(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平均線径が０．３ｍｍ〜２ｍｍのモノフィラメントを１方向乃至２方向に並列に引き揃え、該モノフィラメントの形態を保持できる程度の細径の糸を経糸及び緯糸として各方向に配列して、該形態を保持させてなる構造物補強用繊維シート。
【請求項２】
モノフィラメントの引張弾性率が２０〜１５０ＧＰａである請求項１の構造物補強用繊維シート。
【請求項３】
請求項２のモノフィラメントがポリオキシメチレン製であり、このモノフィラメントが糸により織り加工、若しくは編み加工された構造物補強用繊維シート。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はコンクリート及び木造、鉄骨造、鉄骨鉄筋コンクリート造の土木・建築構造物並びに地盤などを補強するための構造物用繊維シートに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の高強度繊維を用いた補強用繊維シートとしては、カーボン繊維やアラミド繊維、ガラス繊維など、線径が５〜５０μｍの単糸（原糸）を用いるのが殆どであり、この他にこれら繊維の単糸を配列してプレプリグして作製したシート、あるいは単糸を撚って加工したマルチフィラメントのストランドを織るなどして作製した繊維シートがあった。
【０００３】
しかし、これらの細径の繊維（原糸）を用いたシートは、ＦＲＰにしない場合繊維単位断面積あたりの引張強度が原糸の約１５％〜約７０％に低下する問題があった。それ故、これをコンクリート構造物などの補強に使用する場合には、シートに樹脂を含浸させてＦＲＰにして使用していた。しかし、その場合でも引張強度が原糸の約７０％〜約８０％に低下する問題があった。これは各単糸が細いため、ＦＲＰにしてもシートに応力が作用した場合に単糸１本１本にかかる力が異なり、ミクロ的な応力集中が発生し、シート全体として見た場合引張強度が低下するからである。
【０００４】
また、前記のＦＲＰとしたシートの強度を向上させようと、シート１枚の単位面積当たりの繊維量（目付量）を増やすと、樹脂の含浸が困難になるという問題もあった。具体的には、シートをコンクリート造の土木・建築構造物の表面に配置した後、シートに樹脂を含浸させてＦＲＰにする方法であるが、細径の繊維は単糸間の空隙が微細でかつシートの厚みが増すため、樹脂の含浸が難しく、ローラー状のコテや手で押圧する必要があり、手間がかかり高い技能を要する問題があった。
ＦＲＰ化されたシートの強度は樹脂の含浸度に大きく依存する。つまり樹脂の含浸が十分でないとＦＲＰの強度は向上しない。施工現場でシートに樹脂を含浸させる場合、樹脂の含浸度は硬化するまで把握する事が困難であり、そのため施工の確実度が低くＦＲＰの強度がばらつき、確実な補強効果が得られない問題があった。
【０００５】
また、シート表面に防護・美観上の目的からモルタルを塗布して仕上げ層とする場合、カーボン繊維やアラミド繊維などの細径繊維を用いたシートをＦＲＰとして用いた場合、表面が比較的平滑でモルタルとの付着性が悪いため、表面に硅砂を吹き付けたり、別途３次元織物シートを配置するなどしてモルタルとの付着力を確保する必要があった。硅砂を吹き付けるには施工現場で粉塵・騒音が発生するので施工環境が劣悪になると同時に、工程が増え工期が長くなる問題があった。３次元織物シートは非常に高価であり、高コストになると同時に別途該シートを配置するので工程が増え、工期が長くなるなどの問題があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来の補強用繊維シートの問題点を解決し、コンクリート及び木造、鉄骨造、鉄骨鉄筋コンクリート造の土木・建築構造物の柱、梁、壁、床、煙突、トンネルなどの構造部材や路盤などを補強する際に、効果的で確実な補強を実現し、かつ該補強の施工が容易であると同時に、低コストなシートを提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために鋭意検討した結果本発明をなすに至った。即ち、本発明は、
平均線径が０．３ｍｍ〜２ｍｍのモノフィラメントが該モノフィラメントよりも細径の糸によりシート状の形態を保持させてなる構造物補強用繊維シート、および、モノフィラメントの引張弾性率が２０〜１５０ＧＰａである前記の構造物補強用繊維シート、さらには、前記のモノフィラメントがポリオキシメチレン製であり、このモノフィラメントが糸により織り加工、若しくは編み加工された前記の構造物補強用繊維シートである。
【０００８】
本発明でシートに用いるモノフィラメントは、平均線径が０．３ｍｍ〜２ｍｍの太径高強度モノフィラメントである。ここで糸の太さを表す「平均線径」とは単糸の断面が矩形など円形でない場合に、断面積を円周率で除したものの平方根を示している。例えば、幅１．５ｍｍ厚み０．５ｍｍの矩形断面のモノフィラメントの場合、平均線径は０．５ｍｍになる。平均線径は大きいほど応力集中に対して強くなるが、平均線径が２ｍｍ以上になると通常の織機ではシート加工が難しくなり、加工能率が悪くなる。また、平均線径が０．３ｍｍ未満では応力集中に対して弱くなり、構造物の補強に必要なシートの単位断面積当たりの引張強度を得るためには、樹脂を含浸する工程が必要になる。平均線径が０．４ｍｍ〜１．５ｍｍであると、応力集中に対する強さと織り機などの加工機で加工がしやすく、さらには部材表面にシートを配置して補強する際に、出入隅などに隙間なくシートを配置できる上、部材形状に対する追従性に優れる。なお、モノフィラメントの厚みは０．３ｍｍ以上である方が面外剛性が大きく補強した部材の初期曲げ剛性を向上させることができる点で好ましい。
【０００９】
また、モノフィラメントの引張弾性率は大きい方が補強効果は高いが、コンクリートや木などの補強する材料の弾性率との関係及び施工能率等を考慮すると、２０〜１５０ＧＰａである事が必要である。好ましくは４０〜１００ＧＰａである。
本発明のシートに用いるモノフィラメントの材質にはナイロン、ポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレンなどがあるが、中でもポリオキシメチレン製であると好適である。
【００１０】
ポリオキシメチレンのモノフィラメントは腰があり、高倍率延伸が可能であり、比較的簡単にモノフィラメントの引張弾性率を高くできる。ポリオキシメチレンのモノフィラメントの製造方法は、例えば特開昭６０−１８３１２２号公報に開示されている方法によって得られる。即ち、ポリオキシメチレン未延伸体を成形した後、これを熱媒中で連続的に加熱・加圧しながら１０倍以上に延伸する方法である。
【００１１】
特開平３−１７３０３号公報に開示されているように、ポリオキシメチレンのモノフィラメントの場合、延伸比と引張弾性率・引張強度は、ある程度相関がある。即ち、ポリオキシメチレンの引張弾性率２０ＧＰａは引張強度約１．７ＧＰａに相当し、引張弾性率４０ＧＰａは引張強度約２．３ＧＰａに、引張弾性率１５０ＧＰａは引張強度約６．２ＧＰａに相当する。従ってポリオキシメチレンのモノフィラメントの場合、高引張弾性率であれば高引張強度でもある。また、延伸比と破断伸度もある程度相関がある。即ち、ポリオキシメチレンの引張弾性率２０ＧＰａは破断伸度約９％に相当し、引張弾性率４０ＧＰａは破断伸度約５％に、引張弾性率１００ＧＰａは破断伸度約３％に相当する。延伸比をあまり高くすると、引張弾性率が大きくなり、初期の補強効果は向上するが、破断伸度が低くなり補強した際の変形性能が低くなってしまう。従って、引張強度の面等を考えると引張弾性率は上述したように２０〜１５０ＧＰａである必要があり、好ましくは４０〜１００ＧＰａである。
【００１２】
本発明のシートは、上記のポリオキシメチレン製のモノフィラメントを１方向あるいは２方向に間隔をおいて整列させ、細径の糸でシート状に支持することにより得られる。シート状にするには、例えばモノフィラメントを糸で編み加工もしくは織り加工したり、１方向あるいは２方向に配列したポリオキシメチレン線状体の間に、補助経糸および緯糸として細径のナイロン、ポリエステル、ポリエチレン、ガラス繊維など配し、該緯糸の交差部を溶着する方法が挙げられる。該モノフィラメントを２方向に配列させる際は、２方向間の角度は９０度や４５度にする他、補強する部材に作用する力の方向などに応じて決定することが出来る。
ここで用いる糸は、平均線径が５．０〜５０．０μｍ程度が好ましく、材質としては、ナイロン、ポリエステル、ポリエチレン、ガラス繊維などがあげられる。
【００１３】
以下、本発明のモノフィラメントのシートへの加工の一例として、織り加工について述べる。
まず、モノフィラメントを１方向に間隔を持って並列に引き揃えたのち、モノフィラメントの補助経糸および緯糸として前記の糸を織り込んでシート化する方法がある。また、ポリオキシメチレンモノフィラメントを２方向に配列する場合は、該モノフィラメントを２方向それぞれに間隔を持って並列に引き揃えたのち、各方向のポリオキシメチレンモノフィラメント間に補助経糸および補助緯糸として前記の糸を配置して該補助経糸および補助緯糸を用いて、ポリオキシメチレンモノフィラメントからなる縦糸、横糸を織り込んでシート化する方法がある。なお、同様に補助経糸若しくは補助緯糸を編み込んでシート化する方法がある。
【００１４】
好ましい形態の一例としては、例えば線径が０．３〜２ｍｍのものを５〜４００本、より好ましくは線径が０．４〜１．５ｍｍのものを２０〜４００本集合させてシート化する方法がある。
さらに織り編み加工以外に、１方向あるいは２方向に配列したポリオキシメチレン線状体の間に、補助経糸および緯糸として細径のナイロン、ポリエステル、ポリエチレン、ガラス繊維など配し、シートの糸の交差部を熱あるいは高周波などで溶着することによりシート化する方法がある。
【００１５】
モノフィラメントの断面をほぼ矩形に近く製造することも出来る。この場合単糸間の空隙を小さくなるため、同じ目付量でもシート厚さを薄くする事ができる。
並列する各モノフィラメントのあき間隔は、期待する補強効果や内容によって変わってくるが、モノフィラメントを互いに密に相接するまで、（１層の）繊維量を増やす事も可能である。
【００１６】
本発明によるシートを織り加工によって作製した例を示す。図１は経糸としてモノフィラメント３を互いに間隔をあけて並列に配置し、糸４を縦糸のモノフィラメント３の間に補助経糸として配すると共に、ポリエチレン糸４を経糸に垂直に配した緯糸に用いて織ったシートの平面図である。図２は図１のシートの断面図である。図３は経糸及び緯糸としてそれぞれモノフィラメント３を互いに間隔をあけて並列に配置し、糸４を縦糸および緯糸のモノフィラメント３の間にそれぞれ補助経糸および補助緯糸として配すると共に、４の補助経糸、補助緯糸を用いてモノフィラメント３の経糸、緯糸を織り込んだシートの平面図である。
【００１７】
本発明の構造物補強用繊維シートは、コンクリートを始め、木造、鉄骨造、鉄骨鉄筋コンクリート造等の土木・建築構造物などの補強に利用できる。具体的には、柱、梁、壁、床、煙突、トンネルなどの構造部材や路盤などが挙げられ、特に橋脚や構造物のピロティ柱の補強に好適である。補強の対象となる構造物としては、既存の構造物ならびに新築のものでも良い。特に既存の構造物の補修・補強に適している。
【００１８】
本発明の繊維シートの施工方法には、補強しようとする構造物の表面にエポキシ系やアクリル系などの接着材を塗布し、その上から繊維シートを貼り付ける。必要に応じてこの上から樹脂等を含浸させてＦＲＰさせてもよい。また、例えば橋脚やピロティ柱などの独立柱部材では、材軸に垂直方向に巻き付けてシート端部を重ねて結合して閉鎖型とし、せん断補強することも出来る。
【００１９】
図４はポリオキシメチレンモノフィラメント３を並列にあき間隔をほぼゼロに配置したシート２を、コンクリート柱１の表面に、材軸の直角方向に巻き付けてせん断補強した例を示す。
前記の様に、シートを構造物の表面に配置した後、このシートの上に防護・美観・耐火上の目的から、モルタル等を塗布することもできる。太径のモノフィラメントを用いているのでシート表面が比較的大きな凹凸状になっており、モルタルに対するアンカー効果を発揮し、シート表面またはシート表面に接着材を塗布した上に直接モルタルを塗る事が可能である。
さらに、本発明のシートを地中に水平に埋設させて地盤を補強することも可能である。
【００２０】
【作用】
本発明の構造物補強用繊維シートは、一定の太さを有するポリオキシメチレン製のモノフィラメントから構成されていることにより、カーボン繊維やアラミド繊維などの細径繊維を用いたシートのように樹脂を含浸せずとも、シートの繊維単位断面積あたりの引張強度が原糸のそれに対して殆ど低下しない事を実験で確認している。従って、シートの応力集中を緩和できるとともに、シート厚が厚くなるので面外曲げ剛性が高くなる上、例えばコンクリート等の建築部材などを補強した場合に、部材に作用する曲げせん断力に対し、高い初期剛性が得られる。また、樹脂含浸の必要がないという事は、シートの目付量を抑える必要が無く、高目付量を実現することも可能にもなる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
【００２２】
【実施例１〜４及び比較例１〜３】
引張弾性率が４０ＧＰａのポリオキシメチレンのモノフィラメントを４ｍｍの間隔で配置して経糸とし、これらを線径３０μｍの細径ポリエチレン糸の緯糸を１０ｍｍ間隔で配置して織り加工したシートを得た。この試験体にエポキシ系樹脂を５００ｇ／ｍ2含浸させたものと、樹脂を含浸しないものとの両者について単純引張試験を行った。単糸の引張強度も併せて単位断面積当たりの強度を測定した。また、シートの引張強度を単糸の引張強度に対する強度低下率として評価し表１の（  ）内に表示した。
【００２３】
比較例１として、単糸を配列してプレプリグして作製したカーボン繊維シート、比較例２としてマルチフィラメントに加工したストランドしたアラミド繊維シート、さらに比較例３としてのポリオキシメチレンモノフィラメントについても同様の評価を行った。実施例および比較例の各シートの単位面積当たりの繊維量は実施例と同様２００ｇ／ｍ2とし、試験体数はそれぞれに付き５０体ずつである。ポリオキシメチレン繊状体の間隔は比較例１では１．７ｍｍ程度である。比較例２および３の繊維シートでは、単糸間隔は事実上ほぼ０である。
【００２４】
結果を表１に示す。表１から平均線径０．３ｍｍ以上のポリオキシメチレンモノフィラメントを用いたシートは、樹脂の含浸の有無にかかわらず引張強度の低下がほとんど生じない事が分かる。比較例２のカーボン繊維及び比較例３のアラミド繊維を用いたシートでは、樹脂を含浸しない場合では最大８７％の強度低下が起こることが分かる。比較例１と実施例１〜３を比較すると、本発明による平均線径０．３ｍｍ以上の高強度モノフィラメントの方が樹脂を含浸しないシートでの強度低下が小さいことが分かる。
【００２５】
平均線径が１．０ｍｍより大きいポリオキシメチレンモノフィラメントを用いたシートでも、樹脂を含浸しない場合の強度低下が無い事がわかっているが、線径が１．５ｍｍ以上のポリオキシメチレンモノフィラメントでは、フィラメントが太すぎるため、織り機を用いて前述の方法でシート加工する事が困難であった。この場合、溶着加工にて製造する事は可能であった。しかし、線径が２．０ｍｍ以上のポリオキシメチレンモノフィラメントになると、さらにフィラメントが太くなるため、溶着加工を用いる場合でも、加工機によって１方向に配列することが難しくなり、製造上困難であった。
このようにＦＲＰせずともシート自体の強度が高いので、構造物の部材補強に用いた場合も高い補強効果が得られる。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
【発明の効果】
本発明のシートを構造物の補強に使用した場合、樹脂を含浸しなくても所定の強度が得られる。したがって、シートに樹脂を塗布し押圧するといった手間が省けると同時に高い技能を必要とせず、施工によるシート強度のばらつきを抑える事ができ、該シートを用いて補強すれば確実な補強効果を得ることができる。
また、樹脂含浸が不要なため繊維シートの目付量を多くすることも可能である。太径繊維を用いることでシートの応力集中を緩和できるとともに、シートが厚い事によって面外曲げ剛性が高くなり、該シートによる補強で部材に高い初期剛性が得られる。
該高強度フィラメントは、通常の織り機などで容易にシート状に加工する事ができるとともに、シートを部材表面に配置する際の部材形状に対する追従性に優れる。
【００２８】
シート表面の大きな凹凸形状は、モルタルに対するアンカー効果があり、シート表面またはシート表面に接着材を塗布した上に直接モルタルを塗布し仕上げる事が可能であり、珪砂吹き付けなどが不要で工程と工期を短縮でき、かつコストを低減できる。
以上のように、本発明のシートをコンクリート造、鉄骨鉄筋コンクリート造及び木造、鉄骨造などの土木・建築構造物、および地盤などの補強に利用する事により、施工による強度のばらつきの少ない確実な補強効果を、安価に簡便に短時間の施工で実現できる。
したがって、補強に使用する場合ＦＲＰにする必要がないので、樹脂の含浸作業が不要になり、シートに樹脂を塗布しコテや手で押圧するといった手間が省ける。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例のうち、１方向にモノフィラメントを配置して織り加工したシートの平面図である。
【図２】図１のシートの断面図である。
【図３】本発明の実施例のうち、２方向にモノフィラメントを配置して織り加工したシートの平面図である。
【図４】本発明によるシートで補強したコンクリート柱の一例の斜視図である。
【符号の説明】
１  コンクリート柱
２  シート状体
３  ポリオキシメチレンモノフィラメント
４  ポリエチレン糸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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