コンクリート構造物の補修・補強に関するフォーラム2018

2018.5.9

コンクリート構造物を長生きさせるための方策〜コンクリート・鋼材・表面保護のコラボレーション〜

広島工業大学 工学部 環境土木工学科
竹田 宣典
1

コンクリート構造物を長生きさせるための方策
１．コンクリート・鉄・表面保護（樹脂）との出会い
２．コラボレーションによる構造物の長寿命化
3．構造物の予防保全を目指して

2

寿命の長いコンクリート構造物
小樽港北防波堤（明治４１年建設）

無筋コンクリート 118歳

肥前長崎鼻灯台（昭和35年建設）

鉄筋コンクリート 58歳

3セメントの歴史
・古代ローマ時代(1500～2000年前）
ローマン・コンクリート（火山灰と消石灰）・1824年：現在のポルトランドセメントの発明 （英）・1875年：日本初のセメント工場で生産開始
・1897年：小樽港北防波堤着工（無筋コンクリート）・1949年：日本初のレディミクストコンクリート工場（業平橋）鉄鋼の歴史・紀元前1400年頃：ヒッタイトが鉄を使用（鉄器文化）
・1779年：世界初の鉄橋”Ccalbrookdale Bridge”建設（英）：銑鉄
・1856年：ベッセマー転炉の開発による大量生産（英）・1868年：日本初の鉄橋”くろがね橋”建設（長崎県）
・1901年：構造用鋼材の製造（八幡製鐵所）
・1958年：東京タワー建設
・1968年：霞が関ビル建設

鉄とコンクリートの出会い⇒鉄筋コンクリート
・1855年: 鉄網入りコンクリート製ボード出展（第１回パリ博覧会）
・1867年：鉄筋入り植木鉢の発明（仏）・1880年代：メラン式RC橋梁の発明（豪）・1890年：日本初の鉄筋コンクリート構造物”横浜港岸壁ケーソン”
・1903年：世界初のRC造集合住宅（パリ，フランクリン通り）
・1903年：日本初の鉄筋コンクリート橋 ”琵琶湖疏水運河11号橋
・1931年（昭和6年）：土木学会 鉄筋コンクリート標準示方書 制定
・1952年（昭和27年）：日本初のPC橋”長生橋”（石川県）

樹脂・塗料の歴史
・紀元前5000年頃：うるしの使用
・メソポタミヤ時代：アスファルトの使用

・1868年（明治元年）：築地ホテルの塗装
・1881年（明治14年）：塗料の工業化（光明社設立）
・1885年（明治18年）：「堀田式さび止め塗料及び塗装」特許第１号
・1905年（明治38年） ：アスファルト防水（大阪瓦斯本社ビル屋根）
・1951年（昭和26年） ： エポキシ樹脂塗料の開発
・1950〜1960年代 ：ポリマーセメントモルタルの研究

樹脂・塗装と鉄筋コンクリートの出会い⇒高耐久（長寿命）コンクリート構造物●基準・指針類に見るコンクリート構造物への樹脂・表面保護の適用
・1983年：海洋コンクリート構造物の防食指針（案）：JCI
・1984年：道路橋の塩害対策指針（案）：日本道路協会
・1986年：エポキシ樹脂鉄筋を用いた鉄筋コンクリートの設計施工指針（案）土木学会
・1987年：ポリマーセメントモルタル試験方法規準（案）：JCI
・1991年：コンクリート防食指針（案）：下水道事業団
・1990年代：高耐久性埋設型枠工法の開発（本四架橋適用）
・2005年：表面保護工法設計施工指針（案）： 土木学会
・2012年： けい酸塩系表面含浸工法の設計施工指針（案）： 土木学会

コンクリート構造物への劣化因子侵入

コンクリート・鋼材・樹脂（表面保護）のコラボレーション
長寿命化
耐力向上
1890鉄筋コンクリート
1952プレストレスト
コンクリート

鉄 筋

コンク
リート

1881さび止め塗料
1986 樹脂塗装鉄筋腐食防止（基準類制定）
1987PCM
1983表面被覆
2005表面含浸
2007高靭性セメント系
複合材料（合成繊維）

樹脂など（表面保護）

コンクリート・鉄筋・樹脂（表面保護）のコラボレーションの事例
A：表面保護工法（被覆、含浸）
B：樹脂塗装鉄筋
C：高耐久性埋設型枠
D：その他の樹脂使用工法

11

A:表面保護工法 （表面被覆工法）
エポキシ樹脂ポリマーセメント

塩化物イオンや二酸化炭素の侵入を抑制し，内部の鉄筋腐食を防ぐ。

塩害を受ける道路橋床版のＬＣＣ比較
・海岸からの距離:100ｍ
・設計耐用年数：150年
・対象面積：2000ｍ２
アクリルウレタン樹脂（２層）
膜厚：４９０μm

エポキシ樹脂（３層）

エポキシ樹脂プライマー

断面修復材：ｺﾝｸﾘｰﾄ(W/C:50%)〔Ａ〕表面被覆工法（エポキシ樹脂塗装）→補修：ﾎﾟﾘﾏｰｾﾒﾝﾄ＋再塗装〔Ｂ〕高耐久性プレキャスト
型枠
13→補修：目地取替えのみ

各種の補修工法を用いた場合の補修時期予測，ＬＣＣ比較
対象構造物：橋梁床版（かぶり50mm），海岸からの距離：100m
補修後経過年数（年）

塩化物イオン量（ｋｇ／ｍ３）

塩化物イオン量（ｋｇ／ｍ３）

000.2
0.4
0.6
0.8
11.2
1.4
1.6
00.2

0.4
0.6
0.8
11.2
1.4
1.650

100

補修回数:12回

コンクリート（W/C：50%)

補修回数:３回

ﾎﾟﾘﾏｰｾﾒﾝﾄﾓﾙﾀﾙ＋厚膜ｴﾎﾟｷｼ樹脂

補修後経過年数（年）
150
00.2
0.4
0.6
0.8
11.2
1.4
1.6

00.2
0.4
0.6
0.8
11.2
1.4
1.6

050

100

150

補修回数:５回

ｺﾝｸﾘｰﾄ（W/C:50%)＋厚膜ｴﾎﾟｷｼ樹脂

補修回数:１回

高耐久性ﾌﾟﾚｷｬｽﾄ型枠

14補修後のＬＣＣの比較
コンクリート（W/C：50%)
ﾎﾟﾘﾏｰｾﾒﾝﾄﾓﾙﾀﾙ
ｺﾝｸﾘｰﾄ＋厚膜ｴﾎﾟｷｼ樹脂
ﾎﾟﾘﾏｰｾﾒﾝﾄﾓﾙﾀﾙ＋厚膜ｴﾎｷｼ樹脂

25

ｺﾝｸﾘｰﾄ240,000

25４20

ユ ニット）

301520

補 修 後 の Ｒ ＬＬＣ （ｘ１０

補 修 後 の Ｒ ＬＣ Ｃ （x10 ４ ユ ニ ッ ト ）30

15

ｺﾝｸﾘｰﾄ＋柔軟ｴﾎﾟｷｼ樹脂
ｺﾝｸﾘｰﾄ＋厚膜ｴﾎﾟｷｼ樹脂
ｺﾝｸﾘｰﾄ+厚膜ﾋﾞﾆﾙｴｽﾃﾙ樹脂
ｺﾝｸﾘｰﾄ+ｱｸﾘﾙ系ﾎﾟﾘﾏｰｾﾒﾝﾄ
高耐久性ﾌﾟﾚｷｬｽﾄ型枠

表面被覆工
180,000～
240,000

ﾎﾟﾘﾏｰｾﾒﾝﾄ
200,000 10105

対象面積：100m２
単価：200～800ﾕﾆｯﾄ／m２

00204060
80 100
補修後の経過年数（年）120

高耐久PC型枠
140,000

50140020406080 100
補修後の経過年数（年）120
15140表面含浸工法

表面含浸材

表面含浸材がコンクリート内部に含浸して，劣化因子の侵入抑制，または新たな性能を付与する効果をもたらす工法であり，一般に，コンクリート表面に塗膜を形成しない．

16

表面含浸工法の特長
[目 的]
・予防保全
・落書き対策（防汚）[特 長]・塗布量0.1～0.4 kg/m2程度
・適用後の外観の変化が少ない
・補修後のコンクリート表面の観察が可能
・再施工する場合，前処理が不要 （再度含浸可能）

メンテナンスが容易

17表面含浸工法の例 （塩害、中性化の補修の場合）①使用材料
けい酸ナトリウム系表面含浸材＋ポリマーセメントモル
タルによる断面欠損部の修復②含浸工法の仕様：反応促進養生（水塗布）を数回繰返す

施工前

施工後

18

表面含浸工法の例 （塩害、中性化の補修の場合）
技術資料P.45

基本性能 『けい酸リチウム（LiSiO2)系含浸材による劣化因子の遮断』
付加価値 『亜硝酸イオン(NO2ー)による鉄筋腐食の抑制』を付与•亜硝酸リチウム系含浸材を塗布し，内部へ含浸 ⇒ 鉄筋防錆
•劣化因子の侵入を抑制するため、けい酸リチウム系含浸材を塗布⇒ 劣化因子の侵入抑制

鉄筋腐食抑制効果（表層部）を併せ持つ表面含浸工法

19

B：エポキシ樹脂塗装鉄筋

シールドセグメント

橋梁床版（凍結防止剤による塩害対策）

20

エポキシ樹脂塗装鉄筋を用いたコンクリート構造物の耐久性照査
エポキシ樹脂かぶり：70mm
高炉セメントB種
W/C：４２％

１３０年後Cl−は1.2kg/m3以下
鉄筋腐食しない予測21エポキシ樹脂塗装鉄筋の課題
１．コンクリートとの付着強度の低下⇒重ね継手長さ：普通の約1.2倍
２．曲げ加工、組立時に塗膜が傷つきやすい⇒タッチアップ補修
３．紫外線劣化の懸念⇒屋外に長期間置く場合、日射除け養生が必要

22

23

PVB樹脂塗装鉄筋ポリビニルブチラール（PVB）樹脂・防食性の担保
・耐アルカリ性・伸び率が高い

珪砂・コンクリートとの付着強度向上

付着性

柔軟性

PVB樹脂塗装鉄筋の特長

24（1） 耐久性
エポキシ鉄筋と同等以上（2） コンクリートとの付着強度
普通鉄筋と同等以上（3） 施工性
施工時の衝撃および曲げ加工において，樹脂塗膜の欠損に対する抵抗性が高い

2520161614141.1倍

108864420016181614

付着応力度（N/mm2）

付着応力度(N/mm2)

最大付着応力度

121220引抜き試験供試体

最大付着応力度

18

付着応力度（N/mm2）【引き抜き試験（JSCE-E 516-2003）】

付着応力度(N/mm2)

コンクリートとの付着強度

無塗装鉄筋
エポキシ樹脂塗装鉄筋 サンド
PVB-S被覆鉄筋
エポキシ
普通すべり量0.002D の時
鉄筋
鉄筋 すべり量0.04mmのとき
グリップバー

14121210882.8倍

644200

普通
鉄筋

無塗装鉄筋

エポキシ鉄筋

エポキシ樹脂塗装鉄筋

珪砂の効果による付着強度の向上

PVB-S被覆鉄筋

PVB鉄筋

26

施工性
落下

【耐衝撃性試験（JSCE-E 514-2003）】

1.8kgのおもりを自由落下

落下試験５回落下試験10回

鉄筋素地の露出なし

27

施工性【曲げ加工性試験（JSCE-E 514-2003） 】
PVB鉄筋の曲げ外周180°の曲げ加工
PVB鉄筋の曲げ内周損傷無し（PVB樹脂の変形に対する追従性）

C：高耐久性型枠工法
・高いひび割れ抵抗性・優れた美観と耐久性
・内部鉄筋の長期保護

28

高耐久性型枠の断面の例

29

高耐久性型枠を用いたコンクリート構造物の塩化物イオン浸透予測（150年間）(kg/m 3)

高耐久性型枠5.0

内部コンクリート(t=53mm)

PCa-50Y
PCa-100Y
PCa-150Y
Plain-50Y
Plain-100Y
Plain-150Y

4.0

塩化物イオン侵入量

3.0
2.0

150年

1.0

100年

0.0-5.0

50年
0.0

ポリマー

5.0

10.0
15.0
表面からの深さ (cm)

20.0

25.0
30

高靭性セメント型枠（合成短繊維含有）31ひび割れ補修工法の例（樹脂注入）

樹脂系注入工法（中高圧注入）樹脂系注入工法（低圧注入）
18

ASR補修工法の例（亜硝酸リチウム注入）①自動低圧注入器をひび割れに沿って設置する②亜硝酸リチウム水溶液を先行注入する ⇒ ゲルの非膨張化③超微粒子セメント系注入材を本注入 ⇒ ひび割れ閉塞、劣化因子遮断
ASR膨張抑制効果（部分的）を併せ持つひび割れ注入工法

33

構造物の性能の時間的変化

34

メンテナンス計画のシナリオ（例）UP

材料のコラボレーション
（新設）

性

能

供用時間

UP
これまでの補修

材料のコラボレーション（補修）

維持管理限界
要求性能

鉄筋コンクリート＋新材料との複合の時代

予防保全によるライフサイクルコストの低減
予防保全
要求性能

ライフサイクルコスト

変状が顕在化した後に対策補修（大規模）

対策費用

劣化程度

供用時間

補修（中，小規模）定期点検

変状が顕在化した後に対策

予防保全36