一般に構造物は、地震などの応力に耐えられるよう構造計算によって材料（鉄筋・コンクリート）強度が決められているため、許容応力度以下の荷重では破壊しないものとしています。

ところが、繰り返し荷重を受ける場合では、鉄筋・コンクリートが持つ強度よりも小さいレベルの荷重で、破壊に至ることがあります。

小さいレベルの荷重を繰り返し受けて、構造物にダメージが蓄積されていき破壊に至ることを「疲労破壊」と呼んでいます。

この記事では、鉄筋コンクリート構造物の疲労破壊について説明します。

鉄筋コンクリートの疲労とは？

疲労破壊は、繰り返し作用する構造物・部材で起こる劣化のため、活荷重が作用する鉄道橋や道路橋、波浪作用を受ける海洋構造物などの土木構造物で問題となり、建築構造物では問題となるケースはあまりありません。

鉄筋コンクリートは「鉄筋」と「コンクリート」の複合材料のため、疲労破壊を考える場合は、

• 鉄筋の疲労
• コンクリートの疲労
• 鉄筋とコンクリートの付着部分の疲労

に分けて考えます。

また作用荷重や部材特性から、構造物の種類によって疲労破壊の対象が異なります。

繰り返し応力の大きさと破壊に至るまでの回数は、おおむね直線関係が成立するとされていて、繰り返し応力が大きいほど少ない回数で疲労破壊に至ります。この直線関係を疲労寿命と呼びます。

疲労破壊は繰り返し応力の大きさに依存し、応力がある範囲以下の場合、繰り返し回数が無限に作用しても疲労破壊が起こらない＝無限回の応力に耐えられる限界を「疲労限・疲労限度」などと呼びます。

コンクリートの疲労破壊のメカニズム

粗骨材とマトリックス相（セメントペースト）の付着力の低下や、応力集中による微細ひび割れの発生～伝播により、有効部材断面積が減少することで起こるとされています。

さらに、コンクリートが湿潤状態にある場合、水の移動によるセメント水和物（水酸化カルシウムなど）の溶出の影響も加わります。

コンクリートは複合材料であり、応力状態が平滑でないため、繰り返し回数が1000万回の範囲内においては、疲労限度が今のところ確認されていません。そのためコンクリートの疲労限度は、一般に200万回の繰り返し応力での疲労強度を使用し、疲労強度は性的強度の55～65％程度とされています。

鉄筋の疲労破壊のメカニズム

異形鉄筋における「ふし」や鋼材表面の傷によって応力の集中が生じ、局所的に応力が高くなり亀裂が発生します。

鉄筋の疲労には、形状の影響が見て取れ、ふしの間隔を狭めると応力集中によって疲労破断が起こりやすく、直径を大きくするに連れて疲労強度は低下していきます。

鋼材の場合、コンクリートと違い疲労限度があり、鋼材の疲労限度（疲労強度）は、引張り強さのおおむね50～60％とされています。

鉄筋とコンクリートの付着部分の疲労破壊のメカニズム

鉄筋とコンクリートの界面において、コンクリートのひずみが蓄積すると、鉄筋とコンクリートのすべりが増大し、ひび割れが発生することで疲労破壊を起こします。

鉄筋とコンクリートの付着が弱まると、コンクリートが引張応力を負担しなくなるため、部材のたわみやひび割れが増大し、部材耐力が低下します。また、鉄筋の負担が増加するため、疲労寿命が短くなると考えられます。

付着疲労には、鉄筋表面の形状が影響を及ぼし、ふしの高さが低かったり、鉄筋の母線とふしの角度が小さい、ふしの取付部が滑らかな場合には、付着の悪化による鉄筋の疲労破断が起こりやすくなります。

鉄筋とコンクリートの疲労破壊・疲労強度の計算方法

コンクリート標準示方書（土木学会）では、設計疲労強度・疲労寿命の計算式が規定されています。ここで、土木学会式を用いて、それぞれの計算方法の例を説明します。

コンクリートの疲労強度の求め方・計算例

コンクリートの設計強度＝24N/㎟、永久荷重＝0N/㎟である場合、疲労寿命100万回(10⁶)に対する疲労強度を求めてみます。

永久荷重とは、自重（死荷重）や土圧のような荷重の変動が極めて小さいものを言います。

コンクリートの疲労寿命の求め方・計算例

疲労寿命の計算では上記の式を変換することで求めることができます。

コンクリートの設計強度＝24N/㎟、永久荷重＝0N/㎟である場合、繰り返し応力10N/㎟に対する疲労寿命Nを求めてみます。設計疲労強度f_rd＝繰り返し応力とし計算します。

鉄筋の疲労強度の求め方・計算例

異形棒鋼（SD390、D25）において、引張強度＝560N/㎟・永久荷重＝150N/㎟である場合、疲労寿命100万回(10⁶)に対する疲労強度を求めてみます。

鉄筋の疲労寿命の求め方・計算例

疲労寿命の計算では上記の式を変換することで求めることができます。

異形棒鋼（SD390、D25）において、引張強度＝560N/㎟・永久荷重＝150N/㎟である場合、繰り返し応力50N/㎟に対する疲労寿命Nを求めてみます。設計疲労強度f_rd＝繰り返し応力とし計算します。

コンクリートのすり減り・摩耗とは？

物質表面の相対運動によって、作用面からコンクリートが損失することを摩耗と言います。つまり、摩擦によってコンクリートの断面がすり減っていくことで、疲労の一種と言えます。

また、摩耗と同じ意味で「すり減り」という用語を使用する場合もあります。

コンクリートの摩耗には次のようなものが挙げられます。

• 車両走行による摩耗
• 人や物の移動による摩耗
• 水流による摩耗

摩耗は物質同士の相対運動の種類によっても区別することができます。

摩耗の進行と対処法には次の対策が挙げられます。

• コンクリート表層のモルタル部分が摩耗
• コンクリート内部の粗骨材が表面に露出し、粗骨材が摩耗
• 粗骨材が剥落し、断面欠損となる

• すり減り…コンクリートを硬くすること
• 表面疲労…表面のひび割れを抑制すること

摩耗に対する抵抗性を確保するためには、「W/Cを小さくすること・すり減りに強い骨材を使用すること」が効果的です。また表面を平滑に仕上げたり、湿潤養生を入念に行うことで、表面の摩擦抵抗を小さくすることも重要です。

既設のコンクリート構造物を、局部的に破壊して得られた試料をもとに、酸化カルシウム・強熱減量・吸水量などを測定します。

測定したデータから、構造物に使用された生コンクリートの配合を推定し、構造物の劣化要因や今後の劣化進行速度を推定するために行われます。

この記事では、コンクリート構造物の配合推定について説明します。

コンクリートの配合推定方法の種類とは

硬化コンクリートの配合推定の方法にはいくつかの種類がありますが、いずれもコンクリートを酸で溶解することが基本となります。

下の表に、各分析方法の概要をまとめました。

1.セメント協会法

希塩酸を溶解剤として用います。普通ポルトランドセメントで、一般的な骨材の場合に適用でき、中性化したコンクリートにも適用することが出来ます。

石灰石骨材や貝殻を含む海砂を使用したコンクリートには適用することができません。

2.グルコン酸ナトリウム法

グルコン酸ナトリウム溶液を溶解剤として用います。グルコン酸ナトリウム溶液は、貝殻や石灰石骨材の炭酸カルシウムをほとんど溶解しないため、セメント協会法では分析のできない石灰石骨材や貝殻を含んだ海砂に適用できる分析方法です。

混合セメントを使用した場合や、中性化したコンクリートには適用できません

3.ＩＣＰ法(ギ酸法)

ギ酸溶液を溶解剤として用います。ギ酸溶液は骨材中の可溶性シリカは溶解せずに、セメント中の可溶性シリカのみを溶解します。

セメント量を±15 kg/㎥以内の高い精度で短時間で試験することができます。グルコン酸ナトリウム法と同様に、石灰石骨材や貝殻を含んだ海砂に適用できる分析方法です。

中性化したコンクリートやアルカリシリカ反応を生じているコンクリートには適用できません。

4.フッ化水素酸法

フッ化水素酸を溶解剤として用います。フッ化水素酸で溶解したコンクリート及び粗骨材のカルシウム量からセメント量と粗骨材量を推定し、石灰石骨材を含むコンクリートにも適用できます。

フッ化水素酸が人体に有害であることや化学的操作に熟練を要するといった欠点があります。

セメント協会法やグルコン酸ナトリウム法は、通常の化学分析レベルの機器・試薬で行うことができます。

ＩＣＰ法(ギ酸法)やフッ化水素酸法は、ＩＣＰ(誘導結合プラズマ発光分光分析装置)・偏光顕微鏡を使用するため、一般的な試験機関では設備上、試験が困難となります。

硬化コンクリートの配合推定の試験手順とは

実際の配合推定の手順について、もっとも一般的に用いられているセメント協会法（硬化コンクリートの配合推定のための化学分析方法）を例に説明します。

配合推定（セメント協会法）の試験手順

試料の準備と単位容積質量の測定

試験に用いる供試体は、JIS A 1107「コンクリートからのコアの採取方法及び圧縮強度試験方法」の考え方に従い、コアの最小直径＝粗骨材最大寸法の3倍以上、長さ＝コア直径以上とすることが多い。

1. 採取したコア供試体を48時間水中浸漬
2. 水分を吸収させ、表乾時の単位容積質量を測定
3. 105℃で48時間乾燥
4. 水分を飛ばし、絶乾時の単位容積質量を測定

105μmふるいを通過する程度まで微粉砕し、試験に必要な量を縮分によって、はかりとります。

結合水の定量と、セメント量・骨材量の定量

1gの試料で、600℃強熱時の強熱減量を測定し、結合水量を推定します。

別の1gを塩酸で20分間撹拌し、コンクリートを溶解させます。溶解液中の酸化カルシウムと不溶残分をJISR5202「ボルトランドセメントの化学分析方法」に従い定量します。

酸化カルシウムからセメント量を推定し、不溶残分から骨材量を推定します。

試験によって求められた推定値は乾燥時のデータであるため、骨材の吸水率・試料の吸水量・試料の単位容積質量をもとに、表乾時の配合に変換します。

配合推定時の問題点や注意すべき点

セメント協会法では、補正値の分析として使用材料の入手が必要となるが、材料の入手ができない場合、全国平均値を代用することがあります。

平均値を代用した場合は、推定値に誤差が生じる場合があることに注意しておく必要があります。

また、いずれの方法に関わらず配合推定の共通の注意点として、試験に用いたコア供試体が構造物の特性を代表しているかという問題があります。

コンクリートは打込み時のブリーディングや粗骨材の沈降によって、部材断面での材料分布が変化します。

一般に密度の軽い水分は上層に浮き上がるため、高さ方向で水セメント比が変動し、下層部分は水セメント比が小さく、上層部分は大きくなるとされています。

そのため、コアの採取にはこの点を考慮して位置を選定するとともに、推定結果についてもコアの採取位置を加味する必要性があります。

サーモグラフィ法とは

サーモグラフィ法は、物体表面から放射される赤外線をセンサーで測定し、映像化する方法で、非接触かつ迅速に調査できるため、次のような調査に用いられています。

漏水・浮き(仕上げ材・コンクリート)・断熱性能

サーモグラフィとは、赤外線装置によって測定した表面温度の分布を、映像化したものを言います。

サーモグラフィ法の特徴と原理

全ての物質は表面から赤外線を放射していて、その放射量は表面温度によって異なり、赤外線を測定することで、物体の表面温度を知ることができます。

この仕組みを応用して、コンクリートの表面温度を測定し、映像化する事で内部欠陥の有無を知る手法がサーモグラフィ法です。

コンクリートの表面温度は、一日を通して日射や気温によって変動しています。

ひび割れや空洞などの欠陥がある場合は、空洞部分の空気が断熱層となるため、健全な部分と比較して、サーモグラフィに温度差として検知できます。

サーモグラフィ法の測定方法とその注意点

通常の写真撮影と同様に、撮影対象の正面位置から適度な距離をとって測定しますが、写真と違い気象条件によって測定精度が左右されます。

測定の注意点として、次の事が挙げられます。

• 測定は晴れた日に行う
• 温度差をより鮮明にさせるため、最高気温・最低気温の時間帯、もしくは日射による受熱量が最大となる時間帯に行う
• 表面の光沢・汚れによる温度差を誤認することがある

サーモグラフィ法で検出できるのは50㎜程度の深さまでで、欠陥の深さ(深さ方向の位置)や空隙の厚みは分かりません。

また、構造物の形状や立地条件によっては、正面に近づけず、撮影自体が困難となる場合があります。

電磁波レーダー法とは

電磁波レーダー法は、コンクリート内へ放射した電磁波が、反射によって返ってくるまでの時間を計測する事により、反射物体の位置を特定する手法です。

操作が簡単ですぐに結果が得られるため、次のような調査に用いられています。

構造物の部材厚・内部空洞・内部埋設物

電磁波レーダー法の特徴と原理

電磁波は、電気的性質が違う物体があると、その境界面で反射する性質があります。その際、物体の密度によって二通りの反射を起こします。

電磁波レーダー法では、コンクリート内部へ電磁波を放射し、反射して戻るまでの時間を連続的に測定することで、反射の移り変わりを捉えます。

そのため、コンクリート内部を伝播する電磁波の速度が、測定精度に影響を及ぼすことになります。

電磁波の速度は、コンクリートの比誘電率による補正をするため、適切に設定することが求められます。

詳しくは、こちらの記事で解説しています。

コンクリート構造物の非破壊調査、鉄筋・埋設物

部材内部の鋼材・配管などの埋設物や空洞について、その有無や位置を特定する方法として、次のような手法があります。電磁誘導法...

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弾性波法・アコースティックエミッション法とは

弾性波法は、発振子や物理的な衝撃により弾性波を発生させ、その弾性波を受信して解析する音響学的手法で、次のような調査に用いられています。

部材厚さ・ひび割れ・空洞(内部・背面)

弾性波の周波数や弾性波の発生・受信方法によっていくつかの手法に分類できます。

打音法・衝撃弾性波法

コンクリートを直接打撃することで弾性波を発生させ、20kHz以下の低い周波数の弾性波を利用します。

• 打音法…コンクリート表面から空気中に放射される弾性波(叩いた時に聞こえる音)を測定
• 衝撃弾性波法…受振子によって、コンクリート内部を伝わる弾性波を測定

超音波法

20kHz以上の高い周波数の弾性波を利用し、発振子からコンクリート中に発射された弾性波を受振子によって測定します。

センサの取付位置によって次の分類があります。

• 透過法
• 反射法
• 表面法
• 斜角法

アコースティックエミッション法(AE法)

構造物に機器を設置し、ひび割れが発生時の弾性波を検出する受動的な手法です。

その他の手法が、調査時点での欠陥の有無を調べる手法なのに対して、AE法は、構造物を連続監視することで、ひび割れの発生や進展を確認することができます。

弾性波法の特徴と原理

弾性波は、性質の異なる物質との境界面において、エネルギーの一部が反射する性質を持っていて、弾性波法の原理は、その性質を利用したものです。

コンクリートへ放射した弾性波は、直進・反射・回折をしながら内部へ拡散していき、コンクリート内部のひび割れや空洞に到達すると、エネルギーの99.98％が反射します。

この性質を利用し、次のような変化を測定します。

弾性波法は、「コンクリートに弾性波を伝播する発生機器」と「伝播した弾性波を検出する受信機器」、「受信した弾性波を波形に変換・表示するモニター」を使用します。

弾性波法の測定精度

弾性波法では、使用する弾性波の周波数によって、測定可能な距離や精度が変わります。

弾性波法の測定精度は、次によって決まります。

測定機器の時間分解能・周波数分解能・読取り精度

また、構造物の状態や測定環境による誤差も影響を及ぼします。

• コンクリート品質の局部的なバラつき
• コンクリート表面の劣化
• コンクリートの含水状態
• 内部にある鋼材の影響
• 振動や騒音などのノイズ

弾性波は、理論的に適用できる範囲は広いですが、実用的な限界例は次のようになります。

アコースティックエミッション法(AE法)の特徴と原理

ほかの手法と違い、AE法では、コンクリートに弾性波を放射しません。

AE法で測定する弾性波は、コンクリート内部でひび割れが発生した時に生じる、微小な弾性波を検知します。

A複数のAE変換子を使用する事で、ひび割れの平面位置を解析する事ができます(AE標定解析)。

各AE変換子に到達するまでの時間差から、AE発生源の位置を割り出す解析方法で、一般的な機器では数mmの誤差とされています。

AE測定の計測機器は、弾性波を捉えるAE変換子・AE信号を増幅するアンプ・捉えた信号を選別するフィルタから成り立っています。

一般的な計測機器のパラメータには次のようなものがあります。

AE測定での注目点は、AEカウント数の増加にあります。また、その信号が有意なAEであるのかを判別することが必要となります。

AE法の目的は、許容範囲内の荷重によって「有意なAEの発生がないこと」を確認することです。

カイザー効果

繰り返し荷重を受ける構造物では、AEが発生した時の荷重を超える荷重を受けない限り、AEは発生しないという不可逆現象があります。特に、ひび割れ幅が小さい場合に、カイザー効果が表れます。

振幅分布

AE計測のデータにおいて、構造物の疲労が進行するにつれ、計測されたAEの振幅幅が大きくなる事が分かっています。

疲労によって構造物の健全度が低下すると、ひび割れ発生時の振幅(弾性波)が大きくなり、ひび割れが進んでいると判断できます。

構造物の劣化診断・調査で、構造物を破壊せずに内部状況の情報を得る方法を非破壊調査と言います。この記事では、構造物を破壊せずに内部の鋼材やその他の埋設物の情報を得る、非破壊調査について説明します。

電磁誘導法

電磁誘導法は、電流を通して作られた磁束の乱れを測定する探査方法で、金属や磁性体を調査対象とし、以下の様な調査に使われます。

試験コイルに交流電流を流して出来た磁界内に、磁束に影響を与える物質(＝鉄筋)が存在すると、磁束の変化により起電力が変化します。

この磁束の変化による起電力の動きを信号として読み取り、鉄筋を探査します。

そのため、鉄筋径の推定ができる、コンクリート内部に空隙・豆板などがあっても鉄筋位置の推定ができるといった特色があります。

電磁誘導法の特徴

鉄筋径は径の大きいものほど精度が良く、かぶり厚さは薄いものほど精度良く測定できます。

磁束は指向性が弱いため、配筋ピッチが密な場合、正確な測定が難しくなります。ダブル配筋の場合は表面側の鉄筋しか検出することができません。

電磁誘導法の適用範囲・精度は、深さ方向で100㎜以内・鉄筋D10～D38を対象とし、表の通りとなります。

電磁誘導法の測定方法

電磁誘導法は、プローブと呼ばれる検出器をコンクリート表面で動かし測定します。

試験プローブは鉄筋と直交する方向(鉄筋をまたぐように)で動かします。

鉄筋の真上に来た時が鉄筋との距離が最短になるため、かぶり厚さの表示が小さくなり、離れると表示が大きくなります。

この操作を、縦方向と横方向に碁盤の目のようにすると、鉄筋の中心位置が分かることから、鉄筋位置や鉄筋径を測定します。

電磁波レーダ法

電磁波レーダは、電磁波をコンクリート内部に向かって放射し、跳ね返ってきた反射波を読み取って測定し、以下の様な調査に使われます。

内部に、空洞や鉄筋などコンクリートと電気的性質が違う物体があると、その境界面で電磁波が反射します。

そのため、鉄筋・鉄骨・埋設管などの埋設物や部材厚、空洞などの平面位置や深さ方向の測定ができます。

電磁波レーダ法の特徴

内部に空洞や鉄筋などのコンクリートと電気的性質が違う物体があると、その境界面で電磁波が反射します。

放射してから反射波が届くまでの時間を計算し、物体の位置を求めることができます。

ここで、V：コンクリート中の電磁波の速度は、比誘電率の影響を受けます。コンクリートの含水状態によって、電磁波の伝播速度が変動することに注意が必要です。

電磁波は、使用する周波数によって特性が変わるため、調査の目的にあった周波数で調査を行います。

• 部材厚・空洞調査…400MHz～1GHz
• 埋設物調査…800 MHz～3 GHz

電磁波レーダの測定精度

1.深さ方向の測定は、電磁波の伝播速度の誤差が、精度に大きく影響します。

伝播速度は、コンクリートの比誘電率＝含水状態によって変動するため、必要に応じて比誘電率を推定sする必要があり、以下のような方法があります。

深さ方向の誤差は、次のうち、精度の低い方になります。

• ±（5㎜+かぶり厚さの0.1倍）以内
• ±5.0％以内

2.平面的位置は、分解能と読み取り誤差によって決まります。

分解能はアンテナの大きさによって決まるため、数種類のアンテナを選択する必要があり、平面方向の誤差は、次のどちらかになります。

• ±10㎜
• ±1.0％以内

電磁波の反射波を利用するため、上記の測定精度は、もっとも表面にある埋設物にのみ有効です。

X線透過撮影法

医療・工業で一般的に広く使われているものと同様、内部状況を実態に近い状態で確認することができ、鉄筋や配管などの埋設物や空洞・ひび割れの検出に使われます。

X線装置の種類には以下の二つがあります。

• 高エネルギー型
• 低エネルギー型

安全管理上の制約から、現場で使用されるのは低エネルギー型に限定されています。

X線透過撮影法の特徴

X線は物体を通過する過程で減衰（弱くなる）するため、透過してきたX線量の違いが、フィルム上に色の濃淡として写し出されます。

また、X線透過撮影では、物体の輪郭や相対的な位置関係は分かりますが、物体の表面の情報は得られません。

X線透過量の違いは、物体の密度で決まります。コンクリートを基準とした場合、

X線透過撮影法の適用限界は、対象部材の大きさ(厚さ)によって決まります。

透過したX線が写し出す陰影が読み取れる程度、つまり部材厚が大きくなると、透過するX線が弱すぎて、透過写真として色の濃淡が読み取れなくなります。

• 高エネルギー型…1mを超えても可能
• 低エネルギー型…500㎜程度が限界

実務で使用できるのは低エネルギー型のみですので、作業効率・精度を考慮すると350㎜程度までが目安となります。

部材厚が大きくなると感度が低く、撮影時間が極端に長くなります。また、部材厚が大きくなるほど、写真の陰影が低下するため、読取り誤差も大きくなります。

一般に鉄筋コンクリート構造物は火に強く、木造や鉄骨造に比べ耐火性に優れた構造であるとされています。

木造は250℃で発火し、鉄骨造は500℃程度で変形するのに対して、鉄筋コンクリート造は1000℃の高温にさらされても2時間以上耐える性能を持っています。

一方、鉄筋コンクリートが火害を受けると爆裂と呼ばれる特異な破壊現象が起こります。爆裂は、高強度なコンクリートほど起こりやすいとされていて、他の劣化では起こらない火害特有の劣化現象です。

鉄筋腐食による剥落や凍害によるポップアウト・スケーリングと違い、ごく短時間でコンクリートがはじけ飛ぶように剥がれるのが爆裂の特徴です。

鉄筋コンクリートが火災に遭うとどうなるのか？

火害の場合、火災時に受ける熱の大きさが重要となります。コンクリートが受けた熱の大きさを「受熱温度」と言い、受熱温度の上昇によって鉄筋コンクリートの性質も変化していきます。

火害の基本的なメカニズムは、受熱による「セメントペースト」と「骨材・空隙」の挙動が、互いに相反するために起こります。

受熱によってセメント水和物の結晶水が分離・蒸発によって失われるため、セメントペースト部分は収縮していきます。

一方、骨材部分は膨張していき、空隙内の自由水(遊離水)も蒸発によって膨張します。

収縮と膨張によって内部応力が大きくなり、コンクリート内部にひび割れが蓄積していくため、強度や弾性係数が低下していきます。

受熱温度の上昇によるコンクリートの変化

上記の現象がコンクリート表面から内部へと進展していくのが火害となります。

ここでひとつ重要なのが、コンクリートの受熱が表面から起こるということです。

コンクリートの熱伝導率は200℃を超えると急激に低下するため、表面温度と内部温度に差が生じ、表面と内部の熱膨張の差が大きくなります。

表面と内部の温度差(温度勾配)が内部の熱応力を増大させる要因の一つでもあり、耐火性が高い理由でもあります。

骨材の岩種による耐火性の違い

受熱温度とともに耐火性に大きく影響するのが、骨材の岩種になります。

コンクリートの大部分(70％程度)は骨材によって構成されているため、骨材自体の耐火性がコンクリートの耐火性に関係しています。

コンクリート用骨材として一般的に使われている岩種には、次のようなものがあります。

安山岩・玄武岩などは、高温環境下においても安定していて耐火性があります。

石英を含んだ花崗岩や砂岩系は、570℃程度から急激に膨張するため耐火性は劣ります。

石灰岩は、600℃以上で脱炭酸によって分解されるため耐火性は劣ります。

火災による強度への影響は？

加熱によるコンクリートと鉄筋の強度低下は、材料や配合によってバラつきはあるものの、受熱温度に対して一定の傾向を示します。

さらに加熱時に低下した強度は、月日が経てばある程度は自然に回復することが分かっていて、強度の回復程度も受熱温度で一定の傾向を示します。

加熱によるコンクリートの強度低下

300℃までは強度の低下は緩やかだが、それ以降は大きく低下し、500℃でほぼ半分まで低下します。弾性係数は強度よりも低下が大きく、500℃まで直線的に低下し、元々の値の20％程度以下まで低下します。

加熱後のコンクリートの強度回復

500℃以内であれば、火災前の90％程度まで強度は回復し、再使用に耐えうるとされていますが、高強度のコンクリートの場合は、強度の回復が少ないというデータもあります。

一方、弾性係数もある程度回復するが、強度に比べて回復の度合いが小さく、加熱後のコンクリートにはもろさが残ります。

加熱による鉄筋の強度低下と強度回復

コンクリートに比べて鉄筋の加熱による影響は小さく、500℃以下であれば、強度や弾性係数の低下は小さく、加熱後にほぼ回復します。

ただし、受熱温度が100℃を超えた時点で、コンクリートと鉄筋の熱膨張率の差が大きくなるため、コンクリートの付着強度の低下は大きくなります。

コンクリートの爆裂のメカニズムとは？

鉄筋コンクリート部材は火災の初期段階で、鉄筋のかぶりコンクリートがはじけ飛ぶように剥落し、鉄筋の露出が生じる「爆裂」という現象が起きます。

コンクリートが高強度であるほど内部組織が緻密となり、爆裂が起こりやすいとされています。

爆裂現象の説明には、

• 熱応力説
• 蒸気圧応力説

があります。

熱応力説

コンクリート表面と内部の温度勾配を要因とする説です。

火災時に、高温状態のコンクリート表面は膨張を起こしますが、コンクリート内部は温度が低いため膨張を起こしません。

表面付近の熱膨張は周囲の部材によって拘束されるため、加熱された表面付近には圧縮応力がかかります。

この圧縮応力がコンクリートの圧縮強度を上回ることで爆裂が起こるというのが、熱応力説です。

蒸気圧応力説

コンクリート内部の水蒸気圧を要因とする説です。

火災時に、コンクリート表面は加熱によって乾燥していき、表面付近は乾燥した層になります。その内側は、水蒸気や自由水で満たされた飽和層が形成されます。

水分の蒸発が乾燥層と飽和層の境目で継続すると、水蒸気は飽和層へは移動できないため、志田に水蒸気圧が高まります。

この水蒸気圧がコンクリートの引張強度を上回ることで爆裂がおこるというのが、蒸気圧応力説です。

このふたつの説のどちらが支配的なのかについては、はっきりとした答えは出ておらず、複合作用が働いているとされています。

爆裂防止の対策には合成短繊維が用いられる

コンクリートの爆裂対策としてよく用いられるのが、ポリプロピレン繊維やポリビニルアルコール繊維などの合成短繊維です。

長さ10～20㎜・直径0.02～0.3㎜程度の物が多く、爆裂防止以外にも乾燥収縮ひび割れの防止などでも用いられます。

合成短繊維がなぜ爆裂防止に有効なのかというと、火災時の高温によってコンクリート内部の合成短繊維が溶けます。

合成短繊維が溶けた部分は空隙となり、火災時の蒸気圧応力を軽減するためとされています。

火災を受けたコンクリートは変色により受熱温度が推定できる

火害（火災による劣化）を受けたコンクリートの特徴として、変色があります。

コンクリート表面が熱により変色し、受熱温度の違いによってコンクリートの色相に違いが発生します。

火害により、鉄筋コンクリート構造物は、コンクリートのひび割れ・剥落や強度低下、鉄筋の強度低下、高温による水和生成物の分解による中性化の進行を招きます。

劣化の程度や材料特性の変化は、受熱温度の大きさによって異なるため、コンクリートの受熱温度を推定することは火害を診断する上で、重要なファクターとなります

外観調査では、構造物に発生したひび割れや剥離・鋼材の露出などだけでなく、全体の傾斜や沈下などの変形状況、周辺環境からくる劣化因子の推定の把握を行います。

外観調査の方法には、次のような手法があります。

• 目視
• 光波測量器(トータルステーション)
• レーザー
• デジタルカメラ

外観調査における基本的な調査項目には、表のようなものがあります。

目視調査

目視調査では、出来る限り対象に近づき観察することが重要で、汚れなどはきれいにしてから、明るい状態で観察します。

コンクリートは複合材料であるため、変状の形態や発生原因が多岐にわたるため、構造物全体を調査する必要があります。

• 構造的な原因…発生位置はある程度想定できる
• 材料が原因…発生位置の推測は難しい

構造物全体の変形や沈下などは、近接して観察するよりも、全体を俯瞰して観察する方が確認しやすい。ひび割れの観察では、ハンマーによる叩きや触診を併用し、ひび割れ周辺の段差や浮き・剥離の有無を調査します。

光波測量器(トータルステーション)

トータルステーションとは、目標に光を照射し、反射して返ってきた光を電子的に解析し距離を測る「光波距離計」と「角度測定器」を組み合わせた機器で、測量などで使用されています。

外観調査で使用するトータルステーションには、さらに「クラックゲージを内蔵」しているのが特徴で、倍率42倍の接眼レンズを用います。

光波測量器(トータルステーション)の原理と計測

レンズ越しにひび割れを目視し、内蔵されたクラックゲージとひび割れを比較することで、ひび割れ幅の測定をすることができます。

トータルステーション（TS）での計測データは解析処理後、CAD上で2D・3Dの図面として自動描画されます。

また、対象構造物の形状や測定環境に応じて最適な計測モードを設定する事ができます。

計測時の注意点と精度

トータルステーションをひび割れに対して斜めに設置する場合、水平・垂直方向ともに60度以内で計測し、揺れや振動のある場所に設置することは避けます。

ひび割れ幅の計測については、「目視によるクラックゲージの値」と「トータルステーションで計測した値」で、ほぼ同じ値となります。

ひび割れの図面描画については、手書きの場合、個人差も含め18㎜～75㎜程度の誤差が生じるが、トータルステーションの場合は2～3㎜の誤差となり、高い精度を有しています。

デジタルカメル・レーザー

デジタルカメラ

レンズに投影された画像を電子的に記録するもので、画像データをRGB(赤・緑・黄色の三原色)データとして記録し、その性能は画素数が多いほど分解能が高く、ひび割れ調査では有利となります。

1600万画素のデジタルカメラで、1m×1mの表面を撮影した場合、4000×4000画素(1600万画素)となり、分解能は0.25㎜となります。

撮影したデータは、画像処理ソフトやCADソフトを使用し描画します。

レーザー

1㎜程度に細く絞ったレーザーを計測対象物に照射し、反射光を高感度光センサで検出します。ひび割れ部と健全部において、レーザーの反射光の明暗を数値化することで、ひび割れを計測できます。

レーザーによる連続走査画像検査方法の特徴として

• 連続して広い範囲を計測できる
• 範囲に限らず分解能が同一
• 計測時の照明が必要ない

トンネルや道路など、形状が単純かつ連続した構造物に適していて、複雑な形状の構造物には向いていません。

まとめ

各種機器を使った外観調査は、いずれも足場設置などの省力化や連続的に広範囲を調査できるなどの利点があり、費用対効果、安全面においても優れています。

また、計測データの再現性が高く、供用時の維持管理においてひび割れや欠陥の進展を定量的に判断できることも可能となります。

ひび割れが認められた場合、発生した時期とひび割れのパターンによって発生原因を推定し、的確な対処をすることが重要となります。

鉄筋コンクリート構造物のひび割れは、原因別に以下の分類となります。

このうち初期ひび割れは、おもにコンクリートが硬化～竣工後数年で発生する非進行性のひび割れです。

1.コンクリートの初期ひび割れの種類とは

初期ひび割れは、原因別に以下の分類となります。

初期ひび割れは、コンクリートを型枠に打込み、硬化(凝結が開始)が始まった時から生じるひび割れを言います。

非進行性のひび割れのため、一定の期間を経過すれば、ひび割れの進展は止まります。そのため、早期に補修をすれば耐久性への影響は小さくすることが可能なひび割れです。

2.コンクリート材料による初期ひび割れの種類と内容

コンクリートの材料が原因で起こる初期ひび割れには、以下のようなものがあります。

セメントの風化とは？

セメントの風化とは、セメントが空気中の水分と水和反応を起こしてしまう現象を言います。

水和によって水酸化カルシウムが生成され、その後、空気中の二酸化炭素と反応し炭酸カルシウムへと変わります。それらがセメント粒子の周りで、膜のようになってしまい凝結に異常をもたらします。

細骨材の泥分(微粒分量)とは？

山砂・陸砂は、採取地の影響で泥分が多いのが通常です。骨材の生産過程では、泥分を除去するために水洗しますが、水洗が不十分だった場合、泥分が多く含まれてしまう事があります。

コンクリートの練混ぜ不足とは？

コンクリートの材料に膨張材などの混和材を使用した時、混和材がコンクリートに均一に混ざっていない場合、凝結にムラが発生しひび割れの原因となります。

コンクリートの材料が原因の初期ひび割れの防止と対策

材料の管理や製造時の管理を行うことが主な対策となります。

セメントの貯蔵期間が長かった場合は、事前に強熱減量を確認する。骨材の微粒分量を測定し、規定値を超えた材料は使用しない。混和材を使用する場合、規定の練混ぜ時間よりも長く練混ぜる。

などによりコンクリートの不具合を防ぐことで防止ができます。

3.コンクリートの施工による初期ひび割れの種類と内容

コンクリートの施工が原因で起こる初期ひび割れには、以下のようなものがあります。

急速な打込みとは？

コンクリートは打込みの最中に、バイブレーターの振動や流動性の低下にともない、コンクリートに含まれる水や空気が表面に浮き上がってきます。

コンクリートが下がる・沈むことを、現場では「コンクリートが落ち着く」と表現します。

そのため、打込んだコンクリートが落ち着くと、はじめに型枠に入れた高さより、水や空気が抜けた分だけ低くなります。

厚みに差がある部材を同時に打つ場合、コンクリートの厚みに差があるほど、コンクリートの沈む量に差がでるため、薄い部材と暑い部材の境目にひび割れが発生します。

型枠のはらみ・支保工の沈下とは？

支保工とは、型枠を下から支え、たわみを抑えるために使用します。柱や壁と違って、梁やスラブの型枠は宙に浮いているため、下から支えるために支保工を使います。

打込んだコンクリートの自重を側圧と言いますが、側圧が型枠の強度を上回ると、型枠はコンクリートに押されて変形し膨らみます。

型枠がコンクリートの自重に負けて膨らむことを「型枠のはらみ」と言います。

コンクリートが固まり始めた頃に、型枠がはらんだり支保工が動いたりすると、コンクリートが流動性を失っているため、変形に対応しきれずにひび割れが発生します。

コンクリートの沈下・急激な表面乾燥とは？

下の図は、スラブに発生したひび割れを表しています。格子状に鉄筋(黒い線)が入っていて、その上部にひび割れ(黒い線上にある白い部分)が発生しています。

赤丸の断面図を見てみると、鉄筋の真上にひび割れが発生しています。鉄筋上のコンクリートは、鉄筋の存在によって沈下量が小さいため、周囲のコンクリートに引っ張られてしまい、ひび割れてしまいます。

コンクリートが落ち着くことによる沈下が、梁やスラブの水平鉄筋で妨げられると、鉄筋に沿ってひび割れが発生します。

コンクリートはブリーディング水の発生とともに沈下しますが、ブリーディング速度よりも速い速度で表面の乾燥が進むと、網目状のひび割れが発生します。

急激な表面乾燥によるひび割れを、プラスティック収縮ひび割れと呼びます。

コンクリートは乾燥とともに収縮(縮む)しますが、コンクリート表面が急激に乾燥すると、表面と内部の乾燥具合(収縮具合)に差ができてしまい、ひび割れが発生してしまいます。

施工が原因の初期ひび割れの防止と対策は

打設計画書をしっかり守り作業を行うことが、主な対策となります。

壁や梁・スラブなど、コンクリートの厚みが違う部材を打設する場合、複数回に分けて打込み、コンクリートが落ち着きを確認する事で、コンクリートの沈下や型枠のはらみを防止します。

均しの際は、表面の状態をよく確認し、プラスティックひび割れやブリーディングによる沈下ひび割れがあった場合、鏝仕上げによってひび割れを除去することが、主な対策となります。

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4.コンクリートの性質による初期ひび割れの種類と内容

コンクリートの性質が原因で起こる初期ひび割れには、以下のようなものがあります。

セメントの水和熱による温度上昇とは

コンクリートは、セメントの水和と呼ばれる化学反応によって硬化します。セメントは水和反応時に熱を発生しますが、温度の上昇・降下にともなう体積変化によって、ひび割れが発生します。

このひび割れを温度ひび割れと呼び、部材断面の大きいマスコンクリートなどで注意が必要となります。

乾燥収縮と自己収縮とは

コンクリート内部の水は、蒸発と水和による消費によって次第に減っていきます。乾燥収縮と自己収縮は、どちらも水が減る事によって起こりますが、減り方に違いがあります。

乾燥収縮とは、水の蒸発によって起こる毛細管張力による収縮。自己収縮とは、水和反応後の水和物が、水和前の体積(水の体積＋セメントの体積)より小さい事による収縮です。

収縮による応力が、コンクリートの引張力を上回るとひび割れが発生します。

コンクリートの性質が原因の初期ひび割れの防止と対策は

設計時から各種ひび割れを想定し対応策をとることが、主な対策となります。

温度ひび割れの防止には、コンクリートの発熱を抑えることや、区画割りを小さくする、適切な目地間隔などがあります。

コンクリートの収縮や膨張には、単位水量を少なくすることや、膨張材・収縮低減剤を使用する、配筋量を適切に設定し伸縮時の応力を分散させることが主な対策となります。

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• 初期欠陥
• 経年劣化
• 構造的変状

その中で初期欠陥とは、コンクリートを型枠に打込んでまもなく、または打込みに原因があり起こる欠陥＝施工不良ともいえる事象を言います。

現代のコンクリート構造物は、強度だけでなく耐久性を考慮した設計のもと施工されているため、充分な耐用年数を持っています。

しかし、施工の不具合による初期欠陥が発生した場合、設計時に想定した耐久性が保たれないため、耐用年数に劣る建物となってしまいます。

構造物に発生した初期欠陥は、すぐに対処すべき欠陥となります。

この記事では、コンクリート構造物に発生する初期欠陥＝施工不良について、初期欠陥の種類や内容、発生原因や防止方法、補修方法などについて解説します。

1.豆板(ジャンカ)・内部欠陥とはどんな劣化？

豆板とは、コンクリート表面のある一部において、粗骨材が多く集まってできた空隙の多い不良部分を言います。

豆板は、一般的にはジャンカ・あばたと呼ばれたりもします。

豆板部分は、二酸化炭素や水を透しやすく、中性化の抑制効果をほとんど示しません。鋼材付近に豆板がある場合は、早くから鋼材腐食が始まるため、早急に補修をする必要があります。

内部欠陥とは、コンクリートの表面ではなく、コンクリート内部に豆板や空洞が生じる事を言います。

コンクリートの内部に限らず、コンクリート表面と仕上げ材(モルタルやタイル)との境目に生じた空隙なども該当します。

豆板(ジャンカ)・内部欠陥がおこる原因

打ち込み時の材料分離、締固め不足、型枠下端からのセメントペーストの漏れ、などによって発生します。豆板が発生しやすい場所として次の様な箇所が挙げられます。

• 窓などの開口部の下部
• 配管や設備の金物などの下部
• 部材の薄い壁・階高の高い柱
• 鉄骨フランジの下端
• 壁付きの階段

豆板は、コンクリートを打ち込みにくい・締固めしにくい場所で出来やすく、コンクリートの落下高さが高くなると材料分離が起こり、豆板が発生しやすくなります。

豆板(ジャンカ)・内部欠陥を防止する方法・対策

施工不良が主な原因であるため、作業や確認を念入りに行うことが基本となります。

• 良好なワーカビリティの配合とする
• 材料分離を生じないように打ち込む
• 締固め・叩きなどでしっかり充填させる
• 型枠の精度・漏れに気を付ける

豆板(ジャンカ)・内部欠陥の補修方法

豆板が発生した場合は、スケールなどで測定し面積を求め、ノギスなどで深さを測定します。さらに、ハンマーで豆板部分を叩き、粗骨材の結合力を調べます。

豆板は「欠陥の深さと粗骨材の結合力」によって不良の程度が判断できるため、ノギスで測った深さと粗骨材の結合力を考慮して、補修方法を選定します。

発生した豆板の面積と深さにもよりますが、実質的にかぶりが少なくなるため、耐力の低下よりも、耐久性の低下を招きます。

2.コールドジョイントとはどんな劣化？

「先に打ち込んだコンクリート」と「後から打ち重ねたコンクリート」が一体化しない状態で硬化し、不連続な面が生じることを言います。

コールドジョイント部はひび割れが生じていることが多く、強度・耐久性・水密性の低下につながるため、補修をする必要があります。

コールドジョイントがおこる原因

一般に、壁などの高さ方向に長い部材は、コンクリートを一度で打込まず、複数に分けて上まで打込んでいきます、それを「コンクリートを打ち重ねる」と呼びます。

コールドジョイントは、打ち重ね時に時間が経ちすぎてしまい、先に打ったコンクリートと後から上に重ねたコンクリートが一体化しないことで起こります。

先に打ったコンクリートの凝結程度が原因で、次の要因が関係しています。

• コンクリートの配合
• 気温・日射などの環境条件
• 運搬時間
• 打込み・締固め

コールドジョイントを防止する方法・対策

コンクリートの打込みを中断せず連続して打込むこと、先に打込まれたコンクリートと一体になるように締固めをすることが必要です。

各種仕様書ではコールドジョイント防止のため、運搬時間と打重ね時間間隔について外気温を基準として、時間の限度を規定しています。

コンクリートの製造時間から4時間程度を打重ね時間の限度として施工計画を立てなければなりません。

コールドジョイントの補修方法

コールドジョイント部はコンクリート自体が弱くひび割れていることが多く、耐力・耐久性の低下を招く原因となります。

コールドジョイントが発生した部分を観察し、色の違いやひび割れの有無などで不具合の程度を確認し、補修方法を選定します。

コールドジョイントは強度の低下・耐久性の低下を招きます。水密性が低下し劣化因子が浸入しやすく、中性化・塩害・化学的侵食などの劣化要因となります。

3.表面気泡・砂すじとはどんな劣化？

表面気泡とは、打込み時に巻き込んだ空気が、コンクリート表面に残ったまま硬化し、表面に露出した気泡のことを言います。

表面気泡は、美観上の問題や、表層部分がポーラスな組織となるため、強度の低下や水密性の低下を招きます。

砂すじとは、コンクリート表面に、細骨材(砂)が縞状に露出したものを言います。

主に美観上問題となるが、砂すじ部分は脆弱なため、水や空気などの劣化因子が浸入しやすくなります。

表面気泡・砂すじがおこる原因

表面気泡は、型枠面が傾斜している部分で発生しやすく、スランプの大きい場合や、コンクリートの凝結が早すぎる場合でも発生しやすい。

砂すじは、コンクリートのブリーディング水が原因であるため、スランプの大きい場合や過度な締固めをした場合、打ち重ね時のブリーディング水を除去しなかった場合などに発生します。

表面気泡・砂すじを防止する方法・対策

表面気泡は、打込み速度や締固めに注意することや、型枠に空気孔を設けるなど。透水型枠や吸水型枠を使用し、余剰水や気泡を排出することで防止できます。

砂すじも表面気泡と同様に、打込み速度や締固めに注意することや透水型枠の使用が有効です。

表面気泡・砂すじの補修方法

表面気泡・砂すじとも美観上問題となる場合があるため、

劣化とは、元々備わっていた性能が衰え、機能低下することをいいます。

耐久性の定義は「劣化に対する抵抗性」ですが、ある劣化現象について必要な抵抗性を確保するには、その劣化のメカニズムを理解する必要があります。

この記事では、コンクリートにおける劣化の種類や内容についての全体像について解説します。

鉄筋コンクリート構造物に共通する劣化原因

地震・火災などの災害を除くと、コンクリートの劣化は、空気や水がコンクリート内部に侵入することで起こります。

一方、コンクリートは塑性材料であるため、現在の技術では鉄筋コンクリート構造物のひび割れをゼロにする、というのは難しいというのが実情です。

劣化に強く・耐久性の高い鉄筋コンクリート構造物にするには、

この2つが重要となります。

コンクリートの劣化原因・劣化種類のカテゴリー

コンクリートの劣化は様々な原因によって起こり、その種類も多種多様にあります。

コンクリートの劣化を専門的には「変状」と言い、

と大きく3つのカテゴリーに分類する事が出来ます。

初期欠陥は、コンクリートの品質と施工の品質が主な要因

初期欠陥とは文字通り、コンクリートで構造物を作った初期段階(打込み時や硬化の初期)で発生する変状の事をいいます。

初期欠陥はそれ自体が問題になるというより、後々の劣化を誘発する原因になりやすい事が特徴です。

初期欠陥の多くは、コンクリートの品質(配合・製造)や施工の品質(打込み・締固め)を改善することで防げるものが多い劣化です。

豆板(ジャンカ)・内部欠陥

打ち込み時の材料分離、締固め不足、型枠からのセメントペーストの漏れなどによって起こります。

コールドジョイント

打ち重ねた部分に不連続な面が生じ、コンクリートが一体化しない状態で硬化した部分。コンクリートの凝結が進み過ぎてから打ち重ねたために起こります。

表面気泡・砂すじ

ブリーディングが多いコンクリート、過度な締固め、速すぎる打込み速度によって起こります。

経年劣化は、時間とともにコンクリートが変質することが主な要因

経年劣化とは、コンクリートの品質が時間とともに変質していく変状の事を言います。

経年劣化の原因は複合的であることが多く、また劣化原因によっては進行性の劣化であることも多いため、劣化の特徴を見極め、原因に対処する事が大切になります。

ひび割れ・浮き・剥落

コンクリートのひび割れには、鉄筋(鋼材)腐食先行型とひび割れ先行型の二つがあり、進行性のひび割れ・非進行性のひび割れがあります。

ひび割れ発生の原因には、多くの要因があり、またいくつかの要因が重なっていることも多いのが特徴です。

錆汁

金属の腐食によって、コンクリート表面に発生する褐色系のシミのようなものを言い、錆汁の発生源には、以下の二つがあります。

錆汁の発生源がコンクリート内部の場合、鉄筋が腐食している事が濃厚なため、注意すべき変状です。

エフロレッセンス

コンクリート中の可溶成分が、水とともにコンクリート内部から表面に移動し、二酸化炭素との反応や水の蒸発によって析出することをいい、白華とも呼びます。

エフロレッセンス自体は、コンクリートへの影響は少ないが、劣化や変質の結果としてコンクリート表面に発生する事が多く注意が必要です。

すり減り(摩耗)

コンクリートの表面が摩擦・衝撃によって徐々に薄くなる現象をいいます。車両の走行や人や物の移動、水流による砂・氷・波浪の移動によって起こります。

変色(汚れ)

コンクリートの変色(汚れ)には、二通りの原因があります。

• 表面の付着物によるもの
• コンクリート自体の変色

コンクリート表面には、大気中のチリ・ほこりを栄養素として藻やカビが発生します。その付着物の死骸が炭化することが汚れの原因です。

コンクリート自体の変色は、セメント水和物が変質することによって生じます。多くは茶色や黄土色など褐色系に変色する。

変色の度合いによってはコンクリートの劣化が内部まで進行している場合があり、注意が必要です。

構造的変状は、コンクリート構造物の力学的特性が要因

構造的変状とは、設計で想定した範囲を上回る荷重や、想定外の状況(基礎地盤の変動・部材の耐荷力の不足)、また、振動や荷重を繰り返し受けることで起こる疲労など、力学的特性で生じる変状です。

変形・たわみ

鉄筋コンクリート構造物は、一時的に作用する活荷重と継続して作用する死荷重によって変形・たわみが生じます。

設計時に想定した範囲の荷重であれば、安全性の問題となる可能性は小さいですが、設計時の想定を上回る荷重や耐力不足、地盤の変動による基礎の沈下・移動があった場合などは、構造物の安全性が問題となる場合があります。

振動・疲労

コンクリートは、応力を繰り返し受けることによって疲労します。設計で想定した範囲の荷重でも、繰り返し作用することによって疲労破壊をおこします。

コンクリート構造物に作用する荷重の周期と部材の固有振動数が近い場合、共振現象が起こり、疲労劣化を助長する場合があります。

ひび割れが認められた場合、発生した時期とひび割れのパターンによって発生原因を推定し、的確な対処をすることが重要となります。

鉄筋コンクリート構造物のひび割れは、原因別に以下の分類となります。

このうち「鉄筋腐食が原因のひび割れ」の原因は次のとおりです。

1. 中性化
2. 塩害

1.中性化について、鉄筋の腐食でコンクリートがひび割れるメカニズムについては、こちらの記事で詳しく説明しています。

コンクリートの中性化の原因とひび割れ、炭酸化反応のメカニズムとは

鉄筋コンクリート構造物のひび割れには、発生時期とひび割れのパターン(形状)に固有の特徴があります。ひび割れが認められた場...

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今回の記事では、2.塩害について解説します。

コンクリートの塩害とは

コンクリート中の塩化物イオンによって、鉄筋の腐食が促進される現象を言います。

鉄筋腐食によるサビ（酸化鉄）の体積膨張によって、コンクリートのひび割れや剥離・剥落、鉄筋の断面現象による構造耐力の低下などを招きます。

イオン濃度や電気的ゆらぎによって、不動態被膜表面に塩化物イオンが集中します。塩化物イオン濃度が高くなると、鉄イオンと塩化物イオンが反応し、塩化鉄を生成します。

生成された塩化鉄は、不動態被膜を突き破るように次第に内部へと進展していき、不導体被膜に穴が開けられます。

不動態被膜が破られた箇所において、アノード・カソード反応が起こり、水酸化鉄（Fe(OH)₂）が生成され、水と酸素と反応し、鉄筋が腐食します。

腐食によるひび割れによって、酸素・水分・塩分の供給が促進され、腐食が更に進行し、コンクリートの剥落・鉄筋の断面減少による耐荷力の低下を招きます。

塩化物イオンが不動態被膜を破壊する

不動態被膜の破壊は、コンクリート内部の細孔溶液中の塩化物イオン濃度が、鉄筋の腐食に必要な濃度以上となり起こるため、塩化物イオンの侵入と拡散が問題となります。

コンクリートの塩分(塩化物イオン)には、

• 内在塩分
  • コンクリート自体の塩分
• 外来塩分(飛来塩分)
  • 海水や凍結防止剤などの環境による塩分

があり、鉄筋付近の塩化物イオン量が1.2～2.5㎏/㎥になると腐食が開始するとされています。

コンクリート内部の塩分は3種類の形態で存在し、塩分の40～50％は固定・吸着された状態のため拡散せず、残りの半分程度が細孔溶液（内部の水）内を移動しながら内部へと拡散します。

塩化物イオン濃度が高くなった不動態被膜付近では、鉄イオンと塩化物イオンの反応により塩化鉄が生成され、不導体被膜を破ります。

不動態被膜を失った鉄筋表面では、酸素と水の供給により鉄筋に腐食が発生します。

塩化物イオンの濃縮には中性化の影響が大きい

コンクリートに中性化が起こると、フリーデル氏塩(固定化・吸着された塩化物)が溶液中に溶け出し、塩化物イオン濃度の平衡を保つため、中性化していない内部へと塩化物イオンが移動していきます。

これにより、塩化物イオンの絶対量が変わらなくても、内部の塩化物イオン濃度が段々高くなっていきます。外部からの塩化物イオンの供給がある場合は、さらに塩化物イオンの内部への移動スピードが速くなります。

塩害による鉄筋腐食に必要な条件を化学的に見てみよう

鉄筋腐食は、水と酸素が鉄と反応し水酸化鉄が生成されることで起こります。

鋼材表面の不動態被膜が破壊されると、被膜のない部分(腐食部)と被膜で覆われた部分(健全部)の間で腐食電流が流れます。

これをアノード・カソード反応といい、鉄筋が溶液中の水・酸素と反応し水酸鉄（Fe(OH)₂）を生成します。

この反応には、発生している場所によって二通りの反応があります

• ミクロセル腐食…鉄筋の同位置で起こる腐食
  • 腐食電流が小さく、比較的ゆっくりとした速度で腐食が進行する
• マクロセル腐食…鉄筋の離れた場所で起こる腐食
  • 腐食電流が大きく、ミクロセルより速い速度で腐食が進行する

鉄筋コンクリートの塩害で問題となるのは、マクロセルによる腐食です。

マクロセルによる腐食の進行は、主に3つの要素に影響を受けます。

塩化物イオン濃度

コンクリート中の塩化物イオンは不導体被膜を破壊する以外にも、アノード部の電位を小さくするため、腐食の起こりやすさと関係しています。

酸素の供給量

カソード部は酸素の供給量の影響を受け、酸素が多いほど大きな電流が流れます。

コンクリートの含水率 (電気抵抗)

マクロセルの場合、コンクリートを介して腐食電流が流れるため、コンクリートの電気抵抗が小さいほど大きな電流が流れます。電気抵抗は含水率によって変化し、含水率が高いほど抵抗が小さくなり、大きな電流が流れます。

また、コンクリート内部への酸素の拡散にも、含水率が影響を及ぼしています。含水率が高いほど、酸素の拡散が遅くなります。

例えば海洋構造物では、常時海中にある部分は塩化物イオン濃度の高いが、鉄筋の腐食は進行が遅いことが分かっています。これは、海中では酸素の供給量が少なく、腐食電流がきわめて小さいことが理由です。

塩化物イオンが鉄筋の腐食環境を作り、酸素の供給量はコンクリートの含水率によって変わり、酸素量により腐食電流の大きさが決まります。

鉄筋の腐食により劣化のスピードが加速する

塩害によって鉄筋の腐食が進むと、サビの膨張圧によって周囲のコンクリートにひび割れが発生します。

ひび割れによって、酸素・水・塩化物イオンの供給がさらに進むため、腐食が進行します。

腐食によって鉄筋の断面が減少し、コンクリートもひび割れの増加によって剥離・剥落すると、耐荷力が低下し構造安全性が不十分となります。

また、コンクリート自体の強度は、塩害によって特に変化するものではありません。鉄筋も腐食によって性質が変化するのではなく、腐食部分が弱点となるためヤング係数や伸びが低下するとされています

塩害による鉄筋腐食について、コンクリートに含まれる塩化物量の測定方法について、鉄筋の腐食状況についてはこちらの記事で説明しています。

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