技術資料 2
リサイクル材料を用いたガラス繊維補強コンクリートの特性 2
日本電気硝子株式会社

ガラス繊維事業部

技術部

西堀 真治

１．はじめに
近年の環境問題の高まりや、廃棄物の処理問題などで、産業廃棄物の再利用が盛んに行われている。特にフライアッシュやスラグなどは、コンクリートに大量に使用されており、その研究論文も多く出されている。
ガラス繊維補強コンクリート（GRC）は、その軽量性や造形性の良さから建築材料として広く使用されている。しかしGRC への廃棄物利用に関連した研究が少ないことから、昨年はコンクリート用混和材として広く使用されているリサイク
ル材料を中心に、それらを GRC へ添加した場合の基本物性を報告した 1）。
本研究では昨年度に得られた各リサイクル材料の添加効果を基に、それぞれの材料を組み合わせた時の GRC の耐久性を中心に調査した。

２．試験方法２．１

使用材料

リサイクル材料として取り上げたのは、表 1 に示す混和材で、それぞれの諸物性と化学組成を表 2 〜表 4 に示す。スラグ
は JIS A 6206 の高炉スラグ微粉末 4000 に適合するものを使用した。フライアッシュは JIS A 6201 のⅠ種とⅡ種に適合するものを使用した。
上記の材料のほかに、普通ポルトランドセメント（C），珪砂 5 号（S，0.3 〜 1.2mm），ポリカルボン酸系高性能 AE 減水剤（R）および耐アルカリ性ガラスチョップドストランド（FC，短繊維，長さ 25mm）と耐アルカリ性ガラスロービング（FR，連続繊維，番手 2500g ／ 1000m）を使用した。

２．２

試験体の作成30 リットルのオムニミキサーで混練を行った。高性能 AE 減水剤を添加した水，骨材，混和材，セメントの順でミキサーに投入して高速で 60 秒混練することでモルタルを得た。
チョップドストランドを用いる場合（プレミックス法）は、モルタルに対して 3 質量％のチョップドストランドを添加し、高速で 15 秒混練して得られた GRC モルタルを型枠に流し込んで試験体を作成した。
ロービングを用いる場合（スプレー法）は、スプレーガンにより 31mm にカットしたロービングがモルタルに対して 5 質量％になるように調整して、この両方を同時に型枠に吹き付けた後に、ローラーで脱泡して試験体を作成した。
２．３

比重と空気量JIS A 1128 フレッシュコンクリートの空気量の圧力による試験方法（空気室圧力法）により、混練直後のガラス繊維を含んだ GRC モルタルの空気量を測定した。生比重は GRC の、気乾比重は曲げ試験体の体積と質量から求めた。

─1─

２．４

曲げ試験

日本 GRC 工業会の定める表 5 の条件で曲げ試験を行なった。

２．５

温水浸漬促進試験

材令 28 日から 70 ℃の温水に試験体を浸漬することにより、促進試験を行なった。浸漬後、2．4 と同じ条件で曲げ試験を行い、耐久性を評価した。GRC の場合、70 ℃温水浸漬 1 日で東京の屋外暴露 1 年に相当するといわれている 2）。
２．６

示差熱分析

材令 28 日より、70 ℃の温水に試験体（モルタルのみ）を 10 日間浸漬した。得られた試験体を乾燥し、粉末化を行い、空気流通雰囲気，加熱速度 10 ℃／分の条件で昇温して、示差熱分析を行った。
２．７

粉末 X 線回折

材令 28 日より、70 ℃の温水に試験体（モルタルのみ）を 10 日間浸漬した。得られた試験体を乾燥し、粉末化を行い、X線回折分析を行った。

３．結果および考察
実験はシリーズ 1 から 3 に分けて行った。シリーズ 1 と 2 ではプレミックス法で実験を行い、シリーズ 3 ではその結果を基にスプレー法で実験を行った。
ガラス繊維を添加した GRC モルタルを用いて JIS R 5201 セメントの物理試験方法のフロー試験を行い、そのフロー値が150mm 前後になるように高性能 AE 減水剤の量を調整した。

３．１

シリーズ 1（S1）

３．１．１

まだ固まらない GRC の特性と気乾比重（S1）

表 6 にシリーズ 1 の GRC 配合およびまだ固まらない GRC の特性と気乾比重を示す。表中の生ρは混練直後の GRC モルタルの生比重を、エアは同モルタルの空気量を、気ρは GRC の気乾比重を示す。
シリカヒュームを添加することで空気量は減少したが、気乾比重は逆に増加した。これは、シリカヒュームの細かさのために空気が入りにくかったが、硬化後はその細かさのために GRC が密実になり、水分が蒸発しにくかったためと思われる。スラグの量を増やしてもこれらの物性に変化はなかった。フライアッシュの添加は空気量を下げ、気乾比重も低下させた。これら混和材添加に関する結果は、前報 1）と同じ傾向であった。
３．１．２

曲げ試験結果（S1）

図 1 〜図 4 に耐久性を含めた曲げ試験結果を示す。セメントの 10 ％のシリカヒュームを添加し、セメントをスラグに置換した系は、材令 28 日の曲げ特性が向上した。また、置換率 70 ％までその特性は変わらなかった。温水浸漬後の曲げ特性は、置換率を上げるほどよくなり、置換率 70 ％で浸漬 10 日での強度低下が見られなくなり、著しく耐久性が向上した。
スラグでセメントを置換する系でシリカヒュームの添加率を 10 ％から 5 ％に減らした場合、材令 28 日の強度は低下したが、耐久性は向上した。
フライアッシュをシリカヒュームと組み合わせたものは、スラグを組み合わせたものよりも、材令 28 日での特性は良くなかったが、耐久性は同程度であった。
添加したリサイクル材料は全てポゾラン物質であるが、その反応性は、比表面積が大きく、非晶質で塩基度（（CaO ＋MgO ＋ Al2O3）／ SiO2 重量比）の高いものほど良好であると言われている 3）。シリカヒュームの比表面積は 200000cm2 ／ g─2─と非常に大きく、スラグやフライアッシュなどと比較して反応性は高いと思われる。このことから、シリカヒュームが初期に発生する水酸化カルシウムとポゾラン反応を起こして水和物を形成し、スラグとフライアッシュがそれ以降に発生する水酸化カルシウムとポゾラン反応を起こすことで、初期から長期にわたって継続して水酸化カルシウムと反応することで、継続した耐久性の改善がはかられたと思われる。この確認として 3．3．3 の示差熱分析と 3．3．4 の粉末 X 線回折分析により、マトリックス中の水酸化カルシウムの分析を行った。

３．２

シリーズ 2（S2）３．２．１

まだ固まらない GRC の特性と気乾比重（S2）

表 7 にシリーズ 2 の GRC 配合およびまだ固まらない GRC の特性と気乾比重を示す。いずれの配合もシリーズ 1 と同じ傾向を示した。フライアッシュを 70 ％置換したものは空気量,比重共に大きく低下した。
３．２．２

曲げ試験結果（S2）

図 5 と図 6 に耐久性を含めた曲げ試験結果を示す。スラグの置換率が70 ％でシリカヒュームを 10 ％から 5 ％に減らしても耐久性を含めた曲げ特性は大きく変わらず、いずれも良好な結果となった。高炉セメン
トの C 種はスラグが 60 〜 70 ％含まれており、今回の実験におけるスラグの置換率 70 ％とほぼ同じであり、セメントとスラグを 3 ： 7 の比率で使用する代わりに高炉セメント C 種を使用することが可能である。
フライアッシュでセメントを 70 ％置換したものは、材令 28 日から温水浸漬 10 日までの間、特異な結果を示した。材令 28 日強度はセメントのみのものより大幅に低い値であったが、温水浸漬により、浸漬 3 日と 7 日で上昇し、10 日で低下するという結果であった。これは次のようなメカニズムによるものと思われる。まず、フライアッシュを 70 ％置換していることにより、マトリックス強度が低下した。それにより適切なマトリックスと繊維の界面の接着強度も得られず、材令 28 日での大幅な強度低下をもたらした。その後の温水浸漬によりマトリックス強度が上がり、接着強度も上がるこ─3─

とで曲げ特性が向上した。さらに浸漬を続けることで、適切な値以上に接着強度が上がり、繊維がマトリックスから引き抜けにくくなり、浸漬 10 日での曲げ特性の低下を引き起こした 4）。
スラグでセメントを 70 ％置換してシリカヒュームと組み合わせた場合は、28 日から 70 ℃温水浸漬 10 日までほぼ最適なマトリックスと繊維との接着強度が保たれていると言える。しかしながら、わずかずつではあるが、歪が低下していることは、両者の接着強度が少しずつ上がっていると思われる。
シリカヒュームを 10 ％添加しただけのものは、材令 28 日強度はほぼ同じで、耐久性が若干改善されているという結果であった。これは、長期にわたってポゾラン反応が継続しない事が原因と思われる。
以上のことから、耐アルカリガラス繊維のような高弾性率の繊維を使用する場合は、マトリックスと繊維との接着強度を適切に保って、繊維が適切な荷重で引き抜けるようにすることが重要である。そのためには、ある程度マトリックスが粗であることが必要となる 5）。

３．３シリーズ 3（S3）３．３．１

まだ固まらない GRC の特性と気乾比重（S3）表 8 に配合と気乾比重を示す。
３．３．２

曲げ試験結果（S3）

図 7 と図 8 にスプレー法で成形したシリーズ 3 の耐久性を含めた曲げ試験結果を示す。
ガラス繊維含有率が高く材令 28 日の曲げ強度の高い場合でも、シリカヒュームをセメントの 5 〜 10 ％添加し、セメントをスラグで 70 ％置換することで、曲げ強度が材令 28 日と同等以上、歪の保持率が 67 ％となり、曲げ耐久性が大きく改善された。ガラス繊維の添加量が 3 ％と少ないプレミックス法と比較すると、温水浸漬 10 日での歪の保持率は低めであるが、その絶対値はまだ 1.5 倍を保っている。
シリカヒュームの添加量に関しては、10 ％の方が 5 ％よりも若干耐久性が良かったが、大きな差は見られなかった。

─4─

３．３．３

示差熱分析

表 8 の No.13 と No.14 の配合で作成したモルタルのみの試験
体の DTA（示差熱分析）曲線を図 9 に示す。
普通ポルトランドセメントのみからなる No.13 は、水酸化カルシウムの分解によるものと思われる吸熱ピークが 440 ℃付近に見られる。しかしスラグでセメントを 70 ％置換してシリカヒュームと組み合わせた No.14 には、このピークは見られなかった。
３．３．４

粉末 X 線回折分析

図 10 と図 11 に No.13 と No.14 の配合で作成したモルタルのみの試験体の X 線回折ピークを示す。
普通ポルトランドセメントのみからなる No.13 には、水酸化カルシウムによるものと思われる回折ピークが、2 θ＝17.9 °に見られる。しかしスラグとシリカヒュームを組み合わせた No.14 には、このピークは見られなかった。
示差熱分析の結果と同様に X 線回折分析においても、促進養生を行った No.14 のスラグとシリカヒュームを組み合わせたマトリックス中で水酸化カルシウムが生成されていないことが確認できた。
これらのことからスラグでセメントを 70 ％置換し、シリカヒュームをセメントの 10 ％添加した No.14 の配合は、スラグとシリカヒュームがセメントの水和過程で発生する水酸化カルシウムとポゾラン反応を起こし、マトリックス中の水酸化カルシウムを消費することで、良好な GRC 耐久性を示したと思われる。

４．まとめと今後（１）シリカヒュームをセメントの 5 〜 10 ％添加し、セメントをスラグで置換することで、材令 28 日での初期強度の低下を伴うことなく曲げ特性の耐久性が向上することがわかった。
（２）（１）の系で、スラグの置換率を 70 ％とすることで、チョップドストランドを使用してプレミックス法で成形したガラス繊維含有率が 3 ％の GRC であれば、屋外暴露 10 年相当で全く曲げ特性の低下は見られなかった。
（３）フライアッシュで（２）と同じ系とした場合、初期強度は低下し、耐久性は若干改善された。
（４）（２）の系で、ロービングを使用したスプレー法で成形したガラス繊維含有率が 5 ％の GRC であれば、屋外暴露 10年相当で曲げ強度の低下はなく、歪の保持率は 67 ％であった。
（５）示差熱分析と X 線回折分析を行った結果、屋外暴露 10 年相当の促進養生を行った（２）の系のマトリックス中で水酸化カルシウムが生成されていないことが確認できた。
（６）高弾性率の繊維を使用する場合、マトリックスと繊維との界面の接着強度を適切に保つことが重要である。
（以上の結果をふまえ、今後は乾燥収縮や耐凍結融解性能の特性の把握および同じリサイクル材料であるエコセメントや他のセメントとの組み合わせにおける特性を調査する。

参考文献
１）西堀真治 「リサイクル材料を用いたガラス繊維補強コンクリートの特性」日本 GRC 工業会第 16 回 GRC シンポジウム講演要旨集 2004 年 7 月，pp.19-24
２）Litherland, D.R., Oakley, D.R. and Proctor, B.A., The use of accelerated ageing procedures to predict the long term strength of GRCcomposites, Cement and Concrete research, volume11, pp.455-466, 1981
３）コンクリート便覧 技術堂出版 1996
４）童 偉光ら，「新素材繊維補強コンクリートの研究開発−マトリックス強度が繊維補強モルタルの力学的特性に及ぼす影響−」，日本建築学会大会学術梗概集（東海），A-1，pp.745-746,2003.7５）Kuroki, Y. and Hayashi, M., Durability of GFRC bending strength and fiber/matrix boundary microstructure, Proceeding of durability ofbuilding materials and component 6, volume1, pp.129-138, Oct. 1993

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