Reinforcement within concrete creates a composite material, with the concrete providing strength

コンクリートの補強は、複合材料を作ります コンクリートは圧縮応力に対する強度を、

against compressive stress while the reinforcement provides strength against tensile stress.

補強は引張応力に対する強度を提供します

But, while steel reinforcement solves one of concrete's greatest limitations, it creates

鋼鉄の補強により、コンクリートの制約を 解決しましたが、新たな問題を生み出しました

an entirely new problem: Corrosion of embedded steel rebar is the most common form of concrete

コンクリートの劣化で最も多いのが、 埋め込まれた鉄筋の腐食により生じたものです

deterioration.

では、どうすれば良いのでしょう？

So what are we doing about it?

こんには、私はグレイディです こちらは実践工学（Practical Engineering）です

Hey I'm Grady, and this is Practical Engineering.

本日のエピソードは、コンクリート補強における いくつかの技術革新を実際に試してみます

On today's episode, we're testing out some innovations in concrete reinforcement.

未保護の鉄鋼は、腐食や錆が発生しやすいのですが、 コンクリートに埋め込まれている場合は、

Although unprotected steel is naturally prone to corrosion, or rusting, when it gets embedded

何かしら要因が鉄筋を保護します

into concrete, certain factors usually work to protect it.

1つ目は、単に外部環境から 遮蔽されているという当たり前の保護で、

First is the obvious protection of simply being shielded from the outside environment

比較的不浸透性で耐久性のある材料によります

by a relatively impermeable and durable material.

水や汚染物質は、通常コンクリートを通って 鋼鉄に至ることはありません

Water and contaminants usually can't make their way through the concrete to the steel.

２つ目は、アルカリ性の環境での保護です

The second form of protection is the alkaline environment.

通常のコンクリートの高いpHが、鋼鉄の上に 薄い酸化被膜を作り、腐食から保護します

The high pH of normal concrete creates a thin oxide layer on the steel that provides protection

しかし、場合によっては、 この保護だけでは十分ではありません

from corrosion.

鉄筋の腐食の主な原因の一つは塩分です

But, in some cases, this protection isn't enough.

海水環境の近くで塩水にさらされたり、 冬期に道路を安全にする凍結防止剤を散布すると、

One of the main sources of corrosion to rebar is salt.

塩化物イオンがコンクリートに入り込み、 鉄筋を腐食させることがあります

Whether through exposure to saltwater near a marine environment or application of deicing

塩化物イオンがコンクリートに入り込み、 鉄筋を腐食させることがあります

salts to make roadways safer during the winter, these chloride ions can make their way through

そして、鋼鉄が腐食すると、 酸化鉄が発生し、コンクリートの中で膨張します

the concrete, corroding the steel reinforcement.

この膨張が応力を発生させ、 「爆裂（oxide jacking）」と呼ばれ、それは、

And when steel corrodes, it creates iron oxide that expands inside the concrete.

コンクリート劣化の主要な原因の一つとなっています

This expansion generates stress, sometimes called oxide jacking, and is the one of the

では、これら塩化物イオンと汚染物質の 鋼鉄への到達と腐食を防止するには、

primary causes of concrete deterioration.

どうすれば良いのでしょう？

So, how do we prevent these chloride ions and other contaminants from reaching the steel

防御の第一線は「かぶり」です

and causing corrosion?

「かぶり」とは、コンクリートの外面と 補強材との間の、最小距離のことです

The first line of defense is cover.

そして、外部とのさらされ方と利用用途に応じて、 コンクリートのかぶり量が規定されています

Cover is the minimum distance between the outside surface of the concrete and the reinforcing

一般的には25〜75mm（1〜3inch）です

steel.

かぶりは、仕上り良いコンクリートにするために、 打設前に手間が掛かる理由の一つとなっています

And, depending on exposure and application, certain codes specify different amounts of

頑丈な型枠を設置し、多くのワイヤーで補強材を つなぎ合わせることで、確実な補強とします

concrete cover, generally between 25 and 75 millimeters or 1 to 3 inches.

コンクリートを実際に打設する時に、 押し合いへし合い、歩き回ったり、大混乱の中で、

Cover is one of the reasons good concrete work takes so much effort before the concrete

鉄筋は、最終製品内に埋め込まれるように 設計された場所に留まります

ever shows up on the job site.

これらの手順を怠ると、 鉄筋がスラブの底に沈んだり、

Installing strong formwork and lots and lots of wire tying all the reinforcement together

コンクリートの硬化前に外面に近づきすぎたりして、

help to make absolutely sure that, through all the jostling and walking over and general

最終的には、かぶり不足のために鉄筋の 早期腐食につながる可能性があります

chaos that comes when it's time to actually place concrete, the rebar stays where it was

しかし、適切なかぶりがあっても、 コンクリートのクラックは、

designed to be embedded within the final product.

汚染物質や水が鉄筋と 直接接触することを許してしまいます

Neglecting these steps can cause rebar to sink to the bottom of a slab or come too close

そして、コンクリートのクラックがそれほど珍しい ものではないことを知っても、驚くことはありません

to an outside surface before the concrete cures, eventually leading to premature corrosion

ほとんどのコンクリートは、硬化すると収縮し、 クラックを引き起こす可能性があります

of the reinforcement due to lack of cover.

また、温度変化は膨張や収縮を引き起こし、 クラックの原因となります

But, even with adequate cover, a crack in the concrete can allow contaminants and water

また、コンクリートは予想される荷重でも、 クラックが発生することがあり、それは、

into direct contact with the reinforcement.

鋼鉄が部材内応力を吸収する仕方にあります

And it won't surprise you to learn that cracks in concrete aren't all that rare.

この問題を解決する方法の1つは、 前回の動画で説明した鉄筋のプレストレスで、

Most concrete shrinks as it cures which can lead to cracks.

将来的にはもっと深く掘り下げたいと思っています

Changes in temperature also cause expansion and contraction which can lead to cracking.

しかし、今日はこれらのクラックを減らすための 別のオプションを示したいと思います

Concrete can also crack under normal, expected loading conditions due to the way the steel

繊維強化コンクリートはかなり期待されます

takes up stresses within the material.

それは決して新しいアイデアではありませんが、 異なる種類の繊維の知見と活用は、

One way to solve this issue is by prestressing the rebar, a topic I discussed briefly in

コンクリートの練り混ぜで、成長を続けています

a previous video and something I'd like to dive deeper into in the future.

コンクリートにガラス、スチール、または合成繊維を 加えることは、多くの利点がありますが、

But today I want to show another option for reducing these cracks.

最も重要なことはクラックの制御です

Fiber reinforced concrete is pretty much exactly what you'd expect it be.

これがどのように機能するかを示すために、 ほぼ同じ鉄筋コンクリートの梁を３本作り、

It's not a new idea by any means, but our understanding and use of different kinds of

１週間ほど養生させました

fibers within a concrete mix continues to grow.

最初のものは、鉄筋が補強になっているだけです

Adding glass, steel, or synthetic fibers to concrete can provide a lot of benefits, but

油圧プレスを使い、それぞれの梁の強度をテストし、 破壊前にどのように作用するか確認しました

one of the most important is crack control.

そして、これらの梁への力の 測定としてトンを使用していますが、

I constructed three nearly identical reinforced concrete beams to show how this works, and

ゲージがそうだからという理由だけで、 単位はデモに対して完全に任意です

I let them cure for about a week.

ＳＩが好みなら、 これらをメートルトンにしてください

The first one only has steel rebar as reinforcement.

梁の荷重を上げていくと、３トン程度で クラックが始まっているのがわかります

I'm using my hydraulic press to test out the strength of each beam and see how it performs

このようなクラックが発生するのは、コンクリートの 引張応力を受けて鋼鉄が少し伸びるためです

prior to failure.

梁は荷重をしっかりと受け止めていて、 破壊に近い状態ではありませんが、

And I'm using tons as a measurement of force on these beams, just because that's what

コンクリートは鋼鉄と一緒に伸びることができず、 クラックが発生しています

the gauge says, but the units are completely arbitrary to the demo.

このクラックが水や空気を鉄筋に接触させ、

If you prefer SI, just pretend these are metric tonnes.

最終的に、コンクリートの劣化が予想されます

As I increase the load on the beam, you see cracks starting at only around 3 tons.

このクラックがこのデモの重要な部分ですが、 先に進み、梁が破損するまで荷重を増やしました

These cracks form because steel stretches a little bit as it takes up the tensile stress

なぜなら、油圧プレスはそれに適しているからです

in the concrete.

次の２本の梁には、コンクリートの練り混ぜに 繊維を入れました。一つは鋼繊維で、

The beam is holding the load just fine and isn't even close to failure, but concrete

もう一つはガラス繊維です

can't stretch along with the steel so it has to crack.

鉄筋と繊維がチームを組んで、 梁の引張応力に抵抗します

You can imagine how these cracks could let water and air into contact with the reinforcement

鉄筋は構造部材全体の張力に 抵抗するための大規模な補強を提供し、

and eventually deteriorate the concrete.

繊維はクラックの原因となる局部的な張力に 抵抗するための小規模な補強を提供します

Those cracks are the important part of this demo, but I went ahead and increased the load

この梁に３トンの荷重をかけても、 クラックが1本も見えません

until the beam failed because, hey, that's what hydraulic presses are good for right?

実際、この２本の梁の場合、 その２倍近くまでクラックが発生しませんでした

For these next two beams, I included fibers in the concrete mix: one beam has steel fibers

そして、その時でさえ クラックはずっと小さかったのです

and the other has glass fibers.

両方の梁は、予想していた最初の梁と ほぼ同じ荷重で破壊しました

The steel rebar and fibers team up to resist tensile stresses in the beams.

すでに述べたように、 繊維は梁全体の強度には寄与しませんが、

The rebar provides large scale reinforcement to resist tension across the entire structural

鉄筋の腐食を多大に防ぐことは、 容易に分かると思います

member, and the fibers provide small scale reinforcement to resist localize tension that

あなたは、なぜ補強に鋼鉄を使うのか 疑問に思うかもしれません

causes cracking.

鋼鉄は比較的安価で、テストされおりて、強いですが、 他にもいろいろな素材があります

When I load these beams to 3 tons, you can't see a single crack.

腐食の問題に直面しない 優れた力学的特性を持つ素材はあります

In fact, for both of these beams, I didn't see any cracks form until almost double that.

非常に腐食性の高い環境では、エポキシコーティング された鉄筋やステンレス鋼を使用することもあります

and even then the cracks were much smaller.

しかし、繊維強化ポリマーやFRPバー のような代替案が出てきています

Both beams failed at about the same load as first, one, which I expected.

これはバサルト（玄武石）で作った補強材です 再溶解させた火山岩を小さなノズルから押し出し、

Like I said, the fibers don't really add much overall strength to the beam, but you

非常に強い繊維となっています

can easily see they could go a long way in preventing corrosion of steel rebar.

このようなオプションは、 多くのケースでは鉄筋よりもコストがかかります

You may be wondering why are we even using steel for reinforcement at all?

しかし、これらの革新的なタイプの補強材を 使用する上での障害は、コストだけではありません

Steel is relatively inexpensive, well-tested, and strong, but there are lots of other materials

これらの追加コストは、コンクリート寿命が 延びることで相殺される可能性があります

that with excellent mechanical properties that don't face this issue of corrosion.

他の阻害は、単純に普及してないことから来ています

For very corrosive environments, we sometimes use epoxy-coated rebar or even stainless steel,

土木工学では、失敗の影響が非常に大きいため、 技術革新はゆっくりと発生します

but there are some emerging alternatives like Fiber Reinforced Polymers or FRP bars.

設計に自信を持つことは、 工学的な理論と同じくらいの効果があり、

This is reinforcement made of basalt, remelted volcanic rock forced through tiny nozzles

それは単に、過去の同様な設計がどれだけ 上手く機能しているか確認することです

to create fibers that are extremely strong.

しかし、多くの工学災害は、設計が悪いのではなく、 実際にはメンテナンスの悪さに起因しています

Options like this often cost cost more than steel rebar, in some cases a lot more.

そのため、長期耐久性は他の設計基準と同様に 公共の安全にとって重要なものとなります

But, the major impediment to the use of these newer, more innovative types of reinforcement

今後、コンクリートを補強するための 革新的な方法が増えていくことは間違いなく、

isn't just the cost.

この動画で紹介した オプションも含まれているでしょう

It's easy to see that those additional costs may be offset by the increased lifespan of

ご視聴ありがとうございました 感想を聞かせてください！

the concrete.

Another inhibition comes simply from the lack of widespread use.

Innovation happens slowly in civil engineering because the consequences of failure are so

high.

Gaining confidence in a design has as much to do with engineering theory as it does to

simply seeing how well similar designs have performed in the past.

But many engineering disasters have come not at the expense of bad design, but actually

bad maintenance, so long-term durability can be just as important to public safety as other

design criteria.

We'll certainly be seeing more innovative ways to reinforce concrete in the future,

including the options I mentioned in this video.

Thank you for watching, and let me know what you think!