コンクリート工学年次論文集 Vol.30

コンクリート工学年次論文集,Vol.30,No.3,2008
論文
高靭性ポリマーセメントモルタル積層補強と炭素繊維シートおよび
プレート接着工法による RC 梁の曲げ補強効果
角野
嘉則*1・生森
勝久*2・村上
聖*3
要旨:本論文では,連続繊維補強材接着工法に関して,RC 部材の断面修復材として一般的なポリマーセメン
トモルタルにポリエチレン繊維の短繊維を分散混入したポリエチレン繊維補強ポリマーセメントモルタルに
より曲げ引張かぶり部分を積層補強した RC 梁において,連続繊維シートおよび連続繊維プレート接着工法
により曲げ補強を施した RC 梁の曲げ補強効果について実験的検討を行った。その結果,連続繊維シートお
よび連続繊維プレートの付着耐力が改善され,RC 梁の終局耐力および変形能力が増加し顕著な曲げ補強効果
が得られることが実験的に確認された。
キーワード:高靭性ポリマーセメントモルタル,積層補強,炭素繊維シートおよびプレート接着工法
1. はじめに
2. 実験方法
連続繊維補強材による RC 部材の曲げ補強工法として
2.1 高靭性ポリマーセメントモルタルの調合設計
は,連続繊維シート接着工法,鉄筋あるいは連続繊維ロ
(1) 調合シリーズ 1
ッド補強増厚工法などが一般的である。その中で,連続繊
(a) 実験方法
維シート接着工法に関しては,せん断力による曲げ引張
連続繊維シートおよびプレート接着工法における付
かぶり部分の斜めひび割れ発生に起因し,かぶり部コン
着剥離の抑制を目的に高引張強度のポリマーセメント
クリートの剥落を伴うシートの付着剥離が先行する場
モルタルの開発を行った。
合が多く,連続繊維シートの力学的特性を十分に発揮す
1)
表-1 に使用材料,表-2 に使用調合を示す。マトリ
るためには,シートの付着強度の改善が必要である 。
ックスには,柱の耐震補強工法における鋼板補強の充填
また,連続繊維プレート接着工法に関しても,連続繊維
材料として実績のあるポリマーセメントモルタルを使
プレートが高強度・高弾性のため単位幅あたりの補強効
用した。短繊維には,繊維長さが 18mm のポリエチレン
果が連続繊維シート接着工法に比べ大きい特徴がある
表-1 使用材料(シリーズ 1)
が,破壊形式として連続繊維シートと同じく付着剥離が
先行し終局破壊に至るのが一般的である。
従って,連続繊維シートおよびプレートの剥離が曲げ
ポリマーセメント
モルタル
コンパウンド
白色セメント+細骨材
エマルション
ポリアクリル酸エステル系
水溶性エマルション
短繊維
ポリエチレン繊維
密度=0.97g/cm3
寸法=径 12µm×長さ 18mm
引張強度=2580N/mm2
引張弾性率=73kN/mm2
引張かぶり部分の斜めひび割れに起因することから,高
引張強度の断面修復材を用いてかぶり部分を積層補強
することで付着剥離が抑制され曲げ性状を改善できる
ものと考えられる。そこで,本論文では,断面修復材と
して一般的なポリマーセメントモルタルにポリエチレ
ン繊維の短繊維を分散混入したポリエチレン繊維補強
ポリマーセメントモルタル(以下,高靭性ポリマーセメ
ントモルタルと称す)を用いた場合の連続繊維シートお
表-2 使用調合(シリーズ 1)
よびプレートの付着剥離の抑制効果と,それに伴う曲げ
Vf
(%)
補強効果の向上について実験的に確認した結果を報告
する。 なお,高引張強度の断面修復材でも高靭性でな
0
ければ欠陥やひび割れの発生,さらに引張強度に及ぼす
1.0
Em : Co
(質量比)
フロー値
(mm)
1.0 : 3.5
171
-
2.0
部材の寸法効果により,信頼強度として高引張強度を期
157
Vf: 繊維体積率
待することができないものと考えられる。
*1 熊本大学
大学院自然科学研究科環境共生工学専攻博士後期課程
工修
*2 熊本大学
大学院自然科学研究科環境共生工学専攻博士後期課程
工修
*3 熊本大学
大学院自然科学研究科環境共生工学専攻教授
工博 (正会員)
-1555-
Em: エマルション
(正会員)
Co: コンパウンド
繊維(原糸カットタイプ)を用い,繊維体積率は 0%,
1.0%,2.0%の 3 水準とした。混練には容量 5L のオムニ
ミキサーを使用し,ポリマーセメントモルタルマトリッ
クスを 90 秒間練り混ぜた後に繊維を混入し,3 分間練り
混ぜた。
素材強度試験用の供試体は,圧縮強度および割裂引張
強度試験用にφ50×100mm 円柱供試体を,曲げ強度試験
用に 40×40×160mm 角柱供試体を各 3 個ずつ作製し,
表-3 強度試験結果(シリーズ 1)
Vf
気乾密度
Fc
Ft
Fb
Tb
(%)
(g/cm3)
(N/mm2)
(N/mm2)
(N/mm2)
(kNmm)
0
1.96
17.4
2.16
6.33
-
1.0
1.62
11.0
2.01
4.96
3.51
2.0
1.35
3.77
1.16
2.69
2.11
Fc: 圧縮強度 Ft: 割裂引張強度 Fb: 曲げ強度
Tb: 曲げタフネス(変位が 2mm までの荷重‐変位曲線下の面積)
気中養生材齢 28 日後に試験に供した。
Vf=1.0%
7.0
(b) 実験結果
6.0
の測定値を示す。繊維体積率の増加に伴い,強度の大き
5.0
な低下が見られる。これは,元々のポリマーセメントモ
2
ルタルの圧縮強度が約 20N/mm と小さい上に,繊維混入
に伴う連行空気量の増大によるマトリックスの強度の
低下が繊維界面の付着強度を大きく低下させ,十分な繊
維補強効果が得られなかったものと考えられる。なお,
空気量は直接測定していないが,同一マトリックスに対
荷重 (kN)
表-3 に強度試験結果,図-1 に曲げ荷重‐変位曲線
Vf=2.0%
4.0
3.0
2.0
1.0
0.0
0.0
して気乾密度が繊維体積率の増加とともに減少してい
0.5
1.0
1.5
2.0
変位 (mm)
ることから,連行空気量の増大が推察される。
図-1 曲げ荷重‐変位曲線の測定値(シリーズ 1)
(2) 調合シリーズ 2
(a) 実験方法
表-4 使用材料(シリーズ 2)
表-4 に使用材料,表-5 に使用調合を示す。ポリマ
ーセメントモルタルおよび短繊維はシリーズ 1 と同様の
ものを使用した。シリーズ 1 の実験結果より,ポリマー
ポリマーセメント
モルタル
コンパウンド
白色セメント+細骨材
エマルション
ポリアクリル酸エステル系
水溶性エマルション
混和材
高炉スラグ微粉末
密度=2.89g/cm3
比表面積=6140cm2/g
二水石膏
密度=2.34g/cm3
粒径=1.2mm アンダー
高性能 AE 減水剤
短繊維
ポリエチレン繊維
密度=0.97g/cm3
寸法=径 12µm×長さ 18mm
引張強度=2580N/mm2
引張弾性率=73kN/mm2
セメントモルタルの強度向上を目的に混和材として高
炉スラグ微粉末と二水石膏を用いた。これは,高炉スラ
グのアルカリ刺激による潜在水硬性,高炉スラグと二水
石膏との反応で生じるエトリンガイトによる強度発現
促進および強度向上,ならびに水酸化カルシウムの消費
に伴う繊維界面組織の緻密化による付着強度の増加を
期待したものである。繊維体積率は 1.5%一定とし,高炉
スラグ微粉末は,エマルションに対する質量比 1.0,1.5,
2.0 の 3 水準で混入した。また,二水石膏は,結合材(白
色セメント+高炉スラグ微粉末)に対する質量比で 10%
一定で外割り混入した。混練には,容量 5L のオムニミ
キサーを使用し,コンパウンド,高炉スラグ微粉末,二
水石膏を 30 秒間空練りし,次にエマルションを投入し
90 秒間練り混ぜた後に繊維を混入し 3 分間練り混ぜた。
表-5 使用調合(シリーズ 2)
素材強度試験用の供試体は,圧縮強度試験用にφ50×
100mm 円柱供試体を,曲げ強度試験用に 40×40×160mm
角柱供試体を各 3 個ずつ作製し,気中養生材齢 14 日後
に試験に供した。
記号
S 1.0
S 1.5
(b) 実験結果
S 2.0
表-6 に強度試験結果,図-2 に曲げ荷重‐変位曲線
の測定値を示す。高炉スラグと二水石膏を混入し,高炉
スラグをエマルションに対して 1.5(質量比)以上混入
-1556-
Vf
(%)
1.5
Em : Co : Sg
(質量比)
Sp/B
(%)
フロー値
(mm)
1.0 : 3.5 : 1.0
0.5
126
1.0 : 3.5 : 1.5
1.5
135
1.0 : 3.5 : 2.0
2.5
118
Co: 白色セメント 40%+細骨材 60% Sg: 高炉スラグ微粉末
Sp: 高性能 AE 減水剤 B: 結合材(白色セメント+高炉スラ
グ微粉末) 二水石膏混入率 =10%(対結合材質量比)
することにより,繊維を混入した場合も十分な強度が得
られ,繊維補強効果が非常に大きくなることが分かった。
今回は高性能 AE 減水剤の使用量が過度にならない範囲
での流動性確保と圧縮強度 30N/mm2 程度を目安に,記号
S 1.5 を断面修復材として使用する高靭性ポリマーセメ
表-6 強度試験結果(シリーズ 2)
Fc
Fb
気乾密度
記号
Tb
(g/cm3)
(N/mm2)
(N/mm2)
(kNmm)
1.70
1.90
2.09
14.7
35.9
61.1
9.81
10.5
15.2
7.01
7.15
10.2
S 1.0
S 1.5
S 2.0
ントモルタルの仕様とした。
2.2 積層補強 RC 梁の使用材料
6.0
ート,連続繊維補強材には高強度タイプの炭素繊維シー
5.0
化プラスチックプレート(以下,CFRP プレートと略す)
を用いた。断面修復材には,前項の高靭性ポリマーセメ
荷重 (kN)
トには呼び強度 30N/mm2 のレディーミクストコンクリ
ト(以下,CF シートと略す)および高弾性の炭素繊維強
S 1.0
S 1.5
S 2.0
7.0
表-7 に RC 梁試験体の使用材料を示す。コンクリー
ントモルタル(シリーズ 2,S 1.5)を使用した。
4.0
3.0
2.0
1.0
コンクリートの素材試験用供試体は,圧縮強度および
0.0
割裂引張強度試験用にφ100×200mm 円柱供試体を各 3
0.0
個ずつ作製し,現場湿布養生材齢 28 日後に試験に供し
0.5
日後に試験に供した。
表-7 RC 梁試験体の使用材料
コンクリート
2.3 RC 梁試験体作製方法
表-8 に RC 梁試験体の種類を示す。作製した RC 梁試
験体は,無補強,CF シート 2 層貼付補強のみのもの,高
主筋
靭性ポリマーセメントモルタルで積層補強後 CF シート
2 層貼付補強したもの,CFRP プレート貼付補強のみのも
の,高靭性ポリマーセメントモルタルで積層補強後
CFRP プレート貼付補強したもの各 1 体の計 5 体である。
あばら筋
写真-2 に RC 梁試験体作製状況を示す。積層補強方
法は,レディーミクストコンクリートを型枠頂面から
60mm の位置まで打設し,材齢 28 日間現場湿布養生を行
連続繊維補強材
った。その後,金属ブラシ等で汚れやレイタンスを除去
し,断面修復材打設面に打ち継ぎ面の付着を良くするた
めにポリマーセメントモルタルを下塗り後,高靭性ポリ
マーセメントモルタルを打設した。断面修復材打設後,
材齢 14 日間現場湿布養生を行った。
連続繊維補強材による補強方法は,CF シートあるいは
2.0
図-2 曲げ荷重‐変位曲線の測定値(シリーズ 2)
100mm 円柱供試体を,曲げ強度試験用に 40×40×160mm
角柱供試体を各 3 個ずつ作製し,現場気中養生材齢 14
1.5
変位 (mm)
た。高靭性ポリマーセメントモルタルの素材試験用供試
体は,圧縮強度および割裂引張強度試験用にφ50×
1.0
断面修復材
レディーミクストコンクリート
呼び強度=30N/mm2
指定スランプ=18cm
粗骨材最大寸法=20mm
実測スランプ=11.5cm
SD295A,D10
公称断面積=71mm2
降伏強度=353N/mm2
引張強度=498N/mm2
破断伸び=26.1%
φ5 みがき棒鋼
降伏強度=719N/mm2
引張強度=785N/mm2
破断伸び=9.33%
炭素繊維シート
公称厚さ=0.167mm
引張強度=3430N/mm2
ヤング係数=230kN/mm2
炭素繊維強化プラスチックプレート
幅=50mm
公称厚さ=2.0mm
引張強度=1200N/mm2
ヤング係数=450kN/mm2
高靭性ポリマーセメントモルタル
CFRP プレート貼付面にグラインダーによる下地処理を
行い,CF シート貼付のものは,プライマーを塗布し乾燥
させた後,RC 梁試験体にエポキシ樹脂を塗布し 1 層目
のシートを貼付,エポキシ樹脂の上塗り後,2 層目のシ
ートを貼付し再びエポキシ樹脂の上塗りを行った。CFRP
プレート貼付のものは,RC 梁試験体およびプレート両
方にエポキシ樹脂を塗布し貼付を行った。
2.4 試験方法
図-3 に RC 梁試験体の形状寸法,配筋および載荷形
-1557-
記号
No.1
No.2
No.3
No.4
No.5
表-8 RC 梁試験体の種類
RC 梁試験体補強方法
断面修復材
連続繊維補強材
なし
なし
なし
CF シート 2 層貼付
高靭性ポリマーセメントモルタル
CF シート 2 層貼付
なし
CFRP プレート 1 層貼付
高靭性ポリマーセメントモルタル
CFRP プレート 1 層貼付
レディーミクストコンクリート打設
ポリマーセメントモルタル下塗り
高靭性ポリマーセメントモルタル打設
グラインダーによる下地処理
CF シート貼付補強
CFRP プレート貼付補強
写真-2 RC 梁試験体作製状況
[email protected]
150
30
断面修復材
連続繊維補強材
250
1800
200
750
250
250
750
200
2400
190
60
30
図-3 RC 梁試験体の形状寸法,配筋および載荷形式
式を示す。載荷方法はスパン長 2000mm,載荷点間距離
表-9 素材試験結果
500mm の 4 点曲げ載荷試験により行った。
1) レディーミクストコンクリート
No.1, No.2
Fc
Ft
E
(N/mm2)
(N/mm2)
(kN/mm2)
41.5
3.33
32.1
No.3, No.4, No.5
Ft
E
Fc
(kN/mm2)
(N/mm2)
(N/mm2)
35.8
2.78
29.3
測定は容量 500kN のロードセルにより荷重を,容量
100mm の変位計によりスパン中央変位を,標点間距離
300mm のパイ型変位計によりスパン中央断面の主筋ひ
ずみを,シートおよびプレートのひずみをゲージ長
20mm のひずみゲージによりそれぞれ測定した。なお,
後述の曲率は,平面保持を仮定して主筋ひずみの測定値
から求めた。
E: ヤング係数
2) 高靭性ポリマーセメトモルタル
Fc
Ft
Fb
(N/mm2)
(N/mm2)
(N/mm2)
29.5
5.27
11.3
3. 実験結果および考察
3.1 素材試験結果
表-9 に素材試験結果を示す。高靭性ポリマーセメン
トモルタルの引張強度はレディーミクストコンクリー
トと比較して約 2 倍の値となっている。
を示す。無補強の RC 梁試験体は,曲げ圧縮破壊により
3.2 終局破壊性状
終局破壊に至った。CF シートおよび CFRP プレート貼付
図-5 に RC 梁試験体のひび割れおよび終局破壊性状
補強のみの RC 梁試験体では,載荷点近傍で引張側かぶ
-1558-
No.1
No.2
No.3
No.4
No.5
コンクリート剥落
断面修復材接合面のずれ
連続繊維シートあるいはプレートの剥離
連続繊維シートあるいはプレートの破断
図-5 RC 梁試験体のひび割れおよび終局破壊性状
り部分に斜めひび割れが発生し,かぶり部分の剥落を伴
140
No.1
いながらシートおよびプレートの剥離により終局破壊
120
No.2
に至った。それに対し,高靭性ポリマーセメントモルタ
No.3
100
荷重 (kN)
ルで積層補強後 CF シートを貼付した RC 梁試験体では,
かぶり部分での斜めひび割れの発生が抑制され,シート
の破断によって終局破壊に至っている。また,高靭性ポ
80
60
リマーセメントモルタルで積層補強後 CFRP プレートを
40
貼付した RC 梁試験体では,コンクリートに生じた曲げ
20
せん断ひび割れからコンクリートと積層補強接合面に
0
沿ってひび割れが進展し,局部的にかぶり部分がほぼ垂
0
直にずれて,その外側のプレート部分が界面剥離し終局
20
40
60
スパン中央変位 (mm)
破壊に至った。
図-6 RC 梁試験体の荷重‐変位曲線の測定値
3.3 曲げ耐力および変形性状
(CF シート貼付補強)
図-6 に CF シート貼付補強 RC 梁試験体の荷重‐変位
曲線の測定値,図-7 に CF シート貼付補強 RC 梁試験体
貼付補強 RC 梁試験体の荷重‐変位曲線の測定値,図-9
の曲げモーメント‐曲率関係,図-8 に CFRP プレート
に CFRP プレート貼付補強 RC 梁試験体の曲げモーメン
-1559-
ひび割れ発生荷重
No.1
No.2
40
引張鉄筋降伏荷重
最大荷重
140
120
No.3
100
30
荷重 (kN)
曲げモーメント(kN・m)
50
20
80
60
10
40
0
20
0
20
40
60
80
100
0
曲率(µ/mm)
No.1
No.2
No.3
No.4
No.5
図-10 各 RC 梁試験体の曲げ耐力の比較
図-7 RC 梁試験体の曲げモーメント‐曲率関係
(CF シート貼付補強)
140
No.1
120
No.4
No.5
荷重(kN)
100
約 23%増加し,終局的破壊も前者がシートの剥離で決ま
ったのに対して,後者ではシートの破断により終局的破
壊に至った。これは,高引張強度の高靭性ポリマーセメ
ントモルタルの積層補強により,かぶり部分での斜めひ
80
び割れの発生が抑制されたためと推察される。
60
CFRP プレート補強 RC 梁に関しては,コンクリート
40
表面にプレートのみを貼付した場合には,プレートが高
20
弾性率のために引張鉄筋が降伏する前にプレートの剥
0
離が生じているのに対して,高靭性ポリマーセメントモ
0
20
40
60
スパン中央変位(mm)
ルタルで積層補強した後にプレートを貼付した場合は,
引張鉄筋降伏以降にプレートが剥離し,プレートのみを
図-8 RC 梁試験体の荷重‐変位曲線の測定値
貼付したものに比べて,終局曲げ耐力は約 19%増加して
(CFRP プレート貼付補強)
いる。
No.1
50
No.4
曲げモーメント(kN・m)
補強した後に CF シートを貼付した梁の終局曲げ耐力は,
40
No.5
30
4. まとめ
本論文では,RC 梁の曲げ補強工法として,連続繊維
シートおよびプレート接着工法について高引張強度の
断面修復材により積層補強を施した RC 梁試験体により
比較検討を行い,高靭性ポリマーセメントモルタルを断
20
面修復材として用いることにより,シートおよびプレー
トの付着耐力が改善され,曲げ補強効果がかなり大きく
10
なることが実験的に確認された。
0
今後は,実施工での効果を調べるために上向き施工に
0
20
40
60
80
100
曲率(µ/mm)
よる補強作業を行い,曲げ補強効果への影響についての
検討および解析的検討を行う予定である。
図-9 RC 梁試験体の曲げモーメント‐曲率関係
(CFRP プレート貼付補強)
参考文献
1)
角野嘉則ほか:各種断面修復材で積層補強した RC
ト‐曲率関係,図-10 に各 RC 梁試験体の曲げ耐力の比
梁に対する連続繊維シートの曲げ補強効果,セメン
較を示す。コンクリート表面に CF シートのみを貼付し
ト・コンクリート論文集,No.60,pp.497-504,2006
た梁に比べて,高靭性ポリマーセメントモルタルで積層
-1560-