中国は、炭素繊維複合材を使用した構造補強と強化の研究と実用化において大きな進歩を遂げています。エンジニアリングでよく使用される方法には、断面拡大、スチールジャケット、プレストレス、鋼板接着、炭素繊維複合材接着などがあります。従来の補強方法は一般的に時代遅れであり、複雑な建設プロセスと技術が構造物の重量と使用可能面積に影響を与える可能性があります。対照的に、炭素繊維複合材接着方法は、高強度、効率、耐腐食性、建設の容易さ、構造寸法の増加がないなどの利点があり、エンジニアリングプロジェクトで広く使用されています。

1. 炭素繊維複合材料の強化原理

コンクリート構造物の炭素繊維強化は、1980年代に研究が始まり、1996年に中国に導入された現代的な方法です。エンジニアリングコミュニティで急速に注目を集め、研究と応用のホットな話題になりました。この方法では、炭素繊維複合材をコンクリート構造物の表面に接着し、繊維と構造物の共同作業を通じて強度を高め、性能を向上させます。

2. 炭素繊維複合材料

炭素繊維複合材によるコンクリート構造物の補強や補修に使用される主な材料は、炭素繊維織物と適合樹脂です。炭素繊維複合材は、高強度、高弾性率、軽量、優れた耐食性で知られ、引張強度は一般の鉄筋の約 10 倍です。適合樹脂には、ベース樹脂、レベリング樹脂、結合樹脂があります。これらの樹脂は、炭素繊維の結合品質を向上させ、コンクリートとの複合材料体の形成を助け、構造物の曲げおよびせん断抵抗を強化します。

2.1 炭素繊維織物

炭素繊維織物は、原材料に基づいて パン ベース、ビスコースベース、アスファルトベースの織物に分類できます。また、1K、3K、6K、12K、24K 以上のトウ炭素繊維織物など仕様によっても異なり、炭化プロセスによって黒鉛化織物、炭化織物、および予備酸化織物に分類されます。さらに、織り方によっても異なり、織物、編み物、編組、予備含浸織物などがあります。

2.2 接合材料

炭素繊維複合材の補強に使用される接着剤には、プライマー（ベース樹脂）、補修樹脂（レベリング材またはパテ）、含浸樹脂の 3 種類があります。プライマーはコンクリート表面を強化し、コンクリートと炭素繊維複合材の接着を強化します。補修樹脂はコンクリート表面をレベリングし、炭素繊維シートの接着を容易にします。含浸樹脂は炭素繊維同士をコンクリートに結合し、外力に抵抗する複合材料を形成します。含浸樹脂の性能は、コンクリート構造物を効果的に補強するために非常に重要です。

3. 炭素繊維複合材補強コンクリート構造の優れた性能

• 高い強度と弾性率:炭素繊維複合材は、鋼鉄の約 10 倍の高い引張強度と、鋼鉄に匹敵する弾性係数を備えています。

• 耐腐食性と耐久性:炭素繊維複合材は化学的に安定しており、酸、アルカリ、塩と反応しないため、強化構造に優れた耐腐食性と耐久性を提供します。

• 低熱膨張係数:炭素繊維複合材は熱膨張係数が非常に低く、繊維方向ではほぼゼロです。

• 施工の容易さと高い効率性：炭素繊維織物による補強は、重機や大型設備を必要とせず、最小限のスペースしか占有せず、柔軟な切断と迅速な設置を可能にします。

• 保証された施工品質:炭素繊維織物は柔軟性があり、補修後の凹凸面にもしっかりと接着し、95% を超える有効接着率を実現します。

• 構造物への影響は最小限:炭素繊維複合材は軽量で薄いため、元の構造の重量や寸法が大幅に増加することはなく、使用可能なスペースが維持されます。

• 幅広い用途:さまざまなタイプの構造、形状、材料、および構造要素のさまざまな弱点を補強するのに適しています。

4. コンクリート構造物における炭素繊維複合材補強材の応用

実際のエンジニアリングでは、炭素繊維織物は主に補強に使用されます。この技術は成熟しており、いくつかの分野で広く応用されています。

• せん断能力の強化:炭素繊維織物は、スターラップと同様のせん断抵抗に寄与し、コンクリートを拘束して引張応力を伝達することで主筋の早期降伏を防ぐのに役立ちます。

• 曲げ能力の向上：炭素繊維織物を構造要素の引張面に接着することにより、曲げ能力が大幅に向上します。

• 耐震性能の向上:炭素繊維織物は、特に軸荷重を受ける梁柱接合部や柱においてコンクリート要素の延性とエネルギー吸収能力を高め、優れた耐震補強を実現します。

• 疲労耐性の向上:炭素繊維織物で強化された鉄筋コンクリート梁とプレストレストコンクリート梁は、繰り返しの荷重サイクル後も強度と剛性を維持し、疲労寿命を大幅に延ばし、変形を軽減します。

5. コンクリート構造物における炭素繊維複合材補強の限界

• 脆さ:炭素繊維は線形弾性があり脆いため、その特性を十分に発揮するには構造を大幅に変形させる必要があります。

• 接着の問題:炭素繊維強化材は結合不良を起こす可能性があり、鉄筋コンクリート構造物の脆性破壊モードにつながります。

• 長期的なパフォーマンスに関する研究は限られている:長期および衝撃荷重下における炭素繊維強化コンクリートの性能に関する研究は不足しています。

• 理論上のギャップ:梁や柱における炭素繊維材料のせん断および曲げ補強メカニズムについては広範な研究が行われていますが、せん断壁への応用については十分に理解されていません。

全体的に、炭素繊維複合補強技術は、経済的、社会的、環境的に大きなメリットをもたらします。炭素繊維材料の開発、生産コストの削減、継続的な研究により、この技術はコンクリート構造の補強にますます応用され、明るい未来が約束されます。