JP3121424U - 炭素繊維コンクリート補強筋 - Google Patents

Abstract

【課題】放射線に対する耐性を有し、更に、耐熱性を有し、原子力関連施設のコンクリート構造物を建設する際に、或は、既設コンクリート構造物を補強する際に、鉄筋の代替物としてコンクリート中に埋設して使用することのできる炭素繊維コンクリート補強筋を提供する。
【解決手段】原子力関連施設のコンクリート構造物の建造に使用されるコンクリート補強筋であって、強化繊維としての炭素繊維２と、炭素繊維２に含浸された無機マトリックス材４と、を有する。
【選択図】図１

Description

本考案は、コンクリート構造物に使用される鉄筋の代替物として使用可能な強化繊維を使用したコンクリート補強筋に関するものであり、更に詳しく言えば、本考案は、特に、原子力関連施設のコンクリート構造物を建設する際に、或は、既設コンクリート構造物を補強する際に、鉄筋の代替物としてコンクリート中に埋設して使用することのできる強化繊維として炭素繊維を使用したコンクリート補強筋に関するものである。

コンクリート構造物に使用される従来の鉄筋は、酸、アルカリ、塩分に対する耐腐食性において劣っており、又、耐候性及び作業性においても問題があり、これらの問題を解決するべく、鉄筋の代替物が種々提案されている。

例えば、特許文献１には、強化繊維を使用したコンクリート補強筋を開示している。この補強筋１０は、本願添付の図７に示すように、多数本の強化繊維ｆを有する補強繊維束２０と、この補強繊維束２０の長手方向に沿って延在し、十分な空隙を有した態様で補強繊維束２０を囲包して配置された可撓性の管状被覆部材３０と、を有する構造とされる。

斯かる構造とされるコンクリート補強筋１０は、管状被覆部材３０内へと樹脂が注入され、管状被覆部材３０中の補強繊維束２０に樹脂が含浸される。このコンクリート補強筋１０は、帯鉄筋或いは中間帯鉄筋などとして使用する前に、予め管状被覆部材３０内へと樹脂を注入し、可撓性を有した半硬化状態としておくことも提案されている。

このようなコンクリート補強筋は、錆の問題は発生せず、また、耐久性に優れている。
特開平１１−７０５９６号公報

しかしながら、上記構成のコンクリート補強筋などのような従来の鉄筋代替補強筋には、マトリックス材として樹脂が含浸されている。

本考案者らの研究実験の結果によると、従来のコンクリート補強筋は、所謂、繊維強化樹脂製の補強筋であり、例え強化繊維として炭素繊維を使用したとしても、有機物である樹脂を含んでおり、耐熱性の点で問題がある。

特に、原子力関連施設のコンクリート構造物にて、例えば、核燃料廃棄物格納施設などにおいては、３００℃程度の温度環境下にあり、放射線に対する劣化の問題の他に、耐熱性が要求される。

従って、放射線で劣化する従来の鉄筋は勿論のこと、従来の繊維強化樹脂製のコンクリート補強筋も又使用することは不可能である。

本考案の目的は、放射線に対する耐性を有し、更に、耐熱性を有し、原子力関連施設のコンクリート構造物を建設する際に、或は、既設コンクリート構造物を補強する際に、鉄筋の代替物としてコンクリート中に埋設して使用することのできる炭素繊維コンクリート補強筋を提供することである。

上記目的は本考案に係る炭素繊維コンクリート補強筋にて達成される。要約すれば、本考案は、原子力関連施設のコンクリート構造物に使用されるコンクリート補強筋であって、
強化繊維としての炭素繊維と、前記炭素繊維に含浸された無機マトリックス材と、を有することを特徴とする炭素繊維コンクリート補強筋である。

本考案の一実施態様によると、前記無機マトリックス材は、速硬型セメント、アルミナセメント、又は、炭酸化し凝結させた水ガラスである。

本考案の他の実施態様によると、前記炭素繊維コンクリート補強筋の横断面形状は、矩形状又は円形状とされる。

本考案の他の実施態様によると、前記炭素繊維コンクリート補強筋の長手軸線方向に沿って、前記補強筋の外周面に環状の突起が所定間隔にて形成されるか、又は、前記炭素繊維コンクリート補強筋の長手軸線方向に沿って、前記補強筋の外周面に螺旋状に突起が形成される。

本考案の他の実施態様によると、前記炭素繊維コンクリート補強筋の長手軸線方向に沿って所定間隔にて、前記補強筋の長手軸線方向に直交して、前記補強筋の外周面に凹凸形状が形成される。

本考案の他の実施態様によると、前記炭素繊維は、前記炭素繊維コンクリート補強筋の長手軸線方向に引き揃えて配列される。

本考案の炭素繊維コンクリート補強筋は、放射線に対する耐性を有し、更に、耐熱性を有し、原子力関連施設のコンクリート構造物を建設する際に、或は、既設コンクリート構造物を補強する際に、鉄筋の代替物としてコンクリート中に埋設して使用することができる。

以下、本考案に係る炭素繊維コンクリート補強筋を図面に則して更に詳しく説明する。

実施例１
図１に、本考案の炭素繊維コンクリート補強筋（以下、単に「コンクリート補強筋」という。）の一実施例を示す。本実施例にて、コンクリート補強筋１は、強化繊維としての炭素繊維２と、炭素繊維２に含浸されたバインダーとしての無機のマトリックス材４と、を有する。

炭素繊維２は、一般には、所定本数の炭素繊維フィラメントｆを平行に或いは緩く撚りを掛けて収束して作製される炭素繊維ストランド２ａを平行に或いは緩く撚りを掛けて、一方向に引き揃えた形態にて作製される。

又、別法として、炭素繊維２は、例えば、図２（Ａ）に示すように、平行状態に配列された炭素繊維フィラメントｆ或いは炭素繊維ストランド２ａを、炭素繊維で作製された編組体３Ａにて被覆して緩く拘束して作製することができる。更には、図２（Ｂ）に示すように、平行状態に配列された炭素繊維フィラメントｆ或いは炭素繊維ストランド２ａを、炭素繊維テープ３Ｂで緩く拘束して作製することもできる。また、炭素繊維２は、炭素繊維ストランド２ａを軸線方向に編み込むことも可能である。

通常、炭素繊維２は、ＰＡＮ系、ピッチ系、その他、いずれのタイプの炭素繊維であっても構わない。好ましくは、強度が１００Ｋｇｆ／ｍｍ²以上、弾性率が１０Ｔｏｎｆ／ｍｍ²以上とされる高強度、高弾性の炭素繊維が使用される。

また、無機のマトリックス材４としては、無機水硬性バインダーである、例えば、速硬型セメント、アルミナセメント、又は、炭酸化し凝結させた水ガラスが使用される。コンクリート補強筋１における炭素繊維２の体積含有量は、一般に、２〜３０体積％、通常５体積％程度とされる。

本実施例にて、コンクリート補強筋１の横断面形状は、図１に示すように、円形状とされる。直径Ｄは、通常の鉄筋と同様の直径とされ、一般に、１０ｍｍ程度とされる。

更に、本実施例のコンクリート補強筋１をコンクリート中に埋設した場合に、補強筋１とコンクリートとの付着力を増大させるために、補強筋１の長手軸線方向に沿って、補強筋１の外表面を凹凸形状とするのが好ましい。

つまり、凹凸形状としては、例えば、従来の異型鉄筋と同様に、図３（Ａ）に示すように、所定間隔で環状の突起（ふし）８を形成することができ、又、図３（Ｂ）に示すように、螺旋状に突起（ふし）８を形成しても良い。凹凸形状は、これらに限定されるものではなく、任意の形状とすることができる。これら凹凸形状を形成する突起８も又、補強筋１と同様に、炭素繊維に無機マトリックス材を含浸して作製されたものである。

又、別法として、コンクリート補強筋１の横断面形状は、図４に示すように、矩形状とすることもできる。一例を挙げれば、短辺（厚さ）Ｔが３〜５ｍｍ、長辺（幅）Ｗが１０〜３０ｍｍとされる。この場合においても、コンクリート補強筋１をコンクリート中に埋設した場合に、補強筋１とコンクリートとの付着力を増大させるために、補強筋１の外表面には、補強筋１の長手軸線と直交する方向に凹凸形状を設けるのが好ましい。

つまり、凹凸形状としては、例えば、図５に示すように、補強筋１の長手軸線方向に所定間隔Ｐで、補強筋１の長手軸線方向に直交する凹状の溝９を形成することができる。溝９の幅（ｗ）は、２〜５ｍｍ、深さ（ｈ）は、２〜４ｍｍとされる。また、所望により、図３に示すと同様に、外周面に、環状或いは螺旋状に突起８を形成することもできる。

実施例１にて説明した上記構成の本発明のコンクリート補強筋１は、例えば、コンクリート構造物の軸方向鉄筋として、或いは、軸方向鉄筋を取り巻いて配置される帯鉄筋として、更には、中間帯鉄筋として使用することができる。

次に、上記構成のコンクリート補強筋１の成形法について説明する。

図６に、コンクリート補強筋１の成形法の一実施例を示す。

本実施例の成形法によれば、クリール１１より解じょされた多数本の炭素繊維ストランド２ａ（即ち、炭素繊維２）は、含浸槽１２を備えた無機マトリックス材含浸工程へと送給される。マトリックス材含浸工程では、炭素繊維２は、マトリックス材４が収容された含浸槽１２を通すことによりマトリックス材４が含浸される。次いで、成型器（モールド）１３へと送給され、所望の形状に成形される。

このマトリックス材４が含浸され、所定形状に成形された炭素繊維２は、硬化する前に、本実施例では、ワインディング機１４へと導かれ、炭素繊維２の外周面に、炭素繊維にて作製され予め無機マトリックス材が含浸された炭素繊維紐状体が螺旋状に巻き付けられ、図３で示すような螺旋状の突起８が形成される。

上記諸工程は、マトリックス材４が硬化しないように、１０℃以下の環境下にて行う。

突起８が形成された炭素繊維２は、加熱炉（４０℃）へと送給されることにより、硬化促進され、コンクリート補強筋１が作製される。その後、引出機１６により引き出されたコンクリート補強筋１は、カッター１７により所定長さに切断される。

本考案者らは、本実施例のコンクリート補強筋１を使用したコンクリート構造物の補強効果を実証するために、図４に示すような横断面が矩形状とされる下記仕様のコンクリート補強筋を作製し、実験を行った。実験の結果を表１に示す。

尚、本実験例では、表１に示すように、補強筋１の厚さ（Ｔ）及び幅（Ｗ）を変えて実験した。外周面には、突起８或いは溝９は設けなかった。

実験例
・補強筋１の材料
炭素繊維２
材質：ＰＡＮ系炭素繊維フィラメント１２０００本からなる炭素繊維ストランド２ａを８０本一方向に平行に配列してシート状とした。
炭素繊維の強度： ３２００Ｎ／ｍｍ²（３２６Ｋｇｆ／ｍｍ²）
炭素繊維の弾性率： ２３０ＫＮ／ｍｍ²（２３Ｔｏｎｆ／ｍｍ²）
無機マトリックス材４： 速硬型セメント
炭素繊維：無機マトリックス材＝１０：１００（体積％）

本実験例にて、炭素繊維の引張強度は３２００Ｎ／ｍｍ²であり、炭素繊維の含有率は１０％である。表１の結果から、補強筋の引張強度（平均応力）は、略４２Ｎ／ｍｍ²である。

従って、３２００Ｎ／ｍｍ²×含有率１０％＝３２０Ｎ／ｍｍ²
に対して、略４２Ｎ／ｍｍ²であり、補強効率は１３％であった。

上記構成のコンクリート補強筋をコンクリート梁に組み込んで実験を試みたところ、従来の鉄筋、或いは、繊維強化樹脂製補強筋と同様に十分な補強効果を得ることができ、更に、３００℃の温度にも十分に耐えることができた。

本考案に係る炭素繊維コンクリート補強筋の一実施例の斜視図である。 本考案に係る炭素繊維コンクリート補強筋に使用する炭素繊維の他の実施例の斜視図である。 本考案に係る炭素繊維コンクリート補強筋の正面図である。 本考案に係る炭素繊維コンクリート補強筋の他の実施例の斜視図である。 本考案に係る炭素繊維コンクリート補強筋の他の実施例の斜視図である。 本考案に係る炭素繊維コンクリート補強筋の製造方法の一実施例を説明する概略工程図である。 従来のコンクリート補強筋の斜視図である。

符号の説明

１ コンクリート補強筋
２ 炭素繊維
２ａ 炭素繊維ストランド
４ 無機マトリックス材
８ 突起
９ 溝

Claims (6)

1. 原子力関連施設のコンクリート構造物に使用されるコンクリート補強筋であって、
   強化繊維としての炭素繊維と、前記炭素繊維に含浸された無機マトリックス材と、を有することを特徴とする炭素繊維コンクリート補強筋。
2. 前記無機マトリックス材は、速硬型セメント、アルミナセメント、又は、炭酸化し凝結させた水ガラスであることを特徴とする請求項１の炭素繊維コンクリート補強筋。
3. 前記炭素繊維コンクリート補強筋の横断面形状は、矩形状又は円形状とされることを特徴とする請求項１又は２の炭素繊維コンクリート補強筋。
4. 前記炭素繊維コンクリート補強筋の長手軸線方向に沿って、前記補強筋の外周面に環状の突起が所定間隔にて形成されるか、又は、前記炭素繊維コンクリート補強筋の長手軸線方向に沿って、前記補強筋の外周面に螺旋状に突起が形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかの項に記載の炭素繊維コンクリート補強筋。
5. 前記炭素繊維コンクリート補強筋の長手軸線方向に沿って所定間隔にて、前記補強筋の長手軸線方向に直交して、前記補強筋の外周面に凹凸形状が形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかの項に記載の炭素繊維コンクリート補強筋。
6. 前記炭素繊維は、前記炭素繊維コンクリート補強筋の長手軸線方向に平行に引き揃えて配列されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかの項に記載の炭素繊維コンクリート補強筋。

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