炭素繊維含有量とひずみ速度がリサイクル骨材コンクリートの機械的特性と微視的損傷進化に与える影響
The Influence of Carbon Fiber Content and Strain Rate on the Mechanical Properties and Microscopic Damage Evolution of Recycled Aggregate Concrete
本研究では、炭素繊維(CF)含有量(0%、0.15%、0.3%)とひずみ速度(10−5/s、10−4/s、10−3/s、10−2/s)が、炭素繊維改質リサイクルコンクリート(CFRRAC)の機械的特性、微細構造、微視的損傷進化に与える影響を、一軸圧縮試験、走査型電子顕微鏡(SEM)観察、音響放射(AE)、統計的損傷理論を用いて体系的に調査した。結果として、CFの適度な添加は、供試体の微細構造の緻密性を効果的に向上させ、CFRRACのひずみ速度効果を高め、初期のマクロな機械的特性を改善することが示された。CF含有量が異なる供試体の微細構造特性とひずみ速度に関連するステファン効果は、一軸圧縮中の微小亀裂の有効応力骨格の開始・伝播形態、伝播経路、調整プロセスにさらに影響を与え、微小破壊と降伏損傷進化を特徴づけるパラメータにCF含有量とひずみ速度に応じた規則的な変化をもたらす。これらの要因が複合的にCFRRACのマクロな非線形応力-ひずみ挙動の進化特性を決定し、CFのブリッジング靭性効果と組み合わさることで、ひずみ速度の増加に伴う強度増加と良好な延性の維持が最終的に実現される。CF無添加供試体と比較して、0.3%の添加量でひずみ速度が10−5~10−2/sの範囲において、ピーク応力は37.16%~41.18%、ピークひずみは22.94%~36.57%増加した。CFRRAC供試体(0.3%含有)を例にとると、ひずみ速度10−5/sと比較して、10−4~10−2/sのひずみ速度範囲でピーク応力はそれぞれ9.31%、18.66%、31.24%増加した。本研究結果は、CFRRACの工学分野での普及・応用に対する理論的支援を提供するものである。
- 炭素繊維(CF)を0.3%添加した炭素繊維改質リサイクルコンクリート(CFRRAC)は、CF無添加と比べひずみ速度10−5~10−2/sの範囲でピーク応力が37.16%~41.18%、ピークひずみが22.94%~36.57%増加した。
- CFRRAC(0.3%含有)では、ひずみ速度10−5/sに対し10−4/sでピーク応力9.31%、10−3/sで18.66%、10−2/sで31.24%それぞれ増加し、ひずみ速度効果の増大が確認された。
- CFの適度な添加は微細構造の緻密性を向上させ、微細亀裂の有効応力骨格の開始・伝播形態を変化させてマクロな非線形応力-ひずみ挙動を決定づけ、強度増加と延性維持を両立させる。
- 評価手法として一軸圧縮試験、走査型電子顕微鏡(SEM)観察、音響放射(AE)、統計的損傷理論を組み合わせ、CFRRACの微視的損傷進化を体系化した。
炭素繊維改質リサイクルコンクリート(CFRRAC)という新素材の性能データが体系的に示された点は、建設資材分野の素材メーカーや炭素繊維サプライヤーにとって無視できない。CFを0.3%添加するだけでピーク応力が37〜41%増、ひずみ速度を上げるとさらに最大31%増と、添加量あたりの性能向上効率が非常に高い。ただし本件は学術研究段階の実験結果であり、商用化・量産コスト・規制・採用企業の動きは示されていないため、投資判断には実用化の続報とスケールアップの検証が必要。リサイクル骨材×炭素繊維という組み合わせは、廃材活用規制の強化やCO2削減要請が追い風になるテーマであり、素材側の技術優位が建設市場のシェアに直結しうる点を注視したい。