特別論文

インフラを支えるプレストレスト
コンクリート技術と高機能 P C 鋼材
山田眞人

Highly-Functional Prestressing Steels that Support Infrastructure ─ by Masato Yamada ─ Prestressing steels
have been widely applied for infrastructure. For the last twenty years, Sumitomo Electric Industries, Ltd. and
Sumitomo (SEI) Steel Wire Corp. have been intensively working on the development of highly-functionalprestressing steels such as epoxy coated and filled strands and pre-grouted tendons. This paper describes thefeatures of these two products, as well as our 2,230 MPa grade ultra-high-strength strand, anchorage system, andtensile force monitoring device called “SmART cell.” All of them have been in practical use.
Keywords: epoxy coated and filled strand, pre-grouted tendon, ultra-high-strength strand, tensile force monitoring

1.

緒

言

現代社会において、我々の生命や財産を守り、身心共に健康で豊かな生活を営む礎となっているものの一つがコン工伊丹製作所表事務所棟も PC 構造である。
PC 鋼材は、コンクリートにプレストレスを効率的に与クリート構造物である。中でもプレストレストコンクリーえるために用いられている。ジャッキで PC 鋼材を緊張しトは、圧縮に強いコンクリートと引張に強い鋼の特長を生（引張り）、その反力によりコンクリートを締め上げた状態かした合理的な構造である。プレストレストコンクリートで金具を用いて固定してコンクリートに圧縮応力を導入す（以下 PC と略称する）とは、Pre（予め）Stressed（応力る。コンクリートは乾燥によって収縮したり、クリープ変を付与された）コンクリートであり、引張に弱いコンクリートに予め圧縮応力を付与することで、構造物が供用後に常時荷重や地震等の不慮の荷重を受けても、コンクリー

プレストレス

トに引張応力が作用しない構造である。将来発生する出費（応力）をキャンセルできるように応力面の貯金をする構液造といえる。プレストレスの応用例は図 1 に示すような身圧近なものにも見られる。図 2 は通常の鉄筋コンクリート構造と PC 構造を対比で示したものである。PC 構造はひび割れのない耐久性に優れた大規模コンクリート構造物を可能にし、地震などの大荷重を受けて部材の大変形が生じてもその後に復元し残留変形が小さい、等の優れた特長を有す

自転車のタイヤとスポーク

図1

木樽と箍（タガ）

身近なプレストレスの応用例

ることからその適用範囲を飛躍的に広げてきた。また、PC構造はコンクリートをひび割れなく全断面を有効に活用できることからコンパクトな断面とすることが可能で、省資定着金具源、省エネルギーといった今日的な課題にも有効な構造である。用途としては道路橋や鉄道橋、大規模 LNG タンクや上水・下水処理タンク、石炭サイロ、原子炉格納容器

荷重

鉄筋

PC鋼材
荷重

（PCCV）、電柱や杭、線路のコンクリート製枕木にも多用されている。また、広大な無柱空間を実現できることから体育館やホール、大規模事務所棟、居住空間が広めで間取りの自由度が高いマンション、タワーなどの建築構造物にも適用例が多い。著名な例では代々木体育館、大阪市立体育館、銀座四丁目交差点の三愛ビル、東京スカイツリーの芯柱、シドニーのオペラハウスやパリの新凱旋門、住友電

下縁にひびわれ発生
鉄筋で補強されたコンクリート部材（鉄筋コンクリート：RC）

図2

ひびわれなく荷重を除くと変形も復元
PC鋼材で補強されたコンクリート部材（プレストレストコンクリート：PC）

PC 構造と鉄筋コンクリート構造

2 0 1 3 年 7 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 8 3 号 −（ 71 ）−形が進行したりすることから、プレストレスを長期に亘っい構造形式である斜張橋の登場や、塩害※ 1 問題、不適切なて持続させるためには、初期の製作段階で高い圧縮力が必

グラウト注入作業による PC 鋼材の腐食・破断問題、さら要であり、結果として PC 鋼材には高い弾性限・降伏強には英国での PC 橋の落橋問題等で世界的に PC 鋼材の防食度・引張強度が要求される。また、構造物の終局破壊状態に対する問題意識が高まることとなり、これらを背景に開発での靱性確保の観点から PC 鋼材自体が大きな塑性変形能されたのが内部充填型エポキシ樹脂被覆（以下 ECF（Epoxyを有すること、長期間プレストレスを持続させるためにリCoated & Filled））ストランドである（写真 1）。

ラクセーション（ひずみ一定下での応力緩和）が小さいことも重要な特性である。

米国で開発された当初はストランド外周面のみの塗装であったが、当社が日本に技術導入する際にストランドを構

住友電工は昭和 20 年代後半から PC 鋼材の製造を開始

成する素線内部にもエポキシを充填するタイプに改善されし、当時として高性能の太径鋼棒の製造に成功したことで、た。当社は塗料メーカーとの共同開発によって高強度・高当時西ドイツ・ディビダーク社が開発した大規模 PC 橋の延性のエポキシパウダーを開発し、十分な耐久性を有する建設工法（片持ち張り出し架設工法）のライセンスを取得

静電粉体塗装による安定した長尺品の生産技術、全長の膜して日本への導入を図り、高度成長期のインフラの整備と厚計測技術等による品質保証システムを確立し、定着性能共に PC 鋼材関連事業を成長させてきた。成熟社会を迎えを考慮して塗膜厚さ 0.4mm ～ 1.2mm の独自規格を設定しつつある今日、公共事業に対する厳しい意見が一部にあるた。同時に ECF ストランドの端部を固定する定着くさびをものの、PC 技術が電力や情報通信技術等と共に社会基盤含む固定金具（以下定着体と称する）を開発している。こを支える重要技術であることに変わりはない。本稿では、れらが最初に本格適用されたのが西湘バイパスの小田原ブ

特に、PC 構造の今日的課題の解決のために当社が取り組

ルーウェイブリッジの斜張ケーブルである（写真 2）。ECFんできた高機能 PC 鋼材関連の開発を紹介したい。

ストランドの有する高い耐食性と共に同ストランドを多本数束ねたケーブルの定着体（口絵写真）を含めたケーブル系

2.

内部充填型エポキシ樹脂被覆 PC ストランド
PC 鋼材は、従来からコンクリート部材に埋設される形で鋼製ダクトの中に配置され、緊張力が付与された状態で固定され、その後ダクトとの隙間にグラウトと呼ばれるセ全体の疲労特性が評価されて採用に至ったものである。
その後、ECF ストランドは、外ケーブルと呼ばれる新しい形式の PC 構造の出現によってその適用範囲が大きく広がって今日に至っている（写真 3）。

メントミルクを充填する形で使用されてきた。この方式はPC 構造の基本形式として現在も主流で、1940 年代後半にPC 技術が実現してからこの点には基本的に大きな変化がない。つまり、PC 鋼材は引張強度 1,860MPa クラスの高強度鋼材を緊張状態で使用するにもかかわらず、鋼材の長期的な防食を工事現場で注入されるグラウトのみに頼ってきたことになる。グラウトによる防食は鋼材表面を強アルカリ環境で保護し空隙を充填する安価な方法であり多くのケースで有効に使用されてきたが、工事現場での熟練技術が必要で、施工時の環境条件や PC 鋼材の配置形状によっては空隙が生じやすいといった課題があった。また、新し写真 1

各種 ECF ストランド
左上から時計回りに標準型、HDPE 被覆型、HDPE 被覆 wax 塗布型、付着型

写真 2

ECF ストランドが最初に適用された小田原ブルーウェイブリッジ（写真提供：三井住友建設㈱）と開発された定着くさび

写真 3

橋梁の箱桁内に配置された ECF ストランドを用いた外ケーブル−（ 72 ）− インフラを支えるプレストレストコンクリート技術と高機能 PC 鋼材

この形式は PC 鋼材をコンクリートに埋設せずに、長期

3.

プレグラウト PC 鋼材的な健全性を点検したり、必要に応じて交換したりするこ

斜張ケーブルや外ケーブルに多用される工場加工型防食とを可能にしている。この形式での弱点となるケーブルのPC 鋼材が ECF ストランドであるのに対し、コンクリート曲げ配置部でのフレッチング（接触圧力発生下における微に埋設される形式ながら、グラウトを不要とし、かつ、周動摩擦腐食）に対して内部充填と鋼材表面エポキシ樹脂被辺コンクリートと付着によって一体化できるものがプレグ覆が有効に作用することを 5,000kN 級の実大 PC ケーブル

ラウト PC 鋼材である。

疲労試験（写真 4）によって検証したことや、この構造が本製品は、未硬化のエポキシ樹脂を PC 鋼材表面に塗布点検性に優れる点が高く評価されたことで現在に至る迄、し、その外側に HDPE を連続押し出し成型したものである。

日本における外ケーブル形式のデファクトスタンダードと緊張・定着完了後、エポキシ樹脂硬化後にコンクリートとなっている。の付着を高めるために外形を凹凸異形加工したものである（図 3）。

PC 鋼より線
エポキシ樹脂写真 45,000kN 級外ケーブルの実大疲労試験（於：コベルコ科研尼崎事業所）

ポリエチレンシース

メーカー独自規格として使用されてきた本製品の規格に

図3

プレグラウト PC 鋼材の構造ついては標準化戦略の一貫として、製品としての規格だけではなく設計・施工面も含めた規準化を土木学会に委託し、「エポキシ樹脂を用いた高機能 PC 鋼材を用いたプレス

プレグラウト PC 鋼材は、図 4 に示すように工事現場でトレストコンクリート設計施工指針（案）（2010 年 7 月）」の工程を製品機能に組込み、工程省略によって急速施工を（写真 5）が発行されるに至っている。なお、本製品は公共可能にし、シームレスの HDPE シースとエポキシ樹脂に工事分野での浸透を図ることを目的に国内他メーカーにもよって防食面での信頼性を高めたところに特長がある。開製造ライセンス付与するとともに、米国現地法人 SWPC 社

発当初は熱硬化型のエポキシ樹脂が用いられたことで、コによる製造も開始し、当社の専用くさびと共に Penobscot

ンクリート硬化時の水和熱による温度上昇の程度に応じてNarrows

硬化剤濃度を調整した複数の樹脂を用いる必要があったこBridge（メイン州）等の大規模橋梁にも適用されている（写真 5）。とから管理が複雑で、その適用範囲も限定的であった。その後、住友電工研究部門と共同で高温域での硬化特性の温度依存性が低い湿気硬化型エポキシ樹脂を開発したことで広範囲に適用されることとなった。

従来工法
コンクリートの打設

PC鋼材の挿入緊張・定着

成プレグラウトPC鋼材を適用した工法
プレグラウト
PC鋼材の配置

写真 5

制定された土木学会指針と米国 SWPC 社製
ECF ストランドが用いられた Penobscot Narrows 橋（メイン州）

図4

コンクリートの打設

グラウト

完

ダクトの配置緊張・
定着

プレグラウト PC 鋼材を用いた場合と従来工法との工程比較

2 0 1 3 年 7 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 8 3 号 −（ 73 ）−この湿気硬化型樹脂の硬化剤ケチミンは微量の水分によ程を最適化して、従来製品と同等の伸び性能を確保しながり加水分解しケトンとアミンに分解される。この第一段階

ら 2,230MPa 超の強度とした ø15.2mm の超高強度 PC スの反応は、温度依存性が低いことでコンクリートの水和反応トランドを実現している。これは実用化された PC ストラ熱によって高温になる部材への適用も可能となった（図 5）。

ンドとしては現在に至るまで世界最高強度のものである。

標準的に使用される製品はストランドであるが、鋼棒タ

この製品の最初の適用例は秋葉原の AKIBA Bridge であるイプも開発され、羽田 D 滑走路の新設工事に大規模に適用（写真 7）。ケーブル本数削減によって桁断面を薄く保ち、されている。今後はプレグラウト PC 鋼材の大容量化が課題であると考えている。

PC 構造ながら鋼構造と同等のスレンダーな外観を呈している。専用の定着体の開発を同時に進めたことで早期の実用化につなげている。その後この製品はさらに太径化を進めて断面積が 8 ％大きい ø15.7mmPC ストランドが実用化
エポキシ硬化剤キャップ微量の水分によってキャップが外れる（温度依存性小）エポキシステップ 2

JIS 規格品比で PC ストランド 1 本当たりの引張荷重を 28 ％増加した製品が主流となっている。

キャップ付き硬化剤（液状）ステップ 1

され、ø15.2mm硬化反応が進む（温度依存性あり）

写真 6

圧延後線材の金属組織の比較
従来材（左）と 2,230MPa 級高強度ストランド用線材（右）2500

湿気硬化型プレグラウト PC 鋼材用樹脂の硬化反応の模式図

2000

4.

2,230MPa 級高強度 PC ストランド

1500
1000

応力（MPa）

図5

ECF ストランドやプレグラウト PC 鋼材等の信頼性の高い0工場加工型防食 PC 鋼材がある程度浸透したと考えられた時点からは、現行の JIS 規格に規定される強度を 20 ％高めた 2,230MPa 級高強度ストランドの実用化に取り組んできた。高強度 PC ストランドは常時作用荷重も 20 ％増となる

高強度PC鋼材500

普通強度PC鋼材012345678伸び（%）

図6高強度 PC ストランドと JIS 規格 B 種ストランドの応力～ひずみ曲線の比較ことで従来製品に比較して遅れ破壊感受性が高まることから、信頼性の高い工場加工型防食 PC 鋼材として適用されることが望ましいと考えられる。この開発は、当社が電気炉を保有していた時代に既に開発に目途をつけていたものの、ø12.7mm 細径ストランドまでの開発にとどまり、ø15.2mm までの太径化が図られていなかったことや、信頼性の高い工場加工型の防食 PC 鋼材が浸透していなかったことで製品化を見送っていた経緯がある。当社保有の電気炉を停止した 2002 年に改めて新日本製鐵㈱（現新日鐵住金㈱）と共同で本格的な実用化検討を進めてきたものである。
炭素量を 1.0 ％前後まで高め、微量元素を添加する等の化学成分系の変更を行い、DLP 処理※2 によって圧延後の金属組織の微細化を図るとともに（写真 6）、伸線・より線工−（ 74 ）− インフラを支えるプレストレストコンクリート技術と高機能 PC 鋼材

写真 7

AKIBA Bridge（秋葉原；写真提供：鹿島建設㈱）高強度 PC ストランドは鋼材の製造や運搬の過程では省5.

システム部品・機器とアクセサリー製品群

資源・省エネルギーに、構造部材として用いられた場合にPC 鋼材は、通常それ単体ではその機能を発揮せず、定は、桁断面のコンクリートボリュームの削減・軽量化（例着体と呼ばれる端部固定金具と組み合わせ、専用の緊張装

えば図 7）、さらには基礎、橋脚の断面減少につながること置（ジャッキやポンプ）が用意されて初めてプレストレスをで、省資源、環境への負荷低減にも寄与する。また、現場導入するという本来の機能を発揮する。当社は Dywidag-作業の省力化にもなることで総合的にコスト縮減を可能にSystems International（以下 DSI）社のライセンシーでするものである。ケーブル本数が減ることで維持点検の際あることから、定着体のようなシステム製品については基の省力化、コスト縮減も可能である。高強度 PC ストラン本技術として同社のものを採用しているが国内の諸規準にドが桁内部の外ケーブルとして配置された例を写真 8 に示合わせた仕様変更や改善、性能検証試験を実施している。

す。ケーブル本数が 3 割削減され、ケーブル配置が錯綜し定着体を装着した状態での PC ケーブルシステムの健全性ないことで桁内の点検通路の確保が容易となり、点検性向については実大での引張試験（写真 9）や定着体の耐力試上に寄与している。本製品についても、製品規格と設計・施工面を含めた規準制定を PC 工学会に委託し、「高強度験（写真 10）の実施が土木学会や建築学会、PC 技術に関する国際学会（fib）によって定められている。一例として

PC 鋼材を用いた PC 構造物の設計施工指針（2011 年 6 月）」

2,230MPa 級 高 強 度 PC ス ト ラ ン ド 19 本 で 構 成 さ れ るとして発刊されている。

19S15.7、6,365kN 級ケーブルの引張試験結果を図 8 に示す。これにより、本ケーブルシステムは PC 鋼材本来の強度と共に十分な塑性変形能を発揮することが確認され実用に供されている。

5250＜普通強度PC鋼材（19S15.2）を使用した場合＞

6600

20本必要

5250

＜高強度PC鋼材（19S15.7）を使用した場合＞

14本必要
5000

写真 9
図7

高強度 PC ストランドを用いた橋梁の断面比較の一例

写真 8

ECF 高強度 PC ストランドによる外ケーブルを用いた橋梁の桁内状況とその適用指針（PC 工学会）
写真 10

実大引張試験（於：住友電工伊丹製作所）

定着体の実大耐力試験（於：日本建築総合試験所）

2 0 1 3 年 7 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 8 3 号 −（ 75 ）−荷 重（kN）

7000

PC 鋼材で応えていくことでインフラの信頼性向上・長寿命6000化につなげたいと考えている。

5000

破断荷重6336kN： 定着効率99.5％
伸び＞2.5％40002007 年米国ミネアポリスの大規模橋梁の崩壊や 2012 年の中央高速道笹子トンネル天井の崩落事故は、交通インフ

3000

ラの重要性と共に構造物の初期欠陥・経年劣化を察知する

2000

ためのモニタリングの重要性を我々関係技術者に改めて突1000き付けたともいえる。過去に蓄積された社会基盤を、最新

00

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140

伸図8び（mm）の成果を用いてより健全な状態で延命化を図ることは我々技術者の社会的使命でもある。高強度極細繊維（写真 11）を用いた超高強度繊維補強コンクリート「サクセム®」※ 3 の19S15.7（6,365kN 級）ケーブルの実大引張試験の荷重～伸び曲線の一例実用化もその取組みの一つで、PC 技術の重要製品と位置づけている。今後、より多くの顧客や企業者、DSI 社とのパートナーシップを深め、同僚や多くの後輩諸氏と共に普遍的な価値を有する製品・技術をより早く、より多く実用化

PC ケーブルに関する今日的なニーズとして、新設、既することができれば技術者としてこれに勝る喜びはない。

設を問わず、PC 鋼材に導入された張力をモニタリングすることが挙げられる。この目的のために開発されたのが張力センサースマートセルである。スマートセルはネオジム系永久磁石を用い、PC 鋼材の磁気特性が張力によって変化することを利用して張力の増減を検知するセンサーである（図 9）。これを用いて構造物補強用 PC 鋼材の張力をモニターすることで構造物そのものの健全性を判断しようとする試みも始まっている。このようなシステム部品・機器とアクセサリー製品群の充実が PC 技術のより広範な適用と信頼性向上を可能にするものである。
写真 11

サクセム用高強度極細鋼繊維接続ケーブル

開閉可能

PC鋼材

永久磁石

磁界計測IC
金属フレーム

図9

樹脂フレーム

張力センサー（SmART Cell®）の構造用 語 集ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー※1

塩害

コンクリート中の塩化物イオンの作用により鉄筋や PC 鋼材等が腐食し、コンクリート構造物に損傷を与える現象。
沿岸部や融雪剤を撒く地域に多い。

6.

結言

本稿では、インフラを支える PC 鋼材とそのシステム製

※2

DLP

Direct in-line Patenting ：冷却媒体に鉛ではなく溶融塩を用いてパテンティング処理を行う直接熱処理法。

品に関する取組みを振り返った。建設分野、特に公共工事に用いられる技術は実績が重視され、新技術が実用化されるまでに時間がかかることが多い。その中にあって、新し

※3

サクセム

Super Quality Cementious Material ：鹿島建設㈱、電気い高機能 PC 鋼材の技術が近年急速にその比重を高めつつ化学工業㈱、三井住友建設㈱、住友電工スチールワイヤー㈱あることは、我々メーカーの努力のみならず、企業者、施の共同開発による超高強度繊維補強コンクリート。高い引工者（当社の直接的な顧客）側の良き理解者に恵まれたこ

張特性とじん性により鉄筋を不要にし、高い耐久性を有する。とによるところも大きく、感謝に耐えない。今後、国内ばかりではなく新興国での旺盛な新設需要に対しても高機能−（ 76 ）− インフラを支えるプレストレストコンクリート技術と高機能 PC 鋼材

参考文

献

（1） Y. Hoshino, M. Yamada, M. Nishino,“External Cable using EpoxyCoated Strands”, fib Congress Osaka（2002）（2） Y. Hoshino, T. Kido et al.,“Recent development of externaltendon system using ultra high strength prestressing steel withepoxy coatings”, fib Congress Washington（2010）（3） 山 田 眞 人 、「 PC 鋼 材 技 術 の 現 状 」、 コ ン ク リ ー ト 工 学 、 pp.3-8（2009.11）（4） 白濱昭二、大西睦雄、名取耕一朗、「プレグラウト PC 鋼材の開発」、
プレストレストコンクリート、vol.48、No.2、pp.68-72（2006）（5） 木戸俊朗、及川雅司、塚田和彦、「応力磁気効果を利用した PC 鋼材用張力測定装置の開発と適用に向けた取り組み」、pp.355-356、資源・素材 2010（福岡）

執筆山田者 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------眞 人 ：シニアスペシャリスト
住友電工スチールワイヤー㈱取締役 PC 技術部長------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------＊主執筆者

2 0 1 3 年 7 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 8 3 号 −（ 77 ）−