くのひび割が繰り返される。その結果、図－10(c)のように、上かれが生じるため、圧縮応力を負担できなくなる（図－ら順に複数の水平ひび割れが発生するため、結果とし10(b)）
。て、かぶり部に層状ひび割れが形成されることとなる。

３．３

３．４

下の版の上面付近に新たな水平ひび割れが発生する橋軸方向の引張応力で微細ひび割れが生じ、この部分が凍害を受けて水平ひび割れが発生

上側の薄い版が破壊すると、図－10(b)のように、下ここまで、かぶり部で生じる層状ひび割れの進展メの版の上面付近に、大きな圧縮応力が作用するようにカニズムに関して橋軸直角方向の圧縮力が与える影響なる。この大きな圧縮応力によって、下の版にある粗に着目し、考察してきた。しかし、床版上面には圧縮骨材界面をつなぐような形で、新たな水平ひび割れが力だけではなく、橋軸方向には引張応力も作用する。

寒地土木研究所月報№833

2022年７月

31

写真－1で発生している一番上の水平ひび割れは、この引張応力の影響によって生じた可能性がある。
以下では、輪荷重による疲労を与えた後、さらに凍結融解作用を与えた床版供試体の実験結果6)から、このように考える根拠について、説明を行いたい。
３．４．１

上に凸な変形に伴う引張応力によって床版上面に発生する微細なひび割れ

写真－2は、輪荷重走行試験終了後に採取したコアの深さ10mm部分の拡大写真である。この写真から、
輪荷重によって床版上面に発生する微細なひび割れに写真－2関して、以下のようなことが読み取れる。

輪荷重走行後に床版上面に生じた微細ひび割れ6)
上に凸な変形→上面に引張応力→微細ひび割れ発生

1）上面から3mm程度のモルタル部分に、多くの微細ひび割れが発生している。
2）白矢印で示す微細ひび割れは、骨材の中まで貫通している。

写真23）橙色矢印で示す微細ひび割れは、骨材界面に沿って、深い位置まで進展している。
4）微細ひび割れは鉛直方向に卓越している。

図－13

上に凸な変形に伴う引張応力でひび割れが発生

写真－3

凍害を与えた後に上面で発生した薄い剥離片6)

床版上面でひび割れがこのように発生する理由は、輪荷重によって、図－13に示すような上に凸となる変形が生じ、引張応力が繰り返し作用するためである。
３．４．２

微細ひび割れが発生したモルタル部分が凍結融解作用を受けて剥離する

写真－3は、写真－2のひび割れが生じた床版に凍結融解を与えた後の状況である。床版上面には、写真のような薄い板状の剥離片が全面に発生していた。剥離片の厚さは、多くの微細ひび割れが発生していた部分の厚さとほぼ同じであった（約3mm）。この剥離片は、以下のような過程を経て発生したと考えられる。
1）モルタル部分に微細ひび割れが発生すると、その内部に水が入り込む（図－14(b)）
。
2）この水が凍結する際、モルタル部分は、(c) の図のように膨張しようとする。
3）一方、下側のコンクリート部分は、ひび割れが(a) モルタル部分に微細ひび割れが発生発生していないため、膨張しない。
4）このため、上のモルタルと下のコンクリートに挙動差が生じ、両者の境界面で剥離が発生した。
写真－1で発生している一番上の水平ひび割れも、(b) モルタル部分の微細ひび割れに水が流入同様のメカニズムによって発生した可能性がある。
３．４．３

鉛直方向の微細ひび割れの中にある水が
凍結・膨張し、ひび割れが内部に進展引張応力で生じる微細ひび割れは、水平ひび割れの発生に関与するだけではなく、深さ方向への劣化進行(c) 微細ひび割れが発生しているモルタル部分が凍結に伴にも影響する。以下は、微細ひび割れが深さ方向に進って膨張し下側のコンクリート部分との境界面で剥離する展する過程について推測したものである。

図ー14 凍害によって薄い剥離片が発生したメカニズム
図－14 凍害によって薄い剥離片が発生したメカニズム32

寒地土木研究所月報№833

2022年７月

1）輪荷重によって発生する引張応力に起因して、鉛直方向に微細ひび割れが発生する（図－15（a））。
2）そして、融解時（未凍結時）には、床版上面の水が微細ひび割れの中に入り込む。
3）次に、凍結行程に入ると、ひび割れ内の水が凍結・膨張するため、ひび割れの幅が広がり、ひび割れが深さ方向に進展する（図－15（b））
。
4）寒冷地の床版では、上記の1)～3)の過程が繰り返され、ひび割れは徐々に内部へと進展していく。
このような微細ひび割れの発生に伴い、床版上面付近の強度が低下する。その結果、大きな圧縮力を受けているアーチクラウンは、劣化が発生していない場合に比べ、早い段階で圧縮疲労破壊に至る。
次章では、このことを踏まえ推測した寒冷地の道路(a) 引張で生じた鉛直方向のひび割れに水が入り込む

図－15(b) ひび割れ内の水が凍結・膨張し、ひび割れが進展

 張応力で発生した鉛直方向の微細ひび割れは
引ひび割れ内の水が凍結・膨張し、深さ方向に進展橋床版の劣化進行過程（図－16）について説明する。

←かぶり部の層状ひび割れ(a) かぶり部において、上から順に水平ひび割れが発生し、層状ひび割れが形成される(b) アーチクラウンの下側となる上側鉄筋付近で、水平ひび割れが発生する（かぶり部の層状ひび割れが目視で見える程度の幅まで広がる前に、上側鉄筋付近の水平ひび割れが先に発生する場合もある 3)）(c) 輪荷重と凍結融解の作用でアーチクラウンが破壊し（アーチ消失）、せん断ひび割れや付着ひび割れが発生する(d) 荷重を支える床版厚が薄くなり、新たなひび割れの発生やひび割れ面のすり磨きなどで押し抜きせん断耐力が低下
図ー16 疲労と凍害の複合劣化を受ける寒冷地の道路橋床版の劣化進行過程（仮説）
図－16 疲労と凍害の複合劣化を受ける寒冷地の道路橋床版の劣化進行過程（仮説）
寒地土木研究所月報№833

2022年７月

33

４．
疲労と凍害の複合劣化を受ける道路橋床版の劣化ものであるため、現段階では、一つの仮説に過ぎない。
今後、追加実験を行うなどして、この仮説の検証を行

進行過程

うとともに、層状ひび割れの進展メカニズムや疲労と疲労と凍害の複合劣化を受ける道路橋床版の劣化初期段階では、図－16 (a) のように、かぶり部におい凍害の複合劣化を受ける道路橋床版の劣化進行過程などについて、さらに検討を行っていきたい。て上から順に水平ひび割れが発生し、層状ひび割れが形成される。

参考文献

次に、(b)のように、アーチクラウンの下側となる上側鉄筋付近で、水平ひび割れが発生する。

1） 澤松俊寿、岡田慎哉、西弘明、三田村浩、松井繁

その後、(c)のように、輪荷重と凍結融解作用の繰之：46年間供用した寒冷地における道路橋RC床り返しによって、アーチクラウンが破壊すると、アー版の劣化損傷状況、土木学会第68回年次学術講演

チによる耐荷機構が失われる。その結果、せん断ひび会講演概要集、Ⅰ-414、pp.827-828、2013.

割れや下側鉄筋に沿った付着ひび割れが発生する。これらのひび割れが発生すると、床版の耐力は急速に低下する。

2） 道路橋床版の維持管理マニュアル2020、土木学会、
2020.
3） 林田宏：寒冷地の床版で上筋付近に水平ひび割れ

さらに劣化が進むと、(d)のように、荷重を支える床版の厚さが薄くなる。このように床版が薄くなったが発生しやすい理由に関する考察、寒地土木研究
所月報、No.830、pp.41-48、2022.

場合、参考文献 に示されている床版の損傷過程を参4） 林田宏：疲労と凍害を受ける床版で生じる層状ひ考にすると、以下のようなことが起こると考えられる。

び割れの進展過程に関する一考察、寒地土木研究

1）すでに発生していた曲げひび割れの幅が広がる。

所月報、No.827、pp.47-51、2022.

7)2）新たなひび割れも発生し、ひび割れ密度が高まる。

5） P. K. Mehta and P. J. M. Monteiro: Concrete,3）これらのひび割れ面は、上側から供給される水とSecond Edition, Prentice Hall, Englewood Cliffs,

移動輪荷重によってすり磨かれるため、床版の押し抜きせん断耐力が低下していく。

New Jersey 07632,1983.
6） 林田宏：疲労と凍害との複合劣化を受けるRC床4）その結果、輪荷重直下で抜け落ちが発生する。

版の土砂化メカニズムに関する一考察、土木学会第73回年次学術講演概要集（V部門）、pp.653654、2018.

５．おわりに

7） 松井繁之：道路橋床版 設計・施工と維持管理、今回は、寒冷地の道路橋床版のかぶり部で生じる層

森北出版株式会社、2007.

状ひび割れの進展メカニズムを中心に検討を行った。
ただし、上記のメカニズムは、実際の床版とは条件が異なる静的載荷試験結果などを参考にして推察した

林田 宏
HAYASHIDA Hiroshi
寒地土木研究所
寒地保全技術研究グループ
耐寒材料チーム
主任研究員

34

寒地土木研究所月報№833

2022年７月