第64回(2020年度)

北海道開発技術研究発表会論文

寒冷沿岸域にある無筋コンクリート防波堤の干満帯における損耗劣化に関する一考察
国立研究開発法人

土木研究所 寒地土木研究所 寒冷沿岸域チーム ○長谷 一矢
久保 純一

寒冷沿岸域にある防波堤の劣化としては、上部工や胸壁工の凍結融解によるスケーリングや、無筋コンクリートで構築された本体工の干満帯における損耗劣化などがあげられる。本研究は、凍結融解や海氷摩耗などにより生じる損耗劣化に関して考察するものであり、干満帯における凍結融解には潮位変動が関係すること、平均潮位付近で凍結融解回数が最も多くなること、凍結融解回数が多いほど海氷摩耗を促進することなどについて述べる。
キーワード：凍結融解、スケーリング、海氷摩耗、複合劣化

1. はじめに
社会基盤構造物は我々の生活を支える重要な役割を担っているが、高度成長期以降に建設された多くのコンクリート構造物が老朽化の問題に直面している。北海道開発局が所管する港湾漁港施設を例に見ても、建設後50年を迎える施設が急増しており、20年後には港湾漁港整備の約半分を維持工事が占めるようになるとも予想されている1)。
写真-1 は防波堤の劣化事例である。海面付近のコンクリートが著しく損耗している状況が確認できる。この防波堤は無筋コンクリート構造で、損耗している本体工はプレパックドコンクリートにより構築されている。北
海道開発局がまとめたデータ1)によれば、港湾施設全体の37%は無筋コンクリート構造であり、全体の16%は写真-1 と同じプレパックドコンクリート構造である。劣化の程度は異なるが、全道的に同様の損耗劣化が発生2)している。
凍害による被害は寒冷地にある土木構造物全般に見られるが、特に海岸施設や港湾施設など海に面した構造物に著しく、その部位は構造物天端面や海水面付近に多いことが報告3), 4), 5)されている。写真-1 も干満帯における凍害が関係していると考えられるが、その機構を詳細に考察した研究は少ない。干満帯の損耗劣化に対しても適切な維持管理が行えるよう、その性能評価6)、将来予測、補修工法の検討が必要であり、そのためには、損耗劣化の劣化機構の解明が欠かせない。
本研究は干満帯における損耗劣化機構の解明の一助とすべく、凍結融解作用が干満帯の損耗劣化に及ぼす影響、その凍結融解に海氷摩耗が複合した場合の影響に着目し、

写真-1

無筋コンクリート防波堤の干満帯における損耗劣化事例

現地観測および室内試験に基づいた一考察を行うものである。

2. 凍結融解作用が干満帯の損耗劣化に及ぼす影響
干満帯における損耗劣化の要因には、凍害、化学的作用、すりへりなどが考えられるが、ここでは凍害の影響

Hase Kazuya, Kubo Junichi－ 882 －

の位置としている。なお、観測日の網走市の日の入り時
刻は3:44、日の出時刻は6:48であり、調査位置付近には日射を遮る障害物はない。
図-2 は温度観測用供試体の構造と設置状況を示している。供試体のモルタル部分の寸法は、長さ1.0 m、幅0.06 m、厚さ0.04 mであり、木製の型枠にモルタルを打設する方法で製作した。モルタルの配合は表-1 に示すとおりであり、水セメント比、セメントの種類、空気量は一般的な港湾構造物のコンクリート配合と同等である。
モルタル供試体の表面温度を観測するために、熱電対をモルタル表面から5 mmの深さに0.2 m間隔で5本埋め込んだ。そして、モルタルへの熱の伝達が表面からのみになるよう、木製型枠の側面と背面に厚さ2 cmの断熱材を貼(1) 現地観測方法り付けた。この供試体を2本製作し、図-2 供試体設置状
干満帯におけるコンクリート表面の温度変化を観測す況に示すように物揚場前面に吊り下げ、高さD.L.+2.0 mるため、図-1 に示す網走港モヨロ地区にある物揚場で現～+0.2 mの範囲の供試体表面温度を0.2 m間隔で計10点観地観測を実施した。観測期間は2019/12/12 15:50～12/1312:50のおおむね1昼夜（21時間）である。観測方法は、測できるようにした。
写真-2 は、供試体の設置状況（写真左）とサーモグ
既設構造物内部に温度センサーを設置する方法ではなく、ラフィーで撮影した熱分布画像（写真右）である。写真モルタルで製作した温度観測用の供試体を既設構造物前左に示すとおり、物揚場の前面に供試体を段違いに2本面に設置して観測する方法とした。供試体の設置位置は吊るし、供試体下部には重りを吊り下げて、供試体を物図-1 の●地点であり、日射を十分に受けられる南向き揚場前面に沿わせて設置した。観測地点の物揚場は網走
川の川筋に位置するため、波の影響はほとんどなく、目網走港視ではあるが水面変動は±0.1 m程度であった。写真右の熱分布画像は供試体と物揚場前面の温度差を把握するについて考察する。凍害とは、コンクリート中の水分が凍結する際の体積膨張と融解の際の水分供給という凍結融解作用を繰り返すことにより、コンクリート表面から徐々に劣化する現象である。したがって、気中に露出した部分では凍結融解作用が起きるが、水中では起こり得ない。干満帯は水中と気中の環境が時間的に繰り返される領域であることから、凍害が起こる環境ではあるが、その影響度合いについては不明な点が多い。そこで、現地観測により干満帯のコンクリート表面の温度変化を観測し、凍結融解が起きている状況を調べ、干満帯における凍結融解特性を考察した。

網走港検潮所

表-1 モルタル供試体の配合

モヨロ地区

水セメント比(％)

セメントの種類

空気量(%)

細骨材率(%)

47.4

高炉B種

5.6

100

3単位量(kg/m )
セメント

細骨材

粗骨材

混和剤(g/m )（AE剤）

228481559012

図-1 現地観測地点

供試体設置状況

供試体構造図
A

正面図

正面図[ m ]+2.500.1

H.W.L.
+1.400.005
モルタル0.2

型枠(木材)

0.20.04

干満帯

1.0
断熱材

0.20.06

L.W.L.
±0.000.20.1A

断面図

A-A 断面図[ m ]

熱電対

3

水観測地点

※高さ表記はD.L.基準※H.W.L.、L.W.L.は設計潮位

図-2 温度観測用供試体の概略図

Hase Kazuya, Kubo Junichi－ 883 －+2.0+1.8+1.6+1.4+1.2+1.0+0.8+0.6+0.4+0.2+2.50

20(a)● 潮位（補正後）● 海水温（実測）〇 気温（気象庁）

供試体温度D.L.+2.0 温度計測点

2.5
物揚場

供試体温度D.L.+1.8

2

供試体温度D.L.+1.6

15

1.5

10

15

0.5

00-5
14:00
12/12
2520(b)

18:00

22:00

時刻

2:00
12/13

6:00

10:00

-0.5
14:00

2.5
● 潮位（補正後）● 海水温（実測）〇 気温（気象庁）

供試体温度D.L.+0.8

物揚場

供試体温度D.L.+0.6

2151.510150.5

温度計測点

0-514:00
12/12

潮位（m）

25018:00

22:00

時刻

2:00
12/136:00

図-3 モルタル供試体表面の温度変化と気温、海水温、潮位

Hase Kazuya, Kubo Junichi－ 884 －

10:00

-0.5
14:00

潮位（m）

気温・海水温・供試体温度 （℃）

気温・海水温・供試体温度 （℃）(2) 現地観測結果と考察目的で撮影したものである。両者には材質の違い（コン図-3 は供試体温度、気温、海水温、潮位の経時変化
クリートとモルタル）や形状の違いがあるため表面温度を示している。横軸は観測時刻、縦軸左は供試体温度・は一致しないと想定されたが、その温度差は1.4 ℃程度
気温・海水温、縦軸右は潮位を示している。供試体で計（12/13 10:16 撮影時点）と僅かであった。
10点の温度観測を行っているが、干満帯から外れた潮位
温度観測データは、サンプリング周波数1 minでデー変動の影響を受けない3点と、干満帯中腹の 2点を、2枚タロガーに記録した。気温と潮位は気象庁の観測記録7)の図に分けて代表として示すこととし、上段から図-3を使用することとし、海水温については海表面（深さ5 cm以浅）を温度計で4回（12/12 15:50、12/13 7:00、10:30、 (a), (b) としている。両図の気温、海水温、潮位は全て同12:50）観測した。なお、潮位については、現地観測地一のデータである。色分けされた実線が干満帯における高さ別の供試体温度、〇が1時間毎の平均気温、●が4回
点が網走川の河口に位置しており気象庁の観測記録より観測した海水温であり、縦軸左で値を読む。●は1時間
やや高いことが目視で確認されたことから、気象庁の潮毎の潮位であり、縦軸右で値を読む。また、温度観測地位データを補正して使用することとした。
点と潮位の関係を読みやすくするため、縦軸右の目盛りに合わせて物揚場の概略図と温度観測点を示した。さらに温度観測点には一点鎖線を引いており、潮位との位置関係をわかりやすくした。例えば、一点鎖線が●より上に位置する時間帯は、温度観測点が気中に露出していることを示す。観測期間中の気温は、最高気温+5.4 ℃、最低気温-3.3 ℃であった。海水温は、4 点のデータのみではあるが、最高水温+2.4 ℃、最低水温-0.1 ℃であった。
潮位（補正後）は、最高潮位+1.55 m、最低潮位+0.33 mであった。
図-3(a) の供試体温度は高さD.L.+2.0 m、+1.8 m、+1.6 mの観測記録である。潮位変動と温度観測点の高さ（3本
写真-2 供試体の設置状況と熱分布画像の一点鎖線）を比較すると、この3点は常に気中に露出していることがわかる。その温度変化を見ると〇で示さ

凍結融解回数（試算） （回）れる気温とほぼ同じ値を示している。12/13 8:00から温度が急激に上昇しているが、これは日射によるコンクリート表面の温度上昇である。12/13の天候は晴れ、雲量は2～3割であった。気中に露出した供試体の表面温度は日射を受けている時間帯を除き、概ね気温に一致している。
図-3(b) の供試体温度は高さD.L.+0.8 m、+0.6 mの観測記録である。潮位変動と温度観測点の高さを比較すると、潮位変動により、気中に露出している時間帯と海中に水没している時間帯の両方の状態がみられる。観測開始時
点から潮位は低下傾向にあったが、海中に水没していた温度観測点が気中に露出したと同時に、海水温から気温に向かって温度が低下している状況がわかる。温度変化の速度は供試体の熱伝達率や気温・海水温との温度差によるが、今回の観測においては、1時間程度で気温・海水温と同じ温度になるようであった。ここで着目すべきは、気温の低下に伴いマイナス温度となった供試体が、潮位の上昇により水没してプラス温度に転じたことである（もしくはその逆で、潮位の低下により気中に露出した供試体がマイナス温度に転じる現象）。一般にコンク
リートの凍結融解は外気温と日射により起こる現象であると認識されていると思われるが、干満帯においては潮位の影響も含まれるようである。
1昼夜の現地調査結果から、干満帯においては、気温や日射に加え、潮汐の影響も加わりコンクリート表面の温度変化が起きていることを確認できた。このことを踏
まえ、網走港における1シーズンの気温変動と潮汐変動の観測記録に基づき、干満帯における凍結融解について考察することとした。
図-4 は構造物側壁の干満帯における高さと凍結融解回数（試算）の関係を示したものである。使用したデータ
は、気象庁が公表7)している網走の気温データと網走港検潮所の潮位データである。データ期間は2019/11/1から2020/4/1までの1シーズンとした。この考察の中では、凍結融解回数を実際のコンクリートの状態から求めることができないため、気温と潮位変動に基づく温度変化から判断して求めることとした。その判断の考え方は、対象とする高さが気中に露出して、気温が0 ℃未満になった時に凍結し、潮位変動により水没した時に融解するというものである。なお、本考察は干満帯における高さと凍結融解の関係を相対的に評価して傾向を把握するものであるため、①海水の塩分濃度やコンクリートの細孔径により凍結温度は0℃より低くなること、②コンクリート表面が気温や海水温と一致するまでにやや時間を要すること、③気温が氷点下でも日射により融解することの3点については考慮しないこととした。図に示すように、凍結融解回数の試算結果は、D.L.±0 mで4回、D.L.+0.6 mで128回、常に気中に露出しているD.L.+1.5 mで41回となっており、干満帯の中央部、つまり平均潮位付近が最も凍結融解回数が多い結果となった。その回数は気中部
D.L.+1.5 mの約3倍であった。

200[m]

凍結融解判定条件
凍結：0℃未満

150

H.W.L＋1.4＋2.4
構造物

干満帯
L.W.L
±0.0

100[D.L.]50
観測地点：網走港（気象庁）

000.5

11.5

2

高さ D.L. （m）
図-4 干満帯における高さと1シーズンあたりの凍結融解回数（試算）3. 凍結融解作用に海氷摩耗が複合した場合の影響
ここでは、損耗劣化の要因のひとつであるすりへりの影響について検討する。2.で述べたとおり、寒冷沿岸域
では凍結融解の影響による損耗劣化が考えられるが、海面上に海氷を伴う氷海域においては、海氷による摩耗や海氷の衝突による損傷が干満帯における損耗劣化に加わると考えられる。しかし、凍結融解作用に海氷摩耗が複合した場合の損耗劣化特性は解明されていない。そこで、凍結融解と海氷摩耗の複合作用を再現する複合劣化試験を実施し、その試験結果から複合劣化特性を考察した。
(1) 凍結融解と海氷摩耗の複合劣化試験方法
本研究で実施した複合劣化試験は、以降に示すコンクリートの凍結融解試験と、海氷とコンクリートの摩耗試験を組み合わせて実施するものである。以降、その詳細を示す。
a) コンクリートの凍結融解試験の概要
コンクリートの凍結融解試験方法は、世界各国で規格化されている。内部劣化を対象とした試験としてJIS1148（日本）、RILEM CIF（欧州）、ASTM C 666（米国）、スケーリングを対象とした試験としてRILEM CDF（欧州）、ASTM C 672（米国）などがある。本研究では、現地条件に即した方法であることを念頭に、我が国の標準的な凍結融解試験法であるJIS1148とスケーリングの試験法であるRILEM CDFを参考に、試験方法を検討した。
写真-3 は使用した空冷式の凍結融解試験機とその内部の供試体及び容器を示している。空冷式の凍結融解試験機を使用することから、試験の温度管理については
JIS1148コンクリートの凍結融解試験方法（B法）を参考とした。そして、劣化させる供試体の部位は、供試体の一面（後述の摩耗試験における摩擦面）のみとした。これは、一面凍結融解試験が現地条件に近いことが最も大Hase Kazuya, Kubo Junichi－ 885 －写真-3 凍結融解試験機の遠景とその内部

超音波伝播速度 v (×10-3 m/sec)

4.0
FT-0cycle Mortar

dFT-34cycle Mortar

3.5

FT-100cycle Mortar
FT-150cycle Mortar

3.02.52.005

1015202530

供試体表面からの距離 d (mm)図-5 モルタル供試体の超音波伝播速度膜の形成を抑制している。これにより、長期間の摩耗試験を可能としている。摩耗試験法の詳細については、既往文献8)を参照されたい。
(2) 複合劣化試験結果と考察
前述の凍結融解試験と摩耗試験を組み合わせた複合劣化試験を、まずモルタル供試体を用いて行った。これは、コンクリート供試体の場合、供試体寸法に対して粗骨材の（直径20~40 mm）の影響が大きくなり、供試体の個写真-4 摩耗試験機の全景体差が試験結果に影響する可能性が考えられたためであり、基礎的なデータ取得を目的に、粗骨材を含まないモきな理由である。試験方法であるが、写真の銅製容器にルタル供試体を選定した。使用したモルタル供試体の配水を張り、そこに供試体の一面を浸漬し、二日間吸水さ
合は、セメント：砂＝1:3、水セメント比47.4%、空気量せた後に空冷式の凍結融解試験機にて凍結融解（1サイ5.5%、AE剤2.0%である。凍結融解試と験摩耗試験は同クル4時間、-18℃～+5℃）を行う手順とした。
8)時に実施できないため、試験順序を検討する必要がある。
b) 海氷とコンクリートの摩耗試験の概要
ここでは、凍害劣化の程度と摩耗速度の関係を調べるこ
海氷がコンクリート構造物に擦れる状況を再現し、コとを目的とし、最初に凍結融解34サイクル、100サイクンクリートの摩耗量を測定する試験が摩耗試験である。
ル、150サイクルを実施した後、同一条件で摩耗試験を
写真-4 は摩耗試験機の全景である。-5.0℃の環境下において、写真中央のアクリル製水槽（長さ73 cm、幅21 cm、 実施した。なお、凍結融解させていないモルタル供試体を、以降の説明では便宜的に凍結融解0サイクルとして高さ14 cm）の中に氷柱（長さ48 cm、幅8 cm、高さ10示すこととする。
cm）を治具で固定し、構造物を意図した供試体（長さ
図-5 は、凍結融解試験後に測定した供試体の超音波伝10 cm、幅10 cm、厚さ5 cm、コンクリート等）を接触さ播速度を示す。横軸が供試体表面からの距離、縦軸が超せ、往復運動により両者が摩擦する機構となっている。
音波伝播速度を示している。コンクリートが劣化すると、この接触圧は装置上部にある油圧ジャッキを手動で制御
微細なクラックの発生により空気層が増え、超音波の伝することにより、任意に調整可能である。水槽の往復播時間が長くなる。図の測定結果で説明すると、超音波運動については、ACサーボモーターとリニアレールに伝播速度が遅いほど、コンクリートの劣化が進行していより等速往復運動を可能としている。水槽内は不凍液ることを示す。超音波伝播速度の測定は供試体表面から（フロリナートFC-43：3M社）と濃度10 %の塩水（凝固深さ25 mmまでを2.5mm~5.0mm間隔で6点実施している。
点約-7.0 ℃）を二層で満たしている。下層のフロリナー●で示す凍結融解0サイクルの結果を見るとおおむね横トFC-43（写真では無色透明）は比重1.9の完全フッ素化這いの一定速度を示しているが、□で示す凍結融解物であり、熱的化学的に安定性が高く、高温低温を問わ150サイクルの結果は供試体表面の超音波伝播速度が相ずほとんどの物質に溶解しない。このフロリナート中に対的に低下しており、凍害劣化が進行したことを示して氷柱を完全に没することで、摩擦による損耗以外の要因いる。〇の凍結融解34サイクルや△の100サイクルは●で氷柱が痩せることがない。上層の塩水（写真では緑にと□の間に位置していることから、サイクル数を変える着色）は、水層の往復運動の切り返し時に供試体表面にことにより凍害劣化の程度を相対的に変化させることが巻き込まれ、僅かに供給された塩水により供試体への氷
Hase Kazuya, Kubo Junichi－ 886 －(1)

平均摩耗量 S (mm)0.6

凍結融解 0cycle
凍結融解 34cycle
凍結融解 100cycle
凍結融解 150cycle

往復振幅速度: V=5.0cm/s
平均接触圧: P=0.3MPa
室温: -5℃, 水温: -5℃

0.4

供試体

接触圧 P

(2)

y = 0.007201 x
y = 0.006115 x

氷柱
往復振幅速度 V0.2y = 0.001302 x

0020406080(3)摩擦距離 L (km)図-6 モルタル供試体の複合試験結果

一昼夜の現地観測より、干満帯は気温や日射による凍結および融解に加え、潮位変動による融解を含む凍結融解作用が繰り返される環境にある。
網走港における1シーズンの気温、潮位観測記録を一例に、日最高および最低気温と潮位変動を組み合わせて凍結融解回数を試算した結果より、干満帯の平均潮位付近で最も凍結融解回数が多くなる。
それは、常時気中に露出している気中部の約3倍である。
海氷摩耗の定常摩耗状態においては、摩擦距離と平均摩耗量の間におおむね直線的な関係がみられる。この直線の傾きが摩耗率を示すが、凍結融解作用による凍害劣化の進行程度に応じて摩耗率も増加する傾向にある。

できている。
図-6 は、凍結融解試験後に摩耗試験を実施した結果を今後は、干満帯における損耗劣化の進行予測について示している。横軸は摩耗試験における摩擦距離、縦軸は検討していく予定である。また、これまでの研究成果を平均摩耗量を示している。氷の摩擦によるコンクリート踏まえ、無筋コンクリート構造物の予防保全型維持管理の摩耗は、コンクリート表面のセメントペースト部が剥の実現に向けて研究を進めていきたいと考えている。
離する初期摩耗状態から、骨材が露出し始め摩耗率が一定（摩耗率＝平均摩耗量／摩擦距離）となる定常摩耗状態に移行していく。海氷摩耗の場合、定常摩耗状態が長
謝辞：国土交通省北海道開発局網走開発建設部網走港湾
く続くと考えられることから、構造物の耐摩耗性の評価事務所より、現地観測のフィールド提供とご協力を頂きは定常摩耗状態の摩耗率で評価することが実用的であるました。ここに記して謝意を表します。と考えられる。このことから、図-6 では、定常摩耗状態における摩擦距離50 kmのデータをプロットした。なお、摩耗試験の試験条件は図中に示すとおりである。図に示
参考文献
すように、定常摩耗状態においては、摩擦距離と平均摩1) 北海道開発局 港湾空港部 港湾建設課・同局 港湾空港部
耗量の間におおむね直線的な関係がみられる。この直線
港湾行政課・同局 農業水産部 水産課・（国研）土木研究の傾きが摩耗率を示すが、●の凍結融解0サイクルに比所 寒地土木研究所 寒地水圏研究グループ 寒冷沿岸域チー
べて□の凍結融解150サイクルの傾きは非常に大きく、
ム：北海道における港湾及び漁港施設の老朽化に関する取凍結融解により劣化が進行すると、摩耗率が増加するこり組み，北海道開発技術研究発表会論文集，第 62 回，2019．とがわかる。また、●と〇がおおむね同じ傾向、△と□2) 長谷一矢・増田亨：無筋コンクリート構造物に着目した既
往健全度調査評価結果の整理と一考察，北海道開発局技術もおおむね同じ傾向を示しているが、これは図-5 に示し研究発表会論文集，第 62 回，2019．
た劣化の程度と一致しており、凍結融解作用による凍害
3) 林正道：土木構造物の凍害状況，コンクリート・ジャーナ
劣化の進行程度に応じて摩耗率も増加する傾向にあるこル，Vol.4，No.11，pp.56-61，1966.とを示していると考えられる。
4) 今井益隆：コンクリート構造物の凍害調査，コンクリート

4. まとめ
本報告では、寒冷沿岸域の無筋コンクリート防波堤における干満帯の損耗劣化に関して考察した。その主要な結論を以下に示す。

工学，Vol.14，No.11，pp.16-22，1976.
5) 林正道：寒冷地におけるコンクリート構造物，土木学会論
文集，No.402，V-10，pp.1-13，1989．
6) 長谷一矢・佐々木淳：無筋コンクリート防波堤の耐波性能に着目した劣化度評価の試み，北海道開発技術研究発表会
論文集，第 63 回，2020．
7) 気象庁 Web： https://www.jma.go.jp/jma/index.html
8) 長谷一矢・増田亨・木岡信治：海氷を対象としたコンクリート水中摩耗試法の開発，北海道開発技術研究発表会論文集，第 61 回，2018．

Hase Kazuya, Kubo Junichi－ 887 －