JP7017672B2 - 繊維製セル構造コンクリートの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、繊維材により形成されるセル構造体をコンクリートの筋構造としたコンクリートの製造方法に関する。

コンクリートは、セメントなどの固化材に水と骨材を混合して、型枠内に充填して固化させるものである。構造物の建設で利用するコンクリートは，耐久性と経済性を兼ね備えた欠かすことのできない重要な材料である。

一般に、コンクリートは、圧縮には強いが引張りに弱いため、各種の補強が施されている。

鉄筋コンクリートは、引張強度が強い鉄筋を配したコンクリートである。鉄筋は引張りが作用しても引き抜けないように、両端をアルファベットのＪの形状に曲げたフックにしたり、節(リブ)のある異形鉄筋が用いられる。

また、鉄筋コンクリートを製造する際は、複数本の鉄筋により鉄筋構造体を作った後、この鉄筋構造体の外側を複数の型枠で取り囲むことでコンクリートを流し込む空間を形成し、この空間内にコンクリートを流し込み、このコンクリートが固化した後に型枠を取り外し、脱枠を行うものである。

また、引張強度だけではなく、ひび割れなどの問題もある。コンクリートに繊維を練り混ぜた繊維補強コンクリートは、この問題を改善しコンクリートの靭性（ねばり）を高めた複合材料である。

コンクリートに練り混ぜて使用するのは、繊維素材を長さ数ミリから十数ミリに切断した「短繊維」と呼ばれており、材質は主に「鋼繊維」「ガラス繊維」「炭素繊維」及び「有機系繊維」に分かれており、それぞれの特性を活かして用途に応じて使い分けている。

近年、トンネルや橋梁などの構造物のコンクリート剥離事故が起こり、大きな社会問題となっている。その解決策のひとつとして繊維補強コンクリートが注目されている。

例えば、特開2012-1395では、有機短繊維を混合し、収縮ひび割れ抵抗性を高め、かつ、耐火性を兼ね備えた高強度コンクリートの技術が開示されている。

また、特開2015-6977では、補強用繊維のセメント中への分散を十分に確保でき、マトリックスとなるコンクリートと補強用繊維の界面付着強度を確保し、狭い空間への充填が可能な自己充填性、流動性を有し、一般養生で高強度を発現することが可能な繊維補強流動性高強度コンクリートの技術が開示されている。

また、鉄筋コンクリート構造を構築するにあたり、その構成材料であるコンクリートには施工時にワーカビリティが、硬化後には構造体としての強度が基本性能としてそれぞれ求められるが、これらに加えて、用途や環境に応じた性能が別途要求されることがあり、例えば鉄筋の配置密度が高い箇所には充填性に優れた高流動コンクリートが、塩害や凍害を受ける地域では緻密化によって塩分浸透抵抗性や凍結融解抵抗性を高めた高耐久コンクリートが、劣化による剥落や火災時の爆裂を抑制したい場合にはそれぞれの目的に適した短繊維が添加された繊維補強コンクリートがそれぞれ用いられる。

特開2015-190146では、剥落や爆裂を抑制する際には、かぶり領域、すなわち鉄筋配置面よりも躯体表面側に位置する断面領域だけを機能性コンクリートで施工し、躯体表面と反対の側に位置する断面領域については普通コンクリートで足りる、あるいは基本性能を確実に発揮させるためには普通コンクリートの方が望ましいことがあり、このような場合において、互いに配合が異なるコンクリート、いわゆる異種コンクリートを鉄筋配置面の内外で打ち分けることのできる異種コンクリートの技術が開示されている。

特開2012-1395号公報 特開2015-6977号公報 特開2015-190146号公報

上記の従来のコンクリートに示すように、コンクリートの圧縮強度と鉄筋の引張強度を組み合わせた鉄筋コンクリートが広く普及しており、その欠点である、ひび割れの問題についても、繊維補強コンクリート等の補強により改善がなされている。

しかしながら、金属である鉄筋において、錆びは避けられない問題であり、完全に防止するためには、鉄筋に代わる主筋材を使用することが求められる。

また、繊維補強コンクリートにおいても、混入させた繊維の分散、均一化が問題であり、補強のための繊維の分散配置が難しく、混入させた繊維が一部に偏った状態で固化してしまうこともあり、均一化の確認も破壊試験で行う以外にない。このため計画通りの強度の補強を正確に制御できないのが現状である。

補強材である繊維材の個々の配置をコンクリート内で正確に制御することは、現在の工法では不可能である。

また、従来の繊維材の活用は、鉄筋を補強するものであり、鉄筋構造体の代替構造となるものではなく、構造筋の役割ではなく、補助的な機能を果たすものであった。

また、上記に示すように、現実には、用途や環境に応じた種々の性能が要求され、構造物の部位によりその要求性能が異なることも少なくない。

また、異種コンクリートを組み合わせる施工においては、仕切り板など手順や工数が増えるので、施工期間や作業性やコストなど多くの問題がある。

また、一種のコンクリート中での部分的な強度の変化には鉄筋の配置で対応するしかなく、混入させる繊維材を偏らせて任意に配置することは困難である。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、鉄筋を使用せずに、コンクリートに引張強度を実現し、また、従来の繊維補強コンクリートの問題点であった繊維材の配置の問題を解決し、一種のコンクリートでも任意に筋材を配置でき、部位により強度を制御できるコンクリートの製造方法を提供することを課題とする。

本発明は諸課題を解決するために、請求項１では、繊維材の表面に硬化性樹脂剤を付着させながら整形硬化させ、三次元（立体）繊維構造が成形された繊維製セル構造体と、該繊維製セル構造体の外周面に、コンクリートを遮断して型枠として機能する繊維材による網状型枠を形成し、該網状型枠内にコンクリートを充填し、該セル構造体とともに固化させ、繊維製セル構造体をコンクリートの筋繊維構造としたことを特徴とする繊維製セル構造コンクリートの製造方法とするものである。

該繊維製セル構造体とは、繊維材を素材として多数の空隙を形成した三次元（立体）構造のセル構造体であり、該セル構造の空隙部分をオープンセル構造としたものである。
該繊維材は、線状素材などで、繊維素材同志を接着剤などで接合して三次元の網状構造を形成しセル構造体とし、そのセル構造体の繊維材を筋材とするコンクリートの筋組織とするものである。

該硬化性樹脂剤は、各繊維材に適した硬化性樹脂剤が使用できる。コンクリートを充填する時に繊維製セル構造がゆがまない程度に硬化できるものであれば良い。
例えば、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂やアミン系化合物（脂肪族ポリアミン、ポリアミノアミド、ケティミンなど）を用いた常温硬化のエポキシ樹脂硬化剤や光硬化性樹脂（ラジカル重合型、カチオン重合型）などでも良い。

また、繊維材が柔らかい場合には、更に硬化材を表面に複数回付着させ、靭性を高めて使用しても良く、セル構造体を製作後、全体に硬化材を塗布する等して付着させ、強化して使用しても良い。

また、繊維材は、コンクリートとの付着強度を高めるために、インデント加工と呼ばれる繊維の断面形状を周期的に変化させたり、繊維を波形などに折り曲げ加工等の形状を異形に加工処理した異形繊維としても良い。また、任意の間隔で結び目を形成させたものでも良い。

繊維材によるセル構造体は、三次元網状構造の繊維材の配置を任意に調整して製作することにより、コンクリート内での任意の部位の強度を変化させることが可能となる。
繊維材は、一般的に柔らかく、加工しやすく、任意の形状に製作でき、軽量である。従来の鉄筋に比べ、圧倒的に加工しやすく、作業性が良く、任意の形状を短期間に製作できる。

該網状型枠は、繊維材を三次元網状構造に形成したセル構造体の外周面に、コンクリートを遮断して型枠として機能する繊維材による網状型枠を形成するものである。
網体のメッシュ間隔は、骨材の径以下が好ましい。

本発明におけるコンクリートにおいて用いられるセメントの種類は限定されない。普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメント、低熱ポルトランドセメント等の各種ポルトランドセメントや高炉セメント、フライアッシュセメント等の混合セメントを使用することができる。レジン樹脂を固化材としたレジンコンクリートなどの樹脂コンクリートでも良い。

本発明において、コンクリートの早期強度を向上しようとする場合は、早強ポルトランドセメントを使用することが好ましく、コンクリートの流動性を向上しようとする場合は、中庸熱ポルトランドセメントや低熱ポルトランドセメントを使用することが好ましい。

該コンクリートにおいては、粒径２ｍｍ以下の骨材が用いられる。ここで、骨材の粒径とは、８５％（重量）累積粒径である（２ｍｍより大きい骨材が含まれていても良い）。
骨材の粒径が２ｍｍを超えると、強度が低下する。なお、コンクリートの分離抵抗性、硬化後の強度等から、最大粒径が２ｍｍ以下の骨材を用いることが好ましく、最大粒径が１．５ｍｍ以下の骨材を用いることがより好ましい。

請求項２では、前記の繊維製セル構造体に用いる繊維は、天然繊維である、食物繊維（セルロース高分子）、動物繊維（タンパク質高分子）、鉱物繊維、又は化学繊維（人造繊維）である無機繊維、精製繊維、再生繊維、半合成繊維、合成繊維、人造ポリペプチド繊維、原着タンパク質繊維、その他産業用繊維である、アラミ １ド繊維、炭化ケイ素繊維、PEEK繊維、超高強度ポリエチレン繊維、中空糸繊維、全芳香族ポリエステル繊維、アルミナ繊維、金属繊維、PPS繊維、ナノセルロース（セルロースナノファイバー、セルロースナノクリスタル）の中の１又は２以上の繊維を組み合わせた繊維材を用いることを特徴とする、請求項１に記載の繊維製セル構造コンクリートの製造方法とするものである。

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請求項３では、前記の繊維製セル構造体は、繊維材によりセル構造体を形成した状態で、全体の表面に硬化性樹脂剤を付着させて硬化させ、三次元（立体）繊維構造のセル構造体を形成することを特徴とする請求項１から請求項３までの何れか１項に記載の繊維製セル構造コンクリートの製造方法とするものである。

該全体の表面の硬化処理は、硬化性樹脂剤を該セル構造体全体に均一に付着させることが好ましく、刷毛塗りやどぶ付け処理、噴霧塗布などでも良い。

請求項４では、前記の繊維製セル構造体は、繊維材の配置密度を任意に調整して三次元（立体）繊維構造のセル構造体を形成することを特徴とする請求項１から請求項４までの何れか１項に記載の繊維製セル構造コンクリートの製造方法とするものである。

繊維材の配置密度を高くすると、その部位の強度が増し、配置密度を低くすると強度を減少させることができる。

コンクリートの流動性に従い、充填可能な配置密度とする必要があり、配置間隔は使用する骨材の径以上が好ましい。

請求項５では、繊維材によるワイヤ部と、コンクリートによる剛体部とからなり、繊維製セル構造体で構成した後に、剛体部にコンクリートを充填し、該セル構造体とともに固化させることにより、引き伸ばし力に耐える繊維材によるワイヤ部（テンション材、緊張部材）と、圧縮力に耐えるコンクリートによる剛体部（コンプレッション材、圧縮部材）とを組み合わせて構成されるテンセグリティ構造を有することを特徴とする請求項１から請求項５までの何れか１項に記載の繊維製セル構造コンクリートの製造方法とするものである。

テンセグリティは、工学においては直線部材のピン接合からなる構造システムのうち、圧縮材が互いに接続されておらず、張力材とのバランスによって成立しているような構造システムである。張力材は互いに接続されていてもよく、３次元構造の場合、圧縮材の両端には３本以上の張力材が少なくとも接続されていなければならないとされている。

テンセグリティー構造の特徴は、
１）外からの支持がなくても自立保持することができる。
２）この構造において張力と圧縮力が絶妙のバランスを保っている。
３）中心がどこにもなくかつ全ての圧縮部材（棒材）が交わらない構造を作ることができる。

すなわち、「引っ張ろうとする力と戻ろうとする力がうまい具合にバランスを取っていて、自立安定している構造のこと。また中心がどこにもないというのも特徴です。

人間の体もテンセグリティ構造になっている言われ、人間の身体はある一部が動けば、連動して身体全体が動いていきます。緊張材が筋膜で圧縮材が骨に相当するとされています。

コンクリートのような剛体において、このテンセグリティ構造を応用すると、鉄筋コンクリートがその代表格となる。鉄筋が緊張材、コンクリートが圧縮材である。

コンクリートに筋構造である鉄筋が配置されることにより、上記で言うところの「引っ張ろうとする力と戻ろうとする力がバランスして、外力を吸収して建物の倒壊を防止できる」ということになる。

本発明では、繊維材が緊張材となり、コンクリートが圧縮材となる、テンセグリティ構造となることで、外力に対して構造物の自立安定性が確保されるものである。

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請求項６では、前記の繊維製セル構造体に機械的プレストレスを導入した後にコンクリートが充填されていることを特徴とする請求項１から請求項７までの何れか１項に記載の繊維製セル構造コンクリートの製造方法とするものである。

該繊維セル構造体を製作した後、該セル構造体に機械的プレストレスをかけた後に、コンクリートを充填し、固化させ、養生後、プレストレスを解除してプレストレストコンクリートとするものである。

請求項７では、前記の繊維製セル構造体において、繊維材がコンクリートを遮断するように密に配置して管状に形成し、プレストレスのための緊張材を通すシース管部を形成し、セメント固化後に、ポストテンションによる機械的プレストレスを導入することを特徴とする請求項１から請求項８までの何れか１項に記載の繊維製セル構造コンクリートの製造方法とするものである。

セル構造体の内部に、繊維材によりプレストレスをかける方向に緊張材が通る管部を形成させるものであり、繊維材はコンクリートが漏れないように密に構成するものである。

繊維材による網状の管部は２重網構造となるように構成しても良い。２重にすることで確実にコンクリートを遮断できる。

請求項８では、前記の繊維製セル構造体の少なくとも一部に、形状記憶材料を用いることを特徴とする請求項１から請求項９までの何れか１項に記載の繊維製セル構造コンクリートの製造方法とするものである。

該形状記憶材料は、形状記憶合金、形状記憶ポリマー、形状記憶セラミックス、形状記憶繊維などが使用できる。

形状記憶材料は、形状回復機能、超弾性機能などがある。例えば、形状記憶材料により、繊維製セル構造体を活用したコンクリート板とすると、形状回復機能により、固化後に撓みなどが発生しても、加熱により元の平坦な形状に回復させることが可能となる。

また、機械的プレストレスを形状記憶材料で形成した繊維製セル構造体は、超弾性機能により、プレストレスを増強することが可能となる。

請求項９では、前記の繊維製セル構造体を３Ｄプリンターにより製作することを特徴とする請求項１から請求項１０までの何れか１項に記載の繊維製セル構造コンクリートの製造方法とするものである。

該３Ｄプリンターは、繊維線材を繰り出し、所定の長さで切断し、接着剤などで繊維線材を接着してセル構造体を製作するものである。必要に応じて、繊維線材を硬化させるために、硬化剤を繊維線材に付着させながら繰り出すようにしても良い。また、セル構造体を製作後に硬化剤を全体に噴霧して強化するようにしても良い。

請求項１０では、前記の繊維製セル構造体へのコンクリートの充填処理を３Ｄプリンターで処理することを特徴とする請求項１から請求項１１までの何れか１項に記載の繊維製セル構造コンクリートの製造方法とするものである。

３Ｄプリンターにより、繊維材で型枠とセル構造体を製作し、繊維材の型枠内にコンクリートを充填するようにしても良い。

３Ｄプリンターを活用することで作業者が入れない危険な場所、例えば、放射線汚染地域や不発弾残存地域などでもコンクリート構造物を製作することが可能となる。

本発明は以下の効果を奏する。
１）繊維製セル構造体を有するコンクリートを実現できる。

２）鉄筋を使用せずに、コンクリートに引張強度を実現できる。

３）繊維材の配置を任意に計画的に制御することが可能となる。

４）コンクリート内の任意の部位の強度を変化せることが可能となる。

５）繊維材の表面に硬化性樹脂剤を付着させて整形することにより、柔らかい繊維線材で
も任意の形状に加工、成形することができる。

６）セル構造体全体の表面に硬化性樹脂剤を付着させて整形硬化させることにより、柔ら
かい繊維材によるセル構造体においても、コンクリートの充填時に変形することがなく、
作業性に富んだ品質の高いコンクリートを実現できる。

７）外力を効果的に吸収できるテンセグリティ構造をコンクリートに活用することができる。

８）従来の型枠材を必要とせず、繊維材による型枠網を製作することができる。

９）型枠はセル構造体とともに工場製作ができる。

１０）セル構造体を用いたプレストレストコンクリートを実現できる。

１１）セル構造体を３Ｄプリンターで製作することができ、作業の効率化が図られる。

１２）３Ｄプリンターでコンクリート構造物を製作できるので、人が入れないような危険
地域や、重機を使用できないような環境下においてもコンクリート構造物を製造すること
ができる。

１３）建設分野と３Ｄプリンター分野、ロボット分野が融合した新たな建設施工方法を実
現できる。

本発明の繊維製セル構造コンクリートの製造方法を示すフロー図である。 本発明の繊維製セル構造コンクリートの製造方法における繊維製セル構造体を示す図である。 本発明の繊維線材の硬化処理を含む繊維製セル構造コンクリートの製造方法を示すフロー図である。 本発明の繊維製セル構造コンクリートの製造方法における繊維製線材の硬化処理を示す図である。 本発明のセル構造体の硬化処理を含む繊維製セル構造コンクリートの製造方法を示すフロー図である。 本発明の繊維製セル構造コンクリートの製造方法における繊維製網型枠を示す図である。 本発明の繊維製セル構造コンクリートの製造方法によるコンクリート管の製造方法の実施例を示す図である。 本発明の繊維製セル構造コンクリートの製造方法によるコンクリート管の製造方法における筋構造を変化させる実施例を示す図である。 本発明の繊維製セル構造コンクリートの製造方法によるコンクリート管の製造方法における筋構造を変化させる他の実施例を示す図である。 本発明の繊維製セル構造コンクリートの製造方法による特殊な形状のコンクリート構造物の製造方法の実施例を示す図である。 本発明の３Ｄプリンターによる繊維製セル構造コンクリートの製造方法を示すフロー図である。 本発明の３Ｄプリンターによる硬化処理を含む繊維製セル構造コンクリートの製造方法を示すフロー図である。 本発明の繊維製セル構造コンクリートの製造方法による樹木状造形物の実施例を示す図である。

本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

図１は、本発明の繊維製セル構造コンクリートの製造方法を示すフロー図である。

本実施例では、長さ２ｍ、幅１ｍ、厚さ０．３ｍのコンクリート板を製作した。型枠は従来の木製型枠を用いた。また、繊維材は炭素繊維（直径：１．０ｍｍ）を使用した。接着剤はエポキシ樹脂を使用した。

Ｓ－１）型枠製作
木製板材で所定サイズの箱状の型枠１を製作した。（図２－１参照）

Ｓ－２）繊維製セル構造体の製作
炭素繊維線材２を型枠１の長手方向、幅方向、高さ方向に各々繊維線材２を直線に一定間隔（５ｍｍ）で配置し、繊維製網体３とし、エポキシ樹脂で接着して構成し、立体網目構造とした。（図１－２参照）

Ｓ－３）セル構造体の配置
製作した立体網目構造のセル構造体４を型枠１内に設置、固定する。（図２－１参）

Ｓ－４）コンクリート充填
型枠１内にコンクリートを所定容量充填する。該コンクリートは、普通ポルトランドセメント、砂、水、減水剤を混合して使用した。

Ｓ－５）養生
養生期間は２８日とした。

Ｓ－６）固化
養生後、固化を確認した。

Ｓ－７）脱型
固化状態を確認後、型枠１を脱型し、繊維製セル構造コンクリートが完成した。

図２は、本発明の繊維線材の硬化処理を含む繊維製セル構造コンクリートの製造方法を示すフロー図である。

本実施例は、図１と同様なサイズ（Ｌ：２ｍ×Ｗ１ｍ×ｔ：０．３ｍ）コンクリート板を製作した。繊維材は、直径０．３ｍｍの細く柔らかい炭素繊維を使用した。硬化剤として速乾性エポキシ樹脂を使用し、繊維材同志の接着にも同様にエポキシ樹脂を使用した。

Ｔ－１）型枠製作
型枠製作は図１と同様である。

Ｔ－２）繊維線材の整形
０．３ｍｍの炭素繊維２の表面に、樹脂注入器５で硬化樹脂を付着させながら、整形加工した。（図２－２参照）
この炭素繊維２は髪の毛のように柔らかいが、硬化樹脂を付着させて硬化させることにより、図２－２の（１）、（２）、（３）などに示すように、任意の形状に硬化させることができ、自由に繊維製セル構造体４を製作できる。

Ｔ－３）繊維製セル構造体４の製作
炭素繊維線材２を長手方向、幅方向、高さ方向に各々繊維線材を直線に一定間隔（５ｍｍ）で配置し、速乾性エポキシ樹脂で接着しながら構成し、型枠１内に収まるサイズの立体網目構造を製作し、繊維製セル構造体４とした。

該セル構造体４の配置、コンクリート充填、養生、固化は、図１と同様に行い、繊維製セル構造コンクリートを製作した。

図３は、本発明のセル構造体の硬化処理を含む繊維製セル構造コンクリートの製造方法を示すフロー図である。

本実施例は、図１と同様なサイズ（Ｌ：２ｍ×Ｗ１ｍ×ｔ：０．３ｍ）コンクリート板を製作した。繊維材２は、直径０．５ｍｍの細めの炭素繊維を使用した。硬化剤として速乾性エポキシ樹脂を使用し、繊維材２同志の接着にも同様にエポキシ樹脂を使用した。

Ｕ－１）繊維線材による型枠製作
炭素繊維線材２を用いて格子状の網体３とし、格子間隔を密にして（２ｍｍ間隔）所定サイズの箱状に繊維製網型枠６を製作した。(図３－２参照）

Ｕ－２）繊維製セル構造体４の製作
炭素繊維線材２を型枠の長手方向、幅方向、高さ方向に各々繊維線材を直線に一定間隔（５ｍｍ）で配置し、エポキシ樹脂で接着して構成し、型枠内に収まるサイズの立体網目構造とした。

Ｕ－３）繊維製セル構造体組込み
製作した立体網目構造のセル構造体４を繊維製網型枠６内に設置、固定する。

Ｕ－４）硬化剤の塗布
繊維製セル構造体４を組込んだ繊維製網型枠６全体に、硬化剤としてエポキシ樹脂を噴霧し、繊維製網型枠６及び繊維製セル構造体４の硬化処理をした。

コンクリート充填、養生、固化は、図１と同様に行い、繊維製セル構造コンクリートを製作した。

図４は、本発明の繊維製セル構造コンクリートの製造方法によるコンクリート管の製造方法の実施例を示す。

図は、コンクリート管を製造するための、炭素繊維による網製の型枠、内枠１０と外枠１１とその内部筋構造となる繊維製セル構造体１２とで構成されているものである。

型枠１０、１１及びセル構造体１２は炭素繊維線材で形成し、ポキシ樹脂で接着し組み上げる。

本コンクリー管の型枠１０、１１と筋構造となる繊維製セル構造体１２の部分を工場製作し、現場でコンクリートを打設し、コンクリート管を製作することができる。

図５は、本発明の繊維製セル構造コンクリートの製造方法によるコンクリート管の製造方法における筋構造を変化させる実施例を示す。

本コンクリート管の製造方法では、図６と同様に、炭素繊維線材による網製の内型枠２０と外型枠２１を有し、内部に筋構造としての繊維製セル構造体２２で構成されるものであるが、Ａ－Ａ断面とＢ－Ｂ断面で繊維製セル構造体２２の密度が異なるように構成されたものである。

同一のコンクリート管内に同じコンクリートを打設した場合、従来のコンクリート管では、鉄筋の配置はすべて同様に構成されているため、このような筋構造を変化させることはできない。

本発明の繊維製セル構造コンクリートの製造方法によれば、細い炭素繊維を自由に組み合わせ、エポキシ樹脂で形成できるため、自由な筋構造を実現できるため、必要部分のみの強度の調整や強度を必要としない部分での筋構造の適正化が可能となる。

図６は、本発明の繊維製セル構造コンクリートの製造方法によるコンクリート管の製造方法における筋構造を変化させる他の実施例を示す。

本コンクリート管の製造方法では、コンクリート管の内側と外側で密度の異なるコンクリートを使用する場合を示す図である。

繊維製網型枠を内側枠３１、中間枠３２、外側枠３３の三層構成とし、内側枠３１と中間枠３２の間に高密度コンクリート３４を充填し、中間枠３２と外側枠３３との間に低密度コンクリート３５を充填することで、同一管内で間の内側と外側で強度の異なるコンクリートを使用することができ、必要とされる部分の強度を高め、不必要な部分の強度の軽減となる構成とすることにより大幅なコスト削減も可能となる。

図７は、本発明の繊維製セル構造コンクリートの製造方法による特殊な形状のコンクリート構造物の製造方法の実施例を示す。

本例は、中心部分が太く両端側が細くなっている横長円柱状のコンクリート構造物である。

本例では、円柱状の曲面形状が連続的に変化する特殊な形状の繊維製セル構造体４０となっており、従来では、このような場合には、特別な局面形状の型枠を製作する必要があり、製作時間とコストがかかるものであった。

本発明によれば、筋構造となる部分は細い炭素繊維によるセル構造体で形成するとともに、型枠となる外郭部分を炭素繊維の網状とし、繊維製網型枠４１として同時に製造することができ、内部の筋構造と外郭の型枠４１とを同時に連続して製造できるため、別々に製作して組み合わせる必要はない。また、細い炭素繊維をエポキシで硬化させて構成するため、重量物を扱う必要もなく、製作が容易で時間の短縮となり、コストも軽減できる。

さらに、図に示すように、Ｃ－Ｃ断面部分のセル構造体４２の筋構造を密とし、Ｄ－Ｄ断面部分セル構造体４４の筋構造を粗とすることもできる。

このように、本繊維製セル構造コンクリートの製造方法によれば、筋構造を自由に調整でき、強度の必要な部分を筋構造を密とし、強度を必要としない部分は筋構造を粗とすることが可能となり、型枠も同じ繊維線材で構成でき、さらに異種コンクリートを自由に組み合わせることも可能なコンクリートの製造方法を提供できるものである。

図８は、本発明の３Ｄプリンターによる繊維製セル構造コンクリートの製造方法を示すフロー図である。

本実施例は、図１と同様なサイズ（Ｌ：２ｍ×Ｗ１ｍ×ｔ：０．３ｍ）コンクリート板を製作した。繊維材は、直径０．３ｍｍの細く柔らかい炭素繊維を使用した。３Ｄプリンターは繊維材を素材として硬化剤を付着させてセル構造体を製作するセル構造体製作機能と、コンクリート（普通ポルトランドセメント、砂、水、減水剤を混合）をセル構造体に隙間なく注入するためのコンクリート充填機能を有する。硬化剤としては、速乾性エポキシ樹脂を使用し、繊維材同志の接着にも同様にエポキシ樹脂を使用した。

Ｖ－１）３Ｄプリンターによる型枠・セル構造体の同時製作
３Ｄプリンターを用いてプログラム制御により、炭素繊維線材を繰り出し、所定の形状に整形し、硬化剤を付着させて整形硬化させ、網製型枠と繊維製セル構造体を一体的に同時に製作した。

Ｖ－２）３Ｄプリンターによるコンクリート充填
３Ｄプリンターを用いてプログラム制御により、製作した繊維製型枠内のセル構造体を認識し、該セル構造体の空隙部分に隙間なくコンクリートを充填した。

養生、固化は、図１と同様に行い、繊維製セル構造コンクリートを製作した。

図９は、本発明の３Ｄプリンターによる硬化処理を含む繊維製セル構造コンクリートの製造方法を示すフロー図である。

Ｗ－１）３Ｄプリンターによる型枠・セル構造体の同時製作
３Ｄプリンターを用いてプログラム制御により、炭素繊維線材を繰り出し、所定の形状に整形し、硬化剤を付着させて整形硬化させ、網製型枠と繊維製セル構造体を一体的に同時に製作した。

また、繊維製セル構造体においては、３Ｄプリンターのプログラム制御により、強度を必要とする部位の繊維線材の配置を密にし、その他の部分の繊維線材の配置を粗く配置した。

コンクリート充填、養生、固化は、図３と同様に行い、繊維製セル構造コンクリートを製作した。

従来、短繊維材をコンクリートに混合することで強度の補強を行っていたが、均一に配置する技術はあるが、任意の部分に短繊維材を集中させて配置することは不可能であった。本発明では、３Ｄプリンターのプログラム制御により、繊維線材の配置を正確に制御することが可能となり、コンクリート中の任意の部分の強度を制御することができるものである。

図１０は、本発明の繊維製セル構造コンクリートの製造方法による樹木状造形物の実施例を示す図である。

該樹木状造形物５０は、コンクリート製の造形物であり、各枝部分５１は、繊維製網型枠５２を外皮として、内部に芯繊維を形成する繊維製線材５３で構成され、該繊維製網型枠５２内にグラウトコンクリート５４が注入されて固化され、枝部５１が形成されているものである。

従来のコンクリートによるこのような造形物を製作する場合には、精密で繊細な専用の型枠が必要であり、枝部が立体的に構成されているので、コンクリートの充填は、多数の区画に分けて、順次順番に充填固化させて製作しなければならない。

本発明による場合には、繊維製網型枠５２内に繊維線材５３を配置し、1カ所からグラウトコンクリート５４を注入することで、全体に注入でき、型枠をそのまま使用できるので、製作時間の短縮、コスト削減となる。

また、本図のような、樹脂状コンクリート製造形物５０は、引き伸ばし力に耐える繊維材によるワイヤ部（繊維線材５３）と、圧縮力に耐えるコンクリートによる剛体部（グラウトコンクリート部５４）とを組み合わせて構成されるテンセグリティ構造を有する繊維製セル構造体となる。

すなわち、この樹木状造形物５０に外力がかかり、変形しても、外力を外すと、繊維線材５３の緊張力により、復元力が発揮されるものである。

本発明では、テンセグリティ機能が発揮されるコンクリート造形物を実現できるものである。

１ 型枠
２、５３ 繊維線材
３、５２ 繊維製網体
４ セル構造体
５ 樹脂注入器
６、４１ 繊維製網型枠
１０、２０ 内枠
１１、２１ 外枠
１２、４０ 繊維製セル構造体
３１ 内側枠
３２ 中間枠
３３ 外側枠
３４ 高密度コンクリート
３５ 低密度コンクリート
４２ Ｃ－Ｃ部分セル構造体
４３ Ｄ－Ｄ部分セル構造体
５０ 樹脂状コンクリート製造形物
５１ 枝部
５４ グラウトコンクリート
Ｓ－１、Ｔ－１ 型枠製作
Ｓ－２、Ｔ－３、Ｕ－２ 繊維製セル構造体の製作
Ｓ－３ セル構造体の設置
Ｓ－４ コンクリート充填
Ｓ－５ 養生
Ｓ－６ 硬化
Ｓ－７ 繊維製セル構造コンクリートの完成
Ｔ－２ 繊維線材の整形
Ｕ－１ 繊維線材による型枠製作
Ｕ－３ 繊維製セル構造体組込み
Ｕ－４ 硬化剤の塗布
Ｖ－１、Ｗ－１ ３Ｄプリンターによる型枠・セル構造体の同時製作
Ｖ－２ ３Ｄプリンターによるコンクリート充填

Claims (10)

1. 繊維材の表面に硬化性樹脂剤を付着させながら整形硬化させ、三次元（立体）繊維構造が成形された繊維製セル構造体と、該繊維製セル構造体の外周面に、コンクリートを遮断して型枠として機能する繊維材による網状型枠を形成し、該網状型枠内にコンクリートを充填し、該セル構造体とともに固化させ、繊維製セル構造体をコンクリートの筋繊維構造としたことを特徴とする繊維製セル構造コンクリートの製造方法。
2. 前記の繊維製セル構造体に用いる繊維は、天然繊維である、食物繊維（セルロース高分子）、動物繊維（タンパク質高分子）、鉱物繊維、又は化学繊維（人造繊維）である無機繊維、精製繊維、再生繊維、半合成繊維、合成繊維、人造ポリペプチド繊維、原着タンパク質繊維、その他産業用繊維である、アラミド繊維、炭化ケイ素繊維、PEEK繊維、超高強度ポリエチレン繊維、中空糸繊維、全芳香族ポリエステル繊維、アルミナ繊維、金属繊維、PPS繊維、ナノセルロース（セルロースナノファイバー、セルロースナノクリスタル）の中の１又は２以上の繊維を組み合わせた繊維材を用いることを特徴とする、請求項１に記載の繊維製セル構造コンクリートの製造方法。
3. 前記の繊維製セル構造体は、繊維材によりセル構造体を形成した状態で、全体の表面に硬化性樹脂剤を付着させて硬化させ、三次元（立体）繊維構造のセル構造体を形成することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の繊維製セル構造コンクリートの製造方法。
4. 前記の繊維製セル構造体は、繊維材の配置密度を任意に調整して三次元（立体）繊維構造のセル構造体を形成することを特徴とする請求項１から請求項３までの何れか１項に記載の繊維製セル構造コンクリートの製造方法。
5. 繊維材によるワイヤ部と、コンクリートによる剛体部を、繊維製セル構造体で構成した後に、剛体部にコンクリートを充填し、該セル構造体とともに固化させることにより、引き伸ばし力に耐える繊維材によるワイヤ部（テンション材、緊張部材）と、圧縮力に耐えるコンクリートによる剛体部（コンプレッション材、圧縮部材）とを組み合わせて構成されるテンセグリティ構造を有することを特徴とする請求項１から請求項４までの何れか１項に記載の繊維製セル構造コンクリートの製造方法。
6. 前記の繊維製セル構造体に機械的プレストレスを導入した後に、コンクリートが充填されることを特徴とする請求項１から請求項５までの何れか１項に記載の繊維製セル構造コンクリートの製造方法。
7. 前記の繊維製セル構造体において、繊維材がコンクリートをせき止めるように密に配置して管状に形成し、プレストレスのための緊張材を通すシース管部を形成し、セメント固化後に、ポストテンションによる機械的プレストレスを導入することを特徴とする請求項１から請求項６までの何れか１項に記載の繊維製セル構造コンクリートの製造方法。
8. 前記の繊維製セル構造体の少なくとも一部に、形状記憶材料を用いることを特徴とする請求項１から請求項７までの何れか１項に記載の繊維製セル構造コンクリートの製造方法。
9. 前記の繊維製セル構造体を３Ｄプリンターにより製作することを特徴とする請求項１から請求項８までの何れか１項に記載の繊維製セル構造コンクリートの製造方法。
10. 前記の繊維製セル構造体へのコンクリートの充填処理を３Ｄプリンターで処理することを特徴とする請求項１から請求項９までの何れか１項に記載の繊維製セル構造コンクリートの製造方法。

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