JP2022518184A - 複合構造体、コンクリート補強用繊維およびコンクリート補強用繊維の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高い強度を有する複合構造体を提供する。【解決手段】複合構造体は、コンクリートマトリックスと、コンクリートマトリックスに埋め込まれた繊維とを含む。繊維は、鋼を含む。繊維の表面は一連の条痕を有する。一連の条痕は、条痕パターンに配置される。【選択図】図１

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１９年１月１０日に出願され、出願番号第６２／７９０，７７６号が付与された「縞状繊維を基にしたコンクリートの補強」と題する米国仮特許出願の利益を主張し、その開示全体が参照により本明細書に明確に組み込まれる。
［技術分野］
本発明は、概して、繊維ベースのコンクリート補強材に関する。

セメント構造は、本質的に脆い。セメントマトリックスは、その引張強度よりもはるかに高い圧縮強度を有する。したがって、セメント構造体は、引張応力下で割れる傾向がある。

得られるセメント構造体の引張および曲げ強度、エネルギー吸収、および靭性を改善するために、様々な繊維がセメントマトリックスに添加されている。例えば、ガラス繊維および炭素繊維は、束またはストランドに使用されており、各ストランドは多数のフィラメントを有する。ポリマー繊維は、モノフィラメント、フィブリル化フィルムネットワーク、束、撚糸、および編組ストランドを含む様々な形態を有する。これらの繊維は、繊維とセメントマトリックスとの間の結合を改善するために処理された表面（エッチングまたはプラズマ処理）を有することができる。

鋼繊維はまた、コンクリートを補強するために使用されてきた。鋼繊維は、円形（ワイヤから切断）、平坦（鋼板から剪断）、および溶融物から不規則な形状のいくつかの形状で提供されている。繊維とセメントマトリックスとの間の結合は、端部でのクリンピング、ねじり、フックまたはパドルの追加、または表面の粗面化などの機械的変形によって強化されている。

超高性能コンクリートは、高密度に充填された構成要素のマトリックス、ならびに鋼繊維による補強を有するコンクリート材料である。従来のコンクリートの７倍など、例外的な強度レベルが達成される。超高性能コンクリートはまた、著しく高いエネルギー散逸容量、はるかに改善された塩化物浸透抵抗、および高い凍結融解抵抗を提供する。残念なことに、超高性能コンクリートの利点はしばしば高コストに凌駕される。高コストのかなりの部分（例えば、７０％）が鋼繊維に関連している。さらに悪いことに、繊維マトリックス結合力を高めるために繊維の変形を使用すると、コストがさらに増加する。

本発明の一態様によれば、複合構造体は、コンクリートマトリックスと、コンクリートマトリックスに埋め込まれた繊維とを含み、繊維は鋼を含む。繊維の表面は、一連の条痕を有し、一連の条痕は、条痕パターンに配置されている。

本発明の別の態様によれば、表面を有する鋼棒と、鋼棒の表面の一連の条痕とを含む、コンクリート補強用繊維である。一連の条痕は、条痕パターンに配置される。

本発明のさらに別の態様によれば、コンクリートを補強するためにコンクリートに埋め込まれる繊維を製造する方法は、繊維をプレス機に提供するステップであって、プレス機が一対のプレス片を備え、一対のプレス片がギャップ（間隙）だけ互いに離間しており、一対のプレス片が少なくとも1つの丸みを帯びたプレス片を備えている、ステップと、丸みを帯びたプレス片を回転させるステップと、一対のプレス片の間のギャップを通して繊維を供給するステップであって、ギャップが繊維の直径よりも小さい、ステップと、ギャップを通して繊維を供給した後に繊維を繊維部分に切断するステップとを含む。一対のプレス片の少なくとも一方は、繊維を条痕化して、一組の歯に応じた条痕パターンを有する繊維に一連の条痕を形成するように構成された一組の歯を含む。

前述の態様のいずれか1つに関連して、本明細書に記載の構造および／または方法は、代替的または追加的に、以下の態様または特徴の1つまたは複数の任意の組み合わせを含むことができる。具体的なマトリックスは、複数の剪断キーを含み、複数の剪断キーの各剪断キーは、一連の条痕のそれぞれの条痕に配置された具体的なマトリックスのそれぞれの部分を含む。繊維は、長手方向軸線を有する。一連の条痕は、繊維の長手方向軸線を変更しない。長手方向軸線は、繊維の全長の直線軸線である。一連の条痕の少なくともサブセットは、長手方向軸線を横切る方向に細長い。一連の条痕の少なくともサブセットは、長手方向軸線に対して対角線上に配向された方向に細長い。条痕のパターンは、長手方向軸線に沿って繰り返される。 一連の条痕の各条痕は、伸長され、２つの端部で終端する。一連の条痕の各条痕は、互いに平行に配向される。一連の条痕は、平行な条痕の複数のサブセットを含む。繊維は円形断面を有する。一連の条痕の各条痕は、円形断面のセグメント内に配置される。繊維の表面は、さらなる一連の条痕を有する。さらなる一連の条痕の各条痕は、円形断面のさらなるセグメント内に配置される。繊維は、直線状の断面を有する。鋼棒は、円形断面を有する。一連の条痕の各条痕は、円形断面のセグメント内に配置される。鋼棒の表面は、一連の条痕の外側が滑らかでないように、一連の条痕の外側に摩耗を有する。ギャップは、繊維がギャップを通って供給されるにもかかわらず繊維の直線長手方向軸線が維持されるように、繊維の直径に対してサイズが決められる。一組の歯は、一連の条痕が、繊維の長手方向軸線に対して対角線上に配向された対角線状の条痕を含むように構成される。一組の歯は、一連の条痕が繊維の長手方向軸線に対して横方向に配向された横条痕を含むように構成される。本方法は、繊維をギャップを通って供給した後に繊維を回転させるステップと、繊維を回転させた後に再びギャップを通って繊維を供給して、繊維内に第２の一連の条痕が形成されるようにするステップとをさらに含む。本方法は、繊維を供給しながら繊維を回転させるステップをさらに含む。方法は、プレスの第２の対の丸みを帯びたプレス片の間の第２の間隙を通して回転した繊維を供給するステップをさらに含み、間隙は繊維の直径よりも小さい。

本発明をより完全に理解するために、以下の詳細な説明および添付の図面を参照する必要があり、図面において、同様の参照番号は、同様の要素を識別する。

一例による、条痕パターンに配置された一連の条痕を有するセメント強化繊維の概略斜視図である。 一例による、一連の横方向の条痕を有するセメント強化繊維の斜視図である。 一例による、横方向および対角方向の両方の条痕を有する条痕パターンを有するセメント強化繊維の斜視図である。 一例による、1つまたは複数の条痕パターンに配置された1つまたは複数の一連の条痕を有するセメント強化繊維を製造するためのシステムの概略図である。 一例による、コンクリートに埋め込まれるコンクリート強化繊維を製造する方法のフロー図である。 横方向に縞が入った繊維または滑らかな繊維のいずれかを有するコンクリート構造によって、様々な量のスリップで示される引抜き応力レベルのプロットである。 斜め縞状繊維または滑らかな繊維のいずれかを有するコンクリート構造によって、様々な量のスリップで示される引抜き応力レベルのプロットである。 線条繊維または平滑繊維のいずれかを有するコンクリート構造物の応力－歪み関係のプロットである。

開示された構造、繊維、および方法の実施形態は、様々な形態をとることができる。特定の実施形態は図面に示されており、本開示は例示を意図していることを理解して以下に説明される。本開示は、本明細書に記載および例示された特定の実施形態に本発明を限定することを意図するものではない。

条痕パターンを有するコンクリート強化繊維、およびそのような条痕繊維を有する複合構造体が記載される。ストリップ繊維を製造するシステムおよび方法も記載される。繊維の表面の縞模様は、繊維とコンクリートマトリックスとの間の結合を改善する。条痕は、繊維とコンクリートマトリックスとの間の結合を確立する繊維の表面特性を利用および／または干渉し得る。したがって、所与の量／繊維数に対してより高い引張強度レベルが達成される。代替的または追加的に、改善された結合は、所望のレベルの引抜き強度および／または結合抵抗を達成するために使用される繊維をより少なくすることを可能にし、それによってコンクリートの全体的なコストを低減することができる。

開示された繊維は、超高性能コンクリートのマトリックスに埋め込まれてもよい。超高性能コンクリートのマトリックスは、条痕に染み込むか、そうでなければ条痕に配置されるようになる。コンクリートマトリックスは、剪断および摩擦による繊維の引抜きに耐える。したがって、具体的なマトリックスは、各条痕に配置されたせん断キーを含むと考えることができる。

条痕の使用は、繊維が直線状の長手方向軸線を保持することを可能にする。直線軸線を維持すると、繊維の軸方向剛性が維持される。直線軸線はまた、 (エネルギーを散逸させる機構として屈曲軸を使用する繊維と比較して)より短い長さを使用することを可能にする。長さが短いほどコストが低くなる。繊維の軸に関連して本明細書で使用される場合、「直線」という用語は、実質的にまたは効果的に直線を意味すると理解されるべきである。例えば、繊維は、開示された手順から生じる少量の湾曲（例えば、転造手順）および／または出荷および／または保管中に巻き付けられたままの残留湾曲を有することができる。いずれの場合も、わずかな曲率は繊維の軸方向剛性に影響しない。その結果、繊維は実質的にまたは効果的に真っ直ぐである。

様々な異なる条痕パターンを実現することができる。なお、条痕パターンは、以下に示すものに限定されない。例えば、縞模様は、らせん状、直線状、円形、楕円形、十字形、および任意の他の幾何学的形状または模様であってもよい。各種パターンは、ローレットを変更することで実現してもよい。条痕の幾何学的形状は、応答を調整するために、例えば、強度またはエネルギー散逸（例えば、ブラスト用途の場合）を最適化するために使用することができる。窪みの深さはまた、例えば、繊維を線条化するために使用される２つのプレス片間の距離を調整することによって最適化または変更することができる。

開示された繊維は、コストを大幅に増加させない製造プロセスに従って製造することができる。開示された方法は、繊維切断に関連して便利かつ費用効果的に実施することができる。開示された方法は、一対の回転プレス片を使用して、条痕を形成することができる。したがって、条痕の形状は、プレス片の一方または両方のローレットの歯の形状によって決定され得る。回転プレス片は、繊維の長手方向軸線が維持される（例えば、直線）ため有用である。そのために、プレス片（例えば、歯またはローレット）間のギャップは、繊維を非直線軸に曲げないように十分に小さくてもよい（例えば、繊維径よりも小さい、例えば、約０．２ｍｍ）。ギャップサイズはまた、くぼみまたは条痕の深さ（例えば、約０．０５ｍｍであるが、他の深さが使用されてもよい。)を決定することができる。

ローレットに基づく方法に関連して説明したが、開示された繊維は、他の方法によって製造されてもよい。プロセスは、材料のインデンテーションおよび/または除去を対象とすることができる。例えば、化学エッチングプロセスまたはレーザエッチングもしくはアブレーションプロセスを使用することができる。表面インデンテーションおよび／または材料除去に関するさらに他の技術が使用されてもよい。

超高性能コンクリートについて説明したが、開示された繊維は、様々な異なるコンクリート混合物を補強するために使用することができる。例えば、開示された繊維は、従来のコンクリートマトリックスに埋め込まれてもよい。多種多様な他のコンクリート混合物は、例えばポリマーコンクリートを含む、開示された繊維から利益を得ることができる。超高性能コンクリートのマトリックスおよび他の特性も変化し得る。例えば、超高性能は、El-Tawil et al.,“Field Application of Nonproprietary Ultra-High-Performance Concrete,”www.concreteinternational.com（２０１８年１月）に記載されているように構成することができる。したがって、具体的な行列の特性はかなり変化し得る。

円形断面の真っ直ぐな鋼繊維に関連して説明したが、縞模様は、他の形状および種類の繊維に適用されてもよい。例えば、繊維の材料組成は変化し得る。他の丸みを帯びた（例えば、楕円形）および丸みを帯びていない(例えば、長方形、三角形、および他の直線状)繊維が使用され得るため、繊維断面も変化し得る。繊維の表面も変化し得る。したがって、縞模様は、滑らかな繊維、粗面化された繊維もしくは表面摩耗を有する他の繊維、または捲縮、フック、ねじれた繊維、または非直線長手方向軸線を有する他の繊維などの変形した繊維を含む様々な種類の繊維の性能を高めるために適用され得る。

図面を参照すると、図1は、コンクリートマトリックス１０２を含む複合構造１００を示す。コンクリートマトリックス１０２は、任意のコンクリート混合物または材料であり得るか、それらを含み得る。したがって、具体的なマトリックス１０２の組成は変化し得る。場合によっては、コンクリートマトリックス１０２は、フランスのLaFarge CompanyからDuctalとして市販されている混合物などの超高性能コンクリートであるか、それを含む。超高性能コンクリートは、代替的または追加的に、その開示全体が参照により本明細書に組み込まれる米国特許第６，０８０，２３４号（「コンポジットコンクリート」）に記載されているように構成されてもよい。他の場合には、超高性能コンクリートは、上記の論文に記載されているように構成することができる。

コンクリートマトリックス１０２の組成は、上記の超高性能コンクリート混合物と異なっていてもよい。例えば、上記のセメント混合物を含む伝統的なコンクリート混合物および他のコンクリート混合物を代わりに使用してもよい。

複合構造体１００は、コンクリートマトリックス１０２に埋め込まれた一本以上の繊維１０４を含む。繊維１０４は、不連続繊維強化方式でコンクリートマトリックス１０２を強化する。したがって、繊維１０４は、複数の向きに配向された個別の繊維としてコンクリートマトリックス１０２に埋め込まれる。

図1に示す繊維１０４は、繊維全体、またはコンクリートマトリックス１０２に埋め込まれた繊維の部分もしくは一部のみを表すことができる。一例では、繊維長は約６ｍｍ～約５０ｍｍの範囲にあるが、他の長さを使用してもよい。軸方向長さは、繊維１０４の他の寸法など、セメントマトリクス１０２および／または繊維１０４の他の特性が与えられると、かなり変化し得る。

図1の例では、繊維１０４は円形断面を有する。繊維径は、約０．１ｍｍ～約１．０ｍｍの範囲であってもよいが、他の直径を使用してもよい。一例では、繊維径は約０．２０ｍｍであるが、他の繊維径を使用してもよい。他の繊維形状を使用してもよい。例えば、繊維１０４は板状であってもよい。他の直線形状および非丸み形状も使用されてもよい。

場合によっては、繊維１０４は鋼から構成されるか、そうでなければ鋼を含む。繊維１０４の組成は、他の方法で変化してもよい。例えば、繊維１０４は、強度を高め、耐食性を改善し、および／または他の材料特性を達成するために鋼に組み込まれた1つまたは複数の追加の材料を含むことができる。場合によっては、繊維１０４は、製造を助け、耐食性を提供するために真鍮でコーティングされてもよい。

各繊維１０４は、棒状であってもよい。したがって、各繊維１０４は、ロッドとして構成されてもよく、あるいはロッドを含んでもよい。場合によっては、繊維１０４は鋼棒であるか、鋼棒を含む。ロッドの構成および他の特性は変化し得る。例えば、ロッドは、場合によってはワイヤと見なされるか、またはワイヤとして構成されてもよい。他のタイプのロッドまたは他の繊維が使用されてもよい。したがって、「ロッド」 という用語は、多種多様な直径、形状、およびサイズを含むように広い意味で使用される。例えば、ロッドは、断面形状にかかわらず、任意のタイプの細長いバーであってもよく、またはそれを含んでもよい。

本明細書に記載されるように、鋼棒または他の繊維１０４の表面は、その中に形成された一連の条痕１０６を有する。各条痕１０６は、繊維１０４の表面のくぼみまたは他のノッチまたは凹部であり得るか、それらを含み得る。 セメントマトリックス１０２は、各条痕１０６内に浸透するか、そうでなければ配置される。

各条痕１０６は、刻印、材料除去、および／または他の条痕技術によって形成されてもよい。プレスベースのストリエーション技術（条痕の技術）の例は、図４および図５の製造システムおよび方法に関連して以下に説明される。化学的、レーザ、または他のエッチングもしくはアブレーション方法を代替的または追加的に使用して、繊維１０４を条痕化することができる。したがって、各ストリップ１０６が形成される方法は変化し得る。繊維１０４は、任意の数の条痕１０６を有することができる。

条痕１０６は、説明を容易にするために図１に概略的に示されている。したがって、各ストリップ１０６の形状は、図示の例から変化してもよい。例えば、場合によっては、各ストリップ１０６は、その外縁に沿ってリッジまたは他の隆起部分を有することができる。隆起部は、剥離手順中に形成されてもよい。例えば、隆起部は、材料が条痕１０６によって占められる領域から押し出されるときに形成されてもよい。

一連の条痕１０６は、条痕パターンに配置される。図１の例では、線条パターンは、互いに平行に配向された1組の線条を含む。線条パターンは、繊維１０４の長手方向軸線１０８に沿って繰り返される。繰り返しの周期は、隣接する条部１０６間の軸方向の間隔または距離を確立する。軸方向間隔は、セメントマトリックス１０２との所望の剥離特性および／または結合効果を達成するように選択することができる。例えば、より近い条痕は隆起部を形成する可能性が高く、これはエネルギー散逸に有用であり得る。さらに離れた条痕は、後述するように、セメントマトリックス１０２内にせん断キーを形成する可能性がより高い。一例では、軸方向間隔は、約０．２ｍｍ～約３．０ｍｍの範囲内にあり得るが、他の軸方向間隔距離が使用されてもよい。軸方向の間隔は、図示の例とは大きく異なり得る。

図1の例では、条痕パターンは、各条痕１０６が長手方向軸線１０８に対して横方向に配向された窪みであるか、またはそれを含むようなものである。代替的なまたは追加の条痕配向が使用されてもよい。条痕パターンは、複数のサブパターンを含んでもよい。例えば、1つのサブパターンは、図示のように横方向の縞を含むことができ、別のサブパターンは、横方向の縞と重なる軸方向のノッチを含むことができ、十字形の縞を形成する。様々な他の重複および非重複パターンを使用することができる。

各条痕１０６は、繊維１０４の表面に細長い凹部であってもよく、またはそれを含んでもよい。図1の例では、各条痕１０６は、横方向の細長いくぼみである。各条痕１０６は、二つの端部１１０で終端されてもよい。各端部１１０は、条痕１０６の深さによって確立された繊維１０４の表面に沿った縁部であってもよい。この場合、各条痕１０６の長さ、すなわち、両端１１０間の距離は、軸方向幅よりも長い。長さおよび幅は、セメントマトリックス１０２との結合を最適化または他の様態で構成するように選択することができる。条痕１０６の横方向または他の長さは、条痕の配向によって変化してもよい。したがって、多種多様な長さを使用することができる。各くぼみの軸方向幅は、繊維径によって異なり得る。軸方向幅は、繊維径の増加と共に増加し得る。したがって、場合によっては、細い繊維はより細い条痕を有してもよく、太い繊維はより大きな条痕を有してもよい。したがって、広い範囲の幅を使用することができる。各条痕１０６が終端する点または方法は、示されている例とは異なり得る。例えば、条痕１０６は、連続的(例えば、螺旋状または軸状)であってもよく、あるいは繊維１０４の円周または外周の周りに連続していてもよい。

また、各条痕１０６の深さＤは、セメントマトリックス１０２との結合を最適化するか、そうでなければ構成するように選択されてもよい。例えば、深さＤは、繊維１０４の残りの厚さＴに対して選択することができる。場合によっては、条痕の深さおよび幅は、セメント質材料によって形成される剪断キー（後述）の強度に影響を及ぼし、繊維の引抜き強度に影響を及ぼす可能性がある。

図1の丸みを帯びた繊維１０４では、各条痕１０６は、円形断面のセグメント１１２内に配置される。各条痕１０６は、セグメント１１２の弦に対応する深さに配置された下側境界を有する。セグメント１１２、したがって、条痕深さは、製造プロセスの1つまたは複数の特性によって決定することができ、その例を以下に説明する。条痕１０６の深さは、約０．０５ｍｍ～約０．３ｍｍの範囲内にあってもよいが、他の深さが使用されてもよい。例えば、深さは、繊維径に応じて変化してもよい。他の場合では、条痕１０６は、円形断面のセグメントに限定されない。例えば、螺旋状または円周状の条痕１０６を形成することができる。

条痕１０６は、繊維１０４の長手方向軸線１０８が変更されないように形成および構成される。例えば、条痕１０６が形成される方法は、繊維１０４を曲げない。したがって、直線繊維は、コンクリートマトリックス１０２に埋め込まれてもよい。直線軸を維持することにより、繊維１０４の軸方向剛性が維持され、より短い繊維を使用することが可能になる。長手方向軸線１０８は、繊維１０４の全長にわたって直線軸であるが、他の場合には、条痕１０４は、非直線繊維に形成されてもよい。例えば、繊維１０４は、クリンプされてもよく、ジグザグ形状に曲げられてもよく、湾曲した端部を有してもよく、または他の軸方向偏差を有してもよく、または含んでもよい。

セメントマトリックス１０２は、セメントマトリックス１０２の一部が条痕１０６内に配置されるように構成される。例えば、繊維１０４がセメントマトリックス１０２に埋め込まれると、セメント状ペーストが各条部１０６に浸透する。 セメントマトリックス１０２のこのような各部分は、それぞれの条痕１０６と共にせん断キーを形成してもよい。したがって、せん断キーはセメント質材料によって形成され、引抜き中に条痕１０６によって固定される。したがって、各せん断キーは、それぞれの条痕１０６に配置されたコンクリートマトリックス１０２のそれぞれの部分を含む。繊維１０４をセメントマトリックス１０２から引き抜こうとする高荷重下で、セメントマトリックス１０２および条痕１０６は剪断されている。剪断キーが剪断に失敗すると、剪断キーの抵抗がなくなり、繊維の残留引抜き強度が低下する。場合によっては、条痕の隆起部も剪断力を受ける。結果として、せん断キーは、セメントマトリックス１０２の結合容量を改善し、したがって、繊維引抜き中の力レベルを増加させる。

図1の例では、条痕１０６は、繊維１０４の単一の側面または面に形成される。他の場合には、繊維１０４の表面は、一または複数の追加の一連の条痕を有する。例えば、ストリップ１１４は、繊維１０４の反対側の側面または面に沿って配置されてもよい。したがって、さらなる一連の条痕の各条痕１１４は、円形断面の異なるセグメント１１６内に配置されてもよい。

条痕１０６は、セメントマトリックス１０２との結合を改善することを目的とし得る繊維１０４の他の特徴または特性に加えて形成されてもよい。場合によっては、鋼棒の表面はその端部まで摩耗１１８を有する。図1の例に示すように、摩耗１１８は、一連の条痕１０６の外側に配置される。結果として、鋼棒は、一連の条痕１０６の外側で滑らかではない場合がある。摩耗１１８は、鋼棒を製造するプロセスのアーチファクトとして存在してもよく、および／または例えば粗面化手順によってその後に追加されてもよい。条痕１０６は、セメントマトリックス１０２の繊維強化材の性能を高めるためのこれらおよび他の技術と適合する。

図２は、一例による平行パターンに配置された一連のストリップ２０２を有する繊維２００を示す。この場合、各ストリップ２０２は、繊維２００の長手方向軸線を横切る方向に細長い。条痕２０２は、周期的に互いに離間している。条痕２０２は、後述する方法などの圧痕処置によって形成されてもよい。

図２の例は、以下の近似的な繊維、条痕、および条痕パターン寸法を有する。

－繊維径 ０．３ｍｍ
－繊維長 １９ｍｍ
－軸方向間隔 ０．３５ｍｍ
－条痕深さ ０．０７５ｍｍ
－条痕長 ０．２ｍｍ
－条痕幅 ０．０８５ｍｍ
寸法は、例示的に示したものと異なり得る。

図３は、別の例示的な条痕パターンに従って配置された一連のストリップ３０２，３０４を有する繊維３００を示している。条痕パターンは、上述の例のように、繊維の長手方向軸線に沿って繰り返される。この場合、条痕パターンは、複数のサブセットの平行な条痕を含むと考えることができる。各サブセット内で、条痕はやはり周期的に互いに離間している。条痕の第一サブセットは、繊維３００の長手方向軸線を横切る方向に細長い条痕３０２を含む。条痕の第２のサブセットは、繊維３００の長手方向軸線に対して対角線上に配向された方向に細長い条痕３０４を含む。

繊維３００の条痕パターンは、代替的に、単一のセットの条痕を含むと考えられてもよい。この図では、各条痕は、複数の窪みまたは他の凹部またはノッチを含む。単一の組を有すると考えられるかまたは複数の組を有すると考えられるかにかかわらず、条痕３０２，３０４は、後述する方法などの圧痕処置によって形成されてもよい。

繊維３００および条痕３０２，３０４は、図２に関連して上述した例と同様に寸法決めされ、そうでなければ構成されてもよい。軸方向間隔は、条痕の対角サブセットを含む結果として異なると考えられ得る。しかしながら、軸方向の間隔は、同様の配向（例えば、隣接する横方向の条痕間の距離）の条部間で測定された場合、同様のままであり得る。

図４は、繊維上に一連の条痕を形成するためのシステム４００を示す。この例では、システム４００は、窪みまたは窪みを介して繊維を線条化するためのプレスとして構成される。システム４００は、鋼線コイル４０２が巻き出されて繊維４０４の連続供給が提供されるときに、繊維を所望の長さに切断するプロセスに組み込むことができる。システム４００は、繊維４０４が供給されるプレス４０８に繊維４０４を導くためのプーリ４０６および／または他のガイドまたは機構を含むことができる。

プレス４０８は、繊維４０４を線条化するためのいくつかのプレス片４１０，４１２を含む。この例では、プレス４０８は、間隙４１４によって互いに分離された一対のプレス片４１０，４１２を含む。繊維４０４は、間隙４１４を通って供給される。間隙４１４は、繊維４０４が間隙４１４を通過するときに繊維４０４が線条化されるように、繊維４０４の直径よりも小さい。そのために、プレス片４１０，４１２の一方または両方は、その外側の周りに配置された一組の歯またはローレット４１６を含む。歯４１６は、繊維４０４に圧入され、繊維４１４を線条化する。歯４１６は、繊維４０４に所望される条痕パターンと一致するパターンで配置される。歯４１６は、例えば、焼入れ鋼から構成されてもよく、そうでなければ焼入れ鋼を含んでもよい。

プレス片４１０，４１２は、丸みを帯びている。図４の例では、両方のプレス片４１０，４１２は丸みを帯びている。例えば、各プレス片４１０，４１２は、繊維４０４がギャップ４１４を通過するときにそれぞれの軸の周りを回転するホイール、ディスク、またはシリンダであってもよく、またはそれらを含んでもよい。場合によっては、一方のプレス片４１０はローレット加工された外側を有し、他方のプレス片４１２は平坦な（例えば、円筒形）外側を含む。他の場合には、プレス片４１０，４１２の一方は、平坦および／または固定であってもよい。他のタイプのプレスが使用されてもよい。例えば、スタンプまたはクランプなどの非回転プレスを使用して、繊維４０４をへこませるか、そうでなければ線条化することができる。

追加の、より少ない、または代替のプレス片が含まれてもよい。例えば、プレス４０８は、プレス片４１０，４１２とは異なる向きに配置された追加の一対のプレス片を含むことができる。したがって、繊維４０４の異なる側面または面に沿って追加の一連のストリップを形成することができる。代替的または追加的に、繊維４０４は、繊維４０４が追加の一対のプレス片に供給される前に回転されてもよい。さらに他の場合には、繊維４０４は、プレス片４１０，４１２の間に複数回供給されてもよい。反復パスごとに、繊維を回転させて異なる側面を条痕化することができる。プレス４０８を通る繊維４０４の複数のパスを使用して、繊維４０４が回転していない場合に、繊維４０４のそれぞれの側面または面に沿ってさらなるストリップを作成することもできる。

図５は、コンクリートの補強のためにコンクリートに埋め込まれる繊維を製造する方法５００を示す。方法５００は、図４のプレスシステム４００および／または別のシステムを使用して実施することができる。例えば、方法５００は、繊維を条痕化するように構成された一組の歯を有する1つまたは複数の丸みを帯びたプレス片を有するプレスシステムを使用して、一組の歯に応じた条痕パターンを有する繊維に一連の条痕を形成することができる。場合によっては、方法５００は、繊維コイルなどの連続供給から繊維を部分に切断するために利用される製造プロセスと統合されてもよい。

方法５００は、繊維が1つまたは複数のプレスを有するプレスまたはプレスシステムに供給される動作５０２で開始することができる。プレス機は、上述したように、一対のプレス片を含むことができる。プレス片の少なくとも1つは丸みを帯びている。プレス片は、繊維が通過する間隙によって互いに離間している。ギャップは、繊維がギャップを通って供給されるにもかかわらず繊維の直線長手方向軸線が維持されるように、繊維の直径に対してサイズが決められる。動作５０２は、繊維の矯正または巻き戻し、繊維の搬送、または繊維のプレスへの供給を目的とした任意の数のプーリまたは他の段を含むことができる。

動作５０４において、丸いプレス片が回転される。1つまたは複数のプレス片は、繊維を条痕化するための外歯またはローレットを有する。歯は、繊維上に所望の条痕パターンを形成するパターンで配置される。プレス片は、上述の横方向および/または斜めの縞パターン、および／または別のパターンなどの任意の所望の縞パターンを形成するように構成することができる。場合によっては、回転を使用して、プレスを通して繊維供給物を引き込むことができる。

動作５０６において、繊維は、一対の丸みを帯びたプレス片の間の隙間を通して供給される。間隙は繊維の直径よりも小さく、その結果、歯は繊維を窪ませるか、または線条化する。場合によっては、動作５０６は、プレスを通して供給されながら繊維が回転する動作５０８を含む。回転を使用して、繊維の単一の面または側面に限定されない縞パターンを作成することができる。例えば、繊維がプレスを通って供給されながら連続的に回転する場合、螺旋状の縞パターンが形成されてもよい。回転は、不連続であってもよく、あるいは他の所望の縞パターンを形成するように構成されてもよい。

場合によっては、方法５００は、繊維が一対のプレス片を通過した後に回転する動作５１０を含む。動作５１０の回転を使用して、動作５１２のさらなるストリップの前に繊維を再配向させることができ、繊維は、前述の一対のプレス片(すなわち、第２のパス)の隙間を通して、または別の一対のプレス片（すなわち、第２の間隙）を通して供給される。いずれの場合も、動作５１２を使用して、ファイバに第二系列のストリップを形成することができる。所望の条痕パターンを達成するために、他の場合には任意の数のパスまたはプレスを使用することができる。

繊維が剥離処理の最終ギャップを通って供給された後、行為５１４において、繊維は繊維部分に切断される。繊維は、任意の公知のまたは従来開発された方法を使用して切断することができる。

方法５００は、追加の、より少ない、または代替の動作を含むことができる。例えば、方法５００は、介在または同時の回転の有無にかかわらず、プレス片を通る任意の数の追加の通過を含むことができる。代替的または追加的に、方法５００は、繊維の表面を粗面化または他の方法で加工することを対象とした1つまたは複数の動作を含むことができる。

方法５００の動作が実施される順序は、図示の例とは異なり得る。例えば、全ての表面処理が完了する前に繊維を切断する場合がある。

図６は、従来の鋼繊維と、開示された繊維のうちの1つの横方向の条痕を有する例とを含む繊維引抜き試験の結果を示す。繊維プルアウトは、繊維と繊維が埋め込まれた周囲のコンクリートマトリックスとの間の相互作用のレベルを特徴付けるために使用される基本試験である。引抜き試験中に力（または繊維応力）対変形応答を測定し、ピーク力および散逸エネルギー（曲線下面積）を計算する。したがって、引抜き応力はコンクリートへの結合能力の尺度である。この例では、開示された繊維の優れた性能は、滑らかな繊維と比較して引抜き応力が２１２％増加することによって証明される。データは、開示された繊維が結合容量の２倍超およびエネルギー散逸容量の３倍を有することを示している。別の試験では、開示された繊維は、引抜き応力の約４倍、およびエネルギー散逸能力の約２倍を提供する。条痕の特性は、所望のレベルの引抜き応力およびエネルギー散逸能力を達成するように修正されてもよい。

図７は、開示された繊維の別の例のさらなる引抜き応力データのプロットを示す。この場合、繊維は斜め縞模様を有する。対角線の縞は、プロットの挿入図に示すように６０度の角度で配向されている。この条痕パターンは、平滑繊維と比較して引抜き応力の２５９％の増加をもたらす。この繊維はまた、平滑繊維の４．８倍のエネルギー散逸能力を示す。

図８は、複合構造の応力-歪み関係を非線条繊維および線条繊維と比較するプロットである。いずれの場合も、繊維は複合構造の体積の２．０％になる。ストリップ繊維を有する複合構造は、広範囲の軸方向歪み量にわたって著しく高い引張強度レベルを示す。図８はまた、線条繊維を有する複合材が非線条繊維を有する複合材よりもどのように延性が高いかを示す。延性は、強度を失うことなく変形する能力である。延性の増加は、両方の複合材のピーク応力（プロットの縦軸を介して）での歪み（プロットの横軸上）の差を比較することによって示される。

線条繊維および繊維を線条化する方法を上に記載する。開示された繊維は、超高性能および他のコンクリートの補強において著しく効果的である。開示された繊維は、従来の鋼繊維と比較して、結合容量およびエネルギー散逸容量が大幅に増加していることが示されている。したがって、開示された繊維は、超高性能コンクリートのコストを大幅に削減することができ、その理由は、性能改善により、同じレベルの補強を達成しながら、繊維を他の繊維で以前に可能であったよりも低い投与量で使用する選択肢が提供されるためである。繊維の条痕は、製造プロセスに都合よく組み込むことができ、それによって繊維製造コストをほとんど増加させない。開示された繊維は、コンクリートの性能を調整することができる（例えば、超高性能コンクリート）。例えば、材料は、（構造用途のための）強度または（耐爆風性のための）エネルギー散逸のために最適化することができる。したがって、開示された繊維は、材料応答を調整する能力を提供する。

本開示は、例示のみを意図し、本開示を限定するものではない特定の例を参照して説明されている。本開示の趣旨および範囲から逸脱することなく、変更、追加および/または削除を行うことができる。

上記の説明は、理解を明確にするためにのみ提供されており、そこから不必要な制限は理解されるべきではない。

Claims (23)

1. コンクリートマトリックスと、
   前記コンクリートマトリックス中に埋め込まれた繊維とを備え、
   前記繊維は、鋼を備えており、
   前記繊維の表面は、条痕パターンに配置された一連の条痕を有している、複合構造体。
2. 前記コンクリートマトリックスは、複数のせん断キーを備え、
   前記複数のせん断キーの各せん断キーは、前記一連の条痕のそれぞれの条痕に配置された前記コンクリートマトリックスのそれぞれの部分を備える、請求項１に記載の複合構造体。
3. 前記繊維は、長手方向軸線を有しており、
   前記一連の条痕は、前記繊維の長手方向軸線を変更しない、請求項１に記載の複合構造体。
4. 前記長手方向軸線は、前記繊維の全長にわたる直線軸線である、請求項３に記載の複合構造体。
5. 前記一連の条痕の少なくともサブセットは、前記長手方向軸線に交差する方向に細長い、請求項３に記載の複合構造体。
6. 前記一連の条痕の少なくともサブセットは、前記長手方向軸線に対して対角線上に配向する方向に細長い、請求項３に記載の複合構造体。
7. 前記条痕パターンは、その長手方向軸線に沿って繰り返される、請求項１に記載の複合構造体。
8. 前記一連の条痕の各条痕は、２つの端部で細長く終端している、請求項１に記載の複合構造体。
9. 前記一連の条痕の条痕は、互いに対して平行に配向されている、請求項１に記載の複合構造体。
10. 前記一連の条痕は、平行な条痕の複数のサブセットを備える、請求項１に記載の複合構造体。
11. 前記繊維は、円形断面を有し、
    前記一連の条痕の各条痕は、円形断面のセグメント内に配置される、請求項１に記載の複合構造体。
12. 前記繊維の表面は、さらなる一連の条痕を有し、
    前記さらなる一連の条痕の各条痕は、前記円形断面のさらなるセグメント内に配置される、請求項１１に記載の複合構造体。
13. 前記繊維は、直線的な断面を有する、請求項１に記載の複合構造体。
14. コンクリート補強用繊維であって、
    表面を有する鋼棒と、
    前記鋼棒の表面の一連の条痕とを備え、
    前記一連の条痕は、条痕パターンに配置されている、コンクリート補強用繊維。
15. 前記鋼棒は、円形断面を有し、
    前記一連の条痕の各条痕は、前記円形断面のセグメント内に配置される、請求項１４に記載の繊維。
16. 前記鋼棒の表面は、前記一連の条痕の外側に摩耗を有しており、それによって前記鋼棒は、前記一連の条痕の外側で滑らかではない、請求項１４に記載の繊維。
17. コンクリートを補強するためにコンクリート内に埋め込まれる繊維を製造する方法であって、
    繊維をプレスに供給するステップを備え、前記プレスは一対のプレス片を備え、前記一対のプレス片は間隙によって互いに離間され、前記一対のプレス片は少なくとも一つの丸みを帯びたプレス片を備え、
    前記方法は、さらに、
    前記丸みを帯びたプレス片を回転させるステップと、
    前記繊維を前記一対のプレス片の間隙を通して供給するステップとを備え、前記間隙は、前記繊維の直径よりも小さく、
    前記方法は、さらに、前記繊維を前記間隙を通して供給した後に前記繊維を繊維部分に切断するステップを備え、
    前記一対のプレス片の少なくとも一方は、前記繊維を条痕化して一連の条痕を形成するように構成された一組の歯を備えており、前記一連の条痕は、前記一組の歯に応じた条痕パターンを有する、コンクリート補強用繊維の製造方法。
18. 前記間隙は、前記繊維の直径に対してサイズ決めされており、前記繊維の直線的な長手方向軸線は、前記繊維を前記間隙を通して供給するのにかかわらず、維持される、請求項１７に記載のコンクリート補強用繊維の製造方法。
19. 前記一組の歯は、前記一連の条痕が前記繊維の長手方向軸線に対して対角線上に配向された斜めの条痕を備えるように、構成されている、請求項１７に記載のコンクリート補強用繊維の製造方法。
20. 前記一組の歯は、前記一連の条痕が前記繊維の長手方向軸線に対して交差して配向する交差条痕を備えるように、構成されている、請求項１７に記載のコンクリート補強用繊維の製造方法。
21. 前記繊維を前記間隙を通して供給した後に前記繊維を回転させるステップと、
    前記繊維を回転させた後に再度前記繊維を前記間隙を通して供給し、前記繊維に２連の条痕を形成するステップとをさらに備える、請求項１７に記載のコンクリート補強用繊維の製造方法。
22. 前記繊維を供給しながら前記繊維を回転させるステップをさらに備える、請求項１７に記載のコンクリート補強用繊維の製造方法。
23. 前記繊維を前記間隙を通して供給した後に前記繊維を回転させるステップと、
    前記プレスの丸みを帯びたプレス片の第２の対の間の第２の間隙を通して前記回転する繊維を供給するステップとをさらに備え、前記間隙は、前記繊維の直径よりも小さい、請求項１７に記載のコンクリート補強用繊維の製造方法。
    

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