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繊維強化コンクリートまたは繊維強化コンクリート （FRC）は、構造の完全性を高める繊維材料を含むコンクリートです。均一に分布し、ランダムに配向した短い個別の繊維が含まれています。繊維には、スチール繊維、ガラス繊維、合成繊維、天然繊維が含まれます [1]。それぞれがコンクリートにさまざまな特性をもたらします。[2]さらに、繊維強化コンクリートの特性は、コンクリート、繊維材料、形状、分布、配向、密度によって異なります。[3]
歴史的観点
繊維を補強材として使用するという概念は新しいものではありません。繊維は古代から補強材として使用されてきました。歴史的には、馬の毛はモルタルに、わらは日干しレンガに使用されていました。1900年代には、アスベスト繊維がコンクリートに使用されました。1950年代には、複合材料の概念が生まれ、繊維強化コンクリートは興味深いトピックの1つでした。アスベストに関連する健康リスクが発見されると、コンクリートやその他の建築材料でこの物質の代替品を見つける必要がありました。1960年代までには、鉄、ガラス（GFRC ）、合成繊維（ポリプロピレンなど）がコンクリートに使用されるようになりました。新しい繊維強化コンクリートの研究は今日も続いています。[4]
繊維は、通常、コンクリートの塑性収縮や乾燥収縮によるひび割れを抑制するために使用されます。また、繊維はコンクリートの浸透性を低減し、水の浸出を低減します。繊維の種類によっては、コンクリートの耐衝撃性、耐摩耗性、耐粉砕性が向上します。より大きな鋼鉄または合成繊維は、特定の状況では鉄筋または鋼鉄を完全に置き換えることができます。繊維強化コンクリートは、トンネルセグメントなどの地下建設業界では鉄筋をほぼ完全に置き換えており、トンネルのライニングのほとんどが鉄筋の代わりに繊維強化されています。これは、部分的には鉄筋の酸化または腐食に関連する問題による可能性があります。[5] [6] [7]これは、水や激しい湿気が繰り返される気候にさらされる気候で発生する可能性があります。Surfside Building Collapseを参照してください。実際、一部の繊維はコンクリートの圧縮強度を実際に低下させます。[8]セメントマトリックス内のリグノセルロース繊維は、リグニンとヘミセルロースの加水分解により劣化する可能性があります。[9] [10]
コンクリート混合物に加えられる繊維の量は、複合材料 (コンクリートおよび繊維) の総体積に対する割合として表され、「体積分率」(V f ) と呼ばれます。V f は通常 0.1 ～ 3% の範囲です。アスペクト比 (l/d) は、繊維の長さ (l) をその直径 (d) で割って計算されます。非円形の断面を持つ繊維は、アスペクト比の計算に同等の直径を使用します。繊維の弾性係数がマトリックス (コンクリートまたはモルタルのバインダー) よりも高い場合、繊維は材料の引張強度を増大させることで荷重を支えるのに役立ちます。繊維のアスペクト比を増大させると、通常、マトリックスの曲げ強度と靭性が分割されます。長さが長いほどコンクリート内のマトリックスは良好になり、直径が細いほど繊維の数が増えます。各繊維ストランドが効果的であることを保証するには、最大骨材サイズよりも長い繊維を使用することをお勧めします。通常のコンクリートには、コンクリートの 35 ～ 45% にあたる 19 mm (0.75 インチ) 相当の骨材が含まれており、20 mm (0.79 インチ) より長い繊維の方が効果的です。ただし、繊維が長すぎて、処理時に適切に処理されないと、混合物の中で「ボール状」になり、作業性に問題が生じる傾向があります。
繊維はコンクリートの長期耐久性のために添加されます。ガラス[11]とポリエステル [12]はコンクリートのアルカリ性条件で分解し、コンクリートのさまざまな添加剤や表面処理にも使用されます。
高速1号トンネルのライニングには、直径18μmと32μmのポリプロピレン繊維を1kg/m3以上含むコンクリートが組み込まれており、以下に示す利点があります。 [13]細い直径のポリプロピレン繊維を追加すると、トンネルのライニングが強化されるだけでなく、事故による火災の際にライニングの「剥離」や損傷を防ぐことができます。[14]
利点
ガラス繊維には次のような特徴があります。
- 低コストでコンクリートの強度を向上します。
- 鉄筋とは異なり、あらゆる方向に引張補強を追加します。
- 完成したコンクリートの表面に見えるため、装飾的な外観が追加されます。
ポリプロピレン繊維とナイロン繊維には次のような特徴があります。
- 混合物の凝集性を改善し、長距離でのポンプ輸送性を改善します。
- 凍結融解耐性の向上
- 重度の火災が発生した場合の爆発的な剥離に対する耐性を向上
- 耐衝撃性と耐摩耗性の向上
- 硬化中のプラスチック収縮に対する耐性を向上
- 構造強度の向上
- 鉄筋の要件を削減
- 延性を向上させる
- ひび割れ幅を小さくし、ひび割れ幅を厳密に制御することで耐久性を向上
スチール繊維には次のような機能があります。
- 構造強度の向上
- 鉄筋の要件を削減
- ひび割れ幅を小さくし、ひび割れ幅を厳密に制御することで耐久性を向上
- 耐衝撃性と耐摩耗性の向上
- 凍結融解耐性の向上
天然（リグノセルロース、LC）繊維および/または粒子は、以下の効果を発揮します。[15] [16]
- 延性を向上させる
- ブリッジングによる亀裂制御に貢献
- 材料の環境への悪影響を軽減する（GWP - 地球温暖化係数）
- 体重を減らす
- LC（植物由来）繊維や粒子はセメントマトリックス内で分解する可能性がある[17] [18]
建設プロジェクトでは、鋼繊維とポリマー繊維の混合物がよく使用され、両製品の利点、すなわち鋼繊維による構造的改善とポリマー繊維による爆発性剥離およびプラスチック収縮に対する耐性を組み合わせることができます。
特定の状況では、鉄筋コンクリートの従来の鉄筋バー (「鉄筋」) を、スチール ファイバーまたはマクロ合成繊維で完全に置き換えることができます。これは、工業用床材で最も一般的ですが、他のプレキャスト アプリケーションでも使用されています。通常、これらは、性能要件が満たされていることを確認するために、実験室テストで裏付けられます。コンクリート内の鉄筋の最小量を義務付ける可能性がある、地域の設計コード要件も満たされるように注意する必要があります。スチール ファイバーのみで補強されたプレキャスト ライニング セグメントを使用するトンネル工事プロジェクトが増えています。
マイクロ鉄筋は最近、ACI 318第14章に従って設計された垂直壁の従来の補強材の代替としてテストされ、承認されました。[19]
いくつかの進展
一般的な建築部材に含まれるコンクリートの少なくとも半分は、鉄筋を腐食から保護します。繊維のみを補強材として使用するコンクリートは、コンクリートの節約につながり、それに伴う温室効果ガスの削減につながります。[20] FRCはさまざまな形状に成形できるため、設計者やエンジニアはより柔軟に作業を行うことができます。
高性能FRC（HPFRC）は、最大数パーセントのひずみまでひずみ硬化を維持できると主張しており、通常のコンクリートや標準的な繊維強化コンクリートと比較して、少なくとも2桁高い材料延性をもたらします。 [21] HPFRCは、独特のひび割れ挙動も主張しています。弾性範囲を超えて負荷がかかると、HPFRCは数パーセントの引張ひずみに変形した場合でも、ひび割れ幅を100μm未満に維持します。HPFRCとミシガン州運輸局の現場結果は、早期のひび割れにつながりました。[22]
橋梁床版の高性能繊維強化コンクリートに関する最近の研究では、繊維を添加することで残留強度が向上し、ひび割れが抑制されることがわかりました。[23] FRCは対照群よりも収縮が大きいにもかかわらず、FRCのひび割れは少なく、幅も狭かったです。残留強度は繊維含有量に正比例します。
天然繊維の使用は、主に環境への影響、リサイクル性、経済性への期待から研究対象となっている。[24] [25] セメントマトリックス中の天然繊維や粒子の劣化が懸念されている。[26]
リサイクルされたカーペット廃棄物の環境に優しい利用法として、コンクリートに廃棄カーペット繊維を使用する研究がいくつか行われた。[27]カーペットは通常、CaCO 3充填スチレンブタジエンラテックスゴム (SBR) で結合された裏地 (通常はポリプロピレンテープ糸の織物) と表面繊維 (大部分はナイロン 6 とナイロン 66 テクスチャード糸) の 2 層で構成される。このようなナイロン繊維とポリプロピレン繊維はコンクリートの補強に使用できる。リサイクル材料を繊維として使用する他のアイデアも登場しており、たとえばリサイクルポリエチレンテレフタレート(PET) 繊維などである。 [28]
標準
- EN 14889-1:2006 – コンクリート用繊維。鋼繊維。定義、仕様、適合性
- EN 14845-1:2007 – コンクリート中の繊維の試験方法
- ASTM A820-16 – 繊維強化コンクリートの標準仕様（廃止）
- ASTM C1116/C1116M - 繊維強化コンクリートの標準仕様
- ASTM C1018-97 – 繊維強化コンクリートの曲げ靭性と初期ひび割れ強度の標準試験方法（第 3 点荷重の梁を使用）（2006 年に廃止）
- CSA A23.1-19 付録 U - 超高性能コンクリート（繊維強化の有無にかかわらず）
- CSA S6-19、8.1 - 超高性能コンクリートの設計ガイドライン
参照
参考文献
- ^ Yan, Libo; Kasal, Bohumil; Huang, Liang (2016 年 5 月)。「土木工学におけるセルロース繊維、その繊維織物強化セメント、ジオポリマー、ポリマー複合材料の使用に関する最近の研究のレビュー」。複合材料パートB : エンジニアリング。92 :94–132。doi : 10.1016 /j.compositesb.2016.02.002。ISSN 1359-8368 。
- ^ M, Guadagnuolo; G, Faella; G, Frunzio; L, Massaro; D, Brigante (2023年1月1日). 「コンクリートおよび石造構造物におけるGFRPアンカーの容量」。Procedia Structural Integrity。XIX ANIDIS会議、イタリアの地震工学。44 ： 942–949。doi ：10.1016/j.prostr.2023.01.122。ISSN 2452-3216。
- ^ https://www.mdpi.com/1996-1944/15/23/8339 |https://doi.org/10.3390/ma15238339
- ^ ファイバーコンクリートの建設、Wietek B.、Springer 2021、268ページ; ISBN 978-3-658-34480-1
- ^ Baena, Marta; Torres, Lluís; Turon, Albert; Barris, Cristina (2009 年 12 月 1 日)。「引張試験によるコンクリートおよび FRP バー間の接着挙動の実験的研究」。複合材料パート B: エンジニアリング。40 (8): 784–797。doi : 10.1016 /j.compositesb.2009.07.003。ISSN 1359-8368 。
- ^ Tighiouart, B.; Benmokrane, B.; Gao, D. (1998年12月1日). 「繊維強化ポリマー (FRP) バーによるコンクリート部材の接着の調査」.建設および建築材料. 12 (8): 453–462. doi :10.1016/S0950-0618(98)00027-0. ISSN 0950-0618.
- ^ Pepe, M.; Mazaheripour, H.; Barros, J.; Sena-Cruz, J.; Martinelli, E. (2013 年 7 月 1 日)。「鋼繊維強化自己充填コンクリートに埋め込まれた GFRP バーの結合則の数値的較正」。複合材料パート B: エンジニアリング。50 :403–412。doi : 10.1016 /j.compositesb.2013.03.006。hdl : 1822 / 26253。ISSN 1359-8368。
- ^ “PP Fibres | India | XETEX INDUSTRIES PRIVATE LIMITED”. 2021年2月27日時点のオリジナルよりアーカイブ。
- ^ Li, Juan; Kasal, Bohumil (2023年7月). 「原子間力顕微鏡で測定したセメント環境における木材細胞壁表面の劣化メカニズム」. Journal of Materials in Civil Engineering . 35 (7). doi :10.1061/JMCEE7.MTENG-14910. ISSN 0899-1561.
- ^ Li, Juan; Kasal, Bohumil (2022年4月11日). 「木材細胞壁のバイオポリマーの接着力に対する熱老化の影響」. Biomacromolecules . 23 (4): 1601–1609. doi :10.1021/acs.biomac.1c01397. ISSN 1525-7797. PMC 9006222. PMID 35303409 .
- ^ ASTM C1116/C1116M - 06
- ^ コンクリートにおけるリサイクルPET繊維の機械的特性、材料研究。2012; 15(4): 679-686
- ^ 「ニュース - ファイバーが権威あるトンネル工事に非常に必要な保護を追加」 2007年9月27日。2007年9月27日時点のオリジナルよりアーカイブ。2017年2月5日閲覧。
{{cite web}}: CS1 maint: bot: 元の URL ステータス不明 (リンク) - ^ コンクリートトンネルライニングの防火、ピーター・シャトルワース著、Rail Link Engineering、英国
- ^ カサル、ボフミル;レシンスキー、モーリッツ。オーア、クリスチャン。ゲルト・ウンケルバッハ。 Wolperdinger、Markus (2020)、Neugebauer、Reimund (編)、「The Resource Principle」、Biological Transformation、ベルリン、ハイデルベルク: Springer、pp. 261–310、doi :10.1007/978-3-662-59659-3_14、ISBN 978-3-662-59659-3、 2024年4月10日閲覧
- ^ Wang, Bo; Yan, Libo; Kasal, Bohumil (2022年3月1日). 「ココヤシ繊維およびココヤシ繊維強化セメント系複合材料のレビュー（2000～2021年）」。Journal of Cleaner Production . 338 :130676. doi :10.1016/j.jclepro.2022.130676. ISSN 0959-6526.
- ^ Li, Juan; Kasal, Bohumil (2022年4月11日). 「木材細胞壁のバイオポリマーの接着力に対する熱老化の影響」. Biomacromolecules . 23 (4): 1601–1609. doi :10.1021/acs.biomac.1c01397. ISSN 1525-7797. PMC 9006222. PMID 35303409 .
- ^ Li, Juan; Kasal, Bohumil (2023年7月). 「原子間力顕微鏡で測定したセメント環境における木材細胞壁表面の劣化メカニズム」. Journal of Materials in Civil Engineering . 35 (7). doi :10.1061/JMCEE7.MTENG-14910. ISSN 0899-1561.
- ^ 評価レポート core-construction-products.com
- ^ 「ホーム | 建物の設計 + 建設」。
- ^ Bagher Shemirani、Alireza（2022）、「繊維の組み合わせがハイブリッド鉄筋コンクリートの破壊抵抗に与える影響」、イラン科学技術ジャーナル、土木工学トランザクション、46（3）、Springer：2161–2172、doi：10.1007 / s40996-021-00703-x、S2CID 237755564
- ^ Li, V.; Yang, E.; Li, M. (2008 年 1 月 28 日)、ひずみ硬化セメント系複合材料に基づくジョイントレス橋床版の耐久性リンク スラブの現場実証 - フェーズ 3: 収縮制御(PDF)、ミシガン州運輸局
- ^ ACI 544.3R-93: 鋼繊維強化コンクリートの仕様、配合、混合、配置、仕上げに関するガイド、アメリカコンクリート協会、1998
- ^ Wang, Bo; Yan, Libo; Kasal, Bohumil (2022年3月1日). 「ココヤシ繊維およびココヤシ繊維強化セメント系複合材料のレビュー（2000～2021年）」。Journal of Cleaner Production . 338 :130676. doi :10.1016/j.jclepro.2022.130676. ISSN 0959-6526.
- ^ Hamada, Hussein M.; Shi, Jinyan; Al Jawahery, Mohammed S.; Majdi, Ali; Yousif, Salim T.; Kaplan, Gökhan (2023年6月1日). 「セメントコンクリートへの天然繊維の応用：批評的レビュー」. Materials Today Communications . 35 : 105833. doi :10.1016/j.mtcomm.2023.105833. ISSN 2352-4928.
- ^ Li, Juan; Kasal, Bohumil (2023年7月). 「原子間力顕微鏡で測定したセメント環境における木材細胞壁表面の劣化メカニズム」. Journal of Materials in Civil Engineering . 35 (7). doi :10.1061/JMCEE7.MTENG-14910. ISSN 0899-1561.
- ^ Wang, Y.; Wu, HC.; Li, V. (2000 年 11 月). 「リサイクル繊維によるコンクリート補強」. Journal of Materials in Civil Engineering . 12 (4): 314–319. doi :10.1061/(ASCE)0899-1561(2000)12:4(314).
- ^ Ochia, T.; Okubob, S.; Fukuib, K. (2007 年 7 月). 「リサイクル PET 繊維の開発とコンクリート補強繊維としての応用」.セメントおよびコンクリート複合材料. 29 (6): 448–455. doi :10.1016/j.cemconcomp.2007.02.002.