安藤ハザマ研究年報 Vol.8 2020
報 告支持体付きシートを用いた更生工法の耐久性評価
根岸敦規 *1
下水道マンホールの更生に用いられる支持体付き高密度ポリエチレンシート（HDPE）を，左官仕上げした未硬化のモルタルへ差し込む工法において，以下の検討を行った。①硫酸環境における耐久性について
促進温度条件におけるシートの硫酸浸漬試験，②道路下での長期振動に対する耐劣化性について，道路下でのマンホール断面を想定した繰返し荷重条件で促進試験。この結果，50年後を想定した硫酸環境における耐久性は，曲げ応力，引張応力の減少はわずかで，曲げ弾性率，引張弾性率も設計値を上回った。また，50年間幹線道路下に設置された状態を想定した耐劣化性については，モルタルと躯体との接着強度はブランク供試体より17.8％減少したが，規格値を十分満足する結果となった。
キーワード： 下水道マンホール，更生工法，成形品後貼り型シートライニング工法，断面修復モルタル材

各種試験を実施したので考察を含め報告する。

１．まえがき
都市部の下水道普及率はほぼ 100％に達し，老朽化が深２．支持体付き HDPE シートを用いた更生工法

刻になってきている。高度成長期以降，急速に整備された下水道も 50 年以上が経過しており，すでに耐用年数に２. １ 複合マンホール更生工法概要達しているコンクリート構造物も年々増加している。各自

本評価の対象となる更生工法は，下水道特有の微生物

治体においては，下水道施設の計画的な維持更新施策にが作り出す硫酸によるコンクリート腐食を対象として開より，危険度・優先度の高い順にコンクリート構造物や機発された。また，技術資料では複合マンホール更生工法

械・電気設備の改築・更新を推し進めている。
しかしながら，に分類されている。図 -１に本工法で更生したマンホー下水道管やマンホールの老朽化に起因する道路陥没事故

ルの断面概略図を示す。施工手順は，以下のとおりであは毎年 3,000 件以上発生し，ほぼ横ばいの高い状態にある。

る。①コンクリート腐食部分をはつりとる。②断面修復

下水道管の老朽化対策として，2014 年に「下水道用材と下地材兼ね，腐食抑制剤を混和した耐硫酸専用モル

プラスチック製管きょ更生工法」1) が，2015 年に「下水タル材（以下，専用モルタル材と記す）を塗布する。③

道構造物のコンクリート腐食対策技術」2) の JIS が制定

モルタルを左官仕上げ後，未硬化のモルタル面に裏面にされ，JIS の要求品質を確保した工法で施工されている。

支持体を持つ高密度ポリエチレン製シートを差込む。④

一方，下水道用マンホールについては，当社を含め 13シート同士は，同じ高密度ポリエチレン樹脂製の溶着棒社が参画した日本下水道新技術機構との共同研究の成果を用い，熱溶着により接合する。

として「下水道用マンホール改築・修繕工法に関する技術資料」3) が 2014 年に発刊され，耐震設計も含めた長寿命化への方向性が示された。この中で，下水道構造物の補修に用いるシートライニング工法は，日本下水道事業団の「下水道コンクリート構造物の腐食抑制技術及びシート接合部（溶着部）溶着線防食技術指針 ･ 同マニュアル」4) において工法規格 D 種

マンホール本体に分類され，年間平均硫化水素濃度で 50ppm 以上の厳しい腐食環境（腐食環境Ⅰ類）で使用される工法である。
本報では，シートライニング工法の「下水道用マンホー支持体付きシート（高密度ポリエチレン樹脂製シート）ル改築・修繕工法に関する技術資料」( 以下，技術資料 )の要求性能である「耐久性能」のうち，表面部材として耐硫酸断面修復モルタル（腐食抑制剤混和専用モルタル材）のシートライニング材の「耐薬品性」，「耐硫酸性」と幹線道路下に設置された状態での「耐劣化性」について，

図 -１*1 先端・環境研究部

1

本工法の断面模式図

安藤ハザマ研究年報 Vol.8 2020

また，本工法の特徴を以下に示す。①他の同様な工法

耐薬品性試験（４種の水溶液（60 ±２℃）に５時間浸せのように躯体との接合に注入材を用いず，断面修復材をきした時の，質量変化度の範囲が基準値（± 0.2mg/cm2）用いるため，はつり面と下地材が確実に接着される。②以内であることを確認した。以下にその概要を示す。

シート材料は２㎜の厚さで，柔軟性に富むのため，狭隘（１）試験方法な空間へも丸めて挿入することができ，定尺の部材を扱表面部材（HDPE シート）について，25 ㎜× 25 ㎜の形える。③シート差込み後は，支持体が専用モルタル材に状に切断し，試験体の質量を測定する。次に表 -２に示固着し抜けにくいため，モルタルが硬化するまで軽くサす各試験液に 60 ±２℃で５時間浸漬した後，流水中でポートするだけでよく，注入材を用いる工法のように強５秒間洗浄し（水による浸漬の場合は行わない），乾い固な型枠で固定する必要がない。④表面部材（HDPE シーた布で表面の水分を拭き取ってから，質量を量り浸漬前ト）は目地部（接合部）も含め同じ材料で一体化するた後の質量変化度（Mc ）を次式により算出した。

め，耐震性評価などに同じ材料物性値を使用することがMc＝（Mb- Ma ）／ Sできる。さらに，本工法は，専用モルタル材の接着力とここに，Ma : 試験片の浸せき前の質量HDPE シートの支持体の固着により，軸方向，側方曲げ

Mb : 試験片の浸せき後の質量耐力の向上が確認されており，躯体の引張鉄筋量に換算

S ：試験片の表面積(1)して，耐震性を評価することが可能である。
表 -２

試験液の諸元２. ２ 支持体付きシート概要
本工法に用いる支持体付き HDPE シートの模式図を図 ２に，諸元を表 -１に示す。シート１㎡あたり約 4,500個の支持体を有しておりモルタルなどに強固に固着する。また，裏面にはシボと呼ばれる凹凸があるため，覆（２）試験結果

工に生じるひび割れから背面水圧がかかっても，応力は試験結果を表 -３に示す。４種類の試験液に対して質集中せず，分散させることができる。

量変化は確認されなかった。高密度ポリエチレン樹脂はHDPEシート濃硫酸のタンクに使用されるなど，多くの薬品に対して厚さ高い耐薬品性を有している。

シート全面のシボ

表-３

耐薬品性試験結果

支持体の高さ茎の径

頭の径

支持体のピッチ

図 -２シート模式図

表 -１

シート形状諸元

標準寸法
板厚
全長
幅(mm)
茎の径*12,0009002.03.0
寸法
許容+ 0.2±0.5±15±5.0値＊１ 支持体１本の引張り強さは120Ｎ以上

支持体の寸法 (mm)
頭の径
高さ
4.04.0±1.0±1.0

ピッチ
15.0±2.0

３. ２ 耐硫酸性

３．使用材料の長期耐久性評価

技術資料によると，耐硫酸性については本工法のよう本工法で用いる使用材料の長期耐久性を評価するために，更生材が強度を負担する構造の場合に実施する必要に，技術資料の複合マンホールの要求性能評価手法に従があると規定されている。表面部材（HDPE シート）につい，各種試験を実施した。

いて，まず，ブランク試験として，短期曲げ応力，引張応力および曲げ弾性率，引張弾性率を測定する。次に，温３. １ 耐薬品性度による促進試験（65℃）を実施し，硫酸環境下におけ表面部材（HDPE シート）について，日本下水道協会

る 50 年間相当の曲げ弾性率および引張弾性率を推定し，規格（JSWAS K-14）「下水道用ポリエチレン管」による所定の設計曲げ弾性率および引張弾性率以上であること

2安藤ハザマ研究年報 Vol.8 2020を確認することにより，耐硫酸性を有することを確認した。

浸せき期間を 26 日間に設定した。浸せき試験用試験体（１）試験方法は HDPE シートから，以下のように切出して試験に供した。

「JIS K 7171 プラスチック - 曲げ特性の求め方」，「JIS① 曲げ弾性率試験用試験体：25 ㎜× 80 ㎜短冊型 N ＝ 5K 7161 プラスチック - 引張特性の求め方」の試験条件②に準じて，曲げ応力および引張応力試験を実施した。具

また，強度試験の条件を以下に示す。

体的には硫酸環境下（0.5wt％ : pH ≒ 1）において，温①度による促進試験 (65℃ ) を同様に行い，50 年間経過後② 引張強度 : 試験速度 :5 ㎜ /min，つかみ具間距離 :58 ㎜

相当の曲げ弾性率および引張弾性率を推定する。この結（２）試験結果

果の評価としては，耐震設計の物性として使用している

引張弾性率試験用試験体：1BA 型ダンベル型 N ＝ 5
曲げ強度 : 試験速度：1 ㎜ /min，下部点間距離：35 ㎜

写真 -１に引張試験状況を，また表 -６，７に曲げ試

2設計値である 300N/mm 以上であること，また，溶着部験結果および引張試験結果を示す。50 年想定の促進試験においても初期引張応力および初期引張弾性率を測定の曲げ応力は，初期値より 5.5％の減少にとどまったが，し，シート部の初期引張応力および初期引張弾性率より曲げ弾性率は，32.2％減少していた。引張試験結果でもも値が大きいことを確認した。

引張応力は，初期値より 1.1％の減少とほぼ同じである

反応速度の促進度を求めるにあたり，表 -４に示すよが，引張弾性率は 26.3％減少していた。これについては，うにシート材料（高密度ポリエチレン樹脂）の活性化エ

曲げ弾性率および引張弾性率は微小な変形時（ひずみがネルギーを小沢法5）による反応速度論解析から求めた。

0.05％，0.25％の 2 点）における，応力 - ひずみ曲線の得られた活性化エネルギーは，文献に示された高密度ポ
リエチレン樹脂の値 6），7） とほぼ同じであったため，自社測定値の活性化エネルギーを用い，技術資料で設定されている環境温度 40℃に対する反応速度比を以下に示すアレニウスの式より計算した。
k ＝ A exp （-Ea ／ RT ）

(2)

ここに，

k ：反応速度定数
A ：頻度因子Ea : 活性化エネルギー（J/mol）
R ：気体定数 8.314（J/K/mol）
T ：絶対温度 （K）
写真 -１

シート材料の引張試験状況

計算結果を表 -５に示す。ここで試験期間を約１か月間と設定し，近似の日数を求めた。反応速度比が環境温

表 -６

曲げ試験結果表 -７

引張試験結果

度 40℃の 728 倍である 65℃で促進させると，50 年相当の浸せき日数が 18,250 ／ 728 ＝ 25.07 日となるため，(N/mm2 )表 -４

シート材料の活性化エネルギー(N/mm2 )表 -５

環境温度と反応速度比(N/mm2 )(N/mm2 )3安藤ハザマ研究年報 Vol.8 2020

傾きを求めることにより算出されるため，高密度ポリエ繰り返し載荷試験をサーボパルサーで実施した。

チレン樹脂の表面が硫酸により，酸化・脆性化したもの

図 -４に試験体の形状を示す。試験体は，別途作製しと思われる。図 -３に引張試験時の応力 - ひずみ曲線をた専用モルタル材の固着性試験で用いた試験体から切出示す。弾性領域を比較すると，促進試験後の傾き（図中して，疲労試験機に設置可能な寸法に調整した。耐劣化赤色点線）は，初期値（図中青色点線）より小さくなっ性の評価には，躯体と更生材料が 50 年相当の繰返し荷重ていることがわかる。弾性率の低下は確認されたものの，に対して一体性を確保できているかを，建研式引張試験

耐震計算で使用される弾性率 300N/mm2 を十分満足するに準拠し，1.5N/mm2 以上の強度を有すること，かつ母材破値となった。なお，弾性率の設計値については，樹脂メー壊することを確認し評価した。なお，同材齢での付着強度

カーの弾性率の代表値 900N/mm2 に対し，安全率＝ 3（安を比較するために，ブランク試験体（切出した試験体の本全率は「管きょ更生工法における設計・施工管理ガイド体）においても付着試験を実施した。載荷条件を算出根ライン -2017 年版 -」8） による）とした値を採用した。

拠と共に表 -８に示す。また，試験状況を写真 -２に示す。

また，溶着部における値もシート部を上回る引張応力，（２）試験結果引張弾性率を有することが確認された。

試験結果を表 -９に示す。繰り返し載荷試験後の試験

ここで，促進試験は，シートの試験片をすべて硫酸水片の接着強度はブランク試験と比較して，17.8％低下し溶液へ浸るように漬け込むため，シートの両面だけでなていたが，規格値を満足する結果となった。本工法は表く全面が硫酸へ曝露されている状態である。本工法は，面部材としては支持体付き HDPE シートを，躯体との充て支持体のない表面のみが下水道の環境に曝露されるたん材として専用のモルタル材を用いているため，モルタ

め，実際の弾性率の低下は，本試験の結果よりも小さい

ル強度や接着強度，シートとの固着強度は材齢と共に徐々と考えられる。に増加する。また，想定外の地震動などで躯体にクラッ10クが生じても，表面部材（HDPE シート）はクラックに追引張応力(N/mm 2)9876543―― 浸せき前（初期値）2―― 浸せき後（促進試験値）

1000.020.040.060.080.1

ひずみ

図 -３

促進試験前後の応力 - ひずみ曲線の一例

３. ３ 耐劣化性

図 -４

耐劣化性用試験体寸法

表 -８載荷条件と算出根拠

マンホールの耐用年数は 50 年に設定されており，マンホールが道路直下に敷設されている場合は，車両の通行による繰返し荷重がマンホールに作用することにな

設定値
算出根拠
1 号 組 立 マ ン ホ ー ル 直 壁 （ 外 径 1.05㎡，内径0.9 ｍ，厚さ75 mm）へ載荷
載荷面積0.230 （㎡）
（ 1.05 2-0.90 2 ）× π／4
T 25輪荷重（後輪荷重）：100kN
434.8 （kN／㎡）
100 kN／0.230 ㎡
最大荷重
試験片断面積に載荷する最大荷重783 （N）
434.8kN／㎡×（0.0421m×0.0428m）
T 25輪荷重（前輪荷重）：25kN
108.7 （kN／㎡）
25 kN／0.230 ㎡
最小荷重
試験片断面積に載荷する最小荷重
196 （N）
108.7kN／㎡×（0.0421m×0.0428m）
196 （N）
常時載荷
783 （N）
繰 り 返 し 載 最大荷重
荷条件
周期5 （Hz）
繰り返し回数
405万回（約10日）
条る。そのため，本工法のような複合マンホールの場合，埋設下の使用状態において長期（50 年相当）にわたる走行車両により受ける繰り返し荷重に対して耐久性を有することを確認しなければならない。
確認方法としては自動車荷重（活荷重）に相当する後輪の片側荷重を繰り返し載荷し，軸方向耐圧試験の外圧疲労試験を実施した。
（１）試験方法

件

本工法を模擬した試験片に対し，T-25 輪荷重 (100 kN)で，50 年間の走行 (405 万回：交通条件の最も厳しいＮ７（旧表 -９

交通区分 D 交通：大型車交通量一方向 3,000 台／日以上）「道路占用埋設物件の浅層化技術検討報告書（平成 10 年9）3 月）
道路保全技術センター）」を参考に設定）を想定した，

4耐劣化性試験結果

安藤ハザマ研究年報 Vol.8 2020

表面部材の材質，支持体の形状，モルタル材の種類などを変化させて，検討を重ね，補強効果に寄与する要因を明確にして，改築・修繕設計に生かす所存である。
謝辞
本研究を実施するにあたり，シート材料を提供いただ
いた長岡鉄筋コンクリート様，モルタル材を提供いただ
いたポゾリスソリューションズ様，マンホール作製や載荷試験など協力いただいた日本ヒューム様にこの場を借りて御礼申し上げます。

写真 -２

参繰り返し載荷試験状況

考文献１）JIS A 7511 下水道用プラスチック製管きょ更生工法
２）JIS A 7502 下水道構造物のコンクリート腐食対策技術従するため，下水道の機能を維持することが可能である。

３）日本下水道新技術機構，下水道用マンホール改築・本試験は，更生した組立マンホールが 50 年にわたる修繕工法に関する技術資料，2014 年 12 月

走行車両による繰り返し荷重を受けても，既設マンホー

４）日本下水道事業団，下水道コンクリート構造物の腐ルと専用モルタル材が規格値以上の接着強度を有してい食抑制技術及び防食技術指針 ･ 同マニュアル，平成

れば，耐久性（耐劣化性能）を有するものとの考えのも

29 年 12 月と，それを試験片で再現したものである。試験片は試験

５）T. Ozawa, J. Therm. Anal. 31, 547 (1986)

機に設置できる大きさで試験を行ったが，実際の更生し６）Cynthia , et.al,“Characterization and Lifetime

た組立マンホールの断面の１/ ２であるため，同等であEstimation of High Density Polyethyleneるものと想定した。

Containing a Prodegradant Agent”, Mat.Sci. &App., 2017, 8, 979-991

４. まとめ７）Yu Chen, et.al.,“Co-pyrolysis behaviors andkinetics of plastics–biomass blends through

本工法は腐食により断面が欠損したマンホールにおいt h e r m o g r a v i m e t r i c a n a l y s i s ”, J . T h e r m a lても強度を回復できる工法であると共に，表面部材（HDPE

Analysis and Calorimetry, Jan.2014シート）の高い耐薬品性により防食機能も付与できる。

８）日本下水道協会，管きょ更生工法における設計・施

また，表面部材（HDPE シート）は延伸性に富むため，地工管理ガイドライン -2017 年版 -震時に躯体にひび割れが生じた場合には，ひび割れに追９）道路保全技術センター，道路占用埋設物件の浅層化従し，下水道の機能を維持することが可能である。今後，技術検討報告書，平成 10 年 3 月

Durability estimations of the rehabilitation method for sewer manholes
using a high density polyethylene sheets with studs
Atsunori NEGISHI

In the construction method used for the rehabilitation of sewer manholes, a sheet with studs
is inserted into a plastered mortar that has not yet hardened. In order to confirm the durability
in a sulfuric acid environment, a sulfuric acid immersion test of the sheet was conducted underaccelerated conditions and for the deterioration resistance to long-term vibration under the road, anacceleration test was performed under repeated load assuming a manhole cross section under theroad. Under the sulfuric acid environment assumed 50 years later, the bending stress and tensilestress decreased slightly, and the flexural modulus and tensile modulus also exceeded the designvalues. In addition, the deterioration resistance assuming the state of being installed under the mainroad for 50 years was 17.8% lower than that of the blank specimen in the adhesive strength between
the mortar and the base material of the manhole, but the result fully satisfied the standard value.

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