論文

両引試験による鉄筋と PVA-ECC の付着性状
金久保利之*1・清水克将*2・閑田徹志*3

要旨：PVA-ECC 中に異形鉄筋を 1 本配した試験体による両引試験により基本的付着特性の検討を行った。また，材料特性把握の一環として PVA-ECC の一軸引張性状と曲げ性状の関連を検討した。PVA-ECC の曲げ試験結果から得られた引張側完全弾塑性モデルの一様応力および終局歪は，一軸引張試験より得られた値とよい対応を示した。両引付着試験では，変形の局所化，鉄筋付着応力の発生等が確認された。鉄筋コンクリートと比較して，テンションスティフニング効果の増大，ひび割れ間隔の減少といった性状が見られた。
キーワード：高靭性セメント複合材料，付着応力，テンションスティフニング，引張試験表－ 2 調合計画

1. はじめに高靭性セメント複合材料（以下，DFRCC）と異形鉄筋の組合せによる構造部材の力学特性を評価するために必要な特性の一つとして，体積混入率(%)
1.9W/C(%)

S/B

44.0

0.66

単位量CSW(kg/m3) (kg/m3) (kg/m3)
412674618

DFRCC と異形鉄筋の付着特性が考えられる。
表－ 3 圧縮試験結果

本研究では DFRCC として PVA 繊維を使用した
Engineered Cementitious Composites （ 以 下 ，種類PVA-ECC）に着目し，PVA-ECC 中に異形鉄筋

PVA19

圧縮強度 圧縮強度時 弾性係数(MPa)(GPa)
歪(%)
31.5
0.47
14.6を 1 本配した試験体による両引試験により，その基本的特性を把握する。また本報では，

3. PVA-ECC の一軸引張試験

DFRCC の基本的力学特性である一軸引張性状

3.1 試験体および曲げ性状を，100×100×400mm 角の中心一軸引張試験用の試験体 1)は，図－ 1に示す部をくびれ型とした試験体による一軸引張試験

ように，JIS A 1106 に規定されている 100×1001)，100×100×400mm 角試験体による三等分点×400mm の角型供試体作製用鋼製型枠の内側曲げ試験によって検討する。にアルミ製の型枠を固定し，その中に PVA-ECCを打設して作製した。アルミ製型枠は，厚さ2. 使用材料

20mm，円弧部分の半径 350mm，中心部直線区

使用繊維は PVA で，体積混入率は 1.9%であ間の長さ 100mm である。試験体数は 2 体である。以下，PVA19 と称す。繊維の力学的性質（メる。

ーカー値）を表－ 1に，調合計画を表－ 2に示す。また，100φ－200mm シリンダーによる圧縮試験結果を表－ 3に示す。
表－ 1 使用繊維種類
PVA

繊維長(mm)12

繊維径 破断強度 弾性係数(mm)
(MPa)
(GPa)
0.04160040

図－ 1 一軸引張試験用試験体型枠*1 筑波大学講師 機能工学系 博士（工学）（正会員）*2 筑波大学大学院 理工学研究科（正会員）*3 鹿島建設（株） 技術研究所 Ph.D.（正会員）定条件を曲げモーメントの影響や初期ひび割れ発生後の二次曲げモーメントの影響等を考慮したピン－固定とした。加力方法を図－ 2に示す。
中心にねじ穴を設けた鋼板をエポキシ樹脂系接Tensile stress (MPa)

加力には 500kN 万能試験機を使用し，端部固5Tensile stress (MPa)

3.2 加力・計測方法

5432定した。試験機のヘッド間速度は 0.5mm/min に設定した。計測項目は，荷重および試験体中央部表裏に取り付けた変位計（検長 160mm）による軸方向歪である。

εu 2.36%

σcr 2.83MPa

10着剤で試験体上下面に接着させ，ロッドエンドおよびボルトを試験機のヘッドチャックにて固σmax 4.16MPa

PVA19 No.1

4320.511.52Tensile strain (%)

2.53σmax 4.11MPaεu 2.03%

PVA19 No.2

σcr 2.93MPa

100.511.52Tensile strain (%)

2.5

3

図－ 3 一軸引張試験応力－歪関係
60100

表－ 4 一軸引張試験結果
初期ひび
割れ強度
σcr (MPa)2.88

種類

100400

R350

PVA19Steelplate

引張強度σmax (MPa)

終局歪εu (%)

4.142.20

4. PVA-ECC の曲げ試験
Universaljoint

4.1 試験体
試験体は，100×100×400mm の角型である。
鋼製型枠を使用して作製した。
4.2 加力・計測方法

図－ 2 一軸引張試験加力方法

加力には変位制御式 2MN 万能試験機を用い，
図－ 4に示すように三等分載荷を行った。試験

3.3 実験結果
引張応力－引張歪（検長 160mm の変位計にP/2よる歪）関係の例を，図－ 3に示す。破線は試ε1Front70

験体表裏に取り付けた変位計によるそれぞれのP/2ε2歪値を，実線はそれらの平均値を示す。初期ひび割れ発生後，試験区間全域にわたってマルチP/2P/2プルクラックが確認でき，応力－歪関係も歪硬化型の性状を示した。実験結果の一覧を表－ 4Backに示す。終局歪は，応力－歪関係を完全弾塑性モデルで表現することを念頭に置き，最大引張δ3 δ2 δ1応力以降，初期ひび割れ強度まで応力が低下した点の歪とした。

図－ 4 曲げ試験加力方法

体表側には曲率計測用として純曲げ区間の上下縁の歪が終局歪に対応するものとし，その時の2 点の伸縮を変位計により計測し，試験体裏側応力分布を図－ 6に示すように，圧縮側では直では純曲げ区間 3 点のたわみを変位計により計

線分布，引張側では一様応力とする。

測した。
4.3 実験結果xn

曲げモーメント－曲率関係の例を図－ 5に示

φu

M max

す。純曲げ区間およびその周辺においてマルチプルクラックが確認でき，初期ひび割れ発生後の荷重の増大も大きい。全試験体 6 体の実験結Bending Moment (kNm)
Bending Moment (kNm)

σmaxεu果の一覧を表－ 5に示す。

図－ 6 終局時の応力分布の仮定
2PVA19 No.3
Mmax 1.45kNm

1.5

圧縮側の弾性係数を E，最大モーメント時の1曲率をφu，圧縮縁から中立軸までの距離を xn，0.5

引張側一様応力をσmax とし，部材幅を b，せいを D とすると，圧縮側と引張側の力の釣合から0100200300400
Curvature (μ/mm)

500

Mmax とするとモーメントの釣合から（2）式が2PVA19 No.41.5成り立つ。
Mmax 1.63kNm

E ⋅ φu ⋅ b 2x n = σ max ⋅ ( D − x n ) ⋅ b2

10.50（1）式が成り立つ。また，最大モーメントを

100
200
300
400Curvature (μ/mm)500

図－ 5 曲げ試験モーメント－曲率関係

M max =

No.1
No.2
No.3
No.4
No.5
No.6
平均

初期ひび割れ時Mcr
φcr(kN･m) (µ/mm)
0.500
4.7
0.329
2.6
0.525
3.8
0.833
6.5
0.477
2.8
0.533
4.1

最大荷重時
Mcr
φcr(kN･m) (µ/mm)
1.64
184.8
1.90
391.3
1.45
149.0
1.63344.7
1.60
153.7
1.77
159.7
1.67
230.5

E ⋅ φ u ⋅ b 3 σ max ⋅ bxn +( D − x n ) 2 （2）32（1）式を（2）式に代入して，bD2 で除すと，

m max ≡

表－ 5 曲げ試験結果
試験体（1）

M maxbD

2=E ⋅ φu ⋅ D 3x n13（3）E ⋅ φu ⋅ D 2x n1 (1 − x n1 )+4

ここで， x n1 = x n / D（3）式の両辺を E ⋅ φ u ⋅ D で除し，新たに

m∗ ≡

m max
xx (1 − x n1 )= n1 + n134
E ⋅ φu ⋅ D
32（4）とすると，（5）式が成り立つ。

x n1 + 3x n1 − 12m ∗ = 032（5）4.4 曲げ試験結果と一軸引張試験結果の関係（5）式から x n1 が求まると，次の式から終局歪曲げ試験における最大曲げモーメント時のみεu と引張側一様応力σmax が求められる。に着目し，最大曲げモーメントとその時の曲率から，引張側応力－歪関係の降伏応力および終局歪を導出する。最大曲げモーメント時に引張ε u = φ u ⋅ D ⋅ (1 − x n1 )σ max =E ⋅ φ u ⋅ D ⋅ x n12 ⋅ (1 − x n1 )

（6）
2（7）

曲げ試験結果から求まる引張側特性値の一覧

1200mm の PVA-ECC ブロックの中心に異形鉄を表－ 6に示す。終局歪，応力とも表－ 4に示筋 D13 を 1 本配したもので，両端部には加力固す一軸引張試験結果とよい対応がみられる。ま定用の M24 全ねじ，鋼板，および鋼製継手を設た，一軸引張試験から得られた応力－歪関係と，けた。継手の表面は異形状で，引張荷重は継手

曲げ試験結果より計算された引張側応力－歪関部において鉄筋と PVA-ECC に伝達される。3係を比較して図－ 7に示す。

体の試験体の加力を行った。また，鉄筋の引張試験の結果を表－ 7に示す。

表－ 6 曲げ試験結果から求めた引張特性値
試験体

m∗

xn1

No.1
No.2
No.3
No.4
No.5
No.6
平均

6.08 ×10-3
3.33 ×10-3
6.67 ×10-3
3.24 ×10-3
7.12 ×10-3
7.58 ×10-3
5.67 ×10-3

0.152
0.113
0.159
0.112
0.164
0.169
0.145

εu

σmax

(%)
1.57
3.47
1.25
3.06
1.29
1.33
1.99(MPa)
3.68
4.13
3.26
3.54
3.63
4.033.71

表－ 7 両引付着試験鉄筋の力学的性質種類D13降伏強度 引張強度 弾性係数 破断伸び(MPa)(MPa)(GPa)(%)
33547919527.15.2 加力・計測方法
加力には変位制御式 2MN 万能試験機を用い，Tensile stress (MPa)単調引張加力を行った。計測項目は，引張荷重値，両端部鋼板間の全体変形，試験体中央部か54PVA19 Model by bending test

ら表裏 2 カ所ずつ 3 区間に設置した変位計によNo.13る局所変形，中央部から 50mm ピッチで貼付し2た歪ゲージによる鉄筋の歪である。
No.2

100.55.3 実験結果

11.5
2
Tensile strain (%)

2.5

加力終了後の試験体の例を図－ 9に示す。い3ずれの試験体においてもひび割れ発生以前まで

図－ 7 引張側応力－歪関係の比較

は一様に引張力を受け，鉄筋歪が 0.02～0.03%に至ると初めてひび割れが観測された。その後

5. 両引付着試験もひび割れを発生させながら荷重を上昇させる

5.1 試験体が，全体変形歪 0.2%になると一つのひび割れに試験体は，図－ 8に示すように，100×100×変形が集中し，荷重は鉄筋のみが受け持つよう100 100
Steelplate

100x100

Splicesleeve D13LVDT
Strain gauge@50
1 2 3 4 5 6 7 8 9200

CLM24901200
図－8 両引付着試験体

図－9 両引付着試験体破壊状況（No.2）

200

になった。最終的には鉄筋が破断した。

5.4 付着応力・変形の局所化の検討

各試験体の引張荷重－全体変形関係，鉄筋の歪分布の例を図－ 11に示す。全体変形

PVA-ECC の負担引張応力－全体歪関係を図－が 1mm で，鉄筋は弾性範囲であるが歪分布の10に示す。上 2 図は引張荷重－全体変形関係で，勾配が見られ，変形の局所化が進行しているも図中の破線は，試験体両端部定着区間の長さをのと思われる。

除いた部分の鉄筋のみが引張力を受けた場合のWhole defomation
0.5mm5mm1mm10mm
1.5mm
16mm2mm20mm

荷重と伸びの関係を表している。全体変形 3mmに荷重の増加が確認できる。0.5～1.5mm 程度の部分では荷重の増減が繰り返され，ひび割れの発生と対応する現象と思われる。全体変形 5mm以降では再度荷重が上昇しており，局所化したひび割れ部分での鉄筋の歪硬化によるものと考Reinf. strain (%)

程度までは，鉄筋のみの場合と比較して明らか
0.60.40.200
100 200 300 400 500
Distance from the center (mm)えられる。下図は，引張荷重から鉄筋のみが受ける荷重を差し引いた見かけ上の PVA-ECC の図－ 11 鉄筋の歪分布

負担引張力を示している。実際に PVA-ECC が負担している引張力とテンションスティフニン

鉄筋の局所付着応力と全体変形の関係の例をグ効果が加算された値である。

図－ 12に示す。図中の数字は図－8 中の歪ゲー
ジ位置と対応しており，鉄筋の応力－歪関係を完全弾塑性型とし，隣り合った歪ゲージ間の鉄PVA19 No.260筋の引張力の差から平均付着応力を算出した。

40Reinforcing bar (D13)

全体変形が 0.5mm 程度で付着応力が発生して20おり，これは初期ひび割れ発生時と一致する。
51015
Whole deformation (mm)20Total load (kN)

8060
40200
ECC stress (MPa)

Reinforcing bar (D13)12345
Whole deformation (mm)632
100.10.2 0.3 0.4 0.5
Whole strain (%)

0.6

図－ 10 荷重・ECC 応力－全体変形関係付着応力の最大値は全体変形が 1mm の時にBond stress (MPa)0Bond stress (MPa)

Total load (kN)80424-53-402-3-2-41-2012345
Whole deformation (mm)647-828-90-26-7-40

15-62345
Whole deformation (mm)図－ 12 付着応力の推移状況

64MPa に達している。また付着応力の正負が反両引付着試験では，基本的には通常の鉄筋コ転する箇所も見られ，新たなひび割れの発生にンクリートと同様に，変形の局所化，鉄筋付着よる付着応力負担方向の逆転によるものと思わ応力の発生等が確認された。鉄筋コンクリートれる。と比較して，PVA-ECC による引張力負担や付着5.5 ひび割れ間隔の検討能力の向上により，テンションスティフニング

加力後の平均ひび割れ間隔を，主立ったひび効果の増大，ひび割れ間隔の減少といった性状割れの本数を両端部定着区間を除いた試験体のが見られた。

長さで除して求めた。また，平均ひび割れ間隔の計算値を文献 2)に準じて求めた。結果を表－謝辞8に示す。ひび割れ間隔の実験値は計算値より小本研究の一部は，「日米共同研究スマートスト

さく，通常の鉄筋コンクリートと比較して 1 カラクチャーエフェクター部会セメント系複合材

所のひび割れでの歪増大の抑制，鉄筋との付着料 WG」（主査：松崎育弘東京理科大学教授）の能力の向上といった要因が考えられる。

研究活動の一環として実施したものである。関
係者各位に感謝いたします。

表－ 8 平均ひび割れ間隔
試験体
No.1
No.2
No.3
平均

ひび割れ 実験値
(mm)
本数
9100
71296150126

計算値
(mm)
207

比較値

参考文献0.480.620.720.611)

清水克将，金久保利之，閑田徹志，永井覚：HPFRCC の一軸引張および曲げ性状に及ぼす打設方向の影響，コンクリート工学
年次論文集，Vol.25，No.1，pp.281～286，

6. まとめPVA-ECC の曲げ試験結果から得られた，引張2003.72)

日本建築学会：プレストレス鉄筋コンクリ

側完全弾塑性モデルの一様応力および終局歪は，ート（Ⅲ種 PC）構造設計・施工指針・同解

一軸引張試験より得られた値とよい対応を示し説，1986

た。