Lightweight concrete (LWC), has several desirable and beneficial characteristics such as lower modulus of elasticity, improved microstructure, provided internal curing, and reduced dead load. Furthermore, when lightweight concrete is used for bridges, several potential benefits emerge including increased width or number of traffic lanes, increased load capacity, balanced cantilever construction, reduction in seismic inertia forces, increased cover with equal weight, improved deck geometry, and longer spans saving pier costs. However, heavy damages were found in some lightweight bridge deck. Main reasons include insufficient thickness of slab and lightweight slab tends to be sensitive to cracks. Expansive agent (EA) can reduce the crack sensitivity of cement paste, mortar and concrete by generating an expansion. EA, under restrained conditions, generates a compressive stress, which counteracts tensile stresses induced due to shrinkage.

The combination between lightweight concrete and expansive agent can compensate autogenous and thermal shrinkage of concrete member. High content of EA can supply chemical pre-stress for structure. LWC+ standard content of EA slabs show good performance when they are replaced to damaged LWC slabs. A wheel load test conducted as a project of Metropolitan Expressway Company indicated that lightweight expansive concrete slab has remarkably longer fatigue life than that of normal concrete if sufficient chemical pre-stress is induced. Even though that experiment indicates the promising results of overall behavior of LWC+EA combination, it is also necessary to study the shear transfer behavior of LWC+EA concrete member subjected to shear in more severe condition such as in wet condition or considering the existence of crack. Recently, initial imperfections between round shaped coarse aggregate and matrix are found due to arch action while using high content of EA. This is also one of the important reasons why shear transfer behavior of LWC+EA member needs to be examined after a crack penetrates through the section. Furthermore, the crack surface of LWC is smooth compared to normal concrete. Therefore, shear transfer fatigue behavior of LWC+EA subjected to one side fatigue and reversed cyclic loading is investigated. Damage at interface of LWC is larger than that of normal concrete in early loading cycles but become stable in later stage for both of concrete under dry condition. Even though shear transfer fatigue behavior of LWC+EA is not good in comparison with Normal concrete in water, but still LWC+EA shows much better performance than normal LWC. Therefore, EA is recommended to adopt when using Lightweight concrete to enhance the shear transfer resistance of LWC. Furthermore, to improve the overall structural behavior of LWC+EA, including shear transfer fatigue, current self-healing technology is one of potential alternatives.

A kind of self-healing agent (SHA) and its products can fill the crack due to the swelling effect, expansion effect and re-crystallization actions and it strengthens surrounding crack surface area by adhesive healing mechanisms. Self-healing concrete (SHC) containing SHA may be able to heal itself from cracks and other minor imperfections and thus to prolong the life of the materials and structures. Water leakage test is conducted with several types of SHC where it is confirmed that SHC can effectively reduce the water leakage from crack. In plain and reinforced concrete structures, fatigue is one of the major causes of material failure. Recently, granulation technology is applied to manufacture a new type self-healing additive (SHA) in order to prolong its effectiveness in long time range. When a crack forms, the release of effective components from the granulated self-healing additive may be promoted. Opening and closing of cracks and repeated reverse movement under cyclic loading may accelerate the release of effective components from SHA. Further, new types of self-healing additives effectively using Low heat Portland cement (LC) are also recently proposed. The structural tests of SHC under low cycle tensile, low cycle compressive and shear are conducted. Contributions of some types of SHA to structural performance are confirmed. The recovery of shear stiffness and the longer flexural fatigue endurance are found in Low heat Portland cement based self-healing concrete. The application of upgrade Low heat Portland cement based Self-healing technology into lightweight expansive concrete is examining. Lightweight aggregate cooperated well with self-healing additives during manufacture. Extremely longer flexural fatigue endurance was found in LWC+EA+SHA compared to LWC due to the effect of chemical pre-stress. Recovery of shear stiffness was also observed in case of LWC+EA+SHA in comparison with LWC+EA. The recovery of shear stiffness and longer fatigue endurance of self-healing concrete may indicate the existence and contributions of self-healing products after curing into shear transfer fatigue and flexural fatigue of cracked concrete members.

軽量骨材を使用した軽量コンクリートは、上部構造の死荷重を軽減できるので、特に耐震性の観点から下部工の設計を合理化する上で魅力的な構造材料である。かつて、床版厚が現行の規準よりも薄かった時代に、実構造物の床版に軽量コンクリートが使用されたことがあるが、床版厚が十分でなかったことを主な原因として早期に疲労寿命を迎えることなり、以後、軽量コンクリートの床版への適用は見送られることが多かった。一方、膨張材を使用すると床版の耐疲労抵抗性が向上することや、膨張材と軽量骨材を併用すると、温度応力が著しく軽減することなどが明らかとなり、軽量骨材を膨張材と併用することで、再び床版に適用しようとする機運が高まってきた。また、床版の疲労は、軸直交方向ひび割れの発生による版の梁状化と正負交番を受けるひび割れ面での磨耗という劣化経緯をたどるが、このようなひび割れの伸展に伴う構造性能の低下に対して、主に止水性の回復を目的として近年開発が進められているコンクリートのひび割れ自己治癒技術が、有効に機能し得るかはどうかは定かではない。

このような背景の下、本研究は、膨張軽量コンクリートの繰り返し載荷によるひび割れ面でのせん断伝達の疲労特性を明らかにし、また、繰り返し載荷を受ける種々の構造挙動に対するひび割れ自己治癒の効果を検討した上で、膨張軽量コンクリートの水中疲労で確認された弱点の克服に、自己治癒技術がどの程度の改善効果をもたらすのかを検討したものである。

まず、膨張軽量コンクリートの正負交番および片振りせん断伝達繰り返し載荷実験を、比較用の普通コンクリートと軽量コンクリートと共に実施し、それぞれのせん断伝達疲労抵抗性を把握した。膨張軽量コンクリートの供試体では、ケミカルプレストレスを導入するために内部鉄筋を配置し、ダウエル作用を排除するために、ひび割れを貫通する拘束鉄筋は周囲のコンクリートと接触しないようにしている。実験の結果、膨張軽量コンクリートのせん断伝達疲労抵抗性は、通常のコンクリートよりは劣るものの、軽量コンクリートよりは改善されることを確認した。また、ひび割れ中に水を供給して水中疲労を模擬した実験では、軽量コンクリートのせん断伝達疲労抵抗性は、通常のコンクリートに比べて著しく低下し、膨張軽量コンクリートの場合も低下が比較的に大きいことが明らかとなった。

続いて、複数のひび割れ自己治癒技術を適用した部材に対して、種々の載荷実験を行い、ひび割れ自己治癒効果が構造挙動に及ぼす影響について検討した。なお、実構造物では、疲労は数年~数十年に亘って進行する現象であるのに対して、実験では、時間的制約から数Hzの繰り返し載荷により数日~1週間程度で載荷を終了することから、数ヶ月~数年に亘って発現すると考えられる自己治癒効果を短い繰り返し載荷期間の間に発現させることは不可能と考えられた。そこで、供試体は、打設後1ヶ月間、40℃の水中で促進養生を行ってセメント水和反応を極力収束させた上で最初の載荷を行い、その後、供試体を温水中に戻して1ヶ月間の自己治癒促進養生を行った後に、再度載荷を行って自己治癒による回復効果を確認した。実験の結果、直交ひび割れを導入した鉄筋コンクリートの一軸引張実験では、自己治癒の効果が除荷時の残留変位として確認され、せん断伝達実験では、自己治癒の効果がひび割れ直交方向の拘束応力の増加とすべり量の減少ないし増加の抑制として確認された。いずれも比較用の通常のコンクリートでは生じない現象である。また、負曲げが入った状況を想定して圧縮側に複数のひび割れを導入した梁試験体の曲げ試験を実施し、ひび割れの自己治癒および自己治癒成分の反応により、曲げ剛性の回復ないし低下抑制が生じることを確認した。また、ひび割れ中に水を供給しつつ、応力振幅を一定とした繰返し曲げ載荷実験を実施し、たわみを指標とした耐疲労抵抗性の比較を行ったところ、自己治癒技術を適用した供試体の多くでたわみの増加が抑制され、膨張材と自己治癒技術を併用した場合には、軽量骨材を使用したコンクリートにおいても、主にケミカルプレストレスの導入効果と考えられるたわみ増加の顕著な抑制を確認している。

以上、本研究において、膨張軽量コンクリートの繰り返し載荷によるひび割れ面でのせん断伝達の疲労特性、特にひび割れに水分が侵入した場合の顕著な劣化現象を明らかにすると共に、ひび割れの伸展による構造性能低下を抑制する上での自己治癒技術の有効性を検証し、膨張材の併用と自己治癒技術の組み合わせが、軽量コンクリート床版の耐疲労抵抗性向上の有効な方策となることを指摘した意義は大きく、軽量コンクリートの床版への利用を促進する上での重要な知見を提示していることから、学術的な新規性と実務に資する有用性を有する研究成果と評価できる。

よって本論文は博士(工学)の学位請求論文として合格と認められる。