WO1994011590A1 - Tige plastique renforcee par des fibres et procede de fabrication - Google Patents

Description

明 細 書 繊維強化プラスチッ ク製筋材とその製造方法 技術分野

本発明は、 コンク リー ト等の強化に用いられる繊維強化プラスチ ッ ク製の筋材に関するものである。 背景技術

セメ ン ト、 モルタル、 コンク リー ト等 （以下コンク リー ト等） の 強化用筋材としては、 従来より鉄筋が広く用いられているが、 近年. 軽量化ゃ耐腐食性などの要求から、 各種の織維強化プラスチッ ク

( FRP)製筋材が開発されている。

これらは、 炭素繊維、 ァラ ミ ド織維、 ガラス織維、 ビニロン繊維 などの強化織維を、 エポキシ樹脂や不飽和ボリエステル樹脂などの 熱硬化性樹脂やポリ フヱニレンサルフアイ ド （PPS)などの熱可塑性 樹脂を母材として固めたものである。

これらの織維強化プラスチッ ク製筋材によりコンク リー ト等を強 化するためには、 筋材とコンク リー ト等との付着強度が良好である こ とが必要である。

そのためには、 筋材に凹凸を付して機械的結合力を向上させるこ とが通常行なわれる。

その方法として、 RRP 自体に凹凸を付ける方法と、 FRP の表面に 表面材を付して凹凸を設ける方法がある。

FRP 自体に凹凸を付ける方法としては、 特開昭 63— 206548号公報 に開示されているような FRP の一部を扁平化する方法や、 特開平 2 -92624号公報に開示されているような FRP に凸部を設ける方法、 特 開平 1 - 192946号公報に開示されているような真円以外の断面形状 を有する口 ッ ドに捩りを施す方法、 特開平 2— 105830号公報などに 開示されているような組紐を用いる方法など、 様々な方法が提案さ れている。

しかしながら前記の各方法は、 製造工程が余計に必要になり、 製 造が困難になる上、 強化織維がうねるなど強化方向に配向されない ため、 FRP 自体の強度低下を起すという大きな欠点がある。

従って強度の面からは、 FRP 表面に表面材を付す方法が優れてお り、 その具体的な方法としては、 ボリエステル織維やビニロ ン繊維、 ァク リル維維といった有機繊維を表面にブレー ド （bra i d 、 編み組） する方法や、 有機織維を表面にスパイラル状に巻つける方法が知ら れている。

一方、 コンク リー ト等は、 セメ ン トを硬化したままでは強度が低 く、 実用上用いることができないため、 養生過程を経る必要がある。 養生方法としては、 水中養生や湿空養生、 オー トク レープ養生な どが知られている。

この中でォ一 トク レーブ養生は、 オー トク レーブ中で水蒸気によ る加熱 ， 加圧を行なう方法であり、 養生時間が短縮できる上、 他の 養生方法に比べて強度の向上が大きいという特徴がある。

しかしながら、 前記の有機繊維を表面材として用いた FRP 製筋材 で強化したコンク リー ト等をォー トクレーブで養生した場合、 強化 したコンク リー ト等の強度が、 他の養生方法に比べて非常に低いと いう欠点があった。

これは、 セメ ン ト内がアルカ リ性雰囲気であるため、 表面材の有 機繊維がォ一 トク レーブ養生過程での高熱アル力 リにより劣化し、 筋材とコンク リー ト等との付着強度が低下するためである。

本発明は、 良好な引張り強度を有し、 且つ耐オー トク レープ性に 優れる FRP 製筋材と、 その簡便な製造方法を提供するこ とを目的と するものである。 発明の開示

本発明は、 芯材と表面材より構成され、 前記芯材が、 高強度連続 繊維と母材樹脂より構成され、 前記表面材がボリプロ ピレ ン繊維よ り構成されていることを特徴とする織維強化プラスチッ ク製筋材で ある。 また、 この筋材で補強したコンク リー ト構造物又は製品も提 供される。

更には、 高強度連続織維の繊維束に、 未硬化の熱硬化性樹脂を含 浸した後、 該織維束または集束した複数本の該織維束に、 ポリプロ ピレ ン繊維を被覆し、 熱硬化性樹脂の硬化熱処理を施すことを特徴 とする上述の繊維強化プラスチック製筋材の製造方法である。 図面の簡単な説明

以下、 図面を用いて、 本発明の内容を詳細に説明する。 図 1 は、 本発明の筋材の断面図であり、 図 2は、 本発明の FRP 製筋材の側面 図である。 発明を実施するための最良の形態

図 1 において、 芯材 1 は、 連繞繊維 3 と母材 4 より構成された FRP である。 この芯材 1 の周囲に、 表面材 2が形成されている。

芯材 1 を構成する高強度連続繊維 3は、 コ ン ク リー ト等の強化材 として用いられるに必要な強度を有するものであり、 引張強度で 50 kg f /醒 ² 以上を有することが好ましい。

そのような繊維として、 炭素繊維、 ァラ ミ ド織維、 ガラス織維、 ポリアリ レー ト繊維、 ポロン織維などが挙げられる。 この中でポリアリ レー ト織維は、 液晶性の芳香族ポリエステル織 維であり、 クラ レ社のべク トラン （商品名） などが相当する。

この場合、 前記織維の中の 1種類の織維を用いても、 複数種類の 織維を使用してもよい。

前記織維の中で炭素織維は、 耐熱アルカ リ性が高く、 且つ弾性率 の高いものを製造することができるため、 特に好ま しいものである, 母材 4 には、 熱硬化性樹脂が使用される。 母材 4 に用いられる熱 硬化性樹脂としては、 エポキシ樹脂、 不飽和ボリエステル樹脂、 ポ リィ ミ ド樹脂、 ビスマレイ ミ ド ' ト リアジン樹脂などがある。

この他のものでも、 FRP に用いられるものであれば、 使用可能で ある。 母材に用いられる樹脂は、 エポキシ樹脂など、 耐熱アルカ リ 性の高いものが、 特に好ましい。

芯材を構成する FRP の Vf (繊維の体積含有率） は、 40 %以上 75 % 以下であることが好ましい。

すなわち 40 %未満では筋材として用いられるに性能が低く、 75 % を超えるものでは製造が困難である。

また、 芯材の大きさには特に制限がないが、 実用上は、 例えば円 形断面の場合、 直径で 1 mm以上 50隨以下程度のものが用いられる。

芯材の表面には、 表面材 2が被覆されている。 表面材 2にはポリ プロ ピレン繊維が用いられる。 ポリプロピレン繊維は、 モノ フイ ラ メ ン ト、 マルチフィ ラメ ン ト、 紡績糸いずれの形態でも用いること ができる。

従って樹脂の熱処理条件や、 機械的強度、 価格などの面を勘案し て選択すればよい。

しかしこの中で、 紡績糸を用いた場合、 コンク リー ト等との付着 強度が高いため、 好ま しいものである。

その詳細な理由は明かではないが、 紡績糸を用いた場合の表面性 状が、 特に付着強度向上に好ま しい結果を与えるものと考えられる, 被覆に用いられるポリプロピレン織維は、 樹脂の硬化熱処理条件 で 5 %以上の収縮率をもつことが好ましい。

即ち、 5 %以上の収縮率をもつポリプロピレン織維を用いること により、 樹脂の硬化熱処理時に、 熱収縮による圧力をかけて織維束 を緊密にすると同時に、 表面に樹脂をしみださせて表面材と芯材を —体化することができる。

ポリプロピレン繊維は、 ベースとしてボリプロピレンを用いたも のであればどのようなものでも使用可能であり、 必要に応じて種々 の改質を行なう ことは可能である。

また、 ポリプロピレン織維の繊度や織維径は特に規定されるもの ではなく、 希望する表面の凹凸や、 被覆装置の性能等により決定す れば良い。

このような本発明の FRP 製筋材は、 例えば以下のような方法によ り製造される。

炭素繊維、 ァラ ミ ド維維、 ポリアリ レー ト織維の少なく とも一種 類よりなる維維束に、 未硬化の熱硬化性樹脂を含浸した後、 該繊維 束または集束した複数本の該繊維束に、 ポリプロピレン織維を被覆 し、 前記熱硬化性樹脂の硬化熱処理を施すことにより製造すること ができる。

ここで用いられる線維束は、 同一種類の織維 （単織維） を数百乃 至数万本集束したものである。

繊維束に樹脂を含浸することは、 常法により、 例えば溶剤で希釈 した樹脂に、 連続的に織維束を通して樹脂を含浸した後、 乾燥炉で 連続的に溶剤を揮発させる方法などで行なわれる。

樹脂が含浸された前記繊維束は、 1本で用いられるか、 または複 数本を集束して用いられる。 使用される織維束の本数は、 製造される芯材の断面積と、 織維束 の断面積から求められる。

複数本の織維束を集束して用いる場合は、 同一種類の繊維束であ る必要はなく、 必要であれば異なる種類の織維束を集束して用いて もよい。

前記繊維束の集束は、 ダイスを通す方法や、 繊維束を燃る方法な どにより行なう ことができる。 また、 被覆処理により集束処理を兼 ねることもできる。

被覆は、 ポリプロピレン繊維を芯材表面にブレー ド （編み組） し たり、 スパイラル状に巻きつけることにより行なわれる。 織布を巻 き付けることなども可能である。

被覆は、 芯材を完全に覆う必要はない。 芯材の表面の 60 %以上を 被覆していることが好ましいが、 芯材の表面の一部を覆っている状 態、 例えば 5 %ないし 10 %程度の被覆率であっても、 場合によって は有効な効果を発揮することができる。

ポリプロピレン織維を被覆した、 未硬化の熱硬化性樹脂を含浸し た繊維束は、 使用した熱硬化性樹脂の熱処理条件で熱処理するこ と により、 樹脂を硬化し、 FRP 製筋材を得ることができる。

熱処理は、 連続的に炉内を通す方式であっても、 バッチ式に炉内 で加熱する方式であってもよい。

本発明の FRP 製筋材を用いることにより、 オー トク レーブ養生を 行なつた場合でも強化効率が低下することのない、 強化コンク リー トを得ることができる。

FRP 製筋材の強化効率が、 オー トク レーブ養生を行なつた後であ つても良好であるためには、 表面材がォ一トク レーブ養生により劣 化しないことが必要であり、 そのためには表面材の耐熱アル力 リ性 が高い必要がある。 耐熱アルカ リ性が高い織維としては、 炭素織維やァラ ミ ド繊維、 ポリアリ レー ト織維などがある。 しかしこれらの織維は高価である 上、 炭素繊維などは破断伸びが小さいため、 被覆処理を行なうため の取り扱いが難しい。

更に、 前記繊維は収縮性に乏しいため、 繊維束への加圧効果に欠 け、 繊維束の緊密化や表面材と芯材の一体化が困難である。

一方、 ポリプロピレン繊維は、 耐薬品性に優れており、 収縮性の ある繊維であるものの、 モルタルや樹脂との接着力が弱いという欠 点がある。

これは、 ポリプロピレンが極性官能基を持たず、 表面が不活性で あるためである。

このため、 従来より、 ボリプロピレン繊維をコンク リー ト等の靭 性向上のため混合することは行なわれていたものの、 強度向上のた めに用いられることはなかった。

しかしながら、 本発明の FRP 製筋材は、 ポリプロピレン繊維を用 いた場合でも有効に強化機構が作用することができる。

その理由として、 FRP 製筋材とコンク リー トの付着は主に筋材表 面の凹凸によるアンカー効果が作用するため、 表面材とコンク リー ト等との化学的接着力の低さがそれほど悪影響を及ぼしていないた めであると考えられる。

また、 ポリプロピレン織維は酎熱性が低いという欠点があった。 即ち、 ポリプロピレン繊維は 164てから溶融し、 それ以下の温度で も収縮してしまう。

一般に、 有機糠維は収縮すると強度が極度に低下するため、 収縮 温度以上では使用できないと考えられていた。

しかしながら、 本発明の筋材の場合、 ポリプロピレン織維の溶融 温度近傍でオー トク レーブ養生した場合でも、 コンク リー ト等との 付着強度を低下するこ とがない。

詳細な理由は明かではないが、 ボリプロ ピレ ン織維が、 母材樹脂 及びコンク リー ト等の中で埋め込まれた状態であるため、 激しい収 縮が防がれ、 その結果それほどの強度低下を起こさなかつたためで あると考えられる。

また、 繊維の形態としては、 紡績糸を用いた場合が、 最も付着強 度が高い。 この詳細な理由は明かではないが、 紡績糸を用いた場合 の表面性状が、 特に付着強度向上に好ましい結果を与えるものと考 えられる。

(実施例）

本実施例で行なった付着強度試験は、 日本コンク リー トェ学協会 の規格 （JC I -SF8)に準じて行なったもので、 プリケッ ト型試験片の モルタル中に筋材を一本埋め込み、 1 日湿空養生後、 1 60"Cで 10時 間オー トク レーブ養生を行なった供試体について、 引張り試験を行 なった結果の最大荷重を、 埋め込み面積で除した値である。 尚、 値 は、 5回試験した平均値である。

使用したポリプロピレン織維の紡績糸は、 繊度が 500デニールで あり、 収縮率は、 1 40^eCで 10 %である。

また、 ポリプロピレン織維のフイ ラメ ン ト糸は、 繊度が 500デニ ールのマルチフィ ラメ ン トであり、 収縮率は、 140^eCで 1 5 %である c 引張り強度 350kgf / mm ² 、 引張り弾性率 35 t onf Z mm ² の炭素織 維 3000本を集束した繊維束に、 メチルェチルケ ト ンで溶解させた、

1 40'C 1 時間で硬化するタイプのエポキシ樹脂を含浸した後、 連続 的に 80て、 滞留時間 20分の加熱炉で加熱して溶媒のメチルェチルケ トンを留去した。

この、 エポキシ樹脂を含浸させた織維束 20本を合一し、 その上に ポリ プロ ピレ ン織維を、 第 1 表に示す条件で被覆した。 更に、 1 40 °C、 滞留時間 1 時間の加熱炉で連続的に加熱し、 エポキシ樹脂を硬 化して FRP 製筋材を得た。

得られた筋材は、 いずれもポリプロピレン織維中に良好に樹脂が しみこんでおり、 芯材と一体化していた。

第 1表に、 使用したポリプロピレン繊維の種類、 被覆状態、 及び 被覆率と、 付着強度試験結果を示す。

第 1 表 ボリプロピレン 被覆状態 被覆率 芯材の 筋材の 付着強度 実施例 太さ 太さ

繊維種類 (mm; (kgf/cnf)

1 核糸 ブレード 80% 3. 1 3. 3 100

2 ¾¾敏糸 スパイラル 80% 3. 1 3. 3 80

3 フィラメント糸 ブレード S0% 3. 0 3. 2 70

4 坊核糸 ブレード 20% 3. 2 3. 4 70

(比較例 1 )

比較例として、 ポリプロピレン織維に替えて、 織度 500デニール のポリエステル織維のマルチフィ ラメ ン トを、 被覆率 100 %でブレ 一ド被覆した。

得られた筋材は、 ポリエステル織維中に良好に樹脂がしみこんで おり、 芯材と一体化していた。

実施例と同様の方法で測定した付着強度は l Okg f / cnfであり、 ポ リ.エステル繊維は養生により褐色に劣化していた。

(比較例 2 )

比較例として、 ポリプロピレン繊維に替えて、 織度 500デニール のァラ ミ ド織維のマルチフィ ラメ ン トを被覆率 80 %でブレー ド被覆 した。 得られた筋材は、 ァラ ミ ド織維中にはほとんど樹脂がしみこんで おらず、 芯材とァラ ミ ド繊維とはほとんど接着していなかった。 実施例と同様の方法で測定した付着強度は、 l Okg f cnfであった 産業上の利用分野

本発明の筋材を用いることにより、 特性が良好で、 オー トク レー ブで養生することができる、 FRP 製筋材で強化したモルタル、 コン ク リー トを得ることができるので、 建築、 土木分野において有用で ある。

Claims

請 求 の 範 囲 1 . 芯材と表面材より構成され、 前記芯材が、 高強度連続織維と 母材樹脂より構成され、 前記表面材が、 ポリ プロ ピレ ン織維より構 成されていることを特徵とする織維強化プラスチッ ク製筋材。

2 . ポリプロピレン繊維が紡績糸である請求の範囲第 1項記載の 繊維強化プラスチッ ク製筋材。

3 . 芯材の高強度連続維維が炭素繊維、 ァラ ミ ド織維、 ガラス織 維、 ポリアリ レー ト織維およびポロン織維からなる群から選ばれる 請求の範囲第 1項記載の織維強化プラスチッ ク製筋材。

4 . 芯材の母材がエポキシ樹脂、 不飽和ポリエステル樹脂、 ポリ ィ ミ ド樹脂およびビスマレイ ミ ド ， ト リアジン樹脂からなる群から 選ばれる請求の範囲第 1項記載の織維強化ブラスチッ ク製筋材。

5 . ボリプロピレン維維が芯材の表面を 60 %以上被覆するように スパイラル状に巻回されている請求の範囲第 1項記載の織維強化プ ラスチッ ク織維。

6 . 請求の範囲第 1項記載の織維強化プラスチッ ク製筋材を用い て補強したコンク リー ト構造物又は製品。

7 . 高強度連铳織維の織維束に、 未硬化の熱硬化性樹脂を含浸し た後、 該繊維束または集束した複数本の該織維束に、 ポリプロピレ ン繊維を被覆し、 熱硬化性樹脂の硬化熱処理を施すことを特徵とす る繊維強化プラスチック製筋材の製造方法。