頭首工における表面被覆工の変状把握と機能診断調査事例
高井和彦（技術士）・竹田雄樹（農業土木技術管理士）

1.はじめに近年、コンクリート構造物の補修に表面被覆工が選定され、長寿命化に寄与しております。これら表面被覆工による補修が行われた構造物においても、経年により変状が発生することから、継続的な調査による変状把握はとても重要であるものと考えられます。しかしながら、表面被覆材の変状は材料によっては浮きや剥離等が主なものであり、初期段階での変状を目視で確認することが難しい状況にあります。これに加え、広範囲で高所等も調査範囲となる現地踏査及び近接目視において、これらを把握することは、危険や困難を伴うことが予想されます。
本報では、当社で農業水利施設の機能診断調査の際に用いました、表面被覆工の変状把握のための調査手法及び結果について報告させて頂きます。
2.対象施設の概要
当社で行った機能診断調査のうち、本報においては、表-1 に示します 2 箇所の頭首工が対象施設となります。
表-1

対象施設の施設概要

A頭首工B頭首工

供用開始年

1970年

1969年

受益面積

2,418.8ha

1,035.7ha

最大取水量8.127m3/s

3.649m3/s

形式

フィックスドタイプ全可動堰

フィックスドタイプ全可動堰

堰長63.00m72.00m

洪水吐

起伏・転倒ゲートB
20.00m×H1.45m×2門

主要構
造

B

起伏・転倒ゲート24.00m×H1.85m×2門

ローラゲート5.00m×H2.55m×1門

B

左岸

B

スライドゲート
3.80m×H1.10m×2門

(A)

B

右岸

B

スライドゲート
0.60m×H0.60m×1門(B)

B

スライドゲート
3.10m×H1.30m×1門
スライドゲート
1.35m×H1.30m×1門

堰体
取入口・断面修復工～ポリマーセメントモルタル
・表面被覆工～エポキシ樹脂、アラミド接着工

堰体・表面被覆工～ポリウレタン樹脂

護岸工

・護床ブロック撤去・復旧

洪水吐
ゲート・部品交換取水ゲート・全面交換

ゲート
電気設備 ・部品交換
等
補修年度

(B)

B

取入口

主な補修内容B

ローラゲート20.00m×H2.25m×1門

土砂吐

ローラゲート15.00m×H2.15m×1門

(A)

2007年

2002～2005年

表面被覆材による補修部位

表面被覆材による補修部位（A 頭首工）（B 頭首工）図-1

対象施設の全景

3.表面被覆工変状把握のための調査事例
3-1.表面被覆工の剥離状況の把握（簡易赤外線サーモグラフィの現地踏査への活用）
補修に用いられた表面被覆工における剥離の有無は、外観の変状が顕著に現れないので、遠隔目視では確認が困難な場合があります。通常は打音等での確認が必要となりますが、頭首工の堰柱等高所での作業となることや調査が広範囲となり、調査には危険や困難が伴います。本調査では、危険や困難を回避した上で変状の有無を把握する目的で、現地踏査に赤外線サーモグラフィを取入れました。
(1)

赤外線サーモグラフィの概要
コンクリートと表面被覆材に剥離等が生じている場合、これらの変状箇所には空気層が生じます。この空気層は健全部に比べて熱伝導率が小さくなるため、剥離等が生じている箇所では、外気温の変動により外部と構造物との間に熱の授受が行われる際に熱の移動が健全部より小さくなります。その結果、外気温の上昇時には健全部に比べて低温となり、外気温の低下時には健全部よりも高温となります。赤外線サーモグラフィは、この健全部と変状部の間に生じる温度差を利用して、表面被覆材の剥離等の変状を検出するものです。
通常、赤外線サーモグラフィによるコンクリートの変状調査では、大掛かりで高価な装置で行われます。しかし、本調査においては被覆材の剥離の有無を把握することを主目的としましたので、少々解像度や精度の面で劣るものの簡易に行えるポケットサイズの赤外線サーモグラフィ装置により調査を行いました。

(2)赤外線サーモグラフィによる調査結果両頭首工において、図-2 に示すような土砂吐門柱及び堰柱の外観からは変状が確認できない範囲を対象とした熱画像と可視画像を撮影し、撮影した熱画像により表面被覆工の剥離の有無の判読を行いました。この結果、撮影範囲での堰柱には温度変化が認められませんでしたが、土砂吐門柱において数箇所の温度変化から、遠隔目視では確認不可能な被覆材の剥離が確認できました。

可視画像

熱画像

被覆材の浮きが疑われる

温度変化が認められる
A部
B部

A部
B部

（A 頭首工土砂吐門柱）

可視画像（変状なし）

熱画像
C部
D部

影による低温部

C部
D部

ゲート扉体
※鋼材は相対的に高温となる（B 頭首工左岸側堰柱）

可視画像

熱画像
ゲート扉体
※鋼材は相対的に高温となる

E部

被覆材の剥離が疑われる

E部

F部
F部

温度変化が認められる（B 頭首工図-2右岸側堰柱）

赤外線サーモグラフィによる調査結果

ゲート扉体※鋼材は相対的に高温となる

3-2.下地コンクリートの変状把握（棒形スキャナの定点調査への活用）
B 頭首工においては、表面被覆材の割れや剥がれ等が見られ、下地コンクリートの凍害等による変状が懸念されました。このため、下地コンクリートの状況を確認することを目的として、微破壊（棒形スキャナ）によるコンクリート内部状況調査を行いました。
(1)

微破壊によるコンクリート内部状況調査の概要
本調査手法は、図-3 に示すように、あらかじめ調査対象コンクリートに小径孔（約φ25mm）を削孔しておき、ここに棒形スキャナを挿入してコンクリートの内部状況（表層から 10～15cm 程度）を観察するものであります。この棒形スキャナは、先端にイメージセンサが装備され、小径孔にセンサ部を挿入し回転させる事で孔内側面をスキャニングできます。収録される画像は、SD カード、または直接パソコンに取り込む事ができるため、その場でコンクリートの内部状況を確認できます。
調査は、B 頭首工において表面被覆材の割れや剥がれ等が見られない表面被覆材の「健全部」（土砂吐門柱）と、表面被覆材の割れや剥がれ等が発生している表面被覆材の「劣化部」（右岸堰柱）で各 1 箇所の計 2 箇所で行いました。

（削孔前：鉄筋探査状況）（削孔状況）（削孔部状況）（孔内撮影状況）図-3

コンクリート内部状況調査の状況

(2)

微破壊によるコンクリート内部状況調査の結果
調査の結果は、図-4 及び図-5 に示すようなコンクリートの内部画像が得られました。
これによりますと、健全部においては表面被覆材下の断面修復部（t=8cm 程度）に工法上避けられない空隙は見られますが、表面被覆材は隙間なく付着しており、他に変状が見られないことから、下地コンクリートは健全な状態であると推察されました（図-4）。
一方、劣化部では下地コンクリートの表層部に脆弱層が見られ、空隙が生じております。また、表面から 5cm 程度の範囲で骨材や骨材周辺、表面から 7cm 程度の範囲で孔軸直角方向にそれぞれひび割れが見られました。このように、表面被覆材の「劣化部」では、下地コンクリートにも変状が進行していることを視覚的に確認することができました（図-5）。

削孔部（調査地点）（削孔部状況）

表面被覆材

躯体表 面

空隙

断面修復部（t=8.0cm）（B 頭首工図-4

土砂吐門柱）

表面被覆材の「健全部」におけるコンクリート内部状況調査の状況～特記事項～
・表面被覆材は、隙間なく付着している。
・断面修復部(t=8.0cm 程度)に空隙が生じている。

削孔部（調査地点）（削孔部状況）骨材周辺のひび割れ
空隙

躯体表 面

骨材のひび割れ孔軸直角方向のひび割れ

脆弱層（B 頭首工図-5右岸堰柱）

表面被覆材の「劣化部」におけるコンクリート内部状況調査の状況～特記事項～
・下地コンクリートの表層部に脆弱層が見られ、空隙が生じている。
・表面から 5.0cm 程度の範囲において、骨材および骨材周辺のひび割れが見られる。
・表面から 7.0cm 程度の範囲において、孔軸直角方向のひび割れが見られる。

3-3.表面被覆工の健全度概定（変状範囲面積率と建研式引張試験機による付着強度の活用）
本調査では、表面被覆工の変状に対して表面被覆工の要求性能を踏まえ、表面被覆材の変状範囲面積率及び付着強度の低下状況をもとにした試案により健全度を概定するものとしました。

(1)表面被覆工の要求性能一般的な表面被覆工に設定される要求性能は、中性化、塩害、凍害、化学的侵食の防止性能、アルカリ骨材反応の抑制機能等があります。これに加えて、必要に応じて剥落に対する防止性能及び景観・美観の保持性能等が要求されることもありますが、農業水利施設では、主に前者に重点が置かれています。
本調査での対象施設における表面被覆工は、凍害防止を主目的として施されたものであることから、凍害に対する抵抗性を確保するための性能が要求されます。この凍害に対する抵抗性は、凍害の原因である水の浸入を阻止する遮水性であることから、基本的な性能として設計耐用期間中における所要のコンクリートとの一体性（付着強度の確保）が要求されます。このため、本調
査では、表面被覆工の健全度を剥離等の変状範囲の面積率と付着力を評価の指標にするものと定義しました。
(2)

変状範囲面積率による健全度の概定
表面被覆材の変状範囲に関する指標としては、「表面保護工法設計施工指針（案）（土木学会コンクリートライブラリー）P.53」1)に表面被覆工法に表面保護工の劣化のグレーディングの一例として、表-2 が示されています。
表-2

表面被覆工法による表面保護工の劣化のグレーディングの一例

グレード○○○工法

Ⅰ

はがれ、ふくれなどの変状なし

Ⅱ

はがれ、ふくれなどの変状が5%未満

Ⅲ

はがれ、ふくれなどの変状が5%以上、10%未満

Ⅳ

はがれ、ふくれなどの変状が10%以上「表面保護工法

設計施工指針（案）（土木学会

コンクリートライブラリー）P.53」より

本調査ではこの数値を用い、表-3 のような健全度指標により健全度を概定するものとしました。
表-3

本調査で用いる健全度指標

グレード

本調査での健全度指標

Ⅰ

S-5

Ⅱ

S-4

Ⅲ

S-3Ⅳ

S-2

表-3 の健全度指標に基づき、調査対象施設における表面被覆材の劣化範囲率に対する健全度を評価すると表-4 に示すような結果が得られました。

表-4施設A 頭首工

B 頭首工部

表面被覆材の変状範囲(面積)率に対する健全度評価
位

被覆劣化面積A1(m2)被覆面積A2(m2)

発生面積率
A1/A2 (％)

健 全 度

右岸堰柱

無機系

4.1

439.5

S-3

左岸堰柱

無機系

1.1

313.5

S-4

取水口門柱

有機系

2.0

70

2.9

S-4

右岸擁壁

無機系

2.1

258.4

S-3

左岸擁壁

無機系

0.0

290.0

S-5

右岸堰柱

有機系

5.8

3616.1

S-2

右岸擁壁

有機系

5.4

3415.9S-2※ 劣化発生面積は、被覆材の剥離・剥落および浮きの面積であり、ひび割れは含まない。

(3)

建研式引張試験を用いた付着強度試験による健全度の概定
建研式引張試験の方法は、図-6 に示すように、専用の治具を被覆材表面に接着し、試験機により直接引張って付着強度を計測するもので、比較的容易に行うことができます。

（試験治具設置状況）（コアスリット状況）（引張試験状況）（破断面確認）図-6

建研式引張試験の状況

付着強度に対する健全度指標について示されている文献は、現在の所、見当たらないので、以下のような考え方に基づき健全度指標を提案しました。
付着強度の基準値については、「表面保護工法設計施工指針（案）（土木学会

コンクリートライブラリー）P.147」1)に一般環境の標準値として 1.0N/mm2 以上が示されております。また、「農業水利施設ストックマネジメントマニュアル[工種別編]

P.開-44」2)では、コンクリートの圧縮強度の健全度指標に設計基準強度比 75%を用いて健全度が設定されております。本調査では、これらを参考にして、表-5 のような健全度指標により健全度を概定するものとしました。
表-5

表面被覆材の付着強度に対する健全度指標
評価基準値

劣化度

評価基準値比有機系
1.0N/mm2

無機系
1.0N/mm2

Ⅰ：なし
Ⅱ：中度Ⅲ：重度100%以上75%以上 100%未満
75%未満

1.0以上
0.75≦σ＜1.00.75未満

1.0以上
0.75≦σ＜1.00.75未満

健全度
指 標
S-5S-4S-3

表-5 の健全度指標に基づき、調査対象施設における表面被覆材の付着強度に対する健全度を評価すると表-6 に示すような結果が得られました。この結果をもとに、各部位の健全度から A 頭首工の有機系被覆材は S-5、無機系被覆材は S-3、B 頭首工の有機系被覆材は S-3 と評価しました。
表-6
施設部

表面被覆材の付着強度に対する健全度評価
位

付着強度(N/mm2)

被覆
南面

取水口門柱
A 頭首工

有機系
北面

右岸擁壁

上流
下流

無機系

南面
B 頭首工

右岸堰柱

有機系
北面

健 全 度

1.888※1S-5※1S-51.863※1S-54.588※1S-52.43S-51.663

測定不可※2S-30.038

S-30.819

S-42.931

S-52.100※1S-5S-5S-3S-3※1 下地コンクリートでの破断であるため、付着強度は当該値よりも大きくなる。
※2 治具接着後、治具自重のみで剥離したため、付着強度測定が不能であった。

(4)試案をもとにした総合評価と技術的課題
前項における変状範囲面積率及び付着強度に基づき、調査対象施設における表面被覆材の付着強度に対する健全度の総合評価を行い、表-7 に示すような結果が得られました。
ここで、佐藤ら 3)はウレタン樹脂による有機系被覆材では、断面修復部の強度が補修工法の耐久性を決める要因であることを示しております。これは、3-2 で記述させて頂きました下地コンクリートの変状把握において、劣化部のコンクリート内部状況にひび割れや脆弱層の発生に起因していることと符号致します。また、ポリマーセメントモルタルに代表されるような無機系被覆材では、施工時のドライアウト現象が付着強度に影響を与えることを江川ら 4)は指摘しています。
いずれも、表面被覆工の耐久性には下地コンクリートが大きく関与していることから、表面被覆材の裏面の下地コンクリートの状況を把握できる調査が今後必要になるものと思われます。
表-7施設部

A 頭首工

B 頭首工
※

表面被覆材の健全度評価

位

被覆右岸堰柱

無機系

変状別評価
劣化範囲

付着強度※

S-3

S-3

総合評価
S-3左岸堰柱

無機系

S-4

S-3

S-3

取水口門柱

有機系

S-4

S-5

S-4

右岸擁壁

無機系

S-3

S-3

S-3

左岸擁壁

無機系

S-5

S-3

S-3

右岸堰柱

有機系

S-2

S-3

S-2

右岸擁壁

有機系

S-2

S-3

S-2

付着強度は、表-6 での評価（A 頭首工の無機系：S-3、有機系：S-5、B 頭首工：S-3）による。

4.おわりに
近年、表面被覆工による補修が普及し、変状の把握や健全度の評価といった調査技術の確立が急務であるものと思われます。本調査においても、赤外線サーモグラフィでの日射を受ける面でしか計測できないこと等、課題が残されております。本報では、これらの課題解決に向けた調査精度の向上と調査者の安全確保といった観点で、少しでも今後の参考になれば幸いです。
最後に、投稿の機会を与えて頂きました貴協会の皆様に御礼申し上げます。

（参考文献）
1）表面保護工法

設計施工指針（案）（土木学会

コンクリートライブラリー）

2）農業水利施設ストックマネジメントマニュアル[工種別編]
3）低温での養生や凍結融解を受けた表面被覆材の付着強さ－ウレタン樹脂系表面被覆材の事例－
寒地土木研究所
和正、嘉指

月報

成詞、原№673

P12-17

学佐藤

水土の知80(7)智、横木淳一、小野寺康洋、中村直洋、秋山譲治

4）表面被覆工（コンクリート補修工）の施工
工藤2009 年 6 月

P54-552012 年 7 月

江川春彦、