JP5400384B2 - 強化コンクリート構造 - Google Patents

Description

本発明はコンクリート要素を強化するための強化材及び強化システムに関する。さらに、本発明はそのような強化材を製造する方法および強化されたコンクリート要素の加工方法に関する。本強化材は、少数の単一の繊維フィラメントによって形成された少なくとも１本の長尺状のストリングを備え、それらの繊維フィラメントは繊維ストリングを提供する。前記繊維ストリングは、好適には粒子状の物質、例えば砂で被覆されてもよく、前記砂は前記ストリングの外表面に接着される。さらに、本発明はそのように強化されたコンクリート要素の固化方法に関する。

コンクリート構造を鋼を用いて強化することで、負荷や力がコンクリートから強化材へ伝達されることが知られており、それは、引っ張り負荷および張力を強化材に受け持たせる一方、圧縮負荷および圧縮力をコンクリート自体に受け持たせる構造を得ることを目的としている。棒状強化材の標準的な長さは１２ｍであり、厚さはφ６ｍｍからφ４８ｍｍの間で様々である。そのような寸法の鋼は、重量が大きく剛性が高いことが明らかであり、構造体において前記強化材を扱うこと及び設置することを困難にしている。鋼製強化材を設置する際には、張力が期待される場所に強化材を設置するために、複数の棒状の強化材をあらかじめ曲げ、型枠の中で結び付けておく必要がある。

より長い範囲に渡って強化しようとする場合、棒状強化材を互いに重ねて配置しなければならず、それにより、１本の棒状強化材から別の棒状強化材へ、コンクリートを介して法線圧力および張力がせん断力として伝達させる。棒状強化材の溶接も可能である。従来の鋼製強化材を使用する場合、一般的条件として、コンクリートによる被覆が少なくとも３０ｍｍであると同時に、張力がコンクリート構造の表面の端縁に集中していることが求められる。したがって、これらの領域には容易に亀裂が生じる可能性があり、コンクリート構造へ水が浸透して鉄製強化材を腐食するおそれがある。そのような腐食作用により強化材の容積が元の容積よりも増加し、張力を生じさせ、剥離を引き起こす可能性もある。

強化材として炭素繊維製品が用いられることが知られており、コンクリートに埋め込まれるか、またはコンクリート表面に接着される。
出願人自身の出願による特許文献１によって、コンクリートの強化材要素の製造方法が知られており、前記強化材は、長尺状で好適には連続した炭素繊維の繊維束を備え、マトリックス状のプラスチック材料を含浸させた後硬化される。前記繊維束は非常に多数の単一の繊維によって構成され、前記含浸の後かつ硬化する前に、粒子状材料、例えば砂を含む槽に投入して、砂を各繊維間に浸透させることなく繊維束表面に接着させる。硬化過程において、粒子状材料は繊維束表面に固定され、強化材が形成される。

特許文献２はプレストレスコンクリート構造のループ強化材を開示しており、前記ループ強化材は数種類の樹脂を含浸させたガラス繊維ストリングを備え、樹脂含浸したガラス繊維ストリングを各ループに密接に連結することによりストリングを強化することで、各ループの断面積を増加させている。

特許文献３は、高弾性率を有する柔軟なバンド状の強化コンクリート用弾性強化材を開示している。前記バンドは少なくとも２本の棒状強化材の周囲に配置され、前記棒状強化材の周囲にループを形成するためにバンドの両端には張力がかけられ、強固な連結が形成される。

対をなす柱材をそれらの角部にて互いに連結した、個々独立する複数の柱材からなるコンクリート浮き桟橋を構築することが知られている。この目的のために、垂直方向の凹部すなわち切り込みがそれぞれの柱材の角部に水平方向のダクトとともに設けられ、前記凹部から前記柱材の壁部を通り、前記柱材の端壁で開口する。２本の柱材を組付けて相互に連結するため、水平方向に設けられた固定手段が前記ダクトを通り、各柱材における前記凹部の間に伸長する。

前記凹部及びダクトのために、各角部は大きな張力と負荷にさらされる。したがって、角部及び凹部の周辺部を重度に強化する必要がある。
しかしながら、前記角部は脆弱であることが判明しており、重度の強化にも関わらず、柱材が強い負荷及び力にさらされると、コンクリートは破壊される。
国際公開第０３／０２５３０５号パンフレット ノルウェー国特許第１３８．１５７号 欧州特許第１１８０５６５号明細書

解決すべき課題は、高い引っ張り強度を維持することに加え、軽量性と高い耐食性を保証すること、及び高温環境下、例えば激しい炎による高温下においても十分な強度が維持されることである。

さらに解決すべき課題は、強化材製造時及びオーダーメードの強化材ソリューションを提供する時の製造速度を増加し、かつ、製造設備や製造機械に投資する必要性を実質的に低減することである。

解決すべきさらなる課題は、様々な構造物に対して、多かれ少なかれ複雑なオーダーメード強化材が要求される場合に、強化材を設置するための範囲及び設置に必要とされる時間を低減することである。

したがって、本発明の目的は、コンクリート構造の強度を向上し、製品寿命を延長させてコンクリートの特性を改善すると同時に、製造されたコンクリート構造のメンテナンスの必要性を低減する強化材システムを提供することにある。

本発明による強化材システムの目的はさらに、コンクリート構造が炎にさらされた場合、コンクリート構造における構造上の負荷容量を延長することにある。
本発明による強化材システムの目的はさらに、複雑な構造要素にも適応可能な、単純で柔軟な強化材システムを提供することにある。

本強化材システムの目的はさらに、オペレーターにとって構築が容易であり、少なくとも一部において手動による揚重作業を解消する強化材を提供することにある。

上記の目的は、独立請求項の特徴部分でさらに定義された強化材システム及び製造方法によって達成される。本発明の好適な実施形態は、独立請求項によって定められている。
本発明の強化材システムにおける必須要素は、例えば炭素又は玄武岩で形成された複数の連続した繊維からなり、マトリックスに埋め込まれて、閉じた形態の強化材ループを用いることであり、前記ループはループの形成後に硬化され、かつ、砂等の粒子層によって被覆される。前記ループは好適には長尺状であり、閉じた形態あるいは長尺状に巻かれた形態で長手方向に配置され、横方向の閉じた形態又は巻かれた形態のループに対応する。ループにおける半円形の両端又は巻かれた形態のループは、強化材の端部アンカーとして機能するように構成されている。ループ強化材の効果はまた、らせん状強化材を提供することにより、少なくとも部分的に達成される。そのようならせん状強化材は硬化したコンクリートに埋め込まれると、前記らせん状強化材は多軸性の強化材として機能する。

本発明による強化材を使用すると、強化材端部領域において突発的な力の集中が生じることはほとんどない。仮に、強化材の「結合」が必要ならば、従来の鋼性強化材に相当するような重ねた配置が適用されるだろう。主な相違点は、強化材のループ間のせん断歪の伝達に加え、２つの重なり合ったループの端部間のコンクリートに定まる局所圧縮領域において、１つの強化材から隣接する強化材に力が伝達されることである。コンクリートは強い圧縮力に抵抗するため、この負荷伝達領域における潜在的な亀裂又は微小な亀裂は、従来の強化材では時として広がっていくのに対し、むしろ圧縮力によって塞がれる。そのような圧縮力の大きさはいくつかのパラメータに依存し、とりわけ複合強化材とそれを取り巻くコンクリートとの間の結合に依存する。

前記強化材は複合材料からなり、前記複合材料は他に炭素繊維又は玄武岩繊維を含む。
本発明に基づく前記強化材ループは、高い引っ張り強度、軽量、及び高い耐食性等の優れた材料特性を有する。さらに、高い引っ張り強度は、例えば激しい火災における高温化でも維持される。

本発明に基づく強化材は、鋼の４倍の強度、かつ鋼の４分の１の重量であることが試験により示されている。したがって、本発明に基づく強化材を用いると相当の重量を節約できる。

さらに、本発明に基づく強化材は特有の高い耐食性を有し、前記強化材をコンクリート要素の付近又は表面に配置して強化すると、コンクリートによって被覆される必要が低減され若しくは必要がなくなる。そのため、前記強化材は真に必要とされる所に配置される。

ここで、本発明を以下の添付図面にしたがって詳細に説明する。
図１はコンクリート要素１０の縦断面を図式化して示すものであり、上方から見た矩形梁を図式化して示している。示されるように、その梁は２つの強化材ループ１１によって図式的に強化されている。複数の強化材ループ１１を用いてもよいが、明りょうに示すという観点から、図１には２つの強化材ループのみを示している。しかしながら、設計上の観点から、コンクリート要素が耐えるべき力及び負荷に基づいて、多数の強化材ループ１１を用いてもよいと解されるべきである。強化材ループ１２は垂直方向及び水平方向の平面を含め、好ましい平面に配置することができる。図１に示すように、強化材ループ１１は水平面に配置されており、一方のループの一端は他方のループの一端に重なり、各ループ間に閉じた円筒状の空間１２を形成する。各強化材ループ１１の反対側の端部は閉じた状態の半円１４を形成する。

図１を参照して、コンクリート要素が引っ張り荷重にさらされると、強化材ループ１１における重なり合った２つの端部は閉じた円筒状の空間１２を形成し、コンクリート内部の前記空間１２が圧縮にさらされることにより、端部アンカーとして機能して局所的なプレストレス圧縮を引き起こす。したがって、前記ループ１１の端部は強化材の端部アンカーとして機能すると同時に、前記ループ１１の直線部は従来の強化材として機能する。

本実施形態に基づく前記ループ１１は、例えば少数の単一の繊維フィラメントから形成され、その繊維フィラメントは繊維ストリングを形成するためにマトリックスによって相互に結合され、粒子状材料によって前記ストリング表面が被覆されてもよいと解されるべきである。前記粒子状材料は、例えば砂である。

前記ストリング１１は、例えば１〜５ｃｍの高さを有し、かつ、厚さは例えば１〜２ｍｍであってもよい。長尺状のループ１１は閉じた状態のループ１１とするために前記繊維ストリングを繰り返し巻くことによって形成されてもよい。

ループ１１はその端部が例えば半円形または半楕円形に構成されてもよい。
図２は本発明に基づく強化材の他の実施形態を示す。本実施形態はまた、コンクリート平板１０に関連して示され、図１に示す実施形態と同様に、強化材の１つの層のみが示されている。本実施形態は、互いに連続して配置された複数の閉じた状態のループ１１を備え、少なくともそれらの端部は長尺状の繊維ストリング１５によって相互に結合することにより、強化材ネットあるいは強化材マットを形成している。前記長尺状の繊維ストリング１５はループ１１に対して直交するように配置され、直線状ストリングであるか、又はループ状であってもよい。そのようなネットまたはマットは、例えばコンクリート床、コンクリート壁等の強化材として使用できる。

図面に示す強化材の実施形態は、例えばコンクリート柱の強化材として使用できる。
図３は強化材マットの第３の実施形態を示しており、ループ１１は横方向に巻かれた形態１６を有し、複数の長尺状の巻かれた形態１７によって相互に結合される。巻かれた形態１６、１７を形成する繊維ストリングは、例えば図１に関して既述した寸法を備えてもよい。

図３に示すように、２つのループ１６´はそれらの端部がコンクリート要素１０から突出するように配置してもよい。前記ループ１６´は、例えばコンクリート要素１０を隣接するコンクリート要素（図示せず）に取付けるために用いられる。そのような場合、前記ループは例えば隣接するコンクリート要素の対応する凹部に設置され、直ちに前記２つのコンクリート要素は結合部において互いにコンクリートで固められる。前記コンクリート要素１０から突出したループ１６´の数は、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で１つ又は複数とすることができる。

図４は本発明の第３の実施形態を図式化して示すものであり、強化材ループ１１から１１´´は互いに同心状に配置されている。強化材ループ１１は最も長く、強化材ループ１１´はやや短く、強化材ループ１１´´は最も短い。そのような実施形態によれば、ループ１１から１１´´によって強化材断面積を最も必要とする領域に強化材の主要部を設置することが可能である。図４に示すコンクリート要素は、例えばそれぞれの端部で支えられる梁である。本解決手段によれば、前記梁の中央部において曲げモーメントが最大となり、したがって、中心部は最大に強化される必要がある。そのような実施例は材料体積を最適に使用できるという結果をもたらす。

図５及び図６は本発明に基づく強化材ループ１１における、１つの可能な実施形態に関する使用例であり、ループ１１の各端部が円筒状チューブ１８の周囲に巻かれたものである。図５及び図６に示す実施形態によれば、例えば、長い、モジュール化された浮桟橋等を形成するため、互いに結び付けられたいくつかの要素からなる形式の浮桟橋２０の一部をコンクリート構造によって形成する。図５は浮桟橋要素２０の水平断面を示しており、一方、図６は円筒状チューブ１８及び強化材ループのみが示される部分を示す。本実施形態によれば、円筒状チューブ１８は円筒状鋼製チューブからなり、浮体２０の角部に配置される。しかしながら、円筒１８は鋼以外の材料、例えば他の種類の金属又はプラスチック材料で構成されてもよいと解されるべきである。既に示した実施形態に関し、強化材ループ１１は浮体２０の長手方向及び横方向の両方において、隣接する対の円筒状チューブ１８の周囲に巻かれる。図５及び図６は、浮体２０の長手方向に巻かれたループ１１のみを示す。

２つの隣接する浮体２０間の相互の接続を容易にするため、又は岸の固定点２２に要素を結び付けるため、各角部には円筒状本体１８に関連して凹部２１が設けられる。それに対応して、前記円筒状本体１８には開口部と穴を設けたフランジ２４とが設けられ、前記穴は、１つの浮体と、もう１つの浮体とを相互に接続し、又は岸の固定点に結び付けるためのタイロッド２３又は同様の物に対する支持面を構成する。タイロッド２３は、固定板２５によって円柱状本体１８の内部に取付けられ、強化されるようにしてもよい。図５に示すように、そのようなタイロッド２３が１つのみ示されている。しかしながら、そのようなタイロッド２３は各円筒状本体１８に関して、浮体を岸の固定点２２に固定するため、又は近くの隣接する２つの浮体２０を結び付けるために採用されるものと解されるべきである。矢印Ｐは浮体２０の角部に作用する牽引力の方向を示す。

前記タイロッドの取付け及び連結は、当業者に知られているあらゆる手段によってなされるものと解されるべきである。
図７は、図５に示される浮体２０の縦断面を示し、強化材ループ１１及び２つの円筒状本体１８が示されている。示されるように、強化材は、円筒状本体と共に、浮力体の上半分に配置される。

図８及び図９は強化材の一部を構成する繊維の形成においてとり得る方法を図式化して示し、ループの形成方法を示したものである。製造ラインの第１段階で、図８のように、多数の連続した単一の繊維又はフィラメント２６が、対応する数のフィラメント又は繊維のスプール又はリールＲ１から、引き込まれ又は牽引される。繊維２６は初めに収集され、プラスチック材料又はマトリックス２７を浮かべた槽へ送り込まれ、含浸される。収集された繊維束２９は、好適には参照番号Ｒ２及びＲ３に示すような従動ロールによって牽引されてもよい。含浸された状態の繊維束はローラＲ４上を牽引され、例えば一対のローラを備える牽引手段２８によって繊維束にプレテンションを与えることにより、槽から引き上げられる。これらのローラ２８は、繊維束へ含浸したが硬化しなかった余剰プラスチック材料又はマトリックスを絞り出すための手段としても機能する。含浸した状態の繊維束２９は、ローラ２８から、例えば図９に示すようなドラム状本体の周りに巻かれるために牽引される。

図９は、２つの長尺状の円筒状ドラム３０の周囲に巻かれ、含浸した状態であるがまだ硬化していない繊維束２９を示す。前記ドラム３０は、１つ又はそれ以上のアーム３１によって相互に接続されており、アーム３１の中心点は前記ドラムの軸と平行なシャフト３２によって支持されている。相互に接続されたドラム３０が、その軸３２の周囲を回転することで、含浸した状態であるがまだ硬化していない繊維束２９が相互に重なりながら巻かれ、ループ状強化材１１を形成する。

図１０は、図９のＡ−Ａ線に沿った繊維束２９の断面図を示す。繊維束２９は、繊維ループ１１が多かれ少なかれ図１０に示すような円形断面を有するように、ドラム本体３０、３１、３２上に巻かれる。或いは、繊維束２９は断面積が多かれ少なかれ楕円形となるように、前記ドラム上に巻かれてもよい。

ループ１１の巻回が完了して所望の形状および寸法に達すると、ループの外側は砂等の粒子状材料で被覆され、前記ループは適切な方法で硬化される。前記粒子状材料は繊維束の外表面だけに接着し、繊維束２９の内側の繊維は鋭い粒子表面にはさらされないと解されるべきである。ループ１１の外側を被覆する粒子状材料の目的は、コンクリートで固化された時に、コンクリートと繊維束との間における適切な接着を確保することにある。

強化材が異なる形状を有する場合、例えば往復式に巻かれた長尺状ループでは、含浸した状態であるがまだ硬化していない繊維束２９の製造方法は、図９に関して説明した方法に対応する。繊維束２９は特別に開発されたテンプレートの周囲に巻かれ、要求される強化材の形状を形成すると、適切な態様で硬化される前に、直ちに未硬化の繊維束２９の表面に粒子状材料が適用される。

本発明によれば、繊維束２９に用いられる繊維材料は、例えば融点が非常に高い、例えば１０００℃よりも高い材料からなり、かつ、含浸材料又はマトリックスは熱可塑性プラスチック等のプラスチック材料で構成される。炭素又は玄武岩も繊維フィラメント２６の材料として適切である。

この種の繊維材料を用いることの大きな利点は、コンクリート構造が、例えば炎によって発生する非常な温度にさらされても、強化効果の大部分が維持されることにある。約２００℃の温度下で起こり得る含浸材料／マトリックスの溶解又は焼失が生じたとしても、連続した繊維束は「コンクリート回廊」内部に、多かれ少なかれ酸素のない状態で配置されたまま保たれる。酸素が存在しないため、炭素及び玄武岩等の材料又は類似した種類の材料は、１０００℃以上の非常な高温にも耐え得る。

仮に、強化材ループが厚い繊維束からなり、前記ループの周囲にほとんど巻かれていない場合、そのような繊維束は火災の後、その「回廊」から引き出されてしまう。仮に、本発明による強化材ループがより薄い繊維束からなり、前記ループの周囲に何回も巻かれている場合、たとえ含浸材料／マトリックスが蒸発しても、そのループは相当の張力に耐え得る。

本文で明確に特定されない限り、ループという用語は、本発明に基づく繊維ストリング又は繊維束からなる、巻いた状態のもの、及びらせん状のものも含むと解されるべきである。

円筒状本体については既述されているが、「円筒状本体」という用語は、繊維強化材が巻かれるその表面が湾曲している物体も含むと解されるべきである。繊維強化材との接触が意図されていない円筒状本体の一部については、いかなる適切な形状をもとり得る。さらに、前記円筒状本体は、本発明の思想を逸脱しない範囲内で、中実の状態でも、又は中空の状態でもよいと解されるべきである。

さらに、前記繊維ループは厚く長いものから短く薄いものにまで及ぶと解されるべきである。併用又は単独使用において、長く厚いループは張力を受け持ち、短いループは多数使用することによって、火災における急激な温度上昇に起因するコンクリートの剥離を防止し又は少なくとも低減できる。このことは、炎の熱がマトリックスを炭化し或いは蒸発させても、単一のループは機能するという事実に基づいている。

さらに、ループが楕円形であっても、多かれ少なかれ円形を有するものと解されるべきである。
本発明に基づく小さなループは、ガナイトに関して用いることが適切であり、前記ループはコンクリートにおける亀裂や小さなひびの発生も防止できる。

強化コンクリート要素の縦断面を図式化して示すものであり、本発明の原理に基づく２つの強化材ループが示されている。 閉じた状態の複数の強化材ループからなる強化材ネットの一実施形態を示す。 別の実施形態として、縦方向及び横方向に配置された複数の連続した強化材ループからなる強化材ネットを示す。 同軸上及び同心状に複数配置された、本発明に基づく強化材ループを示す。 浮桟橋の水平断面を図式化して示すものであり、本発明に基づく強化材ループを前記浮桟橋の強化に用いている。 図５の浮桟橋ユニットの連結に用いる強化材の縦断面を図式化して示す。 図５の浮桟橋ユニットの縦断面を図式化して示す。 プラスチック材料を用いて繊維束を形成する第１段階を図式化して示す。 本発明に基づくループがどのように形成されるかを示す。 図９におけるＡ−Ａ線に沿った強化材ループ１１の縦断面を示す。

Claims (6)

1. 長手方向を有する硬化したコンクリートと、前記コンクリートに埋め込まれた強化材とを含む強化コンクリート構造であって、
   前記強化材は、複合繊維材料から形成された複数のループ状ストリングからなり、前記複数のループ状ストリングの各々は、前記長手方向に延びる２つの直線状部分、及び前記２つの直線状部分の間の２つの曲線状部分を有し、
   前記複数のループ状ストリングは、隣接する２つのループ状ストリングの曲線状部分によって閉じた空間が画定されるように、相互に部分的に重なって配置されることにより、強化コンクリート構造が前記長手方向の引っ張り負荷にさらされた時、前記閉じた空間内に存在するコンクリートに圧縮力が付与され、
   前記複合繊維材料はマトリックス材料を含浸させた繊維材料からなる強化コンクリート構造。
2. 長手方向を有する硬化したコンクリートと、前記コンクリートに埋め込まれた強化材とを含む強化コンクリート構造であって、
   前記強化材は、複合繊維材料から形成されるとともに、前記長手方向に延びる複数の長尺状ストリング、及び横手方向に配置された複数のループ状ストリングを含み、
   前記複数のループ状ストリングの各々は、２つの直線状部分及び前記２つの直線状部分の間の２つの曲線状部分を有し、
   前記複数のループ状ストリングは前記長手方向に沿って相互に間隔を開けて配置されるとともに、少なくとも前記曲線状部分が前記長尺状ストリングに結合しており、
   強化コンクリート構造が引っ張り負荷にさらされた時、前記複数のループ状ストリングが前記曲線状部分の内側に存在するコンクリートに圧縮力を付与するように、前記複数のループ状ストリングは前記曲線状部分をアンカーとしてコンクリート内に固定され、
   前記複合繊維材料はマトリックス材料を含浸させた繊維材料からなる強化コンクリート構造。
3. 長手方向を有する硬化したコンクリートと、前記コンクリートに埋め込まれた強化材とを含む強化コンクリート構造であって、
   前記強化材は、複合繊維材料から形成されるとともに、少なくとも第１のストリング及び第２のストリングを含み、
   前記第１のストリングはコンクリート内を前記長手方向に延びるとともに、前記第２のストリングはコンクリート内を蛇行して前記第１のストリングと相互に結合し、
   前記第２のストリングは複数の直線状部分及び前記複数の直線状部分の間の複数の曲線状部分を有し、
   強化コンクリート構造が引っ張り負荷にさらされた時、前記第２のストリングが前記複数の曲線状部分の内側に存在するコンクリートに圧縮力を付与するように、前記第２のストリングは前記複数の曲線状部分をアンカーとしてコンクリート内に固定され、
   前記複合繊維材料はマトリックス材料を含浸させた繊維材料からなる強化コンクリート構造。
4. 長手方向を有する硬化したコンクリートと、前記コンクリートに埋め込まれた強化材とを含む強化コンクリート構造であって、
   前記強化材は、複合繊維材料から形成されるとともに、大きさの異なる少なくとも２つのループ状ストリングを含み、
   前記ループ状ストリングの各々は、２つの直線状部分及び前記２つの直線状部分の間の２つの曲線状部分を有し、
   強化コンクリート構造が引っ張り負荷にさらされた時、前記ループ状ストリングが前記曲線状部分の内側に存在するコンクリートに圧縮力を付与するように、前記ループ状ストリングは前記曲線状部分をアンカーとしてコンクリート内に固定され、
   各ループ状ストリングは、少なくとも１つのループ状ストリングが別のループ状ストリングによって囲まれるように配置され、
   前記複合繊維材料はマトリックス材料を含浸させた繊維材料からなる強化コンクリート構造。
5. 複合繊維材料が炭素繊維又は玄武岩繊維を含む請求項１〜４のいずれか一項に記載の強化コンクリート構造。
6. 各ループ状ストリングが異なる長さを有し、かつ相互に同心状に配置される請求項４に記載の強化コンクリート構造。