概要
- 接着がすべてを決める:外部接着FRPは主に剥離によって破壊する—375本の梁を対象とした欧州のデータベースでは100%が剥離破壊だった—そのため健全に処理された下地こそがすべての前提条件となる。
- 目標値を満たす:引張付着強度≥ 1.5 MPa、含水率< 4%、骨材が露出した研掃済みCSP 3の表面プロファイル、角部はR≥ 20 mmに面取り、0.3 mmを超えるひび割れは事前に注入すること。
- 実証する:プルオフ試験は、荷重が200 psi(1.4 MPa)を超え、かつ破壊がコンクリート内部で生じた場合—接着界面ではなく—にのみ合格となる。
下地処理はCFRP施工の準備作業ではない—それ自体が本体の作業である。炭素繊維積層板の性能は、接着されるコンクリートの状態次第で決まり、補強が失敗する最も一般的な原因は、健全さや清浄さが不十分な下地からFRPが剥がれ落ちることにある。本ガイドでは、ACI 440.2R、ACI SPEC-440.12-22、およびFidStrongの製品データシートに基づいた目標値と試験方法を解説する。施工ガイド本編と併せて参照されたい。
なぜ下地処理がCFRPの成否を決めるのか?
外部接着FRPの支配的な破壊モードは、繊維の破断ではなく剥離だからである。定着具を用いないFRP補強曲げ梁375本を対象とした欧州の試験データベースでは、100%が剥離によって破壊した—70%が中間ひび割れ剥離、30%が端部剥離であった。いずれのケースでも、炭素繊維が実質的な仕事をする前に積層板が下地から分離していた。だからこそ補強設計は健全な接着を前提としており、施工の成否は下地処理のやり方にかかっている。より大きな視点についてはCFRP補強とは何かを参照されたい。
コンクリートはどの程度健全で、どの程度粗くする必要があるか?
要点は2つ:十分な強度と、十分な粗さである。下地はFidStrongの製品データシートに基づき、引張付着強度が少なくとも1.5 MPaに達している必要がある—これはACI 440.2R’の規定下限値200 psi(1.4 MPa、ASTM C1583による試験)に対して意図的に設けたマージンである。さらに、脆弱な表面レイタンスを除去し、健全な骨材を最低CSP 3(ICRI 310.2)のプロファイルまで露出させるため、ASTM D4259に準拠したグラインダー研削またはブラスト処理による機械的研掃を施す必要がある。滑らかな面やレイタンスに覆われた面では、プライマーが食いつく先がない。
| 下地の目標値 | 要求値 | 根拠 |
|---|---|---|
| 引張付着強度 | ≥ 1.5 MPa(ACI下限値1.4 MPa) | FidStrong TDS / ACI 440.2R §1.2.1.4 |
| 表面プロファイル | ≥ CSP 3、骨材露出 | ICRI 310.2 / ASTM D4259 |
| 含水率 | < 4% | ASTM D4263 |
| 角部半径 | R ≥ 20 mm(ACI下限値13 mm) | FidStrong TDS / ACI SPEC-440.12-22 §3.1.7 |
| ひび割れ | 0.3 mmを超えるものは事前に注入 | ACI 440.2R §6.4.1 |
どの程度乾燥している必要があり、なぜか?
接着システム全体を成立させるには、下地の含水率が4%(ASTM D4263)を下回っている必要がある—プライマー単体は湿った(濡れてはいない)表面にも塗布できるが、繊維システム全体ではそれは許されない。理由はアウトガッシング(発泡)である:未硬化樹脂を通してコンクリートから水蒸気が抜け出す際に表面気泡を形成し、FRPと下地の接着を破壊する(ACI 440.2R §6.2)。プライマーはまさにこれを防ぐために下地に浸透・封止するよう配合されており、多孔質または炭酸化が進んだコンクリートには、1層目が指触乾燥した後に2層目の薄いプライマーを追加で塗布する。
角部、ひび割れ、不陸についてはどうか?
下地処理を仕上げる3つの細部がある。繊維を巻き付ける外側の角部は、屈曲部で繊維が折れ曲がったり切れたりしないよう、少なくとも半径20 mm(FidStrong’の社内標準で、13 mmのACI下限値を上回る)に面取りしなければならない。0.3 mmを超えるひび割れは、FRP施工前にエポキシで圧力注入しておく必要がある。そうしなければひび割れが進展し、積層板の剥離を引き起こす。また、1 mmを超える表面の不陸はFSE502レベリングパテで埋める(プライマー塗布前に24時間以上完全硬化させる)ことで、繊維シートが空隙を橋渡しするのではなく全面密着するようにする。作業はすべて、下地・周囲温度が+5~+35°Cの範囲内、かつ露点以上で行うこと。
接着が良好であることをどう証明するか?
試験によって証明する。接着性能が重要な工事では、ASTM D7522に準拠したプルオフ試験を1,000 ft²あたり3回、1日あたり最低3回実施する。合格基準は2つの条件が両方とも満たされる必要がある:荷重が200 psi(1.4 MPa)を超えること、そして破壊がコンクリート下地の内部で生じること(「コンクリートモード」破壊)。接着界面で綺麗に破断した場合、たとえ荷重値が高くても不合格である—それはコンクリートではなく接着が弱点であったことを意味する。
よくある質問
CFRP施工前にコンクリートに必要な引張付着強度はどのくらいか?
FidStrongの製品データシートでは、ASTM C1583に準拠して試験した下地の引張付着強度が少なくとも1.5 MPa必要とされ、これはACI 440.2R’の規定最小値200 psi(1.4 MPa)をわずかに上回る。現場では、ACI SPEC-440.12-22により、プルオフ値が200 psiを超え、かつ接着界面ではなくコンクリート自体の内部で破壊することが求められる。
コンクリート表面はどの程度粗くする必要があるか?
ASTM D4259に準拠したグラインダー研削またはブラスト処理により機械的に研掃し、レイタンスを除去して健全な骨材を露出させ、ICRI 310.2による最低CSP 3のプロファイルに到達させなければならない。この粗面化された汚染物のない表面こそが、プライマーおよび含浸樹脂による完全な機械的・化学的接着を可能にする。
プライマー塗布前に許容される含水率はどのくらいか?
繊維システム全体としては、ASTM D4263に基づいて測定した下地含水率が4%を下回っている必要がある。プライマー単体は湿った(濡れてはいない)表面にも耐えるが、プライマー・含浸エポキシ・繊維シートからなるシステム全体では、接着を破壊する水蒸気由来の気泡を避けるため、下地を4%未満にする必要がある。
積層前に表面はどの程度平坦である必要があるか?
1 mmを超える不陸は、プライマー塗布前に補修用接着剤で充填・平坦化する必要がある(剛性プレート接着の場合はより厳しい0.5 mmが閾値となる)。FidStrongのFSE502レベリングパテは次の工程に進む前に24時間の完全硬化が必要であり、5 mmを超える深い補修は層状に積み重ねて行う。
巻き付け前に外側の角部を面取りする必要があるのはなぜか?
鋭利な角部は応力集中を生じさせ、巻き付け時に繊維が折れ曲がったり切れたりして局所的な破壊を招くことがある。FidStrongはACI SPEC-440.12-22の規定下限値13 mmを上回る最低20 mmの半径を規定している—より滑らかな半径は屈曲部での繊維の健全性を保護する。
CFRP施工前に既存のひび割れはどう処置されるか?
ACI 440.2R §6.4.1に基づき、0.3 mmを超えるひび割れはすべて、FRP施工前にエポキシで圧力注入する必要がある—積層板の下で処置されないまま残ったひび割れは進展し、接着システムの剥離を引き起こす可能性がある。この前処理に使用される製品がFidStrongのFSE523ひび割れ注入用エポキシである。よくある施工上のミスとその回避法を参照されたい。
この処理された表面に塗布する樹脂については、構造用エポキシ接着剤ガイドで解説している。
FidStrongは、下地処理に用いるFSC炭素繊維シートおよびFSEプライマー・レベリング材・ひび割れ注入用エポキシを、ISO 9001、14001、45001の品質マネジメントシステムのもとで製造している。本稿の数値は製品データシート、ACI 440.2R、およびACI SPEC-440.12-22に基づく。実際の施工にあたってはプロジェクト仕様書および有資格技術者の要求事項に従うこと。