WO1999042643A1 - Matiere a base de fibres de carbone de renforcement, lamine et procede de detection - Google Patents

Description

明細書 補強用炭素繊維基材、 積層体および検出方法 技術分野

本発明は、 構造物として、 あるいは構造物と一体に用いられる F R P (繊維強 化プラスチック） を得るための補強用炭素繊維基材およびその積層体と、 それを 用いて構造物に発生する歪みや劣化の状態を検出する方法および積層体の積層数 を検出する方法に関する。 背景技術

近年、 F R Pの用途は拡大しており、 航空宇宙やスポーツの分野だけでなく、 土木 ·建築の分野など大型構造物へも広く適用され始めている。

特に、 コンクリート構造物の補修または補強への F R Pの使用は、 車輛の重量 規制緩和や、 大地震の発生、 および、 施工の容易さなどから着目され拡大してい る。 コンクリート構造物には、 床版や橋脚、 トンネル、 そして建物などがあるが、 コンクリ一卜の中性化や塩害による内部鉄筋での鐯発生、 アル力リ骨材反応など による劣化が発生し、 社会的問題となっている。 また、 通行車輛による振動や地 震、 あるいはトンネル内においては土砂の圧力が加わると、 コンクリートに発生 したひび割れを拡大して劣化の進行を早めてしまう。 さらに、 土木 ·建築分野の 構造物は大型のものが多いため、 破壊が予知できず、 突発的な破壊による大きな 事故に繋がる可能性がある。 ' 以上のことから、 構造物の疲労や劣化の進行状態を観察し、 構造物の破壊を事 前に予知する技術が求められている。 しかし、 現状では、 直接目視などの非破壊 検査が主であり、 疲労や劣化の状況を正確に把握することは容易ではない。

従来から、 歪みを検出する材料として、 歪ゲージが知られている。 歪ゲージは, その面積内の歪みを検出するもので、 しかも長さが 3 O mm以下と短いため、 局 所的な歪みしか検出できない。 従って、 大型構造物の歪みを広く検出するには、 数多くの歪ゲージを貼り付ける必要がある。 一方、 特開昭 6 0 - 1 1 4 7 4 1号公報に、 F R P部材内にカーボン長繊維糸 条を配設し、 この糸条を構成するカーボン長繊維単糸の破断割合を同糸条の抵抗 変化から測定し、 部材の剛性低下や疲労破壊を事前に検出する方法が記載されて いる。 この方法によれば、 確かに、 大型構造物で広い面積の歪みを検出すること が可能である。

しかし、 前記糸条を構成する多くのカーボン長繊維単糸は、 糸条内において搽 々な配列状態で存在し、 また、 その配列状態は糸条毎に異なる。 そのため、 同じ 荷重下での単糸の破断割合は、 糸条によってまちまちで、 前記糸条の電気抵抗変 化の再現性が悪くなつてしまう。 さらに、 抵抗測定に必要となる前記糸条両端の 端子は、 全ての単糸に接触する必要があるが、 糸条内の直径数ミクロンの数千〜 数万の単糸全てに接触させることは難しい。

さらに、 特開平 2— 3 8 9 4 5号公報に、 ガラス繊維強化複合材料からなる構 造物の内部に、 金属単線を配設し、 この電気抵抗の変動を測定する疲労破壊検査 方法が記載されている。

しかし、 大型構造物、 特に、 コンクリート構造物の補修'補強に使用する F R P 内に金属線を配設する場合、 使用対象となる構造物の表面が平面とは限らず、 曲 面や凹凸面であることが多い。 そのため、 F R Pの成形は、 構造物の表面に補強 用繊維基材を沿わせながら貼り付け、 同時に樹脂含浸することになる。 従って、 金属線の配設は、 含浸直後の樹脂未硬化時に、 補強用繊維基材の上に手作業等で 行う煩雑なものとなる。 このような配設方法では、 金属線が補強繊維と並行に配 設されず、 蛇行することが多くなるため、 補強繊維方向への荷重や歪みで設計さ れた F R Pの歪みが、 金属線から正確に検出されなくなってしまう。

ところで、 炭素繊維強化プラスチックの分野では、 シート状炭素繊維基材 （た とえば一方向に炭素繊維が並行に配列し、 Bステージ状態のエポキシ樹脂が含浸 したプリプレダ） を所望の方向に繊維が配向するように多数枚積層し、 オートク レーブ成形で樹脂を硬化し、 航空機の桁などの構造材が製造されている。 しかし ながら、 これらの積層体は、 シート状炭素繊維基材の積層の方向や積層枚数の設 定が人為的な作業によって行われるので、 間違えて製造される可能性もある。 こ のようなことから航空機の 1次構造体となる桁などは、 桁の端からサンプルを切 り出し、 樹脂を燃やして、 焼け残った炭素繊維の積層の方向や積層枚数を確認す ることも行われている。

さらに、 コンクリート構造物の補修または補強を、 シート状炭素繊維基材を構 造物に貼り、 常温硬化型のエポキシ樹脂を含浸、 硬化させて行った場合のシート 状基材積層体の積層数確認は、 たとえば 1層積層作業が完了するごとに写真撮影 する方法で行われているが、 非常に厄介である。 発明の開示

本発明の目的は、 従来の技術における上述した問題点を解決し、 大型構造物や これと一体の様々な形状の F R Pに成形可能で、 しかも、 構造物に発生する歪み を正確に検出し、 構造物の疲労や劣化を予知できる補強用炭素繊維基材を得るこ とにある。

また本発明の別の目的は、 従来の技術における上述した問題点を解決し、 シー 卜状炭素繊維基材からなる積層体の積層数を非破壊で簡便に検出することが可能 な積層体およびその検出方法を提供することにある。

本発明の目的は、 以下の構成によって達成される。

炭素繊維と金属線とが、 一体となってシート状炭素繊維基材を形成し、 かつ、 前記炭素繊維に対する金属線の体積割合が 4 %以下であることを特徴とする補強 用炭素繊維基材。

上記において、 該金属線が、 周囲を絶縁性被覆材で被覆された金属線である補 強用炭素繊維基材が好ましい。

上記において、 該金属線が、 該炭素繊維の配向方向と同一方向に配列している 補強用炭素繊維基材が好ましい。

上記において、 該金属線が、 該炭素繊維の配向方向に対して、 角度を有して配 列している補強用炭素繊維基材が好ましい。

上記において、 前記絶縁性被覆材が、 繊維状物である補強用炭素繊維基材が好 ましい。

上記において、 前記絶縁性被覆材による金属線の被覆割合が、 9 0 %以上であ る補強用炭素繊維基材が好ましい。 上記において、 前記シート状炭素繊維基材が織物である補強用炭素繊維基材が 好ましい。

上記において、 前記シ一卜状炭素繊維基材が、 1方向に並行に配列した炭素繊 維を接着剤により支持体に接着固定されてなるトウシートである補強用炭素繊維 基材が好ましい。

上記において、 前記シート状炭素繊維基材が、 炭素繊維を Bステージ状態の熱 硬化性樹脂で一体化してなるプリプレダである補強用炭素繊維基材が好ましい。 上記において、 前記シート状炭素繊維基材が、 炭素繊維をたて糸とする一方向 織物に、 金属線が横方向に織り込まれた織物である補強用炭素繊維基材が好まし い。

上記において、 前記シート状炭素繊維基材が、 金属線がほぼ等間隔挿入された ものである補強用炭素繊維基材が好ましい。

上記において、 前記シート状炭素繊維基材が紙管に捲回され、 前記金属線の太 さが、 基材厚み以下である補強用炭素繊維基材が好ましい。

上記において、 前記金属線が、 ニクロム線である補強用炭素繊維基材が好まし い。

上記において、 前記金属線が、 鉄線またはその合金からなる線であることを特 徴とする補強用炭素繊維基材が好ましい。

炭素繊維と、 金属線とが、 一体となってシート状炭素繊維基材を形成し、 かつ、 前記炭素繊維に対する金属線の体積割合が 4 %以下であるシー卜状炭素繊維基材 が、 金属線の挿入位置が互いに異なるように積層されていることを特徴とする積 層体。

上記において、 前記金属線が前記シート状炭素繊維基材の幅方向に配列してい る積層体が好ましい。

上記において、 シ一卜状炭素繊維基材にマトリックス樹脂が含浸されてなる繊 維強化プラスチックである積層体が好ましい。

上記において、 前記シート状炭素繊維基材が、 炭素繊維をたて糸とする一方向 織物に、 金属線が横方向に織り込まれた織物である積層体が好ましい。

上記において、 前記シート状炭素繊維基材が、 金属線がほぼ等間隔に挿入され たものである積層体が好ましい。

上記において、 前記金属線が強磁性体である積層体が好ましい。

上記において、 前記金属線が鉄線またはその合金からなる線である積層体が好 ましい。

上記において、 前記金属線が、 ニクロム線である積層体が好ましい。

上記において、 前記金属線が、 周囲を絶縁性被覆材で被覆された金属線である 積層体が好ましい。

上記において、 前記積層体の金属線の存在を検出手段で非破壊で感知し、 シー 卜状炭素繊維基材の積層数を検出することを特徴とする積層体の積層数検出方法。 上記において、 前記検出手段が金属探知法である積層体の積層数検出方法が好 ましい。

上記において、 コンクリート構造物の表面を前記積層体で補強し、 その積層数 を検出する積層体の積層数検出方法が好ましい。

上記において、 前記検出手段が赤外線カメラであり、 前記金属線を電磁誘導に よって発熱させ、 該発熱部分を赤外線カメラで検出する積層体の積層数検出方法 が好ましい。

上記において、 前記検出手段が赤外線カメラであり、 前記金属線に通電して該 金属線を発熱させ、 該発熱部分を赤外線カメラで検出する積層体の積層数検出方 法が好ましい。

上記において、 補強用炭素繊維基材を、 構造物あるいは構造物と一体となった

F R Pとした後、 前記金属線の抵抗変化から、 前記構造物に発生する歪みを検出 することを特徴とする構造物の歪み検出方法。 図面の簡単な説明

第 1図は、 本発明の一実施態様に係わる一方向性炭素繊維織物を示す図である ₍ 第 2図は、 本発明の一実施態様に係わるノンクリンプ一方向性炭素繊維織物を 示す図である。

第 3図は、 本発明の一実施態様に係わる、 たて方向補助糸に金属線を使用した ノンクリンプ一方向性炭素繊維織物の実施態様を示す図である。 第 4図は、 本発明の一実施態様に係わる二方向性炭素繊維織物を示す図である。 第 5図は、 本発明の一実施態様に係わる金属線が補強繊維に対して角度を有し て配列された炭素繊維織物を示す図である。

第 6図は、 ニクロム線の電気抵抗変化を測定する試験片の斜視図である。

第 7図は、 疲労前の電気抵抗と歪みの関係を示す図である。

第 8図は、 疲労後の電気抵抗と歪みの関係を示す図である。

第 9図は、 本発明の一実施態様に係わる、 積層体における金属線配列状態と積 層数検出の様子を説明する図である。

第 1 0図は、 本発明の一実施態様に係わる、 基材のよこ方向に配列している金 属線が基材の長さ方向に対して間隔 Bで 2本ずつ挿入されている状態を説明する 図である。

第 1 1図は、 本発明の一実施態様に係わる、 金属線の感知の原理を説明する図 で、 磁界が平衡状態にあることを説明する図である。

第 1 2図は、 本発明の一実施態様に係わる、 金属線の感知の原理を説明する図 で、 磁界の中に金属線が入り、 磁界が不平衡状態にあることを説明する図である。 発明を実施するための最良の形態

以後補強用シート状炭素繊維基材を基材と呼称する。

本発明で使用する金属線は、 断面積が 0 . 0 0 2〜0 . 2 mm ²の範囲にある白 金、 タングステン、 モリブデン、 銀、 アルミニウム、 ニッケル、 マグネシウム、 銅、 鋼、 鉄、 および、 これらの合金、 N i— C r合金 （ニクロム合金とも呼ばれ る） 、 N i— C r— F e合金、 F e— C r— A 1合金、 F e— C r _ A l— C o 合金などからなる、 丸線状、 帯状、 扁平状の線状物であり、 これら線状物を単線 として使用しても、 撚りあわせるなどして複数線として使用しても差し支えない。 この中でも、 防鐯など耐食性に優れ、 また、 歪みに対する抵抗変化が大きく、 変 化を確認しやすいニクロム線 （ニクロム合金の 1つ） がより好ましい。

また、 磁界や電磁誘導を用いる検知方法を利用する場合には、 鉄、 コバルト、 ニッケル、 テルビウム、 ガドリニウム、 ホルミウム、 エルビウム、 および、 これ らの合金、 並びに酸化クロム IV ( C r 0 . ) などの強磁性体からなる線材がよく、 なかでも鉄またはその合金からなる金属線が安価であり好ましい。

なお、 被覆された場合の金属線の太さは、 特に、 断面形状が帯状や扁平状の場 合は、 最も細い部分の値とする。

また、 本発明における金属線は、 歪み等の検出を目的とするものなので、 炭素 繊維に占める体積割合は 4 %以下であることが好ましい。 周囲を絶縁性被覆材で 被覆された金属線の場合においては、 周囲の絶縁性被覆材を除いた金属線のみの 体積が炭素繊維に対して占める体積割合が 4 %以下であることが好ましい。

金属線の破断伸度は、 炭素繊維よりも大きいが、 炭素繊維が破断すると、 同時 に金属線も破断してしまう。 従って、 金属線の量を増やしても、 補強効果への関 与は小さい。 しかも、 金属線の密度は、 炭素繊維よりも高いので、 金属線を基材 内に多く配設すると、 基材重量が増え、 特に、 コンクリート構造物の下面や側面 に貼り付けて補強する用途に使用する場合には、 基材の落下やずれ落ちを生じて しまうので好ましくない。

さらに、 F R Pが、 もともと含んでいた水分に加え、 周囲の水分を吸収するこ とにより、 F R P中の金属線周囲が湿気を帯びて来ると、 金属線が腐食し始める ことが懸念される。 また、 炭素繊維が導電性を有しているので、 土壌中の金属線 が電食するように、 F R P中の金属線が腐食することが懸念され、 好ましくなレ^ 以上から、 金属線の割合は 4 %以下と少ない方がよく、 さらに好ましくは 2 % 以下であるのがよい。

本発明の、 金属線として、 絶縁性被覆材で被覆された金属線を配設した基材を 用いると、 これを F R Pとした後、 前記金属線の電気抵抗を測定して F R Pに発 生する歪み検出を行う際に要求される、 以下の 2つの条件を満たすことができる。 すなわち、 金属線周囲の絶縁性被覆材により炭素繊維と金属線間を絶縁し、 かつ、 F R Pと金属線との間に滑りが発生しないようにすることができる。

絶縁性被覆材としては、 樹脂透過性のある絶縁性被覆材 （以後透過性被覆材と 呼称） を使用するのがよい。 これにより、 F R Pを成形する際に含浸する樹脂

(以後マトリックス樹脂と呼称する） が、 被覆材内へ透過し、 金属線表面に達す るが、 マトリックス樹脂も絶縁物なので、 金属線の周囲を効果的に絶縁被覆でき る。 なお、 ここで言う樹脂透過性とは、 被覆材中を樹脂が通過する性質であり、 透化と含浸は同意である。

金属線の滑りは、 被覆材と F R P間、 および、 金属線と被覆材間の 2つの層間 で発生する可能性があるが、 透過性被覆材の表面には、 被覆材と透過したマトリ ックス樹脂とで形成される凹凸が存在するので、 被覆材と F R P間の滑りを抑え ることができる。 また、 透過性の被覆材では、 樹脂が含浸し金属線と接着するの で、 被覆材と金属線間の滑りを抑えることができる。

このような透過性被覆材としては、 連続発泡プラスチックまたは繊維状物から なる被覆材がよい。 特に、 繊維状物からなる被覆材を金属線に捲回して被覆する と、 毛細現象によって、 樹脂が含浸し、 金属線表面に達するのでさらによい。 連続発泡プラスチックからなる透過性の被覆材としては、 不飽和ポリエステル、 ビニルエステル、 フエノール、 エポキシなどの硬い熱硬化性の樹脂を用いると、 F R Pの変形に追随しやすくなり、 F R Pに発生する歪みを金属線に正確に伝え やすくなるので好ましい。

また、 繊維状物からなる透過性の被覆材としては、 不織布や織物のテープ状物、 あるいはフィラメント糸があり、 これらを、 芯材となる金属線の周囲にカバ一リ ング法や製紐法、 ラッビング法によって捲回することにより被覆することができ る。

本発明の繊維状物からなる被覆材を構成する繊維としては、 ポリエステル、 ナ ィロン、 ガラス、 ビニロン、 ポリプロピレン、 ポリアラミドなどの繊維が挙げら れる。 絶縁性であればよく、 特に限定はしないが、 マトリックス樹脂との接着性 を考えて選択するのがよい。 マトリックス樹脂がエポキシ系の場合は、 ナイロン 繊維が好ましい。

本発明の繊維状物からなる被覆材は、 捲回の回数やピッチ、 糸の太さを変えて 被覆するのがよいが、 捲回が一方向だけだと、 被覆後、 金属線の巻き癖による蛇 行がひどくなつて修正しにくくなり、 基材への配設に支障を来してしまう。 従つ て、 捲回は S Zの両方向に行うのがよい。

また、 フィラメント糸が細すぎると、 被覆率確保に必要な捲回の回数が増加す る。 従って、 上記被覆材を構成する繊維の太さは、 2 0〜 5 0 0デニール程度が よい。 さらに、 これらの繊維は、 マルチフィラメントの方が、 捲回時に繊維がば らけて金属線表面に広がり、 被覆効率がよくなるので好ましい。 また、 捲回は、

2重以上重ねてもよい。

なお、 被覆を絶縁性材料のコーティングで行うと、 透過性被覆材のような表面 凹凸が少ないため、 FRPと被覆材間の滑りが懸念される。

また、 金属線を被覆せずに使用すると、 基材に金属線を配設する工程や、 配設 後の基材にローラなどで樹脂含浸する際、 金属線に損傷を与えてしまい、 FRP 化後の抵抗変化の異常や、 金属線の切断につながってしまうことが懸念される。 そこで、 被覆をしておけば、 これが保護層の役目を果たすので、 金属線の検出性 能を維持することができる。 以上の点からも、 金属線に被覆して基材中に配設す ることが好ましい。

上記被覆方法における金属線の被覆割合は、 1 00 %であることが好ましいが、 90 %以上であれば、 絶縁の目的を達成できるのでよい。

すなわち、 絶縁性の樹脂が含浸することにより炭素繊維と金属線が接触する可 能性は低下するので、 被覆割合が 90 %以上あれば、 樹脂含浸後、 金属線に接触 する炭素繊維はほとんどなくなる。 しかし、 90 %未満では、 樹脂含浸後も金属 線に接触する炭素繊維が残り、 金属線の抵抗へ影響することが懸念される。

なお、 金属線の被覆割合は、 以下の方法で測定した。

まず、 樹脂含浸前の表面の顕微鏡写真を撮り、 この全表面積 S l、 および、 金 属線が見える表面積 S 2を計測し、 以下の式より被覆率を算出した。 計測は、 被 覆した金属線の異なる 10ケ所の、 配向方向の長さ （1 5mm) と太さ方向の長 さ （全幅） で表される長方形の領域について行い、 その最低値を被覆率とした。

被覆率 = (S 1 - S 2) /S 1 X 100 (%)

ただし、 コーティングによる被覆の場合、 以下の超音波検査法を利用して被覆 率を測定してもよい。 すなわち、 パルス波を用いた反射法により、 金属線の長さ 方向について、 金属線の全長 L l、 および、 金属線表面反射だけが観察される長 さ L 2を計測し、 以下の式より被覆率を算出した。 計測は、 被覆した金属線の異 なる 5ケ所の、 長さ 50 mmの部分について行い、 その最低値を被覆率とした。

被覆率 = (L 1 - L 2) /L 1 X 1 00 (%)

以上において、 同じ部分に被覆材が重なっても被覆割合は同じとした。 従って、 被覆割合は 0 %以上、 1 0 0 %以下と定義される。

あるいは、 上記被覆方法において、 金属線の絶縁の目的を達成するには、 前記 被覆材により金属線が被覆されていない部分で、 直径 1 O i m以上の球が通り抜 けられる箇所の個数が、 金属線の長さ方向 1 0 c mの間に 5個以下であればよい。 被覆されていない部分が、 そこを通り抜けられる球の直径が 1 0 /i m以下とな る条件を満たすと、 炭素繊維の単糸径が上記値と同等なので、 炭素繊維が被覆さ れていない部分に進入しにくく、 炭素繊維と金属線間の絶縁性を確保できる。 特に、 被覆されていない部分が細長い形状の場合、 この配向方向と炭素繊維と が並行に配列すると、 炭素繊維が進入しやすくなる。 しかし、 この部分を通り抜 けられる球が、 上記の条件を満たせば、 炭素繊維の進入を防げるので、 絶縁性を 確保できる。

また、 前記カバーリング法などの捲回による被覆方法に従えば、 規則的な被覆 がなされるので、 被覆率は金属線表面全体が平均的に増加し、 部分的な被覆率の 差は余り大きくない。 そのため、 被覆されていない部分のうち、 1 0 m以上の 直径の球が通り抜けられる箇所の個数が、 金属線の長さ方向 1 0 c m中に 5個以 下であれば、 部分的に小さな被覆むらがあっても、 絶縁性を確保できていると判 断することができる。

なお、 かかる箇所の測定方法としては、 以下の方法を採用した。

すなわち、 上記被覆率算出と同様の方法で撮った被覆した金属線表面の顕微鏡 写真において、 被覆されていない部分に内接する円を複数描き、 それらの円の直 径を測定し、 最大値を通り抜ける球の直径とした。 この際、 測定する場所は任意 に選んでよいが、 測定位置によるばらつきを抑えるため、 測定は選んだ位置から 連続する長さ方向 1 0 c mの間について行い、 この部分において円の直径が 1 0 を越える回数を記録した。 上記記録を任意の 5つの部分それぞれについて行 レ 最大値を球が通り抜けられる箇所の個数とした。

本発明において、 炭素繊維と金属線とがー体となってというのは、 炭素繊維と 金属線とがずれたり、 分離したりしないような状態になっていることを指し、 炭 素繊維と金属線が適当な織り編み物を形成していてもよいし、 両者が樹脂や接着 剤で接着 ·固定されていてもよく、 特に限定されるものではない。 本発明の基材は、 炭素繊維と金属線が一体となっているので、 F R Pとした時 に歪み検出を正確にできるが、 さらに、 構造物に合わせて様々な形状の F R Pに 成形できるものが好ましい。 このような基材として、 1方向に並行に配列した炭 素繊維糸条が接着剤により支持体に接着固定されたトウシート、 炭素繊維糸条が Bステージ状態の熱硬化性樹脂で一体化してなるプリプレダ、 あるいは、 織物が よい。

また、 F R Pにおける歪みは、 埋め込んだ金属線により検出することから、 金 属線は必ずしも炭素繊維の配向方向に対して同一方向に配列することに限定され るものではなく、 炭素繊維の配向方向に対して角度を有して配列させても良いし、 同一方向と角度を有した方向の両方向に配列させても良い。 このようにすること で金属線が配列している方向の歪み検出が可能となる。

ここで、 配向方向に対して同一方向に配列するとは、 炭素繊維の配向に対する 金属線の配列角度が ± 1 5 ° 未満のことを言い、 配向方向に対して角度を有して 配列するとは、 炭素繊維の配向に対する金属線の配列角度が ± 1 5 ° 以上のこと を言う。 配向方向は、 必要な検出方向によって決めればよいものである。

なかでも、 金属線を炭素繊維の配向方向に対してほぼ直交する方向に配向させ ることにより、 炭素繊維の配向に対する直交方向の歪みの検出が可能となるので 好ましいものである。

このような基材はシ一ト状なので、 構造物に合わせて様々な形状の F R Pに成 形できる。

また、 前記トウシートやプリプレダは、 炭素繊維がそれぞれ接着剤、 未硬化の マトリックス樹脂により固定されているので、 これを利用して金属線を炭素繊維 と並行に配設することができる。

なお、 前記トウシートにおいて、 支持体と接着剤は、 炭素繊維糸条の固定を目 的とするものである。 従って、 支持体は、 適度な剛性を有し、 金属線を固定しや すいガラスメッシュやガラス不織布などがよい。 また、 接着剤は、 硬化していて も、 未硬化であってもよい。 マトリックス樹脂との相溶性を考えると、 マトリツ クス榭脂がエポキシ樹脂の場合は、 エポキシ系樹脂の接着剤がよい。

一方、 織物は、 たて糸とよこ糸の交錯により互いの位置や形状を固定している ( 従って、 金属線を、 これらの糸と交錯させることで、 基材内に配設できる。 織物 は、 前記トウシートやプリプレダのように、 金属線を接着でなく、 交錯によって 固定するので、 剥がれの懸念がない。 従って、 基材としては織物がより好ましい。 本発明の基材において、 金属線は、 基材内に 2ケ所以上並行に配列しているこ とが好ましい。 本発明の基材は長尺状なので、 金属線両端に端子を設けると、 端 子間距離が長くなつて、 抵抗測定が困難になるが、 金属線を 2ケ所以上配列させ て基材の一端で金属線を接続させ、 他端に二つの端子を設置して抵抗測定を行え ば、 測定を簡便にできる。

なお、 2ケ所の金属線の配列形態は、 異なる 2本が並行に配列していてもよい し、 1本が、 基材の端部や中途において Uターンしていてもよい。

ここで、 2つの端子を一端に設置する場合においては、 端子を取り出す 1組 ( 2本、 Uターンさせる場合は 1本） の金属線の間隔はできるだけ距離が小さい 方が作業上好ましい。 従って、 好ましい間隔は 5 c m以下である。 ただし、 同一 基材内の金属線同士や、 隣接する基材の接続が可能なので、 この範囲に限定され ることはない。 、

また、 この端子を取り出す 1組の金属線の間隔は小さいし、 かつ、 適度な間隔 でこの 1組を配置させることで基材内のより多くの箇所で F R Pの発生歪みの検 出が可能となるため好ましい。 また、 複数の基材を積層する場合においては、 基 材の金属線が配列する箇所を任意の間隔でずらすようにしても同様の効果を得る ことができる。

本発明の基材の厚みは、 厚み測定器を使用して測定した。 方法は、 J I S R

7 6 0 2 「炭素繊維織物試験法」 に準拠した。 すなわち、 基材の異なる 5ケ所 に厚さ測定器を用いて、 加圧下の厚さが落ち着くまで約 1 0秒間、 2 3 . 5 K P aの荷重を加えた後に厚さを測り、 その平均値で示した。 また、 被覆した金属線 の太さも同じ方法で測定した。

なお、 ここでの基材厚みは、 金属線が配設されていない部分の値とした。 また、 後述する実施例では、 厚み測定器として、 （株） 東洋精機製作所の N o . 1 3 2 型デジタル測厚器 B— 2を使用した。

さらに、 本発明の基材は、 大型構造物へ適用できるので、 紙管に捲回できる長 尺状のものがよい。 従って、 金属線が配設されても、 基材が紙管に捲回できるこ とが好ましい。

つまり、 基材が紙管に捲回され、 この基材中の金属線の太さ、 被覆されている 場合は被覆材を含む金属線の太さが前記基材の厚み以下であれば、 紙管からほど いた際に基材表面は平滑である。 しかし、 被覆された金属線の太さが基材厚みよ りも大きいと、 被覆した金属線に巻取り圧が集中した状態で基材が紙管に巻かれ るので、 基材を紙管からほどいた際、 炭素繊維糸条の糸長差により基材表面が波 状の凹凸を発生し、 好ましくない。

本発明の炭素繊維を使用した具体的な織物の実施態様を図面を参照して説明す る。

第 1図は、 マルチフィラメントの炭素繊維の単糸 1からなる炭素繊維糸条 2力 たて方向に並行に配列し、 よこ方向の補助糸 （よこ糸補助糸） 3が炭素繊維糸条 に交錯している、 いわゆる一方向性織物において、 隣り合う炭素繊維糸条間に、 被覆した金属線 4を炭素繊維糸条 2と並行に配設したものである。

また、 第 2 、 3図は、 たて方向にも補助糸 （たて糸補助糸） 5が配列して、 よ こ方向の補助糸と交錯し、 かつ、 たて方向炭素繊維糸条が実質的に屈曲 （クリン プ） を有しない、 いわゆる一方向性のノンクリンプ織物において、 第 1図同様、 隣り合う炭素繊維糸条 2間に被覆した金属線 4を炭素繊維糸条 2と並行に配設し たものである。 特に、 第 3図は、 たて糸補助糸 5の代わりに被覆した金属線 4を 配列したものである。

第 4図のように、 よこ糸の炭素繊維糸条 6と、 たて糸の炭素繊維糸条 2とを交 錯させた二方向性織物でも、 被覆した金属線 4をたて糸の炭素繊維糸条 2と一緒 に引揃えることにより、 基材内に配設することができる。 なお、 織り方として、 この他に平織、 朱子織、 綾織などが用いられる。

また、 たて方向およびよこ方向の炭素繊維糸条に対し、 1本交互にたて方向お よびよこ方向の補助糸が配列して、 補助糸により一体化した織り構造をなし、 た て方向およびよこ方向の炭素繊維糸条が実質的に屈曲 （クリンプ） を有しない、 いわゆる二方向性のノンクリンプ織物であっても良い。

第 5図に、 一方向性織物において、 金属線が炭素繊維の配向方向に対し、 角度 を有して配向しているケースの一例を示す。 ここで、 金属線 4は、 よこ糸補助糸 (ガラス繊維） 3の一部と一体となり、 よこ糸補助糸と並行に配列しているケー スであるが、 金属線の配列箇所は必ずしもよこ糸補助糸と一体となっている必要 はなく、 金属線単独であっても良い。

また、 金属線を織物内に配設する方法は、 織物の製織時に、 金属線をたて糸や たて糸補助糸あるいはよこ糸やよこ糸補助糸と同時に引き揃えてもよいし、 金属 線を単独で挿入してもよい。

上記第 1〜5図において、 金属線の被覆は、 52本のナイロンフィラメントが 束になった 70デニールのマルチフィラメントを、 S Z両方向にともに 1 200 回/ m捲回して行い、 被覆率を 1 00 %とした。

なお、 第 1、 2および 4図のように、 被覆した金属線を隣り合う炭素繊維糸条 間に、 糸条に密着させて配列すると、 金属線が糸条と糸条、 あるいは、 糸条と補 助糸によって位置固定されるので、 金属線を前記糸条と並行に配設しやすいので よい。 さらに、 たて糸とよこ糸を接着剤で固定する、 いわゆる目止めを行うと、 金属線と糸条を並行に、 さらに強固に固定できるのでよい。

なお、 目止めに使用する接着剤としては、 共重合ナイロン、 共重合ポリエステ ル、 ポリエチレンなどの低融点ポリマーが挙げられる。

コンクリート構造物の補修または補強用途では、 耐アルカリ性に優れる、 引張 強度が 3000〜5600MP aで引張弾性率が 220〜640 GP aの炭素繊 維を用いるのがよい。 なかでも引張強度が 4300〜 560 OMP a、 引張弾性 率が 340〜640 GP aの高強度、 高弾性率の炭素繊維を用いると、 必要な基 材枚数が少なくなつて省力化に繋がるので好ましい。

なお、 基材を構成する炭素繊維糸条は、 6000〜24000本のフィラメン ト糸からなるものが好ましく、 特に、 織物形態においては、 前記炭素繊維糸条が 複数本、 束になって引揃えられて糸条を構成していてもよい。

本発明に用いる基材の炭素繊維目付としては、 1 80〜 1 000 gZm²の範囲 が好ましい。 180 gZm²未満では、 樹脂含浸しやすい点では好ましいが、 補強 に必要な基材の枚数が増えるので、 含浸作業が多く面倒である。 また、 基材厚み が小さくなるので、 被覆した金属線の太さが基材厚みを越えやすく、 基材を紙管 に卷取ってほどいた時に、 波状凹凸を生じてしまうことが多くなる。 一方、 1 0 0 0 g Zm²を超える目付では、 必要な基材の枚数が少なくて効率的だが、 基材の 厚さ方向中央への樹脂含浸が困難になってしまう。

より好ましい炭素繊維の目付の範囲は 2 0 0〜 4 0 0 g Zm²である。 2 0 0 ~ 4 0 0 g Zm²であると、 樹脂含浸作業が少々粗雑であっても、 基材に付着した樹 脂が常温硬化するまでに毛細管現象により炭素繊維への含浸が進行するので、 所 定の機械的特性が得られる。

本発明において、 第 1 、 2、 3および 5図に示すような一方向性織物の場合、 織物のよこ糸補助糸は、 たて糸と同一方向に配列させた金属線と、 織り構造をな していることから、 剛性が高い繊維が好ましい。 剛性が高い繊維を用いることに より、 たて糸がよこ糸補助糸に押さえつけられる力が大きくなることで、 たて糸 とよこ糸補助糸がより密着し、 F R Pにした場合に F R Pの歪みが金属線から正 確に検出しやすくなる。

剛性の高い繊維としては、 ガラス繊維ゃァラミド繊維、 炭素繊維などが好まし く、 なかでも、 安価なガラス繊維がより好ましい。 特に、 1 0 0〜 6 0 0 0デニ ールのよこ糸補助糸を用いると、 金属線を固定しやすいのでよい。 ただし、 たて 方向とよこ方向の繊度比、 すなわち、 （たて方向の炭素繊維糸条の太さ） Z (よ こ糸補助糸の太さ） で表される値を 3〜 1 0 0とすることが好ましい。

繊度比が 3未満では、 よこ糸補助糸が太すぎるため、 たて方向炭素繊維糸条に クリンプを生じ、 炭素繊維の強度特性が十分に発揮されない。

一方、 前記比が 1 0 0を越えると、 よこ糸補助糸が細すぎて、 たて方向炭素繊 維や金属線を固定する効果が小さくなつてしまう。

なお、 たて糸補助糸を使用する場合も、 よこ糸補助糸の剛性と同等の方が、 織 物形態が安定するので、 ガラス繊維がより好ましく用いられる。

構造物が疲労等によって亀裂を発生し、 剛性低下を起こすと、 この構造物は同 じ応力に対して大きな歪みを示すようになる。 従って、 F R P中の金属線の抵抗 変化を測定すれば、 F R P構造物や、 F R Pと一体であるコンクリート構造物の 歪みや疲労の状態を検出することができる。

例えば、 コンクリート構造物を C F R P (炭素繊維強化プラスチック） と一体 にして補強する場合、 まず、 コンクリート表面を脱脂したり凹凸を修正した後、 コンクリートとの接着性をよくするため、 プライマ一を塗り、 乾燥するまで放置 する。 次に、 マトリックス樹脂である常温硬化型のエポキシ樹脂をコンクリート 面に塗布し、 この上に炭素繊維基材を貼り付け、 ローラやへらで樹脂を基材へよ く含浸させる。 この時、 金属線の両端部分にリード線を、 圧着端子などを用いて 接続しておくとよい。

さらに、 この上に樹脂を塗布し、 同様にローラやへらで樹脂含浸を行う。 この 作業を繰り返して基材を所定の枚数貼り付け、 樹脂を硬化させて C F R Pとする ことができる。

構造物の歪み状況の検出は、 前記リード線の両端をテスターに接続し、 電気抵 抗を測定してもよいが、 小さな抵抗変化を精度よく検出するため、 以下の方法で 測定するのがよい。

すなわち、 ブリッジ回路、 動歪み計を接続して、 金属線の抵抗変化を歪みとし て読み取る。 必要に応じて、 X Yレコーダ等に記録してもよい。 これにより、 長 時間、 歪みの状況を検出することができる。

ここで用いるマトリックス樹脂としては、 エポキシ、 ビニルエステル、 不飽和 ポリエステル、 フエノールなどの熱硬化性樹脂が使用されるが、 耐火性が必要な 場合にはフエノール樹脂、 コンクリート構造物に使用される場合には接着力ゃ耐 アルカリ性に優れたエポキシ樹脂が好ましい。

また、 本発明の積層体は、 金属線が挿入された基材が、 金属線の挿入位置が互 いに異なるように積層されてなることを特徴とする。 また、 本発明の積層体の積 層数検出方法は、 上記積層体の金属線の存在を検出手段で非破壊で感知し、 シー ト材の積層数を検出することを特徴とする方法からなる。

ここで用いることができる検出手段は、 以下のようなものが挙げられる。

A法；検出手段は金属探知法であり、 金属線が磁界内を通過すると磁界が乱れる ことにより感知する方法、

B法；検出手段は赤外線カメラであり、 金属線を電磁誘導によって発熱させ、 該 発熱部分を赤外線放射温度計で検出する方法、

C法；検出手段は赤外線カメラであり、 金属線に通電発熱し、 該発熱部分を赤外 線放射温度計で検出する方法。

第 9図に基づいて、 本発明の積層体および積層数検出方法に関わる一例として、 コンクリート構造物を一方向に炭素繊維が配列した基材で補修または補強するケ ースについて説明する。

まず、 プライマーが塗布されたコンクリート構造物 1 1の表面 1 2にエポキシ 樹脂などの常温硬化型の樹脂を塗布したのち、 予め金属線 4 aが基材の幅方向に 挿入された 1層目基材 1 3 aをコンクリート構造物の長さ方向に、 炭素繊維の方 向が構造物の長さ方向になるように貼る。 さらにこの上にエポキシ樹脂を塗布し た後、 含浸ローラを掛け基材に樹脂を含浸させる。 次にこの上に 2層目基材 1 3 bを炭素繊維の方向が 1 3 aと同じになるように、 かつ金属線 4 bが金属線 4 a と間隔 Aずれるように、 また金属繊維 4 aと金属繊維 4 bがが互いに並行になる ように積層し、 1層目と同じように樹脂の塗布および含浸を行う。 これを金属線 の挿入位置が間隔 Aずれるように繰り返して所定枚数の基材を積層し、 樹脂の塗 布および含浸を行い、 常温で樹脂を硬化させることによって、 コンクリート構造 物を補強する F R P積層体 1 4が得られる。

あとで検出方法の詳細について説明するが、 この F R Pの上部に金属線の存在 を検出する検出手段のセンサー 1 5を設置または移動させ、 F R Pに埋め込まれ た金属線挿入箇所の数を把握することによって、 基材の積層数を非破壊で検出す ることが出来るのである。 なお、 同一基材内に配列される金属線の間隔、 つまり 1周期内に含まれる金属線の本数を層数とすれば、 間違えること無く簡便に層数 検出が可能となる。

本発明の積層体では、 積層の際に金属線の挿入位置をずらす間隔 Aは、 2〜 1 O c mの範囲が好ましい。 また、 1層目、 2層目、 3層目 · · · の金属線 4 a 、 4 b 、 4 c · · ·の間隔はほぼ同じになっていると好ましい。 F R P中の金属線 の位置を、 F R Pの厚さ方向から感知するため、 金属線が 2 c m未満の間隔で配 列していると、 検出手段の感度にもよるが、 層ごとの金属線を識別しにくくなる ので好ましくない。 一方、 金属線の間隔が 1 0 c mを超えるた場合、 積層数が多 くなると、 1層目から最終層 nまでの金属線の距離が、 1 0 X ( n - 1 ) c mで 増えて非常に大きくなり、 積層数の検出が面倒になる。 2〜 1 0 c mの間隔が、 複数の金属線の区別が可能で、 かつ感知が正確かつ容易に行えるので好ましい。 なお、 1箇所の挿入位置に金属線が多数本挿入されている場合は、 上記の金属 線の間隔 Aとは、 各層における挿入箇所での 1本目の金属線からの距離を示す。 また、 本発明の積層体において、 金属線を同一基材内に配列する間隔 Bは、 検 出の効率化を考え、 できるだけ小さくなるように設定すればよい。 検出しようと する層数によっても異なるが、 3〜 1 0 0 c mの範囲のほぼ等間隔とするのがよ い。 金属線の配列間隔が 3 c m未満では 1層目と 2層目の金属線とのずれが小さ くなつたり、 また重なったりして挿入箇所が識別しにくくなるので好ましくなレ^ また、 1 0 0 c mを超えると検出可能な層数は増えるが、 1周期の距離が大きく なるので検出作業が面倒となる。

また、 第 1、 2、 3および 5図に示すような一方向性織物の場合、 金属線の配 列方向は、 たて糸の炭素繊維に対して、 第 1、 2、 3図に示すように、 たて方向 に配列していても良いし、 第 5図に示すようによこ方向に配列していても良い。 ただ、 F R Pにした後、 層数検出するには金属線の位置をずらしながら積層する ことが必要となるので、 金属線をたて方向に配列させると、 金属線挿入位置の異 なる織物を多種類準備しなければならず、 織物の製造ゃロット管理に手間がかか る。 一方、 金属線をよこ方向に配列させると、 1種類の織物を、 金属線挿入位置 が所定の間隔ずつずれるように裁断すればよい。 このような織物は、 ドビーの操 作によって自動的に製造することが可能であるので、 製造ゃロット管理に手間が かからず、 好ましい。

また、 同一基材内で金属線がほぼ等間隔に配列されておれば、 1周期の間隔が どこの位置でも同じなので、 正確に層数を検出することが可能となるので好まし い。

なお、 金属線の 1箇所の挿入位置で金属線が多数本挿入されている場合は、 上 記の金属線を同一基材内に配列する間隔 Bとは、 第 1 0図に示すように、 金属線 の挿入箇所での 1本目の金属線からの距離を示す。

また、 第 9図では好ましい一態様として、 金属線の基材への配列方向が、 基材 の幅方向に挿入された例について説明したが、 金属線が基材の長さ方向に配列し ていてもよい。 また、 基材の積層方向は、 積層体の長さ方向である 0 ° のみの一方向積層、 長 さ方向と幅方向である 0、 9 0。 の二方向積層、 またこれに ± α ° の方向を加え た多方向積層などにすることができる。

特に、 炭素繊維が長手方向の一方向に配列した基材は、 炭素繊維の配列方向

( 0 ° ) には引張り強度や引張り弾性率などの機械的性質に優れるが、 この方向 がずれて 9 0 ° に近づくにつれて機械的性質は大きく低下する。 積層の方向は大 きく F R Pの機械的性質を支配するので重要な要因である。 従って、 F R Pにお ける積層数のみならず積層方向を正確に把握することは、 F R Ρからなる構造体 の信頼性を確保するためには重要なことである。

金属線の挿入箇所が凸状に盛り上がるのを抑え、 かつ、 金属感知しやすくする 手段として、 扁平な金属線を用いる手段が挙げられる。 特に Α法、 すなわち、 検 出手段が金属探知法であり、 金属線が磁界内を通過すると磁界が乱れることによ り感知する方法において好ましい。 かかる扁平な金属線は、 金属部分が一体とな つて扁平形状になっていても良いし、 複数本の金属線が被覆材により一体となつ て、 全体として扁平形状になっていても良い。 しかし、 製作のし易さなどを考慮 すれば、 複数本の金属線あるいは複数本の被覆された金属線が群をなして全体と して扁平形状を形成する方が好ましい。

前記扁平な形状としては、 金属線の合計断面積が 0 . 0 0 2〜 0 . 2 mm²であつ て、 扁平形状の幅は 5 mm以下が好ましく、 扁平形状の高さは基材厚みの 1 0〜 1 0 0 %が好ましい。 前記幅が 5 mm以上、 あるいは前記高さが基材の厚みの 1 0 % 未満であると、 金属線の検出が正常にできなくなるので好ましくなく、 また、 前 記高さが基材厚みの 1 0 0 %を超えると金属線挿入部が凸部に盛り上がる問題が あるので好ましくない。 なお、 基材の厚みは J I S R 7 6 0 2 「炭素繊維織 物試験法」 に準拠して測定した値である。

複数本の金属線あるいは複数本の被覆された金属線を用いて、 扁平な金属線を 形成する場合、 2〜 4本基材と並行になるように挿入するとよい。

上記のように、 本発明では一つの挿入位置に、 金属線は必ずしも 1本ではなく、 多数本集中して挿入されていてもよい。

つぎに、 本発明の検出方法について説明する。 第 9図で示したように、 本発明 の積層体の上部に、 金属線の存在を検出する検出手段 1 5を設置または移動させ、 F R Pに埋め込まれた金属線の本数を把握することによって、 基材の積層数を非 破壊で検出することができる。

第 1 1図および第 1 2図は検出手段が A法の原理の 1例を説明する概略図であ る。 第 1 1図に示すように発振器 1 6および励磁コイル 1 7によって平衡な 1次 磁界 1 8が形成されている中に、 第 1 2図に示すように積層体の金属線 4が入る と定常交流磁界が乱れて金属線 4に誘導電流が流れる。 この誘導電流によって金 属線の周りに 2次磁界 2 1が発生し、 平衡な磁界を乱す。 この乱れによって受磁 コイル 1 9に微小電圧が誘起され、 この電圧を検出器 2 0が検知し、 金属線の存 在を感知することができるのである。

この方法に用いられる検出装置としては、 金属探知器や近接スィツチが挙げら れる。 これらの装置は、 小型で軽量なので取扱いが簡単で高所や狭い部分など、 検出が困難な所でも使用できるのでよい。

なお、 積層体が炭素繊維からなる一方向プリプレダや織物の基材からなる F R Pの場合、 炭素繊維が導電性のため、 炭素繊維の交絡状態によって、 金属探知器 や近接センサを積層体に近付けると、 金属線が存在しなくても基材に渦流電流が 流れ、 この渦流電流によつて磁界が発生して受磁コィルが作動して誤動作するこ とがある。 このような場合は金属探知器や近接スィツチの発振器と励磁コイルで 形成される平衡磁界が及ぶ範囲、 すなわち動作範囲の小さな金属探知器や近接ス ィツチを使用することで誤動作を防ぐことが出来る。 この金属探知器または近接 スィッチの動作範囲は好ましくは、 1 0〜4 O mmの範囲がよい。 1 0 mm未満 であると金属探知器または近接スィツチが検知するに必要な金属線の太さを大き くするか、 一箇所に多数本の金属線を使用することが必要となる。 したがって、 金属線挿入箇所の積層体が凸状となったり、 異物である金属線の挿入量が多くな り、 機械的特性などが低下することがある。 また、 4 0 mmを超えると基材の状 態にもよるが、 金属探知器や近接スィツチが誤動作することがある。

基材の積層数検出は、 F R P表面に検出装置を置き、 金属線の配列方向に対し て垂直方向に、 基材における金属線の配列間隔と同じ距離だけ移動させながら、 その間に検出装置が金属線を感知する回数を数え、 その回数を積層数として検出 するものである。 また、 検出装置からの出力を記録装置に入力し、 検出結果を記 録することも出来る。

B法、 すなわち検出手段が赤外線カメラであり、 金属線を電磁誘導によって発 熱させ、 該発熱部分を赤外線放射温度計で検出する方法について説明する。 この 方法では、 誘導発熱装置のコイルを流れる電流によって発生する磁界のなかに、 積層体の金属線が入ると、 金属線に渦電流が流れ、 この渦電流によって金属線に ジュール熱が発生し、 金属線が発熱する。 この発熱部分や部分的に昇温した F R P部を赤外線放射温度計で検出して、 金属線の位置を検知することができるので ある。 なお、 時間が経過すると熱が積層体中に伝わって拡散して金属線の温度が 下がるので、 赤外線放射温度計による検出作業を温度が下がる前にすみやかに行 うことが好ましい。

この方法では赤外線放射温度計を用いて観察すると、 発熱部分が線状に現れる ので、 基材への金属線配列の 1周期の間隔内にある発熱部分の総数から、 積層数 を検出することが出来るのである。

C法、 すなわち検出手段が赤外線カメラであり、 金属線に通電発熱し、 該発熱 部分を赤外線放射温度計で検出する方法について説明する。 この方法は、 金属線 の両端に端子を接続して電流を流すことによって金属線を発熱させ、 この発熱部 分や部分的に昇温した F R P部を赤外線放射温度計で金属線を検知することがで きる。 しかし、 層数分の金属線の結線が必要となるから、 作業が若干面倒という 点はある。

B法、 C法の検出手段である赤外線放射温度計は、 測定対象物から自己放射さ れる赤外放射エネルギーを検出し、 最終的に力ラーまたは白黒の熱画像として表 示するものであり、 サーモトレーザ、 サ一モグラフィ、 赤外線カメラなどがある。 なお、 B法、 C法は金属線を線状に検出することが出来るので、 積層数のみな らず積層方向も容易に検出することができる。

本発明の積層数の検出方法は、 基材が多数枚積層されてマトリックス樹脂が含 浸、 固化されていており成形品での非破壊検査が困難である F R P製の構造体、 すなわち航空機部材、 自動車部材、 船殻、 風車の羽根、 コンクリート構造物の F R P補強部、 車両部材、 建築部材などに好ましく用いられる。 特に、 コンクリート構造物の F R P補強部の積層数確認は、 従来は 1層積層作 業が完了するごとに写真撮影するなどするしかなかったため、 本発明の積層数の 検出方法を用いるメリッ卜が大きい。

以下、 本発明の F R Pに生じる歪みを金属線の抵抗変化として検出するための 基材、 およびこれを用いた施工や検出の状況について、 実施例により説明する。

(実施例 1 )

金属線は、 裸線径が 0 . 1 mmの丸断面で、 抵抗率が 1 4 1 . 3 Ω /mのニク ロム線を使用し、 予めアセトンで洗浄して脱脂しておいた。 このニクロム線に、 5 2本のナイロンフィラメン卜が束になった 7 0デニールのマルチフィラメント を、 S Z両方向に、 ともに 1 2 0 0回 Zm捲回して被覆した。 被覆率は表 1の通 りであった。 また、 絶縁性被覆材により金属線が被覆されていない部分で、 直径 1 0 Ai m以上の球が通り抜けられる箇所の個数が、 前記金属線の長さ方向 1 0 c mの間に、 1個以下であった。

基材は、 表 1に示す物性の P A N系高強度タイプ炭素繊維糸条 （単糸数： 2 4， 0 0 0本、 繊度： 1 4 , 4 0 0デニール） をたて方向に配列し、 よこ方向にはガ ラス繊維を補助糸として配列し、 さらに、 被覆したニクロム線を、 前記炭素繊維 と並行に配設して第 2図に示す態様に製織した一方向性炭素繊維織物を使用した。 この織物を 5 0メートル製織し、 紙管に捲回しながら巻き取った。 その後、 この 織物を紙管からほどいて、 波状凹凸の有無を確認した。 結果を表 2に示す。

C F R Pの成形は、 長さ 3 0 0 mm、 幅 2 5 0 mmにカットした前記織物に常 温硬化型のエポキシ樹脂をローラで含浸して行った。 この時、 含浸のしゃすさや 基材の取り扱い性などの施工性を評価した。 硬化は、 2 3 °Cの室温中に 1 0日間 放置して行った。

C F R Pに引張歪みを与えた時のニクロム線の電気抵抗の変化を測定した。 上 記で作成した C F R P 7にガラスタブ 8を貼り付けた後、 第 6図に示す形状に切 り出して試験片を作成した。 ニクロム線 4の両端部には、 圧着端子を介してリー ド線を半田で接続した。

試験片の配向方向両端の断面に見られた 2つのニクロム線断面を結んだ直線と 炭素繊維方向との間に角度のずれは見られなかった。 さらに、 この試験片のマト リックス樹脂を電気炉で焼き飛ばしてニクロム線を取り出し、 その長さを測定し た所、 実際のニクロム線の長さと試験片長さが一致した。 つまり、 ニクロム線が 炭素繊維と並行に配設されていた。

電気抵抗は、 ホイートストンブリッジで測定した。 測定は、 繊維長手方向の引 張歪みが 0、 0. 1 %、 および、 0. 2 %の時の 3回行った。 0. 2 %の歪みは、 コンクリート内の鉄筋が降伏する歪みの値である。 なお、 歪みは、 （株）共和電業 の歪ゲージ （KFG— 20— 1 20— C 1— 1 1) で確認した。 歪みは、 23 °C の雰囲気中で 1 mmZm〖 nの速度で与えた。 結果を表 2および図 7に示す。 さらに、 歪みが 0. 1〜0. 2 %間の引張一引張疲労試験を行った。 疲労試験 の繰り返し数は、 10⁶回とした。 疲労試験後の引張歪み一電気抵抗の関係を測定 した結果を表 2および図 8に示す。

疲労試験前後の歪み一電気抵抗曲線に差は見られず、 いずれも 0. 2 %の歪み を与えることによって、 電気抵抗が 0. 1 3 Ω増加した。 測定を各々 1 0回繰り 返したが、 再現性良く同じ電気抵抗増加率が得られた。 この増加量は、 ニクロム 線の電気抵抗値自体に比べると約 0. 3%と小さいが、 再現性に優れ、 電気抵抗 値は疲労の影響を受けなかった。 すなわち、 電気抵抗値の測定により、 歪みの値 が検出できることがわかった。

一方、 CFRPの物性として、 炭素繊維方向の引張強度を測定した。 測定は、 J I S K 7073に準拠し、 23での雰囲気中で ImmZm i ηの引張速度 で行った。 強度は、 破断荷重を CFRP内で引張方向に配列した CFと直角方向 の C F断面積で割った値とし、 5回の測定の平均値とした。

本実施例の C F R Pの引張強度は、 4450MP aであった。 一方、 ニクロム 線を挿入しない以外は同等の C F R Pの引張強度は、 成形法がハンドレイァップ であることと、 糸条毎に強度のばらつきがあるため、 ばらつきがあるが、 450 0 MP a ± 10 %であった。 よって、 本実施例の C F R Pの引張強度は、 二クロ ム線を挿入しなかった場合と比較して、 ばらつきの範囲内であり、 物性低下はな いことが分かった。

(実施例 2)

金属線の配列方向をよこ方向に配列させた第 5図に示す織物を用いた以外は、 実施例 1と同様に CFRPの作製および評価を行った。 結果を表 2に示す。

ここで、 よこ方向への金属線の配列は、 織物製織時のよこ糸のガラス繊維挿入 に際し、 部分的にガラス繊維と引き揃え挿入することで配列させた。

疲労試験前後の歪み一電気抵抗曲線に差は見られず、 0. 2 %の歪みを与える ことによって、 抵抗が 0. 12 Ω増加した。

実施例 1同様、 試験片内のニクロム線の配列方向を調べたところ、 よこ糸とし て織り込まれているので、 蛇行などは観察されなかった。

(比較例 1)

織物として、 ニクロム線を配設しない以外は実施例 1と同じものを 2枚作製し、 この 2枚の層間にニクロム線を手作業で配設した以外は、 実施例 1と同様に C F RPの作製および評価を行った。 結果を表 2に示す。

成形は、 上記織物に樹脂含浸し、 その上に被覆したニクロム線を炭素繊維と並 行に手作業で配設し、 さらにその上にもう 1枚の織物を積層し、 樹脂含浸するこ とで行った。

実施例 1同様、 試験片内のニクロム線の配列方向と、 炭素繊維方向との間の角 度を調べた所、 ずれが見られた。 さらに、 試験片から取り出したニクロム線の長 さは、 試験片の長さよりも長かった。 つまり、 ニクロム線が、 炭素繊維と並行に 配設されていなかった。

疲労試験前後で歪み一電気抵抗曲線に差は見られなかったが、 0. 2 %の歪み に対して、 電気抵抗の増加は 0. 07 Ωであった。

本比較例では、 ニクロム線が炭素繊維と並行に配設されていなかつたため、 歪 みに対する電気抵抗増加率が小さく、 歪みの検出に適さないことが分かった。 (比較例 2)

基材中のニクロム線の体積割合を 1 0 %とし 以外は、 実施例 1と同じ被覆し たニクロム線を用い、 実施例 1と同様に CFRPの作製および評価を行づた。 結 果を表 2に示す。

疲労試験前後の歪み一電気抵抗曲線に差は見られず、 0. 2 %の歪みを与える ことによって、 抵抗が 0. 1 3 Ω増加した。

しかしながら、 引張強度が、 実施例 1より約 1 2 %低下した。 本比較例は、 二 クロム線の体積割合が高すぎたため、 物性低下を起こしたことが分かった。

(比較例 3 )

織物として、 ニクロム線を配設しない以外は実施例 2と同じものを 2枚作製し、 この 2枚の層間にニクロム線を手作業で配設した以外は、 実施例 2と同様に C F R Pの作製および評価を行った。 結果を表 2に示す。

成形は、 上記織物に樹脂含浸し、 その上に被覆したニクロム線を炭素繊維と並 行にて作業で配設し、 さらにその上にもう 1枚の織物を積層し、 樹脂含浸するこ とで行った。

実施例 2と同様、 試験片内のニクロム線の配列方向と、 織物のよこ糸との関係 を調べたところ、 ずれが見られ、 ニクロム線の蛇行が観察された。

疲労試験前後で歪み一電気抵抗曲線に差は見られなかったが、 0 . 2 %の歪み に対して、 電気抵抗の増加は 0 . 0 6 Ωであった。

本比較例では、 ニクロム線が F R Pの歪みの測定方向である織物のよこ糸方向 に対し、 並行に配設されていなかつたため、 歪みに対する電気抵抗増加率が小さ く、 歪みの検出に適さないことが分かった。

抵抗値

表 1 基材およびニクロム線の仕様

疲労前疲後労

表 2 実施結果

評 価 項 目 実施例 1 実施例 2 比較例 1 比較例 2 比較例 3 基材を糸管へ巻取後、 なし なし なし ほどいた時の凹凸発生

施工性 良好 良好 良好 試験片の長さ (cm) 33.6 33.3 33.6

" 幅 (cm) 2.5 2.5 2.5 実際のニクロム線長さ（cm) 33.6 33.7 33.6 炭素繊維とニクロム線間の導通 4ffP- ^ to ニクロム線 άた 糸または 有 有 m 有

よこ糸との显行 ¾

歪み 0 %時 [a] 47.53 47.55 47.59 47.55 47.56 歪み 0.2%時 [b] 47.66 47.67 47.66 47.68 47.61 上昇幅 [b— a] 0.13 0. 12 0.07 0. 13 0.06 歪み 0 %時 [c] 47.53 47.55 47.60 47.56 47.57

(Ω) 歪み 0.2%時 [d] 47.66 47.67 47.66 47.68 47.65 上昇幅 [d _ c] 0. 13 0. 12 0.06 0. 12 0.08

C FRPの引張強度 （MP a) 4450 濯 3960

C FRPの物性低下 有 以下、 本発明の積層体および積層数検出方法に関し、 コンクリート構造物を補 修または補強するケースについて、 実施例により説明する。

(実施例 3)

金属線として線径が 0. 1 lmmの鉄線を使用し、 この鉄線に 7 5デニール、 36フィラメン卜のマルチフィラメントのポリエステル繊維を S方向に、 ついで 1 00デニールの低融点ナイロン糸を Z方向にともに 1 0 0 0回 Zm捲回して被 覆し、 被覆率が 1 00 %の絶縁被覆した鉄線を準備した。

ついで、 PAN系高強度タイプ炭素繊維 （単糸数： 24, 0 0 0本、 繊度： 1 4, 40 0デニール、 引張強度49 0 0 ^1? 3、 引張弾性率 2 3 0 GP a) をた て方向に、 1. 8 8本 Zcmの密度で配列させ、 よこ方向には 40 5デニールの ガラス繊維に 50デニールの低融点ナイロン糸を被覆したカバ一リング糸を補助 糸として 3本 Zcmの密度で打ち込み、 5 0 cmの間隔で 2ピック分の補助糸の 代わりに、 前記被覆した鉄線 2本引き揃えて合計 4本の鉄線を挿入した。 次に、 ヒータで加熱し、 鉄線の絶縁被覆に使用した低融点ナイロン糸およびよこ糸補助 糸の低融点ナイロン糸を溶融することによって、 たて糸の炭素繊維と接着した。 これにより 5 0 cmの間隔、 つまり配列周期が 5 0 cmで鉄線が配列し、 かつ、 目止めされた、 炭素繊維目付が 3 0 0 gZm² の 2 5 cm幅の一方向性炭素繊維 織物を作製した。

ついで、 積層に備えて、 織物のよこ方向が揃えられた状態で金属線の位置が 5 c mずつずれるように 4枚裁断した。

ついで、 プライマーが塗布し 1昼夜放置された橋脚のコンクリート表面に常温 硬化型のエポキシ樹脂を塗布し、 まず 1層目の織物を橋脚の周方向に貼り付 、 さらに織物の上にエポキシ樹脂を塗布した後、 含浸ローラで樹脂を織物に含浸さ せた。 ついで 2層目の織物を 1層目の上に、 織物のよこ方向を揃えて橋脚の周方 向に貼り付けて 1層目と同じように樹脂を塗布し、 含浸ローラで樹脂を織物に含 浸させた。 同様に 3層目、 4層目の積層、 榭脂の塗布、 樹脂の含浸を行い、 常温 で硬化させて、 コンクリート表面を積層体、 すなわち炭素繊維織物の FRPで補 強した。

金属線の検出には金属探知器として、 センサー外径 Φ 30の近接スィツチを使 用した。 この装置は、 金属を感知するとランプが点灯するもので、 これを積層体 の表面に置いた。 次に、 近接スィッチを 2 mZm i nのスピードで、 金属線の長 手方向に対して垂直な向きに動かし、 5 0 c m移動させた所で近接スィツチを止 めた。 この移動の間のランプ点灯回数を測定したところ 4回であり、 積層数が 4 枚であることが確かめられた。 この積層数は、 この積層体の他の部分で行っても 同じであり、 任意の位置で検出可能であることが分かった。

炭素繊維は黒いため、 積層体も黒くなり、 外観から金属線の存在を視認するこ とが出来ないが、 近接スィツチで非破壊で積層数の検出が可能であった。

(実施例 4 )

実施例 3と同じ積層体を使用し、 1 0 0 V、 1 4 0 0 Wの電磁誘導装置で 1分 間金属線を加熱したのち電磁誘導装置を取り外し、 積層体から l mの距離に設置 した赤外線放射温度計で測定した。 なお、 赤外線放射温度計として、 H g C d T e検出器で、 3 0 °Cでの最小検知温度差が 0 . 0 8 °C、 温度測定範囲が一 5 0〜 2 0 0 O t:のものを使用した。

温度分布をカラ一の熱画像として表示させた所、 橋脚の長さ方向に細長く続く 高温部分が 4ケ所観察され、 積層数が 4枚であることが検出できた。

(実施例 5 )

金属線として裸線径が 0 . 2 mmのニクロム単線を用い、 その他は実施例 3と 同じ条件で積層体を成形し、 4本のニクロム線の両端部に端子、 リード線を接続 した。 本実施例では、 加熱をこの金属線への通電によって行ったが、 金属線の感 知方法は実施例 4と同じとした。

通電は、 交流電源からスライダックを介して行い、 4本の金属線を並列に接続 し、 全体に 5 Vの電圧をかけた。

温度分布をカラーの熱画像として表示させた所、 橋脚の長さ方向に細長い高温 部分が合計 4ケ所見られ、 積層数が 4枚であることが検出できた。 産業上の利用の可能性

本発明の補強用炭素繊維基材は、 金属線を補強用炭素繊維基材内部に配設し、 かつ、 金属線の体積割合を補強繊維の 4 %以下とすることにより、 大型構造物や これと一体の、 様々な形状の F R Pに成形でき、 しかも、 構造物や F R Pに発生 する歪みの状況を正確に検出することができる。

本発明の積層体および検出方法は、 金属線を体積割合が 4 %以下で補強用炭素 繊維基材内部に配設し、 かつ、 該基材が金属線の挿入位置が互いに異なるように 積層されていることにより、 通常の非破壊検査方法では検出することができない 積層体の積層数、 積層方向を非破壊で、 簡単に検出することができる。

本発明の補強用炭素繊維基材、 積層体および検出方法は、 F R P製の構造体、 特に、 コンクリート構造物の補修または補強に好ましく用いられる。

Claims

請求の範囲

1. 炭素繊維と金属線とが、 一体となってシート状炭素繊維基材を形成し、 か つ、 前記炭素繊維に対する金属線の体積割合が 4%以下であることを特徴とする 補強用炭素繊維基材。

2. 該金属線が、 周囲を絶縁性被覆材で被覆された金属線である請求項 1記載 の補強用炭素繊維基材。

3. 該金属線が、 該炭素繊維の配向方向と同一方向に配列している請求項 1記 載の補強用炭素繊維基材。

4. 該金属線が、 該炭素繊維の配向方向に対して、 角度を有して配列している 請求項 1記載の補強用炭素繊維基材。

5. 前記絶縁性被覆材が、 繊維状物である請求項 1記載の補強用炭素繊維基材。

6. 前記絶縁性被覆材による金属線の被覆割合が、 90 %以上である請求項 5 記載の補強用炭素繊維基材。

7. 前記シート状炭素繊維基材が織物である請求項 1記載の補強用炭素繊維基 材。

8. 前記シート状炭素繊維基材が、 1方向に並行に配列した炭素繊維を接着剤 により支持体に接着固定されてなるトウシートである請求項 1記載の補強用炭素 繊維基材。

9. 前記シート状炭素繊維基材が、 炭素繊維を Bステージ状態の熱硬化性樹脂 で一体化してなるプリプレグである請求項 1記載の補強用炭素繊維基材。

10. 前記シート状炭素繊維基材が、 炭素繊維をたて糸とする一方向織物に、 金属線が横方向に織り込まれた織物である請求項 7に記載の補強用炭素繊維基材。

1 1. 前記シート状炭素繊維基材が、 金属線がほぼ等間隔挿入されたものであ る請求項 1記載の補強用炭素繊維基材。

1 2. 前記シート状炭素繊維基材が紙管に捲回され、 前記金属線の太さが、 基 材厚み以下である請求項 1記載の補強用炭素繊維基材。

1 3. 前記金属線が、 ニクロム線である請求項 1記載の補強用炭素繊維基材。

14. 前記金属線が、 鉄線またはその合金からなる線であることを特徴とする 請求項 1記載の補強用炭素繊維基材。

1 5 . 炭素繊維と、 金属線とが、 一体となってシート状炭素繊維基材を形成し、 かつ、 前記炭素繊維に対する金属線の体積割合が 4 %以下であるシート状炭素繊 維基材が、 金属線の挿入位置が互いに異なるように積層されていることを特徴と する積層体。

1 6 . 前記金属線が前記シート状炭素繊維基材の幅方向に配列している請求項 1 5記載の積層体。

1 7 . シート状炭素繊維基材にマトリックス樹脂が含浸されてなる繊維強化プ ラスチックである請求項 1 5記載の積層体。

1 8 . 前記シート状炭素繊維基材が、 炭素繊維をたて糸とする一方向織物に、 金属線が横方向に織り込まれた織物である請求項 1 5記載の積層体。

1 9 . 前記シート状炭素繊維基材が、 金属線がほぼ等間隔に挿入されたもので ある請求項 1 5記載の積層体。

2 0 . 前記金属線が強磁性体である請求項 1 5記載の積層体。

2 1 . 前記金属線が鉄線またはその合金からなる線である請求項 2 0記載の積 層体。

2 2 . 前記金属線が、 ニクロム線である請求項 1 5記載の積層体。

2 3 . 前記金属線が、 周囲を絶縁性被覆材で被覆された金属線である請求項 1

4記載の積層体。

2 4 . 請求項 1 5記載の積層体の金属線の存在を検出手段で非破壊で感知し、 シート状炭素繊維基材の積層数を検出することを特徴とする積層体の積層数検出 方法。

2 5 . 前記検出手段が金属探知法であ 請求項 2 4に記載の積層体の積層数検 出方法。

2 6 . コンクリート構造物の表面を前記積層体で補強し、 その積層数を検出す る請求項 2 4に記載の積層体の積層数検出方法。

2 7 . 前記検出手段が赤外線カメラであり、 前記金属線を電磁誘導によって発 熱させ、 該発熱部分を赤外線カメラで検出する請求項 2 4に記載の積層体の積層 数検出方法。

2 8 . 前記検出手段が赤外線カメラであり、 前記金属線に通電して該金属線を 発熱させ、 該発熱部分を赤外線カメラで検出する請求項 2 4に記載の積層体の積 層数検出方法。

2 9 . 請求項 1記載の補強用炭素繊維基材を、 構造物あるいは構造物と一体と なった F R Pとした後、 前記金属線の抵抗変化から、 前記構造物に発生する歪み を検出することを特徴とする構造物の歪み検出方法。