アラミド FRP 緊張材の付着定着性能に関する実験的研究

アラミドＦＲＰ緊張材の付着定着性能に関する実験的研究
Experimental Study on Anchoring and Bond Properties of Aramid FRP Tendon
三加崇

TAKASHI SANGA

竹山

忠臣

TADAOMI TAKEYAMA有川直貴

NAOKI ARIKAWA浅井洋

HIROSHI ASAI

アラミド FRP ロッドは，引張強度が高く腐食しないことから，補強筋や PC 緊張材などで使用されている。
アラミド FRP ロッドの形状は，表面にワインディングを施した異形状と編みこんだ組紐状があり，アラミド FRP 緊張材としては，著者らは異形状を中心に検討してきた。本研究では，少ない本数で高張力とすることを目的として，4 本を束ねた組紐状のアラミド FRP ロッドを用いたアラミド FRP 緊張材を開発した。引張試験により，保証耐力を満足する付着定着性能を有することを確認した。また，アラミド FRP ロッドのすべり量と平均付着応力度は，4 本と 1 本では同じ傾向であった。
キーワード：アラミド FPR ロッド，付着応力度，定着長，緊張FRP rods made of Aramid fiber have characterislics of high tensile strength and non-corrosion, and are used forreinforcements or PC tendons. These Aramid FRP rods have two types that are winding form and braided form.
Bundled cable which consists of four braided Aramid FRP rods was developed for the purpose of higher tensile
capacity. The results of tensile tests showed that the developed bundled cable had adhesion anchorage performancesatisfying with required tensile capacity as pretensioned tendons. The bundled cable has the same performance in therelation of sliding displacement and mean adhesive stress as single rod.
Key Words: Aramid FRP Rod, Bond Stress, Anchoring Length,Tendon

１．はじめに材料として棒状に加工してリブを設置したり，編み込んで組紐状に加工したりして鉄筋の代替品として使用してコンクリート構造物が劣化する要因のひとつとして塩いる（以下，アラミド FRP ロッドと称す）。また，アラ害がある。海浜に近い構造物や寒冷地で凍結防止剤が散ミド繊維は，高い引張強度を有していることから，緊張布される構造物では，コンクリート中の塩化物イオン濃材としても利用されている。アラミド FRP ロッドは，度が上昇し，鉄筋が腐食しやすくなる。鉄筋の腐食はかPC 鋼線のようなくさび定着方式では，くさび内面の刃ぶりコンクリートの剥落を引き起こし，構造部が加速度がアラミド FRP ロッド表面に噛み込むことによって繊維的に劣化する。著しい劣化の場合には鉄筋の破断に伴いが破断して定着効率が低下するため，無収縮モルタルや耐荷力が低下して落橋が懸念される。新設の構造物でエポキシ樹脂によって付着定着する方法が用いられていは，かぶりコンクリートを厚くして鉄筋位置の塩化物イる。アラミド FRP ロッドには，直線配置したアラミド繊オン濃度の上昇速度を抑制する方法やエポキシ塗装鉄筋維の周りに図 -1(a) に示すような同種のアラミド繊維でやステンレスの使用により鋼材の腐食を抑制する方法が凹凸を設けた異形状と図 -1(b) のアラミド繊維を編みことられている。しかしながら，コンクリートにひび割れんだ組紐状のアラミド FRP ロッドがある 1) 。リブ付のアが生じたり，塗装被膜が損傷したりするなど完全に鉄筋

ラミド FRP ロッドでは，すでにφ 7.4mm のロッドを緊張が腐食しないわけではない。このような問題に対処する材として使用した実績はあるが，組紐状のアラミド FRP方法の一つとして，高性能繊維に樹脂を含浸して成型しロッドを緊張材として使用した実績は少ない。異形状のた連続繊維補強材が開発され使用されてきた。アラミド

アラミド FRP ロッドを用いたアラミド FRP 緊張材の直径

繊維は高性能繊維の一つであり，塩害の影響を受けないはφ 7.4mm と比較的小さく，多くのロッドを付着定着し127

三井住友建設技術開発センター報告

第 12 号

表 -2

試験体種

試験体種類

(b) 組 紐 状(a) 異形状
図-1

No.1

No.2
15.7

アラミドロッド

アラミドロッド形状

公称直径(mm)

15.7

本数

（本）

14

公称断面積 (mm2)193772保証耐力(kN)

225

900

外径(mm)

48.6

95

厚さ(mm)

818

断面積(mm2) 1020.44354.2

材質

S45C

S45CH

定着体

(a) 異形状
写真-1(b) 組紐状
アラミドロッド

無収縮モルタル
直径(mm)32.659.0

断面積(mm2)

641.7

1962.0表-1

組紐状アラミドロッドの材料特性

公称直径(mm)

2.7

5.7

7.89.31113.715.77.88

公称断面積

(mm2)

5.7

25.547.8

67.995147

19348.8

No.1の定着体構造を図 -2(a) ，No.2の定着体構造を単位重量(g/m)

6.432588411517322662

図 -2(b) に示す。No.1アラミド FRP 緊張材の定着体は，保証耐力(kN)

7.832608511217222581.4

弾性係数(kN/mm2)

組紐状

異形状

φ 48.6mm ，厚さ 8mm ，全長720mmで材質は S45C で46.0ある。No.2のアラミド FRP 緊張材の定着体は，φ 95mm ，厚さ 18mm ，全長720mmで材質がS45CHであて大容量化を図ることが困難であった。本研究では，φる。定着体は，図-3に示すように，アラミド FRP ロッド

15.7mm 組紐状のアラミド FRP ロッドの定着に無収縮モを鋼管内の所定の位置に配置し，無収縮モルタルを充填ルタルで付着定着した定着体を使用し，緊張材として用して一体化した構造である。

いるための引張試験を行って定着性能を確認した。

（３）載荷方法

２．試験方法

図-4に載荷方法を示す。試験体は載荷フレーム内を通して片側には荷重計を配置し，他端には油圧ジャッキを（１）アラミド FRP ロッド配置している。付着定着体の鋼製鋼管の外周にはネジ加アラミド FRP ロッドは異形状と組紐状の 2 種類の形状工が施されており，試験体両端でナット定着している。

がある。異形状アラミド FRP ロッドは，ロッド軸方向に載荷方法は，油圧ジャッキで押し広げてアラミド FRP並行に配置したアラミド繊維を引き揃え，ビニルエステ緊張材に引張力を与える方法である。平均載荷速度

ル樹脂で固着した上にアラミド繊維を 2 層に巻き付けて40kN/minの単調載荷であり，アラミド FRP 緊張材が破断異形化したものである。組紐状アラミド FRP ロッドは，するまで載荷した。引張試験では，引張荷重とアラミド軸方向に引き揃えた繊維束に樹脂を含浸し，これを組紐FRP ロッドが定着体から抜け出す量の他に図-5に示す鋼状に編み込みながら固着したものであり，本体繊維によ管表面に 50mm 間隔でひずみゲージを設置して定着体のって異形化されている。

φ48.6

720.0
705.0

15.0

φ20.0

的として表面には硅砂を付着させている。組紐状アラミ
ド FRP ロッドの材料特性を表-1に示す。

(a)No.1 （アラミドロッド 1 本）
720.0
700.0

20.0
φ95.0

φ95.0

φ48.6

的として，公称直径 15.7mm ，保証耐力 225kN の組紐状
アラミド FRP ロッドを対象とした。付着性状の向上を目（２）試験体

φ59.0

アラミド FRP 緊張材を表-2に示す。試験体は 2 種類で，No.1はアラミド FRP ロッド 1 本に付着定着体を取り鋼管(b)No.2 （アラミドロッド 4 本）
図-2 定着体付けた試験体である。No.2はアラミド FRP ロッド 4 本を束ね， 4 本に 1 対の付着定着体を取り付けた試験体である。

無収縮モルタル アラミドロッド

図-3

282定着体構造

M48.0-P3は，少ない本数で高いプレストレスを導入することを目φ32.6

ひずみを測定した。

アラミド FRP 緊張材に使用するアラミド FRP ロッド

M90.0-P6

68.6

φ59.0

形状

アラミド FRP 緊張材の付着定着性能に関する実験的研究

３．試験結果ロッドと無収縮モルタルの間の付着が切れて滑り出し，50mm 位置では一体として挙動せずアラミド FRP ロッド（１）引張耐力が負担する荷重の割合が大きくなり，鋼管が負担する割試験体No.1（アラミド FRP ロッド 1 本）の最大引張力合が減少するためにひずみの増加が小さくなったためでは 274kN であり，保証耐力 225kN に対して 1.22 倍の張力ある。負担が増加したアラミド FRP ロッドの引張荷重であった。破壊はアラミド FRP ロッドの破断であり，定は，さらに後部でモルタルおよび鋼管に伝達される。載着体先端で生じた。試験体No.2（アラミド FRP ロッド 4荷荷重の増加に従い，鋼管ひずみが合成断面計算値から本）の最大引張力は 978kN であり，保証耐力 900kN に対乖離する現象が定着体後部に進展する。この現象は，破して 1.09 倍の張力であった。破壊は，アラミド FRP ロッ断前には定着体先端から500mmに達している。

ドの破断であり， 4 本のロッドがすべて破断した（写図-6の関係を各載荷荷重における定着体鋼管先端から真-2）。 1 本および 4 本を束ねたアラミド FRP 緊張材の距離と鋼管ひずみの関係で表したものが図-7である。

は，本定着構造によって保証耐力以上の引張力を保持で定着体は先端から650mmにおいてナットで定着されている。その前面では鋼管とモルタル，アラミド FRP ロッきることが示された。

ドが載荷荷重を一体で受け持っており，その計算値を700mmに表示した。この値は，図-6において破線に対応（２）鋼管ひずみ載荷荷重と鋼管先端（アラミド FRP ロッド緊張側）かする計算値である。各載荷荷重において鋼管のひずみ分らの距離に応じた鋼管ひずみの関係を図-6に示す。鋼管布は先端に近い部分でひずみが小さく，先端からの距離と無収縮モルタルおよびアラミド FRP ロッドが合成断面が長くなるに連れてひずみが増加する。合成断面計算値

として一体で挙動している場合の関係を破線で示す。載に達するとひずみが一定になり，一体となって荷重を負荷開始直後はすべての測定点のひずみは破線と一致して担していると考えられる。図-6で鋼管ひずみが計算値かいるが，引張荷重が増加するにつれて定着体先端のひずら乖離する傾向が，載荷荷重が増加するに連れて合成断みから増加が少なくなり順次破線と離れる傾向を示して面計算値に達するまでの長さが長くなる傾向として再度いる。これは，引張荷重が作用し始めた初期の段階で確認される。ここで着目されるのは，計算値に達するまは，アラミド FRP ロッドと無収縮モルタルの間の付着がでのひずみの増加割合である。載荷荷重が増加しても鋼健全であり，アラミド FRP ロッドの引張力は合成断面で管のひずみの増加割合はおおむね同じであり，アラミド受け持たれ，先端から 50mm 位置の鋼管ひずみも比例しFRP ロッドからモルタル，さらには鋼管に伝達される荷て増加する。さらに引張荷重が増加するとアラミド FRP

300250荷重計

載荷荷重(kN)

油圧ジャッキ

定着体用ナット

定着体

載荷フレーム緊張側

ひずみゲージ図-4アラミドロッド定着体

9 @ 5 0 = 4 50

10050

固定側

鋼管・無収縮モルタル・アラミドロッドの合成断面の場合

0070

1000

計測位置

200400600
800
鋼管ひずみ(μ）

1000

1200(a)No.1 （アラミドロッド 1 本）

抜け出し量

800
載荷荷重(kN)

図-550mm
100mm
150mm
200mm
250mm
300mm
350mm
400mm
450mm
500mm

150

定着体用ナット載荷装置図200

20050mm
100mm
150mm
200mm
250mm
300mm
350mm
400mm
450mm
500mm

600

400

200

鋼管・無収縮モルタル・
アラミドロッドの合成断面の場合

00200

400

600
800
鋼管ひずみ(μ）

1000

1200(b)No.2 （アラミドロッド 4 本）
写真-2

図-6

アラミドロッド破断状況

3鋼管ひずみ29

三井住友建設技術開発センター報告

第 12 号重が同じであることを意味している。試験では鋼管とモ定着体の区間 xi ～ x j の平均付着応力度は，アラミドルタルとの間ですべりが生じていないことから，アラミFRP ロッドに作用している張力を表面積で除した値とし

ド FRP ロッドとモルタルとの付着応力度はアラミド FRPて式 (3) により算出した。

ロッドに作用する応力度によらず一定の値であると考えられる。

ij

xi , P

fxj,Pf（３）平均付着応力度
載荷荷重と鋼管ひずみからアラミド FRP ロッドとモルタルとの平均付着応力度を算出する

2)

ここに，

nf

f

xj

xi

(3)

：アラミド FRP ロッド公称直径fnf。アラミド FRP ロ

E f Af：アラミド FRP ロッド本数

ッドに作用する張力は，載荷荷重から鋼管とモルタルがまた，定着体先端からの距離 xi におけるアラミド負担する荷重を差し引いた値であり式 (1) で算出される。また，そのときのアラミド FRP ロッドひずみは式

FRP ロッドの移動量は，定着体後端から xi までの鋼管(2) で算出される。とアラミド FRP ロッドのひずみ差の総和であり，式 (4)で算出される。

Pf x, PPx, PfAs Es

Pf x, PAm Emx, P(1)

Ls xi , PAf E f

≒

(2)xi

ここに， Pf x, P ：載荷荷重 P における定着体先端Lここに，から距離 x のアラミド FRP ロッドの張力x(4)：定着体の長さ本で発生している平均応力度の範囲内であった。
No.1とNo.2の移動量に対する平均付着応力度の全測定区間の平均との関係を図-9に示す。移動量と平均付着応力度の関係は， 0.4mm 程度まで直線的に増加し，その後は移動量増加に対して平均付着応力度は緩やかに増加する傾向であった。 1 本と 4 本では，ほぼ同じ傾向が見られることから， 4 本の配置の場合では，アラミド FRP ロ：アラミド FRP ロッドの断面積ッドの全表面積で付着応力が発生していると考えられ：アラミド FRP ロッドの弾性係数

る。 1 本と 4 本の移動量と平均付着応力度との関係か
1200
0.1Pu
0.2Pu
0.3Pu
0.4Pu
0.5Pu
0.6Pu
0.7Pu
0.8Pu
0.9Pu
1.0Pu
1.1Pu

1000200800
600
400
200000100200300
400
先端からの距離(mm)500(a)No.1 （アラミドロッド 1 本）

30xi , P

4 本の場合は 7.9N/mm2 ～ 9.2N/mm2 の範囲であり， 1

鋼管ひずみ(μ）

鋼管ひずみ(μ）

400

xi , P

動量に対して 7.1N/mm2 ～ 10.4N/mm2 の範囲であった。

0.1Pu
0.2Pu
0.3Pu
0.4Pu
0.5Pu
0.6Pu
0.7Pu
0.8Pu
0.9Pu
1.0Pu
1.2Pu

600xi , P dxに示す。アラミド FRP ロッド 1 本のNo.1では 1.0mm の移1200

800

fxi , P

FRP ロッドの平均付着応力度と平均移動量の関係を図-8ドのひずみ

1000f

定着体先端からの距離に応じた100mm区間のアラミドx ：定着体先端からの距離
P ：載荷荷重As ：鋼管断面積
Es ：鋼管弾性係数
Am ：無収縮モルタル断面積
Em ：無収縮モルタル弾性係数x, P ：載荷荷重 P における定着体先端から距離 x の鋼管のひずみ：載荷荷重 P における定着体先端
f x, P
から距離 x のアラミド FRP ロッAfEfxi
L600700

図-70

鋼管ひずみ分布4100200300400
先端からの距離(mm)500

600(b)No.2 （アラミドロッド 4 本）

700

アラミド FRP 緊張材の付着定着性能に関する実験的研究

ら，式 (5) のようにモデル化した。移動量に対して平均アラミド FRP 緊張材の張力と付着定着するのに必要な付着応力度の平均となるように設定し，移動量が20.41mm までは，平均付着応力度 2.15N/mm から定着長の関係を図 -11 に示す。保証耐力を定着するため

7.35N/mm2 まで直線的に増加し， 0.41mm から 5.0mm まに必要な定着長は，No.1およびNo.2ともに685mmである

2

では， 5.0mm で平均付着応力度が 9.6N/mm となるバイことが分かった。

リニア型のモデルとした。

13.69 s2.150.38s 7.64

４．アンカー材への適用

0 s ≦ 0.41(5)0.41 s ≦ 5.0

アラミド FRP 緊張材をアンカー材として適用するために，アラミド FRP 緊張材をコンクリート内部に埋め込ん（ 4 ）定着長だ引抜試験を実施した。

定着長は，定着体先端から位置

xi でアラミド FRP ロッドの移動量を極小としたときに発生する平均付着応力（ 1 ）試験体度から，アラミド FRP ロッドに発生する張力を求めて，試験で用いるコンクリートブロックの大きさは，ひずみを算出する。ひずみと xi ～ xi 1の長さの積からxi 1 の移動量を求める。定着体先端まで繰り返し算出し置した。コンクリートブロック上面の中央に，φ110mmて，アラミド FRP ロッドに発生している張力の合計が，で深さ 1,250mm まで削孔して，アラミド FRP ロッドを 4

1.5m×1.5m×1.5m である。鉄筋は D13 を250mm間隔で配定着したい張力と等しくなる xi を定着長とした。

本束ねた定着体付きアラミド FRP 緊張材を挿入した。挿No.2試験体の載荷荷重 450kN(0.5Pu) と 900kN(1.0Pu ）における鋼管ひずみ分布の計算値と実験値を図 -10 に示

14.0す。計算値は，式 (5) を用いてアラミド FRP 緊張材に作

12.0
平均付着応力度(N/mm2)用している張力から定着体先端から位置 xi に発生している張力の差が定着体に作用している力で，鋼管と無収縮モルタルの合成断面としてひずみを算出した。計算結
果と実験結果のひずみ分布は，比較的良く一致している

No.2

10.08.06.0

式（５）
No.1

4.02.0

ことから，本構造の平均付着応力度と移動量の関係は，0.0適切に設定されていると考えられる。

0.01.0図-914.0

2.0
3.0
移動量(mm)4.0

5.0

平均付着応力度と移動量のモデル化

1200
載荷荷重900kNの計算値
1000
載荷荷重900kNの実験値

10.0
鋼管ひずみ(μ）

2

平均付着応力度(N/mm )

12.0

8.0
6.00mm-100mm
100mm-200mm
200mm-300mm
300mm-400mm
400mm-500mm

4.02.0800
600400
載荷荷重450kNの実験値
2000.0載荷荷重450kNの計算値

00.0

1.0

2.0

3.0

4.0
5.0
移動量(mm)6.0

7.00

8.0(a)No.1 （アラミドロッド 1 本）

100

図 -1014.0200300400500先端からの距離(mm)

600

700

800

鋼管ひずみの実験値と計算値

12.0

900

10.0

800

8.0

アラミドロッド張力(kN)

平均付着応力度(N/mm2)

1000

0mm-100mm
100mm-200mm

6.0

200mm-300mm
4.0

300mm-400mm
400mm-500mm

2.0
0.0

No.2（保証耐力900kN)

700
600
500
400No.1（保証耐力225kN)

300
2001000.0

1.0

2.0

3.0

4.0
5.0
移動量(mm)6.0

7.0

8.0685mm00(b)No.2 （アラミドロッド 4 本）
図-8 平均付着応力度と移動量の関係100

図 -115200300

400500定着長さ(mm)

600700800

アラミドロッド張力と定着長の関係
31三井住友建設技術開発センター報告

第 12 号1200

填した。定着体は，φ 95mm ，厚さ 18mm ，で材質が1000

S45CHの鋼管を使用した。アンカー側の定着体の長さは800

載荷荷重(kN)

入後に，無収縮モルタルを定着体から250mm高さまで充650mmとし，載荷側の定着体は，アンカー側の引抜荷重より高い荷重を保持する目的で全長 1,000mm とした。

引張試験のアラミドロッド抜け出し量と自由長350mmの弾性変形量の合計

600400載荷試験（２）試験方法

200

試験方法を図 -12 に示す。反力をとるために載荷フレ00ームを設置して， 1,600kN の油圧ジャッキを用いて載荷した。載荷手順は，アラミド FRP 緊張材に作用する張力5

図 -13の変動による影響を確認するために，保証耐力の 0.7Pu1015アラミドロッド移動量(mm)20

載荷荷重とアラミドロッド移動量の関係（ 630kN ）までを 3 回繰り返した。その後，破壊まで実施した。計測は，コンクリートのひずみおよびコンクリート表面位置でのアラミド FRP ロッドの移動量を測定しが 3 本破断した。最大荷重においてコンクリートブロッた。

クに損傷は見られず，引張試験結果を反映した移動量と引抜試験結果による移動量が同等であったことから，定着体の抜け出しはなく，アラミド FRP ロッドの付着によ（３）試験結果って保持されていた。本定着方法で保証耐力以上の荷重載荷試験は，削孔箇所に充填した無収縮モルタルが材2齢13日（圧縮強度 74.2N/mm ）で実施した。

を定着できることが明らかとなった。

載荷荷重とコンクリート上面におけるアラミド FRP ロ

５．まとめッドの移動量との関係を図 -13 に示す。引張試験のアラミド FRP ロッドの抜け出し量と自由長350mmの弾性変形量を加算した移動量を併せて示した。 0.7Pu （630kN)で本実験によって以下の知見が得られた。

3 回繰り返した場合，抜け出し量が極端に大きくなって①1 本および 4 本のアラミド FRP ロッドを束ねたアおらず，繰り返しによる抜け出しの影響はなかった。最ラミド FRP 緊張材は，本定着構造では保証耐力以上大荷重は， 1,004kN でアンカー側のアラミド FRP ロッドの引張力を保持できる定着性能であった。
②載荷側定着体関係は， 1 本と 4 本束ねた場合で同じ傾向を示して載荷ジャッキおり， 4 本の場合でも，アラミド FRP ロッドの全表荷重計載荷フレーム

アラミド FRP ロッドの移動量と平均付着応力度の面積で付着応力が発生していると考えられる。
1500③造における定着体の長さは， 1 本および 4 本束ねた

250
350

アラミド FRP ロッドの場合，同じ長さで685mmであ変位計った。

アラミドロッド
6501500

アラミド FRP 緊張材の保証耐力に必要な本定着構④無収縮モルタル
0015

固定側定着体250110合，本定着構造であれば， 0.7Pu が繰り返し作用しコンクリートても抜け出しが大きくなる傾向はなく，アラミド(a) 側面

FRP ロッドの付着によって保証耐力を定着できるこ(b) 平面図

アラミドロッドとが分かった。
無収縮モルタル95110

無収縮モルタル

図

アラミド FRP 緊張材をアンカーとして使用する場

定着体

参考文献1 ）土木学会：コンクリートライブラリー88

コンクリート

補強材を用いたコンクリート構造物の設計・施工指(c) 固定側断面図

針（案）， pp.249 ～ pp.294

32

連続繊維6