JP2013241753A - 繊維強化プラスチック製矢板 - Google Patents
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Abstract
【課題】製造コストが低く、成形が容易であり、剛性や強度に優れる繊維強化プラスチック製矢板を提供する。
【解決手段】ウェブ部11と、ウェブ部11の両端に連設されたフランジ部12とを備え、ウェブ部11およびフランジ部12は、中間層14と、中間層14をその厚さ方向から挟持するように覆う表面層15、15とから構成され、中間層14はガラス繊維を含有する繊維強化プラスチックからなり、表面層15、15は炭素繊維を含有する繊維強化プラスチックからなる繊維強化プラスチック製矢板10。
【選択図】図1
【解決手段】ウェブ部11と、ウェブ部11の両端に連設されたフランジ部12とを備え、ウェブ部11およびフランジ部12は、中間層14と、中間層14をその厚さ方向から挟持するように覆う表面層15、15とから構成され、中間層14はガラス繊維を含有する繊維強化プラスチックからなり、表面層15、15は炭素繊維を含有する繊維強化プラスチックからなる繊維強化プラスチック製矢板10。
【選択図】図1
Description
本発明は、繊維強化プラスチック製矢板に関する。
土木工事におけるトンネル工事のうち、主に都市トンネル(下水道、共同溝等)を掘削する際にシールド機が用いられる。このシールド機を、トンネルを掘削する深さまで地下に下ろすためには、縦坑を掘って、その縦坑の壁面を矢板で土留めする必要がある。従来、この土留めには、鋼矢板が用いられている。しかしながら、鋼矢板からなる縦坑の壁面を、直接、シールド機で掘削することはできない。なぜならば、シールド機は、鋼矢板を切削できないからである。そのため、シールド機が通過する部分のみを、シールド機が切削可能な繊維強化プラスチック(Fiber Reinforced Plastics、FRP)に置き換えることが検討されている。
FRPを矢板に適用した例としては、例えば、炭素繊維強化プラスチック(CFRP)からなるCFRP製矢板が知られている(例えば、特許文献1参照)。このCFRP製矢板は、CFRPにおける炭素繊維の体積含有率が40%以上であり、炭素繊維の配向方向が、矢板軸方向とそれ以外の方向を含む構成とされている。
しかしながら、上記のCFRP製矢板は、強化繊維として炭素繊維のみを用いているため、製造コストが高くなるという問題があった。また、炭素繊維ロービングを用い、引き抜き成形法により成形しているため、成形工程が煩雑になり、生産効率が悪いという問題があった。また、炭素繊維ロービングを用いた引き抜き成形法では、矢板の幅方向、および、矢板の幅方向から±45度方向に繊維を配向させることが難しく、矢板の剛性や強度を向上することは難しいという問題があった。なお、矢板の剛性や強度が低いと、縦坑の壁面の土圧により、矢板が変形し、壁面を維持できなくなり、壁面崩壊の危険がある。また、シールド機による切削時に、矢板の変形量が大きくなり、正確な切削ができなくなるおそれがある。さらに、引き抜き成形法は、樹脂の硬化速度が遅く、生産効率が悪いという問題があった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、製造コストが低く、成形が容易であり、剛性や強度に優れる繊維強化プラスチック製矢板を提供することを目的とする。
本発明は、ウェブ部と、該ウェブ部の両端に連設されたフランジ部とを備え、前記ウェブ部および前記フランジ部は、中間層と、該中間層をその厚さ方向から挟持するように覆う表面層とから構成され、前記中間層はガラス繊維を含有する繊維強化プラスチックからなり、前記表面層は炭素繊維を含有する繊維強化プラスチックからなることを特徴とする繊維強化プラスチック製矢板である。
本発明によれば、シールド機により、容易に切削可能であるとともに、鋼矢板に近い強度および剛性を有する繊維強化プラスチック製矢板が得られる。
本発明の繊維強化プラスチック製矢板の実施の形態について説明する。
なお、本実施の形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
なお、本実施の形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
図1は、本発明の繊維強化プラスチック製矢板の一実施形態を示し、矢板の長手方向と垂直な略断面図である。
なお、以下の全ての図面においては、各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。
本実施形態の繊維強化プラスチック製矢板(以下、「FRP製矢板」と言うことがある。)10は、長手方向と垂直な断面形状が凹状のウェブ部11と、ウェブ部11の両端に連設されたフランジ部12,12とから概略構成されている。また、ウェブ部11は、長方形状の底面部11Aと、底面部11Aの両端に連接され、凹状の側面をなす側面部11Bとから構成されている。また、フランジ部12は、ウェブ部11と連続している側と反対側の端部が、他の矢板と連結するための嵌合用継手であるセクション部13(図1において、破線で囲んだ部分)をなしている。
ここで、FRP製矢板10は、凹形状が汎用鋼矢板III型と同形状をなしている。
なお、以下の全ての図面においては、各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。
本実施形態の繊維強化プラスチック製矢板(以下、「FRP製矢板」と言うことがある。)10は、長手方向と垂直な断面形状が凹状のウェブ部11と、ウェブ部11の両端に連設されたフランジ部12,12とから概略構成されている。また、ウェブ部11は、長方形状の底面部11Aと、底面部11Aの両端に連接され、凹状の側面をなす側面部11Bとから構成されている。また、フランジ部12は、ウェブ部11と連続している側と反対側の端部が、他の矢板と連結するための嵌合用継手であるセクション部13(図1において、破線で囲んだ部分)をなしている。
ここで、FRP製矢板10は、凹形状が汎用鋼矢板III型と同形状をなしている。
ウェブ部11およびフランジ部12は、ガラス繊維と炭素繊維を含むプラスチックである繊維強化プラスチック(FRP)から構成されている。
ウェブ部11およびフランジ部12は、その芯材となる中間層14と、中間層14をその厚さ方向から挟持するように覆う表面層15とから構成されている。
ウェブ部11とフランジ部12をなす中間層14は、ガラス繊維21を含有している。すなわち、中間層14は、ガラス繊維21と、ガラス繊維21に含浸された樹脂成分とからなるFRPから構成されている。
また、ウェブ部11とフランジ部12をなす表面層15は、炭素繊維22を含有している。すなわち、表面層15は、炭素繊維22と、炭素繊維22に含浸された樹脂成分とからなるFRPから構成されている。
ウェブ部11およびフランジ部12は、その芯材となる中間層14と、中間層14をその厚さ方向から挟持するように覆う表面層15とから構成されている。
ウェブ部11とフランジ部12をなす中間層14は、ガラス繊維21を含有している。すなわち、中間層14は、ガラス繊維21と、ガラス繊維21に含浸された樹脂成分とからなるFRPから構成されている。
また、ウェブ部11とフランジ部12をなす表面層15は、炭素繊維22を含有している。すなわち、表面層15は、炭素繊維22と、炭素繊維22に含浸された樹脂成分とからなるFRPから構成されている。
ウェブ部11およびフランジ部12を構成するFRPの全量に対するガラス繊維と炭素繊維の含有率の合計は、50質量%以上であることが好ましく、50質量%以上、70質量%以下であることがより好ましい。
上記のFRPにおけるガラス繊維と炭素繊維の配合比は、特に限定されるものではないが、FRP製矢板10の剛性を向上する観点から、表面層15を構成する炭素繊維の配合割合が大きいことが好ましく、ガラス繊維と炭素繊維の全量に対する表面層15を構成する炭素繊維含有率は50〜70質量%であることがより好ましい。
炭素繊維は、一方向織物とクロス織物から構成されている。
一方向織物は、その一方向織物を構成する繊維の配向方向がFRP製矢板10(ウェブ部11およびフランジ部12)の長手方向に沿うように配置される。このように一方向織物を用いることにより、一方向織物を用いない場合よりも、FRP製矢板10の曲げ剛性を向上することができる。
クロス織物は、X軸方向がFRP製矢板10(ウェブ部11およびフランジ部12)の長手方向に沿うように配置され、Y軸方向がFRP製矢板10の幅方向に沿うように配置される。このようにクロス織物を用いることにより、クロス織物を用いない場合よりも、FRP製矢板10の幅方向の強度および剛性を向上することができる。
一方向織物は、その一方向織物を構成する繊維の配向方向がFRP製矢板10(ウェブ部11およびフランジ部12)の長手方向に沿うように配置される。このように一方向織物を用いることにより、一方向織物を用いない場合よりも、FRP製矢板10の曲げ剛性を向上することができる。
クロス織物は、X軸方向がFRP製矢板10(ウェブ部11およびフランジ部12)の長手方向に沿うように配置され、Y軸方向がFRP製矢板10の幅方向に沿うように配置される。このようにクロス織物を用いることにより、クロス織物を用いない場合よりも、FRP製矢板10の幅方向の強度および剛性を向上することができる。
一方向織物とクロス織物の配合比は、FRP製矢板10に要求される曲げ剛性や、幅方向の強度および剛性に応じて適宜調整されるが、質量比で70:30〜30:70であることが好ましい。すなわち、FRP製矢板10により大きな曲げ剛性が要求される場合、一方向織物の配合比を多くする。一方、FRP製矢板10により大きな幅方向の強度および剛性が要求される場合、クロス織物の配合比を多くする。
炭素繊維を含む表面層15の厚さ(FRP製矢板10の表面から内部方向(中間層14方向)への深さ)は、2mm〜10mmであることが好ましく、3mm〜6mmであることがより好ましい。
なお、表面層15の厚さは、ウェブ部11、フランジ部12、セクション部13などの部位に応じて、適宜調整される。また、ウエブ部11、フランジ部12においても、FRP製矢板10の凸面側(図1にαで示す側)と凹面側(図1にβで示す側)では、表面層15の厚さが等しくても、異なっていてもよい。
なお、表面層15の厚さは、ウェブ部11、フランジ部12、セクション部13などの部位に応じて、適宜調整される。また、ウエブ部11、フランジ部12においても、FRP製矢板10の凸面側(図1にαで示す側)と凹面側(図1にβで示す側)では、表面層15の厚さが等しくても、異なっていてもよい。
中間層14の厚さは、特に限定されるものではなく、FRP製矢板10に要求される剛性や強度および剛性に応じて適宜調整されるが、例えば、11mm〜17mmである。
ガラス繊維は、ロービングクロスとチョップドストランドマットから構成されている。
ロービングクロスは、X軸方向がFRP製矢板10(ウェブ部11およびフランジ部12)の長手方向に沿うように配置され、Y軸方向がFRP製矢板10の幅方向に沿うように配置される。このようにロービングクロスを用いることにより、ロービングクロスを用いない場合よりも、FRP製矢板10の幅方向の強度および剛性を向上することができる。
一方、チョップドストランドマットは方向性を有していないので、例えば、ロービングクロスに重ねられるなどして配置される。
ロービングクロスは、X軸方向がFRP製矢板10(ウェブ部11およびフランジ部12)の長手方向に沿うように配置され、Y軸方向がFRP製矢板10の幅方向に沿うように配置される。このようにロービングクロスを用いることにより、ロービングクロスを用いない場合よりも、FRP製矢板10の幅方向の強度および剛性を向上することができる。
一方、チョップドストランドマットは方向性を有していないので、例えば、ロービングクロスに重ねられるなどして配置される。
ウェブ部11およびフランジ部12を構成するFRPの樹脂成分としては、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂等が用いられる。
樹脂成分には、硬化剤、硬化促進剤等が含まれていてもよい。
硬化剤としては、例えば、メチルエチルケトンパーオキサイド(MEKPO)、アセチルアセトンパーオキサイド、シクロヘキサンパーオキサイド等が用いられる。硬化剤の添加量は、樹脂成分100質量部に対して、0.5〜2.5質量部であることが好ましい。
硬化促進剤としては、例えば、ナフテン酸コバルト、オクテン酸コバルト等が用いられる。
硬化剤としては、例えば、メチルエチルケトンパーオキサイド(MEKPO)、アセチルアセトンパーオキサイド、シクロヘキサンパーオキサイド等が用いられる。硬化剤の添加量は、樹脂成分100質量部に対して、0.5〜2.5質量部であることが好ましい。
硬化促進剤としては、例えば、ナフテン酸コバルト、オクテン酸コバルト等が用いられる。
ウェブ部11の長手方向の両端部には、鉄板がインサート成形されていることが好ましい。
鉄板の寸法は、例えば、厚さ0.5mm〜5mm、幅200mm〜300mm、長さ250mm〜400mmであることが好ましい。
FRP製矢板10の長さは、限定されるものではなく、例えば、都市トンネル(下水道、共同溝等)を掘削するための縦坑の深さに応じて、適宜調整される。しかし、FRP製矢板10によって縦坑の壁面を形成するときに、鉄板は、ボルト接合時にのみ用いられるので、FRP製矢板10の長さに応じて、鉄板の長さを変える必要はない。
鉄板の寸法は、例えば、厚さ0.5mm〜5mm、幅200mm〜300mm、長さ250mm〜400mmであることが好ましい。
FRP製矢板10の長さは、限定されるものではなく、例えば、都市トンネル(下水道、共同溝等)を掘削するための縦坑の深さに応じて、適宜調整される。しかし、FRP製矢板10によって縦坑の壁面を形成するときに、鉄板は、ボルト接合時にのみ用いられるので、FRP製矢板10の長さに応じて、鉄板の長さを変える必要はない。
また、図2に示すように、鉄板30の全面に渡って、その厚さ方向に貫通する貫通孔30aが形成されていることが好ましい。
このようにすれば、鉄板をインサート成形する際に、樹脂成分が貫通孔30aを透過するため、ウェブ部11を構成するFRPと鉄板30の密着性が高くなり、FRPと鉄板30がより強固に一体化される。
このようにすれば、鉄板をインサート成形する際に、樹脂成分が貫通孔30aを透過するため、ウェブ部11を構成するFRPと鉄板30の密着性が高くなり、FRPと鉄板30がより強固に一体化される。
FRP製矢板10によれば、ウェブ部11およびフランジ部12が、中間層14と、中間層14をその厚さ方向から挟持するように覆う表面層15とから構成され、中間層14がガラス繊維を含有するFRPからなり、表面層15が炭素繊維を含有するFRPからなるので、シールド機により、容易に切削することができる。また、中間層14はガラス繊維21を含有し、表面層15は炭素繊維22を含有しているので、鋼矢板に近い強度および剛性を有し、従来の鋼矢板と同様の方法により、FRP製矢板10によって縦坑の壁面を施工することができる。
また、炭素繊維とガラス繊維を併用することにより、炭素繊維のみを用いた場合よりも製造コストを低減することができる。また、炭素繊維として一方向織物を用いることにより、FRP製矢板10の弾性率(剛性)の設計を容易に行うことができる。
なお、本実施形態では、凹形状が汎用鋼矢板III型と同形状をなしているFRP製矢板10を例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明にあっては、FRP製矢板の凹形状が汎用鋼矢板IV型と同形状であってもよい。
次に、図3を参照して、本発明のFRP製矢板の製造方法を説明する。
本発明のFRP製矢板は、例えば、樹脂注入法(RTM法)によって製造することができる。
図3において、符号40はRTM法に用いられる型を示す。この型40は、上下2つに分割可能な下型41と上型42から構成されている。型40は、金属製の金型でも、FRP製のFRP型を鋼材で補強したものであってもよい。
下型41と上型42を締める(嵌め合わせる)ことにより、上記のFRP製矢板10の外形に相当する空間(キャビティ)43が形成される。
本発明のFRP製矢板は、例えば、樹脂注入法(RTM法)によって製造することができる。
図3において、符号40はRTM法に用いられる型を示す。この型40は、上下2つに分割可能な下型41と上型42から構成されている。型40は、金属製の金型でも、FRP製のFRP型を鋼材で補強したものであってもよい。
下型41と上型42を締める(嵌め合わせる)ことにより、上記のFRP製矢板10の外形に相当する空間(キャビティ)43が形成される。
まず、最終的な成形品(FRP製矢板10)と形状が等しい凹部を有するプリフォーム型を準備する。
次いで、このプリフォーム型の凹部内に、その形状に沿って、上記の炭素繊維とガラス繊維を1層ずつ重ねて、ガラス繊維からなる中間層と、中間層をその厚さ方向から挟持するように覆う炭素繊維からなる表面層とからなる繊維プリフォームを形成する。これにより、最終的な成形品(FRP製矢板10)と形状がほぼ等しい繊維プリフォームを形成する。
次いで、このプリフォーム型の凹部内に、その形状に沿って、上記の炭素繊維とガラス繊維を1層ずつ重ねて、ガラス繊維からなる中間層と、中間層をその厚さ方向から挟持するように覆う炭素繊維からなる表面層とからなる繊維プリフォームを形成する。これにより、最終的な成形品(FRP製矢板10)と形状がほぼ等しい繊維プリフォームを形成する。
次いで、繊維プリフォームを、下型41の凹部44、あるいは、上型42の凹部45に収納した後、下型41と上型42を締めて、密閉状態とする。
次いで、上型42の上面42aから凹部45(キャビティ43)に達するように形成された樹脂注入口(樹脂圧入口)46からキャビティ43内に、上記の樹脂成分を注入(圧入)する。これと同時に、上型42の凹部45におけるセクション部を形成する部分にそれぞれ形成された真空口47、48に接続した真空装置により、キャビティ43内の空気を吸引する。これにより、キャビティ43内へ樹脂成分を充填するとともに、繊維プリフォームを構成する炭素繊維とガラス繊維に、樹脂成分を含浸させる。
ここで、キャビティ43内に樹脂成分を注入する圧力は0.5〜0.8MPaであることが好ましい。また、キャビティ43内の真空圧力は−0.02〜−0.04MPaであることが好ましい。
ここで、型40は、上型42と下型41とが上下反転した構造であってもよく、樹脂注入口(樹脂圧入口)46、真空口47、48の位置も図3に示す位置に限定するものではない。
ここで、キャビティ43内に樹脂成分を注入する圧力は0.5〜0.8MPaであることが好ましい。また、キャビティ43内の真空圧力は−0.02〜−0.04MPaであることが好ましい。
ここで、型40は、上型42と下型41とが上下反転した構造であってもよく、樹脂注入口(樹脂圧入口)46、真空口47、48の位置も図3に示す位置に限定するものではない。
次いで、キャビティ43内への樹脂成分の充填が完了した後、型40の温度を40〜80℃で、30〜90分保持して、樹脂成分を硬化させる。
次いで、下型41と上型42を開いて、型40から成形品を脱型した後、セクション部のアンダーカット入れ子49、49を抜き取り、FRP製矢板10を得る。
次いで、下型41と上型42を開いて、型40から成形品を脱型した後、セクション部のアンダーカット入れ子49、49を抜き取り、FRP製矢板10を得る。
なお、ウェブ部11の長手方向の両端部に、鉄板をインサート成形する場合、例えば、炭素繊維とガラス繊維を1層ずつ重ねて繊維プリフォームを形成する際、任意の層で炭素繊維もしくはガラス繊維の層間に鉄板重ねて、長手方向の両端部に鉄板が挟みこまれた繊維プリフォームを形成する。この繊維プリフォームを下型41の凹部44、あるいは、上型42の凹部45に収納した後、下型41と上型42を締めて、密閉状態とする。その後、上記と同様の工程を経て、鉄板がインサート成形されたFRP製矢板10を得る。
本実施形態のFRP製矢板の製造方法によれば、RTM法を用いるので、FRP製矢板10の厚さが大きくなっても、繊維プリフォームへの樹脂成分の含浸を容易にかつ十分に行うことができる上に、樹脂成分の硬化も短時間行うことができる。したがって、繊維プリフォームに対して樹脂成分を十分に密着させることができる。また、炭素繊維として、一方向織物とクロス織物を用い、ガラス繊維として、ロービングクロスとチョップドストランドマットを用いるので、成形品と形状がほぼ等しい繊維プリフォームを容易に形成することができる。また、樹脂成分として、硬化促進剤を添加したビニルエステル樹脂を用いることにより、樹脂成分の硬化時間を短縮し、ひいては、FRP製矢板10の製造時間を短縮することができる。
以下、実施例および比較例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
[実施例1]
♯300ガラス繊維チョップドストランドマット(商品名:MC300A、日東紡績社製)、♯800ガラス繊維ロービングクロス(商品名:WR800C−100、日東紡績社製)、♯330炭素繊維クロス(商品名:W−6101、東邦テナックス社製)、♯300炭素繊維一方向クロス(商品名:UM46−30G、東レ社製)を用い、これらの炭素繊維とガラス繊維を、表1に示す繊維構成となるようにプリフォーム型内に1層ずつ重ねて、ガラス繊維からなる中間層と、中間層をその厚さ方向から挟持するように覆う炭素繊維からなる表面層とから構成され、最終的な成形品(FRP製矢板)とほぼ同形状の繊維プリフォームを形成した。この際、19層目と20層目の間および30層目と31層目のウェブ部に、厚さ1mm×幅240mm×長さ300mmの鉄板を挟み込んだ。
次いで、下型と上型を締めて、密閉状態とした。本実施例では、成形型としては、FRP製のFRP型を鋼材で補強したものを使用した。
なお、セクション部となる部分は、アンダーカットになるので、セクション部と同形状の入れ子を巻き込んで、繊維プリフォームを形成した。
♯300ガラス繊維チョップドストランドマット(商品名:MC300A、日東紡績社製)、♯800ガラス繊維ロービングクロス(商品名:WR800C−100、日東紡績社製)、♯330炭素繊維クロス(商品名:W−6101、東邦テナックス社製)、♯300炭素繊維一方向クロス(商品名:UM46−30G、東レ社製)を用い、これらの炭素繊維とガラス繊維を、表1に示す繊維構成となるようにプリフォーム型内に1層ずつ重ねて、ガラス繊維からなる中間層と、中間層をその厚さ方向から挟持するように覆う炭素繊維からなる表面層とから構成され、最終的な成形品(FRP製矢板)とほぼ同形状の繊維プリフォームを形成した。この際、19層目と20層目の間および30層目と31層目のウェブ部に、厚さ1mm×幅240mm×長さ300mmの鉄板を挟み込んだ。
次いで、下型と上型を締めて、密閉状態とした。本実施例では、成形型としては、FRP製のFRP型を鋼材で補強したものを使用した。
なお、セクション部となる部分は、アンダーカットになるので、セクション部と同形状の入れ子を巻き込んで、繊維プリフォームを形成した。
ここで、表1の見方について、具体的に説明する。
表1において、Mは♯300ガラス繊維チョップドストランドマット、Rは♯800ガラス繊維ロービングクロス、Cは♯330炭素繊維クロス、UDは♯300炭素繊維一方向クロスを表す。
表1は、矢板の長手方向に垂直な略断面図をみた場合の繊維の有無、繊維の積層順、繊維の有無、繊維の種類を示す。
表1において、「繊維構成」の「1」は、矢板の略断面の凸側の表面層を構成する繊維の有無、繊維の種類を表す。また、表1において、繊維構成の数が増加するに伴って、矢板の略断面の凹側を構成する繊維の有無、繊維の種類を表す。
例えば、実施例1で得られた矢板の構成は、表1を見ることによって理解できる。実施例1の矢板は、♯330炭素繊維クロス(幅710mm)が、矢板の略断面の凸側の1層目の構成を示し、プリフォーム型に当接する層を示す。
そして、表1は、前記の1層目に、順次、他の繊維(層)を積層し、最終の繊維構成である50層目が、矢板の略断面の凹側の表面を構成する層(♯330炭素繊維クロス、幅800mm)によって構成されることを示す。
また、表1の横方向は、矢板の断面形状において、各部位(底面部11A、側面部11B、フランジ部12、セクション部13)における繊維の有無、繊維の種類を示している。
具体的に、実施例1の矢板でいえば、表1中に繊維記号M、R、C、UDが記載された部位に、各繊維が配置されていることを意味する。すなわち、実施例1の矢板では、1層目は、矢板の断面形状において、セクション部/フランジ部/側面部/底面部/側面部/フランジ部/セクション部に、幅方向に♯330炭素繊維クロスが連続的に配置されていることを示す。また、13層目は、矢板の断面形状において、セクション部/フランジ部/側面部に、幅方向に♯300ガラス繊維チョップドストランドマットが連続的に配置され、対称側の側面部/フランジ部/セクション部に、幅方向に#300ガラス繊維チョップドストランドマットが連続的に配置されていることを示す。さらに、3層目は、底面部のみに♯300炭素繊維一方向クロスが配置され、43層目は、左右のフランジ部にのみ♯300炭素繊維一方向クロスが配置されていることを示す。
表1において、Mは♯300ガラス繊維チョップドストランドマット、Rは♯800ガラス繊維ロービングクロス、Cは♯330炭素繊維クロス、UDは♯300炭素繊維一方向クロスを表す。
表1は、矢板の長手方向に垂直な略断面図をみた場合の繊維の有無、繊維の積層順、繊維の有無、繊維の種類を示す。
表1において、「繊維構成」の「1」は、矢板の略断面の凸側の表面層を構成する繊維の有無、繊維の種類を表す。また、表1において、繊維構成の数が増加するに伴って、矢板の略断面の凹側を構成する繊維の有無、繊維の種類を表す。
例えば、実施例1で得られた矢板の構成は、表1を見ることによって理解できる。実施例1の矢板は、♯330炭素繊維クロス(幅710mm)が、矢板の略断面の凸側の1層目の構成を示し、プリフォーム型に当接する層を示す。
そして、表1は、前記の1層目に、順次、他の繊維(層)を積層し、最終の繊維構成である50層目が、矢板の略断面の凹側の表面を構成する層(♯330炭素繊維クロス、幅800mm)によって構成されることを示す。
また、表1の横方向は、矢板の断面形状において、各部位(底面部11A、側面部11B、フランジ部12、セクション部13)における繊維の有無、繊維の種類を示している。
具体的に、実施例1の矢板でいえば、表1中に繊維記号M、R、C、UDが記載された部位に、各繊維が配置されていることを意味する。すなわち、実施例1の矢板では、1層目は、矢板の断面形状において、セクション部/フランジ部/側面部/底面部/側面部/フランジ部/セクション部に、幅方向に♯330炭素繊維クロスが連続的に配置されていることを示す。また、13層目は、矢板の断面形状において、セクション部/フランジ部/側面部に、幅方向に♯300ガラス繊維チョップドストランドマットが連続的に配置され、対称側の側面部/フランジ部/セクション部に、幅方向に#300ガラス繊維チョップドストランドマットが連続的に配置されていることを示す。さらに、3層目は、底面部のみに♯300炭素繊維一方向クロスが配置され、43層目は、左右のフランジ部にのみ♯300炭素繊維一方向クロスが配置されていることを示す。
次いで、上型の上面キャビティに達するように形成された樹脂注入口からキャビティ内に、硬化剤のMEKPOをビニルエステル樹脂100質量部に対して1.5質量部添加したビニルエステル樹脂(商品名:リポキシ R−804B、昭和電工社製)を注入した。これと同時に、上型の凹部におけるセクション部を形成する部分にそれぞれ形成された真空口に接続した真空装置により、キャビティ内の空気を吸引した。これにより、キャビティ内へビニルエステル樹脂を充填するとともに、繊維プリフォームを構成する炭素繊維とガラス繊維に、ビニルエステル樹脂を含浸させた。
ここで、キャビティ内にビニルエステル樹脂を注入する圧力を0.5MPaとした。また、キャビティ内の真空圧力を−0.04MPaとした。
ここで、キャビティ内にビニルエステル樹脂を注入する圧力を0.5MPaとした。また、キャビティ内の真空圧力を−0.04MPaとした。
次いで、キャビティ内へのビニルエステル樹脂の充填が完了した後、RTM成形型の温度を60℃で、90分保持して、ビニルエステル樹脂を硬化させた。
次いで、RTM成形型を開いて、RTM成形型から成形品を脱型した後、セクション部のアンダーカット入れ子を抜き取り、実施例1のFRP製矢板を得た。
次いで、RTM成形型を開いて、RTM成形型から成形品を脱型した後、セクション部のアンダーカット入れ子を抜き取り、実施例1のFRP製矢板を得た。
得られたFRP製矢板は、図1に示すような断面形状をなし、長さが6000mmであり、表面層全面が炭素繊維を含有し、中間層がガラス繊維を含有していた。また、得られたFRP製矢板の繊維含有率(FRPにおけるガラス繊維と炭素繊維の含有率の合計)は50質量%であった。
[実施例2]
36〜37層の側面部(11B)に♯300炭素繊維一方向クロスを配置した以外は実施例1と同様にして、実施例2のFRP製矢板を得た。
なお、炭素繊維とガラス繊維を、表2に示す繊維構成とした。
36〜37層の側面部(11B)に♯300炭素繊維一方向クロスを配置した以外は実施例1と同様にして、実施例2のFRP製矢板を得た。
なお、炭素繊維とガラス繊維を、表2に示す繊維構成とした。
[比較例1]
使用する繊維を♯300ガラス繊維チョップドストランドマット、♯800ガラス繊維ロービングクロスにした以外は実施例1と同様にして、比較例1のFRP製矢板を得た。
なお、ガラス繊維を、表3に示す繊維構成とした。
使用する繊維を♯300ガラス繊維チョップドストランドマット、♯800ガラス繊維ロービングクロスにした以外は実施例1と同様にして、比較例1のFRP製矢板を得た。
なお、ガラス繊維を、表3に示す繊維構成とした。
表1〜3の繊維構成で成形した繊維強化プラスチック製矢板の切り出し片の物性値測定結果を表4に示す。なお、表4には、実施例1、実施例2、比較例1で成形した矢板の底面部(図1に符号11Aで示す部分)を、矢板の長手方向に切り出した試験片の物性値を記す。(ただし、鉄板インサート部分は試験片に含まない。)
表4の結果から、実施例1および実施例2の繊維強化プラスチック製矢板は、曲げ強さ、曲げ弾性率が、比較例1の繊維強化プラスチック製矢板の曲げ強さ、曲げ弾性率よりも高い値を示した。実施例1および実施例2の繊維強化プラスチック製矢板は、製造コストが低く、成形が容易であり、剛性に優れる繊維強化プラスチック製矢板であり、シールド機により、容易に切削可能であるとともに、鋼矢板に近い強度および剛性を有する繊維強化プラスチック製矢板であった。
表4の結果から、実施例1および実施例2の繊維強化プラスチック製矢板は、曲げ強さ、曲げ弾性率が、比較例1の繊維強化プラスチック製矢板の曲げ強さ、曲げ弾性率よりも高い値を示した。実施例1および実施例2の繊維強化プラスチック製矢板は、製造コストが低く、成形が容易であり、剛性に優れる繊維強化プラスチック製矢板であり、シールド機により、容易に切削可能であるとともに、鋼矢板に近い強度および剛性を有する繊維強化プラスチック製矢板であった。
10・・・繊維強化プラスチック製矢板(FRP製矢板)、11・・・ウェブ部、11A・・・底面部、11B・・・側面部、12・・・フランジ部、13・・・セクション部、14・・・中間層、15・・・表面層、21・・・ガラス繊維、22・・・炭素繊維、30・・・鉄板、40・・・型、41・・・下型、42・・・上型、43・・・キャビティ、44,45・・・凹部、46・・・樹脂注入口(樹脂圧入口)、47,48・・・真空口、49・・・アンダーカット入れ子。
Claims (6)
- ウェブ部と、該ウェブ部の両端に連設されたフランジ部とを備え、
前記ウェブ部および前記フランジ部は、中間層と、該中間層をその厚さ方向から挟持するように覆う表面層とから構成され、
前記中間層はガラス繊維を含有する繊維強化プラスチックからなり、前記表面層は炭素繊維を含有する繊維強化プラスチックからなることを特徴とする繊維強化プラスチック製矢板。 - 前記繊維強化プラスチックの全量に対する前記ガラス繊維と前記炭素繊維の含有率の合計は、50質量%以上である請求項1に記載の繊維強化プラスチック製矢板。
- 前記炭素繊維は一方向織物とクロス織物から構成され、
前記一方向織物は、前記一方向織物を構成する繊維の配向方向が前記ウェブ部および前記フランジ部の長手方向に沿うように配置され、
前記クロス織物は、X軸方向が前記ウェブ部および前記フランジ部の長手方向に沿うように配置され、Y軸方向が前記ウェブ部および前記フランジ部の幅方向に沿うように配置された請求項1または2に記載の繊維強化プラスチック製矢板。 - 前記一方向織物と前記クロス織物の配合比は、質量比で70:30〜30:70である請求項1〜3のいずれか1項に記載の繊維強化プラスチック製矢板。
- 前記炭素繊維を含む前記表面層の厚さは、2mm〜10mmである請求項1〜4のいずれか1項に記載の繊維強化プラスチック製矢板。
- 前記ウェブ部の長手方向の両端部に鉄板がインサート成形された請求項1〜4のいずれか1項に記載の繊維強化プラスチック製矢板。
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