コンクリートの破壊の力学とひび割れの制御

コンクリートの破壊の力学とひび割れの制御

著者 三橋 博三

東北大学最終講義 東北大学最終講義 2010 2010年年33月月2020日日 東北大学最終講義 東北大学最終講義

コンクリートの破壊の力学と

コンクリートの破壊の力学と

ひび割れの制御

ひび割れの制御

三橋 三橋 博三博三 三橋 三橋 博三博三

講義内容

講義内容

1. はじめに 2 ミクロ メゾ マクロの破壊の力学 2. ミクロ・メゾ・マクロの破壊の力学 3. 破壊進行領域と引張軟化則壊 張 4. ハイブリッド型繊維補強セメント複合材 5. 自己修復・インテリジェントコンクリート 6 おわりに 6. おわりに 2

1946年（昭和21年）11月 山形県寒河江市に生れる 山形県寒河江市に生れる

1969年（昭和44年）4月 建築構造力学研究室配属 建築構造力学研究室配属 教 授：坪井 善勝先生 （～1971年3月） 助教授 高橋 武雄先生 （ 1972年3月） 助教授：高橋 武雄先生 （～1972年3月） 助 手：山田 雄司先生 助 手：山田 雄司先生 大学紛争 時代 z 大学紛争の時代 - 大学院教育のあり方 - 工学と産学共同 z そして誰もいなくなった 4 z そして誰もいなくなった・・・

武谷三男の３段階論（その１）

武谷三男の３段階論（その１）

『現象論的段階』

z 現象の記述、実験結果の記述

武谷三男の３段階論（その２）

武谷三男の３段階論（その２）

『実体論的段階』 z 現象が起る実体的構造の究明 z 記述された現象の整理と法則性の発見 z 記述された現象の整理と法則性の発見 6

武谷三男の３段階論（その３）

武谷三男の３段階論（その３）

『本質論的段階』 z 諸実体の相互作用による必然的運動の 結果として現象を説明できる本質的法則 結果として現象を説明できる本質的法則 の発見 7

S.P.チモシェンコの「材料力学史」ゼミ

S.P.チモシェンコの 材料力学史」ゼミ

8

1972年（昭和47年）9月 建築構造力学研究室の新陣容 建築構造力学研究室の新陣容 教 授：和泉 正哲先生 （建築研究所より赴任） 助 手：山田 雄司先生（～1974年3月） z 理論モデルの構築と簡単な実験による検証理論 デルの構築と簡単な実験による検証 z コンピュータシミュレーションの効用 z 「世界」に通用する研究成果をめざせ 9

コンクリートの応力－ひずみ関係

コンクリ トの応力

ひずみ関係

100 ％ ） 75 強 度（ ％ 50 圧縮 強 30 応 力／ 応 10 ひずみ 10

応力レベルとひび割れの進展

応力レ ルとひび割れの進展

（a）載荷前 （b）終局荷重の65％

11

マクロな現象とその生起メカニズム

マク な現象とその生起メカ ズム

100 ％ ） マトリックスクラックの_{急激な進展} 75 強 度（ ％ ボンドクラックと マトリックスクラックの 50 圧縮 強 ゆっくりした進展・連結 ボンドスクラックの 30 応 力／ ボンドスクラックの ゆっくりした進展 応 潜在ひびわれからの わずかなクラック進展 12 ひずみ 10

コンクリートの材料構造（メゾレベル）

コンクリ トの材料構造（メゾレ ル）

コンクリートの材料構造（ミクロレベル）

コンクリ トの材料構造（ミク レ ル）

：C-S-H ：CH ：ｴﾄﾘﾝｶﾞｲﾄ C-A-S-H 骨材 遷移帯 硬化ｾﾒﾝﾄﾍﾟｰｽﾄ相 内川浩：セメント・コンクリート、No.407、1981

硬化セメントペーストの微細構造

硬化セメント

ストの微細構造

：未水和セメント粒子 ：密に充填したType lll ：密に充填したType lll C-S-H ：粗に分布したType l C-S-H ：水酸化カルシウム Ca(OH)₂ ：エトリンガイト ：モノサルフェート水和物 ：毛細管空隙 ：ゲル空隙

コンクリート内の様々な空隙

コンクリ ト内の様々な空隙

エントラップドエア セメントペースト中のCa(OH)₂ およびモノサルフェート水和物 (AFm)の6角板結晶 エントレインドエア ン ラッ ア ゲル空隙 C-S-H層間の 結晶内空隙 毛細管空隙 凍結融解を低減する 最大気泡 0.001μm 1nm 細管空隙 C-S-Hの析出相の大きさ 0.01μm 10nm 0.1μm 100nm 1μm 1000nm 10μm 104_nm 100μm 105_nm 1μm 106_nm 10μm 107_nm

材齢と共に変化する材料の微細構造

材齢と共に変化する材料の微細構造

ポルトランドセメント ポルトランドセメント 100 c c/cc） 強度 0.4 ₈₀ ル 空隙 率（ c m m 2 ） 全空隙率 60 空 隙率・ ゲ ル 縮 強度（N/ m ゲル空隙率 0.2 ₄₀ 率 ・毛細管 空 圧 縮 ゲル空隙率 毛細管空隙率 20 全空隙 率 0 1 3 7 28 91 180

コンクリートの複雑な材料構造

コンクリ トの複雑な材料構造

対象とする 構造レベル 非均質性の要因 対象とする オーダー 応力歪特性 モデルのタイプ マクロレベル （巨視） 擬似均質 100mm以上 非線形 構造工学モデル メゾレベル （中間） 介在物（骨材） 大きい空隙 0.1mm～10mm 擬似線形 材料工学モデル ミクロレベル （微視） 小さい空隙 0.1mm以下 線形 材料科学モデル 18

旧来のコンクリート材料に関する多くの研究 旧来の ンクリ ト材料に関する多くの研究 O t t O t t Black Box Input Input

？

Output 実験式 経験則 Output 実験式 経験則 経験則 経験則 調合 骨材 骨材 養生条件 試験条件 19 試験条件

コンクリート構造の新技術を生み出す 研究の流れ 研究の流れ より 般化 より 般化 Black Box Input Input ？ Output 現象を表現 する法則 Output 現象を表現 する法則 ・より一般化 された設計式 ・新材料開発 ・より一般化 された設計式 ・新材料開発 ？ _{する法則する法則} ・etc. ・etc. Black Box内の メカニズムの解明 Output （現象を支配する科学法則） 20

横堀武夫先生の理論モデルとの出会い 横堀武夫先生の理論 デルとの出会 z ミクロとマクロを結合した破壊力学 z 物質および固体の強度と破壊の z 物質および固体の強度と破壊の 確率過程論 21

学位論文 学位論文 1975年4月～：東北大学工学部 助手 1976年1月 博士課程修了 1976年1月：博士課程修了 確率過程論に基づいたコンクリートの 破壊現象の基礎的統一理論 22

初めての国際会議出席とWittmann先生 との遭遇

との遭遇

約30年前のWittmann先生

約 年前の 先生

Wittmann先生との様々な共同研究先生との様 な共同研究

オランダ・デルフト工科大学への留学

1978年（昭和53年）10月 1979年9月

1978年（昭和53年）10月～1979年9月

ミクロ・メゾ・マクロの破壊力学

ミク ゾ ク の破壊力学

各荷重条件下の状態遷移図 各荷重条件下の状態遷移図 単調増加荷重 生存確率 : P0 (t) 状態 σ 1 状態 0 t 持続荷重 （静的疲労） 0 σ2 σ1 σ3 σ(t) （静的疲労） σ 状態 繰返し荷重 0 t 0 t2 t3 t1 t （動的疲労） σ 状態 28 0 t 0 N1 N2 N3 N

確率過程の状態遷移図 確率過程の状態遷移図 1-p01 1 -p01 -1 0 非破壊状態 破壊状態 29

一軸圧縮応力下の骨材周りの ひび割れ進展挙動（光弾性皮膜法） ひび割れ進展挙動（光弾性皮膜法） 強くて剛性の高い骨材の場合 強くて剛性の高い骨材の場合 弱くて剛性の低い骨材の場合 弱くて剛性の低い骨材の場合 30

一軸圧縮応力下のモデルコンクリート軸圧縮応力下の デル ンクリ ト d₂₂ d₁ 骨材の配置 （d₁=60mm_、d 2=40mm） 31

非均質材料中の局所的な破壊条件 非均質材料中の局所的な破壊条件 影響因子： （１）局所的な材料強度 32 （２）局所的な応力の大きさと組み合わせ状態

微小ひび割れに作用する局所応力 微小ひび割れに作用する局所応力

sσ sσ

・ひび割れは引張応力に弱い

空隙・骨材周りの応力の変化（引張破壊） 空隙 骨材周りの応力の変化（引張破壊） σ σ s << s s₁σ s₂σ s₁ << s 2 σ σ s₁σ s₂σ 34 σ σ s₁ << s 2

空隙・骨材周りの応力の変化（圧縮破壊） 空隙 骨材周りの応力の変化（圧縮破壊） σ σ s₁∣σ∣ s₂∣σ∣ ＞ σ σ σ s₁ ＞ s 2 s₂∣σ∣ s₁∣σ∣ _s 2╹∣σ∣ s₁ ＞ s 2 (s2╹) 2 ∣ ∣ 35 σ 1 2 2

破壊進展に伴う局所応力の変化 破壊進展に伴う局所応力の変化 （１） 引張破壊 （i） → （ii） （１） 引張破壊 （i） → （ii） （２） 圧縮破壊 （ii） → （i） f (s) (i) (ii) (ii) 36 0 s

要素の状態遷移図 要素の状態遷移図 - 1 p01 -1-p01 1 1 0 [Type A] _{0 1} [ ype ] （脆性破壊型） 1-p- 1-p- 1 非破壊状態 破壊状態 1-p01 1-p12 p01 -p12 -1 [Type B] 播 ₀ p01 ₁ p12 ₂ 初期 安定ひび割れ （発生・伝播型） 破壊 37 状態 状態 状態

各モデルによる力学的挙動概念図 各 デルによる力学的挙動概念図 Type A モデル Type B モデル σ 38 0 ε_A ε_B ε

非均質性と破壊強度分布の変化 非均質性と破壊強度分布の変化 eq. (1) ln (-ln P (σ) ) = 19.240 ln (σ) _{– 81.885} ( ) ( ( ) ) ( ) 3 eq. (2) ln (-ln P (σ) ) = 21.896 ln (σ) – 93.956 eq. (3) ln (-ln P (σ) ) = 12.876 ln (σ) – 56.120 3 2 1 0 -1 -2 -3 60-0 60 20 -4 4 1 4 2 4 3 4 4 4 5 4 6 60-20 60-100 39 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 lnσ

スラブの曲げ強度に及ぼす 載荷速度の影響 載荷速度の影響 3.5 f0 | 2 5

Theoretical Curves (Eq. 4.1)

p0 = 0.01 ton/sec β = 13 5 ； d = 5 cm . f / f | | 2.5 β 13.5 ； d 5 cm β = 12.0 ； d =3 cm 1.5 -1 1 3 5 7 . . 40 0.5 log (P/P0) . .

引張強度への寸法効果

引張強度 の寸法効果

Prisms

Cylinders after Z. Spetla etal

Present Theory > f / f0 -y （β = 16.72, L1/L0 = 5120.48,） m0 = 1000, Prism Specimen （β = 17.96, L1/L0 = 9647.25,） 1.1 m0 = 1767, Cylinder Spec. 1.0 h Ratio 0.9 Strengt h 0.8 41 1 2 3 4 5

圧縮強度への寸法効果 圧縮強度 の寸法効果 f / f -f / -f0 1.2 ATIO 1.0 RENGTH R A 0.8 ST 0 1 2 3 4 5 6 7 8 m /m00

after the Land Development Bureau of the U.S.A. (cylinder, m0 = 15cmφ×30cm)

after H.F. GONNERMAN ( 〃 , 〃 ) after S. RAJENDRAN (cubic, m0 = 10cm×10cm×10cm)

ft BURCHARZT ( )

42 after BURCHARZT ( 〃 , 〃 )

クリープ破壊への材齢効果 クリ プ破壊 の材齢効果 η 1.0 1.0 0.8 1.0 τ= 1 day 0.8 1.0 0.8 τ= 3 days τ= 7 days 1.0 0.8 τ= 14 days 1.0 0.8 1.0 τ= 28 days 0.8 1.0 τ= 56 days τ= 90 days 43 0.8 τ= 90 days 0.05 0.1 0.2 0.5 1 2 5 10 20 50 100 500 1000 min. t

コンクリートの破壊力学

コンクリートの破壊力学

破壊進行領域と引張軟化則

破壊進行領域と引張軟化則

静かな港で突然破壊したタンカー 静かな港で突然破壊したタンカ スケネクタディー号（1943年1月） 45 スケネクタディー号（1943年1月） 岡村弘之：線形破壊力学、培風館、1976年

いわゆる「破壊力学」とは？わゆる 破壊力学」とは

いわゆる「破壊力学」とは？わゆる 破壊力学」とは

いわゆる「破壊力学」とは？わゆる 破壊力学」とは

Dugdaleモデルg デル

割れ目先端近傍の微細ひび割れ挙動 割れ目先端近傍の微細ひび割れ挙動

引張破壊時のひずみ分布とそのモデル化 引張破壊時のひずみ分布とその デル化

（a） 実際のひずみ分布

51

引張応力下の結合力－ひび割れ幅 関係曲線 関係曲線 結合力 結合力 ひび割れ幅 52

微細ひび割れ累積段階 微細ひび割れ累積段階

可視ひび割れ発生段階 可視ひび割れ発生段階

結合力分布と有限要素モデルの 等価節点力

等価節点力

1980～1990年代のコンクリートの 破壊力学の主たる研究テ マ 破壊力学の主たる研究テーマ －合理的な破壊力学 パラメータ 中では一体何が 起っているのか？ どのように 利用可能か？ コンクリ ト －合理的な数理 モデル 起っているのか？ 利用可能か？ コンクリート 内のひび割れ コンクリートおよび コンクリート構造物 定量的評価法 －定量的評価法 －計算技術・数値解法 破壊進行領域 基 礎 _{応 用} 56 礎 _{応 用}

楔挿入型割裂試験とAE観測

楔挿入型割裂試験と 観測

AE観測結果の例 AE観測結果の例

58

破壊進行領域の拡がり 破壊進行領域の拡がり

最大骨材粒径小 最大骨材粒径大

59

計算で得られた荷重－変位曲線と 引張軟化特性との関係

引張軟化特性との関係

60

普通コンクリート（NC）と 軽量コンクリ ト（LC）の引張軟化挙動 軽量コンクリート（LC）の引張軟化挙動 1.0 0.8 f_t σ LC 力 比 0.6 0.4 _δ tot NC δ 引張応 力 140 0.2 tot 140 0 20 40 60 80 100 120 δ(μm) 61

逆解析によるパラメータ推定

逆解析による ラ タ推定

ひび割れ先端の作用結合力 ひび割れ先端の作用結合力 仮想ひび割れ 新たに形成された ひび割れ （a） 63

最適なパラメータは？ 最適な ラ タは 第1軟化勾配 力 結合応 力 第2軟化勾配 可視ひび割れ （b） 64 ひび割れ幅

ALC板のオートクレーブ養生時間と 荷重 変形関係 荷重・変形関係 k N） 荷重（ k 65 ひび割れ開口変位（μm）

ALC板のオートクレーブ養生時間と 結晶構造（ ）2時間 （b）16時間

結晶構造（a）2時間、（b）16時間

養生時間の影響 養生時間の影響 （ ） 第1軟化勾配 第2軟化勾配 応力 （a） 第2軟化勾配 可視ひび割れ 結合 ひび割れ幅 （b） f t (MPa) （b） W2 (mm) f 67 養生時間

引張軟化曲線の変化 引張軟化曲線の変化 合 応力 結 合 68 ひび割れ幅

寸法効果 寸法効果

寸法の異なる試験体内のひび割れ伝播 に伴うエネルギ の解放の違い

に伴うエネルギーの解放の違い

Bazantの寸法効果則の寸法効果則

寸法効果則の大論争 寸法効果則の大論争

3種類のひび割れ幅－結合力モデル種類のひび割れ幅 結合力 デル 骨材最大粒径 32mm 骨材最大粒径 16mm 骨材最大粒径 8mm Pa） 合 力（M P 結 合 73 ひび割れ幅（mm）

割裂試験体解析モデル 割裂試験体解析 デル

割裂試験破壊強度の寸法効果 割裂試験破壊強度の寸法効果

直接引張試験体解析モデル 直接引張試験体解析 デル

引張試験破壊強度の寸法効果 引張試験破壊強度の寸法効果

ミクロ・メゾ・マクロの階層構造と 破壊の力学の情報の流れ

破壊の力学の情報の流れ

ハイブリッド型繊維補強による

ハイブリッド型繊維補強による

高靭性セメント複合材の開発

高靭性セメント複合材の開発

高靭性繊維補強セメント系複合材料の開発

(A)

複数ひび割れの

複数ひび割れの発生による発生によるHPFRCCHPFRCCの擬似ひずみ硬化・高靭性化の擬似ひずみ硬化・高靭性化

(High Performance Fiber Reinforced Cementitious Composite)

(C) 擬似ひずみ硬化 (複数ひび割れ) ( ) 力 (A) (B) (C) (B) 複数ひび割れ HPFRCC 応 力 (A) (C) 局所化 FRCC Matrix 伸び (C) 局所化 80

高靭性繊維補強セメント系複合材料の 材料設計法に関する研究

材料設計法に関する研究

架橋繊維

複数ひび割れの発生によるFRCCの高靭性化

(High Performance Fiber Reinforced Cementitious Composite)

架橋繊維 セメント系母材 界面 繊維 混入率／形状／剛性 界面 _{剛性／破壊靱性} 付着特性／スナッビング効果 混入率／形状／剛性 繊維やセメント系母材の構成要素と、その界面の力学的挙動を明らかにして、 材料から構造部材 ケ ル 隔たりを埋める性能設計を目指す 81 材料から構造部材へのスケールの隔たりを埋める性能設計を目指す

HFRCC（一軸引張試験）（ 軸引張試験） 5 3 4 ss(MPa) H40PE6A Polyethylene 6mm 1.0vol.% 2 3 sile stre s 0 1 2 3 4 o yet y e e 6 .0vo .%

Steel cord 32mm 1.0vol.% W/B=40% 0 1 ten s 0 1 2 3 4 strain(%) 直径 高さ 82 直径 :100mm, 高さ :200mm （独）建築研究所との共同研究

切欠き梁の三点曲げ試験

切欠き梁の 点曲げ試験

曲げ試験結果（ハイブリッド効果） 曲げ試験結果（ イブリッド効果） 4 FRCC 4 FRCC 2 FRCC Steel cord-1.5% loa d( kN ) 2 FRCC Polyethylene-1.5% loa d( kN ) 0 0 1 2 3 4 5 l CMOD(mm) 0 0 1 2 3 4 5 l CMOD(mm)

(a) FRCC containing only steel cord (b) FRCC containing only polyethylene fiber

6 6

Composite graph Steel cord-1.5%

(a) FRCC containing only steel cord. (b) FRCC containing only polyethylene fiber.

2 4 HFRCC lo ad (k N ) 2 4 lo ad( kN ) _{Polyethylene-1.5%} 0 1 2 3 4 5 0 Steel cord-1.5% Polyethylene-1.5% CMOD(mm) 0 0 1 CMOD(mm)2 3 4 5 (Kawamata et al. 2003) CMOD(mm) CMOD(mm)

(c) HFRCC containing both steel cord and polyethylene fiber.

(d) Composite graph composed of (a) and (b).

切欠き周りのひび割れ挙動 切欠き周りのひび割れ挙動 (a) スチールコードのみ _{(b) ハイブリッド型繊維補強} 85 (Kawamata et al. 2003) (a) スチ ルコ ドのみ _{(b) ハイブリッド型繊維補強}

スナッビング効果ナッ ング効果 合成力 粗表面による 付着力 摩擦抵抗増大効果 付着力 86

繊維一本の引抜試験用治具 繊維 本の引抜試験用治具 載荷用グリップ 固定用ボルト 離 剥離膜 繊維 繊維 モルタル 固定用ボルト 固定用ボルト 載荷用フリップ 87 載荷用フリップ

繊維一本の引抜試験 繊維 本の引抜試験 Side A LVDT 88 Side A

2種類の鋼繊維種類の鋼繊維 長さ 直径 引張 強度 ヤング 率 mm μm MPa GPa SC 32.0 405 2,850 206 SF 32.5 401 2,335 210 SF 32.5 401 2,335 210 1mm 1mm 89 スチールコード (SC) 丸棒状鋼繊維 (SF)

丸棒状鋼繊維の引抜挙動 （傾斜角の影響） （傾斜角の影響） 60 70 80 (N ) 0 D E GRE E 15 DE G REES 60 70 80 （ N） 3 0 D E G R EE S 60 70 80 (N ) 20 30 40 50 u l l-Out Load 20 30 40 50 l l-Out L oad （ 20 30 40 50 u l l-Ou t Loa d 0 10 P 0 10 Pu 0 10 P u 80 45 DE GREES 80 60 DE GREES 40 50 60 70 80 Lo ad (N) 45 DE GREES 40 50 60 70 t Loa d (N ) プ 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 10 20 30 Pu l l -O ut 0 10 20 30 Pul l-Ou t （プレーンモルタル） 90 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Disp lacemen t（ mm）

スチールコードの引抜挙動 （傾斜角の影響） （傾斜角の影響） 6 0 7 0 8 0 0 D EGREE N） 1 5 DE G R E E S 6 0 7 0 8 0 N） 3 0 DE G R E E S 6 0 7 0 8 0 N） 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 l -Out Load（ 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 l -Ou t L oad （ N 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 l -Out L oa d（ N 0 1 0 2 0 Pu l 0 1 0 2 0 Pu l 0 1 0 2 0 Pu l 4 5 DE G R E E S 8 0 60 DE GREES 8 0 プ 4 5 DE G R E E S 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 Load（N ） 60 DE GREES 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 L oad（N ） （プレーンモルタル） 0 1 0 2 0 3 0 Pu l l -Ou t 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 0 1 0 2 0 3 0 P ull -Out 91 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 D i s p la c e m e n t（ m m ）

引抜き試験後のコーン形状 （傾斜角60℃の場合） （傾斜角60℃の場合） PLM-SC PEM-SC SC プレーンモルタル （写真拡大率2倍） SC 繊維補強モルタル （写真拡大率14倍） 92 （写真拡大率2倍） （写真拡大率14倍）

剥落したコーン状ブロックの直径

剥落した ン状ブ ックの直径

ｄ

剥落したコーン状ブロックの 直径と傾斜角度 直径と傾斜角度 20 PLM-SC PLM-SF PEM-SC16 y=3+0.083x y=9.5+0.107x y=1.63+0.013x 15 （mm） 10 a m e ter 径 （mm） 5 Di a 直 径 0 0 15 30 45 60 Angle 94 (埋込み深さ = 16mm) Angle

高靭性セメント系複合材料の構造利用

高靭性セメント系複合材料の構造利用

高靭性セメント系複合材料の構造利用

高靭性セメント系複合材料の構造利用

（１）異形鉄筋周りの付着ひび割れ

（１）異形鉄筋周りの付着ひび割れ

（１）異形鉄筋周りの付着ひび割れ

（１）異形鉄筋周りの付着ひび割れ

とテンションスティフニング

とテンションスティフニング

とテンションスティフ ング

とテンションスティフ ング

（２）柱のせん断破壊と損傷軽減

（２）柱のせん断破壊と損傷軽減

（２）柱のせん断破壊と損傷軽減

（２）柱のせん断破壊と損傷軽減

普通コンクリートの付着ひび割れ 普通 ンクリ トの付着ひび割れ

内部のひび割れ構成

テンションスティフニング テンション ティフ ング

コンクリートの引張の影響 荷重ー変位曲線 コンクリ トの引張の影響 荷重 変位曲線

付着ひび割れ挙動観察の試験体概要 付着ひび割れ挙動観察の試験体概要 割裂防止筋 造影剤注入用銅管 割裂防止筋 X線造影用空洞 試験体 切欠き X線観察領域 異形鉄筋(D16) LVDT LVDT 試験体寸法 長さ: 500mm 幅 幅: 140mm 厚さ: 70mm 東北学院大学・大塚浩司先生との共同研究

実験結果 引張応力－歪関係 実験結果 引張応力 歪関係 700 500 600 Pa) 400 500 力 (M P 200 300 PE FRCC 引 張応 力 0 100 PE-FRCC W/B=40% Vf=1.5% 引 線 ポ 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 歪 (%) ：X線透過撮影ポイント (載荷前、初期ひび割れ時、降伏点、歪約0.7%、歪約1.1%) ( )

実験結果 X線透過撮影（FRCC-1） 実験結果 線透過撮影（ ） (1) 載荷前 _{(3) 降伏開始時} 図 3 1 ひび割れ状況 図 3.1a ひび割れ状況 FRCC (PE: Vf=1.5%) 100 (2) マトリックス初期ひび割れ付近

実験結果 X線透過撮影（FRCC-2） 実験結果 線透過撮影（ ） (3) 降伏開始時 (5) 歪 1.1% 図 3 1ｂ ひび割れ状況 図 3.1ｂ ひび割れ状況 FRCC (PE: Vf=1.5%) 101 (4) 歪 0.7%

実験結果 X線透過撮影（HFRCCb-1） 実験結果 線透過撮影（ ） (1) 載荷前 (3) 降伏開始時 図 3 3a ひび割れ状況 図 3.3a ひび割れ状況 HFRCCb (PE: Vf=1.0%, SC: Vf=1 0%) 102 SC: Vf 1.0%) (2) マトリックス初期ひび割れ付近

実験結果 X線透過撮影（HFRCCb-2） 実験結果 線透過撮影（ ） (3) 降伏開始時 (5) 歪 1.1% 図 ひび割れ状況 図 3.3b ひび割れ状況 HFRCCb (PE: Vf=1.0%, SC: Vf=1 0%) 103 SC: Vf=1.0%) (4) 歪 0.7%

両引き試験により得られた 引張応力 歪関係 引張応力－歪関係 700 600 700 ) 400 500 (M P a) 300 400 st re ss 200 tensile 0 100 FRCC HFRCCa HFRCCb Bar t 104 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 strain (%)

実験結果 X線透過撮影（降伏開始時） 実験結果 線透過撮影（降伏開始時） FRCC HFRCCb 図3.4 降伏開始時の ひび割れ状況 105 HFRCCa

柱の水平繰返し加力実験 柱の水平繰返し加力実験 普通コンクリート HFRCC 普 (帯筋間隔 = 67mm) (帯筋間隔 = 150mm) 106 （独）建築研究所・福山洋博士＆諏訪田晴彦博士との共同研究

柱の復元力特性の比較 柱の復元力特性の比較 普通コンクリート FRCC 普 (帯筋間隔 = 67mm) (帯筋間隔 = 150mm) 200 水平力 (kN) 200 水平力 (kN) 100 150 200 100 150 200 -50 0 50 50 0 50 -150 -100 -50 No.15 -150 -100 -50 No.13 -200 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 部材角 (rad.) -200 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 部材角 (rad.) 107 （独）建築研究所・福山洋博士＆諏訪田晴彦博士による実験結果

定軸力柱実験 定軸力柱実験 変動因子 コンクリ トの種類 ・ひび割れ分散効果 コンクリートの種類 （NC，HFRCC） 共通因子 b×D=200×400，L=800 (mm) 配筋 pw=0.2%，軸力比 0.1 ・高い変形性能 割 除荷時せん断ひび割れ幅 0.3mm以下（1/25rad.） 500 500 普通コンクリート _HFRCC 配筋 pw 0.2%，軸力比 0.1 1/10rad.まで軸力を保持 200 300 400 500 HF‐PE‐02 200 300 400 500 N‐02 1/200rad. せん断破壊 k N) N ) 200 -100 0 100 せ ん断 力 (k N ) 200 -100 0 100 せ ん断 力 (k N ) せん 断力 (k せ ん断 力 (k N 1/10rad -500 -400 -300 -200 せ -500 -400 -300 -200 せ 最大耐力 主筋降伏 帯筋降伏 P⊿effect せ _1/10rad. -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 部材角 (×10‐3_rad.) -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 部材角 (×10‐3_rad.) 東北大学・前田匡樹先生との共同研究

発想の転換

発想の転換

「人工欠陥」混入による高靭性化 「人工欠陥」混入による高靭性化

雲母の混入量とモルタルの破壊靭性 の関係

の関係

曲げ荷重とひび割れ開口変位の関係

曲げ荷重とひび割れ開 変位の関係

人工欠陥によるHFRCCの高靭性化 人 欠陥による の高靭性化 4.0  _4.0  2.5  3.0  3.5  M Pa ) 2 5 3.0  3.5  M Pa ) 1 0 1.5  2.0  引張応力 (M 1.5  2.0  2.5  引張応力 (M 0.0  0.5  1.0  パーライト無混入 0.0  0.5  1.0  パーライト混入 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 ひずみ(%) 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 ひずみ(%) 人工欠陥混入 人工欠陥無混入 112

人工欠陥によるHFRCCの高靭性化 人 欠陥による の高靭性化 人工欠陥混入ひび割れ状況 人工欠陥無混入ひび割れ状況 113 東北工業大学．秋田宏先生との共同研究

繊維補強による自己治癒の促進

繊維補強による自己治癒の促進

繊維補強による自己治癒の促進

繊維補強による自己治癒の促進

引張荷重によるひび割れの導入 引張荷重によるひび割れの導入

ねじ鉄筋 (M6)

固定用ナット

透水試験方法 透水試験方法 ピペット 蒸留水 蒸留水 アクリル板 試験体 アクリル板 ゴム管 ねじ鉄筋 116 ねじ鉄筋

自己治癒に及ぼす経過日数と 補強繊維の影響 補強繊維の影響 材齢(days) Specimens 材齢 y

0* 3 days _{14 days 28 days} FRCC (SC)

St l d

Corrosion of steel cord

Steelcord fiber speci-men No.2 (crack width = 1.976mm)

Corrosion of steel cord

Formation of healing products

FRCC (PE) Polyethylene fiber

spec-Formation of healing products p

imen No.4 (crack width = 0.368mm)

Corrosion of steel cord HFRCC Steel-PE hybrid fiber specimen No.1 (crack( width =

ひび割れ自己治癒の正体

ひび割れ自己治癒の 体

ひび割れ表面に析出した結晶の厚さと 経過日数 経過日数 120 100 120 FRCC(SC) FRCC(PE) ［ μm］ 80 HFRCC 均 厚さ ［ 40 60 物の平 均 20 40 結 晶析出 0 0 5 10 15 20 25 30 結 119 0 5 10 15 20 25 30 時間［経過日数］

透水係数の変化に観られる自己治癒効果 透水係数の変化に観られる自己治癒効果 1.E-05 1.E-04 a b ili ty Uncracked No.1 0.017mm 1.E-05 1.E-04 a bi li ty Uncracked No.1 0.035mm 1.E-05 1.E-04 e abi li ty _Uncracked No.1 0.019mm

SC：0.75vol% PE：1.5vol% SC+PE：0.75+0.75vol%

1.E-09 1.E-08 1.E-07 1.E-06 n t o f W a te r P e rm e a ［m/ s ］ No.2 0.081mm No.3 0.407mm No.4 0.710mm 1.E-09 1.E-08 1.E-07 1.E-06 e nt of W a te r P e rm e a ［m/ s ］ No.2 0.076mm No.3 0.088mm No.4 0.757mm 1.E-09 1.E-08 1.E-07 1.E-06 ient of W a te r P e rm e ［m/ s ］ No.2 0.038mm No.3 0.119mm No.4 0.368mm 透水係 数 [m/ s] 透水係 数 [m/ s] 透水係 数 [m/ s] 1.E-12 1.E-11 1.E-10 0 5 10 15 20 25 30 C o e ffi c ie n Time ［day］ HFRCC 1.E-12 1.E-11 1.E-10 0 5 10 15 20 25 30 C o e ffic ie Time ［day］ FRCC(SC) 1.E-12 1.E-11 1.E-10 0 5 10 15 20 25 30 Co e ff ic Time ［day］ FRCC(PE) Time ［day］ Time ［day］ Time ［day］

z ひび割れ幅が小さい程、治癒され易い

z 繊維の種類によっても、治癒の程度が異なる

自己治癒による力学的特性の回復 自己治癒による力学的特性の回復 4 4 4 2.5 3 3.5 4 res s [MP a ] Before Self-healing After Self-healing 2.5 3 3.5 4 e ss [M P a ] Before Self-healing After Self-healing 2.5 3 3.5 res s [MP a ] Before Self-healing After Self-healing 1 1.5 2 T e ns ile s tr 1 1.5 2 T ens ile s tr e 0 5 1 1.5 2 T e n s ile s tr 0 0.5 0 1 2 3 4 5 6 Elongation [mm] 0 0.5 0 1 2 3 4 5 6 Elongation [mm] 0 0.5 0 1 2 3 4 5 6 Elongation [mm] (a) FRCC(SC) (b) FRCC(PE) (c) HFRCC 121

ひび割れが鉄筋の腐食に与える影響 ひび割れが鉄筋の腐食に与える影響 アノ ド反応 腐食促進方法と鉄筋の腐食量の算出 直流電源装置3[V] アノード反応 Fe→Fe2+_+2e -直流電源装置3[V] ＋ － × × = ΔW Ｍ i t ファラデーの法則 アノード筋 e ‐ NaCl e‐ 塩害環境を想定 F Z× ΔW カソード筋 NaCl 水溶液 ΔW 鉄筋腐食量[g] M 鉄の分子量(=56)[g/mol] 塩害環境を想定し_3％NaCl に浸す浸水と乾燥を、_3.5日 サイクルで繰り返す M 鉄の分子量( 56)[g/mol] i 流れ電流[A] Δt 経過時間[s] Z イオン価数( ) サイクルで繰り返す _Z イオン価数(=2) F ファラディー定数(= 96500) [C/mol]

ひび割れ制御+自己修復機能+犠牲防食(?) ひび割れ制御 自己修復機能 犠牲防食( )

鉄筋コンクリートの長寿命化 を実現する新しい材料 を実現する新しい材料 upper b tt A _A’ B B’ プレーン モルタル A B A’B’ bottom B B’ A’ モルタル FRCC A A A’ A’ B’ A’ FRCC B A B’A’ HFRCC 124 図：さびの進行に及ぼす材料の影響

ひずみ依存発熱センサーを用いた

ひずみ依存発熱センサーを用いた

自己修復

自己修復

自己診断材料（発熱センサー） 自己診断材料（発熱 ンサ ） 局所的な歪み 導電パスの切断 局所的な歪み マトリックス アルミナ 長繊維 炭素微粒子による導電パス 126 （財）日本ファインセラミクスとの共同研究

繰返し荷重下のひずみセンサー： ひずみと抵抗変化率

ひずみと抵抗変化率

ひび割れ幅とセンサーの電気抵抗を 対応させるための異形化 対応させるための異形化 節間距離 ⇒プリプレグ _節間距離 層状に巻きつけ 加熱により硬化 ひび割れ幅 プリプレグ材 PEフィルムを 巻いて付着切断 128

試験体形状 試験体形状 引張載荷 (a) 引張載荷 ねじ鉄筋 (M6) プリプレグ節 プリプレグ節 60mm 320mm リ ド線 40mm リード線 129

試験体表面温度分布 試験体表面温度分布 (a) (ｂ) (a) (ｂ) 80 [℃] ひび割れ位置 50 60 70 50 40 30 20 30 130 (a) ひび割れなし（30分後） (b) ひび割れあり（30分後）

提案する熱伝導ユニットの概要図 提案する熱伝導 ットの概要図 連結材（銅） 補修剤保護パイプ 10mm 連結材（銅） 補修剤保護パイプ 接着剤 4mm 38～40mm 自己診断材料 8～9mm プリプレグ節 131

実験概要 実験概要 ・熱伝導ユニットを埋設した供試体で_3点 曲げ試験を行う。 ・ひび割れ発生後、抵抗値が想定した値 になるまで載荷を続け、その後通電する。 ・解析で定めた電圧をかけながら、表面温 度を赤外線カメラで測定し、その分布をみ る。また、補修剤の流出を確認する。 補修剤を供給 300mm 200mm 補修剤を供給 300mm 200mm 3点曲げ試験 30 m m 切り欠き（深さ5mm） 連結材（銅板） 1 0 m 30 m m 切り欠き（深さ5mm） 連結材（銅板） 1 0 m 132 m m m m

実験から得られた温度分布 実験から得られた温度分布 100 [_℃ [ [ ] パイプ位置 80 90 (a) 供試体表面の温度分布（ひび割れなし・10分間） 60 70 ひび割れ位置 40 30 50 (b) 供試体表面の温度分布（ひび割れあり・10分間） 20 30 133

補修剤の流出 補修剤の流出 補修剤の流出 ひび割れ位置 ひび割れ位置 134

マスコンクリートの温度ひび割れンクリ トの温度ひび割れ

）内部拘束 ）外部拘束

１）内部拘束 ２）外部拘束

マイクロカプセル混入高知能コンクリート の水和熱制御機能

の水和熱制御機能

水和熱制御用カプセルの概念図 水和熱制御用カプ ルの概念図

遅延剤内包カプセルの水和制御概念図 遅延剤内包カプ ルの水和制御概念図 コンクリート 「徐 放 （ゆっくりと放出） カプセルを練り混ぜ時に 遅延剤 _カプセル 「徐 放」 _{「融 解」} （ゆっくりと放出） 混 コンクリートに混入 セメント水和熱発生 カプセル殻の熱溶解により 遅延剤が流出 検 知 判 断 水和熱制御 遅延剤が流出 水和反応遅延 実 行 水和熱制御 温度上昇速度低減 ＋ 遅延されていた部分で 徐々に再水和 水和反応遅延 温度応力緩和 ＝ 温度下降速度低減 138 徐々に再水和 温度応力緩和 ＝ 温度ひび割れ抑制

カプセル混入コンクリートおよびプレーン コンクリ トの温度履歴と材齢の関係

コンクリートの温度履歴と材齢の関係

カプセル混入コンクリートおよびプレーン コンクリ トの圧縮強度と材齢の関係

コンクリートの圧縮強度と材齢の関係

おわりに おわりに 求めなさい。そうすれば、与えられるであろう。 求めなさい。そうすれば、与えられるであろう。 探しなさい そうすれば 探しなさい そうすれば 見い出すであろう見い出すであろう 探しなさい。そうすれば、 探しなさい。そうすれば、見い出すであろう。見い出すであろう。 門をたたきなさい。そうすれば、開けられるであろう。 門をたたきなさい。そうすれば、開けられるであろう。 聖書の言葉より 聖書の言葉より 141

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ありがとうございました

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