JP2001011199A - 繊維強化樹脂製閉形補強材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】耐蝕性、軽量性に優れ、非磁性で各種の補強用
部材として有効に使用することができる繊維強化樹脂製
閉形補強材およびその製造方法を提供する。 【解決手段】マトリクス樹脂を含浸させた高強度・高弾
性の繊維からなるヤーンを成形用型枠に複数回ループ状
に巻回し、この巻回後にマトリクス樹脂を硬化させ、こ
の硬化後にループ状に巻回して成形したヤーンを成形用
型枠から離脱させて繊維強化樹脂製閉形補強材Ｒを得
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、コンクリートの
柱や梁等の曲げ部材の靭性改善を目的とするコンファイ
ンドコンクリートのフープ筋、非磁性コンクリート構造
の剪断補強筋や割裂補強筋、桶や鉢等の木質円形組や矩
形組構造の外部拘束材、プラスチック製大型容器の剛性
補強等に用いる繊維強化樹脂製閉形補強材およびその製
造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えばコンクリートの補強材とし
ては、ワイヤの端面を突き合わせて溶接したリング状
材、あるいはスパイラル鉄筋が一般に知られている。ま
た、木質組構造の外部拘束材としては、ワイヤを複数回
ループ状に巻回し、その両端部を溶接、あるいはねじり
締めにより連結したリング状材が知られている。

【０００３】これらはその用途上、高い剛性が要求さ
れ、このためその材料として鋼製ワイヤや帯鉄筋が用い
られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、鋼製ワイヤ
や帯鉄筋は、錆びやすい、磁性体である、比重が大きい
等の性質があるため次のような難点がある。柱や梁等の
コンクリート系部材の補強においては、鉄筋の腐食を防
止するためコンクリートのかぶりを必要とするが、この
かぶり部分は鉄筋の外側にあるためコンファインド効果
が作用せず、補強効率が低くなる。したがって、フープ
筋によるコンファインド効果の作用する断面でコンクリ
ート系構造物を設計する場合、かぶりコンクリートの剥
離によって部材の断面欠損が起り、設計上はかぶりコン
クリート部分を除いたコアコンクリート部分を有効断面
として設計しなければならなくなって無駄が生じるばか
りでなく、重量増加の原因となり、超高層ビルの建築等
においては自重が過大になるという問題がある。

【０００５】鋼は磁性体であるため、非磁性コンクリー
ト構造の補強筋としては不適である。また、プラスチッ
ク製大型容器への埋め込みによるプラスチック母材の剛
性補強においては、プラスチックの比重が１．０〜１．
４であるのに対し、ワイヤの比重が７．８と大きいた
め、鋼製補強筋を埋め込むと容器の重量が大きくなり、
プラスチックの軽量性が損なわれる問題がある。さら
に、木質円形組や矩形組構造の外部拘束材においては、
木材中の水分や有機物質によってワイヤが腐食する問題
がある。

【０００６】この発明はこのような点に着目してなされ
たもので、その目的とするところは、耐蝕性、軽量性に
優れ、非磁性で各種の補強用部材として有効に使用する
ことができる繊維強化樹脂製閉形補強材およびその製造
方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、請求項１の発明は、マトリクス樹脂を含浸さ
せた高強度・高弾性の繊維からなるヤーンを複数回ルー
プ状に巻回し、かつマトリクス樹脂を硬化させて成形し
たことを特徴とする繊維強化樹脂製閉形補強材であり、
請求項２の発明は、マトリクス樹脂を含浸させた高強度
・高弾性の繊維からなるヤーンを成形用型枠に複数回ル
ープ状に巻回し、この巻回後にマトリクス樹脂を硬化さ
せ、この硬化後にループ状に巻回して成形したヤーンを
成形用型枠から離脱させて得ることを特徴とする繊維強
化樹脂製閉形補強材の製造方法である。

【０００８】

【発明の実施の形態】この発明においては、ガラス繊
維、アラミド繊維、炭素繊維等の高強度・高弾性を有す
る連続繊維のヤーンにエポキシ樹脂、ビニルエステル樹
脂等からなるマトリクス樹脂を含浸させ、このヤーンを
成形用型枠に２０回以上巻回し、さらに熱処理によりマ
トリクス樹脂を硬化させ、ヤーンの各繊維を結合させて
所定のループ形状および所定の断面形状を有する繊維強
化樹脂製閉形補強材を得る。さらに具体的な実施例を以
下に示す。

【０００９】

【実施例】［実施例１］引張強度３．９ＧＰａ、弾性係
数２４０ＧＰａ、破断ひずみｌ．７％の特性を有する直
径７μ、フィラメント数１２，０００本のＰＡＮ系炭素
繊維マルチフィラメントヤーンを、アミン系硬化剤を調
合したマトリクス樹脂としてのエポキシ樹脂槽内にロー
ル浸潰し、これを直径１．５ｍｍの口径の口金に通し、
線速度１０ｍ／ｍｉｎで引き出し、ヤーンに重量含有率
が３２％の樹脂を含浸させた。

【００１０】次に、樹脂含浸のヤーンを外周に溝を有す
る成形用型枠を用い、その溝内にヤーンを納めながら順
次巻き取って巻回した。成形用型枠の例を図１に示して
あり、この成形用型枠はドラム状の本体１と、この本体
１の両端面に複数のボルト２を介して脱着可能に取り付
けられた側板３とからなる。本体１の外周面には溝４が
形成され、この溝４は例えば深さが５ｍｍ、幅が３ｍｍ
の断面矩形の溝で、溝底径が９１ｍｍとなっている。

【００１１】本体１は図２に示すように４つの分割片１
ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄに分割されていて、側板３を取り
外すことによりその各分割片１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄご
とに分解することができるようになっている。

【００１２】そしてこの成形用型枠を回転させ、口金か
ら引き出したヤーンＹを溝４に納めながら２１回巻き取
った。なお、ヤーンＹの巻き取りに先立って溝４の内面
には離型用の油剤を塗布した。

【００１３】ヤーンＹの巻き取り後には、成形用型枠と
共にヤーンＹを温度１４０℃の恒温槽内で１２０分間加
熱する熱処理を施してヤーンＹに含浸しているエポキシ
樹脂を硬化させた。

【００１４】そしてこの硬化後に、成形用型枠の側板３
を取り外し、本体１の図２に示す左右の分割片１ａ，１
ｂをその中心側に落とし込み、次に上下の分割片１ｃ，
１ｄを中心側に落とし込む手順で本体１を分解し、図３
に示すように、外径Ｄが９６ｍｍ、厚さＴが２．５ｍ
ｍ、幅Ｈが３．０ｍｍの炭素繊維／エポキシ樹脂複合材
からなる繊維強化樹脂製の閉形補強材Ｒを得た。

【００１５】この閉形補強材の機械的特性を測定したと
ころ、引張強度は２．２ＧＰａ、弾性係数はｌ５０ＧＰ
ａ、破断ひずみはｌ．５％であり、鉄筋に近い高い引張
剛性と引張強度を有していた。

【００１６】このような閉形補強材を外径１００ｍｍ、
高さ１６０ｍｍのコンクリート柱を成形するときに、そ
の内部にフープ筋として２０ｍｍの間隔で７個配し、コ
ンクリートを打設し、養生してコンクリート柱とし、こ
のコンクリート柱に対して圧縮試験を行なった。

【００１７】フープ筋無しの場合には、圧縮応力３５．
８ＭＰａ、圧縮ひずみ０．３８％で脆性的に破壊したの
に対し、前記閉形補強材によるフープ筋を配筋したもの
は、圧縮応力４１．２Ｍｐａ、圧縮ひずみ０．４９％で
最大応力に達し、その後２．０％の圧縮ひずみに亘って
最大応力の９０％程度の応力を維持し、終局では圧縮応
力３７．２ＭＰａ、圧縮ひずみ２．０％で破壊した。

【００１８】すなわち、この発明の閉形補強材をフープ
筋として用いることによるコンファインド効果で靭性が
改善される。そしてこの発明の閉形補強材によるフープ
筋は耐食性に優れるため、防錆のためのかぶりが不要
で、フープ筋を覆うだけのわずかなかぶりのみを考えれ
ば良く、したがってコンクリートのほぼ全断面を有効に
利用した拘束補強が可能となる。

【００１９】［実施例２］引張強度３．９ＧＰａ、弾性
係数２４０ＧＰａ、破断ひずみｌ．７％の特性を有する
直径７μ、フィラメント数１２，０００本のＰＡＮ系炭
素繊維マルチフィラメントヤーンを、アミン系硬化剤を
調合したマトリクス樹脂としてのエポキシ樹脂槽内にロ
ール浸潰し、これを直径１．５ｍｍの口径の口金に通
し、線速度１０ｍ／ｍｉｎで引き出し、ヤーンに重量含
有率が３２％の樹脂を含浸させた。

【００２０】次に、樹脂含浸のヤーンを溝付成形用型枠
で巻き取った。この場合の成形用型枠の溝は、深さが８
ｍｍ、下側幅が４ｍｍ、上側幅が６ｍｍの断面台形状で
あり、溝底径が２００ｍｍとなっている。

【００２１】そしてこの成形用型枠を回転させ、口金か
ら引き出したヤーンを溝に納めながら２７回巻き取っ
た。なお、ヤーンの巻き取りに先立って溝の内面には離
型用の油剤を塗布した。

【００２２】ヤーンの巻き取り後には、成形用型枠と共
にヤーンを温度１４０℃の恒温槽内で１２０分間加熱す
る熱処理を施してヤーンに含浸しているエポキシ樹脂を
硬化させた。

【００２３】そしてこの硬化後に、成形用型枠を分解
し、内径２００ｍｍ、厚さ５ｍｍ、平均幅４．５ｍｍの
炭素繊維／エポキシ樹脂複合材からなる繊維強化樹脂製
の閉形補強材を得た。

【００２４】この閉形補強材の機械的特性を測定したと
ころ、引張強度は２．１ＧＰａ、弾性係数はｌ５０ＧＰ
ａ、破断ひずみはｌ．４％で、非磁性で弾性があり、強
度が高い。

【００２５】この閉形補強材はコンクリートの剪断補強
筋やプレストレストコンクリート部材の応力集中部にお
けるコンクリートの割裂補強の用途に有効であり、特に
非磁性が要求される場合に好適する。

【００２６】また、閉形補強材の比重はｌ．５であり、
プラスチックの比重１．０〜１．４と大差なく、したが
ってプラスチック製容器の剛性補強に有効であり、また
補強することによる容器の重量増加を軽減することがで
きる。

【００２７】［実施例３］引張強度３．６ＧＰａ、弾性
係数１２７ＧＰａ、破断ひずみ２．４％の特性を有する
直径１３μ、フィラメント数４，０００本のアラミド繊
維マルチフィラメントヤーンを、アミン系硬化剤を調合
したマトリクス樹脂としてのエポキシ樹脂に液状多硫化
重合物の可撓性付与剤を３０部混合した液槽内にロール
浸潰し、これを直径１．７ｍｍの口径の口金に通し、線
速度７ｍ／ｍｉｎで引き出し、ヤーンに重量含有率が３
６％の樹脂を含浸させた。

【００２８】次に、樹脂含浸のヤーンを溝付成形用型枠
で巻き取った。この場合の成形用型枠の溝は、深さが５
ｍｍ、幅が１０ｍｍで、溝底径が５００ｍｍとなってい
る。

【００２９】そしてこの成形用型枠を回転させ、口金か
ら引き出したヤーンを溝に納めながら３４回巻き取っ
た。なお、ヤーンの巻き取りに先立って溝の内面には離
型用の油剤を塗布した。

【００３０】ヤーンの巻き取り後には、成形用型枠と共
にヤーンを温度１４０℃の恒温槽内で１８０分間加熱す
る熱処理を施してヤーンに含浸しているエポキシ樹脂を
硬化させた。

【００３１】そしてこの硬化後に、成形用型枠を分解
し、内径５００ｍｍ、厚さ３ｍｍ、幅１０ｍｍのアラミ
ド繊維／エポキシ樹脂複合材からなる繊維強化樹脂製の
閉形補強材を得た。

【００３２】この閉形補強材は可撓性があり、しなやか
で強度と剛性が高く、木製の樽や鉢のたが等として有効
に用いることができる。また、木材中の水分や有機物と
接触しても、なんら腐食の問題も生じない。

【００３３】各実施例において、樹脂を含浸させたヤー
ンを巻き取る成形用型枠としては、その本体の外周面に
多数の溝を並列して形成し、口金から導出させた樹脂含
浸のヤーンをまずその一つの溝に納めながら所定回巻き
取り、次に連続して隣りの一つの溝に導いて同様に巻き
取り、このようにして順次多数の溝にヤーンを巻き付け
て連続的に多数の閉形補強材を能率よく成形する方法を
採ることも可能である。

【００３４】この場合、隣り合う溝間に跨がった部分の
ヤーンはその含浸樹脂の硬化処理後に切断して除去す
る。これにより成形した閉形補強材を個々に分離させる
ことができる。

【００３５】通常、口金から導出したヤーンの見掛け上
の直径は１ｍｍ程度で、成形用型枠の溝の幅はこれより
大きいから、ヤーンを巻き取るときには成形用型枠の回
転と同期して成形用型枠を溝の幅分だけ軸方向に往復移
動させる。あるいは、成形用型枠の前にガイドを設置
し、このガイドにヤーンを通し、この状態でガイドを成
形用型枠の溝の幅分だけ軸方向に往復移動させる。これ
により溝内にヤーンを均一に並べて巻き取ることができ
る。

【００３６】成形する閉形補強材Ｒの断面形状は目的、
用途に応じて、図４に示すように円形、正方形、扁平な
矩形、台形、三角形等の種々の形状に選定することがで
き、また閉形補強材Ｒのループ形状も補強すべき部材の
形状に応じて、図５に示すように円形、長円形、正方
形、偏平な矩形、三角形等に選定することができる。

【００３７】閉形補強材の断面形状やループ形状は、成
形用型枠の溝の断面形状や成形用型枠の断面形状を変え
ることにより選定することができる。ループ形状が四角
や三角等の角形状の場合は、角部による応力集中を避け
るため曲げの半径を閉形補強材の直径に相当する長さの
３倍以上とすることが好ましい。

【００３８】樹脂含浸のヤーンを口金から引き出すとき
には、成形用型枠の回転力による場合であっても良い
し、あるいは途中にキャプスタンを設置しその駆動力を
用いる場合であっても良い。ヤーンに対する樹脂の重量
含有率は樹脂の粘度、口金の径、引き出し速度を適宜変
えることで調整することができる。また、樹脂の粘度は
希釈剤の添加量や温度を変えることで調節できる。

【００３９】実施例では、成形用型枠への高強度・高弾
性繊維の巻き取り数、すなわちループとする巻回数が十
分大きく、かつマトリクス樹脂により繊維が結合してい
るため、繊維端部による強度低下は無視できる程に小さ
い。すなわち、巻回数を大きくすることで見掛け上繊維
がエンドレスになった繊維強化樹脂製閉形補強材を得る
ことができる。

【００４０】実施例１、２のように、無機繊維であるた
めに脆性的で、破断ひずみがｌ．７％と小さい炭素繊維
を用いる場合には、繊維端部の応力集中による相間剥離
に注意する必要があるが、巻回数を２０回以上とするこ
とによつて、繊維端部の影響を減らすことができる。

【００４１】図６にはヤーンの巻回数（回）と強度効率
（％）との関係を示してある。

【００４２】なお、 強度効率（％）＝〔（閉形補強材
の引張破断荷重）／（ｎ×ヤーンの引張破断荷重）〕×
１００ただし、ｎはヤーンの巻回数である。

【００４３】この図６から明らかなように、巻回数を増
やすことにより強度効率を高めることができる。すなわ
ち、巻回数を２０回以上とすることによって繊維端部の
応力集中が減少するので、巻回したヤーンの端部の処理
としては、単にその端部を周回している繊維に添わせ
て、マトリクス樹脂とともに硬化させることでよい。

【００４４】実施例１、２で示した目的に適用できる繊
維は、炭素繊維以外にガラス繊維、アラミド繊維、炭化
珪素繊維等がある。

【００４５】実施例３のように、有機繊維であるために
しなやかで、破断ひずみも２．４％と大きいアラミド繊
維においては、可撓性付与剤を配合してマトリクス樹脂
も柔軟にすることによって、繊維の伸びに追随してマト
リクス樹脂も伸びるので、繊維の強度を有効に利用する
ことができ、かつ曲げに対しても柔軟な性質をもつ繊維
強化樹脂製閉形補強材を得ることができる。

【００４６】この閉形補強材は曲げ変形可能であるた
め、樽や鉢の外形状に応じて容易に変形し、円形に限ら
ず、四角や六角等の角形のものであっても、目的とする
外部拘束効果が発揮できる。実施例３で示した目的に適
用できる繊維は、アラミド繊維以外にビニロン繊維、高
分子量ポリエチレン繊維等がある。

【００４７】実施例１、２、３において適用できる樹脂
としては、エポキシ樹脂以外にビニルエステル樹脂、不
飽和ポリエステル樹脂等の熱硬化性樹脂を挙げることが
できる。また、ポリエチレンやポリプロピレン等の熱可
塑性樹脂を用いることも可能である。特に、熱可塑性樹
脂は破断伸度が５％以上と大きいため実施例３の目的に
適合する。

【００４８】熱可塑性樹脂は一般に粘度が高いので、有
機溶剤に溶かすことで粘度を下げたものに高強度・高弾
性繊維を浸潰するか、あるいは樹脂を繊維状またはパウ
ダー状にして高強度・高弾性繊維に分散・混合させる等
の方法により含浸させ、成形用型枠で連続的に巻き取っ
た後、樹脂の融点以上の温度で熱処理することで繊維と
樹脂を結合させる。

【００４９】実施例１、２のように炭素繊維やガラス繊
維等の脆性的な繊維をエポキシ樹脂等の硬い樹脂で結合
した閉形補強材は弾性的であるため、実施例３のように
曲げ変形が不可能である。この場合には補強すべき部材
の形状に合わせた外形形状の成形用型枠を用いてそれに
適合したループ形状に成形すればよい。

【００５０】

【発明の効果】以上説明したように、この発明による繊
維強化樹脂製閉形補強材によれば、耐蝕性、軽量性に優
れ、非磁性で各種の補強用部材として有効に使用するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明において用いた成形用型枠の一例を示
す斜視図。

【図２】その成形用型枠の本体の断面図。

【図３】成形して得た繊維強化樹脂製閉形補強材の一例
を示す斜視図。

【図４】閉形補強材の断面形状の例を示す断面図。

【図５】閉形補強材のループ形状の例を示す平面図。

【図６】ヤーンの巻回数と強度効率との関係を示すグラ
フ図。

【符号の説明】

１…成形用型枠の本体 ２…ボルト ３…側板 ４…溝 Ｙ…ヤーン Ｒ…閉形補強材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） // Ｂ３２Ｂ 5/02 Ｂ２９Ｃ 67/14 Ａ Ｂ２９Ｋ 503:00 Ｆターム(参考） 2E164 AA05 CA01 CA02 CA14 4F072 AB06 AB08 AB09 AB10 AB24 AB25 AD08 AD23 AH21 AJ04 AJ11 AL09 AL17 4F100 AA16 AD11A AG00 AK44A AK47 AK53A BA01 CA02A CA02H DG04 DG04A DH01A EJ82 EJ82A GB07 GB51 JB02 JL03 4F205 AG13 AH05 AH43 HA02 HA06 HA23 HA33 HA37 HA46 HB01 HC14 HC15 HC16 HC17 HG03 HK22 HK31 HL02 HL12 HM02

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】マトリクス樹脂を含浸させた高強度・高弾
   性の繊維からなるヤーンを複数回ループ状に巻回し、か
   つマトリクス樹脂を硬化させて成形してなる繊維強化樹
   脂製閉形補強材。
2. 【請求項２】マトリクス樹脂を含浸させた高強度・高弾
   性の繊維からなるヤーンを成形用型枠に複数回ループ状
   に巻回し、この巻回後にマトリクス樹脂を硬化させ、こ
   の硬化後にループ状に巻回して成形したヤーンを成形用
   型枠から離脱させて得ることを特徴とする繊維強化樹脂
   製閉形補強材の製造方法。