INTRODUCTION

現在、セメント複合材に天然繊維材料を使用する技術の開発に大きな関心が集まっている。 天然繊維は世界中にそれなりに大量に存在し、天然植物繊維はほとんどの発展途上国で生産されている。 天然繊維は数千年前から無機材料の補強に使われてきた。 例えば、レンガ用の藁、泥や柱、漆喰、葦などである。 今世紀に入ってからは、ココナッツ、竹、木材セルロース繊維、羊毛やチップ、靭皮繊維、葉繊維、種子や果実繊維などの他の繊維が、セメント・砂ベースの製品に使われている（Gram、1983; Paramasivam et al, 1984; Sera et al., 1990; Duvaut et al., 2000; Brahmakumar et al., 2005; Asasutjarit et al., 2007; Ismail, 2007; Zain et al., 2010; Zain et al., 2011; Mulinari et al., 2011) 。 繊維は天然繊維と人工繊維に分類され、天然繊維はさらに異なるグループに分けられる（Fordos, 1989; Kelly-Yong et al, 2011; Feng et al.） コンクリート（セメント-砂マトリックス）の補強材としての天然繊維の使用は、多くの国で包括的に研究されている（Rehsi, 1991; Atnaw et al., 2011） 建築材料の生産に使用できる天然繊維強化材は、現在、主にココナッツ、竹、サトウキビ、ヘネケン、サイザル繊維を用いたもの（Dawood and Ramli, 2011; Hamid et al.） 天然繊維を使用する主な理由は、豊富に入手でき、比較的安価であることである。 また、天然繊維複合材料は、再生不可能なエネルギー／材料源への依存度の低減、汚染物質排出量の低減、温室効果ガス排出量の低減、エネルギー回収の強化、構成要素の終末生分解性など、環境上の利点があるとされている（Joshi、2003；Majeed、2011； Hamzah et al.、2010）。 天然繊維コンクリート屋根材の適切な製造方法は、英国のIT建材ワークショップなどを通じて急速に開発され、中米、アフリカ、アジアの国々に広まりました。 セメントやコンクリート製品をコイア、サイザル、ジュートなどの天然繊維で補強するこの工法は、少なくとも28カ国で適用されている。 これらの繊維をセメントマトリックスと組み合わせるとき、繊維は2つの方法で利用される。 一方は、生コンクリート中の繊維が、簡単な方法で製品を成形することを可能にする。 3557>

ココナッツファイバーは、ココナッツオイルの処理で得られる農業廃棄物であり、世界の熱帯地域、特にアフリカ、アジア、アメリカで大量に入手可能である。 ココナッツファイバーは、建設業界ではあまり利用されておらず、農業廃棄物として捨てられることが多い。 しかし、発展途上国の農村部や都市部では、手頃な価格の住宅が求められており、従来の建築資材のコストダウンに焦点を当てた様々なスキームが提案されています。 その中で、農業廃棄物や残渣を従来の建築資材の一部または全部として使用する可能性を含む、代替的で非従来型の地元の建築資材を調達、開発、使用することが最前線の提案となっています。 農業廃棄物が豊富に排出されている国では、これらの廃棄物を建設産業における潜在的な材料または代替材料として利用することができる（Olanipekun et al.2006; Nor et al.2010）。 そのような代替物の一つがココナッツ繊維であり、豊富に生産されるココナッツ繊維は、コンクリートの粗骨材の代替物として使用できる可能性がある（Adeyemi, 1998, Zain et al.、2010）。 工場では大量のココナツ繊維の廃棄物が発生する。 現在の産業界における廃棄物処理方法である焼却は、通常、無秩序に行われ、大気汚染の大きな要因となっている。 そのため、これらの残渣は、環境規制の要件を満たして処理するためにはコストがかかるようになってきています。 そこで、副産物の付加価値を高めて利用しようという試みがなされている。 そのひとつが、ココナツ繊維の建築資材への活用です。 3557>

ファイバー・コンクリート材料の理解と応用に関する広範な研究開発は、現在も世界中で行われています。 これらの活動には、特に、新しい、より強い繊維、より良い繊維強化複合材料および新しい代替物の開発が含まれる（Fordos、1989）。 Mulinariら（2011）によって行われたココナッツ繊維強化ポリエステル複合材料の機械的特性。 この研究では、ポリエステル樹脂の強化材として使用するために、アルカリ処理によるココナツ繊維の化学修飾を決定した。 機械的特性は，引張試験および疲労試験により評価した． また，破断した試験片の表面を観察し，破断メカニズムを評価した。 3557>

Gunasekaran and Kumar (2008) は，コンクリート中の骨材としてココナッツシェルを使用する可能性を検討した． その結果、椰子殻骨材の吸水率は約24％と高いが、破砕値や衝撃値は他の軽量骨材と同等であることが分かった。 また、椰子殻骨材を用いたコンクリートの平均フレッシュコンクリート密度と28日キューブ圧縮強度は、それぞれ1975 kg m-1、19.1 N mm-1であることを明らかにした。 3557>

Olanipekunら（2006）による先行研究では、ココナッツシェルは構造用コンクリート製造において従来の骨材の代用品として適していることが示されました。 また、ココナッツシェルから製造されたコンクリートは、30％のコスト削減が可能であることが示されました。 繊維屋根材の生産に使用される以外に、コンクリート生産における骨材としてココナッツ繊維を使用する可能性は、これまで真剣に注目されてきませんでした。 しかし、Adeyemi (1998) は、1つの混合比（1：2：4）について、コンクリート製造における細骨材または粗骨材の代用としてのココナッツファイバーの適合性を調査しました。 その結果、コンクリート製造において一般的な粗骨材の代わりに使用した場合、ココナッツファイバーは低強度を与える軽量骨材としてより適していることが検証された。 ココナッツ繊維は、硬い石質の内果皮であるが、軽量で自然な大きさである。 有機物由来の硬い表面のため、コンクリートマトリックスに結合した後は、汚染したり、溶出して有害物質を生成することはない。 また、ココナッツファイバーは従来の粗骨材より軽いので、出来上がるコンクリートは軽量になります。 3557>

本研究では、従来の粗骨材の代替物として、刻んだココナッツ繊維の複合材料をコンクリートで利用するために実施された調査の結果を報告した。 また、普通コンクリートの物理的・機械的特性をココナッツ繊維複合体コンクリートと比較した。 主な目的は、低コスト住宅や砕石が高価な軽量コンクリートの製造に、これらの一見廃棄物のようなものを建設資材として使用することを奨励することであった。 3557>

材料と方法

材料調査
ココナッツ繊維：ココナッツ繊維はスリランカから来た店から収集したものである。 工場で油を抽出した後、ココナッツの果実の外周から得たものである。 その後、殻を適切に洗浄し、常温下で5日間風乾させ、その後ASTM C330（2009）に従って等級付けを行った。 繊維は、鋭利なハサミで15mmから35mmの長さを保って切り刻んだ。 刻んだ繊維は、80℃で5時間オーブン乾燥し、冷却のためにデシケータを使用した。 繊維の長さ、直径、厚さ、自然湿度、吸水量、密度を測定した。 粗骨材は火成岩から砕いた花崗岩を採取した。 使用される粒径は5～20mmである。 細骨材として川砂を用い，ASTM規格C33(2006)に従ってコンクリートを練り上げた． ASTM sieve No.4 aperture 4.75 mmを通過した粒子はすべてsieve No.230, aperture 63 μmに保持された． コンクリートはASTM Type Iに準拠した普通ポルトランドセメントを使用し，水はスタンドポストから採取した． 試験片の作成：コンクリートのさまざまな特性を測定するために，100x100x100 mmの立方体および100x100x300 mmの角柱を，普通コンクリートとココナッツ繊維強化コンクリートの両方について打設した． 普通ポルトランドセメント，川砂，砕石およびココナツファイバーの重量比が1：2：3であるものを用いて試験片を打設した． 水とセメントの比率は0.4とした． 水/セメント比は繊維の体積割合が変わっても一定に保たれた． コンクリートの速硬性を高めるために、シールフロストと呼ばれる接着剤を使用した。 セメント1kgあたり70gのシールフロストが使用された。 試験片の作成では，まず，砂とセメントを機械で適切に混合し，次に砕石を加えた． 繊維補強コンクリートの場合は，プレミックス法と呼ばれる混合物の中に繊維も加えた． すべての材料は，コンクリート混合機を用いて適切に混合された． 生コンクリートの作業性は，最終混合直後にスランプテストによって調査された． 圧縮にはハンマーとバイブレーターを使用し，空隙が生じないようにした． 各層は直径16mmのスチールロッドで25回打撃して圧縮した後、次の層を打設し、プリズムにはバイブレーターを使用した。 スランプ値は，普通コンクリートで54 mm，ヤシ繊維コンクリートで38 mmとなり，高い作業性，中程度の作業性を示した． すべての供試体は，型枠の中で24時間放置し，周囲温度下で硬化させた． 試験片は型枠から取り出して養生槽に移した． 養生温度は30±2°Cであった． コンクリートはASTM C330 (2009), ASTM C469, (1987) およびBS 8110-1規格の規定に従って調製した． ヤシ繊維強化コンクリートの圧縮強度を測定するために、2種類の万能試験機を使用した。 Avery Denison試験機は英国で製造されたものである。 この試験機の負荷速度は10〜3000kN min-1である。 この試験機を用いて、136 KN min-1の負荷速度で実験が行われた。 この試験機は1年に1回校正が必要である。 Dartec試験機もココナッツ繊維強化コンクリートの圧縮強度を測定するために使用されました。 この試験機は、荷重と遠隔のグラフを自動的にプロットすることができます。 与えられたグラフやデータから、特定のサンプルの応力-ひずみグラフを作成することが可能である。 本機の負荷能力は500KNまでです。 この機械の圧縮率は0.00015から2.0mm sec-1までである。 この実験では、0.00015 mm sec-1の圧縮速度でこの機械を使用しました。 平板コンクリートおよびヤシ繊維強化コンクリートの圧縮強度試験を行い，極限破壊荷重，圧縮強度，ひび割れの数，長さと幅を求め，最終的に応力-ひずみ関係を観察した． 静的荷重試験はDARTEC試験機を用いて行われた。 図1：

走査型電子顕微鏡（SEM）: 走査型電子顕微鏡は、繊維の厚さと断面を決定するために使用された。 SEMは、試料表面の高解像度画像を作成することができる。 SEMは標準的な顕微鏡よりもはるかに小さい、ほぼ2ナノメートルまでの特徴を解像することができる。 従来の走査型電子顕微鏡（SEM）では、電子はタングステンまたは六ホウ化ランタン（LaB6）のカソードから熱的に放出され、アノードに向かって加速される。 タングステンは、すべての金属の中で最も融点が高く、蒸気圧が低いため、電子放出に必要な加熱が可能であることから、タングステンが使用されている。 3557>

ココナツ繊維の引張強度試験：ココナツ繊維の引張強度を測定するために、Hounsfield引張試験機を使用しました。 この試験機は、荷重と伸びのグラフを自動的にプロットすることができる。 与えられたデータから、ココナツ繊維の応力と破壊までのひずみを作ることができる。 ココナッツ繊維の引張強度試験は、引張荷重下での繊維の挙動、引張荷重下での繊維の最大伸長、破断点を調べるために実施された。 この実験を行うために、Hounsfield引張試験機を使用した。 この試験機は、試験終了後、荷重と伸びのグラフを自動的にプロットすることができる。 3557>

4種類の太さの繊維を引張試験でテストした。 繊維は、ゲージ長（1つのジョーから別のジョーまでの明確な繊維の長さ）35mmで引張試験機のジョーにはめ込みました。 繊維は、35mmのゲージ長（ジョーからジョーまでの明確な繊維の長さ）で引張試験機のジョーに装着された後、試験機は進行し始めた。 一般的にジョーは、繊維を2つの反対方向に引っ張ります。 繊維は、その究極の膨張に達したときに自動的に分解されます。 繊維が破壊されるポイントは、破断点として知られています。 すべての試験は15mm min-1の速度で行われた。

RESULTS AND DISCUSSION

ココナツ繊維の物理的な構造。 走査型電子顕微鏡写真（SEM）を用いて、ココナッツ繊維の物理的な形成を観察した。 図2-4は、繊維の束、繊維の表面、繊維の断面のSEM写真をそれぞれ示している。

図2.コア繊維の一次鎖を示す走査型電子顕微鏡写真（200倍 4:

図2より、一般に目を開いて見る繊維は、最終的に5/6の単繊維が付着していることが確認された。 図2の左側は、他の繊維の5〜6倍少ない単繊維を示した。 また、Fig.3では、ココナツ繊維の表面が滑らかでないことが確認されている。 このため、マトリックスの中で、他の材料と強固に結合することができる。 図4に示すように、繊維の断面を見ると、中央部に穴が開いており、その周囲に小さな穴が開いていることが分かります。 3557＞＜7838＞繊維の物理的性質＜7254＞ココナッツ繊維の長さ：一般に、ココナッツ繊維の自然長は60〜230mmである。 繊維の長さはスチール製定規で測定し、30個を無作為に選んでココナツ繊維の長さを求めた。 3557>

ココナッツ繊維の直径：ココナッツ繊維の直径を測定するために、0.01 mmの精度でマイクロメーターを使用した。 その結果、ココナッツ繊維の直径は0.17-0.24mmであった。

ココナッツ繊維の自然湿度：自然湿度を決定するために、繊維をまず5日間自然乾燥させ、次に同じ繊維を80℃のオーブンで5時間乾燥させた。 湿度パーセントは、異なるタイプのココナッツ繊維試料についてほぼ同様であることが分かる：

ここで、WdおよびWOはそれぞれ風乾繊維およびオーブン乾燥繊維の重量である。 マトリックスの混合と乾燥の間、繊維は水を吸収して膨張する。 繊維の膨張は、少なくともミクロレベルでは、コンクリートを押し流す。 その後、乾燥が終わると、繊維は水分を失い、ほとんど元の寸法に縮み、周囲に非常に細かい空隙ができる。 吸水量Wは、式2：

を用いて計算した。ここで、WswとWadはそれぞれ飲料水に浸した繊維の重量と空気乾燥した繊維の重量を意味する。 測定は24時間間隔で7日間行った。 3557>

120時間後、繊維は完全に飽和状態になり、この状態は図5に示されるようにずっと継続する。 繊維の密度：各繊維の密度は重要なパラメータである。 複合材料では、繊維の密度は大きな影響を与える。 複合材料マトリックス中の繊維の重量は、繊維の密度に依存する。 式3を用いてココナッツ繊維の密度ρfを計算したところ、ココナッツ繊維の密度は1.18g cm-3であった。 ココナッツ繊維の密度は、異なる種類の試料でほぼ同じであることが観察された：

ここで、mfは繊維の質量、mwは水の質量、mw*は繊維体積で減じた水の質量、ρwは水の密度を示す。

繊維の機械的性質
ココナッツ繊維の引張強度：ココナッツ繊維の引張強度試験を行い、引張荷重下での繊維の挙動、引張荷重下での繊維の最大伸長率、破断点などを調査した。 この実験を行うために、Hounsfield引張試験機を使用した。 4種類の厚さの繊維を採取し、表1に示すような結果を得た。 図6および図7は、それぞれ試料2および3のココナッツ繊維の荷重対伸びを示す。

実験データから、コアー繊維の平均強度は19.51MPa、破壊までの歪みは2.83であることが分かった。 また，強度や破断までのひずみは繊維の面積には依存しないことが確認された。 繊維の面積が大きければ大きいほど、強度やひずみが大きくなるとは限らない。

の結果 8:

主に繊維の強度は、繊維と化学組成、繊維分離の過程、処理、湿度、温度などに依存する

平板とココナッツ繊維補強コンクリートの密度：圧縮強度試験前に平板と繊維補強コンクリートの重量と体積が測定されました。 また，圧縮強度試験前に，普通コンクリートおよび繊維補強コンクリートの重量と体積を測定し，得られた重量を体積で割って密度を求めた． 図8は，普通コンクリートと繊維補強コンクリートの密度を示している． 図8は，平板コンクリートと繊維補強コンクリートの密度を示したものである． また、図8に示すように、従来の粗骨材中のココナッツファイバーの体積が増加するにつれて、コンクリートの密度が減少していることが観察された＜3557＞＜7838＞普通コンクリートと繊維強化コンクリートの特性の比較 図9に示すように、繊維量の異なるコンクリートの極限圧縮強度を求めるために、普通コンクリートと繊維補強コンクリートを静的荷重で載荷した。 また、図10〜図12に示すように、静的荷重を負荷した後のひび割れの数、長さ、幅を平板コンクリートとココナッツ繊維補強コンクリートの両方について測定した。 また、普通コンクリートおよびヤシ繊維強化コンクリートの応力-ひずみ関係および弾性係数をそれぞれ図13および図14に示す。

試験結果（図9）から、普通コンクリートの繊維体積率の増加により、圧縮強度が徐々に低下することが確認された。 また，繊維量0％のコンクリートは，指定された配合比において最も高い圧縮強度の値を示した． また，繊維補強コンクリートのひび割れ数，長さ，幅は，普通コンクリートよりも最適な挙動を示した． コンクリート強度は，粗骨材の強度，剛性および密度に依存すると結論された． 一般に，密度が低いと強度は低下する． 3557>

静的荷重を負荷した後、平コンクリートとココナツファイバー強化コンクリートについて、ひび割れの数、長さおよび幅を測定した。 ひび割れは他の面より多く発生した面を数えた． その結果，繊維補強コンクリートではひび割れの発生が少ないことが示された． 繊維量7％のコンクリートは、他の繊維量強化コンクリートの中で最も少ない数のひび割れを発生させた。 図10は、普通コンクリートと繊維量比の異なるコンクリートのひび割れの個数を示している。 繊維補強コンクリートに比べて、無地のコンクリートはより多くのひび割れを生じている。 一般にコンクリートでは、応力がコンクリートの破壊係数に達するとひび割れが発生する。 すべての供試体で，ひび割れはコンクリート立方体の中間の高さ位置に生じた． また，ひび割れのパターンが垂直であることから，曲げひび割れであることがわかる。 また、繊維強化コンクリートのひび割れの長さは、普通コンクリートよりも繊維強化コンクリートの方が短いことが実験的に明らかにされている。 また、ひび割れの長さと荷重の性質との間には直線的な関係がある。 すべてのコンクリートにおいて、静的荷重が80%になると、ひび割れの長さがより長くなることがわかった。 したがって，コアー繊維補強コンクリートは，ひび割れの長さを制限することができる． 図11に普通コンクリートと繊維補強コンクリートのひび割れの長さを示す。

実験データによると、図12に示すように、繊維補強コンクリートは普通コンクリートに比べてひび割れの幅が小さくなっている。 繊維量1%のコンクリートでは、荷重の減少に伴い、ひび割れの幅が減少している。 一方，3, 5, 7%では，静的荷重に対するひび割れの幅が異なる結果となった． また，繊維量1％のコンクリートでは，荷重の減少に伴い，ひび割れ幅が減少することが明らかとなった． そのため，コアー繊維で補強したコンクリートは，ひび割れの幅を制限することができる． また，ひび割れの間隔が狭いほど，あるいはひび割れの数が多いほど，ひび割れの幅は小さくなる． このような挙動を示す理由は、ひび割れの間隔がコンクリートの引張強さと接着強さの両方の関数であるためです。 コンクリートの引張強度の低下は、繊維体積率の寄与に対してその強度が低下し、次にコンクリートの接着強度が低下することによる。 また、繊維の体積率が異なると、繊維の引張力が周囲のコンクリートに再伝達されるまでの距離が短くなるため、ひび割れの間隔が短くなることが示唆された。 図13は、平板コンクリートと繊維補強コンクリートの応力-ひずみ関係を示したものである。

Fiber Volume mixコンクリートと比較して，平板コンクリートの方が高いストレスを示していることが分かる． その結果、繊維混入コンクリートは従来のコンクリートより高いひずみ値を示した。 このことは、繊維体積コンクリートは、より大きな荷重に耐えることができず、荷重の最終段階で脆性破壊を示すことを意味している。 13:

弾性率は、応力-ひずみ曲線の傾きを表すものであります。 応力-ひずみ曲線は直線プロットでないことが多く、ひずみ量によって弾性率が変化していることがわかる。 この場合、通常は最初の傾きを弾性係数として用いる。 弾性率はヤング率とも呼ばれる。 平板とコアー繊維強化の応力-ひずみ曲線の正接を計算し、弾性率を決定した。 図14は、平板コンクリートと繊維補強コンクリートの弾性係数を示している。 実験結果からも、繊維補強コンクリートと比較して、普通コンクリートでは弾性係数がわずかに高いことがわかります。 繊維量1％のコンクリートよりも繊維量3％のコンクリートの方が、より大きな弾性係数を示しているのは注目に値します。 これは主に、砂利と比較してココナッツ繊維の剛性値が低いことに起因しています。 コンクリートのE値の開発は、粗骨材の種類、セメントの種類、配合のW/C比、骨材のサイズ、硬化年数に影響されます（AlexanderとMilne、1995年）。 一般に、コンクリートの弾性係数は、粗骨材の剛性に依存する。 また、骨材とペーストの界面領域や構成材料の弾性特性もコンクリートの弾性係数に影響を与える。

CONCLUSION

この研究は、異なる体積率のココナッツファイバーを組み込んだ強化コンクリートの物理的および機械的特性を調査する実験プログラムの結果を示している。 実験結果と観察に基づいて、以下の結論を述べることができる：

ACKNOWLEDGEMENTS

この研究は重い構造物研究所で行われました。 また，試験片の作製と試験を支援してくれた研究室の技術者に感謝したい．