技報第 29 号

2018

積層ゴム支承のゴム層と内部鋼板の接着層における劣化メカニズムの推定
阪神高速技術(株)技術部調査点検課
坂本 直太
阪神高速道路(株)保全交通部システム技術課 向井 梨紗
阪神高速道路(株)技術部技術推進室
篠原 聖二………………………………………………………………………………
要旨

阪神高速道路の北神戸線において，設置後 27 年経過した積層ゴム支承に経年劣化による損傷が発生していた．
損傷した支承を取り出してせん断載荷試験を行ったところ終局せん断耐力が著しく低下していた．そこで本研究
では，積層ゴム支承のせん断耐力低下メカニズムを解明することを目的に，取り出した支承と新規製作した支承を解体し，外的要因を調査するために成分分析を行った．さらに，積層ゴム支承を模した供試体を作成し，劣化促進養生させたのち，せん断試験を行うことで力学特性の経年変化やその要因を評価した．その結果，積層ゴム支承の鋼板が腐食することによる電気化学的反応により，ゴムと鋼板の接着層の成分である塩素の化学結合が変化していることを確認した．その変化によりゴムと鋼板の接着層が劣化し，せん断耐力が低下したと考えられる．
キーワード:積層ゴム支承，経年劣化，接着層，内部鋼板の腐食はじめに定し，実橋から取り出した支承と新規製作した支承を解体調査した．さらに供試体試験を行い接着供用後 27 年経過した積層ゴム支承を実橋から取り出してせん断載荷試験を行ったところ，終局層が劣化する要因を特定し，せん断耐力の低下メカニズムを推定した．

せん断耐力が新規製作品に比べ著しく低下してい800したところ，ゴムと内部鋼板の接着層に何らかの700異常が生じてせん断耐力が低下した可能性が高い

600

新規製作支承（3体）
取り出し支承（4体）

支承水平反力(kN)

た 1)（図-1）．せん断耐力が低下した要因を調査

500

ことが示された 2)．
積層ゴム支承は兵庫県南部地震以降，耐震性向上を目的に多く採用されてきたが，20 年以上経400300
200過したゴム支承も多くなってきており，ゴム支承100の劣化特性を把握して適正に維持管理を行ってい0く必要がある．本研究では，積層ゴム支承のせん断耐力の低下要因をゴムと鋼板の接着の劣化と仮- 9 -050100150200
水平せん断ひずみ(%)

図-1 せん断載荷試験結果

250300１．研究対象支承
1-1 支承諸元およびゴムと鋼板の接着研究対象支承は，北神戸線の白川橋 P6 から取り出した積層ゴム支承（以下，「劣化支承」とい

図-2 劣化支承・リファレンスの支承構造図う）と，劣化支承と同じ形状寸法，同じ材質と手法で再現製造された支承（以下，「リファレンス」

ゴムという）である．形状寸法を図-2 に示す．

架橋層

劣化支承は 1986 年の橋梁建設時に設置された接着剤ものであり，内部鋼板はリングプレートタイプとプライマーなっている．構造は天然ゴム（NR）4 層の積層構

鋼板

接着層

図-3 ゴムと鋼板の接着層の模式図造で，ゴムの平面寸法は 400mm×450mm，総厚は107mm，形状係数は S1=5.93，S2=3.55 である．上部構造は PC ポストテンションＴ桁であり，5 径間連結桁の端部に設置されていた．
橋梁の積層ゴム支承はゴムと鋼板の複合材料で

写真-1 劣化支承に発生していたき裂あり，鋼板とゴムは強固に接着されている．製造方法は各メーカーにより異なっており，詳細な製造方法や材料等は不明であるが，一般的にはゴムと鋼板の接着は加硫接着が用いられている．加硫接着とは，鋼板に接着剤を塗布して未加硫ゴムを積層させ，加熱，加圧させることにより接着剤とゴムの分子を連結させる架橋反応を生じさせて強固な接着力を得る方法である．その接着力はゴム

写真-2 劣化支承の取付状況の強度よりも強いため，積層ゴムの強度試験を行った場合接着破壊が生じる前にゴムが破壊するの採取して分析を行った結果，き裂は大気中のオゾが一般的である．

ンによる酸化反応（オゾン劣化）と推定されてい図-3 は加硫接着の接着層の一般的な模式図でる．取り出す直前の 2013 年にき裂深さを測定しあり，本研究の対象であった積層ゴム支承も図-3たところ，最大深さは 21mm で積層ゴム内部までのような層構成である．本研究ではゴムと鋼板の達していたことから損傷は進展していたと考えら

接着体のうち，接着剤とゴムが架橋反応している

れる．また，劣化支承のフランジ部には写真-2部分を架橋層，その架橋層を含めた接着部分を接に示すように土砂が堆積しており，被覆ゴムの劣着層と定義する．実橋から取り出したゴム支承の化とともにフランジとアンカーボルトが著しく腐

実際の接着層の厚さは 20～40μm 程度であった．

食していた．

1-2 劣化支承の損傷状況

２．支承解体調査による劣化要因の検討

2006 年の点検で 1 支承線 10 基すべての表面に
写真-1 に示すような水平き裂が確認され，最大劣化支承とリファレンスをウォータージェット

深さは 5mm で被覆ゴム 5mm を貫通していた．これ

にて切断解体し，損傷状況の詳細観察，破断面等を受けて詳細調査が行われ，本体からサンプルをの詳細調査および成分分析等を行った．

- 10 -

2-1 外観観察および錆びの分析
劣化支承のフランジ部分を詳細に観察したとこ

写真-4

ろ，写真-3に示すようにアンカーボルト付近が著載荷試験用の穴しく腐食しており，t=2mmの被覆ゴムが容易に剥アンカー孔がれる状態であった．積層部のt=5mmの被覆ゴムを剥がして内部鋼板の側面を観察したところ，写真-4に示すように一部で錆が確認された．これは写真-3 劣化支承のフランジ腐食状況

鋼板を保護するための被覆ゴムが劣化し，内部鋼板が部分的に腐食したことを示している．

被覆ゴム（t=5mm）

積層部を液化窒素により強制冷却してゴムと鋼板を強制剥離させ，積層部に侵食する錆の状況を確認した．写真-5に示すとおり，下フランジに発内部鋼板の側面に錆が発生している

生した錆は，積層内部に2cm程度侵食していた．

写真-4 劣化支承の内部鋼板側面の錆

橋梁の死荷重が作用して圧縮状態にある支承においても錆は積層部まで侵食することが判明した．

積層部

この錆の侵食は，支承がせん断変形した場合，錆部が先行剥離して応力集中を招き，せん断耐力試

2cm程度の侵食程度の侵食
2cm

験時の破壊の起点となった可能性がある．
フランジ部に発生した層状錆の断面をSEM-EDX（走査型電子顕微鏡-エネルギー分散型X線分析装置）により元素分析したところ，写真-6に示すよ

フランジ部

写真-5 劣化支承積層部の錆の侵食状況

うに錆の内部に広く塩素（Cl）が分布していた．
凍結防止剤が多量に散布される路線にあったこの

SEM 像

Fe(鉄)

O(酸素)

Cl(塩素)

支承は，凍結防止剤の主成分として含まれる塩化物の影響で錆が促進された可能性がある．
2-2 破断面の分析
劣化支承とリファレンスにおいて，せん断載荷試験で破壊した鋼板とゴムの破断面を分析した．
せん断載荷試験にて破壊させた劣化支承とリファレンスのうち，鋼板との接着面付近で破壊した破断面を目視にて確認した．写真-7に鋭利なニードルで破断面を指した状況を示す．両者ともに鋼板付近で破断しており錆は発生していない．しか写真-6 フランジ部錆の断面元素マッピング
劣化支承

リファレンス

し，劣化支承はゴム層がなく硬質な面が露出しているが，リファレンスは薄くゴムが残っている．
同様に接着面付近で破壊しても破壊の状況が異なることが分かる．このことから，劣化支承のせん断耐力の低下には錆の影響のみではなく接着層の劣化が影響している可能性があると考えられる．

- 11 -

ゴムに刺さる

写真-7 支承の破断面の近接写真

2-3 ゴム内部の塩素分析

劣化支承切出しゴム断面

劣化支承は凍結防止剤に含まれる塩化物（Cl）

ゴム
表面側の影響により腐食が促進されていると推定された．
100μm

25μm
：塩素分析位置 50μm 25μm凍結防止剤の塩化物がゴム内部に直接浸透して接着層に影響を与えているか調べるために，ゴム内図-4 ゴム内部の塩素分析位置部に含まれる成分の元素定性分析を行った．分析する試料は図-4に示すように劣化支承のゴムを表

表-1 ゴムの表面から深さ方向への元素分析結果面を含んだ形状で採取して深さ方向に分析した．
分析結果を表-1に示す．ゴム表面近傍ではClが測定箇所

多量

少量
O，Ca，Fe，Zn，Si，S

ゴム表面

C

微量に検出されたものの50μm以上内部ではClが深さ25μm付近

C

S，Zn，Ca検出されなかった．従って，塩素がゴムに直接浸深さ50μm付近
深さ100μm付近
深さ200μm付近

C
C
C

S，Zn，Ca
S，Zn，Ca
Ca，Zn，S

透してせん断強度を低下させたとは考えられない．
2-4 接着層の劣化分析

微量Al，Cl，Ti，K
Fe，SI，Cl，K
Si，K
Si，K
Si，K

塩素の反応(196～204eV)

接着剤には，接着反応を促進させるために塩素が含まれている3)．その接着層内部の成分である塩素の化学結合状態をXPS（X線光電子分光法）により分析し，接着層内の異種物質を確認した．試料は劣化支承，リファレンスそれぞれの接着層から強度(最大値を1とした比率)

鋼板とゴムとを接着させるためのプライマーや有機塩素の反応
無機塩素の反応

劣化支承
リファレンス

劣化支承が相対的に大きい採取した．
分析結果を図-5に示す．劣化支承もリファレン

206

スもほとんど同じ結果であったが，劣化支承は塩

204

202
200
結合エネルギー(eV)

198

196

図-5 XPSによる塩素の化学結合状態分析結果

素のうち無機塩素の反応がリファレンスに比べ相対的に大きいことが判明した．接着剤に含まれる塩素は有機塩素が主体であるため，この無機塩素が関係していることが示されたことから，接着層は接着層内に異種物質が生成したことを意味し，の元素の化学結合状態が深さ方向にどのように変接着層の強度低下を招く要因となる可能性を示唆化するかXPS（X線光電子分光法）を用いてより詳するものである．

細に分析し，接着層を劣化させる化学的メカニズ

既往の研究では4),5)，鋼材の腐食による電気化ムの解明を試みた．分析試料は，劣化支承の鋼板学的作用により接着層に腐食反応生成物が発生し， 付近で剥離している硬い接着層付近に多原子イオン（コロネンC24H12 ）を照射してエッチングを行
接着力が低下することを指摘しており，今回の分析で確認された無機塩素が腐食反応生成物である

い，剥離面から鋼板へ向かう深さ方向に採取した．と考えられる．これが接着層の劣化要因の一つとエッチング時間は10秒，30秒，60秒，120秒と変考えられ，接着力の低下，結果的にせん断耐力の化させた．なお，接着層をエッチングした場合，低下につながった可能性がある．

エッチング深さは120秒で200nm程度と極薄層となっている．
塩素（Cl）に着目した結果を図-6 に示す．エ３．無機塩素に着目した接着層の深さ方向分析ッチング時間を増すにしたがい，Cl のうち 199eV
接着層の劣化要因の一つとして無機塩素の存在付近の無機塩素のピークが増大しているのが分か- 12 -

無機塩素のピーク

る．接着層のうち鋼板に近づくにしたがい無機塩検出強度（任意スケール）任意スケール（ずらして並べてピーク強度を比較）

素が増大しているということである．同部分の酸劣化支承
Cl 2p素（O）に着目した結果を図-7 に示す．O はエッチング時間を増すにしたがいピークは減少するものの，O のうち鉄（Fe）と結合する O-Fe 結合の530eV 付近のピーク強度はそれほど変化していないことが分かった．同部分の Fe に着目した結果

120s60s30s
10s0s

120s60s30s
10s0sを図-8 に示す．Fe のピークのうち 711eV 付近の205

ピークは Fe-O 結合または Fe-Cl 結合のピークで203201199
結合エネルギー / eV197195

図-6 XPS結果（Cl着目）ある．このピークはエッチング時間を増すにしたがいピークが増大している．これらのことから，任意スケール（ずらして並べてピーク強度を比較）
検出強度（任意スケール）

接着層で確認された無機塩素は Cl-Fe の結合である可能性が高いことが判明した．
これらの結果のうち，530eV 付近の O-Fe 結合，198.6eV，199.2eV 付近の Cl-Fe 結合および全 Cl，全 O，全 Fe のピーク強度から得られた相対濃度を深さ方向に対してプロットした結果を図-9 に劣化支承
O 1s120s60s30s10s0s

O-Fe のピーク

120s60s30s10s示す．無機塩素である Cl-Fe 結合は剥離面から鋼0s

板側に近づくにつれて増加し，O-Fe 結合は減少

538536534532530
結合エネルギー / eV528526

図-7 XPS結果（O着目）する傾向が認められた．この結果から，劣化支承
ではプライマー付近と鋼板との化学結合が，劣化と考えられる．

４．供試体による接着層の劣化メカニズム検討
ゴムと内部鋼板の接着層の劣化要因を明らかに

120s
60s
30s
10s0s

劣化支承
Fe 2p

検出強度（任意スケール）
任意スケール（ずらして並べてピーク強度を比較）

により O-Fe 結合から Cl-Fe 結合に変化している

120s
60s
30s
10s0s

するために，接着層を模した供試体を作成して引739

張せん断試験を行った．

734

729
724
719
結合エネルギー / eV

714709704

Fe-O または Fe-Cl のピーク

図-8 XPS結果（Fe着目）

4-1 経年劣化および塩水噴霧試験

90り促進養生させた試験を行って経年劣化による破壊特性を評価した．また，実橋から取り出したせん断耐力の低下した劣化支承は，塩化物の影響に

全Cl 2pO‐Fe(530eV)70
相対濃度 / atm%

意義と考えてよいとされているため6)，高温によCl‐Fe(198.6eV)
Cl‐Fe(199.2eV)

80

ゴムの経年劣化は低温長時間を高温短時間と同60

全O 1s
全Fe 2p50403020より鋼材が腐食していたことから，供試体も塩水10噴霧により養生して破壊特性を評価した．

0Cl-Fe 結合は増加
0

供試体は図-10 に示す形状寸法とし，材料は劣化支承と同じものを用いてゴムは天然ゴム（NR），- 13 -20406080100120

O-Fe 結合は減少 エッチング時間 / s

図-9 XPS結果（深さ方向相対濃度プロット）140

鋼材は SS400 とした．接着剤およびプライマーも劣化支承と同材料を使用した．ゴムと鋼板の接合は劣化支承と同様にブラスト処理後，接着剤を用いてゴムと鋼板を加硫接着した．養生条件は，標準養生供試体は 35℃とし，高温促進養生では70℃で温度のみを作用させた．塩水噴霧の供試体
は温度 35℃で JIS Z 2371 に従い養生した．養生時間は既往の研究 7)を参考に最長 3072 時間に設
図-10 引張せん断試験供試体と引張試験状況定した．
(1) 引張せん断強度

14す．せん断強度は標準養生ではほとんど低下しな
いが，温度70℃および塩水噴霧では養生時間の増加とともに明確な低下傾向が現れた．
(2) 引張せん断試験供試体の破断面性状
供試体試験での壊れ方の割合を図-12に示す．

引張せん断強度(MPa)

引張せん断強度と養生時間の関係を図-11に示

12

標準養生

10温度のみ70℃

86

塩水噴霧

標準養生

4塩水噴霧

2温度のみ70℃

0

標準養生および温度70℃では全てがゴム層で破断07681536

するゴム破壊であった．ゴムと鋼板の接着は，接2304

図-11 引張せん断強度結果

着強度よりゴム強度の方が小さいため，ゴムで破断するゴム破壊が一般的である．従って，温度塩水噴霧にて養生した供試体はゴムと金属の接着界面が剥離する接着破壊が発生しており，それ破壊面の割合したものと判断できる．

80%
60%

ゴム破壊

40%
20%
768

1,536

3,072

養生時間(時間)影響により破壊特性が変化し，壊れ方の変化なら

80%
60%

ゴム破壊

40%
20%
0%

0%

は養生時間の増加とともに増加している．塩水の接着破壊7%～26%

100%

100%

破壊面の割合70℃でせん断強度が低下したのはゴム自体が劣化

3072

養生時間(時間)

768

1,536

3,072

養生時間(時間)

標準養生・温度70℃
塩水噴霧
図-12 供試体の壊れ方の割合

びにせん断強度の低下に現れたものと考えられる．
塩水噴霧において1536時間および3072時間養生のものはせん断強度が50%以上低下している．一的反応に基づくものか，イオン類の物理的な侵入方，壊れ方の割合のうち，接着破壊は1536時間でに基づくものかを明らかにするために，臭化カリ

7%，3072時間で26%となっており，接着破壊の割

ウ ム （ KBr ） を 用 い て 鋼 板 を 腐 食 さ せ ， 塩 水合に比べ，せん断強度が著しく低下している．標（NaCl）を用いた場合と劣化速度に差異が認めら

準養生ではせん断強度が低下しないこと，水分のれるか調査した．

7)

みではせん断強度は低下しない こと，塩化物自イオン半径は KBr と NaCl で大きさが異なる 8）．

体はゴムを透過しないことから，鋼材の腐食によ

イオン半径が異なるとゴム内部への物理的な浸入り接着力が低下してせん断強度が低下したものと速度が変わるため，腐食による劣化メカニズムが考えられる．

評価できる．K+イオン及び Br-イオンは Na+及びCl-イオンよりもイオン半径が大きく，水和イオ

4-2 臭化カリウムによる腐食促進試験

ン半径が小さいため，せん断強度の低下速度がせん断強度の低下が鋼材の腐食による電気化学

KBr 処理＞NaCl 処理ならば水和イオンの物理的- 14 -

な侵入，KBr 処理＜NaCl 処理ならば塩そのものの５．まとめ

物理的な侵入，KBr 処理≒NaCl 処理ならば電気化学的反応に基づく劣化であることがわかる．

本研究では，積層ゴム支承のせん断耐力低下メ

養生方法は KBr，NaCl ともにモル濃度を合わせカニズムを解明することを目的に，実橋から取り（0.856mol/L），温度 35℃で 264 時間溶液中に浸出した支承の詳細分析を行うとともに，供試体を漬し，その後 1 週間に 1 回の噴霧養生に切り替え， 種々の条件で養生させてせん断試験を行った．
最大 1176 時間養生させた．

その結果，ゴムと鋼板を接着させるための接着養生後の供試体の抜粋を写真-8 に示す．錆は剤に用いられる塩素が，鋼板の腐食による電気化

KBr 水溶液と NaCl 水溶液ともに鋼板全面に発生学的反応により，O-Fe 結合から Cl-Fe 結合に変しており，両者とも外観上の差異は認められなか化することが判明した．これがゴムと鋼板の接着った．せん断試験結果を図-13 に示す．KBr 水溶層における劣化と考えられ，その劣化が原因で積液と NaCl 水溶液でせん断強度の低下傾向にも差層ゴム支承のせん断耐力が低下したと考えられる．

異は認められず，供試体の壊れ方もいずれも類似

この研究結果から，積層ゴム支承のせん断耐力しており有意差は認められなかった．このことかの低下は以下のようなメカニズムで発生すると推ら，接着層の劣化は KBr や NaCl の塩あるいはイ定した．
（図-14）．

オンが接着層に物理的に侵入することで生じるの①被覆ゴムの劣化等により内部鋼板が腐食環境ではなく，電気化学的反応により生じたものと考となる．

えられる．

②ゴムと鋼板が接着された鋼板が腐食する．
③鋼板の腐食により電子がゴム支承内部に移動する．
④接着層の O-Fe 結合が Cl-Fe 結合に変化し（無機塩素の生成），接着層が劣化する．
⑤接着力が低下し，積層ゴム支承のせん断耐力が低下する．

養生前

養生後
NaCl 養生

養生前
養生後
KBr 養生接着剤

写真-8 NaCl・KBr養生による供試体外観例

ﾌﾟﾗｲﾏｰ

14

せん断強度 / MPa

122e-④O-Fe 結合がCl-Fe 結合に変化

NaCl平均値②鋼板の腐食Fe→Fe2++2e-

O-Fe 結合

内部鋼板
KBr平均値①被覆ゴムの劣化等

被覆ゴム

内部ゴム

③電子のゴム支承
内部への移動10NaCl平均値⑤接着力の低下（支承せん断耐力の低下）

KBｒ平均値

図-14 積層ゴム支承のせん断耐力低下864メカニズム概念図

200200400600
800
養生時間 / h1000

12001400

図-13 NaCl･KBr養生による供試体せん断試験結果

謝辞：本研究については「積層ゴム支承の耐久性評価に関する検討会（主査：五十嵐晃京都大学大学院教授）」の委員各位より貴重なご意見を頂きました．ここに感謝の意を表します．

- 15 -5)

参考文献
1)

2)

3)
4)

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坂本直太，向井梨紗，篠原聖二：積層ゴム支承における内部鋼板とゴムの接着層の劣化特性評価，第 20回性能に基づく橋梁等の耐震設計に関するシンポジ
ウム講演論文集，2017.7.
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飯泉信吾：腐食環境におけるゴム/金属加硫接着体の耐久性，日本ゴム協会誌 65,96,1992

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8)

横井浩,奥本忠興,竹内勝政,今井英幸:天然ゴム-鋼板接着物の腐食劣化特性, 日本ゴム協会誌
67,198.1994
坂本直太，向井梨紗，篠原聖二：積層ゴム支承のゴムと内部鋼板の接着層における経年劣化特性の評価，第 19 回性能に基づく橋梁等の耐震設計に関するシンポジウム講演論文集，2016.7.
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F.A.コットン，G.ウィルキンス，P.L.ガウス：基礎無機化学，第 3 版，培風館，pp288，1998.

ESTIMATION OF DETERIORATION MECHANISM OF BONDING LAYERS BETWEEN
RUBBER LAYERS AND STEEL PLATES IN A RUBBER BEARING
Naota SAKAMOTO, Risa MUKAI and Masatsugu SHINOHARA
Deterioration by aging was found in laminated rubber bearings which were installed on a highway
bridge of the Hanshin Expressway Kita Kobe Route in 1991. A shear strength test was conducted,
proving that a significant decrease had occurred in their shear force. In this paper, component analyses
were carried out on the damaged existing bearings and new ones to analyze the deterioration mechanismof shear capacity of laminated rubber bearings and to determine the external factors. Furthermore,shearing tests were performed using artificial specimens after accelerated degradation to assess the aginginduced changes of mechanical characteristics and their causal factors. These tests indicated that thechemical bond of chlorine, a component of the bonding layer between a rubber layer and a steel plate,
was broken to form inorganic chlorine during a chemical reaction in the process of corrosion of the steelplate. The chemical change of chlorine was considered to be the cause of the deterioration of the rubbersteel bonding layer, leading to a decrease in the shear force of the bearing.

坂本 直太

向井 梨紗

篠原 聖二

阪神高速技術株式会社
技術部 調査点検課
Naota Sakamoto

阪神高速道路株式会社
保全交通部システム技術課
Risa Mukai

阪神高速道路株式会社
技術部 技術推進室
Masatsugu Shinohara- 16 -