鋼材の二面せん断接着継手にボルト併用と表面処理が及ぼす影響
中田 考哉
1．はじめに鋼材接着接合の設計方法を確立するための基礎データを整理する目的で、二面せん断接着継手について、一連の単調載荷実験を行った。実験パラメータを、接着剤種、被着鋼材の表面状態、継手寸法、ボルト孔の有無、併用ボルトの有無とした。過去に実施された実験結果と併せて、各パラメータが継手の耐力に及ぼす影響を考察した。

で生じる破壊）が卓越しており、接着剤の性能が十分に発揮されたと言える。剥離剤を使用しなかった試験体 4は、試験体 1 と比較してせん断接着強さが 7 割ほどであった。ボルト軸の機械油や、剥離剤が接着剤に混入したことによる影響だと考えられる。
図 3 に、試験体 1、5、8、11 について得た、荷重と評点間変位の関係を示し、被着表面の錆の影響を検討する。
エポキシ接着剤では、錆がある試験体 5 が、錆がない試
験体 1 の 1/3 の荷重で破壊した。アクリル接着剤では、錆がある試験体 11 が、錆がない試験体 8 の 1/2 の荷重で破壊した。弾性剛性をみると、錆がある場合のほうが、エポキシ接着剤では高く、アクリル接着剤では低かった。
図 4 に、試験体 6、7、12、13 について得た、継手耐力と、図 1(a)に示す継手長さ L の関係を示す。図中に、母材降伏耐力を示す。エポキシもアクリルも、L = 120 mm

2.実験計画
図 1 に示すように、試験体は、板厚 9 mm の母材を突き合わせ、板厚 6 mm の継手板を介して接着接合した、二面せん断接着継手の構成であった。鋼材はいずれも SS400
鋼板から切り出し、高力ボルト摩擦接合に使用する規格のショットブラスト（スチールショット、粒径約 1 ㎜、硬度 RC-40-50）処理を施した。接着剤には、2 液混合型のエポキシ樹脂系接着剤（コニシ㈱製 E258R、以下エポ540キシ）と 2 液混合型のアクリル樹脂系接着剤（3M 社製メタルボンダー、以下アクリル）を使用した。
表 1 に、13 種、5 体ずつ製作した試験体一覧を示す。
6550PL-9
試験体 1 は高野 1)が、試験体 8 は渡辺 2)が、試験体 2、3、3206、7 は井上 3)が、試験体 11 は西川 4)が行ったものである。
LPL-6
残り 6 種類は、本研究で実施した。製作にあたって、接着剤を塗布する前に、鋼材表面をアセトンで脱脂し、母材の突合せ部には、接着剤が入り込まないようセロハン(a)10（標点間距離）テープを貼付した。母材を一直線に保ちながら、接着剤を塗布した継手板を、万力で母材と締結したあと、1 週間以上養生した。試験体 2、3、4、9、10 は、図 1(b)に示すように、予めボルト孔をあけ、高力ボルトをレンチM12,Φ=14で手締めして養生した。試験体 2、3、9、10 は、あとでボルトを外し易くするために、接着前に、ボルトの軸部をアセトンで脱脂し、ワッシャーにセロハンテープを貼付し、ナットのネジ部に剥離剤を塗布したが、試験体 4(b)には、これらの処理を行わなかった。試験体 2、4、9 は、
図 1 試験体寸法：二面せん断接着継手ボルトを付けたまま載荷し、試験体 3 と 10 は、載荷前に(a)ボルト孔無,(b)ボルト孔有ボルトを外した。試験体 5 と 11 には、母材表面の発錆を
表 1 主要パラメータ：二面せん断接着継手促進させ、浮き錆びをブラシで除去したあとで接着した。
実験には 1000 kN 万能試験機を用い、0.05 から 0.2
試験体L養生接着剤種
錆 ボルトの使用
n
番号[mm]
日数kN/s の載荷速度で単調引張載荷した。クロスヘッド変位
1無113 5の他に、図 1 に示す、母材突合せ部の標点間距離を、試2保持113 5験体の両側で測定した。
無3．実験結果
図 2 に、アクリル接着剤を用いた試験体 8、9、10 で測定した、荷重と評点間変位の関係を示し、ボルト孔とボルトの有無の影響を検証する。どの試験体も、終局耐力の半分を超えると、徐々に剛性が低下し、最後は脆性的に破壊した。耐力を比較すると、試験体 9 と 10 はほぼ同じで、試験体 8 の耐力から、ボルト孔を控除して求めた基準荷重の 9 割ほどであった。実験後に破壊面を観察したところ、どの試験体も、全面で凝集破壊（接着剤内部

34567891011121380

エポキシ10012080
アクリル100120

取外113
保持、剥離液無 7有無715無無7無18無保持113
取外18有無1492
無無9255555555555Effects of Bolts and Surface Treatment on Adhesively Bonded, Double-Spliced,Steel-to-Steel Joints
NAKATA Takaya

では、耐力が接着長さに比例しなかった。特に、エポキシでは、L = 100 mm 以上で母材が降伏すると、接着剤が母材の降伏変形に追従できないために、接着強度に達する前に、接着剤が破壊した。エポキシを使用した
L=120mm の試験体の破壊面を観察すると、全体で凝集破壊が卓越していたが、端部近くは破壊面が荒く、白化していた。

10201708050（標点間距離）

4[mm]
図5

試験体寸法：接着剤バルク試験

6. まとめ
鋼材の二面せん断接着継手に、併用ボルトや表面処理が及ぼす影響を実験的で検証し、以下の知見を得た。
1) 継手にボルトを残しても外しても、接着強度が変わらないこと、ボルト孔があることで、継手の接着耐力が１割小さくなることを確認した。
2) 接着表面が錆びた場合、錆がない場合と比較して、せん断接着強さがエポキシでは 1/3 倍、アクリルでは1/2 倍になった。

試験機荷重[kN]120120909060603030

錆なし
錆あり

000.050.10.15
標点間変位[mm]
(b)

00(a)

図３200200150150100500(a)

図480

錆なし
錆あり

0.050.10.15

標点間変位[mm]錆の影響：(a)エポキシ,(b)アクリル

試験機荷重[kN]

5. 接着剤バルク試験
接着剤の弾性剛性を測定するために、JIS K 6878-1 に基づくバルク試験を計画している。図 5 に、試験体詳細を示す。テフロン製の型を、アセトンで脱脂したのちに、その型に接着剤を充填する。一週間以上養生したのち、型から外し、表面を機械研磨で平滑に仕上げる。試験前に X 線 CT で、試験体内の気泡を測定とする。試験には1000ｋN 万能試験機と、標点間距離 50 mm の伸び計を用いる。現在、試験体製作を進めている。

図 2 ボルト孔、ボルト併用の影響：(a)試験体 8；(b)試験体 9；(c)試験体 10

試験機荷重[kN]

4 考察
ボルトを外すか残すかの影響について、エポキシを使用した試験体 2 と 3、アクリルを使用した試験体 9 と 10で、剛性にも強度にも違いがなく、破壊面にも違いがなかったので、影響は限定的だったと考えられる。いずれの接着剤でも、ボルト孔を開けた場合、孔がなかった
試験体 1 または 8 と比較して、強度が 9 割ほどであった。
孔の有無で、接着面に作用する応力分布が変わるか、今後検討する必要がある。
接着面に錆があった試験体 5 と 11 について、実験後に破壊面を観察したところ、いずれも母材側の錆部分で被着体破壊（被着体内部で起きる破壊）を生じていた。接着剤の強度が発揮される前に、母体に付着した錆の内部で破壊したため耐力が低下したと考えられる。
井上ら 3)は、エポキシ接着剤では、母材が降伏すると、接着剤が鋼材の塑性変形に追随できないために、母材降伏によって接着強度が決定される（図 4(a)参照）と報告している。継手長さが 120 mm の試験体 13 で、母材降伏がアクリル接着剤に及ぼす影響を検証する予定であったが、実際には、母材が降伏する前に、接着面が破壊した。
今後、継手をさらに長くした追加実験を実施し、アクリル接着剤への母材降伏の影響を確認する予定である。

100120
継手長さ[mm]100500(b)80100120
継手長さ[mm]

接着長さの影響：(a)エポキシ,(b)アクリル

参考文献
1) 高野春奈：鋼材の接着接合部のせん断・引張と剥離に関する
実 験 ， 北 海 道大 学 大 学院 工 学院 ， 2078 年 度 修 士 論文 ，2018.32) 渡邊洋介：鋼材の接着接合部の耐力に関する実験，北海道大学大学院工学院，2018 年度修士論文，2019.3
3) 井上桂輔：構造用接着剤を用いた鋼梁継手の曲げせん断実験，
鋼構造年次論文報告集，第 23 巻，2015.11
4)
西川将：構造用接着剤による鋼板の二面せん断接合に5)関する実験，北海道大学工学部，2020 年度，卒業論文，2021.3