地盤と構造物の統合熱伝導解析に基づく
通信用マンホール内の乾湿環境の評価と鉄筋腐食予測

1. はじめにコンクリート研究室

渡邉一旭

指導教員

下村 匠

2.2 解析結果

日本全国には約 70 万個の通信用マンホールが存在し，マンホール内部温度の 1 年間の測定値と解析値の 1 年

それらの多くは高度経済成長期に建設されたため，一斉間の変化を図-2 に示す．解析値は測定値と良好に一致しに老朽化しつつある．そのため，計画的に効率よく維持ていると考えられる．さらに，構築した熱伝導解析法を管理してゆくことが求められている．

用いることにより，全国 21 箇所のマンホールの上床版お通信用マンホールの多くは鉄筋コンクリート製であり，よび内部温度の測定値を良好に再現することができる．

供用環境は土中であるため，劣化原因はコンクリート内

3. マンホール上床版の含水状態の予測

壁表面への結露によるコンクリート中への水分の浸透に

3.1 含水状態予測の概要

よる鉄筋の腐食である 1)ことが明らかとなっている．そ

熱伝導解析の結果得られた上床版コンクリート表面ののため，気温や日射の作用から土中のマンホール内の温温度とマンホール内部の空気の温度から上床版コンクリ

湿度環境を正確に推定することができれば結露の有無をート表面近傍の相対湿度を算出し，100%を超える結果が予測でき，マンホールの鉄筋腐食のリスクを把握することができると考えられる．

得られた場合に結露が発生すると判定した．
マンホール上床版の結露判定の予測結果を基に，既往そこで本研究では，マンホール内の温度差に起因したのコンクリート中の水分移動モデルを用いてマンホール結露によるマンホールの劣化予測システムを構築し，マ上床版コンクリート中の水分分布を求めた．結露が無い

ンホールの劣化リスクを適切に評価，効率的な維持管理

期間は不飽和コンクリート中の乾燥と吸湿モデルを用い，計画の提案を行うことを目的とする．

表面に結露が判定された期間は，吸水モデルを用いて結

2. マンホール内の温度を再現する熱伝導解析法の構築

露水のコンクリートへの吸水を計算し，上床版コンクリ

2.1 熱伝導解析モデル

ートの含水状態の経時変化を評価した．

土中に埋設されたマンホール内温湿度環境を埋設条件

3.2 含水状態の予測結果と環境条件より推定するため，図-1 のような解析モデル

図-3 にマンホールの含水状態の解析結果を示す．解析を考え，地盤とマンホールの統合熱伝導解析を行う．マ

により，マンホール上床版コンクリートの鉄筋位置の表ンホールが埋設されている地盤の表面は一般にアスファ面から 10~30mm 程度では，冬期に飽水に近い湿潤状態とルトが施工されているため，気温や日射などの外部環境なり，夏期に乾燥状態にあるという，マンホールコンクの作用はアスファルト層と地盤を介して，マンホール内リートの含水状態に関する既往の知見とも概ね一致する温度に影響を与える．各層の熱伝導特性および各層間の傾向が得られた．

熱伝達特性を考慮した非定常 1 次元の熱伝導解析を行う

4. 鉄筋腐食に影響を及ぼす水の作用に関する実験

ことにより，マンホール内温度の経時変化を予測する．

4.1 実験概要

熱伝達境界
アスファルト κa ca ρa l a =100 (単位:mm)κs cs ρs ls1=首部長－laL=10000mm

土コンクリート（上床版）

空気

熱伝達境界

κair cair ρair lair ：マンホールサイズ

コンクリート（下床版）

土κc cc ρc lc1 =200

熱伝達境界
κc cc ρc lc2 =250
κs cs ρs ls2=10000-(la+ls1+lc1+lair+lc2)
固定温度境界図-1 熱伝導解析モデルの模式図

40
マンホール内部温度 [℃]

地表面

マンホール壁の鉄筋コンクリートはかぶりが 20mm とTa ：外気温
Rn：全天日射量

測定値

Ta ：北茨城市
Rn：つくば市

30

解析値

2010010月

12月

2月

4月

6月

8月

0100
200300
測定開始からの経過時間 [day]図-2 マンホール内部温度の測定値と解析値の比較

表-1 鉄筋単体の腐食性状
試験条件
表面から1mm
表面から10mm
表面から20mm
表面から30mm80

RH100%

60
結露有
結露無

40
2010月012月

1002月

鉄筋の腐食性状

RH50%

4月

6月

200
経過時間 [day]8月

水中-0.510300

図-3 上床版の含水状態の予測結果小さいので，コンクリート表面への結露や吸湿およびそれらのその繰返しにより，鉄筋周辺のコンクリートの含鉄筋腐食率 [%]相対液状水量 [%]100

水状態が変化し，鉄筋の腐食の発生・進行に影響を及ぼ

86420すと考えられる．その影響をモデル化するにあたり基本

0的な知見を得るために，かぶりが小さい RC 供試体および鉄筋単体に様々なパターンの水の作用を与えて室内腐実測値(熊本)解析値(熊本)実測値(茨城)解析値(茨城)実測値(宮城)解析値(宮城)実測値(北海道)
解析値(北海道)図-4

食試験を実施した．

2040
供用開始からの経過時間 [year]

60

かぶりが剥落する前のマンホールの鉄筋腐食率の測定値と解析値の比較

4.2 実験結果
鉄筋コンクリート供試体においては，1 年間の試験期ついても，解析によりその傾向を概ね再現できると考え間では，鉄筋の腐食反応の進行が確認できなかったため，られるが，解析値が測定値を大きく評価する傾向となっ

ここでは鉄筋単体の実験結果について述べる．実験の結た．

果を表-1 に示す．RH100%の水分供給条件を適用した試
験体と水中に浸漬した試験体では鉄筋表面の腐食性状がことなることが明らかとなった．本実験により，定性的にではあるが，水の作用が鉄筋の腐食の進行に影響を及ぼすこと，水の作用が大きいほど腐食が促進されることが確認できた．

6. マンホールの維持管理計画の検討
5 章までに構築したマンホールの劣化予測システムを用いて，定期点検，50 年に一度の更新および劣化予測に基づき補修を実施する維持管理シナリオを考え，それぞれの維持管理コストを算出し比較検討を行った．その結果，劣化予測に基づき剥落前に補修を実施することで，5. マンホールの鉄筋腐食進行予測

維持管理コストを大きく削減でき，効率的に維持管理で5.1 鋼材の腐食モデルきる可能性があることを示した．

マンホールコンクリート中の鉄筋腐食進行予測は電気化学理論に基づく鋼材の腐食モデルを用いることとした．
しかし，既往の鋼材の腐食モデルでは，水分量を考慮した腐食速度を算出できない．そのため本研究では，4 章で示した実験結果を考慮し，コンクリート細孔中の水分量を腐食速度に乗じることでコンクリート中の鉄筋の腐食速度とした．また鉄筋近傍の温度はアレニウス則に基づく温度補正係数を設定し，コンクリート中の pH は中性化したコンクリートを仮定し，試行錯誤により定めた．
マンホールは鉄筋の腐食膨張に伴う剥落が発生するため，剥落判定を行い剥落発生後の鉄筋は水溶液中の鉄筋7. まとめ
本研究で構築したマンホールの劣化予測システムを用いることにより，全国に様々な首部長で埋設されたマンホールの鉄筋腐食率および剥落発生を概ね予測することが可能となった．また剥落発生から鉄筋腐食速度が急激に大きくなることから，剥落前に補修を実施することで効率的に維持管理することができ，同時に維持管理コストを大きく削減できる可能性があることを示した．
参考文献
1)

藤本憲宏，古川貴之，永井友康：通信用マンホールの腐食速度で反応が進行するものとした．

内鉄筋の腐食要因，土木学会第 72 回年次学術講演

5.2 鉄筋腐食率の解析結果

会，V-23，pp.475-476，2017.9

かぶりコンクリートが剥落しない場合のマンホールの2)

藤倉規雄，岩崎英樹，福手 勤，柴田智，鈴木崇

鉄筋腐食率の測定値と解析値の比較を図-4 に示す．解析

伸：コンクリート含水状態の季節変動が地中構造物

値は全国の測定値を概ね傾向を再現可能であることが考の中性化進行特性に及ぼす影響，土木学会論文集 E，えられる．またかぶりコンクリートの剥落後の測定値にVol.65，No.4，pp.564-576，2009.12