はじめに
エポキシ樹脂は、その優れた接着性、機械的特性、および耐薬品性により、建物の補強・補修の分野で広く使用されています。 特に、コンクリート構造物の修復において、エポキシ樹脂はひび割れ充填や表面補修に用いられ、構造物の完全性と耐久性を効果的に回復させます。しかし、純粋なエポキシ樹脂は、硬化過程や高温環境下において、ある程度の長さの変化が生じます。 その熱膨張係数がコンクリート下地のそれとは大きく異なる場合、温度変化の際に界面で内部応力が発生しやすくなり、それが剥離や二次的なひび割れにつながり、最終的には補修効果や長期的な安定性に影響を及ぼすことになります [1]。
エポキシ樹脂の寸法安定性を向上させるため、樹脂マトリックスに無機充填材を添加して熱膨張係数を低減させることがよく行われる。 中空で軽量なミクロンサイズの無機充填材であるガラスビーズは、熱膨張係数が低く、比強度が高く、流動性に優れている [2]。ガラスビーズは、複合材料の熱膨張係数を低減できるだけでなく、補修材の自重もある程度軽減できるため、実用的かつ経済的である。
本実験で使用した試料は、建築物のひび割れ補修に用いられるエポキシ樹脂であり、フェノールアミドを硬化剤とし、カルダノール（C）およびジエチレントリアミン（D）を添加して複合硬化促進剤系を形成したものである（図1）。 樹脂に異なる質量分率（0％、0.5％、1％、1.5％、2％）のガラスビーズ（GB）を添加し（添加比率はエポキシ樹脂の質量に対する割合として算出）、 その含有量がエポキシ樹脂の平均熱膨張係数に及ぼす影響を調査した。本実験で使用した試験装置は、NETZSCH 社製のTMA 402F1 熱機械分析装置（ステンレス製加熱炉を装備）である。
実験条件
測定条件の詳細は表1に示されている。
表1：実験条件
| 装置 | TMA 402F1 Hyperion® |
| 試料サイズ | 直方体、約10 mm × 10 mm × 25 mm |
| 昇温速度 | 5 K/min |
| 静荷重 | 50 mN |
| 試料ホルダー | 溶融石英製圧縮ホルダー |
| 温度範囲 | -50 ～ 150°C |
| 雰囲気 | 不活性ガス（70 ml/min） |
測定結果と考察
図2は、GB含有量が異なる硬化エポキシ樹脂試料の第2回測定におけるdL/L0曲線を示している。表2は、各試料の異なる温度範囲におけるガラス転移温度（Tg）および平均熱膨張係数（mCTE）をまとめたものである。
表2に示すように、GB含有量の増加に伴い、エポキシ樹脂のTgはわずかに低下する。ブランク試料（1#）のTgは60.8°Cであるが、GB含有量が2.0 %の場合、Tgは57.9°Cとなり、2.9°Cの低下が見られる。 このわずかな低下は、架橋ネットワークの破壊や界面における自由体積の増加[3]、ならびに硬化をわずかに阻害する微量の水分や残留添加剤[4]に起因すると考えられる。
表2：GB含有量が異なるエポキシ樹脂試料のTgおよびmCTE
| 試料番号 | ガラスビーズ含有量 (wt-%) | Tg (°C) | mCTE (10⁻⁶1/K) | |
| -40 ～ 0°C | 100～150°C | |||
| 1 | 0 | 60.8 | 84.49 | 202.65 |
| 2 | 0.5 | 60.1 | 82.58 | 202.27 |
| 3 | 1.0 | 59.8 | 82.43 | 200.14 |
| 4 | 1.5 | 58.3 | 81.47 | 194.05 |
| 5 | 2.0 | 57.9 | 81.29 | 192.42 |
ガラス状状態（-40°C～0°C）において、 GB含有量が0%から2.0%に増加するにつれて、mCTEは84.49 ×10⁻⁶ K⁻¹から81.29 ×10⁻⁶ K⁻¹へと減少し、これは3.8%の減少に相当する。 これは、マトリックスがTg以下であっても、剛性のあるGBが熱膨張を抑制していることを示している。 ゴム状状態（100°C～150°C）では、純エポキシの mCTE は 202.65 × 10⁻⁶ K⁻¹ （ガラス状状態の値の約 2.4 倍）を示します。 2.0 % の GB を添加すると、この値は 192.42 ×10⁻⁶ K-¹ (5.1 % の減少) に低下し、ゴム状状態においてより顕著な拘束効果が確認されました。
調査した温度範囲全体において、mCTE は GB 含有量と負の相関を示しており、これは文献 [5] の知見と一致している。
結論
TMA 402F1 を用いて得られた試料の試験結果に基づき、複合材料の熱的挙動を正確に評価することができます。 ガラスビーズを添加することで、エポキシ樹脂の熱膨張係数が大幅に低減され、コンクリート下地との熱適性が向上し、温度変化に起因する剥離やひび割れのリスクが低減されるため、コンクリート補修材料の配合最適化に向けた実験的根拠が得られる。