４．ＣＦＲＰストランドシート接着によるＲＣはりの曲げ補強効果

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【建設工学研究所論文報告集第56号〔論文〕2014年11月】

cFRPストランドシート接着によるRCはりの曲げ補強効果

FlexmalPerfbmanceofExtemally−StrengthenedRCBeams

byBondingCFRPStrandSheets

川島洋平森川英典 Yohei Kawashima Hidenori Morikawa

1．はじめに近年，社会基盤として重要な役割を果たしてきた鉄筋コンクリート（以下，「RC」）構造物の劣化が社会問題化しており，RC構造物に対する維持管理の重要性が高まっている．RC構造物が劣化し性能が低下した場合，性能の回復あるいは向上を目的として補修・補強が行われることが一般的である．現在，RC構造物の補強には様々な工法が存在しているが，近年ではシート状にした炭素繊維やアラミド繊維などのドライシートを施工現場において樹脂で接着することで補強を行う連続繊維シート接着工法が普及している．この工法は，軽量かつ高強度の連続繊維を用いるため施工が容易であり，耐久性に優れていることが利点として挙げられる．その反面，施工時には施工現場において樹脂の含没と接着を同時に行う必要があるため，浮きや膨れなどの施工不良が生じる可能性もある．このような施工不良を避けるためには，シートの接着前における入念な不陸修正や，シート含浸・接着時における入念な脱泡作業が必要であるなど，作業手順が多く施工品質が作業員の技量に依存してしまう課題がある1）．また，必要な補強量が大きい場合には連続繊維シートを複数回に分けて施工する必要があり，工期が長期化する問題点もある．このような課題から，工場にて連続繊維ストランド1本ずつにあらかじめ樹脂を含浸・硬化させ，これをすだれ状にした連続繊維補強材（以下，「CFRPストランドシート」）が開発された．CFRPストランドシートはあらかじめ工場にて樹脂を含浸させているため，施工現場において樹脂を含浸させる必要がない．また，CF贈ストランドシートはすだれ状であるため，接着時にはプライマーと不陸修正パテを兼ねたパテ状の樹脂が連続繊維ストランドの隙間を通って連続繊維ストランドを取り囲み，連続繊維ストランドと一体化するため気泡を巻き込む恐れも少ない利点がある．しかし，従来から用いられてきた炭素繊維のドライシート（以下，「炭素繊維シート」）を使用した連続繊維シート接着工法とはシートの形状や接着方法などが異なるため，補強量が同一の場合であっても補強効果が異なる可能性が予想される．そこで本研究では，RCはり部材に対してCF贈ストランドシートを接着した場合の曲げ補強効果を評価し，既往の炭素繊維シートを接着した場合の曲げ補強効果と比較し検討を行った． 2．実験概要 2．1 供献体概要前述のとおり，本研究ではCF評ストランドシートおよび炭素繊維シートをそれぞれRCはりに接着し，その曲げ補強効果を検討することを目的としている．図−1に本研究で用いるRCはり供試体の概要を示す．供試体は曲げスパン1600m，幅150m×高さ200mmの矩形断面を有する曲げ破壊先行型のRCはりであり，引張側となる供試体下面にCFRPストランドシートまたは炭素繊維シートを接着した．各シートの接着範囲はいずれの供試体においても同様とし，幅75m，長さ 1500mmの範囲としている．

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表−2 シート引張試験結果項目 CFRP ストランドシート（高強度型炭素繊維）炭素繊維シート（高強度型炭素繊維）略称 H T _CF 繊維目付量（g／m 2） 6 16 6 00 30 0 設計厚さ（m m） 0．333 0．33 3 0 ．167 引張強度（N ／血 2） _{4 540} _{44 90} _{44 85} 引張弾性率（鮒／血2） 2 60 2 63 2 53 破断ひずみ（の _{17 280} _{17 18 0} _{176 00} ※接着樹脂によりFRP化させたシートの試験結果（3）炭素繊維シート炭素繊維シートの外観を写真−1（b）に，引張試験結果を表−2に示す．炭素繊維シートは炭素繊維をシート状に保形したものであり，施工現場表−3 専用接着樹脂の材料特性（cFRPストランドシート）試験項目試験値圧縮強さ（N ／血 2） ₇₅ 圧縮弾性率（N ／血 2） _{40 30} 引張せん断強さ（N ／m 2） ₂₄ コンクリート接着強度（N ／mm 2） 4 ．7 表−4 接着樹脂とパテの材料特性（炭素繊維シート）試験項目接着樹脂パテ圧縮強さ（N ／皿 2） 9 2 ．8 7 1 ．9 圧縮弾性率（W m 2） 3 2 0 0 5 1 8 0 引張強さ（N ／m m 2） 5 0 ．9 ₋ 引接弾性率（N ／血 2） 3 6 5 0 ₋ において樹脂の含没と接着を行う．そのため，施工品質確保のためには入念な脱泡作業が必要となる．表一4には接着樹脂およびパテの材料特性を示しているが，本研究ではこれらに加えてプライマーを使用した．なお，本研究で用いた接着樹脂，パテ，プライマーはいずれもエポキシ系のものである．本研究では繊維目付量が約600g／血2のCF貯ストランドシートと炭素繊維シートの2種類の連続繊維シートを用いるが，シートによる補強量が曲げ耐荷性能に及ぼす影響を併せて検討する．そのため，炭素繊維シートに関しては既往の研究2）において行われた繊維目付量が300g／血2の炭素繊維シートの結果を用いることで補強量による違いも検討する． 2．3 供献体一覧表−5に供試体一覧を示す．本研究では表に示す5体のRCはり供試体について検討を行った．また，コンクリートの圧縮強度の確認のため，それぞれの配合において￠100mm×200mの円柱供試体を作製し強度試験を実施しだ 2．4 シート施工方法各供試体は打殺後2日間，湿潤養生を行った後に脱型を行い，材齢14日の時点でCF贈ストランドシートおよび炭素繊維シートの接着を行った．その後，材齢28日で載荷試験を実施しだ以下に，それぞれのシートの施工方法を示す．（1）cFRPストランドシート CF贈ストランドシートの施工は，・メーカーが指定する方法に準じて行った．まず，シートの接着面であるRCはり供試体下面をディスクサンダーにより入念に研磨し，その後，研磨粉の除去を行っだ次に，シートの接着面に専用接着樹脂を塗布し（下塗り），その上からCFRPストランドシートを押し当ててRCはり供試体と一体化させた．また，樹脂が不足している箇所には樹脂を補充した（上塗り）．その後，離型シートをかぶせ，表面を均一に整えて養生を行った．（2）炭素繊維シート炭素繊維シートの施工は，全国上下水道エポキシ工事業協会3）や阪神高速道路公団4）などが示している方法に準じた．まず，CF贈ストランドシートの施工時と同様にシートの接着面をディスクサンダーにより研磨し，研磨粉の除去を行っだ次に，シートの接着箇所にプライマーを均一に塗布しだプライマーの指触乾燥確認後，塗布厚さを1m として不陸修正パテを塗布した．パテの硬化後，接着樹脂をパテ上に塗布し（下塗り），その上から炭素繊維シートを表一5 供献体一覧配合名補強材の種類繊維日付量（g／m2）供試体名 A 配合無 ₋ N CF 贈ストランドシート 6 16 H T6 00 炭素繊維シート _{60 0} _{CF6 00} B 配合 ※ 無 − N ’ 炭素繊維シート 30 0 CF3 00 ※既往の研究結果を用いる

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かぶせ，脱泡ローラーにより入念に含浸・接着作業を行った．その後，接着樹脂の上塗りを行い，離型シートにより表面を均一に整えて養生を行った．各シートの接着界面の構造を図−2に示す．CF贈ストランドシートではプライマーとパテを兼用した専用樹脂を用いているため，プライマーおよびパテを用いていないことによる曲げ補強効果への影響が懸念される．プライマーは，塗布することによりコンクリート表層部を強化するとともに，コンクリートとシートとの界面における接着強度を向上させる役割がある．また，パテは接着面の不陸を修正するために用いられるが，既往の研究5）ではパテの塗布により応力分散性能が発揮されることで付着応力が増大し，付着性能が向上すると報告されている． CFRPストランドシート炭素繊維シートコンクリートプブイマーパテ締着樹脂（下塗り）篤整竃竃軍ミミを整軍ミミをヾ登場を篤雑霊場く篤農を、炭素組織シート接着樹脂（上塗り）図−2 各シートの接着界面の構造 8．5 載荷試験方法および測定項目供試体への載荷は，図−1に示すように等曲げ区間200mの中央2点載荷により行った．測定項目は荷重，中央点変位，鉄筋ひずみ，シートひずみ，ひび割れ発生状況（各荷重段階におけるひび割れのスケッチ）である．図−3にÅ配合の供試体におけるひずみゲージ貼付位置を，図−4にB配合の供試体におけるひずみゲージ貼付位置をそれぞれ示す．旦＝1 卓二2 旦＝3 〇二1 〇二2 皐ゴ 6 ：も臣事 c−4 旦ゴ c −5 ；；；旦＝9 ∠ ゝ ∠ ゝ ※8−5のみ両側の引張鉄筋にひずみゲージを貼付（a〉鉄筋ひずみゲージ 7 0 0 ［ 2 0 0 「 7 00

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3．cFRPストランドシートおよび炭素繊維シートの接着によるRCはりの曲げ補強効果

3．1 強度試験結果

表−6に各配合における円柱供試体の強度試験結果を示す．配合によって若干の違いはあるものの，コンクリート強度は概ね同様であることが確認できる． 3．2 載荷試験結果表−7に載荷試験結果を，図一5に荷重一中央点変位関係を示す．以下，各々の供試体に対して考察を行う．（1）配合による耐荷性状の違い各配合の無補強供試体であるN供試体とN’供試体を比較すると，N’供試体は部材降伏荷重，最大荷重が若干低い傾向がみられるものの，概ね同様の耐荷性状を示した．これより，補強供試体においても配合による耐荷性状の違いは小さいと推察できる．（2）cFRPストランドシートと炭素繊維シートの補強効果の違い HT600供試体とCF600供試体を比較すると，部材降伏荷重および最大荷重は同程度であり，シートはく離直前までは両者の耐荷性状に明確な違いは確認できなかった．しかし，CFRPストランドシートを用いたHT600供試体では比較的早期にシートはく髄が生じており，比較的脆性的な破壊挙動を示した．CF贈ストランドシートによる曲げ補強効果を検討した既往の研究1）においてぽCF陣ストランドシートにより補強した供試体が炭素繊維シートを用いた供試体よりも最大荷重が大きくなった結果が得られているが，その実験では炭素繊維シートの施工時に不陸修正パテを塗布していない．そのため，パテの有無が曲げ補強効果に影響を及ぼした可能性が予想される．表−6 強度試験結果供試体名配合名圧縮強度弾性係数引張強度（N ／血 2）（kN ／血 2）（N ／m 2） N A 配合 38 ．6 2 5 ，4 3．0 7 HT 60 0 CF 60 0 N’ B 配合 3 7，9 31．2 3．4 6 CF 30 0 5 0 7 0 5 0 5 0 釦 5 0 2 0 1 0 0 g 冊捏 7 0 0 0 5 0 釦 5 0 如 1 0 0 ︵昌鵬程

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（3）炭素繊維シートの繊維目付重が補強効果に及ぼす影響 CF600供試体とCF300供試体を比較すると，CF300供試体の最大荷重時における耐力比が1．24倍であるのに対し，CF600 供試体の最大荷重時における耐力比は1・29倍となり，顕著な耐力比の増加はみられなかった．荷重一中央点変位関係で確認すると，CF300供試体では中央点変位が16m程度と比較的大きい段階までシートはく離が生じず靭性的な挙動を示している・それに対し，CF600では中央点変位が12m程度と，比較的早期にシートはく髄が生じた．各段階における部材剛性に着目すると，部材降伏前においてはCF300供試体と無稀強供試体であるN，供試体の部材剛性は同様であり，補強の有無に関わらず部材剛性に変化はみられない結果となった．しかし，CF600供試体では無補修供試体Nと比較して剛性の増加が明確に認められた．これは，繊維目付量によってシートの引張剛性も異なるため，比較的引張剛性の大きな繊維目付量600g／諸の炭素繊維シートを接着した結果，部材剛性が顕著に増加したためと考えられる・部材降伏後においても同様に，CF300供試体と比較してCF600供試体の部材剛性が大きい結果となっている． 3．3 鉄筋とシートの応力分担性状図−6に各補強供試体における鉄筋ひずみ分布およびシートひずみ分布を示す．図中では鉄筋ひずみ分布を実線で，シートひずみ分布を点線で表示している・また，凡例の「降伏」は部材降伏時を示している．なお，図ではシートのはく離発生以前におけるシートひずみ分布を示しており，最も高い荷重段階の鉄筋・シートひずみ分布ではシートにはく離が生じる直前の分布を示した．（1）cFRPストランドシートと炭素繊維シートの補強効果の違い HT600供試体とCF600供試体を比較すると，各荷重段階において明確な違いは認められず，ほぼ同様のひずみ分布となっている・部材降伏後において，CF600供試体の鉄筋ひずみ分布が供試体中央部において突出した形状となっているのに対し，HT600供試体では台形の形状となっているが，これは供試体に生じたひび割れの位置が異なるためであると思われる・なお，最も高い荷重段階ではCF600供試体のシートひずみが若干商いが，これはCF600供試体とHT600供試体ではシートにはく髄が生じる荷重が異なっていたためである．（2）炭素繊維シートの繊維目付重が補強効果に及ぼす影響 CF600供試体とCF300供試体を比較すると，部材降伏以前の挙動については両供試体とも同様であるが，部材降伏後においてCF300供試体のシートひずみが顕著に増加している．また，各供試体の最大荷重時におけるシートひずみは， CF600供試体では700（中程度，CF300供試体では11000（，程度であった．これらを踏まえると，CF600供試体では炭素繊維シートのもつ性能を十分に発揮できずに，シートはく離により比較的早期に終局したものと考えられる．炭素繊維シートによる曲げ補強効果の向上には，コンクリートとシートの付着性能を向上させることが重要であると考えられる． 3．4 各供試体におけるシートはく龍過程本項では，各々の補強供試体におけるシートはく離過程を検討することにより，曲げ補強効果の評価を行う．（1）［T600供試体図−7に無補強供試体のひび割れ性状を，図−8にHT600供試体のシートはく離過程を，写真一2にシートはく離後におけるシートの接着界面の状況を示す．ひび割れ性状では，供試体の破壊に支配的であったひび割れを太線で示している． N供試体とN’供試体を比較すると，ひび割れの位置や間隔に明確な違いは見受けられず，概ね同様のひび割れ性状となっている“また，補強供試体であるHT600供試体と比較すると，N供試体と比較してHT600供試体では全体的にひび割れが複雑化しており，シート補強による曲げひび割れの分散性の向上が認められる．ひび割れの角度についても，N 供試体では引張側である供試体下面とほぼ垂直なひび割れが多く見られるが，HT600供試体では全体的に載荷点に向かうようにひび割れ角度が変化しており，供試体内部の応力状態の変化が認められる．

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一一−30kN（鉄筋）一一〇一60kN降伏（鉄筋）一一°−65kN（鉄筋）一一一一一30kN（シート）一一一一一60kN降伏（シート）一一一一一eSkN（シート） 3三治ムニーふ＼雨や合理怒 10（関鍬）00 8000 7000 60（X） 50（X） 0 0 0 0 0 0 0 0 的 3 0 0 0 1 0

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(9)

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(10)

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(11)

れ分散性が低い様子が窺える．CF300供試体では，補強量の大きいHT600，CF600供試体とは異なり，部材降伏後において早期に等曲げ区間におけるシートひずみが急増した．CF300供試体では炭素繊維シートの繊維目付量が比較的小さく引張剛性に劣るため，等曲げ区間付近においてシートの変形が局所化したものと予想できる．このため，CF300供試体ではひび割れが載荷点付近に比較的集中したものと思われる．しかし，シートの引張剛性が小さいことにより，CF300 供試体ではCF600供試体と比較して靭性に優れた挙動を示したものと考えられる． CF300供試体では部材降伏後，シートひずみが急増し，その後2回のはく離が発生した．1回目のはく離（はく離1）， 2回目のはく離（はく離2）ともに59鮒において発生したものの，その後シートの全面はく離に至るまで靭性に富んだ挙動を示している．写真−4に示すように，それぞれのはく離が発生した箇所には接着界面に曲げひび割れが明確に認められることから，各々のはく離は曲げひび割れによるピーリングにより生じたものと予想される．以上を踏まえると，シートの種類に関わらず，連続繊維シートの繊維目付量を増加させることによりひび割れの分散性および耐荷力を向上できることがいえる．しかし，高目付量のシートを使用した場合にはシートの性能を十分に発揮する前にシートはく離に至る傾向が強くなるため，シートとコンクリートの付着性能が重要となるものと考えられる．また，シートとコンクリートの付着性能はシートの種類やプライマー・パテの有無により異なることが示唆された．（4）HT600供試体とCF600供試体のシートはく離面性状の比較写真−5，6にHT600供試体およびCF600供試体のシートはく離面性状を示す．なお，写真−5においてHT600供試体の左側およびCF600供試体の右側にシートはく離面性状が他とは異なる箇所が存在するが，この箇所は載荷試験終了時にシートはく離が生じていなかった箇所である．各々の供試体を比較すると，CF600供試体ではシート側のはく離面にはかぶりコンクリートが全面にわたって付着しており，母材破壊によりシートはく離が生じていることが窺える．一方，HT600供試体のシート側のはく離面では，等曲げ区間付近を除いてかぶりコンクリートの付着が少なく，母材一接着樹脂間における接着強度が比較的低い傾向があるものと予想される．このことから，本研究の範囲内ではCF貯ストランドシートの付着性能には改善の余地があるものと考えられる．しかし，荷重一中央点変位関係において示したように，両供試体の曲げ耐荷性能の差は僅かであり，CF貯ストランドシートの施工時においてプライマーおよびパテを塗布した場合，CF貯ストランドシートの曲げ補強効果は炭素繊維シートと比較して同等以上となるものと期待される． ∴ 、ヽゲヽ “ “ 〇〇〇− − i S 表具 S S R O_{1 と〇〇〇 0 0 0 1 〇 g} 写真−6 シートはく離面性状（シート側詳細）（上：HT600供試体．下：cF600供試体） i 、“同l￣・▲i 棚 i・融帆綱訪士蕊嬢￣こ高的高二，・一・毛儒壕鯖聾霊 ₋ 供試体側 − l −′￣持 ii ￣言・麹麗臨溺紺謀 “図鑑！￣套強1鹸

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4．結論

本研究では・RCはり部材に対してCF贈ストランドシートを接着した場合の曲げ補強効果を評価し，既往の炭素繊維シートを接着した場合の曲げ補強効果と比較し検討を行った．併せて，シートの補強量が曲げ耐荷性能に及ぼす影響を検討しだ本研究の範囲内で得られた知見を以下に示す．（1）RCはり部材を対象として・繊維目付量が同等のC珊ストランドシートおよび炭素繊維シートの曲げ補強効果を比較した結果，ほぼ同等の曲げ補強効果を示した．（2）本研究の範囲内では，CFRPストランドシートと炭素繊維シートでは付着性能が異なり，CFRPストランドシートの付着性能には改善の余地があることが示唆された．しかし，各シートの曲げ補強効果の差は僅かであり，CF貯ストランドシートの施工時においてプライマーおよびパテを塗布した場合，CF贈ストランドシートの曲げ補強効果は炭素繊維シートと比較して同等以上となると期待される．（3）連続繊維シートの種類に関わらず繊維目付量を増加させることによりひび割れの分散性および耐荷力を向上させることができる・しかし，高日付量のシートを使用した場合には，シートの性能を十分に発揮する前にシートはく離に至る傾向が強くなることが改めて確認された．謝辞本研究を遂行するにあたり，多大な御協力を頂きました新日鉄住金マテリアルズ株式会社コンポジットカンパニーおよびコニシ株式会社の方々に深く感謝の意を表します．参考文献 1）小林朗・佐藤靖彦・高橋義裕・立石晶洋：F贈ストランドシートの材料特性とRC梁の曲げ補強効果に関する研究，コンクリート工学年次論文集，Vol．30，No．3，pp．1561−1566，2008． 2）竹内翔：砂岩骨材を使用したコンクリートの材料特性とRC部材の構造性能評価，神戸大学大学院工学研究科修士論文，2010．2． 3）全国上下水道エポキシ工事業協会：炭素繊維ライニング補強工法，1999．7． 4）阪神高速道路公団；CFシートを用いたRC床版の補強要領（案），pp．8−11，1999，3． 5）森lII英典・吉田隆浩・鴨谷知繁：接着界面における不陸修正材を考慮した連続繊維シート補強RCはりの性能評価，材料，Vol．52，pp．1458−1463，2003．12．著者 lI旧洋平神戸大学大学院，学士（工学）森lII 英典所員，博士（工学），コンクリート工学，材料工学