AE技術を用いたTPB試験における地震様ひずみ応力がコンクリートの微小ひび割れ進展則に与える影響

地震時におけるコンクリートの微小ひび割れが重要な理由

地震が都市を揺るがすとき、橋梁、トンネル、建物の安全性は内部のコンクリートがどのように破壊するかに左右されます。本研究は、地震に類似した速度で曲げられた際にコンクリート中で形成・成長する微小ひび割れを詳細に調べます。ひび割れが生じる際に発する音を捉えることで、試験では高速荷重がコンクリートをより高強度に見せる一方で、破壊をより突発的で脆性的なものに変えることを示し、構造安全性に重要な含意を示しています。

研究チームが構築した地震様荷重の試験方法

研究者らは初欠けの入ったコンクリート梁を作製し、三点曲げ法で曲げ試験を行いました。各梁は二つの支持点の上に置かれ、中央に荷重が押し下げられます。荷重の適用速度は、ほぼ静的な極めて遅い条件から地震時に相当する速度まで慎重に制御しました。同時に、微小ひび割れが形成・進展するときに放出される弾性波を拾う音響放射センサー（小さなマイクのようなもの）を用いて、目に見える梁の挙動と内部で進行する見えないひび割れ活動の両方を記録しました。

荷重速度が上がるとコンクリートは強くなるが脆くなる

曲げ試験の結果、コンクリートは遅い荷重と速い荷重で同じ挙動を示さないことが分かりました。変形速度がほぼ静的から地震レベルまで増すと、梁が負担できる最大荷重は約3分の1増加し、梁全体にひびを走らせるのに必要なエネルギーも同程度増加しました。この見かけ上の強化は、材料の孔隙や微小空隙に閉じ込められた水が高速荷重下では速やかに流れ出せず、ひび割れ進展に対する追加の抵抗を生じさせるためです。しかし、梁がより高い荷重に耐えられる一方で、破壊の様相はより急峻になり、主要ひび割れが発生すると可視的な予兆が少なく荷重が急激に低下しました。

迂回するような割れから直進する貫通破壊へ

破断面を調べると、ひび割れ経路が荷重速度によって変化していることが分かりました。遅い荷重では、ひび割れは粗骨材を回避するようにうねり、骨材とモルタルの弱い界面に沿って進みました。破断面は粗く、多くの粗骨材が破壊されずに露出しており、より緩やかで延性に近い破壊を示しています。速い荷重では、主要ひび割れはより直線的に進み、多くの骨材を直接切断しました。この直進的で貫通的な破壊様式は、材料がより容易な経路を探索する時間がなく、内部骨格の強い部分を破壊して損傷を狭い帯域に集中させたことを示唆します。

ひび割れの音を聞いて隠れた損傷を描く

音響放射の測定は、微小ひび割れの発展を詳細に描き出しました。荷重速度が増すにつれて、記録されたひび割れイベントの数と総音響エネルギーは共に増加し、内部でより強い損傷が進行していることを示しました。低速では、これらのイベントは梁の長手方向に広がっており、広い損傷帯域とねじれた主要ひび割れと一致しました。高速では、信号は既存の切り欠き付近に密集しており、微小ひび割れが一つの集中的な破断線に結合していることを明らかにしました。記録された波形の形状を解析すると、荷重が速くなるにつれて支配的なひび割れ型が開口型（面を引き裂くもの）からすべり型（面を剪断するもの）へと移行することも見いだされました。

耐震設計にとっての意味

本研究は、地震様荷重下でコンクリートはより高い応力を負担できる一方で、より突然かつ剪断支配の直線的なひび割れで破壊し、事前の警告がほとんどない傾向があると結論づけます。強度と延性の間のこのトレードオフは、遅い静的試験のみに基づく設計規則が実際の地震時の脆性破壊リスクを過小評価する可能性を意味します。設計者は荷重速度によるひび割れパターンや内部損傷の変化を考慮し、剪断破壊が生じやすい部分を強化し、破壊挙動の変化を早期に検知できる監視システムを導入することが示唆されます。

引用: Xiao, D., Wen, L., Cao, Y. et al. Influence of seismic strain stress on evolution law of microcracks in concrete TPB tests using AE technology. Sci Rep 16, 15483 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-49968-0

キーワード: コンクリート破壊, 地震荷重, ひずみ速度, 微小ひび割れ, 音響放射