特開 2023-62721 コンクリート補強用複合材料およびコンクリート補強筋

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023062721

(43)【公開日】2023-05-09

(54)【発明の名称】コンクリート補強用複合材料およびコンクリート補強筋

(51)【国際特許分類】

   E04C 5/07 20060101AFI20230427BHJP

   D07B 1/16 20060101ALI20230427BHJP

   C04B 14/42 20060101ALI20230427BHJP

   C04B 14/38 20060101ALI20230427BHJP

   C04B 16/06 20060101ALI20230427BHJP

【ＦＩ】

E04C5/07

D07B1/16

C04B14/42 Z

C04B14/38 Z

C04B14/38 A

C04B16/06 A

C04B16/06 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021172774

(22)【出願日】2021-10-22

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２５年度、国立研究開発法人科学技術振興機構研究成果展開事業 センター・オブ・イノベーションプログラム「革新材料による次世代インフラシステムの構築～安全・安心で地球と共存できる数世紀社会の実現～」委託研究開発、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】593165487

【氏名又は名称】学校法人金沢工業大学

(71)【出願人】

【識別番号】000001199

【氏名又は名称】株式会社神戸製鋼所

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(72)【発明者】

【氏名】上田 久偉

(72)【発明者】

【氏名】鵜澤 潔

(72)【発明者】

【氏名】松本 大輝

(72)【発明者】

【氏名】山下 博

(72)【発明者】

【氏名】豊 秀喜

【テーマコード（参考）】

2E164

3B153

【Ｆターム（参考）】

2E164AA05

2E164AA11

2E164BA06

3B153AA02

3B153AA45

3B153CC12

3B153CC13

3B153CC23

3B153CC41

3B153CC42

3B153CC43

3B153EE15

3B153GG07

(57)【要約】

【課題】低コストで二次加工が容易な新たなコンクリート補強用複合材料を提供する。
【解決手段】コンクリート補強用複合材料１０において、芯材１２は、強化繊維の繊維束から形成される。熱可塑性樹脂の被覆層１４は、芯材１２を被覆する。芯材１２には熱可塑性樹脂が含浸しており、被覆層１４の厚さは８５μｍ以上であり、芯材１２の繊維体積含有率Ｖ_ｆが６０％以上である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

強化繊維の繊維束から形成された芯材と、
前記芯材を被覆する熱可塑性樹脂の被覆層とを含み、
前記熱可塑性樹脂は前記芯材に含浸しており、前記被覆層の厚さは８５μｍ以上であり、前記芯材の繊維体積含有率Ｖ_ｆが６０％以上であることを特徴とするコンクリート補強用複合材料。

【請求項2】

前記コンクリート補強用複合材料の非円率が１～５％であり、前記芯材の非円率が１～６％であることを特徴とする請求項１に記載のコンクリート補強用複合材料。

【請求項3】

前記強化繊維の撚り角度が０．０８７～１５°であることを特徴とする請求項１または２に記載のコンクリート補強用複合材料。

【請求項4】

前記強化繊維の撚り角度が前記芯材の中心からの距離と比例することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のコンクリート補強用複合材料。

【請求項5】

前記熱可塑性樹脂は、ポリオレフィン系樹脂であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のコンクリート補強用複合材料。

【請求項6】

前記強化繊維は、ガラス繊維、バサルト繊維、炭素繊維およびアラミド繊維からなる群より選択される少なくとも１種であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のコンクリート補強用複合材料。

【請求項7】

請求項１乃至６のいずれか１項に記載のコンクリート補強用複合材料を含むことを特徴とするコンクリート補強筋。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、コンクリート補強用複合材料およびコンクリート補強筋に関する。

【背景技術】

【0002】

鉄筋コンクリート構造体は、それに使用される鉄筋が水分や塩分などによって腐食を受けやすく経年劣化する。そのため、コンクリート構造物の長寿命化のために、鉄筋の代替物として繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）などの複合材料を使用することが提案されている。例えば、特許文献１には、熱硬化性樹脂を用いたコンクリート補強用材料が記載されている。特許文献１に記載のコンクリート補強用材料の製造においては、熱硬化性樹脂を強化繊維へ含浸させた後、熱による硬化反応により固まるまで時間を要するため、生産効率が低く、製造コストが高い。また、熱硬化樹脂は一度固まると加熱して柔らかくすることができないため、曲げ加工等の二次加工ができない。そのため、熱硬化性樹脂に代わって熱可塑性樹脂を含浸させたコンクリート補強用材料が考案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平１１－１２４９５７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

熱可塑性樹脂を含浸させたコンクリート補強用材料において、耐アルカリ性およびハンドリング性に改善の余地がある。

【0005】

したがって、本発明の目的は、耐アルカリ性およびハンドリング性が良好な熱可塑性樹脂を含浸させたコンクリート補強用複合材料を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明のある態様は、コンクリート補強用複合材料である。このコンクリート補強用複合材料は、強化繊維の繊維束から形成された芯材と、芯材を被覆する熱可塑性樹脂の被覆層とを含み、熱可塑性樹脂は前記芯材に含浸しており、被覆層の厚さは８５μｍ以上であり、芯材の繊維体積含有率Ｖｆが６０％以上である。

【0007】

本発明の他の態様は、コンクリート補強筋である。このコンクリート補強筋は、上記のコンクリート補強用複合材料を含む。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、耐アルカリ性およびハンドリング性が良好な熱可塑性樹脂を含浸させたコンクリート補強用複合材料を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施の形態に係るコンクリート補強用複合材料の横断面の断面図である。

【図2】実施の形態に係るコンクリート補強用複合材料の縦断面の断面図である。

【図3】実施の形態に係るコンクリート補強用複合材料の製造装置を示す概略図である。

【図4】図３における引取機を説明するための図である。

【図5】図４に示すローラの角度を説明するための図である。

【図6】実施例１、２、比較例１、２のＦＲＰロッドのＸ線ＣＴ写真である。

【図7】実施例３～７の撚り角度と中心からの距離との関係を示すグラフである。

【図8】９０度曲げおよび１８０度曲げしたＢＦＰＰを示す写真である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面等を参照しながら、本開示を実施するための形態について詳細に説明する。実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

【0011】

（コンクリート補強用複合材料）
図１は、実施の形態に係るコンクリート補強用複合材料の横断面の断面図である。図２は実施の形態に係るコンクリート補強用複合材料の縦断面の断面図である。図１および図２に示すコンクリート補強用複合材料（以下、単に複合材料とも称する）１０は、強化繊維の繊維束から形成された芯材１２と、芯材１２を被覆する熱可塑性樹脂の被覆層１４とを含む。

【0012】

芯材１２には熱可塑性樹脂が含浸しており、被覆層１４の厚さは８５μｍ以上であり、芯材１２の繊維体積含有率Ｖ_ｆが６０％以上である。芯材１２には熱可塑性樹脂が含浸し、被覆層の厚さおよびＶ_ｆがこのような範囲内にあることによって、耐アルカリ性が高く、高強度であり、可撓性が高く、曲げ加工等の二次加工が可能なコンクリート補強用複合材料を提供できる。ここで、被覆層１４の厚さは、２０箇所で測定した被覆層の厚さであり、測定値すべてが８５μｍ以上の範囲内にある。芯材の繊維体積含有率Ｖ_ｆは、複合材料の横断面のＸ線ＣＴ写真から算出した芯材に対する強化繊維の体積割合である。

【0013】

耐アルカリ性および強度をさらに向上させるという観点から、被覆層１４の厚さは、好ましくは２５０μｍ以上、より好ましくは３２０μｍ以上である。

【0014】

コンクリート補強用複合材料１０の非円率が１～５％であり、芯材１２の非円率が１～６％であることが好ましい。コンクリート補強用複合材料１０の非円率および芯材１２の非円率がそれぞれ上記の範囲内にあることによって、複合材料の成形性を向上させることができる。具体的には、これらの非円率がそれぞれ上記の範囲内にあることで、被覆層の厚さが均一な断面となることで、繊維が表面から突出しにくくなり、ケバが抑えられる。ケバの抑制によって、含浸後の引抜成形工程においてダイスと繊維が接触することが抑制される。このため、繊維の断線を抑制でき、すなわち成形性を向上させることができる。

【0015】

非円率が低いほど、複合材料の横断面の形状が真円に近くなる。ここで、「非円率」は、以下の式によって算出される。
非円率（％）＝（ａ－ｂ）／ｃ×１００ （１）
式中、ａは５箇所の横断面の長径の平均値、ｂは５箇所の横断面の短径の平均値、ｃは５箇所の横断面の平均径の平均値を示す。具体的には、ａ、ｂおよびｃは、横断面のＸ線ＣＴ写真から次のようにして算出される。１つの横断面につき、長径、短径のそれぞれを３回ずつ（Ｎ＝３）測定し、それぞれの平均値を算出する。さらに、測定した長径および短径すべて（９つの測定値）の平均値を平均径として算出する。５箇所の横断面の長径、短径および平均径のそれぞれを平均し、式（１）のａ、ｂおよびｃとする。コンクリート補強用複合材料の非円率は、この複合材料の芯材と被覆層の両方を含む５箇所の横断面のＸ線ＣＴ写真から算出される。芯材の非円率は、複合材料の横断面のＸ線ＣＴ写真において、被覆層を除いた芯材の５箇所の横断面から算出される。

【0016】

芯材１２に含まれる強化繊維の撚り角度が０．０８７～１５°であることが好ましい。撚り角度がこの範囲内であれば複合材料の成形性を向上させることができる。具体的には、強化繊維に撚りがかかることによって、引抜成形工程において繊維が中心に寄る。それ故に、引抜成形工程においてダイスと繊維との接触が抑制される。これにより、繊維の断線を抑制でき、すなわち成形性を向上させることができる。ここで、「撚り角度」とは、複合材料の縦断面の中心（芯材の中心）に近い箇所から被覆層に近い箇所において３点計測した繊維の撚り角度の平均値である。複合材料の径が細かい（例えば）場合、中心からの距離０．２５ｍｍから０．２５ｍｍ間隔で撚り角度の計測を行い、各距離にて３点の平均値を求める。複合材料の径が太い場合、中心からの距離０．５ｍｍから０．５ｍｍ間隔で撚り角度の計測を行い、各距離にて３点の平均値を求める。このように中心から被覆層に近い箇所まで等間隔で測定した撚り角度すべてが上記範囲内にあることが好ましい。

【0017】

強化繊維の撚り角度が芯材の中心からの距離と比例することが好ましい。これによれば、複合材料の成形性およびハンドリング性を向上させることができる。

【0018】

熱可塑性樹脂は、ポリオレフィン系樹脂であることが好ましい。これによれば、安価で耐薬品性、耐水性に優れ、曲げ加工等の二次加工が容易な複合材料を提供することができる。ポリオレフィン系樹脂の例としては、ポリエチレン、ポリプロピレンなどが挙げられる。より安価であることから、ポリプロピレンが好ましい。

【0019】

芯材１２を形成する強化繊維は、ガラス繊維、バサルト繊維、炭素繊維およびアラミド繊維からなる群より選択される少なくとも１種であることが好ましい。

【0020】

強化繊維の繊維径、繊度、本数は目的の複合材料のサイズに応じて調整できる。例えば、繊維径は、７～１９μｍであってもよい。例えば、繊度は、２４００～２４０００ｔｅｘであってもよい。例えば、本数は８０００～１２００００本であってもよい。

【0021】

（コンクリート補強用複合材料の製造方法）
以下、実施の形態に係るコンクリート補強用複合材料の製造方法について説明する。実施の形態に係るコンクリート補強用複合材料は、引抜成形によって製造できる。図３は、実施の形態に係るコンクリート補強用複合材料の製造装置を示す概略図である。図３に示す製造装置１００は、ロービングヒーター１０２と、含浸ヘッド１０４と、押出機１０６と、ダイ１０８と、冷却装置１１０と、引取機１１２と、を備える。

【0022】

図１に示すように、強化繊維（ロービング）の繊維束（ロービング束）１１４は、予熱のためにロービングヒーター１０２に導かれる。ロービングヒーター１０２の下流側には含浸ヘッド１０４と、スクリュ１１６を備える押出機１０６とが設けられている。含浸ヘッド１０４には、溶融した熱可塑性樹脂（溶融樹脂）１１８が押出機１０６から連続的に供給されている。含浸ヘッド１０４の出口にはダイ１０８が取り付けられている。ダイ１０８は、含浸ヘッド１０４から引き取られる、撚りが付与された高温の樹脂含浸繊維束から形成されるコンクリート補強用複合材料１２０の賦形を行う。

【0023】

含浸ヘッド１０４の下流側には、含浸ヘッド１１からの高温の複合材料１２０を冷却水中で冷却する冷却装置１１０が設けられている。冷却装置１１０の下流側には、１対のローラ１２２，１２４を備える引取機１１２が設けられている。引取機１１２は、ローラ１２２，１２４によって樹脂含浸繊維束に撚りを付与し、かつ上流側からの複合材料１２０を引き取る。

【0024】

図４は図１における引取機を説明するための図である。図５は図２に示すローラの角度を説明するための図である。引取機１５は、それぞれの回転軸線を平行な平面（水平面）上に保持し、かつ、該回転軸線を交差させた状態で上流側からの複合材料１２０を挟むように対向配置された一対のローラ１２２，１２４を備える。図２における上側のローラ１２２の回転軸線と下側のローラ１２４の回転軸線とは、複合材料１２０の引き取り方向（走行方向）と直交する向きでなく、平面視において引き取り方向に対して互いに相反する方向に、かつ同角度をなして所定角度ずれた向きに設定されている。

【0025】

図５に示すように、平面視において、ローラ１２２（１２４）の回転軸線ａと直交する線と、複合材料１２０の引き取り方向（走行方向）とのなす角度をローラ角度２θとして定めている。なお、金属製のローラ１２２，１２４は、ローラ表面（ローラ外周面）全体にわたってローレット加工による微小凹凸が形成されている。

【0026】

このように構成される製造装置１００において、まず、繊維束１１４は、ロービングヒーター１０２によって加熱され、含浸ヘッド１０４内に導かれる。繊維束１１４は、押出機１０６から供給された高温の溶融樹脂１１８が充満されている含浸ヘッド１０４内で樹脂含浸を受けて、樹脂含浸繊維束が形成される。この樹脂含浸繊維束は、ローラ１２２，１２４による撚り動作によって、含浸ヘッド１０４内で撚りが生成し、成長する。このように、繊維束１１４に押出機１０６から供給された溶融樹脂１１８を含浸させつつ、樹脂含浸繊維束に撚りを付与し、撚りが付与された樹脂含浸繊維束から形成される複合材料１２０が含浸ヘッド１０４から連続的に引き取られる。

【0027】

含浸ヘッド１０４からダイ１０８を経て連続的に引き取られる高温の複合材料１２０は、冷却装置１１０によって冷却硬化されて、ローラ１２２，１２４へと導かれる。冷却装置１１０によって冷却された複合材料１２０に対して、所定の撚り角度θが設定されたローラ１２２，１２４により、撚り動作と引き取りとが行われる。このようにして実施の形態に係るコンクリート補強用複合材料を得ることができる。

【0028】

（コンクリート補強筋）
実施の形態に係るコンクリート補強筋は、上記のコンクリート補強用複合材料を含む。例えば、複合材料を素線とし、これを数本を束ねるか、または撚線加工することによって直径を鉄筋相当まで太くすることによって、コンクリート補強筋を得ることができる。実施の形態に係るコンクリート補強筋は、耐アルカリ性が高く、高強度であり、曲げ加工等の二次加工が容易であり、鉄筋よりも軽量である。また、実施の形態に係るコンクリート補強筋は、低コストで製造することができる。

【0029】

以下、本発明を実施例によってさらに詳細に説明するが、これらの実施例は本発明を何ら限定するものではない。

【実施例0030】

（ＦＲＰストランドロッドの製造）
株式会社神戸製鋼所製引抜成形装置を用いてＦＲＰロッドを製造した。製造工程は図３～５を参照して上記で説明した通りである。バサルト繊維（ＢＦ）を強化繊維に用いてＦＲＰストランドロッドを５本（実施例１～３、比較例１、２）試作した。マトリクスには流動性の高いポリプロピレン（ＰＰ）に数％程度の相溶化剤を加えた。ＢＦは繊維径１７μｍ／繊度４８００ｔｅｘを用いた。成形したＦＲＰロッドは、Ｘ線ＣＴ（ＺＥＯＳＳ製）にて内部観察し、非円率、Ｖ_ｆを算出した。また、万能試験機（島津製作所株式会社製）を用いて引張試験を行い、荷重保持率をアルカリ浸漬後の引張破断荷重÷アルカリ浸漬前の引張破断荷重×１００によって算出した。

【0031】

ＪＩＳ Ａ１１９３を準拠したＦＲＰロッドの耐アルカリ性評価を行った。コンクリートの細孔溶液を模したアルカリ溶液を６０℃、ｐＨ１２．５～１３．０に調整し、ＦＲＰロッドを恒温槽内で２８日間浸漬した。その後、引張試験により荷重を測定した。測定結果を、「優秀」（荷重保持率が９５％以上）、「良好」（荷重保持率が９０～９４％）、「不良」（荷重保持率が９８％以下）の３段階で評価した。また、素手でＦＲＰロッド表面を擦る感応評価とＸ線ＣＴによる表面に繊維の突出の有無によってハンドリング性を、「優秀」（繊維が手に刺さらず、突出もない）、「良好」（繊維が手に刺さらないが、糸切れした細かな繊維の吐出が認められる）、「不良」（手に繊維が刺さる）の３段階で評価した。

【0032】

実施例１、２、比較例１、２のＸ線ＣＴ写真を図６に示す。実施例１は、３本のロービング、ダイΦ４．８ｍｍで製造したＦＲＰロッドである。実施例２は、３本のロービング、ダイΦ５．０ｍｍで製造したＦＲＰロッドである。比較例１は、４本のロービング、ダイΦ４．８ｍｍで製造したＦＲＰロッドである。比較例２は、４本のロービング、ダイΦ５．０ｍｍで製造したＦＲＰロッドである。図６から、実施例１、２ではＰＰ樹脂による被覆層が確実に形成されているのが分かる。

【0033】

実施例１～３、比較例１、２のＦＲＰロッドの特性を表１に示す。ここで、実施例３は４本のロービング、ダイΦ５．０ｍｍで製造したＦＲＰロッドである。

【表1】

【0034】

表１から、被覆層の厚さが８５μｍ以上であり、かつ芯材のＶ_ｆが６０％以上である実施例１、２のＦＲＰロッドは、比較例１、２と比較して強度、耐アルカリ性、ハンドリング性に優れていることが分かる。

【0035】

次に、以下のサンプルを試作した。試作したＦＲＰロッドのＸ線ＣＴ（ＺＥＯＳＳ製）から、撚り角度（各距離ごとに３点計測し、３点の計測値を平均したもの）を算出した。
・実施例４
繊維：ガラス繊維（ＧＦ） 芯材Ｖ_ｆ（Ｘ線ＣＴによる画像解析により算出）８０．２％、ローラ角度２θ（成形時）１０度
・実施例５
繊維：ＧＦ 芯材Ｖ_ｆ（Ｘ線ＣＴによる画像解析により算出）６３．９％、ローラ角度２θ（成形時）３０度
・実施例６
繊維：ＧＦ 芯材Ｖ_ｆ（Ｘ線ＣＴによる画像解析により算出）８２．５％、ローラ角度２θ（成形時） ６０度
・実施例７
繊維：バサルト繊維（ＢＦ） 芯材Ｖ_ｆ（Ｘ線ＣＴによる画像解析により算出）８０．５％、ローラ角度２θ（成形時） ３０度
・実施例８
繊維：ＢＦ 芯材Ｖ_ｆ（Ｘ線ＣＴによる画像解析により算出）６１．５％、ローラ撚り角度２θ（成形時）３０度

【0036】

実施例４～８の撚り角度は以下の通りである。
・実施例４：０．８７～３．８２度（中心からの距離０．２５、０．５、０．７５、１．０ｍｍ）
・実施例５：１．５９～５．６１度（中心からの距離０．２５、０．５、０．７５ｍｍ）
・実施例６：３．３８～１４．２７度（中心からの距離０．２５、０．５、０．７５ｍｍ）
・実施例７：１．９～１０．４６度（中心からの距離０．５、１．０、１．５ｍｍ）
・実施例８：３．１１～１４．７８度（中心からの距離０．５、１．０、２．０、２．５ｍｍ）
実施例４～８の撚り角度と芯材中心からの距離との関係を図７に示す。図７から、撚り角度は、芯材中心からの距離と比例することが分かる。

【0037】

束と撚線加工により太径化したＦＲＰロッド（バサルト繊維およびポリプロピレンによって形成されたもの，以下、ＢＦＰＰとも称す）を作成した。ＢＦＰＰのロープは、小松マテーレ株式会社の協力のもと撚線加工を行った。図８は９０度曲げおよび１８０度曲げしたＢＦＰＰを示す写真である。ヒートガンを用いた熱風により容易に曲げ加工ができることを確認した。

【産業上の利用可能性】

【0038】

本発明のコンクリート補強用複合材料はコンクリート補強筋として利用できる。

【符号の説明】

【0039】

１０ コンクリート補強用複合材料、 １２ 芯材、 １４ 被覆層。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】