鋼繊維強化コンクリート（SFRC）は、通常のコンクリートに適量の短鋼繊維を添加し、注入・吹付施工が可能な新しい複合材料です。近年、国内外で急速に発展しており、コンクリートの引張強度が低い、極限伸びが小さい、脆いといった欠点を克服しています。引張強度、曲げ強度、せん断強度、ひび割れ強度、疲労強度、高靭性など、優れた特性を有し、水理工学、道路橋梁、建築などの工学分野に応用されています。
1. 鋼繊維補強コンクリートの開発
繊維強化コンクリート（FRC）は、繊維強化コンクリートの略称です。通常、セメントペースト、モルタル、またはコンクリートと金属繊維、無機繊維、または有機繊維強化材料からなるセメントベースの複合材料です。高引張強度、高極限伸び、高アルカリ耐候性を備えた短繊維と細繊維をコンクリートマトリックスに均一に分散させて形成された新しい建築材料です。コンクリート中の繊維は、コンクリートの初期ひび割れの発生や外力によるひび割れの拡大を抑制し、コンクリートの引張強度が低い、ひび割れやすい、疲労抵抗が悪いなどの固有の欠陥を効果的に克服し、コンクリートの不浸透性、防水性、耐凍害性、鉄筋保護などの性能を大幅に向上させます。繊維強化コンクリート、特に鋼繊維強化コンクリートは、その優れた性能により、実用工学の学界や工学界でますます注目を集めています。1907年、ソビエトの専門家B П.ヘクポカブが金属繊維強化コンクリートの使用を開始しました。 1910 年、HF ポーターは短繊維強化コンクリートに関する研究報告を発表し、短い鋼繊維をコンクリートに均一に分散させてマトリックス材料を強化することを提案しました。 1911 年、米国のグラハムは普通のコンクリートに鋼繊維を添加してコンクリートの強度と安定性を向上させました。 1940 年代までに、米国、英国、フランス、ドイツ、日本などの国々では、鋼繊維を使用してコンクリートの耐摩耗性とひび割れ抵抗を向上させること、鋼繊維コンクリートの製造技術、鋼繊維の形状を改良して繊維とコンクリートマトリックスの結合強度を向上させることなど、多くの研究が行われていました。 1963 年、JP ロムアルディと GB バトソンは鋼繊維コンクリートのひび割れ発達メカニズムに関する論文を発表し、鋼繊維強化コンクリートのひび割れ強度は引張応力に有効な役割を果たす鋼繊維の平均間隔によって決まるという結論 (繊維間隔理論) を提示し、この新しい複合材料の実用的な開発段階を開始しました。現在までに、鋼繊維強化コンクリートの普及と応用に伴い、コンクリート中の繊維の分布の違いにより、主に鋼繊維強化コンクリート、ハイブリッド繊維強化コンクリート、積層鋼繊維強化コンクリート、積層ハイブリッド繊維強化コンクリートの4種類があります。
2. 鋼繊維補強コンクリートの補強メカニズム
(1)複合力学理論。複合力学理論は、連続繊維複合材料の理論に基づき、コンクリート中の鋼繊維の分布特性と組み合わせたものである。この理論では、複合材料は繊維を一方の相、マトリックスをもう一方の相とする二相複合材料とみなされる。
(2)繊維間隔理論。繊維間隔理論は、ひび割れ抵抗理論とも呼ばれ、線形弾性破壊力学に基づいて提唱されている。この理論では、繊維の強化効果は均一に分布した繊維間隔（最小間隔）のみに関係するとされている。
3. 鋼繊維補強コンクリートの開発状況の分析
1. 鋼繊維補強コンクリート。鋼繊維補強コンクリートは、少量の低炭素鋼、ステンレス鋼、FRP繊維を通常のコンクリートに添加することで形成される、比較的均一で多方向の強化コンクリートの一種です。鋼繊維の混合量は通常、体積比で1%～2%、重量比でコンクリート1立方メートルあたり70～100kgです。鋼繊維の長さは25～60mm、直径は0.25～1.25mm、長さと直径の最適な比率は50～700です。通常のコンクリートと比較して、引張、せん断、曲げ、摩耗、ひび割れに対する耐性が向上するだけでなく、コンクリートの破壊靭性や耐衝撃性が大幅に向上し、構造物の耐疲労性と耐久性が大幅に向上します。特に靭性は10～20倍に向上します。中国では、鋼繊維補強コンクリートと通常のコンクリートの機械的性質を比較しています。鋼繊維含有量が15％～20％、水セメント比が0.45の場合、引張強度は50％～70％、曲げ強度は120％～180％、衝撃強度は10～20倍、衝撃疲労強度は15～20倍、曲げ靭性は14～20倍向上し、耐摩耗性も大幅に向上します。そのため、鋼繊維補強コンクリートは、普通コンクリートよりも優れた物理的・機械的特性を備えています。
4. ハイブリッドファイバーコンクリート
関連研究データによると、鋼繊維はコンクリートの圧縮強度を著しく向上させるどころか、むしろ低下させることが示されています。普通コンクリートと比較した場合、鋼繊維補強コンクリートの透水性、耐摩耗性、耐衝撃性、そしてコンクリートの早期塑性収縮防止効果については、肯定的、否定的（増加、減少）、あるいはその中間的な見解さえあります。さらに、鋼繊維補強コンクリートは、使用量が多い、価格が高い、錆びやすい、火災による破裂に対する耐性がほとんどないなどの問題を抱えており、その応用に様々な影響を与えています。近年、国内外の学者がハイブリッド繊維コンクリート（HFRC）に注目し始め、異なる特性や利点を持つ繊維を混合し、互いに学び合い、異なるレベルや荷重段階で「プラスハイブリッド効果」を発揮させることでコンクリートの様々な特性を向上させ、さまざまなプロジェクトのニーズに対応しようとしています。しかし、その各種機械的性質、特に疲労変形と疲労損傷、静的および動的荷重、一定振幅または可変振幅の周期的荷重下での変形発達則と損傷特性、繊維の最適混合量と混合比率、複合材料の成分間の関係、強化効果と強化メカニズム、耐疲労性能、破壊メカニズムと施工技術など、混合比率設計の問題については、さらに研究する必要がある。
5. 積層鋼繊維補強コンクリート
モノリシック繊維補強コンクリートは、均一に混合しにくく、繊維が凝集しやすく、繊維量が多く、コストが比較的高く、その広範な応用に影響を与えています。多くの工学的実践と理論研究を経て、新しいタイプの鋼繊維構造である層状鋼繊維補強コンクリート（LSFRC）が提案されています。路盤の上下面に少量の鋼繊維を均一に分布させ、中間部は依然として平らなコンクリート層です。LSFRCの鋼繊維は、一般的に手作業または機械的に分布しています。鋼繊維は長く、長さと直径の比は通常70〜120で、2次元分布を示しています。この材料は、機械的特性に影響を与えることなく、鋼繊維の量を大幅に削減するだけでなく、一体型繊維補強コンクリートの混合における繊維の凝集現象を回避します。さらに、コンクリート中の鋼繊維層の位置は、コンクリートの曲げ強度に大きな影響を与えます。コンクリート底部の鋼繊維層の補強効果は最も優れています。鋼繊維層の位置が上昇すると、補強効果は著しく低下します。LSFRCの曲げ強度は、同じ配合の普通コンクリートよりも35%以上高く、一体型鋼繊維補強コンクリートよりもわずかに低くなります。しかし、LSFRCは材料コストを大幅に節約でき、混練りの問題もありません。したがって、LSFRCは社会経済的メリットが大きく、幅広い応用が見込まれる新材料であり、舗装工事への普及と応用に価値があります。
6. 積層ハイブリッド繊維コンクリート
層状ハイブリッド繊維強化コンクリート（LHFRC）は、LSFRCをベースに0.1％のポリプロピレン繊維を加え、上・下層のスチールファイバーコンクリートと中間層のプレーンコンクリートに、高引張強度、高極限伸びの細くて短いポリプロピレン繊維を多数均一に分散させた複合材料です。 LSFRC中間プレーンコンクリート層の弱点を克服し、表面のスチールファイバーが摩耗した後の潜在的な安全上の危険を防ぐことができます。 LHFRCはコンクリートの曲げ強度を大幅に高めることができます。 普通コンクリートと比較して、普通コンクリートの曲げ強度は約20％増加し、LSFRCと比較して、その曲げ強度は2.6％増加しますが、コンクリートの曲げ弾性係数にはほとんど影響しません。 LHFRCの曲げ弾性係数は、普通コンクリートより1.3％高く、LSFRCより0.3％低くなります。 LHFRCはコンクリートの曲げ靭性を大幅に向上させる効果もあり、その曲げ靭性指数は普通コンクリートの約8倍、LSFRCの1.3倍です。さらに、LHFRCに含まれる2種類以上の繊維はコンクリート中で異なる性能を発揮するため、エンジニアリングのニーズに応じて、コンクリートにおける合成繊維と鋼繊維のプラスハイブリッド効果を活用し、材料の延性、耐久性、靭性、ひび割れ強度、曲げ強度、引張強度を大幅に向上させ、材料品質を向上させ、材料の耐用年数を延ばすことができます。
——抄録（山西省建築、第 38 巻、第 11 号、陳慧清）
投稿日時: 2022年8月24日