研究報告

塩害により腐食劣化が進行したプレテンション桁の耐荷性能評価
田中泰司＊1・下村

匠＊2・武田健太＊3・山口貴幸＊4

本稿では，プレストレストコンクリート（PC）橋において，塩害による腐食劣化が進行した際の耐荷性能の劣化過程を確認するために，実験室内で緊張材の腐食要素実験と，プレテンション桁の模型実験を行い，腐食による部材全体の構造性能の劣化が材料特性の変化からある程度説明可能であることを示した。
また，プレテンション桁で塩害劣化が生じた場合に，耐荷性能がどのように低下するのか，またその性能低下をどのように評価すればよいのかについて，実橋の破壊実験結果にもとづき，検討を行った。外観のひび割れ状況と内部の腐食劣化状況を丁寧に観察し，その情報をもとに FEM 解析を用いて現有性能を評価する手法の適用性を確認した。最後に，現有性能の評価に必要となる情報を得るための劣化診断方法について検討し，今後の課題を整理した。
キーワード：腐食，プレストレストコンクリート，塩害，有限要素解析
表- 1

1．は じ め に
新潟県を含む日本海側の地域では約 30 年前から季節風による多量の飛来塩分 1 ） や，寒冷地域で使用される凍結防止剤に起因する塩害の問題に悩まされてきた。高度成長期に建設された橋梁が高齢化する時期を迎え，海岸部にあ目視調査による塩害劣化の評価レベルの指標

評価レベル

外観状態

A
（潜伏期～進展期）

健全。
（セパ近傍の軽微な劣化も含む）

1（加速期前期）

る橋梁の塩害劣化の問題は，ますます深刻化している。
図 - 1 は，新潟県沿岸部にある道路橋の塩害劣化状況

塩害起因のひび割れの発生。
錆汁が認められる。
補修履歴がある。

2
主桁または床版下面から鉄筋が露出し，（加速期後期腐食している。
～劣化期） 補修後，再劣化ひび割れが発生している。

を，表 - 1 の目視指標により判定したものである 2 ）。沿岸部にある橋梁の約 7 割で，ひび割れや浮き，はく落などの劣化が顕在化している状況にある。とくに，建設から 203（劣化期）

年以上経過している橋梁では，劣化している橋梁の割合が耐荷力の低下が顕著であり，崩落の危険性がある。

多い。
図 - 2 に示すように，新潟県沿岸部にある橋梁のうち，
90

380270
橋梁数

プレストレストコンクリート橋（以下，PC 橋）は約 4 割

501403020

木橋 2評価レベル
321A60鋼42PC
129A

1001〜20

21〜40

41〜60

60〜RC
162

供用年数

図- 1 新 潟県沿岸部にある橋梁の供用年数別の橋梁数と塩害劣化レベル（海岸から 500 m 以内にある橋梁）

図- 2

新潟県沿岸部にある橋梁の構造種別割合（海岸から 500 m 以内にある橋梁）

Yasushi TANAKA：長岡技術科学大学 環境・建設系 助教
Takumi SHIMOMURA：長岡技術科学大学 環境・建設系 教授＊3Kenta TAKEDA：長岡技術科学大学大学院 建設工学専攻＊4
Takayuki YAMAGUCHI：長岡技術科学大学 技術支援センター＊1＊2Vol.56, No.3, May 201461研究報告を占める。また，それらの 6 割で，塩害による劣化が生じせん断補強鉄筋 D6@100100ている。このように，PC 橋の塩害劣化事例は，数多く存在しているのに対し，鋼材の塩害腐食が構造性能に与える150少ない。そこで筆者らは，プレテンション桁を検討対象と30して，室内実験と実橋載荷実験を行い，塩害により腐食劣9030

影響については，RC 部材に対して PC 部材では検討例がCL

2 20030 40 30化が進行すると，PC 部材の力学性能はどのように低下するのかを，実験的に明らかにした。また，腐食劣化したプレテンション桁の残存性能を解析的に評価する方法につい

φ2.9

3 本より線鋼線

図- 4

電食試験体の寸法て検討を行った。本稿では，それら一連の研究の概要を紹介する。

PC 鋼材

2．塩害腐食した PC 桁の室内実験
2.1

吸水スポンジ

PC 鋼より線の腐食の特徴

PC 鋼より線は，細径の素線を束ねたものであるため，異形鉄筋と比較して，比表面積が大きい。鋼材の腐食には3 % 食塩水

外部から供給される酸素や水分が不可欠であるため，比表

図- 5

面積の大きい PC 鋼より線は，鉄筋と比較して腐食の進行

銅板

電食方法がはやい。図 - 3 は，新潟県沿岸部に 1 年間曝露した鋼材の重量減少率を示したものである。D13，D25 の異形鉄

1 500

筋の重量減少率は 2 ％以下であったのに対して，φ 2.9 のPC 2 本より線では 8 ％以上の測定結果となった。平均的

1 000

な錆び厚で整理すると，鋼材の径によらずほぼ同様な値となることから，鋼材の腐食量はおおむね表面積に比例する500ようである。
錆び厚の増加速度（mm/年）

重量減少率

010 %
9%
8%
7%
6%
5%
4%
3%
2%
1%
0%
2.9

13250.10
0.090.080.070.060.05
0.040.03
0.020.010.00

図- 3200

図- 6400600

800
1 000 1 200
Frequency（Hz）

1 400

1 600

1 800

2 000

鋼材破断音のフーリエ振幅スペクトル

れ，そのうちのひとつは鋼材の張力や長さ等から算出される弦の振動数である 320 Hz と一致した。このように，可聴音のモニタリングと周波数分析によって，鋼材の破断現象が検出できる可能性がある。さらに，複数のマイクを組み合せることで，破断位置をある程度特定できることも確
2.9鋼材径（mm）

013認している 4 ）。

25鋼材径（mm）

2.2

沿岸部に 1 年間曝露した鋼材の重量減少率測定結腐食した PC 鋼より線の力学性能

コンクリート中で電食により強制腐食させた PC 鋼より果（曝露位置：新潟県糸魚川市親不知）

線の引張実験結果 5 ） を図 - 7 に示す。PC 鋼より線には，φ 2.9-3 本より線を使用した。このような極細径の鋼材のプレストレス力を導入するため，PC 鋼材には引張力が場合，わずかな腐食量であっても，破断ひずみは急激に減導入される。そのため，PC 部材で塩害劣化が生じた場合，少する。図中には，各試験体の重量減少率を示した。健全

高い引張力を受けた状態で鋼材に腐食が生じることにな

なより線は，すべての素線が同時に破断するが，鋼材腐食る。そこで筆者らは，図 - 4 に示すような小型のプレテすると腐食が進んだ素線から順番に破断する。腐食が進んンション桁を作製し，図 - 5 に示すように中央部分だけだ素線が存在すると，平均的な腐食量が小さくても破断ひ電食を行うことで，内部の鋼材を腐食させて，どのようなずみは小さくなる傾向にある。また，重量減少率が約 5 ％現象が発生するか観察してみた 。電流密度を 0.865 mA/を超えると，降伏・破断荷重が急激に減少する結果が得ら

cm2 として電食を行ったところ，約 2 週間が経過したときれた。

3）に，PC 鋼より線の破断が生じたことを，電流計測から確

図 - 8 では，最大荷重と破断伸びの実験結果を健全試認した。電食実験では，コンクリートマイクにより音声の験体の実験結果との比で表し，重量減少率で整理した。重

録音も行っており，破断した瞬間に発生した破断音を収録

量減少率が 10 ％に達すると，最大荷重は約 6 割，破断伸することができた。図 - 6 に，鋼材破断音のフーリエ振びは約 9 割低下した。同図には，指数関数による回帰曲線幅スペクトルを示す。いくつかの明確な卓越周期が見らを示したが，実験結果をおおむね近似していることが分か

62

プレストレストコンクリート

研究報告
健全150

P‑10A

40
荷重（kN）

断面減少率

健全 14.5 %304.1 %

P‑15B2.2 %2.8 %D1150200

図- 9P‑20E

11.9 %D2D3250300

鋼材長さ（mm）

P‑20A201040 ％
30 ％
20 ％
10 ％0％­10 ％­20 ％1003 次元スキャンによる各素線の断面減少率分布（重量減少率 7.6 ％）P‑35B0に，腐食によって力学性能が急激に減少するのだと考えら

27.3 %
0123456789れる。

P‑40A

ひずみ（％）

図- 72.3

電食させた PC 鋼より線の引張実験結果

鋼材腐食した PC 桁の耐荷性能要素実験に引き続き，図 - 10 に示すようなプレテンシ（図中の数字は重量減少率を表す）

ョン桁を作製し，等曲げ区間の PC 鋼より線を電食により腐食させて，その影響を確認した 5 ）。図 - 11 に，荷重－中央変位関係における比較を示す。凡例の数字は鋼材の重1.2
最大荷重比1

量減少率を表している。重量減少率が 5 ％以下では上縁コy＝­x＋10.8

ンクリートの圧壊により終局に至ったが，7 ％を超えると，PC 鋼材が破断し，破壊した。また，破壊時の変形量0.60.40.20と破壊荷重は大きく減少した。

R2＝0.91

φ2.9 3 本より線 PC 鋼線

0％

10 ％

20 ％

30 ％

40 ％
150

破断伸び比

903030 40 30
支点
せん断補強筋 D6@100

1.2

せん断補強筋 D6@100
φ2.9 3 本より線 PC 鋼線

断面図y＝­x＋1（単位：mm）

側面図

図 - 10供試体諸元

0.60.40○R2＝0.400.2

曲げひび割れ荷重

最大荷重

250％

10％

20％

30％

40％

20

重量減少率（％）
荷重（kN）⒝ 破断伸び比と重量減少率の関係

図- 8載荷点30⒜ 最大荷重比と重量減少率の関係0.8150850

100重量減少率（％）

1CL

1100

100

電食させた PC 鋼より線の引張実験結果のまとめる。このように，細径の PC 鋼材は，腐食の進行とともにコンクリート上面の圧壊
0％2.14 ％
4.79 ％
PC 鋼材破断
7.98 ％
10.4 ％
14.0 ％

15105

指数関数的に力学性能が低下することが，異形鉄筋とは異なる。

0PC 鋼より線の力学性能が腐食とともに急激に低下する

010

理由を明らかとするために，腐食した PC 鋼より線の腐食

3040

図 - 11 P
 C 桁の曲げ実験結果（凡例の数字は鋼材の重状況を，より精密に測定することにした。図 - 9 に，平均量減少率）

腐食率 7.6 ％の PC 鋼より線（φ 2.9-3 本より線）の断面積を 3 次元スキャナによって素線ごとに測定した結果

20
中央変位（mm）

6 ，7 ）の例を示す。断面減少率は平均的には小さく，重量減少率

このような傾向は，前述した PC 鋼より線の引張実験結との相違は見られなかったが，場所によっては，局部的に果と相違ない。そこで，図 - 8 に示した引張実験結果の20 ％を超える断面減少が測定された。素線どうしの付着回帰式により，腐食した鋼材の力学性能をモデル化し，はほとんどないので，他の素線による荷重分担は，あまりPC 棒部材の理論式によって最大荷重を求め，実験値との期待できないと考えられる。このように，細径の鋼材は，比較を行ったものが，図 - 12 である。計算値は実験値と孔食などの空間的なばらつきの影響を敏感に受けるためおおむね整合していることから，配筋が単純な部材では，Vol.56, No.3, May 2014

63

研究報告
計算値

実験値

図 - 13 の断面図に示すように，下フランジには細径の計算値（平均値）

PC 鋼より線が 32 本，単線が 2 本配置されており，部位に30N D­3

最大荷重（kN）

25よって腐食状況が複雑に異なる劣化状況であった。はり部

D­6

材全体としての鋼材の重量減少率は 10 ～ 20 ％程度であっD­92015っていた。
鋼材破断

圧壊10233D­1510 ％

15 ％

20 ％

25 ％30 ％205％

重量減少率（％）

図 - 12（単位：mm）

700％

鋼材破断

40 2550たが，図 - 14 に示すように，位置によって腐食量は異なD­124‑PC 鋼より線φ2.9 2 本
2‑PC 鋼線φ2.9

最大荷重と重量減少率の関係

80200

32‑PC 鋼より線φ2.9 2 本

腐食した鋼材の力学性能を適切にモデル化することで，比2‑PC 鋼線φ2.9

較的簡易な計算によって，部材の残存性能を評価可能であ9を適切にモデル化することで，おおむね評価可能であるこ19233610 152024273014711 16212528313325812 17222629323430とを確認している。なお，腐食量の平均値すなわち重量減18754@20の比較を行い，残存プレストレスの推定も，要素実験結果

131465るといえる。同様に，曲げひび割れ荷重の実験値と計算値少率だけ鋼材の力学性能は低下すると仮定して計算を行っ山側たものを，計算値（平均値）として示した。腐食による鋼304@2840

4@2830海側＊下フランジの数字は鋼材番号

材の力学性能の低下を適切に評価しないと，構造性能をか
図 - 13なり過大に評価することが分かる。

鱗崎橋の主桁の断面図

3．塩害劣化した実橋の破壊実験
3.170

調査対象橋梁の概要

B桁（全平均）
B桁（海側）
B桁（山側）

60

PC の腐食劣化問題に限らず，室内実験で得られる情報50
重量減少率（%）

は，現象の基本的な特性の理解やモデル化に役立つが，実環境では室内実験で想定していないことが起こり得るので，実物との比較は絶えず欠かせない。そこで筆者らは，鋼材が塩害により腐食劣化した PC 実橋梁の載荷実験を行った 8 ）。

40302010

研究対象とした実橋梁は，新潟県糸魚川市能生で，自転0車道の一部として供用されていた鱗崎橋である。鱗崎橋は­105.51974 年に製造された橋長 10.4 m のプレテンション桁橋で

4.5

3.5

2.5

1.5

0.5 ­0.5 ­1.5 ­2.5 ­3.5 ­4.5 ­5.5

位置（m）あり，海岸から約 15 m の距離に位置していたため，写真
図 - 14- 1 に示すように，塩害による鋼材腐食が進行していた。

下フランジの鋼材の重量減少率の測定結果の例（横軸は桁中央からの距離を表す）

3.2

実験の概要

海側の 2 本の桁を対象にして，図 - 15 に示すように，2 点集中荷重を加え，破壊に至るまで載荷を行った。図- 16 に破壊後のひび割れ図を，図 - 17 に荷重－中央変位関係を示す。健全状態での耐荷挙動は，非線形解析 9 ）により求めた。もっとも海側の桁（A 桁）では，雨水による洗い流し効果のためか，全体的に腐食量が小さく，腐食ひび割れも少なかった。図 - 16 ⒜ に示すように，健全状態の解析結果と同様にせん断破壊によって終局に至った。
一方，海側から 2 番目の桁（B 桁）では，鋼材の腐食量が
写真 - 1

鱗崎橋の劣化状況（右側が海）比較的大きく，腐食ひび割れも桁全体にわたって発生していた。図 - 16 ⒝ に示すように，等曲げ区間で鋼材破断が64

プレストレストコンクリート

研究報告
仮定 2：供用 10 年目までは変状は生じない→10 年目の耐力比を 1.0 とする

仮定 1：前回の点検（5 年前）
では軽微な損傷しか確認されていなかった→耐力比は 0.95 とする。

1.21.02 4504 900

ι
42 450ι2

図 - 15ι4250

曲げ耐力比

250

載荷方法

0.8

直線近似

0.6

自重＋群集荷重0.4

自重

実験値

0.2

せん断ひび割れ0.001020304050

供用年数（年）

図 - 18

曲げひび割れはほぼ等間隔に発生

鱗崎橋の推定劣化曲線⒜ A 桁（もっとも海側の桁）価が行えることを確認している。また，曲げ疲労実験 12）
も 2 体実施しており，腐食を考慮して静的曲げ耐力を算出
し，土木学会コンクリート標準示方書の疲労強度式により疲労寿命を評価すると，安全側に評価できることを確認しひび割れが集中 ほぼ損傷なし⒝ B 桁（海側から 2 番目の桁）

荷重 (kN)

図 - 16200180160140120100806040200ている。

ひび割れ図

4．有限要素解析による現有性能評価
4.1

せん断健全（解析）A桁

050

異なる鋼材の相互の影響を考慮する必要があるので，簡単曲げ求められる場合には，有限要素解析を用いて評価することが考えられるが，そもそも有限要素解析によってどの程健全（解析）
A桁
B桁

100150中央変位（mm）

図 - 17な方法で高精度に計算することは難しい。高精度な評価が

B桁

破断

解析の方法

鋼材の腐食が生じた部材の残存耐荷性能は，腐食分布が度，構造性能を評価できるのかを検証した事例は少ない。
そこで，筆者らは，前述の実橋載荷実験を検証対象として，有限要素解析による構造性能評価を試みている 13）。

200

対象橋梁では，腐食によって鋼材が完全になくなっている箇所が多数あったので，図 - 19 に示すように，離散鉄荷重－中央変位関係

筋要素によって，幾何的にこれを表現することにした。ま発生し，破壊に至った。最大荷重は，健全状態と比較してた，鋼材の力学性能としては，図 - 8 の要素実験結果の約 6 割まで低下していた。実験終了後，内部の鋼材の腐食回帰式を用いたモデルを使用した。

量を詳細に調査したところ，破壊位置付近での腐食量（図- 14 の＋1.5 m 位置）が他と比べて大きかった。このように，同じ橋梁の隣り合う桁であっても，腐食状況が大きく異なり，耐荷力だけでなく，破壊モードも変わりえる。

PC 鋼材

図 - 18 は，上記の実験結果から，鱗崎橋の劣化曲線を推定したものである。過去の点検記録が残されていなかったため，劣化開始時期について仮定を設けながら劣化曲線を導いた。いずれの仮定においても，構造性能は急速に低下し，遅くとも 10 年以内には，自重を支えきれなくなっ消失箇所ていたと予想された。図 - 3 にも示したように，細径鋼材を有するプレテンション桁においては，いったん腐食が
図 - 19開始すると，力学性能の低下がはやいので，こまめな点検離散鉄筋要素の設定例と早めの対応が必要だといえる。
4.2

鱗崎橋では，上記の曲げ実験のほかにも，桁端部を使っ詳細な劣化情報による再現解析結果。その実験結果

図 - 20 に，解析と実験の比較例を示す。この例では，から，鋼材腐食したプレテンション桁のせん断耐力は，鋼せん断スパン 900 mm の条件で，1 点集中荷重により載荷材の腐食率を考慮することで，土木学会コンクリート標準が行われ， 実験ではせん断破壊が生じた。解析において示方書も，せん断破壊が発生し，荷重－載荷点変位関係もおおむて，曲げせん断実験を 4 体行っている

11）10）の棒部材のせん断耐力式によって，安全側に評

Vol.56, No.3, May 2014

65

研究報告
載荷点目視・打音検査

推定
内部ひび割れ分布の把握⒜ ひび割れ図（実験）橋梁の一部に限定される

外観ひび割れ状況の把握

精度確認済

900 mm

はつり調査
未確立

今後の課題

支点非破壊試験

推定
PC鋼材の腐食分布の把握
有限要素解析による耐力評価

図 - 21⒝ ひび割れ，主ひずみ分布（解析）350

健全（解析）

荷重（kN）

300

食状況を高精度に把握可能な，診断技術の確立が必要である。

解析
腐食率分鋼材量減少

250

参考文献

構成則はそのまま2001 ）加藤丈和，松山公年：道路橋の塩害対策に関わる電気防食の追実験

150

解析

100（図 - 8回帰式）

50
0

跡 調 査， 土 木 学 会 関 東 支 部 新 潟 会 研 究 調 査 発 表 会，Vol.30，
実験値

pp.350-353，2012.11

解析値（健全）2 ）高橋

解析値（陸らの式）
解析値（式⑶）0510
1520
載荷点変位（mm）

25

図 - 20毅，田中泰司：新潟県沿岸部における橋梁の塩害劣化の

実 態 分 析， コ ン ク リ ー ト 工 学 論 文 集，Vol.35，No.1，pp.829834，2013.73 ）稲葉将吾，宮下30

剛，田中泰司，丸山久一，登石清隆：PC 鋼材

破断検出に向けた音響モニタリングシステムの開発，土木学会
年次学術講演会講演概要集，Vol.67，pp.V-064，2012.9⒞ 荷重−載荷点変位関係4 ）松本大樹，宮下有限要素解析結果と実験結果との比較の例

剛，田中泰司：音響モニタリングによる PC

ケーブル破断位置の同定，土木学会第 68 回年次学術講演会講演
概要集，Vol.68，I-050，pp.99-100，2013.9

ね実験を再現している。他の実験ケースにおいても，解析5 ）陸賢，田中泰司，山口貴幸，下村匠：腐食した PC 鋼より線の機械的性質とプレテンション PC 梁の残存耐力の評価，プは実験で観察された破壊形式を再現することができ，最大レストレストコンクリート工学会第 21 回シンポジウム論文集，

荷重における解析結果と実験結果の差は最大でも約 2 割のpp.211-216，2012.10

範囲におさまっていた。このことから，PC 鋼材の詳細な

6 ）陸腐食情報と，腐食した鋼材の適切な力学モデルを用いるこ賢：鋼材腐食が生じたプレテンション式プレストレストコ

ンクリート部材の耐荷性能の及ぼす影響，長岡技術科学大学修とで，有限要素解析によって，腐食劣化したプレテンショ士論文，2012.37 ）丸山久一他：鱗崎橋載荷実験報告書，http://rcstruc.nagaokaut.

ン桁の構造性能は比較的高精度に評価できるといえる。
4.3

目標とする残存性能評価のフロー図

ac.jp/pub/refdata/Report110608.pdf，2011.6

有限要素解析の活用に向けた今後の展望と課題

8 ）村上祐貴，内山拓也，井林

有限要素解析が残存性能評価に役立つためには，鋼材の康，田中泰司：塩害により損傷を受けた実橋プレテンション PC 桁の耐荷性状，コンクリート工

詳細な腐食状況が必要である。しかし，現在の検査技術で学年次論文集，Vol.33，No.1，pp.839-844，2011

は，構造物内部の鋼材の腐食状況を，破壊を伴わずに精緻9 ）岡村に計測することは困難である。そのため，図 - 21 に示す

甫，前川宏一：鉄筋コンクリートの非線形解析と構成則，

技報堂出版，1991

ように，ひび割れなどの外観の損傷情報から間接的に鋼材

10）田中泰司，陸賢，山口貴幸，井林康：鋼材腐食が生じたプ

レテンション PC 桁の曲げせん断性能に関する実験的検討，コの腐食状況を推定するなどの工夫が必要となる。現在のとンクリート工学年次論文集，Vol.33，No.1，pp.1127-1132，2011

ころ，鱗崎橋に対しては，内部ひび割れ分布が詳細に把握

11）2007 年制定コンクリート標準示方書設計編，土木学会，2007

できれば，PC 鋼材の腐食状況が推定可能であり 14），その12）田中泰司，陸

結果，残存性能もかなり精度よく評価できることを確認し

賢，山口貴幸，下村

匠：塩害劣化したプレテンション PC 桁の疲労破壊性状，プレストレストコンクリート技術協会第 20 回シンポジウム論文集，pp.277-282，2011.10ている。

13）武田健太，田中泰司：塩害により劣化したプレテンション式橋

今後は，外観のひび割れ状況や非破壊実験などによって，桁の有限要素解析，コンクリート構造物の補修，補強，アップ

いかにして内部のひび割れ状況を高精度に推定するかが課グレード論文報告集，第 13 巻，pp.243-250，2013.11

題である。

14）武田健太，田中泰司：内部ひび割れに着目した有限要素解析によるプレテンション式 PC 橋桁の耐力評価，鉄筋腐食したコン

5．お わ り にクリート構造物の構造・耐久性能評価の体系化シンポジウム論
文集，日本コンクリート工学会，pp.281-288，2013.11

各種室内実験と実橋の載荷実験により，鋼材腐食が生じ【2014 年 3 月 3 日受付】

たプレテンション桁の力学性能の確認を行い，解析的評価方法の確立と検証を行った。今後は，内部の PC 鋼材の腐66

プレストレストコンクリート