試験・研究

火害を受けた RC 部材の鉄筋とコンクリートの付着に関する基礎的研究
Basic Study on Bond Strength between Concrete and Rebar
in Reinforced Concrete Elements on After Fire本庄

敬祐 *1、新井真 *2、春畑仁一 *3、大山

1．はじめに卓也 *4、東翔太 *5を用い、以下に示す二つの実験を行い、比較、検討した。

火災にあった建築物の火害診断では、日本建築学会

実験①は、電気炉を用いて試験体全体を一様に加熱し、

1）「建物の火害診断および補修 ･ 補強方法 指針 ･ 同解説」

冷却後の鉄筋およびその周囲のコンクリートの最高到達（以下、火害指針と記す）に基づき、部材ごとの火害等温度と付着強さの関係を確認するものである。この実験級を判定する方法が広く用いられている。この火害等級
は、構造耐力上、火災の影響を全く受けていないⅠ級から、甚大な被害があるⅤ級までの 5 段階で評価され、被害の程度に応じて、補修・補強の要否および程度が判断されることとなる。
図-1 は、火害指針に示されている鉄筋コンクリート部材（以下、部材と記す）の火害等級判定フローである。
鉄筋コンクリート造における火害等級の判定においては、コンクリートと主筋の付着に支障があるほどの被害を受けているかによって、Ⅲ級か、Ⅳ級以上かを判定する。
しかしながら、火災にあった部材のコンクリートと鉄筋の付着に関する研究事例は少ないというのが実状である。
そのような背景から筆者らは、2020 年度および 2021
年度において、この影響を把握するための自主研究「火害を受けた鉄筋コンクリート部材の鉄筋とコンクリートの付着に関する基礎的研究」を実施した。本稿では、その結果を報告する。

2．研究の概要
本研究では、部材が火害を受けた際、火災時の受熱温度がコンクリートと鉄筋の付着に与える影響を把握するために、コンクリート直方体に鉄筋を埋め込んだ試験体*1 HONJO Keisuke：（一財）日本建築総合試験所*2 ARAI Makoto：（一財）日本建築総合試験所*3 HARUHATA Masakazu：（一財）日本建築総合試験所*4 OHYAMA Takuya：（一財）日本建築総合試験所*5 AZUMA Syota：（一財）日本建築総合試験所
26

図-1

試験研究センター
試験研究センター
試験研究センター
試験研究センター
試験研究センター

鉄筋コンクリート部材の火害等級判定フロー 1）

構造部
構造部
構造部
構造部
耐火部

耐震耐久性調査室 主査
耐震耐久性調査室
耐震耐久性調査室 室長代理
構造試験室 専門役
耐火構造試験室

博士（工学）

GBRC Vol.47 No.4 2022.10の加熱方法では、試験体全体が一様な受熱温度となるよ

3．3 実験方法

うに加熱するため、同様の加熱・冷却をコンクリート円

3．3．1

加熱実験

柱供試体、鉄筋それぞれについても実施し、コンクリー加熱に際しては、試験体の鉄筋が露出する 2 面を被覆トの圧縮強度および鉄筋の引張強度を確認することによし、その他の 4 面を電気炉で均一に加熱した。加熱温度

り、各々の機械的性質の変化と付着強さとの相関性につは 100℃～900℃までの 100℃間隔とし、未加熱の試験いても確認した。

体を加えた 10 水準を加熱条件とした。加熱は、炉内温

また、実験②は、実火災を想定し、ガス炉を用いて試度が所定の温度に達するまで上昇させ、その状態を 24

験体を一面から加熱し、冷却後の鉄筋およびその周囲の時間保持し、鉄筋近傍に設置したコンクリート内部の熱コンクリートの最高到達温度と付着強さの関係を確認す

電対が所定の温度に達していることを確認した後、終了るものである。

した。その後、炉内で試験体表面の温度が室温と同程度

これら二つの実験結果を比較、検討することにより、になるまで静置した。

火災にあった部材におけるコンクリートと鉄筋の付着強3．3．2 コンクリートの圧縮強度試験、鉄筋の引張試験さへの受熱温度の影響および実験方法の違いに対する考コンクリートおよび鉄筋の加熱による機械的性質の変察を行った。

化を確認するため、付着強さ試験に用いる試験体と同様の加熱を行ったコンクリート円柱供試体および鉄筋を用

3．実験①：電気炉での一様加熱による実験
3．1 実験概要
実験①では、図-2 に示す H200 × W150 × D150 mm

い、コンクリートの圧縮強度試験および鉄筋の引張試験を行った。
圧縮強度試験は JIS A 1108：2018「コンクリートののコンクリートの中心に主筋を模擬した鉄筋（呼び名：D19、種類の記号：SD345）を配した試験体を電気炉内に設置し、試験体全体が目標温度（以下、加熱温度と記す）に達するように一様に加熱し、加熱終了の翌日に付着強さ試験を行うことで、加熱後のコンクリートと鉄筋の付着強さを確認した。また、同様の加熱を行ったコンクリート円柱供試体により圧縮強度試験を、鉄筋により引張試験をそれぞれ実施し、各強度と付着強さとの関係を確認した。

3．2 試験体
コンクリートは、材齢 28 日で圧縮強度が 21 N/mm2（以下、Fc21 と記す）を目標とするものを用い、割裂破

図-2 試験体の形状および寸法（実験①）表-1

コンクリートの使用材料（実験①）

壊防止のためにφ 6 mm のバーインコイルを配置した上で、中心に鉄筋を配置した。コンクリートの使用材料、配合および性状を表-1～表-3 に示す。
また、鉄筋については、付着区間における付着強さのばらつきを抑制するため、コンクリート表層から 2 d（d：鉄筋の呼び径）の非付着区間を両端に設けた。
付着強さ試験に用いる試験体は、加熱を行わないもの表-2

コンクリートの配合（実験①）（以下、未加熱と記す）および加熱温度ごとに 3 体とした。
また、それとは別に、内部温度を測定するための試験体を加熱温度ごとに 1 体作製した。
試験体はコンクリート打込みから 7 日後に型枠を取外し、加熱実験まで室内で静置した。

表-3 コンクリートの性状（実験①）27

GBRC Vol.47 No.4 2022.10

圧縮強度試験方法」に、引張試験は JIS Z 2241：2011（720 ℃）近傍で強度が低下することが知られており 4）、「金属材料引張試験方法」に基づき、加熱温度ごとに 3 体本試験もその内容に整合する結果となった。

実施した。

3．4．3

3．3．3

コンクリートと鉄筋の付着強さ試験未加熱に対する各温度での付着強さの残存率を図-6

コンクリートと鉄筋の付着強さ試験

付着強さ試験は、日本建築学会「鉄筋コンクリート造建に示す。未加熱に対する付着強さの残存率は、加熱温度

2）

築物の耐久性調査 ･診断および補修指針（案）･同解説」

100 ℃において 0.85 まで低下した後、200 ℃で 1.11 と付 1.3 の 3. 試験に基づき、写真-1 に示すように試験機上昇した。その後、加熱温度の上昇に伴い付着強さの残のクロスヘッド上部に球座を介して試験体を設置し、下部チャックにより鉄筋に引張力を加えた。なお、引張載荷速度は 500 N/s とした。

図-3 各加熱温度における電気炉内の温度履歴

写真-1

付着強さ試験

3．4 実験結果
3．4．1

加熱実験

電気炉内の温度履歴を図-3 に示す。すべての試験体において所定の温度まで加熱し、その温度を 24 時間保

図-4 未加熱に対するコンクリートの圧縮強度の残存率持した後、加熱を終了していることを確認した。なお、
内部温度計測用の試験体により、鉄筋および鉄筋近傍のコンクリートも均一に加熱できていることを確認した。
3．4．2 コンクリートの圧縮強度試験、鉄筋の引張試験
加熱後のコンクリートの未加熱に対する圧縮強度の比（以下、未加熱に対する各試験で得られた強度の比を残存率と記す）を図-4、鉄筋の降伏点および引張強さを図-5 に示す。なお、図-4 および図-5 は、コンクリート円柱供試体および鉄筋の各 3 本の平均値を示す。

図-5 鉄筋の降伏点および引張強さ

コンクリートの圧縮強度については、加熱温度 100℃で低下した後、200℃で一度回復し、200℃以降は加熱温度の上昇に伴い低下した。加熱温度 200℃における圧縮強度の回復は、既往の研究 3）から、コンクリート中の高温蒸気による未水和セメント粒子の水和の促進等によるものと推測される。
鉄筋の引張試験については、加熱温度 500℃までは耐力を維持し、700℃、800℃で耐力の低下が認められた。
鉄筋の加熱冷却後の強度については、鋼材の変態点温度28

図-6

未加熱に対する付着強さの残存率

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存率は低下した。

材齢 28 日で 21 N/mm2 および 30 N/mm2（ 以下、Fc21

この傾向は、図-4 に示すコンクリートの圧縮強度試および Fc30 と記す）を目標とする 2 種類とした。コンク

験の結果と類似し、両試験結果の未加熱に対する各温度リートの使用材料、配合および性状を表-4～表-6 に示す。

での残存率については、相関係数 0.96 と高い相関性が付着強さ試験時のコンクリートの圧縮強度は、未加熱の認められた。なお、図-5 に示す鉄筋の引張試験結果では、試験体より JIS A 1107:2012 に基づいて採取したコンク

700℃以上で耐力の低下が見られるが、付着強さ試験にリートコアを用いて圧縮試験を実施した結果、Fc21 でおいてその影響は認められなかった。

は 33.7 N/mm2、Fc30 では 37.1 N/mm2 であった。

火害指針に示される文献 5）では、未加熱に対する付着鉄筋は、付着強さ試験に供するため、コンクリートの強さの残存率は、加熱温度 400 ℃で約 0.7、600 ℃で約両端部から 2 d（d：鉄筋の呼び径）ずつ非付着区間を設

0.1 と さ れ て い る が、 本試験結果 で は 400 ℃ で 0.80、け、付着長さを 200 mm とした。なお、鉄筋のかぶり600℃で 0.63 と高い値を示した。

3．5 実験①のまとめ電気炉を用いて試験体を一様に加熱した実験では、次の知見を得た。
・未加熱 に 対 す る 付着強 さ の 残存率 は、 加熱温度100 ℃ で 低下 し た 後、200 ℃ で 一度上昇 し た が、200℃以降は加熱温度の上昇に伴い低下した。
・上記の傾向は、同様の条件で加熱したコンクリートの圧縮強度の傾向と類似しており、両試験結果の未加熱に対する各温度での残存率は、相関係数 0.96と極めて相関性が高い。
実験①では、コンクリートと鉄筋の付着強さと、加熱温度やコンクリートの圧縮強度、鉄筋の引張強度との関係を把握することができた。ただし、実火災ではコンク

図-7

試験体の形状および寸法（実験②）表-4コンクリートの使用材料（実験②）リート表面と内部の温度差が大きくなるなど、本実験の加熱条件との相違がコンクリートと鉄筋の付着強さに影響することが考えられる。

4．実験②：ガス炉での片面加熱による実験
4．1 実験概要
実験②では、電気炉を用いて試験体を一様に加熱した3 章の実験に対し、より実火災に近い加熱条件を想定してガス炉を用いた片面加熱による実験を行った。試験体の形状 および 寸法を図-7 に示す。H250×W800×D300 mmのコンクリートにかぶり厚さ 50 mm として主筋を模擬

表-5

コンクリートの配合（実験②）表-6コンクリートの性状（実験②）した鉄筋（呼び名：D25、種類の記号：SD345）を 2 本配置し、かぶりコンクリートの面から片面加熱した。また、実際の火害調査を想定し、加熱終了から 100 日前
後、試験体を室内で静置した後に付着強さ試験を行い、加熱後のコンクリートと鉄筋の付着強さを確認した。

4．2 試験体
試験体の種類はコンクリート強度が 2 種類、加熱時間が異なる 5 種類と未加熱の全 12 種類とし、試験体数は各種類 2 体ずつの計 24 体とした。コンクリート強度は、

29

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厚さは、日本建築学会「鉄筋コンクリート造配筋指針・熱電対を設置した試験体のコンクリートの最高到達温同解説」 に示すかぶり厚さ 40 mm に、せん断補強筋の度の一覧を表-7 に示す。同表より、加熱後の試験体は、配筋を考慮して 10 mm を加えた 50 mm とした。試験体

それぞれ加熱時間に応じた火害を受けていることを確認

6）

内には、運搬時などに試験体の崩壊を防止する目的で異形棒鋼（呼び名：D10）を配置した。
加熱に供した各種類 2 体の試験体のうち 1 体には、加熱実験時にコンクリートと鉄筋の温度を測定するため、コンクリートの 加熱面と加熱面 から 25 mm､ 50 mm､100 mm の深さに、また、2 本の内の 1 本の鉄筋には加熱面側と非加熱面側に、熱電対（K 型）を設置した。
試験体はコンクリート打込みから 7 日後に型枠を取外し、加熱実験まで室内で静置した。

図-8 ガス炉と試験体の設置状況

4．3 実験方法
4．3．1

加熱実験

加熱実験には図-8 に示すガス炉を使用した。加熱面は鉄筋のかぶり厚さ 50 mm となる W800 × D300 mm の面とし、図-8 に示すようにガス炉の上部に、同一種類の試験体 2 体を設置した。なお、炉内温度は、試験体から100 mm の位置の炉内に設置された熱電対により測定した。
加熱実験は、コンクリートの材齢 120 日前後で実施した。
加熱は、ISO834 に規定する標準加熱曲線に沿って炉内温度を上昇させ、所定の加熱時間に達した後、終了した。加熱終了後、直ちに試験体を炉外に取り出し、室温

図-9 付着強さ試験装置になるまで放冷した。なお、試験体の温度測定は、加熱開始からコンクリートおよび鉄筋のすべての測定位置で最高到達温度を確認するまで行った。
加熱時間は、火害の程度に変化をつけるため、30 分、60 分、90 分、120 分および 180 分とし、未加熱の試験体を加えた 6 水準を加熱条件とした。
4．3．2

コンクリートと鉄筋の付着強さ試験

付着強さ試験の試験装置を図-9 に示す。試験は、変換カプラー、ボルトおよび球座を介して油圧ジャッキにより鉄筋に引張力を与える方法で行った。載荷履歴は、単調漸増載荷とし、測定項目は、鉄筋の引張力および抜け出し量とした。なお、付着強さ試験においては、各条

図-10 加熱時間と炉内温度、コンクリート温度および鉄筋温度との関係（Fc21、加熱時間 180 分）

件の試験体に設けた鉄筋 4 本のうち、3 本を試験対象とし、以降、鉄筋 1 本を 1 体の試験体として称する。

4．4 実験結果
4．4．1

加熱実験

一例として Fc 21 の加熱時間 180 分の炉内温度、コンクリート温度および鉄筋温度を図-10 に示す。
同図より、標準加熱曲線に沿って炉内温度を制御できており、各測定点の最高到達温度を確認することができた。
30

表-7 コンクリートの最高到達温度

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した。なお、鉄筋温度の測定結果については、電気炉を用いた実験①との比較のため、5 章で詳述する。
4．4．2

コンクリートと鉄筋の付着強さ試験

鉄筋の付着応力度τと抜け出し量δの関係を図-11 に、各試験体のτ =2 N/mm2 時の鉄筋の抜け出し量および付着強さを表-8 に、破壊状況の一例を写真-2 に示す。ここに、付着応力度τは、鉄筋付着長さにおける平均付着

写真-2 破壊状況の一例

応力度、付着強さτmax は最大付着応力度、図-11 は各試験体 3 体のうち、付着強さが一番大きかった試験体、表-8 は各 3 体の平均値を示す。
図-11 に示すように、未加熱の試験体ではτ =2 N/mm2程度の応力が作用してから鉄筋が抜け始めているのに対し、加熱後の試験体では、加熱時間に関わらず全ての試験体で載荷初期から鉄筋の抜け出しが生じている。また、

図-12 未加熱に対する各加熱時間での付着強さの残存率

図-11 お よ び表-8 に 示 す よ う に、 初期 の 剛性 は τ =2 N/mm2 時では鉄筋抜け出し量が 0.00～0.67 mm、付着強さは 2.63～10.9 N/mm2 となっており、加熱時間が長くなるほど初期剛性、付着強さともに低下する結果となった。破壊形式は、写真-2 に示すようにすべての試験体で鉄筋に沿った付着割裂破壊となった。
本実験における付着強さの残存率と加熱時間との関係を図-12 に示す。なお、同図は各 3 体の平均値を示す。
未加熱に対する各加熱時間での付着強さの残存率は、30 分で 0.6、60 分では 0.5、180 分では 0.3 程度まで低下しており、加熱時間が長くなるほど、残存率は低下する結果となった。

4．5 実験②のまとめガス炉を用いて試験体を片面加熱した実験では、次の知見を得た。
図-11 鉄筋の付着応力度τと鉄筋の抜け出し量δの関係
表-8

各試験体のτ=2 N/mm 時の鉄筋の抜け出し量と付着強さ2・加熱した試験体では、載荷初期から鉄筋の抜け出しが生じ、初期の剛性は、加熱時間が長くなるほど、低くなった。
・未加熱に対する各加熱時間での付着強さの残存率は、30 分で 0.6、60 分では 0.5、180 分では 0.3 程度となり、加熱時間が長くなるほど、残存率は低下する結果となった。
実験②における付着強さの残存率については、実験①とは異なる傾向が認められた。
31

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5．考察
5．1 コンクリートと鉄筋の付着強さについて
本章では、実験①を「一様加熱」、実験②を「片面加熱」と記す。一様加熱と片面加熱における鉄筋の最高到
達温度と付着強さの残存率の比較を図-13 に示す。なお、片面加熱の試験結果のうち、一様加熱とコンクリート強度が同じ Fc21 の結果により検討した。また、参考として火害指針に示される付着強さの残存率を併せて示す。
一様加熱では鉄筋温度 100℃で付着強さが低下した後、図-13 未加熱に対する付着強さの残存率と鉄筋の最高温度の関係200℃で上昇する傾向が認められたが、片面加熱では鉄筋温度の上昇に伴い、付着強さは低下した。また、一様加熱に比べて片面加熱の方が付着強さの残存率の低下の程度も大きく、残存率は、鉄筋温度 100℃前後では一様加熱で 0.85 に対して片面加熱では 0.57、400 ℃前後では一様加熱で 0.80 に対して片面加熱では 0.28 となった。
火害指針に示される未加熱に対する付着強さの残存率
は、一様加熱によるものと考えられ、受熱温度 200℃で写真-3 試験体の破壊状況の一例（実験①：一様加熱）

0.75、400℃で 0.7 程度とされているが、本研究における片面加熱の結果は、この値よりも低くなった。
一様加熱に比べて、片面加熱において未加熱に対する付着強さの残存率が低下した要因としては、以下の点が考えられる。
・コンクリートが加熱を受けると加熱面側と非加熱面側における温度差が生じ、熱応力が発生するが、片面加熱では一様加熱に比べて熱応力が大きく、ひび

写真-4 試験体の破壊状況の一例（実験②：片面加熱）割れが生じやすい。そのため、加熱面側に生じたひび割れなどが付着強さに影響した可能性がある。と呼ばれる鉄筋位置から横方向に伸びるひび割れが生じ

・一様加熱では加熱終了の翌日に付着強さ試験を実施ているものが多く認められた。このひび割れは、未加熱した。一方の片面加熱では実際の火害調査を想定し、の試験体ではかぶりコンクリートの方向に斜めにひび割

加熱終了から 100 日前後、試験体を室内で静置しれが生じており、加熱した場合と未加熱の場合でひび割た後に付着強さ試験を行った。そのため、静置期間れの状況に違いが認められた。の違いが付着強さに影響した可能性が考えられる。

一様加熱と片面加熱においては、試験体形状やかぶり・火害指針に示される付着強さの残存率と 4 章の結果厚さの差異に起因する破壊形式の違いも、付着強さの残との差異についても、上記 2 点と同様の点が影響し存率の差に影響したと考えられる。

たと推測される。

5．2 破壊形式について

6．まとめ一様加熱と片面加熱における付着強さ試験後の試験体本研究では、電気炉を用いて一様加熱を行った場合おの破壊状況の一例を写真-3 および写真-4 にそれぞれ示す。

よびガス炉を用いて片面加熱を行った場合の鉄筋コンク一様加熱では、鉄筋に沿って試験体側面にひび割れがリート部材のコンクリートと鉄筋の付着強さについて、発生し、試験体小口には鉄筋位置から試験体側面への直線状のひび割れが認められた。

次の知見を得た。
・ガス炉を用いて試験体を片面加熱した場合、電気炉片面加熱では、一様加熱と同様に鉄筋に沿ったひび割を用いて試験体を一様加熱した場合に比べて火害にれが試験体側面に発生した。また、試験体小口では試験よるコンクリートと鉄筋の付着強さの低下が大きく体側面への直線状のひび割れに加え、サイドスプリットなる傾向を示した。

32

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・片面加熱における加熱面と非加熱面の温度差や、加【執筆者】

熱後の試験体の静置期間が、コンクリートと鉄筋の付着強さに影響する可能性が示唆された。
・鉄筋のかぶり厚さが 50 mm の部材を模擬した試験体では、30 分以上の加熱において、コンクリートと鉄筋の付着強さが低下した。
実験①では、試験体を一様加熱した場合の付着強さの低下と、同条件で加熱したコンクリート円柱供試体の圧

*1

本庄 敬祐

*4

大山 卓也

（HONJO Keisuke）*2 新井 真*3

春畑 仁一

（ARAI Makoto） （HARUHATA Masakazu）

縮強度の低下が高い相関性を示した。しかしながら、実火災においては同一部材であっても部位ごとに加熱状況が異なり、加熱部と非加熱部の温度差の影響などが部材の性状に影響を及ぼす可能性があることが、実験②で把握できた。
つまり、コンクリートの強度低下は、付着強さへの影響を推測する判断材料とはなるが、実火災による鉄筋コ（OHYAMA Takuya）*5 東 翔太（AZUMA Syota）

ンクリート部材の付着強さへの影響の評価材料とすることは困難と考えられる。

7．今後の課題
本研究により、火災にあった鉄筋コンクリート部材におけるコンクリートと鉄筋の付着強さに関する基礎的な知見を得た。しかしながら、実際の鉄筋コンクリート部材としての付着性能を確認するためには、応力状態、部材長および配筋状況を含めた部材断面等の影響を確認することが求められる。そのため、実断面を模擬した梁部材を用い、長期応力等も考慮できる条件での実験を検討するとともに、熱影響を考慮した解析での火害による付着強さへの影響の予測の可否を検討するなど、実構造物への適用を見据えた研究計画を今後立案する必要があると考える。
【参考文献】

1）日本建築学会「建物の火害診断および補修・補強方法 指針・同解説」，2015
2）日本建築学会「鉄筋コンクリート造建築物の耐久性調査・診断および補修指針（案）・同解説」，1997
3）阿部武雄ほか：高温度における高強度コンクリートの力学的特性に関する基礎的研究，日本建築学会構造系論文集第515 号，pp.163-168，1999

4）日本鋼構造協会 技術委員会 耐久性分科会 耐火委員会 高温強度班：構造用鋼材の高温時ならびに加熱後の機械的性質，
JSSC Vol.4 No.33，1968

5）Schneider,U.（森永他訳）：コンクリートの熱的性質 , 技報堂
6）日本建築学会「 鉄筋 コ ン ク リ ー ト 造配筋指針・ 同解説 」，
202133