お客様の挑戦
補強筋ないし鉄筋は、橋台、車線の障壁、高架橋、建物の柱など、大型のコンクリート構造物には欠かせない構成部品です。鉄筋の素材としては、腐食に弱い鉄が、その強度から長年にわたって選ばれてきました。過去 20 年の間に、技術の進歩により、複合鉄筋は従来の鉄製の補強材に代わる有力な選択肢となりました。塩分を含んだ空気、塩水、道路の塩分、侵食性の高い土壌など、すべてが鉄筋の劣化の原因となり、沿岸地域や北国の気候では道路、橋、建物の構造的な健全性を脅かします。ガラス繊維強化ポリマー（GFRP）、玄武岩繊維強化ポリマー（BFRP）、炭素繊維強化ポリマー複合材料を使用した新しい鉄筋は、強度、磁気的透明性、軽量性、そして何よりも耐腐食性に優れています。
このような利点があるにもかかわらず、繊維強化ポリマー（FRP）製の鉄筋は、その強度、耐久性、信頼性を確認することが難しいため、まだ広く採用されていません。国際的な建築基準法では FRP 鉄筋の使用が認められていますが、現在の課題はこの材料が標準化されていないことです。
フロリダ州立大学土木環境工学科准教授の Raphael Kampmann 博士は、この課題について次のように説明しています。「エンジニアは、複合材の鉄筋を通常のコンクリート内部に使用されている構造用鋼材と比較したいと考えており、その鋼材は標準化されています。中国で買おうが、ドイツで買おうが、アメリカで買おうが、それは問題ではなく、常に標準化された製品を手に入れることができるのです。また、FRP 鉄筋の技術を土木構造物や建築業界全体に導入するためには、この新しい材料を適切に活用するための多くの材料試験を行う必要があります。またここでも、すべての素材が異なるため、素材ごとに特別な承認が必要となります。」
テストの課題
自信を持ってインフラで使用できるよう、複合材鉄筋の実際の性能を正確に評価することは複雑なプロセスであり、いくつかの課題があります。
標準化の欠如
規格には性能基準が規定されているものの材料の組成は指定されていないため、製造元、材料の種類、材料の出所によって鉄筋が異なる可能性があります。そのため完成品の特定のセグメントを検証します。
サイズとパラメータの数
鉄筋には公称直径 6 mm (0.25 インチ) から 57 mm (2.26 インチ) までの複数の標準サイズがあります。鋼鉄とは異なり、FRP の鉄筋は直径によって引張り強度が異なるため、メーカーが市場投入する前に各サイズをテストする必要があります。
U S T O M E R C A S E S T U D Y
フロリダ州立大学のチームは、初期引張り強度に加えて、環境条件に曝露後の残存強度を確認するために、実際の過酷な環境を再現したエージングプロセスの後の鉄筋をテストしています。次に、新しい鉄筋とエージング後の鉄筋のベンチマーク値を比較して劣化を判定します。また、FRP の基本的な挙動を調べるためにいくつかの非構造的試験も行っています。
エージングプロセスに要する時間
Kampmann 氏と研究チームは様々な間隔で鉄筋のエージングを行います。つまり、限られた時間内にテストを終えて次の鉄筋のセットに移る必要があります。これには「特定の制限時間内に複数のテストを実行するための、工具取り付け時間の短縮と素早い入れ替えが保証された信頼性のあるセットアップが必要です。」と彼は強調しています。
総テスト数
性能の検証には膨大な量のテストが必要です。「この 1 つの研究プロジェクトで、すべてのパラメータをテストするために引張試験だけでも 700 回以上実行し、さまざまな鉄筋のサイズやタイプを評価しています」と Kampmann 氏は詳述しています。
興味深い問題
FRP 鉄筋を試験する際の最大の課題の 1 つは試験片のグリップです。鉄筋とは異なり、試験片には繊維質が含まれており結果に影響するため、試験片の両端を把持することはできません。従来の FRP 端を把持する方法では横方向の力が加わるため、鉄筋に十分な引張強度を加える前に複合材料が変形し潰れてしまいます。
ASTM D7205 には、膨張性のグラウトや樹脂を充填したスチールパイプで FRP 鉄筋の両端を固定して、試験装置からの荷重を摩擦によって鉄筋に伝えることにより、把持の問題を解決する方法が記載されています。一見して簡単な解決策のように聞こえますが、それには 2 つの大きな課題があります。まず、アンカーを試験空間内に収容する必要がありますが、アンカーは試験片を把持し摩擦を伝えるに十分頑丈な大きさにする必要があります。多くの場合、必要なアンカーサイズにすると、適切に評価するために試験片を動かしてテストする十分なスペースが残りません。第二に、アンカーのせいでグリップ位置の試料片の直径が非常に大きくなり、しばしば標準的なグリップ万力では対応できません。
テストソリューション
フロリダ州のチームは、グリップの課題を解決しどんなサイズの鉄筋にも対応できる、新しい固定具を開発しました。この新しい固定具はアンカーに力を伝え、それを FRP 試験片に伝達するもので、適切なアライメントを確保するための試験片ロックプレートも備えています。
試験片のロック機能により、試験のスピードと精度が向上します。Kampmann 氏は次のように述べています。「700 個の試験片を検査する場合には、スピードが求められます。通常、鉄筋をクランプする際には、通常のスチールの鉄筋と同様に必ず位置合わせが必要です。ただし、これはスロットに入れるだけというワンストップソリューションです。そしてテストを繰り返します。今後設定する必要はありません。」彼はこう続けます。「時間短縮のためだけではありません。テストの信頼性向上にもなります。この固定具を使うと、誰がどのようにテストを行ったとしても通常同じ結果になります。それは、一度取り付けたら他の場所に鉄筋を移動させることは不可能だからです。」
MTS Landmark® 試験システムでは簡単に固定具を設置でき、様々なサイズの鉄筋を評価するために必要な剛性と調整可能な試験スペースがあります。この新しい固定具を使用すると試料片の設置が簡単になります。個々の試験片の位置合わせが不要になり、正確な測定結果を得ることができます。この合理化プロセスでは、必要なすべてのテストを完了するための時間を十分確保することができます。
お客様のメリット
フロリダ州は、FRP 鉄筋試験プログラムに MTS Landmark テストシステム、MTS TestSuite™ アプリケーションソフトウェア、および MTS 伸縮計を使用しています。Kampmann 博士は MTS と作業した経験について次のように述べています。「当社が何か質問するとすぐに対処してくれます。何かを尋ねると多くのエンジニアが積極的に行動します。MTS では顧客サービスが常に優先され、解決策が見つかるまで諦めません。」
FRP 鉄筋の将来について、Kampmann 氏は次のように述べています。「今後 10 年間はこれらすべての FRP 材料をテストするための繁盛期となるでしょう。なぜなら、今は業界の転換点だからです。 建築基準法では初めて FRP 鉄筋材料の使用が認められましたが、すべての材料が標準化、テスト、検証されているわけではありません。」同氏のチームはガラス、玄武岩、カーボン FRP の鉄筋をテストしてきましたが、将来の可能性にも備えています。「この固定具の優れた点は、テストする材料を選ばないことです。この固定具を使うと、これから市場に投入されテストの対象となる他の素材にまでプロジェクトを拡大することができます。結論を言えば、これらの材料が使用されるときはいつでも、どんな用途であれ、必ずテストする必要があります。」
