コンクリートと鋼材の共生関係
お互いの弱点・欠点を補い合って生きる。生物学では、「共生」現象と呼ぶ。
クマノミがイソギンチャクに隠れながら泳ぐ。これは代表的な「共生関係」だ。クマノミはイソギンチャクの触手に隠れることで大きな捕食者から逃れられる。一方、イソギンチャクはクマノミが近くにいることで、安定的な成長環境が整えられる。
今回は、コンクリートの中で共生する、切っても切れない「鋼材」の話。
コンクリートの圧縮力と鉄筋の引張力
「コンクリート造」と「鉄筋コンクリート造」。見た目では区別できそうにないが、両者の違いは月とスッポンほど異なる。
コンクリートは圧縮力が強いのが特徴だ。しかし、引張応力には非常に弱く、引っ張られると、あっという間に割れてしまう。つまり、押しにはめっぽう強いが、引きにはまったく弱いということだ。
そんなコンクリートの弱点を補う存在が「鉄筋」(鋼材)だ。鋼材は、圧縮・曲げ・引張すべてに対して強く、材料特性の中では最強の素材である。しかし、その分「硬い」「重い」「高い」と、負の側面があることも無視できない。
このコンクリートと鋼材の特徴を、非常にうまく組み合わせたものが「鉄筋コンクリート」だ。載荷時、コンクリートが圧縮力を担保し、鉄筋が引張力に応える。その相性の良さは他の素材の追随を許さない。
他にも、コンクリートと鋼材がどのように補完し合っているのかを、具体的に見ていこう。
熱膨張係数(熱膨張率)が同じ
木材、プラスチック、ゴム、繊維など、世の中には数多くの素材が存在するが、それぞれの熱膨張率はまったく異なる。樹脂やゴムなどが熱の影響で伸びてしまう姿は想像に難くないだろう。
この世界には色々な素材がある中、なんとコンクリートと鋼材は熱膨張係数がほぼ同じなのだ。つまり、熱環境の中で同じ挙動を示すため、温度変化による内部応力は発生しないということだ。
コンクリートのアルカリ性が鋼材の腐食を防ぐ
鉄は錆びる。「錆びる」とは、酸化のことだ。酸性雨の影響で鉄が錆びてダメになった、というのは耳にしたことがあるだろう。
一方、コンクリートの中の鋼材は、アルカリ性の環境に満ちている。強アルカリ性のコンクリートによって、鉄は腐食(酸化)から守られる。錆びないことで、鉄筋はその機能を損なわれることなく発揮できるのだ。
コンクリートの脆さ(もろさ)を鋼材がカバー
ねばり強さのことを「靭性」といい、脆さの対極を表す。鉄は靭性が高い素材であるのに対し、コンクリートの靭性は低い。つまり、コンクリートは脆いのだ。
実は、地震動など複雑な挙動はコンクリート造だけでは保持することができない。そこに鋼材のねばり強さが加わることによって、大きな地震の際にも一気に倒壊するのを防いでいる。これが地震大国・日本の構造計算の考え方であり、鉄筋コンクリート造で高層ビルが成り立つ所以だ。