コンクリート工学年次論文集，Vol.32，No.2，2010

論文 超高強度コンクリートを用いた RC 梁のせん断性状
亮祐*1・睦好武田宏史*2・浅本晋吾*3・渡邉光*4

要旨：本研究では，160N/mm2 を超える超高強度コンクリートの材料特性がせん断耐力に及ぼす影響を明らかにするため RC 梁のせん断載荷実験を行った。その結果，超高強度コンクリートの RC 梁では収縮ひずみを低減させても斜めひび割れ発生荷重が増加しない傾向を示した。その原因としてコンクリートの引張強度と圧縮強度の比は圧縮強度が大きくなるほど小さくなること，軟化域での応力負担の低下，骨材の噛み合わせ効果の減少等が収縮低減効果よりも大きいことが判明した。また修正圧縮場理論に基づいた解析により，軟化域でのせん断抵抗分を考慮することにより，斜めひび割れ発生荷重を精度良く推定することが可能となった。
キーワード：超高強度コンクリート，収縮ひずみ，引張軟化，斜めひび割れ発生荷重
1. はじめに近年，セメントや混和剤，分散剤の高性能化などによ研究では実験結果をもとに斜めひび割れ発生荷重の算2

り設計基準強度が 100N/mm 以上の超高強度コンクリー定式が提案されており，多くのものが圧縮強度 130

トの製造が比較的容易になっている。鉄筋コンクリート

N/mm2 以下である。また，近年では高強度コンクリート（以下 RC）部材に超高強度コンクリートを使用するこの収縮や破壊力学に着目している研究 1)も行われている。とにより構造部材の縮小化やそれに伴う軽量化の実現

本研究では超高強度コンクリート（120 N/mm2 ～160が可能となり，特にプレストレストコンクリート（以下N/mm2 程度）を用いた RC 梁のせん断載荷実験を行い，PC）技術と組み合わせることで合理的な構造形式を実せん断性状に及ぼす材料特性（引張強度、自己収縮、破現できることが期待されている。しかし，こうした超高壊エネルギー等）の影響を明らかにしたものである。

強度コンクリートを用いた部材の破壊性状やひび割れ特性はいまだ十分に解明されていない。特に超高強度コンクリートのせん断性状は現状不明な点も多く，既往の
表－1

骨材の特性

細骨材記号

粗骨材

種類

表乾密度（g/cm2)

吸水率（％）

種類

表乾密度（g/cm2)

硬質砂岩

砕砂

2.63

1.02

砕石

2.65

0.56

20

安山岩

砕砂

2.61

2.85

砕石

2.61

2.74

20

表－2W/B

AirW

コンクリート配合
単位量（kg/m3）

Gvol

配合名

吸水率（％） 最大寸法（mm）

EXSP

DA

骨材
33W

CS

G

（kg/m ）

（kg/m ）

（kg/m3）

硬質砂岩

155775

703

792

0

11.630.78

300

硬質砂岩

155745

706

792

30

11.630.78155300

硬質砂岩

155912

592

792

0

14.59

0.91

1.5155300

硬質砂岩

155877

592

792

35

14.59

0.91

1.5155300

安山岩

155912611783014.590.91(%)(%)(kg/m )

(L/m )

HA120

20.0

1.5

155300

LA120

20.0

1.5

155

HA160

17.0

1.5LA160

17.0

HSA16017.033

SFC：シリカフューム混合セメント，EX：早強性石灰系膨張材
SP：高性能減衰剤，DA：アルコール系消泡剤*1 埼玉大学大学院

理工学研究科

環境システム工学系専攻*2 埼玉大学大学院

理工学研究科

環境科学・社会基盤部門教授

工博 (正会員)*3 埼玉大学大学院

理工学研究科

環境科学・社会基盤部門助教

博士（工学） (正会員)*4 埼玉大学大学院

理工学研究科

環境システム工学系専攻-679-(正会員)

200

300

250

2D19

3D25

図－1

供試体の形状寸法（単位：mm）
表－3f’c(N/mm2)

供試体名

せん断強度に及ぼす影響の検討項目

a/d
圧縮鉄筋

HA-1201204LA-1201204HA-1601604LA-1601604HSA-1601604表－4
鉄筋名

記号の種類

D6

引張鉄筋
・収縮の大小2D193D25(膨張剤の有無）・収縮の大小 （膨張剤の有無）
・骨材の種類 （硬質砂岩と安山岩）本研究で用いた供試体の形状寸法を図－1 に示す。供

使用材料（鉄筋）D(mm)

As（mm2）fy(N/mm2)Es(kN/mm2)

試体は幅 200mm，高さ 300mm，長さ 3000mm の矩形断

631.7360.6187.5い。また，せん断スパン比 a/d=4 とすることで斜め引張

19.1

286.5

384.1

199.7

破壊を先行させた。実験で使用した鉄筋の材料特性を表25.4506.7

720

201－4 に示す。供試体は乾燥させないよう十分な湿潤養生

SD345

D19D25

実験要因

鉄筋USD685B

面で，せん断スパン内にはせん断補強筋を配置していな

2. RC 梁のせん断載荷実験を行い，載荷直前までコンクリートひずみ，引張鉄筋ひ2.1 実験概要

ずみを計測した。また無筋コンクリート供試体（100mm(1) 使用材料および供試体の概要

×100mm×400mm）を各条件で作製し，自由収縮ひずみ

使 用 し た コ ン ク リ ー ト は ， 圧 縮 強 度 f’c ＝ 120 ，を計測した。

160N/mm のコンクリートであり，表－1 に骨材の特性，(2) 載荷方法および計測項目

表－2 にコンクリートの配合を示す。超高強度コンクリ

載荷方法は油圧ジャッキによる単調載荷であり， 5kNートに用いたセメントは低熱ポルトランドセメントにごとに測定した。計測項目はコンクリート打設から載荷シリカフュームを 10％混合した混合セメントで，高性能直前までの自由収縮ひずみと軸方向鉄筋ひずみの経時減水剤，消泡剤を混和剤として使用した。高性能水剤，変化であり，載荷実験では図－1 に示すように，RC 梁の消泡剤は内割りで水に混和した。せん断強度への収縮ひ各点のたわみ，鉄筋ひずみ，コンクリートひずみについずみの影響を明らかにするために，収縮量の異なる二種て行った。

2類の供試体を作製した。自己収縮を制御していない供試載荷時までの収縮・膨張ひずみは，無筋コンクリート体 HA（High Autogenous shrinkage）と，膨張剤を用いて供試体および梁ともにスパン中央の断面中央に設置し自 己 収 縮 を 低 減 し た 供 試 体 LA （ Low Autogenousた埋め込み型ひずみゲージにより計測した。
破壊エネルギー試験は，日本コンクリート工学協会のshrinkage）である。また高強度用骨材である安山岩を用いた供試体 HSA（High Strength Aggregate）も作製した。

「プレーンコンクリートの破壊エネルギー試験法（案）」表－3 に実験要因を示す。

2)に準じて行った。

表－5

載荷直前のコンクリート特性

供試体名

圧縮強度（f'c）(N/mm2)

引張強度(ft )(N/mm2)

ヤング係数(Ec )(kN/mm2)

破壊エネルギー(G f ) (N/mm)

HA120
LA120
HA160
LA160
HSA160

138.2
155.0
183.0
175.0
163.8

7.2
8.3
7.4
8.5
7.6

39.4
41.0
43.5
44.7
44.2

0.234
0.280
0.271
0.259
0.195-680-

収縮・膨張ひずみ無筋コンクリート供試体

コンクリート
（梁）

引張鉄筋
（梁）

-94-114-454-182-484-122
28-25532-202-94-50-180-53-136

200

HA120
100

収縮・ 膨張ひずみ( μ)収縮・ 膨張ひずみ( μ）

LA120
0010203040

50-100-200-300-400

150

HAC160( concr et e)100

HAC160( s t eel )50LAC160( concr et e)

0LAC( s t eel )-50 010203040-100

50 concr et e)
HA160(HA160( s t eel )-150-200-250-500

材齢（ 日）

材齢（ 日）

図－2

無筋コンクリート供試体のひずみ

図－3梁におけるコンクリート・鉄筋のひずみ

180

2.2 実験結果

160
140

載荷直前のコンクリートの圧縮強度(f’c)，引張強度(ft)，120

荷重 (kN)(1) 超高強度コンクリートの材料特性
ヤング係数(Ec)および収縮ひずみ(εsh)を表－5 に示す。また， f’c＝160N/mm2 シリーズの無筋コンクリート供試体

100

HA120
LA120
HA160
LA160
HSA1608060○：斜めひび割れ発生

40から得られた打込み直後からのコンクリートひずみの20

経時変化を図－2 に，RC 梁のコンクリートひずみと引張0

鉄筋ひずみを図－3 に示す。表－5 より，コンクリート0の引張強度について LA シリーズは HA，HSA シリーズ

2(1)に比べて大きくなっている。また，ヤング率は圧縮強度

4中央たわみ(mm)68

斜めひび割れ発生時350の増加に伴って増加した。破壊エネルギーにおいては300

HSA160 が他の供試体に比べて小さくなっている。これ

250
荷重 (kN)は骨材の種類によるものと考えられるが，本研究ではその原因を追究できておらず，今後詳細な考察が必要である。

200

HA120
LA120
HA160
LA160
HSA160150100図－2，図－3 より，HA シリーズでは若材齢時に自己50収縮に起因した収縮ひずみが発生するのに対して，LA0シリーズでは，膨張剤の混和により材齢初期に膨張挙動05を示し，ピーク値に達した後は徐々に収縮が進行した。
その結果 RC 梁の引張鉄筋にも HA シリーズと LA シリ

図－41015
中央たわみ(mm)2025(2) 終局状態時荷重と梁中央たわみ関係ーズでは大きなひずみ差が生じた。
(2) RC梁のせん断破壊性状

重と終局耐力は収縮を低減していない HA シリーズに比図－4(1)は斜めひび割れ発生時までの荷重－変位曲べて増加している。LA シリーズの曲げひび割れ発生荷線を，図－4(2)は斜めひび割れ発生から終局時に至る荷重が HA シリーズに比べて増加したのは，収縮低減によ重－変位曲線を示したものである。斜めひび割れ発生荷り，梁にかかる収縮応力が小さくなったためである。ま重は目視による確認と明確な荷重低下が生じたことをた，LA シリーズの終局耐力が HA シリーズに比べて増確認し，決定した。また，表－6 にせん断破壊形態と耐加したのは，収縮低減によって鉄筋周辺のコンクリート力を示している。表－6 には 2009 年度の著者らが行ったに発生する微細ひび割れが発生しにくくなり，斜めひび同様の梁の実験結果 3)も追記している。表－6 において，割れが発生した後も圧縮鉄筋および引張鉄筋に沿った本研究では斜めひび割れ時に明確な荷重低下を生じたひび割れが進展し難い状況となり，ダウエル効果や圧縮ものを斜め引張破壊とし，斜めひび割れ発生後も荷重が部コンクリートのせん断抵抗により，終局耐力が向上し増加して最終的に圧縮部のコンクリートの圧壊によりたと考えられる。既往の研究では W/B=0.15 の超高強度破壊に至ったものをせん断圧縮破壊と定義している。

コンクリートを用いた RC 供試体において，鉄筋周辺の(3) 収縮の影響コンクリートに自己収縮による微細ひび割れが発見さ

表－6 より，LA シリーズにおいて曲げひび割れ発生荷れたという報告 4)がある。

-681-

表－6

破壊荷重および破壊形態

ft (N/mm )曲げひび割れ発生荷重（ｋN)

斜めひび割れ発生荷重（ｋN)

終局耐力（ｋN)

破壊形態

138.2

7.2

58164.9

164.9

斜め引張破壊LA120

1558.469169.9240.8

せん断圧縮破壊

HA160

1837.457149.9

210.9

せん断圧縮破壊

LA160

1758.8

74.5

134.1

305.8

せん断圧縮破壊HSA160163.8

7.559127.9

134.9

斜め引張破壊S-40-4363.4

41

153.9

153.9

斜め引張破壊S-80-4

114

6.9

53

170.9

170.9

斜め引張破壊S160-4181

7.4

57

151.9

151.9

斜め引張破壊'2c (N/mm )

HA120

供試体名

f2

しかし，表－6 より斜めひび割れ発生荷重について本となっている。この原因の一つとして，斜めひび割れ発生荷重に直接関係するコンクリート引張強度（ft）と圧縮強度（f’c）の比α（=ft/f’c）は f’c が大きくなるほど小さくなること 5)が挙げられる。図－5 に ft/f’c と荷重の関係を示す。図－5 には著者らが 2009 年度に行った実験結果も併せて示しており，この図から超高強度コンクリート
では圧縮強度が増大したとしても，ft/f’c は増加せず，逆に減少する。これが斜めひび割れ発生荷重が増大しない原因であると考えられる。圧縮強度 f’c＝120～160N/mm2

斜めひび割れ発生荷重( kN)

研究においては収縮の影響がほとんどみられない結果

18016014012010080604020000.02

HA120
HA160
LA160
S-160-4.0
回帰曲線

LA120
HSA160S-80-4.0
S-40-4.0

0.04

0.08

0.06

0.1

ｆ ｔ /f ’ cの超高強度コンクリートでは収縮の有無が斜めひび割

図－5

れ発生荷重に与える影響は小さいと推測される。

ft/f’c と荷重の関係(4) 骨材の影響
写真－1 に梁の斜めひび割れの断面の一例を示す。斜めひび割れ発生荷重の大きい HA120 では斜めひび割れの形状が粗く，骨材の噛み合わせ効果が推定できる。一方，圧縮強度の大きい LA160，HSA160 においては斜めひび割れが平滑であり，骨材の噛み合わせ効果が HA120に比べて減少しているのは顕著である。また，HSA160は高強度用骨材を用いているが，セメントペーストマト

(1)

HA120

(2)

LA160

リックスの付着，強度が高いため，LA160 の骨材と同様にひび割れ面で骨材が割れたため LA160 と大きな違いが見られなかった。
(5) ひび割れの進展状況
図－6 に HA160，HSA160，LA160 の斜めひび割れ発
生直前のひび割れ進展状況を，図－7 に収縮を低減した
LA シリーズのひび割れ進展状況を示している。
図－6 より，同一荷重時の 160 シリーズでは曲げおよび曲げせん断ひび割れが供試体の同じ高さまで進展している。また著者らの研究により，超高強度コンクリー
トはひび割れが脆性的に進展するため，初期の曲げひび割れ幅が大きくなることが判っている 6）。超高強度コンクリートではひび割れの進展により応力の開放が早くなり，それによって超高強度コンクリートではひび割れ先端部の軟化域での応力負担が低下し，中立軸深さの減少による圧縮部コンクリートによるせん断抵抗の低下

-682-

写真－1

(3) HSA160
160 シリーズの斜めひび割れ断面状況

や軟化域でのせん断抵抗の低下により斜めひび割れ発生荷重が増加しないことが推測される。
また図－7 においては圧縮強度が小さい LA120 は圧縮強度の大きい LA160 よりも同一荷重時でのひび割れ進展が遅く，ひび割れの進展性からひび割れ先端部の軟化(1)

HA160(120ｋN)(2)

HSA160(120ｋN)域での応力負担が増加し，圧縮部コンクリートによるせん断抵抗や軟化域でのせん断抵抗が増加し，結果的に
LA160 よりも斜めひび割れ発生荷重が大きくなったといえる。
ひび割れ先端部の軟化域の応力負担は， ft/ f’c と深い相関関係にあると考えられるため，今後超高強度コンクリートの両引き試験等を行い，高強度・超高強度コンクリートの軟化域を明らかにして，せん断伝達モデルや，せん断強度の定量的評価を検討し，普通強度～超高強度

図－6コンクリートまで網羅する斜めひび割れ発生強度を明(3) LA160(120ｋN)
斜めひび割れ発生直前のひび割れ進展状況
160 シリーズ (載荷時の荷重)

らかにしていく必要性があると考えられる。
3. 解析的検討
3.1 修正圧縮場理論
本研究では超高強度コンクリートを用いた RC 梁部材(1)

LA120(140ｋN)のせん断性状を明らかにするため修正圧縮場理論 7)（Modified Compression Field Theory）に基づいて，斜めひび割れ発生荷重の検討を行った。
修正圧縮場理論とは，斜めひび割れを有する一様な RC要素としてとらえ，要素内に働くひずみ・応力を平均的図－7に取り扱うことで，せん断問題を合理的に取り扱う手法である。修正圧縮場理論は表－7 の 3 つの関係を解くこ(2) LA160(140ｋN)
斜めひび割れ発生直前のひび割れ進展状況
LA シリーズ (載荷時の荷重)とにより，釣り合い条件を満たす RC 要素状態を収束計構成則を入力し，載荷直前の収縮膨張ひずみも入力した。

算から求め，ひび割れ発生から破壊に至るまでのせん断

図－8(1)，(2)ともに解析結果は，載荷から破壊に至耐力機構を合理的に算出することができる。

るまで比較的精度良く実験結果を表している。しかし，

3.2 解析結果

本研究の解析ではひび割れ先端部の軟化域での応力負(1) せん断破壊状況

担分を表す Tension Stiff Factor を実験から得ていないた

図－8 に解析結果の一例と実験結果から得られた荷重

め，今後超高強度コンクリートを用いた両引き試験を行－梁中央たわみ関係を示す。ここで修正圧縮場理論によい，各々のコンクリートに合った Tension Stiff Factor を算る解析にはひび割れ先端部の軟化域での応力負担分を出し，解析していく必要がある。

入力する Tension Stiff Factor が存在し，この数値が大きい

また，表－8 に本研究で作成した梁の斜めひび割れ発と応力負担分が大きくなり，逆に小さくなると応力負担

生荷重の実測値と解析結果，また解析で用いた Tension分は小さくなる。本研究ではこの数値を実験では得ていStiff Factor の数値を示す。表－8 から f’c＝160N/mm2 シないため，実験結果と考察を基に解析を行った。また解リーズは f’c＝120N/mm2 シリーズに比べて，Tension Stiff

析には本研究で得られたコンクリートおよび鉄筋材料

Factor の値が小さくなる傾向があり，実験結果から考察

表－7

修正圧縮場理論の条件式
条件式

されたように，超高強度コンクリートではひび割れ先端部の軟化域での応力負担が低下し，その影響が収縮低減効果よりも大きくなるために収縮を低減したり，圧縮強1

せん断補強筋および主鉄筋方向の力の釣り合い条件

度を大きくしても斜めひび割れ発生荷重が増加しない

2

変形の適合条件傾向が解析的にも示唆された。

3

コンクリートおよび鉄筋の材料構成則-683-

表－8

斜めひび割れ発生荷重の実測値と解析値および Tension Stiff Factor 値①斜めひび割れ発生荷重②解析による斜めひび割れ（ｋN)

発生荷重（ｋN)

HA120

164.9

LA120

供試体名

①/②

Tension Stiff Factor

154.8

1.070.4

169.9

180.1

0.94

0.4

HA160

149.9

156.1

0.96

0.4

LA160

134.1

132.1

1.010.2

HSA160

127.9

138.3

0.920.3に適用しても，ひび割れが骨材を貫通して進展する
180

ため，ひび割れ表面が平滑になり，骨材が斜めひび160割れ発生荷重に与える影響は小さい。

荷重( kN)

140120(3) 超高強度コンクリートは曲げ・曲げせん断ひび割れ100がより早く進展し，ひび割れ先端部の軟化域での応80

力負担が低下し，圧縮部コンクリートによるせん断

60

HA120 実験結果

40

HA120 解析

抵抗や軟化域でのせん断抵抗の低下につながる。修
正圧縮場理論用いた解析により，ひび割れ先端部の20軟化域での応力負担分を考慮することで超高強度

001234中央たわみ( mm)(1)5

コンクリートの斜めひび割れ発生荷重を精度良く6追随できた。また今後超高強度コンクリートの軟化域を考慮した斜めひび割れ算定式の検討を行う必HA120

要性がある。
160140参考文献

荷重( kN)

1201)

100

河金甲，佐藤良一：高強度 RC はりの斜めひび割れ発生強度に及ぼす収縮の影響評価，土木学会論文

80集，Vol.65，No.2，pp.178-197，2009.4

60

LA160 実験結果.

40

LA160 解析結果

2)性の試験方法に関する調査研究委員会報告書，2001203)

0012
中央た わみ( mm)

(2)
図－83

日本コンクリート工学協会：コンクリートの破壊特4

S.V.T.J.Prera，Lam Huu Ouang，Hiroshi Mutsuyoshi，Ha Minh：Shear Behavior of Reinforced Concrete Beams
Using High-Strength Concrete，proceedings of JCI，

HA120

Vol.31，No.2，pp.589-594，July 2009

解析結果と実験結果の比較

4)

丸山一平，亀田昭一，鈴木雅博，佐藤良一：RC プ
リズムにおける自己収縮による微細ひびわれ発生と収縮応力挙動，コンクリート工学年次論文集，

4.まとめ
2

圧縮強度 f’c=120，160N/mm の高強度・超高強度コンクリートを用いた RC 梁の載荷実験を行い，コンクリー

Vol.28，No.1，pp-587-592，2006.
5)

造物の構造性能研究委員会報告書・論文集，2006.7

トの材料特性がせん断性状に及ぼす影響について以下のことが明らかとなった。

6)

前川敦：高強度コンクリートを用いた RC およびPRC 部材の曲げ・せん断性状に関する研究，埼玉大(1) 超高強度コンクリートでは収縮を低減すると，終局

学修士学位論文，2008

耐力は増加するが，斜めひび割れ発生荷重においては増加しない傾向がみられた。その理由の一つとし日本コンクリート工学協会：高強度コンクリート構

7)

Evan C. Bentz ： Sectional Analysis of Reinforcedて，超高強度コンクリートでは引張強度と圧縮強度

Concrete Members，PhD dissertation，１Dept. Civilの比が普通強度・高強度コンクリートに比べて小さEngineering ，University of Toronto，Toronto，Canada，

くなることが挙げられる。

2000(2) 異なる種類の骨材を超高強度コンクリートの RC 梁-684-