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| 鉄筋コンクリート | |
|---|---|
 鉄筋コンクリート製の重厚な柱。コンクリートが鉄筋フレームの周囲に打設される前と後の状態を示す。 | |
| 材質の種類 | 複合材料 |
| 機械的特性 | |
| 引張強度（σt ） | コンクリートよりも強い |
鉄筋コンクリートは、フェロコンクリートとも呼ばれ、コンクリートの比較的低い引張強度と延性を、より高い引張強度または延性を持つ補強材の添加によって補う複合材料です。補強材は通常、必ずしもそうである必要はありませんが、鉄筋（鉄筋として知られる）であり、通常はコンクリートが固まる前にコンクリートに受動的に埋め込まれます。ただし、ポストテンションもコンクリートを補強する技術として使用されます。年間使用量の観点から、最も一般的な工学材料の 1 つです。[ 1 ] [ 2 ]腐食工学の観点から、適切に設計されている場合、コンクリートのアルカリ性は鉄筋を腐食から保護します。[ 3 ]
補強計画は一般的に、コンクリートの特定の領域で許容できないひび割れや構造破壊を引き起こす可能性のある引張応力に耐えるように設計されています。現代の鉄筋コンクリートには、鉄筋と併用する場合と併用しない場合の両方で、鋼、ポリマー、または代替複合材料で作られたさまざまな補強材が含まれることがあります。鉄筋コンクリートは、使用荷重下での最終構造物の挙動を改善するために、永久的に応力が加えられる場合もあります（コンクリートは圧縮、鉄筋は引張）。米国では、これを行う最も一般的な方法は、プレテンション工法とポストテンション工法として知られています。
鉄筋コンクリートの初期開発は、19世紀半ばにイギリスとフランスで並行して行われた。[ 4 ]
フランスの建築家フランソワ・コワニェは、鉄筋コンクリートを建築技術として初めて使用した人物である。[ 5 ] 1853年から1855年にかけて、コワニェはパリ郊外のシャルル・ミシェル通り72番地に、自身初の鉄筋コンクリート構造物である4階建ての住宅、フランソワ・コワニェ邸を建てた。[ 6 ]コワニェのコンクリート補強に関する記述からは、コンクリートの強度を高めるためではなく、一体構造の壁が転倒しないようにするために補強を行ったことがうかがえる。[ 7 ]ブルックリンにある1872年から1873年にかけてのピペン・ビルディングは、コワニェが設計したものではないが、彼の技術の証となっている。
1854年、イギリスの建築業者ウィリアム・B・ウィルキンソンは、建設中の2階建て住宅のコンクリート屋根と床を補強した。彼の補強材の配置は、前任者とは異なり、彼が引張応力に関する知識を持っていたことを示している。[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] 1869年から1870年の間に、ヘンリー・イートンが設計し、ロンドンのW&Tフィリップス社が、イングランドのノーフォーク州とサフォーク州の間のウェイブニー川に架かる、スパン50フィート（15.25メートル）の錬鉄で補強されたホーマーズフィールド橋を建設した。[ 11 ]
19世紀のフランスの庭師、ジョセフ・モニエは、耐久性のある植木鉢を作るために利用できる既存の材料に不満を持っていたため、構造用プレキャスト鉄筋コンクリートの開発の先駆者でした。 [ 12 ]彼は1867年に、金網とモルタルシェルを混ぜることによってコンクリート植木鉢を補強する特許を取得しました。 [ 13 ] 1877年、モニエは格子状に配置された鉄棒を使用してコンクリート柱と桁を補強する、より高度な技術で別の特許を取得しました。モニエはコンクリートを補強すると内部の凝集性が向上することは間違いなく知っていましたが、補強によってコンクリートの引張強度がどれだけ向上するかを知っていたかどうかは明らかではありません。[ 14 ]
1877年、サディアス・ハイアットは「建築材料としての鉄と組み合わせたポルトランドセメントコンクリートに関するいくつかの実験の報告、建設における金属の節約と屋根、床、歩行面の製造における火災に対する安全性について」と題する報告書を発表し[ 15 ]、その中で鉄筋コンクリートの挙動に関する実験を報告した。彼の研究は、実証され研究された科学としてのコンクリート構造の発展に大きな役割を果たした。ハイアットの研究がなければ、技術の進歩にはより危険な試行錯誤の方法に頼らざるを得なかったかもしれない。[ 7 ] [ 16 ]
1870年代以前は、コンクリート構造の使用は、ローマ帝国時代にまで遡り、19世紀初頭に再導入されたものの、科学的に証明された技術ではなかった。[ 17 ]
イギリス生まれのエンジニア、アーネスト・L・ランサムは、19世紀末に鉄筋コンクリート技術の初期の革新者でした。ランサムは、それまでの50年間に開発された鉄筋コンクリートの知識を利用して、初期の鉄筋コンクリートの発明者たちのほぼすべての様式と技術を改良しました。ランサムの重要な革新は、鉄筋をねじることで、コンクリートとの結合を強化することでした。[ 18 ] [ 19 ]コンクリート構造の建物で名声を高めたランサムは、1886年から1889年にかけて、北米で最初の鉄筋コンクリート橋を2つ建設することができました。[ 18 ]彼の橋の1つは、現在もニューヨークのイーストエンドにあるシェルター島に立っています。
アメリカで最初に建設されたコンクリート建築物の一つは、ウィリアム・ウォードが設計し、1876年に完成した個人住宅だった。この住宅は特に耐火性を重視して設計されていた。
G.A. ウェイスはドイツの土木技師であり、鉄筋コンクリート構造の先駆者でした。1879年、ウェイスはモニエの特許のドイツにおける権利を購入し、1884年に彼の会社ウェイス＆フライターク社は鉄筋コンクリートを初めて商業的に使用しました。1890年代まで、ウェイスと彼の会社はモニエの補強システムの発展に大きく貢献し、それを十分に発達した科学技術として確立しました。[ 14 ]
ラミントン橋は、オーストラリア初の大型鉄筋コンクリート道路橋でした。1896年の橋の建設当時、クイーンズランド州政府の建築家であったアルフレッド・バートン・ブレイディによって設計されました。 [ 20 ] 15.2メートル（50フィート）のスパンが11本あり、全長は187メートル（614フィート）で、当時世界で知られている同規模の橋の中で最大でした。[ 21 ]
鉄筋コンクリートで作られた最初の超高層ビルの1つは、 1904年に建設されたシンシナティの16階建てのインガルスビルである。 [ 10 ]
南カリフォルニアで最初の鉄筋コンクリート建築物は、1905年にロサンゼルスのダウンタウンに建設されたラフリン・アネックスである。 [ 22 ] [ 23 ] 1906年には、テンプル・オーディトリアムや8階建てのヘイワード・ホテルなど、ロサンゼルス市内の鉄筋コンクリート建築物に対して16件の建築許可が発行されたと報告されている。[ 24 ] [ 25 ]
1906年、ロングビーチのビクスビーホテルで、支保工が時期尚早に撤去されたことが原因で、建設中に一部が崩壊し、作業員10人が死亡した。この事故をきっかけに、コンクリートの組み立て方法と建築検査が精査されるようになった。この建物は、鉄筋コンクリートのフレームに中空粘土タイルのリブ付き床と中空粘土タイルの充填壁で構成されていた。この工法は専門家から強く疑問視され、床や壁だけでなくフレームにも鉄筋コンクリートを使用する「純粋な」コンクリート構造が推奨された。[ 26 ]
1904年4月、鉄筋コンクリートの美的利用の先駆者であるアメリカの建築家兼エンジニア、ジュリア・モーガンは、サンフランシスコ湾を挟んで対岸にあるミルズ・カレッジに、高さ72フィート（22メートル）の鐘楼「エル・カンパニール」という初の鉄筋コンクリート構造物を完成させた。 [ 27 ] 2年後、エル・カンパニールは1906年のサンフランシスコ地震で無傷で生き残り、[ 28 ]モーガンの名声を高め、多作なキャリアのスタートを切るのに役立った。[ 29 ] 1906年の地震はまた、それまで退屈だと批判されていた鉄筋コンクリートを建築材料として使うことに対する人々の当初の抵抗感を変えた。1908年、サンフランシスコ市監督委員会は、鉄筋コンクリートのより広い使用を許可するように市の建築基準を変更した。 [ 30 ]
1906年に全米セメント使用者協会（NACU）は規格第1号[ 31 ]を、1910年には鉄筋コンクリート使用に関する標準建築規則[ 32 ]を公表した。
鉄筋コンクリート部材を用いることで、スラブ、壁、梁、柱、基礎、フレームなど、さまざまな種類の構造物や構造物の構成要素を構築することができる。
鉄筋コンクリートは、プレキャストコンクリートと現場打ちコンクリートに分類できる。
最も効率的な床システムを設計・導入することは、最適な建築構造を実現する上で不可欠です。床システムの設計におけるわずかな変更でも、材料費、工期、最終強度、運用コスト、入居率、そして建物の最終用途に大きな影響を与える可能性があります。
補強がなければ、コンクリート材料を用いた現代的な構造物の建設は不可能だろう。
鉄筋コンクリート部材が建設に使用される場合、これらの鉄筋コンクリート部材は外部荷重を受けると基本的な挙動を示します。鉄筋コンクリート部材は、引張、圧縮、曲げ、せん断、および/またはねじりを受ける可能性があります。[ 34 ]
コンクリートは、粗骨材（石やレンガの破片）と細骨材（一般的には砂や砕石）を、結合材（通常はポルトランドセメント）と水のペーストで混ぜ合わせたものです。セメントに少量の水を加えると、水和して微細な不透明な結晶格子が形成され、骨材を包み込んで固定します。[ 35 ] [ 36 ]コンクリートの製造に使用する骨材は、有機不純物、シルト、粘土、亜炭などの有害物質を含まないものでなければなりません。一般的なコンクリート混合物は圧縮応力に対して高い耐性（約4,000 psi（28 MPa） ）を持ちますが、曲げなどによるかなりの張力がかかると、微細な剛性格子が破壊され、コンクリートにひび割れや分離が生じます。そのため、一般的な無筋コンクリートは、張力の発生を防ぐためにしっかりと支持する必要があります。
鋼材など引張強度に優れた材料をコンクリートに組み込むと、鉄筋コンクリートという複合材料が生成され、圧縮だけでなく曲げやその他の直接的な引張力にも耐えることができます。コンクリートが圧縮に抵抗し、鉄筋が引張に抵抗するこの複合断面は、建設業界においてほぼあらゆる形状やサイズに加工することが可能です。
鉄筋コンクリートに特有の性質を与える3つの物理的特性：
目安として、pHが約11以上であれば鋼材は腐食から保護されますが、鋼材の特性やコンクリートが炭酸化する際の局所的な物理化学的条件によっては、約10以下になると腐食が始まります。コンクリートの炭酸化と塩化物イオンの侵入は、コンクリート中の鉄筋の破損の主な原因の一つです。
一般的な鉄筋コンクリートに必要な鋼材の断面積比は通常非常に小さく、ほとんどの梁やスラブでは1%程度、柱では6%程度です。鉄筋は通常、断面が円形で、直径は様々です。鉄筋コンクリート構造物には、水分や湿度を制御するために、通気孔付きの中空構造などが設けられる場合があります。
垂直鉄筋コンクリート部材の断面に沿ったコンクリート（鉄筋を含む）の強度特性の分布は不均一である。[ 37 ]
鉄筋コンクリート構造における鉄筋（鉄筋棒など）は、荷重下での2つの材料の不連続性、滑り、または分離を防ぐために、周囲のコンクリートと同じひずみまたは変形を受ける必要があります。複合作用を維持するには、コンクリートと鋼材の間で荷重を伝達する必要があります。直接応力はコンクリートから鉄筋界面に伝達され、鉄筋の長さに沿って引張応力が変化します。この荷重伝達は付着（定着）によって実現され、鋼材とコンクリートの界面付近で発生する連続応力場として理想化されます。2つの異なる材料であるコンクリートと鋼材が一緒に機能できる理由は次のとおりです。（1）鉄筋はコンクリートによく付着するため、外部荷重に共同で抵抗し、変形することができます。（2）コンクリートと鋼材の熱膨張係数が非常に近いため（1.0 × 10 −5からコンクリートの場合は1.5 × 10 −5 、（鋼材の場合1.2 × 10 −5）熱応力による2つの部品間の結合の損傷を防ぐことができる。（3）コンクリートは埋め込まれた鋼材を腐食や高温による軟化から保護することができる。
引張ゾーンに定着された鉄筋の実際の付着応力は鉄筋の長さに沿って変化するため、現在の国際規格では付着応力ではなく定着長さの概念が用いられています。付着破壊に対する安全性の主な要件は、鉄筋が降伏応力を発生させる必要がある点を超えて鉄筋の長さを十分に延長することであり、この長さは定着長さ以上でなければなりません。ただし、実際に使用可能な長さが完全な定着に不十分な場合は、歯車、フック、機械式エンドプレートなどの特別な定着装置を設ける必要があります。同じ概念は、スプライスゾーンで必要な応力の連続性を維持するために隣接する2本の鉄筋の間にスプライス（重ね合わせ）を設ける規格で言及されている重ね継手長さ[ 38 ]にも適用されます。
湿潤で寒冷な気候では、道路、橋梁、駐車場、その他融雪剤にさらされる可能性のある構造物に使用される鉄筋コンクリートには、無塗装、低炭素/低クロム（マイクロコンポジット）、エポキシ樹脂塗装、溶融亜鉛めっき、またはステンレス鋼鉄筋などの耐腐食性鉄筋を使用することで効果が得られます。適切な設計と厳選されたコンクリート配合は、多くの用途においてさらなる保護を提供します。
無塗装の低炭素/クロム鉄筋は、コーティングがないため、標準的な炭素鋼鉄筋とよく似ています。耐食性が非常に高いのは、鋼の微細構造に由来する特性です。滑らかで濃いチャコール色の表面に、ASTM規格で規定された独自のミルマークが付いているため、識別できます。エポキシコーティングされた鉄筋は、エポキシコーティングの淡い緑色で容易に識別できます。溶融亜鉛めっき鉄筋は、暴露時間によって明るい灰色または鈍い灰色になり、ステンレス鋼鉄筋は、炭素鋼鉄筋とは容易に区別できる典型的な白い金属光沢を示します。ASTM規格A1035/A1035M「コンクリート補強用低炭素クロム鋼棒および異形鋼棒および平滑鋼棒の標準仕様」、A767「溶融亜鉛めっき鉄筋の標準仕様」、A775「エポキシコーティング鋼鉄筋の標準仕様」、 A955 「コンクリート補強用ステンレス鋼棒および異形鋼棒および平滑鋼棒の標準仕様」を参照してください。
鉄筋を保護するもう一つのより安価な方法は、リン酸亜鉛でコーティングすることです。[ 39 ]リン酸亜鉛は、セメントの細孔水に存在するカルシウム陽イオンと水酸化物陰イオンとゆっくりと反応し、安定したヒドロキシアパタイト層を形成します。
浸透性シーラントは、通常、硬化後しばらくしてから塗布する必要があります。シーラントには、塗料、発泡プラスチック、フィルム、アルミホイル、タールで密封されたフェルトや布マット、そして路盤のシーリングに使用されることもあるベントナイト粘土の層などがあります。
亜硝酸カルシウム[Ca(NO 2 ) 2 ]などの腐食抑制剤は、コンクリートを打設する前に水混合物に添加することもできます。一般的に、鉄筋の腐食を防ぐには、セメント重量に対して1～2 重量 ％の[Ca(NO 2 ) 2 ]が必要です。亜硝酸アニオンは、腐食している鋼の表面に存在する可溶性で移動性の二価鉄イオン(Fe 2+ )を酸化し、不溶性の水酸化第二鉄(Fe(OH) 3 )として沈殿させる穏やかな酸化剤です。これにより、陽極酸化部位で鋼が不動態化されます。亜硝酸塩は、二価鉄の酸化剤としては弱い硝酸塩よりもはるかに強力な腐食抑制剤です。
梁は曲げモーメントによって曲がり、小さな曲率が生じる。曲率の外側面（引張面）ではコンクリートに引張応力がかかり、内側面（圧縮面）では圧縮応力がかかる。
単鉄筋梁とは、コンクリート部材の引張面付近のみに鉄筋が配置され、引張鋼と呼ばれる鉄筋が引張力に抵抗するように設計された梁のことである。
二重鉄筋梁とは、引張鉄筋に加えて、圧縮面付近のコンクリート部材も補強し、コンクリートが圧縮に抵抗して応力を受け止められるようにした断面構造のことである。後者の補強材は圧縮鉄筋と呼ばれる。コンクリートの圧縮領域が圧縮モーメント（正のモーメント）に抵抗するのに不十分な場合、設計者が断面寸法を制限する際には、追加の鉄筋を設ける必要がある。
鉄筋不足梁とは、引張鉄筋の引張耐力が、コンクリートと圧縮鉄筋の合計圧縮耐力よりも小さい梁（引張面が鉄筋不足）のことである。鉄筋コンクリート部材に曲げモーメントが増加すると、引張鉄筋は降伏するが、コンクリートは最終的な破壊状態には達しない。引張鉄筋が降伏して伸びるにつれて、鉄筋不足のコンクリートも延性的に降伏し、大きな変形を示し、最終的な破壊の前に警告を発する。この場合、鉄筋の降伏応力が設計を左右する。
過剰鉄筋梁とは、引張鉄筋の引張耐力が、コンクリートと圧縮鉄筋の合計圧縮耐力よりも大きい梁（引張面が過剰に鉄筋されている梁）のことである。そのため、「過剰鉄筋コンクリート」梁は、引張鉄筋が降伏する前に圧縮コンクリートが圧壊して破壊する。破壊は瞬間的に起こるため、破壊前に何の警告も発しない。
バランス補強梁とは、梁に加わる同じ荷重で圧縮領域と引張領域の両方が降伏し、コンクリートが圧壊し、引張鋼材が同時に降伏するような梁のことである。しかし、この設計基準は過剰鉄筋コンクリートと同様に危険である。なぜなら、コンクリートが圧壊し、引張鋼材が降伏するのと同時に破壊が起こるため、引張破壊の兆候がほとんど現れないからである。[ 40 ]
鉄筋コンクリート製のモーメント支持部材は、構造物の利用者が崩壊の危険を察知できるように、通常は鉄筋量を少なく設計すべきである。
特性強度とは、試験片の5%未満がそれよりも低い強度を示すときの材料の強度のことである。
設計強度または公称強度とは、材料の安全率を含めた材料の強度のことです。許容応力設計における安全率の値は、一般的に0.75から0.85の範囲です。
極限状態とは、一定の確率で破壊する理論上の点のことです。これは、係数荷重および係数抵抗の下で示されます。
鉄筋コンクリート構造は通常、ACI-318、CEB、Eurocode 2 などのコードの規則や規制、または推奨事項に従って設計されます。RC 構造部材の設計には、WSD、USD、または LRFD 法が使用されます。RC 部材の解析と設計は、線形または非線形アプローチを使用して実行できます。安全率を適用する場合、建築基準では通常線形アプローチが提案されますが、場合によっては非線形アプローチが提案されます。非線形数値シミュレーションと計算の例については、次の文献を参照してください。[ 41 ] [ 42 ]
プレストレスコンクリートは、コンクリート梁の耐荷重強度を大幅に向上させる技術です。梁の下部にある、使用時に引張力を受ける鉄筋は、コンクリートを流し込む前に引張状態にされます。コンクリートが硬化すると、鉄筋の張力が解放され、コンクリートに圧縮力が内蔵されます。荷重がかかると、鉄筋の応力が増加し、コンクリートの圧縮力は減少しますが、引張力にはなりません。コンクリートは常に圧縮状態にあるため、ひび割れや破損が起こりにくくなります。[ 43 ]
鉄筋コンクリートは、強度不足による機械的破損、あるいは耐久性の低下によって損傷を受ける可能性があります。腐食や凍結融解サイクルは、設計や施工が不適切な鉄筋コンクリートに損傷を与える可能性があります。鉄筋が腐食すると、酸化生成物（錆）が膨張して剥離し、コンクリートにひび割れを生じさせ、鉄筋とコンクリートの結合を断ちます。耐久性の問題を引き起こす典型的なメカニズムについては、以下で説明します。
Cracking of the concrete section is nearly impossible to prevent; however, the size and location of cracks can be limited and controlled by appropriate reinforcement, control joints, curing methodology and concrete mix design. Cracking can allow moisture to penetrate and corrode the reinforcement. This is a serviceability failure in limit state design. Cracking is normally the result of an inadequate quantity of rebar or rebar spaced at too great a distance. The concrete cracks either under excess loading or due to internal effects such as early thermal shrinkage while it cures.
Ultimate failure leading to collapse can be caused by crushing the concrete, which occurs when compressive stresses exceed its strength, by yielding or failure of the rebar when bending or shear stresses exceed the strength of the reinforcement, or by bond failure between the concrete and the rebar.[44]
Carbonation, or neutralisation, is a chemical reaction between carbon dioxide in the air and calcium hydroxide and hydrated calcium silicate in the concrete.
When a concrete structure is designed, it is usual to specify the concrete cover for the rebar (the depth of the rebar within the object). The minimum concrete cover is normally regulated by design or building codes. If the reinforcement is too close to the surface, early failure due to corrosion may occur. The concrete cover depth can be measured with a cover meter. However, carbonated concrete incurs a durability problem only when there is also sufficient moisture and oxygen to cause electropotential corrosion of the reinforcing steel.
One method of testing a structure for carbonation is to drill a fresh hole in the surface and then treat the cut surface with phenolphthalein indicator solution. This solution turns pink when in contact with alkaline concrete, making it possible to see the depth of carbonation. Using an existing hole does not suffice because the exposed surface will already be carbonated.
塩化物は、高濃度で存在すると、埋設された鉄筋の腐食を促進する可能性があります。塩化物アニオンは、鉄筋の局部腐食（孔食）と全面腐食の両方を引き起こします。そのため、コンクリートの練り混ぜには、新鮮な原水または飲料水のみを使用し、粗骨材と細骨材に塩化物が含まれていないことを確認し、塩化物を含む可能性のある混和材は使用しないようにしてください。
かつては、コンクリートの硬化を促進する混和剤として塩化カルシウムがよく用いられていました。また、凍結防止効果があると誤って信じられていた時期もありました。しかし、塩化物の有害な影響が明らかになると、この方法は廃れていきました。可能な限り使用を避けるべきです。
道路に散布される融雪剤は、水の凝固点を下げるために使用され、鉄筋コンクリートやプレストレストコンクリートの橋梁床版、道路、駐車場などの早期破損の主な原因の一つであると考えられています。エポキシ樹脂コーティングされた鉄筋の使用や陰極防食の適用により、この問題はある程度軽減されています。また、FRP（繊維強化ポリマー）製の鉄筋は塩化物に対する耐性が高いことが知られています。適切に配合され、十分に養生されたコンクリート混合物は、融雪剤の影響を効果的に受けません。
塩化物イオンのもう一つの重要な供給源は海水です。海水には重量比で約3.5%の塩類が含まれています。これらの塩類には、塩化ナトリウム、硫酸マグネシウム、硫酸カルシウム、重炭酸塩などがあります。水中では、これらの塩類は遊離イオン（Na⁺、Mg²⁺、Cl⁻、SO₄²⁻、HCO₃⁻ ）に解離し、水とともにコンクリートの毛細管に移動します。これらのイオンの約50%を占める塩化物イオンは、炭素鋼鉄筋の腐食の原因として特に強い性質を持っています。
1960年代から1970年代にかけては、塩化物に富む炭酸塩鉱物であるマグネサイトが床材として比較的よく使用されていました。これは主に床面の水平調整と遮音を目的としていました。しかし現在では、これらの材料が水分に触れると、マグネサイトに含まれる塩化物によって塩酸の希薄溶液が生成されることが知られています。この溶液は長期間（通常は数十年）かけて、埋め込まれた鉄筋の腐食を引き起こします。これは、湿気の多い場所や繰り返し水分にさらされる場所で最もよく見られました。
これは、骨材中に存在することがある非晶質シリカ（玉髄、チャート、珪質石灰岩）とセメント細孔溶液中の水酸化物イオン（OH⁻ ）との反応です。結晶性の低いシリカ（ SiO₂）は、アルカリ性水中で高pH（12.5～13.5）で溶解および解離します。溶解した解離ケイ酸は、細孔水中でセメントペースト中に存在する水酸化カルシウム（ポートランダイト）と反応し、膨張性のケイ酸カルシウム水和物（CSH）を形成します。アルカリシリカ反応（ASR）は、引張応力とひび割れの原因となる局所的な膨張を引き起こします。アルカリシリカ反応に必要な条件は、（1）アルカリ反応性成分（非晶質シリカ）を含む骨材、（2）十分な水酸化物イオン（OH⁻）の存在、および（3）コンクリート内部の相対湿度（RH）が75%以上であること、の3つです。 [ 45 ] [ 46 ]この現象は一般に「コンクリート癌」と呼ばれることもあります。この反応は鉄筋の有無に関係なく発生し、ダムなどの巨大なコンクリート構造物も影響を受ける可能性があります。
弱酸、特に硫酸塩に耐性があり、硬化が速く、耐久性と強度が非常に高いセメントです。第二次世界大戦後、プレキャストコンクリート製品の製造によく使用されました。しかし、特に適切に養生されていない場合、熱や時間（変換）によって強度が低下する可能性があります。高アルミナセメントを使用したプレストレストコンクリート梁で作られた3つの屋根が崩壊した後、このセメントは1976年に英国で禁止されました。その後の調査で梁が不適切に製造されていたことが判明しましたが、禁止は継続されました。[ 47 ]
土壌や地下水中の硫酸塩（SO₄ ）は、十分な濃度になると、コンクリート中のポルトランドセメントと反応し、エトリンガイトやソーマサイトなどの膨張性物質を生成し、構造物の早期破損につながる可能性があります。この種の腐食で最も典型的なのは、コンクリートスラブや基礎壁で、湿潤と乾燥を繰り返すことで硫酸イオン濃度が上昇する箇所です。濃度が上昇すると、ポルトランドセメントへの腐食が始まります。パイプなどの埋設構造物の場合、この種の腐食は、特に米国東部でははるかにまれです。土壌中の硫酸イオン濃度の上昇ははるかに遅く、特に土壌中の硫酸塩の初期量に依存します。土壌と接触するコンクリートを含むプロジェクトの設計段階では、土壌ボーリング調査による硫酸塩の存在を確認するための化学分析を実施する必要があります。硫酸塩濃度が腐食性が高いと判断された場合は、様々な保護コーティングを施すことができます。また、米国ではASTM C150タイプ5のポルトランドセメントを配合に使用することができます。このタイプのセメントは、硫酸塩攻撃に対する耐性が特に高いように設計されています。
鋼板構造では、平行に配置された鋼板を横梁で連結します。鋼板アセンブリは工場で製作され、現場で溶接されて横梁で連結された鋼壁を形成します。この壁がコンクリートを流し込むための型枠となります。鋼板構造は、鉄筋の結束や型枠の設置といった時間のかかる現場での手作業を省くことで、鉄筋コンクリート工事の工期を短縮します。また、鋼材が外側に配置されるため、引張力が最も大きい部分である外側の強度も非常に優れています。
繊維補強は主に吹付けコンクリートに使用されますが、通常のコンクリートにも使用できます。繊維補強された通常のコンクリートは、主に地上階の床や舗装に使用されますが、単独で、または手結びの鉄筋と併用して、梁、柱、基礎など、幅広い建築部材にも使用できます。
繊維（通常は鋼、ガラス、プラスチック繊維）またはセルロースポリマー繊維で補強されたコンクリートは、手結びの鉄筋よりも安価です。繊維の形状、寸法、長さが重要です。細くて短い繊維、例えば短くて毛のようなガラス繊維は、コンクリートを打設した後の最初の数時間のみ効果があります（その機能は、コンクリートが固まる間にひび割れを減らすことです）が、コンクリートの引張強度は増加しません。ヨーロッパの吹付けコンクリート用の標準サイズの繊維（直径1 mm、長さ45 mm、鋼またはプラスチック）は、コンクリートの引張強度を増加させます。繊維補強は、多くの場合、主鉄筋を補完または部分的に置き換えるために使用され、場合によっては、鉄筋を完全に置き換えるように設計することもできます。[ 48 ]
鋼は一般的に入手可能な繊維の中で最も強度が高く、[ 49 ]長さ（ ヨーロッパでは30～80mm）や形状（端フック）も様々です。鋼繊維は、腐食や錆び汚れに耐えられる、または防ぐことができる表面にのみ使用できます。場合によっては、鋼繊維の表面を他の材料で覆うこともあります。
ガラス繊維は安価で耐腐食性に優れているが、鋼鉄ほど延性はない。近年、東欧で長年利用されてきた紡績玄武岩繊維が、米国や西欧でも入手可能になった。玄武岩繊維はガラス繊維よりも強度が高く安価だが、従来はポルトランドセメントのアルカリ性環境に対する耐性が十分ではなく、直接補強材として使用できなかった。新しい材料では、プラスチックバインダーを用いて玄武岩繊維をセメントから分離している。
最高級繊維は、鋼鉄に匹敵する強度を持ちながら軽量で耐腐食性にも優れた、グラファイト強化プラスチック繊維である。カーボンナノチューブを用いた実験では有望な初期結果が得られているものの、建築材料としてはまだ高価すぎる。
非鋼鉄補強と繊維補強コンクリートの主題にはかなりの重複があります。非鋼鉄補強コンクリートの導入は比較的最近であり、非金属鉄筋と非鋼鉄（通常は非金属でもある）繊維をセメントマトリックスに組み込むという2つの主要な形態があります。たとえば、ガラス繊維強化コンクリート（GFRC）や、コンクリートに組み込まれたポリマー繊維のさまざまな用途への関心が高まっています。現在、これらの材料が金属鉄筋に取って代わるという示唆はあまりありませんが、特定の用途で大きな利点を持つものもあり、金属鉄筋が選択肢にならない新しい用途もあります。しかし、非鋼鉄補強の設計と適用には多くの課題があります。1つには、コンクリートは非常にアルカリ性の環境であり、ほとんどの種類のガラスを含む多くの材料は耐用年数が短いです。また、このような補強材の挙動は、せん断強度、クリープ、弾性などの点で金属の挙動とは異なります。[ 50 ] [ 51 ]
繊維強化プラスチック（FRP）およびガラス繊維強化プラスチック（GRP）は、ポリマー、ガラス、炭素、アラミド、その他のポリマー、または高強度繊維を樹脂マトリックスに埋め込んで、鉄筋、格子、または繊維状に成形したものです。これらの鉄筋は、鋼鉄製の鉄筋とほぼ同じ方法で設置されます。コストは高くなりますが、適切に使用すれば、特にコンクリート本来のアルカリ性や、コンクリート内部に浸透する可能性のある外部の腐食性流体による腐食問題を大幅に軽減できるなど、多くの利点があります。これらの構造物は大幅に軽量化でき、通常は耐用年数も長くなります。航空宇宙産業や軍事分野で広く採用されて以来、これらの材料のコストは大幅に低下しています。
特に、FRPロッドは、鋼材の使用が許容されない構造物において有用です。例えば、MRI装置は巨大な磁石を使用しているため、非磁性の建物が必要です。また、無線タグを読み取る料金所では、電波を通さない鉄筋コンクリートが必要です。さらに、コンクリート構造物の設計寿命が初期費用よりも重要な場合、鉄筋の腐食が主な故障原因となる状況では、非鋼材補強が有利になることがよくあります。このような状況では、耐腐食性補強材を使用することで、例えば潮間帯などにおいて、構造物の寿命を大幅に延ばすことができます。FRPロッドは、将来的にコンクリート構造物が劣化する可能性がある状況でも有用です。例えば、手すりを交換する際のバルコニーの端部や、防水膜の耐用年数よりも床構造の耐用年数がはるかに長いと考えられる多層建築物の浴室の床などが挙げられます。
プラスチック補強材は、多くの場合、鉄筋よりも強度が高く、少なくとも強度対重量比が優れています。また、耐腐食性があるため、鉄筋のように厚いコンクリート被覆 （通常30～ 50mm以上）を必要としません。そのため、FRP補強構造は軽量で長寿命になります。したがって、用途によっては、ライフサイクルコストは鉄筋コンクリートと同等の価格競争力を持つことになります。
FRPまたはGRP棒の材料特性は鋼とは大きく異なるため、設計上の考慮事項も異なります。FRPまたはGRP棒は引張強度が比較的高いものの剛性が低いため、たわみは同等の鋼鉄補強部材よりも大きくなる傾向があります。内部にFRP補強材を用いた構造物は、一般的に鋼鉄補強構造物の塑性変形能（延性）に匹敵する弾性変形能を有します。いずれの場合も、破壊は補強材の破断よりもコンクリートの圧縮によって発生する可能性が高くなります。たわみは常に鉄筋コンクリートの主要な設計上の考慮事項です。たわみ制限は、鋼鉄補強コンクリートのひび割れ幅を制御し、水、空気、またはその他の腐食性物質が鋼材に到達して腐食を引き起こすのを防ぐために設定されます。FRP補強コンクリートの場合、ひび割れ幅の制御の制限基準は美観と場合によっては防水性になります。FRP棒は鋼鉄鉄筋よりも圧縮強度が比較的低いため、鉄筋コンクリート柱の設計には異なるアプローチが必要です。
FRP補強材を使用する際の欠点の1つは、耐火性が限られていることです。防火安全性が考慮される場合、FRPを使用する構造物は、火災発生時に想定される温度でも強度と力の固定を維持する必要があります。耐火性を確保する ためには、適切な厚さのセメントコンクリート被覆または保護被覆が必要です。コンクリートに1 kg/m 3のポリプロピレン繊維を添加すると、模擬火災時の剥離が減少することが示されています。 [ 52 ]（この改善は、コンクリート本体から蒸気圧が拡散する経路が形成されるためと考えられています。[ 52 ]）
もう一つの問題は、せん断補強の有効性です。硬化前に曲げ加工を施したFRP鉄筋のせん断補強筋は、一般的に鋼製のせん断補強筋や直線状の繊維を用いた構造物と比べて性能が劣ります。歪みが生じると、直線部分と曲線部分の間の領域は、強い曲げ応力、せん断応力、および縦方向応力にさらされます。このような問題に対処するには、特別な設計技術が必要です。
複合材（グラスファイバー、玄武岩、炭素繊維）鉄筋などの先進材料を用いた既存構造物の外部補強への関心が高まっています。これらの材料は優れた強度を発揮します。世界各国では、Aslan、DACOT、V-rod、ComBarなど、様々な国で認知されている複合材鉄筋のブランドが数多く存在します。米国、ロシア、韓国、ドイツをはじめとする世界各国で、複合材鉄筋を用いたプロジェクト数は日々増加しています。
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