環境負荷低減型繊維補強ポリマーセメントモルタルの開発と評価
メタデータ

言語: Japanese
出版者:
公開日: 2018-06-06
キーワード (Ja):
キーワード (En):作成者: 長谷川, 諒
メールアドレス:
所属:URLhttps://doi.org/10.15118/00009636

氏名 長谷川諒

学 位 論 文 題 目

環境負荷低減型繊維補強ポリマーセメントモルタルの開発と評価

論 文 審 査 委 員

主査

教 授 濱 幸雄
教 授 溝口 光男
准教授 菅田 紀之

論文内容の要旨
コンクリート構造物は社会のインフラや人々の安全を支える重要な役割を担っている。
コンクリート構造物を長期間使い続けるには、ライフサイクルコストの低減や環境に配慮した補修・補強を行うことが重要となる。そのため、環境負荷を抑えた補修材の利用が求められている。
補修材料には、劣化因子の侵入を抑制し、引張性状を改善した繊維補強ポリマーセメ
ントモルタルが広く使用されている。寒冷地では凍結融解作用によりコンクリート表面が剥離し、二酸化炭素や塩化物イオンなどの劣化因子の侵入により鉄筋腐食を引き起こす。そこで、寒冷地で使用する補修材は耐凍害性に優れている必要がある。また、2001
年に施行されたグリーン購入法により、国や地方自治体による特定調達品目（ 環境負荷低減に資する製品等） の積極的な調達が求められている。
これらの背景をふまえ、本研究では新たに寒冷地での使用に対応した環境 負 荷 低 減 型 繊 維 補 強 ポ リ マ ー セ メ ン ト モ ル タ ル（ECO－FRPCM）の 開 発 を
目 的 に 、材 料 設計 を 行い 、 開 発した ECO－FRPCM の 性 能 評 価 を 行 っ た 。
1 章では研究の背景および既往研究について記述した。
2 章 で は 、 ECO-FRPCM の 開 発 コ ン セ プ ト を 明 示 す る と と も に 、 市 販 品
FRPCM の 調 合 推 定 、チ ク ソ 性 、曲 げ 強 度 、圧 縮 強 度 、硬 化 収 縮 率 、耐 凍 害性 、施 工 性 、靭 性 に 及 ぼ す 混 和 材 や 繊 維 種 類 の 影 響 の 検 討 を 行 い 、最 終 的に ポ リ プ ロ ピ レ ン 繊 維 を 0.5%お よ び ポ リ ビ ニ ル ア ル コ ー ル と ポ リ エ チ レン 繊 維 を 6：4 で 1.5%混入した ECO－FRPCM の 基 本 調 合 を 提 案 し た 。
3 章 で は 、 提 案 し た ECO－FRPCM の 化 学 抵 抗 性 の 評 価 と し て 、 中 性 化 抵

抗性、耐硫酸塩 性 、遮 塩 性 を 同 一 水 結 合 材 比 の 普 通 モ ル タ ル と 比 較 評 価した 。 ECO－FRPCM の 混 和 材 に 用 い ら れ て い る 高 炉 ス ラ グ 微 粉 末 や フ ラ イ
ア ッ シ ュ の 影 響 で 中 性 化 抵 抗 性 は 普 通 モ ル タ ル よ り 劣 る が 、耐 硫 酸 塩 性 ならびに遮塩性に優れていることを示した。
4 章 で は 、ECO－FRPCMの 収 縮 性 状 に 及 ぼ す 膨 張 材 、収 縮 低 減 剤 お よ び

温湿度条件の影響を検討し、収縮に影響する要因を明らかにした。また、膨張材による収縮補償を考慮した硬化収縮率の評価が必要であることを指摘した。
5 章 で は 、 凍 害 劣 化 が 繊 維 補 強 モ ル タ ル （FRM） と 繊 維 量 1.5%の ECO－FRPCM の引張 性 状 に 及 ぼ す 影 響 を 比 較 検 討 し た 。 FRM で は 軽 微 な 凍 害
劣 化 で も 引 張 性 状 に 影 響 を 及 ぼ す こ と を 確 認 し た 。し か し 、ECO－FRPCM では 相 対 動 弾 性 係 数 が 80％ を下回ると期待さ れ て い る 疑 似 ひ ず み 硬 化 特 性 が失 わ れ 、ひ ず み 軟 化 挙 動 を 示 す こ と を 把 握 し 、繊 維 付 着 強 度 と 複 合 亀 裂 先 端
靭性の関係から引張破壊挙動を推定する方法を提案した。
6 章では 1 章から 5 章 ま で で 得 ら れ た 知 見 を ま と め て 、 本 論 文 の 総 括 とした。

ABSTRACT
Concrete structures play an important role in society, serving as a vital
component of infrastructure and helping to ensure public safety.

To ensurethat such structures can be used continuously over long time frames, it iscritical to reduce their life -cycle costs and to implement environmentallyfriendly techniques to repair and reinforce them. Meeting this challenge
requires builders to use repair materials having minimized environmentalload.
One kind of widely used repair material is fiber-reinforced polymer cement
mortar (FRPCM), which offers better resistance to degradation factors andtensile properties than conventional mortar. In cold climates, repeatedfreezing and thawing result in the spalling of concrete surfaces, allowing CO 2 ,chloride ions, and other degradation factors to penetrate and corrode the ironrebars inside. This means that repair materials used in cold climates musthave excellent resistance to frost damage. The selection of construction
materials is also guided by the Green Purchasing Law . This legislation,
enacted in 2001, requires both the national and local governments to prioritize
the procurement of so-called “designated procurement items”, products that
help to reduce environmental load.
To attempt to address these concerns, this study details the development of
a new kind of fiber-reinforced polymer cement mortar having reduced
environmental load suited for use in cold climates (hereafter, “ECO-FRPCM”),
from the material-design to performance-testing stages.
Chapter 1 describes the background of the study along with the findings of previousresearch.
Chapter 2 outlines the development concept of ECO-FRPCM, and examines
the effects of admixture and fiber types on estimated mixing proportions,
thixotropy, flexural strength, compressive strength, curing shrinkage, frost
resistance, workability, and toughness in commercially available FRPCMs. It
concludes

byproposing

abasicECO-FRPCM

formulation

containing

polypropylene fibers (0.5%) and a 6:4 mixture of polyvinyl alcohol andpolyethylene fibers (1.5%).
Chapter 3 contains the results of evaluating the chemical resistances of ECO FRPCM—specifically, to carbonation and to sulfate- and chloride-ion ingress—withrespect to a typical mortar (water–cement ratio of 0.5). ECO-FRPCM had inferiorcarbonation resistance to the conventional mortar, due to the effects of ground granulated blast-furnace slag and fly ash used in the admixture. However, it exhibited

excellent sulfate and chloride resistance.
Chapter 4 identifies several factors that affect the shrinkage behavior of
ECO- FRPCM by examining how it is affected by expansive additive type,shrinkage-reducing agents, and temperature and humidity conditions. It also
notes the need to take into account the compensating effects of expansive
additive when attempting to evaluate curing shrinkage.
Chapter 5 examines the effects of frost-related deterioration on the tensile
behavior of ECO-FRPCM (1.5% fiber content) with a typical fiber-reinforced
mortar (FRM). The FRM’s tensile properties were affected by even minor frost
damage. However, ECO- FRPCM lost its anticipated pseudo strain-hardening
properties once its relative dynamic modulus of elasticity fell below 80%,
instead exhibiting strain -softening behavior. The chapter concludes by
proposing a method for estimating tensile fracture behavior based on therelationship between fiber bonding strength and composite crack-tip toughness.
Chapter 6 recaps the thesis by summarizing the findings from Chapters 1 through 5.

論文審査結果の要旨
コンクリート構造物は社会のインフラや人々の安全を支える重要な役割を担っている。
コンクリート構造物を長期間使い続けるには、ライフサイクルコストの低減や環境に配慮した補修・補強を行うことが重要となる。そのため、環境負荷を抑えた補修材の利用が求められている。補修材料には、劣化因子の侵入を抑制し、引張性状を改善した繊維補強ポリマーセメントモルタルが広く使用されている。寒冷地では凍結融解作用によりコンクリート表面が剥離し、二酸化炭素や塩化物イオンなどの劣化因子の侵入により鉄筋腐食を引き起こす。そこで、寒冷地で使用する補修材は耐凍害性に優れている必要がある。また、2001年に施行されたグリーン購入法により、国や地方自治体による特定調達品目（環境負荷低減に資する製品等）の積極的な調達が求められている。
そこで本論文では，寒冷地での使用に対応した環境負荷低減型繊維補強ポリマーセメン
トモルタル（ECO－FRPCM）の開発を目的に、材料設計を行い、開発した ECO－FRPCMの性能評価を行っている。開発コンセプトは，結合材として産業副産物である高炉スラグ微粉末，フライアッシュを，細骨材全量を高炉スラグ細骨材としたプレミクスタイプの繊維補強セメント複合材料で，所定の施工性，強度性状，靭性，硬化収縮性状と凍結融解抵抗性を有するものとしている。
その結果，最終的に汎用型としてポリプロピレン繊維を 0.5%混入したタイプと高靭性タイプとしてポリビニルアルコールとポリエチレン繊維を 6：4 で 1.5%混入したタイプの 2種類の ECO－FRPCM の基本調合を提案している。
開発した ECO-FRPCM の性能として，中性化抵抗性は普通モルタルより劣るものの，耐硫酸塩性ならびに遮塩性に優れていることを示している。また，収縮性状に及ぼす膨張材，収縮低減剤および温湿度条件の影響を明らかにするとともに，膨張材による収縮補償を考慮した硬化収縮率の評価方法を提案している。さらに，凍害劣化の進行にともない引張破壊挙動が疑似ひずみ硬化からひずみ軟化挙動に変化することを示し，繊維付着強度と複合亀裂先端靭性の関係から引張破壊挙動の推定方法を提案している。
以上の成果は，寒冷地におけるコンクリート構造物の補修による長寿命化に大いに資するものである。よって，著者は博士（工学）の学位を授与される資格があるものと認められる。