広島工業大学紀要研究編
第 41 巻（2007）pp. 143-150

論文

炭素繊維プレートによる鋼構造建築建物の接着補強工法に関する基礎的研究
玉井 宏章＊＊＊・高松 隆夫＊＊＊＊・櫻庭
灰谷 徳治＊＊＊・服部 明生＊＊＊＊誠＊＊（平成18年10月30日受理）

On Rehabilitation of Steel Building Using Bonding
Carbon Fiber Reinforced Plastic Plates
Hiroyuki TAMAI, Takao TAKAMATSU, Makoto SAKURABA,
Tokuji HAITANI and Akeo HATTORI(Received Oct. 30, 2006)

Abstract
Aging of existing steel buildings necessitate the development of simple and effi cientrehabilitation technique. We have been developing a strengthening method with bonding
Carbon Fiber Reinforced Plastic Plate (CFRP) to enhance the usage life of steel buildings.
Coeffi cient of expansion of CFRP is one-tenth smaller than that of steel. The change oftemperature during daytime and night amounts to 40℃ so that large thermal stress occurs
in adhesive layer between CFRP and steel. Cyclic thermal stress causes degradation of thebonding strength. Further, CFRP and steel have electro-conductivity. Although the adhesive
between CFRP and steel has non-electro-conductivity, intense rust (galvanic corrosion)
may occur when CFRP partially touches steel member. The partial galvanic corrosion may
deteriorate the bonding strength between CFRP and steel. In this study, Heat cycle tests on
steel plate bonding CFRP are made to evaluate the durability of cyclic thermal stress. Also,
galvanic corrosion tests under dry and wet cycle atmosphere using salt water are carriedout. We show these basic data for influence of galvanic corrosion and cyclic thermal stress on
bonding strength between CFRP and steel plate.
Key Words: cyclic thermal history, galvanic corrosion, bonding strength, CFRP

発されつつある1）〜 3）。しかし，性質の異なる炭素繊維プレー

１．は じ め にトと鋼材の接着剤による接着補強工法は，様々な問題が生高い剛性と強度を有する炭素繊維プレートを接着して，じると考えられる。

鋼構造物を補強する方法が著者らを含めた研究者により開＊＊＊＊＊広島工業大学工学部建築工学科＊＊＊＊＊

広島工業大学大学院工学研究科土木工学専攻＊＊＊＊＊

東レ建設㈱理事＊＊＊＊＊

東レ建設㈱技術設計部― 143 ―

例えば，炭素繊維プレートの線膨張係数が鋼材の約玉井宏章・高松隆夫・櫻庭
表１

接着層厚測定結果

表２

接着剤の力学的特性

図１

誠・灰谷徳治・服部明生

試験体形状

図２

1/10 程度と異なるので，温度変化が激しければ，大きな熱応力が生じ，接着性能の耐久性が課題になる。構造材の試験サイクル

２．熱履歴耐久試験

温度変化は，第一に炭素繊維プレートの熱伝導率がよく，鋼材と炭素繊維プレートを複合化した材について複数回また鋼材の熱容量も小さいことから日射による大きな温度の熱履歴を受けた場合における接着耐久性に及ぼす影響を上昇が起こりえる。特に夏季においては，昼間に直射日光確認するため，熱履歴耐久試験を行った。

により加熱され表面温度が 60℃に達し，夜間には 20℃程度に冷却される短期の温度履歴を受けることが確認されて2.1いる。第二に長期には，冬季で外気温が０℃以下になる場
合には鋼材の表面も０℃以下になると考えられ，夏季との試験体試験体の形状を図１に，各試験体の接着層厚を表１に示す。

温度差は 60℃にもなる。発生する熱応力により，接着性試験体は，鋼板（PL-1200×75×6）に炭素繊維プレート能の低下が懸念される。また，鋼材と炭素繊維プレート（導（PL-1150×50×2）を全長 1150mm に接着したものである。

電性材料）間の接着剤は非導電性であり，工法として両試験体の種類として，接着には常温二液硬化型エポキシ樹者が接触することは考えにくいとされているが，何らかの脂を用い通常タイプとした試験体（N 試験体）を１体，耐要因で鋼材と炭素繊維プレートが接触すれば，電池作用に熱タイプとした試験体（T 試験体）を１体の計２体用意しよって，いわゆるガルバニック腐食が生じ，鋼材の腐食がた。また，鋼材と炭素繊維プレート単体の拘束されていな促進される可能性がある

4）〜 7）。この腐食が進行すると，炭い試験体（50×50mm）を各１体用意した。

素繊維プレートと鋼板の境界部に局部腐食が発生し，鋼材試験体に用いた接着剤単体の硬化後における力学的特性の機械的性質を著しく劣化させると考えられるため，このを表 2 に示す。尚，接着は，炭素繊維プレートと鋼材の接腐食の基本的特性を明らかにし，鋼材に及ぼす影響や必要着面を紙ヤスリ（＃100）で目粗した後，それぞれの試験とされる対策を検討する必要がある。

体の接着剤で接着し，室温 20℃以上で 7 日間養生した。

本研究では，炭素繊維プレートと鋼材とを複合化した材について，長期的，短期的に温度履歴を受けた場合を想定

2.2

試験概要と計測方法

した熱履歴耐力試験を，また，悪腐食環境下を想定し，塩熱履歴の試験サイクルを図２に示す。

水による乾湿繰返し下におけるガルバニック腐食試験をそ

試験体を恒温・恒湿室に入れ，０℃（湿度０％）〜 60℃（湿れぞれ行い，接着耐久性や補強効果を維持しうるかを検討

度 50％）を 100 回繰り返した。試験前及び 10 回，50 回，する。これらの試験により，炭素繊維プレートによる鋼構100 回繰り返した時点で，打音試験を行い，CFRP と鋼材造物の接着補強工法の実用化のための基礎データとする。との間のはく離の有無を確認した。尚，０℃から 60℃へ昇温時の 25℃で湿度 50％とする調湿を行っている（図２の過程）。

― 144 ―

炭素繊維プレートによる鋼構造建築建物の接着補強工法に関する基礎的研究

図３

鋼材と炭素繊維プレート単体の温度―ひずみ関係（a）Ｎ試験体

計測は，ひずみの測定を端から 150mm づつ離れた４箇所の位置の炭素繊維プレートと鋼材について，それぞれ計８点について材軸方向直ひずみを，鋼材では検長３mm，炭素繊維プレートは検長５mm の自己温度補償型箔ひずみ
ゲージにより計測し，ひずみ値から自由膨張ひずみを差し引いた，応力に寄与するひずみ（機械的ひずみ）と炭素繊維プレートと鋼材との間の相対ひずみを，それぞれ，求めた。
（b）Ｔ試験体

また試験中の恒温室内の温度変化を，試験体周辺の熱電図４対により３箇所測定し，それらの値を平均し，恒温室内の炭素繊維プレートと鋼材との相対ひずみの変化温度とした。
ひずみ測定位置の名称は，図１に示すように，端部から炭素繊維プレート上は C1，C2，C3，C4 とし，鋼材上は端より S1，S2，S3，S4 とした。また，拘束を受けない試
験体もそれぞれ C0，S0 とした。また，拘束を受けない試（a）Ａタイプ試験体

験体もそれぞれ，C0，S0 と表している。
2.3

試験結果と考察

熱履歴試験を行った結果を図３，図４に示す。図３には，拘束のない状態の鋼材と炭素繊維プレート（CFRP）単体の温度―ひずみ関係を示す。図４には両試験体各点における炭素繊維プレートと鋼板との間の相対ひずみと温度との（b）Ｂタイプ試験体関係を示す。

図５

これらの結果から以下のことが分かる。

引張試験結果−6１）図３から鋼の線膨張係数は 10〜11×10 /℃に対し炭素繊維プレートのそれは−1〜1×10−6/℃であり，温打音試験を行った結果，両試験体とも接着のはく離によ度変化によらず，炭素繊維プレートはほとんど線膨張る異音は認められず，100 サイクル程度の熱履歴下におしない。

いても接着剤の耐久性には問題ないと考えられる。

２） 図４から，炭素繊維プレートと鋼材との相対ひずみは温度とともに線形に変化し，中央部ほど大きくなり

３．熱間引張試験

最大で，60℃で 500〜600n，0℃で−400n の差し引き1000n の差が生じること，通常接着剤より耐熱接着剤複数回の熱履歴を受けた複合材について，室温・高温下での引張試験を行い，接着の耐久性を確認した。

を用いたほうが，この相対ひずみが小さくなる傾向にあることが分かる。

3.1

３）10 回，50 回，100 回サイクルの熱履歴を加えた時に― 145 ―

試験概要と計測方法

試験体形状を図５に示す。試験体は板厚９mm の鋼板玉井宏章・高松隆夫・櫻庭
表３

誠・灰谷徳治・服部明生

引張試験結果（a）Ａタイプ試験体（Py=27kN，dy=2.35mm）（b）Ｂタイプ試験体（Py=36kN，dy=2.75mm）
図６（SS400）の引張素材試験片に板厚１mm，幅 15mm の高荷重―ストローク関係状を示す。

強度炭素繊維プレート（TL-510，PL-450x15x1）を接着し尚， 試 験 体 名 に ＊ が つ い た 鋼 板 に は Py=27kN，たものである。鋼板の塑性化させる部位を 400mm とし，dy=2.35mm の素材のものを，それ以外の試験体は，鋼板定着部を設けないＡタイプと塑性化させる部位を 100mmには，Py=36kN，dy=2.75mm の素材を用いている。とし，両端 150mm の定着部を設けるＢタイプの２種類を

図６には，各温度履歴，載荷ケースの代表的なものについて，鋼板の降伏荷重で無次元化した荷重：P/Py と鋼板用意した。
接着剤及び接着加工は前節と同様にした。温度，載荷プの降伏伸びで無次元化した伸び：d/dy との関係を，（a）Ａ

ログラムは室温 20℃で単調引張するケース（A20，B20），タイプ及び（b）Ｂタイプの試験体形状ごとに分けて示す。

雰囲気温度 45℃で単調引張するケース（A45，B45），雰

これらの結果から以下のことが分かる。

囲気温度 60℃で単調引張するケース（A60，B60）及び

１） 弾性域に保持される定着部のないＡタイプの試験体

20℃ , 60℃
（30 分）の熱履歴サイクルを 10 回繰り返した後，では，雰囲気温度が 20℃，45℃，60℃において炭素室温 20℃で単調引張するケース（A20-60，B20-60）とし，繊維プレートによる強度の上昇率は，鋼板の降伏荷重

Ａタイプ，Ｂタイプの試験体で各ケース３体ずつ，計 24の 15％，７％，３％と低く，高温の 60℃ではひずみ体試験を行った。

分布が最大となる中央部の鋼板部で 600n，炭素繊維プ

計測は荷重：P，ストローク：d について行った。載荷にレート部で 1300n であり，塑性率で２〜３程度の伸はオートグラフ万能試験機（島津製作所 AG-IS250kN）をびが生じた後に接着剤と鋼板との界面ではく離が生じ用いた。

る。
２）一方，弾性域に留まる定着部のあるＢタイプ試験体で3.2は，雰囲気温度が，20℃，45℃，60℃において強度の試験結果とその考察試験結果を表３，図６に示す。

上昇率は，100％，83％，45％と比較的高く，高温の表３は，鋼板の降伏荷重：Py で無次元化した最大荷60℃においても，中央部のひずみは鋼板部で 1300n，重：Pu/Py，鋼板の降伏伸び：dy で無次元化した破壊伸び：

炭素繊維プレート部で 4500n で，Ａタイプと同様，du/dy，接着剤または炭素繊維プレートが破壊する直前の中接着剤と鋼板との界面ではく離が生じた。

央部における鋼板と炭素繊維プレートのひずみ及び破壊性

３）また 20℃〜 60℃の 10 回程度の熱履歴を受けても，最― 146 ―炭素繊維プレートによる鋼構造建築建物の接着補強工法に関する基礎的研究
表４

試験体名称

図７

ガルバニック腐食のメカニズム

大荷重，破壊伸び等の性状に変化はなく，十分な耐久性を有する等のことが分かる。

４．ガルバニック腐食試験
鋼の腐食は，水分・酸素の雰囲気下（a）CNN 試験体（b）CAN 試験体（c）CPF 試験体（d）CPN 試験体

で鉄がイオン化して酸化される電気化学反応である。腐食のメカニズム概要を図７に示す。導電性のある異種金属すなわ
ち，炭素繊維プレートと鋼板とが接触す
ると，イオン化傾向が異なるため，炭素繊維プレートは陰極（カソード），鋼板

図８

試験体の種類は陽極（アノード）となって電池が形成される。電流が流れるとアノードとなる鋼板の腐食速度は加速される。
本節では，鋼と炭素繊維プレートとのガルバニック腐食の基本特性を示すために行なった試験結果を示す。
4.1

試験体

（a）短絡試験

試験体の種類・形状を図８に，試験体名称を整理して表４に示す。
試験体は，鋼板（PL-250×150×6mm）の上面に，高強度型炭素繊維プレート（TL-520，150×50×2mm）を接着した CNN 試験体，CNN 試験体に加えて炭素繊維プレート（CFRP）の周辺に接着剤を５mm 程度はみ出させ，端（b）絶縁状態部の保護対策を施した CAN 試験体，
CAN 試験体に加えて，

図９

炭素繊維プレートの表面全体を防食塗料で保護した CPF

短絡，絶縁の方法

試験体，及び，CNN 試験体に加えて，炭素繊維プレート周辺の鋼板 15mm 幅を防食塗料で保護した CPN 試験体の

尚，この接着面では，炭素繊維プレートと鋼板とは絶縁状４種類とした。各種類についてそれぞれ４体ずつ，計 16態にあることを全試験体について確認している。防食塗装体の試験体を製作した。各試験体の半数は，導線を炭素繊は，下塗り，上塗りの２段階を施し，下塗りについては，維プレート中央と鋼板側部に取付けて短絡状態試験を，残エポキシ樹脂系塗料を，上塗りについては，ポリウレタン

りは，電気的導通を施さない絶縁状態試験を行う。導線と樹脂系塗料を用いた。また，試験体の裏面は，防食塗装を

炭素繊維，鋼板との接合には，塩水に強い銀粉を混入した施した。

アクリル系導電性接着剤を用いた。
炭素繊維プレートと鋼板の接着は，接着面を紙ヤスリ（＃100）で目粗しした後，脱脂し，常温二液硬化型エポキ

4.2

試験概要

○試験方法

シ樹脂接着剤で接着し，室温 20℃以上で７日間養生した。
― 147 ―

各種類の試験体について，炭素繊維プレートと鋼板とを玉井宏章・高松隆夫・櫻庭誠・灰谷徳治・服部明生

図 12
図 10

ガルバニック電流―時間関係（100 日間）

温度―時間関係（100 日間）

図 13
図 11

腐食減量―時間関係（100 日間）

ガルバニック電流―時間関係（４日間）……………………（2）無抵抗電流計を介して短絡させた状態及び絶縁させた状態（図９参照）で，３％濃度の食塩水に２時間浸漬させた後ここに，2

22 時間空気中に放置することを１サイクルとする乾湿繰

G ：腐食減量（x10−6g/cm ）り返し試験を 100 日（100 サイクル）行った。

M ：鉄１モルの質量（55.8 g/mol）Fa ：ファラデー数（96500 C/g-eq）

また腐食試験終了後，短絡状態，絶縁状態での腐食状況の差異及び絶縁状態試験体の導通の有無を電位差計で確認する（導通状態であれば電位差は０V となる）とともに，4.3

炭素繊維プレートを除去して，接着面の状況を検査した。

試験結果とその考察試験結果を図 10〜13，表５，６及び写真１に示す。図 10には，日最高気温及び日最高塩水温と時間関係を，図 11○計測方法には，試験の初期段階の４日間におけるガルバニック電流

塩水乾湿繰り返し試験では，短絡状態の試験体について，量と時間の関係を，図 12 には全 100 日間のガルバニックゼロ抵抗電流計により，ガルバニック電流を，また，気温，電流と時間の関係の包絡線を，図 13 には，（1），（2）式か塩水温を熱電対で計測した。

ら求めた腐食減量と時間の関係を，表５には，絶縁状態試計測したガルバニック電流から，ガルバニック腐食電流8）密度を次式により算定した 。

抵抗と電位差を，表 6 には，絶縁状態試験体における腐食試験後の炭素繊維プレートと鋼板の導通の有無と，炭素繊……………………（1）

維プレート裏面の腐食状況を，写真 1 には，各試験の腐食状況を示す。

ここに，I：ガルバニック電流（nA）

得られた知見は以下のように要約できる。
2Icorr ：ガルバニック腐食電流密度（nA/cm ）S（cm ）：鋼板の表面積験における腐食試験後の，炭素繊維プレートと鋼板の電気

2○ガルバニック電流・腐食減量特性について
炭素繊維プレートと鋼板が短絡した条件では，図 11 〜

鋼板の表面積：S は，試験体の表面の炭素繊維プレート

13 に示すように，CPF 試験体を除き，初期段階からガルの接着位置と裏面を除いた面積とする。また，ガルバニッ

バニック電流が発生することが認められた。一方，その影

ク腐食電流密度から，腐食減量を次式により算定した。

響は CNN, CAN, CPN 試験体の順に，小さくなった。また，― 148 ―

炭素繊維プレートによる鋼構造建築建物の接着補強工法に関する基礎的研究
表５

絶縁状態試験の電気抵抗と電位差

表６100 日後の絶縁状態試験体の状況（a）短絡・CNN 試験体（b）絶縁・CNN 試験体（c）短絡・CAN 試験体（d）絶縁・CAN 試験体（e）短絡・CPF 試験体（f）絶縁・CPF 試験体（g）短絡・CPN 試験体（h）絶縁・CPN 試験体

写真１

2400 時間（100 日間）経過後の各試験体の接着面と腐食状況

500 時間を過ぎた時点から CNN 試験体の腐食減量の増加○ガルバニック腐食特性について量は減少傾向を示した。

写真１より，いずれの試験体においても絶縁状態と短絡状態との錆の形状には，差異はなく，孔食は見られなかっ― 149 ―

玉井宏章・高松隆夫・櫻庭誠・灰谷徳治・服部明生

れば，ガルバニック腐食は防止できる。

た。これは，塩水を用いての湿乾繰り返しという過酷な腐食条件であったことに加え，裸鋼板部の面積が大きかった

６）絶縁試験体には試験終了後にも電位差が計測され，炭ことが主原因と考えられる。CPN 試験体では，ガルバニッ

素繊維プレートと鋼板とは，絶縁された状態を保ってク電流が生じていないことから，塗装で炭素繊維プレートいた。

を全面被覆すれば，ガルバニック腐食は防ぐことができる

７） 炭素繊維プレート周辺に 10mm 程度の塗装を施せばプレート直下への腐食の進行を防ぐことができると考ことが分かる。

えられる。
８）ガルバニック腐食の影響は基本的に問題ないものの，○接着面下の腐食状況について
表５，６に示すように，腐食試験後の絶縁状態の各試験

安全性を考慮した場合は塗装との併用が好ましい。

体は，0.3V 程度の電位差が計測された。このことから，以上の結果より，この炭素繊維プレートによる鋼構造物試験後も絶縁状態が保たれていた。また，表６から判るよ

接着補強工法は，長期的にみても接着耐久性に問題ないと

うに，CNN 試験体では接着面下の鋼板に腐食が認められ考えられる。

たのに対し，CAN, CPN, CPF 試験体では，はみ出し部の謝端部に僅かな腐食が認められるのみで，炭素繊維プレート直下では，腐食は生じていなかった。

辞本研究を実施するにあたり，2005 年度玉井研究室卒論使用した接着剤は , 絶縁性と水密性を有しているものの，生の協力を得た。また，本試験を行なうにあたり，東レ㈱長期間の湿潤状態では，境目から塩水と空気が浸入し，腐鈴川研二，中林伊織諸氏には，多大な協力を得た。ここに食が生じる。炭素繊維プレート及び炭素繊維プレート周辺記して謝意を表します。

10mm 程度に塗装を施せば，炭素繊維プレート直下への腐参 考 文 献食は抑制できると考えられる。

５．まと１）玉井宏章，高松隆夫，原め伸幸，灰谷徳治，服部明

生：炭素繊維プレートによる鋼構造建物小ばりの曲げ補強について，鋼構造年次論文報告集，第 13 巻，pp.

炭素繊維プレートと鋼材の接着剤による接着補強工法の523-530, 2005. 11

問題点として考えられる長期間熱履歴を受けた場合の複合材の接着耐久性を熱履歴耐力試験により，また腐食の問題

２）玉井宏章，高松隆夫，櫻庭誠，灰谷徳治，服部明を過酷な環境下での乾湿繰り返しにおけるガルバニック試

生：炭素繊維プレートによる山形鋼ブレース材の圧縮験を行なった。

補強について，鋼構造年次論文報告集，第 13 巻，pp.
553-560, 2005. 11

得られた知見を以下のように要約できる。

３）玉井宏章，高松隆夫，服部明生，灰谷徳治，櫻庭○熱履歴耐力試験より

誠：炭素繊維プレートによる化学プラント架構小ばり

１）100 回の熱履歴に対して，接着剤の耐久性は保たれる。

補剛の施工例，鋼構造年次論文報告集，第 13 巻，pp.

２）弾性部に保持される定着部が両端に 150mm 程度あれ

545-552, 2005. 11．

ば，高温下（60℃）においても強度は 45％上昇できる。

４）友野理平：腐食・防食用語辞典，オーム社，1975. 7．

３）20 〜 60℃の熱履歴を 10 回程度受けても最大荷重，破５）藤井哲雄：初歩から学ぶ防錆の科学，工業調査会，2001. 3．

壊伸び等の性状に変化はなく，接着剤は十分な耐久性

６）松島を示す。

巌：腐食防食の実務知識，オーム社，2002. 2．

７）社団法人

日本コンクリート工学協会：コンクリー○ガルバニック腐食試験より

ト構造物の腐食・防食に関する試験方法ならびに基準４） 炭素繊維プレートと鋼板が短絡した場合には，CPF（案），1987．

試験体を除き，初期段階からガルバニック電流が発生

８）太星鎬，柳東佑，王政宏，兼松学，野口貴文，宇城工：
Cr 鋼防食鉄筋による RC 造建築物の耐久性向上技術

した。
５）CPF試験体にガルバニック腐食の影響が見られなかったことから，塗装等で炭素繊維プレートを全面被覆す― 150 ―に関する基礎的研究（その４），日本建築学会大会学術講演梗概集（東海），pp. 553, 2003. 9．