広島工業大学紀要研究編
第 42巻（2008）pp. 151-160

論文

炭素繊維プレートと鋼との複合材料板の３点曲げ接着試験
玉井 宏章 ・高松 隆夫 ・服部 明生 ・小澤 吉幸(平成19年10月31日受理)

Flexural Bond Test of Composite Plate with Steel and CFRP Plates

Hiroyuki TAMAI, Takao TAKAMATSU, Akeo HATTORI, Yoshiyuki OZAWA(Received Oct.31,2007)

Abstract
A method of strengthening the existing steel buildings with bonded carbon-fiber reinforced-plastic(CFRP) plates has been developed to prolong their useful life.
To apply this method, we need to determine the basic mechanical properties CFRP, such asadhesive strength and deformation capacity, and to develop the effective bonding combination ofCFRP plates.
This paper reports the results of the flexural bond test of composite plate with steel and CFRPplates.
These results show adhesive strength and deformation capacity of composite plate. We also
propose an effective combination of bonding CFRP plates for strengthening the existing buildings.
Key Words: CFRP plate, composite structural materials, bond test

これらの研究で，課題として明らかとなったことは，1)中

１．はじめに弾性型炭素繊維プレートで早期にプレート層内破壊を生じ

著者等は，炭素繊維プレートを補修材に選定し，これをること，2)炭素繊維プレートの十分な強度を発揮する前に鋼構造建築物に接着することによって，耐環境性能，耐震接着剤とプレートの界面で破壊することの２つの問題であ性能を向上させる，耐震補強工法，長寿命化技術の提案・る。

開発を行っている

１)〜５)。

また，炭素繊維プレートは種類として高強度型と中弾性

炭素繊維プレートの接着補強では，炭素繊維プレートと型とがあり，小ばり，山形鋼ブレースの補強には既製品プ

接着剤の接着性能を最大限に引き出すことは重要なことでレートを複数枚貼り付けて行うことが予想されるため，補ある。この観点から，専用接着剤を開発し，各種の接着試

強にどの組み合わせが最適かを明らかにする必要もある。

１)

験を行い ，その接着特性を明らかにしたり，炭素繊維プ更にこれまでの研究では，専用接着剤を用いていたが，他レートや接着剤の構成方程式や降伏・破壊条件を導き出のものと比べどれくらい有効かという情報も整理されていし，それを用いて，引張せん断接着試験について詳細な有ない。

２)

限要素解析を行った 。また，小ばりの曲げ補剛や山形鋼ブ

これら上述の問題が解決されれば，補強効率や補強後のレース材の圧縮補強に，この炭素繊維プレート接着工法を変形性能が格段に向上するので，提案する鋼構造物への炭適用し，その有効性・有用性を示した

３)〜５)

。

素繊維プレート接着補強工法はより有用となると広島工業大学工学部建築工学科
東レ建設㈱ 技術設計部

151

えられ玉井宏章・高松隆夫・服部明生・小澤吉幸

図１ 試験体形状

写真１ 試験装置

図２ 試験装置概要る。
本研究ではこれらの問題を解決するパラメータとして，炭素繊維プレートの目荒らし面，接着層数，２層貼りに限定した時の高強度型，中弾性型炭素繊維プレートの組み合

図３ 炭素繊維プレートの応力−ひずみ関係

わせ，接着面の表面粗さ，接着剤の種類の５つを取り上げ着面をディスクサンダーでミルスケールを完全に除去し，る。

接着面を紙ヤスリ（#100）で目粗しした後，常温二液硬化型

方法としては，これらパラメータを様々に変化させた試

エポキシ樹脂接着剤（コニシボンド E258）で接着し，室温１)験体を作成し，前報 で提案した簡易な三点曲げ接着試験

20℃以上で７日間養生している。

を行って接着性能を明らかにする。
次いで，初期製造目粗し工程を変え改良した炭素繊維プ

2.2 試験方法と計測方法

レートと従来の炭素繊維プレートとの接着性能の違いを確試験装置の概要を図２及び写真１にそれぞれ示す。載荷認する。また，２種類の炭素繊維プレートと目粗し面の位には，万能試験機（AGIS 250kN）を用いた。

置を変化させた２層貼り補強試験体で，最も有効な組み合試験は，三点曲げ試験とし，クロスヘッドの下降載荷速わせを明らかにする。更に，接着面の表面粗さや他の接着度を１㎜/ と一定とし，炭素繊維プレート又は，接着層・材を用いた試験体について実験を行って，最も有効な接着炭素繊維プレートに破壊が生じるまで単調に載荷した。

方法を探索した結果について報告する。

計測は，クロスヘッド上部のロードセルから荷重： ，ストローク：δを測定した。

２．試験の概要

また，最大荷重値又は，破壊時荷重の 60％の荷重：

本節では，炭素繊維プレートと鋼との接着強度を調べるとたわみ：δとの実験値から，炭素繊維プレートを接着してために行う，簡易な三点曲げ試験の概要を示す。

複合化した鋼板の平曲げ剛性：

を次式により算定した。
2.1 試験体＝試験体形状を図１に示す。
試験体は，幅 65㎜で長さ 400㎜板厚 9㎜の鋼板に幅 50㎜

ここに，長 さ 280㎜ 板 厚 ２ ㎜ の 高 強 度 型 炭 素 繊 維 プ レート

δ σ･････････････････････････(1)は，反支点間距離（ ＝150㎜）である。

また，実験では，最大荷重，破壊時のたわみ，及び破壊（TL 520），中弾性型炭素繊維プレート（M L 520）を１層１状況を調査した。

枚ないし２層２枚で接着したものである。
接着については，特にことわりのない限り，まず鋼の接152

炭素繊維プレートと鋼との複合材料板の３点曲げ接着試験
表１ 素材試験結果

表３ 中心線平 粗さ（表２ 接着剤の力学的特性）

表４ 試験体名称

2.3 実験シリーズ

る。

炭素繊維プレートとしては，初期製造目粗し面を持つ高実験は，以下の６つのシリーズについて行った。

強度型炭素繊維プレート（TL，以降 TL CFRP と呼ぶ）同実験シリーズⅠ〜Ⅵの接着方法の模式図を図４〜図９に様に初期製造目粗し面のある中弾性型炭素繊維プレート

試験体名称を表４に示す。

（M L），目粗し面を 持 た な い 高 強 度 型 炭 素 繊 維 プ レート

実験シリーズⅠは，炭素繊維プレートを E 258の接着材（NTL），同様に目粗し面を持たない中弾性型炭素繊維プで１層貼るもので，TL CFRP を用い初期製造目粗し面でレート（NM L）の４種類と，接着剤については，常温２液接着するもの（OTL 1試験体），目粗しなし面でサンドペー

硬 化 エ ポ キ シ 樹 脂 の コ ニ シ ボ ン ド E258と シーカ デュアパー#100で表面処理して接着したもの（UTL 1試験体），WS の２種類を用いる。

M L CFRP を用い，OTL 1と同様，初期製造目粗し面で接鋼材，高強度型及び中弾性型の炭素繊維プレート（TL，着するもの（OM L 1試験体），目粗しなし面でサンドペーML）の素材試験結果を図３，表１に，接着剤の力学的特性パー#100で表面処理して接着したもの（UML 1試験体）のを表２に，それぞれ示す。

４体を用意した。また，比較のために無補強試験体（N 試

炭素繊維プレート接着表面には，初期製造目粗し，目粗験体）も用意した。

しなし，サンドペーパー#60，#100，#180の目粗しを行う。
表３には，参実験シリーズⅡは，炭素繊維プレートを E258の接着剤のため，TL CFRP の初期製造目粗し面，で２層貼るもので，TL CFRP を２層とも使い，初期製造目目粗しなし面について長手方向及び中角方向の中心線平粗し面を鋼板側（内向き）にして接着したもの（OTL 2試

粗さ Ra( )を，また，初期製造目粗し加工をしない NTL験体），目粗しなし面を鋼板側にしサンドペーパー#100でCFRP 及び NM L CFRP についてサンドペーパー目粗し処表面処理して接着したもの（UTL 2試験体），M L CFRP を理をしないもの，サンドペーパー目粗し#80, #180, #320

２層とも使い，OTL 2試験体と同様の貼り方としたものについて幅方向の中心線平（OM L 2試験体），UTL 2試験体と同様の表面処理貼り方粗さ Ra( )を示す。初期製

造目粗しによって，板幅方向に大きな凹凸がつくことがわかる。尚，中心線平としたもの（UML 2試験体）の４体を用意した。

粗さ Ra とは，粗さ曲線を中心線から実験シリーズⅢは，初期製造目粗しが行われない NTL，折り返し，その粗さ曲線と中心線によって得られた面積をNML CFRP を用い，接着面では，サンドペーパー#100で測定長で割った値をマイクロメータ単位で表したものであ

表面処理をして E258の接着剤で１層貼り，２層貼りした
153玉井宏章・高松隆夫・服部明生・小澤吉幸⒜ OTL 1⒝ UTL 1⒞ OML 1⒟ UML 1
図４ 接着方法と破壊状況（実験シリーズⅠ）⒜ OTL 2⒝ UTL 2⒞ OML 2⒟ UML 2
図５ 接着方法と破壊状況（実験シリーズⅡ）

もので，NTL CFRP を用いて 1層貼りしたもの（NTL 1試で接着したものであり，OTL 1試験体と同様の貼り方をし験体）２層貼りしたものを（NTL 2試験体），NML CFRPたもの（nOTL 1試験体），OM L 1試験体と同様の貼り方をを用いて１層貼りしたもの（NML 1試験体），２層貼りしたしたもの（nOM L 1試験体），NTL 1試験体と同様の貼り方もの（NM L 2試験体）の４体を用意した。

をしたもの（nNTL 1試験体）の３体を用意した。

実験シリーズⅣは，炭素繊維プレートを様々に組み合わ３．試験結果とその 察せて２層を E 258接着剤で接着したものであり，第１層（内側），には NTL CFRP を第２層には初期製造目粗し面を外実験シリーズⅠの結果を図４，10，表５，写真２に，実側にして TL CFRP を接着したもの（STL 2試験体），第１験シリーズⅡの結果を図５，11，表６，写真３に，実験シ層（内側）には初期製造目粗し面を外側にして TL CFRP をリーズⅢの結果を図６，12，表７，写真４に，実験シリーズ

第２層には初期製造目粗し面を内側にして TL CFRP を接Ⅳの結果を図７，13，表８，写真５に，実験シリーズⅤの結着したもの（DTL 2試験体），第１層（内側）には初期製造果を図８，14，表９，写真６に，実験シリーズⅥの結果を図

目粗し面を外側にした TL CFRP を第２層には初期製造目

９，15，表 10，写真７に，それぞれ，示す。

粗し面を外側にした ML CFRP を接着したもの（UTM 2

図 10〜15には，無補強試験体の降伏荷重で無次元化した試験体）の３体を用意した。

荷重（実験シリーズⅤは，NTL CFRP 1層を E 258接着剤で接）と無補強試験体の降伏たわみで無次元化した中央たわみ（δδ）の関係を示す。表５〜11には，各試験体着したものであり，接着面を#60，#100，#180のサンドペーの平パーでそれぞれ表面処理したもの（NTL 1(#60)，NTL 1(#を示す。写真２〜７及び図４〜９には，各試験体の試験後

100)，NTL 1(#180)試験体）の３体を用意した。の状況と破壊位置の模式図を示す。これらの結果を，各項

実験シリーズⅥは，炭素繊維プレート 1層を WS 接着剤

目毎に
154

曲げ剛性，最大荷重，破壊時のたわみ及び破壊状況察する。

炭素繊維プレートと鋼との複合材料板の３点曲げ接着試験⒜ NTL 1⒝ NTL 2⒞ NML 1⒟ NML 2

図６ 接着方法と破壊状況（実験シリーズⅢ）⒜ STL 2⒝ DTL 2⒞ UTM 2

図７ 接着方法と破壊状況（実験シリーズⅣ）⒜ NTL 1（#60)⒝ NTL 1（#100)⒞ NTL 1（#180)

図８ 接着方法と破壊状況（実験シリーズⅤ）⒜ nOTL 1⒝ nOML 1⒞ nNTL 1

図９ 接着方法と破壊状況（実験シリーズⅥ）○初期製造目粗し面の影響（１層 CFRP 接着の場合）

早期なプレート層内破壊が，UML 1の接着方法では生

ここでは，１層 CFRP 接着の場合について初期製造目粗し面の影響をじないことがわかる。

察する。

３）炭素繊維プレートの接着面を初期製造目粗ししていな

実験シリーズⅠの結果から以下のことがわかる。

い方が，接着をより強固なものとできるか，初期製造

１）初 期 製 造 目 粗 し し て い な い 面 を 接 着 し た 試 験 体

目粗しした面を上側にすることで，何らかの有効な働（UTL 1, UM L 1)は，破壊時の変位や最大荷重が増加きが生じたともする。

えられる。

○初期製造目粗し面の影響（２層 CFRP 接着の場合）

２）接着面を変えただけで，破壊性状や変形性能に大きな前節で，初期製造目粗ししない面で接着することの有効違いがでている。特に，中弾性型炭素繊維プレートの性を明らかにした。ここでは，２層 CFRP 接着の場合につ155玉井宏章・高松隆夫・服部明生・小澤吉幸

図 10 荷重−中央たわみ関係（実験シリーズⅠ）

図 11 荷重−中央たわみ関係（実験シリーズⅡ）⒜ TL, NTL CFRP⒝ ML, MTL CFRP
図 12 荷重−中央たわみ関係（実験シリーズⅢ）

図 13 荷重−中央たわみ関係（実験シリーズⅣ）

いて，初期製造目粗し面の影響を図 14 荷重−中央たわみ関係（実験シリーズⅤ）察する。ている可能性がある。

１）OTL 2, UTL 2よりも OML 2, UML 2が曲げ剛性は○改良型炭素繊維プレートの有効性高い。

これまでの知見から，初期製造目粗し面のせん断強度が

２）OTL 2, UTL 2及び OM L 2, UM L 2のいづれの試験劣化することが推定された。初期製造目粗しを施さない改体とも，貼り方の違いで曲げ剛性，最大耐力はほとん

良型炭素繊維プレートの有効性をど変わらない。

察する。

実験シリーズⅢの結果から，以下のことがわかる。

３）UTL 2は OTL 2に較べ，破壊時のたわみは 2倍に増高強度型炭素繊維プレート（NTL）では，加する。

１）NTL 1, NTL 2試験体とも UTL 1, UTL 2試験体と４）中弾性型炭素繊維プレートを用いた OML 2, UML 2比較して，性能が若干低下する結果となった。また，両は１層目(下側)のプレートがいづれも早期に層内破壊試験体とも早期に界面破壊を起こし，破壊する。

する。

２）破壊時の変位で比較してみると，２層接着すると早期

５）表面以外に初期製造目粗し面があれば，早期に破壊がに接着剤との界面破壊を起こし，最大変形性能が低下生じていることから，その面でのせん断強度が劣化しした。
156

炭素繊維プレートと鋼との複合材料板の３点曲げ接着試験
表８ 試験結果（実験シリーズⅣ）

表９ 試験結果（実験シリーズⅤ）

図 15 荷重−中央たわみ関係（実験シリーズⅥ）
表５ 試験結果（実験シリーズⅠ）
表 10 試験結果（実験シリーズⅥ）

表６ 試験結果（実験シリーズⅡ）

表 11 各試験体の結果

表７ 試験結果（実験シリーズⅢ）

中弾性型炭素繊維プレート（NML）では，
１）NM L 1試験体は，早期に層内破壊せず，炭素繊維プレートの中央部が折れ曲がるような変形をし，従来の実験シリーズⅣの結果から以下のことがわかる。

OM L 1試験体と比べ，約 4.5倍の変形性能を有する。

１）炭素繊維プレートを１層目と２層目の初期製造目粗し

２）破壊状況では，NM L 1試験体では，炭素繊維プレート面を合わせて接着する DTL 2試験体の場合，接着層とと鋼材が一体化し，プレートが折れ曲がるような破壊炭素繊維プレートの界面付近で層内破壊する。のため，従来のように急激に耐力が生じない。しかし，

２）表面から CFRP（M L）と CFRP（TL）の順に，初期２層接着した NML 2試験体では，１層目の炭素繊維製造目粗し面を表面側にして２層重ね接着したプレート内で層内破壊した。

UTM 2試験体の場合，曲げ剛性の増大も大きく，最も３）破壊性状から，中弾性型炭素繊維プレートは，高強度最大耐力が増加した。

型炭素繊維プレートと比べ，せん断強度が低い。従っ３）以上のことから，有効な２層貼りの方法としては，強て，プレート層厚や層数は大きくできないことがわか

度 確 保 の 観 点 か ら UTL 2，剛 性 確 保 の 観 点 か らる。

UTM 2, UM L 2が有効と○貼り方の検討○接着面の表面粗さと接着剤の影響

ここでは，以上の知見をもとに，工夫された様々な貼りえられる。

接着性能は，炭素繊維プレートの材種，強度特性の他に方の有効性について検討する。

表面粗さと接着剤材質に依存すると157えられる。ここで玉井宏章・高松隆夫・服部明生・小澤吉幸⒜ OTL 1⒝ UTL 1⒞ OML 1⒟ UML 1⒠ UML 1 （詳細 1 ）⒡ UML 1 （詳細 2 ）

写真２ 各試験体の破壊状況（実験シリーズⅠ）⒜ OTL 2⒝ UTL 2⒞ OML 2⒟ UML 2

写真３ 各試験体の破壊状況（実験シリーズⅡ）⒜ NTL 1⒞ NML 1⒝ NTL 2⒟ NM L 1（詳細）⒠ NM L 2

写真４ 各試験体の破壊状況（実験シリーズⅢ）⒜ STL 2⒝ DTL 2
写真５ 各試験体の破壊状況（実験シリーズⅣ）

158⒞ UTM 2

炭素繊維プレートと鋼との複合材料板の３点曲げ接着試験⒜ NTL 1(#60)⒝ NTL 1(#100)⒞ NTL 1(#180)

写真６ 各試験体の破壊状況（実験シリーズⅤ）⒜ nOTL 1⒝ nOML 1⒞ nNTL 1

写真７ 各試験体の破壊状況（実験シリーズⅥ）

は，接着面の表面粗さと接着剤材質の影響について察す

５）有効な２層貼り方法は，強度確保の観点からは UTL 2る。

を，剛性確保の観点からは UM L 2, UTM 2が有望で実験シリーズⅤ，Ⅵの結果から以下のことがわかる。

ある。

１）表面粗さを#60〜#180と変化させても，曲げ剛性，最大謝

荷重，破壊時のたわみ共に，大きな違いが確認できない。

辞本研究は，広島工業大学「高性能構造システム開発研究

２）nOTL 1, nOML 1, nNTL 1試験体とも，E258接着剤センター」(代表者高松隆夫教授)のプロジェクト研究のを使用した試験体と比較し，曲げ剛性が低めである。

一環として実施されました。実験実施にあたり，2006年度，

３）破壊形状は，接着剤が破壊する。また，破壊時のたわ

2007年度広島工業大学工学部建築工学科玉井研究室の学

みは，中弾性型炭素繊維プレートを用いた試験体を除

生諸君には，多大の協力を得た。ここに記し，謝意を表し

き，E258接着剤を使用した試験体と比較し，低下した。

ます。

４）WS 接着剤は，E258接着剤に比べると，粘性が低く，施工法を文えると取り扱いは良い。

献１）玉井宏章，高松隆夫，原伸幸，灰谷徳治，服部明生：

４．まとめ

連続繊維プレートによる鋼構造建物補強に関する基礎

鋼構造物の炭素繊維プレート接着補強を行う上で，重要的研究，鋼構造年次論文報告集，第 12巻，pp.239‑246，な接着性能を向上させることを目的に，様々に条件を変え2004.11.

た試験体を作成して３点曲げ接着試験を行い，効果的な接２）玉井宏章，高松隆夫，櫻庭誠，灰谷徳治，服部明生：

着方法等を調査した。

連続繊維プレートと鋼材との接着特性に関する有限要得られた知見は以下のように要約できる。

素解析，鋼構造年次論文報告集，第 13巻，pp.537‑544，

１）初期製造目粗し面を表面として炭素繊維プレートを接2005.11.

着すれば，最大耐力や変形性能が向上する。特に，中３）玉井宏章，高松隆夫，原伸幸，灰谷徳治，服部明生：

弾性型炭素繊維プレートは早期にプレート層内破壊は炭素繊維プレートによる鋼構造建物小ばりの曲げ補強生じなくなる。に つ い て，鋼 構 造 年 次 論 文 報 告 集，第 13巻，pp.

２）中弾性型炭素繊維プレートを複数層接着すると，下側523‑530，2005.11.のプレートから層内破壊を生じる。従って，プレート

４）玉井宏章，高松隆夫，櫻庭誠，灰谷徳治，服部明生：

層厚は大きくできない。

連続繊維プレートよる補強山形鋼ブレース材の圧縮補３）表面粗さを#60〜#180程度のサンドペーパーを用いて

強 に つ い て，鋼 構 造 年 次 論 文 報 告 集，第 13巻，pp.

変化させても，接着性能に大きな違いはない。

553‑560，2005.11.

４）接着剤は WS より E258のほうが相性が良い。

５）櫻庭誠，玉井宏章，高松隆夫，灰谷徳治，服部明生：159

玉井宏章・高松隆夫・服部明生・小澤吉幸

連続繊維プレートによる補強山形鋼ブレース材の正負強度鋼と炭素繊維プレートとの複合材の基本的力学的交番繰返し載荷実験，鋼構造年次論文報告集，第 14巻，特性，鋼構造年次論文報告集，第 15巻，pp.1‑8，2007.

pp.437‑444，2006.11.

11.

６）玉井宏章，高松隆夫，服部明生，櫻庭誠，白木剛：高160