Experimental investigation on concrete using cellulose nanofibers

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本研究課題では、圧縮強度が150 N/mm2程度以上の超高強度モルタルに対して、ナノレベルからマクロレベルまでの各種補強繊維を組み合わせて用いることにより、力学特性や耐久性の飛躍的な向上を実現するための調合設計方法の確立を目指した検討を行っている。ここでは、セルロースナノファイバー（CNF）をはじめとするナノサイズの補強繊維から、針状の構造を持つ鉱物であるワラストナイト、鋼繊維や合成樹脂繊維などに代表されるミクロン・ミリメートルオーダーの補強繊維を組み合わせて用いることを検討し、性能向上を実現できる調合を見出すための検討を、実験を中心に行った。圧縮・曲げ・引張・引抜試験などを実施し、それらの結果から異なるスケールの繊維間の相互作用により、マトリックス部分が補強されることでマクロ繊維（鋼繊維）の付着性状と引抜強度の向上することを確認した。ナノ繊維は微細ひび割れの発生とその成長を制御できる一方で、靭性への影響は極めて限定的であり、靭性の向上に寄与するミクロ繊維との組み合わせにより靭性の向上に寄与する。加えて、吸水性や塩化物透過性など耐久性に影響する項目についても、腐食促進試験により検討した。ナノ繊維とミクロ繊維を適切な量で組み合わせは、水和反応の継続に寄与してマクロ繊維とセメントマトリックス間の界面領域の改善に寄与することを確認した。これらの性状は、水和生成物中の微細構造の変化と生成相を、SEM観察、XRDなどの試験により評価した。一例として、ワラストナイトは養生期間中にケイ酸カルシウムイオンの放出などにより反応を促進して強度増進に寄与する。また、ワラストナイトの吸水性により、補強繊維とセメントマトリックス界面の緻密化に寄与するものと考えられる。また、反応性の高いCNFは核生成サイトとして機能し、セメント水和の初期段階を促進させて圧縮強度や曲げ強度の向上に寄与する。