JPH1162270A - 炭素繊維強化樹脂による建造物部材の補強方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱硬化性樹脂を含浸させた炭素繊維の束から
なる未硬化の複合体を被補強部材表面に固定し、通電加
熱法により樹脂の加熱硬化処理を行なって建造物部材を
補強するに際して、該複合体の温度を適正に制御するた
めの、簡便かつ実用的な方法を提供する。 【解決手段】 放射温度計と加熱電力を制御しうる電源
装置を配し、前記複合体の外側表面の温度を放射温度計
で測定して、この温度が所定の温度パターンで変化する
ように複合体の加熱電力を制御しつつ前記樹脂の加熱硬
化処理を行なう。また、熱硬化性樹脂をその硬化温度ま
で加熱する過程において、前記複合体の外側表面の温度
を前記樹脂の硬化温度域の下限より０〜３０℃低い範囲
に３分以上保定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、柱、壁等の建造物
の部材を炭素繊維強化樹脂により補強する方法に関し、
とくに、被補強部材表面で炭素繊維に通電し、未硬化の
熱硬化性樹脂を加熱硬化させて建造物部材を補強する方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】繊維強化樹脂(ＦＲＰ)は軽量高強度で、
弾性や耐食性にも富むため、航空部品やスポーツ用品等
に多用され、また圧力容器等の構造物の補強に用いられ
ることも多い。ＦＲＰの中でも、炭素繊維を用いた炭素
繊維強化樹脂（以下、ＣＦＲＰという）は、とくに引張
り強度や弾性率が大きいため、その用途が拡大しつつあ
る。

【０００３】ＣＦＲＰの利用方法の一つとして、近年土
木・建築の分野において、柱、壁等の建造物の部材をＣ
ＦＲＰを用いて補強する方法が注目されている。これ
は、既設のコンクリート構造物等をその外側から耐震補
強する際に、鋼板や鉄筋に替えて軽量かつ高強度のＣＦ
ＲＰを用いるものである。

【０００４】しかし、このようなＣＦＲＰによる既設建
造物の部材の補強においては、その施工面で技術課題が
多い。予め成形された板状、棒状等のＣＦＲＰを建造物
部材に当てがって補強する方法では、被補強部材の形状
が一律でないため、これに適合する成形体を準備する手
間が大きい。また、被補強部材表面の下地処理やＣＦＲ
Ｐと被補強部材との接合等のため、施工が複雑になると
いう問題がある。

【０００５】通常ＣＦＲＰの成形体は、内部の欠陥を少
くするため、熱プレスやオートクレーブ或いは硬化炉等
を用いて製作される。ＣＦＲＰのマトリックス樹脂には
熱硬化性樹脂を用いるのが一般的であるが、成形体の厚
みが大な場合、樹脂の加熱硬化処理は、熱プレスや硬化
炉内で長時間かけて徐熱、徐冷する必要がある。既設の
建造物を補強する工事現場で、上記のような設備を用い
てＣＦＲＰの成形体を製作することは不可能に近く、こ
れに替わる方法が必要となる。

【０００６】また、炭素繊維を薄いシート状に編み上
げ、これに熱硬化性樹脂を含浸させ、未硬化のまま被補
強部材の表面に固定してから、樹脂の加熱硬化処理を行
う方法も試みられているが、この方法では如何にしてＣ
ＦＲＰ層全体を均一かつ適正に加熱するかが課題とな
る。

【０００７】一方、炭素繊維が導電性を有することを利
用して、樹脂が未硬化のＣＦＲＰを被補強部又は被補修
部に配置し、これに通電して炭素繊維を発熱させること
により、熱硬化性樹脂を硬化させる方法が、特開平６−
１５８８７３号公報に開示されている。

【０００８】しかしこの方法においても、ＣＦＲＰの強
度を十分に発現させるためには、樹脂の加熱硬化処理の
条件を適正に制御する必要があり、そのための方法は上
記公報にも示されていない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ＣＦＲＰによる補強の
対策となる建造物の部材は、高架道路の橋脚、地下鉄の
支柱、各種ビルの柱や壁など大型のものが多い。このよ
うな大型の建造物部材の表面で、ＣＦＲＰの樹脂の加熱
硬化処理を行うには、ＣＦＲＰ層全体を均一かつ迅速に
加熱しうる加熱方法が望ましく、ＣＦＲＰに直接通電し
て炭素繊維を発熱させる方法（以下、通電加熱法とい
う）が好適である。

【００１０】しかし通電加熱法においては、炭素繊維の
温度は急速に上昇するが、樹脂層は熱伝導度が小さく加
熱の遅れが生じる。とくに樹脂層が厚い場合には、炭素
繊維の周囲と表層の樹脂の間に大きな温度差が生じるこ
とが問題となる。

【００１１】本発明者の知見によれば、樹脂を含浸させ
た炭素繊維の束からなるシート状の複合体に、数Ｖ〜数
十Ｖの電圧で数Ａ〜十数Ａの電流を流すと、炭素繊維自
体は短時間で２００℃以上迄加熱されるが、このまま通
電を続けると炭素繊維の周囲の樹脂の温度が著しく高く
なり、樹脂層が脆化するおそれがある。

【００１２】また、ＣＦＲＰ層から被補部材表面への熱
損失量は、その接合面の条件或いは被補強部材の表面の
条件によって大幅に相違するため、適正な加熱電力の値
を予測できない場合が多い。

【００１３】本発明は、上記のような問題を解決するた
めに、熱硬化性樹脂を含浸させた炭素繊維の束からなる
未硬化の複合体を建造物部材に固定し、通電加熱法によ
り樹脂の加熱硬化処理を行うに際して、該複合体の温度
を適正に制御するための、簡便かつ実用的な方法を提供
することを目的とし、またこれにより、内部に欠陥の少
ない健全なＣＦＲＰ層を形成しうる方法を提供すること
を目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めの本発明の要旨は、(１)熱硬化性樹脂を含浸させた炭
素繊維束からなる可撓性の複合体を被補強部に固定し、
該複合体に通電して炭素繊維を発熱させ前記樹脂を加熱
硬化させる建造物部材の補強方法において、放射温度計
と加熱電力を制御しうる電源装置を配し、前記複合体の
外側表面の温度を放射温度計で測定して、この温度が所
定の温度パターンで変化するように前記複合体の加熱電
力を制御しつつ前記樹脂の加熱硬化処理を行うことを特
徴とする炭素繊維強化樹脂による建造物部材の補強方法
である。

【００１５】(２)また、熱硬化性樹脂をその硬化温度ま
で加熱する過程において、前記複合体の外側表面の温度
を前記樹脂の硬化温度域の下限より０〜３０℃低い範囲
に３分以上保定することを特徴とする前項(１)記載の炭
素繊維強化樹脂による建造物部材の補強方法である。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明において、炭素繊維の束は
所定の強度と導電性を有することが必要で、連続した炭
素繊維フィラメントを複数本束ね、必要に応じてこれを
撚り合わせてユニットの繊維束を作り、さらにこのユニ
ットの繊維束を多数本束ねたものを用いることが多い。
例えば、ユニットの繊維束を縦糸とし、これを横糸によ
り編み上げてシート状又はテープ状にしたものを用いれ
ばよい。或いは、前記のユニットの繊維束を多数本集
め、必要に応じて撚り合わせてストランド状にしたもの
を用いてもよい。

【００１７】炭素繊維は、通電加熱時の電圧と電流のバ
ランスから、比抵抗が１０^-6〜１０^-3Ω・ｍ程度のもの
を用いることが好ましく、アクリル系やピッチ系等のプ
リカーサーを焼成して作られるグラファイト構造のもの
が適している。

【００１８】上記の炭素繊維の束に含浸させる樹脂に
は、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹
脂、メラミン樹脂等各種の熱硬化性樹脂を用いることが
できるが、とくに接着性が良く、硬化後の強度の大きい
エポキシ樹脂が好適である。また、これらの樹脂には、
通常硬化剤が添加され、また必要に応じて可塑剤、充填
剤等を添加して使用する。

【００１９】未硬化の熱硬化性樹脂を含浸させた可撓性
の複合体を、建造物の部材の表面に固定し、この複合体
に通電して樹脂の加熱硬化処理を行なう。複合体を固定
する方法はとくに限定されないが、被補強部材が柱の場
合はシート状の複合体でこれを包むか、テープ状または
ストランド状の複合体を巻き付けるような方法によれば
良い。

【００２０】本発明の建造物部材の補強方法は、上記の
ようなＣＦＲＰ複合体を被補強部に固定し、複合体に通
電して炭素繊維を発熱させ熱硬化性樹脂を加熱硬化させ
るに際して、放射温度計と加熱電力を制御しうる電源装
置を配し、前記複合体の外側表面の温度を放射温度計で
測定して、この温度が所定の温度パターンで変化するよ
うに加熱電力を制御しつつ、前記樹脂の加熱硬化処理を
行なうことを特徴とする。

【００２１】本発明において、複合体の外側表面の温度
を測定し、これに基づいて加熱電力の制御を行なうの
は、下記の理由による。複合体の外側表面(建造物部材
に接していない表面)の温度は、外部から非接触で測定
でき、測定が簡便かつ確実である。これに対して、熱電
対等により複合体の内部の温度を測定するのは、測定位
置のわずかのずれで大きな温度差が生じることがあって
好ましくない。

【００２２】複合体の加熱時にその内部に温度分布を生
じるが、外側表面の温度及びその温度変化についての情
報があれば、おおよその内部の温度分布を推定すること
ができ、加熱電力を制御するという目的からは、この温
度情報で十分である。

【００２３】また後述するように、複合体の内部に欠陥
が生じないように樹脂の加熱硬化処理を適正に行なうと
いう目的からは、複合体の表面の温度を制御することが
とくに重要であり、これが所定の温度パターンで変化す
るように加熱電力を制御することにより適正な加熱硬化
処理を行なうことができる。

【００２４】さらに本発明の方法は、大がかりな設備を
必要とせず作業も簡便であって、特に既設の建造物を補
強する工事現場での作業に適するという利点を有してい
ることも重要である。

【００２５】本発明において、複合体の外側表面の温度
を測定する手段として放射温度計を用いる理由は、非接
触で連続測定ができ、かつ応答速度が早いことによる。
また、本発明に用いる電源装置は、複合体に通電する電
流又は／及び電圧を制御できるものであれば交流、直流
のいずれでもよく、汎用の電源装置を用いればよい。

【００２６】請求項２の本発明は、放射温度計で複合体
の外側表面の温度を測定して加熱電力を制御する上記の
方法において、熱硬化性樹脂をその硬化温度まで加熱す
る過程において、前記複合体の外側表面の温度を、前記
樹脂の硬化温度域の下限より０〜３０℃低い範囲に３分
以上保定する温度保定期を設けることを特徴とする。

【００２７】このように温度保定期を設けるのは下記の
理由による。 熱硬化性樹脂又はその添加剤中には低沸点成分が含ま
れ、加熱中にこれが気化して気泡が生じる。この気泡が
樹脂層内部に残存すると複合体の強度が低下するから、
樹脂層の表面が固化しないなるべく高い温度に所定時間
保定して気泡を除去することが望ましい。

【００２８】炭素繊維の束の強度を高めるためには、
炭素繊維フィラメントの間隙に樹脂を滲透させることが
望ましい。また複合体と被補強部材の接着強度を高める
ためには、部材の表面に存在するミクロな凹部に樹脂を
滲透させることが望ましい。そのためには、樹脂が硬化
を始める前になるべく粘度の低い状態に維持し、樹脂を
なじませることが必要である。

【００２９】本発明者の知見によれば、上記の温度保定
期を設けることにより、上述のような気泡の残存を防止
しかつ樹脂を十分浸透させるという目的を達することが
できる。

【００３０】温度保定期の複合体の外側表面の温度範囲
を、樹脂の硬化温度域の下限より０〜３０℃低い範囲と
するのは、これを超えると重合反応により樹脂の表層が
固化し又は粘性が大きくなって好ましくないからであ
り、これより低いと樹脂の粘性が上記の目的に十分な程
度に低くならないからである。

【００３１】例えば、エポキシ樹脂の硬化温度域の下限
は、硬化剤の種類や量によっても若干相違するが、おお
よそ１２０℃程度である。したがって、複合体の外側表
面の温度を９０〜１２０℃の範囲で保定すればよい。な
お、保定中の温度は上記の範囲内であれば、多少の変動
があってもよい。

【００３２】また保定時間をは３分以上とするのは、こ
れ未満では上記及びの効果が十分に得られれないた
めであるが、適正な保定時間は、複合体の大きさや形状
その他の条件によって相違する。したがって、本発明は
とくに保定時間の上限を限定するものではない。

【００３３】熱硬化性樹脂の加熱硬化処理時に、樹脂層
の内部の欠陥を少くするためには、徐熱を必要とすると
いうのが通念であるが、上記のように温度保定期を設け
る本発明の方法によれば、加熱期全体で徐熱するよりも
加熱時間を短縮できる。

【００３４】すなわち、上記の保定温度迄は速やかに加
熱しても、樹脂層には欠陥は生じにくい。また、保定温
度から硬化温度までも比較的速やかに加熱することが可
能である。したがって、一様に徐熱するよりも全体とし
て加熱時間を短縮することができ、これが本発明の効果
の一つである。

【００３５】

【実施例】直径約６５ｃｍの既設の鉄筋コンクリートの
柱に、未硬化の熱硬化性樹脂を含浸させた炭素繊維の束
からなるシート状の複合体を巻き付け、通電加熱法によ
り樹脂の加熱硬化処理を行なって柱を補強するに際し
て、本発明を実施した。

【００３６】図１に示すように、鉄筋コンクリートの柱
１の高さ約１．２ｍの範囲にわたって、シート状の複合
体２を４段、略水平に巻き付け、それぞれの複合体の両
端部に銅板製の電極３を取付けて通電加熱した。電極３
の取付けは、複合体２の両端部に樹脂を含浸させない部
分を設け、この部分を銅の平帯板（厚み４ｍｍ、幅２０
ｍｍ）２枚で挾んで、大型のクリップで締め付けること
によって行なった。

【００３７】通電加熱に際しては、複合体２の外表面温
度(シートの幅方向中央部付近)を放射温度計４で測定
し、記録計５に記録して、これが所定の温度パターンに
なるように、交流電源装置６の電流値を制御した。放射
温度計は市販のＴＡＳＣＯ社製ＴＨＩ−３０１を用い
た。

【００３８】用いた炭素繊維の束は、図２に示すよう
に、炭素繊維フィラメントを多数本並べて、平型のユニ
ットの繊維束７（幅５ｍｍ、厚み約０．２ｍｍ）とし、
これをガラス繊維の横糸８でシート状に編み上げたもの
で、１枚のシートの幅は約２５０ｍｍ、長さは約２．１
ｍであった。

【００３９】この炭素繊維シートに市販のエポキシ樹脂
（ビスフェノールＡ型樹脂）を含浸させた。樹脂の含浸
は、所定の温度に保持した樹脂槽内に炭素繊維シートを
所定時間浸漬して行った。複合体２における炭素繊維の
体積比率は４０〜６０％であった。複合体２を巻き付け
る前の鉄筋コンクリートの柱１の表面の下地処理として
は、エポキシ系プライマーを塗布し、ローラーで表面を
平滑にする方法によった。

【００４０】通電加熱による樹脂の加熱硬化処理は、各
段共１層目の加熱硬化を行った後、その上に２層目の複
合体を巻き付けて加熱硬化させるというように順次施工
し、合計３層の複合体が一体に接着したＣＦＲＰ層を得
た。複合体１層の厚みは約０．３５ｍｍ、ＣＦＲＰ層全
体の厚みは約１ｍｍであった。また各層の継目の部分が
重ならないように、電極取り付け位置を変えて加熱硬化
処理を行った。

【００４１】上記のように、鉄筋コンクリート柱外周に
ＣＦＲＰ層を形成するに際して、上部２段は実施例とし
て、放射温度計により複合体の外側表面の温度を測定し
つつ、これが所定の温度パターンで変化するように加熱
電力を調節した。

【００４２】実施例では、加熱時の複合体の外側表面の
温度を、保定期迄は２０〜３０℃／分で昇温し、その後
９０〜１００℃に５分間保定し、次いで約２０℃／分で
樹脂の硬化温度１２０℃迄昇温するパターンになるよう
加熱電力を調節した。

【００４３】これに対して、下部２段は比較例として、
放射温度計による外表面温度の測定を行わず、加熱期の
投入電力を一定とし、硬化温度に保定する時期は加熱期
の１／２程度の一定の電力を投入して、樹脂の加熱硬化
処理を行なった。

【００４４】このようにして形成されたＣＦＲＰ層の実
施例及び比較例の部分について、ＣＦＲＰ層の外観性状
を目視判定した。また、ＣＦＲＰ層の一部を切断して各
１０ケのサンプルを取出し、これらのサンプルについ
て、ＣＦＲＰ層の繊維に直角な断面を顕微鏡観察すると
共に、繊維に平行な方向の引張り試験を行なって強度を
比較した。

【００４５】その結果、ＣＦＲＰ層の外観性状は、実施
例の部分は全て健全であったのに対して、比較例の部分
は一部にひび割れが認められた。その断面の顕微鏡観察
においては、実施例の部分は全て内部欠陥のない健全な
樹脂層が形成されていたのに対して、比較例の部分には
一部樹脂層のひび割れや内部気泡が認められた。

【００４６】また、ＣＦＲＰ層の引張り試験の結果、実
施例の部分は引張り強度が１００〜１５０ｋｇｆ／ｍｍ
²でバラツキが少なかったのに対して、比較例の部分
は、引張り強度が５０〜１５０ｋｇｆ／ｍｍ²とバラツ
キが大きかった。

【００４７】

【発明の効果】本発明により、熱硬化性樹脂を含浸させ
た炭素繊維の束からなる未硬化の複合体を建造物部材に
固定し、通電加熱法により樹脂の加熱硬化処理を行なう
に際して、該複合体の温度を適正に制御するための、簡
便かつ実用的な方法を提供することが可能になった。

【００４８】またこれにより、内部欠陥の少ない健全な
ＣＦＲＰ層を形成させることが可能になった。本発明の
方法は、大がかりな設備を必要とせず作業も簡便であっ
て、特に既設の建造物を補強する工事現場での施工に適
するいう利点を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例の炭素繊維強化樹脂による建造物部材
の補強方法の説明図。

【図２】本実施例に用いた炭素繊維シートの一部を示す
斜視図。

【符号の説明】

１ 鉄筋コンクリートの柱 ２ 複合体 ３ 電極 ４ 放射温度計 ５ 記録計 ６ 交流電源装置 ７ ユニットの繊維束 ８ 横糸

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱硬化性樹脂を含浸させた炭素繊維束か
   らなる可撓性の複合体を被補強部に固定し、該複合体に
   通電して炭素繊維を発熱させ前記樹脂を加熱硬化させる
   建造物部材の補強方法において、放射温度計と加熱電力
   を制御しうる電源装置を配し、前記複合体の外側表面の
   温度を放射温度計で測定して、この温度が所定の温度パ
   ターンで変化するように前記複合体の加熱電力を制御し
   つつ前記樹脂の加熱硬化処理を行なうことを特徴とする
   炭素繊維強化樹脂による建造物部材の補強方法。
2. 【請求項２】 熱硬化性樹脂をその硬化温度まで加熱す
   る過程において、前記複合体の外側表面の温度を前記樹
   脂の硬化温度域の下限より０〜３０℃低い範囲に３分以
   上保定することを特徴とする請求項１記載の炭素繊維強
   化樹脂による建造物部材の補強方法。