博 士 論 文 概 要
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(2) コンクリートやモルタル中に鋼繊維や合成繊維を混入する繊維補強セメント系 複 合 材 （ FRCC） は ， ひ び 割 れ 後 も そ の ひ び 割 れ 面 で 繊 維 が 引 張 力 を 伝 達 す る こ とで，セメント系材料の弱点である引張抵抗力を大きく改善できる材料である． FRCC の 中 で も 代 表 的 な 鋼 繊 維 補 強 コ ン ク リ ー ト （ SFRC） は ， 国 内 で も 1970 年 代 か ら 研 究 開 発 が 行 わ れ ， そ れ ら の 成 果 を 踏 ま え て 1983 年 に 設 計 規 準 が 整 備 さ れた．しかし，当時の許容応力度設計法では耐力照査が主であり，使用状態にお けるひび割れ幅の照査やピーク後の靱性能を反映できる設計体系ではなく，繊維 の混入はあくまでひび割れ抑制の一対策にすぎなかった． 2 0 0 0 年 代 に 入 り ，設 計 体 系 が 仕 様 規 定 型 か ら 性 能 規 定 型 に 移 行 す る 中 で ，構 造 設計の自由度が増し，高性能な特性を持つ材料を適用しやすくなった．そのよう な 中 ，圧 縮 強 度 1 5 0 N / m m 2 を 超 え る 高 強 度 モ ル タ ル に 鋼 繊 維 を 高 い 混 入 率 で 使 用 す る 超 高 強 度 繊 維 補 強 コ ン ク リ ー ト （ UFC） が 海 外 よ り 技 術 導 入 さ れ ， 国 内 で は 2 0 0 4 年 に 基 準 化 さ れ た ．超 高 強 度 な 性 能 を 活 か し て 断 面 の 縮 小 化 や 部 材 の 軽 量 化 が 見 込 ま れ る 一 方 で ，U F C は ひ び 割 れ を 許 さ な い フ ル プ レ ス ト レ ス 構 造 へ の 適 用 に限定されている．この場合，高い混入率で使用した鋼繊維の効果は，せん断耐 力 の 付 加 分 の み の 貢 献 で あ り ，本 来 F R C C の 目 的 で あ っ た 引 張 抵 抗 力 の 改 善 に は いかされていない．この理由には，過大な自己収縮ひずみや熱養生の必要性とい っ た 製 造 上 の 問 題 の ほ か ， こ の よ う な 高 性 能 FRCC を RC 構 造 に 適 用 し た 場 合 の 力の伝達機構やひび割れ抑制の効果について，十分解明されてないことが挙げら れる． そ こ で 本 研 究 で は ， 高 性 能 FRCC を RC 構 造 に 適 用 し た 場 合 の 力 学 的 特 性 を 解 明することを目的とした．ここで着目するのは引張に対する力学的性能であり， 特 に FRCC 材 料 単 体 が 持 つ 引 張 特 性 （ 引 張 軟 化 特 性 ） が ， 鉄 筋 と 併 用 し た RC 部 材の引張特性（テンションスティフニングやひび割れ性状）に及ぼす影響につい て実験的アプローチおよび解析的アプローチにより明らかしていく．検討するパ ラ メ ー タ は ， 高 性 能 FRCC に 用 い る 鋼 繊 維 の 混 入 率 や 種 類 （ ア ス ペ ク ト 比 ） の ほ か，製造方法や打設方法に起因する鋼繊維の配向性にも着目し，これらのパラメ ー タ が 鉄 筋 を 有 す る HPFRM 部 材 の 引 張 特 性 に 与 え る 影 響 を 明 ら か に す る こ と を 目的とした． 第 2 章 で は ， 本 研 究 で 扱 う 高 性 能 FRCC の 配 合 開 発 に つ い て 説 明 す る ． UFC を 代 表 と す る 超 高 性 能 F R C C で は ，そ の 高 い 製 造 コ ス ト が 社 会 的 普 及 の 妨 げ と な る懸念があることから，本研究では通常のコンクリートと同様の混練設備および 養生方法で製造できることを前提に，優れた引張靱性を発揮できる材料として， 高 性 能 繊 維 補 強 モ ル タ ル （ HPFRM） を 開 発 し た ． HPFRM は ， 高 強 度 ・ 高 靱 性 ・ 高 流 動 を 合 わ せ 持 ち ， 圧 縮 強 度 が 100～ 130 N/mm2， 引 張 靱 性 能 を 示 す 破 壊 エ ネ No. 1.
(3) ル ギ ー が 10～ 20N/mm， フ レ ッ シ ュ 時 に は 自 己 充 填 性 を 有 す る 材 料 で あ る ． 本 材 料 は ， 開 発 当 初 は 欧 州 規 格 （ EN） に 適 合 す る 材 料 を 用 い て 配 合 開 発 を 行 っ た が ， 国 内 規 格（ J I S ）に 適 合 す る 材 料 で 同 性 能 を 発 揮 す る た め の 配 合 改 良 も 実 施 し た ． こ こ で 鋼 繊 維 は 統 一 し ， 基 本 的 に は 繊 維 長 13mm， 繊 維 径 0.16mm の ス ト レ ー ト 形 状 の 鋼 繊 維 を 最 大 混 入 率 1.6vol.%で 用 い る こ と と し た ． ま た 配 合 改 良 で は ， 自 己 収 縮 ひ ず み の 抑 制 に 向 け た 検 討 も 行 っ た ．水 結 合 材 比 が 20%近 く な る 高 強 度 モ ル タ ル で は ， 材 齢 初 期 に 500～ 1000μ 近 い 自 己 収 縮 ひ ず み が 発 生 し ， 鉄 筋 と 併 用 する構造部材に適用した場合に初期ひび割れが発生する懸念があった．この自己 収縮抑制対策として早強型膨張材を混和するとし，混和量の違いが自己収縮ひず みや膨張ひずみに与える影響を把握した． 第 3 章 で は ， HPFRM の 力 学 性 能 を 最 も 特 徴 づ け る 引 張 軟 化 曲 線 （ 引 張 応 力 － ひび割れ幅関係）のモデル化を行った．実験精度の観点から，切欠きはりの曲げ 試験結果の逆解析から得る引張軟化曲線ではなく，直接引張試験によって限界ひ び割れ幅までの軟化挙動を厳密に取得することを試みた．この実験では鋼繊維の 混 入 率 の 違 い （ 0， 0.8， 1.6vol.% ） が ， ひ び 割 れ 発 生 強 度 ， 最 大 引 張 強 度 ， 限 界 ひ び 割 れ 幅 に 与 え る 影 響 を 把 握 し た 上 で ，H o o r d i j k 式 を ベ ー ス と し た H P F R M の 引張軟化曲線モデルを構築した．また，鋼繊維が同混入率であっても，内部の鋼 繊 維 の 配 向 の 違 い に よ っ て 引 張 軟 化 特 性 が 大 き く 変 化 し た ． そ こ で HPFRM 内 の 鋼 繊 維 を で き る だ け 一 方 向 に 配 向 さ せ ， そ こ か ら 0°， 45°， 90°に 切 り 出 し た 試験片を用いた直接引張試験を実施した．その結果，想定していた通り荷重軸に 直交する不利な配向では，試験体の最大引張強度は低下し，破壊エネルギーも減 少 し た ． こ の 試 験 結 果 か ら ， 提 案 し た HPFRM の 引 張 軟 化 曲 線 モ デ ル に 対 し て ， 鋼繊維の配向性の違いも考慮できる推定式も構築した． 第 4 章 で は ，鉄 筋 を 有 す る HPFRM 部 材 の テ ン シ ョ ン ス テ ィ フ ニ ン グ や ひ び 割 れ 性 状 を 把 握 す る た め ， 異 形 鉄 筋 を 中 心 に 埋 め 込 ん だ HPFRM 試 験 体 の 一 軸 引 張 試験（両引き試験）を実施した．試験パラメータは，鋼繊維の混入率と種類（ア ス ペ ク ト 比 ），さ ら に 試 験 体 の 打 込 み 方 向 に 影 響 さ れ る 繊 維 の 配 向 性 と し た ．両 引 き試験の結果，鋼繊維混入率の増加に伴い，部材のひび割れ発生荷重および降伏 荷重が増加するとともに，ひび割れ間隔が減少し，その結果として平均ひび割れ 幅も減少した．しかしながら鋼繊維が同混入率であっても繊維配向が不利な条件 で は ， 部 材 の ひ び 割 れ 発 生 荷 重 や 降 伏 荷 重 が 低 下 し ， HPFRM の 平 均 応 力 で 0.8 ～ 15%の 低 下 ， 平 均 ひ び 割 れ 幅 で 約 20%の 増 加 と な っ た ． ま た 両 引 き 試 験 と 同 時 に ，鉄 筋 を 有 す る H P F R M 版 供 試 体 の 曲 げ 試 験 も 実 施 し ， 曲げモーメント下における曲げ剛性やひび割れ性状も検討した．部材の曲げ耐力 やひび割れ分散性に与える影響は，両引き試験での傾向と同様であった．またこ の 版 曲 げ 試 験 で は ，試 験 体 の 鉄 筋 比（ 1 . 5 7 % と 3 . 1 4 % ）と 鋼 繊 維 混 入 率（ 0 ，0 . 8 ， No. 2.
(4) 1.6vol.%） を 変 え る こ と で ， そ れ ら の 組 合 せ が 曲 げ 剛 性 や 曲 げ 耐 力 に 与 え る 効 果 を把握することができた． 第 5 章 で は ， HPFRM の 平 均 応 力 － 平 均 ひ ず み 関 係 （ テ ン シ ョ ン ス テ ィ フ ニ ン グ）のモデル化を目的とした．このモデル化は重要な意義をもつ．なぜなら適切 なテンションスティフニングが把握できれば，それを非線形有限要素解析に導入 す る こ と で ， HPFRM を 適 用 し た 各 種 RC 部 材 の 構 造 性 能 を 正 し く 評 価 で き る か らである．そこで，コンクリート特有のひび割れ進展の現象を直接的に解析で扱 う こ と が で き る 剛 体 バ ネ モ デ ル （ RBSM） に よ っ て ， 両 引 き 試 験 の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を 行 っ た ． こ の RBSM で は ， HPFRM の 引 張 構 成 則 に 第 3 章 で 構 築 し た H P F R M の 引 張 軟 化 曲 線 モ デ ル を 導 入 す る こ と で ，両 引 き 試 験 で 得 た 部 材 挙 動（ 荷 重 － 変 位 関 係 や ひ び 割 れ 性 状 ） の 再 現 を 可 能 と し た ． ま た ， RBSM に よ っ て 異 形 鉄筋平均応力－平均ひずみ関係も正確に抽出できたことから，あらためて HPFRM の テ ン シ ョ ン ス テ ィ フ ニ ン グ の モ デ ル 化 を 図 っ た ． 結 果 と し て ， Collins & M i t c h e l l ら の 提 案 式 を 改 良 す る か た ち で ，鋼 繊 維 の 配 向 性 を 考 慮 で き る テ ン シ ョ ン ス テ ィ フ ニ ン グ の モ デ ル を 構 築 し た ． こ の モ デ ル を 非 線 形 FEM 解 析 に お け る引張側の材料構成則に導入して解析したところ，両引き試験や版曲げ試験など HPFRM を 適 用 し た RC 部 材 の 変 形 挙 動 を 精 度 よ く 再 現 す る こ と が で き た ． 第 6 章 で は ，H P F R M を 適 用 し た R C 部 材 の ひ び 割 れ 幅 算 定 式 の 構 築 を 行 っ た ． 両引き試験から得られたひび割れ間隔の情報，またテンションスティフニングか ら 得 ら れ た HPFRM の 平 均 応 力 の 情 報 を も と に ， 鋼 繊 維 の 諸 条 件 が 考 慮 で き る 係 数 （ kf， kc） を 導 入 す る 平 均 ひ び 割 れ 間 隔 の 算 定 式 お よ び 鉄 筋 の 平 均 ひ ず み 算 定 式を構築した．そして両者から求まる平均ひび割れ幅の算定値は，両引き試験で 得られた荷重の増加に伴う平均ひび割れ幅の推移を精度よく再現できることを確 認した． 以 上 よ り ， 本 研 究 の 成 果 を 総 括 す る ． 本 研 究 で は ， 汎 用 的 な RC 構 造 に 適 用 し やすくかつ構造合理化が期待できる材料として，高性能繊維補強モルタル （ H P F R M ）を 開 発 し た ． さ ら に ， H P F R M の 大 き な 力 学 性 能 で あ る 引 張 軟 化 曲 線 を 把 握 し ， そ の モ デ ル 化 を 行 っ た ． さ ら に 鉄 筋 を 有 す る HPFRM 部 材 の 両 引 き 試 験 か ら ， HPFRM の 適 用 が RC 部 材 の 変 形 や ひ び 割 れ 幅 を 大 き く 低 減 す る こ と を 把 握 し た ． そ の 効 果 は ， RBSM に よ る シ ミ ュ レ ー シ ョ ン か ら も 明 ら か と な り ， 非 線 形 FEM 解 析 に 活 用 で き る HPFRM の テ ン シ ョ ン ス テ ィ フ ニ ン グ モ デ ル も 構 築 し た ． ま た RC 部 材 の 平 均 ひ び 割 れ 幅 に 対 し て ， 既 往 の ひ び 割 れ 幅 式 を ベ ー ス に 鋼 繊 維 の 配 向 性 を 考 慮 で き る 修 正 式 を 構 築 し た ．こ れ ら の 成 果 が ，今 後 ，H P F R M の構造利用の拡大へ寄与できるものと考える．. No. 3.
(5) Ｎｏ.1. 早稲田大学 氏 名. 塩永 亮介. 博士（工学）. 学位申請. 研究業績書. 印 （2019 年. 種 類 別. 題名、. 発表・発行掲載誌名、. 発表・発行年月、. 1月. 現在）. 連名者（申請者含む）. 1.論文 ○論文 塩永 亮介, 佐藤 靖彦, 圧縮強度 100 N/mm2 程度の高性能繊維補強モルタルにおける初 期ひずみ挙動および引張軟化特性, コンクリート工学論文集 第 27 巻, pp.33-42, 2016.5 ○論文 塩永 亮介, 佐藤 靖彦, J. C. Walraven, 高性能繊維補強モルタルを適用した RC 部材の一 軸引張挙動に関する研究, 土木学会論文集 E Vol.66 No.4, pp.366-379, 2010.10 ○論文 塩永 亮介, 佐藤 靖彦, 高性能繊維補強モルタルのテンションスティフニングのモデル 化, 構造工学論文集 Vol. 56A, pp.938-946, 2010.3 ○論文 塩永 亮介, 佐藤 靖彦, J. C. Walraven, 鉄筋を有する高強度繊維補強モルタル部材の曲 げ挙動, コンクリート工学年次論文集 Vol.30, No.1, pp.309-314, 2008.7 ○論文 塩永 亮介, 佐藤 靖彦, J. C. Walraven, 鉄筋を有する高強度繊維補強モルタル部材の引 張挙動, コンクリート工学年次論文集 Vol.29, No.3, pp.1459-1464, 2007.7 論文 W. Pansuk, 佐藤 靖彦, 上田 多門, 塩永 亮介, Shear capacity of Ultra-high performance fiber reinforced concrete beam, コンクリート工学年次論文集 Vol.28, No.2, pp.1405-1410, 2006.7 2.講演 講演 R. Shionaga, W. Pansuk, S. Grünewald, J.A. den Uijl, J.C. Walraven, Optimization of Tensile Strain-Hardening Cementitious Composites for Tensile Strain Capacity, 3rd International RILEM conference on Strain Hardening Cementitious Composites(SHCC3), pp.79-86, 2014.11 講演 Y. Sato, R. Shionaga, Y. Nakamura, Y. Nakajima, Experimental and Analytical Investigation on Failure Behavior of Steel Plate –UHPFRC Composite Beams-, 2nd International Symposium on Ultra-High Performance Fibre Reinforced Concrete(UHPFRC2013), pp.99-106, 2013.10 ○講演 塩永 亮介, 佐藤 靖彦, J. C. Walraven, 高性能繊維補強モルタル部材のひび割れ分散効 果と新しい適用法, JCI セメント系繊維補強セメント系複合材料に関するシンポジウム 論文集, pp.369-376, 2012.9 講演 塩永 亮介, 中村 善彦, 中島 裕, 佐藤 靖彦, 高性能繊維補強モルタルを適用した鋼床 版補強構造の検討, 土木学会第 67 回年次学術講演会(V-214), pp.427-428, 2012.9.
(6) Ｎｏ.2. 早稲田大学 種 類 別. 題名、. 博士（工学） 発表・発行掲載誌名、. 学位申請. 研究業績書. 発表・発行年月、. 連名者（申請者含む）. ○講演 R. Shionaga, Y. Sato , J. C. Walraven, Numerical Simulation of the Behaviour of High Performance Fibre Reinforced Mortar with Conventional Reinforcing Bars in Concentric Tension, 2nd International Symposium on Service Life Design for Infrastructure(SLDI), pp.783-790, 2010.10 ○講演 R. Shionaga, J. C. Walraven, J. A. den Uij, Y. Sato, Cracking Behavior of High Performance Fiber Reinforced Mortar in Tension and Bending, 8th International Symposium on Utilization of High-Strength and High-Performance Concrete, pp.1053-1060, 2008.11 講演 山崎 大輔, W. Pansuk, 佐藤 靖彦, 塩永 亮介, 繊維の配向性が自己充填型鋼繊維補強モ ル タ ル の 引 張 軟 化 特 性に 及 ぼ す 影 響 , 土 木 学会 第 63 回 年 次 学 術 講演 会 (V-261), pp.521-522, 2008.9, 講演 D. Yamazaki, Y. Sato, W. Pansuk, R. Shionaga, Influences of Fiber Orientation on Tensile Behavior of Self-Compacting Fiber Reinforced Mortar, The 3rd ACF International Conference(ACF/VCA 2008), pp.507-513, 2008.11 ○講演 R. Shionaga, J. C. Walraven, J. A. den Uij, Y. Sato , Tension Stiffening of High Performance Fiber Reinforced Concrete, fib Symposium 2007 (Dubrovnik), pp.259-266, 2007.5 ○講演 R. Shionaga, J. C. Walraven, J. A. den Uij, Y. Sato , Combined Effect of Steel Fibers and Reinforcing Bars in High Performance Fiber Reinforced Concrete, 16th International Conference on Building Materials (ibausil 2006/Weimar), 2006.9 ○講演 R. Shionaga, J. C. Walraven, J. A. den Uij, Y. Sato , Structural Behavior of High Performance Fiber Reinforced Concrete in Tension and Bending，6th International PhD Symposium in Civil Engineering (Zurich), 2006.8 3.その他 著書 塩永 亮介, 戸田 勝哉, 伊藤 祐二, 高橋 晴香, SEC 工法によるコンクリートの性能改 善 と 微 細 構 造 の 分 析 , コ ン ク リ ー ト 工 学 テ ク ニ カ ル レ ポ ー ト , Vol.53 No.10, pp.874-881, 2015.10 論文 塩永 亮介, 戸田 勝哉, 伊藤 祐二, 高橋 晴香, 分割練混ぜによるセメント水和率およ び遷移帯厚さの評価とコンクリート緻密性に与える影響, コンクリート工学 Vol.37 No.1, pp.541-546, 2015.7 講演 塩永 亮介, 今村 紅音, 戸田 勝哉, 大友 鉄平, 藤井 弘, 遮光性養生マットがコンクリ ート表層の温度・湿度および品質に及ぼす影響, 土木学会第 69 回年次学術講演会 (V-384), pp.767-768, 2014.9.
(7) Ｎｏ.3. 早稲田大学 種 類 別. 題名、. 博士（工学） 発表・発行掲載誌名、. 学位申請. 研究業績書. 発表・発行年月、. 連名者（申請者含む）. 講演 塩永 亮介, 野瀬 裕之, 伊藤 祐二, 加藤 裕章, 橋本 博英, 佐藤 聡 DT 中性子を用い た高濃度ホウ素含有コンクリートの遮蔽実験（１）高濃度ホウ素含有コンクリートの開 発, 日本原子力学会「2014 年秋の大会」, pp.601, 2014.9 論文 塩永 亮介, 戸田 勝哉, 伊藤 祐二, 高橋 晴香, 練混ぜ工法を変えたコンクリートの微 細構造の分析と評価，コンクリート工学年次論文集，Vol.36, No.1, pp.610-615, 2014.7 講演 塩永 亮介, 山口 隆一, 鈴木 統, 鋼コンクリート合成床版の底鋼板継手部の耐荷挙動, 土木学会第 66 回年次学術講演会(I-022), pp.43-44, 2011.9 講演 塩永 亮介, 今村 紅音, 鉄筋を有する高強度繊維補強コンクリート部材の両引き試験, 土木学会第 65 回年次学術講演会(V-527), pp.1053-1054, 2010.9 講演 塩永 亮介, 山口 隆一, 今村 紅音, 上田 和哉, 仲村 篤, 都市高速における高強度繊維 補強コンクリートのポンプ施工, 土木学会第 64 回年次学術講演会(V-320), pp.637-638, 2009.9 講演 増田 紅音, 塩永 亮介, 山口 隆一, 高強度繊維補強コンクリートの引張軟化特性, 土木 学会第 63 回年次学術講演会(V258), pp.515-516, 2008.9 講演 塩永 亮介, 西土 隆幸, 安 雪暉, 鉄筋の腐食が RC 部材の引張挙動に与える影響, 土木 学会第 62 回年次学術講演会(V-521), 2007.9 講演 塩永 亮介, 師山 裕, 倉田 幸宏, 高瀬 和男, コンクリート初期特性を考慮した床版の 温度応力解析に関する一考察, 土木学会第 59 回年次学術講演会(CS8-035), 2004.9 論文 塩永 亮介, 川辺 篤宣, 山田 菊雄, 杉本 憲生, 鋼ポータルラーメン橋隅角部の静的載 荷試験と解析評価, コンクリート工学年次論文集，Vol. 26, No.2, 2004.7 講演 塩永 亮介, 倉田 幸宏, 嶽下 裕一, 室田 敬, 津田 久嗣, 場所打ち PC 床版施工時の温 度応力に関するパラメータ解析, 土木学会第 58 回年次学術講演会(CS), 2003.9 講演 塩永 亮介, 戸田 均, 安川 義行, 薮野 真史, 稲葉 尚文, 場所打ち PC 床版２主桁橋の 床版コンクリート初期ひずみ特性－佐分利川橋－, 土木学会第 57 回年次学術講演会 (CS), 2002.9 講演 塩永 亮介, 河野 豊, 鈴木 統, 阿部 英彦, 合成床版橋軸方向継ぎ手部の静的載荷試験, 土木学会第 56 回年次学術講演会(CS), 2001.9.
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