木材と鋼材の接着接合に関する実験的研究
織田
1.

はじめに祥輝る差異が力学的性質に影響すると考えられる. 一方,脱炭素社会の実現に向け, 国内外で木質構造の大規鋼材―接着剤の界面に着目すると, 鋼材表面の状況に模化, 高層化が検討されている中, 剛性の確保が難し

より, 所謂, 凝着理論で言う掘り起こし成分と凝着成

い接合部の開発は特に活発と言える. 接合部の要求性分の割合に違いはあれど 7) , 含浸の影響はないことが能は, 建築物の条件に因って様々であるが, 高い剛性予想され, 先行してその特性を評価することで, 木材が期待される場合に, 鉄筋挿入接着接合, 所謂 Glued－接着剤の界面に応用が可能と言える. 以上から, 本in Rod 工法（以下, GIR と呼ぶ）が選ばれる場合が多研究では, これら接着剤自体, ならびに鋼材－接着剤

い. GIR は, 1970 年代後半から技術的な蓄積が成されの界面の特性に着目し, その評価を試みる.てきたが例えば 1) ～ 3)

, 我が国では未だ実験的評価を基本としている 4) . その要因として, GIR の剛性・強度

3.

接着剤の圧縮試験

3.1. 試験体の概要の発現機構が不明瞭な点が挙げられ, 例えば鋼棒を挿本研究ではまず, 接着剤の基本的な力学的性質を明入する先穴の径に関する議論に限っても, 統一的な見らかにするため, 材料単体の圧縮試験を行った. 図 2解に至っているとは言えない状況にある5), 6) .に示すように, ポリアセタールの型枠に接着剤を充填以上を背景に, 本研究ではまず GIR の応力伝達機し, 一定期間の養生後に硬化した接着剤を指定寸法に構を力学的に解釈し, その整理に基づき知見に乏しい切り出して試験体を作成した. 寸法効果や加圧面の局接着剤の基礎物性を調べる実験を実施することで, GIR所的な変形などの影響を考慮し, 試験体は加圧面の断に関する諸性状を検討した結果について述べる.

面積および高さの異なる 6 種類, 計 8 体とした.

2.

GIR の応力伝達機構
GIR は先穴を設けた木材に鋼棒を挿入し, 接着剤を充填することでそれらを一体化させる接合法である.
ここでは, 挿入する鋼棒に引張力が作用する場合を例に, 応力伝達機構を整理する. 構成概要を図 1 に示す.

図 2 接着剤の圧縮試験の試験体概要
本研究で採用した接着剤は, GIR として複数の施工実績があるアルファ工業製のエポキシ樹脂モルタル接着剤 AK レジン 500 を用いた. なお試験体の養生について, 接着剤の JIS 規格において温度 0 ℃以上
図 1 GIR の応力伝達機構

23 ℃以下で接着剤の接着強さに変化がないことを踏図 1 に示すように, 鋼材に作用する引張軸力は, 接まえ 8) , 平均温度 21.5 ℃, 平均湿度 25.5 % の空調着剤を介して木材に伝達される. これら 3 種類の材料環境下で養生した. 養生期間は 14 日間である.に加え, 鋼材－接着剤, 接着剤－木材の界面でも応力3.2. 試験方法と計測計画が伝達されることから, 併せて 5 つの要素で GIR の圧縮試験は最大荷重 500 KN の材料試験機で実施力学的性質が決定されると考えられる. このうち, メした. 載荷時間 120 秒程度で試験体が破壊するよう,ーカー主導で開発される接着剤単体の性質と, 各界面載荷速度 = 60 N / mm2 / min とし, 試験体の破壊が視の特性には未解明な点も多く, 検討の余地が残る.

認できた時点で試験を終了した. 計測項目は, 載荷荷木材－接着剤の界面に着目すると, 多孔質である木重と試験機のストロークに加えて, 載荷方向およびそ材への含浸が想定され, 接着剤の粘度や養生条件に因の直交方向の歪みを計測した. 歪みは, 歪みゲージに62-1

より計測し, 図 3 に示すように, 側面を時計回りに試験体の破壊は, 図 6 に示すように試験体の辺長比A ～ D 面として, A 面と C 面で載荷方向, B 面と Dによって異なる破壊形式を呈したが, いずれも最大荷面で載荷直交方向に歪みゲージを貼り付けた.

重に達すると同時に急激な荷重低下が生じるものであった. 荷重の急落という観点から, 一種の脆性的な破壊であるが, 木材のそれとは異なり, 飛散する様子は少ない点も特徴として挙げられる.

図 6 圧縮試験体の破壊形式
図 3 圧縮試験の試験体セッティング概要

試験体形状により破壊形式に相違はあったが, 前述

3.3. 試験結果と力学的性質の評価の通り, 応力－歪み関係における差異は小さいため,試験結果として, 図 4 に載荷方向の応力―歪み関係

本研究ではこれらの平均値を接着剤の特性とした. 表を, 図 5 に載荷方向とその直交方向の歪みの関係を示

1 に本試験で得られたヤング係数 E , ポアソン比 ν ,す. 同図で, 応力は載荷荷重を試験前に測定した加圧せん断弾性係数 G ならびに最大応力より評価した材面の断面積で除すことで, 歪みは同一方向の歪みの平料強度 f を示す.

均値より評価した. なお, 図 4 に併記したヤング係数

表 1

接着剤の力学的性質は各試験体の平均値で, 個々の試験体では最大応力の10 % と 40 % の範囲におけるデータより, 線形回帰によってヤング係数を評価した.
4.

鋼材間の接着接合に対する引張せん断試験

4.1. 試験体の概要
本研究のもう 1 つの目的である鋼材－接着剤の界面の特性を調べるため, 引張せん断試験を実施した.
凝着理論に基づけば, 鋼材の表面性状により特性が変化すると予想されるため, ここでは表面粗さの異なる2 種類の鋼材を用意した. 試験体の概要を図 7 に示す.
図 4

圧縮試験による応力―歪み関係

図 7 引張せん断試験の試験体概要
図 7 に示すように, 試験体は 100 mm × 25 mm × 5mm の鋼材（SS 400 材）の板 4 枚を, JIS に準拠して1 ヶ所当たり 25 mm × 12.5 mm の接着領域で接合し
図 5 載荷方向と直交方向の歪み関係たものである 9) . 接着剤は, 前述の圧縮試験と同様に,62-2

AK レジン 500 である. 鋼材は, ロータリー研磨仕上

同図に示すように, すべての試験体で接着剤の中間げのままとした B シリーズ, 粒度 120 の布やすりで部で破壊を生じる, 所謂凝集破壊でなく, 界面での凝研磨した R シリーズの 2 種類を用意した. 表面粗さ着部が破壊に至ったことが観察された.

は, 算術平均粗 さ Ra として B シリーズで 1.8 ～次に, 引張せん断試験で得られたシリーズごとの最2.5 μm , R シリーズで 0.63 ～ 1.51 μm であった.

大せん断応力を図 10 に示す. 最大せん断応力 τmax は,接着剤は, 一般に養生 14 日で強度が安定すること

最大荷重 Pmax , 破断面の面積 A より,から 10) , ここでは 7 日と 14 日の 2 種類とし, 圧縮𝜏試験と同じく空調環境下（平均温度 22.4 ℃, 平均湿度29.8 % ）で養生した. 表 2 に試験体情報をまとめる.

=⁄2𝑃𝐴(1)として求めた. なお, R-14 のうち 1 体が, 鋼材－治具

表 2 引張せん断試験の試験体一覧間で滑動したため, この結果は同図より除外した.

試験体名

表面処理

養生日数

試験体数

B-14ロータリー研磨

146B-7ロータリー研磨

76R-14布やすり

146R-7布やすり

764.2. 試験方法
引張せん断試験は, 最大荷重 50 KN の材料試験機
図 10で実施した. 載荷速度は, 載荷時間 65 秒程度で試験

各試験シリーズの最大せん断応力体が破壊することを目処に, 2100 N / min とし, 破壊

図 10 より, 養生 7 日に比べ 14 日の試験体の接まで試験を実施した. 試験体の掴み部分の長さは 37.5

着強度が平均的に大きいと判断される. 圧縮試験の結mm である 9) . 試験の概要を図 8 にまとめる.

果を振り返ると, 養生 14 日でばらつきが小さかった
ことから, 養生 14 日で接着剤の強度発現には十分と考えられる. 共に養生 14 日で表面粗さの異なる Bシリーズと R シリーズに着目すると, 接着面の表面が粗い B-14 シリーズの方が滑らかな R-14 シリーズに比べ, 接着強度はわずかに大きいと判断され, 以降
ではこの点を凝着理論に基づいて考察する.
5.

鋼材―接着剤界面の接着強度の影響

5.1. 凝着説における凝着と掘り起こしの効果
凝着説に基づけば, 摩擦力は凝着効果と掘り起こし効果の影響を受ける. 材料の硬度が近しい場合, 両者
図 8 引張せん断試験体セッティングの概要
4.3. 引張せん断試験の結果
試験結果として, まず破壊性状を図 9 に示す.

間の摩擦は真実接触面の凝着した面積に比例し, そのせん断破壊に必要な力を凝着項 Fa と呼んでいる. 他方, 硬軟の差が大きい場合は柔らかい材料が硬い材料に押し込まれ, その結果, 滑動時に前面となる部分を堀り起こす力が必要となり, これを掘り起こし項 Fpとしている. 図 11 には, これらを模式的に示した図を示してあるが, 以上を整理すると, 凝着効果と掘り起こし効果は, 表面の粗さに対して逆の傾向を示すもので, 硬軟が大きい場合, 硬い材料の表面が粗いほど,

図 9 引張せん断試験の試験体の破壊性状掘り起こし効果の影響が大きくなる.
62-3

のせん断耐力が小さい. 既往研究で使用された鋼材は表面の凹凸の大きいねじ切りのものであったため, 本報の試験よりも掘り起こし項の影響がより大きく出たのだと考えられる. 以上より, 鋼材―接着剤界面のせん断耐力と接着面の凹凸の深さには, 程度は不明であるが, 正の相関関係があることが推測される. その要
因は接着剤と鋼材の硬さの大きな差による掘り起こし項の影響が大きく表れることであると考えられるが,
図 11 凝着効果と掘り起こし効果決定的な要因であるかは未だ検討の余地が残る.

前述の圧縮試験の結果より得られた接着剤及び, 引6.

まとめ

張せん断試験で使用した鋼材のヤング係数はそれぞれ

本報では, GIR の力学要素の内, 鋼材―接着剤界面5.13 × 103 , 2.05 × 105 N / mm2 であり, 硬さに大きなと接着剤の特性に着目し, 圧縮試験と引張せん断試験差があるため, 鋼材―接着剤界面では掘り起こし項のを行った. 得られた主な知見を以下に示す.

摩擦抵抗への寄与度が大きなものとなると考えられる.

1)

圧縮試験の結果から, 養生期間 14 日で接着剤の以上の理解を踏まえると, B シリーズが R シリーズ

強度の発現は十分であると考えられ, 接着剤の基よりも算術平均粗さ Ra が大きいため, 接着面全体で礎物性は, 材料強度 f = 1.21 × 102 , 弾性係数 E =の接着剤に対する鋼材の食込み深さが大きくなること

5.13 × 103 , せん断弾性係数 G = 1.86 × 103 N

で, 摩擦力の掘り起こし項が大きくなり, B-14 シリー/ mm2 , ポアソン比 ν = 0.381 であった.

ズの方が R-14 シリーズよりも最大せん断応力が大き2)

引張せん断試験の結果から, 養生期間 7 日間に比べて 14 日間の方が接着強度は平均的に大きい.

くなったと考えられる.
3)

5.2. 既往研究との比較による分析

既往研究との比較により, 鋼材―接着剤界面にお次に, GIR の既往研究 5) で行われた試験の結果といて, せん断耐力と接着面の凹凸の深さには, 程の比較を行う. この文献で行われた試験は先穴を設け度は不明であるものの, 正の相関関係が確認され,た木材に鋼材のねじ棒を挿入し, 接着剤を充填した試掘り起こし効果によるものであると推測された.

験体の一軸引張試験であり, その概要を図 12 に示す.

今回明らかになったことを踏まえて, 今後は接着剤のさらなる理解を深めていくことに加えて, 他の力学要素についての研究を行っていき, GIR の応力伝達機構を解明していく計画である.
参考文献
1)
2)
3)

図 12 既往研究の試験概要

4)

この試験では鋼材と接着剤の界面での凝着破壊が確5)認された試験体は存在せず, 鋼材の径及び埋め込み長さから算出される破壊荷重時の鋼材と接着剤界面のせ

6)

ん断応力の最大値は τadh/steel = 11.9 N / mm2 である. 一

7)方で, 本報の引張せん断試験で観測された破壊時のせ8)ん断応力の最大値は τmax

= 7.66 N / mm2であった. つ9)

まり, 本報の引張せん断試験の方が, 既往研究で行わ10)れた試験に比べて, 全ての試験体で鋼材―接着剤界面
62-4

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