JP4037041B2 - 繊維複合材の端末加工法及び端末定着方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高強力低伸度繊維を用いたロープ状ないしケーブル状の繊維複合材の端末加工法と端末定着方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高強力低伸度繊維に熱硬化性樹脂を含浸し硬化させて棒状体、線状体、撚合体などに構成してなる繊維複合材は、特公昭５７−２５６７９号公報や特公昭６２−１８６７９号公報などにより知られている。
このような高強力低伸度繊維を用いたロープ状ないしケーブル状の繊維複合材は、軽量で、耐食性に優れ、高強度、低伸度、低リラクセーションであるなど、種々のすぐれた物理的、化学的特性を有している。このため、従来の鋼線、ワイヤロープなどに代わる資材として、例えばプレストレストコンクリート用の緊張材、プレテンション方式およびポストテンション方式によるコンクリート用の緊張材、あるいはアウトケーブルなどとして使用される傾向にある。
【０００３】
かかる使用に際しては、繊維複合材の端末部を加工し、それを確実かつ作業性よく低コストで被定着部に定着できるようにすることが重要である。
従来、一般繊維ロープ類においては、端末部を定着する際には、アイスプライスを施したり、ロープを相互にスプライスする方法が採られている。これらの方法は、柔軟で解撚しやすいロープ構成の場合に適用できても、高強力低伸度繊維を熱硬化性樹脂で集合硬化させなる繊維複合材においては適用が困難である。
【０００４】
そこでワイヤロープで汎用されているようなくさび止め方式を採用できれば好都合である。しかし、繊維複合材はその素材が繊維であるため、長手方向に対する引張力に対しては高強力であるが、直径方向に対する剪断力に弱いという特性がある。このため、ワイヤロープに適用されるくさび止め方式の定着方法を繊維複合材に適用しようとすると、コーンのくさび作用によりコーンの内周端縁から繊維複合材に強力な剪断力が加わって構成繊維が破断し、安定した定着が困難となるという問題があった。
【０００５】
このため、従来では、定着方法として、繊維複合体の端末部をダイカスト金型内に挿入し、プレス機でその定着部に外周から圧縮力を加えて定着部を複数割りのコーンで挟持するとともにスリーブ内に挿入して、繊維複合材をくさび作用によって定着する方法や、繊維複合体の端末部ダイカスト金型内に挿入し、その金型内に低融点金属を注入固化させ、得られた金属被覆端末部をパイプ内に嵌挿して、プレス機にて定着部に外周から圧縮力を加えて圧着し、定着部を複数割りのコーンで挟持してスリーブ内に挿入し、繊維複合材をくさび作用によって定着する方法が知られている。
【０００６】
しかしながら、前記のような定着方法は工程が複雑で時間と手間がかかり、使用現場での加工が実際上困難である。しかも、端末加工部の外径が非常に大きくなり、このため、ポストテンション工法等ではシースへの挿入が容易ではなく、定着スペースを大きく取ることになって、効率的、経済的でなかった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記のような問題点を解消するためになされたもので、その目的とするところは、繊維複合材との一体化がよいとともに外径を小さくすることができ、しかも施工現場で簡易に実施することができる繊維複合材の端末加工法を提供することにある。
また、本発明の目的とするところは、現場で簡単、迅速に外径が比較的小さく高定着力を発揮できる繊維複合材の端末定着方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明は、高強度低伸度繊維と熱硬化性樹脂を複合した繊維複合材の撚り線形状端末部の撚線の谷間に繊維束を埋め込み、この状態で外周を繊維束でラッピングして円筒形に成形し、次いで繊維複合材のマトリックス樹脂と同等の熱硬化性樹脂を含浸させ、加熱することにより繊維複合材と繊維束を一体に接合することを特徴としている。
【０００９】
繊維複合材の端末部の撚線の谷間に埋める繊維束として、繊維複合材と同材質の高強度低伸度繊維を用いるのが好適である。また、ラッピングに用いる繊維束として熱収縮性繊維を用い、加熱の際の繊維の熱収縮作用により撚線の谷間に埋め込んだ繊維束と繊維複合材端末部とを緊縛することも好適である。
【００１０】
本発明は、前記のようにして得られた繊維複合材の定着用部を複数割りのくさびで挟持してスリーブ内に挿入し、前記定着用部をくさび作用により被定着部に定着することを特徴としている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施例を添付図面を参照して説明する。
図１ないし図７は本発明による繊維複合材の端末加工法の工程を示しており、図１において、１は高強度低伸度繊維と熱硬化性樹脂を複合したケーブル状の繊維複合材である。この繊維複合材１は、複数本の複合ストランド１ａを１×５、１×７、１×１９、１×２４等の構造に撚合してなる。
【００１２】
複合ストランド１ａは、炭素繊維、ポリアラミド繊維、炭化珪素繊維などから選択される高強力低伸度繊維を多数本収束した繊維束に、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂などから選択される熱硬化性樹脂を含浸させた複合材からなっている。この例では、外層に高強力低伸度繊維あるいはポリエステルなどの合成繊維糸を被覆している。
【００１３】
繊維複合材１は、各複合ストランド１ａ，１ａを賦形ダイスなどで成形と余剰樹脂の除去を行なった後、表面にタルクなどの粉末乾燥剤を塗布して表面を乾燥させ、含浸した熱硬化性樹脂が未硬化の段階で所定のピッチで撚り合わせ、その後、加熱して熱硬化性樹脂を硬化させることにより作られたものである。
前記各複合ストランド１ａは含浸した熱硬化性樹脂が未硬化の段階で所定のピッチで撚り合わされ、その後、加熱して熱硬化性樹脂を硬化させることにより前記繊維複合材１が作られる。
【００１４】
本発明は、まず、図３のように、繊維複合材１の定着部とすべき所定範囲の端末部１’の外周を構成している撚り線の谷間、すなわち隣接する複合ストランド１ａ，１ａの各谷間２，２に繊維束３，３を埋め込む。
繊維束３は、図２（ａ）（ｂ）のように、繊維複合材と同材質の高強力低伸度繊維３０を所要本数平行に引き揃えて束としたもので、繊維束３はエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂などから選択される熱硬化性樹脂５を含浸させ、賦形ダイスなどで成形と余剰樹脂の除去がなされたもので、取り扱いの面から、タルクなどの粉末乾燥剤を塗布して表面を乾燥させていることが好ましい。
【００１５】
このように熱硬化性樹脂を含浸させた場合、適度の押圧力で永久変形するので、複合ストランド１ａ，１ａの谷間２，２の長手方向および長手方向と直角の各形状に即応し容易にすき間なく充填することができ、かつまた、軽い接着性により複合ストランド１ａ，１ａに密着して仮止めされるので、特別な保持手段を高ずることなく、外れを防止することができる。
繊維束３の断面の太さは、端末部１’の断面全体が円形状に近くなるようにするため、図１の複合ストランド１ａ，１ａの谷間と同等以上とすべきであり、埋込前の断面形状は丸でもよいし、あらかじめ扇状ないし三角状に賦形してあってもよい。
【００１６】
次に、本発明は、前記のように繊維束３を撚りの各谷間２，２に埋め込んだ第１段階加工端末部Ａの外周に、図５（ｂ）（ｃ）のように断面全体が円形を呈するように、繊維束４を螺旋状に緊密に巻き付ける。
前記繊維束４は、図４のように繊維糸４０が平行に引き揃えられ、全体が帯状を呈しており、巻きターン間にすき間が生じたり、オーバラップしないように巻き付けられる。繊維束４を構成する繊維糸としては、熱収縮性の繊維たとえばポリエステル繊維が好適である。
繊維束４は、これの巻き付けが終わった第２段階加工端末部Ｂが、繊維複合材１の外径の約１.１倍以下となるように繊維糸４０の太さや数を設定してある。
【００１７】
ついで、第２段階加工端末部Ｂに、図６のように、繊維複合材１のマトリックス樹脂と同じか同等の熱硬化性樹脂すなわち、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂などから選択される樹脂（液状）５を含浸させる。
この含浸はたとえば図６のように容器８に収容した熱硬化性樹脂５中に第２段階加工端末部Ｂを挿入してどぶ漬けすることで行なえばよいが、これに限らず、刷毛塗り、スプレーなど任意である。熱硬化性樹脂５は繊維束４の繊維糸４０に含浸され、透過したものが繊維束３の外面およびの複合ストランド１ａ，１ａの外面に付着される。これで第３段階加工端末部Ｃとなる。
【００１８】
この状態で次に、第３段階加工端末部Ｃを加熱する。この加熱温度は熱硬化性樹脂の硬化に十分な温度たとえば、１００℃〜１３０℃であり、かかる加熱により複合ストランド１ａ，１ａの谷間に埋め込まれている繊維束３，３がそれ自体に含浸している熱硬化性樹脂５によって各複合ストランド１ａ，１ａに接着されるとともに、外周に巻き付けられている繊維束４が第３段階で含浸された熱硬化性樹脂により各複合ストランド１ａ，１ａの外面および繊維束３，３の外面に接着し、この状態で硬化する。
加熱加熱手段は任意であり、たとえばパイプを使用しこれに第３段階加工端末部Ｃを遊挿し、パイプ内に熱風を吹き込んで温度と時間を管理したり、筒状の電熱器内に第３段階加工端末部Ｃを挿入して温度と時間を管理したりすればよい。
【００１９】
繊維束３，３は繊維複合材１と同質の高強度低伸度繊維からなっており、接着剤としての熱硬化性樹脂５も繊維複合材１のマトリックス樹脂と同材質であるから、物理的特性が同質の繊維束３，３と繊維束４とからなる緩衡層は繊維複合材１と完全に一体化され、これで図７（ａ）に示すような断面が円形状の定着用部Ｄが完成する。５’は含浸させられ硬化した熱硬化性樹脂である。
【００２０】
繊維束４の構成繊維として、熱収縮性の繊維を使用した場合には、前記加熱によって収縮することから、巻き付けによる円筒形の径が縮少し、繊維複合材１に密接する。このため複合ストランド１ａ，１ａとの接着が確実化されるとともに、繊維複合材１の繊維束３，３を強固に拘束しこれと緊密に一体化することができる。したがって、繊維複合材１の径に対する増径率の小さな定着用部Ｄを得ることができる。
【００２１】
次に、定着に当たっては、図８（ａ）のように定着用部Ｄを鉄などからなるスリーブ６に挿通し、複数の割りくさび７，７で挟持し、この状態で割りくさび７，７とともにスリーブ６に挿入し、くさび止めする。
【００２２】
定着用部Ｄは複合ストランド１ａ，１ａの撚り谷間を埋めた繊維束３，３とこれらを囲む繊維束４による円筒径の緩衡層となっているため、くさびとの接触面積を広く取ることができ、安定した定着を図ることができる。しかも、複合ストランド１ａ，１ａの撚り谷間を埋めた繊維束３，３が同材質であり、複合ストランド１ａ，１ａのマトリックス樹脂と繊維束３，３に含浸している接着剤としての樹脂も同材質であることにより、強度、引張り強さ、弾性係数などの物性が同等で強固な一体化が得られていることから、くさび作用による局部的な圧縮剪断力を面で安定して受け止めことが可能になり、したがって圧縮剪断破壊が防止され、定着機能を高くすることができる。このようなくさび止めが可能であることから、定着部Ｅの外径を比較的小さくすることができる。
【００２３】
また、定着用部Ｄの外径が小さく、繊維複合材１をわずかしか増径しないですむため、繊維複合材１をシースに通す際のシース径を増径しないですみ、これにより単位あたりのシース数を増加することができるので、緊張材として利用した場合に、強度の高いコンクリートを作ることが可能になる。
【００２４】
なお、本発明の繊維複合材１は必ずしも全体が撚合構造でなくてもよい。すなわち端末部１’以外の部分はストランドを平行に束ねた構造であってもよい。
【００２５】
本発明の具体例を説明する。
繊維複合材１は炭素繊維とエポキシ樹脂の複合材からなる直径４ｍｍの複合ストランドを７本使用し、撚りピッチ１５０ｍｍで撚り合わせた１×７構造、外径１２．５φのものを使用した。この繊維複合材１の規格破断値は１４２ｋＮであった。
【００２６】
この繊維複合材１の端末２７０ｍｍの部分のストランドのスパイラル状の各谷に沿ってエポキシ樹脂を含浸させた直径２．２ｍｍの炭素繊維束をあてがい、指圧にて埋め込んだ。その上から１２０００デニールのポリエステル繊維の束を幅１０ｍｍに偏平にして均等に巻き付け拘束した。この状態でエポキシ樹脂を収容した容器中に漬けた後、パイプ状の加熱器に挿入し熱風を吹き込んで１３０℃で２時間加熱した。これにより緩衡層と繊維複合材が硬化一体化した定着用部を得た。定着用部の外径は１３．８ｍｍであった。
【００２７】
得られた定着用部を、長さ１５０ｍｍの２つ割くさびで挟持し、外径４８ｍｍ鉄製のスリーブに挿入して定着部を得た。
得られた定着部付きケーブルの引張試験を行い、定着効率を測定した。その結果、破断位置は口元破断、破断荷重が１７９ｋＮで、定着効率は規格破断荷重を越える１２３％という好結果が得られた。
【００２８】
比較のため、ゴムと繊維との複合体からなり片面に繊維複合材１のスパイラル形状とピッチを同じくする凹凸を有する緩衝シートを使用し、これを繊維複合材１のピッチと合わせて巻き付けた緩衝層を有する定着用部を得た。定着用部の外径は１５．０ｍｍであり、本発明品に比べて定着用部の径が太い。
緩衝シートは、アラミド短繊維を使用した不織布とアラミド繊維マルチフィラメントヤーンを合糸した繊維芯に、あらかじめＳＢＲ系接着用ゴムラテックスを含浸し、片側に一定間隔の溝を有する金型を用いて繊維芯を不織布で挟み、１００℃で１５分間ベーキングし、さらに１５０℃で３０分間加硫して繊維芯と不織布を一体化させたシートを斜め切りして２５ｍｍ幅にしたものである。
【００２９】
上記比較品について、本発明と同じくくさび止めを行なって定着部を形成し、その定着部付きケーブルの定着効率を測定した。その結果、破断荷重は１５６ｋＮで、定着効率は１１０％で、本発明よりも劣っていた。その理由は、突条付き緩衝シートの巻き付けであるため、繊維複合材１との一体化に問題があることによると考えられる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明した本発明の請求項１によるときには、高強度低伸度繊維と熱硬化性樹脂を複合した繊維複合材１の撚り線形状端末部１’の撚線の谷間に繊維束３を埋め込み、この状態で外周を繊維束４でラッピングして円筒形に成形し、次いで繊維複合材１のマトリックス樹脂と同等の熱硬化性樹脂５を含浸させ、加熱することにより繊維複合材１と繊維束３，４を一体に接合して定着用端末加工部を得るようにしたので、現場での簡易な作業により、増径度合いの少ないコンパクトな定着用部を簡単に加工することができ、使用時にくさびとの接触面積を広く取ることができるためより安定した定着が可能となる。また、定着用端末加工部の増径が少ないため、繊維複合材をシースに通す際に、そのシース径を増径せず済み、定着部のスペースも小さくすることができるというすぐれた効果が得られる。
【００３１】
請求項２によれば、ラッピングの繊維束４として熱収縮性繊維を用い、加熱の際の繊維の熱収縮作用により筒形径を縮少して撚線の谷間に埋め込んだ繊維束３と繊維複合材１の端末部とを緊縛するので、接着による一体化がより確実になるとともに、増径の低減を図ることができるというすぐれた効果が得られる。
【００３２】
請求項３によれば、端末部１’の撚線の谷間を埋める繊維束３として、繊維複合材１と同材質の高強度低伸度繊維を用いるので、物理的特性が均質で一体化にすぐれた定着用端末加工部を得ることができるというすぐれた効果が得られる。請求項４によれば、前記請求項１ないし３で作った加工端末部Ｄを複数割りのくさび７，７で挟持してスリーブ６内に挿入し、くさび作用により被定着部に定着するので、現場で特別な器具類を要さずに簡単に施工することができ、しかも、加工端末部Ｄが円筒形で、繊維複合材１の材質および機械的特性が均質で一体化された構造であるため、くさびチャックから受ける局部的な圧縮剪断作用を表面的に分散させ、安定した高い定着効率を得ることができるというすぐれた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明における繊維複合材の一例を示す部分的側面図、（ｂ）はその断面図である。
【図２】 （ａ）は撚り線谷間を埋める繊維束の部分的斜視図、（ｂ）はその断面図である。
【図３】（ａ）は撚り線谷間埋め段階の側面図、（ｂ）はその拡大断面図、（ｃ）は部分拡大図である。
【図４】本発明におけるラッピング用の繊維束を示す部分的斜視図である。
【図５】（ａ）はラッピング段階の側面図、（ｂ）はその拡大断面図、（ｃ）は部分拡大図である。
【図６】本発明の熱硬化性樹脂塗布段階を示す側面図である。
【図７】（ａ）は得られた定着用部の断面図、（ｂ）はその部分拡大断面図である。
【図８】（ａ）は定着工程の説明図、（ｂ）は定着完了状態を示す側面図である。
【符号の説明】
１ 繊維複合材
１’ 端末部
２ 谷間
３ 繊維束
４ 繊維束
５ 熱硬化性樹脂
Ｄ 定着用部

Claims (4)

1. 高強度低伸度繊維と熱硬化性樹脂を複合した繊維複合材１の撚り線形状端末部１’の撚線の谷間に繊維束３を埋め込み、この状態で外周を繊維束４でラッピングして円筒形に成形し、次いで繊維複合材１のマトリックス樹脂と同等の熱硬化性樹脂５を含浸させ、加熱することにより繊維複合材１と繊維束３，４を一体に接合することを特徴とする繊維複合材の端末加工方法。
2. ラッピングの繊維束４として熱収縮性繊維を用い、加熱の際の繊維の熱収縮作用により円筒径を縮少して撚線の谷間に埋め込んだ繊維束３と繊維複合材１の端末部とを緊縛する請求項１に記載の繊維複合材の端末加工方法。
3. 端末部１’の撚線の谷間に埋める繊維束３として、繊維複合材１と同材質の高強度低伸度繊維を用いる請求項１または２に記載の繊維複合材の端末加工方法。
4. 請求項１から請求項３で得られた繊維複合材ケーブルの加工端末部Ｄを複数割りのくさび７，７で挟持してスリーブ６内に挿入し、くさび作用により被定着部に定着することを特徴とする繊維複合材の端末定着方法。

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