玄武岩繊維強化モルタルを用いたRC梁の曲げ補強：実験的および解析的検討

薄い新しいジャケットで橋や建物を強くする

多くの老朽化した橋、駐車場、建物は、今日のより重い交通や長い使用寿命を念頭に置いて設計されていなかった鉄筋コンクリート梁に依存しています。これらの梁を完全に取り替えることは大がかりで高価なため、既存構造を外側から効率的に改修する方法が模索されています。本研究はその一例に着目しました：薄いセメント系ジャケットに布のように配列された玄武岩繊維を入れて梁を包み、主要な解体を伴わずに強度と安全性を高めることを目指す手法です。

繊維豊かな被膜で疲れたコンクリートを包む

研究者たちは、床や橋のデッキを支える働き者である鉄筋コンクリート梁に注目しました。時間の経過とともに梁内部の鉄筋は腐食し、コンクリートは劣化して安全余裕が減少します。有望な補修技術の一つがテキスタイル強化モルタル（TRM）で、繊維の細かいメッシュを薄いモルタル層に埋め込み、それを梁外面に接着する方法です。エポキシ樹脂を用いる従来の高分子系繊維補強材は高温や湿潤面で性能を失うことがありますが、TRMはセメント系モルタルを用いるため、湿気や高温に対してより耐性があります。

玄武岩テキスタイルが魅力的な理由

本研究は玄武岩繊維を用いた特定のTRM、すなわち玄武岩テキスタイル強化モルタル（BTRM）に焦点を当てます。玄武岩繊維は火山岩から引き出され、高い強度、良好な耐食性を備え、場合によっては炭素繊維よりコストが低くなる可能性があります。研究チームは、テキスタイルの層数、メッシュの開口サイズ、ジャケット内部への細長い玄武岩バーの追加、機械的なアンカーの使用など、設計上の選択がBTRMで被覆した鉄筋コンクリート梁の強度や靭性にどのように影響するかを明らかにしようとしました。

実物大梁を実験にかける

これらの疑問に答えるため、研究者たちは長さ2.3メートルの実物大コンクリート梁を6本鋳造し、内部は実構造同様に鉄筋で補強しました。1本は補強なしの基準試験体とし、残る5本は底面および下側面をU字形に被覆したさまざまなBTRMジャケットを施しました。ある梁には3層の玄武岩テキスタイル、別の梁には5層や8層を用い、あるものは細かい5ミリのメッシュ、別のものは粗い34ミリのメッシュを使いました。あるバージョンではジャケット内に追加の玄武岩バーを入れ、別のものではジャケット固定の補助としてコンクリートに接着した鋼製アンカーを使用しました。すべての梁は試験機で破壊するまで荷重を加え、荷重と曲げ量を計測しました。

控えめな強度向上、しかし頑固な弱点

被覆した梁は、破壊に至るまで被覆していない基準梁より11〜18％多くの荷重を支え、BTRMが即時の容量増加をもたらすことを確認しました。しかし、テキスタイル層を増やしても強度が無限に増加するわけではありませんでした。3層と5層の梁はほぼ同じ極限荷重に達し、ジャケットとコンクリートの接合部が支配的な弱点となると利得が頭打ちになることが示されました。メッシュの開口サイズ（5mm対34mm）は全体の強度にほとんど影響を与えず、追加の玄武岩バーは主にひび割れ後の挙動を滑らかにし、吸収するエネルギーをわずかに増やす程度の改善しか示しませんでした。機械的アンカーは破壊前の曲げ変形を大きくしましたが、ジャケット全体がコンクリート面から剥離する際に破壊が生じるため最大荷重はあまり上がりませんでした。ほとんどすべての被覆梁で、モルタルとテキスタイルの層は一体で残り、コンクリートからきれいに分離したことから、主要な問題はコンクリート―モルタル界面にあることが明らかになりました。

より精密な設計ツールで安全な改修を

実験室試験に加え、著者らは既存の計算手法がこうした被覆梁の強さをどれほど予測できるかを検証しました。一般的な設計式はテキスタイルに対して非常に保守的なひずみ限界を用いると実際の容量を過小評価し、ジャケットとコンクリートの完全な付着を仮定すると利得を過大評価する傾向がありました。予測と試験データを慎重に比較することで、接合が不完全な場合の実挙動をよりよく反映する改良された簡便な式を提案し、設計で用いるテキスタイルの許容ひずみを安全に引き上げることを示唆しました。この修正式は自らの試験結果および他研究室の公表データと良く一致しました。

実構造への意味

専門外の方への主なメッセージは、既存のコンクリート梁を薄い玄武岩テキスタイルとモルタルのジャケットで包むことは、概ね10〜20％程度の強度向上と、梁の破壊挙動を穏やかにする効果があり、安全性と使用寿命を確保する実用的な手段であるということです。ただし、玄武岩繊維そのものの性能よりも、ジャケットが既存コンクリートにどれだけ確実に付着するかが現状の制約要因となっています。表面整備、接着材やアンカリングの改善が次の重要な課題であり、これらが解決されればこの手法は老朽化するコンクリートインフラを強化する上でより強力で予測可能なツールになるでしょう。

引用: Shamseldein, A., ELgabbas, F., Kohail, M. et al. Flexural strengthening of RC beams using basalt textile reinforced mortar: experimental and analytical investigation. Sci Rep 16, 7382 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37322-3

キーワード: 鉄筋コンクリート補強, 玄武岩繊維強化モルタル, テキスタイル強化モルタル, 梁の曲げ挙動, 構造改修