JP2013155089A - 連続繊維補強材及び連続繊維補強材の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】任意の長さ1mの試験片に対し、試験片の平均断面積より大となる断面積をとる箇所について直径を求め、直径の大きい上位5点の平均値をxとしたとき、試験片の平均直径yとの比x/yが1.05以上2.00以下となることを特徴とする、連続繊維補強材。
【選択図】図2
Description
一般に鉄筋はコンクリートと組み合わせて構造材料として使用される。そのため鉄筋代替材料として連続繊維補強材を使用するためには高強度、耐腐食性に加えてコンクリートとの付着性能が高いことが求められる。付着性能は一般に、(1)コンクリートと連続繊維補強材との界面接着と摩擦抵抗、および(2)コンクリートと連続繊維補強材とのアンカー効果で生じると言われているが、一般に連続繊維補強材の表面は結合材である樹脂で覆われているため(1)が付着性能へ与える影響は小さい。そのため付着性能の向上には(2)の検討が重要であり、アンカー効果を高めるために種々の工夫がなされた連続繊維補強材が各メーカーから提案されている。
(i)の例として、プラスチックロッドの表面に、繊維束等を綾状または螺旋状に巻きつけ付けたものがある。しかしながらこの構造では、突起が破壊され易く、アンカー効果を維持することが難しい問題があった(例えば特許文献1を参照)。
(ii)の例として、連続繊維を組紐や撚糸に編成したものがある。しかしながらアンカー効果を有する突起を作るためには連続繊維束の長さ方向に対して直行する軸方向への角度が大きくなる様に形成する必要がある。つまり組紐では組紐ピッチ(組紐2節当たりの長さ)を減少させることが必要であり、撚糸では撚数を増加させることが必要である。しかしながら組紐ピッチを減少させたり撚数を増加させると連続繊維補強材の引張強度は減少する問題が生じる。すなわちコンクリートの引張強度を補強するために必要な連続繊維補強材の付着性能と引張強度について両者は反比例する関係にあることから、付着性能と引張強度の両方に優れた連続繊維補強材は存在していない。(例えば特許文献2を参照)
2.任意の長さ1mの試験片に対し、試験片の平均断面積より大となる断面積をとる箇所が5〜30個存在することを特徴とする、上記1に記載の連続繊維補強材。
3. 繊維が組紐または撚糸により形状を形成し、組紐または撚糸の内側に芯材があることを特徴とする、上記1、2いずれかに記載の連続繊維補強材。
4.連続繊維補強材に用いる繊維が炭素繊維、全芳香族ポリアミド繊維、全芳香族ポリエステル繊維、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維、ポリビニルアルコール繊維、ポリアセタール繊維、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール(PBO)繊維のうち少なくとも1種類以上で構成されていることを特徴とする、上記1〜3いずれかに記載の連続繊維補強材。
5.繊維のヤング係数が400cN/dtex以上3000cN/dtex以下であることを特徴とする、上記1〜4いずれかに記載の連続繊維補強材。
6.連続繊維補強材に熱硬化性樹脂が使用されていること特徴とする、上記1〜5いずれかに記載の連続繊維補強材。
7.樹脂としてエポキシ樹脂又はビニルエステル樹脂が使用されていることを特徴とする、上記1〜6いずれかに記載の連続繊維を使用した補強材。
8.引張強度が12cN/dtex以上60cN/dtex以下である繊維を芯材の外周に組紐、撚糸により配することで、任意の長さ1mの試験片に対し、長さ1cm間隔で直径を100箇所測定し、直径の大きさが上位5点の平均値をx、100点の平均値をyとしたとき、x/yが1.05以上2.00以下となることを特徴とする、連続繊維補強材の製造方法。
本発明の目的は付着性能と引張強度に優れた連続繊維補強材を提供することであり、ヤング係数が低いとひび割れによって補強効果の減少が懸念されることから、本発明ではヤング係数の高い繊維を用いることが必要である。すなわち本発明における高強度繊維束に用いられる高強度繊維は、400cN/dtex以上3000cN/dtex以下であることが望ましい。より望ましくは500cN/dtex以上2500cN/dtex以下である。
製造装置に供給する繊維の繊度および供給する繊維の本数については生産性、芯材を挿入する際の作業性、作製した連続繊維補強材の付着性能および引張強度を著しく阻害しないものであれば良く、特に限定しない。
製造装置で編成して得られる組紐または撚糸の総繊度は、一般に用いられる連続繊維補強材の公称径である2mm以上35mm以下になる様に設計することが望ましい。公称径とは連続繊維補強材の直径であり、公称断面積を円周率で除した値の平方根を2倍した値の平均値である。試験片の採り方や試験片の個数については、土木学会刊、「連続繊維補強材を用いたコンクリート構造物の設計・施工指針(案)」 8.2(2)「公称断面積測定方法」に準じた。公称断面積とは連続繊維補強材の体積を長さで除した値であり、土木学会刊、「連続繊維補強材を用いたコンクリート構造物の設計・施工指針(案)」 8.2(2)「公称断面積測定方法」で求めた値とする。
組紐ピッチや撚数は本発明が用いられる各用途に応じて必要な付着性能、引張強度を得られれば良いため特に限定しない。
芯材に突起を施す方法については切削を施す方法、凹溝の金型でプレス成型を施す方法、プリプレグ樹脂を含浸させた繊維束を凹溝のあるローラー対に通す方法、熱硬化性樹脂などにより成形加工を行い、凸部を形成する方法が挙げられる。また意匠撚糸を用いてもよく、樹脂を含浸・硬化させることで突起のあるFRPを得ることも可能である。しかしこれらに限定されることなく各目的に応じて様々な加工方法を使い分けることが望ましい。
主剤、硬化剤、促進剤の種類と処方比は各用途によって使い分けることが望ましいが、とりわけ繊維との接着性が良好であり硬化発熱による温度変化が小さい酸無水系エポキシ樹脂の使用が特に望ましい。熱硬化時間の短縮にはアミン系エポキシ樹脂の使用が特に望ましい。
撚糸の撚数は単位長さあたりの撚数T/mで定義し撚糸品の拡大写真から、撚数を測定した。これは、撚糸機の巻取り速度とボビンの回転数により制御できる。
(1)連続繊維補強材から長さ1mを切り出し、さらに長さ1cm間隔で切断し100個のサンプルを得る。
(2)全てのサンプルについて最大直径をノギスを当てて0.1mmまで計測する。
(3)全てのサンプルから得られた結果について平均値を求め、平均直径とする。
(4)(3)で得られた平均直径から平均半径を求め、以下の式から平均断面積を求める。
平均断面積=(平均半径)2×円周率
なお上記の平均直径は公称径と同意と見なしてよく、また平均断面積は公称断面積と同意と見なしてよい。
また、1m長さが入手できない場合は、各サンプルから1cm間隔で100ケのサンプルを集めることで評価可能である。
さらに、凸部の形状に制限はないが、組紐または撚糸形状の内側に芯材を配する構造を考慮すると、凸部は球形状等の尖った形状を含まないものが好ましい。これは凸部とコンクリートとの間に存在する繊維が、引抜きの等の力が生じた際にも凸部によるダメージを受けにくい構造とすることが好ましいためである。
(1)試験用サンプル(コンクリートサンプル)の作製方法
a.長さ50cm、幅25cm、厚さ25cmの型枠を2個作製した。
b.連続繊維補強材を長さ150cmとした。
c.連続繊維補強材の両端部に型枠を以下の通り配置した。つまり型枠のZ軸に平行で、XY軸に対して中心となる位置に連続繊維補強材を配置した。
d.家庭化学工業(株)製インスタントセメントを用いて、水:セメント = 1:4の比で混合して型枠に注入し、温度20℃湿度65%R.H.で1週間養生した。
(2)引抜試験方法
コンクリートサンプルのZ軸方向が引張方向となるように試験機に取り付けた後、試験速度10mm/minで引抜試験を行い、最大荷重を引抜荷重として求めた。計2回の測定を行い、平均値を求めた。
以下に記す方法でサンプルを作製した。
a.連続繊維
高強度ポリエチレン連続繊維(東洋紡績(株)製高強力ポリエチレン繊維ダイニーマ(登録商標)(SK60))を使用した。
b.連続繊維束の形状
2,400dの高強度連続繊維束を8本用意し、8打製紐機を用いて製紐の中心に突起のある棒状の芯材を配して製紐した。
c.芯材の素材
熱硬化性樹脂のエポキシ樹脂を使用した。樹脂処方を以下に記す。エピコート827(ジャパンエポキシレジン株式会社製、商品名)、硬化剤酸無水物硬化剤HN7200(日立化成工業株式会社製、商品名)、エポメートBMI−12(ジャパンエポキシレジン株式会社製、商品名)、キュアゾール2E4MZ−CN(四国化成工業株式会社製、商品名)を重量比100:85:1:1で混合したものを使用した。型枠に流し込んだ後、120℃、2時間で硬化させたものを使用した。
d.芯材の形状
上記熱硬化性樹脂を用い、平均直径0.7mmの棒体形状を作製し、その外周に直径1.0mmの樹脂球体が長さ方向に20個/mの頻度で存在する様に棒体形状へ樹脂加工を行った。
e.結合材に使用した樹脂
熱硬化性樹脂のエポキシ樹脂を使用した。樹脂処方を以下に記す。エピコート827(ジャパンエポキシレジン株式会社製、商品名)、硬化剤酸無水物硬化剤HN7200(日立化成工業株式会社製、商品名)、エポメートBMI−12(ジャパンエポキシレジン株式会社製、商品名)、キュアゾール2E4MZ−CN(四国化成工業株式会社製、商品名)を重量比100:85:1:1で混合したものを使用した。
f.樹脂含浸、硬化方法
引抜成形方法で実施した。芯材を含む組紐を樹脂浴に通した後、高強度連続繊維束の繊維体積率65%±10%となる様にダイス(絞り)で樹脂量を調節し、オーブンで120℃、2時間熱硬化させた。
g.連続繊維補強材の組紐ピッチ
36mmとなる様に製紐条件を設定した。
実施例1に準じてサンプルを作製した。なお、変更点は次の通りである。
d.芯材の形状
上記熱硬化性樹脂を用い、平均直径0.7mmの棒体形状を作製し、その外周に直径1.1mmの樹脂球体が長さ方向に20個/mの頻度で存在する様に棒体形状へ樹脂加工を行った。
実施例1に準じてサンプルを作製した。なお、変更点は次の通りである。
d.芯材の形状
上記熱硬化性樹脂を用い、平均直径0.7mmの棒体形状を作製し、その外周に直径1.5mmの樹脂球体が長さ方向に20個/mの頻度で存在する様に棒体形状へ樹脂加工を行った。
実施例1に準じてサンプルを作製した。なお、変更点は次の通りである。
d.芯材の形状
上記熱硬化性樹脂を用い、平均直径0.7mmの棒体形状を作製し、その外周に直径2.0mmの樹脂球体が長さ方向に20個/mの頻度で存在する様に棒体形状へ樹脂加工を行った。
実施例1に準じてサンプルを作製した。なお、変更点は次の通りである。
d.芯材の形状
上記熱硬化性樹脂を用い、平均直径0.7mmの棒体形状を作製し、その外周に直径1.5mmの樹脂球体が長さ方向に5個/mの頻度で存在する様に棒体形状へ樹脂加工を行った。
実施例1に準じてサンプルを作製した。なお、変更点は次の通りである。
d.芯材の形状
上記熱硬化性樹脂を用い、平均直径0.7mmの棒体形状を作製し、その外周に直径1.5mmの樹脂球体が長さ方向に30個/mの頻度で存在する様に棒体形状へ樹脂加工を行った。
実施例1に準じてサンプルを作製した。なお、変更点は次の通りである。
a.連続繊維
PBO連続繊維(東洋紡績株式会社製ザイロン(登録商標)(HM))を使用した。
d.芯材の形状
上記熱硬化性樹脂を用い、平均直径0.7mmの棒体形状を作製し、その外周に直径1.5mmの樹脂球体が長さ方向に20個/mの頻度で存在する様に棒体形状へ樹脂加工を行った。
実施例1に準じてサンプルを作製した。なお、変更点は次の通りである。
a.連続繊維
溶融高強度ポリエチレン連続繊維(東洋紡績株式会社製ツヌーガ(登録商標))を使用した。
d.芯材の形状
上記熱硬化性樹脂を用い、平均直径0.7mmの棒体形状を作製し、その外周に直径1.5mmの樹脂球体が長さ方向に20個/mの頻度で存在する様に棒体形状へ樹脂加工を行った。
実施例1に準じてサンプルを作製した。なお、変更点は次の通りである。
d.芯材の形状
上記熱硬化性樹脂を用い、平均直径0.7mmの棒体形状を作製し、その外周に直径1.5mmの樹脂球体が長さ方向に20個/mの頻度で存在する様に棒体形状へ樹脂加工を行った。
e.結合材に使用した樹脂
熱硬化性樹脂のビニルエステル樹脂を使用した。樹脂処方を以下に記す。リポキシR806(昭和電工株式会社製(登録商標))、ナイパー(日本油脂株式会社製(登録商標))NSを重量比100:1で混合し120℃、2時間で硬化させたものを使用した。
実施例1に準じてサンプルを作製した。なお、変更点は次の通りである。
b.連続繊維束の形状
6,400dの高強度連続繊維束を3本用意し、3打撚糸機を用いて撚糸の中心に突起のある棒状の芯材を配して撚掛けした。
d.芯材の形状
上記熱硬化性樹脂を用い、平均直径0.7mmの棒体形状を作製し、その外周に直径1.5mmの樹脂球体が長さ方向に20個/mの頻度で存在する様に棒体形状へ樹脂加工を行った。
g.連続繊維繊維補強材の組紐ピッチまたは撚数
1)6,400dの高強度連続繊維束に撚(S方向に20T/m)をかけた。
2)1)の連続繊維束を3つ束ねて撚掛け(Z方向に10T/m)して3打撚糸を作製した。
実施例1に準じてサンプルを作製した。なお、変更点は次の通りである。
d.芯材の形状
上記熱硬化性樹脂を用い、平均直径0.7mmの棒体形状を作製した。
実施例1に準じてサンプルを作製した。なお、変更点は次の通りである。
d.芯材の形状
上記熱硬化性樹脂を用い、平均直径0.7mmの棒体形状を作製し、その外周に直径5.0mmの樹脂球体が長さ方向に20個/mの頻度で存在する様に棒体形状へ樹脂加工を行った。
実施例1に準じてサンプルを作製した。なお、変更点は次の通りである。
d.芯材の形状
上記熱硬化性樹脂を用い、平均直径0.7mmの棒体形状を作製し、その外周に直径1.5mmの樹脂球体が長さ方向に1個/mの頻度で存在する様に棒体形状へ樹脂加工を行った。
実施例1に準じてサンプルを作製した。なお、変更点は次の通りである。
d.芯材の形状
上記熱硬化性樹脂を用い、平均直径0.7mmの棒体形状を作製し、その外周に直径1.5mmの樹脂球体が長さ方向に50個/mの頻度で存在する様に棒体形状へ樹脂加工を行った。
実施例1に準じてサンプルを作製した。なお、変更点は次の通りである。
a.連続繊維
ポリエステル長繊維(強度 8.5cN/dtex)を使用した。
d.芯材の形状
上記熱硬化性樹脂を用い、平均直径0.7mmの棒体形状を作製し、その外周に直径1.5mmの樹脂球体が長さ方向に20個/mの頻度で存在する様に棒体形状へ樹脂加工を行った。
実施例1に準じてサンプルを作製した。なお、変更点は次の通りである。
c.芯材の素材
軟質塩化ビニル樹脂(CH2=CHCl)を使用した。
d.芯材の形状
上記樹脂を用い、平均直径0.7mmの棒体形状を作製し、その外周に直径1.5mmの樹脂球体が長さ方向に20個/mの頻度で存在する様に棒体形状へ樹脂加工を行った。
10−2 突起の直径
10−3 突起のない箇所の直径
20−1 高強度連続繊維束
20−2 突起のある芯材
20−3 形成箇所(製紐、撚掛)
30−1 ピッチは組紐の2節当たりの長さである。
40−1 連続繊維補強材(突起の個数:多)
40−2 コンクリート
40−3 金属型枠
40−4 引張試験把持箇所
50−1 連続繊維補強材(突起の個数:少)
50−2 コンクリート
50−3 金属型枠
50−4 引張試験把持箇所
Claims (8)
- 引張強度が12cN/dtex以上60cN/dtex以下である繊維を使用した補強材であって、任意の長さ1mの試験片に対し、試験片の平均断面積より大となる断面積をとる箇所について直径を求め、直径の大きい上位5点の平均値をxとしたとき、試験片の平均直径yとの比x/yが1.05以上2.00以下となることを特徴とする、連続繊維補強材。
- 任意の長さ1mの試験片に対し、試験片の平均断面積より大となる断面積をとる箇所が5〜30個存在することを特徴とする、請求項1に記載の連続繊維補強材。
- 繊維が組紐または撚糸により形状を形成し、組紐または撚糸の内側に芯材があることを特徴とする、請求項1または2にいずれかに記載の連続繊維補強材。
- 連続繊維補強材に用いる繊維が炭素繊維、全芳香族ポリアミド繊維、全芳香族ポリエステル繊維、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維、ポリビニルアルコール繊維、ポリアセタール繊維、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール(PBO)繊維のうち少なくとも1種類以上で構成されていることを特徴とする、請求項1から3のいずれかに記載の連続繊維補強材。
- 繊維のヤング係数が400cN/dtex以上3000cN/dtex以下であることを特徴とする、請求項1から4いずれかに記載の連続繊維補強材。
- 連続繊維補強材に熱硬化性樹脂が使用されていること特徴とする、請求項1から5のいずれかに記載の連続繊維補強材。
- 熱硬化樹脂としてエポキシ樹脂又はビニルエステル樹脂が使用されていることを特徴とする、請求項1から6のいずれかに記載の連続繊維を使用した補強材。
- 引張強度が12cN/dtex以上60cN/dtex以下である繊維を芯材の外周に組紐、撚糸により配することで、任意の長さ1mの試験片に対し、長さ1cm間隔で直径を100箇所測定し、直径の大きさが上位5点の平均値をx、100点の平均値をyとしたとき、x/yが1.05以上2.00以下となる形状を有することを特徴とする、連続繊維補強材の製造方法。
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