JP5625464B2

JP5625464B2 - 耐久性に優れたコンクリート柱

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Publication number: JP5625464B2
Application number: JP2010096571A
Authority: JP
Inventors: 幹之市場; 裕也新留; 洋一早川; 鈴木　千秋; 千秋鈴木
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Tokyo Electric Power Co Holdings Inc
Priority date: 2009-12-07
Filing date: 2010-04-20
Publication date: 2014-11-19
Anticipated expiration: 2030-04-20
Also published as: JP2011140858A

Description

本発明は、コンクリート損傷時に内部鋼材の耐腐食性に優れたコンクリート柱に関するものである。

架空電力線や柱上変圧器を支える電力支持物にはコンクリート柱が一般的に使用されている。コンクリート柱内部には、コンクリート柱に圧縮応力（プレストレス）を付与するための緊張鋼材と、緊張鋼材に沿って配置される非緊張鋼材とが配筋されている。これらのコンクリート柱は遠心成型法で製造されるため、水セメント比が通常のコンクリート構造物よりも小さく、通常の屋外環境では中性化などの経年劣化をほとんど生じない。また、コンクリート柱内部の鋼材はコンクリートによりアルカリ環境に保持されるため腐食が生じにくく、長期間健全な状態が保持される。

電力支持物であるコンクリート柱は、通常供用時で想定される電力線や装柱機材からの荷重（許容荷重）に耐えうるように設計された上で建柱され、一定期間毎の巡視点検によりひび割れなどの状態を管理しながら使用される。

しかし、管理者に無許可でケーブルなどを設置され設計外の負荷を受けたり、自動車の衝突や台風などの自然災害などの想定外の荷重を受けて、コンクリート柱にひび割れが入る場合がある。ひび割れの状態によってはひびを介して雨水が侵入し鋼材の腐食劣化を生じ、腐食劣化が進行すると鋼材破断の要因となり得る。

コンクリート柱の損傷は、通常は巡視点検などの監視により発見され、補修や建て替えが行われる。巡視点検のサイクルは、鋼材腐食の進行速度等を考慮して設定される。例えばコンクリート損傷時の鋼材腐食の進行が速いと、巡視点検のサイクルを短縮する（頻度を高める）必要がある。このため、コンクリート損傷時の鋼材腐食の進行を大幅に遅らせる技術は、巡視点検の負荷軽減や突発的な自然災害に対する耐久性向上、さらにはコンクリート柱の長寿命化に大きな寄与が期待できる。

コンクリート柱の鋼材腐食による破断は、腐食部を起点として割れや減肉を生じ負荷応力に耐えられなくなることで生じる。コンクリート柱が災害などにより受けた損傷状態によっては、設計上の応力を主に負担する緊張鋼材だけでなく、非緊張鋼材にも応力が作用して、両方の鋼材が破断する場合がある。特に、高強度鋼材に高い応力が負荷された状態では、鋼材が脆化する腐食が生じ腐食部を起点として脆性破断を生じる可能性のあることが知られている（非特許文献１参照）。

このような対策として、樹脂で被覆した鋼材を用いて鋼材腐食を抑制する手法が開示されている（特許文献１〜３参照）。また、材料にクロムを含有させた耐食性の優れたステンレス製鋼材を用いて腐食を抑制する手法が開示されている（非特許文献２参照）。さらに、表面軟質化処理を施した鋼材を用いて脆化を伴う腐食破断を抑制する手法が開示されている（特許文献４参照）。

特開平７−５４４４１号公報特開平４−２１２５７０号公報特開昭６２−２６７４２０号公報ＷＯ２００９／１２３２２７号公報

南雲道彦著、「水素脆化の基礎」、内田老鶴圃、2008年12月発行白濱昭二ら、「２相ステンレスＰＣ鋼材の基礎的諸特性およびこれを用いたプレストレストコンクリート部材の曲げ載荷特性に関する研究」、Journal of the Society of Materials Science, Japan 48(10)、1999年10月発行、pp.1199-1206

しかし、特許文献１〜３に記載の樹脂被覆による鋼材の腐食抑制方法では、樹脂はコンクリート柱の損傷時に疵がつき内部の鋼材が露出する恐れがある。また、非特許文献２に記載のステンレス鋼を用いた方法では、ステンレスはコンクリート柱を連続生産する際、加工性が現行の鋼材と異なるため鋼材の直線性が得られにくい。さらに、樹脂やステンレスなど高価な素材を用いるとコンクリート柱の製造コストが増加する。

特許文献４に記載の表面軟化処理を行う方法でも、表面軟質化を施した鋼材は軟質層が腐食により消失すると鋼材の腐食破断を生じる可能性がある。

そこで、本発明は、コンクリート柱に設計想定外のひび割れが入り、ひびを介して雨水が侵入する状態に鋼材がさらされても鋼材の腐食劣化の進展や鋼材の破断を著しく抑制することが可能な耐久性に優れたコンクリート柱を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明者らは、まずコンクリート柱にひび割れを導入した状態でコンクリート内の鋼材の腐食速度を調査した。その結果、鋼材のかぶり厚ｔが15mm以上を有していれば、コンクリート内の腐食環境が通常の管理基準を超えるひび割れ部であっても、鋼材の腐食速度を年間20μｍ程度に抑制できることを見出した。また、コンクリート柱製造後の鋼材に観察される表面疵は深さが20μｍ程度であることを確認した。

これらの知見より、鋼材表面に一定厚さの腐食代を付与することにより鋼材の腐食破断をある程度抑制できることを見出した。腐食代部分の鋼材の材質は、低硬度の軟化層にすると腐食箇所を起点とした割れなどを生じにくいため効果的である。腐食代の厚さとしては、初期に20μｍ程度の疵があり、巡視点検期間を最長10年として巡視期間の間に腐食が進行し、その後コンクリート柱の建て替えに要する期間を1年とすれば約250μｍの厚さが目安となる。

また、コンクリート柱には電線などの付属物を取り付た状態での風圧を考慮した設計荷重が規定されているが、設計荷重に対して一定量以上の鋼材を有していれば、ひび割れが生じてもひび割れ幅の増大を抑制できることを見出した。

更に、コンクリート柱の曲げ耐久試験を行い、想定を超える損傷時には非緊張鋼材にも応力がかかり、その際、非緊張鋼材が腐食破断しなければ、緊張鋼材への応力集中や腐食に伴う脆性破断の可能性を低減できることを見出した。

以上から、コンクリート柱に使用する緊張鋼材あるいは、緊張鋼材と非緊張鋼材について、腐食を起点とした脆性割れに耐性がある鋼材を使用することでコンクリート柱の耐久性を向上できることを知見した。特に鋼材表層に250μm程度の一定厚さに管理された低硬度軟化層の腐食代を設けると同時に、コンクリート柱の設計荷重に応じた鋼材量を確保することにより、コンクリート柱に予期せぬ損傷が発生してひび割れが生じても、鋼材が腐食してから破断に至るまでに10年以上の時間を担保でき、安全に建て替えが可能となることを知見し、本発明を完成するに至った。すなわち本発明は次の通りである。

本発明に係わる耐久性に優れたコンクリート柱は、緊張鋼材がかぶり厚15mm以上35mm以下となるように配筋され遠心成型で製造されるコンクリート柱であって、緊張鋼材の中心部の平均硬度である中心硬度ＨＶ_ｃと表層付近の硬度である表層硬度ＨＶ_ｆとの差（ＨＶ_ｃ−ＨＶ_ｆ）から求められる硬度差ＨＶ_ｄが、ビッカース硬度で８０超過２００以下であり、かつ緊張鋼材の硬度が次式で表される軟化開始硬度ＨＶ_ｓとなる軟化開始位置から表層までの距離で規定される軟化層厚ｄ_ｗが、250μm以上1000μｍ未満であることを特徴とする。
ＨＶ_ｓ＝ＨＶ_ｃ−ＨＶ_ｄ×α・・・・・・・（１）
ここで、αは硬度低下率（０．１≦α＜０．２）

また、前記コンクリート柱には前記緊張鋼材に沿って非緊張鋼材もかぶり厚15mm以上35mm以下となるように配筋され、前記非緊張鋼材の前記硬度差ＨＶ_ｄもビッカース硬度で８０超過２００以下あり、かつ前記非緊張鋼材の前記軟化層厚ｄ_ｗも250μｍ以上1000μｍ未満であることが好ましい。

また、前記緊張鋼材の中心部分と硬度が略同一の母材部分が、引張強度の略70％を負荷したＦＩＰ試験で破断時間が80時間以上となる焼戻しマルテンサイト組織を有し、前記緊張鋼材をJISZ2201の2号試験片で引張試験を行った場合の引張強度が1420N/mm²以上1800 N/mm²未満であることが好ましい。

また、前記非緊張鋼材の中心部分と硬度が略同一の母材部分が、引張強度の略40％を負荷したＦＩＰ試験で破断時間が80時間以上となる焼戻しマルテンサイト組織を有し、前記非緊張鋼材をJISZ2201の2号試験片で引張試験を行った場合の引張強度が1250N/mm²以上1800 N/mm²未満であることが好ましい。

さらに、前記コンクリート柱の地際断面の鋼材総面積Ｓ(mm2)が、風圧荷重を考慮した前記コンクリート柱の設計荷重Ｌ(N)として、Ｓが９L以上２０L以下の応力を負担できる面積であることが好ましい。

本発明によれば、コンクリート柱に自動車の衝突や台風などの自然災害により設計想定外のひび割れが入り、ひびを介して雨水が侵入する状態に鋼材がさらされても鋼材の腐食劣化の進展や鋼材の破断を著しく抑制することが可能となる。

本発明の実施形態に係わるコンクリート柱に作用する荷重のイメージ図である。本発明の実施形態に係わるコンクリート柱の概要図である。本発明の実施形態に係わる鋼材の表層から中心部までの硬度分布のイメージ図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。

図１は、本発明の実施形態に係わるコンクリート柱に作用する荷重のイメージ図である。本実施形態ではコンクリート柱１として、通常の送電、配電用に用いられるプレストレストコンクリートポールを例にして説明する。

コンクリート柱１は下端部が地中に固定されている。設計荷重として、上部の電力線装架位置には電力線からの荷重Ｔが点荷重として作用し、全長にわたり風荷重Ｌが分布荷重として作用する。さらに想定外の荷重も作用する場合もある。例えば、図１には、車両等の衝突荷重が電柱下部に点荷重として作用する場合を図示している。

コンクリート柱１には、通常想定される設計荷重に対して所定の安全率で曲げ耐力を有するように、十分な量の鋼材が配置されている。しかし、想定外の荷重が付加されると、図１に示すように曲げモーメントが最大となる地際でひび割れが発生する場合がある。

図２は、本発明の実施形態に係わるコンクリート柱の概要図である。図２（ａ）はコンクリート柱１の外観図であり、図２（ｂ）は、コンクリート柱内に埋設される鋼材の組立図である。図２（ａ）に示すコンクリート柱１では、ポール下端から上端の方へ行くに従って漸次直径が小さくなるように全長に沿った所定値のテーパーが設けられている。なお、コンクリート柱１はこれに限定されず、本発明はテーパーが無い柱にも適用することができる。

図２（ｂ）に示すように、コンクリート柱内には、籠状に組み立てられた鋼材が埋設されている。これらの籠状鋼材２は、周方向に略均等位置に配置した複数の緊張鋼材３と、緊張鋼材３に沿って配置した複数の非緊張鋼材４と、周方向位置に固定するためのフープ筋５とが組み合わさっている。

緊張鋼材３は、柱全長にわたって配置されている。緊張鋼材が所定位置に組み上げられた後、プレストレスが与えられ、その後、コンクリートが遠心成型される。コンクリートが凝結した後に緊張鋼材３のストレスを開放することでコンクリートに対してプレストレスが与えられてコンクリート柱１を補強する。

緊張鋼材３はプレストレスをコンクリート柱１に導入するだけでなく、コンクリート柱の曲げ耐力を確保するための主筋としても機能する。緊張鋼材の配置本数は導入されるプレストレスや確保すべき曲げ耐力の大きさに応じて適宜設定すれば良い。図中では簡略化のため緊張鋼材を４本配置しているが、これ以上（例えば８本）配置しても良い。

非緊張鋼材４は、柱の長手方向の一部区間に配置されている。図中では、特にテーパーによりコンクリート柱１の下部の緊張鋼材３の周方向間隔が開くため、その間を埋めて補強するために下部に配置されている。また、図中では簡略化のため緊張鋼材の周方向略中間位置に非緊張鋼材を４本配置しているが、緊張鋼材の本数に合わせてこれ以上（例えば８本）配置しても良い。

非緊張鋼材４にはプレストレスは与えられず、設計上も曲げ耐力の算定に考慮されない場合が多い。しかし、想定外の荷重が作用する場合には非緊張鋼材にも応力が作用するため、実質的には非緊張鋼材４により曲げ耐力が増加する。

ここで、緊張鋼材３のコンクリート表層からのかぶり厚ｔは、15mm以上35mm以下であることが好ましい。かぶり厚ｔが15mm未満ではひびが入った際に鋼材の腐食の進行が速いが、かぶり厚ｔが15mm以上では腐食の進行が遅く（腐食速度で20μm/年以下）、腐食抑制効果が認められるためである。また、かぶり厚ｔを35mm以下とすることで製造にかかるコストの増大を抑制し、経済的にコンクリート柱を製造できる。なお、非緊張鋼材４による曲げ耐力の増加を期待する場合には、非緊張鋼材４のかぶり厚ｔも同様に規定するのが好ましい。

さらに、本実施形態では鋼材のかぶり厚ｔだけでなく、鋼材断面の硬度分布にも特徴を持たせることで、鋼材の脆性破断に対する性能を向上させている。詳細には鋼材表面に低硬度の軟化層を設け、軟化層と鋼材中心との硬度差を所定値以上にすることで鋼材の脆性破断を抑制し、さらに、軟化層の厚さを所定値以上にすることで腐食代としての機能も持たせている。

鋼材断面の硬度分布の特徴について図３を用いて説明する。図３は、本発明の実施形態に係わる鋼材の表層から中心部までの硬度分布のイメージ図である。横軸は鋼材表面からの距離ｄであり、鋼材表面（ｄ＝０)から鋼材中心Ｃまでを表している。縦軸はビッカース硬度Ｈｖである。

まず、軟化層と鋼材中心との硬度差について説明する。本実施形態で対象とする緊張鋼材３は、緊張鋼材３の中心部Ｃの平均硬度である中心硬度ＨＶ_ｃと表層付近Ａの硬度である表層硬度ＨＶ_ｆとの差（ＨＶ_ｃ−ＨＶ_ｆ）から求められる硬度差ＨＶ_ｄが、ビッカース硬度Ｈｖで８０超過２００以下であることを特徴とする。

硬度差ＨＶ_ｄがビッカース硬度Ｈｖで８０を超過していれば、作用する応力レベルが高い場合にも腐食部の脆化を防止し、鋼材の脆性割れを抑制する効果が母材に対して期待できるためである。また、同２００以下であれば、鋼材製造にかかるコストが過大とならず、経済的にコンクリート柱を製造できるためである。

つぎに、軟化層の厚さについて説明する。本実施形態で対象とする緊張鋼材３は、緊張鋼材３の硬度が（１）式で表される軟化開始硬度ＨＶ_ｓとなる軟化開始位置Ｂから表層までの距離で規定される軟化層厚ｄ_ｗが、250μm以上1000μｍ未満であることを特徴とする。
（数１）
ＨＶ_ｓ＝ＨＶ_ｃ−ＨＶ_ｄ×α・・・・・・・（１）
ここで、αは硬度低下率（０．１≦α＜０．２）

硬度が低い軟化層の部分は、鋼材の腐食代として機能する。低硬度部は、腐食しても腐食箇所を起点とした割れなどを生じにくいため腐食代として有効なためである。

腐食代の厚さは、表面疵や巡視点検期間に進行する腐食厚を考慮して設定する。表面疵については、コンクリート柱製造後の鋼材に観察される表面疵深さを確認したところ、20μｍ程度であることが判明した。

また、巡視点検期間に進行する腐食厚は、巡視点検期間に緊張鋼材３の腐食速度を乗じて算定することができる。ここで、巡視点検期間とは、コンクリート柱１を巡視点検する間隔のことである。通常は３〜５年の期間であるが、点検費用を削減するためこの期間をさらに延伸（例えば１０年まで延伸）するのが好ましい。

緊張鋼材３の腐食速度は、かぶり厚ｔを15mm以上に規定すれば、コンクリート内の腐食環境が通常の管理基準を超えるひび割れ部であっても、年間20μｍ程度である（詳細は実施例で説明）。表面に20μｍの疵が入った部分において10年間の巡視点検期間と１年間の建て替え期間を考慮した場合、下記の通り所要最低腐食代は240μｍとなる。
所要最低腐食代
＝表面疵＋巡視点検最長期間（１０年間）に進行する腐食厚
＋建て替え期間（１年間）に進行する腐食厚
＝20＋200＋20
＝240μｍ

よって、腐食代として機能する軟化層厚ｄ_ｗを250μｍ以上に規定することで、最大１０年間の巡視点検期間でも保守管理可能となり、点検費用を大幅に削減することができる。また、同1000μｍ未満と規定すること、鋼材製造にかかるコストが過大とならず、経済的にコンクリート柱を製造できる。

ここで、軟化層厚ｄ_ｗを求める際に用いる軟化開始硬度ＨＶ_ｓは、（１）式の通り、中心硬度ＨＶ_ｃと、硬度差ＨＶ_ｄに硬度低下率α（０．１以上０．２未満）を乗じた値との差から求められる。硬度低下率αを０．１以上とすることで、鋼材中心部の硬度のバラツキの影響を受けずに、純粋に軟化開始した位置を特定できる。また、同０．２未満とすることで、軟化層として評価できる範囲を過小評価せずに適切に考慮できる。

表層位置Aは、鋼材表層から所定深さの位置のことを指す。所定深さは、鋼材表層の被覆、汚れなどによる影響を排除できるように適宜設定すればよく、一般に３０μｍ程度に設定すればよい。

鋼材表層に軟化層を設ける処理方法は、特に限定されず、公知の方法を適宜選択して採用すればよい。なかでも、特許文献４に記載の表面軟質化処理方法が好ましい。特許文献４の表面軟質化処理方法では、焼入れ工程後の焼戻し工程において、加熱手段として高周波誘導加熱を行う。高周波誘導加熱による焼戻しでは鋼材自体が発熱するが、この発熱部の深さは、焼戻加熱コイルのコイルターン数と周波数、入力電気エネルギー、加熱温度、加熱時間、放冷時間の組合せにより調節することができる。つまり、軟化層の硬度や厚さを一定範囲で制御しながら軟化層を形成することができる点が本実施形態に適している。

対象とする鋼材には緊張鋼材３と非緊張鋼材４の両方が含まれる。ここでは代表的に緊張鋼材３を対象として説明したが、非緊張鋼材４を曲げ耐力補強用の補強筋として扱う場合には、非緊張鋼材４に対しても緊張鋼材３と同様の硬度分布を規定するのが好ましい。緊張鋼材のみならず非緊張鋼材にも鋼材の腐食による脆性割れに耐性のある鋼材を適用することで、管理基準を大幅に超えるひび割れがコンクリートに生じた場合にも、鋼材破断によるコンクリート柱の性能劣化を大幅に遅延することが可能となる。

緊張鋼材３の水素脆化試験としてＦＩＰ (Federation Internationale de la Precontrainte) 試験が知られている。この試験は50℃，20%チオシアン酸アンモニウム水溶液中で，鋼材に一定荷重を負荷し破断までの時間を評価する。

緊張鋼材３は、その中心部分と硬度が略同一の母材部分が、引張強度の略70％を負荷したＦＩＰ試験で破断時間が80時間以上となる焼戻しマルテンサイト組織を有することが好ましい。一方、非緊張鋼材４は、同じくその中心部分と硬度が略同一の母材部分が、引張強度の略40％を負荷したＦＩＰ試験で破断時間が80時間以上となる焼戻しマルテンサイト組織を有することが好ましい。ＦＩＰ試験値を満足する焼戻しマルテンサイト組織を規定することにより、材料面から腐食部からの脆性割れを抑制することができる。

緊張鋼材３は、JISZ2201の2号試験片で引張試験を行った場合の引張強度が1420N/mm²以上1800 N/mm²未満であることが好ましい。非緊張鋼材４は、引張強度が1250N/mm²以上1800 N/mm²未満であることが好ましい。引張強度を一定値以上に規定することにより、従来実施されてきた一般的なコンクリート柱の設計に対応しながら、鋼材に作用する応力レベルを引張強度に対して一定割合以下に抑制することができ、脆性破断のリスクをより低減できる。さらに、強度が1800N/mm²を超えると腐食を起点とした脆化破断の可能性が高くなることから、引張強度を1800N/mm²未満とすることでも脆性破断のリスクを低減できる。

なお、緊張鋼材３よりも非緊張鋼材４のＦＩＰ試験時の荷重レベルや引張強度を低減した。これは、それぞれの鋼材に設計上作用し得る応力レベルを考慮したものである。特に、プレストレスがかからない非緊張鋼材４は緊張鋼材３のような高強度は要求されない点を反映している。

さらに、コンクリート柱１の地際断面の非緊張鋼材４と緊張鋼材３の総面積Ｓ(mm2)が、風圧荷重を考慮したコンクリート柱１の設計荷重Ｌ(N)として、総面積Ｓが９Ｌ以上２０Ｌ以下の応力を負担できる面積であることが好ましい。総面積Ｓが９Ｌ以上であれば、コンクリートにひび割れが発生してもひび割れ幅の増大を抑制できる。同２０Ｌ以上では鋼材量の増加に伴う効果が飽和するため、総面積Ｓの上限値を２０Ｌと定めることで、高価な鋼材を不必要に多量に使用することを防止し、コンクリート柱１のコストの増大を抑制できる。

以上説明の通り、本実施形態のコンクリート柱１によれば、自動車の衝突や台風などの自然災害により設計想定外のひび割れが入り、ひびを介して雨水が侵入する状態に鋼材がさらされても鋼材の腐食劣化の進展や鋼材の破断を著しく抑制するができ、コンクリート柱の耐久性を高めることができる。

〔腐食速度試験〕
遠心成型したコンクリート柱に幅0.1ｍｍと0.5ｍｍのひび割れを導入し、実環境で暴露試験を行い、コンクリートをはつって鋼材表面からの腐食速度を測定した。なお、ひび割れ幅0.5mmは通常の管理基準を超える範囲から設定した。
検討に使用した鋼材の組成は、C：0.4％、Si：1.8%、Mn：0.6%、P：0.01％、S：0.05%、Ti：0.03%、B：0.001%、および、C：0.2％、Si：1.3%、Mn：0.7%、P：0.02％、S：0.03%、Ti：0.03%である。

実施例１１〜１６は、特許文献４に記載の方法で熱処理を行って軟化層を設けた鋼材をかぶり厚ｔ15mm〜35mmの位置に配置した。比較例１１〜１２は、市販のJISG3137(細径異形PC鋼棒)に該当する鋼材（上記熱処理は実施せず）をかぶり厚ｔ10mmの位置に配置した。結果を表１に記す。

かぶり厚ｔ10ｍｍの条件では、ひび割れ幅が0.1ｍｍでは鋼材腐食は殆ど認められないが（比較例１１参照）、通常の管理基準を大幅に超える0.5ｍｍという大きなひび割れ幅の場合は40μm/年というかなりの速さで腐食が進む（比較例１２参照）。一方、かぶり厚ｔは15ｍｍ以上では、ひび割れ幅が0.5mmでも腐食速度は20μm/年以下であり、腐食の抑制効果が認められる（実施例１２参照）。

〔緊張鋼材用試験〕
緊張鋼材の評価試験として、硬度評価試験、母材材質評価試験、脆性化評価試験を行った。硬度評価試験では、表層硬度ＨＶ_ｆ、中心硬度ＨＶ_ｃ、硬度差ＨＶ_ｄおよび軟化層厚ｄ_ｗについて測定（算定）した。表層硬度ＨＶ_ｆを求める表層付近は表層Aから30μｍ位置とし、軟化層厚ｄ_ｗを求めるための硬度低下率αは０．１５とした。なお、軟化層厚ｄ_ｗについては、10年周期の巡視点検期間で保守管理可能な250μｍ以上の場合を○、250μｍ未満の場合を×と評価した。

母材材質評価試験では、母材引張強度の70％荷重負荷時のＦＩＰ試験を行い、破断時間が80時間以上を○、80時間未満を×と評価した。脆性化評価試験では、緊張鋼材に0.5％NaClを付着させ湿潤状態で引張強度の70％の負荷応力かけて500時間経時後の腐食部からの割れの発生有無を観察した。割れ有を×、割れ無を○と評価した。緊張鋼材用試験の結果を表２に示す。

比較例２１、２２は脆性化評価試験の結果が×となり、緊張力が作用している条件では鋼材が脆性化すると評価された。比較例２１では母材材質評価試験の結果が×となっている。また、比較例２２では母材材質評価試験の結果は○であったが、硬度差ＨＶ_ｄが40と他のケースよりも小さい。よって、母材部のＦＩＰ試験での破断時間が80時間未満の鋼材、または硬度差ＨＶ_ｄが一定値未満の鋼材は、鋼材が脆性化しやすいと判断される。
比較例２３では、母材材質評価試験および脆性化評価試験の結果は○であったが、軟化層厚ｄ_ｗが規定値（250μｍ）を下回っており×と評価された。

〔非緊張鋼材用試験〕
非緊張鋼材の評価試験として、硬度評価試験、母材材質評価試験、脆性化評価試験を行った。母材材質評価試験は、母材引張強度の40％荷重負荷時のＦＩＰ試験を行った。

脆性化評価試験では、非緊張鋼材に0.5％NaClを付着させ湿潤状態で本実施形態の下限荷重1250N/mm²の60%の負荷応力かけて500時間経時後の腐食部からの割れの発生有無を観察した。その他の条件は緊張鋼材用試験と同様とした。非緊張鋼材用試験の結果を表３に示す。

表３の結果は表２に示す緊張鋼材用試験の結果と同様となった。なお、比較例３３は硬度差ＨＶ_ｄが60であっても脆性化評価試験の結果が×となっている。実施例３２等から硬度差ＨＶ_ｄが90あれば脆性化評価試験の結果が○となることから、鋼材の脆性化を抑制するためには硬度差ＨＶ_ｄが少なくとも80程度必要であると考えられる。

〔コンクリート柱の曲げ耐久試験〕
緊張鋼材および非緊張鋼材を配筋したコンクリート柱を、地際から約２ｍ位置に約0.5ｍｍのひび割れが発生するように柱頂部に水平方向の荷重を付与した状態で実環境に３年間保持した。なお、実施例４２では緊張鋼材のみを配筋したコンクリート柱を用いた。

荷重を保持したコンクリート柱について、緊張鋼材および非緊張鋼材の脆性化評価と、コンクリート柱の傾斜評価を行った。表４にコンクリート柱内の緊張鋼材と非緊張鋼材の評価結果を、表５にコンクリート柱の曲げ耐久性評価結果を示す。

表４において、緊張鋼材の引張強度評価では、1420N/mm²以上1800 N/mm²未満を○、その他を×とし、非緊張鋼材の引張強度評価では、1250N/mm²以上1800 N/mm²未満を○、その他を×とそれぞれ評価した。緊張鋼材材質評価もしくは非緊張鋼材材質評価では、ＦＩＰ試験において、引張強度の70％もしくは40%の荷重条件で定荷重試験を行い、破断時間が80時間以上となる焼き戻しマルテンサイト組織を○、マルテンサイト系組織で破断時間が80時間未満を×とした。緊張鋼材および非緊張鋼材の硬度分布評価では、硬度差ＨＶ_ｄが80以上かつ軟化層厚ｄ_ｗが250μｍ以上を○、その他を×とした。鋼材量評価では、コンクリート柱の地際部の鋼材総断面積Ｓ(mm²)、
コンクリート柱の設計荷重Ｌ(N)として、Ｓ／Ｌが9以上を○、9未満を×とした。

表５において、緊張鋼材および非緊張鋼材の脆性化評価では、荷重を３年間保持した後で、ひび割れ部での鋼材の破断無を○、破断あるいは腐食部からの割れの進展有を×とした。コンクリート柱の傾斜評価では、荷重を３年間保持した後で、ひび割れ部を起点とした傾きが垂直方向に対して30°未満を○、30°以上を×とした。

表５より比較例４１〜４３では緊張鋼材および非緊張鋼材のいずれも脆性化して破断や割れが生じており、コンクリート柱の傾斜角度が30°以上となった。これらのケースでは表４より緊張鋼材と非緊張鋼材の両方が鋼材評価（引張強度、材質、硬度分布のいずれかの評価）を満たしておらず、この影響で鋼材の脆性化やコンクリート柱の傾斜が生じたものと想定される。

また、表５より比較例４４でもコンクリート柱の傾斜角度が30°以上となった。このケースでは表４より緊張鋼材と非緊張鋼材はそれぞれ鋼材評価を満たしたが、鋼材量が不足しており、この影響でコンクリート柱の傾斜が生じたものと想定される。

一方、表５より実施例４１、４２では、緊張鋼材および非緊張鋼材の両方とも（実施例４２では緊張鋼材が）脆性化せず、コンクリート柱も傾斜しなかった。これらのケースでは表４より鋼材に関して全ての評価を満たしている。

また、表５より実施例４３，４４では、非緊張鋼材が脆性化しているものの、コンクリート柱の傾斜は一定範囲（10°〜15°）に収まっている。表４より、これらのケースでは非緊張鋼材の鋼材評価を満たしていないが、緊張鋼材の鋼材評価は満たしている。

従って、実施例４３，４４のように少なくとも緊張鋼材の鋼材評価を満たしていればコンクリート柱の傾斜を一定範囲に抑制でき、所要の耐久性を確保できる。また、実施例４１，４２のように緊張鋼材および非緊張鋼材の両方の鋼材評価を満たしていれば、コンクリート柱が傾斜せずさらに耐久性を向上させることができる。

１コンクリート柱
２籠状鋼材
３緊張鋼材
４非緊張鋼材
５フープ筋

Claims

緊張鋼材がかぶり厚15mm以上35mm以下となるように配筋され遠心成型で製造されるコンクリート柱であって、
緊張鋼材の中心部の平均硬度である中心硬度ＨＶｃと表層付近の硬度である表層硬度ＨＶｆとの差（ＨＶｃ−ＨＶｆ）から求められる硬度差ＨＶｄが、ビッカース硬度で８０超過２００以下であり、
かつ緊張鋼材の硬度が次式で表される軟化開始硬度ＨＶｓとなる軟化開始位置から表層までの距離で規定される軟化層厚ｄｗが、250μm以上1000μｍ未満であることを特徴とする耐久性に優れたコンクリート柱。
ＨＶｓ＝ＨＶｃ−ＨＶｄ×α・・・・・・・（１）
ここで、αは硬度低下率（０．１≦α＜０．２）
前記コンクリート柱には前記緊張鋼材に沿って非緊張鋼材もかぶり厚15mm以上35mm以下となるように配筋され、
前記非緊張鋼材の前記硬度差ＨＶｄもビッカース硬度で８０超過２００以下あり、
かつ前記非緊張鋼材の前記軟化層厚ｄｗも250μｍ以上1000μｍ未満であることを特徴とする請求項１に記載の耐久性に優れたコンクリート柱。
前記緊張鋼材の中心部分と硬度が略同一の母材部分が、引張強度の略70％を負荷したＦＩＰ試験で破断時間が80時間以上となる焼戻しマルテンサイト組織を有し、
前記緊張鋼材をJISZ2201の2号試験片で引張試験を行った場合の引張強度が1420N/mm2以上1800 N/mm2未満であることを特徴とする請求項１または２に記載の耐久性に優れたコンクリート柱。
前記非緊張鋼材の中心部分と硬度が略同一の母材部分が、引張強度の略40％を負荷したＦＩＰ試験で破断時間が80時間以上となる焼戻しマルテンサイト組織を有し、
前記非緊張鋼材をJISZ2201の2号試験片で引張試験を行った場合の引張強度が1250N/mm2以上1800 N/mm2未満であることを特徴とする請求項２または３に記載の耐久性に優れたコンクリート柱。
前記コンクリート柱の地際断面の鋼材総面積Ｓ(mm2)が、風圧荷重を考慮した前記コンクリート柱の設計荷重Ｌ(N)として、Ｓが９L以上２０L以下の応力を負担できる面積であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の耐久性に優れたコンクリート柱。