アラミド繊維を緊張材に用いた薄型 PC 板の基礎的研究

アラミド繊維を緊張材に用いた薄型ＰＣ板の基礎的研究
Fundamental Research on Thin Prestressed Concrete Panel using Aramid Fiber Tendons
竹山

忠臣

TADAOMITAKEYAMA

有川直貴

NAOKI

三加崇

TAKASHI

SANGA

浅井洋

HIROSHIASAI

ARIKAWA

埋設型枠などへの用途を目的に，アラミド連続繊維を緊張材とした厚さ 5mm の超薄型 PC 板の基礎実験を行った。実験に使用した専用の緊張装置による引張効率はアラミド繊維糸規格強度の67%であり，応力緩和曲線についても検討した。モルタル強度が 45N/mm2 以上あれば，本試験体の厚さにプレストレスを導入できた。曲げ試験の結果，PC 板は計算値以上の十分な耐力を保持しており，最終的にはモルタルが圧壊し，アラミド繊維が破断することはなかった。また，アラミド緊張材の配置誤差は PC 板の反りに大きく影響する。
キーワード：アラミド繊維，PC 板，埋設型枠，緊張材

Thin concrete panel prestressed with continuous aramid fiber has been developed for the use of durable
permanent form of concrete structures. The aramid fiber tendons were subjected to 67% of standard
tensile strength of the fiber by stretching devices developed for the tests and relaxation characteristics ofthe fibers are examined. In the case that strength of mortar is greater than 45N/mm2, the concrete panel
having 5mm in thickness could be prestressed. The panel showed greater bending capacity thancalculated value and compressive failure of the mortar at compression side is observed without showing
any breaking of aramid tendons. In addition, it was observed that the placement error of the tendon
greatly influences the warp of the prestressed concrete panel.
Key Words: Aramid Fiber , Prestressed Concrete Panel , Form , Tendon

１．はじめにコンクリート構造物の耐久性向上策の一つとして，低アラミド緊張材

水セメント比や混和材料を使用してコンクリート自体を緻密化する方法がとられている。高強度コンクリートを3005使用することで構造物を軽量化してコスト縮減が可能な

単位:mm

100

橋梁上部工のような構造物では，コンクリート価格が多図-1

少高額となっても全体工事費の縮減に寄与できる。飛来試験体

塩分に対する対策などでは，緻密なコンクリートで構成かしながら，セメント系材料で構成された埋設型枠の施された埋設型枠を用いることで構造物表面に緻密な防塩工性を考えれば，さらなる軽量化が求められる。また，層を設けることも効果が期待できると考えられる。ま部材厚を小さくすれば PC 鋼材や補強筋のかぶりを確保た，プレストレスを導入することで荷重に対するひび割することが困難となるため，このような埋設型枠には繊れ発生を大幅に抑制できると考えられる。プレストレス

維補強コンクリートが用いられている。既往の研究 2) でトコンクリート橋の施工では， PC 板 1) を床版下面に用は，連続繊維を補強材とした厚さ 10mm の埋設型枠の研いて構造部材と埋設型枠の両機能を有し，さらには施工究が行われているが，連続繊維にプレストレスを与える時の足場も兼ねた合理的な部材として使用している。しことでさらに部材厚を薄くすることが考えられる。本研

133三井住友建設技術開発センター報告

第 12 号

反力フレームアラミド緊張材

反力フレーム2000mmロードセル

センターホールジャッキ

ラムチェアー

側面図M16
全ねじボルト

ロードセル

2000mm写真-1

アラミド緊張材
鋼製緊張 アラミド緊張材 鋼製緊張プレート
9@10mmプレート

M16
全ねじボルトセンターホールジャッキ

ラムチェアー

平面図
Φ10mm丸鋼

写真-2

アラミド緊張材緊張状況

究は連続繊維にアラミド繊維を用い，極薄厚の PC 板製
アラミド緊張材造の可能性や製造時の課題点，および荷重が作用した場合の曲げ挙動，緊張材として用いるアラミド繊維の性質

Φ10mm丸鋼

アラミド緊張材の配置方法などを明らかにすることを目的としている。

図-2

２．実験概要アラミド緊張材緊張装置

よび写真-2に示す。反力床にフレームを固定して反力フレームとし，片端には高張力全ねじ緊張ボルト（M16）（１）試験体を介して鋼製緊張プレートを固定している。他端は鋼製

図-1に試験体形状を示す。試験体寸法は幅100mm，長緊張プレートを設置した高張力全ねじボルトに緊張用セさ300mm，厚さ 5mm のモルタル製であり，緊張材にはンターホールジャッキ（容量 400kN ）とセンターホール

アラミド繊維を束ねて撚りを与えた糸（以下，アラミド荷重計（ 200kN ）を介してナット定着している。固定側緊張材）を用いた。アラミド緊張材の配置は試験体断面および緊張側鋼製緊張プレートにはφ 10mm 丸鋼をの厚さ方向の中央（純かぶり 1.65mm ）とし，試験体の10mm 間隔に並べて配置しており， 1 本のアラミド緊張幅方向には 10mm 間隔で計 9 本配置した。

材を互い違いに丸鋼に掛けて配置し，緊張材の端部を丸鋼に結び付けて固定した。緊張の際には，全ねじボルト（２）使用材料および使用繊維のナットを締め込み，アラミド緊張材のたるみをとって写真-1にアラミド緊張材を示す。糸径 1.7mm ，断面積から 2 台のロードセルに均等に荷重がかかるように調整

1.201mm2 であり，メーカー提示の引張耐力は 2.7kN/ 本しながら緊張を行った。

（引張強度 2248N/mm2 ），破断伸度は 6.75% である。モ
ルタルには市販のカルシュウム・アルミネート系膨張材（４）試験体製作

をプレミックスした無収縮モルタル（プレミックス紛

アラミド緊張材緊張後，型枠を設置し，モルタルを打体）を用いた。かぶりが薄いことからモルタルの充填性設した。底版枠の型枠は表面塗装合板とし，厚さ 5mmを考慮して砂の最大粒径を 1.2mm とした。水粉体比はの合板を側枠として設置して試験体の厚さを調整した。

0.352 とした。

型枠と繊維の隙間はセメントペーストが流出しないように粘土で埋めた。試験体表面はヘラで平滑に均した（３）繊維の張力導入方法

後，ポリエチレン製フィルムを空気泡が巻き込まれない

PC 板製作に用いたアラミド緊張材緊張装置を図-2お34ように被せて試験体厚が均一になるように仕上げた。

2

アラミド繊維を緊張材に用いた薄型 PC 板の基礎的研究

表-1
コンクリート 物性導入時
載荷時
ヤング係数 圧縮強度 ヤング係数 圧縮強度(kN/mm2)(N/mm2)(kN/mm2)(N/mm2)

試験 体種類
M59A
M59B
M45A
M45B
M35A
M35B

19.5

59.2

20.1

67.4

16.6

44.9

18.9

57.0

16.935.2

-

-

試験体一覧
試験体厚さ(mm)※1

緊張材
配 置位置(mm)※2

偏心量(mm)※2

反 り量(mm)
※1

5.97
5.97
5.87
5.74
5.81
5.75

3.57
3.19
3.46
3.48
-

0.59
0.21
0.53
0.61-

1.96
1.57
2.205.21-

導入材齢(日)

曲げ
ひび 割れ
発生 荷重
(N)

曲げ耐力(N)

354
413
335
315

982
1001
786
766-

-732

※ 1: 実測値※ 2: 計算値（プレストレス導入時の上縁と下縁のひずみから算出した値）
ロードセルジャッキ

M59M45M35A

鋼製緊張プレートB
アラミド緊張材

図-4

ひずみゲージ設置位置（全体図）

変位計
載荷荷重

ロードセル
アラミド緊張材
5@10mm

鋼製緊張プレート

球座

30

図-3

引張試験

120

表面50Y5050X301505075X15075X75X150S
裏面

50

変位計
45 70

3020

図-6150

X150R

50

図-5

試験体

5640～660mm

7070

45

曲げ試験（容量200mm） 1 台で測定した。載荷方法は，平均載荷Y

速度 6.0kN/min でアラミド緊張材が破断するまで単調載X荷とした。

ひずみゲージ設置位置（詳細図）（２）プレストレス力導入時のモルタル強度の検討

３．実験方法

試験体製作は図-2に示す繊維緊張装置を用いて行った。アラミド緊張材をセンターホールジャッキで緊張装置を使用した引張試験での引張耐力の 67% である 21kN

（１）緊張装置を用いた繊維の引張試験
アラミド緊張材の引張耐力はメーカーによって測定さまで緊張し，ラムチェアー内の全ねじボルトに設置したれているが，定着方法によって引張耐力が異なる。 1 本ナットで定着して荷重を保持した。試験体製作中はアラのアラミド緊張材を鋼製緊張プレートの丸鋼に交互に掛ミド緊張材の荷重の調整は行わず，モルタル打設までのけて緊張する緊張装置を用いてアラミド緊張材の引張耐21日間緊張力の変化を測定した。プレストレス導入が可力を測定した。引張試験に使用した試験装置を図-3に示能なモルタル強度を確認することを目的に，モルタルのす。試験区間を640mm～660mm，試験区間のアラミド緊強度を 3 水準として図-4に示す配置で 6 試験体製作し張材の本数が 5 本になるように折り返して配置した。鋼た。試験体は 2 列（図中 A ， B ）に分けて製作してお製緊張プレート間に油圧ジャッキを挟み込み押し広げるり， 2 つの列の間で導入ひずみが異なることが予想され方法で緊張した。試験は 3 回行った。測定項目は，緊張たため，ひずみゲージを図のような千鳥配置とした。

荷重を 2 台のロードセル（ 20kN ）で測定し，アラミドPC 板試験体の一覧を表-1に示す。モルタルの配合は緊張材の伸び量を緊張装置の中央に取り付けた変位計

すべての試験体で同じであり，プレストレス導入時の材

335

150

第 12 号上面（表面）

2000150

引張応力(N/mm2)

三井住友建設技術開発センター報告

5050150

下面（裏面）

150

1500
1000

050
ひずみゲージ
変位計

図-7

計測項目（載荷時）

25表-2

引張試験結果201.64
1.78
1.82
1.75

0.61
0.66
0.670.65

引張試験結果T = T0 ( 0.908-0.041log(t) )1037.414.030.927.4

10

T=T0 (0.95-0.031log(t) )15

引張強度 緊張材一本 メーカーが ヤング係数当たりの 示す耐力に(kN/mm2)(N/mm2) 耐力(kN)対しての割合
13661482151514545ひずみ(%)

図-8張力T(kN)

123
平均値

No.3

040No.

No.1
No.2500

実験値3)
アラミドFRP提案式
近似式(実験値)

500.01

0.1

齢が 7 ， 3 ， 2 日の 3 水準となるようにモルタル打設日を変えて施工した。プレストレス導入時のモルタル強度

図-9110時間（hr）

1001000

応力緩和曲線

2は59，45， 35N/mm である。荷重保持期間中の時間の経過に伴う緊張力の変化を測定した。 PC 板表面には図-5す。図の中のひずみは，緊張時の伸びを緊張前のアラミに示す位置にひずみゲージを設置して，プレストレス導ド緊張材固定間長で除した値である。すべての試験体で入時のモルタルひずみを測定した。試験体軸方向の中央応力とひずみの関係は初期の引張応力度の増加が若干小（ X150 ），端部から 75mm （ X75 ），端部から 30mm

さく下に凸の形状を示している。アラミド緊張材の応力（ X30 ）の位置のひずみは導入時の軸方向のプレストレとひずみの関係は単調載荷において弾性であるが，アラス量を推定することを目的としている。裏面のX150Rはミド緊張材は束ねた繊維に撚りを与えているため引張力

アラミド緊張材の配置誤差などに伴う試験体の表と裏のが作用すると絞られて伸びが生じる。このような伸びをひずみの違いを測定する目的で設置した。 X150S はプレ含めてひずみを算出したため，アラミド緊張材の応力とストレス導入方向と直交する試験体幅方向の応力の違いひずみの関係が下に凸を示したと考えられる。No.2はを確認することを目的としている。

No.1，No.3に比べて傾きが小さい。これは荷重の増加に伴ってアラミド緊張材の端部固定部にすべりが生じたた（３）曲げ試験めである。アラミド緊張材は鋼製緊張プレートの丸鋼で載荷方法を図-6に示す。打設面を上面（載荷面）と180°に折り返した部分で破断しており，せん断力が影響し，等曲げ区間を 70mm とした 4 点曲げ試験とした。支したと考えられる。アラミド緊張材の平均引張強度は，点は，ローラー支点とし，試験体に均等に荷重をかけるメーカーが示す引張耐力の 65% であった。なお，ヤングため載荷梁上に球座を配置した。

係数は，載荷初期の繊維の絞りの影響を除去するため，引張耐力の90～ 100% における値を採用した。

載荷時の計測項目を図-7に示す。試験体の中央でたわみを 1 点，試験体の上面中央，下面中央でモルタルひず

A 列と B 列の繊維に合計 21kN （引張試験結果のみを 1 点ずつ測定した。なお，試験体の下面は，たわみ67%）の張力を与え，緊張側全ねじボルトをナットで固を測定するため，軸直角方向に 10mm ずらした箇所にひ定して持続荷重の変化を測定した結果を図-9に示す。応ずみゲージを設置した。

力緩和曲線は片対数座標においてほぼ直線で示され，式(1) で与えられる。

４．実験結果T (t ) T0 (0.908 0.041 log(t ))ここに， T(t) ：緊張後 t 時間経過した緊張力（１）アラミド緊張材の緊張T0 ：定着荷重

アラミド緊張材の引張試験の結果を図-8，表-2に示

364(1)

アラミド繊維を緊張材に用いた薄型 PC 板の基礎的研究

251559B

50CL15M45B

10515M45A
M45B
計算値

M45B
M45A

M45A
M45B
計算値

M45A

50X15050100150
X方向：端部からの距離(mm)

図 -11M45B

M45A

1000M45B

202M45A

導入応力(N/mm )2

導入応力(N/mm )導入応力 M59 （表裏での違い）

図 -13

導入応力 M59 （ X 方向の位置の違い）

X150R

2520X150R

導入応力 M45 （表裏での違い）

図 -14

導入応力 M45 （ X 方向の位置の違い）
CLM45B

20M59A

M59A

0.2

図 -12M59A
M59B
M45A
M45B

0.1

M45B
0M45A

M59B

0.3

M59A
M45B
計算値

50M59A

0.4

1510

導入時のポアソン比

0.5252M59A
X15025導入応力(N/mm )

5050
100
150
X方向：端部からの距離(mm)

図 -10M59A
M59B
計算値

1059A
0M59B

15M59A
M59B
計算値

10M59A , M59B

202

M59A , M59B

導入応力(N/mm )2

導入応力(N/mm )2025CL02550
Y方向：端部からの距離(mm)0
図 -15導入応力（ Y 方向の位置の違い）

2M45B

46導入力(kN)810

プレストレス導入時のポアソン比（ X30 に対する Y50 ）アラミド FRP 緊張材の応力緩和曲線3)を比較して図にの関係を示す。一般的には，アラミド緊張材とモルタル追記した（図-9）。アラミド緊張材はアラミド FRP 緊張との付着が十分得られず，アラミド緊張材のプレストレ材より若干張力低下が大きく， 400 時間経過時の緊張力ス力をモルタルに伝達できない場合には部材軸方向のモは定着荷重の約 80% であった。なお，試験は室内温度環

ルタルひずみの増加が小さく，モルタルひずみが一定に境で行い，室内温度は 0.9 ～ 9.1 ℃（平均 6.5℃ ）であなるまでの部材端部からの距離（定着長）が長くなる。

った。

さらに，付着が得られない場合には，部材中央においてモルタルひずみが計算値に達しない。M59およびM45のモルタルひずみは，いずれも部材中央（ X150 ）で計（２）プレストレス導入
プレストレス導入前に試験体上面のシートを除去し，算値に達していないが X75 ， X150 で導入したプレストひずみゲージを取り付けた。M35試験体はモルタル打設レス力に大きな差は見られず，本試験の場合の定着長さ後24時間であり，材齢約48時間後に乾燥収縮による軸直は30～ 75mm の間と考えられる。プレストレス導入後の角方向のひび割れが認められた。図 -10 ，図 -11 にプレ試験体を観察すると反りが認められ，図 -13 ，図 -14 にストレスを導入した際のプレストレス導入方向（軸方示すように軸方向中央断面の上面ひずみ（ X150 ）と下向）の PC 板上面ひずみと部材端部からの距離の関係，面ひずみ（X150R）に違いが認められる。表-1に示すよ図 -12 にプレストレス導入方向と直交する試験体の幅方

うに試験体厚が 0.74 ～ 0.97mm 厚く製作され，アラミド

向の PC 板上面ひずみと部材端部（幅方向）からの距離

緊張材が製作時に下方向に偏心していることが考えられ

537

三井住友建設技術開発センター報告

第 12 号た。表裏の導入された応力から，緊張材の偏心量を算出
引張した結果を表-1に示す。試験体厚さは実測した値を平均

500

M59A0ひずみ(μ)

した値である。薄型 PC 板では，わずかに偏心するだけで部材の表裏に作用する応力度に大きな影響を与える。
なお，M35は軸直角方向のひび割れが生じたため，偏0.1-500-1000

心量および緊張材の配置位置などの計算値の算出は行っ

圧縮-1500ていない。また，図 -10 および図 -11 でモルタルひずみ

110考えられるが，表裏を平均したひずみから算出した応力収縮ひずみ（ M59A ）図 -16度は計算値に対して 3N/mm 程度小さい値であった。

500
引張

プレストレス導入時の軸方向ひずみ（ X30 ）に対する

M59B0ひずみ(μ)

軸直角方向ひずみ（ Y50 ）の比率を図 -15 に示す。プレストレス導入に伴うポアソン効果による変形であり，アラミド緊張材定着部に付着ひび割れが生じれば比率が大0.11X30Y50X150X75X150R-500-1000きく変化すると考えられる。図より，M59およびM45は圧縮-1500

0.2 ～ 0.3 で比較的安定しており，付着ひび割れなどは10ソン比が低下したが，部材端には付着ひび割れが観察で500引張り，本実験の試験体の場合，45N/mm2 以上であれば付着1000収縮ひずみ（ M59B ）図 -17

きず，反りが大きいことが原因と考えられる。これよ100経過時間(hr)生じていないことが分かる。 M45B は 7kN 程度よりポア

M45A0ひずみ(μ)

ひび割れが生じないことが確認できた。
プレストレス導入後，曲げ試験を行うまでの27日間，コンクリートの収縮によるプレストレスの減少量を測定

0.1

1-1000ずみを平均すれば約1000μの収縮が生じており，アラミ

圧縮-150010を算出すると 3% 程度であった。

収縮ひずみ（ M45A ）図 -18500
引張0M45B-500 0.11ひずみ(μ)

ここに，⊿T’：プレストレス導入から曲げ試験までの-1500

プレストレス導入張力， ε’ ：プレストレス導入直後から-2000

曲げ試験までの間のモルタルの収縮ひずみ， Ef ：アラミ

-2500

ド緊張材のヤング係数， Af ：アラミド緊張材の断面積

-3000
圧縮

なお， M45B の張力の減少量が他と比べて若干大きい
が，これは試験体の反り量が 5.21mm 発生していること

表-3

他の試験体と同様，試験体にひび割れは認められなかっ

アラミド緊張材の張力減少量

試験体種類～ 11.9 ℃（平均 5.5℃ ）であった
M59A
M59B
M45A
M45B

（３）曲げ耐力
曲げ試験時のモルタル圧縮強度および曲げ耐力を表-1

1000

収縮ひずみ（ M45B ）アラミド緊張材の応力2(N/mm )ひずみ(μ)

た。なお，試験は室内温度環境で行い，室内温度は 0.7

100経過時間(hr)

図 -19が原因と考えられる（表-1）。また，反りは大きいが，10X30Y50X150X75X150S
X150R-1000間のアラミド緊張材張力減少量， T’0 ：アラミド緊張材

1000経過時間(hr)

ド緊張材のヤング係数を考慮して式 (2) で張力の減少量

(2)

100

X30Y50X150X75X150R-500した（図 -16 ～図 -19 ，表-3）。部材中央の上下面のひ⊿T ' T '0 ε' E f A f / T '0

1000経過時間(hr)が計算値に対して小さい理由として反りの影響によると
2

100X30Y50X150X75X150S
X150R

上縁下縁-355-1042-877-1024-756-1243-1135-2690

アラミド
緊張材 導入時
配置位置-595-1149-1029-2034811

減少量割合(%)-16-31-28-562.03.93.56.9に示した。 M35A ， M35B の曲げ試験時のモルタル物性を示していないのは，プレストレス導入前に，試験体 2ためである。図 -20 ，図 -21 に載荷荷重とたわみの関体ともひび割れが発生したため曲げ試験を行わなかった係，図 -22 ，図 -23 に載荷荷重とひずみの関係を示す。

386アラミド繊維を緊張材に用いた薄型 PC 板の基礎的研究

1200る。モルタルの応力とひずみの関係は，圧縮試験によっ1000て測定した結果を用いた。アラミド緊張材は，引張試験

800
荷重(N)

計算値は，ファイバーモデルによって算出した値であによって最大荷重付近で得られたヤング係数（ 27.4kN/mm2 ）を有する弾性体とした。各試験体のプレスト

600

軸方向のひび割れ発生
667.9N

400M59A
M59B
計算値0少を考慮し， 8.5kN とした。

0いずれの試験体も荷重が 300 ～ 400N で曲げひび割れが等曲げスパン内に発生した。この値はおおむね計算値

5いて軸方向のひび割れが繊維に沿って発生した。軸方向

1000

ひび割れが生じた後も荷重は低下せず計算値より大きく

800
荷重(N)と一致している。M59は約 700N ，M45は約 500N におなる傾向を示した。計算値では圧縮縁モルタルひずみが終局ひずみに達しているが，試験体が箔肉部材であるこ倍程度のひずみが生じたと考えられる。試験体は軸方向

0M45B

M45A
M45B
計算値

軸方向のひび割れ発生
501.2N0た。M59では載荷荷重が 990N （計算値の約 1.4 倍，25M45計算値

400が考えられ，終局ひずみの 320

M45A

軸方向のひび割れ発生
501.2N

600200のひび割れが生じても耐力は低下せず載荷荷重は増加し1015変位(mm)荷重－変位曲線（ M59 ）

図 -201200とから，寸法効果の影響

M59A
M59計算値

200

レス力は，載荷試験までのモルタルの収縮による張力減4)

軸方向のひび割れ発生
756.2N
M59B

5

図 -21M45では 602N （計算値の 1.3 倍）で試験体上縁が圧縮

1015変位(mm)2025

荷重－変位曲線（ M45 ）
1200

M59

破壊した。

B-上面1000

計算値

５．まとめ

A-上面A-下面B-上面B-下面計算値

本研究で，アラミド緊張材を用いた試験体厚さ 5mmの PC 板のプレストレス導入および曲げ耐力を検討し，圧縮アラミド緊張材を用い厚さ約 5mm の PC 板に平引張

A-上面1000
800

B-上面アラミド緊張材の応力緩和曲線は，アラミド FRP

A-上面A-下面B-上面B-下面計算値

緊張材の値より若干大きく，式 (1) で示される。
厚さ 5mm の PC 板では，緊張材のわずかな配置誤差が部材の表裏に作用する応力度を大きく変え，圧縮超薄型 PC 板は計算値以上の変形性能と曲げ耐力

図 -23400
B-上面-15000 -12500 -10000 -7500 -5000 -2500

反りの原因となる。

600

A-下面計算値

0荷重(N)る。

④025001200

は，モルタルの圧縮強度は 45N/mm 以上必要であ③0荷重－モルタルひずみ曲線（ M59 ）M452②400

ひずみ(μ)

図 -22

均圧縮応力度 15N/mm2 のプレストレスを導入するに600

A-下面 200-15000 -12500 -10000 -7500 -5000 -2500

以下の結果が得られた。
①A-上面荷重(N)800
B-下面20002500

ひずみ(μ)

引張荷重－モルタルひずみ曲線（ M45 ）を有する。
参考文献
1)2)池田博之，水口和之，浅井洋，平喜彦： U 型コア断3)

浅井洋，中井裕司，迎邦博，水谷淳：アラミド製面を有するプレキャストセグメント橋の構造特性，

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45回年次

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