水越睦：ポリエチレン繊維補強モルタルの基本特性と引張部位への適用に関する研究

ポリエチレン繊維補強モルタルの基礎的性状と引張部位への適用に関する研究
水越睦*

Experimental Study on Application of Polyethylene Fiber Reinforced Mortar
as Tension Material
Mutsumi MIZUKOSHI

概要
ポリエチレン繊維補強モルタルの配合試験をビニロン繊維を用いた場合との比較で行った結果、水セメント比が 30 ％の高強度領域においてビニロン繊維よりも優れたじん性能を示すことがわかった。次に、ポリエチレン繊維補強モルタルをRC部材の引張部に埋設型枠あるいは断面修復材として用いた場合の適用性をRCはりの曲げ載荷試験により評価した。その結果、ポリエチレン繊維補強モルタルを埋設型枠、断面補修材としてRCはり引張部に用いた場合、同一断面の一体打ちRCはりと同等以上の耐荷性能を示し、ひび割れの分散性も良好で優れたひび割れ幅抑制効果が得られることが明らかになった。

キーワード：高じん性、ポリエチレン繊維、引張性能、ひずみ硬化、断面修復

従来のセメント系材料に代わる高性能な材料と１．はじめにして補修補強や耐震分野等への適用が期待でき、構造性能についても革新的な向上を実現させる

近年、既存の短繊維補強セメント複合材料の可能性を有している。

変形性能を大きく向上させた高じん性セメント複合材料(DFRCC)が開発されている

1,2)

本研究ではDFRCCの高じん性に高強度性を付与。このDFRしたポリエチレン繊維補強モルタル(PEFRM)のRC

CCはひび割れ発生以降のひずみ硬化特性と、数部材への適用性を検討した。まず、ポリエチレ多くの微細ひび割れが一様に分布するひび割れン繊維(PE繊維)の高強度・高弾性といった特性性状（マルチプルクラッキング）を示す特徴をがモルタルに混入した場合に十分に発揮される有している。このため、変形に対する追従性がかを確認するための配合試験をビニロン繊維良好で大変形領域でも最大ひび割れ幅を小さく(PVA繊維)を使用した場合との比較で実施した。

することができ、部材表面にDFRCCを用いた場合、次にポリエチレン繊維補強モルタル(PEFRM)の有害因子の浸入を抑制し、鉄筋コンクリート部用途として、埋設型枠としてのハーフプレキャ材の耐久性の確保さらには向上への寄与が期待

スト構造への適用と劣化損傷した鉄筋コンクリできる。併せて高強度化を図ることができれば、ート(RC）部材の断面修復材としての利用を考え* 香川高等専門学校高松キャンパス建設環境工学科

69

香川高等専門学校研究紀要 1(2010)

表1
Fiber
PE
PVA

Tensilestrength2(N/mm )2600
1600

モルタルに使用した繊維の物性

Elastic modulus
under tension2(kN/mm )8842

表2Type ofmortar
PEFRM

PVAFRM

W/C（％）
3030354530303545

Vf(%)(vol.%)
1.5
2
1.5
1.5
1.5
2
1.5
1.5

Diameter ofmonofilament fiber(μｍ)
1240

Elongationpercentage(％)
3～56Lengthof fiber(mm)1212Hydrophilic×○モルタルの示方配合

S/CW384382420480384382
420
480

0.32
0.32
0.32
0.32
0.32
0.32
0.32
0.32

Unit content（kg/m3）
CS
Fiber
1280
415
14.6
1273
413
19.4
1200
388
14.6
1067
344
14.6
1280
415
19.5
1273
413
26
1200
388
19.5
1067
344
19.5

SP
12.8
19.1
6.0
12.8
19.1
6.0-

た。そこで、第2段階としてPEFRM製の埋設型枠をビニロン繊維補強モルタル(PVAFRM)との比較を引張部に使用したRCはり供試体と引張部のかで検討した。

ぶりコンクリートを全面にわたり剥落させたRC(3)

実験方法および測定項目はりをPEFRMにて補修したRCはり供試体を曲げ載モルタルの練混ぜは、セメント、細骨材、繊荷試験に供し、両用途への適用性について実験

維をポリ袋でプレミックスした後ホバートミキ的に評価した。

サーに移し15秒間空練りし、その後、水および高性能減水剤を投入し2分間の本練りを行った。

２．ポリエチレン繊維補強モルタルの配合試験

モルタルの練上り温度は、20±1℃に調整し、練上り後、直ちにフレッシュ試験を実施した。供

2.1

実験概要

試体は作製後、20℃の恒温槽内で静置し、翌日(1)

使用材料に脱型を行い、試験材齢の7日まで20℃恒温水槽

配合試験に用いた材料は、早強ポルトランドにて水中養生した。

3セメント(密度3.13g/cm )、細骨材(海砂、表乾フレッシュ性状試験として、JIS R 5201（セ3

密度2.56g/cm 、吸水率2.00％、F.M.1.90)、ポメントの物理試験方法）に準拠したテーブルフ

リエチレン（PE）繊維、ビニロン（PVA）繊維、ロー試験、およびJIS A 1171（ポリマーセメン高性能減水剤(ポリカルボン酸系)である。実験トモルタルの試験方法)に準拠したスランプ、空に用いた繊維の物性を表1示す。使用したPE繊維気量の各試験を行った。の集束方法、最適な繊維長などについては既に硬化した モルタルにつ いては、引張性能を検討しており、繊維長15mmで引張性能は最大値

JSCE 試験方法2 に準拠し、ダンベル形状(試験を示したが、最終的には繊維の飛散状況、練混

区間：80mm、厚さ：13mm、幅：30mm)の供試体を4)

3)

ぜ性能および施工性を考慮し12mmとした 。細骨用いた直接引張試験により評価した。載荷速度材は、汎用的に入手可能なコンクリート用細骨はクロスヘッドの変位量が0.5㎜/分となる変位材を用いた。

制御により実施し、同時に引張ひずみも測定し(2)た。なお、評価は5体の供試体の平均値で行った。

実験要因および配合

実験に使用した繊維補強モルタルの配合を表直接引張試験の状況を図1に示す。圧縮強さ試験2に示す。PEFRMの配合条件として、15打テーブは、JIS A 1108（コンクリートの圧縮強度試験

ルフローを140±10mm、空気量の範囲を3.0±1％方法）に準じてφ50×100㎜の円柱供試体を用いとした。実験要因は、水セメント比(W/C)と繊維て行った。

混入率（Vf）とし、主に引張性能に及ぼす影響70水越睦：ポリエチレン繊維補強モルタルの基本特性と引張部位への適用に関する研究

表3

Type of Temperature
mortar(℃)
PEFRM
20
PVAFRM

W/C（％）
3030354530303545

モルタルのフレッシュ性状および圧縮強度

Vf(vol.%)
1.52
1.5
1.5
1.52
1.5
1.5flow(mm)145131142146180147187187

slump（cm)6.3
5.45.84.09.47.38.94.2Air content（％）
3.0
2.0
2.0
3.5
3.0
2.0
2.6
1.5

Compressive strength（N/mm2）
86.7
82.0
67.6
38.1
86.6
73.6
60.0
43.4

85640

Thickness
t=1380330

40

Tensile stress (N/mm2)5432

PE-W/C=30%-Vf=1.5%
PE-W/C=35%-Vf=1.5%

1PE-W/C=45%-Vf=1.5%
PE-W/C=30%-Vf=2.0%

85

Unit(mm)0

図 1

引張試験状況および供試体の形状寸法

2.2

試験結果および考察(1)

フレッシュ性状および圧縮強度

00.5

図2

11.52
Tensile strain （％）

2.53引張応力とひずみの関係

各種繊維補強モルタルおよび普通モルタルのフレッシュ時における試験結果と材齢７日における圧縮強度の一覧を表3に示す。PEFRMのフレッシュ性状は、配合条件を満たしており、大きな繊維ダマも認められなかった。同一の繊維混入率では、PE繊維よりもPVA繊維を使用したモルタルの方がフローとスランプは大きかった。これは、繊維径がPE繊維の方が細いため、単繊維

写真 1

マルチプルクラックの発生状況間にモルタルが吸収されるためであると考えられる。圧縮強度はW/Cに応じて良好に発現してい硬化挙動を示すとともに、実験時の観察においることがわかる。ただし、繊維混入率が1.5％かても写真1のような顕著なマルチプルクラッキン

ら2.0％に増加すると圧縮強度は低下する傾向にグ現象が認められた。

あった。
(2)

引張性能とW/Cの関係（Vf=1.5％）を図3に示引張性能す。W/C=45％では、モルタル自体の強度が低くPEFRMの代表的な応力－ひずみ曲線を図2に示

繊維との付着力も弱いため、PEFRMではPE繊維のす。図より、PE繊維混入率Vf=2.0％の配合にお引き抜けが生じ、引張性能はさほど高くなかっける最大応力以降の応力低下は大きいものの、た。一方、PVA繊維は、親水性を有しているのでVf=1.5%の配合ではW/Cに関係なく著しい応力低PE繊維よりもモルタルとの付着がよいため、PVA下を示していないことがわかる。また、ひずみFRMの方がPEFRMより高い引張性能を示したもの

71

香川高等専門学校研究紀要 1(2010)と考えられる。しかし、高強度領域のW/C=30％
6では、モルタルの強度が高く繊維との付着力が強くなるため、繊維の引張強度の大きいPEFRMのPVA(Sｔｒeｎｇｔｈ）

52.5

PE(Strain）

2

小さくなり付着が強くなっても繊維自身の引張強度が弱いため、引張強度に変化はみられなかったものと思われる。また、引張終局ひずみ（軟4)化開始点のひずみ） は両者ともに1.0％を超えており、高いじん性を有しているといえる。W/C=35％における引張終局ひずみはPEFRM、PVAFRM

42.031.521.010.5

Ultimate tensile strain (％)

PVA(Sｔｒain）

Tensile strength （N/mm ）方が引張強度は大きくなった。PVAFRMは、W/Cが3.0PE(Sｔｒeｎｇｔｈ）

Vf=1.5%

ともにW/C=45％と同程度であった。
0引張性能とVfの関係（W/C=30％）を図4に示す。

0.03035

図より、W/C=30％の場合、引張終局ひずみは繊4045

W/C（％）

維混入率を1.5％から2.0％に増加させると、PEF

図3

引張性能と水セメント比の関係

RM、PVAFRMともに小さくなることがわかる。引
張強度は、繊維混入率を2.0％に増加させると、
6

PVAFRMでは大きくなったが、PEFRMではVf=1.5％

ラメント繊維径の小さいPE繊維の分散性はPVA繊維よりも低いことが原因であると考えられる。
以上より、PE繊維を使用し、W/C＝30％、繊維混入率Vfを1.5％とすると、引張終局ひずみ１％2以上の高引張じん性と5.0N/mm 程度の高い引張Tensile strength （N/mm2）の分散性が低下したためであり、特にモノフィ

52.5

42.0PE(Sｔｒeｎｇｔｈ）
PVA(Sｔｒeｎｇｔｈ）
PE(Strain）

31.5

PVA(Sｔｒain）

21.0

10.5

Ultimate tensile strain (％)に比べ低下した。これらは、繊維混入率を2.0％まで増加させたことにより、モルタル中の繊維3.0
W/C=30%強度を発揮できる優れた引張性能を有する繊維補強モルタルが得られることが明らかとなった。

00.0
1.5

1.6
1.7
1.8
1.9
Fiber content by volume Vf（％）

2３．RCはりの載荷実験
図43.1

実験概要

(1)

供試体および載荷方法

実験に使用したRCはり供試体の概要を表4に、供試体の形状寸法を図5に示す。主鉄筋にD13(SD295A)、スターラップにはD10(SD295A)を使用した。また、供試体の種類は、NN、ECC-P、ECC-R

引張性能と繊維混入率の関係

表4

RC はり供試体の概要

Cross section
Main
No. Specimen(mm)reinforcement
1NN
b×d
2-D13
2
ECC-P
=150×200
3ECC-R

Use ofspecial layer
Precast PEFRM
Repair PEFRMの3種類で形状寸法と配筋状態は同じとした。ECC-Pはりの作製は、予め深さ5mm程度の格子状の試体の本数は、NN、ECC-P、ECC-Rの各種類で2本凹凸を施した厚さ40mmのPEFRM製プレキャスト埋作製し実験に供した。

設型枠上面にプライマー処理を行い、コンクリ

載荷方法は、図5に示すせん断スパン有効高さートを打設することにより行った。ECC-Rはりは、比(a/d)3.0の曲げ卓越型の4点曲げ載荷とした。

かぶり部分を予め全面にわたり欠損させておき、測定項目は、スパン中央たわみ、コンクリートその表面をワイヤーブラシで研磨した後、プラおよび鉄筋ひずみ、ひび割れ幅、ひび割れ進展

イマー理を施しポリマー入りPEFRMを打ち継ぎコ状況である。

テ仕上げすることにより作製した。また、NNは(2)

りは比較用の一体打ちRCはり供試体である。供材料特性使用した鉄筋の物性を表5に、コンクリートお72水越睦：ポリエチレン繊維補強モルタルの基本特性と引張部位への適用に関する研究

よびモルタルの物性を表6に示す。なお、ECC-R
はりに用いた断面修復用のPEFRMには、既存コンクリートとの付着を向上させる目的でセメント混和用ポリマー（PAE系）をセメント質量に対して10％混和した。埋設型枠、断面補修材として使用したPEFRMの直接引張試験より得られた代表的な応力-ひずみ曲線を図6に示す。図より、使用した繊維補強モルタルは引張応力下において、ひび割れ発生後も応力の低下がなく、ひずみの増加に伴って応力が増加するひずみ硬化特性を示していることがわかる。また、複数の微細なひび割れが発生するマルチプルクラッキング現象も確認され、最大応力時の引張ひずみは約1％となることがわかった。ECC-Pはりに用いた

図5

供試体の形状寸法と載荷位置

PEFRMとECC-Rはりに使用したPEFRMは、ともにW/C＝30％、繊維混入率Vf=1.5%であるが、ECC-R
6用の配合では、ポリマー混和効果により、引張22))
Tensile 応力(N/mmstress (N/mm

強度がポリマー無混和のECC-P用の配合よりも大きくなっていることがわかる。
3.2

試験結果および考察

RCはりの載荷試験結果の一覧を表7に示す。表より、同じ種類の供試体間の試験値のバラツキは小さいことがわかる。
(1)

荷重とスパン中央たわみの関係

E C C -R5432
E C C -P10荷重とスパン中央たわみの関係を図7に示す。

00.0050.5

ECC-Pはり、ECC-Rはりともに、下面のかぶり部

0.011
ひずみ0.015
1.50.022Tensile strain (%)

分に使用した埋設型枠、断面補修材が引張応力

図6

モルタルの引張応力とひずみの関係に抵抗するため、降伏荷重はNNはりに比べ約1.4倍、1.6倍に増加した。しかし、降伏直後に埋設増し急激な耐力低下を生じた。これは、埋設型型枠、断面補修材内の1本の曲げひび割れ幅が急枠、断面補修材が引張抵抗材としての機能を瞬表5

RCはりに使用した鉄筋の物性

Reinforcement

Use

Sectional area2(mm )

D13@2
D10@2

Main reinforcement
Shear reinforcement

253
142.7

表6

Types of beam
NN
ECC-P
ECC-R

Yieldstress2(N/mm )351
345

Yieldstrain(μ)
1755
1725

Elastic
moduｌus2(kN/mm )200200

RCはり載荷時のコンクリートとモルタルの強度特性

Types ofmaterial

W/C
(%)

concrete
PEFRM
PEFRM withpolymer

55
3073

Compressive Tensile
Elastic
strength
strength moduｌus(N/mm 2)
(N/mm 2) (kN/mm2)
42.7
3.8
29.1
85.0
4.1
27.1
63.6

5.1

18.1

香川高等専門学校研究紀要 1(2010)

Specomen
ＮN-1
ＮN-2
ECC-P-1
ECC-P-2
ECC-R-1
ECC-R-2

表 7 RCはりの載荷試験結果
Flexural crack
Shear crack load
Yield loadload (kN)
(kN)
(kN)
13.5
48.0
58.0
14.034.058.0
16.5
46.0
78.5
17.544.080.0
28.0
44.0
88.5
17.5
60.0
90.0
100

時に失ったためである。その後、ECC-Pはりは、9080

耐力低下が小さかった。これは、ECC-Rはりの方

70

らにFig.6に示したように引張性能がECC-Rはり

Load (kN)

NNはりと同様の挙動を示したが、ECC-RはりではがECC-PはりよりもPEFRM部分の断面が厚く、さUltimate
load (kN)
69.071.0
80.0
82.5
89.5
90.0に用いたPEFRMの方が優れていたためであると考60504030

えられる。

20(2)

10

破壊性状およびひびわれ特性

NN-1

ECC-P-1

ECC-R-20

載荷試験後のはり供試体の破壊状況を図8に示0す。NN、ECC-P、ECC-Rはりともに鉄筋が降伏し102030Midspan Deflection (mm)40た後に圧縮側のコンクリートが圧壊し破壊に至った。今回、ECC-PはりおよびECC-Rはりの打継

図7

荷重とスパン中央たわみの関係

図8

RCはり破壊時のひび割れ状況

ぎ処理は、比較的簡易な方法によるものであったが、終局時にコンクリートと埋設型枠の界面にひび割れが発生したものの降伏までの使用状態では界面でのずれは認められず、埋設型枠および断面補修材はともに引張抵抗材としての機能を十分に果たしていたものと考えられる。
ひび割れの進展状況は、NNはりとECC-Pはり、ECC-Rはりとでは異なり、後者では複数の微細曲げひび割れが埋設型枠、断面補修材に発生し繊維補強モルタル部を貫通した後、連続的にコンクリート部に進展した。荷重の増加に伴うひび割れ幅の推移を図9に示す。図より、ECC-Pはり、ECC-Rはりともに、NNはりで既に0.15～0.2mm程度のひび割れ幅に達している荷重においても、0.3ひび割れの発生は認められなかった。さらにNN優れたひび割れ抵抗性を示した。
４. まとめCrack width (mm)0.05mm幅のひび割れが確認される程度であり、

NN-1
ECC-P-1
ECC-R-20.25

はりの降伏に相当する荷重近傍でもわずか

0.20.150.1

本研究で得られた知見を以下にまとめる。

0.05(1）ポリエチレン繊維補強モルタルは、ビニロ

00

ン繊維補強モルタルに比べ、高強度領域に2040Load (kN)60おいて優れた引張性能を発揮する。しかし、低強度領域ではビニロン繊維補強モルタル

図9の方が引張性能は優れている。

74

荷重の増加に伴うひび割れ幅の推移

80水越睦：ポリエチレン繊維補強モルタルの基本特性と引張部位への適用に関する研究(2) 水セメント比が30％のポリエチレン繊維補強モルタルは、繊維混入率2.0％でも大きなじん性能を示す。ただし、1.5％の場合よりじん性能は低下する傾向が窺え、モルタル中の繊維の増加による施工性の低下を考えると繊維混入率は1.5％の方が適当である。
(3) ポリエチレン繊維補強モルタルを埋設型枠、断面補修材としてRCはり下面引張部に用いた場合、一体打ちのはりと同等以上の耐荷性能を示し、ひび割れの分散性も良好で、優れたひび割れ幅抑制効果が得られることが明らかになった。
参考文献：
1)Li,V.C, and Kanda, T.:Engineered Cementitious
Composites for Structural Application, J. ofMaterials in Civil Engineering, ASCE, Vol.10,No.2, pp.66-69,1998
2)閑田徹志：高性能繊維補強セメント材料の設計技術の現状、コンクリート工学、Vol.38、No.6、pp.9-165、2000
3)水越睦ほか：高強度高じん性繊維補強セメント複合体の開発実験、セメント･論文集、No.
57、pp.444-449、2003
4)日本コンクリート工学協会：繊維補強コンク
リートの試験方法に関する規準、pp.11-14、1984

75