コンクリート工学年次論文集，Vol.31，No.1，2009

論文

フェロセメントと発泡スチロールからなる軽量複合部材の曲げ性状
木村亨*1・福澤公夫*2・鈴木勇生*3・平岡勝也*4

要旨：フェロセメントと発泡スチロールからなる軽量複合部材の曲げ性能について，金網の配置層数および内包発泡スチロールの配置方法・発泡倍率の影響を実験的に検討した。実験の結果，①この種部材の曲げ性状が延性的である。②部材を仕切るリブを多くしたり，発泡スチロールを堅くしたりして，フェロセメントの収縮を拘束すると荷重たわみ－曲線の比較的初期の変形が増す。③破壊曲げ強さは，底版部に配置された金網の軸方向鋼材量を引張鉄筋とするフェロセメント断面の破壊曲げ強さとし計算できる。④フｪロセメン
トの引張試験結果に基づく応力―ひずみ関係を用いた非線形FEM解析により，部材の挙動を推測できる。
キーワード：フェロセメント，発泡スチロール，軽量複合部材，ひび割れ荷重，曲げ延性，FE解析
1. はじめに

2. 実験方法

鉄筋コンクリートは，密度が大きいことが欠点の一つ

2.1 要因と水準である。人工軽量骨材コンクリートもあるが，それでも３図－１ に試験体の一例（10-5-R-50-１）を示す。本試

密度1.6～1.8g/cm と大きい。発泡スチロールの周囲を薄験体は，幅1750mm，長さ300mm，高さ150mmの直方体

肉モルタルで覆う構造の軽量部材が開発されている１）。

であり，モルタル厚さは10mm，軸方向に仕切るリブ（中この場合，みかけの密度を1.0g/cm３以下にできるが，モ間リブ①という）5本，断面を仕切るリブ（中間リブ②ルタルの補強材として耐アルカリガラス短繊維が使用さという）有り，発泡スチロールの発泡倍率50倍，金網のれているものの耐久性に不安が残る。そこで，ガラス短線径0.9mm，ピッチ6.35mm（目開き5.45mm）を1層配置繊維補強モルタルに変えて，ステンレス製の平織り金網した場合の梁で，見かけの密度は0.54g/cm３である。

を補強材としたフェロセメントを用いることを考えた。

実験の要因は，内包する発泡スチロールの配置・発泡

フェロセメントは，セメントモルタルをマトリックス倍率および金網の配置層数（試験体底版に配置，２層まとし，金網を補強材とした複合材料のことで，1850年頃

ではU型に配置，それを超える金網は底部のみに配置），考案され，薄肉で高靭性を有する材料のため船舶の船殻モルタル厚さ，中間リブ①の本数，中間リブ②の有無で２），３）材料として使用されてきた。このフェロセメントは，以下のような特徴があり，今後，歩道橋床版や浮き桟橋ある。表－１に試験体一覧を示す。試験材齢は，28日とした。

４），５）など多くの利用方法が考えられる材料である。

①破壊に至るまで大きなエネルギー吸収能力を持ち，衝撃に対しても大きな抵抗力を持つ。
②耐腐食性に優れ，維持費が安い。
しかし，部材の中心部を空洞とした PC桁や，発泡スチロールを鉄筋コンクリートで覆った構造物も実用化さ

図－１

試験体構成れているものの，フェロセメントを用いた軽量複合部材

表－１試験体一覧の研究例は見あたらず，構造性能，設計方法は明らかにされていないのが現状である６）。
そこで，構造要素を変化させるときの曲げ試験を行った。さらに，薄肉フェロセメントの引張試験結果に基づ
く応力―ひずみ関係を用いた非線形 FEM解析により，部材の挙動を推定した。
*1 茨城大学工学部 都市システム工学科 技術員 （正会員）*2 茨城大学工学部 都市システム工学科 教授 工博 （正会員）*3 東急建設（株） 鉄道建設事業部 土木部*4（株）日本コンテック-2191-

2.2 試験体の作製方法と使用材料

表－２

使用材料

試験体の作製順序は、次のとおりである。①所要の金網を型枠中に配置する。②モルタルを投入し、試験体最下面を形成する。③その後、発泡スチロールを置き、浮き上がらないように固定する。④この状態でモルタルを流し込み、試験体の側面やリブを形成する。⑤若干の時

表－３間をおき、さらにモルタルを投入し、試験体上面を成型

フェロセメントの引張強度と曲げ強度する。
表－２に使用材料を示す。金網を配置した状態でモルタルを流し込んで成形する必要があり，狭い部分の注入が可能な市販の無機系グラウトを使用した。配合比は質量比でグラウト：水を1：0.14とした。金網はJIS G 3555（織金網）によるメッシュ（1インチ間にある目の数）
４の線径 0.9mm，ピッチ 6.35mm（目開き 5.45mm）のステンレス平織金網を使用した。また，発泡スチロールは，発泡倍率50倍と発泡倍率70倍のものを使用した。
2.3 モルタルの物性試験
軽量複合部材に用いるモルタルの圧縮強度および引張強度を測定するためにφ 50× 100mmの円柱供試体を作

図－２ フェロセメントの引張応力-ひずみ関係製し，JIS A 1108に準じ圧縮試験を，JIS A 1113に準じ引張試験を行った。また，モルタルの曲げ強度を測定するために40×40×160mmの角柱供試体を作製し，JIS R5201に規定されている曲げ強さ試験を行った。その結果，圧縮強度が74.2N/mm２，引張強度が3.95 N/mm２，曲げ強度が9.25 N/mm２，弾性係数が28.3k N/mm２となった。
2.4 フェロセメントの引張試験・曲げ試験
フェロセメントの引張および曲げ試験には，520×40×10mmの丹冊状の供試体を使用した。フェロセメント

図－３ 発砲スチロールの材料物性の引張試験方法およびフェロセメントの曲げ試験方法にいては，既報７）を参照して頂きたい。
表－３にフェロセメントの引張試験および曲げ試験結果を示す。図－２にフェロセメントの引張を受けるときの応力－ひずみ曲線を示す。降伏後の変形が大きいことが示されている。弾性係数は，フェロセメントの引張試
験におけるワイヤストレインゲージを用いて得られる応力－ひずみ曲線の引張強度の3分の1点と原点を結ぶ直線の傾きとした。
2.5 発泡スチロールの応力－ひずみ関係

図－４

図－３に発泡スチロールを圧縮するときの応力－ひず

表－４み曲線を示す。図中には FEM解析で用いる応力－ひずみ曲線も併せて示した。
2.6 軽量複合部材の曲げ試験方法
図－４に試験体の曲げ試験方法およびゲージの取付け位置を示す。曲げ試験は３点曲げ試験とし，ワイヤストレインゲージ（ゲージレングス 60mm），変位計によりひずみおよび変位を測定した。

-2192-

軽量複合部材の曲げ試験方法

ひび割れ荷重および破壊荷重の実測値と計算値との比較

3. 実験結果と考察
3.1 試験結果一覧
表－４に軽量複合部材の曲げ試験におけるひび割れ荷重および破壊荷重を示す。ひび割れ荷重の実測値①は，試験体の下面に貼付したゲージによるひずみの大きく変化する荷重あるいは引張ひずみが250×10－６ となる値から求めた。また，ひび割れ荷重の実測値②は，肉眼によりひび割れを確認した荷重とした。破壊荷重は，曲げ試験における最大荷重とした。なお，表には計算値も示されているが，その計算方法および実測値との比較については後述する。
3.2 軽量複合部材の曲げ性状
図－５に試験体10-5-NR-50-1の荷重と圧縮縁ひずみおよび引張縁ひずみの関係示す。(a)は立ち上がり部分であり，(b)は破壊に至るまでの全体を示す。引張縁ひずみの立ち上がりの部分は，全断面を有効とする計算値とほぼ一致している。

図－７

補強材の層数の影響

写真－１ ひび割れ状況（補強材１層(10-5-NR-50-1)）

図－５

図－６

荷重と圧縮縁ひずみおよび引張縁ひずみの関係

写真－２ ひび割れ状況（補強材2層(10-5-NR-50-2)）荷重と試験体側面の高さ方向のひずみとの関係

写真－３ ひび割れ状況（部材厚さ15mm，補強材１層(15-5-NR-50-1)）-2193-

図－６に荷重と試験体側面の軸直角方向のひずみとのり補強材の層数を1層から2層，3層，4層と増やすことで，関係を示す。ひび割れ発生荷重と推測される約4kNまで

荷重－たわみ曲線における降伏荷重および破壊荷重が増は，3点ともひずみはほぼ0μに近い。試験体にひび割れ加する。写真－２に補強材の層数が2層の場合のひび割発生後，いずれのゲージも引張ひずみとなり，約700μれ状況を示す。ひび割れが1層の場合に比べ分散していにまで達するものもあるが，これは，モルタルが膨張しることが分かる。

たというよりもひび割れ位置の上昇に伴う影響と思われる。他の試験体についても同様の結果が得られた。
図－７に荷重－たわみ関係を示す。荷重－たわみ図は、載荷の初期を示す「立ち上がり」と、破壊に至るまでの「全体」の２つを示した。図には2層および3層，4層の場合も示してあるが，1層との比較については後述する。
図中，引張縁のワイヤストレインゲージでの値から求めた点および肉眼によひび割れを確認した点を示す。また，引張鉄筋を考慮し，全断面を有効とする荷重－たわみ関係の計算値も示す。図より，荷重－たわみ関係は，降伏後も変位量が大きく増加し，延性的な挙動であること，立ち上がり部分は全断面有効とする計算値にほぼ一致することが分かる。写真－１にひび割れ状況を示す。この場合，ひび割れは，約30mm間隔に生じている。また，中央のひび割れが大きく，この部分の補強材の破断が試
験体の破壊となった。
3.3 各種要因が曲げ性状に及ぼす影響(1) 補強材の層数の影響
図－７に補強材が1層の試験体10-5-NR-50-1，2層の試
験体 10-5-NR-50-2および 3層の試験体 10-5-NR-50-3， 4層の試験体10-5-NR-50-4の荷重－たわみ曲線を示す。図よ図－８部材の厚さの影響-2194-

図－９

中間リブ①の数の影響

図－１０

中間リブ②の有無の影響

(2) モルタル厚さによる影響

3.3 ひび割れ・破壊荷重の実測値と計算値の比較

図－８ に補強材が 1層でモルタル厚さが 10mmの試験

ひび割れ荷重は，発泡スチロールを無視し，金網を考体10-5-NR-50-1と15mmの試験体15-5-NR-50-1の荷重－た慮しない断面とする断面係数に，モルタルの引張強度をわみ曲線を示す。モルタル厚さが15mmの場合，モルタ乗じた値に基づいて求めた。破壊荷重は，部材底部の補ルの厚さが10mmの場合に比べて，立ち上がりの剛性が強材（金網）を配筋していると仮定し，補強材の断面積高いものの，破壊荷重は同等であり，破壊に至るまでのとしては，軸方向の補強材のみを考え計算した。ひび割変形量が小さい。写真－３に、モルタル厚さが15mmのれ荷重については，補強材1層の場合は、肉眼観察に基場合のひび割れ状況を示す。ひび割れが集中しているこづく値とほぼ一致した。補強材2層以上の場合では、ゲとが分かる。このことは，モルタルの引張強度に対し，ージの測定値に基づく値とほぼ一致した。破壊荷重につ金網の引張強度が小さく，最初にひび割れが生じた場所いては、計算値と実測値がほぼ一致した。の補強材に伸びが集中したためと考えられる。
(3) 中間リブ①の数による影響
図－９に中間リブ①が5本の試験体10-5-NR-50-1と3本の試験体10-3-NR-50-1の荷重－たわみ曲線を示す。リブが5本の場合，初期の段階では3本の場合とほぼ一致しているが，荷重が5kN付近からリブの本数が多い方が荷重の増加に対するたわみの増加量が大きい。予想した挙動とは逆であり，モルタルの収縮により，部材内部の発泡スチロールがモルタルに抵抗し引張応力が発生するためであると考えられる。
(4) 中間リブ②の有無の影響
図－１０に中間リブ②が無い試験体10-5-NR-50-1と有る試験体10-5-R-50-1の荷重－たわみ曲線を示す。図より，中間リブ②のある方が，中間リブないものと比べ，立ち上がり部分の変形が若干大きいことがわかる。断面の剛性が大きくなるはずが，実測では逆の結果となった。これもフェロセメントの収縮の影響と考えられる。
(5) 発泡スチロールの発泡倍率の影響
図－１１に発泡スチロールの発泡倍率が50倍の試験体
10-5-NR-50-1と発泡スチロールの発泡倍率が70倍の試験体10-5-NR-70-1の荷重－たわみ曲線を示す。図より，発図－１１

発泡スチロールの発泡倍率の影響

泡スチロールの発泡倍率が50倍のとき，荷重－たわみ曲線は発泡スチロールの発泡倍率が70倍の試験体とほとんど一致しているが，比較的初期のたわみが 1～ 10mmの部分で荷重に対するたわみが大きくなる部分があった。
この点についてもフェロセメントの収縮の影響と考えられる。すなわり，発泡倍率の低い方がフェロセメントの収縮に対する抵抗力が大きく，結果としてフェロセメントに引張応力が生じたためと考えられる。
(6) フェロセメントの収縮
フェロセメントの収縮の影響と思われる結果のため，

図－１２ フェロセメントの収縮引張試験に用いた同寸法の試験体を作製し，補強材が1層と3層について，JIS A 1129-2に規定されているコンタクトゲージ法により収縮ひずみを測定した。その結果を
図－１２に示す。これより試験に用いたフェロセメントが収縮量が大きいことが分かる。
図－１３ 試験体10-5-NR-50-1の解析モデル-2195-

4. FEMによる荷重－たわみ関係の推定

圧縮試験から求めた関係として用いた非線形 FEM解析

4.1 解析方法

により軽量複合部材の挙動を推測できる。

本軽量複合部材はステンレス金網を用いているため補強材の腐食を考慮しなくともよいが，荷重と変形の関係の挙動を把握することが実用化にあたって必要になる。
そこで，非線形有限要素解析（ FEM解析）を用い，曲げ性状を検討した。図－１３に試験体10-5-NR-50-1のモデル図を示す。解析モデルは試験体の 1/4を再現したもので，三角錐10節点固体要素とした。また，試験体を1/4にカットした2面では，面に対して垂直方向に拘束し，支持点は高さ方向に対して拘束した。モルタル部の応力－ひずみ関係を図－１４に示す。モルタルの引張を受けたときの応力－ひずみ関係は，フェロセメントの引張試

図－１４ 補強モルタルの応力－ひずみ関係

験結果から得られた実測に基づいた。発泡スチロールの応力－ひずみ関係を図－３に示す。
4.2 解析結果
図－１５ に補強材が 1層の試験体 10-5-NR-50-1と補強材が 2層の試験体 10-5-NR-50-2の荷重－たわみ曲線と解析値との比較を示す。立ち上がり部分はほぼ一致した。
荷重に対したわみが大きくなる部分で実測値は解析値より変形が大きい結果となった。これは，実測においては，モルタルの収縮により，部材内部の発泡スチロールがモルタルに抵抗し内部応力が発生していたためと考えられる。その後，両試験体とも実測値と解析値の差がなく，

図―１５ 補強材量の影響と解析値部材の荷重－変位性能をよく再現できた。
参考文献
5. まとめ1) 木村亨，他：超軽量石貼りパネルの特性，日本建本研究で得られた知見を以下に示す。

築学会大会学術講演概要集， 2005.9， pp.1049-1050①発泡スチロールの周囲にステンレス金網を配置したフェロセメントで覆う構造の軽量複合部材は、曲げ変形に対し延性的な挙動を示す。

2) 西岡思郎，他：フェロセメントについて，セメント･コンクリート，No.350，1976.4pp.44-43) 村田二郎，他：フェロセメントに関する基礎実験，②試験体を仕切るリブの数が多い場合，また，発泡スチ

セメント･コンクリート，No.374，1978.4，pp.14-21

ロールの発泡倍率が低い場合のように，フェロセメント

4) 北村茂，他，：フェロセメントの引張試験におけるの収縮に対して抵抗力が大きい場合、比較的初期の変形ひび割れ性能及び付着強度，コンクリート工学年次が大きくなる。これは，モルタルの収縮が部材内部の発論文報告集，Vol.16，No.1，1994，pp.513-518

泡スチロールがモルタルに拘束され抵抗し内部応力が発5) 鷹谷知計，他：シリカヒュームを混入したフェロ生するためであると考えられる。

セメントの曲げ強度と靭性，土木学会第47回年次学③補強材1層の軽量複合部材の肉眼によるひび割れ強さ術講演会，1992.9，pp.682-683

は，フェロセメントの断面係数に使用したモルタルの引

6) 大西寛：鋼とコンクリートの新しい組合せ，コン張強度を乗じた値と一致する。補強材が2層以上になる

クリート工学，Vol.17，No.7，1979.7，pp.77-79とワイヤストレインゲージの変化する点から求める値と7) 木村亨，他：ステンレス金網を補強材とした薄肉ほぼ一致する。

モルタル板の引張および曲げ性状：土木学会第63回④破壊曲げ強さは，軸方向の試験体底版に配置した補強

年次学術講演会，2009，pp.519-520

材を引張鉄筋とするフェロセメント断面の破壊曲げ強さとして推定できる。
⑤フェロセメントの応力ひずみ関係を，引張に対してはフェロセメントの引張試験から求めた関係を，圧縮には-2196-