第九回道路橋床版シンポジウム論文報告集

土木学会

第九回道路橋床版シンポジウム論文報告集 土木学会

論文
論文

ケミカルプレストレスの定量化による合成床版のひび割れ抵抗性の管理
神頭峰磯*，木村潤市***日本車輌製造株式会社 輸機・インフラ本部技術計画室（〒456-8691 愛知県名古屋市熱田区三本松町 1-1）**デンカ株式会社 青海工場セメント・特混研究部（〒949-0393 新潟県糸魚川市大字青海 2209）
鋼・コンクリート合成床版（以下，合成床版）の長寿命化を目的に，合成床版に使用される膨張コンクリートのケミカルプレストレスに着目して，合成床版のひび割れ抵抗性を評価した．本論文では，合成床版内のケミカルプレストレスが，管理用供試体の長さ変化率を基準に，仕事量一定則を適用することで評価できることを実験的に検討した．これにより，膨張材の使用量や合成床版の拘束度の検討を施工前に行うことができ，合成床版のひび割れ発生リスクを低減できる．

キーワード：膨張材，ひび割れ抵抗性，ケミカルプレストレス，合成床版

1．はじめに近年，鋼橋の床版に用いられる合成床版は，一般的なRC 床版よりも耐久性に優れている反面，コンクリートが鋼材に覆われる構造になることからコンクリートに対する拘束が強く，収縮に起因するひび割れが発生し易い特徴がある．そのため，材齢初期のひび割れ発生を抑制する目的で，合成床版には，収縮補償範囲で膨張コンクリートが用いられている．
膨脹コンクリートを用いる際の品質管理は，主に材齢28 日における圧縮強度と，JIS A6202 による拘束膨脹試験を行うに留まり，施工される合成床版のひび割れ抵抗性について管理するものではない．
今回，合成床版に使用される膨張コンクリートのケミカルプレストレスに着目し，合成床版の品質管理手法にひび割れ抵抗性の評価を加えることで，施工前に合成床版のひび割れ発生リスクを管理する手法を検討した．
2．ケミカルプレストレスの定量評価
2.1 仕事量一定則の概念による推定
膨張コンクリートのケミカルプレストレス量は，仕事量一定則の概念によって評価できることが知られており，「単位体積あたりの膨張コンクリートが拘束に対してなす仕事量は，膨張コンクリートの配合および養生条
件が同じであれば，鉄筋量や鉄筋の配置方法によらず，一定である」との仮定に基づくもので，式（1）で表される．
U∙ｃ ∙ ｓ＝一定

(１)

図－1 ミニモデルの形状寸法
ここに，U：膨張コンクリートが拘束鋼材に対してな，σｃ：ケミカルプレストレス（N/mm2），す仕事量（N/mm2）-6εｓ：拘束鋼材の長さ変化率（×10 ）である．
この仕事量一定則では，経時変化する膨張コンクリー
トの弾性係数やクリープ係数を必要としないため，基準となる管理供試体の長さ変化率から，容易に実部材のケミカルプレストレスを推定することができる 1),2)．
2.2 ミニモデルによる評価
一般に，仕事量一定則の概念によって評価するケミカ
ルプレストレス量は，JIS A6202 附属書 2 に示されている鉄筋比が 0.95％の一軸拘束膨張試験を基準とする場合が多いため，鉄筋比が 4％以上と大きい場合には，過大に評価する傾向がある 3）．そのため，合成床版の拘束鋼- 47
1 -400
ミニモデルのひずみ（×10-6 ）材比（3～6％程度）に対する仕事量一定則の適用について，合成床版の拘束を模擬した供試体（以下，ミニモデル）により確認した．
ミニモデルの形状寸法を図－1 に示す．ミニモデルは，断面が 100×100mm，長さを 400mm とし，JIS A 6202 附
属書 2 B 法で，長さ変化率を測定できる形状とした．拘
束条件は，供試体の底面に厚さが 4.5mm の鋼板，両端部に反力をとるために厚さが 19mm の鋼端板を配置し，JISA6202 附属書2 B 法で測定できるように測定チップを設置した．上縁から 32.5mm の位置に M11 の PC 鋼棒を 2本配置した．また，合成床版のリブを模して，高さが50mm の鋼板を両端から 50mm の位置にそれぞれ設け，供試体の中心から 50mm の位置にジベル筋として M8 のボルトを 2 本配置した．これらの構成により，ミニモデ
ルの拘束鋼材比は，6％程度となった．コンクリートは，呼び名が 30-8-20N をベースに，エトリンガイト石灰複合系の低添加型膨脹材を 0,20,25,30kg/m3 として，単位セメント量に置換したものを用いた．ミニモデルの他に，JIS A6202 附属書 2 B 法による管理供試体を作製し，長さ変化率を材齢 1，3，5，7，14，28，56，91 日で測定した．
図－2 に管理供試体の長さ変化率とミニモデルの軸方向の中心位置におけるひずみの関係を供試体の材齢ごとにプロットした．なお，ミニモデルのひずみは，JIS A
6202 付属書 2 に準じて，供試体のプラグ間の距離を測定して，ひずみに換算したものである．また，管理供試
体の長さ変化率を基準とした場合に対して，仕事量一定則の概念を適用し，ミニモデルの拘束条件下におけるミニモデルの中心位置で算定した推定値をグラフに併記した．管理供試体の長さ変化率とミニモデルの軸方向の中心位置におけるひずみの関係は，仕事量一定則の概念に基づく推定値に，ほぼ対応することが確認できたため，拘束鋼材比が高い合成床版においても仕事量一定則が適用できると考えられる．

推定値

300
20030㎏/m

10025㎏/m

330-10020㎏/m3-2000㎏/m

3-300-400-400-2000200400-6

管理供試体の長さ変化率（×10 ）図－2 実験値と推定値の比較
表－1 実験水準およびコンクリートの配合
Case
1234W/C+Ex(%)
49.0
49.0
49.0
49.0s/a(%)
43.2
43.2
43.2
43.2

単位量（ｋｇ/ｍ3）
WCEx165
337016531720165
3122516530730

橋軸直角方向ひずみ計測パネル

図－3 試験体の形状寸法
2.3 模擬合成床版による評価
ミニモデルの試験結果より，合成床版において仕事量一定則の概念が適用できることが確認されたため，合成床版におけるひび割れ抑制効果の検証を目的として，実際の合成床版を参考とした 1.5ｍ×1.5ｍの合成床版大型モデル試験体を用いて膨脹材の使用量を要因としたモデル実験を行った．
(1) 実験概要
表－1 に実験水準とコンクリートの配合を示す．実験水準は，エトリンガイト石灰複合系の低添加型膨脹材の使用量を 0，20，25，30kg/m3 とする 4 水準とした．また，現場での膨脹コンクリートの管理評価には，一般的に運用されている JIS A6202 附属書 2 の一軸拘束膨脹試験（以下，JIS 法）と，JCI-S-009-1012「円筒型枠を用いた膨脹コンクリートの拘束膨脹試験方法」（以下，SG 法）を併用した.
図－3 に実験で使用した試験体の形状寸法，およびひずみ計の設置位置を示す．試験体は，ロビンソンタイプの合成床版を参考とした．このタイプは，底鋼板にずれ止めのスタッドを溶接してコンクリートとの一体化を図ることを特徴としている．
(2) 測定項目
測定項目は，底鋼板，コンクリートおよび鉄筋のひずみ，および温度とした．合成床版の底鋼板および鉄筋には，基長が 6mm のワイヤストレインゲージ（以下，WSG）を，コンクリートには埋込型のひずみ計を用いて，それぞれのひずみを計測した．ゲージの設置部位は，図－3

2 - 48

123430kg/m3

SG法のひずみ（×10-6 ）Case300

表－2 打込みコンクリートの性状
圧縮強度※1 長さ変化率※2
スランプ 空気量
C.T.
（cm)
（％）
（℃）
（N/mm2)（×10 -6）
10.5
5.7
1635.0-32
10.0
5.7
1635.9120
10.0
5.3
1634.5185
8.0
4.3
1835.53140

膨張材
0kg/m3

100

100-6

鉄筋
○鉄筋コン△
コンクリート
底床 板
底鋼板 □200

4000-100

底鋼板
コンクリート鉄筋

300

鉄筋
○
鉄筋
コン
△
コンクリート
底床 板
底鋼板 □

200
100
0-100

底鋼板
コンクリート鉄筋-200-300

0285684112

140168

196

02856

材齢（日）

ひずみ（×10-6 ）-6

ひずみ（×10 ）

300
200
100
0-100

196

20kg/m 3

300
200
100
0-100-300

0

28

56

84

112

140

168

0

196

2856

84

112

140

168

196

材齢（日）

材齢（日）

500

500
25kg/m3

400

25kg/m 3

400

300

ひずみ（×10-6 ）

-6

168

-200-300

ひずみ（×10 ）

140

400

-200

200
100
0-100

300
200
100
0-100
-200

-200-300

-300
0

28

56

84

112

140

168

196

028

56

材齢（日）

84

112

140168

196

材齢（日）

500

500
30kg/m 3400300
2001000-100-20030kg/m 3400
ひずみ（×10-6 ）-6112

50020kg/m 3400ひずみ（×10 ）

84

材齢（日）

50030kg/m3

4000kg/m 3計算値
S G法
JIS法
SG法
○●
●
△▲
▲
■
□
■

推 定値

部位 JIS法

部位S G法ひずみ（×10 ）3000kg/m 3計算値
JIS法 SG法
●
○
●
▲
△▲
■
□■

推 定値

部位 JIS法

部位-30025kg/m3300

橋軸直角方向

-20020kg/m3200

500

400-60

図－4 JIS 法と SG 法の比較

橋軸方向

ひずみ（×10 ）材齢7日

JIS法の長さ変化率（×10 -6 ）

5000kg/m320kg/m3100-100-100※1 現場養生における材齢28日の圧縮強度※2 JIS A6202附属書2の材齢7日の長さ変化率（供試体は現場で採取）

膨張材の単位量

25kg/m3

200300200
1000-100-200-300-300

0285684112140168

1960材齢（日）285684112140168

196

材齢（日）

図－5 合成床版大型モデル試験体のひずみに示す試験体の中央部と，リブを挟んでその上部の 2 箇所とした．それぞれの部位において，底鋼板と鉄筋のそれぞれ橋軸方向と橋軸直角方向の 2 方向に WSG を貼付した．埋込型ひずみ計は，高さ方向の中央位置に，それ3 - 49ひずみの分布

ケミカルプレストレスの分布
0軸方
向20kg/m350100

上縁からの距離（mm）

橋上縁からの距離（mm）

025kg/m30kg/m315030kg/m3200250

橋軸方向-1000100200

30050

橋軸方向

10015030kg/m3-2.0方
向50

上縁からの距離（mm）

角

上縁からの距離（mm）

直-1.0-0.5

0.00.5020kg/m325kg/m3

3100-1.5

ケミカルプレストレス（N/mm2 ）0軸25kg/m320kg/m3

250

ひずみ（×10 -6 ）橋0kg/m3

2000kg/m

150
30kg/m3200
250

橋軸直角方向

-1000

100

200

300

50
100
150
200

30kg/m30kg/m325kg/m3

250
-2.0

ひずみ（×10 -6 ）橋軸直角方向

20kg/m3

-1.5

-1.0

-0.5

0.00.52ケミカルプレストレス（N/mm ）図－6 試験体の断面内のひずみおよびケミカルプレストレスの分布の推定
ぞれ橋軸方向と橋軸直角方向に設置した．
(3) コンクリートの特性
表－2 にコンクリートのフレッシュ性状，および力学特性を示す．冬季の打込みであったため，長さ変化率はやや小さめとなった．また，圧縮強度は，いずれの水準も約 35N/mm2 であった．
(4) SG 法による膨脹ひずみ
図－4 に材齢 7 日における SG 法の測定値と JIS 法の長さ変化率の関係を示す．現場に存置した SG 法の供試体は，現場封緘養生とした．JIS 法の供試体は，供試体採取の翌日以降が 20℃水中養生となり，水分供給を受け膨脹ひずみが大きくなる.このことから，JIS 法のひずみはSG 法に比べて若干大きなひずみを示したが，概ね同様の傾向といえる．
(5) 合成床版のひずみ
図－5 に底鋼板，鉄筋およびコンクリートのひずみの経時変化を，橋軸方向と橋軸直角方向で整理した代表例
を示す．底鋼板および鉄筋のひずみは貼付した WSG の測定値を，コンクリートのひずみは高さ方向の中央に埋設した埋込型ひずみ計の測定値である．また，仕事量一定則の概念における計算値を○，△，□でそれぞれプロットした．なお，JIS 法の測定値を基準とした場合を塗りつぶしなし，SG 法の測定値を基準とした場合を塗りつぶしで表記した．実験値において，膨張材の使用量に応じて各部位のひずみが大きくなっている．膨脹コンク

リートを使用した試験体のひずみは，いずれも材齢 7 日程度まで膨張を示し，その後，ほぼ一様の値となり，膨脹ひずみが長期にわたって導入されているといえる．
橋軸方向と橋軸直角方向では，鉄筋比の違いに加えて，リブの拘束の影響を受け拘束度の大きい橋軸直角方向のひずみが小さくなった．断面内のひずみの分布は，拘束の大きい底鋼板の近傍のひずみが小さく，底鋼板から離れた鉄筋のひずみが大きい結果となった．
また，実測されたひずみと，管理供試体の膨張率と仕事量一定則の概念によって算出した計算値は，同等もしくは若干計算値が小さい結果となった．
(6) 合成床版に導入されたケミカルプレストレス
図－6 は，仕事量一定則の概念を積層モデルに取り入れた断面解析 4)により算出した試験体断面のひずみ分布とケミカルプレストレスの推定値である．解析モデルは，拘束体を底鋼板および鉄筋としてモデル化した．なお，ジベル筋は橋軸方向の膨張を拘束するものではなく，底鋼板に力を伝達する機能を有するものと仮定した。試験体の下縁では，底鋼板の拘束によりひずみは小さく，ケミカルプレストレスは大きくなる．下縁から上縁に向かって，底鋼板の拘束の影響が小さくなるため，ひずみが大きくなり，ケミカルプレストレスが小さくなる．コン
クリートの収縮に起因するひび割れは，床版上面で発生することから，床版上縁のケミカルプレストレスが評価できることは，実務上有用である．また，図－7 は，合成床版上縁のケミカルプレストレスと，断面内のケミカルプレストレスの平均値を，JIS 法の長さ変化率で整理

4 - 50合成床版のCP（N/mm2）0.0

合成床版内のケミカルプレストレス算出グラフの作成

橋軸方向（上縁）-0.1

軸直方向（上縁）
橋軸方向（平均）-0.2

合成床版設計完了後に積層モデルによる断面解析から作成

軸直方向（平均）

試験練り（配合３種類）-0.3-0.4

JSCEの収縮補償
コンクリートの範囲-0.5-0.6050

100150200 250300

コンクリート温度、空気量
スランプを測定

フレッシュ性状の確認

350

供試体作製（JIS A 6202附属書2）400

JIS法の長さ変化率（×10 -6）

図－7 JIS 法の膨張率とケミカルプレストレス

強度低下の有無を確認

σ7の計測したものである．図－7 を利用することにより，目標とするケミカルプレストレスから，膨脹コンクリートに要求される膨張率が推定される．この長さ変化率を満足する膨脹材の使用量を試験練りで事前に把握しておくことで，適切な膨脹材の使用量を選定することができる．

膨張性試験の実施※JIS A 6202附属書2,またはJCI-S-009-2012による試験

σ7における膨張率が150×10‐6～250×10‐6

No

適用除外
（使用量を再検討）

Yes
σ28は呼び強度以上

No

3．実橋における効果の確認3.1 実橋におけるひび割れ抵抗性の検討
仕事量一定則の概念を取り入れた積層モデルによる断面解析により，合成床版上面のケミカルプレストレスが定量評価できることを実験で確認した．これを用いることで，JIS A6202 または SG 法によって測定した膨張率に対する合成床版のケミカルプレストレスが算出できるため，ひび割れを抑制できる膨張率を算出することができる．
本手法を用いて，4 径間連続鋼鈑桁橋の合成床版における配合検討を行った．本橋では，中間支点が固定支承であり，中間支点付近の床版コンクリートが温度変化を受けた場合に高い引張応力度が発生するため，膨張材によるケミカルプレストレスの管理により，ひび割れ抵抗性の向上を試みた．ひび割れ抵抗性は，引張強度に対するコンクリートの引張応力度の比で検討を行い，数値が高いほど，ひび割れ抵抗性を有していると判断した．なお，コンクリートの引張応力度は，打込み順序により生じる引張応力度に温度変化時の付加応力と膨張材によって得られるケミカルプレストレス量を考慮することにより算出した．
本橋のコンクリートの配合では，膨脹材の標準使用量である 20kg/m3 に対する膨脹率が不明であったため，標準使用量に加え，25kg/m3，30kg/m3 の添加についても試験練りを行い，図－8 に示すフローにより検討を行った.
本橋のコンクリートの配合を表－3 に示す．本検討では，合成床版の設計完了後に積層モデルによる断面解析を行い，図－9 に示すケミカルプレストレスと膨張率の関係をグラフ化した．
試験練りでは，各配合に対してフレッシュ性状の確認

断面解析により、合成床版内のひずみ分布とケミカルプレストレス量を推定
Yes
ひび割れに対する安全性を検討適用する膨張材の使用量に対する効果を数値で確認※引張強度＞発生応力度の余裕量確認

膨張材の使用量を決定

図－8 検討フロー表－3 実橋合成床版の配合
Case
123W/C+Ex(%)
49.5
49.5
49.5s/a(%)
43.5
43.5
43.5

単位量（ｋｇ/ｍ3）
WCEx164311201643062516430130

図－9 ケミカルプレストレス算出グラフと JIS A6202 による膨脹試験，材齢 7 日および 28 日の圧縮強度試験を行った．試験で得られた圧縮強度と膨張率の結果を表－4 に示す．また，試験練りによって得られた膨張率からケミカルプレストレスを算出した結果を

5 - 51

図－10 に示す．膨脹材が 20kg/m3 使用時の圧縮応力であ
表－4 圧縮強度と JIS 法による膨張率
るケミカルプレストレスは-0.41N/mm2 であり，25kg/m3
材齢
膨脹材添加量の使用時では-0.53N/mm2 と約 30％向上した．また，膨張3(日) 20kg/m25kg/m3 30kg/m3
材を 30kg/m3 使用した場合のケミカルプレストレスは，圧縮強度(N/mm2)
728.3
28.7
28.0
-0.90N/mm2 で，標準使用量 20kg/m3 の 2 倍以上のケミカ
2838.438.637.5
ルプレストレスが床版上面で発生する．しかし，本橋に-6膨張率(×10 )7179229388
用いるコンクリートは，コンクリート標準示方書における収縮補償コンクリートとしたため，膨張率の上限を250×10-6 とし，これを超える配合は適用しないこととした．そのため，今回の検討では，膨張材の使用量を25kg/m3 に決定した．表－5 に本検討の効果を示す．標準使用量の 20kg/m3 に対して，25kg/m3 に膨張材を増量することにより，引張強度と引張応力度の比は，約 6％の改善が期待できる．また，本橋の場合，表－4 に示すように，膨張材の使用量 30kg/m3 においても著しい圧縮強度の低下が見られないことから，膨張材の 30kg/m3 の採用
図－10 床版上面のケミカルプレストレスも可能であったと考えられる．この場合，引張強度と引張応力度の比は，約 29％改善が見込まれ，より一層ひび
表－5 膨脹材の効果
割れ抵抗性を向上することができる．
膨脹材の単位量以上により，合成床版のひび割れ抵抗性を定量化して，20kg/m3 25kg/m3 30kg/m3
対策を講じることにより，合成床版のひび割れ発生リス
ケミカルプレストレス(N/mm2)-0.41-0.53-0.90
クを低減することができた．また，本検討のように膨張引張応力度(N/mm2)：温度変化時
2.20
2.08
1.71
率の上限を収縮補償コンクリートの範囲の上限に設定
引張強度/引張応力度
1.01
1.07
1.30
し，膨脹材の標準使用量に対する膨張率が，上限付近となるようなコンクリートの場合でも，鉄筋量の増加など床版のひび割れ抵抗性を事前に評価でき，ひび割れ合成床版の拘束度を高めることにより，膨脹材の効果で抑制対策を定量的に検討できる．
あるケミカルプレストレスの増強を図ることができる．
本手法を用いることにより，合成床版に使用される膨
参考文献
張材を効果の面から最適量について検討することが可1)
辻幸和：ケミカルプレストレスの推定方法について，セメン
能となり，施工前に合成床版の性能を照査し，その対策
ト技術年報，No.27，pp.340-344，1973について検討することができる．
2) 辻幸和：ケミカルプレストレスおよび膨張分布の推定方法，

4．まとめ
本検討により，鋼・コンクリート合成床版のひび割れ抑制を目的として，膨脹コンクリートを適用した場合のケミカルプレストレス量の定量化を検証した結果，以下の知見を得た．
(1) 拘束鋼材比が 6％程度と大きい合成床版に対しても仕事量一定則が適用できる．
(2) 仕事量一定則の概念を適用することにより，JIS 法ま
たは SG 法による管理試験の膨脹ひずみから導入プレストレス量の安全側での評価が可能となる．
(3) ケミカルプレストレスに着目することにより，合成

コンクリート工学，Vol.19，No.6，pp.99-105，June 19813) 辻幸和，栖原健太郎：膨張コンクリートの性能評価，技報堂
出版，20114) 辻埜真人，橋田博,菊池俊文，田中博一：膨脹材と石灰石骨材を併用した低収縮コンクリートに関する検討（その 2 膨
脹コンクリートの品質管理方法）日本建築学会大会学術講演
梗概集（北陸），A-1，pp.925-926，2010.95) 栖原健太郎，李春鶴，芦田公伸，辻幸和：膨脹コンクリート

6 - 52を用いた CPC はりの曲げひび割れ幅の評価,コンクリート
工学年次論文集,第 31 巻，No.2，pp229-234，2009.7（2016 年 7 月 18 日受付）