JPH02216270A - 構造材とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、構造材とその製造方法に関し、より詳細には
、コンクリートなどの補強材として好適な４ｉｌ造材と
そのｙＪ！遣方法に関するものである。

［従来の技術］ 従来、コンクリートなどの構造用補強材として、鉄筋な
どが知られている。しかしながら、鉄筋を使用すると、
錆が生じ耐久性が十分でないばかりか、施工性も十分で
なく、また軽量化することが困難である。

上記の点に鑑み、例えば、芳香族ポリアミドなどの引張
強度の大きな材料で形成され、た細線を組紐状に編成し
た構造用補強材（特開昭６０−１７９８５３号公報）や
、芳香族ポリアミドなどの引張強度の大きな材料で形成
された細線を組紐状に編成し、組紐状物を結合剤で互い
に結着した構造用材料（特開昭６１−２９０１５０号公
報）が提案されている。

［発明が解決しようとする課題〕 しかしながら、前者の場合、組紐状の補強材を構成する
ｌ５ＩＩＩｉ＆！が互いに結合していないため、補強性
が十分でないという問題がある。

また後者の場合、前者よりも補強性に優れるものの、細
線の強度が未だ十分でないため、十分な補強効果を得る
ことが困難である。より詳細には、コンクリート構造物
は、通常的０．２〜０．５％の歪によりひび割れが生じ
るが、上記構造用材料を構成する芳香族ポリアミド繊維
、ガラス繊維、ポリエステル繊維や高強度ポリオレフィ
ン繊維等の細線は、末だ引張弾性率が小さく、コンクリ
ートのひび割れを防止することが困難である。すなわち
、上記構造用材料をコンクリート補強材として使用する
と、特に、組紐状物が長手方向の応力に対しては大きな
強度を示すものの、幅方向の応力に対しては容易に歪み
、拡幅する性質、すなわちコンクリートの収縮に対応し
て幅広となる性質を有しているため、補強効果が十分で
ない、またコンクリート構造物のひび割れを防止するに
は、多数の構造用材料を必要とする。

一方、樹脂を含浸、硬化させた補強用構造材の製造方法
として、多数の繊維を結束させ、結束したストランドに
張力を作用させて型内の挿通孔に通すとともに、該型に
樹脂を注入してストランドに樹脂を含浸させ、型内で硬
化させるプルトルージョン法が知られている。このプル
トルージョン法によれば、連続的に樹脂を含浸、硬化さ
せることができるので、一般に生産性に優れている。

しかしながら、炭素繊維のストランドを上記プルトルー
ジョン法に適用した場合、ストランドが毛羽立ち易く、
型の挿通孔への挿通時に接触抵抗が大きくなるため、型
を大きくすることが困難であり、生産性が低下する。ま
た上記のプルトルージョン法で得られた補強材はストラ
ンドが長手方向に延びているため、長手方向の強度が大
きいものの、構造物に対する付着力が小さいため、幅方
向の補強効果が小さいという問題がある。

本発明の主たる目的は、組紐状に編成されていても、コ
ンクリート構造物などの構造物に対する付着力に優れる
とともに、横遺物のひび割れ等を防止でき、補強効果に
優れた構造材を提供することを目的とする。

本発明の他の目的は、組紐状に編成されていても、補強
効果に優れた補強材を簡便かつ生産性よく製造できる構
造材の製造方法を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段および作用］第１の発明は
、打ちＲ３〜８の炭素繊維製の組紐を樹脂で一体化した
構造材であって、該組紐が緊張状態で一体化している構
造材により、上記課題を解決するものである。

上記構成からなる第１の発明によれば、組紐が引張強度
に優れた炭素ｍ維製であり、しかも緊張状態で一体化し
ているので、該構造材をコンクリートなどの構造物に適
用した場合、構造物に対する補強性が大きい、より詳細
には、炭素繊維における応力と歪との関係は、通常、応
力０を起点にして応力と歪が略比例する比例関係にある
。これに対して、組紐は、ストランドが絡み合うまでは
、幅方向に容易に変形し、所定の引張力を作用させたと
き、ストランドが互いに絡み合うことにより組紐本来の
強度が発現する性質を有している。すなわち、組紐にお
ける応力と歪との関係は、第１図に示されるように、編
成構造に基づいて組紐が幅方向に変形し伸長する第１の
領域（Ａ）を経た後、応力と歪とが略比例する第２の領
域（Ｂ）、すなわち、組紐の緊張状態に対応した領域が
みられる。

従って、上記第１の領域（Ａ）の状態にある組紐を一体
化しても、横遺物の歪に追従して組紐が幅方向に変形す
ることとなる。これに対して、組紐を緊張させた状態、
すなわち、第２の領域（Ｂ）で組紐を一体化すると、編
成横道に基づく第１の領域（Ａ）における歪が予め除去
されているので、組紐本来の特性が発現し、構造材によ
り、構造物内で発生した歪を構造物全体に伝播させるこ
とができ、コンクリート構造物の収縮を抑制できる。し
かも、組紐が打ち数３〜８の組紐であるため、組紐の芯
部が中実であると共に、所定ピッチ毎に凹凸部とを有し
ているため、構造材は構造物と上記凹凸部で確実に係止
し、構造物に対する付着力が大きい。

また構造材は組紐状であるため、繊維の利用効率が大き
く、補強性が高い。

なお、構造物の補強効果をより一層高める上で、炭素繊
維としては、１５Ｘ１０３に９／−以上の引張弾性率を
有するものが好ましい。

また第２の発明は、打ち数３〜８で、樹脂を含浸した炭
素繊維製の組紐を作製し、該組紐に張力を作用させた状
態で硬化させる構造材の製造方法により、上記課題を＃
沃するものである。

上記構成からなる第２の発明によれば、打ち数３〜８の
炭素繊維製の組紐としているため、組紐の芯部が中実で
あり、中空部が形成されない６次いで、樹脂（熱硬化性
樹脂または熱可塑性樹脂）を含浸した炭素繊維製の組紐
に張力を作用させた状態で硬化させるので、前記第２の
領域＜８）で−体化し、幅方向の応力に対しても変形し
ないｍ造材が得られる。

なお、組紐を前記第２の領域（Ｂ）の状態にするには、
組紐に、その破断応力の少なくとも５％に相当する張力
を作用させた状態で硬化させるのが好ましい。

以下に、本発明の詳細な説明する。

本発明における組紐を構成する炭素繊維としては、例え
ば、ポリアクリロニトリル、フェノール樹脂、レーヨン
などの高分子繊維、ピッチ、液晶ピッチなどを素材とす
る種々の炭素繊維が例示される０本発明における炭素繊
維は、いわゆる炭素繊維だけでなく黒鉛繊維を含む概念
である。炭素繊維は、ＩＷＪえば、繊維径５〜２０ρな
ど適宜の繊維径を有するものが使用できる。

また炭素繊維としては、高強度タイプ、高伸度タイプ、
高弾性タイプ、汎用タイプなど種々のものが使用でき、
該炭素繊維は、通常、５〜１００Ｘ　１０３に１／ｎａ
ｌｔ程度の引張弾性率を有しているが、横遺物に対する
補強効果を高めるため、引張弾性率１５Ｘ１０３に９／
−以上の炭素繊維が好ましい。

なお、前記炭素繊維は、適宜本数、例えば、２〜５００
０本程度の炭素繊維フィラメントが結束されたストラン
ドであってもよい。

上記炭素繊維は、補強効果を高めるため、打ち数３〜８
の組紐に編成されている。打ち数が上記範囲を越えると
補強効果が十分でない、より詳細には、打ち数をｎとし
たとき、ｎ≧３であれば組紐を構成することができるが
、ｎが３以上の奇数であると平打ちの紐となり、ｎが偶
数であると断面筒状のＭ１紐が得られる。しかし、ｎが
９以上の奇数であると組紐の幅が大きくなり、補強性が
十分でない、またｎが１０以上の偶数であると組紐の芯
部に中空部が形成されるので、樹脂を含浸させても該芯
部に空気層ができ易く、補強材として好ましくない。

なお、上記打ち数で編成すると、組紐は中実の棒状とな
る。

また上記組紐のピッチは、所望する繊維密度などに応じ
て適宜設定することができるが、第２図に示されるよう
に、組紐の径をＤ、ストランドが一周する長さをＬとす
るとき、Ｌ／Ｄ＝５〜３０であるのが好ましい、Ｌ／Ｄ
が上記範囲を外れると組紐の凹凸が小さく滑らかとなり
、構造物に対する係止性、付着性が十分でない、なお、
横遺物に対する係止性、付着性を高める組紐の凹凸部と
これらの大きさは、前記組紐の打ち数およびピッチを調
整することにより、適宜設定することができる。

そして、補強性を高めるため、上記組紐は、緊張状態で
熱硬化性樹脂または熱可塑性ＦＭ脂により一体化してい
る。すなわち、上記組紐は、前記第２の領域（８）にお
ける緊張状態で一体化されており、前記第１の領域（Ａ
）における組紐の歪が除去されている。なお、組紐の緊
張状態は、第２の領域（８）に対応する領域において適
宜設定することができる。このように、組紐が緊張状態
で一体化しているので、コンクリート等の桶造物内に埋
設しても、補強材の圧縮応力により、′！ｆ１造物のひ
び割れを防止することができる。

上記緊張状態の組紐を一体化する樹脂としては、例えば
、フェノール樹脂、尿素樹脂、エポキシ樹脂、ビニルエ
ステル樹脂、ジアリルフタレート樹脂、ウレタン樹脂、
不飽和ポリエステル、ポリイミドなどの熱硬化性樹脂；
ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン
共重合体、エチレン−酢酸ビニル共重合体、エチレン−
アクリル酸共重合体、ポリスチレン、アクリル樹脂、ポ
リエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレー
トなどの飽和ポリエステル、ポリアミド、ボリアセター
ル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニ
レンスルフィド、ポリフェニレンオキサイド、ボリアリ
レート、ポリエーテルスンジレン、ポリエーテルエーテ
ルゲトン、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポ
リアミノビスマレイミド、芳香族ポリアミドなどの熱可
塑性樹脂が例示される。上記樹脂は一種または二種以上
使用される。なお、作業性及び完成品の耐熱性の点から
、熱可塑性樹脂よりも熱硬化性樹脂の方が好ましい。

樹脂の量は、前記組紐を一体化できる範囲で適宜選択さ
れるが、１０〜５０重量％、好ましくは２０〜３０重量
％である。結合剤の量が１０重量％未満であると、組紐
を一体化するのが困難であり、５０重量％を越えると、
組紐の割合が低下して補強性能が損われる。

なお、組紐の強度をＸ、Ｍｉ紐を構成する炭素繊維素線
の強度をＹとするとき、前記樹脂で一体化しない組紐に
あっては、（Ｘ／Ｙ）Ｘ１００で表される有効率が、約
５０％であるのに対して、組紐を樹脂で一体化した構造
材にあっては有効率的８０％となり、強度的に優れてい
る。

また上記樹脂で一体化した構造材は、コンクリートなど
の構造物との親和性を高めるため、シランカップリング
剤、チタンカップリング剤などで表面処理してもよい。

さらには、構造材は表面にさらに凹凸部が形成された断
面異形状であってもよい。このような構造材によれば、
上記組紐の凹凸部による補強作用と相まって構造物に対
して確実に係止させ付着させることができ、補強効果を
高めることができる。

上記の構造材は、所望する補強性などに応じて適宜の径
を有していてもよいが、通常、１〜５０間、好ましくは
２〜２５間で十分である。

上記構成の構造材によれば、打ち数３〜８の組紐が引張
強度に優れた炭素繊維製であり、かつ組紐が樹脂により
緊張状態で一体化しているので、組紐状に編成されてい
ても、コンクリート構造物に対する付着力および補強効
果に優れており、構造物のひび割れ等を防止することが
できる。

以下に、本発明の構造材の製造方法について説明する。

本発明の構造材の製造方法は、打ち数３〜８で、熱硬化
性樹脂または熱可塑性樹脂を含浸した炭素繊維製の組紐
を作製する編成工程と、該組紐に張力を作用させた状態
で上記熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂を硬化させる硬
化工程とを含んでいる。

なお、上記編成工程では、熱硬化性樹脂または熱可塑性
樹脂を炭素繊維に含浸させた後、組紐を作製してもよく
、組紐を作製した後、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂
を含浸させてもよい、なお、本明細書において、硬化と
は、熱硬化性樹脂の硬化に限らず、熱可塑性樹脂の固化
をも含む意味に用いる。

上記編成工程においては、前記のように、炭素繊維を用
いて打ち数３〜８の組紐を作製する。この組紐は、通常
、炭素繊維からなるストランドをボビンワイングーに巻
き取り二組組機で編成することにより作製できる。その
際、編成時にストランドに作用させる張力や打ち数を調
整することにより、組紐のピッチや凹凸部の大きさなど
を制御することができる。

また前記のように、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂は、
組紐作製前の炭素繊維やストランドに含浸させてもよい
が、樹脂による組紐機の汚染を防止すると共に、作業性
を高めるため、組紐を作製した後、組紐に含浸させるの
が好ましい、なお、上記熱硬化性ＶＩ４１指及び熱可塑
性樹脂としては、前記例示の樹脂が使用でき、樹脂の含
浸は、通常、液状の樹脂に前記組紐などを浸漬すること
により行なうことができる。

また樹脂の含浸量は、樹脂が溶剤含有の溶液状で使用さ
れる場合、樹脂の含有量などを調整したり、樹脂が溶剤
を含有していない場合、組紐に該樹脂を含浸させた後、
過剰の樹脂をスキージングすることにより、調整するこ
とができる。後者の場合、所定の孔径を有するノズル等
に、樹脂を含浸した組紐を挿通させることにより、容易
に含浸樹脂量を調整できる。

樹脂の含浸量は、適宜選択することができるが、一体性
を高めるため、前記のように、組紐に対して１０〜５０
重量％、特に２０〜３０重量％であるのが好ましい。

そして、硬化工程では、該組紐に張力を作用させた状態
で上記熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を硬化させる。

組紐に作用させる張力は、前記のように第２の領域ＴＢ
）に対応した緊張状態で行なえばよく、組紐が破断しな
い範囲で適宜設定することができるが、組紐の破断応力
の少なくとも５％、好ましくは少なくとも１０％に相当
する張力を作用させるのが好ましい。上記の条件で組紐
に張力を作用させると、組紐を確実に緊張状態にするこ
とができる。

また樹脂の硬化は、熱硬化性樹脂の硬化温度、熱可塑性
樹脂の固化温度などに応じて適宜の温度条件下で行なう
ことができ、通常、室温〜３００℃程度の温度で行なわ
れる。なお、生産性を高めるなめ、加熱条件下、例えば
、５０〜３００　’Ｃ程度の温度条件下で加熱硬化する
のが好ましい。

また上記加熱硬化は、前記樹脂を含浸した組紐に張力を
作用させた状態で行なえばよいが、生産性を高めるため
、上記編成工程と硬化工程とを連続的に行なうのが好ま
しい、この場合、編成された組紐に張力を作用させなが
ら巻き取ると共に、組紐を加熱炉に案内して該加熱炉で
加熱硬化を行なえばよい。

なお、ｍ遺物との親和性を高めるため、樹脂の硬化前に
、前記シランカップリング剤などを用いて表面処理して
もよい。

上記のようにして得られた棒状の構造材は、コンクリー
トに埋設される主筋、プレストレスコンクリートの鋼材
などの代用として使用できる。なお、上記構造材は、必
要に応じて、所定長さに切断してもよい。

上記のように本発明によれば、編成工程の後、硬化工程
を経て構造材を製造するので、従来のプルトルージョン
法のように、型内の挿通孔に組紐を挿通させる必要がな
く、毛羽立ち易い炭素繊維やそのストランドであっても
、編成した組紐に張力を作用させながら、簡便かつ生産
性よく構造材を製造することができる。また上記のよう
にして得られた構造材は前記樹脂により一体化している
と共に、所定ピッチ毎に凹凸部を有するので、幅方向の
補強効果やＩ１１！造物に対する付着力が大きく、ｍ遺
物に対して優れた補強効果を示す。

［実施例］ 以下に、実施例に基づいて、本発明をより詳細に説明す
る。

実施例１ 炭素繊維として、ピッチ系炭素繊維（大阪瓦斯■製、商
品名ドナカーボＦ−１８０、引張弾性率１３ｘ　１０３
に’ｉ／ｍＪ）を用いた。」１記炭素繊維のストランド
を１２本結束して作製した８つのボビンを用い、組紐装
置により、１回転のストランド長７２＋ｎｒ＋の条件で
打ち数８の組紐を作製した。

得られた組紐を、エポキシ樹脂（油化シェル■製、商品
名エビコー）８２８）１００重量部と硬化剤であるジエ
チレントリアミン９重量部との割合からなるエポキシ樹
脂組成物中に浸漬し、上記樹脂を十分に含浸させた後、
直径６ｍｆｆ１の細孔を有するノズルを通過させること
により、付着樹脂量を調整した。

そして、上記樹脂を含浸する組紐に張力を掛けた状態で
放置し、上記上目でキシ樹脂を硬化させることにより、
ｉ造材を作製した。

得られた構造材は、直径６１ＴＩＩｎの棒状物であり、
引張試験の結果、引張強度３．４ｔ／本、引張弾性率９
２００ｈ／ｎ＋４、破断伸度１．３％であった。

比較例 上記実施例の炭素繊維に代えて、芳香族ポリアミドｍ維
（デュポン社製、商品名ケブラー、引張弾性率１３　、
３　Ｘ　１０３ｋ１１．／ｍ％）を用い、上記実施例と
同様にして構造材を作製した。

得られた構造材は、直径６　ｍｍの棒状物であり、引張
試験を行なった結果、引張強度３．２ｔ／本、引張弾性
率８０００ｋ１１／ｍｍ、破断伸度２．３％であった。

そして、実施例および比較例の構造材を用いて、第３図
に示すようなコンクリ−１・ばつを作製し、コンクリー
トばりの曲げ補強試験を行なった。

なお、第３図はコンクリートぼり試験体の断面図であり
、断面方形状のコンクリートぼり試験体は、長さ１３０
止、幅１００１１ｍの大きさであり、コンクリート（１
）の型枠の内方１５間の４隅に４本の上記構造材（２］
を配設すると共に、該構造材（２）を方形枠状に形成さ
れたフープ筋（３）に結束して固定し、下記の組成を有
するコンクリートを打設することにより作製しな。

なお、上記コンクリート（１）として、水／セメント−
４０重量％であり、セメント４２０　＠　／　ｍ”、水
１６８ｋｌ／ｍ″、砂６４１　ｒ／　ｍ’、砂利１０３
７ｒ　／　ｍ”、流動化剤４．２に’ｌ／ｍ’の割合か
らなるものを使用しな。

上記コンクリート（１）は、圧縮強度４４９　ｋｉ／ｃ
ｊ、引張弾性率１．８５Ｘ１０Ｇ　”ｉ／ｃｊ、引張強
度２８．２ｋｌ／−の特性を有していた。

またコンクリートばりの曲げ補強試験は支持スパン８０
０　ｍＩｎ、載荷スパン１００關の２点加力によりアム
スラー式試験樋を用いて行なった。

得られた結果を次表に示す。

表 上記表より明らかなように、実施例の′Ｍ４遣材造材比
敦例の構造材に比べて、補強効果に優れていた。

［発明の効果〕 以上のように、第１の発明の構造材によれば、打ち数３
〜８の炭素繊維製の組紐が樹脂により緊張状態で一体化
しているので、組紐状に編成されていても、コンクリー
トなどの構造物に対する付着力に潰れるとともに、構造
物のひび割れ等を防止でき、補強効果に優れている。

また第２の発明の構造材の製造方法によれば、打ち数３
〜８で、樹脂を含浸した炭素繊維製の組紐を作製し、該
組紐に張力を作用させた状態で硬化させるので、組紐状
に編成されていても、補強効果に優れた補強材を簡便か
つ生産性よく製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は組紐における応力と歪との関係を示す図、 第２図は組紐の編成状態を示す斜視図、第３図は実施例
および比鞍例における試験体の構造を示す断面図である
。 第１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、打ち数３〜８の炭素繊維製の組紐を樹脂で一体化し
   た構造材であって、該組紐が緊張状態で一体化している
   ことを特徴とする構造材。 ２、炭素繊維が１５×１０＾３ｋｇ／ｍｍ＾２以上の引
   張弾性率を有する請求項１記載の構造材。 ３、打ち数３〜８で、樹脂を含浸した炭素繊維製の組紐
   を作製し、該組紐に張力を作用させた状態で硬化させる
   ことを特徴とする構造材の製造方法。 ４、組紐に、その破断応力の少なくとも５％に相当する
   張力を作用させた状態で硬化させる請求項３記載の構造
   材の製造方法。