淺沼組技術研究報告

No.27(2015)

２．ポリプロピレン繊維を用いた繊維補強コンクリート RC 梁の曲げ性状に関する実験研究
Experimental Study on Flexural Performance of RC Beams
Made of Polypropylene Fiber Reinforced Concrete
森 浩二＊１

要 旨
ポリプロピレン短繊維はコンクリート用繊維として初めて JIS に登録された合成繊維であり、コンクリートの剥落や収縮ひび割れの防止、火災時の爆裂防止などに用いられている。表面が疎水性であるポリプロピレンは、親水性のビニロンなどに比べて素材としてのコンクリートとの付着性は劣るため、形状の工夫によって機械的にコンクリートとの付着性を向上させる工夫がなされているが、RC 部材の構造性能に与える効果についての研究は少ない。そこで、ポリプロピレンおよびビニロン短繊維によって補強された RC 梁について、4 点曲げ単調載荷実験による曲げ性能の検討を行った。実験の結果、ポリプロピレン、ビニロンいずれの短繊維についても微小変形時における曲げ剛性が向上すること、コンクリートの圧壊による耐力低下を抑制する効果があること、鉄筋の付着割裂ひび割れの発生が減少することが確認された。
キーワード：4 点曲げ載荷／曲げ剛性／圧壊／付着割裂ひび割れ／ビニロン
１．はじめに

２．実験概要

ポリプロピレン（PP）短繊維は合成繊維の一種であり、

2.11)

使用材料

繊維補強セメント系複合材料 として、コンクリートの剥使用した PP 繊維・PVA 繊維を写真－1 に、繊維の諸元落防止や収縮ひび割れの防止、火災時の爆裂防止などに使を表－1 に示す。PP 繊維は延伸加工により製造されたもの用されている。PP 短繊維はコンクリート用の繊維としてで表面がエンボス加工されており、繊維長 30mm、繊度2)初の日本工業規格が 2015 年に制定され 、使用者および3,500dtex のものを用いた。ここで繊度 dtex とは繊維製造者の利便性が向上することとなった。素材としての10,000m 当たりの重量(g)で表した繊維太さの指標を表し、PP の性質は疎水性であるため、他の親水性の合成繊維と表－1

比較するとコンクリートとの付着性には劣っている。そのため、表面にエンボス加工を施すなど、機械的に付着性を繊維諸元

種別

繊維長(mm)密度(g/cm3)

繊維径*(mm)

引張強度(N/mm2)

断面形状

表面形状

PP

300.910.7500

矩形

エンボス

PVA121.30.11200

円形

平滑高める工夫を行った製品が開発されている。
RC 部材に PP 短繊維を混入した場合の補強効果については、剥落防止や爆裂防止 3)、耐衝撃性 4)を対象とした研究が存在する。また、無筋コンクリートのひび割れに対する PP 短繊維の架橋効果については、切り欠き梁の 3 点曲*真円換算の値

げ試験により引張軟化曲線および破壊エネルギーの推定を行った研究がある 5),6),7)。しかし、PP 短繊維を混入した
RC 部材の曲げやせん断に関する研究は少なく、その補強効果や曲げ・せん断性状への影響については明らかとなっていない。
ここでは PP 短繊維による RC 梁の曲げ性能に対する補強効果に着目して行った実験について述べる。なお、比較(a)対象として親水性であるビニロン（PVA）短繊維 6)についても同様の検討を行った。
*1 技術研究所構造研究グループ
2-1PP 繊維
写真－1(b) PVA 繊維
使用繊維

淺沼組技術研究報告

表－2
記号単位量 (kg/m3)
セメント 細骨材 粗骨材
CS
G

水W

N――

4749185394809

869

1.0P04

PP0.44749185394809

869

1.0P12PP

1.24749185394809

869

1.0V03PVA

0.34749185394809

869

1.0V09PVA

0.94749185394809

869

1.080

応力 (N/mm2)60504030206050302010000246ひずみ (×10-3)

81060
50
403020100080

P12_1
P12_2

70

4010

混和剤比
SP/C(%)

80
P04_1
P04_2
P04_3
P04_4

70

応力 (N/mm2)

N_1
N_2
N_3

70

応力 (N/mm2)

コンクリート調合

繊維
水セメント 細骨材率
比
種別
混入率
(%)
(%)
(Vol.%)

80

2

468

ひずみ (×10-3)

1002

46

ひずみ (×10-3)

81080
V03_1
V03_2
V03_3

60

V09_1
V09_2
V09_3

70

応力 (N/mm2)70

応力 (N/mm2)No.27(2015)

504030201060
50403020100002

46ひずみ (×10-3)810図－10246ひずみ (×10-3)810

コンクリート圧縮強度試験結果

繊度と密度から円換算直径が算出される。PVA 繊維の断面
形状は円形で表面は平滑、繊維長 12mm、繊度 100dtex の表－3

材料試験結果(a)

コンクリート記号

繊維混入率(Vol.%)

圧縮強度*1(N/mm2)

ヤング係数*1,*2(×104 N/mm2)

N

――

45.3

3.21

コンクリートの調合を表－2 に示す。繊維の種類および

P04

PP

0.449.2

3.69

混入率をパラメータとし、基準となるコンクリートの調合

P12PP

1.257.73.33は同一とした。繊維の混入率（体積混入率）は外割によっ

V03

PVA

0.345.53.50て定め、繊維メーカーによる標準配合量、およびその 3 倍

V09PVA0.947.62.83ものを用いた。前述したように、疎水性である PP に対し、親水性の PVA はセメントとの付着性が良いという特徴を持っている。

*1 図－1 に示す 2～4 体の平均値を用いた*2 圧縮強度の 1/3 における割線剛性としたを設定した。
練混ぜには 100L 重力式ミキサーを用い、最初にコンク(b)リートを練混ぜた後、繊維を投入してから 2 分～5 分程度混合を行った。
2.2

鉄筋記号

降伏点強度
(N/mm2)

引張強度(N/mm2)

ヤング係数(×105 N/mm2)

D10328479

1.89

D16362538

1.92

材料試験結果コンクリートの圧縮試験結果を図－1 および表－3(a)に、鉄筋の引張試験結果を表－3(b)に示す。コンクリートの圧縮強度にばらつきが見られるが、PP1.2%（P12）では繊維なしのもの（N）に比べてやや圧縮強度が高くなっている。

高い試験体ではひずみが大きくなっている。また、繊維混

また、圧縮強度発現時のひずみは繊維なし（N）や標準配入率の高い試験体（P12, V09）では荷重ピーク後の破壊速合（P04, V03）の場合では 0.2%程度、3 倍配合の PP1.2%度がゆるやかになっている様子が観察され、圧縮靱性が向（P12）、PVA0.9%（V09）では 0.3%程度と、繊維混入率の上していることが確認された。

2-2淺沼組技術研究報告□-D6@100□-D6@60

No.27(2015)

ひずみゲージ載荷

上端筋 2-D6
下端筋 2-D10

載荷点

28
136 200
36100400400(a)100L/2100

試験体δ

θ=2δ/L

1400

A シリーズ□-D6@100□-D6@60400

支持点

ひずみゲージ
下端筋 2-D16

支持点

変位計測位置上端筋 2-D628

図－3

載荷方法概要133 200
39100400400

4001002.4100

載荷方法の概要を図－3 に示す。試験体中央部長さ1400(b)2.3400mm の区間が純曲げとなるように 4 点曲げによる単調B シリーズ

図－2

載荷を行った。試験体中央と載荷点位置の鉛直変位を計測

試験体形状

し、部材変形角θ（θ=2δ/L，δ：中央変位，L：支持点梁試験体形状間距離）が 0.125%，0.25%，0.5%，1.0%，1.5%，2%，3%，試験体形状を図－2 に示す。試験体は断面 200mm×4%，5%の時点でのひび割れを観測した。

100mm、長さ 1400mm の梁試験体で、図中三角印の位置が支持点および載荷点である。主筋量をパラメータとして，
図－2(a)の A シリーズでは鉄筋の引張降伏によって破壊するよう 2-D10 を、図－2(b)の B シリーズではコンクリー

３.

実験結果

3.1

荷重-変位関係

試験体の荷重-変位関係を図－4 に示す。荷重は左右の載トの圧壊によって破壊するよう 2-D16 を梁下部に配筋し、荷点における荷重の合計、変位は載荷点間中央の鉛直変位

いずれも曲げ破壊が先行するように十分なせん断補強筋である。

を配置した。

701406012050100

荷重 (kN)

荷重 (kN)

実験方法

4030206040A-NA-P04
A-P121080

B-N
B-P04
B-P122000051015202530350570

1406012050100403020152025303530358060
40

A-N
A-V03
A-V09

1010載荷点中央変位 (mm)荷重 (kN)

荷重 (kN)

載荷点中央変位 (mm)

B-N
B-V03
B-V09

2000051015202530

350

載荷点中央変位 (mm)5101520載荷点中央変位 (mm)図－4

荷重-変位関係

2-325淺沼組技術研究報告(f)B-N(a)

A-N(b)

A-P04(g)B-P04(c)A-P12(h)B-P12(d)A-V03(i)B-V03(e)A-V09(j)B-V09

図－5(1)

No.27(2015)

最終ひび割れ状況

A シリーズれが材軸方向に発生している。PP 繊維の試験体 A-P04，

A シリーズの試験体は引張側鉄筋が降伏した後、鉄筋のA-P12 ではひび割れの発生間隔が A-N よりやや狭くなってひずみ硬化によって耐力が緩やかに上昇した。鉄筋降伏時

おり、個々のひび割れ幅も狭くなっている。また付着割裂の荷重は 40～50kN、降伏時の変位は 3mm 前後で試験体間ひび割れは生じていない。PVA 試験体 A-V03，A-V09 につの差異は小さいが、繊維の混入量を標準量とした A-P04，

いても付着割裂ひび割れは生じなかったが、曲げひび割れ

A-V03 の荷重は A-N の荷重をやや上回っており、繊維補の本数が少ないという違いが見られた。

強により降伏時曲げ耐力が上昇したと考えられる。一方、(2)

B シリーズ

繊維の混入量を標準の 3 倍とした A-P12, A-V09 では A-N

すべての試験体で試験体上部に圧縮によるひび割れがの荷重を下回っている。特に A-V09 試験体打設時の欠陥生じている。ひび割れによる損傷は繊維なしの試験体 B-Nによって梁上面の載荷点の付近で支圧破壊が生じており、で最も顕著であり、コンクリートの圧壊により上部の鉄筋鉄筋降伏後の耐力増加が見られない。

が露出する程度であるが、繊維補強試験体では圧壊には達(2)していない。また、B-N のみ主筋近傍の付着割裂ひび割れ

B シリーズB シリーズの試験体では鉄筋降伏後に圧縮側のコンクが生じていた。

リートが圧壊し、耐力が低下する現象が観察された。繊維3.3を混入した試験体においても圧壊が観察されたが、圧壊に鉄筋ひずみ分布の推移を図－6 に示す。

ともなう耐力低下の勾配には差が見られた。
3.2

鉄筋ひずみ分布(1)

最終ひび割れ状況

A シリーズ

試験体 A-N, A-P04, A-V03 では変形角 0.5%（3mm）の時
点で鉄筋の一部が降伏し、1%（6mm）の時点では試験区試験体の最終ひび割れ状況（部材変形角 5%時）を図－5に示す。

間の全域が降伏ひずみに達した。一方、A-P12 では変形角(1)1%時の鉄筋降伏範囲は図中-300～0mm、A-V09 では-200

A シリーズ～0mm の区間で、終局まで降伏しない箇所が見られた。

繊維なしの試験体 A-N では試験区間にほぼ 100mm 間隔で材軸に直交する方向に曲げひび割れが生じている。また、 A-P12, A-V09 はひび割れが発生した範囲が狭く（図－5(c),(e)）、変形が局所的であったと考えられる。

主筋の近傍に付着割裂と考えられる複数の細かいひび割

2-4淺沼組技術研究報告

4.0試験区間

載荷点

載荷点

2.0

1.0

1.0-200-1000100

200300

4.0

1.0

1.0

鉄筋ひずみ (×10-3)-200-1000100

2003004.0-100100

2003001.0

1.0-1000100-200-1000100

200

300

0.125%
0.25%
0.5%
1.0%
1.5%
2%
3%
4%
5%
鉄筋降伏
ひずみ

B-P12

3.0
2.0-200

B-P04

0.0-300

2.0

200

300

4.0

0.0-300

-200

-100

0

100

200

300

4.0A-V03

3.0

B-V03

3.0

2.0

2.0

1.0

1.0-200-1000100200

300

0.0-300-200-1000100

200

300

4.0

4.0A-V09

3.0

2.0

1.01.0-200-1000100

200B-V09

3.02.03000.0-300-200-100

計測位置 (mm)0100

200300

計測位置 (mm)

図－6(2)

04.0A-P12

3.00.0-300-200

3.02.00.0-300

試験体
変形角0.0-300

2.00.0-300

B-N

4.0A-P04

3.00.0-300

載荷点

3.0

2.00.0-300

試験区間

載荷点

4.0A-N

3.0No.27(2015)

鉄筋ひずみ分布B シリーズた。終局は圧縮縁のコンクリートひずみが 0.3%に達した

試験体 B-N は A-N と比較して鉄筋のひずみは小さい。

時点とし、実験値のコンクリートひずみは曲率と鉄筋ひず

特に降伏ひずみに達した範囲は限定的であり、中央からみから求めた。強度の算定に際し、ひび割れ後のコンクリ-100mm の位置の鉄筋ひずみが小さい。この箇所は梁上部ートの引張応力は 0 と仮定し、圧縮側鉄筋は無視、終局時コンクリートの圧壊が著しく、圧壊により中立軸が下方ににおけるコンクリートの応力分布は ACI ストレスブロッ移動し、鉄筋ひずみが増加しなかったと考えられる。

ク法によった。また、材料の強度・ヤング係数は表－3 の繊維補強試験体では B-P04, B-P12, B-V09 の鉄筋ひずみ

材料試験値を用いた。ただし、コンクリートの引張強度はが B-N と比較して大きくなっている。これらの試験体では圧縮強度より算定した値を用いた。

梁上部コンクリートに圧縮によるひび割れが生じた後も(1)

A シリーズ

急激な耐力低下は生じておらず、圧縮力の負担能力を保持繊維を混入していない試験体 A-N では、鉄筋降伏以前していた。試験体 B-V03 で他の繊維補強試験体と比べてやの剛性はひび割れ後剛性とほぼ一致している。繊維を混入や鉄筋ひずみが小さい。特に中央のひずみは小さく降伏ひした試験体の初期剛性は計算値とほぼ等しく、ひび割れ荷ずみに達しなかった。B-V03 では中央部の圧縮ひび割れの重後はゆるやかに剛性が低下している。剛性低下の程度は程度がやや大きく（図－5(i)）、B-N と同様に中立軸が下A-P12, A-V09 では小さく、A-P04, A-V03 でやや大きいもの方に移動したと考えられる。の、繊維混入量による傾向が明確であるとはいえない。鉄筋降伏時では、鉄筋による応力伝達の割合が大きいため、４.

考察繊維による傾向が現れにくいためだと考えられるが、定量

4.1

曲げモーメント-曲率関係的な検討が必要である。実験時曲げモーメント-曲率関係

試験体中央部の曲げモーメントと曲率の関係を図－7 にの折れ点の曲げモーメントは、鉄筋降伏時曲げモーメント示す。曲率は左右の載荷点間で一定と仮定し，載荷点に対の計算値に対して 15~30%程度大きくなっているが、圧縮する中央の相対変位から算定した。

側鉄筋の影響と考えられる。

図中には，実験値として鉄筋降伏および終局時の点を、計算値としてひび割れ荷重、鉄筋降伏、終局時の点を示し(2)B シリーズ

繊維なしの試験体 B-N では、ひび割れ荷重後から最大荷2-5淺沼組技術研究報告12

曲げモーメント (kNm)

10(2) 鉄筋量の多い試験体では、繊維の混入により、圧壊時降伏 (V09) 降伏 (P04) 降伏 (V03)
降伏 (P12)の耐力低下を抑制することができた。
(3) 繊維を混入した試験体では付着割裂ひび割れが減少した。

86降伏 (N)4
鉄筋降伏（計算値）

2

ひび割れ（計算値）

今後の課題として、PP 繊維補強コンクリートの材料モ

A-N
A-P04
A-V03
A-P12
A-V09
計算値

デル、PP 繊維補強 RC 部材の解析モデルに関する検討を行っていく。

[謝辞]

00.00

0.02

0.04

0.06

0.080.10

本研究は京都大学工学研究科建築学専攻環境材料学研

曲率 (1/m)

曲げモーメント (kNm)

No.27(2015)

究室にて金子佳生教授および佐藤裕一助教の指導の下に30降伏 (P04)
降伏 (V09) 降伏 (N)25行われたものである。実験の実施にあたっては研究室の学生各位に協力をいただいた。また、本実験に使用した PP

20

繊維は萩原工業株式会社より、PVA 繊維は株式会社クラレ

終局（計算値）
鉄筋降伏（計算値）
降伏 (P12)1510500.00

より、高性能 AE 減水剤は株式会社フローリックより提供

B-N
B-P04
降伏 (V03)
B-V03
降伏
ひび割れ（計算値）
0.05

0.10

0.150.20

いただいた。関係各所に感謝の意を表する。

B-P12
B-V09
計算値
終局

[参考文献]
1) 日本コンクリート工学会：繊維補強セメント系複合材

0.25

0.30

0.35

0.40

料の新しい利用に関するシンポジウム，委員会報告書，

曲率 (1/m)

図－7

2012

曲げモーメント-曲率関係

2) 十河茂幸，早川光敬，室賀陽一郎：コンクリート用ポ
リプロピレン短繊維の JIS 概要，コンクリート工学，重までの曲げモーメント-曲率関係はおおむね計算値と一Vol.53，No.10，pp.861-866，2015.10

致した。繊維を混入した試験体では B-P12 を除いてひび割

3) 藤中英生，三井健郎，米沢敏男，古平章夫：ポリプロ

れ荷重付近の剛性は B-N と比較して高いものの、その後のピレン繊維を混入した高強度 RC 柱の耐火性能，日本剛性低下は大きく、ピーク時の割線剛性や曲げモーメント

火災学会論文集，Vol.54，No.1，2004に大きな差は見られなかった。B-N の耐力は曲率 0.08(1/m)

4) 森田武，別府万寿博，鈴木誠：高速衝突を受けるポリ以降 50%まで大きく低下するが、繊維補強の試験体の耐力

プロピレン短繊維補強コンクリートの耐衝撃性能，日低下は 80%程度までに抑えられ、圧壊による耐力低下を抑

本建築学会構造系論文集，第 78 巻，第 684 号，pp.319-327，制する効果が確認された。実験値の終局時曲率はいずれも2013.2

計算値を下回っているが、最大耐力時の曲率は計算値の終5) 山本基由，六郷恵哲：曲げおよび引張試験によるポリ局曲率に対して、B-N，B-P12 でほぼ同等、B-P04, B-V03,プロピレン繊維補強モルタルの繊維補強効果の評価，

B-V09 で 2 倍程度となっており、B-P12 以外では繊維によ

コンクリート工学年次論文集，Vol.28，No.1，pp.359-364，

り靱性が向上したと考えられる。

20066) 川又篤，高橋貴蔵，堀越哲郎，松岡茂：繊維補強セメ

５.

まとめント系複合材料の基礎性状に関する実験的研究，コン疎水性の PP 短繊維を混入した RC 梁の曲げ補強効果に

クリート工学年次論文集，Vol.28，No.1，pp.389-394，

ついて、通常のコンクリートおよび親水性の PVA 短繊維

2006を混入したコンクリートとの比較実験を行った。実験の結7) 薫賀祥，西村正，関博：合成短繊維の付着特性が補強果、以下の事項を確認した。

コンクリートの曲げ特性に与える影響に関する研究，(1) 鉄筋量の少ない試験体では、PP, PVA いずれの繊維の混コンクリート工学論文集，第 20 巻，第 1 号，pp.1-13，

入によっても曲げひび割れ発生後の剛性低下を抑制す2009ることができた。

2-6