コンクリート工学年次論文集，Vol.27，No.1，2005

論文

多軸繊維シートによるコンクリート部材の補強に関する基礎的研究
堀本

歴*1・宮里心一*2・保倉篤*3

要旨：コンクリート構造物の補修・補強を行う方法の一つに連続繊維シートによる補強方法があり，多くの事例・研究がなされている。本研究では，繊維の方向を任意に設定でき，さらには任意の方向に設定した繊維層を最大４層積層することが可能な「多軸繊維シート」によるコンクリート部材の補強性能に関する基礎的研究を目的として，圧縮試験及び曲げせん断試験を行った。実験の結果，「多軸繊維シート」によるコンクリート補強の有用性を確認することができ，さらに「多軸繊維シート」の特徴の一つである斜め方向の繊維が破壊性状に及ぼす効果を明らかにした。
キーワード：多軸繊維シート，炭素繊維，繊維補強，圧縮試験，曲げせん断試験
1. はじめにの特徴の一つである斜め方向の繊維の効果を明既設鉄筋コンクリート構造物に対する連続繊らかにした。

維シートによる補修・補強工法の事例は多く，圧縮補強効果 1),2)，せん断補強効果 3),4)などに関

2. 実験概要する多くの研究がなされている。繊維シートに2.1 圧縮試験

よる補強については，多くの利点が挙げられる供試体には，φ100X200mm の無筋円柱供試体

が，強度に方向性があることが長所でもあり短を用いた。コンクリートの示方配合を表－1 に示所にもなっている。つまり，一方向シートを複す。普通ポルトランドセメント，最大寸法 20mm

数層貼り付ける必要のある場合には工程数の増の粗骨材を用い，水／セメントを 50％とした。

加に繋がり，また織物を繊維シートとする場合

スランプ 3.5cm，空気量 2.0%であった。２８日には繊維の方向が限定される。

間水中養生後，グラインダーによる表面処理をそこで，繊維の方向をある程度任意に設定す
表－1 コンクリート示方配合ることが可能で，さらに角度を任意に設定した単位量(kg/m3)

繊維層を最大４層積層し，１枚の繊維シートとGmax

W/C

細骨材率して編成することが可能な「多軸繊維シート」

(mm)

(%)

(%)

Wを補強繊維とした場合には，例えば１枚の繊維

205044.85

180 360 782 970

C

シートで４方向の連続繊維を配することができ，有効な補強効果や工程数の低減に繋げることが期待できる。
本研究では，炭素繊維を用いた「多軸繊維シート」によるコンクリート部材の基礎的な補強性能を評価することを目的として，圧縮試験及び曲げせん断試験を実施し，「多軸繊維シート」
図－1 多軸繊維シート概念図*1 倉敷紡績（株）*2 金沢工業大学

技術研究所

工修(正会員)環境・建築学部環境土木工学科*3 金沢工業大学大学院

助教授

工学研究科環境土木工学専攻-343-

工博(正会員)SG

表－2 実験ケース
供試体 No. シート軸数

繊維方向（繊維目付量(g/m2)）

貼付層数 圧縮試験

せん断試験

90-1

190°(220.5)

1○○90-2190°(220.5)

2○－45/45-1

2+45°(222.7)／-45°(222.7)

1○○45+45-1

1+45°(220.5) ，-45°(220.5)

各１層

－

○

45/90/45-1

3+45°(111.4)／90°(220.5)／-45°(111.4)

1○○45/90/45-2

3+45°(111.4)／90°(220.5)／-45°(111.4)

2

○－0-1

10°(220.5)

1

○

－

未補強供試体（シート補強なし）

－○

○

N

行い，エポキシ樹脂系プライマーを塗布した。

100

翌日まで養生の後，エポキシ樹脂により繊維シートを貼り付けた。繊維シートは巻き始めと巻100

き終わりの端部を 100mm 重ね合わせるように，200オーバーラップさせて貼り付けた。ここで，「多100軸繊維シート」とは，複数の任意の角度に揃えた繊維層を 1 枚の繊維シートとして編成したものであり，例えば図－1 に示した概念図は，90°

図―2 圧縮試験供試体概要／＋45°／－45°／0°の 4 層を１枚のシート状に編成したものである。尚，圧縮試験では，供試体の円周方向を 90°方向として表している。

φ13mm

100実験ケースを表－2 に示す。例えば，供試体

2045/45-1 の場合，+45°の方向に繊維量 222.7g/m2

50015037.5（a）供試体寸法

揃えた層と，-45°の方向に繊維量 222.7g/m2 揃えた層を重ね合わせて１枚の２軸（層）シートと100300

112.525πゲージしたものを補強シートとして貼り付けている。

50変位計

37.5

尚，圧縮試験の列に○印のあるケースについて7575（b）ひずみゲージ貼付位置試験を行った。載荷試験は JIS A 1108 に準じて実（c）πゲージ，変位計貼付位置

図―3 供試体概要図施した。また，図－2 に示すように供試体側面中央部に縦方向および横方向のひずみゲージを貼

表－3 使用材料の機械的性質

付け，軸方向圧縮ひずみおよび円周方向ひずみの測定を行った。

炭素繊維2.2 曲げせん断試験
コンクリートの配合，繊維シートの貼付手順は圧縮試験と同様の方法で行った。繊維シート

鉄筋は供試体の載荷スパン内の側面に貼付けており，供試体の鉄筋方向を 90°として表している。試験は表－2 のせん断試験の列に○印を記したケースについて実施した。図－3 に供試体の形状寸-344-

コンクリート

引張強度

引張弾性率

4.1 GPa235 GPa

引張強度

降伏強度

457 N/mm2

330 N/mm2

弾性率33.1 kN/mm2

法，配筋およびひずみゲージの貼付け位置を示す。繊維シート中央部でのひずみ挙動を観察することを目的として，供試体高さの半分の位置にひずみゲージを貼り付けた。せん断補強についての評価試験であり，未補強供試体でせん断破壊させるため，φ13mm の鉄筋をかぶり厚No. 90-120mm で３本配置した。載荷試験は，２等分中央

No. 45/45-1No. 45/90/45-1

写真－1 圧縮破壊状態

点載荷にて実施した。また，図－3 に示すように，ひずみゲージ，πゲージ，変位計を取り付け，表－4 圧縮試験結果ひずみ・変位の測定を行った。

供試体
No.

ここで，本実験に使用した各材料の機械的性

最大応力(N/mm2)

質を表－3 に示す。

最大応力時ひずみ(μ)
円周方向

軸方向

90-1

57.3

5,000

10,0003. 実験結果と考察

45/45-1

47.5

3,000

3,000

3.1 圧縮試験

45/90/45-1

68.0

3,000

13,000

0-1

35.7

5,000

3,000

N

38.1

2,000

4,000

圧縮試験後の供試体の破壊状態を写真－1 に示す。繊維シートの破断に着目すると，供試体
90-1 は繊維が円周方向のみであり，繊維に沿った水平方向に破断している。一方，45/45-1，

表－5 円周方向の拘束力(網目理論)

45/90/45-1 では斜め方向に破断しており，特に45/90/45-1 については，円周方向の繊維量が多いのにも関わらず斜め方向に破断していることから，繊維シートの破断は最外層の繊維の方向に依存していることがわかる。尚，繊維シートの供試体

円周方向

最大応力

応力増分＊＊

No.

拘束力＊(N/mm2)(N/mm2)

90-1

２

57.3

20.5

90-2

４

104.9

68.1

47.5

10.7

68.0

31.2

36.8

－

剥離部分は母材破壊しており，さらにオーバー

45/45-1

ラップ部分での集中的な剥離は観察されないこ

45/90/45-1とから，機械定着を施していない本研究においNては，コンクリートとの接着，繊維シートの定(0.5+1+0.5)－＊

着は十分であると判断した。

２(1+1)
３：円筒形複合材料の網目理論を適用し，繊維量 111g/m2 の円周方向の拘束力を１とした

表－4 に圧縮試験により得られた最大応力と＊＊：未補強供試体の最大応力を基準としたひずみゲージにより得られた最大応力時のひずみを示し，図－4 に応力－ひずみ曲線を示す。最0-1 は繊維シートとコンクリート面の高さをあ大応力時のひずみに注目すると，軸方向ひずみわせて貼り付けており，繊維シートが軸力を負において特徴が現れており，円周方向に水平に担することになるが，円周方向の拘束力が働か繊維の在る供試体 90-1，45/90/45-1 でひずみが大ないために補強効果が得られない結果となった。

きくなる傾向が見られる。次に，90-1 と 45/45-1

ここで，圧縮試験の結果に円筒形複合材料のの応力－ひずみ曲線を比較すると，円周方向・網目理論を適用した場合について，表－5 にまと軸方向ともに 45/45-1 の方が傾きの緩やかな状態めた。網目理論とは，「外力は全て強化材の引張で終局に至っていることから，90-1 と比較して応力として分担される」とした解析方法 5)である。

破壊形態が緩やかになっていると推測できる。

網目理論によると，90-1 と 45/45-1 が同等の拘束-345-10045/90/45-180

90-1

応力（N/mm2）

応力（N/mm2）100
45/45-160
400-12045/90/45-180

45/45-160

90-140N

20N0-1000

5000

10000

15000

0200005000

ひずみ（μ）

10000

15000

20000

ひずみ（μ）

円周方向軸方向図－4 応力－ひずみ曲線（圧縮試験）

力となるが，コンクリート圧縮試験において未表－6 曲げせん断試験結果
供試体
No.

補強供試体からの応力増分をみた場合に，90-1を基準として考えると，45/45-1 では小さく現れる算出結果となり，45/90/45-1 に関しては，網目

90-1理論とよく一致する結果となった。また，90-1，90-2 を比較すると，最大応力では約２倍となったが，未補強供試体からの応力増分では３倍以45/45-1上の強度となっており，繊維補強コンクリートの圧縮強度への網目理論の適用については，さらに検討を進めていく必要があると考えている。

45+45-1

3.2 曲げせん断試験
表－6 にせん断試験結果をまとめる。各ケース
45/90/45-1

複数体の試験を行ったが，大きなバラツキはなく安定した物性を示した。繊維補強後の最大せん断応力は何れのケースについても約 7N/mm2Nとなったが，変位・ひずみに関しては，後述すn123Av.
123Av.
123Av.
12Av.
123Av.

最大荷重(kN)
152146132
143149133
131138140119141133
133
1621479698
10098

最大せん断応力(N/mm2)
7.42
7.29
6.59
7.10
7.58
6.687.607.296.99
6.07
7.69
6.92
6.94
7.64
7.29
5.53
5.65
5.76
5.65

るように各ケースで特徴のある結果となった。
ここで，45/45-1 と 45+45-1 を比べると，45/45-1にして観察したものであり，繊維シート部の白が+45°と-45°の層を併せ持つ一枚の繊維シー

線は観察のために予め供試体に書き込んだものトであるのに対し，45+45-1 は+45°および-45°である。未補強供試体 N ではせん断破壊していそれぞれのシートを一枚ずつ施工しており，補るが，繊維シート補強することで，せん断破壊強の形態としては最終的にほぼ同様になるようから曲げ破壊に破壊モードが移行していることに設定したケースである。変位やひずみについがわかる。また，繊維シートの剥離状態については後に図示するが，両ケースは同等の補強性て，90-1 では支点近傍の繊維シート端部より剥能を持っているとの結果が得られていることか離が進行し，45/45-1，45+45-1 では写真－2 の白ら，45/45-1 の方が少ない作業工程での施工が可色曲線で記すように引張側のスパン中央付近よ能であり，コストの削減，施工不良発生の可能り山型に剥離し，45/90/45-1 では目視観察による性の低減に繋がると考えている。

剥離は観察されなかった。つまり，今回のよう曲げせん断試験後の供試体の破壊状態を写真に端部での機械的な定着を行っていない場合に－2 に示す。何れも，試験終了後に引張側を上面

は，45/45-1 のような斜め方向に繊維を揃えた繊-346-

せん断ひび割れ

No. N(未補強)

曲げひび割れ

供試体側面

供試体側面

No. 90-1

No. 45/45-1

写真－2 せん断破壊状態
維シートの方が，シートの端部からの繊維方向に沿った剥離による急激な破壊には至らないと200考えられる。

150荷重(kN)

図－5 に載荷スパン中央下部に設置した変位計より得られた荷重－変位曲線を示す。45/45-1，

9045/4545+4545/90/45N

10045+45-1 において，傾きの小さい曲線を描いた後50に終局に至る点が特徴的である。この点につい00.0て，供試体の破壊状態とあわせて考えると，繊

1.0

2.0

3.0

4.05.0変位(mm)

維シートの剥離が徐々に進行することによりほ

図－5 荷重－変位曲線（せん断）

ぼ一定の荷重を保っているのではないかと推測できる。
次に図－6 に供試体側面のスパン中央部の下10.0
せん断応力(N/mm2)

よりに貼り付けたひずみゲージにより得られたせん断応力－ひずみの関係を示す。図－5 の荷重－変位曲線に比べると，曲線の傾きの大きく変わる変曲点が明確に現れている。この変曲点に8.09045/4545+4545/90/45
N

6.0
4.0
2.00.0

関して，繊維補強したケースでは２箇所確認で0きるが，これはそれぞれ低荷重側が「ひび割れ

5000

10000

15000

20000

25000

ひずみ（μ）の発生点」，高荷重側が「繊維シートの剥離開始

図－6 せん断応力－ひずみ曲線点」と考えられる。高荷重側については，「鉄筋（スパン中央部）降伏」の影響とも考えられるが，破壊状態の観察や，90-1 での繊維シートの剥離状態と終局にと 90-1 を併せたような形状になっている。繊維おける急激な荷重の低下を考え合わせると，「シシートの剥離状態に関しても，90-1 の端部からートの剥離」による変曲点と考えた方が適しての剥離と 90-1 の中央部からの剥離の，相反するいると思われる。これらの結果から，斜め方向性質を併せ持つために，繊維シートの明確な剥に繊維を編成したケースでは最大荷重付近で繊離が観察できなかったものと考えられる。

維シートの剥離が徐々に進行し，耐荷重をキー

図－7 には載荷点～支点中間の横ひずみとせプしていると考えることができる。また，ん断応力の関係を示す。90-1，45/90/45-1 におい

45/90/45-1 は斜め方向の繊維と横方向の繊維をて，6.0N/mm2 付近でひずみが急に大きくなって併せ持っており，応力－ひずみの関係も，45/45-1いることが特徴的であり，荷重の増加と共に中-347-

立軸の位置が上方に移動し，引張ひずみが発生
せん断応力(N/mm2)

10.0

したものと考えられる。90-1 と 45/45-1 のひずみ量に差がみられることに関して，90-1 は引張ひずみと繊維方向さらにはゲージ貼付けの向きが揃っているためにひずみ量が顕著に現れており，

8.0
6.0

9045/4545+45
45/90/45
N

4.0
2.00.0

一方 45/45-1 では繊維方向が引張方向と異なるた

01000

めに，繊維シート上のひずみ量が小さくなって

2000

3000

4000

50006000

ひずみ（μ）

図－7 せん断応力－ひずみ曲線いると考えられる。

（載荷点～支点間中央）

供試体側面におけるひずみ量（πゲージ）とせん断応力の関係を図－8 に示す。本実験ではシ10.0ージよりもマクロな視点で繊維シートのひずみ

8.0

せん断応力(N/mm2)ート上にπゲージを貼り付けており，ひずみゲを捉えている。 90 °方向の繊維がある 90-1 ，45/90/45-1 の数値が大きくでており，先の図－7で示したひずみゲージによる結果とよく一致している。

6.0

9045/45
45+4545/90/45
N

4.0
2.0
0.0
00.1

0.2

0.3

0.40.5

ひずみ（ひび割れ幅(mm)）

4. まとめ図－8 せん断応力－ひずみ量

任意の角度に繊維を配することを特徴の一つとした「多軸繊維シート」によるコンクリート. 参考文献の補強性能に関する検討を行い，以下の知見を

1) 須田康之，三井雅一，福澤公夫，船川勲：FRP得た。
4.1 圧縮試験

シートにより横方向補強されたコンクリー

コンクリートと繊維シートとの付着は十分でトの圧縮性状に及ぼすハイブリッド効果にあり，繊維シートの破断は最外層の繊維の角度関する研究，コンクリート工学年次論文報告に依存していることが観察された。また，斜め集，Vol.22，No.2，pp.337-342，2000.

方向に繊維を揃えたシートでは円周方向のみの

2) 国枝邦由，林啓司，横山博司，石原良彦：

一方向に繊維を揃えたシートよりも，急激な破緊張力を導入した PBO 繊維シートにより横壊に至らないことがわかった。

拘束された円形断面コンクリートの応力～

4.2 曲げせん断試験

ひずみ関係について，土木学会第 59 回年次
学術講演会，2004，pp.387-388

供試体側面を「多軸繊維シート」補強することで，せん断破壊から曲げ破壊に破壊モードが3) 篠崎裕生，三上浩，中島規道，田村富雄：変化しており，せん断補強していることがわか

アラミド繊維シートにより部分的にせん断った。本研究では，斜め方向の繊維の在るシー補強した RC 梁の耐力について，土木学会第トの方が徐々に終局に至る，と推測できる結果

58 回年次学術講演会，2003，pp.273-274となった。また，「多軸繊維シート」は複数の繊

4) 愛知五男，下川和明：RC はり部材のせん断維層を 1 枚のシートとして施工できることが利補強に関する実験的研究，土木学会第 59 回点となる可能性があることを指し示している。

年次学術講演会，2004，pp.103-104
5) 日本複合材料学会編集：複合材料活用辞典，

産業調査会，2001，p.426-348-