コンクリートの引張特性及び試験方法と簡易直接引張試験の開発

安達　優＊

　コンクリートが負担し得る最大の引張応力（以下、引張強度）は圧縮強度に比べて非常に小さいため、部材設計上では一般的には無視されることが多い。しかし一方で、コンクリートの破壊はコンクリートに発生する引張応力度がコンクリートの引張強度を超えることで生じるひび割れが原因となっている。そのため、コンクリートの性能を向上させるには、引張強度をはじめとするコンクリートが持つ引張特性を的確に把握することが非常に重要である。　コンクリートの引張特性は引張軟化曲線からその特徴を知ることができる。引張軟化曲線はコンクリート破壊挙動の解析に用いられ、近年、特に開発が進んだ引張軟化特性を大幅に改善した短繊維混入コンクリートの性能を評価する指標としても用いられている。　引張特性を調べるのに優れた方法は直接引張試験とされている１）が、課題も多く、未だその試験方法は標準化されていない。一方、当研究所でも短繊維混入コンクリートの研究を行ってきており、引張特性を把握するため、独自に直接引張試験方法を開発している。　本稿ではコンクリートのもつ引張特性について各種試験方法に基づくものを概説するとともに、開発した直接引張試験方法について解説する。

　前述したとおり、一般的なコンクリートの引張強度は圧縮強度に比べて非常に小さく、1/9 ～ 1/13程度２）

である。このため、部材設計上は無視されることが多い。しかし、ひび割れの発生を許さないプレストレストコンクリート構造においては、全断面有効（引張側コンクリートの引張強度を考慮）として設計応力度を算出するほか、マスコンクリートの初期ひび割れの照査における、ひび割れ指数の算定に用いられる３）。

　一般的に引張強度を求める試験方法には、直接引張試験と割裂引張試験（ ）があるが、コンクリート標準示方書においては、材例28日における割裂引張試験（JIS A 1113）により算出することを原則としている４）。　割裂引張試験は、昭和18年に赤澤が提案した５）ものであり、現在世界各国で標準試験法として規格化されている。なお、赤澤がこの試験を開発した背景として、戦時における鉄筋コンクリートに用いられる鉄筋の節約の必要性から、無筋コンクリートの引張応力の重要性を鑑みたためとしている。　本試験は、 に示すように円柱供試体を横にして、供試体が載荷軸方向に割裂破壊するまで上下から圧縮載荷するものである。このように本試験方法は非

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技術資料

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常に簡易で、圧縮載荷が可能な試験機を用いることができることから、汎用性が非常に高いのが特長である。なお、引張強度 ft（N/㎟）は供試体が破壊するまでに試験機が示す最大荷重 P（N）、供試体の直径 d（㎜）、供試体の長さ l（㎜）を用いて、式（1）から求めることができる。　　ft = 2 P / π d l （1）　円柱供試体が圧縮載荷によって割裂引張破壊する原理について概説すると以下のとおりである。コンクリートの断面を弾性円盤と仮定して上下から荷重を加えた場合、 に示すように載荷軸面には一様な引張り応力が生じ、それと垂直な面にはこれより大きな圧縮応力が生じる。コンクリートの引張強度は圧縮強度に比べ極めて小さいことから、供試体は引張応力によって破壊に至る。その時の引張応力を近似的に誘導すると上記式となる７）。　このように、割裂引張試験は圧縮載荷によって近似的に簡易に引張強度を求めることができる点で優れた試験といえる。しかし、本試験の原理は供試体を弾性体と仮定し近似的に算出するものであり、実際には上下の加圧板と供試体との接触部は複雑な応力状態となる８）など引張以外の何らかの応力が作用する問題があり、引張強度の精度に影響を及ぼしていると考えられている。そのため、引張強度を求める試験方法としては、供試体を直接純粋に引っ張ることで引張強度を計測する直接引張試験を用いるのが望ましいとされている１）。

　引張強度 ftkは割裂引張試験により算出するのが原則であるが、一般の普通コンクリートに対しては設計基準強度 f’ck（N/㎟）に基づいて式（2）から求めても良いとしている４）。　ftk = 0.23 f’ck

2/3 （2）　（2）式の適用範囲は、f ’ck が20N/㎟～ 50N/㎟程度の普通コンクリートを対象としているが、f’ckが80N/㎟以下程度であればそのまま適用できることが確認されている。ただし、レジンコンクリート、繊維補強コンクリートや、f’ckが100N/㎟を超えるような超高強度コンクリート等は適切な試験等によって特性値を定める必要があるとしている。式（2）による ftkと f’ckの関係を に示す。なお、ひび割れ指数の算定に用いられる若材齢での精度を重視した式もコンクリート標準示方書には別途示されているので参考にされたい３）。

　引張軟化とは、ひび割れが生じていない弾性領域と完全に開口したひび割れ部との中間にある破壊領域において、ひび割れ幅の増加に伴い、伝達される引張応力が減少する性質であり、この引張応力とひび割れに伴う変位との関係を表したものが引張軟化曲線である。ひび割れ先端部における引張軟化のイメージ９）を

に、引張軟化曲線の例として鋼繊維補強コンクリートと通常のコンクリートの引張軟化曲線10）をに示す。　コンクリートの引張軟化曲線からは、そのピーク値から引張強度を、曲線下の面積を算出することで、単位面積当たりのひび割れを形成するのに必要なエネルギーである破壊エネルギーを求めることができる。

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

0 10 20 30 40 50 60 70 80

f kt

f'ck

ftk = 0.23 f'ck2/3

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　一般的なコンクリートは、破壊する前の塑性変形が小さく、ある応力に達した瞬間に突発的に破壊する材料、いわゆる脆性材料である。そのため、コンクリート標準示方書３）では、引張を受けるコンクリートを完全脆性材料としてモデル化し、鉄筋コンクリートの安全性照査をしてよいとしている。ただし、さらに詳細な挙動を照査する場合には引張軟化特性を組み込んだ解析で照査するのが効果的となる。　例えば、曲げによる破壊現象は引張軟化と密接に関係しており、引張軟化曲線を曲げ試験の解析に導入することで、より詳細な結果を得ることができる11）。曲げ試験を行うと、コンクリート部材は引張縁の引張応力によって破壊する。もし、コンクリート部材の引張縁応力が引張強度に達した時点が最大曲げモーメントとなるなら、曲げ強度と引張強度は等しくなるはずであるが、実際に実験を行うと曲げ強度は引張強度より大きくなる。これは、 に示すようにコンクリートが引張強度以降軟化することで、すぐには耐力を失わず、軟化領域のある時点において最大曲げモーメントに達するからである12）。　このように引張軟化曲線から得られる引張軟化特性は、コンクリートの非線形現象のメカニズムを解析し、引張挙動を予測するためには必須の情報であり、コンクリート材料の性能を評価する上で重要な指標となる13）。特に、近年はコンクリートの引張強度を改善しひび割れを抑制するために、 に示した鋼繊維や合成繊維を混入させ、繊維がひび割れに架橋することで引張強度を保持し、靱性を有するコンクリートの研究が盛んに行われており、これらの性能を評価するための指標として引張軟化曲線の算出は不可欠となってきている。

　コンクリートの引張軟化曲線は、直接引張試験や多曲線近似解析法等によって算出することができる９），

14），15）。　後者の方法は、まず梁中央部の引張縁側に切り欠きを設けた３点曲げ試験（ ）で荷重－変位曲線を求め、それを基に逆解析により軟化開始点応力（引張強度）の推定とそれ以降の２段階に分けて解析によって引張軟化曲線を推定するものである。この手法は引張軟化曲線を得るのに有効な手段であるが、あくまで曲げ試験結果を逆解析することによる推定手法であり、曲げモーメント下での応力分布と引張による応力分布は異なるため、直接引張試験により求めた引張軟化曲

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ている。ただし、現時点において高精度化には、曲げモーメントを打ち消すための精度の高い特殊な試験装置などによる制御が必要なほか、１供試体当たりの試験時間は１時間半から２時間程度を必要としている。そのため、高精度の試験値を得ることができるが、汎用するには簡便さに欠けるという課題が残されている。

　当研究所でも、これまで短繊維を混入させたコンクリートによる補修補強工法の研究を行ってきたが、その補修補強効果を適切に評価するには、ひび割れ発生後の引張強度を定量的にする必要があった。そこで、本来高精度な試験結果を得るには前述の課題を解決しなければならないが、実用的で簡易にひび割れ発生後のコンクリート性能に評価することを主目的に、簡易試験方法（以下、一軸引張試験）用の治具を開発し、短繊維の効果を評価している。

　一軸引張試験治具の概要を に、試験状況をに示す。本試験は図に示すように圧縮力 Pが

下部ガイドリングを押し下げることにより、供試体に引張力を作用させる仕組みになっている。ここで、上下部のガイドリングにはそれぞれもう一方のガイドリングに設置された３つの貫通穴を通るように設置された３つの支柱が設置されているため、一軸方向に対して偏心および傾きのない状態で安定した引張力を供試体に作用させることができる工夫を施している。これにより、全断面一様な引張ひずみ状態を実現し、直接引張試験の問題とされる曲げモーメント発生を低減させている。

線と単純に比較はできないことなどに配慮して使用する必要がある。なお、一軸引張試験結果と曲げ試験による引張性能評価を比較すると、引張試験よる引張終局ひずみおよび引張強度は、曲げ試験のおよそ0.7倍となるという報告もある16）。　一方で、前者の直接引張試験は一度の試験によって引張軟化曲線に加え、前述した引張強度も同時に得られ、さらに、多曲線近似解析法のような解析が必要ないことから、引張軟化特性を把握することができる優れた試験方法といえる。

　直接引張試験はコンクリートの引張特性を把握するのに優れた手法といえるが、未だ標準的な試験方法は確立されていない。これは、直接引張試験には試験精度に大きな影響を及ぼす次項に示すような課題や難点があり、それらを改善するのは非常に困難なためである17）。ただし、超強度繊維補強コンクリートやHPFRCC（複数微細ひび割れ型繊維補強セメント複合材料）については、それぞれの指針（案）において直接引張試験方法の具体例、または規定が示されている18）, 19）ので参考にされたい。

　理想的な直接引張試験を実施するための課題や難点としては下記のようなことが挙げられる。①引張軟化曲線を得るためには、荷重がピークに達したときに供試体が瞬間的に破断せずに荷重を制御しながら低下させ、安定的な破壊を実現する必要がある、②試験器具の条件や供試体形状による偏心によって曲げモーメントが生じるため純粋な引張とならない、③偏心を除いたとしてもコンクリートが不均一材料であることに起因して曲げモーメントが発生する、④曲げモーメントの発生を解決し、全断面一様な引張ひずみ状態を再現した場合においても長さ方向に対して複数ひび割れや重複ひび割れ（ ）が発生すると正確な結果が得られない、⑤破壊位置や形状を安定させるため切欠きを設けると応力集中を起こす、などが挙げられている。これらの課題は試験の信頼性低下を招き、試験の標準化を難しくしていると考えられる。　このため、秋田らは、以上の課題に対する解決手法の分析を行い、推奨試験方法の提案を行っている１）, 20）。この試験方法では、高精度の制御を可能とする試験装置を用い、安定的な破壊や、偏心の消去を実現し、高精度の試験結果を得ることができるという特徴を有し

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　本試験では、試験治具に圧縮力を作用させることができれば試験可能であるため、特殊な載荷装置を必要とせず、汎用のアムスラー万能試験機を用いることができ装置コストを抑えることができる。載荷速度は0.01㎜ /s 程度で行い、測定項目は、荷重および変位であり、それぞれロードセルおよびパイゲージを用いて測定することを標準としている。

　一軸引張試験結果による短繊維混入コンクリートの変位－荷重曲線の例を に示す。図より、いずれの場合も引張応力が最大値に到達した直後、ひび割れの発生により急激に低下していることがわかる。しかしながら、引張応力は短繊維の架橋効果により零レベルまでは低下せず、○印で示す強度（以下、残存引張強度）に到達後、再度緩やかに応力が増加してピークを向かえた後、短繊維の破断もしくは抜け出しにより応力が徐々に低下していることが分かる。　既往の研究では、本試験方法により算出した残存引張強度を用いることによって、短繊維混入による RC部材の耐力向上効果を概ね評価可能であることを明らかにしている21）。しかし、本試験方法では、に示す課題を十分に解決しているとはいえないた

め、直接引張試験としての性能を満足するものとはいえない。このため、引張強度については本試験から得られた値ではなく、割裂引張試験を用いて評価するなどとしている。　今後は前述した課題の解決に向けて試験データの収集分析を行い、試験方法の改善を図る予定である。

　本稿ではコンクリートのもつ引張特性について各種試験方法に基づき概説するとともに、開発した簡易直接引張試験方法について解説した。　本方法では、短繊維混入コンクリートの引張特性の一つである残存引張強度を簡易に測定することが可能となり、求めた残存引張強度から短繊維が部材耐力に及ぼす効果を評価することができた。　しかしながら、精度良い直接引張試験を行うには、まだ課題は残されていることから、今後は、これまでの試験データを分析し、本試験方法の改善に向けた検討を行っていきたい。

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１） 秋田宏、小出英夫、三橋博三：コンクリートの直接引張試験における４つの誤解、コンクリート工学論文集、第６巻、第１号、2005

２） 例えば、林正道、鮎田耕一：コンクリート工学、pp.55、山海堂、1997.

３） コンクリート標準示方書［設計偏：標準］、pp340、 土木学会、2007.

４） コンクリート標準示方書［設計偏：本編］、 土木学会、2007.

５） 赤澤常雄：コンクリートの圧縮に依る内部応力を求むる新試験法（圧裂強度試験法に就て）（其の一）、土木学会誌、第29巻、第11号、pp777-787、 1943.

６） コンクリート標準示方書［規準編］、 土木学会、2007.

７） 谷川恭雄、太田福男、尾形素臣、小野博宣、金子林爾、小池狹千朗、山田和夫：構造材料実験法、第２版、森北出版（株）、1992.

８） 三浦尚：土木材料学、pp68、（株）コロナ社、1986.

９） 切欠きはりを用いたコンクリートの破壊エネルギー試験方法、JCI 基準、JCI-S-001-2003.

10） コンクリート標準示方書［施工偏：特殊コンクリート］、pp266、 土木学会、2007.

11） 内田祐市、六郷恵哲、小柳洽：コンクリートの曲げ強度の寸法効果に関する破壊力学的検討、土木学会論文集、No.442、pp.101-107、1992.

12） 内田裕一、市之瀬敏勝：破壊のメカニズムと破壊

の力学、コンクリート工学、Vol.37、pp.11-17、No.9、1999.

13） 三橋博三：破壊力学と鉄筋コンクリート構造、コンクリート工学、V34、 No.5、pp.5-15、1996.

14） 橘高義典：引張破壊のモデル化と破壊力学パラメータ、コンクリート工学、Vol.37、 pp.25-28、No.9、1999.

15） 栗原哲彦、安藤貴宏、国枝稔、内田裕一、六郷恵哲：多直線近似法による引張軟化曲線の推定と短繊維補強コンクリートの曲げ破壊性状、土木学会論文集、No.532/V-30、 pp119-129、1996.

16） 清水克将、金久保利之、閑田徹志、永井覚：曲げ試験による PVA-ECC の引張性能評価、日本建築学会構造系論文集、第604号、31-36、2006.

17） 青木優介、下村匠：連続繊維シートを応用したコンクリートの一軸引張試験方法の開発、土木学会論文集、No.739、pp.273-278、2003.

18） 超高強度繊維補強コンクリートの設計・施工指針（案）、pp83-86、 土木学会、2004.

19） 複数微細ひび割れ型繊維補強セメント複合材料設計・施工指針（案）、試験－５、土木学会、2007.

20） 秋田宏、小出英夫、孫銅基、外門正直：コンクリートの直接引張試験で得られる引張強度の精度に関する検討、コンクリート工学論文集、Vol.12、No.2、pp.105-112、2001.

21） 栗橋祐介、田口史雄、岸徳光、三上浩：PVA短繊維の混入によるRC梁の曲げおよびせん断耐力向上効果に関する実験的研究、北海道開発土木研究所月報、No.633、pp.14-23、2006.

安達　優＊

寒地土木研究所寒地基礎技術研究グループ耐寒材料チーム研究員

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