コンクリート工学年次論文集，Vol.27，No.1，2005

論文

静水圧環境下における RC 梁の曲げ変形性状に関する研究
佐藤聡平*1・深沢亮司*2・大下英吉*3

要旨：著者らは静水圧環境下におけるコンクリートの各種強度特性について実験的な評価を行い，静水圧載荷持続時間が長くなるとコンクリートの強度特性は静水圧の値によらず有効応力原理に従うことを明らかにした。本研究では，大深度海洋下における鉄筋コンクリートの曲げ強度特性を詳細に明らかにする目的で，作用静水圧値および静水圧載下持続時間をパラメータとして鉄筋コンクリートの曲げ強度試験を実施し，評価した。その結果，静水圧を長期間載荷することにより，若材齢コンクリートにおける鉄筋コンクリートの曲げ強度は，無筋コンクリートと同様，静水圧によらずほぼ同じ値となることが判明した。
キーワード：静水圧，RC 梁，曲げ試験
1. はじめに指摘した 2),3)。

大深度海洋下および大深度地下コンクリート

本研究では，大深度地下あるいは大深度海洋構造物の変形挙動において，大気中でのコンク下を模擬することのできる浸透劣化装置を用いリートの力学的特性がそのまま適用されるのがることにより，静水圧環境下における PC 梁の強一般的であるが，水深数百メートルに施工され度特性の評価を目的とし，単鉄筋コンクリートるコンクリート構造物表面には常時 MPa オーダ試験体の曲げ強度試験を実施することにより強の静水圧が作用しており，その影響は多孔質透度特性に及ぼす静水圧の影響を評価した。

水性材料であるコンクリートにとって無視できるものではない。そこで静水圧環境下における

2. 実験概要

コンクリート材料の変形および力学的特性の解2.1 試験体実験に用いた試験体は 15×15×53cm の形状明が必要であると考える。
著者ら 1),2),3)は，コンクリート表面に MPa オー寸法をした角柱試験体であり，引張縁にダの水圧が直接作用すると，コンクリート内部SD295(φ＝10mm)の異形鉄筋を用いた。鉄筋にへの水の圧入現象とそれに起因する透水現象がは図－１に示すように鉄筋中央部および中央かコンクリートの破壊を引き起こす可能性があるら各 150mm の位置の表面にゲージ長 20mm のひことを報告している。さらに，静水圧環境下にずみゲージを鉄筋の設置方向上下に貼付し，防おけるコンクリートの圧縮・引張・曲げ強度特水のためにブチルゴム系のテープによりコーテ性に関する実験的評価を行い，静水圧作用時間ィングを施している。さらに同図に示すようにが長く，静水圧の値が大きいほど静水圧環境下試験体中央の上層部，中層部，下層部にモールにおけるコンクリートの強度は小さくなること

ドゲージを設置し，ひずみを測定した。モールを指摘するとともに，この種の環境下に長期にドゲージの名称は鉄筋に近いものからモールド渡って静置されたコンクリートは，その材料的A，モールド B，モールド C とする。また，ひびな性質にもよるが，有効応力原理に従うことも割れ箇所を支点間中央に特定するために試験体*1 中央大学大学院

理工学研究科土木工学専攻*2 中央大学

理工学部土木工学科*3 中央大学

理工学部土木工学科教授

工博

(正会員)
(正会員)

-397-

表－１
水セメント比 最大骨材寸法 スランプ 細骨材率(％)
(％)
(mm)
(cm)
35
20733
表－２配合表水136

単位量(kg/m3)
セメント 細骨材 粗骨材
389603
1217

混和材
6.613

曲げ強度試験パラメータ

材齢(日）

試験体名
BP-7-0-0.0
BP-7-0-0.5
BP-7-0-1.0
BP-7-24-0.0
BP-7-24-0.5
BP-7-24-1.0
BP-28-24-0.0
BP-28-24-0.5
BP-28-24-1.0

載荷時間（時間）
07242824

せて図－１に示す。

静水圧（MPa)
0.00.51.0
0.00.5
1.0
0.0
0.5
1.0

本実験で使用した材料は，普通ポルトランド
セメント（密度：3.16 g /cm3），骨材は市原市万田野産細骨材（密度：2.59g/cm3）および荒川水系産粗骨材（密度：2.63g/cm3，最大寸法：20mm）とした。コンクリートの配合は，表－1 に示す通りである。
2.2 実験装置
実験で使用した浸透劣化装置の概要は図－２

モールドゲージ
ひずみゲージに示す通りである。本装置は定吐出型水源によ3Cり水圧槽内に最大 1MPa の水圧を持続的に作用4.5Bさせた状態において，圧縮・引張・曲げ強度試

4.5A15鉄筋

11.511.51515ることにより，水圧槽内で鉄筋コンクリートの15モールドゲージ

曲げ強度試験を行った。
2.3 実験パラメータ315験などの各種強度試験の実施が可能である。本装置を 3 軸試験機内に設置して荷重を載荷させ3実験方法は，表－２に示すように試験体材齢，9静水圧および静水圧を継続的に作用させる時間3を実験パラメータとする。実験試験体には以下
11.5151511.515のような処理を施した後に強度試験を行った。

（単位：mm）

図－１１）静水圧を 0 時間載荷させた後，すなわち静試験体概要図

水圧を載荷した直後に強度試験を行う。
（以下，0 時間静置とする。）
２）静水圧を持続的に 24 時間載荷させた後に静水圧を載荷させた状態で強度試験を行う。

ダイヤル変位計（以下，24 時間静置とする。）
前者は，静水圧が拘束圧として鉄筋コンクリートに作用した際の力学的特性の評価であり，後者はコンクリート内部への水の浸透現象が生じる過程或いは完了した際に分離圧として間隙水圧制御装置

図－２

水圧が生じている状態における力学的特性の評

浸透劣化装置価である。試験体材齢は 7 日および 28 日である。

下縁中央部分に幅 5mm の切り欠きを設定した。

2.4 曲げ強度試験

なお，各種パラメータの比較のために引用した2.1 で述べた角柱試験体を用い，支間は 45cm，無筋コンクリート角柱試験体の形状寸法も合わ

試験体の張り出し部分は 4cm として 3 等分点載-398-材齢７日-0.0MPa-24時間載荷600.5MPa50

鉄筋
モールド上
モールド中
モールド下

50

1.0MPa40303020ひずみ(μ)

40

ひずみ(μ)

材齢７日-0.0MPa-24時間載荷600.0MPa

201010000200

400

600

800

1000

120001400-10-10-20-20-30

図－３200400-30経過時間(min)図－４

静水圧 24 時間載荷時経時ひずみ変化

600

800

1000

1200

1400

経過時間(min)

静水圧 24 時間載荷時経時ひずみ変化（無筋コンクリート 3））（鉄筋コンクリート）

荷により曲げ強度試験を行った。また，図－２様に圧縮方向に変移するものの，引張縁に設置に示すように 2 本のダイヤル変位計（1/100mmされた鉄筋によりコンクリートの変形が拘束さまで測定可能）を圧縮試験機のピストンに設置れることで鉄筋に近い部分，つまりモールド Aし，たわみ量を測定した。その計測値の平均をのひずみの圧縮量はモールドゲージ C に比べ小コンクリート試験体の中央部分のたわみ量としさくなっていることがわかる。また，時間の経た。計測項目は，荷重，たわみ量，図－１に示

過とともにコンクリートは膨張方向に転ずるが，した各部分のひずみである。なお，載荷速度は24 時間経過した時点ではモールド A の値よりも0.5mm/min とした。

モールド B，モールド C と鉄筋から離れた部分ほどひずみが増大している。これは，圧縮の際3. 分離圧がコンクリートのと同様に鉄筋の拘束の影響によって鉄筋近傍の変形性状に及ぼす影響変形が拘束され，コンクリートの膨張が抑制さ3.1 水分圧入による変形性状れたものと考えられる。鉄筋から離れた位置に3)お設置したモールド C のひずみ量は無筋コンクリ

よび鉄筋コンクリートに各種静水圧を 24 時間載ート 3)のひずみとほぼ同じ値を示しており，試験荷した際のひずみの変化量を示したものである。

体上部においては鉄筋の拘束力の影響はほとん

無筋コンクリートのひずみ量は試験体内部のモどないものと考えられる。なお，鉄筋のひずみールドゲージの値を平均したものであり，鉄筋については水圧によりひずみゲージが正確な値

コンクリートの値については図－１に示した各を測定できない部分があったために一部データ

モールドゲージの値および鉄筋に貼付したひずが欠損している。

みゲージの値を示している。

3.2 曲げ試験結果

図－３および図－４は無筋コンクリート

無筋コンクリートの 24 時間のひずみ変化を見（１）

荷重～たわみ関係による比較

ると，静水圧載荷直後は静水圧が側圧として作

図－５～図－７は静水圧を載荷した状態にお用することにより圧縮ひずみが発生し，その後いて曲げ載荷試験を行った鉄筋コンクリート梁

時間が経過するにつれてコンクリート中に水分部材の荷重～たわみ関係をグラフに示したもの

が圧入することにより膨張方向のひずみ増分がである。図－５は静水圧を載荷した直後に曲げ発生していることがわかる。この傾向は静水圧載荷試験を行ったものである。図－６および図の値が大きくなるほど膨張量が増大している。

－７は静水圧を 24 時間載荷した後に曲げ載荷試

鉄筋コンクリート試験体に静水圧を 24 時間載験を行ったものであり，前者は材齢 7 日，後者荷した際のコンクリートおよび鉄筋のひずみのは材齢 28 日である。これらの荷重～たわみ関係変化も静水圧載荷直後は無筋コンクリートと同のうちひび割れ発生荷重および最大荷重に着目

-399-

160

して整理したものを表－３に示す。なお，載荷140段階で荷重が一端急激に低下した時点をクラッ
表－３に示すように静水圧環境下に 0 時間静120荷重(kN)

ク荷重と定義する。

1008060

置した鉄筋コンクリート梁部材のクラック荷重

クラック荷重40および最大荷重は静水圧の増加とともに大きくなり，最大荷重となる変位量は，逆に小さくな00.00っている。一方，24 時間静置した試験体に関し

5.00ては載荷材齢 7 日の場合，クラック荷重に大き図－５な差異は無いことに対して，最大荷重は静水圧圧による差異はほとんど無いが，最大荷重は静100806020加現象は，コンクリートの細孔組織が緻密にな0

クラック荷重0.00

り外部からの水分圧入を抑制するために生じる5.00

ものである。細孔組織構造が材齢 28 日に比べ緻

図－６

密ではない載荷材齢 7 日においては，試験体内160るように，作用するため，表－３に示す試験体

140

20.00

荷重－たわみ荷重(kN)

100

BP-7-24-0.5 においては非常に大きな最大荷重を80

クラック荷重600.0MPa-24hours-28days
0.5MPa-24hours-28days
1.0MPa-24hours-28days

40

示しており，この原因に関しては強度特性も含20めて今後十分に検討したい。

00.00

5.00

応力－ひずみ関係による比較
図－７

図－８は静水圧環境下に 0 時間静置した場合，
図－９は静水圧環境下に 24 時間静置した場合の2815.00

120

BP-7-24-0.0 と BP-7-24-1.0 のように最大荷重に差710.00変位(mm)（材齢 7 日・24 時間静置）

部への水分圧入現象が有効応力原理を成立させ異は生じないものと考えられるが，試験体0.0MPa-24hours-7days
0.5MPa-24hours-7days
1.0MPa-24hours-7days

40

うな載荷材齢 28 日の静水圧による最大荷重の増BP-7-0-0.0
BP-7-0-0.5
BP-7-0-1.0
BP-7-24-0.0
BP-7-24-0.5
BP-7-24-1.0
BP-28-24-0.0
BP-28-24-0.5
BP-28-24-1.0

荷重－たわみ120

水圧の増加とともに大きくなっている。このよ材齢(日）

20.00

140

荷重(kN)

ック荷重においては載荷材齢 7 日に同じく静水

試験体名15.00（材齢 7 日・0 時間静置）な値となっている。載荷材齢 28 日の場合，クラ表－３10.00
変位(mm)

160が 0.5MPa である試験体 BP-7-24-0.5 が最も大き（２）0.0MPa-0hour-7days
0.5MPa-0hour-7days
1.0MPa-0hour-7days

2010.00
変位(mm)

15.00

荷重－たわみ（材齢 28 日・24 時間静置）

曲げ強度一覧

パラメータ
載荷時間 静水圧
（時間）
（MPa)
0.0
00.5
1.0
0.0
240.5
1.0
0.0
240.5
1.0-400-圧縮荷重
クラック 最大荷重 強度試験
（ｋN)
（ｋN)
（N/mm２）
43.3
107.1
58.8
44.4
140.7
59.7
44.8
148.5
58.8
43.3
107.1
58.8
46.5
141.8
57.1
37.5
117.7
61.0
56.5
133.2
68.6
46.2
152.075.855.2
155.2
68.720.00

材齢7日－静水圧0時間載荷-モールド下

材齢7日－静水圧24時間載荷-モールド下

0.070

0.060

0.060
曲げ強度/圧縮強度

曲げ強度/圧縮強度

0.070

0.050
0.040
0.030
0.020

0.0MPa0.5MPa1.0MPa0.010
0.000050

図－８100150
ひずみ(μ)

200

試験体名

材齢
(日）

BP-7-0-0.0
BP-7-0-0.5
BP-7-0-1.0
BP-7-24-0.0
BP-7-24-0.5
BP-7-24-1.0
BP-28-24-0.0
BP-28-24-0.5
BP-28-24-1.0

0.030
0.020

0.0MPa0.5MPa1.0MPa

0.000

2500

図－９50

100150ひずみ(μ)

200250

応力－ひずみ曲線（24 時間静置）

試験体中央下部引張り強度試験結果

載荷時間（時間）
0724280.040

0.010

応力－ひずみ曲線（0 時間静置）表－４0.050

24静水圧（MPa)0.00.51.00.00.5
1.00.00.5
1.0

引張強度 圧縮強度
引張強度/圧縮強度
２２（N/mm ） （N/mm ）
3.5
58.8
0.059
3.6
59.7
0.060
3.6
58.8
0.061
3.558.8
0.059
2.8
57.1
0.048
3.061.0
0.049
4.5
68.6
0.066
3.775.8
0.049
4.4
68.7
0.064

クラック荷重までの応力－ひずみ曲線をグラフよりも若干ひずみが大きくなっている。また，に表したものである。各図の縦軸は試験体強度

静水圧環境下における試験体はいずれも 0.0MPaのばらつきを考慮し，表－４に示すように試験の場合に比べ，中央部と端部とのひずみの差が体下部中央の引張強度をコンクリートの一軸圧小さくなっている。

縮強度で無次元化した値とした。0 時間静置した

次に，載荷材齢 28 日に関して，同図(d)およ場合は作用静水圧の値が大きくなるにつれてひび同図(e)に示した 0.0MPa と 0.5MPa の静水圧環ずみの値が小さくなっているのに対し，24 時間境下においては，ひずみの差異はほとんど見ら静置を行った後に強度試験を行った場合は静水れないものの，同図(f)に示した 1.0MPa の静水圧の値が大きくなるにつれてひずみの値が大き

圧環境下においてはクラック荷重時のひずみがくなっている。

他の静水圧の試験体に比べて大きくなっている。

（３）

また同図(a)～(c)に示した材齢 7 日の場合に比ひずみ分布図

引張鉄筋の中央部および両端に設置したひずべると，クラック荷重時のひずみが減少していみの分布を図－10 に示す。同図(a)～(f)はそれることがわかる。これは，材齢が 28 日のコンク

ぞれ試験体 BP-7-0-1.0，BP-7-0-0.0，BP-7-24-1.0，

リートは材齢 7 日よりもコンクリート自体の強BP-28-24-0.0，BP-28-24-0.5，BP-28-24-1.0，であ度が大きく，内部の細孔組織も緻密化しているる。まず，載荷材齢 7 日に関して，同図(a)およことから水分圧入が抑制されることにより，静び(b)に示した静水圧環境下に 0 時間静置した場

水圧がわずかながら拘束圧として作用し，ひず合，静水圧が拘束圧として作用しているためにみが減少したものと考えられる。

変形が拘束され，ひずみが減少しているものと3.3 強度特性メカニズム考えられる。一方，同図(c)に示した静水圧環境

曲げ試験結果から考えられる静水圧環境下に下に 24 時間静置した場合，水の圧入現象によりおけるコンクリートの力学特性メカニズムにつ拘束圧としての静水圧の効果が弱まったためにいて以下に示す。

同図(a)に示した 0.0MPa の静水圧環境下のもの-401-

静水圧環境下に 0 時間静置した場合すなわち

1.0MPa-0hour-7days
350
300

250

ひずみ(μ)

ひずみ(μ)

150

200
150

150

10010050505000(a)

中央0左端

右端

試験体 BP－7－0－1.0(b)

中央左端

(c)

0.5MPa-24hour-28days
350

17.4 弾性域
56.6 クラック

300

右端

試験体 BP－7－0－0.00.0MPa-24hour-28days
350

200
150

150

10010050505000(d)中央

試験体 BP－28－24－0.00
左端

右端(e)

弾性域
クラック

200100

左端1.0MPa-24hour-28days

250
ひずみ(μ)

ひずみ(μ)

150

右端

300250200

中央

試験体 BP－7－24－1.0350

弾性域
クラック

300

250
ひずみ(μ)

200

100

左端

弾性域
クラック

300

2502001.0MPa-24hour-7days

350

弾性域
クラック

300

250

ひずみ(μ)

0.0MPa-0hour-7days

350

弾性域
クラック

中央

右端

試験体 BP－28－24－0.5
図－10 ひずみ分布

左端

中央

右端

(f) 試験体 BP－28－24－1.0

0 時間静置した際には試験体内部の微細空隙から明らかになったことを以下にまとめる。

までの水の浸透が殆ど起こらないためにコンク

1) 静水圧環境下に静置されたコンクリートのリート内部の間隙水圧と外部静水圧に大きな差

力学的特性は作用静水圧の大きさと作用時異が生じる。この水圧の差が，載荷時の試験体間に大きく影響する。の変形を拘束することによって作用する静水圧

2) 静水圧を長期間載荷することにより，若材齢が大きくなるほど強度が大きくなるものと考えコンクリートにおける鉄筋コンクリートのられる。また，たわみ量に関しても同様な要因

曲げ強度は，無筋コンクリートと同様，静水により試験体の変形が拘束されているため，静圧によらずほぼ同じ値となることが判明し水圧の作用が大きいほどたわみ量が小さく，試た。

験体下部の引張方向のひずみも小さくなっていると考えられる。

参考文献

24 時間静置された試験体の場合，静水圧の効

1) 井之上尚史，梨木義春，大下英吉：水圧作用

果により外部からコンクリート内部への水の浸下におけるコンクリートのクリープ挙動に透現象が生じ，骨格全体が濡れの状態にあるた関する実験的研究，コンクリート工学年次

め表面エネルギーの観点から延性的挙動を示す

論文報告集，vol.17, No.2, pp793-798, 1999

ものと思われる。このような性状は，岩盤の分

2) 木村健，劉兆涛，一ノ瀬晴幸，大下英吉：コンクリートの力学的特性に及ぼす微細空隙野でも一般的に指摘されていることである。

内部の水圧性状に関する研究，コンクリー4. まとめ

ト 工 学 年 次 論 文 報 告 集 ， vol.24, No.1,
pp291-296, 2002

本研究では静水圧環境下における鉄筋コンクリートの曲げ強度特性の影響評価を行うことを

3) 松下博憲，佐藤聡平，大下英吉：静水圧環境

目的に各種静水圧環境下で強度試験を実施し，0下におけるコンクリートの曲げ挙動に関す

時間静置を行った後に載荷試験を行った場合とる実験的研究，コンクリート工学年次論文

24 時間静置した後に載荷試験を行った場合を比報告集，vol.25，第 1 号，pp.371-376，2003

較することで静水圧がコンクリートの力学的特性に与える影響について評価した。本実験結果-402-