(57)【要約】  繊維材料を使用して安定化され、コンクリート、セメントベースの鉱物または鋼と繊維材料との中間層として、その熱膨張係数が、各場合のコンクリートまたは鋼の熱膨張係数と、各場合の繊維の熱膨張係数の中間にある石材が使用されることを特徴とする、プレートまたはブロックの配置、またはコンクリート、セメントベースのミネラルまたは鋼の形状。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維材料を使用して安定化され、コンクリート、セメントベースの鉱物または鋼と繊維材料との中間層として、その熱膨張係数が、各場合のコンクリートまたは鋼の熱膨張係数と、各場合の繊維の熱膨張係数の中間にある石材が使用されることを特徴とする、プレートまたはブロックの配置、またはコンクリート、セメントベースのミネラルまたは鋼の形状。
【請求項２】
石が天然石、人工石またはセラミックであることを特徴とする、請求項１に記載の配置。
【請求項３】
石安定化繊維が、炭素繊維、ガラス繊維、石繊維もしくは天然繊維またはこれらの繊維の混合物のいずれかであることを特徴とする、請求項１および２に記載の配置。
【請求項４】
石層が繊維によってプレストレスされることを特徴とする、請求項１〜３に記載の配置。
【請求項５】
繊維が樹脂または水ガラスで結合され、石に接続されていることを特徴とする、請求項1〜4に記載の配置。
【請求項６】
繊維・石構造がコンクリートに鋳造されることを特徴とする、請求項１〜５に記載の配置。
【請求項７】
繊維・石構造がコンクリートまたは鋼構造の表面に取り付けられていることを特徴とする、請求項1〜6に記載の配置。
【請求項８】
石板または石棒が粗い表面を有することを特徴とする、請求項１〜７に記載の配置。
【請求項９】
石棒が非線形形状を有することを特徴とする、請求項１〜８に記載の配置。
【請求項１０】
石棒が波形を有することを特徴とする請求項９に記載の配置。
【請求項１１】
石棒または石板に、特定の間隔で溝、ノッチ、またはくぼみがあり、石材とコンクリートまたはセメントとの接着を改善することを特徴とする請求項1〜10に記載の配置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セメントおよび鋼ベースの構造の補強に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄筋コンクリートは、鉱物成分に引張安定性を与えるための、セメントベースの鉱物混合物と鋼補強の組み合わせである。
【０００３】
これにより、静的または動的な負荷が原因で鉱物成分が壊れたり、崩れたりすることなく、圧力を吸収できる。そのようして初めて、鉱物は、建築物、橋梁、および他の構造物、ならびに既成の梁、壁、天井、床、または枕木などの、それらのコンポーネントを建設するための、建設部門で使用できる材料になる。
【０００４】
したがって、鋼とコンクリートの熱膨張係数は約10-12 x 10-6/Kと事実上同じであるため、接続場所は、通常、建物が操業中にさらされる、変化する温度条件の下で優れて機能する。
【０００５】
さまざまな理由により、スチールインサートには限界がある。一方では、鋼材に寿命があるからであり、他方では、粗鋼の大量生産でのCO2排出量が多く、今日生産される全鋼材の50％は、コンクリートの補強材として建設部門で使用されるため、気候研究で批判にさらされているからである。
【０００６】
鋼とは対照的に、補強材として、エネルギー消費とCO2発生量が少ない他の引張安定材料を使用できるものの、鋼とコンクリートの特性の優れた適合性は、他の材料では達成することが困難である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このため、本発明は、ここでさらに一歩踏み込んで、コンクリート構造内の鋼材を代替し、それにより、同時に、あまりに多くの産業にCO2問題を解決するように求めることのない、より環境にやさしい方法を備える材料を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための本発明は、繊維材料を使用して安定化され、コンクリート、セメントベースの鉱物または鋼と繊維材料との中間層として、その熱膨張係数が、各場合のコンクリートまたは鋼の熱膨張係数と、各場合の繊維の熱膨張係数の中間にある石材が使用されることを特徴とする、プレートまたはブロックの配置、またはコンクリート、セメントベースのミネラルまたは鋼の形状。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、コンクリート構造内の鋼材を代替し、それにより、同時に、あまりに多くの産業にCO2問題を解決するように求めることのない、より環境にやさしい方法を備える材料を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ファイバーコーティングされた花崗岩（２）の帯板で安定化されたコンクリートモジュール（１）を示している。
【図２】ファイバーコーティングされた花崗岩（２）の帯板で安定化されたコンクリートモジュール（１）を示している。
【図３】壁などの平面配置の断面を示しており、コンクリート構造物（１）がカーボン（２）でコーティングされた2つの石板（３）に囲まれている。
【図４】図３と同じ構造を示していますが、天候や紫外線からカーボン層を保護する石でできた追加の層（４）がある。
【図５】鋼製の梁（１）の下に石材層（２）が接着されており、接着によって炭素繊維の層（３）も下に接着されていることを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明について詳細に説明する。
【００１２】
まずは、コンクリートの補強材として、鋼材だけを代替する必要がある。
【００１３】
本発明は、あらゆる種類の石材を安定させるために、繊維材料を使用する先行特許取得発明に基づいている。これはすなわちEP 106 20 92であり、それは、天然石などの石材を、炭素繊維を使用して補強することで、より柔軟にする方法を説明している。石とカーボンは、広い温度範囲で、分離することなく、安定を保つのに最適な特性を備えている。さらなる発明であるEP 08 850 003.8は、なぜこれが機能するかを説明している。石は、多孔性であるため、石が圧力下にある間、体積圧縮率によって異なる膨張係数を補償する。このことは柔軟性という形で現れる。
【００１４】
ここで説明する新しい発明は、さらに一歩進めて、例えば、天然石はセメントやコンクリートよりもはるかに高い引張強度を持っているため、圧力下にある場合だけでなく、引張応力下にある場合でも、様々な材料の弾性率を考慮に入れる。例えば、天然石は比重がアルミニウムと等しいだけでなく、驚くべきことに、アルミニウムとほぼ同じ剛性と弾性係数を有する。弾性係数は、花崗岩の種類に応じて40〜90 GPaである。純アルミニウムの弾性係数は70GPaである。
【００１５】
この比較的高い柔軟性は、圧力の範囲が石の圧力負荷限界を超えない限り、また、引張負荷が石の引張負荷限界内にある限り、破砕することなく使用できる。ここで使用される知識には、EP 08 850 003.8に記載されているように、石が体積圧縮性を有するばかりでなく、降伏限界内では、破砕することなく体積を膨張可能であることも含まれる。
【００１６】
石は、この固有の柔軟性を備えていて、例えば、カーボンの膨張係数とコンクリートのそれの中間の膨張係数を持っているため、膨張係数が異なる複数の材料の媒介物になる。同じことが鋼にも当てはまる。したがって、石はコンクリートと炭素繊維の媒介物としてだけでなく、炭素繊維と鋼の媒介物としても機能し得る。この特性は、例えば、橋梁の改修に関して、コンクリート製の橋梁ばかりでなく、鋼鉄製の橋梁でも、興味をそそる。これにより、石はさまざまな熱膨張係数を持つさまざまな材料の接続の媒介物となり、圧力下での体積圧縮性と、繊維によって制御される張力の下での比較的高い弾性とにより、ヘアライン亀裂を形成せずに動力伝達を制御する。ただし、特に大きな温度変化が力学的に接続にストレスを加える場合はそうではない。これにより、大きな温度変化が発生した場合に、長炭素繊維をコンクリートや鋼構造物に組み込むことが可能になり、コンポジット全体がそれぞれのコンポジットパートナーから分離することがなくなる。長炭素繊維の膨張係数は、約1 x 10-6 / Kであり、コンクリートの膨張係数は、コンクリートの種類によって異なるものの、10〜12 x 10-6 / Kである。 
【００１７】
大部分の天然石の場合のように、膨張係数が5〜6 x 10-6 / Kの石材媒介物を選択した場合、-40°C〜80°Cの温度範囲で、コンクリートを安定させることが可能であり、長さの変化が異なるために、境界層で過負荷が発生して、材料間の接着結合が破壊されるということがない。これにより、長炭素繊維とコンクリートまたは鋼との間に永続的な接続が生成される。
【００１８】
提案された接続は、コンクリートまたは鋼で作られた橋梁の改修にも使用できる。これは、石・カーボン製の接着されたボトムベルトで再び耐久性を持たせることができる。
【００１９】
図1および2は、ファイバーコーティングされた花崗岩（2）の帯板で安定化されたコンクリートモジュール（1）を示している。これにより、2つの石の層の間に配置された炭素繊維層（3）はコンクリートに直接ほとんどまたは全く接触しない。石層の厚さにより、材料による膨張量の違いが剥離応力を超えない温度範囲が決定される。許容温度範囲が広いほど、カーボン層の厚さに対する石層の厚さの比率も大きくなる。カーボン層は、必要に応じて、溝（5）内の弾性スペーサー（4）によって端面で分離されている。これにより、カーボンとコンクリートの材料がこの点でも剥離するのを防止する。このような剥離は、進行性の損傷の開始点になる可能性がある。カーボン・石構造の対応する波形と、結果として生じるカーボン構造の伸張は、非臨界温度範囲を大幅に増大させ、さまざまな応力条件での石とコンクリート間の摩擦接着を最適化する。
【００２０】
図3は、壁などの平面配置の断面を示しており、コンクリート構造物（1）がカーボン（2）でコーティングされた2つの石板（3）に囲まれている。ここでも、コンクリートと長炭素繊維の直接接触は、適切な厚さの石の層によって力学的に分離されている。
【００２１】
図4は、図3と同じ構造を示していますが、天候や紫外線からカーボン層を保護する石でできた追加の層（4）があります。
【００２２】
図5は、鋼製の梁（1）の下に石材層（2）が接着されており、接着によって炭素繊維の層（3）も下に接着されている。鋼桁（1）は、温度が変化したとき、たとえば、自重により両端が支持されている場合は、鋼桁は反対方向への曲げ力を被ることになるのだが、適切な石材の高い弾性により、膨張することができ、カーボン層が石から剥離したり、鋼製の梁が曲がったりしない。鋼部品の膨張を補う石材層のおかげで、鋼梁は、安定化カーボン層から剥がれることなく、真っ直ぐのままでいられる。
【００２３】
すべての場合において、EP 08 850 003.8に記載されているように、マトリックス結合長繊維層は、炭素繊維、ガラス繊維、石材繊維、またはこれらの繊維の混合物で構成されていて、理想的にはプレストレス下の石材を保持する。セメントと石材との理想的な摩擦接着は、石材の表面が粗く、理想的には完全に直線的な形状ではない場合に、すなわち、石材は、その両端または表面に一定の間隔で溝があること、また、必要に応じて、石とコンクリートの摩擦を増加させ、繊維の伸びを許容する、波形をしている場合に確立される。繊維と石材の接続を作り出すマトリックスは、合成樹脂または水ガラスベースのバインダーのいずれかで構成される。ここにおいて、石の粗面も役立つ。すべての高張力長繊維は有用であり役、鋼の代替としてコンクリートの補強のために使用することができる。これらには特に炭素繊維が含まれるが、それだけでなく、高剛性のガラス繊維および石繊維もしくは天然繊維、またはこれらの繊維の混合物を含む。
【００２４】
炭素繊維や麻繊維がバイオマスから作られ、CO2バランスが負であるならば、CO2バランスが正である鋼を代替することで環境保護を支援できる。理想的には、CO2排出量が少ない、またはライフサイクル全体でCO2マイナスになる仕方で生産される、セメントベースの材料も使用する。
【００２５】
〔まとめ〕
本発明は、コンクリートおよびセメントベースの材料および鋼の新しいタイプの安定化に関する。安定化は、繊維で安定化された石棒または石板による補強によって行われる。
【００２６】
石は天然石または人工石であることができ、その熱膨張係数は、結合される材料の熱膨張係数の中間にある。つまり、当該繊維の係数と、コンクリートや鋼など、当該セメントベース建設材料の係数の中間にある。石は、熱膨張挙動が異なる繊維とコンクリートまたは鋼の中間にある補償接続要素になる。天然繊維およびCO2から製造される炭素繊維に関してと同様に、繊維が生産中に炭素を固定するならば、とりわけ、CO2を大量に発生させる鋼を代替し、建設材料のCO2排出量を少なくするために、長繊維で安定化されたコンクリート構造物を使用することが、上記により可能になる。
【００２７】
石とコンクリートまたはセメントと摩擦接続を最適化する必要がある場合、石は非線形の形状および/または表面を有するのが好ましい。鋼の安定化の場合、石・炭素の板または帯板を鋼に接着するのが好ましい。これは、好ましくはエポキシ樹脂を用いて達成することができる。
【００２８】
スタビライザーが波形の棒状である場合、膨張時に長繊維を伸ばすことができ、炭素繊維とコンクリートまたは鋼の非常に異なる膨張係数の調整が大幅に改善される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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