JP4336432B2 - せん断補強用熱可塑性樹脂被覆ｆｒｐ筋、せん断補強用熱可塑性樹脂被覆ｆｒｐ筋の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はコンクリート補強材の中で、せん断補強筋として使用される熱可塑性樹脂被覆繊維強化ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ）筋に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高強度でかつ軽量といった優れた特性を発揮する構造物を構築する要求は建設業界のみならず多方面から高まっている。係る要望に応えるべく現在では特にコンクリート構造物の高強度化及び軽量化等が推進されている。このような状況を示す一例としては、例えばコンクリート梁やコンクリート壁等のコンクリート構造物の補強材として炭素繊維などの新素材からなるＦＲＰ補強筋を配筋し活用する動きがある。炭素繊維を補強繊維とした補強筋として、ＣＦＲＰ（Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ）が挙げられ、特にシールド工事における発進・到達工法たるＮＯＭＳＴ（Ｎｏｖｅｌ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｈｉｅｌｄ−ｃｕｔｔａｂｌｅ Ｔｕｎｎｅｌ−ｗａｌｌ Ｓｙｓｔｅｍ）工法などにおけるせん断補強筋として用いられている。
【０００３】
このＮＯＭＳＴ工法におけるせん断補強筋の役割は、発進・到達立坑の坑口開削時において、係るせん断補強筋が配筋された土留め壁が地下水圧や土圧等に対抗しうる優れた構造強度を備えつつ、係る土留め壁をシールドマシンが開削するにあたってはカッタービットにより簡便確実に切断可能であるといった特性を発揮することにある。上記の如き特性を備えるべく従来から用いられているせん断補強用ＦＲＰ筋としては、例えば、ＣＦＲＰプリプレグ（炭素繊維を引き揃えて熱硬化性樹脂を含浸したものを半硬化させたものであるプリプレグを、ストランドとして撚り合わせたもの）を矩形螺旋状に成形したもの、また、同様にして作成したテープ状のプリプレグを金型に巻き付けてリング状に成形したものをロッド状ＣＦＲＰと組み合わせ、籠状に構成したものなどが挙げられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のせん断補強用ＦＲＰ筋は次に述べるような課題を有していた。すなわち、係る従来のせん断補強筋はまずその製造に際して多くの課題を有し、前記プリプレグの製造工程、ストランドの撚り工程及び硬化工程と工程数が多く、必要とされる設備、作業時間及び配置される人員等の全ての面で過大な対価コストを強いられ、良好な作業効率と経済性とを確保することは困難であった。また、プリプレグの作成においては各種溶剤が使用される場合が多く、溶剤使用に際して遵守が求められる各種規定等に基づく手順に拘束されることとなって、いたずらに作業の煩雑性を招いていた。 更に、前記硬化工程では、所定の形状を得るためにプリプレグの状態から金型等に巻き付けて固定するため、作業中にプリプレグを軟化させるため適宜熱を加えながら各種作業を実施する必要があり、作業が煩雑となり加工スピードの著しい低下をみることとなった。一方、この硬化工程においてプリプレグの早期硬化を抑制する意味でエポキシ樹脂が使用されることがあったが、係る樹脂の硬化にはかなりの長時間を要し却って生産性に劣る結果となっていた。上述の各種課題のため、従来のせん断補強筋は一般の鉄筋に比して著しくコスト高となり経済的な面において汎用性は低かった。
【０００５】
そして、このような各種問題を抱えた工程を経て製造されたプリプレグをスパイラル状、或いは籠状など種々の形状に形成してせん断補強用ＦＲＰ筋となすとしても、コンクリートの付着性能や引張り強度等を確実に得るために特に定まった構造もなく、せん断補強筋として求められる物性を確実に発現することは困難であった。従って、ＮＯＭＳＴ工法等の実際の施工を行うにあたり、せん断補強筋として期待される補強効果が曖昧となり、しかもせん断補強筋自体のコストが嵩みいずれの工事においても汎用可能であるとは言えなかった。
【０００６】
そこで、本発明はこのような従来の課題に着目してなされたもので、コンクリートとの付着性能に優れ、引っ張り強度等のせん断補強筋としての必要物性を確実に備えると共に、生産性も良好であるせん断補強筋を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明は上記目的を達成するためになされたもので、熱硬化性樹脂が含浸され、外周面が熱可塑性樹脂で被覆された補強繊維束であるＦＲＰストランドを用いたせん断補強用熱可塑性樹脂被覆ＦＲＰ筋であって、少なくとも一本の前記ＦＲＰストランドを芯ストランドとし、その外周に６本の外周ストランドがスパイラル状に撚り合わされたＦＲＰロープを、コーナー部半径が該ＦＲＰロープ外径の３倍〜５倍となる矩形螺旋状に成形してなることを特徴とする。
【０００８】
また、他の要旨として、熱硬化性樹脂が含浸され、外周面が熱可塑性樹脂で被覆された補強繊維束であるＦＲＰストランドを用いたせん断補強用熱可塑性樹脂被覆ＦＲＰ筋であって、８本の前記ＦＲＰストランドを八つ打ちロープ状に編組みした八つ打ちＦＲＰロープを、コーナー部半径が該八つ打ちＦＲＰロープ外径の３倍〜５倍となる矩形螺旋状に成形してなることを特徴とする。
【０００９】
更に、前記ＦＲＰロープ或いは八つ打ちＦＲＰロープを、硬化時張力(g)／（補強繊維の総重量(g/m)×９０００）により定義される硬化時張力係数が０．００５以上０．０２５以下であり、かつ、矩形螺旋状のせん断補強用熱硬化性樹脂被覆ＦＲＰ筋となすと好適である。
ここで、硬化時張力係数をｃで表すと、
張力（ｇ）＝補強繊維の総重量（ｇ／ｍ）×９０００×ｃ
の関係式が成り立ち、本発明においては係る式中の関係で硬化時張力係数たるｃが０．００５以上０．０２５以下の範囲内となるのである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態につき、添付図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明のせん断補強用熱可塑性樹脂被覆ＦＲＰ筋を構成するＦＲＰロープ１０を示し、（ａ）はその断面図、（ｂ）は同側面図である。図２は係るＦＲＰロープ１０を用いた、コーナー部半径が該ＦＲＰロープ１０外径の３倍となる矩形螺旋状のせん断補強用熱可塑性樹脂被覆ＦＲＰ筋２０を示す説明図であり、図３は同せん断補強用ＦＲＰ筋２０のコーナー部Ｒ拡大図である。
【００１１】
実施例１として、図１に示す様な、補強繊維Ｆに熱硬化性樹脂１３を含浸させその外周面を熱可塑性樹脂１４で被覆したＦＲＰストランドＡを基本構成要素とし、１本のＦＲＰストランドＡを芯ストランド１１とし、その外周に６本の外周ストランド１２をスパイラル状に撚り合わせたＦＲＰロープ１０を、コーナー部半径が該ＦＲＰロープ１０外径の３倍となる矩形螺旋状に成形してなるせん断補強用熱可塑性樹脂被覆ＦＲＰ筋２０（以下、せん断補強筋と称する。図２、図３参照）について以下に示す。使用材料、設定寸法、設定単位重量、製造条件等は下記の通りである。
【００１２】
−−使用材料−−
▲１▼強化繊維（商品名：トレカＴ７００Ｓ １２Ｋ、東レ株式会社製、１２０００フィラメント、８８０ｄｔｅｘ）、１２本（ｃ．ｃ＝５５．４ｖｏｌ％）
▲２▼熱硬化性樹脂１(商品名：エスターＨ２０００ＨＶ、三井化学株式会社製)、 ８０ブ
▲３▼熱硬化性樹脂２(商品名：ＮＫエステル３Ｇ、新中村化学株式会社製)、２０ブ
▲４▼熱硬化性樹脂３(商品名：カドックスＢ−ＣＨ５０、化薬アクゾ株式会社製)、４ブ
▲５▼熱硬化性樹脂４（商品名：カヤブチルＢ、化薬アクゾ株式会社製）、０．５ブ
▲６▼被覆樹脂（ナイロン１２、ダイアミド）、８０℃ 一昼夜乾燥
−−設定寸法−−
被覆外径４ｍｍ、ＦＲＰ径３．５ｍｍ(被覆厚み０．２５ｍｍ設定)
【００１３】
図示しないが、上記の材料を用いてＦＲＰストランドＡを製造する実際工程としては、補強繊維Ｆを供給するロービングスタンドをＦＲＰストランド数だけ（ここでは７箇所）配置し、繊維ガイドを介して未硬化状熱硬化性樹脂（例えば不飽和ポリエステル樹脂等）が貯留された樹脂槽に補強繊維Ｆを挿通させることで熱硬化性樹脂に含浸させ、しかる後に、これを所定の繊維含有率まで余分な樹脂を絞りながら引き揃えて芯部を形成した後、クロスヘッドダイ内を通過させ、溶融状の熱可塑性樹脂を該芯部外周面に被覆することにより、未硬化状態のＦＲＰストランドＡを形成することとなる。
【００１４】
次に、未硬化状態のＦＲＰストランドＡを、１本の芯ストランド１１を中心として６本の外周ストランド１２が撚り合わさった計７本撚りの構造をなすＦＲＰロープ１０に加工する。本実施例において７本撚りとした撚り構造について、これ以上の本数からなる撚り構造は、撚り工程が複雑になり必要とされる機器類も増加することから実用的ではない。また、構成ストランド数が増加することで断面積が増大し、ねじりやひねり等の素線の乱れも生じやすくなり硬化時の作業性が低劣なものとなりやすい（例えば、１９本（１＋６＋１２）撚り等では、硬化時に撚りが乱れやすいことが分かっている）。
【００１５】
図示しないが、加工手順として、未硬化状ＦＲＰストランドＡを巻き取ったボビン７巻をクリールスタンドに固定し、該スタンドから供給されるＦＲＰストランドＡを撚り機（例えば回転巻き取り機）にてスパイラル状に撚り合わせることで、７本撚りＦＲＰロープ１０（未硬化状）を作成した。ここで、撚りピッチは８０ｍｍとし、撚り張力は中央の１本を１．１ｋｇ、周囲の６本を１ｋｇとした（係る撚り張力はクリールスタンドが備えるブレーキにて調整する）。
【００１６】
次に、巻き取った未硬化状ＦＲＰロープ１０を図４に示す硬化ジグ４０により矩形螺旋状に硬化させ、最終的にせん断補強筋２０を製造した。矩形螺旋形状におけるコーナー部Ｒの半径をＦＲＰロープ１０外径の３倍（ここでは３６ｍｍ）とし、硬化時の張力は１０ｋｇ（ロープ１０の片端末に１０ｋｇの重錘を垂下した）とした。この硬化時の硬化張力については構造強度の上で重要であり、以下の計算式により得られる範囲内とする必要がある。
【００１７】
Ｔ（ｇ）＝補強繊維Ｆの総重量（ｇ／ｍ）×９０００×ｃ
ｃ＝０．０２５〜０．００５
この値より硬化張力が大きいと前記コーナー部Ｒが扁平になり、引張り強力が低下する結果となり、逆に小さいとＦＲＰストランドＡの弛みが残り、伸びが大きくなって実使用時には歪みが大きくなってしまう上に、直線部の強力も低下する。
【００１８】
実施例２
図示しないが、実施例１と同様にして、７本撚りのＦＲＰロープ１０を作成し、該ＦＲＰロープ１０のコーナー部Ｒの半径が６０ｍｍ（ロープ外径の５倍）となる硬化ジグ４０により曲げ加工を施し、また実施例１と同様の張力（１０ｋｇ）をかけて硬化させることでせん断補強筋２０を得た。
【００１９】
比較例１
図示しないが、実施例１と同様にして、７本撚りのＦＲＰロープ１０を作成し、該ＦＲＰロープ１０のコーナー部Ｒの半径が７２ｍｍ（ロープ外径の６倍）となる硬化ジグ４０により曲げ加工を施し、また上記同様の張力（１０ｋｇ）をかけて硬化させることでせん断補強筋２０を得た。
【００２０】
比較例２
図示しないが、実施例１と同様にして、７本撚りのＦＲＰロープ１０を作成し、該ＦＲＰロープ１０のコーナー部Ｒの半径が２４ｍｍ（ロープ外径の２倍）となる硬化ジグ４０により曲げ加工を施し、また上記同様の張力（１０ｋｇ）をかけて硬化させることでせん断補強筋２０を得た。
【００２１】
比較例３
図示しないが、実施例１と同様にして、７本撚りのＦＲＰロープ１０を作成し、該ＦＲＰロープ１０のコーナー部Ｒの半径が３６ｍｍ（ロープ外径の３倍）となる硬化ジグ４０により曲げ加工を施し、また３０ｋｇ（ｃ＝０．０５）の張力をかけて硬化させることでせん断補強筋２０を得た。
【００２２】
実施例３
図示しないが、実施例１と同様にして、７本撚りのＦＲＰロープ１０を作成し、該ＦＲＰロープ１０のコーナー部Ｒの半径が３６ｍｍ（ロープ外径の３倍）となる硬化ジグ４０により曲げ加工を施し、また３ｋｇ（ｃ＝０．００５）の張力をかけて硬化させることでせん断補強筋２０を得た。
【００２３】
実施例４
図示しないが、実施例１と同様にして、７本撚りのＦＲＰロープ１０を作成し、該ＦＲＰロープ１０のコーナー部Ｒの半径が３６ｍｍ（ロープ外径の３倍）となる硬化ジグ４０により曲げ加工を施し、また１５ｋｇ（ｃ＝０．０２５）の張力をかけて硬化させることでせん断補強筋２０を得た。
【００２４】
比較例４
図示しないが、実施例１と同様にして、７本撚りのＦＲＰロープ１０を作成し、該ＦＲＰロープ１０のコーナー部Ｒの半径が３６ｍｍ（ロープ外径の３倍）となる硬化ジグ４０により曲げ加工を施し、また１．５ｋｇ（ｃ＝０．００２５）の張力をかけて硬化させてせん断補強筋２０を得た。なお本実施例では、直線部の引張り試験では、ストランドの弛みのため、負荷がかかる（荷重が立ち上がる）までに２〜３％の伸びが認められた。
【００２５】
実施例５
未硬化ＦＲＰストランドを８巻準備し、該未硬化ＦＲＰストランドを用いて編網機により八つ打ちＦＲＰロープ５０を作成した。八つ打ちＦＲＰロープ５０の構造を図５に示す。八つ打ちＦＲＰロープ５０の作成に引き続き、この未硬化状の八つ打ちＦＲＰロープ５０を使用して実施例２と同様に硬化ジグにより矩形螺旋状に硬化させてせん断補強筋２０を形成した。硬化時の張力は１１．５ｋｇ（ｃ＝０．０２２）とし実施例１と同様に引張強力を評価した。
【００２６】
以上各実施例及び比較例において引き抜き耐力測定試験を実施し、その結果を表１に示す。引き抜き耐力として、コーナー部Ｒにおける引張り強度を図６に示す試験装置６０により以下の方法にて測定を行った。せん断補強筋２０のコーナー部Ｒをコンクリート基底部Ｃ（圧縮強度４０Ｎ／ｍｍ２）内に埋設して引き抜き耐力を主に担う付着部分を設定し、もう片端末を塩化ビニールパイプＰ内の粘度質ＣＬ中に挿通させコンクリート基底部Ｃとの付着防止を図りつつグラウト定着させるとともにその先端部の定着具６１とコンクリート基底部Ｃとの間に油圧ジャッキ６２を設けて該定着具６１を押し上げてロードセル６３によりコーナー部Ｒの引張り強度を評価した。
【００２７】
【表１】

【００２８】
φ４−３．５未硬化状ＦＲＰストランドＡを７本撚り合わせた、もしくは８本編組みしたせん断補強筋２０（実施例１、２、３、５等）は、コーナー部ＲをＦＲＰロープ１０（或いは八つ打ちＦＲＰロープ５０）外径の３倍もしくは５倍（３６Ｒ、６０Ｒ）として硬化させた場合に、係るせん断補強筋２０におけるコーナー部Ｒの引張強力は約５ｔｏｎと実用上十分な（カーボンの引張強力から計算した理論引張強力の３０％程度）強力が得られることがわかった。一方、その他の場合（ＦＲＰロープ１０及び八つ打ちＦＲＰロープ５０のコーナー部Ｒの半径が該ロープ１０外径の３倍〜５倍の範囲外）においては、十分な引張強力が得られずせん断補強筋２０として必要な性能が確保されないこととなった。
【００２９】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明のせん断補強用熱可塑性樹脂被覆ＦＲＰ筋は、熱硬化性樹脂が含浸され、外周面が熱可塑性樹脂で被覆された補強繊維束であるＦＲＰストランドを用いたせん断補強用熱可塑性樹脂被覆ＦＲＰ筋であって、少なくとも一本の前記ＦＲＰストランドを芯ストランドとし、その外周に６本の外周ストランドがスパイラル状に撚り合わされたＦＲＰロープ、もしくはＦＲＰストランド８本を編組みして八つ打ちロープ状にした八つ打ちＦＲＰロープを、コーナー部半径が該ＦＲＰロープもしくは八つ打ちＦＲＰロープ外径の３倍〜５倍となる矩形螺旋状に成形してなることを特徴とするものである。更に、本発明のせん断補強用熱硬化性樹脂被覆ＦＲＰ筋は、前記ＦＲＰロープ或いは八つ打ちＦＲＰロープを、硬化時張力係数について０．００５以上０．０２５以下の範囲内と設定して硬化させてなるものである。
【００３０】
したがって、本発明のせん断補強用熱可塑性樹脂被覆ＦＲＰ筋であれば、様々な条件において求められる補強筋形状及び寸法に対応して補強筋としての性能を柔軟に発揮することが可能で、従来より製造工程も縮減可能となったから生産性にも優れる。また、構成素材の有する物性により高い引張り強度等を備えて構造物を確実に補強する一方で、該補強筋の切断はシールドマシーンの備えるカッタービット等によれば比較的容易であり、例えば地下工事等で汎用されるＮＯＭＳＴ工法における発進・到達立坑の隔壁付近でのせん断補強筋として適している。
【００３１】
更に、本発明の補強筋は全体として比重が約１．４前後で一般の鋼材の約１／５と非常に軽く、取り扱い性に格段に優れる上に、補強筋を覆う熱可塑性樹脂の被覆材が保護膜となって、劣悪な腐食性環境等においても耐候性、耐腐食性、耐アルカリ性に優れ補強筋としての役務を完遂しえるのである。このため、通常の鉄製補強筋を適用すればほぼ確実に問題が生じるであろう、かぶりの浅いコンクリート補強筋としての使用や、海岸などの腐食性環境下での使用にも全く問題がない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のせん断補強用熱可塑性樹脂被覆ＦＲＰ筋を構成するＦＲＰロープを示し、（ａ）はその断面図、（ｂ）は同側面図である。
【図２】図１におけるＦＲＰロープを用いた、コーナー部半径が該ＦＲＰロープ外径の３倍となる矩形螺旋状のせん断補強用熱可塑性樹脂被覆ＦＲＰ筋を示す説明図である。
【図３】図２に示すせん断補強用ＦＲＰ筋におけるコーナー部拡大図である。
【図４】本発明のせん断補強用熱可塑性樹脂被覆ＦＲＰ筋を構成する未硬化状ＦＲＰロープを硬化させる硬化ジグを示す説明図である。
【図５】実施例５における８本編組みした八つ打ちＦＲＰロープを示し、（ａ）はその側面図であり、（ｂ）は同断面図である。
【図６】引き抜き耐力測定試験を実施する試験装置概要を示す説明図である
【符号の説明】
１０ ＦＲＰロープ
１１ 芯ストランド
１２ 外周ストランド
１３ 熱硬化性樹脂
１４ 熱可塑性樹脂
２０ せん断補強用熱可塑性樹脂被覆ＦＲＰ筋（せん断補強筋）
５０ 八つ打ちＦＲＰロープ
Ｆ 補強繊維（補強繊維束）
Ａ ＦＲＰストランド
Ｒ コーナー部

Claims (4)

1. 熱硬化性樹脂が含浸され、外周面が熱可塑性樹脂で被覆された補強繊維束であるＦＲＰストランドを用いたせん断補強用熱可塑性樹脂被覆ＦＲＰ筋であって、
   少なくとも一本の前記ＦＲＰストランドを芯ストランドとし、その外周に６本の前記ＦＲＰストランドを外周ストランドとしてスパイラル状に撚り合わされた未硬化状のＦＲＰロープを、硬化時張力（ｇ）／（補強繊維の総重量（ｇ／ｍ）×９０００）により定義される硬化時張力係数が０．００５以上０．０２５以下の状態で、コーナー部半径が前記ＦＲＰロープ外径の３倍〜５倍となる矩形螺旋状に硬化させて成形してなることを特徴とするせん断補強用熱可塑性樹脂被覆ＦＲＰ筋。
2. 熱硬化性樹脂が含浸され、外周面が溶融状の熱可塑性樹脂で被覆された補強繊維束であるＦＲＰストランドを用いたせん断補強用熱可塑性樹脂被覆ＦＲＰ筋であって、
   ８本の前記ＦＲＰストランドを八つ打ちロープ状に編組みした未硬化状の八つ打ちＦＲＰロープを、硬化時張力（ｇ）／（補強繊維の総重量（ｇ／ｍ）×９０００）により定義される硬化時張力係数が０．００５以上０．０２５以下の状態で、コーナー部半径が前記八つ打ちＦＲＰロープ外径の３倍〜５倍となる矩形螺旋状に硬化させて成形してなることを特徴とするせん断補強用熱可塑性樹脂被覆ＦＲＰ筋。
3. 熱硬化性樹脂が含浸され、外周面が熱可塑性樹脂で被覆された補強繊維束であるＦＲＰストランドを用いたせん断補強用熱可塑性樹脂被覆ＦＲＰ筋の製造方法であって、
   少なくとも一本の前記ＦＲＰストランドを芯ストランドとし、その外周に６本の前記ＦＲＰストランドを外周ストランドとしてスパイラル状に撚り合わせて未硬化状のＦＲＰロープを形成し、
   前記ＦＲＰロープを、硬化時張力（ｇ）／（補強繊維の総重量（ｇ／ｍ）×９０００）により定義される硬化時張力係数が０．００５以上０．０２５以下の状態で、コーナー部半径が前記ＦＲＰロープ外径の３倍〜５倍となる矩形螺旋状に硬化させる
   ことを特徴とするせん断補強用熱可塑性樹脂被覆ＦＲＰ筋の製造方法。
4. 熱硬化性樹脂が含浸され、外周面が溶融状の熱可塑性樹脂で被覆された補強繊維束であるＦＲＰストランドを用いたせん断補強用熱可塑性樹脂被覆ＦＲＰ筋の製造方法であって、
   ８本の前記ＦＲＰストランドを八つ打ちロープ状に編組みして未硬化状の八つ打ちＦＲＰロープを形成し、
   前記八つ打ちＦＲＰロープを、硬化時張力（ｇ）／（補強繊維の総重量（ｇ／ｍ）×９０００）により定義される硬化時張力係数が０．００５以上０．０２５以下の状態で、コーナー部半径が前記八つ打ちＦＲＰロープ外径の３倍〜５倍となる矩形螺旋状に硬化させる
   ことを特徴とするせん断補強用熱可塑性樹脂被覆ＦＲＰ筋の製造方法。

Images