JP2653702B2 - コンクリート補強筋とその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、コンクリートの剪断補強用のスターラツプ
筋又はフープ筋として用いられる、補強効果の大きな鉄
筋代替用繊維強化樹脂筋とその製造方法に関する。

（従来の技術） 繊維強化樹脂からなる棒状体を剪断補強用のスターラ
ツプ筋又はフープ筋として用いることは公知である。た
とえば、実開昭63−162024号公報には、高強度低伸度繊
維として炭素繊維、アラミド繊維、ガラス繊維、炭化珪
素繊維を用い、それの集束体にマトリツクス樹脂を含浸
した線状体を該マトリツクス樹脂が未硬化状態で撚合体
とし、その状態で撚合体をマンドレルに巻き付け、加熱
し、硬化を完了させた後マンドレルから外す方法により
スターラツプ筋やフープ筋を製造する方法が記載されて
いる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、これら繊維のうち、炭素繊維、ガラス
繊維そして炭化珪素繊維等の無機繊維は、曲げてマンド
レルに巻き付ける際に繊維が折損するために折り曲げ角
度を大きくとつたり、折り曲げ内のり直径を小さくとる
ことはできないという欠点を有している。またアラミド
繊維も巻き付ける際に繊維は座屈現象を起こすために容
易に用いることはできないという欠点を有している。即
ち該る無機繊維やアラミド繊維を用いた棒状物の折曲げ
部分は糸の折損や座屈による損傷を受けており補強筋の
物性が劣り問題となる。

折損を防止するためには折り曲げ角度を小さくとり、
折り曲げ内のり直径を大きくとらざるを得ず、このよう
な補強筋は配筋するうえでスターラツプ筋やフープ筋の
効果を得にくい問題がある。

また未硬化のまゝマンドレルに巻き付けるためその棒
状物の断面は異形化し、特に曲げ部分が偏平化すること
となり、その結果コンクリート内部における均一な応力
を保ちにくく物性面での問題もある。

さらに線条体の繊維として炭素繊維を用いた場合に
は、素材物性及び導電性の面から鉄筋の発錆を惹起する
ことも予想され併用することもできず、なおアコーステ
イクエミツシヨン問題及び更に重要なことは炭素繊維は
極めて高価であるという経済性の点での問題を有してい
る。またガラス繊維やアラミド繊維は耐アルカリ性に問
題があり長期耐久性に疑問が残されている。

かかる繊維強化樹脂製のコンクリート補強筋におい
て、折り曲げ部の物性を損うことなく折り曲げ角度が大
きく、折り曲げ内のりを小さくとりうる筋体が望まれて
いた。また鉄筋と同様に工場生産ができることはもとよ
り建築現場でも容易に折り曲げ加工及び切断のできる筋
体が求められていた。更に施工面からは従来の鉄筋のよ
うに貯蔵時の発錆に気を使わなくてよく、また配筋組付
けが容易であり、かつ軽量であり、更に経済面からも有
利で、そして物性面からも筋体強力は鉄筋と同等でセメ
ントとの付着性もよく、長期の耐アルカリ性に優れた繊
維強化樹脂製補強筋が強く望まれていた。

本発明者らはこのような課題を解決するために鋭意研
究の結果本発明に到達した。

（課題を解決するための手段） 本発明は、繊維強化樹脂からなる棒状体が螺旋状又は
閉合状に折り曲げ加工されたコンクリート補強筋におい
て該繊維が引張り強度15g/デニール以上、切断伸度3.5
％以上、初期弾性率が300g/デニール以上の有機合成繊
維であつて、かつ折り曲げ部の少なくとも一箇所が折り
曲げ角度90〜180゜、Ｄ≦20d（Ｄは折り曲げ内のり直
径、ｄは棒状物の直径）を満足し、該補強筋の表面に付
着した物質により凹凸が形成されていることを特徴とす
るコンクリート補強筋である。

また製造方法として、引張り強度15g/デニール以上、
切断伸度3.5％以上、初期弾性率が300g/デニール以上の
有機合成繊維の集束物および集束物に含浸された熱硬化
性樹脂からなる樹脂含浸繊維束を加熱により該樹脂を硬
化させて棒状体とした後、該補強筋の表面に物質を付着
させて凹凸を形成させ、さらに、該熱硬化させた樹脂が
軟化する温度以上でかつ200℃以下の温度に加熱した状
態で該棒状体をマンドレルに巻き付けて折り曲げ部の少
なくとも一部が折り曲げ角度90〜180゜であり、かつＤ
≦20d（Ｄは折り曲げ内のり直径、ｄは棒状物の直径）
を満足する折り曲げ部を形成し、その後該熱硬化させた
樹脂が軟化する温度未満まで冷却させた後、該マンドレ
ルから棒状体を外すことを特徴とするコンクリート補強
筋の製造方法である。そして好ましくは、上記有機合成
繊維として、ポリビニルアルコール系合成繊維または全
芳香族ポリエステル繊維を用いるものである。

さて本発明に用いる有機合成繊維について、連続繊維
を用いた繊維強化樹脂の補強効果は極めて単純化された
複合則に従い、繊維のひきそろえが均一になされている
ならば、繊維の引張り強度とセメントの付着力に比例す
る、即ち、高い引張り強度と弾性率が必要である。その
繊維の引張り強度はデニール当り15g以上、初期弾性率
はデニール当り300g以上が必要である。好ましくは引張
り強度としてデニール当り17〜30g、初期弾性率として4
50〜1000gが好ましい。引張り強度及び初期弾性率が各
々デニール当り15g、300g未満ではコンクリート補強筋
としての性能を十分発揮することはできない。更に繊維
の切断伸度が3.5％以上であることは、繊維強化樹脂棒
状物をマンドレルに巻き付けて折り曲げ加工する時に、
特にその折り曲げ角度を90〜180度とするとき棒状物の
直径ｄが折り曲げ内のり直径ＤのＤ≦20dと大変小さな
折り曲げを行なう時に、折り曲げ部分に繊維の折損や座
屈により棒状物の物性を損うことのないようにするため
の重要な要因である。即ち折り曲げる棒状体の外側に位
置する繊維はその伸びの小さなものは容易に変形するこ
とはできず、曲げたとしても強度低下をきたしたり、曲
げ部分の棒状物が極端に扁平化したり、又は繊維間の剥
離現象を起こし、折り曲げ部で強度低下が起こり、ひい
ては補強筋としての効果は不十分なものとなる。なお、
上記ｄは棒状体の横断面積に相当する面積の円の直径を
意味している。特に、有機合成繊維のなかでもポリビニ
ルアルコール系合成繊維と全芳香族ポリエステル繊維が
折り曲げ部の強度低下を起こさない点で極めて優れてい
る。

本発明に用いられるポリビニルアルコール（以下PVA
と略す）系合成繊維は、重合度1000〜20000でケン化度9
8モル％以上のPVAを用いたもので、湿式、乾湿式、乾式
等の紡糸法において特定の条件を用いることにより得ら
れるものであり、たとえば特開平１−174531号公報に記
載されている方法により製造される。もちろん可塑剤や
油剤などを混合したものでもよい。

全芳香族ポリエステルとは、一種以上の芳香族ヒドロ
キシ酸の、場合によつては芳香族ジオール及び／又は芳
香族二酸との縮合による溶融加工可能な芳香族ポリエス
テルであつて、存在する各成分の少くとも一個の芳香環
が重合体主鎖に寄与しているという意味において全芳香
族と称される全芳香族ポリエステルであつて、異方性溶
融相を形成しうるいわゆるサーモトロピツク液晶性全芳
香族ポリエステルであり、本発明では、このような全芳
香族ポリエステルから溶融紡糸され、更に全芳香族ポリ
エステルの融点と融点より50℃低い温度で熱処理した繊
維がよい。

又、ガラス繊維、炭素繊維のみでは曲げ加工に問題が
あるが、本発明のPVA系繊維と全芳香族ポリエステル繊
維と繊維混合するか、芯部分に配置することにより曲げ
加工が可能である。棒状体において、繊維占有体積は60
％以上が好ましい。その理由は、マトリツクス成分であ
る樹脂が少ない方が補強材として繊維の力を発揮し、複
合材の引張り強度、ヤング率が高まることは連続繊維を
用いた複合則より明らかであるからである。本発明にお
いて棒状体における繊維の占める体積が60％未満の場合
には繊維の強力、ヤング率等の機械的性能が低下してし
まう。

ただ引抜き成形においては、繊維が引抜きノズル内を
通過する時空気のだき込みをおさえ、かつ潤滑に成型す
るためには樹脂は多い方が好ましいということは言える
が、樹脂量が40体積％を越えると折曲げ加工時の樹脂ダ
レや、ふくらみが大きくなり棒状物の形状が変るため好
ましくない。

また補強材の機械的性質を満足するためには40％以下
の樹脂量にするのが好ましい。

用いる熱硬化性樹脂としては不飽和ポリエステル、エ
ポキシ樹脂、水溶性エポキシ樹脂、ビニルエステル樹
脂、メラミン−ホルマリン樹脂、フエノール樹脂、尿素
系樹脂等を用いることができる。耐アルカリ性及び取り
扱い性の点からエポキシ樹脂又はビニルエステル（エポ
キシアクリレート）樹脂がよい。

次に樹脂含浸した繊維が軸線方向に集束されていると
いうことは、FRP加工で言い引抜き成型法で成形した棒
状物を示す。本発明においては、マトリックスからの引
き抜けを抑制するために、該棒状物の表面に物質を付着
して凹凸を形成させる。棒状物の表面に付着させる物質
としては特に限定されないが、砥粒や糸状物が好適に挙
げられる。曲げ加工を施してから物質を付着させてもよ
いが、曲げ加工を施す前に付着させるのがより好まし
い。棒状物が折り曲げ角度90〜180゜ということは第１
図のような形状を意味している。

棒状物の直径ｄと折り曲げ内のり直径Ｄとの関係がＤ
≦20dであることは第２図のａ及びｂに示す如く、棒状
物の直径が太くてもそれなりに小さな折り曲げ内のり直
径で曲げられることを示している。Ｄ＞20dでは炭素繊
維やガラス繊維でも折り曲げられるような折曲げ内のり
径となり意味がない。また通常の補強筋の場合、Ｄ≦20
で折り曲げられていることが大半の場合に必要であり、
この条件で折り曲げ加工できないと補強材（螺旋筋また
は閉合筋）としての用途が半減することとなる。次に同
一形状を有する連続した螺旋状筋の製造方法を第３図で
説明する。

１は繊維で、フイラメント又はロービングの給糸機、
２は引出された繊維の引出し張力調整付ガイドで３の送
りローラから４の熱硬化性樹脂槽に導びかれ５の絞りロ
ールで樹脂含浸量をコントロールする。更に６の集束ガ
イドを通し、７のダイスに導入する。ダイスの形状は円
形、正方形、矩形等任意の形状でよい。ダイスはニクロ
ム線ヒータや誘導加熱装置を内蔵し温度制御が可能と
し、熱硬化性樹脂の硬化度をコントロールする。８は引
出された半硬化棒状物の表面に凸凹をつけるための樹脂
含浸合成繊維マルチフイラメント巻回装置で必要に応じ
繊度、巻付ピツチを決めることができる。９は砥粒吹付
け装置で半硬化棒状物にあらかじめ熱硬化性樹脂を10で
塗布し、塗布表面に砥粒を付着させる。12は引取りロー
ルであり12は硬化用の加熱炉で棒状物を完全硬化する時
に用いる。加熱はニクロム線ヒータや遠赤外線ヒータの
輻射熱タイプのものでもよいし、誘導加熱方式やマグネ
トロンタイプのもの、又は熱風タイプのものでもよい。
13は巻取り装置である。

完全に硬化した棒状体はマンドレルに巻き取るか又は
一定長さで切断し束ばねたものとして用いる。

第４図のａからｆは第３図の８または９で表面加工さ
れたもので砥粒タイプ、斜交巻タイプである。

第５図のａは第３図の11で示す加熱炉を通し、12の引
取りロールを経た棒状体を軟化温度以上に保ったまま巻
取り装置13のマンドレルＡに巻きつける概念図で、第５
図のｂはそのマンドレルＡの一例である。棒状体が冷却
した後該マンドレルから外すことにより、例えば前記第
４図に示す同一形状を有する螺旋筋ｂ、閉合筋ｃの繊維
強化樹脂製補強筋を得る。同第４図のｅ及びｆは第３図
の8,9で表面加工された別の例である。

棒状体の軟化温度は、示差熱分析により求めることが
できる。特に熱硬化性樹脂を用いたものでも無定形高分
子の場合と同様吸熱側へのずれが始まる温度が軟化温度
即ちガラス転移温度である。エポキシ樹脂の場合110〜1
40℃であり、熱硬化条件により高温度側に若干シフトす
るがかかる方法で測定、決定される。このように硬化さ
せた棒状体を加熱により軟化させ、マンドレルに巻き取
り方法を用いることにより、従来半硬化状態の樹脂でな
ければ折り曲げ加工ができないとされていたものを、放
置安定性に優れかつ加工性が容易という極めて優れた効
果が得られる。軟化開始温度より低い場合には、ひび割
れや座屈が起り曲げ部分の強度が低下する。また200℃
より高い場合には繊維の強度が低下し、所期の目的のも
のが得られない。

次にスターラツプ筋又はフープ筋の連続製造方法を示
す。

第６図に代表的スターラツプ筋の例を示した。ａおよ
びｂはその断面、ｃおよびｄは連続体の外観図である。

第７図にスパイラルフープ筋の代表例を示した。a,b,
cはその断面図、d,e,fは各々の連続体の外観図である。
スパイラルフープ筋として用いる場合同一形状となる箇
所で切断して用いることもできる。また連続体のスター
ラツプ筋として用いることもできる。これらの形状は一
定していること、連続体として使えることから配筋施工
は大変容易である。

またＪ型筋を得る場合は連続製造の場合第８図ａに示
すようなマンドレルを用い、第３図の方法でｂを製造す
ることができる。そして切断することによりＪ型筋ｃを
得ることができる。また硬化した直線棒状体からＪ型加
工する場合は第８図に示すように棒状体ｅを、その熱硬
化性樹脂の軟化温度以上に加熱し、冷却することにより
製造することができる。同図中、ｄは加熱成型折曲げ機
の一例を示したものでＪ型筋ｃを得ることができる。

なお本発明において、引張り強度、切断伸度および初
期弾性率はJIS Ｌ−1071に準じて、温度20℃、相対湿
度65％の雰囲気下で試料長20cm、速度10cm/分でインス
トロン試験機にて測定した値である。

繊維製造１ 重合度4500、ケン化度99.9モル％のPVA水溶液から湿
式紡糸することにより、単繊維繊度1.8デニール、引張
り強度18.5g/デニール、初期弾性率460g/デニール、切
断伸度4.8％の1800デニール1000フイラメントのPVA繊維
を得た。

繊維製造２ ｐ−ヒドロキシ安息香酸と６−ヒドロキシ−２−ナフ
トエ酸との共重合体からなる溶融液晶ポリマーを用い溶
融紡糸して紡糸原糸1500デニールで300フイラメントを
得た。更に290℃で24時間空気中で熱処理を行ない単繊
維繊度５デニール、引張り強度24.5g/デニール、破断伸
度3.8％、初期弾性率650g/デニールの全芳香族ポリエス
テル繊維を得た。

実施例１ 繊維製造１、２で得た繊維を第１表の糸の本数、熱硬
化性樹脂を用い第３図に示す製造工程で棒状体を得た。
棒状体の表面凹凸処理は第１表に示す条件で実施した。
また得られたロツドの物性も第１表に示した。

比較例１、２として、カーボン繊維とガラス繊維を同
様に処理し棒状物を得た。各棒状物を170℃に加熱しＤ
が3d,6d,10d,20d,30dと変更し折り曲げ角度90゜の加工
を行い、実施例１、２、比較例１、２の折り曲げ部の観
察を行ない、折り曲げ加工後更に170℃に加熱し直線状
にもどして棒状物の引張り強力を測定し折り曲げ加工前
の強力に対する強力保持率を求め第１表に示した。なお
これら実施例および比較例において硬化後の棒状物の軟
化温度は130℃であつた。

カーボン繊維は東邦ベスロン社製のベスフアイトHTA
で、繊維物性は直径７μｍ、密度1.77、引張強度（380k
g/mm²）23.9g/dr、弾性率（24000kg/mm²）1507g/dr、破
断伸度1.6％であつた。ガラス繊維は日東紡社製RS110
（9900dr）繊維物性は直径10μｍ、密度2.54、引張り強
度（250kg/mm²）10.9g/dr、弾性率（7700kg/mm²）337g/
dr、破断伸度3.4％のものであつた。

実施例２ 繊維製造１で得たPVA繊維176本を工程でエポキシ樹脂
（油化シエル社エピコート828）に含浸し、130℃に加熱
した直径7.2mmの円形ノズルより引抜き、また一方繊維
製造１のPVA繊維２本を1m当り60回のよりをかけた糸に
エポキシ樹脂（油化シエル社エピコート828）を含浸し
ながら5mmピツチに交互に綾をふるように巻き付け180℃
の加熱炉を通し完全硬化した直線状のロツドを得た。ス
トレート部分の直径は7.3mmであり、綾巻部分の直径は
9.3mmであつた。この棒状物の破断強力は2.4tonで、切
断伸度は4.8％であつた。また初期弾性率は4000kg/mm²
であつた。また軟化温度は132℃であつた。

この得られた棒状物を170℃の加熱炉に入れ加熱しな
がら折り曲げ内のり直径80mmであり連続物が長方形であ
り、コンクリート型枠うめこみ時のたて方向（a cm）と
よこ方向（b cm）のロツドの外側寸法と、うめこみピツ
チ（p cm）から所定のたて、よこ、長さであるマンドレ
ルに巻きつけ成型して連続棒状物を得た。

この時の型枠への配筋長さたてa cm、よこb cm、ピツ
チp cmとすると本実施例の場合伸ばす分だけ だけ長くして折り曲げ加工する必要がある。

折り曲げ加工後の強力保持率も上記表に示した。

【図面の簡単な説明】

第１図は折り曲げ角度を示す概略図、第２図は折り曲げ
内のり直径を示す概略図、第３図は本発明の補強筋を製
造する工程図、第４図は螺旋筋および閉合筋の斜視図、
第５図は棒状体をマンドレルに巻き取り螺旋筋を得る工
程図とマンドレルの斜視図を示す。第６図は各種ラセン
筋の斜視図およびコンクリート中に配筋した時の概略
図、第７図は各種スパイラルフープ筋の斜視図およびコ
ンクリート中に配筋した時の概略図、第８図はＪ型筋を
得るためにマンドレルに巻き付けた時およびマンドレル
から外した時の斜視図、さらに棒状体をＪ型筋とするた
めの加熱装置の斜視図である。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】繊維強化樹脂からなる棒状体が螺旋状又は
   閉合状あるいはＪ型に折り曲げ加工されたコンクリート
   補強筋において、該繊維が引張り強度15g/デニール以
   上、切断伸度3.5％以上、初期弾性率が300g/デニール以
   上の有機合成繊維であって、かつ折り曲げ部の少なくと
   も１箇所が折り曲げ角度90〜180゜、Ｄ≦20d（Ｄは折り
   曲げ内のり直径、ｄは棒状物の直径）を満足し、該補強
   筋の表面に付着した物質により凹凸が形成されているこ
   とを特徴とするコンクリート補強筋。
2. 【請求項２】有機合成繊維がポリビニルアルコール系合
   成繊維である請求項１に記載のコンクリート補強筋。
3. 【請求項３】有機合成繊維が全芳香族ポリエステル繊維
   である請求項１に記載のコンクリート補強筋。
4. 【請求項４】引張り強度15g/デニール以上、切断伸度3.
   5％以上、初期弾性率が300g/デニール以上の有機合成繊
   維の集束物および集束物に含浸された熱硬化性樹脂から
   なる樹脂含浸繊維束を加熱により該樹脂を硬化させて棒
   状体とした後、該補強筋の表面に物質を付着させて凹凸
   を形成させ、さらに、該熱硬化させた樹脂が軟化する温
   度以上でかつ200℃以下の温度に加熱した状態で該棒状
   体をマンドリルに巻き付けて折り曲げ部の少なくとも一
   部が折り曲げ角度90〜180゜であり、かつＤ≦20d（Ｄは
   折り曲げ内のり直径、ｄは棒状物の直径）を満足する折
   り曲げ部を形成し、その後該熱硬化させた樹脂が軟化す
   る温度未満まで冷却させた後、該マンドリルから棒状体
   を外すことを特徴とするコンクリート補強筋の製造方
   法。