JP2022040589A - 真空含浸成形方法。 - Google Patents

Abstract

【課題】構造物に対するＦＲＰ補強のためのＶａＲＴＭ工法において、冬場の低温時や経年劣化によって両面テープの柔軟性や粘着力が低下しても密封作業を簡単、迅速、確実に実施することができるプラスチックフィルムの密封方法を用いることによって作業性を向上させる。【解決手段】構造物の被補強範囲の周囲に両面テープを敷設するとともに被補強範囲に強化繊維シートを配置し、前記強化繊維シートを覆うようにプラスチックフィルムを前記両面テープで接着して、密封空間を形成した後、該密封空間を減圧して樹脂を注入し、硬化させる、真空含浸成形方法において、前記プラスチックフィルムを接着した後に、前記両面テープと接着している前記プラスチックフィルムの表面あるいは前記両面テープの側面に、超音波振動端子から超音波振動を供給することを特徴とする真空含浸成形方法。【選択図】図１

Description

本発明は、真空含浸成形法（ＶａＲＴＭ成形： Ｖａｃｕｕｍ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ）に関するものである。

既存の橋梁や建築物などを補強する手段の一つとして、繊維強化プラスチック（以下、ＦＲＰと称す）を表面に接着する方法が知られている。ＦＲＰを接着する方法として、現場で、ドライの強化繊維シートに常温硬化型樹脂を塗布し、含浸ローラー等を使って樹脂を含浸・硬化させて補強する方法（ハンドレイアップ工法）や、工場で成形した炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）帯板材をパテ状の接着剤で貼り付けて補強する方法（ラミネート工法）が一般的である。

近年では、航空機の部材や風車の部材などで使われているＶａＲＴＭ成形を応用して、橋梁や建築物を現場で補強する工法（以下、ＶａＲＴＭ工法と称す）が開発されている。例えば、特許文献１には、腐食欠損した既設の鋼構造物に対しＶａＲＴＭ成形を適用することにより、鋼構造物とＦＲＰ材とを一体化して補強する成形・接合技術が示されている。

このＶａＲＴＭ工法は、現場で、両面テープで囲った範囲にドライの強化繊維シートを重ね、その範囲を覆うように可撓性のあるプラスチックフィルムを設置してその周囲を両面テープで接着することにより密封空間を形成し、真空ポンプで密封空間内部を減圧した後に樹脂を注入・硬化させて、既設構造物表面にＦＲＰ補強材を形成して補強する方法である。多積層の強化繊維シートを一気に含浸出来るため工期短縮が可能となるだけでなく、既設構造物の形状に合わせてＦＲＰ補強材を現場で形成・接着でき、かつ立体状のＦＲＰ補強材を形成できる、ＦＲＰ補強材の性能のバラツキが非常に小さい、といった利点を有している。

このＶａＲＴＭ工法を使って良質の補強を達成するためには、プラスチックフィルムや両面テープで囲った空間に真空状態を形成し、樹脂含浸後に樹脂が硬化するまで空気が入らないように密封状態を維持することが重要となる。その重要な役割を担う材料が、柔軟かつ適度な粘着性を持った両面テープである。

通常の工場内で行われるＶａＲＴＭ成形では、温度や湿度が管理された屋内で、かつ成形用に整備された金型上でＦＲＰ材が作られる。そのため、両面テープの柔軟性や粘性は維持できており、複雑な型の形状に問題無く追従し、密封状態を維持することができる。

特開２０１７－８６０９号公報

しかしながら、ＶａＲＴＭ工法においては、既設構造物の補強現場のように屋外環境にあるなどの理由によって、温度管理ができない場合がある。特に気温が下がる冬場や深夜の施工の場合、両面テープの柔軟性や粘着性が低下するため、構造物表面の形状変化に追従し難くなったり、プラスチックフィルムや構造物表面に付着し難くなったりする。また、両面テープの経年劣化によっても柔軟性や粘着性の低下が起こる。その結果、樹脂を注入する前の真空化作業に手間取り、作業時間が大幅に伸びたり、また樹脂注入中や養生中に生じた微細な隙間から空気が入ってＦＲＰ補強材の品質が劣化したりする恐れがある。そのため、従来は、ローラー等を使って両面テープを強く押し付けて押しつぶすことで、両面テープを構造物の表面凹凸やプラスチックフィルムの変形に追従させていた。

本発明は、構造物に対するＦＲＰ補強のためのＶａＲＴＭ工法において、冬場の低温時や経年劣化によって両面テープの柔軟性や粘着力が低下しても密封作業を簡単、迅速、確実に実施することができるプラスチックフィルムの密封方法を用いることによって作業性を向上させることを課題とするものである。

本発明は、超音波を発する機器を用いて両面テープの柔軟性および粘着性を高めることによって、構造物の形状への追従性を高め、プラスチックフィルムによる密封空間をより確実に形成することを特徴とする真空含浸成形方法である。

すなわち、本発明は、構造物の被補強範囲の周囲に両面テープを敷設するとともに被補強範囲に強化繊維シートを配置し、強化繊維シートを覆うようにプラスチックフィルムを両面テープで接着して、密封空間を形成した後、該密封空間を減圧して樹脂を注入し、硬化させる、真空含浸成形方法において、プラスチックフィルムを接着した後に、両面テープと接着しているプラスチックフィルムの表面あるいは両面テープの側面に、超音波振動端子から超音波振動を供給することを特徴とする真空含浸成形方法である。

本発明によれば、気温や両面テープの経年劣化に左右されることなく、短時間で密封空間を確実に形成することが可能となり、ＶａＲＴＭ工法の作業性を大幅に向上することができる。

本発明におけるプラスチックフィルムの密封方法の一例を示す模式図である。 液体を介在させて超音波振動を供給する場合のプラスチックフィルムの密封方法を示す模式図である

一般に、ＶａＲＴＭ工法においては、構造物の被補強範囲の周囲に両面テープを敷設するとともに被補強範囲に強化繊維シートを配置し、強化繊維シートを覆うようにプラスチックフィルムを両面テープで接着して、密封空間を形成した後、該密封空間を減圧して樹脂を注入し、硬化させる。

構造物は特に限定されないが、前述の通り屋外での施工に適した本発明の方法は、移動させることが困難な既設構造物の補強に有効である。典型的には、本発明の方法は、既設建造物、例えば橋梁、鉄塔、タンク、トンネル、ビル、プラント、太陽電池パネル、風力発電用ブレード、航空機部材、自動車部材や、舟艇、石油プラットフォーム等、の補強方法として実施され、中でも腐食等により劣化した金属製やコンクリート製の建造物の補強に好ましく用いられる。コンクリート製の建造物の場合、プライマーやパテといった樹脂系素材で表面がコーティングや強化されたものが対象として好ましい。

以下、既設構造物の補強を行う場合を例に本発明の方法を説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、当業者には容易に理解されるように、本発明の方法は特に対象を限定せずともあらゆる構造物に対して施工し得るものである。例えば、移動させることが可能な構造物、例えば運用中の船舶や海洋構造物、自動車、航空機の補強等にも、本発明の方法は有効である。

ＶａＲＴＭ工法においては、はじめに、既設構造物の被補強範囲の表面を、ディスクグラインダー等で錆や汚れ等を除去することが好ましい。

そして、本発明の方法においては、まず既設構造物の被補強範囲の周囲に両面テープを敷設し、被補強範囲、すなわち両面テープで囲んだ内側の範囲に強化繊維シートを配置する。このとき、一般的には、離型クロス、樹脂拡散ネットや吸引および樹脂注入チューブを同時に設置する。

離型クロスとは、FRPから後述する樹脂拡散ネットを容易に除去することができるように敷設される、含浸樹脂をクロス目から通すことが可能な織網状シートでありナイロン製タフタなどが用いられる。更に離型クロスは、含浸する樹脂と付着し難い材料、例えばフッ素系材料がコーティングまたはラミネートされた材料により形成されたものが好ましく用いられる。樹脂拡散ネットは、通常、強化繊維シート表面や、強化繊維シート同士間に挟む、含浸する樹脂が強化繊維シートに比べ低い抵抗で流動する目の粗いメッシュシートであり、具体的にはポリエチレン製やポリプロピレン製のメッシュシートが好ましく用いられる。また、吸引チューブは、プラスチックフィルム内部と真空ポンプを繋ぐプラスチックチューブであり、真空ポンプの稼働によってプラスチックフィルム内部の空気を吸い取る役割を有する。吸引ューブは、吸引中につぶれることなく、且つ樹脂注入後に樹脂硬化するまでの間に、真空をキープする必要から、チューブをクランプで締め込めるよう、ナイロン製チューブが好ましく使用される。また樹脂注入チューブはプラスチックフィルム内部と樹脂ポットを繋ぐプラスチックチューブであり、樹脂を流し混む役割を有する。当該チューブも吸引チューブと同様に材質はナイロン製が好ましく使用される。

そして、減圧のための密封空間を形成するために、既設構造物の表面を金型に見立て、被補強範囲の強化繊維シートを覆うようにプラスチックフィルムを両面テープで接着する。しかしながら、実際の既設構造物の表面は粗く、平滑になっていない場合がほとんどである。また、プラスチックフィルムは非常に薄く、かつ可撓性であるため容易に変形する。そのため、両面テープには、表面凹凸や変形に追従して密着できるように柔軟性が要求される。

両面テープは一般的に合成ゴムや熱可塑性樹脂で構成されているため、２０℃程度の気温下では、指で強く押したら変形する程度の硬さを有している。しかし、１５℃以下の冬場では極端に硬くなったり、粘着力が低下したりすることが知られている。さらに、経年によっても合成ゴムや熱可塑性樹脂が硬化し、柔軟性や粘着力が低下する。ＶａＲＴＭ工法に一般的に用いられる両面テープとしては、例えば、エチレン・プロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、スチレン・ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ブチルゴム（ＩＩＲ）、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、アクリルゴム、ウレタンゴム、シリコーンゴムやフッ素ゴム等の合成ゴム製のものが挙げられる。特に好ましくは、ＶａＲＴＭ成形用に開発されたシーラントテープ、例えばＡＩＲＴＥＣＨ社のＡＴ－２００Ｙを挙げることができる。

プラスチックフィルムは特に限定されず、既設構造物の形状追従できるもので、破れにくくて薄く、かつ両面テープと密着できる素材を適宜選択できる。特に好ましくは、ＶａＲＴＭ成形用に開発されたバギングフィルム、例えばＡＩＲＴＥＣＨ社のＷＬ－７４００等のナイロンフィルムを挙げることができる。

本発明の方法においては、プラスチックフィルムを接着した後に、両面テープと接着されているプラスチックフィルムの表面、あるいは両面テープの側面に、超音波振動端子から超音波振動を供給することによって、両面テープの柔軟性を回復させ、両面テープおよびプラスチックフィルムの既設構造物への追従性を向上させることを特徴とする。

超音波振動を供給するには、超音波振動を発する端子をプラスチックフィルムもしくは両面テープに接触させてもよい。しかし、押し付けすぎると両面テープが過度に軟化してプラスチックフィルムの端からはみ出る場合があるため、軽く押す程度に接触させることが好ましい。

また、超音波振動端子をプラスチックフィルムもしくは両面テープに直接接触させなくても、プラスチックフィルムの表面あるいは両面テープの側面との間に液体を介在させることで、超音波振動をプラスチックフィルムもしくは両面テープに伝達することができる。液体を介在させると、端子の面積より広く超音波振動を伝達することが可能となり、作業効率が上がるため好ましい。介在させる液体は、超音波振動を効率的に伝える観点から、粘度が４００ｍＰａ・ｓ以下の液体が好ましく、入手が容易で廃棄の問題もない水が特に好ましい。

超音波振動の周波数は、高すぎると両面テープの軟化速度が速まり、現場作業員のコントロールが難しくなること、低すぎると軟化に時間を要することから、１０ｋＨｚ～１００ｋＨｚを用いることが好ましく、２０ｋＨｚ～６０ｋＨｚを用いることがより好ましい。すなわち、超音波振動端子としては、２０kHzから６０kHzを発することが可能なものが好ましい。

本発明の方法においては、図１に示すように、両面テープと接着しているプラスチックフィルムの表面、あるいは両面テープの側面に超音波振動端子を当てて、両面テープに沿うようになぞりながら超音波振動端子を移動させる。あるいは、図２に示すように、両面テープと接着しているプラスチックフィルムの表面、あるいは両面テープの側面に、液体（好ましくは水）を垂らして、その液体と超音波振動端子が触れるようにして両面テープ部に沿うようになぞりながら超音波振動端子を移動させる。

その後、プラスチックフィルムや両面テープを目視、触診してプラスチックフィルムの破けや両面テープの浮きといった異常がないことを確認したのちに、真空ポンプを稼働して真空化を行う。空気漏れが確認されたら、プラスチックフィルムの表面、あるいは両面テープの側面に再度超音波振動を供給し、空気漏れをなくす。

プラスチックフィルム内部の真空化が確認できたら、バイスなどを用いて吸引チューブおよび樹脂注入チューブを一旦圧閉し、プラスチックフィルム内部の真空状態を維持する。次いで、注入する樹脂を準備する。樹脂は限定されないが、一般には熱硬化性樹脂で、不飽和ポリエステル樹脂やビニルエステル樹脂、エポキシ樹脂等が用いられ、中でも含浸時間が短縮化できる低粘度の樹脂が好ましく使用される。

そして必要な樹脂を貯留した樹脂ポットを所定場所に設置し、樹脂ポットと、プラスチックフィルムで覆われた密封空間から延長されている樹脂注入チューブとを連結させる。その後、吸引チューブ側を圧閉するために使用したバイスなどを外してプラスチックフィルム内部と真空ポンプを繋ぐラインを連結させ、次いで樹脂注入チューブを圧閉していたバイスなどを外し樹脂ポット内の含浸樹脂とプラスチックフィルム内部を繋ぐラインを開通すると、樹脂は樹脂注入チューブ内に流入し、プラスチックフィルム内部の樹脂拡散ネット、離型クロスを通じ、強化繊維シートに拡散し、含浸されていく。すなわち、プラスチックフィルム内部が真空化されているので、含浸樹脂は樹脂注入チューブから吸引チューブに向かって流れていき、強化繊維シート全体に樹脂が含浸されていく。含浸樹脂が吸引チューブ内まで到達していれば、当該密封空間内部には含浸樹脂が満たされている目安になる。含浸樹脂が吸引チューブ内に到達後も、そのまま真空ポンプを稼働続ける場合もあるが、一般には樹脂注入チューブ、ならびに吸引チューブをバイスなどで圧閉し、含浸樹脂の供給および排出を停止して、密封空間を維持しながら樹脂の硬化を行う。
この樹脂注入中や樹脂硬化中に両面テープとプラスチックフィルムもしくは両面テープと構造物との間に微細な隙間が生じると空気が混入し、FRP補強材の品質が劣化するが、本発明のようにプラスチックフィルムの表面あるいは前記両面テープの側面に超音波振動を供給することにより、このような隙間の発生を抑止することができる。

含浸樹脂の硬化は、既設構造物への施工の場合、通常常温で行うため、使用する含浸樹脂の材質や特性、ならびに現場の気温、温度により、半日～1週間程度そのまま静置し硬化させることとなる。硬化が完了すると、一般的にはプラスチックフィルム、樹脂拡散ネット、離型クロス、樹脂注入チューブ、吸引チューブ、そして両面テープを取り外し、含浸、硬化した強化繊維シート、つまりFRPが既設構造物の被補強範囲に成形される。

１ 既設構造物
２ 両面テープ
３ プラスチックフィルム
４ 超音波振動端子
５ 液体

Claims (5)

1. 構造物の被補強範囲の周囲に両面テープを敷設するとともに被補強範囲に強化繊維シートを配置し、前記強化繊維シートを覆うようにプラスチックフィルムを前記両面テープで接着して、密封空間を形成した後、該密封空間を減圧して樹脂を注入し、硬化させる、真空含浸成形方法において、
   前記プラスチックフィルムを接着した後に、前記両面テープと接着している前記プラスチックフィルムの表面あるいは前記両面テープの側面に、超音波振動端子から超音波振動を供給することを特徴とする真空含浸成形方法。
2. 前記超音波振動端子と、前記プラスチックフィルムの表面あるいは前記両面テープの側面との間に液体を介在させて前記超音波振動を供給する、請求項１に記載の真空含浸成形方法。
3. 前記液体が水である、請求項２に記載の真空含浸成形方法。
4. 前記超音波振動の周波数が１０ｋＨｚ～１００ｋＨｚである、１～３のいずれかに記載の真空含浸成形方法。
5. 前記両面テープの材質が合成ゴムもしくは熱可塑性樹脂である、請求項１～４のいずれかに記載の真空含浸成形方法。
   

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