西脇 智哉

本申請課題では、これまで申請者らが開発に取り組んできた、高強度・高靭性セメント複合材料（Ultra-High Performance-Fiber Reinforced Cementitious Composite; UHP-FRCC）を対象に、微細な複数ひび割れが生じた状態におけるクリープ性状および耐久性に関する検討を行う。このUHP-FRCCは、低水結合材比のマトリックスと、複数種類の繊維による多段階補強により高い靭性能（変形能力）を持つ。このような優れた力学特性は、複数微細ひび割れの発生に伴う擬似ひずみ硬化を前提としており、十分な性能の発揮には微細ひび割れの発生が不可避である一方、例えば土木学会「UFC指針」においては、ひび割れの発生を許容しない設計を前提としている。ここでは、メンテナンスフリーを指向した材料としての実用化を目指し、ひび割れを有するUHP-FRCCのクリープ性状と耐久性について、申請者らの既往の研究成果である自己修復効果を踏まえた形で評価を行う。

人口減少局面に入った我が国において、都市環境の持続的な発展のためには、建築ストックの有効活用と循環が不可欠である。建築の長寿命化は循環型社会を支える条件だが、単純な物量作戦による網羅的なメンテナンスは困難であり、省力化技術や高耐久材料の開発が強く望まれる。本研究は、複数種類の補強繊維を多段階に用いた新しい高強度・高靭性セメント複合材料（Ultra-High Performance- Fiber Reinforced Cementitious Composite; UHP-FRCC）によって高い力学性能と耐久性を両立させる、コンクリート構造物の材料側面からの検討である。適切なインフィル更新でニーズを満足しつつ、都市の表情を造る建築物のスケルトンを100年オーダーで維持させる技術開発を行う。より具体的には、ひずみ硬化現象の前提となる複数微細ひび割れが生じた状態での、クリープ変形や耐久性に関する検討を行う。

繊維補強セメント系複合材料に関して、ひび割れが生じた状態でのクリープ挙動や塩分浸透など、時間依存性の挙動を明らかにすることで、これらの材料の耐久性評価手法を確立するための研究

バングラデシュは地震活動が活発な地域であるが、首都ダッカは無秩序な都市の高密度化と低品質建物の建設が原因で、世界で最も災害に対して脆弱な都市の一つとなっている。また、建物の設計・施工慣行や構造特性は日本のそれと大きく異なる。そこで、バングラデシュの建物に適した耐震診断・補強技術に加えて、それらを高効率に社会実装するための補強シナリオ策定手法を共同開発し、ダッカの耐災害化を実現する。

耐震性と耐久性・修復性を高い水準で両立するコンクリート構造物の実現のため、上述したHFRCCの材料設計手法を確立し、この複合材料の耐久性を検討する。下記２項目が具体的な研究項目である。 １：寸法効果現象を考慮したUHP-FRCCの最適材料設計（主担当：Fantilli） UHP-FRCCの材料設計コンセプトは、異なる種類の繊維を用いてミクロレベルからマクロレベルまでのひび割れをシームレスに補強し、高性能化するものである。申請者らの既往研究から、土木学会で推奨されているダンベル型小型試験体（断面30mm×30mm）を用いた場合、極めて高い引張強度（20 MPa超）や非常に微細なひび割れの分散発生に 伴う疑似的なひずみ硬化現象が得られることが確認されている。一方で、試験体サイズや打設方法に起因する繊維の分散性や配向性の影響は体系的な検討が未だされておらず、実用化に向けてその検討が必須である。ここでは、断面寸法を３段階程度に変化させて引張載荷実験などを行い、その結果から既に構築している力学モデルを発展させて、混入繊維量の最適化などの材料設計手法を構築する。 ２：自己修復現象を考慮した耐久性と修復性の評価（主担当：西脇） 申請者らの既往研究により、有機繊維や混和材料の適切な組み合わせにより、ひび割れの「自己修復」を可能とするFRCCが開発されつつある。 UHP-FRCCはそのひび割れ分散性からひび割れの自己修復が期待され、塩化物イオン浸透の抑制などによって高い耐久性を有すると考えられる。また、自己修復が期待できない場合であっても、微細ひび割れはかぶりコンクリートの剥落などを防止し、例えば大地震後の修復性の維持にも効果があると期待されるため、この定量的な評価を行う。具体的には、ひび割れ発生後に自己修復や補修によってひび割れを閉塞させた後、塩化物イオンなどの浸透試験を行って耐久性や修復性の評価を行う。

発生したひび割れを自ら修復可能な繊維補強セメント系複合材料（FRCC）の適用、具体的にはメンテナンスフリーを実現する防水層について研究を行う。コンクリートのひび割れは、水分供給により自ら閉塞させるポテンシャルを本来的に持つ。この性質を工学的に利用可能なレベルに引き上げることにより、現状では10年程度ごとに繰り返される防水改修工事の大幅な軽減が可能になると期待される。

さまざまな熱可塑性樹脂からなる合成繊維やマトリックス調合を用いてコンクリートの自己治癒性状を評価し、高い自己治癒性能を有するコンクリートの開発を行う

本学土木工学科実験棟の解体に伴って、特にコンクリートの物性に重点を置いて、各種の実測調査を行う

繊維補強セメント系複合材料に関して、基礎的な材料実験と繊維の引き抜けに関する理論式から、所定の性能を得るために必要な繊維混入量を得るためことのできる調合設計手法の確立に関する研究

コンクリートにひび割れが生じた場合にコンクリート自身がこれを検知し、このひび割れの周囲を選択的に加熱することで補修の実行までを自動的に行う、自己修復コンクリートを開発することを目的として研究を行う。研究期間内には、ひび割れと耐久性の関係に着目し、回復すべき性能の特定と自己修復効果の定量評価について検討を行う。

本研究はコンクリート構造物の長寿命化に資する技術として、コンクリート構造物自身がその損傷を診断し、損傷レベルが許容値を超える場合に自動的にひび割れを補修するシステムの開発を目的としている。コンクリートのひび割れを検知するセンサーを、損傷箇所への選択的な加熱が可能な発熱デバイスとしても併用し、コンクリート中に予め埋設される保護パイプに内包された補修剤を、ひび割れへと自動的に供給するトリガーとして用いることを提案している。

超音波音速CT技術をコンクリート構造物への適用するための基礎的な研究を行う

本研究では、コンクリートにひび割れが発生した場合にコンクリート自身がこれを検知し、補修の実行までを自動的に行う、自己修復機能コンクリートを開発することを目的とする。この手法として、ひび割れ発生箇所への選択的な加熱が可能な発熱デバイスである自己診断材料と、この熱によって内包する補修剤をひび割れ中に放出する保護パイプを、予めコンクリート中に埋設することを提案する。 一般的にコンクリートに発生する劣化は加速度的に進行する場合が多く、劣化の進展に伴って補修の実施は技術的にも経済的にも困難になる。特にひび割れの発生は、水などの劣化因子をコンクリート内部に引き込むことで、鉄筋腐食などのより有害な劣化への原因となる。すなわち、耐久的なコンクリート構造物とするためには、軽微なひび割れの段階で適切な処置を施すことが肝要である。ここで提案する自己修復機能は、従来は発生した劣化への事後対策である補修を、事前対策としてコンクリートに内包させることで、より計画的な耐久設計を可能にできるものと期待される。