技術資料

水平ひび割れの位置や凍害劣化深さの違いが床版の疲労寿命低下に与える影響
林田宏

１．はじめに
写真－1 (b) は、前回の点検から５年で突如として陥没が発生した寒冷地の道路橋床版である。(a) は、当該橋梁の前回の点検時の状況であるが、陥没の兆候となるような変状は見られない。では、兆候のない状(a)点検時

態から陥没に至るまで、急速に損傷が進んだのはなぜなのか。一つの要因として「疲労と凍害との複合劣化」

写真－1(b)陥没時突如として陥没が発生した寒冷地の床版1)による急速な劣化の進行が考えられる。図－1は、寒冷地の床版と温暖地の床版の劣化進行速度について比較したものである。図のように、寒冷地の床版は、温暖地では劣化が顕在化しない少ない交通量でも、劣化が急速に進むことが指摘されている。
また、写真－2は、疲労と凍害との複合劣化を受ける道路橋床版の劣化進行過程を示したものである。この写真のように、寒冷地の床版では、劣化は深さ方向に進行していくことが明らかになっている。
しかし、疲労と凍害との複合劣化を受ける道路橋床図－1版に関して、①劣化がどこまでの深さに達したら、陥 暖な地域では劣化が顕在化しない少ない交通量
温で劣化が急速に進む寒冷地の床版2)

没するのか（劣化深さと耐力の問題）、②突然の陥没には至らないとしても、あとどれくらいの期間、安全に供用を続けられるのか（劣化深さと寿命の問題）といったことは、現段階では、十分には解明されていない。
そこで、本研究では、凍害によって生じる水平ひび割れや劣化深さの違いが床版の疲労寿命低下に与える影響について検討するため、床版供試体を作製し、凍写真－2

害深さが床版厚の1/4と1/2となるよう凍結融解試験を

 冷地の床版では凍害劣化や水平ひび割れが深寒さ方向に進行し、層状ひび割れが形成される3)行った後、定点疲労載荷試験を行った。以下、その検討結果について報告を行う。

クリートにAE剤を使用せず、水セメント比を65%と大きめに設定した。実験変数は凍害深さである。表－２．実験概要

1に各供試体の凍害深さと供試体名を示す。

２．１

２．２

床版供試体

凍結融解試験

供試体の形状寸法、配筋を次ページの図－2に示す。

凍結融解試験に当たっては、以下の２つの方法によ

配筋および床版厚（t=16cm）は昭和39年の道路橋示り凍害深さを制御した。1) 上面以外の面には断熱材方書に準じて設計を行った。使用したコンクリートにを設置し、供試体の冷却・加熱は供試体上面からのみ関しては、早期に凍害劣化を顕在化させるため、コン行った。2) 設定した凍害深さの範囲のみに凍結融解

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19表－1
供試体名
NormalHight/4
Hight/2H/4

凍害深さ
健全40mm
80mm

40mm

0℃点

供試体名と凍害深さ
深さの位置
主鉄筋のかぶり
床版厚の半分

H/2

凍結融解層

温度センサー（-18～0℃)

80mm

0℃点
温度センサー（-18～0℃)

凍結持続層

図－2

凍結融解
382回
349回

図－3

設定した凍害深さの位置で温度を制御した

図－4

採取コアの超音波速度と水平ひび割れの状況

床版供試体の形状寸法、配筋作用を与えることとし、設定した凍害深さよりも下側の範囲では凍結を持続させた。具体的には、図－3のように、設定した凍害深さの位置（以下、「0℃点」）に温度センサーを設置し、このセンサーの測定温度が-18～0℃になるように温度を制御した。
２．３

疲労載荷試験

疲労載荷試験は、周波数1Hzの正弦波で、供試体して、載荷時の上限荷重は健全な供試体の降伏荷重の70% (160kN)、下限荷重は上限荷重の10% (16kN)16とした。支持条件（2辺単純支持）、支間（1800mm）、載荷版（100×100mm）などの条件は、静的載荷試験
疲労載荷は、上限荷重時の変位や下面のひび割れ状
況などから供試体内部でせん断ひび割れが生じ、床版が破壊に至ったと考えられた時点で試験を終了した。

12変位(mm)と同じである。

凍害劣化状況を確認するため、凍結融解試験終了後、N
H/2840３．凍害劣化状況（採取コアの超音波速度）H/41210864変位(mm)中央を定点載荷した。静的載荷試験4)の結果を参考に

0mm

050

100150200 回

12載荷回数（万回）

3

図ー5 各供試体の中央変位の推移
図－5 各供試体の中央変位の推移

供試体からコアを採取し、超音波速度の測定を行った。
その結果を図－4に示す。

４．載荷試験結果

図に示すように、各供試体では、0℃点の近くで水平ひび割れが発生していた。また、超音波速度のグラ各供試体の中央変位の推移を図－5に示す。なお、

フでは、設定した0℃点より上側の速度は大きく低下

次ページに示す図－6は、供試体ごとの詳細なデータしていたが、下側の速度はほとんど低下していなかっである。また、供試体下面のひび割れ状況を図－7に、た。

載荷終了後の供試体切断面を写真－3～5に示す。

20

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200160
荷重(kN)

1回

N

2万1千200

2.5万160

載荷 除荷

120

1回

1千1万 1.2万2001601201208080

40

400.0000.5

25000255075
10012515017580

1.0下限時1.52.0

載荷回数

荷重低下

40

載荷回数

H/45000

上限荷重時

7500

10000

下⾯に押し抜きせん断コーンが発生

2.5万2345 6 7 8 9 10 11 12中央変位（mm）
中央変位

12500

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
中央変位（mm）

図－6

図－7

下⾯に⿊線のひび割れが発生

H/2

1回 20 126

174

荷重低下

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
中央変位（mm）
中央変位

中央変位の推移（左からN、H/4、H/2）

下面のひび割れ状況（左からN、H/4、H/2）

NN
N

写真－3

供試体 Nの切断面（上：橋軸直角下：橋軸方向）

写真－4

供試体 H/4の切断面（上：橋軸直角下：橋軸方向）

写真－5

供試体 H/2の切断面（上：橋軸直角下：橋軸方向）

H/4
H/4
H/4

H/2
H/2
H/2

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21

試験の結果、各供試体の疲労寿命や破壊性状に関し

５．凍害床版の寿命が短くなった理由に関する考察て、以下のような違いが見られた。次章では、これら凍害床版の疲労寿命が短くなったのは、写真－6にの違いが生じた理由について考察を行う。
1) 疲労寿命に関しては、図－5のように凍害深さが示すように、(1) 凍害劣化部に「斜めひび割れ」が発大きいほど寿命は短くなり、H/4はNの約1/2に、生したこと、(2)「水平ひび割れ」が荷重を支える床H/2はNの約1/140になった。Nの寿命を50年と仮版の厚さを減少させたことが、主な要因であると考え定すると、H/4は25年、H/2は4ヶ月しか寿命がなられる。

いことになる。
2) 健 全床版Nでは、図－7左のように、押し抜きせん断コーンが下面に発生したが、凍害床版（H/4とH/2）では発生しなかった。ただし、H/4では、図－7中央に黒線で示すひび割れが1万回目に発生した。このひび割れは、写真－4上に赤矢印で示す斜めひび割れが下面に現れたものである。また、1万回以降、このひび割れから漏水が発生したが、中央付近のひび割れでは漏水は見られなか

写真－6った。
遷移期

変位 (mm)16

定常期

1412下版に微細ひび割れが蓄積

108 載荷点下の斜めひび割れが進展
水平ひび割れが開口

640250018

加速期50007500
載荷回数
載荷回数

下版に斜めひび割れが発生

H/410000

12500

凍害劣化部

遷移期

16
変位 (mm)18

 害劣化部に発生した斜めひび割れと凍害による凍水平ひび割れが床版厚を減少させ寿命を短くした

定常期

加速期

1412下版に斜めひび割れ
下版に微細なが発生
ひび割れが蓄積

108H/264

斜めひび割れが進展、水平ひび割れが開口

0255075 100
載荷回数
載荷回数

125150175

凍害劣化部

凍結融解作用で発生した水平ひび割れ凍結融解作用で発生した水平ひび割れ(a) 載荷前：凍結融解作用によって凍害劣化と水平ひび割れが発生している①載荷点付近の劣化部に斜めひび割れが発生①載荷点付近の劣化部に斜めひび割れが発生②斜めひび割れが水平ひび割れに沿って進展②斜めひび割れが水平ひび割れに沿って進展(b) 遷移期：斜めひび割れが水平ひび割れに沿って進展し、床版が上下に分離する
微細なひび割れが蓄積

微細なひび割れが蓄積

図10(c) 定常期：繰返し載荷（疲労）によって、薄くなった下版に微細なひび割れが蓄積していく

下版に斜めひび割れが発生し、破壊下版に斜めひび割れと付着ひび割れが発生し、破壊(d) 加速期：微細なひび割れが下版を貫通して、斜めひび割れが発生し、破壊に至る※説明のため、損傷は左右対称として図を作成

図－8

22

破壊までの損傷進行過程（橋軸直角方向）（左：H/4

右：H/2）
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図－8は、水平ひび割れの存在を考慮して推測した破壊までの損傷進行過程である。図のように、H/4とH/2
では凍害深さは異なるが、損傷進行過程は基本的に同じである。そのため、以降では、図に示すH/4について「遷移期」「定常期」「加速期」の順に説明を行いたい。
図－9５．１

遷移期（1）：劣化部に斜めひび割れが発生

 化部には多くの微細ひび割れが発生しているため劣せん断変形が加わると容易に斜めひび割れが発生

図－8(b)に示す遷移期では、以下のような要因により劣化部に斜めひび割れが発生したと考えられる。
1) 床版がたわみ始めると、せん断スパンにせん断変形が生じ、劣化したコンクリートに引張応力が作用する。
2) しかし、凍害劣化を受けた部分には、図－9左のように、凍害で多くの微細ひび割れが発生している。
3) これらの微細ひび割れは、「隙間」を持った「ひ図－10 疲労で微細なひび割れが発生し次第に繋がっていくび割れ」であるため、引張応力が作用すると容易に幅が広がり、幅の広いひび割れが発生する。

５．４4) 劣化部で、このようなことが起こったため、載荷加速期：微細なひび割れが下版を貫通して、斜めひび割れが発生し、破壊に至る

その後、さらに載荷が繰返されると、図－8(d)に示点付近に斜めひび割れが発生したと考えられる。

すように、微細なひび割れが下版の上から下まで貫通
５．２

遷移期（2）：斜めひび割れが水平ひび割れにして、幅の広い斜めひび割れが発生した状態となり、沿って進展し、床版が上下に分離

床版は破壊に至る。

劣化部で発生した斜めひび割れは、載荷回数の増加とともに、さらに下方向へ進展しようとする。しかし、

５．５

凍害深さが深いほど寿命が短くなった理由

床版には、もともと凍結融解作用によって水平ひび割以上のことから、凍害深さが深いほど疲労寿命が短れが発生していたため、斜めひび割れは向きを変えらくなった理由についてまとめると、以下のようになる。

れ、水平方向に進展する。その結果、床版は、水平ひ1)

び割れよりも上の部分（上版）と下の部分（下版）に分離する。

床版は、疲労による微細ひび割れが下版を貫通したときに破壊する。

2)

しかし、凍害深さが深いほど、下版の厚さは薄くなっている。

５．３

定常期：疲労で下版に微細なひび割れが蓄積

3)

上記のように床版が分離した結果、荷重は、せん断コーンを介して、厚さが薄くなった下版のみで支えるそのため、凍害深さが深いほど、微細ひび割れが早く下版を貫通し、破壊に至る。

4)

ことになる。繰返し載荷が進むと、以下のような要因

このようにして、凍害深さが深いほど疲労寿命が短くなったと考えられる。

によって、図－8(c)に示すような疲労による微細なひび割れが下版に蓄積していく。

６．破壊性状の違いに関する考察

1) 下版の「載荷点側」には、直接、荷重が載っているため、下方向に下がろうとする。

６．１2) 一方、「支点側」は、支点によって支えられているため、あまり下がらない。

斜めひび割れが発生した時のたわみがH/4に比べてH/2の方が小さい理由

改めて図－8上に示す変位の推移を見ていただきた3) このため、下版には、せん断変形が生じる。

い。下版に斜めひび割れが発生した時（破壊時）の変位

4) このせん断変形で生じる引張応力によって、骨材は、H/4に比べてH/2の方が小さいことが分かる。次周辺には、微細なひび割れが発生する（図－10左）。

ページに示す図－11は、破壊時のたわみ分布を比較し

5) 繰返し載荷が進むと、隣接する微細なひび割れがたものである。この図から、以下のことが読み取れる。

次第に繋がっていく（図－10右）。
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2023年４月1)床 版厚の1/4が凍害劣化しているH/4のたわみは
232) 床 版厚の1/2が凍害劣化しているH/2のたわみはH/4ほどは大きくならず、Nのたわみよりも若干大きい程度である。
このようになった理由は、以下のとおりである。
1) H/4のたわみがNよりも大きくなったのは、版厚中央変位（mm）

健全であるNのたわみよりも大きくなっている。の1/4が凍害劣化したことで、床版の剛性が低下したため、床版がたわみやすくなったからである。
2) 一方、H/2のたわみがH/4ほどは大きくならなか

024
681012141618

ったのは、前章で述べたように、劣化によって下版が薄くなりすぎたため、斜めひび割れが早く下版を貫通したからだと考えられる。

H/2 (126回)(下版厚80mm)-900

図－11以上のことから、斜めひび割れが発生する時の床版

６．２

H/4では破壊後も荷重が低下しなかった理由

今回の疲労試験では、健全床版Nと凍害床版H/2に荷重(kN)小さくなる可能性があることが分かった。

-600-3000300
600
中央からの距離（mm）

F
急落しない

急落

ひび割れ後の耐力

上限荷重→

100

1万回

ついては、急激に破壊が進んだため、図－6に示すよ0低下しなかった。以降では、この理由について考えて

1.2万回

H/40510変位(mm)みたい。その際、既往の静的載荷試験の結果が参考になると思われる。図－12に示すように、供試体N（静的）N※静的試験の結果(N,F)にH/4の結果を追加

200

うに荷重が低下した。一方、H/4では破壊後も荷重は900
N

下版に斜めひび割れが発生した時のたわみ分布（H/2のたわみがH/4より小さいのは、下版が薄くなりすぎ、斜めひび割れが早く発生したから）300はなく、劣化がある深さ以上になると、逆にたわみが(下版厚120mm)(版厚160mm)

Sのたわみは、凍害深さが深くなるほど大きくなるのでH/4 (1万回)

N (2万回)

1520

図－12

ピーク後、Nの荷重は急落、Fは急落しなかった
また、Fの破壊後の耐力は上限荷重より大きい

写真－7

 的供試体Fでは、橋軸方向に斜めひび割れが静発生しなかったため、荷重が急落しなかった4)

写真－8

 労供試体H/4も、静的載荷のFと同様に、橋軸方疲向に斜めひび割れが発生しなかった

では、押し抜きせん断コーンの発生に伴い、荷重が急落して破壊に至ったのに対し、上面から6cmの位置に水平ひび割れがある供試体Fでは一旦荷重は低下したものの、供試体Nのように急落はしなかった。これは、写真－7に示すように、供試体Fには凍結融解作用によって水平ひび割れが発生していたため、橋軸方向には斜めひび割れが発生せず、荷重が再分配されたからだと考えられる。一方、H/4に関しても、写真－8に示すひび割れ状況から、供試体Fと同様のことが起こったと考えられる。すなわち、橋軸直角方向には斜めひび割れが発生したが、凍結融解作用によって水平ひび割れが発生していたため、橋軸方向には斜めひび割れは発生せず、荷重が再分配された。このため、H/4では破壊後も荷重が低下しなかったと考えられる。加えて、図－12に示すように、今回設定した上限荷重は、供試体Fのひび割れ発生後の耐力よりも小さかったた
め、H/4はひび割れが発生した後も荷重を支えることができたと考えられる。しかし、このような状態は長くは続かないと考えられる。なぜなら、H/4は、すでに加速期に入っているため、変位が急増しており、こ軸方向にも斜めひび割れが発生し、荷重が低下するとのペースで変位が増加していった場合、早いうちに橋考えられるからである。

24

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７．凍害床版で生じるひび割れについて
今回の実験では、疲労寿命が短くなったことの他に、ひび割れの出方などに関して、注目すべき点があった。
以降では、その詳細について説明したい。
７．１

凍害深さが深いと斜めひび割れが下面に現れ
ない場合がある

NとH/4では、床版内部で発生した斜めひび割れが下面に現れた（図－7の黒線）。一方、H/2でも床版内部で斜めひび割れは発生したが、下面には現れなかった。これは、H/2の斜めひび割れが、支点近くでは下鉄筋に沿って進展したためである（写真－5の赤矢印）。

図ー13

 版と下版のたわみの差に起因し、橋軸方向と橋上軸直角方向で水平ひび割れの幅の広がり方に差が出る

突如として陥没が発生した写真－1の床版でも、同様のことが起こっていた可能性がある。
凍害劣化部

７．２

橋軸方向と橋軸直角方向で水平ひび割れの幅
の広がり方が異なる

凍害床版（H/4とH/2）では、斜めひび割れや水平ひび割れに関して、以下のような特徴が見られた。
1) 下版の橋軸方向では、斜めひび割れが発生しなかった（写真－4、5下）。

凍結融解作用で発生した水平ひび割れ（この段階では幅が狭く目視では確認できない）

1) 凍結融解作用で最初の水平ひび割れが発生
荷重で水平ひび割れが開口（幅が広がり目視できるようになる）2) 代わりに凍結融解で生じていた水平ひび割れの幅が、橋軸方向全体で広がり、開口した状態となった。
3) 一方、橋軸直角方向では、水平ひび割れが開口したのは、支間中央付近だけで、支点近くでは開口

2) 荷重作用で水平ひび割れの幅が広がる
凍害劣化がさらに進行

開口した水平ひび割れしなかった（写真－4、5上）。
図－13は、このようになった理由を説明するための概念図で、上版と下版のたわみの差をひび割れ幅としてイメージしている。以下に、その詳細について述べる。
1) 凍害床版は、凍結融解作用で生じた水平ひび割れと載荷で生じた斜めひび割れによって、上版と下凍結融解作用で発生した水平ひび割れ

3) 凍結融解作用で新たな水平ひび割れが発生
荷重で水平ひび割れが開口版に分離する。
2) 2辺支持であるため、下版は一方向版のように変形する。

層状ひび割れを形成

4) 荷重で水平ひび割れの幅が広がり、層状ひび割れを形成

3) このような変形に伴い、橋軸直角方向の支間中央付近では、水平ひび割れの幅が広がるが、支点近図ー14 凍結融解と荷重作用による層状ひび割れの形成過程
図－14 凍結融解と荷重作用による層状ひび割れの形成過程

くでは広がらない（図の赤色部分）。
4) 一方、橋軸方向では、全体にわたって水平ひび割れの幅が広がる（図の青色部分）。
また、下版の橋軸方向に斜めひび割れが発生しなかったのは、橋軸方向には支点がないため、全体が均等に近い形でたわみ、橋軸直角方向のようなたわみの差が生じないからである。
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図－15 橋軸方向では広範囲にわたって層状ひび割れが発生

25

７．３

凍害と疲労とで形成される層状ひび割れ

2)寿命が短くなったのは、① 凍害劣化に伴う引張

前節で述べた凍結融解作用による水平ひび割れの発強度の低下に起因して、上面側の劣化した部分に生と荷重作用による水平ひび割れの開口が繰り返され斜めひび割れが発生したこと、② 凍結融解作用ることで、凍害を受ける道路橋床版では、写真－2にによる水平ひび割れによって、荷重を支える床版示すような層状ひび割れが形成されると考えられる。の厚さが減少したため、健全な床版に比べて短い載荷回数で破壊に至ったからである。

図－14は、その過程である。詳細を以下に述べる。
1)

最初に、凍結融解作用によって、水平ひび割れが2)発生する時の床版のたわみは凍害深さが深くなるその後、荷重作用により、下版がたわむのに伴っほど大きくなるのではなく、劣化がある深さ以上て、上版と下版の境界面となっているこの水平ひになると、逆にたわみが小さくなる可能性がある。
4)

再び凍結融解作用を受けると、凍害劣化が深さ方向に進行し、新たな水平ひび割れが発生する。

4)

床版が破壊に至るきっかけとなる斜めひび割れが発生する。

び割れの幅が広がり、開口した状態となる。
3)3)凍害深さが深いと、床版が破壊する時に内部で生じる斜めひび割れが下面に現れない場合がある。

5)

凍結融解作用による水平ひび割れの発生と荷重作

さらに荷重が作用すると、2) と同様に、この水用（疲労）による水平ひび割れの開口が繰り返さ

平ひび割れについても、ひび割れ幅が広くなる。

れることで、凍害を受ける道路橋床版の層状ひびその結果、深さ方向に層状ひび割れが形成される。

割れが形成される。

なお、図－13のように、下版が一方向版のように変形する場合、橋軸方向では、広範囲にわたって層状ひ参考文献

び割れが発生した状態となる（図－15）。また、今回の実験では、写真－8に赤丸で示すように、劣化部の

1） 土木研究所：道路橋コンクリート床版の土砂化対載荷点近くでは、複数本の斜めひび割れが発生してい策に関する調査研究、土木研究所資料、第4398号、た。このような複数本の斜めひび割れも、凍害を受け2020.

る道路橋床版の層状ひび割れ形成に影響している可能性がある。

2） 道路橋床版の維持管理マニュアル2020、土木学会、
2020.
3） 澤松俊寿、岡田慎哉、西弘明、三田村浩、松井繁之：46年間供用した寒冷地における道路橋RC床８．まとめ

版の劣化損傷状況、土木学会第68回年次学術講演
凍害深さが床版厚の1/4と1/2である床版の定点疲労会講演概要集、Ⅰ-414、pp.827-828、2013.

載荷試験を行った。その結果、以下の知見が得られた。

4） 林田宏：寒冷地の床版で上筋付近に水平ひび割れ

1) 凍 害深さが深いほど疲労寿命は短くなり、凍害が発生しやすい理由に関する考察、寒地土木研究

深さが床版厚の1/4の供試体では健全の約1/2に、

所月報、No.830、pp.41-48、2022.

1/2の供試体では健全の約1/140になった。

林田 宏
HAYASHIDA Hiroshi
寒地土木研究所
寒地保全技術研究グループ
耐寒材料チーム
主任研究員

26

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