気泡混合軽量土の曲げ強度に関する研究

1.はじめに1.はじめに防災設計工学研究室

小林秀幸

指導教官

海野隆哉

混ぜ合わせスラリー状にしたものに気泡発生装置気泡混合軽量土（以下軽量土）を用いた盛土ので発泡させた動物性蛋白系の気泡を混入するプレ

場合、一軸圧縮強さｑu を基本とし設計しているたフォーム方式で作製した。型枠に打設後、所定のめに圧縮やせん断に対する研究が多くなされてい強度が発現するまで気中養生を行った。

るが、曲げや引張に関する研究事例が少ないのが
表 1 供試体配合 (1m3 当り)当り)

現状である。そこで、本研究では軽量土の梁供試体を作製し、軽量土が有する曲げ強さおよび曲げを受ける部材の力学特性を検証するために、曲げせん断スパン比、寸法効果を考慮した各ケースについて試験を行った。また、軽量土が有する引張強さを調べるため純引張試験も行った。

2.曲げ試験
2.曲げ試験
2-1 試験条件

2‑2

設計強度kPa）（kPa）

固化材(kg）(kg）

粘土(kg））(kg

混練水（kg）kg）

空気量（%）

500

180.0

180.0

297.0

57.8

1000

210.0210.0329.052.3

1500

240.0

240.0

345.048.7

試験方法

図１に大型梁供試体の載荷装置、、図 2 に曲げせん
図１

曲げ試験は以下の 3 種類の供試体について行った。

断スパン比 1.17 の供試体概要図を示す。型枠脱型①大型梁供試体：供試体サイズは長さ 120cm、高後、所定の寸法にメッシュを書いた供試体表面にさ 30cm、奥行き 20cm とした曲げせん断スパン比

ひずみゲージを貼布し、供試体の変位を計測する

1.17 のものと、長さ 170cm、高さ 30cm、奥行き 20cm

ため供試体上部中央に 2 箇所、同様に下部中央、の曲げせん断スパン比 2.0 の 2 種類である。2 点載荷

左右に 2 箇所ずつレーザー変位計を設置した。本とし、試験は全部で 9 ケース行った。

試験では図１
図１に示すように反力フレームにベロフ
図１②中型梁供試体：供試体サイズは長さ 40cm、高さラムシリンダーを据え付け、ロードセルを介して10cm、奥行き 10cm とした曲げせん断スパン比 1.0 で載荷重を与えた。載荷方法は単調 2 点載荷の荷重ある。3 等分点載荷方式とし、試験は全部で 12 ケース制御で載荷速度を約 2N/sec とした。

行った。

本試験では、ロードセル、レーザー変位計、ひ③小型梁供試体：供試体サイズは長さ 16cm、高さずみゲージから得られたデータを静ひずみ測定器4cm 奥行き 4cm とした曲げせん断スパン比 1.25 であにて測定し、1 秒間隔でパソコンに自動記録させる。載荷方法はミハエリス二重てこ型曲げ試験機を使る方法で行った。0.5kN
0.5kN 毎に載荷を中断し、供試用した。単調中央点載荷にて、試験は全部で 53 ケー体の状態を観察した。

ス行った。
①で、曲げせん断スパン比の影響、①、②、③で寸法効果の影響を確かめることを目的とした。
試験に用いた供試体は表表 1 の配合設計に基づいて作製した。気泡モルタルは固化材と粘土、水を反力フレーム
ベロフラムシリンダー

7.0

荷重P(kN)

6.0

ロードセル
定格容量(5kN)
定格容量(5kN)
載荷梁

5.0

Case1
Case2
Case3
Case4
Case5
Case6

4.0
3.02.01.00.0

軽量土供試体0.00.1

0.2
0.30.4
垂直変位δV (mm)0.50.6図 3 荷重－変位関係（ケース 1 ～6 ）
図 1 載荷装置概要図

P/2

P/230cm
100cm20cm

荷重P(kN)35cm

35cm3.53.02.52.01.51.00.50.0

Case7
Case8
Case90.00.1

図 2 供試体概要図

0.20.30.4
垂直変位δV(mm)0.50.6：レーザー変位計

図 4 荷重－変位関係（ケース 7 ～9 ）：ひずみゲージ

この図から荷重増加に伴って各ひずみ（上端・中2-3試験結果

2-3-1.大型梁供試体試験結果
1.大型梁供試体試験結果
図 3 に曲げせん断スパン比が 1.17 であるケース
1〜6 の荷重と垂直変位の関係を示す。各ケースともに荷重が増加するに伴い変位が増加し、弾性変形していることが分かる。荷重の増加に伴い、供試体中央下端よりクラックが発生し、いっきに上部に至る曲げ破壊を確認できた。破壊時の垂直変央・下端）が線形的に増加し破壊に至ったことが分かる。また、ひずみゲージで得た値より逆算して変形係数を求めた。その結果 E=1.5×106kN/m2が得られた。その値を単純はりの最大たわみを求める式に代入したところ、0.3mm という結果を得た。実測値は図 4 より 0.52mm であり、近い値を得ることができたので、ひずみゲージより得た値が概ね合っているといえる。

位は 0.24～0.24～0.48mm と極わずかなものであった。

3.5

図 4 に曲げせん断スパン比が 2.0 であるケース 73と同様に各ケースとも荷重が増加するのに伴い変位が増加した。
曲げせん断スパン比が 1.17 から 2.0になると最大荷重がおよそ 1/2 に減少した。
図 5 にケース 1〜9 を代表して、ケース 9 の供試体表面に発生したひずみを示す。なお図中に示す

2.5荷重P(kN)〜9 の荷重と垂直変位の関係を示す。ケース 1〜621.5上部ひずみ
中部ひずみ
下部ひずみ

10.50-300-200(圧縮圧縮)
圧縮-1000100
ひずみ(με)200300(引張引張)
引張×印は供試体の破壊点を示す。
図 5 荷重－ひずみ関係（ケース 9 ）500
曲げ強さ σ b(kPa)

表 2 実測値と理論値の比較

400Case

最大荷重Pmax(kN)

曲げ強さσb(kPa)

実測値

理論値

δv (mm)δvt (mm)

12.73

184

0.51

0.38

24.51

289

0.40

0.36

36.34

392

0.410.45

43.24
3.2 4

2130.55

0.30

53.46

228

0.190.30

65.56

346

0.36

0.40

70.67

125
12 50.27

0.0981.83

221
22 10.350.37

表 4 に試験結果一覧を示す。一覧に示す結果は93.073240.540.38実験値の平均である。図
図 7 に中型梁供試体の圧縮同様に全てのケースについて調べたものを表
表 2300200

曲げせん断スパン比1.0100

曲げせん断スパン比2.0004008001200
圧縮強さ qu(kPa)1600

図 6 曲げ強さに与える曲げせん断スパン比の影響

4-2.中型梁供試体試験結果
2.中型梁供試体試験結果

強さと曲げ強さの結果の関係を示す。圧縮強さが増加すると曲げ強さが増加し、曲げ強さと圧縮強に示す。
表 3 にケース 1〜9 の全断面有効と仮定して算定した曲げ強さおよび圧縮強さで正規化した強度比さの関係はσσ b=0.17qu+216(1/1.6〜1/3.0程度)で+216ある。

表 4 中型梁供試体試験結果一覧を示す。また、図図 6 に曲げせん断スパン比 1.17 と2.0 の圧縮強さと曲げ強さの関係を示す。本試験結

圧縮強さq u (kPa)最大荷重Pmax(kN)

曲げ強さ※1)σb(kPa)

強度比
σb/q u

果から、圧縮強さが増加する程曲げ強さが増加し、500kPa

5061.093260.640.64

曲げ強さσb と圧縮強さ qu の関係は、曲げせん断

1000kPa

10521.404210.400.40

スパン比 1.17 では、σσb=0.17qu+92(1/2.2〜1/4.0+92

1500kPa

15951.75

5260.330.33程度)であることが分かった。また、曲げせん断ス
パン比 2.0 では、曲げ強さσb と圧縮強さ qu の関今回の試験の範囲では両者に有意差は認められなかったと考えられる。
表 3 試験結果一覧

曲げ強さ σ b(kPa)

係は、σσb=0.25qu-39(1/3.1〜1/3.7程度)であった。
39

600

400

500kPa1000kPa
1500kPa

200Case圧縮強さq u (kPa)

最大荷重
Pmax(kN)

曲げ強さ
σb(kPa)

強度比
σb/q u

1401

2.73

184

0.4621049

4.51289

0.28

31186

6.34

392

0.33

4433

3.24
3.2 4

213

0.49

5662

3.462280.34

破壊時の小型梁供試体の圧縮強さと曲げ強さの

61409

5.563460.25

関係を図
図 8 に示す。圧縮強さが増加すると曲げ強7433

0.67125
12 50.29さが増加し、曲げ強さと圧縮強さの関係はσ8694

1.83221
22 10.32程度)であった。
+47
b=0.05qu+47(1/6.5〜1/13.091213

3.073240.2700600
1200
圧縮強さ qu (kPa)1800

図 7 圧縮強さと曲げ強さの関係2-3-3 小型梁供試体試験結果

曲げ強さ σ b(kPa)150

これまでに曲げせん断スパン比、断面寸法を変100化させたケースについて試験を行い圧縮強さと曲500kPa
1000kPa
1500kPa

50げ強さの関係を検証してきた。しかし、軽量土を対象としてきた研究の中で曲げ強さと同様に重要な引張強さに対しても、いまだ研究された事例が

00600
1200
圧縮強さ qu (kPa)1800

図 8 圧縮強さと曲げ強さの関係少ない。圧縮強さ、曲げ強さ、引張り強さの関連性を検討するため純引張試験を行い、引張強度を求めた。本試験では供試体を 43 体作成し、各配合

2‑4 曲げ試験のまとめとも材齢 7.14.21.28 日における引張強さを求めた。
その結果、引張強さの平均と圧縮強さの関係を示調べるために、横軸に正方形断面に換算した値の平したものを図
図 10 に示す。圧縮強さが増加すると、方根をとったもの、縦軸に曲げ強さをとったものの関曲げ強さ同様に引張り強さも増加傾向を示し、圧係を図
図 9 に示す。図より、小型梁供試体の曲げ強さが縮強さと引張り強さの間には、1/5〜1/13 という結もっとも低い結果となった。寸法効果の観点より、断面果になった。の一番小さい小型梁供試体の曲げ強さが最も卓越すさ〜曲げ強さ、および純引張試験の圧縮強さ〜引ることが予想されたが、今回の結果では定説と反する張り強さの関係から圧縮強さを基準とし、曲げ強結果となった。

さと引張り強さについてまとめたものを図
図 11 に示400す。この結果より引張強さσｔは大型梁供試体の300

曲げ強さσb の 1/1.7〜1/2.2 程度であった。

また、これまでに得られた圧縮強200200

曲げせん断スパン比1.17
曲げせん断スパン比2.04cm×4cm×16cm梁供試体
10cm×10cm×40cm梁供試体

1000051015202530断面積 √a(cm2 )引張強さ σt(kPa)

曲げ強さ σ b (kPa)

供試体断面寸法の大きさによる曲げ強さの影響を

150
100500ｋPa
1000ｋPa

501500kPa

0

図 9 断面積－曲げ強さの関係

03．純引張試験

100200300
曲げ強さ qu (kPa)400

図 11 曲げ強さ－引張強さの関係

引張強さ σt(kPa)

200

4.まとめ
4.まとめ

150

圧縮強さが増加すると、曲げ強さ、引張強さも増加することを確認した。

100

曲げせん断スパン比、断面寸法の変化が曲げ強500kPa

501000kPa
1500kPa

005001000
圧縮強さ qu (kPa)1500

図 10 圧縮強さ－引張強さの関係さに与える影響を確認できた。
各試験条件ごとの圧縮強さと曲げ強さの関係を表す近似式を得た。
圧縮強さ〜曲げ強さ、圧縮強さ〜引張強さの関係より、引張強さσｔは曲げ強さσb の 1/2 程度であった。