コンクリート鉄筋における炭素繊維とガラス繊維 - 知識

コンクリート補強技術は従来の鉄鋼をはるかに超えて進化しています。近年、カーボンファイバーとグラスファイバーが革新的な代替品として登場し、現代のインフラストラクチャーの構築方法を変革しました。業界の研究によると、繊維強化コンクリートは、ひび割れやメンテナンスのコストを削減しながら、引張強度を 30% 以上向上させることができます。{2}しかし、本当に最も優れたパフォーマンスを発揮するのはどのファイバーでしょうか?この記事では、カーボンファイバーとグラスファイバーを分類し、その強度、耐久性、パフォーマンス、コストを分析します。-これにより、次のプレキャストまたは構造プロジェクトについて十分な情報に基づいた決定を下すことができます。

繊維強化コンクリート（FRC）とは何ですか?

繊維強化コンクリート（FRC）-は、分散した繊維を添加することで従来のコンクリートの特性を強化した最新の複合材料です。鋼繊維、ガラス繊維、合成繊維、炭素繊維のいずれであっても、コンクリート全体に均一に分散され、引張強度、曲げ強度、耐クラック性が大幅に向上します。

コンクリートは歴史的に圧縮強度は高いものの、引張強度は低いものでした。数十年にわたり、この問題を解決するためにスチールメッシュまたは鉄筋が使用されてきました。しかし、材料科学の進歩に伴い、繊維強化材がよりスマートで効率的な代替手段として浮上し、優れた接着特性、ひび割れの減少、設計の柔軟性の向上を実現しています。

炭素繊維強化の概要

炭素繊維鉄筋コンクリートは、通常はポリアクリロニトリル (PAN) から得られる炭化ポリマーフィラメントから作られています。制御された加熱と炭化プロセスを通じて、これらのポリマーフィラメントは超強力な繊維に変換されます。-これらの炭素繊維はセメントマトリックス内に均一に分散され、コンクリートの物理的および機械的特性を強化する複合材料を作成します。炭素繊維鉄筋コンクリートは、従来の鉄筋コンクリートには見られない、優れた機械的特性、耐水性、自然温度変動に対する耐性を備えています。{4}また、化学的安定性、長期にわたる機械的強度、高アルカリ環境下での寸法安定性も示します。{6}}

carbon fiber

鋼材を炭素繊維に置き換えることで、塩水による鉄筋コンクリートの劣化や劣化がなくなり、建築部材の軽量化、設置・施工の容易化、工期の短縮が可能となります。カーボンファイバーは振動減衰特性も示し、衝撃波を吸収し、耐震性と曲げ強度を 10 倍以上向上させます。-炭素繊維鉄筋コンクリートは、高い引張強度、曲げ強度、耐破壊性、耐食性を示します。炭素繊維強化コンクリートは膨張係数が低いため、耐熱性に優れ、温度変形が最小限に抑えられます。

炭素繊維強化コンクリートの主な機能は、コンクリート内の微小亀裂の伝播を防ぎ、マクロ亀裂の発生と進展を防ぐことです。したがって、主引張応力によって主に制御される引張強度、せん断強度、曲げ強度、ねじり強度が大幅に向上します。同時に、高いマトリックス変形抵抗を備えているため、引張靭性、曲げ靭性、衝撃靭性が向上します。炭素繊維体積分率が 1.18% の場合、試験片の分割引張強さは 1.2% 増加します。複合則によれば、炭素繊維の補強効果はセメント中の繊維含有量の増加とともに増加するはずです。炭素繊維の重量パーセントが 5% 未満の場合、この関係はほぼ直線になります。さらに含有量が多くなると、炭素繊維がマトリックス中に均一に分散しにくくなり、補強効果が得られなくなり、さらには炭素繊維コンクリートの引張強度が低下する。さらに、炭素繊維コンクリートは、耐食性、耐浸透性、耐摩耗性、耐収縮性、耐久性にも優れています。

ガラス繊維強化の概要

ガラス繊維強化コンクリート (GFRP) は、セメントモルタルまたは通常のコンクリート基材に高弾性、耐アルカリ性のガラス繊維を均一に分散させて作られた複合材料です。{0}ガラス繊維の直径はセメント粒子とほぼ同じ5〜20μmしかないため、ガラス繊維を使用する場合は結合剤としてセメントペーストまたは細砂が使用され、より大きな粒径の粗骨材はほとんど使用されません。したがって、この材料から作られた複合材料は強化セメントとも呼ばれます。

Glass fiber reinforced concrete

ガラス繊維強化コンクリートの使用は、建設工学の将来の方向性です。通常のコンクリート製品の重い、引張強度が低い、耐衝撃性が低いなどの欠点を克服するだけでなく、通常のコンクリートにはない特性を備えています。ガラス繊維強化コンクリート製品はより薄く、より軽くなります。非常に高い-引張-強度のガラス繊維を補強材として使用しているため、その引張強度は非常に高くなります。ガラス繊維をコンクリート中に均一に分散させることで、コンクリート製品の表面ひび割れを防ぎます。破壊時のエネルギーを多く吸収できるため、耐衝撃性に優れ、曲げ強度も高い。さらに、ガラス繊維強化コンクリート製品は、離型性に優れ、加工が容易であり、様々な形状や異形品を容易に製造することができる。

カーボンファイバーとグラスファイバー - の主な比較

比較の側面	カーボンファイバー	グラスファイバー
材料構成	炭化ポリマーストランドから作られています	溶けたガラスのフィラメントから作られています
抗張力	非常に高い – 鋼よりも最大 5 倍の強度	中 – 重量当たりの強度はスチールよりも強いが、カーボンファイバーよりは低い
剛性	非常に高い - 優れた耐荷重能力-	剛性が低く、柔軟性が高い
重さ	非常に軽量で、優れた強度-対-比	軽量ですが、カーボンファイバーよりわずかに重いです
耐食性	優れた – 完全に非腐食性で、海洋または化学物質への曝露に最適です。-	良好 – 耐腐食性があるが、アルカリ環境では劣化する可能性がある
耐久性	優れた – 数十年にわたって強度を維持	高 – 耐久性はありますが、攻撃的な環境では耐性が劣ります
耐疲労性	優れた – 時間の経過による強度の低下が最小限に抑えられます	中程度 - 周期的な負荷がかかるとパフォーマンスが低下します。
作業性	脆いため取り扱いには注意が必要	扱いやすく、混合しやすい
料金	より高い - プレミアム補強オプション	低価格 - 経済的で広く使用されています
最適な用途	長期にわたる強度と耐久性が求められるプロジェクト-	コスト効率と適度なパフォーマンスが必要なプロジェクト

プロジェクトに適したファイバーの選択

適切なコンクリート強化繊維の選択は、いくつかの重要な要素に依存します。

構造性能目標:橋、高層ビル、プレキャストスラブなどの耐荷重コンポーネントには、引張強度と剛性に優れた炭素繊維が最適です。{0}{1}一方、ガラス繊維は、外壁や屋内床などの装飾用途や非構造用途には十分です。-

環境要因:カーボンファイバーは優れた耐食性と耐久性を備えているため、海洋、化学、または高温環境でより広範囲に適用できます。-グラスファイバーは穏やかな環境で最高のパフォーマンスを発揮します。

予算: カーボンファイバーは初期コストが高くなりますが、長期的な修理とメンテナンスのコストを削減できます。{0}グラスファイバーは、中強度の補強が必要なプロジェクトに対して、より費用対効果の高いソリューションを提供します。{{1}

プロジェクトの種類:プレキャストコンポーネント、大規模なインフラストラクチャ、修理工事には通常、高性能カーボンファイバーが必要ですが、住宅や装飾プロジェクトでは、手頃な価格と使いやすさを備えたグラスファイバーを活用できます。{0}これらの要素を慎重に比較検討することで、エンジニアや請負業者は最適なファイバーを選択し、各コンクリートプロジェクトの安全性、耐久性、費用対効果を確保できます。-