マクロファイバーと鋼繊維を組み合わせることで、コンクリートにひび割れが生じた後の荷重伝達特性を変えることができます。これにより、所定の変形範囲において、荷重の低下がより緩やかになる、あるいはエネルギー吸収能力が高まるといった有益な効果が得られる可能性があります。最適な配合比は、設計上どの応答特性が求められるか、ならびに打設性、圧縮強度、およびコストによって決まります。.
山東建邦化学繊維株式会社では、「Ecocretefiber™」補強繊維を供給するとともに、購入者が試験対象となる各システムを比較検討できるよう支援しています。本ガイドでは、7種類の混合物による実験シリーズを検証し、その結果をハイブリッドコンクリートの選定に向けた実践的な課題として整理しています。 その結果、鋼繊維の一部を繊維で代替する有望な道筋が示されており、各プロジェクトにおいて確認すべき、測定可能なトレードオフが存在することが明らかになりました。.
なぜマクロファイバーとスチールファイバーを組み合わせるのでしょうか？
鋼繊維とポリプロピレン製マクロファイバーは、剛性、密度、形状、および変形特性において異なります。しっかりと固定された鋼繊維は、比較的小さな変形範囲でも亀裂の拡大に抵抗することができます。 一方、より長いポリマー繊維は、その接着性、伸長性、および引き抜き挙動によっては、亀裂がさらに開いても繊維が亀裂内に留まり続けることができる。これらの材料を組み合わせることで、より広い変形範囲にわたって有用な応答が得られる可能性がある。.
これは検証すべき設計仮説です。1つのバッチに含まれる2種類の繊維が、必ずしも相乗効果を生み出すとは限りません。それらの配合比率によっては、流量が低下したり、空気混入が増えたり、分布の均一性が損なわれたりする可能性があります。完全な荷重たわみ曲線と規定の許容特性によって、このハイブリッド材が有用かどうかが判断できます。.
その 2006年のCao JifengおよびDing Yiningによる研究, 研究者らは、普通コンクリート、鋼繊維コンクリート、マクロファイバーコンクリート、および2種類のハイブリッド混合物を比較しました。本研究では、生コンクリートの挙動、立方体強度、エネルギー吸収量、および等価曲げ強度について調査を行いました。これらは、特定された材料に関する実験室での結果であり、現行のEcocretefiber™グレードの認証結果ではありません。.
材料と試験条件を理解する
特性の異なる2本のファイバー
本研究では、長さ32 mm、直径0.70 mmの凹型鋼繊維を用いた。その報告された密度は7.85 g/cm³、引張強度は600 MPa以上、弾性係数は200 GPaであった。.
このポリプロピレン製マクロファイバーの長さは50 mm、等価直径は0.984 mmであった。 報告された密度は0.91 g/cm³、引張強度は490 MPa、弾性係数は8 GPaであった。著者らはまた、破断伸びが10.7%であると報告している。これらの値は本研究の対象材料に関するものであり、異なる製品の注文書に転記してはならない。.
剛性の差は著しかった。報告されたスチールファイバーの弾性率は、マクロファイバーの25倍であった。しかし、剛性だけでは複合材料の性能は決まらない。繊維の長さ、表面状態、含有量、本数の違いも、亀裂の遮断や荷重の伝達に影響を与える。.
1種類のベースコンクリートと7種類の混合物
このベース混合物は、中国のC50コンクリートを対象としたものである。1立方メートルあたり、セメント420 kg、フライアッシュ180 kg、砂669 kg、粗骨材818 kg、水210 kg、減水剤4.2 kgが含まれていた。 報告された水・結合材比は0.35であり、粗骨材の粒径は5～10 mmであった。これは実験的な配合であり、一般的な生産用配合ではない。.
鋼繊維は30 kg/m³または50 kg/m³の割合で使用された。マクロファイバーは4 kg/m³または6 kg/m³の割合で使用された。 ハイブリッドの組み合わせは、30 kg/m³の鋼繊維と4 kg/m³のマクロファイバー、および50 kg/m³の鋼繊維と6 kg/m³のマクロファイバーであった。以下のラベルは、結果を比較する際にこれらの配合量を明確に示すものである。.
曲げ試験では、研究者らは150 × 150 × 550 mmのノッチ付き梁を使用し、スパンは500 mm、ノッチの深さは25 mmとした。制御された荷重加載中にたわみと亀裂口開度を記録し、RILEMに基づく手順を用いて靭性を評価した。 この試験装置による結果は、他の梁試験法や構造部材に直接適用できないため、試験体および試験方法の詳細は重要である。.
「作業性」と「空気含有量」はどうなったのでしょうか？
繊維を添加した結果、報告された流動広がりは縮小し、測定された空気含有量は増加した。ベースコンクリートの流動広がりは670 mmであった。添加量が最も多いハイブリッドコンクリートでは、350 mmが測定された。空気含有量は、普通コンクリートの2.00%から、そのハイブリッドコンクリートでは3.15%へと上昇した。.
| 混合物 | 鋼材／マクロファイバーの配合量（kg/m³） | 報告された流量分布、mm | 空気含有量、% |
| NC | 0 / 0 | 670 | 2.00 |
| SF30 | 30 / 0 | 475 | 2.36 |
| SF50 | 50 / 0 | 355 | 2.60 |
| PP4 | 0 / 4 | 575 | 2.50 |
| PP6 | 0 / 6 | 445 | 2.65 |
| SF30PP4 | 30 / 4 | 405 | 2.95 |
| SF50PP6 | 50 / 6 | 350 | 3.15 |
研究者らは、これらの混合物を安定していると評し、試験条件下では分離やブリーディングは認められなかった。スプレッド値は、元の手順に従って算出されるべきである。これらは通常のスランプ高とは異なり、それ自体では現代の自己締固めコンクリートの分類基準とはならない。.
施工においては、承認された水バランスを維持しつつ、十分な流動性を確保することが実務上の課題となる。試験を通じて、適合する混和剤、ペースト体積、骨材の粒度分布を選定する。契約上のサンプリング地点において、ポンプ性、型枠充填性、仕上げ性、および空気含有量を確認する。空気含有量が高いという結果から、繊維がすべての混合物を自動的に高密度化させるというわけではないことも示唆される。.
圧縮強度は靭性とは異なる傾向を示した
この一連の実験において、鋼材のみを含む混合物の28日間の立方体圧縮強度は、通常の対照試料よりも高かった。マクロファイバーのみを含む混合物は、対照試料よりわずかに低かった。ハイブリッド混合物もまた、鋼材のみを含む混合物とは異なる圧縮強度結果を示した。.
| 混合物 | 1日後の立方体強度（MPa） | 28日間の立方体強度（MPa） |
| NC | 18.19 | 64.26 |
| SF30 | 17.03 | 71.76 |
| SF50 | 15.98 | 73.29 |
| PP4 | 16.00 | 60.75 |
| PP6 | 16.78 | 60.66 |
| SF30PP4 | 14.80 | 58.98 |
| SF50PP6 | 13.92 | 64.83 |
これらは報告されたグループ平均値です。 平均値だけでは、統計的な同等性や製造上の特性の強さを立証するものではありません。特に、SF30PP4の測定値は58.98 MPaであったのに対し、SF50は73.29 MPaであり、約19.5%低い値となっています。したがって、その良好な後期段階の曲げ試験結果については、圧縮要件と併せて検討する必要があります。.
実用的な結論としては、圧縮性能については別途評価を行うべきである。エネルギー吸収を目的として選定されたハイブリッド材料であっても、当該プロジェクトの強度等級、試料採取規則、養生条件、および合格基準を満たさなければならない。繊維の引張強度のデータから、圧縮性能の向上が保証されると推測してはならない。.
所定の変形範囲における曲げ性能を確認する
この研究では、曲げ応答の特定の部分におけるエネルギー吸収量から、等価曲げ強度を算出した。報告された2つの等価強度指標は、基準たわみ量に0.65 mmおよび2.65 mmを加えた地点における終点たわみ量を用いた。この基準は、初期曲げ荷重基準に関連付けられていた。.
わかりやすくするために、この表ではこれらを「初期指標」および「後期指標」と呼んでいます。これらは、定義された区間におけるエネルギーに基づく値です。これらは単に曲線上の1点における応力ではなく、また、異なる規格の残留強度と互換性があるわけでもありません。.
| 混合物 | 以前の等価強度、MPa | 後の等価強度（MPa） |
| SF30 | 2.959 | 1.119 |
| SF50 | 5.125 | 2.058 |
| PP4 | 1.289 | 1.624 |
| PP6 | 1.340 | 1.639 |
| SF30PP4 | 4.599 | 2.432 |
| SF50PP6 | 6.291 | 3.580 |
一定量の鋼材にマクロファイバーを添加する
SF30と比較して、SF30PP4では初期等価強度が2.959 MPaから4.599 MPaへと上昇し、約55%の増加となった。 後者の値は1.119 MPaから2.432 MPaへと増加し、約117%となった。これは、この組み合わせにおいて、後期の変形区間においてより大きな効果が得られることを示唆している。.
鋼の添加量が多い場合、表に記載された平均値から算出したところ、SF50PP6は初期の指標においてSF50を約23%、後期の指標において約74%上回った。 これらは、既存の鋼材量にマクロファイバーを追加したものである。それ自体では、鋼材の置換を示したり、純粋な相互作用効果を特定したりするものではない。繊維の総含有量も増加したからである。.
マクロファイバーを添加しながら鋼を還元する
有用な代替比較としては、SF30PP4とSF50の比較が挙げられます。鋼材含有量は50 kg/m³から30 kg/m³へと減少し、鋼材質量は40%減少した一方で、4 kg/m³のマクロファイバーが添加されました。 以前の等価強度は約10%低く、後の等価強度は約18%高くなりました。.
これは条件付きのトレードオフです。これは、後期の変形範囲が重要となる場合における部分的な代替材の使用を検討することを可能にします。ただし、あらゆる亀裂開口幅において同等の性能が保証されるわけではなく、同等の圧縮強度が保証されるわけでもなく、また別のプロジェクトにおいて40%による鋼材の削減が許可されるわけでもありません。許容可能な設計応答に基づいて、どのブレンドが適合するかを決定する必要があります。.
なぜ大量置換は誤解を招く可能性があるのか
鋼とポリプロピレンの密度は大きく異なります。本研究の値を用いると、50 kg/m³の鋼はコンクリートの体積で約0.64%に相当します。 30 kg/m³の鋼材と4 kg/m³のマクロファイバーを組み合わせた場合、約0.38%の鋼材と0.44%のマクロファイバー、すなわち合計0.82%の繊維体積に相当します。.
したがって、このハイブリッド材は、SF50に比べて鋼の質量は少なかったものの、繊維の総体積は多かった。その挙動は、材料、形状、繊維本数、および総含有量の変化を反映している。重量比で置き換えると、こうした違いが見えにくくなってしまう。.
購入比較を行う際は、実際の鋼材の密度を用いて、質量投下量と算出された体積分率の両方を記録してください。また、1立方メートルあたりのコストに加え、配合、混和剤、試験、仕上げに関する変更点もすべて含めてください。鋼材の質量を40%削減することは、コンクリートの総コストを40%削減することとは異なります。.
調査結果をプロジェクトの資格認定計画にまとめる
まず、求められる応答を定義してください
部材に求められる圧縮強度、暴露条件、打設性、およびひび割れ発生後の挙動を指定する。ひび割れ開口幅の制限が使用性能を左右する場合、初期の挙動が重要となる可能性がある。一方、より大きな変形時のエネルギー吸収が求められる用途では、後の段階の挙動が重要となる場合がある。構造設計者は、適切な基準を選択する。.
ASTM C1609/C1609M-24 特定のたわみ量における第一ピーク曲げ強度と残留強度を区別する。この方法を採用するプロジェクトでは、提案された配合を当該方法に基づいて適格性を確認しなければならない。正当な相関関係が確立されていない限り、過去の等価強度値をC1609の合格基準値に直接換算してはならない。.
実用的な試験マトリックスを比較する
対照群、現在の鋼のみの混合物、および候補となるブレンドを含めること。相乗効果の検討を目的とする場合は、生産上の代替案に加え、繊維の総体積を一定に保った比較を検討すること。材料と養生条件を統一し、平均値とともに試験片間のばらつきも報告すること。これにより、有用なブレンドを、通常のばらつきや総補強量の増加と区別することができる。.
実生産規模での分散性を確認する。試験で承認された順序に従い、両方の繊維種を所定の速度で、撹拌中の混合物に投入する。実験室でのボウル試験が成功したからといって、トラックミキサー、ポンプライン、または吹付けコンクリートシステムでの適用が保証されるわけではない。空気含有量、流動保持性、バッチ収率、繊維の投入量、および打設挙動を記録する。.
梁試験の範囲を超える設計条件の確認
恒常荷重やクリープ、疲労、衝撃、火災、腐食への曝露、接合部、および部材の詳細設計については、別途の検証が必要となる場合があります。ポリプロピレン製の構成部品があるからといって、ハイブリッド構造に残る鋼材が腐食しないとは限りません。同様に、静的梁試験の結果だけでは、あらゆる衝撃特性や耐震特性を立証することはできません。.
ACI SPEC-544.12-23 本規格は、地盤上の繊維補強スラブおよびオーバーレイに関する性能基準を規定している。その定義された適用範囲および要求される残留性能は遵守されなければならない。また、混合物中の個別の鋼繊維を置き換えることは、構造物から鉄筋や溶接金網補強材を取り除くこととは異なる判断である。.
試験用に、現在利用可能なEcocretefiber™のグレードを選択してください
当社の Ecocretefiber™ マクロファイバー そして スチールファイバーの製品ラインナップ 現在進行中のプロジェクトの評価に関する選択肢を提示してください。正確なグレード、寸法、形状、引張特性、密度、および関連する試験報告書を確認してください。フック状の端部を持つ鋼材製品は、過去の experiment で使用されたくぼみのある鋼繊維とは異なります。.
山東建邦社は、試作に関する候補の長さ、梱包、および供給の詳細について協議可能です。既存の鋼材使用量、ベースミックス、打設方法、設計基準、およびコスト目標をお知らせください。代替品の価格設定や承認を行う前に、提案されたハイブリッド製品が仕様を完全に満たしているかどうかを、試作を通じて確認する必要があります。.
よくある質問
マクロファイバーは常に圧縮強度を高めるのでしょうか？
いいえ。7種類の配合シリーズにおいて、圧縮強度の結果と靭性の結果は異なる傾向を示しました。提案された各配合について、必要な強度等級を個別に特定してください。.
4 kg/m³のマクロファイバーは、20 kg/m³の鋼繊維の代わりになるでしょうか？
この組み合わせにより、特定の実験システムにおいて、後期段階の曲げ試験で有望な結果が得られた。初期の等価強度指数および圧縮強度は、鋼のみの混合物（50 kg/m³）よりも低かった。新たなプロジェクトでは、独自の配合試験と設計承認が必要となる。.
等価曲げ強度は残留強度と同じものですか？
どちらも破断後の挙動の一側面を表しているかもしれませんが、計算方法や試験方法によって結果は異なります。ここでいう従来の指標はエネルギーベースのものです。指定されたC1609たわみにおける残留値は、これとは異なる報告値です。.
なぜハイブリッドは後期段階の挙動を改善できるのでしょうか？
剛性、長さ、結合状態、伸び率が異なる繊維は、亀裂が発生する際にそれぞれ異なる挙動を示す可能性がある。本研究で得られた曲線および等価強度の結果は、そのメカニズムの解明を裏付けるものである。ただし、これらがすべての繊維の組み合わせについてそのメカニズムを保証するものではない。.
低鋼使用量のハイブリッド車は、自動的に安くなるのでしょうか？
いいえ。両方の繊維、配合調整、製造、試験、および施工上の変更を含む、1立方メートルあたりの総コストを比較してください。コスト削減を主張する前に、性能を承認してください。.
Jianbang社とのマクロファイバーおよびスチールファイバーの試験について協議する
ハイブリッドシステムは、その測定された応答が部材の実際の要件に合致する場合に価値があります。山東建邦化学繊維株式会社は、Ecocretefiber™による補強ソリューションを提供するとともに、顧客が管理された試験に向けた製品情報を準備できるよう支援しています。. 弊社チームまでお問い合わせください 貴社のスチールファイバーのベースライン、目標変形範囲、および合格基準を踏まえ、候補となるマクロファイバーの配合について協議させていただきます。.
