ロープ状連続繊維補強材を用いたコンクリート部材の力学性状
コンクリート研究室
指導教官
1. はじめに鉄筋コンクリート構造物の耐久性向上，塩害

田坂 雄治
下村 匠

多くの点において鉄筋コンクリート部材とは異なることが確認されている。

対策，耐震補強のために，鋼材に比べ引張強度，CF Rope をコンクリート用補強材として使用

耐腐食性に優れ，かつ軽量である炭素，アラミ

するには，基本的な材料特性として引張特性がド，ガラスなどの連続繊維をコンクリート用補必要となる。しかしながら，この種の材料の引強材として使用する研究が進められ，実構造物張試験においては，供試体端部の定着方法，ひへの適用も行われている。その多くは連続繊維ずみの測定方法に工夫を要する。連続繊維は一をエポキシ樹脂で固めたFRPとしてコンクリー

般に一方向性材であるため，せん断，支圧強度ト用補強材として使用するものであり，これまが低く，定着方法が強度試験結果に影響する。

でに，連続繊維棒材，連続繊維シートが広く実このため，使用する材料の性質，形状などによ用されている1)2)。

り適切な定着方法の選定が必要となる。

一方，そのほかの形態のコンクリート用連続

そこで本研究では，CF Rope の引張特性を調査

繊維補強材についての研究もさかんに行われてするため，引張試験方法について検討を行った。

いる。本研究で使用するロープ状連続繊維補強

また，CF Rope のコンクリート用補強材への適用

材(写真−１，以下 CF Rope)は，エポキシ樹脂なとして，せん断補強筋として使用することを試

どを使用しない，繊維単体からなる新素材であみた。

る。さまざまな形状に容易に加工することができるので，可搬性，配筋の作業性に優れるとい2. CF Rope の引張試験概要

う利点がある。

2.1

はじめに

連続繊維補強コンクリート部材のせん断性状

FRP 棒材の定着装置は，鋼管またはテーパ状および評価方法について，最近の 15 年間，数多の鋼管に FRP 棒材を挿入し，その隙間にエポキくの研究が行われ，連続繊維の力学的性質が鋼シ樹脂，モルタル，膨張材などを充填し，鋼管材と大きく異なることから，そのせん断特性はと FRP 棒材を一体化させる方法が主に用いられている。
予備実験として，鋼管に CF Rope を挿入し，充填材としてエポキシ樹脂と定着用膨張材を使用し比較を行った。その結果，エポキシ樹脂を使用した場合は，CF Rope の引き抜けまたは鋼管内で繊維の破断が生じた。一方，定着用膨張材を使用した場合は，試験区間での破断は起こらなかったが，強い付着強度を示した。従って本研究では，充填材として定着用膨張材を使用することとした。

写真−1 ロープ状連続繊維補強材

表−2 破断形式別の試験結果

表−1 繊維素材の物性Type A

Type B

繊維アラミド引張強度(MPa)

2920

破断箇所

口元境界

中央

弾性係数(MPa)

70500

サンプル数

12248

伸び率(%)

3.6

平均破断荷重(kN)

10.92

11.62

12.08

密度(g/cm³)1.44

平均引張強度(MPa)19632090

2173

450250250

表−3 引張試験結果

Type A

Type A

Type B平均値

10.9211.74

標準偏差0.720.67

変動係数(%)

6.645.75

19632111

保護皮膜(エポキシ樹脂)

450260260破断荷重250470250

Type B(単位:mm)(kN)

平均引張強度(MPa)
図−1 供試体概略図

は，検長 5mm の複合材料用ひずみゲージを使用

2.2 使用した繊維材料
本研究で使用したCF Ropeの素材はアラミド繊維である。繊維素材の物性値を表−1 に示す。

した。供試体中央の繊維表面に樹脂を塗布し，硬化後表裏対称となる位置に 2 枚貼付した。

CF Ropeはこの繊維よりなる 8 本の繊維束（繊維束 1 本は 6000 本のフィラメントを束ねたもの）を組紐状に成形加工したものである。組紐状に
23. 実験結果
本実験で実施した全ての供試体は，定着部分した状態での断面積は 5.56mm である。

で繊維が引き抜けることなく，最終的には繊維2.3 引張試験用供試体の作製の破断により試験が終了した。繊維の破断形態試験に用いる CF Rope はすべて同一ロットかは 3 パターンで，保護皮膜のない供試体（Type A）ら採取した。定着部にエポキシ樹脂による保護は，鋼管の口元で破断が生じ，保護皮膜を施し被膜を施した Type B 供試体 32 本，保護被膜を施た供試体（Type B）においては，試験区間の中央していない Type A 供試体 12 本の計 44 本の供試で破断が生じたものと，保護皮膜による補強区体について引張試験を行った。

間と試験区間の境界で破断が生じたものが確認

引張試験用の供試体の概略図を図−1 に示す。

された。

試験区間はいずれも 450mm とした。Type B の供表−2 に破断形式別の実験結果，図−2 に Type

試体は，鋼管内での繊維の破断を防ぐため，端A および Type B の破断荷重と破壊確率の関係をから 260mm までの区間にエポキシ樹脂を含浸硬それぞれ示す。図−2 および表−2 に示すとおり，化させた。

破断形式別の平均破断荷重は口元破断，境界破2.4 引張試験方法

断，中央破断の順に増加している。

鋼管を直接，引張試験装置のチャックで固定し，引張力を載荷した。

表−3 に Type A，Type B の破断荷重の平均値，標準偏差，変動係数を示す。表−3 より，いくつかの供試体では繊維の伸びひずみを計

破断荷重について Type B は Type A に比べ，約測した。ひずみの測定は，試験区間中央に接着10%程度大きくなっている。これは供試体の破したひずみゲージにより行った。ひずみゲージ

断形態の違いによるものである。鋼管の口元

で破断した Type A 供試体による結果は，正しては 5.41%，破断ひずみについては 7.87%と精度

い材料の強度を表していないと思われる。の良い結果が得られたと考えている。

実験結果のばらつきは Type A については変動係数 6.64%，Type B では変動係数 5.75%といずれ4.

CF Rope を用いたはりのせん断試験も小さく，信頼できる結果と考えている。

4.1

使用材料

表−4 に弾性係数と破断ひずみの平均値，標準本研究で使用した補強材の材料特性を表−5偏差，変動係数を示す。弾性係数は荷重−ひずに示す。供試体はせん断破壊を先行させるため，

み曲線から引張荷重の 20%と 60%の割線勾配よ主筋には高強度異形鉄筋 (D22，USD685B)を使り算出した。供試体の破断時のひずみは測定で用した。また，組立筋には異形鉄筋 D10(SD295A)，きなかったため，破断ひずみは破断荷重と弾性

せ ん 断 補 強 筋 に は CF Rope と 異 形 鉄 筋係数より算出した。変動係数は弾性係数についD10(SD295A)を使用した。

コンクリートはレディーミクストコンクリ
表−4 CF Rope の弾性係数と破断ひずみ弾性係数(MPa)

破断ひずみ(%)

サンプル数

1515

平均値

97515

2.1

標準偏差52780.17

変動係数(%)

5.417.87ートを使用した。コンクリートの呼び強度は36N/mm²，細骨材の最大寸法は 25mm とした。
4.2 供試体の寸法形状および配筋方法

図−3 に供試体の寸法および断面形状の一例を示す。
せん断補強筋のひずみおよびひび割れ幅の観察を容易にするため，右側を試験区間(せん断区間)，反対側を非試験区間(補強区間)とした。非試験区間には十分な鉄筋スターラップ

破壊確率(%)

80

表−5 補強材の材料特性(鉄筋)60

種別SD295A

USD685B

公称直径(mm)

9.53

22.2

呼び名D10D22

用途

せん断補強筋

主筋

公称断面積(mm²)

71.33

387.1

破断荷重(kN)

弾性係数(Pa)

175310194026

図−2 破断荷重−破壊確率関係

降伏強度(MPa)

36470440

保護皮膜あり保護皮膜なし
境界で破断
中央で破断

200910121110D10@100

141310CF Rope@100

4D10@150

2D10100350

450900補強区間

3003000900
試験区間

図-3 供試体断面の一例

450

5D22200
単位(mm)

補強区間

試験区間

(a)No.1(No Stirrup)(b)No.2(D10)(c)No.3(CF Rope@150)(d)No.4(CF Rope@100)

図−4 ひび割れ図を配置し，この区間でせん断破壊が生じないようにした。供試体は①せん断補強筋のない

No.2(D10)200

150mm 間隔で配置したはり(No.2)③CF Rope
を 150mm 間 隔 で 配 置 し た は り (No.3) ④ CF
Rope を 100mm 間隔で配置したはり(No.4)の 4荷重(kN)

はり(No.1)②せん断補強筋に異形鉄筋 D10 をNo.3(CF Rope＠150)

100

体を使用した。
CF Rope の配筋は，曲げ成形部でずれるのを防ぐため，CF Rope と主筋および組立筋との角度が00No.1(No Srirrup)

No.4(CF Rope＠100)一定となるように配置した。両端は CF Rope を510載荷点変位(mm)組立筋に結び，結び目をエポキシ樹脂で固定し

図−5 荷重―変位関係

15た。CF Rope の配筋には，特別な機械などは使用せず，すべて手作業で行った。

せん断補強筋に CF Rope を使用し，150mm 間隔で配置した供試体は，せん断補強筋のない供実験結果

試体に比べ，曲げひび割れが多く発生している。

5.1 ひび割れ挙動

また，せん断ひび割れも複数発生していること

5.

図−4 に各供試体の終局状態でのひび割れ状がわかる。せん断ひび割れ(太線)の角度は，せん況を示す。図中の太線は最終的なせん断破壊断断補強筋に D10 を用いた供試体に比べ緩やかで，面を表す。せん断補強筋に D10 を使用した供試

その角度は 28°となった。

体は油圧ジャッキの限界値である 500kN まで載

一方，せん断補強筋に CF Rope を使用し，荷を行ったが破壊に至らず，試験を中断した。

100mm 間隔で配置した供試体は，No.3 の供試体

1ab2 3c 4de5678

図−6 ひずみゲージ貼付位置 No.3 (CF Rope@150)

20095kN
97kN
98kN
130kN
174kN
195kN

10000

5000

03456 7cd8a1000
1 2eb荷重(kN)-6ひずみ(×10 )

15000

0

図−7 せん断補強筋のひずみ分布

5000
10000
ひずみ（×10−6)
図−8 荷重―ひずみ関係

No.3 (CF Rope@150)

No.3 (CF Rope@150)に比べせん断補強筋を密に配置しているが，部元で変位が増加する領域が存在した。最終的に材の終局荷重が低いため曲げひび割れの数は少は，圧縮側コンクリートの圧壊により部材は終なくなった。せん断ひび割れは，角度の異なる局状態となった。

ひび割れが複数発生した。その中で最終的に破4.3断に至ったせん断ひび割れの角度は，No.3 の供試体に比べ急で 45°となった。
4.2

荷重―変位関係

せん断補強筋のひずみ

図−6 に No.3(CF Rope@150)の供試体におけるひずみゲージ貼付位置を示す。また，図−7 は各荷重ステップにおけるせん断補強筋のひずみ

図−5 に各供試体の荷重−変位関係を示す。図分布を示している。図より，ひび割れを跨ぐせより，各供試体において，曲げひび割れ発生後，ん断補強筋においてほぼ均等にひずみの増加がはりの剛性が低下し斜めひび割れ発生に至るま見られる。

で同じような挙動を示している。

図−8 は断面の高さ方向に貼付したひずみゲ

せん断補強筋に CF Rope を 150mm 間隔で配置ージによる荷重―変位関係を示している。図よした供試体は，せん断ひび割れ発生後，一度荷り，せん断ひび割れ発生荷重付近から，a~c 点に重が低下，その後再び荷重が増加し，最終的において急激なひずみの増加が見られる。この急は CF Rope の破断により急激に耐荷力を失った。

激なひずみの増加は，せん断ひび割れ発生後のCF Rope を 100mm 間隔で配置した供試体は，一時的に荷重が減少する点と一致する。CF Rope

No.3 に比べ CF Rope を密に配置しているにもかは樹脂で固めていないフレキシブルな状態のたかわらず，最大荷重は，No.3 の供試体よりも減め，せん断ひび割れ付近で局所的にひずみが増少した。No.4 の挙動は，最大荷重に達した後，加したものと思われる。せん断ひび割れから離一度荷重は減少するものの，ある一定の荷重のれた d，e 点では，急激なひずみの増加は見られ表−6 実験結果
配置間隔

供試体 No

せん断補強筋

1なし

3CF Rope

1504

CF Rope100(mm)Vu(kN)

Vcf(kN)＝Vu−Vc

98.10

194.90

96.80

98.10

155.93

57.83

Vc(kN)
98.10

まとめなかった。また，終局ひずみも，a~c 点と比べる5.と小さくなっていることから，せん断ひび割れ

1) 定着用膨張材により，繊維の引き抜けまから離れた地点では，CF Rope とコンクリートにた は 鋼 管 内 で の 破 断 す る こ と な く CF付着があるものと思われる。

Rope を定着させることができた。

4.4

CF Rope によるせん断補強効果

従来の鉄筋コンクリートはりにおけるせん断耐力は修正トラス理論式(Vu=Vc+Vs)により，コン2) 定着部の繊維にエポキシ樹脂を含侵硬化させ補強することにより，CF Rope を試験区間で破断させることができた。

クリートの受け持つせん断力Vcとせん断補強筋

3) 樹脂で複合化されていない CF Rope をせの受け持つせん断力Vsの和として考えられる。

ん断補強筋として用いることで，せん断CF Ropeをせん断補強筋として用いたはりに補強効果が得られることが明らかとなっおいても同様の手順を用いて，CF Ropeの受け持た。

つせん断力Vcfの評価を行った。コンクリートの受け持つせん断力Vcは，せん断補強筋のない供試

参考文献

体(No.1)におけるせん断ひび割れ発生荷重とし，

1) 土木学会:連続繊維補強材を用いたコンクリ

CR Ropeの受け持つせん断力Vcfは，供試体の終局ート構造物の設計･施工指針(案)，コンクリー

荷重VuとVcの差とした。表−5 に実験結果を示す。

トライブラリ-88，1996.9
2) 土木学会:連続繊維シートを用いたコンクリ
ート構造物の補修補強指針，コンクリートラ
イブラリ-101，2000.7