寄稿

自己治癒・自己修復コンクリート
東北工業大学 教授

三橋 博三ある。また，構造物が大規模であるほど，物理的には検査と補修が可能であっても，コストや時間の面からも包1．はじめに括的な検査と補修の実施は不可能あるいは非常に困難となる。そこで，診断のプロセスで修復の必要性が認めら
コンクリート材料は，圧縮強度が高く維持管理も比較れると同時に材料自身が自動的に修復を行うことができ的容易な建設材料であり，社会基盤構造や建築構造物をれば，その構造物には高い信頼性を付与することができ形作る主要材料として用いられ始めてから100年以上がるものと考えられる1）。中でも，コンクリートに不可避経過している。その間，さまざまな新しい社会的要求に的に発生するひび割れについて，その発生初期の段階か対応して，従来からコンクリートに備わっている強度性ら制御や補修を行い，劣化駆動因子の侵入や遮断性能の能や施工性をさらに向上させたり，あるいは弱点を克服低下を抑止することで，コンクリート構造物そのもののするさまざまな技術が開発され，今日に至っている。

耐久性を向上させ長寿命化を図ることが期待される。そコンクリートは，基本的にはセメントと水を練り混ぜこで，「コンクリートに発生したひび割れをコンクリーて水和反応を生じさせて結合材となし，大小様々な骨材ト自らが検知し，その補修の必要性を自ら判断し，そのを結合してできるものであるために，水和反応に伴う自決定に基づいて自ら補修を実行する」機能を有する，自己収縮や水分の蒸発・逸散による乾燥収縮は必然的に起己修復コンクリートの開発の現状と今後の展望をテーマこるものである。従って，極めて特別な対策を講じないとする研究委員会が国内外で設けられ，活発な活動を繰限り，大小の差はあっても収縮ひび割れの発生を避ける

り広げている2），3）。

ことは難しい。また，圧縮応力の作用に対しては比較的関する最新の情報を満載した本が出版された4）。

また、最近になって様々な材料に高い強度を有してはいるものの，引張応力に対しては圧

本稿では，コンクリートに生じたひび割れを自己治癒縮強度の約10分の1と弱く，構造用材料として用いる場あるいは自己修復するようなシステム開発に関する研究

合には通常，引張応力の作用部分に対しては鉄筋を適切の現状について概説する。に配置して補強する事が求められる。従って，コンクリートにひび割れが発生すると，部材剛性の低下に加えて，雨水の浸透などにより鉄筋の錆びを引き起し，構造安全2．自己修復機構の分類性の低下にもつながるために，構造物の変状を定期的に検査・判断し，適切な維持管理を行うことが求められている。

コンクリートを「修復する」といっても，生じる劣化

しかしながら，使用期間中に補修が必要であるとの診は様々であり，その全てを修復可能な自己修復コンクリ断が下された場合であっても，原子力発電施設や常時稼ートの開発は，最終的な目標ではあっても現時点では現動状態にある高速道路やトンネルなどの社会基盤構造物実的なものではない。ここで取り上げる研究例は，いずでは，構造物の立地や形状，用途によっては人間が近づれもコンクリートに生じたひび割れを対象とし，その修くことすらできないために，あるいは長期間にわたる稼復を試みるものではあるが，ターゲットとするひび割れ動の中断が許されないために，補修が困難となる場合がの程度や，修復のための手法はそれぞれ異なっている。

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建材試験情報 12 107

表1
自己修復機能付与機構

コンクリート中に機 能 要 素を所 定の位置に埋設
積 極 的な自（自動修復）
己修復機能付与

混練時に機能要素をランダム混入（自律治癒）

自己修復コンクリートの機構による分類

補修材料の供給機構

コンクリート中に，接着剤供給用脆性パイプを埋設

形状記憶合金を鉄筋として使用し，ひび割れを修復
内部に接着剤を封入したカプ
セルを混練時に混入
セメントに代わる結合材として，バクテリアを使用
ひび割れ内部へ水が供給されると，ひび割れ表面で再水和が生じてひび割れを塞ぐ

自己治癒による自己修復効果（自然治癒）

腐食環境下の繊維補強コンク
リートのひび割れが塞がれる
炭酸カルシウムは，ひび割れを架橋する細い繊維に析出し易い
膨張材の水和物析出による追加膨張
フライアッシュのポゾラン反応による生成物

研究の特徴
ひずみ硬化型 FRC の特徴を利用しての適用 .
パイプの破損や補修剤放出過程の観察 .
剛性の回復によって効果を評価 .
脆性パイプに補修剤貯蔵タンクを連結して供試体外部に補修剤の量を確保 .
更には，パイプをコンクリート内部でネットワーク状に連結して，2 回目・3 回目のひび割れに対応 .
補修剤がひび割れに放出後，その内部に留まって硬化するために，高粘性補修剤を圧入して供給することを提案 .
剛性や靭性など，回復させる対象ごとに接着剤を変更，再載荷時のひび割れの本数によって回復度合いを評価 .
ひび割れ幅が数 cm に達するような大変形になった場合に，1/10 以下のひび割れ幅まで修復 .
補修剤を封入した中空パイプやマイクロカプセル等をコンクリート混練時に混入 .
砂にバクテリアを添加することで炭酸カルシウム結晶を沈殿させる.これをセメントに代わる結合材として使用することを提案 .
ひび割れ表面での再水和の機構を提示 . これによって漏水を止めることのできる許容ひび割れ幅を水圧ごとに提示 .
上記の再水和に対する水温の影響を20 〜 80℃の範囲で検証 .この範囲では水温が高いほど効果は高い .
少量の PP 繊維を混入した場合，腐食環境下でひび割れが自動的に塞がることを報告（ひび割れと鉄筋腐食の関係を検討）.
水中に溶けた CO2 は，コンクリートから誘導される Ca2+と反応して炭酸カルシウム結晶となってひび割れを架橋する細い繊維上に析出 .
アルカリ炭酸塩を混和した膨張コンクリートやエトリンガイト系膨張材とジオマテ
リアルなどを混和材としている.
乾燥収縮や凍結融解によるマイクロクラックの充填

文献
5）

7），
12）
8）
9）
13）
2），
3）
14）
19）
20）
22）
23），
24）
25）
26）

また，どのような事象の確認によって「自己修復」が行

ところで，表1にも示すように，自己修復機能をコンわれたと見做すか，その時の修復度合いや回復率の評価クリートに付与しようとする場合には，①自己修復のた方法，どの範囲までを自動化するのかといった「自己修めの補修機構や材料として何を用いるか，②どのような復」の定義に関わるような範囲まで含めて，研究例ごと機構でその補修材料をひび割れ内に移動させて充填させに違いが見られる。そのため，本稿の範囲では，コンク得るか，の2点が課題となる。

リートに生じるひび割れを，人間の手による直接の補修既往の研究では，①のコンクリートのひび割れの補修作業を必要とせずに，コンクリートに予め用意された機剤として，例えば気硬性のエチルシアノアクリレート系構によって，自動的に塞ぐものを対象とした。

接着剤，一液型のエポキシ系接着剤，水ガラス系補修剤

また，自己修復コンクリートに関する既往の研究は，などが用いられている。①にはこれらに加えて，通常はその研究方針によって大きく2種類に分類される。すな

混和材として用いられているものの，セメントとの水和わち，自己修復という新たな機能を持つコンクリートの反応によって補修材料に変化するフライアッシュや膨張開発を目指すものと，コンクリートが本来的に有する自材も用いられている。特殊な補修材料としては，生化学己修復機能の検証を行うものである。代表的な研究例に反応によって炭酸カルシウム結晶を析出するバクテリアついて，自己修復の機構の特徴ごとに分類して簡単にまや形状記憶合金を用いた例も報告されている。また，構とめたものを表1に示す。なお，「センサ，プロセッサ，造安全性のために強度を回復するのか，あるいは耐久性アクチュエータの3つの機能を兼ね備えた新しい材料」

保持のためにひび割れを充填するだけで強度回復を求めというインテリジェント材料本来の定義 （航空・電子等ないのか等，補修の目的によっても適用できる補修材料

技術審議会第13号答申、1991年）を厳格に受け止めれば，やその供給機構が異なる。更には，対象とするひび割れ

機能要素が材料そのものの中に含まれる必要があるた

幅の範囲によっても，補修材料や機構の適用性が大きく

め，表1に示す例の全てがその条件を満足するとは限ら影響を受ける。

ない点に留意されたい。
8

一方，②補修材料の供給機構としては，（i）ひび割れ&建材試験センター

建材試験情報 12 10の発生自体が修復機能発現の引き金となるパッシブ型自上記の他にも，全く異なる方法で自己修復コンクリー

己修復と，（ii）必要に応じて外部から何らかの入力や信トの可能性を探っている例がある。例えばRamakrishnan号を送ることで修復機能発現の引き金とするアクティブら14）はバクテリアを利用したコンクリートの補修方法を型自己修復の2種類があげられる。前者のパッシブ型は提案している。これは，結合材にセメントを使用せずに，機構の仕組みが単純なので，ごく自然に自己修復機能が砂にバクテリア（Bacillus Pasteurii） を混入したものを，発揮できれば問題ないが，機能発現の確実性を確保する

コンクリートのひび割れ補修に用いるというものであ事が課題となる。それに対して後者のアクティブ型自己る。これは，通常の自然環境下での炭酸カルシウムの析修復では，実際に補修を行うためのデバイスに加え，こ出が，生物学的な反応を伴って生じることを応用したものデバイスを確実に起動させるための外部入力あるいはので，砂とバシルス菌をアンモニアや塩化カルシウムの信号を送り込むデバイスを併せて設ける必要がある。

溶液中に浸漬すると，砂の周囲に炭酸カルシウムが析出また，日本コンクリート工学協会に設けられた「セメするという反応を利用している。バシルス菌は通常の地ント系材料の自己修復性の評価とその利用法研究専門委中で見られるごく一般的なバクテリアであり，有機系樹員会」 3）では，「自己修復コンクリート」に関連する言

脂等の接着剤だけでなく，セメントすら使用せずに硬化葉についての深い議論の末，用語の定義を明確化していさせることが可能であるため，環境負荷の極めて小さいる。表1の自己修復機能付与機構の欄に示す（補修材料となる可能性がある。オランダ・デルフト工科）内の大学でもこの種の研究に取り組んでいるが，より詳細な名称は，その定義に対応している。

研究例については，例えば文献［4］の中のH.M.Jonkersの論文を参照されたい。
3．2

3．自己修復コンクリートの開発例

アクティブ型自己修復コンクリート：破損部発熱センサーを用いた自己修復コンクリートの開発
上述の研究例のほとんどは，ひび割れ発生を検知する
3．1 パッシブ型自己修復コンクリート

脆性パイプあるいはマイクロカプセル中に補修剤を内包

らは，補修剤を封入した非常に細いガラスパイプさせるものであった。それに対して西脇らは 15），16），17），を，擬似ひずみ硬化の特徴を示す繊維補強セメント系複ひび割れ発生箇所を選択的に加熱することのできる破損合材ECC（Engineered Cementitious Composite）の内部部発熱センサーと，補修剤を内包する熱可塑性のパイプに埋設することで，パッシブな自己修復機能を持つことをコンクリート中に併せて埋設する方法を提案した。図ができるとしている。そして，通常のコンクリートでは1に示す概念図のように，コンクリートにひび割れが発なく，微細なひび割れを多数生じさせることのできる

生した場合，損傷箇所でのセンサーの局所的な電気抵抗

ECCの特徴を生かして自己修復機能を発揮させる点の重の上昇による選択的な加熱によって埋設パイプが融解さLi

5）

6）

要性を指摘している。しかし，Josephら はパイプ埋設れ，その結果補修剤がひび割れ中に放出される。これで型補修剤供給機構の問題点を指摘している。

ひび割れを充填硬化し，加熱によって硬化することで自一方，脆性パイプに補修剤を内包する方法とは全く異
13）己補修が完了するというものである。

は，主筋に形状記憶合破損部発熱センサーは，長いガラス繊維を核として，金（SMA）を用いたモルタル試験体に対して曲げ載荷試

導電体である炭素の微粒子を分散させた樹脂を含浸させ験を行い，自己修復機能の付与が可能であることを確認て成形したもので，ひずみなどの変形を受けた場合に導している。しかしながら，最大変形に至る過程で，SMA電パスが部分的に切断され，局所的に電気抵抗値が増大とモルタルの付着が完全に破壊されることも確認されてする特徴がある。従ってこのセンサーに局所的に大きないる。従って，一旦大きく開いたひび割れが小さく閉じひずみが発生した状態で通電すると，大きなひずみ部分られたことのみで自己修復効果の有効性が確認されたとで抵抗が上昇しているために発熱が集中するので，ひび判断することが妥当かどうかは，議論の余地があると考割れ部分に選択的な加熱を行うことができる。

なる補修方法として，Sakaiら

このセンサーを横断するひび割れ箇所での発熱量を制えられる。
&建材試験センター

建材試験情報 12 109図1

自己修復機能付与の手法

図2

ひび割れ幅とセンサーの電気抵抗を対応させるための異形化御するためには，ひび割れ幅と電気抵抗の関係を一定に保つ必要がある。そこで図2に示すように，センサーとコンクリートの付着を切った上でセンサーに異形鉄筋のような節を取り付ける方法が提案された。この方法により，節間距離を適切に設定することで，ひび割れ幅に応じて抵抗上昇率の増分を設定でき，対象とするひび割れ幅を考慮した自己修復システムを設計可能となった。

図3 試験体形状17）提案された方法を検証するた17）
図4 試験体表面温度分布（通電開始30分後）（a）ひび割れなし，（b）ひび割れありめの確認試験が実施された。試験体の形状とセンサーの配置を図3に示す。また，ひび割れ発生前後の熱の発生状況を図4に示す。載荷に先立って，ひび割れが発生していない状態で通電を行い，サ4．コンクリートの自己治癒型修復特性とその利用ーモグラフィー観察により試験体表面の温度分布を調べた（図4（a））。続いて，直接引張力によってひび割れを発生させ，ひび割れ幅と自己診断材料の抵抗値を計測しダムなど，水中のコンクリートではひび割れは時間のながら，所定の抵抗上昇率が得られるまで載荷を行った。

経過と共に自己修復される場合のあることが，土木工学

その後，ひび割れが発生した状態で再度通電を行ったの分野ではよく知られている。しかしながら，このよう（図4（b））。その結果，ひび割れ発生前はセンサーの周にコンクリートに対して自己修復という特別な機能を付辺で一様に発熱しているが，ひび割れ発生後には，ひびけ加えることなく副次的に起こる自己修復の発生機構に割れが横断する節間に発熱が集中していることが確認さついては，近年まで十分には解明されていなかった。それた。

れに対して，Edvardsen19）は，一般的なコンクリートが10&建材試験センター

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図5

図6

ひび割れ面の繊維架橋と析出物による自己修復23），24）

自己修復前後の試験体の引張応力−変形関係の変化23）24）

本来的に有する自己治癒（autogenous healing）機能に初期透水量の約3％まで減少した。但し，温度を上げた

ついて検討を行っている。ひび割れ中に圧力を受けた状としても，自己治癒可能なひび割れ幅には限界があった。

態で水分が供給されると，CaCO3-CO2-H2Oの系の中で，一方，Liら21）はビニロン2 vol％を含む前述のECCを用い以下の反応式に従ってひび割れの表面に炭酸カルシウムて乾湿繰返し実験を行い，自己治癒効果に及ぼすひび割の結晶が析出する。

れ幅の影響について検討した。その結果，ひび割れ幅が2-Ca2++CO3 ←→ CaCO3 （pHwater＞8）（1）150∫程度以下では環境条件により自己治癒効果も確認

Ca2++HCO3 ←→ CaCO3 +H （7.5＜pHwater＜8）（2）できるが，150∫以上の場合にはひび割れは回復しにく+2+

すなわち，コンクリートから誘導されるCa と，水か2-3‐

いと報告している。また，ECCには多量のフライアッシら得られるHCO もしくはCO3 の反応によって，不溶性ュが含まれていることから，ひび割れ部位でC-S-Hゲルの炭酸カルシウムがひび割れの表面に析出し，ひび割れと同様の水和物が新たに形成されている事が観察されを塞ぐことができる。この自己治癒効果には，ひび割れた。本間ら23），24）は，繊維の種類とひび割れ幅を変化さ幅と供給される水圧が大きく影響し，コンクリートの組せながら，繊維補強セメント系複合材料を用いた場合の織や水の硬度の影響は小さいことが分っている。

自己治癒の様子を，マイクロスコープ画像と透水試験にまた，Reinhardtら

20）

らは，未水和セメントの再水和より確認している。更に，自己治癒前後の引張応力-変位による自己治癒効果に及ぼす温度の影響について検討し曲線を評価すると共に，ラマン分光分析の結果，自己治ている。例えば，ひび割れ幅0.05aで80℃の条件下にお癒の原因物質は炭酸カルシウム結晶であることを明らかいて75時間浸漬したところ，ひび割れを透過する水量はにしている。これらの試験結果より，単位体積当りの細&建材試験センター

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い繊維混入本数がひび割れの自己治癒作用に大きな影響を及ぼすこと，即ちひび割れを架橋している細い繊維が炭酸カルシウム結晶の析出を助けて大きく寄与する結果，自己治癒作用につながり易いこと（図5），ポリエチレン繊維のみでは強度回復は除荷時荷重レベル程度までと限定的であるのに対して，スチールコードとポリエチレンのハイブリッド型繊維補強の場合には初期載荷時の引張強度を上回る程度までの強度回復が確認されたこと（図6）などが報告されている。
この他にも，混和材に高炉スラグやフライアッシュを用いたコンクリートの自己治癒効果についての研究例が幾つか報告されている3）。中でも岸・細田ら25）は，膨張材を用いて実際のトンネル覆工の水密性を自己治癒効果により修復した事例を報告している。また，濱ら26）はフライアッシュの継続的な水和反応を活用して，凍結融解や乾燥収縮によるマイクロクラックが実環境下を模擬した養生条件下でも治癒できることを報告している。

5．おわりに「自己修復コンクリート」の開発研究の現状について概説したが，このテーマに関する研究は国内外で現在急速に進みつつある。その中には，バクテリアによるコンクリートの自己修復など，既往のコンクリート工学研究の枠を越えた全く新しい夢に満ちたアイディアも提案されている。また，実際のコンクリート構造物にも近い将来には適用される可能性もあり，今後一層の発展が期待される。

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プロフィール
三橋 博三（みはし・ひろぞう）
東北工業大学建築学科教授

専門分野：建築材料学
最近の研究テーマ：高性能繊維補強セメント系複合材料の開発，マイクロカプセルを用いたインテリジェントコンクリートの開発，コンクリートの収縮ひび割れ軽減に関する研究，既存コンクリート構造物の性能評価，等&建材試験センター

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