繊維補強コンクリートの用途、利点、および重要な質問

コンクリートは現代の建設の基礎であり、その性能の継続的な改善がエンジニアリングの主要な焦点となっています。繊維補強コンクリート（FRC）の出現は、この不可欠な材料に新たな活力を与えました。しかし、それと同時に多くの疑問も生じます。繊維とは正確には何でしょうか？マクロファイバーとマイクロファイバーの違いは何でしょうか？適切な繊維の種類と投与量はどのように選択すればよいのでしょうか？この記事では、繊維補強コンクリートについて深く掘り下げ、実用的な応用の懸念事項に対処し、より堅牢で耐久性のある建物を構築するためのガイダンスを提供します。

繊維は、単なる添加物ではなく、補強材として機能し、コンクリートにおいて重要な役割を果たします。ACI CT-18（コンクリート用語）で定義されているように、繊維はひび割れを橋渡しし、コンクリートを結合し、その全体的な性能を大幅に向上させます。

マクロファイバーとマイクロファイバーの主な違いは、そのサイズにあり、通常は等価直径または線密度で測定されます。FRC業界では、線密度はデニールで表現されることが多く、これは9,000メートルの繊維の質量（グラム単位）を表します。

マイクロファイバーとマクロファイバーの主な違いは次のとおりです。

• 合成繊維： ASTM D7508/D7508Mは、マクロファイバー、マイクロファイバー、およびハイブリッドファイバー（両方の組み合わせ）の要件を規定しています。この規格では、引張強度とカット長も追加の区別特性として使用しています。
• 天然マイクロファイバー： ASTM D7357は、FRCで使用されるセルロース繊維のコンプライアンス要件を概説しています。
• スチールファイバー： マクロファイバーとして分類され、ASTM A820/A820Mは、FRC用途におけるスチールファイバーの最小要件を確立しています。

• マイクロファイバー： 主に、プラスチック収縮ひび割れを制御します。標準的な投与量では、温度や収縮ひび割れを制御したり、他のコンクリート特性を向上させたりすることはありません。ただし、1.5 lb/yd³（0.9 kg/m³）の最小投与量で使用されるフィブリル化マイクロファイバーは、温度および収縮ひび割れ制御のために軽量溶接金網補強材（WWR）を置き換えることができます。
• マクロファイバー： ひび割れ後の残留強度、ひび割れを横断する荷重伝達、耐久性の向上、曲げ靭性、疲労抵抗、耐衝撃性、せん断耐力など、コンクリートの性能を大幅に向上させます。

さまざまな合成マクロファイバーの種類があり、それぞれに独自の利点があります。引張強度、弾性率、材料組成、形状などの物理的特性に加えて、混合性能、ボール化傾向、表面仕上げ品質、コンクリートとの結合特性など、あまり明白でない違いがあります。

合成マクロファイバーを成功させるための鍵は、性能要件と作業性/仕上げのニーズの両方を満たす適切な投与量を選択することです。より強力な繊維や、より優れた結合特性を持つ繊維は、より弱い代替品よりも少ない材料で済む場合があります。メーカーは、投与量の推奨事項を裏付ける試験データを提供し、不確実性がある場合は試験混合物を推奨する必要があります。

マイクロファイバーは、主にプラスチック収縮ひび割れを制御します。研究によると、標準的な投与量では、硬化したコンクリートに無視できる程度の耐荷重能力しか提供しません。マイクロファイバーの投与量が多いと、繊維の数と表面積が増加するため、混合が複雑になり、作業性の問題や大きなスランプ損失を引き起こす可能性があります。

同じタイプの短い繊維と比較して、長い繊維は表面積が大きいため、硬化したコンクリートでのアンカーが改善され、同等の投与量でひび割れ後の性能が向上します。ただし、特定の形状、剛性特性、コンクリートの圧縮強度に応じて、各繊維タイプに最適な長さが存在します。

配置方法と仕上げ要件を考慮したプロジェクト前の試験混合物は、理想的な繊維の長さを決定するのに役立ち、ボール化や表面繊維の突出などの問題を回避できます。

合成マクロファイバー（特に大きく、粗いモノフィラメント）は、投与量によっては、スチールファイバーに匹敵する残留強度を提供できます。予想される変形や環境条件などの他の要因も、繊維の選択に影響を与える必要があります。スチールファイバーを必要とする一部の構造用途では、合成代替品は検証されていません。

合成マクロファイバーは、通常、スチールファイバーよりも引張強度と弾性率が低いですが、潜在的なひび割れを橋渡しするための繊維が大幅に多く提供されます。適切に投与すると、ひび割れを横断する総応力伝達能力は同等になります。有効な断面強度も、繊維とマトリックスの結合品質に依存します—結合が不十分な高強度繊維は、貧弱な補強候補になります。FRCの性能は、個々の繊維特性ではなく、複合的な挙動を反映しています。

繊維補強コンクリート（FRC）は、水硬性セメントコンクリートに個別の繊維（通常は最大2.5インチまたは64 mm）を組み込んでいます。繊維補強ポリマー（FRP）は、セメントや骨材を使用せずに、ポリマーマトリックスに埋め込まれた非常に長い繊維を使用します。

必要な繊維の量は、指定されたFRC性能基準によって異なります。プラスチック収縮を制御するマイクロファイバーの場合、ひび割れ低減率（CRR）がASTM C1579に従って投与量の決定をガイドします。硬化したコンクリートのマクロファイバーの場合、投与量は、指定された残留強度（ASTM C1399）、ひび割れ後の等価曲げ強度（ASTM C1609）、またはエネルギー吸収能力（ASTM C1550）を満たす必要があり、要素の種類/厚さ、コンクリート強度、補強仕様、および荷重要件を考慮します。

多くのサプライヤーが、適切な投与量を計算するための設計ツール（特にスラブ用）を提供しています。

スラブの場合、最小投与量は、要件または業界標準を満たすために標準化された製品試験に基づいて、通常、メーカーによって確立されます。

複合金属デッキのANSI/SDI C-2017は、温度/収縮制御に使用する場合、合成繊維の場合は4.0 lb/yd³（2.4 kg/m³）、スチールファイバーの場合は25.0 lb/yd³（14.8 kg/m³）の最小マクロファイバー投与量を規定しています。UL要件では、合成繊維の場合は5.0 lb/yd³（3.0 kg/m³）、スチールファイバーの場合は66.0 lb/yd³（39.2 kg/m³）の上限が設定されています。繊維補強材は、現在、複合デッキアセンブリの負のモーメントスチールを置き換えるものではありません。

メーカーの推奨事項またはコード要件を下回る投与量は推奨されていません。エンジニアは、用途または投与量について不明な点がある場合は、繊維メーカーに相談する必要があります。

いくつかの情報源が、さまざまな構造用途におけるマクロファイバー補強コンクリートの設計ガイダンスを提供しています。

• ACI 544.4R-18：FRCを使用した設計ガイド
• ACI 360R-10：スラブ設計ガイド
• ACI 322-14：住宅用コンクリートコード要件

繊維メーカーは、製品固有の追加ガイダンスを提供できます。

マクロファイバーFRC仕様は、性能ベースであり、用途固有である必要があり、ACI 544.4Rの承認された方法を使用して、次のような特性パラメータを計算します。

• 平均残留強度（ASTM C1399）
• 残留強度または等価曲げ強度（ASTM C1609）

サンプル仕様：「繊維の投与量は、4,000 psi（28 MPa）のコンクリートで、最小200 psi（1.4 MPa）の残留強度を提供するものとする。」コンプライアンスは、関連するASTM規格に従って、メーカーの試験データを通じて検証する必要があります。

吹付けコンクリートの場合、繊維補強吹付けコンクリート（FRS）の性能は、エネルギー吸収能力（ASTM C1550またはEN 14488-5）によって決定されます。サンプル仕様：「繊維の投与量は、4,000 psi（28 MPa）の吹付けコンクリートで、7日目に最小280 Jのエネルギー吸収を提供するものとする。」

FRCのひび割れ後の性能は、ASTM C1609、C1399、またはC1550（エネルギー吸収）を介して評価できます。エンジニアは、設計意図と必要な性能レベルに基づいて適切な値を決定し、ガイダンスについてはACI 544.4Rを参照する必要があります。

特定の繊維（例：スチール）は、露出した環境のコンクリート表面付近で腐食する可能性があります。このような局所的な腐食は構造的完全性を損なうものではありませんが、その美的影響は事前に評価する必要があります。合成繊維と天然繊維は非腐食性で化学的に不活性であり、環境条件の影響を受けません。

繊維は、通常、コンクリートの最初のひび割れ曲げ強度（破断係数、ASTM C78）を増加させませんが、スラブの曲げ耐力と疲労強度を向上させます。適切な繊維固有の靭性値により、設計荷重をサポートするためのより薄いコンクリートセクションが可能になります。

ANSI/SDI C-2017は、スチールまたは合成マクロファイバー（最小要件を満たすメーカーが決定した投与量）を、構造的応力抵抗ではなく、ひび割れ制御のために溶接金網補強材（WWR）の代替として使用することを許可しています。

ULおよびICC-ESの評価の下で、一部のマイクロファイバーは、特定の耐火床/天井アセンブリでWWRの代替品として認識されています。

この歴史的な問題は、不適切な仕上げ技術が使用された場合に、主に合成マイクロファイバーで発生しました。現代のモノフィラメントマイクロファイバー（通常は1.0–1.5 lb/yd³または0.6–0.9 kg/m³に制限）とマクロファイバーは、この影響を最小限に抑えます。適切な混合、配置、および仕上げにより、優れた表面が得られます。表面繊維の突出は、スラブの完全性を損なうものではありません—美的懸念が生じた場合、ローズバッドトーチで露出した繊維を溶かすことができます。

一部の合成繊維（例：ナイロン）は少量のバッチ水を吸収しますが、一般的なポリプロピレン/ポリエチレン繊維は疎水性です。投与量が多い場合の明らかなスランプの減少は、繊維が水の吸収ではなく、凝集剤として機能することに起因します。

水を加えると、コンクリートの強度が低下します。繊維含有量が多いと作業性に影響がある場合、余分な水ではなく、化学混和剤を使用する必要があります。

理想的な添加ポイントは、繊維の形状、剛性、および投与量によって異なります—一部は最初の成分として最適に機能し、他のものはすべての材料が投入された後に最適に機能します。メーカーはガイダンスを提供でき、最適な添加タイミングと混合時間を決定するために、プロジェクト前の試験が推奨されます。

通常のコンクリートの場合、すべての成分を追加した後、レディーミックス操作では通常4–5分間の混合が推奨されます。

すべての繊維タイプは、混合が不十分、シーケンスが不適切、または繊維をコーティングするのに十分な細骨材がない過度に乾燥した混合物への添加が原因でボール化する可能性があります。プロジェクト前の試験は、意図した繊維の種類と投与量との混合適合性を検証するのに役立ちます。

スランプへの影響は、次の要因によって異なります。

• 初期混合スランプ（開始スランプが低いほど影響が大きい）
• 繊維の数と投与量（投与量が多いほど影響が増加）
• 総繊維表面積（表面積が大きいほど影響が増加）

スランプコーンの測定値は、必ずしも実際の作業性ではなく、バッチの一貫性を示すことに注意してください。視覚的なスランプは減少しているように見えるかもしれませんが、実際の作業性はそれほど影響を受けていない可能性があります。プロジェクト前の試験により、作業性の調整が必要かどうかが決定されます。

マイクロファイバーは、同等の長さ対直径比と投与量で、ポンドあたりの繊維数が多いため、マクロファイバーよりもスランプに影響を与える可能性があります。一般的に：

• 合成マイクロファイバー（1.0–3.0 lb/yd³または0.6–1.8 kg/m³）：1–3インチ（25–75 mm）のスランプ損失
• 合成マクロファイバー（3.0–10.0 lb/yd³または1.8–6.0 kg/m³）またはスチールファイバー（15–50 lb/yd³または9–29.6 kg/m³）：1–5インチ（25–125 mm）のスランプ損失

減水剤（中範囲または高範囲の減水剤）は、スランプ損失を相殺する必要があります。ペースト含有量を適切に確保するために、投与量が多い場合は混合物の調整が必要になる場合があります。強度低下と分離を防ぐために、過剰な水を避けてください。

マクロファイバーは、一般的に空気含有量または圧縮強度に悪影響を及ぼしません。認識される変化は、過剰な混合、追加された水、温度変動、または骨材の不適切な水分測定に起因することがよくあります。空気の変動は、実際のスランプの変化にも関連している可能性があります。特定の歴史的な繊維表面処理は、不要な空気を導入する可能性がありましたが、これは現在ではまれです。

単位重量の変化は、繊維の種類と混合設計の調整によって異なります。合成繊維は、空気含有量が一定であれば、通常、単位重量を変更しません。高密度のスチールファイバーは、体積分率と混合調整に応じて、単位重量を増加させる可能性があります。

通常の重量のコンクリートでは、適切に配合および混合された繊維は、材料の比重と混合コンクリートの粘度により、浮いたり沈んだりすることはありません。繊維は、実際には、より大きな骨材を懸濁させ、分離を防ぐのに役立ちます。

一般的に互換性がありますが、一部の繊維処理助剤または紡糸仕上げは、他のコンクリート化学物質に影響を与える可能性があります。必ず繊維メーカーに確認してください。