JP4236478B2

JP4236478B2 - 強化繊維シート

Info

Publication number: JP4236478B2
Application number: JP2003040363A
Authority: JP
Inventors: 哲也杉山; 朗小林; 誠斉藤
Original assignee: 日鉄コンポジット株式会社
Priority date: 2003-02-18
Filing date: 2003-02-18
Publication date: 2009-03-11
Anticipated expiration: 2023-02-18
Also published as: JP2004249507A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、橋梁や高架道路などの土木建築構造物であるコンクリート構造物或いは鋼構造物（本願明細書では、コンクリート構造物、鋼構造物などを含めて単に「構造物」という。）を補強する補強材として、樹脂含浸性が良好で補強現場で施工性良く補強を行うことができ且つ補強強度も向上し、更には、ＦＲＰ成型品の中間基材の製造において樹脂含浸性が良好な強化繊維シートに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、例えば、構造物の補強方法として、既存或いは新設の構造物の表面に連続強化繊維シート貼り付けたり、巻き付けたりする接着工法が開発されている。このような接着工法には、特許文献１及び特許文献２に記載するような一方向配列強化繊維シートが使用されている。
【０００３】
つまり、一方向配列強化繊維シートは、図７に示されるように、樹脂透過性の支持体シート１３と、この支持体シート１３にて保持された、一方向に配列された強化繊維ｆにて形成される強化繊維層１２Ａとを有する構成とされる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平３−２２２７３４号公報
【特許文献２】
特開平３−２２４９０１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、上記構成の一方向配列強化繊維シート１０Ａは、補強現場にて強化繊維層１２Ａに樹脂を含浸し、構造物に接着することが必要である。
【０００６】
本発明者らの研究実験の結果によると、強化繊維層１２Ａの繊維目付が３００ｇ／ｍ²程度以下の場合には樹脂含浸性において問題はないが、例えば、補強強度を増大するべく繊維目付として３００〜１０００ｇ／ｍ²が要求される場合には、シートの厚さが大となり、樹脂含浸性が悪く、施工性の点で問題があることが分かった。
【０００７】
そのために、現状では、繊維目付２００〜３００ｇ／ｍ²程度とされる薄目付けの一方向配列強化繊維シートを複数枚用意し、シート１枚づつの被補強面への貼付、樹脂含浸作業が余儀なくされている。そのために、補強強度を増大する場合には、施工に時間が掛かり、作業コストが大となる。また、使用する一方向配列強化繊維シートに対するコストも、もし、１枚のシートで作業し得るのであればそれだけ有利である。
【０００８】
従って、本発明の目的は、樹脂含浸性がよく、施工性良く作業を行うことのできる強化繊維シートを提供することである。
【０００９】
本発明の他の目的は、樹脂含浸性が良く、繊維目付３００ｇ／ｍ²以上の目付けが大とされる強化繊維シートを提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的は本発明に係る強化繊維シートにて達成される。要約すれば、本発明は、多数本の強化繊維束を長手方向に沿って引き揃えて形成された強化繊維束層を樹脂透過性支持体により一体に保持した強化繊維シートであって、
前記強化繊維束は、多数本の強化繊維を一方向に引き揃えて形成された繊維ストランドを長手方向に沿って、線材、紐、或いは、テープとされる束ね部材により束ねて形成され、
前記強化繊維束は、前記束ね部材の内周部にて包囲された前記強化繊維束の断面積をＳｂ、前記束ね部材にて包囲された前記繊維ストランドを形成する強化繊維の横断面積の和をＳｓとしたとき、空隙率Ｓｒ＝（Ｓｂ−Ｓｓ）／Ｓｂが、３０〜９０％であり、
前記各強化繊維束の間には、０．１〜５．０ｍｍの空隙が設けられる、
ことを特徴とする強化繊維シートである。
【００１２】
本発明の一実施態様によると、前記繊維ストランドは、強化繊維を１０００本〜１０００００本収束して形成される。
【００１３】
本発明の他の実施態様によると、前記強化繊維束層の繊維目付は、１００〜１０００ｇ／ｍ²である。
【００１５】
本発明の他の実施態様によると、前記樹脂透過性支持体は、前記強化繊維束層の片面、又は、両面に配置され、接着される。また、前記樹脂透過性支持体は、２軸或いは３軸のメッシュ状支持体シート、クロス、又は、前記強化繊維束層の長手方向に対し９０°方向の１軸のみの横糸とすることができる。他の実施態様によると、前記樹脂透過性支持体は、前記樹脂透過性支持体を構成する糸条の表面に被覆された樹脂により前記強化繊維束層を形成する前記強化繊維束に接着される。
【００１６】
本発明の他の実施態様によると、前記強化繊維束を構成する強化繊維は、炭素繊維、ガラス繊維、アルミナ繊維、チラノ繊維などの無機繊維、又は、アラミド繊維、ポリエチレン繊維、ＰＢＯ（ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール）繊維、ポリアミド繊維、ポリアリレート繊維、ポリエステル繊維などの有機繊維、又は、鋼繊維などを一種、又は、複数種混入して使用することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る強化繊維シートを図面に則して更に詳しく説明する。
【００１８】
実施例１
図１〜図３に、本発明に係る強化繊維シートの一実施例を示す。本実施例によると、強化繊維シート１０は、多数本の強化繊維束１１を長手方向に沿って引き揃えて形成された強化繊維束層１２と、強化繊維束層１２の片面に配置され、強化繊維束層１２を一体に保持した樹脂透過性支持体１３とを有する。樹脂透過性支持体１３は、強化繊維束層１２の両面に設けても良い。次に、強化繊維束１１について更に説明する。
【００１９】
図４をも参照するとより良く理解されるように、本発明によれば、強化繊維束１１は、多数本の、例えば、１０００本〜１０００００本、一般には、１０００本〜２４０００本の強化繊維ｆを一方向に引き揃えて、好ましくは繊維が重ならないように平行状態に配列して、或いは、必要に応じて緩く撚りを掛けて収束した繊維ストランド１４と、繊維ストランドの外周囲が緩く束ねた束ね部材１５とにより構成される。
【００２０】
束ね部材１５は、ほぼ線径が０．０１ｍｍ〜１ｍｍとされる線材、或いは、幅１ｍｍ〜５ｍｍ、厚み０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍ程度とされる紐或いはテープなどとされる。また、束ね部材１５は、繊維ストランド１４を形成する強化繊維ｆと同質或いは異質の強化繊維ｆを複数本収束して形成することもできるが、場合によっては銅、スチールなどの線状或いはテープ状とされる金属材料を使用することもできる。
【００２１】
図１〜図３に示す本実施例では、束ね部材１５として、２本の線材１５を用い、オーバーワインドにより繊維ストランド１４を束ねる態様を示しているが、これに限定さえるものではなく、線材の数は１本でも良く、３本以上の線材を用いることもできる。また、上述のようにテープを使用することも可能である。
【００２２】
本発明によれば、束ね部材１５は、繊維ストランド１４の外周囲を緩く束ねている。即ち、図４を参照して説明すると、束ね部材１５の内周部にて包囲された強化繊維束１１の断面積をＳｂ、束ね部材１５にて包囲された繊維ストランド１４を形成する強化繊維ｆの横断面積ｆｓの和をＳｓとしたとき、空隙率Ｓｒ＝（Ｓｂ−Ｓｓ）／Ｓｂは、０．３〜０．９（即ち、３０〜９０％）、好ましくは、０．４〜０．８（即ち、４０〜８０％）とされる。強化繊維束１１の内部には、この空隙率Ｓｒで示される空隙が存在することとなる。
【００２３】
本実施例にて、強化繊維束１１を構成する強化繊維ｆは、炭素繊維、ガラス繊維、アルミナ繊維、チラノ繊維などの無機繊維、又は、アラミド繊維、ポリエチレン繊維、ＰＢＯ（ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール）繊維、ポリアミド繊維、ポリアリレート繊維、ポリエステル繊維などの有機繊維、更には、鋼繊維などを一種、又は、複数種混入して使用することができる。
【００２４】
上記樹脂透過性支持体１３は、２軸又は３軸などのメッシュ状支持体シート或いはクロスとすることができるが、本実施例では図１に示すように、２軸メッシュ状支持体シート１３を使用した。２軸メッシュ状支持体シート１３の糸条１６、１７の縦、横の間隔は、通常１〜１００ｍｍ程度であるが、好ましくは２〜５０ｍｍである。また、上記樹脂透過性支持体１３は、強化繊維束１１の長手方向に対し９０°方向のみに横糸１７を配列した、所謂１軸シートとすることもできる。
【００２５】
上記実施例の説明では、強化繊維束１１と樹脂透過性支持体１３とは、例えば、樹脂透過性支持体１３としてメッシュ状支持体シートを使用した場合には、メッシュ状支持体シートを構成する縦糸１６及び横糸１７の表面に低融点タイプの熱可塑性樹脂を予め含浸させておき、メッシュ状支持体シート１３を強化繊維束層１２の片面或いは両面に積層して加熱加圧し、メッシュ状支持体シート１３の縦糸１６及び横糸１７の部分を強化繊維束層１２に溶着（樹脂接着）して、メッシュ状支持体シート１３と強化繊維束層１２との一体化を図ることができる。
【００２６】
樹脂透過性支持体１３としてクロス、或いは、１軸シート（横糸）を使用した場合にも同様の方法にて、強化繊維束層１２、即ち、強化繊維束１１を保持することができる。
【００２７】
本発明の強化繊維シートにおいては、強化繊維束層１２を構成する強化繊維束１１は、繊維ストランド１４が束ね部材１５にて緩く拘束されているので、片側の樹脂透過性支持体１３にて保持するだけで、バラけることがない。従って、取扱い性において優れており、また、製造コスト的にも有利である。又、この場合には、両側面を保持する構成とした場合の、製造時の強化繊維シートの圧縮が回避され、強化繊維シートを圧縮することによる樹脂含浸性の劣化を防止することができる。
【００２８】
本発明によれば、強化繊維束層１２は、多数本の強化繊維束１１を長手方向に沿って引き揃えて形成されるが、強化繊維束層１２は、図示するように、強化繊維束１１を１層にて形成することもできるが、これに限定されるものではなく、強化繊維束１１を多層積層して形成することができる。
【００２９】
上述のような本発明に従って作製した強化繊維シート１０は、強化繊維束層１２の繊維目付を１００ｇ／ｍ²以上、特に、３００ｇ／ｍ²以上、１０００ｇ／ｍ²以下、といったようにシート厚を充分厚くすることができ、しかも、樹脂含浸性を飛躍的に向上することができる。
【００３０】
つまり、図７に示すような従来の強化繊維シート１０Ａに対して、図６に示すように、強化繊維シート１０Ａの片側から樹脂を含浸させた場合には、強化繊維ｆが樹脂透過性支持体１３（図６には図示せず）上に一様に密な状態で配列されているために、樹脂が反対側まで浸透しづらい。
【００３１】
これに対して、本発明の強化繊維シート１０によれば、強化繊維束層１２は、多数本の強化繊維束１１を長手方向に沿って引き揃えて形成されるが、各強化繊維束１１の間には、例え強化繊維束１１を密接して配列したとしても、僅かの空隙（ｇ）が生じている。本発明者らの測定によると、空隙（ｇ）は、０．１ｍｍ〜５．０ｍｍであった。従って、本発明の強化繊維シート１０では、図５に示すように、樹脂含浸に際して、樹脂が強化繊維ｆに含浸して、強化繊維ｆが移動したとしても、強化繊維ｆは、束ね部材１５により拘束されているのでそれ以上の移動が抑制され、それによって、隣接する強化繊維束１１、１１間に形成された空隙部（ｇ）を塞ぐことがない。従って、樹脂は、強化繊維束１１、１１間の空隙部（ｇ）、即ち、樹脂の通り道を通り抜けることが容易となり、樹脂が束ね部材１５の周りから浸透することができ、含浸し易い。
【００３２】
次に、本発明の強化繊維シート１０の実験例について説明する。
【００３３】
実験例１
本発明の強化繊維シート１０を使用して、接着工法に従ってコンクリート梁を補強した。
【００３４】
本実験例では、図１を参照して説明した構成の強化繊維シート１０を使用した。強化繊維シート１０における繊維ストランド１４としては、強化繊維ｆとして平均径７μｍ、収束本数２４０００本のＰＡＮ系炭素繊維ストランドを用いた。この繊維ストランド１４は、同じ強化繊維ｆを使用して作製した線径０．１ｍｍの線材とされた束ね部材１５により、図３に示すようにして束ね、強化繊維束１１を作製した。
【００３５】
この強化繊維束１１をメッシュ状支持体シート１３上に配列して接着した。このようにして、繊維目付６００ｇ／ｍ²の強化繊維束層１２を作製した。
【００３６】
メッシュ状支持体シート１３は、縦糸１６及び横糸１７としてガラス繊維（番手３００ｄ、打ち込み本数１本／１０ｍｍ）を用いた２軸メッシュ状支持体シートであった。２軸メッシュ状支持体シート１３の縦糸１６及び横糸１７の間隔は、１０ｍｍとした。
【００３７】
このようにして作製した強化繊維シート１０は、幅（Ｗ）が５００ｍｍ、軸線方向の長さが１００ｍであった。また、各強化繊維束１１、１１間には、０．３〜０．４ｍｍの間隙（ｇ）が生じていた。
【００３８】
次に、上記強化繊維シート１０を使用してコンクリート梁に接着した。つまり、長さ１０ｍのコンクリート梁シート貼着面に強化繊維シート１０を適合し、強化繊維シート側からマトリクス樹脂を塗布し、含浸した。
【００３９】
樹脂含浸性は、繊維目付３００ｇ／ｍ²のものと同等の時間で十分な含浸が得られ、仕上がりも極めて良好であった。補強強度も所期のものが得られた。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、多数本の強化繊維束を長手方向に沿って引き揃えて形成された強化繊維束層を樹脂透過性支持体により一体に保持した強化繊維シートであって、強化繊維束は、多数本の強化繊維を一方向に引き揃えて形成された繊維ストランドを長手方向に沿って、線材、紐、或いは、テープとされる束ね部材により束ねて形成され、強化繊維束は、束ね部材の内周部にて包囲された強化繊維束の断面積をＳｂ、束ね部材にて包囲された繊維ストランドを形成する強化繊維の横断面積の和をＳｓとしたとき、空隙率Ｓｒ＝（Ｓｂ−Ｓｓ）／Ｓｂが、３０〜９０％であり、各強化繊維束の間には、０．１〜５．０ｍｍの空隙が設けられるので、樹脂含浸性がよく、施工性良く作業を行うことができる。また、樹脂含浸性が良く、繊維目付３００ｇ／ｍ²以上の目付けが大とされる強化繊維シートをも提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る強化繊維シートの一実施例を示す斜視図である。
【図２】本発明に係る一方向配列強化繊維シートの一実施例の断面図である。
【図３】強化繊維束の一実施例を示す斜視図である。
【図４】強化繊維束の一実施例の断面図である。
【図５】本発明に係る強化繊維シートにおける樹脂含浸の態様を説明する図である。
【図６】従来の一方向配列強化繊維シートにおける樹脂含浸の態様を説明する図である。
【図７】従来の一方向配列強化繊維シートを説明する斜視図である。
【符号の説明】
１０強化繊維シート
１１強化繊維束
１２強化繊維束層
１３樹脂透過性支持体
１４繊維ストランド
１５束ね部材

Claims

多数本の強化繊維束を長手方向に沿って引き揃えて形成された強化繊維束層を樹脂透過性支持体により一体に保持した強化繊維シートであって、
前記強化繊維束は、多数本の強化繊維を一方向に引き揃えて形成された繊維ストランドを長手方向に沿って、線材、紐、或いは、テープとされる束ね部材により束ねて形成され、
前記強化繊維束は、前記束ね部材の内周部にて包囲された前記強化繊維束の断面積をＳｂ、前記束ね部材にて包囲された前記繊維ストランドを形成する強化繊維の横断面積の和をＳｓとしたとき、空隙率Ｓｒ＝（Ｓｂ−Ｓｓ）／Ｓｂが、３０〜９０％であり、
前記各強化繊維束の間には、０．１〜５．０ｍｍの空隙が設けられる、
ことを特徴とする強化繊維シート。
前記繊維ストランドは、強化繊維を１０００本〜１０００００本収束して形成されることを特徴とする請求項１の強化繊維シート。
前記強化繊維束層の繊維目付は、１００〜１０００ｇ／ｍ²であることを特徴とする請求項１又は２の強化繊維シート。
前記樹脂透過性支持体は、前記強化繊維束層の片面、又は、両面に配置され、接着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強化繊維シート。
前記樹脂透過性支持体は、２軸或いは３軸のメッシュ状支持体シート、クロス、又は、前記強化繊維束層の長手方向に対し９０°方向の１軸のみの横糸であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかの項に記載の強化繊維シート。
前記樹脂透過性支持体は、前記樹脂透過性支持体を構成する糸条の表面に被覆された樹脂により前記強化繊維束層を形成する前記強化繊維束に接着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強化繊維シート。
前記強化繊維束を構成する強化繊維は、炭素繊維、ガラス繊維、アルミナ繊維、チラノ繊維などの無機繊維、又は、アラミド繊維、ポリエチレン繊維、ＰＢＯ（ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール）繊維、ポリアミド繊維、ポリアリレート繊維、ポリエステル繊維などの有機繊維、又は、鋼繊維などを一種、又は、複数種混入して使用することを特徴とする請求項１〜６のいずれかの項に記載の強化繊維シート。