第2章

塗装鉄筋の疲労による劣化評価に関する検討

2.1

疲労試験の検討

2.1.1

疲労メカニズムの整理

1 章で整理した塗装鉄筋に作用する外力の中から、塗装鉄筋で着目すべき箇所と考えられる劣化状態を表 2.1.1 に整理した。整理にあたっては、コンクリート部材を構成している鉄筋(対象鉄筋及び交差鉄筋)、結束線や、コンクリートのひびわれ等を考慮することとした。
表 2.1.1
着 目 箇 所
ひびわれ面

部材中の位置及び考えられる劣化状態

発 生 す る 現 象
引張による鉄筋の伸び可能性のある劣化状態再現するための試験方法

塗膜の剥がれ

塗装鉄筋単体の疲労試験

塗膜の破断
塗膜の劣化
ピンホールの拡大
せん断による鉄筋の伸び

塗膜の剥がれ

塗装鉄筋単体の疲労試験

塗膜の破断
塗膜の劣化
ピンホールの拡大
ひびわれへの水分の浸入
ひびわれ近傍

塗膜の劣化

暴露試験

引張による塗装鉄筋とコンクリ 塗膜の剥がれ

鉄筋コンクリート供試体

ートのこすれによる疲労試験

塗膜の破断
塗膜の劣化
ピンホールの拡大引張による塗装鉄筋のフシとコ 塗膜の剥がれ

鉄筋コンクリート供試体

ンクリートの接触による疲労試験

塗膜の破断
塗膜の劣化
ピンホールの拡大

せん断による塗装鉄筋とコンク 塗膜の剥がれ

鉄筋コンクリート供試体

リートのこすれによる疲労試験

塗膜の破断
塗膜の劣化
ピンホールの拡大

コンクリートとの接触交差鉄筋付近

引張による塗膜同士のこすれ

コンクリート成分による 鉄筋コンクリート供試体
塗膜の劣化による疲労試験

塗膜の剥がれ鉄筋コンクリート供試体

塗膜の破断による疲労試験

塗膜の劣化
ピンホールの拡大
結束線付近

引張による塗装鉄筋と結束線の 塗膜の剥がれ

鉄筋コンクリート供試体

こすれによる疲労試験

塗膜の破断
塗膜の劣化
ピンホールの拡大

コンクリート中 コンクリートとの接触

コンクリート成分による 暴露試験
塗膜の劣化

-6-

2.1.2

コンクリート構造物に作用する応力コンクリート部材の鋼材に作用する応力状態を表 2.1.2 に整理した。以上から比較的大きい引張力が作用し、かつ高サイクルの繰り返しが作用する RC 床版が疲労に対して最も厳しいと考えられるため、疲労試験の対象とする。
表 2.1.2

コンクリート部材の鋼材に作用する力
作用する力
死荷重時
活荷重時
地 震 時 ( L-1 )地 震 時 ( L-2 )・軸力が作用。 ・曲げとせん断力が ・曲げとせん断 ・ 曲 げ と せ ん 断・ 数 十 N/mm2 以 作 用 。
力が作用。
力が作用。
下 の 小 さ な 圧 縮 ・許容応力度以内の ・降伏強度以内 ・ 降 伏 応 力 度 程応力。
圧縮応力～引張応力 の圧縮応力～引 度 の 圧 縮 応 力 ～・ 繰 返 し は ほ と ・繰返しはほとんど 張応力が作用引張応力が作用
んどない。
ない。
・繰返しは数回 ・ 繰 返 し は 数 回～数十回。
～数十回。
せ ん 断 補 ・ ほ と ん ど 作 用 ・せん断力が作用。 ・せん断力が作 ・ せ ん 断 力 が 作
強鉄筋
しない。
・引張応力用。
用。
・ 繰 返 し は ほ と ・繰返しはほとんど ・引張応力・引張応力んどない。
ない。
・繰返しは数回 ・ 繰 返 し は 数 回～数十回。
～数十回。
RC 橋 台 主 鉄 筋・軸力が作用。 ・曲げとせん断力が ・曲げとせん断 ・ 曲 げ と せ ん 断
・ 数 十 N/mm2 以 作 用 。
力が作用。
力が作用。
下 の 小 さ な 圧 縮 ・許容応力度以内の ・降伏強度以内 ・ 降 伏 応 力 度 程応力。
圧縮応力～引張応力 の圧縮応力～引 度 の 圧 縮 応 力 ～・ 繰 返 し は ほ と ・繰返しはほとんど 張応力が作用引張応力が作用んどない。
ない。
・繰返しは数回 ・ 繰 返 し は 数 回～数十回。
～数十回。
せ ん 断 補 ・ ほ と ん ど 作 用 ・せん断力が作用。 ・せん断力が作 ・ せ ん 断 力 が 作
強鉄筋しない。
・引張応力用。
用。
・ 繰 返 し は ほ と ・繰返しはほとんど ・引張応力・引張応力んどない。
ない。
・繰返しは数回 ・ 繰 返 し は 数 回～数十回。
～数十回。
PC 桁配力鉄筋 ・曲げが作用。 ・曲げとせん断力が 曲げとせん断力 曲 げ と せ ん 断 力
・ 数 十 N/mm2 以 作 用 。
が作用。
が作用。
下の圧縮応力度。・許容応力度以内の ・降伏強度以内 ・ 降 伏 応 力 度 程・ 繰 返 し は ほ と 圧縮応力～引張応力 の圧縮応力～引 度 の 圧 縮 応 力 ～んどない。
・ 繰 返 し は 、少 な い 。 張 応 力 が 作 用
引張応力が作用・繰返しは数回 ・ 繰 返 し は 数 回～数十回。
～数十回。
せ ん 断 補 ・ ほ と ん ど 作 用 ・せん断力が作用。 ・せん断力が作 ・ せ ん 断 力 が 作
強鉄筋
しない。
・引張応力用。
用。
・ 繰 返 し は ほ と ・繰返しはほとんど ・引張応力・引張応力んどない。
ない。
・繰返しは数回 ・ 繰 返 し は 数 回～数十回。
～数十回。
RC 床 版 主 鉄 筋・曲げが作用。 ・曲げが作用。
・曲げが作用。 ・曲げが作用。
・ 数 十 N/mm2 以 ・ 許 容 応 力 度 以 内 の ・ 降 伏 強 度 以 内 ・ 降 伏 応 力 度 程下の引張応力度。圧縮応力～引張応力 の圧縮応力～引 度 の 圧 縮 応 力 ～(配 力 鉄 筋 よ り 大 き 張応力が作用
引張応力が作用い)・繰返しは数回 ・ 繰 返 し は 数 回・支間が短く、繰返 ～数十回。
～数十回。
しは、多い。
配力鉄筋 ・ ほ と ん ど 作 用 ・曲げが作用。
・曲げが作用。 ・曲げが作用。
しない。
・許容応力度以内の ・降伏強度以内 ・ 降 伏 応 力 度 程
圧縮応力～引張応力 の圧縮応力～引 度 の 圧 縮 応 力 ～・支間が短く、繰返 張応力が作用
引張応力が作用
しは、多い。
・繰返しは数回 ・ 繰 返 し は 数 回～数十回。
～数十回。
注 1)RC 桁は今後、塗装鉄筋を用いて建設されることは少ないと判断し対象外とする。
注 2)ボックスカルバートは RC 床版と同等と考え、省略した。
部材の鋼 材
種 別
RC 橋 脚 主 鉄 筋-7-

2.1.3

試験の形態と確認できる事項

表 2.1.3 に塗装鉄筋に対する試験形態と、実際に確認できる内容を整理した。
ひびわれ発生後のコンクリート部材においては、ひびわれ面近傍の応力集中により、鉄筋とコンクリートの間で微少なずれが生じ、繰り返しにより塗膜の疲労による損傷の恐れがある。そのため、コンクリートとの相互作用が模擬できる模型供試体に対して繰り返し試験を行い、塗膜の疲労を評価する必要がある。一方で今後の試験方法の提案、検討といった側面も考慮した場合、簡易にできる試験方法が求められる。本検討においては表 2.1.5より、塗装鉄筋単位モデルと同時に確認できる塗装鉄筋とコンクリートの棒部材モデルを採用することとした。
表 2.1.3 塗装鉄筋に対する試験形態と内容
モ

デル

単鉄筋モデル

試 験 概 要

再現性の課

題

評

価

塗装鉄筋単体 ・コンクリートとの相互作用が試験でき 塗膜自身の疲労による損傷をの疲労試験

ない確認するため、予備試験とし・塗膜と塗膜の相互作用は試験できない て実施するのが望ましい
・容易で安価である。
棒部材モデル

RC 供試体の ・せん断による作用は試験できない
疲労試験

他の試験と比較して安価で容・1 軸引張疲労試験であり、容易である 易であり、コンクリートとの・RC 床版との相関をキャリブレーショ 相互作用が確認できるため、ンする必要がある

梁モデル

疲労試験として望ましい

RC 梁の疲労 ・せん断による作用は 2 点載荷が必要

棒部材モデルよりも高価とな試験る割りに、疲労に対して明確・試験費用は比較的高価となる

・RC 床版との相関をキャリブレーショ な結果が得られないンする必要がある
模型床版モデル RC 床 版 ( 模 ・RC 床版の応力状態をほぼ再現できる 載荷後の塗膜の確認方法に問型)疲労試験

・試験費用は高価となる題があり、塗装鉄筋塗膜の評

・模型床版と実床版の相関をキャリブレ 価としては試験の汎用性が低ーションする必要がある
実大床版モデル RC 床 版 ( 実 ・RC 床版の応力状態を再現できる大)疲労試験

・試験費用は最も高価となる

い模型床版モデルよりも試験費用が高価となり汎用性がさらに低い

2.1.4

疲労試験における載荷回数

RC 床版中の鉄筋を接した塗装鉄筋の疲労試験において、適切な載荷回数について考察する。
1)塗装鉄筋の疲労限界状態
塗装鉄筋の塗装は、鉄筋又は RC 床版が疲労破壊するよりも長期間、その機能を保持する必要はない。塗装鉄筋の塗装が、輪荷重の繰返し作用により、その機能を失う場合、表2.1.4 のような状態が想定される。なお、支間 2.5m の鉄筋コンクリート床版を想定して、疲労破壊回数を算定した結果、鉄筋の疲労破壊と押抜きせん断疲労破壊では、鉄筋の疲労破壊が先行する結果となった。

-8-

区分

鉄筋の疲労破断限

表 2.1.4

限界状態の区分

界態

状

破壊の回数

RC 床 版 の 鉄 筋 が 、 輪 荷 重 の 繰 り 支 間 2.5m 、 床 版 厚 さ 240mm の 床 版 鉄返 し 載 荷 に よ り 、 曲 げ 引 張 応 力 を 筋 の 疲 労 破 断 回 数 は 約 1500 万 回 。
受けて疲労により破断する状態。 1 日 1 方向大型車が 1 万台として約4.1 年 に 相 当 。

床 版 の 押 抜 き 疲 労 RC 床 版 の コ ン ク リ ー ト が 、 輪 荷 支 間 2.5m 、 床 版 厚 さ 240mm の 床 版 に
破壊

重 の 繰 り 返 し 載 荷 に よ り 、 亀 甲 状 松 井 に よ る S-N 曲 線 を 用 い た 場 合 1) 、のひび割れが発生し、押抜きせん 押 抜 き せ ん 断 疲 労 破 壊 の 破 壊 回 数 は313,000 万 回 。

断破壊となる状態。

1 日 1 方向大型車が 1 万台として約860 年 に 相 当 。
塗装の疲労損傷

RC 床 版 の 塗 装 鉄 筋 の 塗 装 が 、 輪 塗 装 鉄 筋 の 塗 装 の S-N 曲 線 は 得 ら れ
荷重の繰り返し載荷による影響で ていない。
損傷する状態。
注)鉄筋は主鉄筋 D16ctc125、配力鉄筋 D16、輪荷重は１軸 100kN

2)RC床版の押抜きせん断疲労試験結果における鉄筋の疲労破断
RC 床版の疲労試験は、今まで数多く行われている。しかし、試験結果において、押抜きせん断疲労破壊した床版では鉄筋の疲労破断は見られておらず、実橋でもコンクリート塊の抜け落ちが先行している(写真 2.1.1)。これは、上記の計算で用いた鉄筋のS-N 曲線
は、鉄筋の完全片振り疲労試験によるものであり、コンクリート中に埋め込まれたものと異なるためと想定される。このため、鉄筋に疲労破壊が起こる外力作用による変動を与えることで、実橋で問題となる RC 床版の押抜きせん断疲労破壊までの鉄筋に対する条件より、鉄筋の疲労の観点からは過酷な状況を生じさせていると考える。

写真 2.1.1

実橋で RC 床版のコンクリート塊が抜け落ちた事例

3)載荷試験のパラメータ
以上より塗装鉄筋の疲労試験における載荷回数は、鉄筋の疲労破断の回数を基に設定する。
2 3 4 5 6 7

既往の鉄筋の疲労試験結果では、200 万回を超える試験結果 ) ) ) ) ) )が少なく、また、変動応力を小さくすると疲労限以下となることも考えられる。このため、表 2.1.5 に示すパ-9-ラメータで載荷試験を実施することとした。
表 2.1.5
パラメータ
D16

鉄筋径

載荷試験のパラメータ
標

準的な決

め

方備考

RC 床版としての鉄筋径支間 2.5m、厚さ 240mm の設計より決定

コンクリート強度 24N/mm2

RC 床版としてのコンクリート強度

下：20N/mm2

載荷荷重

設計上は上：140N/mm2(許容応力度)、下：20N/mm2(死上：180N/mm2 荷重)だが、可能な範囲で大きめの値(床版以外の部材における常時の許容応力度)とした。
載荷回数

2.1.5

100 万回

通常、疲労試験は 200 万回が多いが、疲労による影響200 万回が無いことを確認するために、その倍の 400 万回を選400 万回定した。

供試体形状

コンクリートに埋込んだ鉄筋を引抜いた場合には、表面から 6 φ～ 10 φの区間は付着切れを起すことが、既住の実験で確認されている 8)。
RC 床版中の鉄筋も同様であると考えた場合、鉄筋を D16 とすると、その区間長はひびわれより 96mm ～ 160mm に相当する(ただし、上記値は一般の鋼材における値であり、塗装鉄筋ではさらに長くなる可能性がある)。コンクリートと鉄筋のずれ量は、ひびわれ表面で最大となり、反対に付着している部分では 0 となる。図 2.1.1 にひびわれ付近の鉄筋の付着状態の模式図を示す。
ひびわれ位置

付着部分

付着切れ

ひびわれ位置

付着切れ

付着部分

付着切れ

付着切れ

付着部分

ずれ量

引張応力

図 2.1.1

ひびわれ付近の鉄筋の付着状態の模式図

本検討の実験においては、一般的な供用条件下で塗膜の疲労が生じるか否かを検証するために、コンクリートと鉄筋のずれ量を実現象より小さくできない。したがって両引きで試験を行う場合のコンクリート部分の最低長さを 300mm 程度確保することが必要である(図 2.1.2 参照)。

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コンクリートと鉄筋のずれ量

300mm程度以上
図 2.1.2 両引き試験での供試体寸法

一方、鉄筋表面の塗膜が RC 床版中での活荷重作用時に受ける力は、ひびわれ近傍ではひびわれのない部分とは異なり、図 2.1.3 のように部分的なものになることが想定される。
このとき鉄筋は軸方向の引張応力とひびわれ部の段差によるせん断応力を受けるが、設計荷重時程度では、ひびわれ部に発生する段差は小さく、主鉄筋のせん断変形は大きくはならないと考えられる。このため今回の疲労試験では、これら作用のうち主に鉄筋の受ける引張応力と、直交する鉄筋同士の干渉の影響に着目するものとした。
ひびわれ

鉄筋の節部におけるコンクリー
トの圧迫

鉄筋と結束線のこすれ

鉄筋同士のこすれ

ひびわれ部の段差
図 2.1.3

活荷重作用時に RC 床版の主鉄筋の受ける応力状態

試験は塗装鉄筋１本をコンクリートで覆った供試体に対し、ひびわれを発生させ、両引きで塗装鉄筋塗膜が受ける繰り返し応力を作用させる。試験中には載荷点側の塗装鉄筋の挙動を確認する。載荷終了後、供試体を解体、塗装鉄筋を切り出し、供試体の載荷側とひびわれ部に、外観目視や耐食性試験を行い、疲労の影響を考察することとした。

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