JP2018075727A

JP2018075727A - 連続繊維補強材

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Publication number: JP2018075727A
Application number: JP2016217702A
Authority: JP
Inventors: 徳明古瀬; Noriaki Kose; 憲章中村; Noriaki Nakamura
Original assignee: Tokyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Tokyo Seiko Co Ltd
Priority date: 2016-11-08
Filing date: 2016-11-08
Publication date: 2018-05-17
Anticipated expiration: 2036-11-08
Also published as: JP6754273B2

Abstract

【課題】機械的特性の大きな低下が抑制された，表面に凹凸を備える連続繊維補強材の提供。【解決手段】連続繊維補強材１は，熱硬化性樹脂１２が含浸された複数本の連続する炭素繊維１１を断面円形に束ねたもので，炭素繊維１１は，連続繊維補強材１の長手方向に引き揃えられている。連続繊維補強材１の表面に，炭素繊維１１の繊維方向に沿ってのびる第１の溝２１が間隔をあけて複数形成されており，かつ上記第１の溝２１に交差してのびる上記第１の溝２１よりも浅い第２の溝２２が間隔をあけて複数形成されている、連続繊維補強材１。【選択図】図１

Description

この発明は連続繊維補強材に関する。

コンクリートを補強してコンクリートの力学性能を高めるために，連続繊維を樹脂によって一体化させた連続繊維補強材をコンクリート中に埋め込んだり，表面に貼り付けたりすることが行われている。

コンクリート中に埋め込まれたり，コンクリートの表面に貼り付けられたりして用いられる連続繊維補強材にはコンクリートとの付着が良好であることが求められる。特許文献１には繊維補強材の表面を樹脂によって被覆し，この被覆層に凹凸を形成することでコンクリートとの接着性を向上するものを記載する。しかしながら，はじめに繊維補強材を作成し，その後に被覆層を形成する工程が必要となり，製造コストの点において好ましいとは言えない。

特開平１１−２８７６９号公報

コンクリートとの付着を良好にするために連続繊維補強材の表面に凹凸を形成すると，連続繊維補強材の機械的特性，たとえば引張荷重や引張強度に影響が生じる。これは連続繊維補強材が非常に細い連続繊維を束ねることによって形成されており，凹凸の形成によって連続繊維の繊維方向に乱れが生じるためと考えられる。凹凸を形成することによって連続繊維補強材の機械的特性に影響が生じるのはやむを得ないとしても，機械的特性に大きな影響が生じたり，製品ごとの機械的特性の大きなばらつきが生じたりするのは極力避けなければならない。

この発明は，機械的特性の大きな低下が抑制された，表面に凹凸を備える連続繊維補強材を提供することを目的とする。

この発明はまた，機械的特性に大きなばらつきが生じないまたは生じにくい，表面に凹凸を備える連続繊維補強材を提供することを目的とする。

この発明による連続繊維補強材は，第１の所定方向に引き揃えられた，樹脂が含浸された複数本の連続する高強度繊維を備え，表面に，上記第１の所定方向にのびる第１の溝が間隔をあけて複数形成されており，かつ上記第１の溝に交差して第２の所定方向にのびる，上記第１の溝よりも浅い第２の溝が間隔をあけて複数形成されていることを特徴とする。

高強度繊維は，炭素繊維，ガラス繊維，ボロン繊維，アラミド繊維，高分子量ポリエチレン繊維，ＰＢＯ（polyp-phenylenebenzobisoxazole）繊維，その他の繊維（合成繊維）を含む。これらの繊維は非常に細く，高強度かつ低伸度である。複数本の高強度繊維に，樹脂，たとえば熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂を含浸して硬化することで，高い引っ張り強度を発揮する。熱硬化性樹脂にはエポキシ，フェノール，ポリイミド等が含まれる。熱可塑性樹脂にはポリアミド，ポリカーボネート，ポリプロピレン，ポリエーテルエーテルケトン，フッ素等が含まれる。

連続繊維補強材の形状は，ロッド，ケーブルまたはロープ状（長尺物）であってもよいし，シートまたはプレート状（平坦物）であってもよい。

連続繊維補強材を構成する複数本の高強度繊維は第１の所定方向に引き揃えられている。たとえば，連続繊維補強材が一方向に長いロッド状の形態を持つ場合，その長手方向に沿うようにすべての高強度繊維は引き揃えられる。高強度繊維は，長手方向に沿って（長手方向に平行に）真っ直ぐに引き揃えてもよいし，長手方向にらせん状に引き揃えてもよい。

連続繊維補強材の表面には第１の溝と第２の溝の２種類の溝が形成されている。第１の溝は，連続繊維補強材を構成する高強度繊維が引き揃えられている第１の方向，すなわち高強度繊維の繊維方向に沿って形成されている溝である。他方，第２の溝は第１の溝に交差して第２の所定方向に形成されている溝である。第２の溝の向き，すなわち第２の所定方向は，第１の溝の向き，すなわち第１の所定方向に直交する向きであってもよいし，第１の溝に斜めに交わる向きであってもよい。第１および第２の溝が表面に形成されているので，コンクリートとの付着性がよく，コンクリートから抜けにくくなり，またはコンクリートから剥がれにくくなる。

この発明によると，第１の溝は繊維方向に沿って形成されているので，第１の溝を形成するときに連続繊維補強材を構成する高強度繊維の繊維方向に乱れはほとんど生じない。これに対し，第２の溝は第１の溝に交差する向きに形成されるので，第２の溝を形成するときに繊維方向に乱れ（うねり）が生じるのは避けられないが，第２の溝は第１の溝よりも浅く，したがって繊維方向の乱れを連続繊維補強材の表層に限定することができ，連続繊維補強材の機械的特性，たとえば引張強度の大きな低下を抑制することができる。また，製品ごとの引張強度のばらつきの程度も小さくすることができる。

好ましくは，複数の第１の溝は等間隔に形成され，かつ複数の第２の溝も等間隔に形成される。連続繊維補強材の製品ごとの機械的特性のばらつきを抑制することができる。

一実施態様では，隣り合う第１の溝の間隔よりも隣り合う第２の溝の間隔の方が広く，したがって連続繊維補強材の単位表面積あたりの第２の溝の本数は第１の溝の本数よりも少ない。上述のように，高強度繊維の繊維方向の乱れは主に第２の溝によって生じるので，単位表面積あたりの第２の溝を少なくすることで繊維方向に乱れが生じる範囲を狭くすることができ，連続繊維補強材の機械的特性の低下およびばらつきを極力抑制することができる。

他の実施態様では，第１の溝の幅よりも第２の溝の幅の方が狭い。これによっても高強度繊維の繊維方向に乱れを生じる範囲を狭くすることができ，連続繊維補強材の機械的特性の低下およびばらつきを極力抑制することができる。

一実施態様では，上記高強度繊維と異なる素材の複数本の連続する繊維に樹脂を含浸させた緩衝層が表面に設けられており，上記緩衝層の表面に上記第１および第２の溝が形成されている。高強度繊維の繊維方向の乱れをさらに抑制することができる。

連続繊維補強材の斜視図である。連続繊維補強材の拡大表面図である。他の実施例の連続繊維補強材の斜視図である。さらに他の実施例の連続繊維補強材の斜視図である。さらに他の実施例の連続繊維補強材の斜視図である。さらに他の実施例の連続繊維補強材の斜視図である。

図１は連続繊維補強材の斜視図を示している。図２は図１に示す連続繊維補強材の表面の一部を拡大して示している。

連続繊維補強材１は，熱硬化性樹脂（たとえばエポキシ樹脂）12を含浸させた多数本たとえば数万本の長尺の連続する炭素繊維11を断面円形に束ねたものである。炭素繊維11のそれぞれは非常に細く，たとえば５μｍ〜７μｍの直径を持つ。連続繊維補強材１は，熱硬化性樹脂12を含浸させた多数本の炭素繊維11を引き揃え，加熱することで形成される。熱硬化性樹脂に代えて熱可塑性樹脂（たとえばポリアミド）を用いることもできる。連続繊維補強材１は繊維強化プラスチック（Fiber Reinforced Plastics ）製のものと言うことができる。なお，連続繊維補強材の形状はロッド，ケーブルまたはロープ状に限られず，シートまたはプレート状であってもよい。

連続繊維補強材１の断面積（太さ）は炭素繊維11の本数によって任意に調整することができる。連続繊維補強材１は，次に説明する表面に形成される溝を除いて断面形状が一定であり，多数本の炭素繊維11がのびる繊維方向が連続繊維補強材１の長手方向と一致している。

連続繊維補強材１の表面には，第１，第２の２種類の溝21，22が形成されている。

第１の溝21は連続繊維補強材１を構成する炭素繊維11の繊維方向に沿って形成された溝である。上述のように，連続繊維補強材１を構成する炭素繊維11の繊維方向は連続繊維補強材１の長手方向と一致しているので，第１の溝21は連続繊維補強材１の長手方向に沿っている，または連続繊維補強材１の長手方向に平行である，と言うこともできる。第１の溝21は等間隔（横断面においては等角度間隔）に整列して形成され，たとえば10本〜20本程度の第１の溝21が連続繊維補強材１の表面に形成される。第１の溝21はたとえば 0.4mmの深さを持つ。

第２の溝22は連続繊維補強材１の周方向に形成された溝である。多数の第２の溝22が連続繊維補強材１の表面に形成され，これも等間隔に整列している。多数の第２の溝22のそれぞれは，第１の溝21とほぼ直交する向きに環状にのびている。第２の溝22はたとえば0.2mmの深さを持つ。

第１の溝21および第２の溝22は，これらの溝21，溝22を形付ける押し型，たとえば織物，編み物，布帛などを，熱硬化性樹脂12が硬化する前に連続繊維補強材１の表面に押し付けることで形成することができる。２つの溝21，22は同時に形成することもできるし，はじめに第１の溝21を形成し，次に第２の溝22を形成することもできる。

図２を参照して，第１の溝21および第２の溝22はいずれも断面から見て弧状の外縁を有しており，第１の溝21の深さＤ１よりも第２の溝22の深さＤ２は浅い。また，隣り合う２つの第１の溝21の間隔Ｉ１は隣り合う第２の溝22の間隔Ｉ２よりも狭く，第１の溝21と第２の溝22とによって囲まれる表面部分（凸面部）は，連続繊維補強材１の長手方向を長手方向とする長方形の形状を持つ。さらに，第１の溝21の溝幅Ｗ１よりも第２の溝22の溝幅Ｗ２は狭い。

第１，第２の溝21，22が表面に形成された連続繊維補強材１は，表面に凹凸を持たない連続繊維補強材と比べてコンクリートとの付着性が向上し，コンクリートとの付着応力度は確実に大きくなる。しかしながら，表面に凹凸を持たない連続繊維補強材に比べて，表面に第１，第２の溝21，22を形成した連続繊維補強材１は引張強度が低下する。これは，第１，第２の溝21，22を形成することによって，連続繊維補強材１を構成する炭素繊維11の一部の繊維方向に乱れ（うねり）が生じるためであると考えられる。

上述したように，連続繊維補強材１の表面に形成されている２種類の溝21，22のうち，第１の溝21は，連続繊維補強材１を構成する多数本の炭素繊維11の繊維方向に沿っているので，第１の溝21を形成するときに炭素繊維11の繊維方向の乱れはほとんど生じない。他方，第２の溝22は炭素繊維11の繊維方向と異なる方向に形成されているので，第２の溝21を形成するときに炭素繊維11の繊維方向の乱れが生じる。

ここで，上述したように，第２の溝22は第１の溝21よりも浅く（Ｄ１＞Ｄ２），第２の溝22による繊維方向の乱れは連続繊維補強材１の表層の浅い範囲に限定される。また，隣り合う第１の溝21の間隔Ｉ１よりも隣り合う第２の溝22の間隔Ｉ２の方が広いので（Ｉ１＜Ｉ２），連続繊維補強材１の単位表面積あたりの第２の溝22の本数は第１の溝21の本数よりも少なく，したがって繊維方向に乱れが生じる範囲は狭い。さらに，第１の溝21の溝幅Ｗ１よりも第２の溝22の溝幅Ｗ２の方が狭いので（Ｗ１＞Ｗ２），これによっても繊維方向の乱れが生じる範囲が狭くされている。すなわち，第１，第２の溝21，22は，連続繊維補強材１のコンクリートとの付着性を向上させつつ，連続繊維補強材１の引張強度の低下および製品ごとの引張強度のばらつきを極力抑制するように作られている。

表１は，連続繊維補強材の引張試験結果を示している。

引張試験は「連続繊維補強材の引張試験方法」（JSCE-E 531）に準じて行った。引張試験では，上述した第１，第２の溝21，22を形成した連続繊維補強材１（試験体１）の他に，溝を持たない連続繊維補強材（試験体２），１２ｍｍピッチおよび９ｍｍピッチのらせん状の溝を表面に形成した連続繊維補強材（試験体３，試験体４）も作成した。また，引張試験では，これらの４種類の連続繊維補強材（試験体１〜４）のそれぞれについて３本の試験体（No.１〜No.３）を作成し（合計１２本），そのそれぞれについての最大引張荷重を計測した。

引張試験結果を参照して，試験体１〜試験体４についての引張強度（最大引張荷重を断面積で除算した値）の平均値（Ave.）を比較すると，溝を持たない連続繊維補強材（試験体２）の引張強度の平均値（2.00ｋＮ／ｍｍ^２）が最も大きく，溝が形成された残りの試験体１，３，４の連続繊維補強材についての引張強度の平均値（それぞれ1.47，1.47，1.41ｋＮ／ｍｍ^２）にはさほど変わりがなく，同程度であることが分かる。しかしながら，溝が形成された試験体１，３，４のそれぞれについての３本の試験体（No.１〜No.３）の引張強度を比較すると，らせん溝を形成した試験体３，試験体４に比べて，上述した第１，第２の溝21，22を形成した試験体１（連続繊維補強材１）は試験体ごとの計測値のばらつきが小さいことが分かる。上述した２種類の溝21，22を形成することによって，製品ごとの機械的特性（典型的には引張荷重および引張強度）のばらつきが抑制され，非常に安定した品質を提供できている。

図３〜図５は連続繊維補強材の他の実施例を示している。

図３に示す連続繊維補強材２は，第２の溝23が連続繊維補強材２の表面にらせん状に形成されている点が，環状にのびる複数の第２の溝22を有する上述した連続繊維補強材１と異なっている。第１の溝21は，連続繊維補強材１と同様，連続繊維補強材２の長手方向，すなわち炭素繊維11の繊維方向に沿って形成されている。

図４に示す連続繊維補強材３は，多数本の炭素繊維11が緩やかに撚られており，撚られた炭素繊維11の繊維方向に沿って第１の溝24がらせん状に形成されている点が，炭素繊維11が連続繊維補強材１の長手方向に沿って引き揃えられており，第１の溝21が連続繊維補強材１の長手方向に沿って形成されている上述した連続繊維補強材１と異なる。なお，連続繊維補強材３においても，第１の溝24は炭素繊維11の繊維方向に沿って形成されており，このことは上述した第１，第２実施例の連続繊維補強材１，２と同じである。第２の溝22は，第１実施例の連続繊維補強材１と同様に環状に形成されている。

図５に示す連続繊維補強材４は，多数本の炭素繊維11が緩やかに撚られており，これに応じて第１の溝24が撚られた炭素繊維11の繊維方向に沿ってらせん状に形成され，第２の溝23もらせん状に形成されているものである。

図３〜図５に示す連続繊維補強材２〜４についても，炭素繊維11の繊維方向に沿って形成された複数の第１の溝と，第１の溝と交差するように形成された複数の第２の溝の２種類の溝が表面に形成されている。第２の溝が第１の溝よりも浅く，隣り合う第１の溝の間隔よりも隣り合う第２の溝の間隔の方が広く，さらに第１の溝の幅よりも第２の溝の幅の方が狭いことは共通する。連続繊維補強材２〜４についても，コンクリートとの付着性を高めつつ，引張強度の大きな低下および製品ごとの引張強度のばらつきを抑制することができる。

図６はさらに他の実施例を示すもので，連続繊維補強材５は，上述した連続繊維補強材１の周囲に熱硬化性樹脂13が含浸されたガラス繊維14を配列したものである。多数本の繊維を引き揃えるときに，中心に熱硬化性樹脂12が含浸された炭素繊維11を配置し，かつその周囲に熱硬化性樹脂13が含浸されたガラス繊維14を配置することによって，連続繊維補強材１の全周囲を熱硬化性樹脂13が含浸されたガラス繊維14によって覆った連続繊維補強材５を形成することができる。以下，熱硬化性樹脂13が含浸されたガラス繊維14からなる層を「緩衝層」という。

緩衝層の表面に上述した第１，第２の溝21，22が形成される。炭素繊維11の乱れが抑制されるので，引張強度の低下および製品ごとの引張強度のばらつきをさらに抑制することができる。緩衝層は炭素繊維11の乱れをより抑制するために設けられるので，炭素繊維11よりも安価な合成繊維を用いることができる。また，製造工程の増加はなく，大きなコスト増とはならない。

１，２，３，４，５連続繊維補強材
11 炭素繊維
12，13 熱硬化性樹脂
14 ガラス繊維
21，24 第１の溝
22，23 第２の溝

Claims

第１の所定方向に引き揃えられた，樹脂が含浸された複数本の連続する高強度繊維を備え，
表面に，上記高強度繊維の繊維方向に沿ってのびる第１の溝が間隔をあけて複数形成されており，かつ上記第１の溝に交差して第２の所定方向にのびる，上記第１の溝よりも浅い第２の溝が間隔をあけて複数形成されている，
連続繊維補強材。
上記複数の第１の溝が等間隔に形成されており，かつ第２の溝も等間隔に形成されている，請求項１に記載の連続繊維補強材。
隣り合う第１の溝の間隔よりも隣り合う第２の溝の間隔の方が広い，請求項１または２に記載の連続繊維補強材。
第１の溝の幅よりも第２の溝の幅の方が狭い，請求項１から３のいずれか一項に記載の連続繊維補強材。
上記高強度繊維と異なる複数本の連続する繊維に樹脂を含浸させた緩衝層が表面に設けられており，上記緩衝層の表面に上記第１および第２の溝が形成されている，
請求項１から４のいずれか一項に記載の連続繊維補強材。