報 文

水平ひび割れの位置や凍害劣化深さの違いが床版の耐力低下に与える影響
Influence of Differences in the Locations of Horizontal Cracks andthe Depth of Frost Damage on Strength Decrease in an RC Slab林田宏

HAYASHIDA Hiroshi

凍害劣化を受ける道路橋床版に関して、凍結融解作用による水平ひび割れの発生メカニズムや劣化と耐力との関係を明らかにすることを目的として、1) 実橋床版の温度測定、2) 水平ひび割れの再現実験、3) 凍害劣化深さが異なるスラブの静的載荷試験を行った。その結果、以下のような知見が得られた。
(1) 実環境下の床版では、凍結行程において、一時的に上面付近だけが凍結し、内部が未凍結の状態となる。その後、気温の低下に伴って、この未凍結部分が遅れて凍結するような温度変化となっていた。
(2) 上記の温度変化を再現した凍結融解試験により、スラブ内部の水平ひび割れを実験的に再現することができた。その発生原因は、内部の未凍結層が遅れて凍結する時に形成されるアイスレンズである。
(3) 劣化深さがスラブ厚の1/4の供試体では、健全な供試体に比べて、耐力はほとんど変わらなかった。一方、劣化深さがスラブ厚の1/2の供試体では、健全な供試体に比べて、耐力が大きく低下した。この原因は、1) 凍害劣化に伴う引張強度の低下に起因して、梁のウェブに相当する部分において斜め引張ひび割れが発生したこと、2)凍結融解作用による水平ひび割れの影響を受けたことにより、破壊形式が変化したためである。
《キーワード：床版；凍害；水平ひび割れ；アイスレンズ；劣化深さ；破壊形式；耐力》
To clarify the mechanism of horizontal cracking caused by freeze-thaw and the relationship between thedeterioration and strength of slabs that are subject to frost damage, the author did the following: 1) measured
the temperatures of a bridge slab, 2) conducted an experiment to reproduce horizontal cracks, and 3) performed
a static loading test on slabs with different frost damage depths. We obtained the findings summarized below.
(1) During the early period of freezing of a slab in an actual environment, only the upper surface froze, andthe internal parts remained unfrozen. When the temperature dropped further, the unfrozen internal part froze.
(2) In the experiment that reproduced the temperature changes that occur when the slab freezes, interiorhorizontal cracks were successfully reproduced. The causal factor behind the interior horizontal cracks was ice
lens formation, which occurred when the internal unfrozen part of the slab froze after the upper surface area.
(3) The strength of a specimen whose deterioration depth was 1/4 the slab thickness was almost the same asthat of the sound specimen. The strength of a specimen whose deterioration depth was 1/2 the slab thickness
was much lower than that of the sound specimen. The strength decrease was attributed to the following: 1)
the occurrence of diagonal tensile cracks due to the decrease in tensile strength from frost damage, and 2) thechange in the failure mode resulting from horizontal cracks generated by frost damage.
《Keywords: Slab, Frost Damage, Horizontal Cracks, Ice Lens, Deterioration Depth, Failure Mode, Strength》

2

寒地土木研究所月報№804

2020年４月

１．はじめに
写真－1は、疲労と凍害との複合劣化を受けた道路
橋RC床版の切断面であり、多数の水平ひび割れが発生している。また、目視では直接確認できないが、水平ひび割れが発生していない部分にも凍結融解作用によるマイクロクラックが発生し、強度が低下している

写真－1 疲労と凍害の複合劣化を受けた床版断面1) 1)
写真－1 疲労と凍害の複合劣化を受けた床版断面可能性がある。
このため、床版が写真－1のような状況となっている場合、水平ひび割れやマイクロクラックなどの影響
により、床版の耐力が低下していることが懸念される。

実橋床版内部の温度変化（2章）
・ 水平ひび割れが発生した実橋床版
・ 冬期に床版内部の温度変化を測定

しかし、劣化と耐力との関係は明らかになっていない。
そこで、本研究では、凍結融解作用による水平ひび
割れの発生メカニズムや劣化と耐力との関係を明らかにすることを目的として、図－1に示す項目について検討を行った。以降では、各項目の検討内容について説明を行う。
２．実橋床版内部の温度変化

水平ひび割れの再現実験（3章）
・ 実橋の温度変化を再現した凍結融解試験・ 大型供試体での水平ひび割れの再現
・ 発生メカニズムの検討
凍害劣化や水平ひび割れと耐力低下（4章）
・ スラブ供試体の静的載荷試験
・ 凍害による強度低下や水平ひび割れが耐力低下に与える影響

写真－2は、北海道内の山間部に位置する橋梁の床複合劣化を受ける床版の劣化進行過程（5章）
・ 実験結果を踏まえた劣化進行過程（仮説）

版から採取したコアの断面である。この写真で確認で図－1 本研究の概要

２．１

目的

きる水平ひび割れは、ほぼ同じ深さで、床版全面に発生していた。北海道内に位置する床版であることから、凍結融解作用が水平ひび割れの発生に影響を与えている可能性が考えられた。
そこで、凍結融解作用による水平ひび割れ発生メカ
ニズムの検討に必要な温度データを得るため、実橋床版内部の温度測定を行った。
２．２

調査概要

２．２．１

調査対象橋梁

温度測定は、写真－2に示す水平ひび割れが発生し

写真－2 調査対象橋梁床版に発生した水平ひび割れ
写真－2 調査対象橋梁床版に発生した水平ひび割れていた橋梁で行った。この橋梁の諸元および環境条件
を表－1に示す。主に温度条件から算出される凍害危
険度は3である。また、床版防水は未施工で、床版内部に水分が供給されやすい条件であるため、凍害劣化が進行しやすい条件にある。

表－1 調査対象橋梁の諸元および環境条件
調査対象橋梁の諸元および環境条件
上部形式

3経間連続中路式ローゼ橋

橋長（支間） 160.0m（12.8、133.6、12.8）
幅員

路肩0.65m+車道7.50m+0.65m

床版内部の温度を測定するため、図－2（次ページ

適用基準

道路橋示方書（昭和48年）

右上）に示す深さに温度センサーを設置した。また、

架橋年次

昭和58年（供用35年）

２．２．２

調査方法

あわせて外気温の測定も行った。測定期間は2017年11大形車交通量 1208台/日（H22上下合計)

月1日から2018年4月30日までの冬の1シーズンである。

設置環境

積雪寒冷地（凍害危険度3）

床版防水

無し

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2020年４月



3

調査結果

アスファルト舗装
t=8cm

２．３

温度測定結果の一例として深さ1cm地点における温度の推移を図－3に示す。この温度データを用いて-1℃で凍結、0℃で融解すると仮定し、測定期間内の凍結融解を抽出した。すべての凍結融解時の最低温度と0

れらの図から、以下のことが読み取れる。
1) 図
 －4に示すように、厳冬期（12/31～3/1）にお

1
1cm
2
6

RC床版
t=18cm

その発生時期をプロットしたものを図－4に示す。こ‐112ける凍結融解は1回のみである。これは、図－316に示すように昼の気温が上がっても0℃に達しなかったため融解しないからである。

外気温 測定位置

図－22) 図
 －4に示すように、融雪期（3/1～4/30）にお温度センサー設置深さ

ける凍結融解回数は多い。1シーズンの凍結融解
回数16回のうち、12回を占めている。これは、

30

図－3に示すように全体的に温度が高くなってき件が多くなったためである。
測定を行った各深さにおける一日の温度推移の一例

20

温度（℃）

たことに起因し、昼夜で0℃を挟むような温度条

100を図－5に示す。この図は、凍結融解回数が最も多か-10った融雪期のうち、3/20から3/21までのデータを抽出したものである。
この図から以下のことが読み取れる。

-20
11/1

1) 融 解行程および凍結行程における温度変化の勾

図－3

12/31

3/1

4/30

コンクリート温度の推移（深さ1cm）

配を比較すると、3地点の中で深さ1cm地点の勾配が最も大きい。これは日射による加熱や大気0ためである。
2) 深さ6cm、12cmと上面から離れるほど、温度変化の勾配は小さくなる。
3) こ のため、融解時の温度が高かった深さ1cmの温度は凍結行程の途中17:00頃、深さ6cmの温度を追い抜き、先に-1℃に達している。これは上面に近い方が先に凍結することを意味する。
図－6（次ページ右上）は図－5のデータを基に凍結

最低温度(℃）

による冷却など熱供給が起こる上面に最も近い

N=12

-5
N=3

-10
-15

N=1

-20
11/1
図－4

12/31

3/1

4/30

凍結融解時の最低温度と発生時期（d=1cm）

過程における各時刻の深さ方向の温度分布を示したものである。太い実線で示す22:00のグラフに着目する

4と、床版上面から1cm付近までが先に凍結し、床版内に達しなかったため凍結が持続している。22:00以降、
外気温の低下が進むにつれて、この未凍結層が遅れて凍結することとなる。なお、調査対象橋梁の床版における水平ひび割れは、この未凍結層で発生していた。
以上のように、実橋における床版内部の温度測定の結果、以下のことが明らかとなった。
1) 気 温が上昇する昼間の時間帯、すなわち、融解
4

温度（℃）

ることが分かる。また、9cm以深は融解行程でも0℃

1cm

2部の2cmから8cmまでの範囲に未凍結層が発生してい

0

6cm
12cm

-2
-4

外気温

-6
-8
-10
0:00

6:00

12:00 18:00

0:00

6:00

12:00

図－5 外気温と床版内部温度の1日の推移（2018/3/20 0:00 ～ 2018/3/21 12:00）
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行程にある時間帯においては、日射などにより凍結が持続する。
2) 気 温が低下する夜間の時間帯、すなわち、凍結行程にある時間帯においては、上面から冷却が進むため、上面付近が先に凍結し、内部に未凍結層が生じる。この未凍結層は、気温の低下に伴って、遅れて凍結する。

先行凍結層

4

深さ（cm）

昇しても、融解温度である0℃に達しないため、

16:00

2

かって融解していく。一方、下面側では、凍結時の最低温度が極端に低かった場合、温度が上

22:00

7:00

0

上面が加熱されるため、床版上面から内部に向未凍結層→遅れて凍結

6
8
10
12

凍結持続層

14
16
18

-8

-6

図－6

-4
-2
温度（℃）

0

2

床版の温度分布の推移と層間凍結

３．水平ひび割れの再現実験
３．１

目的

２．の温度測定結果と水平ひび割れの発生位置を考慮すると、水平ひび割れの発生原因として、遅れて凍結する未凍結層の存在が影響していると考えられた。
そこで、この仮説について検証するため、温度条件が実橋と同様となるような凍結融解試験を行い、水平ひび割れの再現を実験的に試みた。
※主鉄筋，配力筋とも上段は D16@280mm，下段は D16@140mm

３．２

実験概要

図－7

供試体寸法、配筋、上面からの凍結融解

本実験は、実橋で発生した水平ひび割れの実験的再現や発生メカニズムの解明を目的としているため、上記で述べたような温度条件の再現のみならず、供試体の寸法、配筋、配合や養生条件など、できるだけ実構
造物に近い条件で実験を行った。
３．２．１

スラブ供試体スラブ供試体の形状寸法、配筋を図－7に示す。配表－2

単位水量 水セメント比(%)(kg/m3)
171
65

配合表

細骨材率
(%)
48.6

空気量
(%)
2.0

筋およびスラブ厚（t=160mm）は昭和39年の道路橋
示方書 2)で設計された実物大の床版供試体 3)に準じて冷却・加熱

いる。凍結融解試験装置のサイズ制約のため、平面寸法は1300×1300mmの正方形とした。使用したコンクリートに関しては、早期に凍害劣化を顕在化させるために、コンクリートにAE剤を使用せず、水セメント

上モールドゲージ（中央高40mm)

温度測定（d=40mm)
凍結融解層

比を65%と大きめに設定した。なお、セメントには普通ポルトランドセメントを、骨材には粗骨材最大寸法20mmの砕石を用いた。配合表を表－2に示す。
３．２．２

凍結融解試験

中モールドゲージ（中央高80mm)

温度制御（d=80mm)

コンクリート打設後、4週目まで水中養生を行った後、凍結持続層

凍結融解試験を開始した。実際の道路橋床版の温度条

温度測定（d=120mm)

件を再現するため、供試体の冷却・加熱は供試体上面からのみ行った。具体的には、図－7に示すように、上面以外の面には断熱材を設置し、熱の供給を遮断した。
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図－8

温度制御位置および温度・ひずみ測定位置



5

図－9

凍結融解作用によりスラブ内部に生じた水平ひび割れ（左図）と採取コアの超音波速度（右図）

凍結融解の温度条件に関しては、図－8に示すよう

３．４

水平ひび割れの発生メカニズムに関する考察に、深さ80mmの位置に温度センサーを設置し、この凍結融解作用を受けるコンクリートにおける水平ひ

地点の温度が-18～0℃になるように温度を制御した。

び割れの発生メカニズムを考える上で、スケーリング

このような条件の下、気中凍結水中融解の条件で、凍発生メカニズムの知見が参考となる。参考文献4)では、結融解作用を570回与えた。また、凍結融解試験時に凍結融解塩作用で発生するスケーリングの原因としは、図－8に示す位置において、供試体温度の測定とて、図－10に示すように、塩による氷点降下と温度勾

鉛直方向のコンクリートひずみの測定を行った。な

配の関係から未凍結層が生じ、未凍結層が遅れて凍結

お、劣化目標を４章で後述するひずみではなく、凍結する段階で、凍結層と未凍結層の境界面付近に発生す融解回数としたのは、凍結融解試験の途中でモールドるアイスレンズの存在を指摘している。今回の実験でゲージが故障したためである。また、凍結融解回数をも同様のメカニズムが働くなどして、水平ひび割れが570回としたのは、過去の実験から供試体の劣化程度発生したと考えられる。その根拠を以下に述べる。本が十分に大きくなると判断したためである。

実験では上面からのみ冷却を行ったため、凍結過程では図－11に示すように、上面付近が先に凍結し、内部３．３に未凍結層が発生していた。この状態は図－10(a)に

実験結果

凍結融解試験終了後、カッターで供試体を切断し、示すスケーリングの場合と同様である。また、図－12

断面観察を行った。その結果、図－9の左図に示すよ（次ページ左上）に示すように、この未凍結層に設置

うに、深さ3～4cm付近に水平ひび割れが発生していした上側のモールドゲージは、凍結過程で膨張挙動をた。また、供試体から採取したコアを用いて、超音波示している。この膨張挙動は、未凍結層が遅れて凍結速度の測定と蛍光エポキシ樹脂注入法によるひび割れする過程で、水平ひび割れ部分やその周辺に存在する

状況の確認を行った。その結果を図－9の右図に示す。

水が凍結するのに伴い膨張したためであると考えられ

超音波速度に関しては、水平ひび割れに近づくほど速る。なお、今回の実験では塩は使用していない。以上

度の低下程度が大きくなる速度分布となっていた。コの再現結果から、２．で述べた実橋における水平ひび

アのひび割れに関しても、超音波速度の分布と同様に、割れの発生原因として、未凍結層が遅れて凍結する段

水平ひび割れ付近で多くの微細ひび割れの発生が確認

階で生じるアイスレンズの形成が、その一因となってできた。

いる可能性が考えられる。

℃

図－10

6

凍結融解塩作用による層間凍結

図－11

℃

床版の温度分布の推移と層間凍結
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収縮← ひずみ（μ）→膨張

600
400
200

上ゲージ

0
-200

中ゲージ
-30

図－12

-20

-10
0
温度（℃）

(1)かぶり部分で層状剥離が発生
10

温度ひずみ関係（30サイクル時）(2)鉄筋付近や下側でも層状剥離が発生(3)上縁付近で砂利化が発生
図－13

疲労と凍害で複合劣化する床版の劣化進行5)

４．凍害劣化や水平ひび割れが耐力低下に及ぼす影響
４．１

目的

図－13は、疲労と凍害との複合劣化を受ける道路橋
RC床版の劣化進行過程を示したものである。参考文
献5)では、疲労と凍害との複合劣化を受ける道路橋RC
床版の劣化は、この図に示すように、深さ方向に進行
していくことを指摘している。劣化が深さ方向に進行していく場合、劣化の進行に伴って発生する水平ひび
割れやマイクロクラックの影響を受け、床版の耐力が低下することが懸念される。そこで、本研究では、凍害劣化の進行と耐力の低下との関係を検討するため、劣化深さをパラメータとしたRCスラブを製作し、静的載荷試験による実験的検討を行った。
４．２

実験概要

４．２．１

スラブ供試体スラブ供試体の形状寸法、配筋、モールドゲージの設置位置を図－14に示す。使用したコンクリートは

単位: mm

図－14
図－14 スラブ供試体の形状寸法、配筋
スラブ供試体の形状寸法、配筋

３．と同じである。コンクリートと鉄筋の材料特性を
表－2に示す。なお、コンクリートの圧縮強度は、28日標準水中養生後に実施した圧縮試験結果によるものである。また、鉄筋の降伏強度はミルシートの値である。表－3に供試体名と実験変数を示す。実験変数は、
スラブ供試体上面からの「劣化深さ」である。各供試
体の劣化深さとして、供試体F-H/4はスラブ厚の1/4

表－2

コンクリート
圧縮強度
2（N/mm ）
25.8

材料特性

鉄筋
降伏強度
2
（N/mm ）
362

である上面から40mmまで、供試体F-H/2はスラブ厚の1/2である上面から80mmまでを劣化範囲として設定した。なお、凍結融解を与えていない基準供試体を供試体Nと呼ぶ。
４．２．２

凍結融解試験

表－3

供試体名と実験変数

供試体名
N

劣化深さ

コンクリート打設後、4週目まで水中養生を行った

F-H/4

40mm

後、凍結融解試験を開始した。図－15（次ページ右上）

F-H/2

80mm

に示すように、設定した劣化深さの範囲のみに凍結融寒地土木研究所月報№804

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7

解作用を与えることとし、設定した劣化深さよりも下冷却・加熱側の範囲では凍結を持続させた。具体的には、図－15

冷却・加熱

モールドゲージ(d=15～65mm)のように、供試体F-H/4は深さ40mmの位置に、供試
体F-H/2は深さ80mmの位置に温度センサーを設置し、凍結融解層

このセンサーの測定温度が-18～0℃になるように温度凍結持続層を制御した。また、劣化程度を把握するため、温度セ
ンサーにあわせてモールドゲージを鉛直方向に設置した。その他の条件は３．と同様である。凍結融解回数については、供試体F-H/4は100回、供試体F-H/2はモールドゲージ(d=55～105mm)
温度センサー（d=80mm)

温度センサー（d=40mm)(a)供試体F-H/4

図－15(b)供試体F-H/2

温度センサー、モールドゲージの設置深さ300回である。上記の凍結融解回数は、モールドゲー
ジのひずみの値が2000μ以上になるまで要した回数で300ある。なお、劣化目標のしきい値として、ひずみの値
既往の実験 で、凍害により2000m/s以下になるまで
6)

超音波速度を低下させたRC梁において、健全なRC梁

荷重(kN)

を2000μに設定した理由は、以下のとおりである。1)

F-H/4

N

2

4
変位(mm)

6

図－16

荷重－変位曲線

計算耐力
200
F-H/2

100

の破壊形式や耐力と比べて、差異を明確にできた。2)0

既往の実験7)から、超音波速度2000m/s以下となるのは、コンクリートひずみの値が2000μ以上となる場合

0

である。
４．２．３

8

静的載荷試験

支持条件は2辺単純支持で、支間は1040mmとした。

算出した供試体Nの押し抜きせん断耐力を示す。

載荷版には100×100mmの鋼板を使用し、供試体中央

また、載荷終了後の供試体切断面（支間方向）と供を一点集中載荷した。載荷装置には1000kN用油圧シ

試体下面のひび割れ状況を図－17に示す。なお、切断

リンダと手動ポンプを使用し、載荷速度が一定（約面では、以下の2つのひび割れを示している。

0.01mm/s）となるように操作を行った。計測項目は

1) 破壊面と考えられる幅広のひび割れ（太線）

荷重、中央変位、および図－14に示す位置に設置した

2) 凍結融解作用で発生した水平ひび割れ（細線）

モールドゲージのひずみである。

４．３．１

水平ひび割れの位置

図－17に示すように、各供試体には、３．で述べた
４．３

スラブ供試体と同様に、凍結融解作用による水平ひび

静的載荷試験結果

図－16に各供試体の荷重－変位曲線を示す。なお、割れが発生していた。ただし、その発生位置は、各供図中の○印は最大荷重時を示し、直線は表－2の材料

試体で異なっており、いずれも「温度制御位置のやや特性を用いて、コンクリート標準示方書 に準拠して上側」で、水平ひび割れが発生していた。この「温度8)（ a ）供試体 N
図－178（ b）供試体 F-H/4（ c）供試体 F -H/2

供試体切断面の載荷ひび割れと下面のひび割れ状況
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制御位置のやや上側」という位置は、先行凍結層と凍している。

結持続層に挟まれ、遅れて凍結する未凍結層に相当

４．３．４

供試体F-H/2

する位置である。したがって、供試体F-H/4と供試体

供試体F-H/2の荷重－変位曲線は、図－16の赤線でF-H/2で発生した水平ひび割れも、アイスレンズの形示すとおり、供試体Nや供試体F-H/4とは全く異なっ

成に伴って発生したものと考えられる。

ていた。具体的には以下のとおりである。

なお、３．で述べたスラブ供試体と供試体F-H/2に

図－16に示すように、載荷初期段階から荷重140kN

関しては、温度制御位置が同じであるにもかかわら（変位1.8mm）までは剛性の低下はごくわずかで、供ず、水平ひび割れの位置が異なっている。今回の実験

試体Nや供試体F-H/4とほぼ同様の荷重－変位関係をでは、３．の供試体のゲージが途中で故障するなどし示した。しかし、さらに荷重を増加させると、変位がたため、原因の特定はできなかった。この原因の特定

突如として急増し、変位3.2mmで最大荷重172kNに達も含め、凍結融解作用による水平ひび割れ発生メカニした。供試体Nや供試体F-H/4と比較すると、最大荷ズム解明のため、追加実験を行うなどして、更なる検重は大きく低下し、最大荷重時の変位も小さくなった。

討を行いたい。

また、ピーク以降の挙動についても、供試体Nや供試

４．３．２

体F-H/4のように急激に荷重が低下することはなく、供試体N供試体Nに関しては、図－16の黒線で示すとおり、変位を増加させても、荷重の低下程度は非常に緩やか

変位5.6mmで最大荷重268kNに達した。最大荷重に達であった。また、図－17(c)に示すように、供試体下した直後、破壊に伴って、変位が急増するとともに、面に押し抜きせん断コーンのひび割れは発生せず、切荷重が急落した。その際、図－17(a)下図に示すよう断面の載荷ひび割れも下面に達していなかった。

に、供試体下面には、押し抜きせん断コーンのひび割れが発生した。また、図－17(a)上図に示すように、

４．４

耐力変化のメカニズムに関する考察

劣化深さがスラブ厚の1/2である供試体F-H/2では、切断面では、この押し抜きせん断コーンのひび割れに連続する載荷ひび割れが確認できた。

供試体Nに比べて耐力が大きく低下した。一方、劣化

４．３．３

深さがスラブ厚の1/4である供試体F-H/4の耐力は供供試体F-H/4

供試体F-H/4に関しては、図－16の青線で示すとお

試体Nとほとんど変わらなかった。以下では、この耐り、変位5.4mmで最大荷重274kNに達した。最大荷重

力変化のメカニズムについて考察を行う。

や剛性は供試体Nとほぼ同じで、低下は見られなかっ４．４．１

供試体F-H/2の耐力が低下した理由た。最大荷重に達した直後、供試体Nと同様に、破壊

供試体F-H/2の耐力が供試体Nに比べて大きく低下に伴う荷重の低下や変位の増加が見られたが、そのしたのは、載荷に伴って劣化部に発生した斜め引張ひ程度は供試体Nほど大きくなかった。その際、図－び割れと載荷前から発生していた凍結融解作用による17(b)下図に示すように、供試体下面にも供試体Nの水平ひび割れの影響が大きいと考えられる。以下に根ような押し抜きせん断コーンのひび割れは発生しなか

拠を述べる。
図－18に供試体Nと供試体F-H/2における各モール面の載荷ひび割れが下面に達していないこととも一致

ドゲージ（鉛直方向）のひずみの推移を示す。なお、

4000
CL

3000

50U

圧縮← ひずみ(μ) →引張

圧縮← ひずみ(μ) →引張った。このことは図－17(b)上図に示すように、切断180C 310C

2000
1000
0
-1000

0

50U

180C

2

4

変位(mm)（a）供試体N

図ー18
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2020年４月

310C

peak

6

2000
CL

50U

180C 310C

1000
50U
0
180C 310C
-1000

0

1

peak

変位(mm)（b）供試体F-H/2

2

3

モールドゲージ（鉛直方向）のひずみの推移9図に示すモールドゲージ名の数字はスパン中央からの距離を、「U」はモールドゲージ中央が深さ40mm、「C」
は深さ80mm位置であることを意味する。各モールド
ゲージの設置高さは図－15と同じである。また、図中（a）健全部で曲げひび割れが進展の黒縦線は最大荷重時を示している。図－18で特に留意すべきことは、各モールドゲージが引張側に挙動し始めるタイミング、すなわち、載荷ひび割れがどのよ
うに進展していったのかということである。まず、図－18(a)に示す供試体Nについて見ると、50U（赤線）（b）斜め引張ひび割れ発生、水平ひび割れが開口は変位2mm付近、180C（緑線）は変位4mm付近からひずみの増加が始まっている。このことは、供試体N
における載荷ひび割れが載荷版付近から斜め下方向に進展していったことを表している。一方、図－18(b)に示す供試体F-H/2について見ると、変位0.6mm付近（c）斜め引張ひび割れ、水平ひび割れが進展、破壊から180C（緑線）と310C（青線）のひずみが増加し荷重(kN)

始め、ピーク直前で50U（赤線）のひずみが増加している。このことは、水平ひび割れが先に開口し、その後、載荷版の方向に載荷ひび割れが進展していったこ
以上のことから、供試体Nの破壊形式が通常の押し抜きせん断破壊であったのに対し、供試体F-H/2は、

図－19

F-H/2

100
0

とを表している。

N

200

0

2
4
(a)(b) (c)
変位(mm)
供試体F-H/2における損傷進展の概念図

載荷前から発生していた水平ひび割れの影響を受け、供試体Nとは異なる破壊形式となったことが分かる。

られる。

この破壊形式の変化に伴い、供試体F-H/2の耐力は、次に、第2段階は図－19(b)に示すように、斜め引張供試体Nに比べて大きく低下したものと考えられる。

ひび割れの発生とともに、水平ひび割れが開口し始め

なお、供試体F-H/2の180Cと310Cのひずみが載荷開る段階である。ここで、凍害劣化したRC梁では、ウ

始時から変位0.6mm付近まで圧縮方向に進んだのは、

ェブに斜め引張ひび割れが発生しやすくなることが分凍結融解作用で開口していた水平ひび割れが、載荷にかっている6)。これは凍害劣化によりコンクリートのよる圧縮作用によって一旦、閉口する方向に挙動した引張強度が低下するためである。同様に、今回のスラためと考えられる。

ブ供試体においても梁のウェブに相当する部分が凍害

また、図－16の荷重－変位曲線で述べたように、載劣化していたため、変位がある程度大きくなった段階

荷初期段階において、供試体F-H/2の剛性は供試体Nで、斜め引張ひび割れが発生したと考えられる。このとほぼ同程度であった。これは供試体F-H/2の下半分

斜め引張ひび割れの発生に伴って、斜め引張ひび割れのコンクリートがほぼ健全であったことが、その原因に近い方から水平ひび割れが開口していったものと考として考えられる。以下では、供試体F-H/2におけるえられる。

破壊までの損傷進展メカニズムについて述べる。図－次に、第3段階は図－19(c)に示すように、斜め引張

19は、供試体F-H/2における損傷進展過程を示した概ひび割れと水平ひび割れが進展し、破壊に至る段階で念図であり、図に従って、3段階に分けて説明する。

ある。斜め引張ひび割れに対してはせん断補強筋がな

まず、第1段階は図－19(a)に示すように、健全部でく、また、水平ひび割れも無筋領域に存在するため、

曲げひび割れが進展する段階である。供試体F-H/2も両ひび割れは急激に進展する。このため、荷重が増加

３．で述べた供試体と同様に、下半分のコンクリート

しないまま、変位が急激に伸びて破壊に至ったことで、は、ほぼ健全でであったと考えられる。載荷初期の段結果として耐力が低下したと考えられる。

階で発生する曲げひび割れは、主にこの健全部で進展

４．４．２

供試体F-H/4の耐力が低下しない理由する。このため、載荷初期の段階においては、供試体

供試体F-H/4の耐力は供試体Nとほぼ同等の値であF-H/2の剛性は供試体Nとほぼ同程度になったと考えった。しかし、その破壊形式は、供試体Nの破壊時に10

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2020年４月

見られた押し抜きせん断コーンの発生は見られず、供試体Nとは異なっていた。このため、供試体F-H/4では、荷重伝達経路や耐荷機構が変化していると考えられるが、今回の実験では、荷重伝達経路などを特定するためのデータが十分ではなく、耐荷機構などが変化
したメカニズムの解明には至らなかった。
しかし、このメカニズムを考える上で、凍害劣化深図－20 梁供試体F-H/2の破壊状況(せん断破壊)6)（ウェブの劣化部に斜め引張ひび割れが発生）

さをパラメータとしたRC梁に関する載荷実験結果6)が参考になると考えられる。この梁の実験においても、
今回のRCスラブと同様に、梁高の1/4および1/2までを劣化させた梁供試体を製作し、静的載荷試験を行った。図－20に示すように、梁供試体F-H/2のウェブ部
分では、凍害劣化により引張強度が低下していたため、

図－21

梁供試体F-H/4の破壊状況(曲げ破壊)6)

斜め引張ひび割れを伴うせん断破壊へと移行し、耐力が低下した。一方、梁供試体F-H/4のウェブ部分は劣

疲労の劣化速度も遅いためである。

化を受けていなかったため、破壊形式は曲げ破壊のま(2)進展期まで、耐力も低下しなかった（図－21）。今回のスラ

図－22(2)に示すように、凍害劣化が曲げひび割れ

ブ供試体F-H/4においても、梁供試体と同様に、ウェの上端よりも深い位置まで進行する。このため、下面ブに相当する部分が劣化しておらず、コンクリートのでは、ひび割れ周辺に遊離石灰の発生が見られるよう

引張強度低下に起因する斜め引張ひび割れが発生しなになる。

かったことが、耐力が低下しなかった要因として考えまた、図－23に示すように、床版の耐力の低下速度
は潜伏期よりも若干速まる。これは、凍害劣化に伴うられる。

強度低下や水平ひび割れ発生のため、上面付近で荷重５．
疲労と凍害との複合劣化を受けるRC床版の劣化進行過程に関する一考察（仮説）作用による圧壊や土砂化が発生するためである。
(3)加速期
図－22(3)に示すように、凍害劣化がウェブ相当部

本章では、前章までの実験結果などを踏まえ、疲労分にまで進行し、車両荷重によって「斜め引張ひび割と凍害との複合劣化を受けるRC床版において、劣化れ」が発生する。斜め引張ひび割れは無筋領域で発生がどのように進行し、それによって耐力がどのようにし、せん断補強筋もないため、急速に進展する。この低下していくのか、その劣化進行過程について考えてため、図－23に示すように、床版の耐力は、極めて短みたい。図－22（次ページ）は、疲労と凍害との複合期間のうちに、大きく低下する。しかし、斜め引張ひ劣化を受けるRC床版の劣化進行過程を示す概念図でび割れは下鉄筋に沿って進展するため、下面の状況はある。また、図－23（次ページ）は、劣化進行に伴う「進展期」とあまり変わらない（図－22(2)右、図－

耐力低下の概念図である。なお、繰返し荷重を与える

22(3)右）。

車両の交通量に関しては、疲労単独劣化だけでは陥没(4)劣化期に至らない程度の少ない交通量を想定している。

図－22(4)に示すオレンジ色のせん断コーンが灰色の薄いコンクリート版を押し抜こうとする段階であ(1)潜伏期
図－22(1)に示すように、下面では、車両荷重による。土砂化に伴って生じた遊離石灰が「加速期」で発る曲げひび割れが進展する。また、上面では、深さ方生した幅の広い「斜め引張ひび割れ」を通じて、多量向に凍害劣化が進行する。しかし、この段階では、上の水とともに下面に供給される。このため、下面一面面の凍害劣化と下面のひび割れは、ほぼ独立して進行に遊離石灰が見られるようになる。さらに、コンクリ

し、劣化を加速させるような複合作用は小さい。

ート版の薄赤色部分に繰返し荷重が作用することによまた、図－23に示すように、床版の耐力は、長期間に渡り、ほとんど低下しない。これは、凍害の劣化速度は一般的に遅く、また、交通量が少ない条件では、
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り、徐々に押し抜きせん断コーンのひび割れが進展し、最終的に陥没が生じる。
以上のように、複合劣化を受ける床版では、耐力に

11(1) 潜伏期(2) 進展期(3) 加速期(4) 劣化期

図－22

120
耐力
100

疲労と凍害との複合劣化を受けるRC床版の劣化進行過程（概念図）(2) 水平ひび割れの再現実験(1) 潜伏期

 上記の温度変化を再現した凍結融解試験により、(2) 進展期

80(3) 加速期

6040

スラブ内部の水平ひび割れを実験的に再現すること

陥没(4) 劣化期

時間

図－23 劣化進行に伴う耐力の低下（概念図）
劣化進行に伴う耐力の低下（概念図）ができた。水平ひび割れの発生原因は、供試体内部の未凍結層が遅れて凍結する時に形成されるアイス
レンズであると考えられる。
(3) 凍害劣化や水平ひび割れの耐力低下への影響
 劣化深さがスラブ厚の1/4の供試体では、健全な供試体に比べて、耐力はほとんど変わらなかった。

影響を及ぼす損傷は内部で進行し、陥没寸前まで兆候

一方、劣化深さがスラブ厚の1/2の供試体では、健が下面に表れないことが特徴である。このため、疲労

全な供試体に比べて、耐力が大きく低下した。耐力と凍害との複合劣化を受ける床版の点検に当たってが低下した原因は、1) 凍害劣化に伴う引張強度のは、下面の近接目視に加えて、内部の水平ひび割れや低下に起因して、梁のウェブに相当する部分におい土砂化を非破壊試験などで把握する必要があると考えて斜め引張ひび割れが発生したこと、2) 載荷前かられる。

ら発生していた凍結融解作用による水平ひび割れの影響を受けたことにより、破壊形式が変化したため

６．まとめ

である。
(4) 複合劣化を受ける床版の劣化進行過程（仮説）

凍害劣化を受けるRC床版に関して、凍結融解作用

 疲労と凍害との複合劣化を受ける床版では、耐力による水平ひび割れの発生メカニズムや劣化と耐力とに影響を及ぼす損傷は床版内部で進行し、陥没寸前の関係を明らかにすることを目的として、実橋の温度まで兆候が下面に表れない。特に、床版内部で発生測定や室内実験を行った。本研究の範囲内で得られた

する斜め引張ひび割れは、凍害劣化がある程度の深知見を要約すると、以下のとおりである。

さに達した段階で急速に進展するため、耐力が短期(1) 実橋床版内部の温度変化

間のうちに大きく低下する可能性がある。

 実環境下の床版では、凍結行程において、一時的

今後の課題として今回の知見の道路橋RC床版に対に上面付近だけが凍結し、内部が未凍結の状態となする適用性の検証が挙げられる。今回の実験は、1)る。その後、気温の低下に伴って、この未凍結部分

境界条件が道路橋RC床版とは異なる2辺単純支持であが遅れて凍結するような温度変化となっていた。

ること、2) スパン長が一般的な道路橋RC床版に比べ

12

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て短いことなど、実際の道路橋RC床版とは条件が異4)赤堀弥生，名和豊春：スケーリング劣化に関するなる。したがって、境界条件やスパン長などを道路橋

一考察，コンクリート工学年次論文集，Vol.30，

RC床版と合わせた際に、今回得られた知見が成り立No.1，pp.885-890，2008.

つかどうか確認を行う必要がある。

5)

土木学会：道路橋床版の維持管理マニュアル
2016，2016.

6)

参考文献

林田宏，佐藤靖彦：凍害劣化域の大きさと位置に着目したRCはり部材の破壊性状，コンクリー
ト工学年次論文集，Vol.34，No.1，pp.922-927，

1) 澤松俊寿，岡田慎哉，西弘明，三田村浩，松井繁2012.

之：46年間供用した寒冷地における道路橋RC床版の劣化損傷状況，土木学会第68回年次学術講演

7)

林田宏，坂口淳一：凍結融解作用により劣化した会講演概要集，Ⅰ-414，pp.827-828，2013.

コンクリートの圧縮応力下における応力-ひずみ2) 道路協会：鋼道路橋設計示方書，昭和39年

関係のモデル化に関する研究，土木学会論文集3) 林田宏：超音波トモグラフィによる実物大のRC

A2（応用力学)，Vol.71，No.2（応用力学論文集
Vol.18)，pp.I_411-I_418，2015．

床版供試体の損傷評価，コンクリート構造物の補修，補強，アップグレード論文報告集，第17巻，pp.267-272，2017.

8)

土木学会：2012年制定

コンクリート標準示方書［設計編］，2013.

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

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