TOPSIS工法による廃繊維鉄筋コンクリートの耐震性能の最適化

Scientific Reports volume 13、記事番号: 8204 (2023) この記事を引用

394 アクセス

1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

持続可能な環境を実現し、汚染問題に取り組むために、産業廃棄物をコンクリート複合材料に利用することができます。これは、地震が発生しやすく、温度が低い場所で特に有益です。この研究では、ポリエステル廃材、ゴム廃材、ロックウール廃材、ガラス繊維廃材、ヤシ繊維廃材の５種類の廃繊維を、コンクリート混合物中に０．５質量％、１質量％、１．５質量％の割合で添加剤として使用した。サンプルの耐震性能に関連する特性は、圧縮強度、曲げ強度、衝撃強度、分割引張強度、および熱伝導率の評価を通じて検査されました。結果は、コンクリートに繊維強化材を添加することにより、コンクリートの衝撃強度が大幅に向上することを示した。分割引張強度と曲げ強度が大幅に低下しました。熱伝導率はポリマー繊維状廃棄物の添加によっても影響されました。破面を調べるために顕微鏡分析を実行しました。最適な混合比を得るために、多重応答最適化技術を使用して、他の特性の許容レベルで望ましいレベルの衝撃強度を決定しました。コンクリートの耐震用途には、ゴム廃棄物が最も魅力的な選択肢であることが判明し、次にココナッツ繊維廃棄物が続きます。各因子の有意性および寄与率は、分散分析 (α = 0.05) および円グラフによって取得され、因子 A (廃棄繊維の種類) が主な寄与因子であることが示されました。最適化された廃棄物とその割合について確認テストが行われました。開発サンプルには、意思決定の重み付けと好みに応じて理想に最も近いソリューション (サンプル) を取得するために、理想ソリューションに対する順序優先類似性 (TOPSIS) 手法が使用されました。確認テストでは、誤差が 6.68% で満足のいく結果が得られました。基準サンプルと廃ゴム補強コンクリートサンプルのコストを見積もったところ、廃繊維強化コンクリートを使用すると、純粋なコンクリートとほぼ同じコストで8％高い体積が達成されることがわかりました。リサイクル繊維含有物で強化されたコンクリートは、資源の枯渇と廃棄物を最小限に抑えるという点で潜在的に有益です。コンクリート複合材にポリマー繊維廃棄物を添加すると、耐震性能関連の特性が向上するだけでなく、他に最終用途のない廃棄物による環境汚染も軽減されます。

環境問題とエネルギー効率は現代の 2 つの大きな課題です。コンクリートは世界で 2 番目に広く使用されている材料です1。世界経済評議会の報告書によると、一人当たり年間 3.8 トンのコンクリートが使用されています2。セメントは、コンクリート材料の製造時に二酸化炭素（CO2）が排出され、人命に有害な毒性が高いため、セメントを大量に使用すると環境に深刻な影響を及ぼします。セメントの製造は、世界中の人為的 CO2 排出量の 7% を引き起こしています3。セメントは環境に優しくない性質があるため、研究者たちは持続可能な代替材料を研究しています。この問題を克服するために多くの試みがなされています。オプションの 1 つは、コンクリートコンポーネントを他の材料で完全に置き換えることです。ただし、コンクリートには議論の余地のない利点があるため、完全に置き換えることは不可能です。コンクリートコンポーネントを他の環境に優しい材料に部分的に置き換えることは、この問題に対する現実的な解決策です。コンクリートには、環境に優しくないだけでなく、ひび割れ、流出、脆さなどの欠点もあります。純コンクリートは圧縮強度は高いものの、引張強度は弱いです。セメントの大量使用による環境災害を防ぐため、コンクリート業界ではCO2排出量の削減、資源のリサイクル、耐久性のある代替材料の開発に関心が集まっています。繊維強化コンクリート (FRC) は、コストを最小限に抑えながら必要な耐震性能を提供するために廃棄繊維をセメントの部分置換に使用するため、現代の建設業界にとって最も安価で耐久性のある工法の 1 つです。繊維/廃棄物を利用するとセメントの消費量が削減され、手頃な価格の住宅の建設に役立ちます。産業からは最終用途のない大量の廃棄物が排出されています。これらの廃棄物の自然分解には非常に長い時間がかかり、この種の廃棄物は埋め立て地として残されます。産業廃棄物には、ポリエステル、ゴム、綿、プラスチック、ロックウール、ガラス繊維、ナイロンなどが含まれます。ポリエステルの分解には約20～200年、ゴムの場合は50～80年、ロックウールの場合は1～5年、ガラスの場合は分解に時間がかかります。繊維の完成には4000～5000年かかります。この種の産業廃棄物は、建設業界で鉄筋として使用できます。建設における廃棄物の使用は、環境に優しい建設への良い一歩です。多くの研究者がこの種の廃棄物を建設業界で利用することに取り組んでいます4、5、6。

世界中で地震が発生し、災害が発生しています。非補強または鉄骨で補強された建物構造は、延性や強度が不十分なため、地震荷重を受けると崩壊します。建物構造の倒壊は、怪我、人命の損失、経済的損失を引き起こします。建物の構造はできる限り地震に耐えられる強度を持たせる必要があります。したがって、地震荷重時の建物の強度、延性、横ひずみを高める補強材を使用する必要があります。研究者は、地震荷重に耐えられる建築材料や補強材を見つけようとしています7、8、9。繊維またはポリマー廃棄物鉄筋コンクリートは、地震荷重に耐えるのに十分な強度と延性を備えているため、地震荷重または地震関連災害時に建物構造を保護するための新しい技術です。繊維は、セメント、鋼、粗骨材の部分的な代替品として添加されます。一部の研究者は、鋼線を使用してコンクリート構造を補強し、耐久性を向上させ、表面亀裂の形成を減少させましたが、この方法は鉄筋コンクリート構造の耐震耐荷重特性を大幅には改善しませんでした10,11。別の研究では、コンクリートの補強材として鋼棒を使用すると、柱の耐荷重能力は向上しますが、地震荷重に耐えるには不十分であることがわかりました12。また、スチールワイヤーを使用することの欠点の 1 つは、構造重量が増加し、ボール効果が発生するだけでなく、錆びやすいことです。 FRC の補強材として使用される繊維には、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ジュート繊維、ポリプロピレン繊維などがあります。コンクリートに高性能繊維を使用すると、コンクリートの圧縮強度、ひずみ硬化反応、曲げ強度が向上します。コンクリートの建物。高性能繊維をコンクリートの補強材として使用すると、建物の耐震性能が向上します13。炭素繊維シートは主に耐震建築に使用されています。炭素繊維で作られた建築構造は非常に高価です。研究者らは、耐震性のある建物を作るために、コンクリート中のさまざまな割合のジュート繊維とさまざまな種類の土壌を研究しました。彼らは、土壌の種類を変更し、コンクリートにジュート繊維を添加することにより、コンクリートの延性が増加すると結論づけました。他の研究者は、耐震性を高めるためにコンクリートの建物にジュートとサイザル麻の繊維を使用し、その強度を炭素繊維強化コンクリートと比較しました。比較的高さの低い建物用のジュートとサイザル麻繊維を使用したコンクリート柱は、コストを 35% 削減しながら炭素繊維シートと同等の強度を実現しました 14,15。

いくつかの研究では、コンクリートに 1% の廃ゴムを添加すると、コンクリートの延性が向上し、建物の耐震性が向上することがわかりました 16、17、18、19。他の研究では、コンクリート中の補強材としてのガラス繊維の割合を変えると、機械的耐性や耐火特性などのコンクリートの全体的な性能が向上することがわかりました20、21、22、23。研究者の中には、建物の熱抵抗を高めるために、コンクリートにリサイクルされたロックウールと廃ロックウールをさまざまな割合で使用した人もいます24,6,,25。いくつかの研究では、コンクリートカム中のココナッツ繊維廃棄物の割合が低いと、機械的強度が向上し、重量が軽減され、地震荷重時にプラスの効果があることがわかりました。コンクリートにココナッツ繊維を添加すると、圧縮強度にはプラスの効果があり、曲げ強度にはマイナスの効果があります26、27、28、29。ペットボトル、フェイスマスク、プラスチックストローなどのさまざまな種類の産業廃棄物や家庭廃棄物が、コンクリートの延性を高め、コンクリートの圧縮強度と耐荷重能力を低下させる補強材として使用されました30、31、32、33。。

軽量コンクリートや建築資材の製造にはさまざまな種類の廃材が使用されてきましたが、耐荷重能力に優れた軽量の建物を手頃なコストで製造することは依然として課題です。産業廃棄物を利用したコンクリート材料の機械的性質の向上と断熱性の向上を組み合わせた研究はほとんど報告されていない。

この研究の全体的な目的は、産業繊維廃棄物を補強材としてコンクリートに添加することにより、より高い耐荷重性、低コスト、エネルギー効率の高い持続可能な建築材料を製造することです。得られた結果は、プレーンコンクリート（PC）サンプルとも比較され、断熱性と機械的強度の向上に関する総合的な研究が示されています。材料工学における重要な課題は、特定の用途に必要なコンクリートの品質を備えた最適な FRC サンプルを見つけることです。廃棄物/繊維の添加により、いくつかの特性は改善されますが、他の特性はマイナスの影響を示します。たとえば、コンクリートにガラス繊維を添加すると、機械的強度は低下しますが、断熱性は向上します34。具体的に望ましい特性を得るために、さまざまな多重応答最適化手法が使用されました。研究者らは、補強材として鋼繊維を含むコンクリートの最適設計に 2 次数学モデルを使用しました 35。また、超高性能鉄筋コンクリートで補強されたコンクリート中の結合剤含有量を応答曲面法を用いて計測した研究者もいる36。複数の応答がある意思決定の問題の一部は、複数の目的が互いに矛盾するため、一度に最適化することができません。応答の中には、望ましい特性に対してプラスの影響を与えるものもあれば、マイナスの影響を与えるものもあります。この目的のために、多重応答最適化手法が使用されます。研究者は、コンクリート中の強化ポリマーブレンドの望ましい割合を得るために、理想的な解決策との類似性による優先順位の手法 (TOPSIS) を使用しました37。他の研究者は、分析階層プロセス (AHP) を使用して、決定行列のランクを定義し、行列の基準の重みを計算しました 38,39。理想ソリューションに対する順序優先類似性 (TOPSIS) 手法は、意思決定のための指定された重みと優先に従って理想に最も近いソリューション (サンプル) を取得するために、開発されたサンプルに使用されます。この研究では、TOPSIS 法を使用して、耐震用途にさらに使用できる補強の最適な材料と割合を取得しました。この研究は、セメント製造による CO2 排出、エネルギー消費、廃棄物処理の観点から重要な環境問題に取り組んでいます40。研究の意義は、セメントの一部代替としてさまざまな種類の産業廃棄物を利用し、セメントの消費量を削減したことである。このアプローチは、セメントの生産量を削減することで CO2 排出量を削減します。これにより、埋め立て地として数年間放置される廃棄物の処理が最適化されます。低コストで耐震性の高い建物を実現する持続可能なソリューションが実現しました。

コンクリートサンプルは、普通ポルトランドセメント、細粒度係数 2.42 の砂、水：セメント比 0.55、サイズ 4 mm の粗骨材、およびそれぞれ 3 つの異なる割合の 5 種類の繊維状廃棄物を使用して調製されました。これらの廃棄繊維材料は、天然由来と合成由来の両方でした。ココナッツとロックウールは天然由来ですが、ポリエステル、ガラス、ゴムは合成由来です。強化繊維はセメント重量の 0.5%、1%、および 1.5% で使用されました。

ココナッツ繊維はマットまたはロープ産業の廃棄物から採取されました。織物のせん断加工時に発生するポリエステル廃棄物を回収しました。廃棄ガラス繊維は、逆浸透 (RO) 浄水場のフィルターから収集されました。繊維撚り機に使用される廃ゴムをボロ市場から回収しました。不要になったボイラーから廃棄ロックウールを取り出しました。すべての材料は廃棄物であり、さもなければ埋め立て地として残され、他の最終用途はありません。全ての廃繊維を図 1 に示すように 70 mm の長さに切断しました。

(G) ガラス廃棄物、(C) ヤシ廃棄物、(R) ゴム廃棄物、(P) ポリエステル廃棄物、(w) ロックウール廃棄物。

繊維の強度は、ISO 5079 規格に従って万能試験機を使用して評価されました。繊維の特性を表 1 に示します。

純コンクリートのサンプル（基準サンプル）は、セメント：砂：粗骨材の混合比1：2：3、水55質量％を使用しました。ヤシ繊維廃材、ポリエステル繊維廃材、ガラス繊維廃材、ロックウール繊維廃材、廃ゴムの５種類の産業廃棄物を強化材として混合し、ＦＲＣを作製した。セメント重量に対して 3 つの異なる比率、つまり 0.5%、1%、1.5% の各廃材を使用してコンクリートサンプルを作成しました。図 2 に示すように、すべての材料を混合しました。次に、図 2 に示す規格に従って、混合物を異なるテスト用に異なる型に鋳造しました。合計 48 個のサンプルを各テストで 28 日間鋳造しました。実行されたテストの再現性を保証するために、各サンプルの 3 つの複製が準備されました。実験計画とサンプルの詳細を表 2 および 3 に示します。

(a、b) コンクリートの混合 (c–e) 型枠。

コンクリートは耐用年数中にさまざまな種類の荷重を受けるため、表面だけでなく内部にも亀裂が生じます。機械的負荷にはさまざまな種類があり、必要な特性を改善することで亀裂の形成を制御できます。硬質舗装の表面に発生する亀裂は、曲げ強度の低下が原因です。同様に、コンクリートの剥離現象も引張強度を向上させることで抑制できます。コンクリートのエネルギー吸収性を高めることで、衝撃荷重に対する耐性を向上させることができます。衝撃特性は、特に橋の上や地震時の発破や車両の衝突に関して非常に重要です。すべてのサンプルは、コンクリートの補強材としての廃繊維の種類ごとに 3 つの異なる繊維パーセンテージすべてについて 3 のレプリカを使用してテストされました。

図 3 に示すように、寸法 100 mm × 100 mm × 100 mm のコンクリートサンプルの圧縮強度を、デジタル表示油圧万能試験機 (UTM) (モデル: 北京中国製 WES-100) を使用して測定しました。、各サンプルに対して 3 つの複製を使用して、合計 48 個のサンプルを調製しました。各試験片は、圧縮部材または柱のプロトタイプとして機能するように、ジョーの間に垂直に配置されました。この試験では、コンクリートサンプルを 2 つのジョーの間に置き、一方は可動、もう一方は固定しました。ジョーを通して荷重が加えられると、コンクリートサンプルの破壊が発生するポイントがデジタル読み取り値として表示され、これがコンクリートサンプルの総圧縮強度となります。

試験機器。

コンクリートサンプルの曲げ/曲げ試験は、デジタルディスプレイ油圧万能試験機（モデル：北京中国製WES-100）を使用して、幅150 mm×奥行き150 mm×スパン500 mmの寸法で実施されました。曲げ強度の試験基準 ASTM C78/C78M-21 が使用されました41。コンクリートの曲げ強度を測定するために、合計 48 個のサンプルが 3 回の反復で準備されました。コンクリートの曲げ強度を測定するために、図 3 に示すように、サンプルを端から等しい距離、つまり 75 mm の 2 本のロッド上に置き、1 本のロッドをサンプルの中心の反対側に置きました。

落下重量試験によってコンクリートの衝撃特性を決定するための特定の基準が利用できないため、他の研究者によって採用された方法が使用されました42。採取したサンプルの寸法は、(L × W × T) 125 mm × 100 mm × 50 mm でした。この方法では、重量 1.8 kg の鋼球を取り出し、889 mm の固定高さから試験片上に落下させました。テストは、図 3c に示すようにサンプルに欠陥が発生するまで継続されました。衝撃試験用に合計 48 個のサンプルを準備しました。サンプルの衝撃エネルギーは、ボールの質量、ボールの落下高さ、重力による加速度、および破壊前にサンプルに必要な打撃回数を乗じることによって計算されました。衝撃エネルギーは式(1)を使用して計算されました。 (1)43．

ここで、E はサンプルの破損時の総衝撃エネルギーです。 N はサンプルが破壊されたときの打撃の数です。 m はボールの質量で、1.8 kg です。 h はボールの落下重量で、889 mm です。 g は重力による加速度、つまり 9.81 m/s2 です。

油圧万能試験機（IBMU4シリーズ）を用いて、3（d）に示す軽量コンクリートサンプルの分割引張強度試験を実施しました。分割引張試験を行うために、円筒形の試験片を試験板の間に置きました。サンプルの試験には、標準サイズの試験片 (H × D) 高さ 250 mm、直径 150 mm を使用しました。

建物・構造物は、外部環境と内部環境を隔てる外部包囲体・障壁として機能し、居住者を外部環境から守ります。建物の冷暖房コストの削減は、エネルギー効率と持続可能性に直接貢献します。

建築分野での亀裂などの検出に赤外線サーモグラフィーの使用が増加しているため、熱伝導率の測定に新しい方法が採用されました44。サンプルの熱特性は、熱画像カメラCANTRONIC System Inc.（カナダ）を使用して測定し、図3eに示すようにサンプルをヒートガンで加熱しました。

廃棄物を 1% 含む FRC と参照サンプルのみ、熱画像カメラを使用して測定しました。高さ/厚さ 50 mm、幅 100 mm、長さ 125 mm の寸法を持つ立方体サンプルを準備しました。まず、サンプルを 4 分間適切に配置して、安定した熱の流れを作りました。装置の出力は 10 ワットに設定され、サンプルの両側の温度が記録されました。次に、5 分後、サンプルの両側の温度と熱画像を再度撮影しました。サーモグラムからの温度は、熱画像ソフトウェア (IR Camera Report ソフトウェア) を使用して分析されました。次に、式(1)を使用してサンプルの熱伝導率を計算しました。 (2)45．熱伝達、面積、厚さは一定ですが、T1 と T2 は変数です。

ここで、 K = 熱伝導率、W/mK、Q = 試験中に供給される電力、W、A = 断面積、m2、t = 厚さ、m、ΔT = (T1 − T2) = 試験中の最初の点間の温度差暑い地域と寒い地域の最後のポイント、K.

機械的試験の後、破損した試験片の破面を注意深く検査しました。この試験の目的は、破壊メカニズムを詳しく解明し、繊維とコンクリートの結合を確認することです。この目的のために、倍率２．５×のＯＰＴＩＫＡ顕微鏡（ＢＸ５３、オリンパス）を使用してサンプルの顕微鏡画像を撮影した。この試験では、引抜き、架橋効果、および繊維の切断を調査しました。

実験計画は、科学研究で最も一般的な方法の 1 つであるタグチメソッドによって行われました。ただし、単一応答の最適化しか処理できないという制限があります。したがって、複数応答の最適化に直接使用することはできません。最適化技術は、このような研究に最適なソリューションです。実験結果に応じて、さまざまなタイプのモデリングおよびシミュレーション技術を使用して、コンクリートの最適な混合比を見つけることができます。主に複雑な線形決定行列の場合、FUZZY ロジック技術を使用できます。未知の変数を見つけるには、通常、FUZZY ロジック手法が使用されます。多基準意思決定 (MCDM) と同様に、TOPSIS メソッドを使用して理想的なソリューションを見つけることができます。この研究では、AHP-TOPSIS メソッドを使用して、複数の回答結果を単一の回答に変換しました。 TOPSIS (理想解に対する順序優先類似性) 手法は、研究者によってさらに開発されました 46、47、48、49。 AHP は、すべての属性に等しい重要性を示す 1 ～ 9 のスケールを持つさまざまな属性の重みを見つけるために使用されました。耐震性に対する要求される耐震性能に応じて、建物は圧縮に強く、十分な分割強度、曲げ強度を発揮する必要があります。この解析では圧縮強度が非常に重要であり、数値は 5 とされています。曲げ強度と衝撃強さは、強と中の間の重要性があり、数値は 4 とされています。分割引張強さは、耐震性の場合に中程度の重要性があるため、数値 3 が与えられています。さまざまな属性の重みを見つけるために使用される AHP には、属性の重要性が等しいことを示す 1 ～ 9 のスケールがあります。

TOPSISは以下のステップで構成されます。

TOPSIS メソッドは、さまざまな属性を含む決定行列から始まります。それらの最低値、最高値、公称値が考慮されます。この実験的研究では、係数が高いほど優れていると考えられます。この技術の優先順位は、衝撃、引張、曲げ、圧縮です。

2 番目のステップでは、式 1 を使用して、属性の各値をそれぞれの属性の平方根の一部で割ることにより、属性が正規化されます。 (4)。

このステップでは、目的に対するさまざまな属性の優先度に従って、さまざまな属性の重みが決定されます。好みのスケールとして使用できます。

さまざまな属性の計算された重みは、重みに各属性の正規化された値を乗算することによって正規化されます。

正の理想解 (v +) と負の理想解 (v −) は次の方法で計算されます。

J は有益な要素に関連付けられ、J̍ は非有益な要素に関連付けられます。

このステップでは、理想的な解決策から各選択肢を分離することで距離を測定できます。

最後のステップでは、式 1 を使用して近さ係数を計算できます。 (11)。

Minitab ソフトウェア (www.minitab.com) を使用して分散分析 (ANOVA) を実行し、因子が有意であるかどうかを判断しました。この目的のために、p 値が検査されました。各要因の寄与率も円グラフで表示されました。

実行されたすべてのテストの結果を表 4 に示します。

コンクリートの強度は、繊維の強度、アスペクト比、繊維の配向、および繊維とマトリックスの結合によって決まります。圧縮荷重下の FRC サンプルには、PC のような剥離ではなく、斜めの亀裂とせん断亀裂が発生しました。さまざまな廃繊維とさまざまな割合の鉄筋を使用したコンクリートの圧縮強度がテストされました。表 4 と図 4a から、鉄筋を 0.5% 添加すると、すべての FRC で圧縮強度が低下するが、ゴム廃鉄筋コンクリートの圧縮強度には大きな変化がないことがわかります。強化材の割合が 1% に増加すると、繊維廃棄物を 0.5% 添加した場合と比較して、サンプルの圧縮強度がわずかに増加しました。ゴム廃棄物とロックウール鉄筋コンクリートのみが、PC をはるかに上回る大幅な圧縮強度の増加を示していますが、他のものは圧縮強度の低下傾向を示しています。ゴム廃棄物鉄筋コンクリートは、すべての鉄筋レベルで最大の圧縮強度を示しましたが、ロックウールベースのサンプルは、繊維負荷が 1% の場合のみ増加を示しました。強化材の荷重が 1% の場合、圧縮強度の増加はゴム廃棄物では 1%、ロックウールでは 20% です。セメントペーストとゴム廃棄物の間の界面遷移領域が空隙を埋め、圧縮強度の増加につながりました。ゴムだけではセメントのマトリックスと完全に結合しませんが、ゴム廃棄物（ナイロンとスチレンブタジエンゴムの混合物）の場合、図4に見られるように、ナイロンは完全な結合を提供し、スチレンブタジエンはコンクリートに十分な強度を提供しました。ゴムを追加すると、コンクリートの破壊モードが脆性から延性に変化します。ロックウールはコンクリートの母材との接着力も優れています。したがって、結果は圧縮強度の向上を示しています。ポリエステルはコンクリートのマトリックスとの結合強度が最も低いため、他の繊維と比較して圧縮強度が大幅に低下します。ココナツ繊維補強材は、吸水によりコンクリート中で繊維の強度が低下するため、圧縮強度が低下します。ココナッツ繊維強化材の場合、繊維の多孔質表面に塵が存在するため、繊維とマトリックス間の結合は完全には形成されません50、51、52。

純粋なコンクリートと比較した繊維強化コンクリートの機械的性能 (a) 圧縮特性、(b) 曲げ特性、(c) 衝撃特性、および (d) 分割引張特性。

表 4 に示すように、コンクリートの曲げ強度は鉄筋の追加によって低下することがあります。0.5% の廃繊維負荷では、図 4b に示すように、サンプル R1 を除くすべてのサンプルが低下傾向を示します。繊維の割合を 1% に増やすと、一部のサンプルでは曲げ強度の向上が見られます。さらに繊維を 1.5% まで添加すると、すべてのサンプルで曲げ強度が低下します。サンプル R1 で曲げ強度が向上した理由は、この場合の補強材がナイロンとスチレンブタジエンゴム (SBR) のブレンドであるためです。ナイロンはセメントのマトリックスと完全な結合を形成し、SBR は強度とある程度の延性を提供しました。補強領域と周囲のマトリックスとの橋渡し効果が得られます。サンプルにかかる荷重が大きくなり、亀裂の伝播が遅くなります。より低い曲げ強度を示したサンプルは、コンクリートの特定の場所に鉄筋が蓄積したことが原因である可能性があります。これにより、特定の点でコンクリートの曲げ強度が低下する傾向があります53。鉄筋の割合が高くなると、コンクリートの曲げ強度が低下します。これは、鉄筋が絡み合う可能性があり、コンクリートサンプル内により多くの空気が閉じ込められ、曲げ強度が低下するためです54,55。さらに、この減少は、脆性材料としてのコンクリートと比較して繊維の曲げ剛性が低いことの結果である。

繊維状廃棄物の添加により、コンクリートサンプルの衝撃エネルギーが増加しました。コンクリートの強化率が 0.5% の場合、表 4 および図 4c に示すように、すべてのサンプルで改善が観察されます。 PC は脆い材料ですが、補強材を追加すると延性が高まります。衝撃エネルギーの増加は、ゴム、ガラス、ココナッツ繊維強化材では 25% です。ポリエステル強化の場合、衝撃エネルギーは 13% 向上しました。ロックウール鉄筋コンクリートの衝撃エネルギーには大きな改善は見られません。衝撃エネルギーの 0.5% の向上は、コンクリートに使用されているマクロファイバーによるものでした。このタイプのマクロ繊維は、応力下での亀裂の発生に抵抗し、非繊維コンクリート材料よりも多くのエネルギーを吸収します55。コンクリート中の鉄筋の割合が 1% に増加すると、ゴム廃棄物は衝撃エネルギーの最大約 54% の増加を示します。ココナッツファイバー、ロックウール、ポリエステル、ガラスは、PC と比較して衝撃エネルギーがそれぞれ 40%、40%、33%、25% 向上しています。コンクリート内のゴム補強材は周囲のマトリックスと結合し、空隙を減らす可能性があります。これにより、衝撃力に対する強度が向上したより強力な構造が得られます。鉄筋の割合が増加すると、コンクリート内のマクロ亀裂の伝播が効果的に減少します53。十分な延性を示すこれらのタイプの繊維強化コンクリートは、耐震用途に使用できます49、50、51、52、53。補強材をさらに追加すると、すべてのサンプルで衝撃エネルギーが減少する傾向があります。これは、補強材がかみ合う可能性があり、全体のエネルギー吸収が減少するためと考えられます。

コンクリートの引張強度は、混合応力場と異なる繊維配向のため、分割引張試験法では正確に測定できません。コンクリートサンプルの破壊パターンは脆性または延性として定義されるため、分割引張強さは役立ちます。コンクリートにさまざまな補強材を追加すると、コンクリートの分割引張強度は大幅に低下しましたが、サンプルの延性は向上しました。特にゴムとココナッツ繊維で強化されたサンプルは、最初の亀裂の伝播によって 2 つの部分に分割されました。ゴムとココナッツ補強材の架橋効果により、繊維への荷重伝達が向上し、延性が向上する傾向があります。耐震性能に関して同様の結果が他の研究者によっても得られています53、54、55。コンクリート中のこれらの繊維は、コンクリートの亀裂後の破壊を軽減し、コンクリートの延性を高めます。また、コンクリート中に存在する繊維補強材が亀裂防止装置として機能し、亀裂の伝播に抵抗するため、FRC は PC に比べて分割引張力に対してもう少し長く耐えることができると予測できます。コンクリートサンプルの分割引張強さの棒グラフを図4dに示します。分割引張試験は低幅曲げ試験に似ているため、結果は曲げ試験と非常によく似ています。

熱伝導率は、材料が優れた絶縁体であるかどうかにかかわらず、材料の特性を評価するための重要なパラメータです。 1% 繊維強化コンクリートサンプルの熱伝導率値を評価して、熱挙動を検出しました。鉄筋量 1% におけるすべてのサンプルの熱伝導率を 4 に示します。熱伝導率の傾向を図 5 に示します。結果は、ロックウール繊維強化コンクリートが基準サンプルより 43% 減少し、最も低い熱伝導率を示すことを示しています。。ガラス、ポリエステル、およびココナツ繊維強化コンクリートのサンプルは、参照サンプル PC と比較した場合、熱伝導率がそれぞれ 41%、37%、および 31% 低下しています。したがって、ロックウールや廃ガラス繊維で強化したサンプルはより高い断熱性を示します。コンクリートの熱伝導率は、鉄筋の多孔性による繊維含有量によって大幅に低下します。ロックウールと廃ガラス繊維を補強材として配合したコンクリートは建物の断熱材として使用できます。熱源に5分間暴露した後のすべてのサンプルの熱画像を図6に示します。

熱伝導率。

サンプルの熱画像のイラスト。

サーマルイメージングは、サンプルの加熱された表面の反対側の温度を定量化します。図 6 のサーマルイメージングの結果に示されているように、より高い熱抵抗を有するサンプルは、最も低い熱放散/熱損失を示しています。図に示されているように、ロックウール、ガラス、ココナッツ、およびポリエステル繊維で強化されたサンプルは、より高い熱抵抗を示しています。明るい領域は熱伝達が低いことを示します。補強材のない PC サンプルは、最大輝度で示される最も高い熱伝達を示します。

破壊された廃繊維鉄筋コンクリートサンプルの顕微鏡画像を撮影して、周囲のコンクリートマトリックスと繊維の結合パターンを確認しました。機械的試験中に荷重を加えた後、サンプルはばらばらになりました。破断面の画像を図7に示します。小さな破片や垂れ下がった粒子の付着は、コンクリート中の繊維の架橋効果を示しています。強化繊維の架橋効果により、コンクリートは突然の破壊を回避し、PC と比較してより高い亀裂後エネルギーを示します。画像は、繊維状廃棄物とセメントの間に強い結合が存在することを示しています。画像では廃繊維の抜けが確認できる場合があります。ココナッツ繊維についても同様の観察が行われました。しかし、ポリエステル廃棄物は、繊維の大部分が疎水性であり、コンクリートに対する親和性が低いため、コンクリートとの結合が最小限に抑えられます。実験を行った結果、コンクリート中の繊維状廃棄物の強化がひび割れの発生と進行を防ぐのに役立つと結論付けられました。

ひび割れたサンプルの顕微鏡画像 (a) 純コンクリート (b) ヤシ繊維 (c) ゴム廃棄物 (d) ロックウール廃棄物 (e) ポリエステル廃棄物 (f) ガラス廃棄物。

機械的性能に関する表 4 のすべての実験データは、行が選択肢を表し、列が決定マトリックスの属性を表すマトリックスを形成するために使用されます。テーブルは、TOPSIS ベースのタグチメソッドの前述の手順によって分析されます。最初のステップでは、式 1 を使用して行列が正規化されます。 (4)。マトリックスは、各属性値をそのカテゴリ内のすべての属性値の平方根の合計で除算することによって正規化されます。たとえば、PC の圧縮強度の値は 105.79 であり、これをすべての圧縮強度の値の平方根の合計である 350.56 で割ります。これにより、正規化された値は 0.30 になります。すべての正規化された値を表 5 に示します。

各決定行列の重みは AHP 法により求められます。重み付けは、特性の重要度に応じて与えられます。たとえば、圧縮強度の重要性は 5 であり、曲げ強度と衝撃強度の重要性は強と中程度であるため 4 です。分割引張強さは中程度の重要性を持っているため、3 は与えられません。重量および加重正規化値は、式 1、2、3 を使用して計算されます。 (5)と(6)。正規化された重量を表 6 に示します。

正および負の理想解は、式 (1) および 2 によって計算されました。 (7)と(8)。正および負の理想解からの分離距離は、式 (1) を使用して計算できます。 (9)。最後のステップでは、式を使用します。 (10) 理想解に最も近い総合性能係数を計算しました。近さ係数を表 7 に示します。

分散分析 (ANOVA) を 95% の信頼水準で実行し、繊維状廃棄物の種類とコンクリート中の鉄筋の割合の重要性を確認しました。分散分析を表 8 に示します。p 値 0.008 は、95% 信頼水準での繊維廃棄物の種類の有意性を示し、鉄筋の割合の p 値 0.019 は、コンクリートの性能に大きな影響を与えることを示しています。

近接係数の主効果プロットと各要因の総合寄与度の円グラフを図 8 に示す。主効果プロットより、繊維の種類がコンクリートの性能に大きく影響することがわかり、廃ゴム補強コンクリートが最も影響を受けることが判明した。コンクリートの効果的な補強。主効果プロットは、廃棄物の割合がコンクリートの性能を大幅に向上させないことを示しています。円グラフは、要因の全体的な寄与を示します。補強材として使用される廃繊維の種類は、コンクリートの耐震性能に最も大きく寄与します (59%)。

(a) 主効果プロットと (b) 円グラフ。

最も高い値を持つ近似係数が最適な FRC 混合比を示します。 TOPSIS 方法論を検証するために確認テストも行われました。確認試験では、最適な混合比、つまりコンクリートの補強材として 1% のゴムに従ってサンプルを調製しました。最適な混合比の最大誤差を確認するために、サンプルを調製およびテストしました。すべてのテストの確認テストの結果を表 9 に示します。最大誤差は 6.681% と計算され、テスト結果が満足であることを示しています。このように、コンクリート中にゴム廃材を１％添加すると、コンクリート全体の耐震性能が向上することが確認された。

PCと1%ゴム廃鉄筋コンクリートのコストを調査し、セメントを廃鉄に置き換えることでコンクリートのコストが大幅に低減できることを確認した。まず、総体積 11,250 cm3 の PC サンプルを作成するための全体コストを計算しました。サンプルに使用したセメントのコストは 1 米ドル、砂のコストは 0.22 米ドル、粗骨材のコストは 1.10 米ドルでした。総コストは 2.32 ドルでした。廃ゴムをコンクリートの 1% の補強材として使用することにより、同じ費用がかかりながら 8% 多くの体積を占めるようになりました。したがって、FRC はコンクリートの全体的なコストを削減し、低コスト/手頃な価格の住宅につながります。コストの見積もりを表 10 に示します。

産業廃棄物の再利用は、持続可能な未来のための世界的な現象です。廃棄物の焼却・投棄は生態系にダメージを与え、環境への悪影響につながります。この研究では、さまざまな産業繊維廃棄物がさまざまな割合でコンクリートに使用されました。全体として、廃繊維材料で強化されたコンクリートは、機械的および熱的特性の点で耐震性能を向上させるだけでなく、廃棄物の処理の問題も軽減します。コンクリートの圧縮強度は、ゴム廃棄物とロックウール廃棄物をそれぞれ 1% と 2% の荷重で添加することによって増加しました。ゴム廃棄物を 0.5% 添加すると、曲げ強度が 4% 増加します。パーセンテージが増加すると、コンクリートサンプルの曲げ強度が低下しました。強化材として繊維状廃棄物を添加すると、すべてのサンプルの衝撃エネルギーが増加しました。衝撃エネルギーが最大に増加するのは、ゴム廃棄物を 1% 負荷した場合です。コンクリートの分割引張強度は、繊維廃棄物の添加により悪影響を受けました。繊維廃棄物の添加により、コンクリートの熱伝導率は大幅に低下しました。コンクリート中のロックウールとココナッツ繊維の補強により、コンクリートの熱伝導率が大幅に低下し、エネルギー効率の高い建築材料になりました。統計分析 (TOPSIS) から、サンプル R2 (1% のゴム繊維を含む) が全体的に最も良好な耐震性能を示すことが証明されました。コンクリートにゴムを 1% 添加すると、コンクリートの圧縮強度、曲げ強度、衝撃強度が向上します。したがって、サンプルR2は、低コストの耐震/耐震建物に使用することをお勧めします。したがって、産業廃棄物は持続可能な未来のための建設資材として有効に活用することができます。また、廃繊維補強材を使用することで全体の建設コストも下がり、地震多発地域の耐震性を高めたローコスト住宅の実現につながります。

将来的には、他の種類の農業廃棄物や消費者廃棄物を建築建設に利用するための研究が行われる可能性があります。極端な温度で性能を評価することで、北極および熱帯環境での性能を確認できます。さらに、廃繊維で強化されたコンクリートの耐久性について、湿度、塩分などの環境要因の影響を調査することができます。

この研究中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開記事に含まれています。

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この研究は、「鉄筋コンクリート構造における繊維強化充填壁の耐震性能評価：手頃な価格の住宅への一歩」と題されたプロジェクト HEC No 16003 と、チェコ生命科学大学プラハ工学部の内部助成機関「プロジェクト」によって支援されました。天然フィラーを使用したポリマー複合材料の開発と特性評価」(31140/1312/3105)。

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ラジェシュ・ミシュラ、ビジェイ・チャンダン、ペトル・ジルク、ヴィクトール・コーラー、ミロスラフ・ミュラー

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シャブナム・ナザリ

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カーン・シャザダ

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概念化: HA、HJ、RM、VC、PJ、VK、MM、SN、KS; 方法論: HA、HJ、RM、VC、PJ、VK、MM、SN、KS; 正式な分析と調査: HA、HJ、RM、VC、PJ、VK、MM、SN、KS; 執筆 - 初稿の準備: HA、HJ、RM、VC、PJ、VK、MM、SN、KS。執筆 - リビジョン: HA、HJ、RM、VC、PJ、VK、MM、SN、KS。資金調達: HJ、RM、PJ、MM、KS; リソース: HJ、RM、PJ、MM、KS; 監修：HJ、RM、MM、KS

ラジェシュ・ミシュラへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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Ali, H.、Jamshaid, H.、Mishra, R. 他 TOPSIS工法による廃繊維鉄筋コンクリートの耐震性能の最適化。 Sci Rep 13、8204 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-35495-9

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受信日: 2023 年 4 月 7 日

受理日: 2023 年 5 月 18 日

公開日: 2023 年 5 月 21 日

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