科学技術と⽇本の将来「CFRTP グリッドを⽤いた構造物⽼朽化対策に関する提案」

近畿⼤学
理⼯学部 機械⼯学科
⽵ノ⾕ 明伸3年

1. はじめに

近年, ⽇本における建築構造物の⽼朽化が深刻な問題となっており, 再建築や修復,補強などを施さない限り, 台⾵による洪⽔被害や震災による倒壊被害は年々拡⼤していくと考えられる.
そこで , 被 害の拡 ⼤を抑 えるため に , 複合材料 CFRP(Carbon Fiber ReinforcedPlastics)を⽤いて, 建築構造物の⽼朽化問題を解決できないだろうかと考える.
2. ⽇本の建築構造物の現状

全国約 72 万橋の橋梁のうち, 7 割以上となる約 51 万橋が市町村道にあり, 建築後 50年を経過した橋梁の割合は, 10 年後には 52%に増加する.[1]

このことから, 橋の点検や補修, 倒壊したものの再建築などに携わる⼟⽊技術者が今まで以上に必要となってくる. しかし, 各市町村における担当技術者の数は決して多いものではないと考えられる.[2] 国が定める基準としては, 5 年に⼀度橋梁, トンネルを全数監視する必要があり,メンテナンスサイクルを確⽴することが課題としてあげられており, 必要な修繕ができない場合は通⾏規制や通⾏⽌めとする必要が出てくる. [1] 以上のことから, 建築構造物の⽼朽化が進⾏していく中で, 対策が間に合わなければ各地で規制が実施されていくという事が考えられ, ⼗分な対策がなされなかった場合, 倒壊などの被害件数が拡⼤していくことも考えられる.
ここで建築物の⽼朽化の原因について述べる. ⽇本では, 橋が海⾯に⾯して建設されることがあり, 季節⾵や台⾵による潮⾵によってコンクリート内部に塩分が侵⼊し, 中の鋼材が腐⾷されることがある. これが所謂塩害である. この塩害によってコンクリートにひびが⽣じ, 倒壊につながる. また他にも, アルカリ⾻材反応と呼ばれる化学反応によってコンクリートに⻲裂が⽣じ, 鋼材が破断してしまうケースや, 繰り返される交通荷重の影響によって損傷が発⽣するケースなどもある.[3] よって, これらの問題をどう解決していくかが重要となってくる.
3. 炭素繊維の有⽤性

今⽇の社会において, 橋梁・トンネルに使⽤されている材料はコンクリート素材, 鋼材などがほとんどである. これらの素材に⽐べて, 炭素繊維は⽐強度, ⽐剛性, ⽐重に優れている.[4] この炭素繊維に樹脂を含侵させ, 中間基材としてプリプレグシートを作製し, それを加熱プレス成形, 積層成形, 引抜成形などの成形法によって成形したもの
や繊維⻑が 1mm 以下の炭素繊維を樹脂に混ぜ合わせ, 射出成形によって成形したもの
を CFRP 素材として, 航空機の構造部材や⾃動⾞の⾞体, リベット等の締結具などに適⽤することが今⽇の複合材料業界の動向としてあげられる. また, CFRP の中でも炭素繊維強化熱可塑性プラスチック(以下, CFRTP) は再溶融が可能であるため, 再成形や⼆次加⼯性に優れているという利点があり, エポキシ樹脂などを含侵させた炭素繊維強化熱硬化性プラスチック(以下, CFRTS)と⽐較してもリサイクル性において優れている.
そして, これらの炭素繊維から成る CFRTP, CFRTS は防錆性においても優れているというメリットがある. そこで, CFRTP 素材を導⼊していくことで今後の展開としてあげられることは, 現在コンクリート素材や鋼材で作られている構造物を CFRTP 素材に代える, もしくは既に⽼朽化が進⾏している建築物などの補強材として運⽤するということである.
4. 建築構造物⽼朽化問題の解決策

今回筆者が提案するのは, CFRTP を⽤いたグリッド構造による補強⼯法の普及, 実現化に向けた⽅針案である. ここでのグリッド構造とは, 棒と棒を格⼦状に配置し, 接合したものを指す. どのように棒を配置するかの説明として図 1(P.5)に⽰す. なお, 棒の形状⼨法については, 既存の引抜成形装置で作製が可能である直径 6mm の円形断⾯とし, 棒の⻑さは⽤途に応じて変化するため今回は未指定としている. 先⾏研究として,FRP グリッドを⽤いた⽔中補強⼯法に関する研究[5] や, CFRP アイソグリッド補強構造を⽤いた最適構造設計に関する研究[6] は既になされているが, それを完全実⽤化するには未だに⾄っていないというのが現状である. そこで本稿では, その原因について⾔及するとともに, 今後実⽤化が進むにつれてどのようなことが期待されるかについて述べる.
現状では, CFRTP の製造には炭素繊維に樹脂を完全に含侵させ, 強度, 剛性を⾼める,すなわち炭素繊維の繊維体積割合を⾼めることが重要なことであり, これによって鋼材やコンクリート素材を単⼀製造するよりも⼿間や時間がかかってしまい, 製造コストが⼤きくなるというデメリットが伴う. そのため, 橋梁を⼀から作り直すということやその耐久年数による再建築を考慮すると, コンクリートや鋼材で再製造する, またはCFRTP 以外の安価な素材を⽤いる⽅が現実的であると考えられる. この課題を解決するためには, CFRTP の⽣産において各種成形装置の最適なパラメータ化を確⽴し, ⽣産効率を向上させることが製造コストを下げる⽅法の⼀つとしてあげられる.
今後の実⽤化の⼤きな課題としては⼆つのことがあげられ, ⼀つ⽬は CFRTP グリッドの製造に必要となってくる CFRTP のグリッド交差部の強度, 剛性の評価であり, 具体的には, ⾼温, 常温での横圧縮強度試験, ひずみ計測による評価を⾏う必要がある.
また, 前段階として既存の引抜成形装置を⽤いて CFRTP グリッドの元材となる⾼強度,⾼剛性で信頼性の⾼い丸棒, ⾓棒を作製する必要があるのはもちろんのこと, それらを融着, 接着した交差部の温度分布の調査を⾏うという課題がある. ここまでは製作段階ついての話であるが, CFRTP グリッドが製造可能となった条件の中で, さらに最適な装置のパラメータ化を実現することが, 今回の実現化⽅針案の最も重要な課題となってくるだろう. これを実現することによって, CFRTP グリッドをより低コストで製造することが可能になるということが考えられる. ⼆つ⽬は, 作製した CFRTP グリッドを補強対象となる構造物に完全に接着, 融着, もしくは機械的接合ができるかの検討であり, これが確実に⾏われない場合, 補強が不⼗分となるため強度, 剛性の向上も⾒込めない. これを満⾜するためには, まずは CFRTP とコンクリート材, もしくは鋼材などとの接着, 融着接合部の適切な評価が必要となり, ⽅法としては試験⽚を作製後, 接合部を引き剥がし試験などを⽤いて評価し, 信頼性のある強度, 剛性を実現することが考えられる.
今後, CFRTP グリッドが橋梁などの建築構造物の補強材として実現化される期待点として, 塩害による腐⾷問題や繰り返し荷重による強度の低下がコンクリート材や鋼材単体のものに⽐べて少なくなるということが考えられ, ⽼朽化に対する橋梁の点検, 交換において, その回数をより少なく抑えることや, 期間を延ばすことが可能となるだろう.
またこれによって, 地域での担当技術者の負担を軽減することができ, ⽼朽化対策が遅れたまま橋梁が規制, 封鎖される, または倒壊するという被害件数がこれまでより少なくなることが期待できる.
5. おわりに

今回, 本稿で提案したのは構造物⽼朽化対策のための CFRTP グリッド実現化についてである. CFRTP グリッドによる補強⼯法が実現することによって, 現在⽇本で深刻化しつつある⽼朽化問題を少なからず改善することができるだろう. しかし, ここで触れておきたいのは実⽤化に⾄るまでには未だに考慮していない問題がいくつも存在しているということである. 例えば, 意匠性の問題である. こういった問題が発⽣する場
合, 製造する CFRTP グリッドの形状や材質の改善も少なからず必要となる可能性がある. さらには, 今回は図 1(P.5) に⽰す配置であったものを別の配置, 例えば織物状の配置にしたときの強度や剛性も変化する可能性があり, その場合更なる実験データの収集と解析技術が必要となってくるだろう. いつの⽇か, これらすべての問題解決を達成し, 実現に⾄るのを筆者は望んでいる.

6.参考⽂献[1] ⽼朽化の現状・⽼朽化対策の課題
https://www.mlit.go.jp/road/sisaku/yobohozen/torikumi.pdf(閲覧⽇ 2019 11.4)[2] 道路構造物の現状 (橋梁)https://www.mlit.go.jp/road/sisaku/yobohozen/yobo1_1.pdf(閲覧⽇ 2019 11.16)[3] 道路の⽼朽化対策
https://www.cbr.mlit.go.jp/road/taisaku/taisaku.html (閲覧⽇2019 11.4)[4] 資料 3 炭素繊維複合材料とリサイクルhttps://www.meti.go.jp/earthquake/nuclear/pdf/.../150223_01e.pdf(閲覧⽇2019 11.4)[5] ⽔中適⽤型 FRP グリッド接着補強⼯法の補強効果に関する研究 コンクリート⼯学年次論⽂集, Vol. 23, No.1, 2001 (閲覧⽇ 2019 10.31)[6] CFRP アイソグリッド補強構造の最適構造設計
⽇⼤⽣産⼯ 邉 吾⼀ (閲覧⽇ 2019 11.16)

⽇⼤⽣産⼯ (院) 〇竿尾 周太郎

図 1 配置図 (筆者作成)