(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素繊維からなる補強繊維と、周囲を絶縁性の繊維状物の被覆材で被覆割合が９０％以上となるように捲回被覆された金属線とが、一体となってシート状補強用繊維基材を形成し、かつ、前記補強繊維に対する金属線の体積割合が４％以下であることを特徴とする、補強用繊維基材。
【請求項２】
該金属線が、該補強繊維の配向方向と同一方向に配列していることを特徴とする請求項１に記載の補強用繊維基材。
【請求項３】
該金属線が、該補強繊維の配向方向に対して、角度を有して配列していることを特徴とする請求項１に記載の補強用繊維基材。
【請求項４】
該金属線が、該補強繊維の配向方向に対して、同一方向および角度を有して配列していることを特徴とする請求項１に記載の補強用繊維基材。
【請求項５】
前記絶縁性の繊維状物の被覆材が、フィラメント糸であることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれかに記載の補強用繊維基材。
【請求項６】
前記絶縁性の繊維状物の被覆材が、金属線の周囲にＳＺ両方向に捲回被覆されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の補強用繊維基材。
【請求項７】
前記絶縁性の繊維状物の被覆材により金属線が被覆されていない部分で、直径１０μｍ以上の球が通り抜けられる箇所の個数が、前記金属線の長さ方向１０ｃｍの間に、５個以下であることを特徴とする、請求項１ないし６のいずれかに記載の補強用繊維基材。
【請求項８】
前記シート状補強用繊維基材が巻管に捲回され、前記被覆された金属線の太さが、基材厚みの１００％以下であることを特徴とする、請求項１ないし７のいずれかに記載の補強用繊維基材。
【請求項９】
前記金属線が、ニクロム線であることを特徴とする、請求項１ないし８のいずれかに記載の補強用繊維基材。
【請求項１０】
前記シート状補強用繊維基材が、１方向に並行に配列した補強繊維を接着剤により支持体に接着固定されてなるトウシートである、請求項１ないし９のいずれかに記載の補強用繊維基材。
【請求項１１】
前記シート状補強用繊維基材が、補強繊維をＢステージ状態の熱硬化性樹脂で一体化してなるプリプレグである、請求項１ないし９のいずれかに記載の補強用繊維基材。
【請求項１２】
前記シート状補強用繊維基材が織物である、請求項１ないし９または１１のいずれかに記載の補強用繊維基材。
【請求項１３】
前記金属線が、シート状補強繊維基材の隣り合う補強繊維糸条間に配列したことを特徴とする、請求項１ないし１２のいずれかに記載の補強用繊維基材。
【請求項１４】
前記金属線が、２ヶ所以上並行に配列したことを特徴とする、請求項１ないし１３のいずれかに記載の補強用繊維基材。
【請求項１５】
請求項１ないし１４のいずれかに記載の補強用繊維基材を、構造物あるいは構造物と一体となってＦＲＰとした後、前記金属線の抵抗変化から、前記構造物に発生する歪みを検出することを特徴とする、構造物の歪み検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、構造物、あるいは構造物と一体なＦＲＰ（繊維強化プラスチック）を得るための補強用繊維基材と、それを用いて構造物に発生する歪みや劣化の状態を検出する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＦＲＰの用途は拡大しており、航空宇宙やスポーツの分野だけでなく、土木・建築の分野など大型構造物へも広く適用され始めている。
【０００３】
特に、コンクリート構造物の補修・補強へのＦＲＰの使用は、車輌の重量規制緩和や、大地震の発生、及び、施工の容易さなどから着目され拡大している。コンクリート構造物には、床版や橋脚、トンネル、そして建物などがあるが、コンクリートの中性化や塩害による内部鉄筋での錆発生、アルカリ骨材反応などによる劣化が発生し、社会的問題となっている。また、通行車輌や地震、トンネルにおいては土砂の圧力が加わると、コンクリートに発生したひび割れを拡大して劣化の進行を早めてしまう。さらに、土木・建築分野の構造物は大型のものが多いため、破壊が予知できず、突発的な破壊による大きな事故に繋がる可能性がある。
【０００４】
以上のことから、構造物の疲労や劣化の進行状態を観察し、構造物の破壊を事前に予知する技術が求められている。しかし、現状では、直接目視などの非破壊検査が主であり、疲労や劣化の状況を正確に把握することは容易ではない。
【０００５】
従来から、歪みを検出する材料として、歪ゲージが知られている。歪ゲージは、その面積内の歪みを検出するもので、しかも長さが３０ｍｍ以下と短いため、局所的な歪みしか検出できない。従って、大型構造物の歪みを広く検出するには、数多くの歪ゲージを貼付ける必要がある。
【０００６】
一方、特開昭６０−１１４７４１号公報に、ＦＲＰ部材内に一体的ではあるが電気的に独立させてカーボン長繊維糸条を配設し、この糸条を構成する単糸の破断割合を同糸条の抵抗変化から測定し、部材の剛性低下や疲労破壊を事前に検出する方法が記載されている。この方法によれば、確かに、大型構造物で広い面積の歪みを検出することが可能である。
【０００７】
しかし、前記糸条を構成する多くの単糸は、糸条内において様々な配列状態で存在し、また、その配列状態は糸条毎に異なる。そのため、同じ荷重下での単糸の破断割合は、糸条によってまちまちで、前記糸条の電気抵抗変化の再現性が悪くなってしまう。さらに、抵抗測定に必要となる前記糸条両端の端子は、全ての単糸に接触する必要があるが、糸条内の直径数ミクロンの数千〜数万の単糸全てに接触させることは難しい。
【０００８】
さらに、特開平２−３８９４５号公報に、ガラス繊維強化複合材料からなる構造物の内部に、金属単線を配設し、この電気抵抗の変動を測定する疲労破壊検査方法が記載されている。
【０００９】
しかし、大型構造物、特に、コンクリート構造物の補修・補強に使用するＦＲＰ内に金属線を配設する場合、使用対象となる構造物の表面が平面とは限らず、曲面や凹凸面であることが多い。そのため、ＦＲＰの成形は、構造物の表面に補強用繊維基材を沿わせながら貼付け、同時に樹脂含浸することになる。従って、金属線の配設は、含浸直後の樹脂未硬化時に、補強用繊維基材の上に手作業等で行う煩雑なものとなる。このような配設方法では、金属線が補強繊維と並行に配設されず、蛇行することが多くなるため、補強繊維方向への荷重や歪みで設計されたＦＲＰの歪みが、金属線から正確に検出されなくなってしまう。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、従来の技術における上述した問題点を解決し、大型構造物やこれと一体の様々な形状のＦＲＰに成形可能で、しかも、構造物に発生する歪みを正確に検出し、構造物の疲労や劣化を予知できる補強用繊維基材を得ることにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するこの発明の補強用繊維基材は、炭素繊維からなる補強繊維と、周囲を絶縁性の繊維状物の被覆材で被覆割合が９０％以上となるように捲回被覆された金属線とが、一体となってシート状補強用繊維基材を形成し、かつ、前記補強繊維に対する金属線の体積割合が４％以下であることを特徴とする。
【００１３】
上記において、絶縁性被覆材が樹脂透過性を有する場合、被覆材の繊維状物はフィラメント糸であることを特徴とする。
【００１４】
また、上記において、金属線が補強繊維の配向方向に対して、同一方向および／または角度を有して配列され、一体となってシート場補強用繊維基材を形成していることを特徴とする。補強繊維が炭素繊維よりなる補強繊維であるため、金属線が周囲を絶縁性の繊維状物の被覆材で被覆されている金属線であることが必要である。
【００１５】
あるいは上記において、金属線は、絶縁性被覆材によって表面の９０％以上が被覆され、また、紙管等の巻管に捲回された補強用繊維基材における被覆された金属線の太さが、前記補強用繊維基材の厚みの１００％以下であることを特徴とする。
【００１６】
また、補強用繊維基材の形態は、補強繊維が接着剤により支持体に接着固定されてなるトウシートか、補強繊維がＢステージ状態の熱硬化性樹脂で一体化されてなるプリプレグ、あるいは、織物であることを特徴とする。
【００１７】
そして、構造物に発生する歪みの検出は、上述した補強用繊維基材を、構造物、あるいは、構造物と一体となってＦＲＰとした後、前記金属線の抵抗変化を測定して行うことを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
なお、以後補強用繊維基材を基材と呼称する。
【００１９】
本発明で使用する金属線は、断面積が０．００２〜０．２ｍｍ2の範囲にある白金、タングステン、モリブデン、銀、アルミニウム、ニッケル、マグネシウム、銅、鋼、鉄、及び、これらの合金、Ｎｉ−Ｃｒ合金（ニクロム合金とも呼ばれる）、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ合金、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ−Ｃｏ合金などからなる、丸線状、帯状、扁平状の線状物であり、これら線状物を単線として使用しても、撚りあわせるなどして複数線として使用しても差し支えない。ただし、この中でも、防錆など耐食性に優れ、また、歪みに対する抵抗変化が大きく、変化を確認しやすいニクロム線（ニクロム合金の１つ）がより好ましい。
【００２０】
なお、被覆された場合の金属線の太さは、特に、断面形状が帯状や扁平状の場合は、最も細い部分の値とする。
【００２１】
また、本発明における金属線は、歪み検出を目的とするものなので、補強繊維に占める体積割合は４％以下である。なお、周囲を絶縁性の繊維状物の被覆材で被覆されているので、周囲の絶縁性の繊維状物の被覆材を除いた金属線のみの体積が補強繊維に対して占める体積割合が４％以下であるものである。
【００２２】
金属線の破断伸度は、補強繊維よりも大きいが、補強繊維が破断すると、同時に金属線も破断してしまう。従って、金属線の量を増やしても、補強効果への関与は小さい。しかも、金属線の密度は、補強繊維よりも高いので、金属線を基材内に多く配設すると、基材重量が増え、特に、コンクリート構造物の下面や側面に貼付けて補強する用途に使用する場合には、基材の落下やずれ落ちを生じてしまうので好ましくない。
【００２３】
さらに、ＦＲＰが、もともと含んでいた水分に加え、周囲の水分を吸収することにより、ＦＲＰ中の金属線周囲が湿気を帯びて来ると、金属線が腐食し始めることが懸念される。また、補強繊維が炭素繊維である場合、同繊維が導電性を有しているので、土壌中の金属線が電食するように、ＦＲＰ中の金属線が腐食することが懸念され、好ましくない。
【００２４】
以上から、金属線の割合は４％以下と少ない方がよく、さらに好ましくは２％以下であるのがよい。
【００２５】
本発明の、炭素繊維からなる補強繊維中に、被覆された金属線を配設した基材を用いると、これをＦＲＰとした後、前記金属線の電気抵抗を測定してＦＲＰに発生する歪み検出を行う際に要求される、以下の２つの条件を満たすことができる。すなはち、金属線周囲の絶縁部分により炭素繊維と金属線間を絶縁し、かつ、ＦＲＰと金属線との間に滑りが発生しないようにすることができる。
【００２６】
まず、絶縁性確保のために、樹脂透過性のある絶縁性被覆材（以後透過性被覆材と呼称）を使用するのがよい。これは、ＦＲＰを成形する際に含浸する樹脂（以後マトリックス樹脂と呼称する）が、被覆材内へ透過し、金属線表面に達し、また、樹脂も絶縁物なので、金属線の周囲を効果的に絶縁被覆できる。特に、繊維状物の被覆材を金属線に捲回して被覆しているため、毛細現象によって、樹脂が含浸し、金属線表面に達するのでさらによい。
【００２７】
なお、ここで言う樹脂透過性とは、被覆材中を樹脂が通過する性質とし、ここでは透過と含浸は同意とした。
【００２８】
一方、金属線の滑りには、被覆材とＦＲＰ間、及び、金属線と被覆材間の２つの層間で発生する可能性があるが、繊維状物の被覆材を金属線に捲回して被覆した形態が存在するので、被覆材とＦＲＰ間の滑りを抑えることができる。
【００２９】
また、透過性被覆材では、樹脂が含浸し金属線と接着するので、ＦＲＰとなった時、被覆材と金属線間の滑りを抑えることができる。
【００３０】
このような透過性被覆材としては、特に、不飽和ポリエステル、ビニルエステル、フェノール、エポキシなどの硬い熱硬化性の樹脂を用いると、ＦＲＰの変形に追随しやすくなり、ＦＲＰに発生する歪みを金属線に正確に伝えやすくなるので好ましい。
【００３１】
また、繊維状物の被覆材としては、不織布や織物のテープ状物、あるいはフィラメント糸があり、これらを、芯材とする金属線の周囲にカバーリング法や製紐法、ラッピング法によって捲回することにより被覆することができる。
【００３２】
本発明の繊維状物の被覆材を構成する繊維としては、ポリエステル、ナイロン、ガラス、ビニロン、ポリプロピレン、ポリアラミドなどの繊維が挙げられるが、上記材料の役割は絶縁性の確保なので、特に限定はしない。ただし、マトリックス樹脂との接着性を考えて選択するのがよく、マトリックス樹脂がエポキシ系の場合は、ナイロン繊維が好ましい。
【００３３】
本発明の繊維状物の被覆材は、捲回の回数やピッチ、糸の太さを変えて被覆するのがよいが、捲回が一方向だけだと、被覆後、金属線の巻き癖による蛇行がひどくなって修正しにくくなり、基材への配設に支障を来してしまう。従って、捲回はＳＺの両方向に行うのがよい。
【００３４】
また、フィラメント糸が細すぎると、被覆率確保に必要な捲回々数が増加する。従って、上記被覆材を構成する繊維の太さは、２０〜５００デニール程度がよい。さらに、これらの繊維は、マルチフィラメントの方が、捲回時に繊維がばらけて金属線表面に広がり、被覆効率がよくなるので好ましい。また、捲回は、２重以上重ねてもよい。
【００３５】
なお、被覆を絶縁性材料のコーティングで行うと、透過性被覆材のような表面凹凸が少ないため、ＦＲＰと被覆材間の滑りが懸念される。従って、被覆材は、繊維状物であることがより好ましい。
【００３６】
一方、金属線を被覆せずに使用すると、基材に金属線を配設する工程や、配設後の基材にローラなどで樹脂含浸する際、金属線に損傷を与えてしまい、ＦＲＰ化後の抵抗変化の異常や、金属線の切断につながってしまうことが懸念される。そこで、被覆をしておけば、これが保護層の役目を果たすので、金属線の検出性能を維持することができる。
【００３８】
上記被覆方法における金属線の被覆割合は、１００％であることが好ましいが、９０％以上であれば、絶縁の目的を達成できるのでよい。
【００３９】
すなはち、補強繊維が炭素繊維の場合、絶縁性の樹脂が含浸することにより炭素繊維と金属線が接触する可能性は低下するので、被覆割合が９０％以上あれば、樹脂含浸後、金属線に接触する炭素繊維は殆どなくなる。しかし、９０％未満では、樹脂含浸後も金属線に接触する炭素繊維が残り、金属線の抵抗へ影響することが懸念される。
【００４０】
なお、金属線の被覆割合は、以下の方法で測定した。
【００４１】
まず、樹脂含浸前の表面の顕微鏡写真を撮り、この全表面積Ｓ１、及び、金属線が見える表面積Ｓ２を計測し、以下の式より被覆率を算出した。計測は、被覆した金属線の異なる１０ヶ所の、配向方向の長さ（１５ｍｍ）と太さ方向の長さ（全幅）で表される長方形の領域について行い、その最低値を被覆率とした。
【００４２】
被覆率  ＝  （Ｓ１ − Ｓ２）／Ｓ１×１００  （％）
ただし、コーティングによる被覆の場合、以下の超音波検査法を利用して被覆率を測定してもよい。すなはち、パルス波を用いた反射法により、金属線の長さ方向について、金属線の全長Ｌ１、及び、金属線表面反射だけが観察される長さＬ２を計測し、以下の式より被覆率を算出した。計測は、被覆した金属線の異なる５ヶ所の、長さ５０ｍｍの部分について行い、その最低値を被覆率とした。
【００４３】
被覆率＝（Ｌ１ − Ｌ２）／Ｌ１×１００  （％）
以上において、同じ部分に被覆材が重なっても被覆割合は同じとした。従って、被覆割合は０％以上、１００％以下と定義される。
【００４４】
あるいは、上記被覆方法において、金属線の絶縁の目的を達成するには、前記被覆材により金属線が被覆されていない部分で、直径１０μｍ以上の球が通り抜けられる箇所の個数が、金属線の長さ方向１０ｃｍの間に５個以下であればよい。
【００４５】
被覆されていない部分が、そこを通り抜けられる球の直径が１０μｍ以下となる条件を満たすと、補強繊維の単糸径が上記値と同等なので、補強繊維が被覆されていない部分に進入しにくく、補強繊維と金属線間の絶縁性を確保できる。
【００４６】
特に、被覆されていない部分が細長い形状の場合、この配向方向と補強繊維とが並行に配列すると、補強繊維が進入しやすくなる。しかし、この部分を通り抜けられる球が、上記の条件を満たせば、補強繊維の進入を防げるので、絶縁性を確保できる。
【００４７】
また、前記カバーリング法などの捲回による被覆方法に従えば、規則的な被覆がなされるので、被覆率は金属線表面全体が平均的に増加し、部分的な被覆率の差は余り大きくない。そのため、被覆されていない部分のうち、１０μｍ以上の直径の球が通り抜けられる箇所の個数が、金属線の長さ方向１０ｃｍ中に５個以下であれば、部分的に小さな被覆むらがあっても、絶縁性を確保できていると判断することができる。
【００４８】
なお、かかる箇所の測定方法としては、以下の方法を採用した。
【００４９】
すなはち、上記被覆率算出と同様の方法で撮った被覆した金属線表面の顕微鏡写真において、被覆されていない部分に内接する円を複数描き、それらの円の直径を測定し、最大値を球の直径とした。この際、測定する場所は任意に選んでよいが、測定位置によるばらつきを抑えるため、測定は選んだ位置から連続する長さ方向１０ｃｍの間について行い、この部分において円の直径が１０μｍを越える回数を記録した。上記記録を任意の５つの部分それぞれについて行い、最大値を球が通り抜けられる箇所の個数とした。
【００５２】
本発明の基材は、補強繊維と金属線が一体となっているので、ＦＲＰとした時に歪み検出を正確にできるが、さらに、構造物に合わせて様々な形状のＦＲＰに成形できるものが好ましい。このような基材として、１方向に並行に配列した補強繊維糸条が、接着剤により支持体に接着固定されたトウシートや補強繊維糸条がＢステージ状態の熱硬化性樹脂で一体化してなるプリプレグ、あるいは、織物がよい。
【００５３】
また、ＦＲＰにおける歪みは、埋め込んだ金属線により検出することから、金属線は必ずしも補強繊維の配向方向に対して同一方向に配列することに限定されるものではなく、補強繊維の配向方向に対して角度を有して配列させても良いし、同一方向と角度を有した方向の両方向に配列させても良い。
【００５４】
このようにすることで金属線が配列している方向の歪み検出が可能となる。
【００５５】
なお、補強繊維の配向に対する角度は±１５°以上であり、必要な検出方向によって適宜決めればよいものである。
【００５６】
なかでも、金属線を補強繊維の配向方向に対してほぼ直交する方向に配向させることにより、補強繊維の配向に対する直交方向の歪みの検出が可能となるので好ましいものである。
【００５７】
このような基材はシート状なので、構造物に合わせて様々な形状のＦＲＰに成形できる。
【００５８】
また、前記トウシートやプリプレグは、補強繊維がそれぞれ接着剤、未硬化のマトリックス樹脂により固定されているので、これを利用して金属線を補強繊維と並行に配設することができる。
【００５９】
なお、前記トウシートにおいて、支持体と接着剤は、補強繊維糸条の固定を目的とするものである。従って、支持体は、適度な剛性を有し、金属線を固定しやすいガラスメッシュやガラス不織布などがよく、また、接着剤は、硬化していても、未硬化であってもよい。ただし、マトリックス樹脂との相溶性を考え、マトリックス樹脂がエポキシ樹脂の場合は、エポキシ系樹脂の接着剤がよい。
【００６０】
一方、織物は、たて糸とよこ糸の交錯により互いの位置や形状を固定している。従って、金属線を、これらの糸と交錯させることで、基材内に補強繊維と並行に配設できる。ただし、織物は、前記トウシートやプリプレグのように、金属線を接着でなく、交錯によって固定するので、剥がれの懸念がない。従って、基材としては織物がより好ましい。
【００６１】
本発明の基材において、金属線は、基材内に２ヶ所以上並行に配列していることが好ましい。本発明の基材は長尺状なので、金属線両端に端子を設けると、端子間距離が長くなって、抵抗測定が困難になるが、金属線を２ヶ所以上配列させて基材の一端で金属線を接続させ、他端に二つの端子を設置して抵抗測定を行えば、測定を簡便にできる。
【００６２】
なお、２ヶ所の配列形態は、異なる２本が並行に配列していてもよいし、１本が、基材の端部や中途においてＵターンしていてもよい。
【００６３】
ここで、この２つの端子を一端に設置する場合においては、端子を取り出す１組（２本、Ｕターンさせる場合は１本）の間隔はできるだけ距離が小さい方が作業上好ましい。従って、好ましい間隔は５ｃｍ以下である。ただし、同一基材内の金属線同士や、隣接する基材の接続が可能なので、この範囲に限定されることはない。
【００６４】
また、この端子を取り出す１組の間隔は小さいし、かつ、適度な間隔でこの１組を配置させることで基材内のより多くの箇所でＦＲＰの発生歪みの検出が可能となるため好ましい。また、複数の基材を積層する場合においては、基材の金属線が配列する箇所を任意の間隔でずらすようにしても同様の効果を得ることができる。
【００６５】
本発明の基材の厚みは、厚み測定器を使用して測定した。方法は、ＪＩＳ  Ｌ１０９６の一般織物試験方法の６．５厚さ測定方法に準拠した。すなはち、基材の異なる５ヶ所に厚さ測定器を用いて、加圧下の厚さが落ち着くまで約１０秒間、２３．５ＫＰａの荷重を加えた後に厚さを測り、その平均値で示した。また、被覆した金属線の太さも同じ方法で測定した。
【００６６】
なお、ここでの基材厚みは、金属線が配設されていない部分の値とした。また、後述する実施例では、厚み測定器として、（株）東洋精機製作所のＮｏ．１３２型デジタル測厚器Ｂ−２を使用した。
【００６７】
さらに、本発明の基材は、大型構造物へ適用できるので、紙管に捲回できる長尺状のものがよい。従って、金属線が配設されても、基材が紙管に捲回できることが好ましい。
【００６８】
つまり、基材が紙管に捲回され、この基材中の被覆された金属線の太さが、前記基材の厚みの１００％以下であれば、紙管からほどいた際に基材表面は平滑である。しかし、被覆された金属線の太さが基材厚みよりも大きいと、被覆した金属線に巻取り圧が集中した状態で基材が紙管に巻かれるので、基材を紙管からほどいた際、補強繊維糸条の糸長差により基材表面が波状の凹凸を発生し、好ましくない。
【００６９】
本発明の炭素繊維を使用した具体的な、織物の実施態様を図面を参照して説明する。
【００７０】
図１は、マルチフィラメントの炭素繊維の単糸１からなる炭素繊維糸条２が、たて方向に並行に配列し、よこ方向の補助糸３が炭素繊維糸条に交錯している、いわゆる一方向性織物において、隣り合う炭素繊維糸条間に、被覆した金属線４を前記糸条と並行に配設したものである。
【００７１】
また、図２、３は、たて方向にも補助糸５が配列してよこ糸と交錯し、かつ、たて方向炭素繊維糸条が実質的に屈曲（クリンプ）を有しない、いわゆる、ノンクリンプ織物において、図１同様、隣り合う炭素繊維糸条間に被覆した金属線４を前記糸条と並行に配設したものである。特に、図３は、たて補助糸５の代わりに被覆した金属線４を配列したものである。
【００７２】
図４のように、よこ糸の炭素繊維糸条６と、たて糸の炭素繊維糸条２とを交錯させた二方向性織物でも、被覆した金属線４をたて糸の炭素繊維糸条２と一緒に引揃えることにより、基材内に配設することができる。なお、織り方として、この他に平織、朱子織、綾織などが用いられる。
【００７３】
また、たて方向およびよこ方向の炭素繊維糸条に対し、１本交互にたて方向およびよこ方向の補助糸が配列して、補助糸により一体化した織り構造をなし、たて方向およびよこ方向の炭素繊維糸条が実質的に屈曲（クリンプ）を有しない、いわゆる二方向性のノンクリンプ織物であっても良い。
【００７４】
図５に、一方向性織物において、金属線が補強繊維の配向方向に対し、角度を有して配向しているケースの一例を示す。ここで、金属線４は、部分的によこ糸補助糸（ガラス繊維）３と金属線が同一箇所で一体となり、並行に配列しているケースであるが、金属線の配列箇所は必ずしもよこ糸と一体となっている必要はなく、金属線単独であっても良い。
【００７５】
また、織物において金属線は、たて方向および／またはよこ方向のたて糸（よこ糸）やたて補助糸（よこ補助糸）と織物の製織時に同時に引き揃え、あるいは単独で挿入することにより織物内に配置させることができる。
【００７６】
上記図１〜５において、金属線の被覆は、５２本のナイロンフィラメントが束になった７０デニールのマルチフィラメントを、ＳＺ両方向にともに１２００回／ｍ捲回して行い、被覆率を１００％とした。
【００７７】
なお、図１、２及び４のように、被覆した金属線を隣り合う炭素繊維糸条間に、糸条に密着させて配列すると、金属線が糸条と糸条、糸条とよこ糸によって位置固定されるので、金属線を前記糸条と並行に配設しやすいのでよい。さらに、たて糸とよこ糸を接着剤で固定する、いわゆる目止めを行うと、金属線と糸条を並行に、さらに強固に固定できるのでよい。
【００７８】
なお、目止めに使用する接着剤としては、共重合ナイロン、共重合ポリエステル、ポリエチレンなどの低融点ポリマーが挙げられる。
【００７９】
本発明に用いる補強繊維としては、高強度で高弾性率である繊維がよく、導電性繊維の炭素繊維を用いる。
【００８０】
また、コンクリート構造物の補修・補強用途では、耐アルカリ性に優れる、引張強度が３０００〜５６００ＭＰａで引張弾性率が２２０〜６４０ＧＰａの炭素繊維を用いるのがよい。中でも引張強度が４３００〜５６００ＭＰａ、引張弾性率が３４０〜６４０ＧＰａの高強度、高弾性率の炭素繊維を用いると、必要な基材枚数が少なくなって省力化に繋がるので好ましい。
【００８１】
なお、基材を構成する炭素繊維糸条は、６０００〜２４０００本のフィラメント糸からなるものが好ましく、特に、織物形態においては、前記炭素繊維糸条が複数本、束になって引揃えられて糸条を構成していてもよい。
【００８２】
本発明に用いる基材の補強繊維目付としては、１８０〜１０００ｇ／ｍ2の範囲が好ましい。１８０ｇ／ｍ2未満では、樹脂含浸しやすい点では好ましいが、補強に必要な基材の枚数が増えるので、含浸作業が多く面倒である。また、基材厚みが小さくなるので、被覆した金属線の太さが基材厚みを越えやすく、基材を紙管に巻取ってほどいた時に、波状凹凸を生じてしまうことが多くなる。
【００８３】
一方、１０００ｇ／ｍ2以上の目付では、必要な基材の枚数が少なくて効率的だが、基材の厚さ方向中央への樹脂含浸が困難になってしまう。
【００８４】
本発明はおいて、図１、２、３、５に示すような一方向性織物の場合、織物のよこ糸は、たて糸と同一方向に配列させた金属線と、織り構造をなしていることから、剛性が高い繊維が好ましい。剛性が高い繊維を用いることにより、たて糸がよこ糸補助糸に押さえつけられる力が大きくなることで、たて糸とよこ糸補助糸がより密着し、ＦＲＰにした場合にＦＲＰの歪みが金属線から正確に検出しやすくなる。
【００８５】
剛性の高い繊維としては、ガラス繊維やアラミド繊維、炭素繊維などが好ましく、なかでも、安価なガラス繊維がより好ましい。特に、１００〜６０００デニールのよこ糸および／またはよこ糸補助糸を用いると、金属線を固定しやすいのでよい。ただし、本発明では、織物に用いるよこ糸補助糸として、たて糸と金属線を並行に固定させる必要から、ガラス繊維やアラミド繊維、炭素繊維などの曲げ剛性の高い繊維が好ましく、中でも、安価なガラス繊維が好ましい。特に、１００〜６０００デニールのよこ糸補助糸を用いると、金属線が固定しやすいのでよい。ただし、たて方向とよこ方向の繊度比、すなはち、（たて方向の補強繊維糸条の太さ）／（よこ糸補助糸の太さ）で表される値を３〜１００とすることが好ましい。
【００８６】
繊度比が３未満では、よこ糸補助糸が太すぎるため、たて方向補強繊維糸条にクリンプを生じ、補強繊維の強度特性が十分に発揮されない。
【００８７】
一方、前記比が１００を越えると、よこ糸補助糸が細すぎて、たて方向補強繊維や金属線を固定する効果が小さくなってしまう。
【００８８】
なお、たて糸補助糸を使用する場合も、よこ糸補助糸の剛性と同等の方が、織物形態が安定するので、ガラス繊維がより好ましく用いられる。
【００８９】
構造物が疲労等によって亀裂を発生し、剛性低下を起こすと、この構造物は同じ応力に対して大きな歪みを示すようになる。従って、ＦＲＰ中の金属線の抵抗変化を測定すれば、ＦＲＰ構造物や、ＦＲＰと一体であるコンクリート構造物の歪みや疲労の状態を検出することができる。
【００９０】
例えば、コンクリート構造物をＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）と一体にして補強する場合、まず、コンクリート表面の脱脂や凹凸を修正した後、コンクリートとの接着性をよくするため、プライマーを塗り、乾燥するまで放置する。次に、マトリックス樹脂である常温硬化型のエポキシ樹脂をコンクリート面に塗布し、この上に炭素繊維基材を貼付け、ローラやへらで樹脂を基材へよく含浸させる。この時、金属線の両端部分にリード線を、圧着端子などを用いて接続しておくとよい。
【００９１】
さらに、この上に樹脂を塗布し、同様にローラやへらで樹脂含浸を行う。この作業を繰り返して基材を所定の枚数貼付け、樹脂を硬化させてＣＦＲＰとすることができる。
【００９２】
構造物の歪み状況の検出は、前記リード線の両端をテスターに接続し、電気抵抗を測定してもよいが、小さな抵抗変化を精度よく検出するため、以下の方法で測定するのがよい。
【００９３】
すなはち、ブリッジ回路、動歪み計を接続して、金属線の抵抗変化を歪みとして読み取る。必要に応じて、ＸＹレコーダ等に記録してもよい。これにより、長時間、歪みの状況を検出することができる。
【００９４】
ここで用いるマトリックス樹脂としては、エポキシ、ビニルエステル、不飽和ポリエステル、フェノールなどの熱硬化性樹脂が使用されるが、耐火性が必要な場合にはフェノール樹脂、コンクリート構造物に使用される場合には接着力や耐アルカリ性に優れたエポキシ樹脂が好ましい。
【００９５】
【実施例】
以下、本発明の好ましい実施例による、ＦＲＰに生じる歪みを金属線の抵抗変化として検出するための基材、及びこれを用いた施工や検出の状況について説明する。
【００９６】
（実施例１）
金属線は、裸線径が０．１ｍｍの丸断面で、抵抗率が１４１．３Ω／ｍのニクロム線を使用し、予めアセトンで洗浄して脱脂しておいた。このニクロム線に、５２本のナイロンフィラメントが束になった７０デニールのマルチフィラメントを、ＳＺ両方向に、ともに１２００回／ｍ捲回して被覆した。被覆率は表１の通りであった。また、絶縁性被覆材により金属線が被覆されていない部分で、直径１０μｍ以上の球が通り抜けられる箇所の個数が、前記金属線の長さ方向１０ｃｍの間に、１個以下であった。
【００９７】
基材は、表２に示す物性のＰＡＮ系高強度タイプ炭素繊維糸条（単糸数：２４０００本、繊度：１４４００デニール）を補強繊維としてたて方向に配列し、よこ方向にはガラス繊維を補助糸として配列し、さらに、被覆したニクロム線を、前記補強繊維と並行に配設して図２に示す態様に製織した一方向性炭素繊維織物を使用した。この織物を５０メートル製織し、紙管に捲回しながら巻き取った。その後、この織物を紙管からほどいて、波状凹凸の有無を確認した。
【００９８】
ＣＦＲＰの成形は、長さ３００ｍｍ、幅２５０ｍｍにカットした前記織物に常温硬化型のエポキシ樹脂をローラで含浸して行った。この時、含浸のしやすさや基材の取扱い性などの施工性を評価した。硬化は、２３℃の室温中に１０日間放置して行った。
【００９９】
ＣＦＲＰに引張歪みを与えた時のニクロム線の電気抵抗は、上記ＣＦＲＰ７にガラスタブ８を貼付けた後、図６に示す形状に切出した試験片で行った。被覆したニクロム線４の両端部には、圧着端子を介してリード線を半田で接続した。歪みは、２３℃の雰囲気中で１ｍｍ／ｍｉｎの速度で与えた。
【０１００】
電気抵抗は、ホイートストンブリッジで測定した。測定は、繊維方向の引張歪みが０、０．１％、及び、コンクリート内の鉄筋が降伏する歪みの０．２％の時の３回行い、これを、０．１〜０．２％間の引張−引張疲労試験を行う前後に行った。疲労試験の繰返し数は、１０6回とした。なお、歪みは、(株)共和電業の歪ゲージ（ＫＦＧ−２０−１２０−Ｃ１−１１）で確認した。
【０１０１】
一方、ＣＦＲＰの物性低下の有無を、補強繊維方向の引張強度より調査した。測定は、ＪＩＳ Ｋ ７０７３に準拠し、２３℃の雰囲気中で１ｍｍ／ｍｉｎの引張速度で行った。強度は、破断荷重をＣＦＲＰ内で引張方向に配列したＣＦと直角方向のＣＦ断面積で割った値とし、ｎ＝５の平均値とした。
【０１０２】
電気抵抗測定の結果、疲労前後の歪み−電気抵抗曲線に変化は見られず、０．２％の歪みを与えることによって、抵抗が０．１３Ω増加した。この増加量は、抵抗値自体に比べると約０．３％と小さいが、再現性に優れ、ｎ＝１０について抵抗増加率は同じとなったため、歪み発生による増加量であることが分かった。つまり、歪みが電気抵抗値として検出され、抵抗値に疲労の影響は見られなかった。なお、疲労前後の歪み−電気抵抗曲線を、それぞれ図７、８に示した。
【０１０３】
本実施例のＣＦＲＰの引張強度は、４４５０ＭＰａで、ニクロム線が含まれないＣＦＲＰが４５００ＭＰａであった。強度は、成形法がハンドレイアップであることと、糸条毎に強度のばらつきがあるため、ＣＦＲＰにおいてもばらつくと考えられる。そこで、ニクロム線を含まないＣＦＲＰについて評価した所、平均値が最大１０％足らず変動し、ばらつきがあることが分かった。よって、上記２つの値から、本実施例では物性低下はないことが分かった。
【０１０４】
試験片の配向方向両端の断面に見られた２つのニクロム線断面を結んだ直線と、補強繊維方向との間に角度のずれは見られなかった。さらに、この試験片のマトリックス樹脂を電気炉で焼き飛ばしてニクロム線を取り出し、その長さを測定した所、実際のニクロム線の長さと試験片長さが一致した。つまり、ニクロム線が補強繊維と並行に配設されていた。
【０１０５】
（実施例２）
金属線の配列方向をよこ方向に配列させた図５に示す織物を用いた以外は、実施例１と同じ成形、金属抵抗測定、および、強度測定の条件とした。
【０１０６】
ここで、よこ方向への金属線の配列は、織物製織時のよこ糸のガラス繊維挿入に際し、部分的にガラス繊維と引き揃え挿入することで配列させた。
【０１０７】
電気抵抗の状況は、疲労前後の歪み−電気抵抗曲線に変化は見られず、０．２％の歪みを与えることによって、抵抗が０．１２Ω増加した。
【０１０８】
実施例１同様、試験片内のニクロム線の配列方向を調べたところ、よこ糸として織り込まれているので、蛇行などは観察されなかった。
【０１０９】
（比較例１）
織物として、実施例１でニクロム線が配設されていないものを２枚使用し、ニクロム線をこの層間に手作業で配設した以外は、実施例１と同じ被覆したニクロム線とし、同じ成形、電気抵抗測定、及び、強度測定の条件とした。
【０１１０】
成形は、上記織物に樹脂含浸し、その上に被覆したニクロム線を補強繊維と並行に手作業で配設し、さらにその上にもう１枚の織物を積層し、樹脂含浸することで行った。
【０１１１】
電気抵抗の状況は、疲労前後の歪み−電気抵抗曲線に変化は見られず、０．２％の歪みを与えることによって、抵抗が０．０７Ω増加した。
【０１１２】
実施例１同様、試験片内のニクロム線の配列方向と、補強繊維方向との間の角度を調べた所、ずれが見られた。さらに、試験片から取り出したニクロム線の長さは、試験片の長さよりも長かった。つまり、ニクロム線が、補強繊維と並行に配設されていなかった。
【０１１３】
本比較例では、ニクロム線が補強繊維と並行に配設されていなかったため、ニクロム線の抵抗変化が小さくなったことが分かった。
【０１１４】
（比較例２）
ニクロム線の体積割合を１０％とした以外は、実施例１と同じ被覆したニクロム線、織物構造とし、同じ成形、電気抵抗測定、及び、強度測定の条件とした。
【０１１５】
電気抵抗の状況は、疲労前後の歪み−電気抵抗曲線に変化は見られず、０．２％の歪みを与えることによって、抵抗が０．１３Ω増加した。
【０１１６】
また、引張強度が、実施例１より約１２％低下し、物性低下が見られた。
【０１１７】
本比較例は、引張強度の低いニクロム線の体積割合が高すぎたため、物性低下を起こしたことが分かった。
【０１１８】
（比較例３）
被覆条件を、ＳＺ両方向の捲回々数をともに４００回／ｍとし、被覆率を５０％としたニクロム線を使用した以外は、実施例１と同じニクロム線、織物構造とし、同じ成形、電気抵抗測定、及び、強度測定の条件とした。
【０１１９】
疲労前の電気抵抗は、０．２％の歪みを与えることによって、約０．０８Ω増加したが、値が不安定であった。そこで、導通性を調査した所、炭素繊維とニクロム線の間に導通性が確認された。
【０１２０】
本比較例は、被覆が不完全であったため、ニクロム線の抵抗変化が不安定になったことが分かった。抵抗が不安定なため、疲労試験は行わなかった。
【０１２１】
用いた基材とニクロム線の仕様を表１に、得られた結果を表２に示す。
【０１２２】
（比較例４）
織物として、実施例２でニクロム線が配設されていないものを２枚使用し、ニクロム線を、この層間に手作業で配設した以外は、実施例２と同じ被覆したニクロム線とし、同じ成形、金属抵抗測定、および、強度測定の条件とした。
【０１２３】
成形は、上記織物に樹脂含浸し、その上に被覆したニクロム線を補強繊維と並行にて作業で配設し、さらにその上にもう１枚の織物を積層し、樹脂含浸することで行った。
【０１２４】
電気抵抗の状況は、疲労前後の歪み−電気抵抗曲線に変化は見られず、０．２％の歪みを与えることによって、抵抗が０．０６Ω増加した。
【０１２５】
実施例２と同様、試験片内のニクロム線の配列方向と、織物のよこ糸との関係を調べたところ、ずれが見られ、ニクロム線の蛇行が観察された。
【０１２６】
本比較例では、ニクロム線がＦＲＰの歪みの測定方向である織物のよこ糸方向に対し、並行に配設されていなかったため、ニクロム線の抵抗変化が小さくなったことがわかった。
【０１２７】
【表１】
0004300597.tif 000002
【表２】
0004300597.tif 000003
【０１２８】
【発明の効果】
本発明によると、金属線の周囲に絶縁性の繊維状物の被覆材料で捲回被覆を行い、これを炭素繊維からなる補強用繊維基材内部に配設し、かつ、金属線の体積割合を補強繊維の４％以下とすることにより、大型構造物やこれと一体の、様々な形状のＦＲＰに成形でき、しかも、構造物やＦＲＰに発生する歪みの状況を正確に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施態様に係わる一方向性炭素繊維織物を示す。
【図２】  本発明の一実施態様に係わるノンクリンプ一方向性炭素繊維織物を示す。
【図３】  本発明の一実施態様に係わる、たて方向補助糸に金属線を使用したノンクリンプ一方向性炭素繊維織物の実施態様を示す。
【図４】  本発明の一実施態様に係わる二方向性炭素繊維織物を示す。
【図５】  本発明の一実施態様に係わる金属線が補強繊維に対して角度を有して配列された炭素繊維織物を示す。
【図６】  ニクロム線の電気抵抗変化を測定する試験片の斜視図を示す。
【図７】  疲労前の電気抵抗と歪みの関係図を示す。
【図８】  疲労後の電気抵抗と歪みの関係図を示す。
【符号の説明】
１：炭素繊維単糸
２：たて方向炭素繊維糸条
３：よこ糸補助糸
４：被覆したニクロム線
５：たて糸補助糸
６：よこ方向炭素繊維糸条
７：ＣＦＲＰ
８：ガラスタブ
【図１】
0004300597.tif 000004
【図２】
0004300597.tif 000005
【図３】
0004300597.tif 000006
【図４】
0004300597.tif 000007
【図５】
0004300597.tif 000008
【図６】
0004300597.tif 000009
【図７】
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【図８】
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