コンポジットリバー：気候ストレスから未来のインフラを守る

世界中で、コンクリート構造物がかつてない攻撃にさらされています。道路、橋、高架道路の交通量増加だけでなく、気候変動により激しい嵐や集中豪雨、突発洪水などの極端な気象現象が増加しています。このようなストレス下ではコンクリートに亀裂が生じます。これにより、鉄筋に腐食性のある海水などの要素が露出し、攻撃的な環境での急速な劣化を招きます。

「亀裂は、攻撃的環境のエージェントが補強・プレストレス鋼材に到達し、腐食性酸化プロセスを開始する経路を作ります」と、フロリダ州交通局（FDOT、米国フロリダ州タラハシー）の構造イノベーションウェブサイトは説明します。「この重大な問題に対抗する革新的なアプローチは、従来の鉄筋とストランド補強を繊維強化ポリマー（FRP）に置き換えることです。」FDOTはFRP鉄筋の使用と試験、および米国コンクリート協会（ACI、米国ミシガン州ファーミントンヒルズ）が発行する設計・使用基準の開発でリーダー的役割を果たしてきました。コンポジットリバーは主にガラス繊維（GFRPまたはGRP）で作られますが、玄武岩（BFRP）や炭素繊維（CFRP）を用いた製品も開発されています。

「世界的に長く高コストな腐食の歴史を持つ鋼材は、攻撃的環境ではもはやコスト効率の良い選択肢とは見なされません」と、GFRPリバーメーカー、マティーンバー（UAEドバイ、米国ノースカロライナ州コンコード）CEOのニック・クロフツ氏。同社は世界最大のGFRPリバープロジェクトである、サウジアラビアのジザン洪水緩和チャネル（全長23キロメートル、幅最大80メートル）のリードサプライヤーです。GFRPリバーは30〜40年前から存在しますが、クロフツ氏によると、ジザン洪水チャネルのような主要プロジェクトが今、それを主流インフラへと押し上げています。この成長はすでに、マティーンバーのサウジアラビアと米国での新工場建設を正当化しています。

GFRPリバー技術のパイオニア

マティーンバーGFRPリバーは、パルトロン・コンポジッツ（ニュージーランド、ギズボーン）によって開発されました。パルトロンはパルトルージョン技術と製品イノベーションのパイオニアおよびスペシャリストです。マティーンバーは、リバー市場の独自の課題に対応します。この市場は、大量生産と低価格を要求するだけでなく、プロジェクトの建築家やエンジニアによって製品が指定されることも要求されます。したがって、マティーンバーの最初の工場は2008年、大規模インフラプロジェクトと建設におけるコンポジットの先駆的利用で知られるドバイ、UAEに、潜在的顧客と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。パルトロンはマティーンバーの戦略的パートナーであり続け、オーダーメイドの技術と製品開発の重要なサプライヤーです。

製造ステップ

マティーンバー工場では、パルトロンの先進技術を用い、揮発性有機化合物（VOC）排出なしで、高スループットで非常に一貫したパルトルードリバーを製造しています。「設計されたスチールパルトルージョンダイの内部で樹脂を注入し硬化させます」とクロフツ氏。

「このリバーは、寸法性能が±1%以内のエンジニアリング製品です」と同氏。「床に樹脂が落ちたり、空気中に粉塵が舞ったりすることはありません。使用繊維はオーウェンス・コーニング（米国オハイオ州トレド）の耐腐食性ECRガラス、樹脂は独自のエポキシバックボーン・ビニルエステル変性品です。靭性、強度、耐久性を最大化し、エポキシ終端のポリエステルバックボーンよりはるかに優れています。」

パルトルードされた丸棒は、コンクリート内で荷重負担接着を可能にするスパイラルプロファイルを作るために機械加工されます。「これもクローズド操作です」とクロフツ氏。「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ます。その後、外側に樹脂フィルムを塗布してハンドリングを改善します。」マティーンバーのリバーは最大80フィート（約24メートル）の長さで製造され、必要に応じて切断されます。「ほとんどのインフラ・建設プロジェクトでは40フィート（約12メートル）が典型的です」とクロフツ氏。

「平均的なストレートリバーは直径0.75インチ、引張弾性率8,700 ksi（60 GPa）、11,600 ksi（80 GPa）のガラス繊維から作られており、繊維含有率は重量比で80%以上と非常に高いです。曲げることは不可能なので、曲げGFRPリバーは別のプロセスと樹脂、独自技術で製造されます。」

世界最大のGFRPリバープロジェクト

ジザン（ジャザンとも綴る）は、イエメンとの国境の北に位置するサウジアラビア南西部のジザン地域の首都です。近隣の山々からの流出により、定期的な大雨で災害的な突発洪水が発生します。23キロメートルの鉄筋コンクリート雨水排水チャネルは、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建設されました。

COVID-19パンデミックまでは、サウジ・アラムコは収益ベースで世界最大の企業でした。同国の石油と派生製品ビジネスをすべて扱い、サウジアラビアの建設の10%を占めています。「サウジ・アラムコは、年間予算の巨大な割合がコンクリート構造物の交換に費やされていることを認識しました」とクロフツ氏。「地域の砂の高塩分と昼夜の大きな温度差が、コンクリートの亀裂を加速させます。サウジ・アラムコは代替技術を探し、ACI会員としてFRPリバー基準から戦略を取り、さらにサウジ・アラムコ基準として適応・洗練させました。同社は特定の高腐食環境でのGFRPリバー使用を義務付けました。」

サウジ・アラムコはジザン洪水チャネルプロジェクトの入札を求め、3社のGFRPリバーサプライヤーを選定。マティーンバーは契約の50%を獲得しました。「プロジェクトが本格化するまで数ヶ月待ちました」とクロフツ氏は回想します。「そして突然、すべての材料が即座に必要になりました。ドバイ工場は1週間でフル稼働となり、7ヶ月で約6,000キロメートルのGFRPリバーを生産しました。」

納入後、リバーはプロジェクト請負業者アル・ヤママ・グループ（サウジアラビア、ダンマム）によって設置されました。「設置時に多くの支援が必要と思っていましたが、不要でした」とクロフツ氏。「彼らは鋼鉄筋よりもはるかに速く設置できることを発見しました。」鋼鉄筋の25%の重量しかないGFRPリバーは、より少ない人員でより長い長さを扱え、移動と位置決めが容易です。「ポジショニングパイプも少なくて済みます」と同氏。「コンクリート内で適切な高さ位置にリバーを支えるために使用される丸パイプです。」

リバーが配置され、ステンレス鋼ワイヤーで結束され、検査された後、コンクリートが打設されます。リバー設置チームは非常に速く移動したため、クロフツ氏によると、幅40〜80メートルのチャネルで1キロメートル先まで進んでから、コンクリート打設が追いついていないことに気づいたほどです。「そこで止まり、コンクリートが追いつくのを待ちました」と同氏。「これは重要です。大雨が来れば、洪水がチャネルを砂で埋め尽くします。これが数回発生し、遅延を招きましたが、この排水チャネルの重要性も浮き彫りになりました。」

リバーの上にコンクリートを打設後、設置チームは空気泡を除去するためにタンピングと圧縮を行い、その後数日・数週間で養生されます。「GFRPと鋼鉄筋でこれらのステップに違いはありません」とクロフツ氏。「2020年1月にリバー供給を完了し、チャネルはちょうど完成しました。」

設計、コスト、GFRPの未来

クロフツ氏は、GFRPリバーが鋼鉄筋の直接的な置き換えではないことを指摘します。「GFRPリバーは鋼鉄筋とは異なる特性を持ちます。これらの違いは設計で対応しなければなりません。鋼鉄筋補強コンクリートは通常ACI 318で設計されますが、これはGFRPリバーには適しません。GFRPリバーはACI 440設計ガイドに依拠します。例として、GFRPリバーは鋼鉄より引張強度が高いが、引張弾性率は低いです。また、破壊点まで弾性的です。」クロフツ氏によると、鋼鉄設計ではリバー量は通常引張強度で決まります。しかしGFRPでは、弾性率が通常必要なリバー量を決める要因になります。この要件を満たすことは、究極強度要件を超える構造になることを意味し、GFRPリバー補強構造で望ましい破壊モードも確保されます。

もう一つの考慮点は曲げ加工と形状の製造です。クロフツ氏によると、プロジェクトでの曲げ/ストレートリバーの比率は平均約30%です。鋼鉄筋ではこの加工はしばしば現場で行われます。「マティーンバーの曲げリバーは、管理された工場環境で製造され、中間加工ステップなしで現場に直接納入されます」と同氏。「ニーズが週ごとに変わるため、供給面からは課題となり得ます。柔軟性と同じ地域に工場があることが非常に重要だとわかりました。」

「GFRPリバーのコストは、ドル/ポンドで計算すると鋼鉄の3〜4倍高いです」とクロフツ氏。「なぜなら我々の製品は密度が4分の1だからです。適切な尺度はドル/フィートです。リバーは実際にコンクリート体積の一部として指定・購入されるからです。体積あたりのコストで測ると、GFRPリバーは鋼鉄とコスト競争力があります。」

「ジザンは鋼鉄を許可しない最初のメガプロジェクトでした」とクロフツ氏。「100年以上の耐用年数を持つ構造物を設計するチームがありました。現在、需要拡大に伴い複数のGFRPリバープロデューサーがサウジアラビアへの進出を検討しています。」マティーンバーもサウジアラビアとコンコード（ノースカロライナ州）に新工場を建設中で、北米市場（中東に次ぐ第2の市場）に対応します。両工場とも最新の10万平方フィート施設で、パルトロンの先進パルトルージョン技術を使用。両方とも設備は2020年10月に納入済みで、2021年初めまでに生産開始予定です。

中東でのGFRPリバー需要拡大に伴い、北米市場も成熟し続けています。「現在、北米での最大GFRPリバー用途は、海岸沿いや道路が大量に塩害を受ける場所の海壁と橋です」とクロフツ氏。「しかし、DOT（州交通局）と資産所有者は、構造物のライフタイムコスト改善（メンテナンス削減、長寿命かつ持続可能なインフラ構築）を模索しています。コンサルティングエンジニアとエンドユーザーがGFRPリバー技術の価値を認識し、プロデューサー間で品質と性能基準での協力が進んでいます。FDOTのようなリーディングユーザーが技術を推進し、他のDOTを支援しており、知識の普及に貢献しています。」

クロフツ氏によると、FDOTは最近、GFRP補強コンクリート設計ウェビナーを開催し200名が参加。別のウェビナーでは、FDOTと協力するマイアミ大学（米国フロリダ州マイアミ）の主要研究者アントニオ・ナニ博士が「FRPリバーは本番準備完了だ」と述べました。それが証明されたとクロフツ氏。「今の仕事は、より多くの企業が指定し、請負業者が使用することです。」