JP2022516659A - 高炭素含有量のパネルで製作された壁構造体 - Google Patents

Abstract

本発明は、建築物の耐荷重壁エレメントに関する。本発明は、石、自然石、人工石、セラミック、コンクリート、ガラスまたはガラスを含む材料から作成された、2つの対称的に配置されたキャリアスラブ(1)を備え、絶縁材料(3)から作成される断面が増大する層が、2つのキャリアスラブの間に、完全にまたは部分的に耐剪断性を有する形態で、または固定されない形態で、もしくは耐剪断性を有しかつ固定されない形態で導入され、キャリアスラブ(1)が、ストーンウェア層の片側または中央に配置されたエポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、フェニール樹脂、ポリアミド樹脂、シアン酸エステル、メラミン樹脂、ポリウレタン樹脂、シリコン樹脂もしくはシリカ樹脂をベースとする、またはセラミックもしくは水ガラスをベースとする繊維含有マトリクスにより安定化される。耐荷重壁エレメントは頂部と底部に荷重負荷構造(4)を備え、荷重負荷構造は、恒久耐剪断性接着剤によりキャリアスラブ(1)に接合し、断面増大絶縁層(3)はカーボンを含む材料からなり、2つのキャリアスラブは異なるまたは同一のスラブ材料からなる。

Description

本発明は、住宅及び建物の構築のためのep08874021.2に既に記載されている壁構造体に関する。

〔発明を実施するための形態〕
この壁構造体は、一定の距離に保持された耐圧パネルからなる対称構造を有する。断面を横断する構造を強化する絶縁層は、プレートの間に配置される。2つのプレートは、圧縮力を吸収し、特に、天然石、あらゆるタイプの人造石、コンクリート及び他のアースンウェア、ならびにセラミック、ガラス含有物質又はガラス（以下アースンウェアと呼ぶ）からなるが、それらは耐圧材料であるが、通常破損しやすい脆弱な構造によっても特徴付けられる。花崗岩、片麻岩のような花崗岩様岩石、大理石、石灰岩のような天然石、ならびに耐高圧現代セラミック、ガラスセラミック又はガラス、ならびに石又はセラミック、及び自然に作成された、又は人工的に作成されたアースンウェアから作成された他のすべての材料が、ここで言及されるべきものである。2つのプレートは、それぞれ同一の材料でできていてもよく、又は異なる材料、例えば、天然石から作られた外側ストーンウェア円板と、コンクリート製の内側ストーンウェア円板とからできていていてもよい。

その一方で、これらの材料は、比較的低い比重を有していて、圧縮応力下での高耐荷重を特徴とするが、そのような材料は、特にそれらが可能な限り薄くされ、材料を節約することが必要な場合で、とりわけ可能な限り軽量に作られる場合には、引張荷重及び曲げ荷重の下では比較的不安定である。そのため、これらのパネルには引張抵抗性の補強がなされ、例えば、繊維材料により引張抵抗性が高められている。このため、可能な限り引っ張りに関して安定性を有する繊維と、可能な限り温度安定性を有する結合剤又は樹脂とによるコーティングを使用して、石材表面を繊維で被覆する。炭素繊維、ガラス繊維又は石材繊維、もしくは、これらの繊維と、500℃超までの温度安定性があるシリコーン樹脂又は水ガラス結合剤などの樹脂との混合物が好適である。極端な場合には、ケイ酸塩系接着剤又はそのような結合剤の混合物を使用することもできる。

本発明の主な目的は、絶縁体中の可能な限り多くの炭素を固定することであり、これにより、構造全体をさらに強化し、構造材を全体として可能な限りCO2ネガティブにすることができる。

この目的のために、バイオチャー又は人工的に製造された石炭に基づく絶縁材料が使用される。バイオチャーは、バイオマスの熱分解中に生成される炭素の固体形態であり、これは、その高度に多孔性の構造及び50%を超える炭素含有量を特徴とする。木材、収穫残渣、グリーン道路材料、又はバイオガス植物もしくは下水汚泥からの固体発酵物等の全てのバイオマスは、絶縁材料に使用されるバイオチャーの出発材料として使用できる。あるいは、電気的又は電磁エネルギーや電解プロセスにより、CO2から直接得られる、人工的に製造された石炭も、絶縁層に使用することができる。これらのプロセスはよりエネルギー集約的であるが、これも高度な再生可能電気ミックスを有する国々にとっては魅力的である。炭素は良好な断熱材料であり、絶縁層の重量を減少させ、システム内の炭素の恒久的な貯蔵を保証する。

炭素は、結合剤又はプロパントなどを使用して、圧力安定性のあるプレート間のスペースに入れられるので、プレートは、絶縁層を介して互いに堅固に結合される。セメント、水硬性石灰、ジオポリマ、エポキシ又はポリエステル樹脂だけでなく、プラスチックベース、ガラスベース及び鉱物ベースの発泡体は、石炭、例えばポリウレタン発泡体、膨張ガラス又はガラス発泡体のための結合剤として使用することができる。引張強度、熱伝導、放射性などの物理的特性を向上させるための他の充填剤には利点がある。2つの石材スラブがそれぞれ独立して自立するように設計されている場合には、石炭系材料のルースベッドを使用することができ、永続的な結合が必要とされない。

本発明は、このような薄い石材、アースンウェア、セラミック又は人造石材のスラブの性能を高め、それにより、可能な限り効果的な炭素吸収源として、スラブを安価な方法で持続的に安定化させ、ここで提案された方法で自己支持壁要素とする方法を提案する。石材、セラミック、ガラス、及び薄いコンクリートスラブなどの他の耐圧性材料（以後、それらを集合的にアースンウェアと呼ぶ）は、かつて、一般的に、純粋にファサード被膜などの建物の建設のための付加的な重量を意味していたのだが、今や、それ自体、住宅の壁の耐荷重要素となり、好ましくは使用される炭素繊維を使用することで、石炭系絶縁層となるのである。

重要なことは、このような壁要素は広い温度域で寸法が変化しないので、「バイメタル効果」が抑制されることである。この目的を達成するためには、アースンウェア又はセラミックプレートを張力に対して安定させ、張力によって破損しないようにすることが必要である。さらに、安定させようとする石材と絶縁層との界面にある石材側では、膨張分布勾配を実質的にゼロとなるように設定し、温度が変化しても、石材スラブがどちらの側も傾かず、その結果、広い領域で見える表面が真っ直ぐで、平坦であり、傾斜しないようにしなければならない。

このため、絶縁中間層は多孔性であり、それゆえ膨張安定的であり、境界層が互いに層間剥離することなく、繊維材料が全ての構成要素の膨張を抑制できることが重要である。本発明は、広い温度域及び圧力域における石材スラブの平坦性という特徴を、ファサード要素自体を耐荷重部分として使用するという第3の特性と組み合わせて、本発明のさらなる本質部分にするような、対称的な壁構造体の方法を提案している。この特性は、安定した繊維層との共同により達成されるのであり、繊維層は、好ましくは植物系炭素から製造されるか、あるいはガラス繊維又は石材繊維のような低エネルギー繊維で作成される。

その経路は、熱により引き起こされた様々な力学的負荷ならびに純粋な力学的負荷の下で、アースンウェアが安定していることを保証するのであり、アースンウェアは、その一方で、かつ特に、それぞれの使用法に適している安定化により、壁パネルの剥離という力学的破壊から保護されていて、負荷がある場合でも、熱による湾曲から保護されているのである。また、壁の内外の温度差、及び外気にさらされる側の温度変化に対する寸法安定性も重要である。このことは、パネルが異なる膨張係数を有する異なる材料で作られているという事実によっても支持される。

サンドイッチ構造におけるそのような自己支持壁に最適な絶縁材料を見出すための解決法の本質部分は、可能な限り内側及び外側パネルの全体の膨張係数をできるだけ小さくし、特に、炭素の結合能力により、良好な防火挙動を確保し、高い絶縁値を有するとともに、寸法安定性、防水性及び防霜性を確保することである。鉱物発泡体に加えて、最も有望な候補は、バイオチャーを、繊維安定化されたアースンウェアパネルに接着することによって座屈を防止する、十分な柔軟性と十分な引張強度を有するバイオチャー系建材である。

例えば、自然石スラブ自体が耐荷重要素となり、その結果、2つの機能、すなわち、住宅建築の構造上の要件を最適に取り入れることと、最適な外観を提供することとを満足させる設計は、現在までほとんど知られていない。

この最適な静力学は、このような花崗岩で作られた天然石スラブが、例えば、同じ重量のコンクリートスラブの2倍の高荷重支持能力を有するという事実によって達成される。これにより、従来型のコンクリートやレンガ構造と比較して、より軽量で、より高く、より省スペースな構造が可能になる。鋼を使用した建物と比較しても、重量とスペースが節約できる。と言うのも、例えば、アルミニウムと同じ比重を有する花崗岩は、鋼よりも2.7倍軽量であるが、構造鋼の圧力安定性に近い圧力安定性を有するからである。

壁構造体の構造の詳細は以下の通りである。本発明は、建設部門、特に建物建設、より詳細には、サービスビル付き住宅建設、住居用建物、パビリオン、ホール及び一般的には任意のタイプの建物に関する。本発明の本質は、建物要素として家屋の壁を作成するための技術に関するものであり、この技術は、静的荷重伝達の機能を有し、建物エンベロープの全ての機能を有するファサードを備えており、現在の規格に従う対応する物理的要件を備えていて、これは、今や絶縁材料を通して炭素吸収源となるように改良されることになる。

壁要素はプレハブ化され、建設現場に設置される。天井構造は、壁要素上に配置される。壁要素は、サンドイッチ構造における全ての静的及び構造的要件を組み合わせる。アースンウェア又は他の耐圧材料で作成された外側の薄い円板は、主に通常の力（円板力）を取り込む。それらは、屋内及び屋外の両方で、仕上げ面として直接使用することができる。サンドイッチ構造のコアは、炭素系の、好ましくは剪断抵抗性の断熱材料によって形成される。その断熱材料は、2つの円板が剪断剛性接続なしに自己支持している場合、隣接する円板と接続するか、又はただ絶縁特性を達成するだけかのいずれかである。剛性接続の場合、コアは曲げ負荷からの剪断力を吸収し、その結果、要素を横断する十分な曲げ剛性が得られる。このようにして、要素は、風による負荷のような、吸収され得る要素を横断する、水平方向に発生する座屈及び荷重に抗して固定される。このサンドイッチ要素への床スラブからの荷重伝達及び荷重散逸構造は、垂直荷重を円板上に対称的にもたらし、物理的に支持できない熱の逃げ道を形成することはない。水密性及び気密性は、サンドイッチ材料と特殊な接続細部との相互作用によって保証される。追加の静的構造を持たない荷重レベルは、作用荷重>=75 kN/mである。これらの要素は、静的原理に基づいて、上及び下の天井に振り子支持体として設置されている。断熱値はスイス鉱業基準を満たしている。

薄型円板は、コンクリート、天然石、ガラス、セラミックなどの耐圧性及び剪断抵抗性を有する防水材からなる。それらは、前触れのない全体的な脆性破壊につながる可能性がある、非対称的な熱による変形に起因する引張荷重に対して、ならびに荷重取込領域の応力分布領域における引張応力に対して補強されている。材料及び構造の欠陥も伝達されることがあり、良好な性質を有する、可能な限り展性のある材料挙動が生成される。サンドイッチ構造のコアは、通常、十分に堅固な発泡体で、又はバイオチャーもしくは人工的に製造された木炭を含有する他の結合剤で作成された、剪断抵抗性かつ高絶縁性を有する構造からなる。

負荷の移転は、ガラス繊維複合材もしくは木材、又はフレームワークもしくは炭素質鉱物材料から作成される、弱い熱伝導性圧力かつ剪断抵抗性を有する要素によりなされる。

円板と負荷取込要素との間の接続、ならびに、該当する場合、絶縁コアは、永久的な剪断抵抗接着剤を使用して接着することによって実現される。少なくとも500 ℃の温度抵抗を有する高温耐性水ガラスのような樹脂又は鉱物接着剤に基づく、市販の接着剤が使用される。

絶縁層としては、断面を補強する全ての可能な解決法を、又は炭素含有量の高い土台を、使用することができる。これは、植物の光合成によって大気から除去された化石起源又は非化石起源の炭素であるか、又は工業的に分離されたCO2からなる。植物炭素は熱分解処理によって安定化され、その後、もはや微生物によって分解され得なくなる。バイオチャーは、石材円板間の絶縁層に設置されていて、長期炭素吸収源となる。

マトリックスを有する繊維材料の使用は、石材スラブ自体を安定化するために提案される。特に、好ましくはバイオマスから、又はCO2から直接製造される炭素繊維が使用される。さらに、石材を大きな領域上で安定させ、石材の膨張や破壊を防止する石繊維や天然繊維材料を使用することもできる。天然石自体は非常に低い膨張モジュールを有するが、該モジュールは、天然石がその多孔質構造によって圧縮可能であるので、繊維の安定化によって調整することができる。繊維張力が対応して大きく、正しい繊維が使用される場合、又は繊維を使用して、該当するプレテンションを繊維マトリックスと石材の複合体にもたらすことができる場合、石材スラブの温度による膨張が最小化される。その結果、シートは圧縮と引っ張りに耐えることができ、通常の用途では、剥離及び破損に対するストーンウェアの適切な安定化が保証され、とりわけ、シートは真っ直ぐで平坦である。これにより、対称的な複合体全体におけるこのプレート（繊維安定化石材プレート、絶縁体断面、さらには繊維安定化石材プレート）は、見た目が魅力的であるのみならず、従来の住宅壁及び建築構造よりも約2倍軽量であり、同じ耐荷重性を有する場合ならずっと薄い壁構造体となる。

担体材料（以下、担体と呼ぶ）は、特許出願EP 106 20 92に記載されているように、例えば合成樹脂の、又は最終的にはセラミック材料の繊維強化マトリックスで構成されている。例えば、炭素繊維が使用されるのは、高い引っ張り強度を有し、熱の影響下で収縮し、すなわち負の温度膨張係数を有し、ならびに温度負荷が変化した場合であっても、薄い石材スラブを持続的に安定させるからである。これにより、特に、過延伸によって引き起こされる亀裂に対してプレートが保護され、アースンウェアに垂直な力学的応力によって引き起こされる破壊に抵抗する。

例えば、温度安定性エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ならびにフェノール、ポリイミド、シアネートエステル、メラミン、ポリウレタン、シリコーン又はシアン酸塩もしくは水ガラスをベースにする樹脂はマトリックスと呼ばれるのだが、それらは、負の温度膨張係数を有する炭素繊維と組み合わせられると、1つの階全体の高さである、非常に大きな石材スラブに対しても信頼できる安定化を提供する。加えて、薄い石材構造物の力学的強度及び温度抵抗を最適化するための要件を満たして、プレート全体の湾曲を防止し、軽量の構造を達成するために、プレートの膨張係数全体を広い温度域で抑制できるようにする。このような家屋の壁によって吸収されなければならない圧縮力を壁に移転させるためには、本発明は、ガラス繊維部品、又は、例えばバイオチャー系材料からできている、中実材料のフレームワークを使用する適切な解決法を記述する。その解決法は、高圧抵抗性を有すると同時に、可能な限り大きな絶縁特性を有し、一方では、力を効果的に繊維強化石材スラブに移転し、他方では、熱の逃げ道を防止して、結露を防止し、カビの形成を防止する。ここで説明した新規な壁構造体の全体構造は、必要な蒸気障壁を繊維マトリックスに組み込むという事実を考慮に入れている。絶縁層の石材スラブと炭素系材料はいずれも、水の吸収・放出ができるため、内部の水分バランスの調整効果を有する。石材スラブは、外部でも同じ効果を有し、夏場には、石と絶縁材料に貯蔵された水分が蒸発するときに、冷却面となることができる。適切な花崗岩が使用される場合には、そのような家屋の壁は、完全に防霜されており、耐食性があり、特にそれらの外面が研磨されている場合には、実際上、経年劣化しない。また、絶縁層内のバイオチャーの吸着能力が高いため、結露水が漏れることがなく、カビの形成を防止できる。

このような壁を、それが高炭素含有量を有するように、絶縁層内に追加的に作成する場合、この炭素は、絶縁特性及び水分調整を向上させ、絶縁層の膨張係数及び重量を減少させるばかりでなく、このコンポーネントは、高容量の絶縁層のゆえに効果的な炭素吸収源となり、環境問題に適合した建築材料として気候目標の達成を可能にする。従来の建材を使用する建築ではCO2を放出したが、この新しい構築方法はCO2ネガティブな材料を使用する。この建材は、その製造に使用された材料より多くの炭素を材料中に貯蔵又は隔離する。

特に、バイオチャー系のセメント又はジオポリマモルタル、ならびにポリウレタン、ガラス又は鉱物発泡体から作られたバイオチャー系樹脂又は発泡体が使用される。これらは、外面石材スラブの繊維強化により、自己支持壁及びファサード要素となるが、その製造中に大気中に放出されるCO2の形態で生成された炭素より多くの炭素を貯蔵することができる。中間層に発泡材料の絶縁層を有する繊維安定化石材円板は、比較的軽量で、荷重及び座屈力を吸収することができるように、対称的に構成され、寸法決めされている。このため、炭素含有量が多いにもかかわらず、必要に応じて、適切な張力安定性を持たなければならない。そうでなければ、2つのストーンウェア円板が自己支持体である場合、炭素を、ガラスウール又はロックウールから製造された緩い絶縁材料に混合することができるが、それは、各円板自体が、繊維マトリックスの中間層を有する2つの石材層で構成されるという事実によって達成することができる。

多くの可能な実施形態の1つが、図1に示されている。その図は、1つの炭素層（2）で安定化された2つの石材スラブ（1）を示す。繊維被覆石材スラブの間には、炭素含有量の高い絶縁層（3）が設置されている。絶縁層（3）は、十分な引張強度を有し、パネルが外側に座屈することはあり得ない。十分な引張安定性を有する絶縁層（3）は、図2の断面に示されるように、表面の一部だけを覆うように設計することができ、それにより、石材スラブが中央領域で座屈することを防止することができる。両図はまた、上記及び下記の負荷伝達取込（4）を示す。

図3において、各スラブが内部炭素層を有する2つの石材スラブから形成されるように、繊維被覆石材ができていることが示されている。中央には、炭素含有量の高い絶縁層（3）がある。絶縁層（3）は、石材スラブ間に遊嵌され、又は取り付けられ、補強機能を有しない。

Claims (11)

1. 石、天然石、人造石、セラミック、コンクリート、ガラス又はガラス含有材料からなる2つの対称的に配置された支持プレートを備えた、アースンウェアと呼ばれる建物用耐荷重壁要素であって、
   剪断抵抗性又はゆるいもしくは混合剪断抵抗性を有する、表面全体を覆う、又は表面の一部を覆う2つの担体プレートの間の絶縁材料の断面増加層を有し、
   前記担体プレートは、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ポリアミド樹脂、シアネートエステル樹脂、メラミン樹脂、ポリウレタン樹脂、シリコーン樹脂もしくはケイ酸塩樹脂基材、又はセラミックもしくは水ガラス基材を、片面に有するか、又はアースンウェアの中間に配置されている繊維含有マトリックスで安定化されていて、
   耐荷重壁要素は、頂部と底部に荷重伝達取込構造を有し、これは恒久剪断抵抗性接着剤を介して担体プレートに接続されていて、
   断面を増加させる絶縁層は炭素含有材料からなり、
   2つの担体プレートはそれぞれ異なる又は類似のプレート材料からなる、耐荷重壁要素。
2. 請求項1、2に記載の耐荷重壁要素であって、前記剪断抵抗性及び十分な引張安定性を有する絶縁材料の層が、高張力断熱性発泡体からなり、好ましくはその中で炭素が粉末状に発泡していることを特徴とする耐荷重壁要素。
3. 請求項1に記載の耐荷重壁要素であって、前記剪断抵抗性及び十分な引張安定性を有する絶縁材料の層が膨張ガラスからなり、好ましくはその中で炭素が粉末状に発泡していることを特徴とする耐荷重壁要素。
4. 請求項1に記載の耐荷重壁要素であって、前記剪断抵抗性及び十分に引張安定性を有する絶縁材料の層がセメント系多孔質構造体からなり、好ましくはその中に炭素が粉末状に包含されていることを特徴とする耐荷重壁要素。
5. 請求項1に記載の耐荷重壁要素であって、前記剪断抵抗性及び十分に引張安定性を有する絶縁材料の層が、非セメント系鉱物多孔質構造体からなり、好ましくはその中に炭素が粉末状に包含されている耐荷重壁要素である。
6. 請求項1から5のいずれか1項に記載の耐荷重壁要素であって、前記担体プレートのそれぞれにおいて、絶縁材料からなる補剛材が、例えば、発泡した炭素被覆材からなる補強リブの形態において、前記担体プレート間の一定の距離で前記領域の全面を覆っていないが、その一部を覆っていて、かつ前記補剛材が担体プレートのいずれか一方にのみ個別に取り付けられているか、又は両方のプレートにフォースロック方式で取り付けられていることを特徴とする耐荷重壁要素。
7. 請求項1から6のいずれか1項に記載の耐荷重壁要素であって、前記コンポーネントが、壁又はプレハブ住宅要素として、又は高層構造の耐荷重要素として使用されることを特徴とする耐荷重壁要素。
8. 請求項1から7のいずれか1項に記載の耐荷重壁要素であって、前記建材に用いられる炭素が、発熱性植物系又は任意の形態の生物学的出発原料から熱分解により製造されるか、人工的に製造されることを特徴とする耐荷重壁要素。
9. 請求項1から8のいずれか1項に記載の耐荷重壁要素であって、前記建材に用いられる発熱性炭素は、活性化、加湿、洗浄、酸性化、磁化等の各種の熱分解後処理が施されていることを特徴とするものであるか、又はバイオオイル、フミン酸、タンニン及び類似物質のような有機添加剤と混合されることを特徴とする耐荷重壁要素。
10. 請求項1から9のいずれか1項に記載の耐荷重壁要素であって、前記炭素系絶縁層が、セメント、石灰、ジオポリマ、エポキシ、ポリエステル樹脂及びポリウレタン発泡体のような公知の結合剤と混合され、処理されていることを特徴とする耐荷重壁要素。
11. 請求項8に記載の耐荷重壁要素であって、前記絶縁層の炭素は、電気的又は電磁的エネルギーや電解法を使用してCO2から直接得られることを特徴とする耐荷重壁要素。

Images