(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素繊維の表面に、二酸化ケイ素を主成分とする微粒子がコーティングされ、
前記微粒子でコーティングされた炭素繊維の表面に、セメントペーストが被覆されて、全体が固化されたものであること、
を特徴とする炭素繊維筋。
【請求項２】
微粒子は、天然ポゾラン、ワラスナイト、高炉スラグ、シリカヒューム若しくはフライアッシュの微粒子であること、
を特徴とする請求項１に記載の炭素繊維筋。
【請求項３】
セメントペーストは、水と減水剤とをセメントに混ぜて形成したものであること、
を特徴とする請求項１に記載の炭素繊維筋。
【請求項４】
炭素繊維筋は、所望長さの棒状体であること、
を特徴とする請求項１に記載の炭素繊維筋。
【請求項５】
炭素繊維のトウの束を撚り合わせて１本の炭素繊維束とし、
前記炭素繊維束を、二酸化ケイ素を主成分とする微粒子を水に溶解してなるコーティング溶液中に浸し、
前記コーティング溶液から取り出した炭素繊維束を水分除去手段で当該炭素繊維束から水分を除去し、
前記炭素繊維束をセメントペーストの溶液中に浸し、
その後、前記炭素繊維束を養生して固化させて棒状体に形成すること、
の各工程を上記記載の順に含むことを特徴とする炭素繊維筋の製造方法。
【請求項６】
炭素繊維束を、コーティング溶液中に浸す工程において、若しくは、セメントペーストの溶液中に浸す工程において、または、これらの含浸工程の後の工程において、含浸効率を高めるために、加振装置を用いて当該炭素繊維束に振動を加えること、あるいは、真空装置で真空引きすること、
を特徴とする請求項５に記載の炭素繊維筋の製造方法。
【請求項７】
真空ポンプと、
該真空ポンプが接続された真空用容器と、
該真空容器内に回転自在に備えられて巻き取られた炭素繊維束を繰り出すドラムと、
前記真空用容器に接続され垂設されたパイプと、
該パイプの下端が液中に埋没されるようにセメントペーストを蓄えるセメント容器と、からなる炭素繊維筋の連続製造装置を形成し、
炭素繊維束を、二酸化ケイ素を主成分とする微粒子を水に溶解してなるコーティング溶液中に浸してコーティングした後、
この炭素繊維束を前記ドラムに巻き付けて該ドラムを前記真空用容器内に設置し、
前記炭素繊維束の一端を、前記ドラムから引き出してパイプに挿通させて、そのパイプ下端の開口から前記セメント容器に挿通させて外部に取り出し、
前記真空ポンプを駆動させて真空引きしながら前記炭素繊維束を外部に引き出して養生し固化させて、連続して棒状体の炭素繊維筋を製造すること、
を特徴とする炭素繊維筋の製造方法。
【請求項８】
パイプの一部に、加振装置が取り付けられ、該加振装置によって、炭素繊維束に連行される空気や余分な泡を抜き取ること、
を特徴とする請求項７に記載の炭素繊維筋の製造方法。
【請求項９】
真空ポンプと、
該真空ポンプが接続された真空用容器と、
該真空用容器内に回転自在に備えられて巻き取られた炭素繊維束を繰り出すドラムと、
前記真空用容器に接続され垂設されたパイプと、
該パイプの下端が液中に埋没されるようにセメントペーストを蓄えるセメント容器とからなること、
を特徴とする炭素繊維筋の連続製造装置。
【請求項１０】
炭素繊維束に連行される空気や余分な泡を抜き取るために、前記パイプの一部に、加振装置が取り付けられていること、
を特徴とする請求項９に記載の炭素繊維筋の連続製造装置。
【請求項１１】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の炭素繊維筋をコンクリート中に配筋して埋設させてなること、
を特徴とするコンクリート構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄筋コンクリート構造体（ＲＣ造、ＳＲＣ造を含む）の強度補強に使用される炭素繊維筋とその製造方法、および連続製造装置とコンクリート構造体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、鉄筋コンクリート構造体は、圧縮には強いが引張には弱いので、引張荷重のかかる部分に鉄筋を入れることで補強している。コンクリートと鉄筋の相性は良く、熱膨張率はほとんど等しく、コンクリート中がアルカリ性であるため鉄筋が錆びることもない。【０００３】
しかしながら、コンクリートにひび割れなどが発生してコンクリートが中性化すると、表面がむき出しになった鉄筋が腐蝕して劣化することが知られている。そこで、近年では、引張強度が鉄の１０倍と高く、比重が鉄の１／４と軽く、化学的にも安定している炭素繊維が使用されるようになっている。例えば、特開２０００−１２９８６１号（特許文献１）に記載された補強用炭素繊維が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１２９８６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の炭素繊維による補強においては、コンクリートとの付着性に劣ることが課題であって、直接コンクリートに炭素繊維を接触させることは試みられたものの、補強効果は得られずにいる。そこで、上記特許文献１においても記載されているように、炭素繊維の収束剤（サイジング剤）に、親水性のない合成樹脂系接着材（例えば、エポキシ系樹脂）を用いて炭素繊維と合成樹脂との付着力を高めて、コンクリート自体に樹脂系材料を用いて、炭素繊維を付着させる方法が行われている。しかしながら、コンクリートの堅さに比較してエポキシ系樹脂の堅さが劣っている（ヤング率がコンクリートのヤング率の１／６程度）。【０００６】
炭素繊維のヤング率はコンクリートのヤング率の５〜６倍もあって堅いのであるが、コンクリートに外力が加わると、その力がコンクリート→合成樹脂系接着材→炭素繊維へと伝わる過程において、前記柔らかい合成樹脂系接着材が間に挟まっているので、多くのひずみが発生して効率よく力の伝達が行われず、補強効果があまり上がらず実用的ではないという課題がある。また、合成樹脂系接着材は、親水性に劣るため、コンクリートとの付着力が小さいという課題もある。本発明に係る炭素繊維筋とその製造方法、および連続製造装置とコンクリート構造体は、このような課題を解決するために提案されたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決して目的を達成するために、本発明に係る炭素繊維筋は、炭素繊維の表面に、二酸化ケイ素を主成分とする微粒子がコーティングされ、前記微粒子でコーティングされた炭素繊維の表面に、セメントペーストが被覆されて、全体が固化された構成とした。【０００８】
前記微粒子は、天然ポゾラン、ワラスナイト、高炉スラグ、シリカヒューム若しくはフライアッシュの微粒子であることが好ましい。
更に、前記セメントペーストは、水と減水剤とをセメントに混ぜて形成したものであることが好ましい。
前記繊維筋は、所望長さの棒状体であることが好ましい。【０００９】
本発明に係る炭素繊維筋の製造方法は、炭素繊維のトウの束を撚り合わせて１本の炭素繊維束とし、前記炭素繊維束を、二酸化ケイ素を主成分とする微粒子を水に溶解してなるコーティング溶液中に浸し、前記コーティング溶液から取り出した炭素繊維束を水分除去手段で当該炭素繊維束から水分を除去し、前記炭素繊維束をセメントペーストの溶液中に浸し、その後、前記炭素繊維束を養生して固化させて棒状体に形成する各工程を、その順に含むものである。【００１０】
前記炭素繊維束は、コーティング溶液中に浸す工程において、若しくは、セメントペーストの溶液中に浸す工程において、または、これらの含浸工程の後の工程において、含浸効率を高めるために、加振装置を用いて当該炭素繊維束に振動を加えること、あるいは、真空装置で真空引きすることが好ましい。【００１１】
さらに、本発明に係る炭素繊維筋の製造方法は、真空ポンプと、該真空ポンプが接続された真空用容器と、該真空用容器内に回転自在に備えられて巻き取られた炭素繊維束を繰り出すドラムと、前記真空用容器に接続され垂設されたパイプと、該パイプの下端が液中に埋没されるようにセメントペーストを蓄えるセメント容器と、からなる炭素繊維筋の連続製造装置を形成し、炭素繊維束を、二酸化ケイ素を主成分とする微粒子を水に溶解してなるコーティング溶液中に浸してコーティングした後、この炭素繊維束を前記ドラムに巻き付けて該ドラムを前記真空用容器内に設置し、前記炭素繊維束の一端を、前記ドラムから引き出してパイプに挿通させて、そのパイプ下端の開口から前記セメント容器に挿通させて外部に取り出し、前記真空ポンプを駆動させて真空引きしながら前記炭素繊維束を外部に引き出して養生し固化させて、連続して棒状体の炭素繊維筋を製造する、各工程を含むものである。【００１２】
前記パイプの一部には、加振装置が取り付けられ、該加振装置によって、炭素繊維束に連行される空気や余分な泡を抜き取ることが好ましい。【００１３】
本発明に係る炭素繊維筋の連続製造装置は、真空ポンプと、該真空ポンプが接続された真空用容器と、該真空容器内に回転自在に備えられて巻き取られた炭素繊維束を繰り出すドラムと、前記真空用容器に接続され垂設されたパイプと、該パイプの下端が液中に埋没されるようにセメントペーストを蓄えるセメント容器とからなるものである。【００１４】
前記連続製造装置の前記パイプの一部には、炭素繊維束に連行される空気や余分な泡を抜き取るために、加振装置が取り付けられていることが好ましい。【００１５】
本発明に係るコンクリート構造体は、上記記載の炭素繊維筋を、コンクリート中に適宜な配列で配筋して、埋設させてなるものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の炭素繊維筋とその製造方法および連続製造装置によれば、合成樹脂製の接着材を介することなく、炭素繊維の表面に、二酸化ケイ素を主成分とする微粒子をコーティングすることによって親水性が維持されるので、炭素繊維にセメントペーストが強く付着し、これをコンクリート構造体に鉄筋の代わりに埋設することで、コンクリートと炭素繊維筋との付着性が向上して、引張に強くなる。【００１７】
従来のようなヤング率の低い合成樹脂系接着材を使用しないので、コンクリート構造体に加わる力が直接的に炭素繊維筋に作用するようになる。よって、炭素繊維筋による大きな補強効果が得られる。【００１８】
また、炭素繊維筋により腐蝕するおそれがないので、コンクリート構造体の耐用年数を大幅に伸ばすことができる。
更に、補強筋が炭素繊維で構成されているので、塩素イオンによる材料の劣化がなく、コンクリート材料として海砂の使用も可能となり、コンクリートに必要な骨材として、安価にて入手が容易になるという効果がある。【００１９】
炭素繊維筋の製造方法により、セメントペーストで被覆した棒状体の炭素繊維筋が形成され、これをコンクリートに埋設すると、コンクリート構造体と一体となった補強筋となる。
加振装置により、炭素繊維筋の表面や炭素繊維のトウの束の間に存在する空気や泡が効率よく除去されて、微粒子のコーティングやセメントペーストの含浸の作用が良好になる。【００２０】
また、炭素繊維筋の連続製造する方法および連続製造装置により、本発明に係る炭素繊維筋を効率的に連続して製造できるようになるという優れた効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る炭素繊維筋を製造するための、被覆処理前における炭素繊維のトウの束である炭素繊維束（以下、同じ）を形成する工程（Ａ）〜（Ｃ）を示す工程図である。
【図２】同炭素繊維筋を製造するための、処理前の炭素繊維束に微粒子のコーティングをする工程（Ａ）〜（Ｃ）を示す工程図である。
【図３】同炭素繊維筋を製造するための、微粒子をコーティングした炭素繊維束にセメントペーストを含浸させる工程（Ａ）〜（Ｃ）を示す工程図である。
【図４】同炭素繊維筋を連続して製造する装置を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明に係る炭素繊維筋１は、図１乃至図３に示すように、炭素繊維の親水性を維持するために、二酸化ケイ素を主成分とする微粒子のコーティングをしてから、セメントペーストを含浸させて被覆するものである。
【実施例１】
【００２３】
本発明に係る炭素繊維筋１は、図１に示すように、まず、炭素繊維束１ａを形成する。
これには、図１の工程（Ａ），（Ｂ）に示すように、炭素繊維（径が５〜１５μｍ）１ｃを複数本（一例として１２０００本）束ねて、１本のトウ１ｂに形成する。【００２４】
更に、図１の工程（Ｂ），（Ｃ）に示すように、前記トウ１ｂを複数本（一例として２１本）束ねてトウの束１ｄとし、これを図示する撚り装置２でトウの束１ｄを７本撚って、これをドラム２ａに巻き取り、炭素繊維束１ａとする。【００２５】
そして、図２の工程（Ａ）に示すように、前記炭素繊維束１ａの炭素繊維の表面に、二酸化ケイ素を主成分とする、マイクロメータ以下の径の微粒子をコーティングする。前記微粒子は、天然ポゾラン、ワラスナイト、高炉スラグ、シリカヒューム若しくはフライアッシュなどの微粒子である。前記天然ポゾランは、火山灰、けいそう土、ケイ酸白土などであり、フライアッシュと同様にポゾラン反応を生じるものである。この微粒子を水に溶かして分散させたコーティング溶液３をコーティング容器４に貯留させて、そこに前記炭素繊維束１ａを浸漬する。【００２６】
前記コーティング溶液３の一例として、水１０００ｇに、シリカヒューム１ｇを溶解させる。【００２７】
上記コーティングの際に、炭素繊維の表面や内部、あるいは炭素繊維間に空気が巻き込まれているので、図２の工程（Ｂ）に示すように、真空ポンプ等の真空装置に連結された真空引き用の真空容器５の中に、前記コーティング容器４を載置して、コーティングを行うようにすることが好ましい。【００２８】
なお、図２の工程（Ａ）にして示すコーティングの際に、一般に建築分野で使用されることのある加振装置によって、コーティング容器４を介して炭素繊維束１ａに、例えば、数Ｈｚ〜２５ＫＨｚ程度の振動を加えることによってエアー抜きを行っても良い。このようにして、エアー抜きを行うが、コーティング作業と同時にエアー抜きを行うことが困難であれば、コーティング工程の後に、エアー抜きを行っても良い。【００２９】
次に、前記炭素繊維束１ａには、大量の水分が含まれているので、図２の工程（Ｃ）に示すように、前記炭素繊維束１ａから余分な水分を除去する。水分を除去するためには、例えば、炭素繊維束１ａを絞ること、または、乾いた材料で炭素繊維束１ａを巻いて水分を吸い取ること、あるいは、炭素繊維束１ａに遠心力を加えて水分を飛ばすこと、が水分除去手段として挙げられる。このようにしてコーティング工程が施工される。【００３０】
次に、前記微粒子でコーティングされた炭素繊維束１ａにおける炭素繊維の表面に、セメントペーストを被覆して、全体を固化する。【００３１】
図３の工程（Ａ）に示すように、セメントペースト６をセメント容器７に貯留しておき、そこに、前記炭素繊維束１ａを大気中で直線状にした状態で、セメント容器７に貯留されたセメントペースト６に浸漬させて、含浸させる。【００３２】
前記セメントペースト６は、水と減水剤とをセメントに混ぜて形成したものである。この配合例は、例えば、ポルトランドセメントが１００重量部として、シリカヒュームが５〜２０重量部、水が１６〜４０重量部、減水剤（ポリカルボン酸系、ナフタリン系、アミノスルホン酸系などの市販の公知の物）が０．５〜５重量部である。なお、シリカヒュームは粘性力や粘着力を増す効果があるが、その量を増やしすぎると固化しなくなるので、水酸化カルシュームや水酸化アルミニウムを適宜に若干加え、ポゾラン反応を起こすのが好ましい。【００３３】
前記炭素繊維束１ａにセメントペースト６を含浸させる際に、エアー抜きを行うことが好ましい。それには、例えば、加振装置により振動をセメント容器７を介して炭素繊維束１ａに加えることや、炭素繊維束１ａを上下左右に揺らすことや、図３の工程（Ｂ）に示すように、真空容器５の内部に載置して真空中（真空脱泡）で含浸を行うことによって、エアー抜きが為される。なお、真空中で行うことが困難であれば、セメントペースト６を含浸させた炭素繊維束１ａを、後工程で真空引きにするとこともできる。【００３４】
そして、前記炭素繊維束１ａを型枠に入れたり、ホース状の枠体の中に入れたりして、この炭素繊維１ａをぶら下げ若しくは水平保持して蒸気養生し、前記炭素繊維束１ａを固化させて、その後、全体を所要長さに切断することによって、図３の工程（Ｃ）に示すように、棒状体の炭素繊維筋１を形成するものである。【００３５】
以上のように、炭素繊維のトウの束を撚り合わせて１本の炭素繊維束１ａとし、前記炭素繊維束１ａを、二酸化ケイ素を主成分とする微粒子を水に溶解してなるコーティング溶液３の中に浸し、前記コーティング溶液３から取り出した炭素繊維束１ａを水分除去手段で当該炭素繊維束１ａから水分を除去し、前記炭素繊維束１ａをセメントペーストの溶液中に浸し、その後、前記炭素繊維束１ａを型枠などに入れて、養生して固化させて棒状体に形成する。【００３６】
また、前記炭素繊維束１ａを、コーティング溶液中に浸す時に、若しくは、セメントペーストの溶液中に浸す時に、または、これらの含浸工程の後の工程において、含浸効率を高めるために、加振装置を用いて、当該炭素繊維束１ａに振動を加えることや、真空装置で真空引きすることが好ましい。これでエアー抜きが行われて含浸効果が高まるものである。
【実施例２】
【００３７】
本発明に係る炭素繊維筋の連続製造装置８の構成について説明する。この炭素繊維筋の連続製造装置８は、図４に示すように、真空ポンプ１０と、該真空ポンプ１０が接続された真空用容器９と、該真空用容器９内に回転自在に備えられて巻き取られた炭素繊維束１ａを繰り出すドラムと、前記真空用容器９に接続され垂設されたパイプ１１と、該パイプ１１の下端が液中に埋没されるようにセメントペーストを蓄えるセメント容器７と、からなる。【００３８】
前記パイプ１１の一部に、加振装置１２が取り付けられて、炭素繊維束１ａに連行される空気や余分な泡を抜き取る構成とする。
【実施例３】
【００３９】
上記炭素繊維筋の連続製造装置８の使用方法は、図４に示すように、この連続製造装置８を形成して、炭素繊維束１ａを、二酸化ケイ素を主成分とする微粒子を溶解してなる溶液中に浸してコーティングした後、この炭素繊維束１ａをドラム２ａに巻き付けて前記真空用容器９内に設置し、前記炭素繊維束１ａの一端を前記パイプ１１から前記セメント容器７に挿通させて外部に取り出す。【００４０】
図４の連続製造装置８は、前記真空ポンプ１０を駆動させて真空ホース１０ａで真空引き（真空脱泡）しエアー抜きしながら、前記炭素繊維束１ａを外部に引き出して連続して製造するものである。【００４１】
前記真空用容器９が真空ポンプ１０で真空引きされることで、セメント容器７のセメントペースト６がパイプ１１の中を約５ｍ程度、大気圧によって引き上げられる。このセメントペースト６を直線状に炭素繊維束１ａが上から下へと挿通して、セメントペースト６が炭素繊維束１ａの外周面や繊維間に含浸される。【００４２】
また、加振装置１２により、炭素繊維束１ａにセメントペースト６が含浸する際に、エアー抜きが行われて、空気や泡が除去されてセメントペースト６の含浸作用を効率よくする。【００４３】
前記セメント容器７に挿通させて外部に取り出された炭素繊維筋束１ａは、その後、型枠などに入れられて蒸気養生され、固化されて所要長さに切断されて炭素繊維筋１ａとなる。【００４４】
以上のようにして形成された炭素繊維筋１は、型枠の中に配筋してコンクリートを打設することで、鉄筋に代わってコンクリート構造体の補強筋となり、引張に強く耐久性に富んだコンクリート構造体にするものである。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明に係る炭素繊維筋とその製造方法および連続製造装置とコンクリート構造体は、コンクリート構造物の鉄筋に代わる補強筋としてコンクリート躯体ばかりでなく、各種の構造体にも広く使用することができる。
【符号の説明】
【００４６】
１    炭素繊維筋、              １ａ  炭素繊維束、
１ｂ  トウ、                    １ｃ  炭素繊維、
１ｄ  トウの束、
２    撚り装置、                ２ａ  ドラム、
３    コーティング溶液、
４    コーティング容器、
５    真空容器、
６    セメントペースト、
７    セメント容器、
８    連続製造装置、
９    真空用容器、
１０  真空ポンプ、            １０ａ  真空ホース、
１１  パイプ、
１２  加振装置。
【要約】
要約
炭素繊維(1c)の表面に、二酸化ケイ素を主成分とする微粒子をコーティングし、前記微粒子でコーティングされた炭素繊維の表面に、セメントペーストを被覆して、全体を固化された炭素繊維筋(1)とすることによって、鉄筋の代わりに、この炭素繊維筋をコンクリート構造体に埋設した場合に、高い力の伝達効率や大きな補強効果が得られる。
選択図  図１【図１】
0005438870.tif 000002
【図２】
0005438870.tif 000003
【図３】
0005438870.tif 000004
【図４】
0005438870.tif 000005