概要
- 構造用炭素繊維はPAN系である — 延伸、酸化を経て、炭化される。グレードは試験により得られた強度と弾性率(ASTM D3039)によって定義され、トウのブランド名によるものではない。
- 弾性率が高くなるほど、強度と延性が犠牲になる。 代表的な規格値では、低弾性率系が~160 GPa / 2,800 MPa / 1.6%ひずみであるのに対し、高弾性率系は~300 GPa / 1,500 MPa / 0.5%となる。
- 重い織物が強い繊維を意味するわけではない。 目付量(200→600 g/m²)が変化させるのは硬化後の層厚(0.111→0.333 mm)であり、繊維のグレードではない。
構造補強用の炭素繊維は、実測された力学的性能—強度、弾性率、ひずみ—によってグレード分けされ、原材料のトウ表示によってではない。しかも設計を支配する数値は、そもそも繊維の見かけ上の強度であることはめったにない。 本ガイドでは、炭素繊維が何から作られているか、実際にはどのように分類されているか、そしてグレード選択が補強設計にどう影響するかを、FidStrongのデータシートと設計規格に基づいて解説する。これらの数値を仕様に落とし込む方法については、CFRP技術データシートの読み方を参照。
炭素繊維は何から作られているか?
構造用炭素繊維のほぼすべて—そしてFidStrongの炭素繊維製品のすべて—はPAN系である:ポリアクリロニトリル(PAN)前駆体をフィラメントに延伸し、酸化(安定化)した後、高温で炭化することで、軸方向に高度に配向した黒鉛微結晶を持つほぼ純炭素の繊維となる。もう一つの経路であるピッチ系前駆体は、超高弾性率繊維向けに業界全体では存在するが、補強分野ではニッチな存在にとどまる。炭素繊維の一般的な物性範囲は幅広く—弾性率はおよそ200–800 GPa、強度は2,500–6,000 MPa—だが、構造補強で使われるのはそのうち低弾性率・高強度側の範囲のみである。
炭素繊維はどのように分類されるか—なぜ“T番号”ではないのか?
試験による性能による。信頼できるグレードは、ASTM D3039に基づいて測定された引張強度、弾性率、伸びによって定義され、前駆体のトウブランド呼称によってではない。FidStrongは織物を強度クラス—グレードA(高強度)、B(中強度)、C(エコノミー)—で格付けし、それぞれ公開された試験値を伴う。原材料のトウ表示は、完成した複合材について検証可能な情報を何も伝えない。試験に基づく方法を伴う強度・弾性率のペアではなく、トウブランドのグレードを前面に出すサプライヤーは、補強システムではなく繊維そのものを売っているのだ。
高強度と高弾性率—何がトレードオフになるのか?
両者は互いに相反する。代表的な規格値(CNR-DT 200)では、低弾性率系が160 GPa / 2,800 MPa / 1.6%破断ひずみであるのに対し、高弾性率系は300 GPa / 1,500 MPa / 0.5%となる—弾性率をおよそ2倍にすると強度はほぼ半減し、破断ひずみは約3分の1に低下する。高弾性率が買えるのは剛性(たわみが小さくなり、鋼材が降伏するまでにより多くの荷重を分担できる)であって、強度ではない。ほとんどの補強織物は標準弾性率帯に位置し、そもそもユーロコード付属書Jの草案では150 GPa ≤ Ef ≤ 230 GPaの範囲のシステムしか適格と認めていない。
| 系統(代表値) | 弾性率 | 引張強度 | 破断ひずみ |
|---|---|---|---|
| 低弾性率 | 160 GPa | 2,800 MPa | 1.6% |
| 高弾性率 | 300 GPa | 1,500 MPa | 0.5% |
| FidStrong グレードA織物 | 240 GPa | 4,500 MPa(平均) | 1.8% |
| FidStrong グレードB/C織物 | 230 GPa | 3,500–3,800 MPa | 1.7% |
重い織物は強い繊維を意味するか?
いいえ—よくある誤解である。同一グレード内では、目付量(g/m²)が変化させるのは硬化後の層の厚みと1プライあたりが負担できる力であり、繊維本来の強度クラスではない:FSC200(200 g/m²)は硬化後0.111 mm、FSC300は0.167 mm、FSC600は0.333 mmとなる。300 g/m²のグレードA織物は、200 g/m²のグレードAと同じ240 GPaの弾性率、4,500 MPaの平均強度を持つ—異なるのは厚みと1メートルあたりの総耐力のみである。1プライに必要な耐力に応じて目付量を選び、強度・剛性クラスに応じてグレードを選ぶこと。
同じ織物がなぜ大きく異なる2つの強度値を示すのか?
正当な断面基準が2つ存在し、その差は劇的だからである。純繊維断面積基準では、FSC200Aは240 GPaで4,500 MPaと読める。一方総硬化ラミネート基準(繊維を樹脂含浸後の全厚みに希釈した断面)では、同じ織物が66.6 GPaで約1,248 MPaとなる—同一材料でありながら約3.6×の低下である。1つの計算の中で基準を混在させてはならず、乾燥繊維の参考値を設計に用いてもならない:FidStrongのプレートデータシートは、5,800 MPaという乾燥繊維値はあくまで参考値であり設計に使用してはならないと明記している(設計値は2,800–3,400 MPaのラミネート値である)。
そもそもグレードが設計を支配するのか?
多くの場合、支配しない。曲げ補強では使用可能ひずみは剥離によって上限を定められる—εfe = min(εfd, 0.9εfu)、ここでεfd = 0.41√(f′c/(n·Ef·tf))(ACI 440.2R 式 10.1.1)—つまり繊維が定格強度に達する前に付着が先に破綻する。巻き立て(拘束)補強では、破断ひずみのうち約55%しか有効と認められない(Kε ≈ 0.55)。注意すべきは、より高い弾性率の繊維はεfdの分母に入るため、剛性の高いグレードほど剥離に制限されるひずみにより早く到達してしまうことである。グレード選択が変えるのは、生の使用可能強度を引き上げることよりもむしろ、設計がどこで頭打ちになるか—そしてどれだけの剛性が付加されるか—である。理由については荷重伝達メカニズムを参照。
よくある質問
トウブランドの番号が大きいほど強い繊維を意味するか?
それは設計物性ではない。トウブランドのグレードは原材料のマーケティング表示であり、FidStrongはASTM D3039に基づく実測の引張強度、弾性率、伸びによって炭素繊維を格付けし、ブランド呼称によることは決してない。設計はトウ表示ではなく、データシートに記載された試験による平均値および特性値に基づいて行うこと。
高強度炭素繊維と高弾性率炭素繊維の違いは何か?
両者はトレードオフの関係にある。代表値では、低弾性率系が~160 GPa / 2,800 MPa / 1.6%ひずみであるのに対し、高弾性率系は~300 GPa / 1,500 MPa / 0.5%となる。高弾性率は剛性を高める(たわみが小さくなる)一方で強度と延性を低下させる。ほとんどの補強織物は標準弾性率・高強度である。
重い(600 g/m²)織物は200 g/m²の織物より高いグレードなのか?
いいえ。同一グレード内では、目付量が変化させるのは硬化後の層厚(200→0.111 mm、600→0.333 mm)と1メートルあたりの耐力であり、繊維の弾性率や強度クラスではない。300 g/m²のグレード Aは、200 g/m²のグレード Aと同じ240 GPa / 4,500 MPaを持つ。
なぜ1つの織物に~4,500 MPaと~1,250 MPaの両方が記載されているのか?
2つの材料があるのではなく、2つの断面基準があるだけである。4,500 MPaは純繊維断面積基準(補強繊維そのもの)であり、~1,248 MPaは総硬化ラミネート基準(繊維を樹脂の全厚みに希釈したもの)である。数値がどちらの基準によるものかを確認し、1つの計算の中で両者を混在させてはならない。
5,800 MPaの乾燥繊維値で設計してよいか?
いいえ。乾燥繊維値はあくまで参考値である—FidStrong自身のプレートデータシートは、5,800 MPaを設計に使用することを禁じ、硬化前ラミネート値(2,800–3,400 MPa)を使うよう指示している。しかもこれらの値でさえ、システムがコンクリートに接着された後は剥離によってさらに上限が定められるのが通常である。
より高いグレードを選べば、耐力も比例して増えるのか?
ほとんどない。曲げ設計ひずみは剥離によって上限が定められ、巻き立て(拘束)補強では破断ひずみの~55%しか有効と認められないため、繊維本来の強度が完全に活用されることはほとんどない。高弾性率のグレードは剛性を高めるが、剥離により制限されるひずみにより早く到達する—グレード選択は使用可能強度を引き上げるというよりも、頭打ちになる位置をずらす効果の方が大きい。
FidStrongはPAN系の炭素繊維織物、プレート、メッシュ、補強筋を製造しており、いずれもISO 9001、14001、45001システムのもとで試験による性能(ASTM D3039)によって格付けされている。本稿の物性範囲はFidStrongのデータシートおよび設計規格(ACI 440.2R、CNR-DT 200、ユーロコード)によるものであり、設計値および基準についてはデータシートおよび有資格エンジニアに確認すること。