26 太平洋セメント研究報告(TAIHEIYO CEMENT KENKYU HOKOKU) 第167号(2014)：河野他 ――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――― ◇論文◇ メッシュシート状ならびにロープ状の超高分子量ポリエチレン繊維で補強した RCはりのせん断特性 Shear Properties of RC Beams Reinforced with Mesh- or Rope-shaped Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene Fibers 河野克哉*, 奥山幸成***, 濱野 KONO, Katsuya*; 口哲生**, 陽*** KAWAGUCHI, Tetsuo**; OKUYAMA, Yukinari***; 要川 HAMANO, Akira*** 旨超高分子量ポリエチレン(以下, PE)のようなスーパー繊維は, 軽量かつ優れた力学的性質と耐腐食性を有することから, 工業的に広く用いられている. しかしながら, 現在のところ, これらのスーパー繊維を補強材としたコンクリートの用途では, その適用が限られている. その一方で, 連続繊維補強材はコンクリートへの適用の可能性があるため, 以前から多くの関心を引き起こしてきた材料である. そこで本研究においては, メッシュシート状ならびにロープ状の連続 PE 繊維で補強した RC はり供試体を作製して載荷試験を行うことで, せん断耐力ならびにポストピーク挙動の改善に効果があることを明らかにした. キーワード：超高分子量ポリエチレン(PE), スーパー繊維, メッシュシート, ロープ, R Cはり, せん断耐力 ―――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――― * 中央研究所第２研究部 TBC ﾁｰﾑ TBC Team, Central Research Laboratory ** 株式会社太平洋コンサルタント Taiheiyo Consultant Co., Ltd. *** 東洋紡株式会社 Toyobo Co., Ltd. 27 太平洋セメント研究報告(TAIHEIYO CEMENT KENKYU HOKOKU) 第167号(2014)：河野他 ――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――― ABSTRACT Super fibers such as ultrahigh molecular weight polyethylene (PE) are widely used in industry for their light weight and excellent mechanical and corrosion properties. However, concrete reinforced with these super fibers has only limited application. On the other hand, continuous fiber composites have been a focus of interest as a potential reinforcing material for concrete. The authors prepared RC beam specimens reinforced with mesh- or rope-shaped PE fibers and carried out loading tests on them to find their effects in improving shear carrying capacity and post peak behavior. Keywords：Ultrahigh molecular weight polyethylene (PE), Super fiber, Mesh, Rope, RC beam, Shear carrying capacity 1.1 背景と目的有機系スーパー繊維は, 鋼材料に匹敵する高強度・高弾性率を有するだけでなく耐食性・軽量性・施工性などの優れた特徴をもった新素材である. しかしながら, コンクリートに対するスーパー繊維の適用は, まだ限られているのが現状である. 新設のコンクリートに対する繊維の利用としては, 短繊維の形状として均一に分散混入する方法 (短繊維補強) や連続繊維を合成樹脂で棒状や格子状として部分配置する方法 (連続繊維補強)が挙げられる. 本研究は, 連続繊維補強材にスーパー繊維を用いることを検討したものである. 様々なスーパー繊維のなかでも超高分子量ポリエチレン(以下, PE) 繊維に着目するとともに, メッシュシート状やロープ状の新しい形態にてコンクリート部材のせん断補強材として適用することを試みた. すなわち, メッシュシート状やロープ状に加工された連続 PE 繊維を補強材に適用した RC はり部材を載荷試験することで, その力学特性を評価した. トの引張弾性率と引張強度の関係をまとめたものである . この図から , スーパー繊維とは , 鋼繊維 (Steel)の引張強度２GPaと汎用有機繊維であるポリビニールアルコール繊維 (PVA) の引張弾性率 50GPa を超える高い性能をもつような素材であることがわかる. Table 1は, PE繊維(商品名：ダイニーマ®)の物性を示したものである. PE 繊維は, 高強度・高弾性率・軽量性・衝撃吸収性・高耐久性・負膨張性などを主な特長として, ロープ・釣糸・コード・ネット・防護手袋などに適用されている2). 300 tensile modulus (GPa) １．はじめに PBO Steel PE Basalt 100 PVA 50 1.2 スーパー繊維の概要一般に高強度・高弾性率を有する繊維は汎用の繊維と区別してスーパー繊維と呼ばれている. 現在のところ, スーパー繊維に関する厳密な定義はないものの, おおむね引張強度が２GPa 以上かつ引張弾性率が 50GPa以上となる繊維がスーパー繊維に該当する1). Fig.1は, 市販されている各種繊維フィラメン Into the category of super-fiber 200 PAR Para-aramid PP 0 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 Tensile strength (GPa) Fig. 1 Relationship between tensile modulus and tensile strength of various fibers (各種繊維の引張弾性率と引張強度の関係) 28 太平洋セメント研究報告(TAIHEIYO CEMENT KENKYU HOKOKU) 第167号(2014)：河野他 ――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――― ２．実験方法 2.1 使用材料ならびに配合 Table 2 は, RC はりのせん断補強材に用いた連続PE 繊維の種類, 形状および物性を示したものであり, 本研究ではメッシュシート状 (商品名：サイバーメッシュ®)ならびにロープ状の２種類の形態のものを検討した. これらの連続繊維は, いずれも Table 1 Table 1 に示すような PE フィラメント繊維素材から作製されたものである. また, コンクリートに用いた材料は, Table 3に示すように水 (以下, W), 普通ポルトランドセメント(以下, C ), 山砂 (以下, S ), 砕石 (以下, G ), AE減水剤 (以下, WRA) および AE剤 (以下，AE)とし, Table 4 に示した配合にて普通強度のコンクリートからなる RCはりを作製した. Properties of PE filament (PEフィラメントの物性) Filament decitex (dtex) Diameter (mm) Density (g/cm3) Tensile strength (GPa) Tensile modulus (GPa) Elongation at break (%) Melting point (°C) Thermal expansion coefficient (/℃) 1.1 0.012 0.97 2.6～3.5 79～123 3～5 155 -12×10-5 Table 2 Type Continuous PE fiber used for this study (本研究で用いた連続 PE繊維) Shape and property [Fiber] Width: 2mm, Thick: 0.13mm [Sheet] Mesh spacing: 10×10mm, Thick: 0.27mm, Maximum tensile load: 1.28kN / 5 pieces of fiber Braided type, Diameter: 4mm, Maximum tensile load: 7.85kN Mesh-sheet Rope Table 3 Concrete materials used for this study (本研究で用いたコンクリート材料) Material Water Cement Type － Ordinary Portland cement Symbol W C Fine aggregate Land sand S Coarse aggregate Crushed stone G Admixture Water reducing agent Air entraining agent WRA AE Table 4 Characteristics Tap water Density: 3.16g/cm3, Specific surface area: 3300cm3/g SSD particle density: 2.59g/cm3, Absorption: 1.77%, Fineness modulus: 2.52 SSD particle density: 2.64g/cm3, Absorption: 0.60%, Maximum size: 20mm Complex of lignin sulfonic acid compound and polyol Alkyle ether type anion surfactant Mix proportions and properties of concrete used for this study (本研究で用いたコンクリートの配合ならびに物性) W/C s/a Unit contents (kg/m3) (%) (%) W C S G WRA AE 55.0 46.0 165 300 828 991 C×0.5% C×0.003% s/a：Sand percentage, fc’：Compressive strength (Water curing, 18d) Slump (cm) 13.0 Air (%) 4.5 f’c (N/mm2) 30.4 29 太平洋セメント研究報告(TAIHEIYO CEMENT KENKYU HOKOKU) 第167号(2014)：河野他 ――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――― 2.2 RCはりの概要 RC はりの形状, 配筋および連続 PE 繊維の配置方法を Fig.2 ならびに F i g . 3 に示した. PEメッシュシート(寸法 175×500mm)で補強する場合, Fig.2(a) ならびに(b), Fig. 3(a)に示すようにせん断スパン内の側面のかぶりに１枚 (片側スパンで２枚, 両側スパンで計４枚)( 以下, M1), ２枚重ね (片側スパンで４枚, 両側スパンで計８枚)(以下, M2)となる (a) RC beam with PE mesh-sheet (M1) (PE メッシュシートを用いた RC はり(M1)) (b) RC beam with PE mesh-sheet (M2) (PE メッシュシートを用いた RC はり(M2)) (c) RC beam with PE rope (R100) (PE ロープを用いた RC はり(R100)) (d) RC beam with PE rope (R50) (PE ロープを用いた RC はり(R50)) a=500 200 a=500 100 b=150 d=175 h=200 100 D22 SD345 L=1400 70 (mm) (e) RC beam without shear reinforcing (N) (せん断補強材を用いていない RC はり(N)) Fig. 2 Detail of RC beams reinforced by continuous PE fiber (連続 PE繊維で補強された RCはりの詳細) 30 太平洋セメント研究報告(TAIHEIYO CEMENT KENKYU HOKOKU) 第167号(2014)：河野他 ――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――― ように主鉄筋 (D22 SD345 × ２本 , 引張鉄筋比 pw = 2.95% )ならびに組立鉄筋 (D10 SD295A×２本)に固定した. また PEロープで補強する場合, Fig.2(c) ならびに(d), Fig.3(b)に示すようにせん断スパン内の主鉄筋ならびに組立鉄筋にピッチ100mm( 以下, R100), 50 mm(以下, R50 ) となるように巻き立てた. なお, Fig.2(e)に示すようにせん断スパン内に補強材を配置していないRCはり(以下, N)も用意した. PEロープのいずれを用いた場合も, PEによる補強量が増えるほど (シート枚数が増加するほど, ロープ巻立てピッチが減少するほど), ピーク荷重は向上し, ピーク以降の急激な荷重低下も抑制された. なお, 補強量が少ない RC はり M1ならびに R100 では, 連続 PE 繊維によるピーク荷重の向上は明確ではないものの, ポストピーク挙動の改善には寄与できていることがわかった. 2.3 RCはりの載荷試験方法 RC はりは, 材齢18日まで湿潤養生を行った後, 等モーメント区間 200mm, せん断スパン有効高さ比 a/d= 2.86 となるように耐圧機にて静的２点集中荷重を作用させた. 荷重をロードセルで検出しながら, はり中央たわみを高感度変位計にて測定した. 3.2 曲げひび割れ発生荷重ならびに終局荷重 Table 5 は, PEメッシュシートならびに PE ロープで補強した RC はりの載荷試験結果をまとめたものである. 曲げひび割れ発生荷重 Pcr は, 連続 PE 繊維の種類, 補強量および有無によらず, ほぼ一定となった. 終局荷重 Pu については, 無補強の RC はり N にくらべて, M2の場合に 1.70倍, R50の場合に1.52 倍で補強効果が認められる. なお, 無補強はり N の終局荷重の試験値 Pu, N は, 以下の式(1)から求めた無補強はりの計算値Pcalとくらべて1.17倍で等しくならず, 無補強はりのPcalに対してM2の場合は2.01倍, R50の場合は1.79倍のせん断耐荷力となった. ３．実験結果ならびに考察 3.1 RCはりの荷重－たわみ曲線 Fig.4(a)ならびに(b)は, PEメッシュシートならびに PE ロープで補強した RC はりの荷重－たわみ曲線を示したものである. PEメッシュシートならびに (a) RC beam with PE mesh-sheet (PE メッシュシートを用いた RC はり) (b) RC beam with PE rope (PE ロープを用いた RC はり) Fig. 3 Arrangement of continuous PE fiber (連続 PE繊維の配置) 31 太平洋セメント研究報告(TAIHEIYO CEMENT KENKYU HOKOKU) 第167号(2014)：河野他 ――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――― なお, 表中に示したせん断耐荷力Pcalは, 式(1)の普通コンクリートを用いたせん断補強筋がないRCはりのせん断耐力算定式3)から求めたものである. Vc =0.2･fc’1/3･pw1/3･(103/d)1/4･{0.75+1.4/(a/d)}･bd (a) RC beam with PE mesh-sheet (PE メッシュシートを用いた RC はり) (b) RC beam with PE rope (PE ロープを用いた RC はり) Fig. 4 Load-deflection curves of RC beams reinforced by continuous PE fiber (連続 PE繊維で補強したRCはりの荷重－たわみ曲線) Table 5 (1) ここで, Vc：せん断耐力〔N〕 fc’：コンクリートの圧縮強度〔N/mm2〕 pw：軸方向引張鉄筋比〔%〕 d：有効高さ〔mm〕 a：せん断スパン〔mm〕 b：幅〔mm〕 3.3 RCはりのひび割れ状況 Fig.5 は, PEメッシュシートならびに PE ロープで補強した RC はりと無補強の RC はりをそれぞれ載荷した後のひび割れ状況を示したものである. いずれの RC はりも斜めひび割れによって最終的な破壊に至っており（図中に太線で示したひび割れ）, PEによる補強量が増えることで, 支点と載荷点を結んだ斜めひび割れの発生角度が低下している. メッシュシートならびにロープのいずれの連続 PE 繊維によっても斜めひび割れの拡大が抑制され, 斜めひび割れ発生後も耐力を保持できるようなアーチ機構が形成されたものと考える. なお, PEロープで補強した R50 では上述した斜めひび割れ角度が低下することで主鉄筋に沿った形でひび割れが進展しており, ロープ材と鋼材との結束が弱く, ずれを生じたものと思われる. このため, ロープ材は鋼材との結束を強固にすることで, さらに耐力向上に寄与できる可能性がある. Loading test results of RC beams reinforced by continuous PE fiber (連続 PE繊維で補強された RCはりの載荷試験結果) Pu Pcr Pcf=Pu－Pu,N Pu/Pcal (kN) (kN) (kN) M1 15.4 101 1.37 [1.07] 7.0 M2 16.1 160 2.01 [1.70] 66.0 R100 15.4 88.4 1.11 [0.94] -5.6 R50 16.8 143 1.79 [1.52] 49.0 N 17.5 94.0 1.17 [1.00] 0.0 * Pcr：Flexural crack initiation load, Pu：Ultimate failure load, Pcal：Calculated value of ultimate failure load (=2 ×Vc=79.8), Pcf：Load share of continuous PE fiber, Pu,N：Experimental value of ultimate failure load of RC beam without shear reinforcing ], where Pu/Pcal ** Comparison values of Pu/Pcal of RC beam with continuous PE fiber are shown in parentheses [ of RC beam without shear reinforcing equals one. Type of RC beam 32 太平洋セメント研究報告(TAIHEIYO CEMENT KENKYU HOKOKU) 第167号(2014)：河野他 ――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――― (a) RC beam with PE mesh-sheet (M1) (PE メッシュシートを用いた RC はり(M1)) (b) RC beam with PE mesh-sheet (M2) (PE メッシュシートを用いた RC はり(M2)) (c) RC beam with PE rope (R100) (PE ロープを用いた RC はり(R100)) (d) RC beam with PE rope (R50) (PE ロープを用いた RC はり(R50)) (e) RC beam without shear reinforcing (N) (せん断補強材を用いていない RC はり(N)) Fig. 5 Crack of RC Beams reinforced by continuous PE fiber after loading (連続 PE 繊維で補強された RC はりの載荷後のひび割れ性状) ４．まとめメッシュシート状やロープ状に加工された連続 PE 繊維をせん断補強材に適用した普通 RC はりの力学特性について, 本研究で得られた成果をまとめると以下のとおりである. (1) メッシュシート状ならびにロープ状のいずれの連続 PE 繊維を用いた場合でも, RC はりのピーク以降の急激な荷重低下が抑制できるようになり, さらにそれらの補強量が増すことでピーク荷重も向上できるようになった. (2) メッシュシート状ならびにロープ状のいずれの連続 PE 繊維によっても斜めひび割れの拡大が抑制され, 斜めひび割れ発生後も耐力を保持できるようなアーチ機構が形成された. (3) メッシュシート状ならびにロープ状のいずれの連続 PE 繊維も RC はり部材のせん断補強 (ポストピーク挙動の改善ならびにせん断耐力の向上)に有効となった. なお, ロープ状の場合には軸方向鉄筋との結束部分でずれを生じる場合もあるため, 強固な結束とすることでせん断補強の効率も向上できると考えられる. 33 太平洋セメント研究報告(TAIHEIYO CEMENT KENKYU HOKOKU) 第167号(2014)：河野他 ――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――― 参考文献 1) 日本化学繊維協会ホームページ. http://www. jcfa. gr. jp/fiber/super/, (accessed 2014.9.30) 2) 大田康雄. 高強度ポリエチレン繊維「ダイニーマ®」. 繊維と工業,2010,66(3),p.91-97. 3) 二羽淳一郎,山田一宇,横沢和夫,岡村甫. せん断補強鉄筋を用いない RC はりのせん断強度式の再評価. 土木学会論文集,1986,372,p.167-176.