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日本コンクリート工学会では，2007〜2008年度にセメント系材料の自己修復性の評価とその利用法研究専門委員会1）によって，それまで個別に行われていたコンクリートの自己治癒・自己修復に関する研究を体系的に整理し，評価方法と実用化の方向性が示されています。近年，国内外において自己治癒コンクリートの建設市場への供給が進んでいますが，環境条件に応じた適切な材料選定や自己治癒効果の発現性・持続性は明確に整理されておらず，その効果を実験室レベルで確認する方法，ならびに供用中の構造物における評価方法は確立されていないのが現状です。
本研究委員会では，環境条件に応じた適切な材料選定や自己治癒材の適用性を整理し，その効果を各種の非破壊試験を評価する方法を確立することを最終目標として活動を行ってきました。本稿では，FS委員会からの3年間にわたる委員会活動の概要を紹介するとともに，本年9月に開催する委員会の成果報告となる報告会についてご案内いたします。
※本記事に記載の情報は記事公開時点のものです。適宜，最新情報をご確認ください。
コンクリート用自己治癒材の効果とその評価方法に関するFS委員会（2023年設置）では環境条件に応じた適切な自己治癒材の選定や適用性を整理し，その効果を実験室レベルで評価する方法，ならびに供用中の構造物における評価方法について文献調査を中心に研究活動を行ってきました。1年間のFS委員会活動を踏まえて，本委員会では4つのWGを設置しました。本研究委員会の構成を表-1に示します。
（1）微生物とセメント硬化体との相互作用WG（WG1）
WG1では，特に微生物とセメント硬化体との相互作用に関する整理として，微生物が活動できる環境条件とコンクリートに与える有益／有害な作用について自己治癒材を含め広く微生物とセメント硬化体との相互作用に関する知見を収集しています。
（2）自己治癒材の環境条件WG（WG2）
WG2では，環境ごとの自己治癒コンクリートの適用性に関する知見を整理しました。特に，微生物系自己治癒材の機能が発現する環境，また効果が持続するための環境条件について知見を整理し，コンクリート内部環境において自己治癒材のトリガーとなる評価指標を抽出しています。
（3）自己治癒材の漏水抑制効果WG（WG3）
WG3では，微生物とPVA繊維の併用が自己治癒効果に与える影響について，特に漏水抑制効果の観点から検討しました。また，微視的観察を行いひび割れ中繊維近傍の自己治癒性状について詳細に分析しています。
（4）非破壊試験を用いた評価手法WG（WG4）
WG4では，自己治癒材によるコンクリートのひび割れ閉塞および環境影響に対し，自己治癒効果を評価するための性能を定義するとともに評価指標を設定し，各種の非破壊試験（弾性波，電磁波，電気化学的計測等）を適用することで，時系列データに基づき自己治癒効果の性能を評価する方法を提案しています。
| 委員長 | 河合 慶有 | （愛媛大学） |
| 副委員長 | 西田 孝弘 | （静岡理工科大学） |
| 幹事 |
新 大軌 | （島根大学） |
| 武田 字浦 | （明石工業高等専門学校） | |
| 西脇 智哉 | （東北大学） | |
| 橋本 勝文 | （北海道大学） | |
| 委員 | 鎌田 知久 | （東京都立大学） |
| 黒川 翔太 | （會澤高圧コンクリート） | |
| 小池 賢太郎 | （港湾航空技術研究所） | |
| サンジェイ パリーク | （日本大学） | |
| 寺澤 広基 | （神戸大学） | |
| 寺本 篤史 | （京都大学） | |
| 中瀬 皓太 | （北海道大学） | |
| 中村 孝道 | （安藤・間） | |
| 花岡 大伸 | （金沢工業大学） | |
| 林 俊斉 | （安藤・間） | |
| 星 芳直 | （名古屋工業大学） | |
| 牧田 寛子 | （東京海洋大学） | |
| 牧野 育代 | （静岡理工科大学） | |
| 吉田 夏樹 | （大阪大学） | |
| 欒 堯 | （埼玉大学） | |
| 顧問 | 今本 啓一 | （東京理科大学） |
■微生物とセメント硬化体との相互作用WG（WG1）
（1）コンクリート用自己治癒材に用いられる微生物
微生物は極限環境にも適応できる多様な代謝能力を持ち，建設分野ではコンクリートの劣化と改質の両面に関与します。自己治癒コンクリートでは炭酸塩析出（MICP）により炭酸カルシウムを析出させ，ひび割れを充填する技術が期待されています。尿素分解や硝酸還元などの反応が利用されるが，反応の不均一性やアルカリ環境での生存性が課題であり，芽胞形成やアルカリ耐性を備えた頑健な微生物の選定が重要となっています。表-2に自己治癒コンクリートに利用される微生物とその機能を示します。
| 細菌名 | 代表的な機能・治癒効果 | 文献 |
| Bacillus subtilis | 炭酸カルシウムの析出を促進し,強度回復に寄与する | 2) |
| Bacillus cereus | ひび割れ閉塞と機械的性質を改善する | 2) |
| Bacillus halodurans | 高いひび割れ治癒効率（約90%）と強度回復率（97–99%） | 2),3) |
| Bacillus licheniformis | CaCO3生成能が高く,ひび割れ閉塞効果を有する | 2) |
| Bacillus pseudofirmus | 非ウレアーゼ菌の中で最大の鉱物化活性を示す | 3) |
| Bacillus cohnii | カプセル化における高い生存性を保持する | 3) |
| Bacillus bombysepticus QCSJ3 | ウレアーゼ活性により高効率のCaCO3沈殿を行い,400μmのひび割れを100%治癒 | 4) |
（2）微生物を使用した自己治癒コンクリートの事例
微生物を利用した自己治癒コンクリートの代表的事例として，デルフト工科大学を中心とする一連の研究が挙げられます5）。本研究では，アルカリ耐性を有する芽胞形成細菌と有機系鉱物前駆体から成る二成分系の自己治癒材（Basilisk）が提案されています。この系では，ひび割れ部に侵入した水により細菌が活性化し，前駆体の代謝を介して炭酸カルシウムを生成することで，ひび割れの閉塞を図ることが意図されています。また，国内では，バイオスマートコンクリート（BiSCo）の開発も進められています6）。最大pH12条件下で生育する強アルカリ耐性菌（Alkaline Habitable：AH株）を用いて，微生物代謝による炭酸塩析出（MICP）促進による迅速な自己治癒機能，ならびに強アルカリ環境下の呼吸による酸素除去に起因した鉄筋腐食反応の抑制機能が報告されています7）。図-1に国内における近年の微生物系自己治癒コンクリートの施工例を示します。
 図-1 微生物系自己治癒コンクリートの施工例（左写真：Basilisk，右写真：BiSCo） |
（3）自己治癒効果の温存性に関する整理
自然治癒，自律治癒に該当する自己治癒材（無機系，有機系，微生物系等）を対象に，ひび割れ自己治癒性能をひび割れ幅と治癒性能の評価試験までの材齢（治癒効果の温存性）に着目して整理しています。なお，自己治癒材には，普通セメント，低活性セメント，高吸水ポリマー（SAP），結晶促進材，水和抑制材，膨張材，ジオマテリアル，短繊維（PE，PVA，PP，POM，EVOH），微生物（バクテリア）等が含まれています。図-2のバブルの大きさは，治癒（ひび割れ閉塞）に要する期間を示しており，サイズが小さいほど治癒期間が短いことを示しています。また，各文献の評価指標であるひび割れ幅，透水量および透水係数の経時変化から治癒率を算出しています。図より，自己治癒性能を有する材料と短繊維とを組み合わせることで，短繊維が自己治癒生成物の析出サイトとして機能し，ひび割れ内部における生成物の形成を促進することで，より大きなひび割れに対しても治癒が可能となることが示唆されます。また，バクテリア等に微生物を併用することでより大きなひび割れに対しても効果が期待されることを示しています。
 図-2 ひび割れ幅と治癒性能評価試験までの材齢との関係 |
■自己治癒材の環境条件WG（WG2）
（1）自己治癒コンクリートの発現条件（トリガー）と各菌種の活性領域
表-3に示すように，これらの検討で用いられている自己治癒効果を有する各菌種は，それぞれ固有の生物学的な活動限界を有しています8）。この表には，これらの菌種の代謝特性および生存可能な環境条件の限界（pH，温度，塩分濃度）を示しています。本表が示す通り，菌種によって酸素要求性（呼吸形式）が異なるほか，生息可能なpHの上限値は最大でも10.0〜11.5程度の範囲に留まっていることがわかります。
| 対象菌種 | 呼吸形式（エネルギー獲得） | 尿素分解 | 活性領域 | |||||||||||||||||
| pH | 温度（℃） | NaCl（%） | ||||||||||||||||||
| 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 0 | 3 | 6 | 9 | 12 | |||
| B. subtilis | 好気／硝酸還元 | － | ||||||||||||||||||
| B. cereus | 好気／硝酸還元 | ± | ||||||||||||||||||
| B. alkalinitrilicus | 好気／硝酸還元 | － | ||||||||||||||||||
| S. pasteurii | 偏性好気 | ＋ | ～15 | |||||||||||||||||
| B. sphaericus | 偏性好気 | ＋ | ||||||||||||||||||
| B. pseudomycoides | 偏性好気 | － | ||||||||||||||||||
| Halobacillus halophilus | 偏性好気 | － | ～30 | |||||||||||||||||
| B. cohnii | 好気／硝酸還元 | － | ||||||||||||||||||
| Bacillus altitudinis | 偏性好気 | － | ||||||||||||||||||
（2）自己治癒発現のトリガーとメカニズム
●水分・酸素環境（呼吸形式）：ひび割れ全体の治癒には硝酸還元能力が必要
●化学トリガー（pH限界）：初期（強アルカリ）は芽胞状態で温存（生存）しつつ，ひび割れからの水/CO2浸入に伴うpH低下（<11.5）で活動を開始
●気候・温度（温度限界）地下など恒温環境（20〜40℃）では効果的な治癒。寒冷地（5℃以下）では死滅しないものの代謝活動は遅延
●海洋・沿岸（塩分限界）海水（NaCl約3.5%）環境では耐塩・好塩性菌を選定。海中の豊富なカルシウムイオンを治癒成分として利用可能
■自己治癒材の漏水抑制効果WG（WG3）
●使用材料
自己治癒材には，芽胞性能をもつ強アルカリ耐性のBacillus属細菌（AH株）と生分解性プラスチック（PHBV：ポリヒドロキシアルカン酸）を用いています。また，繊維には長さ30mmのPVA繊維を用いて，共通試験用の供試体を作製しています。
●試験ケース
試験ケースとして，ケース①はPVA繊維および自己治癒材が混入されていない一般のコンクリート，ケース②はPVA繊維のみ混入させたコンクリート，ケース③はPVA繊維および自己治癒材の両方を混入させたコンクリート，ケース④は自己治癒材のみ混入させたコンクリートとなっています。なお，繊維混入量は3.0kg/m3，自己治癒材の混入量は5.0ml/m3となっています。
●漏水抑制効果の評価実験
自己治癒環境として，供試体底面から水分が供給される環境（以降，静置環境とする），供試体上面から水分が供給される環境（以降，通水環境とする）の2水準を設定しています。これらの環境下で養生した供試体について，ひび割れ間を一定時間内に流れる漏水量の変化を測定し，自己治癒環境に設置前の漏水量を基準として，その変化量から漏水抑制効果を評価しています。図-3に示すように，静置環境と通水環境を比較すると通水環境下の供試体の方が高い漏水低減率を示しており，常に水との接触がある通水環境下において補修効果の発現性は高いといえます。PVA繊維の有無が析出物の形成に与える影響について検討すると，図-4に示すように，PVA繊維は析出物の核として機能するだけでなく，繊維近傍に形成された結晶をひび割れ内に保持し，析出物が占める範囲の拡大や閉塞効果の安定化に寄与している可能性が示唆されます。
 図-3 漏水低減率の経時変化（ケース③：上（通水環境），下（静置環境））9） |
 図-4 ひび割れ中繊維近傍の析出物の付着状況9） |
■非破壊試験を用いた評価手法WG（WG4）
WG4では，海洋飛沫環境下に長期間曝露された鉄筋コンクリート構造物を対象とし，自己治癒材を用いたひび割れ補修の有効性および持続性について，複数の非破壊評価手法（弾性波法，超音波透過試験，透水試験，漏洩磁束法，電気化学インピーダンス法）を組み合わせて総合的に評価する方法を提案しています。
（1）自己治癒効果の評価指標の整理
図-5に示すように，横軸に自己治癒材を添加したコンクリートおよび既存のコンクリート構造物に対する自己治癒材の注入からの経過時間，縦軸にコンクリートの性能（例えば，通水性）を設定する場合を考えると，ある時点でひび割れ等の発生により性能が低下し，点線で示される要求水準を下回った場合，添加あるいは注入した自己治癒材が効果を発現し，ひび割れを修復することが期待されます。WG4では，自己治癒効果を評価するための性能（発現性，持続性，温存性，反復性）を定義するとともに評価指標を設定しています。また共通試験の結果を踏まえて，実構造物の環境条件下において複数の非破壊評価手法を組み合わせて総合的に評価する方法を提案しています。
●発現性：自己治癒効果の発現後，要求性能を満足する水準に到達するまでの時間応答性（ひび割れ発生後に性能が回復する速度）
●持続性：自己治癒効果の発現後，要求性能を満足する水準を維持する継続性（治癒後に要求性能を再び下回るまでの時間）
●温存性：施工後の経過時間に対して，自己治癒効果を発現する能力保持性（要求される自己治癒機能が保証される期間）
●反復性：性能低下と自己治癒のサイクルに対して，自己治癒効果が繰り返し発現する再作用性（要求性能を繰り返し上回ることができる回数）
 図-5 非破壊試験を用いた自己治癒効果の評価に関するイメージ |
（2）弾性波を用いた評価例
海洋飛沫環境下に長期間曝露された鉄筋コンクリート構造物を対象とし，弾性波手法を用いた自己治癒効果の評価例を図-6に示します。表面波法および衝撃弾性波法を用いて，自己治癒材を混錬した注入材による補修から1年経過後の間に，ひび割れ補修の効果を弾性波の伝搬挙動に基づいて評価しています。例えば，鋼球径が大きい（伝搬深さが深い）場合に表面波の速度が上昇することから，ひび割れ深部において自己治癒材によるひび割れ閉塞効果が表れている可能性を示しています。
 図-6 表面波を用いた評価方法と結果例10） |
（3）超音波伝搬速度と透水試験の組合せによる評価例
超音波透過速度の測定は，防護壁の前面および背面に測定端子を取り付け，超音波試験機を用いて透過法により測定を行っています。また，透水試験は，防護壁の鉛直面においてひび割れ補修部を跨ぐ位置に現場透水量試験機を設置し，10分間の透水量を測定しています。その結果，図-7に示すようにひび割れ部では補修後に超音波透過速度が増加する傾向が確認され，内部組織の連続性の回復が示唆されます。また，超音波透過速度と透水量との間には一定の相関が認められ，透過速度が大きいほど透水量が小さい傾向を示しています。以上より，超音波透過速度と透水量を組み合わせた評価方法は，自己治癒補修の有効性を把握する上で有用であるといえます。
 図-7 超音波透過速度の測定結果（上）と透水試験結果との関係（下）11） |
本研究委員会での調査研究の総括として，以下の日程において委員会の報告会を開催いたします。委員会の取組みによって明らかとなった詳細な内容を，各WGから報告いたします。皆様の多数のご参加をお待ちしております。どうぞ，よろしくお願いいたします。
※プログラム・申込方法などの詳細はこちらをご覧ください。
https://www.jci-net.or.jp/j/events/symposium/index.html
※1 コンクリート用自己治癒材の性能評価と実環境での適用に関する研究委員会（TC241A）委員長
