コンクリート構造物補修の化学療法による定量システム
コンクリート構造物の補修技術
２．コンクリート構造物の主な劣化とその補修対策
２．３ アルカリシリカ反応(ASR)
（１）ASR とは
図2-28 ASR による劣化
コンクリートは本来，高いアルカリ性を有しています．そのアルカリ分がコンクリートに使用された反応性骨材中のある種の反応成分と化学反応を起こし，反応生成物であるアルカリシリカゲルを生成します．アルカリシリカゲルは強力な吸水膨張性をもっており，コンクリート外部からの水分供給により膨張します．このアルカリシリカゲルの膨張によってコンクリート内の組織に内部応力が発生し，反応性骨材周囲のセメントペーストを破壊します．時間の経過に伴ってASR が進行すると，反応性骨材の周囲に発生した微細なひび割れが進展し，やがてコンクリート構造物の表面に巨視的なひび割れが発生します（図2-28）．これがASR によるコンクリートの劣化メカニズムです．
ASR 劣化の進行過程は，第1 ステージ『骨材中のシリカ鉱物（nSiO2）とコンクリート中のアルカリ金属との化学反応によってアルカリシリカゲル（Na2O・nSiO2）が形成される過程』と，第2ステージ『アルカリシリカゲル（Na2O・nSiO2）が細孔溶液を吸収して膨張する物理化学的な過程』に分離することができます．それらを模式図と化学式で表すと図2-29 のようになります．
図2-29 ASR 劣化の進行過程
ASRの進行過程の反応機構をみると，十分な水，十分なアルカリ金属イオン，および骨材中の反応性シリカの存在，という3つの条件が揃ったときにASRによるコンクリートの劣化が生じるということが理解できます．ここで，アルカリシリカゲルの生成は，全ての種類の骨材において発生するのではなく，ある種の不安定な鉱物（シリカ鉱物など）を含む反応性骨材が混入されている場合に発生する可能性があります．わが国で確認されている反応性骨材の主なものとして，火山岩が起源の骨材（安山岩，流紋岩など）や堆積岩が起源の骨材（チャート，砂岩，頁岩など）などが挙げられます．
（２）ASR による劣化事例
ASR によるコンクリート構造物の劣化は，ひび割れ，変位・変形，段差，変色，ゲルの滲出などの現象として表面化することが多く，その中でもひび割れの発生状況は特徴的です．無筋または鉄筋量の少ないコンクリート構造物では網の目状または亀甲状のひび割れが多く見られます．図2-30 に示す擁壁のひび割れや，図2-31 に示す橋脚はり部のひび割れの状況がこれに相当します．一方，軸方向鉄筋やPC 鋼材によりASR による膨張が拘束されている鉄筋コンクリートおよびプレストレストコンクリート構造物では，拘束方向に直交する方向のひび割れが発生しにくいため，軸方向鉄筋やPC 鋼材に沿った方向性のあるひび割れが多く見られます．図2-32 はPC 桁の下フランジ下面に発生したASR ひび割れの状況を示しています．ASR は構造物の置かれた環境条件（温度，湿度，日射，雨掛かりなど）の影響を大きく受けるため，同一の構造物においても部位や位置によってASR の劣化程度が大きく異なることもあります．図2-33 に示す橋脚では，はりの張出し部において著しいひび割れが発生していますが，はり中央部および柱部ではそれほどひび割れが見られません．
 図2-30 擁壁のひび割れ  図2-31 橋脚はり部のひび割れ |
 図2-32 PC 桁下面のひび割れ  図2-33 部位によるひび割れの状況 |
ASR により劣化したコンクリートは，圧縮強度や静弾性係数の低下が見られることが多く，特に圧縮強度と比較して静弾性係数の低下が顕著であり，より鋭敏に現れることが知られています．また，鉄筋とコンクリートとの付着力の低下も懸念されます．さらに近年，ASR によるコンクリートの膨張によって鉄筋コンクリート構造物中の鉄筋の曲げ加工部や圧接部での鉄筋破断事例が複数報告されています．鉄筋破断が確認されているのは大部分が橋梁構造物であり，橋脚のはり部やフーチングなどでの事例が報告されています．図2-34 はASR によって生じた鉄筋破断の事例で，はり先端部の鉄筋曲げ加工部において破断が見られます．
ASR の劣化のうち特に特徴的なのは「再劣化」です．ASR の膨張性は非常に大きく，かつ長期間に及びますので，構造物の環境条件などによってはASR 補修効果を維持できず，再劣化に至ることが少なくありません．図2-35 は過去に表面被覆工法により補修された橋脚はり部に生じたASR の再劣化状況です．橋脚はり部には伸縮継手を通じて橋面からの排水が流れ込みますが，はり天端には桁や支承，アンカーバーなどがあり，十分な被覆作業が困難であることが多いため，水分遮断効果が十分に得られなかったものと考えられます．図2-36 は過去に表面被覆工法により補修された橋台に生じたASR の再劣化状況です．橋台や擁壁の背面は土砂に接しており背面側を被覆することができないため，水分浸入を完全に遮断することが困難です．図2-37 はASR で劣化していた橋脚に対し，耐震補強工事としてRC 巻立て工が施工された直後，巻立てコンクリート表面にひび割れが発生した事例です．巻立てコンクリートを打設した段階で既設のASR コンクリートに十分な水分と高温を与えた結果，ASR を促進してしまい，そのASR 膨張が巻き立てコンクリート表面まで伝播した可能性が考えられます．
 図2-34 ASR による鉄筋破断  図2-35 橋脚はり部の再劣化 |
 図2-36 橋台の再劣化  図2-37 RC 巻立て後の再劣化 |
このように，ASR の補修にあたっては，対象構造物の環境条件や構造条件を十分に考慮して，適切な工法や材料を選定することが重要であるといえます．
（３）ASR の補修工法
ASR により劣化したコンクリート構造物の補修工法を選定するにあたっては，構造物の劣化状況が潜伏期，進展期，加速期，劣化期のどの劣化過程にあるかを十分に見極め，補修工法に期待する要求性能を明確にする必要があります．ASR による構造物の外観上のグレード（劣化過程）と劣化の状態との関係を表2-3 に示します．ASR の劣化過程は主に外観変状によるグレーディングより判断することになりますが，このとき，構造物の残存膨張性を把握し，現時点の劣化状況から将来的にどれだけ膨張が進行する可能性があるのかを十分考慮して補修工法を選定することが重要です．例えば，外観上のグレードが加速期に相当する劣化状況であっても，以後のアルカリシリカゲルの膨張性が高い状態であれば，その高い膨張性を見越して膨張抑制効果の高い補修工法を選択すべきですし，同じ加速期の劣化グレードでも膨張性が低い状態の場合では，単にその時点で生じている変状を補修するだけでよいと判断することができます．
ASR による劣化はアルカリシリカゲルの吸水膨張によって進行するため，ASR の補修工法に期待する効果（要求性能）は以下のようになります．
上記� 銑�の各要求性能に該当する補修工法として以下のようなものが挙げられます．
�［�化因子の遮断 （コンクリート中への水分の侵入を低減する）
・表面保護工法 （表面被覆工法，表面含浸工法など）
・ひび割れ注入工法 （エポキシ樹脂系，超微粒子セメント系など）
�▲殴襪糧麕陳ゲ� （アルカリシリカゲルの膨張性を消失させる）
・内部圧入工 （亜硝酸リチウム）
��コンクリートの膨張拘束 （外部拘束によりASR 膨張を物理的に抑制）
・接着工法，巻き立て工法 （鋼板，FRP シートなど）
次頁より，要求性能� 銑�に応じた各補修工法の概要を記します．
【表面保護工法】
ASR によるコンクリートの膨張は，反応性骨材の周囲に生成したアルカリシリカゲルの吸水膨張によって進行します．従って，表面保護工法によって外部からの水分供給を遮断，低減することができればASR の膨張を抑制することができます．表面保護工法は「表面被覆工法」と「表面含浸工法」の2 種類に分類することができます．
図2-38 表面被覆工法
表面被覆工法は，コンクリート表面に有機系もしくは無機系の被覆材をはけ，ローラー，コテなどで塗布して表面を覆うことにより，外部からの劣化因子の侵入を遮断する工法です（図2-38）．一般的にはプライマー，中塗材，上塗材と複数の種類の材料を重ね塗りします．有機系被覆材には様々な種類があり，柔軟性や膜厚などを環境条件に応じて比較的自由に計画することができます．無機系被覆材は，主としてポリマーセメント系表面被覆材が用いられます．
ASR 補修として表面被覆工法を適用する場合，将来的なASR 膨張進行を見込んで，ひび割れ追従性のある柔軟型の被覆材を用いることもあります．しかし，対象構造物の残存膨張量が大きい場合，被覆材の伸び能力が対策後のASR 膨張進行に追随できずに再劣化を生じ，定期的に再補修を繰り返すような維持管理が必要となることもあります．表面被覆工法を適用した構造物の再劣化は水分浸入を完全に遮断できなかった場合に生じていることが多いため，十分な補修効果が得られるか否かを十分考慮して適用することが重要となります．
近年では第三者被害を防ぐためのはく落防止機能を備えた表面被覆材も実用化されています．また，ポリマーセメント系表面被覆材は亜硝酸リチウムを混入して塗布することができるため，表面被覆工による劣化因子の遮断効果に加え，亜硝酸リチウムによるゲルの膨張抑制効果を部分的に付与することも可能となります．亜硝酸リチウムを用いた表面被覆工法については第3 章にて詳細に記述します．
図2-39 表面含浸工法
コンクリート内部に存在する水分の量によっては，外部からの水分を抑制してもASR 膨張の進行を完全に停止できないことがあります．また，表面被覆工法の高い遮水性によってコンクリート内部に水部を閉じ込めてしまい，逆にASR 進行を助長したケースも見受けられます．そこで，外部からの水分を抑制すると同時に，コンクリート内部の水分を逸散させることを目的とした表面含浸工法が適用されることも多くなっています．表面含浸工法は，シラン系やけい酸塩系などに代表される含浸材をコンクリート表面にはけやローラーにて塗布，含浸させることにより，外部からの劣化因子の侵入を遮断する工法です（図2-39）．シラン系含浸材はコンクリート表層に含浸して撥水層を形成する効果があり，ケイ酸ナトリウムやケイ酸リチウムなどのケイ酸塩系含浸材はコンクリート表層部の組成を緻密化し，改質する効果があります．このように表面含浸材の種類によって劣化因子の侵入抑制メカニズムは異なります．
劣化因子の遮断効果および耐用年数は一般的に表面被覆工に比べて劣ると言われていますが，この工法は表面被覆材のようにコンクリート表面に被膜層を設けないため，構造物の外観を変えることがなく，以後のモニタリングが容易であるという利点もあり，適用される事例が増えています．また，表面被覆工法と同様に亜硝酸リチウムと併用することもできます．亜硝酸リチウムを用いた表面含浸工法については第3 章にて詳細に記述します．
図2-40 ひび割れ注入工
ひび割れ注入工法は，ASR によりコンクリート表面に発生したひび割れに対し，樹脂系または無機系の材料を注入し，ひび割れを通じた水分浸入の低減を目的とした工法です．また，ひび割れの存在により鉄筋腐食が生じることもありますので，ひび割れ注入工法は鉄筋腐食を抑制する効果も期待しています．
ひび割れ注入工法はスプリング圧やゴム圧による低圧注入器を用いて，セメント系，ポリマーセメント系，エポキシ樹脂やアクリル樹脂などの有機系材料をひび割れ内部に低圧，低速で注入し，閉塞させる工法です（図2-40）．ひび割れ注入工法はコンクリート表面のひび割れ幅が0.2mm〜10.0mm 程度のものに適用可能です．ASR補修としてひび割れ注入工法を適用する場合，将来的なASR 膨張進行を見込んでひび割れ追従性のある注入材を用いることもあります．
エポキシ樹脂などの有機系注入材を使用する場合には，ひび割れ内部が乾燥した状態で施工する必要があります．ひび割れ内部が湿潤状態の場合には注入材の硬化が阻害され，十分な付着性が得られないことがありますので，湿潤面硬化型の注入材を使用するなどの対処が必要となります．逆に，セメント系注入材はひび割れ内部が乾燥した状態では注入材の流動性，充填性が低下します．従って，セメント系注入材を使用する場合には，ひび割れ内部に十分な水通し（プレウエッティング）を行った上で施工する必要があります．セメント系注入材の中でも，流動性に優れ，ひび割れ先端部の微細な隙間にまで注入可能な超微粒子セメント系注入材の使用が増えています．
セメント系注入材は亜硝酸リチウムと併用して注入することができるため，ひび割れ注入工による劣化因子の遮断効果に加え，亜硝酸リチウムによるゲルの膨張抑制効果を部分的に付与することも可能となります．亜硝酸リチウムを用いたひび割れ注入工法については第3 章にて詳細に記述します．
【内部圧入工法（亜硝酸リチウム）】
ASR により反応性骨材の周囲に生成したアルカリシリカゲルの吸水膨張は，リチウムイオンの供給により抑制することができます．リチウムイオンはアルカリシリカゲル中のナトリウムやカリウムと置換して，吸水膨張性を示さないリチウムシリケートを生成することにより，ゲルを非膨張化するとされています．ASR で劣化したコンクリートへの亜硝酸リチウムの供給方法としては，内部圧入工法，表面被覆工法，ひび割れ注入工法などが実用化されていますが，コンクリート中へのリチウムイオンの供給速度や供給量などの点で内部圧入工法が最も信頼性が高いと考えられます．リチウムイオンを含むASR 抑制材料として一般的なのは亜硝酸リチウムです．内部圧入工は，まずASR 劣化したコンクリート躯体に小径の削孔を行い，そこから亜硝酸リチウムを加圧注入してコンクリート内部に浸透させることにより，コンクリート内部の広範囲にリチウムイオンを供給し，ASR 膨張を抑制する補修工法です．削孔径はφ10mm またはφ20mm とし，その削孔間隔は500〜1，000mm と設定されます．注入圧力は対象構造物の劣化程度に応じて設定され，一般的に0.5〜1.5MPa の範囲とされます．内部圧入する亜硝酸リチウムの量は対象構造物のアルカリ含有量に応じて構造物毎に設定され，その量はLi/Na モル比0.8 となる量とされています．内部圧入工の工法概要図を図2-41 に，施工状況を図2-42 に示します．
内部圧入工法はゲルの膨張性を根本から抑制する工法であるため，構造物の劣化過程が進展期，加速期にあり，特に残存膨張性が高い構造物に対して多く適用されています．亜硝酸リチウムによって，いったんゲルが非膨張化されると，以後，構造物に水分が浸入しても膨張反応は生じないため，再劣化を生じる可能性が極めて低い工法であるといえます．内部圧入工法については第3 章にて詳細に記述します．
 図2-41 内部圧入工法  図2-42 内部圧入工の施工状況 |
図2-43 鋼板巻立てによる膨張拘束
【接着工法・巻立て工法】
この工法は，ASR によるコンクリート膨張に対し，コンクリート表面に部材を追加してASR膨張を物理的に拘束することを目的としたものです（図2-43）．膨張拘束のために追加する部材として，FRP シート，鋼板，PC パネルなどがあります．目的が膨張の抑制であるため，構造物の劣化過程が進展期，加速期にあり，特に残存膨張性が高い構造物に対して適用されることがあります．
ただし，部材形状が複雑な場合や設置可能範囲が限られている場合などでは膨張拘束効果を得ることができないため，適用にあたっては拘束効果が発揮されるか否かを十分に検討する必要があります．また，橋脚柱部材などでは耐震補強としての各種巻立て工法と兼用される場合もありますが，膨張拘束のために必要となる補強量の算定方法などが明確にされていないこともあり，適用にあたっては事前に詳細な検討を行う必要があります．
（４）ASR の劣化グレードと適用可能な補修工法との関係
ASR の劣化グレードと標準的な補修工法の関係を図2-44 に示します．潜伏期ではゲルが生成するものの，まだコンクリートにひび割れが発生していませんので，対策工への要求性能は外部からの水分浸入の抑制となります．その要求性能に適する工法は表面被覆工法または表面含浸工法となり，予防保全的な適用となります．進展期になるとゲルの膨張によりコンクリート表面にひび割れが発生し始めます．この段階でのひび割れ状況はまだ比較的軽微ですので，ひび割れ注入工法と表面被覆工法や表面含浸工法などを組み合わせることによって水分の浸入を遮断し，以後のASR 膨張の進行を抑制するという方針を採ることができます．ただし，この段階の構造物は残存膨張性が高い状況であると考えられますので，水分供給や日射などの環境条件によっては早期に再劣化を生じる場合も想定されます．よって，構造物の重要度や維持管理のし易さなどを考慮し，再劣化を許容しないような場合では予防保全的に内部圧入工法（亜硝酸リチウム）を適用し，以後の膨張を根本から抑制するという方針を採ることもできます．
図2-44 ASR の劣化グレードと適用可能な補修工法との関係
劣化期になるまで放置すべきではありませんが，もし劣化期に至った場合では，コンクリートの劣化部・不良部の範囲も大きいため，補修規模も大規模となります．ただし，劣化期までくると，構造物の残存膨張性は既に収束していることが多いため，この段階では内部圧入工法のようなゲルの膨張抑制を対策方針として掲げる必要はなくなります．ただし，鉄筋破断や強度低下など，構造物の耐荷性能が低下している場合がありますので，それに対する適切な補強対策を講じる必要が出てくる場合もあります．
このように，ASR に対する補修工法を選定するにあたっては，現時点での構造物の状況がどの劣化過程にあるかを十分に見極め，さらに，将来的なASR 膨張の進行性（残存膨張性の大小）を十分考慮したうえで適切な工法を選択することが重要です．
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