将来のインフラストラクチャ用の複合鉄筋

世界中で、コンクリート構造物はかつてないほど攻撃を受けています。道路、橋、高架道路の交通量が増加しただけでなく、気候変動により、鉄砲水やその他の破壊的なイベントを引き起こす暴風雨や集中豪雨などの異常気象が増加しました。このような応力下では、コンクリートにひびが入る可能性があります。これにより、鉄筋を腐食する塩水などの元素にさらされることで、攻撃的な環境での急速な劣化が可能になります。

「亀裂は、攻撃的な環境のエージェントが補強鋼やプレストレス鋼に到達し、腐食性の酸化プロセスを開始するための経路を作成します」とフロリダ州運輸局（FDOT、米国フロリダ州タラハシー）の構造革新ウェブサイトは説明しています。 「この主要な問題に対処するための革新的なアプローチは、従来の棒鋼とストランドの補強材を繊維強化ポリマー（FRP）に置き換えることです。」 FDOTは、FRP鉄筋の使用とテスト、およびAmerican Concrete Institute（ACI、米国ミシガン州ファーミントンヒルズ）によって発行されたもののような設計と使用基準の開発のリーダーです。複合鉄筋は主にガラス繊維（GFRPまたはGRP）で作られていますが、製品は玄武岩（BFRP）または炭素繊維（CFRP）を使用して開発されています。

「世界中で長く費用のかかる腐食の歴史があるため、鋼はもはや過酷な環境で費用効果の高い選択肢とは見なされていません」と、GFRP鉄筋メーカーのMateenbar（ドバイ、アラブ首長国連邦、コンコード、ノースカロライナ州、米国）のCEOであるニッククロフトは述べています。世界最大のGFRP鉄筋プロジェクトのサプライヤー。このプロジェクトは、サウジアラビアのジーザーンにある長さ23キロメートル、幅80メートルまでの洪水軽減水路です。 GFRP鉄筋は30〜40年前から存在していると、Crofts氏は言います。現在、Jizan FloodChannelなどの主要プロジェクトがGFRP鉄筋を主流のインフラストラクチャに推進しています。この成長は、サウジアラビアと米国にあるマティーンバーの新しい工場をすでに正当化しています。

先駆的なGFRP鉄筋技術

Mateenbar GFRP鉄筋は、引抜成形技術と製品革新のパイオニアでありスペシャリストであるPultron Composites（Gisborne、New Zealand）によって開発されました。 Mateenbarは、大量かつ低価格を要求するだけでなく、 を要求する鉄筋市場の固有の課題に対処します。 また、プロジェクトアーキテクトやエンジニアが製品を指定する必要があります。したがって、2008年のMateenbarの最初の工場は、アラブ首長国連邦のドバイにある潜在的な顧客やプロジェクトエンジニアリング会社の近くに建設されました。この地域は、大規模なインフラストラクチャプロジェクトと建設における複合材の先駆的な使用で知られています。 Pultronは、Mateenbarの戦略的パートナーであり、特注のテクノロジーと製品開発の主要サプライヤーです。

製造手順

Mattenbarの工場は、Pultronの高度な技術を使用して、揮発性有機化合物（VOC）を排出することなく、高スループットで非常に一貫性のある引抜成形鉄筋を製造しています。 「私たちは樹脂を注入し、内部を硬化させます 設計された鋼の引抜成形ダイ」とクロフトは言います。

「この鉄筋は、±1％よりも優れた寸法性能を備えた設計製品です」と彼は付け加えます。 「床に樹脂が付着していたり​​、空気中にほこりが付着しているのを見る言い訳はありません。使用されている繊維は、オーウェンズコーニング（米国オハイオ州トレド）の耐食性ECRガラスであり、樹脂は、エポキシバックボーンビニルエステルの独自のバリエーションです。靭性、強度、耐久性を最大化し、エポキシ終端を備えたポリエステルバックボーンよりもはるかに優れています。」

次に、引抜成形された丸棒を機械加工して、コンクリート内部の耐荷重接着を可能にするスパイラルプロファイルを作成します。 「これもクローズドオペレーションです」とクロフト氏は指摘します。「ドナルドソン（米国ミネソタ州ブルーミントン）の空気ろ過システムを備えた機械加工ブースを使用しています。次に、取り扱いを改善するために、外側に樹脂フィルムを塗布します。」 Mateenbarの鉄筋は、最大80フィートの長さで製造され、必要に応じて長さにカットされます。 「ほとんどのインフラストラクチャおよび建設プロジェクトでは、40フィートの長さが見られるのが一般的です」とCrofts氏は言います。

「私たちの平均的な真っ直ぐな鉄筋は直径0.75インチで、引張弾性率は11,600 ksi（80 GPa）のガラス繊維から作られた8,700 ksi（60 GPa）です。したがって、繊維含有量は非常に高く、80重量％以上です。これを曲げる方法はないので、曲げられたGFRP鉄筋は、独自の技術を使用して、異なるプロセスと樹脂を使用して作られています。」

世界最大のGFRP鉄筋プロジェクト

ジーザーン（別名ジャザン）は、イエメンとの国境の北、サウジアラビアの南西の角にあるジーザーン地域の首都です。壊滅的な鉄砲水は、近くの山からの流出による定期的な大雨の間に発生します。サウジアラムコ（サウジアラビア、ダーラン）の石油精製所を含む大規模な工業地帯を保護するために、長さ23kmの鉄筋コンクリート製雨水排水路が建設されました。

COVID-19の大流行まで、サウジアラムコは収益の面で世界最大の企業でした。王国の石油および派生製品事業のすべてを処理し、サウジアラビアのすべての建設の10％を占めています。 「サウジアラムコは、年間予算の大部分がコンクリート構造物の交換に費やされていることに気づきました」とクロフト氏は言います。 「この地域の砂の塩分濃度が高く、昼から夜にかけて気温の差が大きいため、コンクリートのひび割れが早くなります。サウジアラムコは代替技術を探し始め、ACIのメンバーとして、開発されたFRP鉄筋規格から戦略を採用し、サウジアラムコ規格としてさらに適合させ、改良しました。その後、同社は特定の高腐食環境でのGFRP鉄筋の使用を義務付けました。」

サウジアラムコは、ジーザーン洪水チャネルプロジェクトの入札を依頼し、3つのGFRP鉄筋サプライヤーを選択しました。 Mateenbarは契約の50％を授与されました。 「プロジェクトの準備が整うまで数か月待ちました」とCrofts氏は振り返ります。「そして突然、すべての資料がすぐに必要になりました。ドバイの工場は1週間以内に横ばいになり、7か月で約6,000キロメートルのGFRP鉄筋を生産しました。」

納品後、鉄筋はプロジェクトの請負業者であるAl Yamama Group（サウジアラビア、ダンマーム）によって設置されました。 「インストール中に多くの支援を提供する必要があると考えましたが、それは必要ではありませんでした」とCrofts氏は言います。 「彼らは、鉄筋よりも設置がはるかに速いことに気づきました。」 GRFP鉄筋は、鉄筋の25％の重量で、より少ない人数でより長い長さを処理でき、移動や配置が簡単です。 「必要なポジショニングパイプも少なくなります」と彼は付け加えます。 「パイプのこれらの丸い部分は、コンクリート内の適切な高さの位置で鉄筋を支えるために使用されます。」

鉄筋を配置し、ステンレス鋼線で結んで検査すると、コンクリートを上に注ぐ準備が整います。鉄筋設置チームは非常に迅速に移動しました、とクロフトは指摘します。彼らは、コンクリートの注入作業が追いつかないことに気付く前に、実際には幅40〜80メートルの水路を1キロ下っていました。 「それで、彼らは立ち止まり、コンクリートに追いつきました」と彼は付け加えます。 「大雨が降ると、洪水によって水路が砂で満たされるため、これは重要です。これは2、3回発生し、遅延を引き起こしましたが、この排水路の重要性も浮き彫りにしました。」

鉄筋の上にコンクリートを注いだ後、設置チームはそれをタンピングして圧縮し、気泡を取り除きます。その後、数日から数週間かけて硬化します。 「これらのステップでは、GFRPと鉄筋の間に違いはありません」とCrofts氏は言います。 「2020年1月に鉄筋の供給を終了し、チャネルは完成したばかりです。」

設計、コスト、GFRPの将来

クロフトは、GFRP鉄筋は鋼の直接の代替品ではないと指摘しています。 「GFRP鉄筋は、鉄筋とは異なる特性を持っています。これらの違いは、設計に対応する必要があります。したがって、鋼で補強されたコンクリートは通常ACI 318に合わせて設計されますが、これは代わりにACI440設計ガイドに依存するGFRP鉄筋には適していません。一例として、GFRP鉄筋は鋼よりも引張強度が高くなりますが、引張弾性率は低くなります。また、障害点に対して弾力性があります。」クロフトは、鋼の設計では、鉄筋の量は通常、引張強度によって決定されると述べています。ただし、GFRPの場合、弾性率は通常、必要な鉄筋の量を決定する要因です。この要件を満たすと、通常、最終的な強度要件を超える構造になります。また、GFRP鉄筋で補強された構造で望ましい故障モードを保証します。

もう1つの考慮事項は、曲げと形状の作成です。 Croftsは、プロジェクトにおける曲がった鉄筋とまっすぐな鉄筋の比率は、平均して約30％であると述べています。鉄筋を使用すると、この製造は現場で完了することがよくあります。 「マティーンバーの曲がったバーは、当社の管理された環境の工場で製造され、中間の製造ステップなしで現場に直接配送されます」と彼は説明します。 「これは、ニーズが1週間ごとに変化するため、供給の観点からは課題となる可能性があります。柔軟性と同じ地域に工場を置くことが非常に重要であることがわかりました。」

「GFRP鉄筋のコストは、1ポンドあたりのドルで計算すると鋼の3〜4倍になります」と、Crofts氏は言います。「当社の製品は密度が4分の1であるためです。鉄筋は実際にはコンクリートの体積の一部として指定および購入されるため、適切な測定値は1フィートあたりのドルです。体積でコストを測定すると、GFRP鉄筋は鋼とコスト競争力があります。」

「ジーザーンは鉄鋼を許可しない最初のメガプロジェクトでした」とクロフトは言います。 「彼らには、100年以上の耐用年数で必要な構造を設計するチームがありました。いくつかのGFRP鉄筋生産者は、需要の増加に伴い、現在サウジアラビアに配置しようとしています。」 Mateenbarはまた、中東に次ぐ市場である北米にサービスを提供するために、米国ノースカロライナ州コンコードに新しい工場を建設しています。どちらの新しい工場も、Pultronの高度な引抜成形技術を使用した、最新の100,000平方の施設です。どちらの場合も、機器は2020年10月に納入され、生産は2021年初頭までに開始される予定です。

中東でGFRP鉄筋の需要が高まるにつれ、北米の市場は成熟し続けています。 「現在、北米で最大のGFRP鉄筋の用途は、海岸沿いまたは道路がひどく塩分を含んでいる場所の防波堤と橋です」とクロフトは言います。 「しかし、DOTと資産所有者は現在、構造物の耐用年数にわたってコストを改善しようとしています[ CW 同意します。「インフラストラクチャにおける複合材料の役割の拡大」を参照してください。これには、メンテナンスの必要性の削減と、長期的で持続可能なインフラストラクチャの構築が含まれます。コンサルティングエンジニアとエンドユーザーはGFRP鉄筋技術の価値を認識しており、GFRP鉄筋の生産者は品質と性能の基準について協力しています。 FDOTなど、テクノロジーを宣伝し、知識を広めるのに役立った他のDOTを支援している主要なユーザーもいます。」

Croftsは、FDOTが最近、200人の参加者を集めたGFRP鉄筋コンクリート設計に関するウェビナーを主催したと述べています。別のウェビナーで、マイアミ大学（米国フロリダ州マイアミ）の主要な研究者の1人であるアントニオナンニ博士は、FDOTと協力して、「FRP鉄筋は最高の時期を迎える準備ができています」と述べています。それは証明されている、とクロフトは言います。 「今の仕事は、より多くの企業がそれを指定し、請負業者がそれを使用することです。」