JP3859611B2 - 高強度繊維複合材ケーブル - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は複撚り構造の高強度織誰複合材ケーブルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
高強度繊維複合材ケーブルは、高強度、低伸度であり、しかも軽量で高耐食、高疲労性を有していることから、鉄鋼製のワイヤロープやストランドケーブル、ＰＣ緊張材などに代わるものとして適用が拡大している。
こうした高強度繊維複合材ケーブルにおいて、高張力を要する大型構造物やグラウンドアンカーなどに適用される場合には、従来、図１（ａ）のように、高強度繊維と樹脂を複合した素線ｓを複数の層に重ね撚合せた多層構造のケーブル、あるいは、図１（ｂ）のように、高強度繊維と樹脂を複合した素線ｓを撚り合わせた複数のストランドｋを、相互に適度な間隔を保持しながら平行に束ねて構成したケーブルが使用されている。
【０００３】
しかし、このような従来の高強度織誰複合材ケーブルでは、次のような問題があった。
１．多層撚り構造ケーブル
１)素線が線接触の関係にあり、断面が円形に近く、表面積が小さいので、使用時にスリーブに樹脂あるいはセメントを注入してスリーブとケーブルを一体化させる端末定着加工において、十分な付着を得るために端末を素線ごとにばらす作業を必要とする。
２)多層撚り構造ケーブルは、素線を一括して所定方向に撚りあわせた形態であるので、素線の数が増えるに従って撚り合せる設備が大型となり、その投資費用は甚大である。
【０００４】
２．複数のストランドを平行状に束ねて構成したケーブル
１)使用に際して、ケーブルに張力が導入される時、構成する各ストランドの長さが揃っていなかったりケーブルが偏向部などで曲げられて配置された揚合、各ケーブルヘ張力が均等に伝わらずケーブル本来の設計張力を達成できない可能性がある。
２)ケーブルを搬送するためにケーブルをリールヘ巻くと型崩れを起し、取り扱いが困難であり、そのうえ、ケーブルの内側と外側の径の差により曲げ応力が働き、ケーブルが損傷する可能性がある。
【０００５】
３)ケーブルはストランドを平行状に引き揃えているだけであるため、捻れに弱く、特にストランドの撚り方向と逆方向に捻られた揚合、素線が開き破損してしまう。
４)軸方向への圧縮（挫屈）に弱い。
５)ケーブルの外周に筒体を取り付け、筒体内部に樹脂あるいはセメントを充填してケーブルと筒体を一体化させる場合や、グラウンドアンカーにおいて、ケーブル外周のシース管へ比重調整剤を充填する場合に、ストランド同士の隙間から充填材が流れ出すため、製造時あるいは施工時に隙間を埋める処理が必要であった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記のような問題点を解消するためになされたもので、その目的とするところは、良好で安定した強度を有し、しかも曲げに対して軸力が均等で形状が安定していて、リールに型崩れせずに巻くことが可能であり、穴や筒への挿入時にも座屈しにくく、十分な端末定着力を得ることができる高強度繊維複合材ケーブルを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明は、高強度低伸度繊維に熱硬化性樹脂を含浸させた繊維のプリプレグを多数数本収束しあるいは撚り合せた複合素線を複数本片撚りした片撚りケーブルをストランドとして使用し、前記片撚りケーブルの複数本を、撚り角度２〜１２°で片撚りケーブルの撚り方向と逆方向に撚り合わせ、前記各片撚りケーブル間に樹脂質の介在層を配置したことを特徴としている。
【０００８】
前記樹脂質の介在層は、線状体、条体、片撚りケーブルの外周に施した被覆樹脂のいずれかである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下添付図面を参照して本発明の実施例を説明する。
図２ないし図６は本発明による高強度繊維複合材ケーブルの実施態様を示しており、１は高強度繊維複合材ケーブルの全体を指し、２はそれぞれが高強度低伸度繊維と熱硬化性樹脂を複合した片撚りケーブルである。
高強度繊維複合材ケーブル１は、前記片撚りケーブルをストランドとして用い、複数本（図面では７本）を長い撚りピッチ、すなわち２〜１２°の撚り角度αで撚り合わせて１体のケーブルとしたものである。
【００１０】
この例では、７本の片撚りケーブル２を用いているため、中心に１本の片撚りケーブル２ａを心ストランドとして配置し、その周りに６本の片撚りケーブル２ｂを側ストランドとして配置しており、心ストランドとしての片撚りケーブル２ａの周りには介在層３が設けられている。
【００１１】
詳述すると、片撚りケーブル２（２ａ、２ｂ）は、図３のように、炭素繊維、アラミド繊維、炭化珪素繊維などから選択される高強度低伸度繊維にエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂などから選択される熱硬化性樹脂を含浸させた多数の複合素線２０からなっている。複合素線２０は、高強度低伸度繊維のプリプレグ２００の多数本を収束し、あるいは長い撚りピッチで撚り合わせ、外周に高強度低伸度繊維あるいはポリエステル繊維などの合成繊維糸２０２をラッピングの形態で被覆している。
【００１２】
前記片撚りケーブル２（２ａ、２ｂ）の撚り方向と高強度繊維複合材ケーブル１の撚り方向は逆方向になっている。すなわち、前記片撚りケーブル２（２ａ、２ｂ）の撚り方向がたとえばＳ方向であれば、高強度繊維複合材ケーブル１の撚り方向はＺ方向とされる。これは、自転性を小さくし、捻れにくく型崩れしにくくするためである。
【００１３】
前記片撚りケーブル２（２ａ、２ｂ）を高強度繊維複合材ケーブル１に撚り合わせるときの撚り角度αを限定したのは、後述するように、損傷や型崩れを起させずに目標とする引張り強度を達成させるため、また、既存の撚線機で容易に撚り合わせ工程を実施できるようにし、さらに、後に説明するが、熱硬化性樹脂の硬化工程が最終工程に限定されない利点があるからである。より好ましい撚り角度αは、２〜８°である。
【００１４】
撚り角度の下限を２°としたのは、これ未満では、引張り強度は高いものの、平行に近づくため、先に述べた従来のケーブルの欠点、すなわち、リールヘ巻くと型崩れを起し、取り扱いが困難となる点、ケーブルの内側と外側の径の差により曲げ応力が働き、ケーブルが損傷する可能性がある点や、捻れに弱く、特にケーブルの撚り方向とは逆方向に捻られた揚合、素線が開き、破損してしまう点を解消できなくなるからである。
【００１５】
撚り角度の上限を１２°としたのは、引張り強度が低下するからである。すなわち、高強度繊維複合材は、曲げ、せん断、ねじれに弱く、完全脆性材料であるため大きな撚り角度で撚り合わせると、引張り方向と繊維方向の角度差が大きくなり、せん断により強度低下をきたすからである。
なお、通常の場合、片撚りケーブル２（２ａ、２ｂ）を得る場合の撚りピッチＰ１よりも、高強度繊維複合材ケーブル１に撚り合わせるときの撚りピッチＰの方を大きくする。
【００１６】
介在層３を配置した理由は、各片撚りケーブルが接触する場合には、高強度繊維複合材ケーブルに張力がかかった場合や、曲げられた場合に互いの素線同士の擦れや側圧で素線が損傷し、十分な強度が発揮できなくなるが、介在層３が存在することにより、片撚りケーブルからなる心ストランドと片撚りケーブルからなる側ストランド間の接触を緩和でき、また、介在層３の存在による拡径作用で、側ストランド相互間の接触も緩和され、内部摩耗による引張り強度の低下（撚減り）を低減できるからである。
さらに、高強度繊維複合材ケーブル１を穴や筒に入れ、セメントミルクや樹脂などの充填材を注入した時に、ケーブルの内部（ストランド同士の隙間）から充填材が流出しなくなるからである。
【００１７】
介在層３は、図６（ａ）のように合成樹脂製の線状体３０などを片撚りケーブル２ａの各外周谷間に配してもよい。この方式は、片撚りケーブル２（２ａ、２ｂ）を高強度繊維複合材ケーブルに撚り合わせるときに実施できる利点がある。これに代え、図６（ｂ）のように、溶融樹脂を押し出すなどして、あらかじめ片撚りケーブル２ａの外周に樹脂被覆３１を施してもよい。線状体３０、被覆樹脂３１は、ポリエチレンなどの熱可塑性樹脂が好ましい。
【００１８】
本発明は、図示する例に限定されるものではない。
１）片撚りケーブル２を構成する複合素線２０の数は、３本以上であればよく、第２図のように７本である場合に限定されない。図４（ｂ）、（ｃ）のように１９本などであってもよい。
２）高強度繊維複合材ケーブル１は、必ずしも片撚りケーブルからなる心ストランド２ａを有している場合に限定されない。図４（ａ）、（ｂ）のように３本の片撚りケーブル２を用いた構造であってもよい。この例では、３×７構造、３×１９構造を採用している。このような片撚りケーブルからなる心ストランドがない場合、介在層３は図４（ａ）で代表的に示すように、片撚りケーブル２，２間に介在される。この介在層３は樹脂などで断面が多角形ないしこれに類する形状に成形した条体を使用できる。
３）片撚りケーブルからなる心ストランド２ａを有している場合、図４（ｃ）で例示するように、７×１９構造も採用できる。なお、この図では介在層３を省略している。
【００１９】
次に本発明による高強度繊維複合材ケーブルの製作工程を説明すると、図７と図８は製作工程の２つの例を示している。
第１の方式は、レヤー工程―ラッピング工程―１次クロージング工程で樹脂が未硬化状態の片撚りケーブルを製作し、その未硬化の片撚りケーブルの複数本を、２次クロージング工程で高強度繊維複合材ケーブル１に撚り合わせ、最後にキュア工程によって全体を硬化させる。
第２の方式は、レヤー工程―ラッピング工程―１次クロージング工程―キュア工程によって樹脂が硬化した片撚りケーブルを製作し、得られた片撚りケーブルの複数本を、２次クロージング工程でケーブル１に撚り合わせる。
【００２０】
なお、心ストランドがある場合に適用される第３の方式がある。これは、レヤー工程―ラッピング工程―１次クロージング工程―キュア工程によって樹脂が硬化した片撚りケーブルを１本製作し、それとは別にレヤー工程―ラッピング工程―１次クロージング工程で樹脂が未硬化状態の片撚りケーブルを製作し、樹脂硬化した片撚りケーブルを心ストランドとして、その周りに樹脂が未硬化状態の片撚りケーブルを側ストランドとして配し、２次クロージング工程で高強度繊維複合材ケーブル１に撚り合わせ、最後にキュア工程によって樹脂が未硬化状態の片撚りケーブルからなる側ストランドを硬化させる。
【００２１】
レヤー工程は、図８（ａ）のように、熱硬化性樹脂を含浸させたプリプレグ２００を多数本たとえば１０〜２０本、それぞれボビンから撚り機５に送って所定のピッチで撚り合わせ、素線２０´を得る。
ラッピング工程は、図８（ｂ）のように、素線２０´を複数本たとえば７本送り出しつつ、ラッピング機６から合成繊維糸２０２を繰り出して素線２０´の外周にスパイラル状に巻きつける。
１次クロージング工程は、図８（ｃ）のように、ラッピング済素線２０をたとえば７本それぞれボビンから繰り出し、クロージング機７で所定のピッチたとえば１００〜２００ｍｍで撚り合わせる。これで、樹脂が未硬化の片撚りケーブル２´が得られる。
【００２２】
第１の方式では、ラッピング済素線２０をクロージング機７で所定のピッチたとえば１００〜２００ｍｍで撚り合わせて、樹脂が未硬化の片撚りケーブル２´を得たならば、そのまま、図８（ｄ）のようにクロージング機９で撚り角度を２〜１２°の範囲とし、撚り方向を片撚りケーブル撚り工程での撚り方向と逆にして撚り合わせて、樹脂未硬化状態の素ケーブル１´を得、それをトンネル状の熱処理炉８を通過させて１２０〜１３５℃で加熱し、樹脂を硬化させて本発明高強度繊維複合材ケーブル１を得る。
【００２３】
第２方式では、樹脂が未硬化の片撚りケーブル２´を、図８（ｅ）のように、トンネル状の熱処理炉８を通過させて１２０〜１３５℃で加熱し、樹脂を硬化させた片撚りケーブル２を得る。そして、それら樹脂硬化片撚りケーブル２をクロージング機９で撚り合わせ、本発明高強度繊維複合材ケーブル１を得る。このときに、撚り角度を２〜１２°の範囲とし、撚り方向を片撚りケーブル撚り工程での撚り方向と逆にする。第１と第２の方式では、キュア工程は１度で足りるので、工程が簡易である。
【００２４】
なお、介在層３を設ける場合、片撚りケーブルからなる心ストランドがないケーブル構造では、介在層となるべき条体や線条体を中央に配してその周りに片撚りケーブルからなるストランドを配して２次クロージング工程を行なえばよい。
また、片撚りケーブルからなる心ストランドがあるケーブル構造の場合には、一本の片撚りケーブルの外周に介在層を施し、それを中心にして他の片撚りケーブル２ｂを配して２次クロージング工程を行なえばよい。片撚りケーブルは硬化されていても、未硬化であってもよい。
なお、第３の方式は、未硬化の片撚りケーブルからなる側ストランド２ｂを撚り合せる際に、中心に樹脂を硬化させた剛性のある片撚りケーブルからなるストランド２ａが存するので、撚り工程が楽であるという利点がある。
【００２５】
【実施例】
実施例１
製作法として、第２の方式を用い、本発明高強度繊維複合材ケーブルを製作した。
炭素繊維にエポキシ樹脂を含浸させた径が７ミクロンの繊維を１２０００本束ねたプリプレグを１５本、撚り方向Ｚ、ピッチ９０ｍｍで撚り合わせ、次いでラッピングを施して外径４．２ｍｍの素線を得た。
この素線を７本撚り方向Ｓ，ピッチ１６０ｍｍで撚り合わせて１×７構造の片撚りケーブルを得た。該片撚りケーブルを熱処理炉で１３０度×９０分加熱して樹脂を硬化させた。
【００２６】
この片撚りケーブル７本のうち、１本の外周にポリエチレンの被覆を施して心ストランドとし、被覆を施さないもの６本を側ストランドとして、撚り方向Ｚ，撚り角度αを２〜１８°の範囲にとって撚り合わせ、７×７構造の高強度繊維複合材複撚りケーブルを得た。ちなみに、撚り角度α：２°の撚りピッチは２２００ｍｍ、撚り角度α：４．１°の撚りピッチは１１００ｍｍ、撚り角度α：５°の撚りピッチは９００ｍｍである。
【００２７】
得られた複撚りケーブルについて、９水準の引張試験を行った結果を図９に示す。この結果から、撚り角度を２〜１２°の範囲、特に２〜８°にすると、破断荷重の低下はほとんど見られないことがわかる。
【００２８】
比較のため、撚り角度α＝４°とし、片撚りケーブルからなる心ストランドに被覆を施さずにα＝４°で前記７×７構造の複撚りケーブルを製作し、引張り試験を行った。その結果、破断荷重は１１００ｋＮであり、撚り角度α＝４°とし、片撚りケーブルからなる心ストランドに被覆を施した複撚りケーブルは１２５０ｋＮであったので、このほうが高い破断荷重が得られた。
また、前記片撚りケーブルからなるストランドを７本、平行状に束ねた従来ケーブル（従来例２という）について破断荷重の比較も行った。この結果、該従来例２は、１０７０ｋＮで、本発明よりも劣っていた。
【００２９】
実施例１の高強度繊維複合材ケーブルについて、リールの胴径と撚り長さの関係を巻取り実験により調査した。その結果、撚り角度αが２〜１８°の範囲内にある場合、撚り長さＰ／リール胴径Ｄが０．７３以下であれば、図１０（ａ）のように正常に巻取り可能であることが確認された。撚り角度αが１．６°すなわち撚りピッチ２８００ｍｍでは、Ｐ／Ｄが０．９３では巻取り中にケーブルに損傷や型崩れが発生した。
比較のため、前記従来例２についても巻取り試験を行ったが、その結果は、図１０（ｂ）のように型崩れが発生し、重ね巻きができなかった。
【００３０】
片撚りケーブルからなる心ストランドにポリエチレン被覆を施したタイプで、撚り角度α：４°の本発明高強度繊維複合材ケーブル（７×７構造）について、図１１（ａ）のように、曲げ径２００ｍｍとして曲げ角度２θが０°〜８°となる範囲で曲げ引張試験を行った。
比較のため、断面積が同一となる１×３７構造（従来例１）と、７本のストランドを束ねたケーブル（従来例２）についても同様の曲げ引張試験を行った。その結果を図１１（ｂ）に示す。この図からわかるように、本発明ケーブルは良好な曲げ性能を呈し、これに対して、従来例２は、曲げによる破断荷重の低下が最も大きかった。
【００３１】
図１２のように、心ストランドにポリエチレン披覆を施した７×７構造の高強度繊維複合材ケーブル外周へ筒体を被せ、筒体の両端開口にエポキシ粘土を詰め込んでシールした状態で、筒体下部に設けた注入孔からセメントミルクを注入したところ、ケーブル内部からセメントが流れ出ることなく充填が成功した。この結果から、介在層が効果的であることがわかる。
また、定着性を検討するため、図１３のように鋼管製のスリーブ１５に本発明高強度繊維複合材ケーブル１を挿入し、セメントミルク１６を注入した。比較のため図１４のように、従来例１について素線をばらしてスリーブに挿入しセメントミルクを注入した。この結果、本発明ケーブル１は片撚りケーブルからなる各ストランドをばらさないにもかかわらず、高い定着強度が得られた。これは、本発明のケーブルでは片撚りケーブルからなるストランド同士が点接触であるためケーブル外周の凹凸が大きく、付着表面積が大きいこと、しかも片撚りケーブルからなるストランドのらせんが引き抜き抵抗となったことによるものである。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明した本発明の請求項１によるときには、次のようなすぐれた効果が得られる。
１）各片撚りケーブルの長さの不揃いがほとんど出ないため、各片撚りケーブルあるいは各複合素線への張力が均等になり、設計強度を確実に実現することができる。
２）片撚りケーブルを撚り合せることで、高強度繊維複合材ケーブルが曲げられた場合でも片撚りケーブルからなる各ストランドにかかる軸力は均等となり、また、形状が安定した構造であるため、高強度繊維複合材ケーブルをリールへ巻く時や展開する時に型崩れが起こりにくく、重ねて巻取ることができる。
【００３３】
３）筒や穴の中ヘケーブルを挿入する場合にも挫屈による損傷を受け難い。
４）高強度繊維複合材ケーブル外周の表面積が大きいため，端末定着加工を行う際に、多層撚りケーブルのように端部をバラス必要なしに十分な定着力を得ることができる。
５）高強度繊維複合材ケーブルの撚り方向が片撚りケーブルの撚り方向と逆方向であるため自転性が小さく、捻れにくく、型崩れしない。
６）既存の撚り線機で容易に撚り合わせが可能であり、撚り合せる片撚りケーブルの本数を増減するだけで目的の引張張力を得ることができる。
【００３４】
しかも、各片撚りケーブル２間に樹脂質の介在層３を配置したので、介在層３により、ケーブルの内部（片撚りケーブル同士の隙間）から充填材が流出しない。また、各片撚りケーブル同士の接触を緩和でき、内部磨耗が防止されるので、引張強度の低下を低減できるなどのすぐれた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （ａ）と（ｂ）はそれぞれ従来の高強度繊維複合材ケーブルの部分的斜視図である。
【図２】 本発明による高強度繊維複合材ケーブルの一例を示す部分的斜視図である。
【図３】 本発明における複合素線を示す部分的斜視図である。
【図４】 （ａ）（ｂ）（ｃ）は本発明ケーブルの他の例を示す断面図である。
【図５】 （ａ）は本発明ケーブルの撚り角度を示す説明図、（ｂ）は撚り長さを示す説明図である。
【図６】 （ａ）（ｂ）は本発明ケーブルの介在層を例示した側面図である。
【図７】 （ａ）（ｂ）は本発明ケーブルの製造工程例を示す説明図である。
【図８】 （ａ）はレヤー工程の説明図、（ｂ）はラッピング工程の説明図、（ｃ）は１次クロージング工程の説明図、（ｄ）は２次クロージング工程の説明図、（ｅ）はキュア工程の説明図である。
【図９】 撚り角度と破断荷重の関係を示す線図である。
【図１０】 （ａ）は本発明ケーブルの巻取り試験状態を示す平面図、（ｂ）は従来ケーブルの巻取り試験状態を示す平面図である。
【図１１】 （ａ）は曲げ引張り試験の概要を示す説明図、（ｂ）は本発明ケーブルと従来ケーブルの曲げ角度と破断荷重を示す線図である。
【図１２】 充填試験状態を示す斜視図である。
【図１３】 （ａ）は本発明ケーブルの端末定着加工の状態を示す縦断側面図、（ｂ）は横断面図である。
【図１４】 （ａ）は従来の多層撚りケーブルの端末定着加工状態を示す縦断側面図、（ｂ）は横断面図である。
【符号の説明】
１ 本発明の高強度繊維複合材ケーブル
２ 片撚りケーブル
２ａ 片撚りケーブルからなる心ストランド
２ｂ 片撚りケーブルからなる側ストランド
３ 介在層
２０ 複合素線

Claims (2)

1. 高強度低伸度繊維に熱硬化性樹脂を含浸させた繊維のプリプレグを多数数本収束しあるいは撚り合せた複合素線（２０）を複数本片撚りした片撚りケーブル（２）をストランドとして使用し、前記片撚りケーブル（２）の複数本を、撚り角度２〜１２°で片撚りケーブル（２）の撚り方向と逆方向に撚り合わせ、前記各片撚りケーブル（２）間に樹脂質の介在層（３）を配置したことを特徴とする高強度繊維複合材ケーブル。
2. 樹脂質の介在層（３）が、線状体（３０）、条体、片撚りケーブル（２）の外周に施した被覆樹脂（３１）のいずれかである請求項１に記載の高強度繊維複合材ケーブル。

Images