コンクリート工学年次論文集，Vol.28，No.1，2006

論文

高靱性セメント複合材料のひび割れ分散性に関する基礎実験
平石剛紀*1・坂田昇*2・渡嘉敷勝*3・長束 勇*4

要旨：農業水路の補修材料には，補修後の水密性を確保するため，目地部やひび割れ部の開口幅の変動に伴うひび割れ追従性が必要となる。本研究では，この目地部およびひび割れ部の開口幅の変動を模擬したゼロスパン引張試験を考案し，ひび割れ分散性に優れる高靱性セメント複合材料（ECC）の適用性について検討した。その結果，ECC は，ゼロスパンにおける引張応力下においても，複数微細ひび割れを形成することがわかった。また，ひび割れ部に無付着領域を設けることで，ECC のひび割れ幅を抑制できることを明らかにした。
キーワード：補修，ゼロスパン，繊維補強，ひび割れ幅，目地，漏水
1. はじめにび割れ部の開口幅の変動に追従する，いわゆる農業水利施設のストックは膨大であり，水路構造物に限定しても，現在までに総延長ゼロスパンでのひび割れ追従性が求められると考えられる。

40,000km 程度の水路が構築されている。しかし，一方で，近年，研究が進められている高靱性

近年では，建設後の時間経過に伴い徐々に老朽セメント複合材料（以下，ECC）2)は，優れた変化し，補修・補強を必要とする構造物も多い 1）。

形性能とひび割れ分散性能を有する材料である

特に，老朽化した農業用水路においては，構造（写真－３）。したがって，ECC は，ゼロスパン物の性質上，写真－１に示すような目地部やひでの引張応力が作用する環境においても，ひびび割れ部からの漏水防止対策が重要となる。

割れ分散性が期待できると考えられるが，ECC従来，これら農業用水路の補修には，一般に耐久性に優れるとされるセメント系補修材料がを用いたゼロスパンにおけるひび割れ分散性を検討した研究は少ないのが現状である。

用いられている。しかしながら，補修後早期に，そこで，本研究では，農業用水路の目地部お既設コンクリートの目地部またはひび割れ部によびひび割れ部の開口幅の変動を模擬したゼロ

大きなひび割れが発生し（写真－２），ひび割れからの漏水により水路の機能が低下するケースが多い。これは，温度変化などによって生じる目地部やひび割れ部の開口幅の変動に，補修材料が追従できないためと考えられる。したがって，農業用水路の補修材料には，目地部やひ

写真－１

目地損傷部からの漏水

写真－２

目地補修部に発生したひび割れ*1 鹿島建設（株）

技術研究所土木構造・材料グループ*2 鹿島建設（株）

技術研究所土木構造・材料グループチーフ兼上席研究員*3 （独）農業工学研究所

造構部(正会員)

施設機能研究室主任研究員 (正会員)*4 島根大学 生物資源科学部地域開発科学科教授

農博-347-

工博 (正会員)

引張力

スパン引張試験を考案し，ECC のゼロスパン引張応力下でのひび割れ分散性について検討した。
なお，実験は，ECC とポリマーセメントモルタ

切り欠きル（以下，PCM）との比較を行った実験（以下，シリーズ 1），試験方法に改良を加え ECC のみを対象とした実験（以下，シリーズ 2）の 2 段階に分けて実施した。
2. シリーズ 1

写真－３

ECC の優れたひび割れ分散性

2.1 実験概要表－１

使用材料（吹付け補修材料）（1）使用材料

補修材料

水ﾌﾟﾚﾐｯｸｽ材料比 単位水量(%)(kg/m3）

使用繊維

母材には，水セメント比 50％，セメント砂比

ECC

20.5330

PVA繊維；2.0vol%

1：3 のモルタルを使用した。補修材料には，表PCM

14.5247

PVA繊維；0.15vol%－１に示す吹付けタイプの ECC および PCM の 212010 15種類を使用した。なお，ECC，PCM ともに市販されているプレミックス材料である。ここで，補修材料

ECC に使用されている繊維は長さ 12mm，径変位計

3300.04mm,引張強度 1600Mpa の PVA 繊維である。

母材
モルタル

（2）試験体形状および作製方法
図－１にシリーズ 1 で実施したゼロスパン引

模擬ひび割れ張試験の概要を示す。母材モルタルは，打設後 7日間 20℃水中の条件で養生を行い，表面をワイ60

ヤブラシにて目粗しした。補修材料は，厚さを正面図10mm とし，母材モルタルの片面の半分に吹付け

図－１た。補修材料吹付け後，20℃水中で養生を行い，シリーズ 1 の試験概要

ECC
PCM

1000
荷重（N）

料未施工部にコンクリートカッターを用いて切23 日において実施した。

側面図

1200

既設コンクリートのひび割れを模擬し，補修材り欠きを導入した。試験は，補修材料の材齢が(mm)（3）試験方法および測定項目

800
600
400200シリーズ 1 では，モルタル板をピン-固定の支00.0

持条件で治具に固定し，図－１に示す矢印方向に 0.5mm/分の変位制御で引張力を作用すること
で，母材モルタルに設けた模擬ひび割れを開口

図－２1.02.03.0
模擬ひび割れ幅開口変位（mm）

4.0

荷重-模擬ひび割れ幅開口変位の関係させた。載荷中，図－１に示す計 4 箇所で，検長 60mm のパイ型変位計によりひずみを計測す位の関係を図－２に示す。PCM のケースでは，るとともに，補修材料表面でひび割れの観察を初期ひび割れ発生後に応力が低下し，そのまま行った。

破断した。一方，ECC のケースでは，初期ひび2.2 実験結果および考察

割れ発生後，一旦応力が低下したものの，その荷重と模擬ひび割れ開口部で計測した開口変後再度荷重が増加する傾向を示した。目視観察-348-

の結果，PCM では破断箇所以外のひび割れは確A面B面20

認されなかったが，ECC では模擬ひび割れ付近において，目視できるひび割れが破断箇所以外ることが確認された。
しかし，シリーズ 1 では，補修材を片面にの80

パン条件においてもひび割れ分散効果が得られ無付着領域変位計検長区間604に 3 本発生していた。これより，ECC はゼロス30

み施工したため，表面と裏面で断面の剛性が異なり，ひび割れの開口に伴い試験体に曲げが生じた。水路構造物におけるひび割れの開口は，

60

模擬ひび割れ引張作用によるものと考えられる。そこで，シ3015リーズ 2 では，ECC のみを対象とし，母材モル

図－３(mm)シリーズ 2 の試験概要

タル両面に ECC を配置するとともに，試験体中心に載荷するよう試験方法を改良し実験を実施

25，50mm（以下，case0，case25，case50）としすることとした。

た 3 ケースについて各 2 体試験体を作製し実験を行った。なお，ECC 施工前にモルタル面にフ3. シリーズ 2

ィルムを貼ることで，無付着領域を設けた。

3.1 実験概要（3）試験方法および測定項目シリーズ 2 では，モルタル板をピン-ピンの支（1）使用材料
シリーズ 1 と同様に，母材には水セメント比持条件で治具に固定し，図－３に示す矢印方向50％，セメント砂比 1：3 のモルタルを使用した。に 0.5mm/分の変位制御で引張力を作用すること

なお，母材は D4 鉄筋を配置して補強した。補修で，母材モルタル間の模擬ひび割れを開口させ材料には，表－１に示す ECC を使用した。

た。載荷中，図－３に示す計 4 箇所で，検長 60mm（2）試験体形状および作製方法のパイ型変位計によりひずみを計測するととも

図－３にシリーズ 2 で実施したゼロスパン引に，補修材料表面でひび割れの観察を行った。

張試験の概要を示す。母材モルタルは，打設後 7

また，両面のそれぞれ左右に設置した 2 つの日間 20℃水中の条件で養生を行い，表面をアル変位計の平均値が，1.0％(模擬ひび割れ開口幅でミナブラストにて目粗しした。その後，母材モ0.6mm)となった時点で，ECC 表面に生じたひび

ルタル 2 体を隙間がないよう突合せて固定する割れ本数およびひび割れ幅を計測した。なお，

ことで，既設コンクリートのひび割れ部を模擬

ひび割れ本数および幅の計測は，載荷装置の変し，2 日間に渡り片面ずつ ECC をダンベル型に位を 1.0％で保持したままの状態で，マイクロス吹付けた。ECC の厚さは，実構造物への適用をコープを用いて画像処理により測定した。さら想定して 30mm とした。作製した試験体は，湿に，AB 面いずれかの ECC が破断するまで載荷潤封緘養生にて 20℃の室内で養生を行った。試を続け，破断後速やかに荷重を除荷し，再度マ験材齢は，A 面の ECC の材齢で 30 日である。

イクロスコープを用いてひび割れ発生状況を観なお，ECC 両端部は，模擬ひび割れ近傍の付着察した。に影響のない位置でボルトにより固定した。

3.2 実験結果および考察シリーズ 2 では，母材と ECC の付着が ECC（1）材料試験のひび割れ分散性に及ぼす影響について検討すシリーズ 2 で使用した ECC および ECC と母材るため，模擬ひび割れ部近傍の無付着領域を 0，モルタルの界面の基礎物性を表－２に示す。こ

-349-

表－２

こで，ダンベル型直試験項目
圧縮強度 (N/mm2)
引張強度 (N/mm2)
引張終局ひずみ (%)
ひび割れ幅試験 (mm)

接引張試験は，図－４に示すように ECC単体を，シリーズ 1と同じ載荷条件で試試験方法
JIS A 1108
ダンベル型
直接引張試験
(図-4，本文参照)
二面せん断（4×4×16mm）
建研式引張試験

せん断試験 (N/mm2)

験した結果である。

ECC の硬化物性2

付着強度試験 (N/mm )

A面
46.5
5.3
3.50.1B面
38.0
5.72.1
-

2.3-

2.12-

なお，ひずみ計測区
割れ幅の計測は，計測区間のひずみが1.0 ％ と な っ た 時 点で行った。

図－４

ECC 単体の引張試

直接引張試験方法（ECC 単体）

引張応力（N/mm2 ）7間は 80mm で，ひび654321A面B面0験における引張応力

0-ひずみ曲線の一例を図－５に，1.0％ひずみ時に図－５計測したひび割れの幅の計測結果を図－６に示す。シリーズ 2 に供した ECC は，図－５に示す

1.0 ％ の ひ ず み 時 に お け る 平 均 ひ び 割 れ 幅 は0.058mm であった。

ひび割れ本数（本）お，終局時のひずみは 2.0～3.5％程度であり，ひび割れ総数50本（5体）
平均ひび割れ本数10本
平均ひび割れ幅0.058mm

2015105（2）ゼロスパン引張試験

0

試験方法を改良したシリーズ 2 においても，

0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20ひび割れ幅(mm)

曲げが作用し試験体両面で変位計のひずみに差が生じるケースが確認された。したがって，一234引張ひずみ(%)
引張応力-ひずみ曲線（ECC 単体）

25

ように ECC 特有の擬似ひずみ硬化挙動を示し，引張応力下で複数の微細ひび割れを生じた。な1

図－６ 1.0％ひずみ時のひび割れ幅（ECC 単体）
6

大きなひずみを示した面に対し，他方のひずみ52引張応力(N/mm )方の ECC が破断した際の両面のひずみを比較し，が 1/2 以下の値を示したケースについては，有効な試験結果として扱わないこととした。なお，有効な試験結果が得られたのは各ケース 1 体（ECC としては A 面および B 面の 2 体）であり，以下その結果について示す。

432case0case25
case5010a. 引張応力－ひずみ曲線0

各ケースのうち先に破断した面の引張応力-ひ0.51(0.6mm)

1.52(1.2mm)

2.5

引張ひずみ(%) （ ）内は開口幅

図－７

ずみ曲線を図－７に示す。なお，データは破断引張応力-ひずみ曲線（シリーズ 2）直前までのデータである。全てのケースで，ECC特有の擬似ひずみ硬化型の挙動を示した。また，無付着領域の増加に伴い，破断時ひずみが大き各ケースにおける破断時のひずみは，case0 でくなる傾向を示した。これより，無付着領域を1.29％，case25 で 1.58％，case50 で 2.18％であり，設けることは，目地部やひび割れ部の開口幅の-350-

上下
ひび割れ発生範囲(mm)70

case06050
403020

平均値

100

case250

図－９

無付着領域
図－８

ひずみ計測区間50

ひび割れ発生範囲（試験終了後）

ECC

ひび割れ発生範囲

case5025
無付着領域(mm)母材
モルタル

模擬ひび割れひび割れ図（試験終了後）
図－10 ECC 側面のひび割れ図（case0 終了後）変動に対する追従性を改善する方法として有効

試験終了後のひび割れ発生状況の一例を図－８に，AB 両面で計測した ECC 表面のひび割れ発生範囲を図－９に示す。シリーズ 1 と同様に，ゼロスパン条件である case0 においても，模擬ひ0.08認された。また，無付着領域を設けたケースに120.048
ひび割れ幅
ひび割れ本数0.02

図－11

おけるひび割れは，無付着領域と付着領域の境

160.060.00

び割れ近傍で ECC 特有のひび割れ分散効果が確

20（変位計ひずみ 1.0％，開口幅 0.6mm）025
無付着領域(mm)504

平均ひび割れ本数(本）b. ひび割れ状況とひび割れ発生範囲

平均ひび割れ幅(mm)0.10であると考えられた。

0ひび割れ本数と平均ひび割れ幅

界部に比較的多く発生する傾向が認められた。

c. ひび割れ幅および本数

これは，他の領域に比べ，この境界部分に大きパイ型変位計が 1.0％ひずみに達した時点（模擬ひび割れ開口幅 0.6mm）での ECC に発生したな応力が生じたためと考えられた。
ひび割れ発生範囲は，無付着領域なしの case0

ひび割れ幅とひび割れ本数を図－11 に，ひび割で 20ｍｍ程度であった。case25，case50 においれ幅の分布を図-12 に示す。なお，図－11，図－ても，無付着領域より広い範囲でひび割れが発

12 ともに AB 両面のデータを用いた。図－11 に生した。図－10 に case0 における ECC の側面の示すとおり，無付着領域の増加に伴いひび割れひび割れ図を示すが，ECC のひび割れは，模擬本数は増加し，ひび割れ幅は小さくなる傾向をひび割れを頂点としたおよそ 60°の角度の三角示した。また，図－12 より，ゼロスパン条件で形状にひび割れが分散して発生しており，厚さある case0 では，0.2mm 以上のひび割れ幅が 2 本30mm の ECC 表面では，無付着領域から両側に（AB 面で各 1 本）確認されており，この時点で約 10mm 程度の範囲でひび割れが発生したもの

case0 については，1 本のひび割れが局所的に大と考えられた。

きくなる状況であったと考えられる。一方，-351-

140.14mm 以下であり,そのほとんどが一般の水密12性を確保する場合の許容ひび割れ幅とされる0.1mm3）以下の微細なひび割れであった。
なお，poiseuille の法則から導かれた漏水量とひび割れ幅の関係より，漏水量はひび割れ幅の 3

ひび割れ本数(本）case25，case50 のケースでは，最大ひび割れ幅がcase0case25
case50108（変位計ひずみ 1.0％，開口幅 0.6mm）

642乗に比例することが知られている 3)。そこで，表～0.22～0.20～0.18～0.16ひび割れ幅の分布

表－３ ひび割れ幅の 3 乗の値（AB 面平均値）とを比較した。ECC のひび割れ分散効果により，割れ部の漏水量が低減できることがわかる。

～0.14

図－12

中したと仮定して求めたひび割れ幅の 3 乗の値り（1/15~1/82 程度），ECC を用いることでひび～0.12

ひび割れ幅(mm)

れ幅の 3 乗の総和に対し，ひび割れが 1 本に集

ひび割れ幅の 3 乗の値は大幅に小さくなってお～0.10の値を示す。なお，ECC に生じた，個々のひび割～0.08～0.06～0.04～0.020－３に，各ケースで発生したひび割れ幅の 3 乗①ECCに生じたひび割れから算出②集中ひび割れとして算出②に対する①の比

case0case25

case500.010

0.003

0.002

0.147

0.235

0.115

1/15

1/821/62

4. まとめ本実験で得られた結果を以下に示す。

ECC 施工範囲(1) ゼロスパン条件下での引張試験においても，ECC の特徴であるひび割れ分散効果が得ら目地部れる。この時，ひび割れは，母材のひび割れ位置からおよそ 60°の角度で三角形状に分散する。
(2) 目地部やひび割れ部の開口幅の変動に対す

写真－４

る ECC の追従性を改善する方法として，無付着領域を設けることが有効である。無付着試験施工写真を検証していく予定である。
謝辞

領域を設けることで，より大きな開口幅の変本実験の実施にあたり，金沢工業大学動に対し追従することが可能となり，ひび割平石陽一氏，長岡技術科学大学松崎裕亮氏には，れ開口に伴い生じる ECC のひび割れ幅を抑多大なる協力を頂いた。ここに記して謝意を表制できる。

す。

(3) 補修後，目地部またはひび割れ部が開口した場合でも，ECC を用いることでひび割れが分参考文献散するため，その部分からの漏水量を大幅に

1) 長束ほか：農業水利コンクリート構造物の更低減することができる。

新と維持管理，農業土木学会誌，Vol.70，No.12，

今後は，試験方法の改良を図るとともに，微pp.3-6，2002.12

細ひび割れを生じた ECC の水密性について，自2) 坂田ほか：高靱性繊維補強セメント複合材料

己治癒効果を含め検討を行う予定である。また，の吹付け施工システムの開発，鹿島技術研究

著者らは，写真-4 に示すように供用中の農業用所年報，Vol.50，pp.187-190，2002.9

水路において，目地部を対象とした検証実験も

3) 土木学会：コンクリート標準示方書 2002 年実施している。これについても，継続して性能-352-制定[構造性能照査編]，2002.03