JP4780594B2 - 建設構造物の補強材、強化建設構造物、及び、建設構造物の補強工法 - Google Patents
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Description
本発明は、主に、建設構造物の補強材、強化建設構造物、及び、建設構造物の補強工法に関する。
コンクリート、鉄鋼、木材等の建設材で造られた構造物は、腐食、塩害、温度変化、湿気、水圧、荷重等の様々な原因により経過年数とともにその強度を失い、やがて、亀裂、歪み、崩壊、崩落、破裂等の欠陥を生じる。
現在、強度が低下した構造物を補強する主な方法として、溶接による方法、高力ボルトや添接板等の治具で建設材を拘束する方法、補強を必要とする建設材の部分にシート、プレート、ネット等の形状の補強材を接着する方法がとられている。
しかしながら、溶接による方法及び治具で建設材を拘束する方法は、特別な技術や大掛かりな足場を必要とするといった欠点を有する。また溶接は、コンクリート、石材、木材の補強方法としては不適当である。
補強材を接着する方法は、特別な技術や大掛かりな足場を必要としないため簡便且つ経済的な方法であるが、その一方で、接着剤層の付着端に高いせん断応力（はく離せん断応力）が生じると付加材層がはく離するという問題を抱えている。
一方、現在、炭素繊維、アラミド繊維、ガラス繊維、鋼繊維、鋼、樹脂等を材料とするシートやプレート等が補強材として広く使用されている。
現在、単層構造の補強材が主流であるが、複数の材料からなる積層構造の補強材も幾つか報告されている（特許文献１、非特許文献１）。
例えば、特許文献１には、コンクリート構造物補修・補強用一方向強化繊維材を所定枚数積層した構造が開示されている。しかしながら、特許文献１には、接着剤層の付着端のはく離せん断応力を低減させる構造については示唆されていない。
また、非特許文献１には、複数の炭素繊維シートが積層された構造が記載されている。しかしながら、この構造では、接着剤層の付着端に生じるはく離せん断応力の低減が不十分であり、接着剤層の付着端から炭素繊維シートのはく離が起こる（非特許文献１）。
特開平９−６７９４３号公報
炭素繊維シートによる鋼板応力の低下とはく離せん断応力、大倉・福井・中村・松上、土木学会論文集 Ｎｏ．６８９／Ｉ−５７，２３９−２４９，２００１．１０
本発明は、母材からはく離しにくい新規補強材を提供することを課題とする。
本発明者らは、母材からはく離しにくい新規補強材を求めて鋭意研究を重ねた結果、付加材層と挿入材層とが接着剤層を介して積層された構造を有する補強材において、付加材層の剛性に対する挿入材層の剛性の比を０．５以下とすることにより、挿入材層を積層させない場合或いは付加材層の剛性に対する挿入材層の剛性の比が０．５より大きい場合と比べて、補強材が母材からはく離しにくくなることを見出し、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明は以下の事項に関する。
項１．
付加材層３、挿入材層４、及び接着剤層５を有し、
付加材層３と挿入材層４とが接着剤層５を介して積層され、且つ、
付加材層３の剛性に対する挿入材層４の剛性の比が０．５以下である、
建設構造物の補強材。
項２．
付加材層３の剛性に対する挿入材層４の剛性の比が０．４以下である、項１に記載の建設構造物の補強材。
項３．
付加材層３の剛性に対する挿入材層４の剛性の比が０．３以下である、項１に記載の建設構造物の補強材。
項４．
付加材層３の剛性に対する挿入材層４の剛性の比が０．２以下である、項１に記載の建設構造物の補強材。
項５．
付加材層３が炭素繊維プレート又は炭素繊維シートであり、挿入材層４がガラス繊維シート又はアラミド繊維シートである、項１に記載の補強材。
項６．
付加材及び／又は挿入材の表面に接着剤を塗布するか又は含浸させる工程、
接着剤を塗布するか又は含浸させた付加材と挿入材とを重ね合わせる工程、並びに、
接着剤を硬化させる工程、
を包含する、項１に記載の補強材の製造方法。
項７．
所定の間隙を介して付加材及び挿入材を配置する工程、
間隙に接着剤を充填し、付加材及び挿入材に接着剤を含浸させる工程、並びに、
接着剤を硬化させる工程
を包含する、項１に記載の補強材の製造方法。
項８．
項１に記載の補強材の挿入材層４に、接着剤層２が接着されている、建設構造物の接着剤層２付き補強材。
項９．
項１に記載の補強材、接着剤層２、及び母材１を有し、
補強材の挿入材層４と母材１とが接着剤層２を介して接着されている、強化建設構造物。
項１０．
下記工程（Ｉ）〜（ＩＩＩ）からなる群より選択される少なくとも１つの工程を包含する、建設構造物の補強工法：
（Ｉ）建設構造物の母材１に挿入材層４を接着し、さらに、該挿入材層４に付加材層３を接着する工程、
（ＩＩ）建設構造物の母材１に、項１に記載の補強材の挿入材層４を接着する工程、又は、
（ＩＩＩ）建設構造物の母材１に、項８に記載の接着剤層２付き補強材を貼付する工程。
項１．
付加材層３、挿入材層４、及び接着剤層５を有し、
付加材層３と挿入材層４とが接着剤層５を介して積層され、且つ、
付加材層３の剛性に対する挿入材層４の剛性の比が０．５以下である、
建設構造物の補強材。
項２．
付加材層３の剛性に対する挿入材層４の剛性の比が０．４以下である、項１に記載の建設構造物の補強材。
項３．
付加材層３の剛性に対する挿入材層４の剛性の比が０．３以下である、項１に記載の建設構造物の補強材。
項４．
付加材層３の剛性に対する挿入材層４の剛性の比が０．２以下である、項１に記載の建設構造物の補強材。
項５．
付加材層３が炭素繊維プレート又は炭素繊維シートであり、挿入材層４がガラス繊維シート又はアラミド繊維シートである、項１に記載の補強材。
項６．
付加材及び／又は挿入材の表面に接着剤を塗布するか又は含浸させる工程、
接着剤を塗布するか又は含浸させた付加材と挿入材とを重ね合わせる工程、並びに、
接着剤を硬化させる工程、
を包含する、項１に記載の補強材の製造方法。
項７．
所定の間隙を介して付加材及び挿入材を配置する工程、
間隙に接着剤を充填し、付加材及び挿入材に接着剤を含浸させる工程、並びに、
接着剤を硬化させる工程
を包含する、項１に記載の補強材の製造方法。
項８．
項１に記載の補強材の挿入材層４に、接着剤層２が接着されている、建設構造物の接着剤層２付き補強材。
項９．
項１に記載の補強材、接着剤層２、及び母材１を有し、
補強材の挿入材層４と母材１とが接着剤層２を介して接着されている、強化建設構造物。
項１０．
下記工程（Ｉ）〜（ＩＩＩ）からなる群より選択される少なくとも１つの工程を包含する、建設構造物の補強工法：
（Ｉ）建設構造物の母材１に挿入材層４を接着し、さらに、該挿入材層４に付加材層３を接着する工程、
（ＩＩ）建設構造物の母材１に、項１に記載の補強材の挿入材層４を接着する工程、又は、
（ＩＩＩ）建設構造物の母材１に、項８に記載の接着剤層２付き補強材を貼付する工程。
項１１．項１に記載の補強材と母材１とが接着剤層２を介して接着されるとき、下記式を満足する、建設構造物の補強材：
ここで、
σ0は、付加材層３が接着されていない位置における母材１に生じる応力であり、
Ｅ1は、母材１のヤング率であり、
ｔ1は、母材１の厚さであり（ただし、付加材を両面に有している場合のｔ1は母材１の厚さであり、付加材を片面に有している場合のｔ1は母材１の厚さ×２である）、
Ｅ3は、付加材層３のヤング率であり、
ｔ3は、付加材層３の片側厚さであり、
Ｅ4は、挿入材層４のヤング率であり、
ｔ4は、挿入材層４の片側厚さであり、
Ｇ2は、接着剤層２のせん断弾性係数であり、
ｈ2は、接着剤層２の片側厚さであり、
Ｇ5は、接着剤層５のせん断弾性係数であり、
ｈ5は、接着剤層５の片側厚さであり、
Ｔ21は、接着剤層２と母材１との界面の引張せん断接着強さ及び接着剤層２と挿入材層４との界面の引張せん断接着強さのうち、小さい方の値を表し、
Ｔ51は、接着剤層５と挿入材層４との界面の引張せん断接着強さ及び接着剤層５と付加材層３との界面の引張せん断接着強さのうち、小さい方の値を表す。
Ｅ1は、母材１のヤング率であり、
ｔ1は、母材１の厚さであり（ただし、付加材を両面に有している場合のｔ1は母材１の厚さであり、付加材を片面に有している場合のｔ1は母材１の厚さ×２である）、
Ｅ3は、付加材層３のヤング率であり、
ｔ3は、付加材層３の片側厚さであり、
Ｅ4は、挿入材層４のヤング率であり、
ｔ4は、挿入材層４の片側厚さであり、
Ｇ2は、接着剤層２のせん断弾性係数であり、
ｈ2は、接着剤層２の片側厚さであり、
Ｇ5は、接着剤層５のせん断弾性係数であり、
ｈ5は、接着剤層５の片側厚さであり、
Ｔ21は、接着剤層２と母材１との界面の引張せん断接着強さ及び接着剤層２と挿入材層４との界面の引張せん断接着強さのうち、小さい方の値を表し、
Ｔ51は、接着剤層５と挿入材層４との界面の引張せん断接着強さ及び接着剤層５と付加材層３との界面の引張せん断接着強さのうち、小さい方の値を表す。
以下、本発明をより詳細に説明する。
本発明の補強材は、付加材、挿入材、及び、該付加材と該挿入材とを接着する接着剤から構成される。
付加材としては、特に限定されないが、建設構造物の補強に通常使用される材料、例えば、繊維を原料とする織物、編物、又は不織布をマトリックス高分子で硬化させたもの、繊維をマトリックス高分子中に分散させたもの、金属、樹脂が使用され、特に、繊維を原料とする織物、編物、又は不織布をマトリックス高分子で硬化させたものが好適に使用され得る。
繊維としては、無機繊維、有機繊維、金属繊維等の繊維が好適に使用され得、例えば、炭素繊維（ＣＦ）、ガラス繊維（ＧＦ）、アラミド繊維（ＡｒＦ）、ポリアリレート繊維、高強度ポリエチレン繊維、ポリアセタール繊維、アルミナ繊維（ＡＦ）、炭化ケイ素繊維（ＳｉＣＦ）、チラノ繊維、ボロン繊維、アモルファス金属繊維、ステンレス繊維、又は、これらの組み合わせからなる群より選択される繊維が挙げられる。特に、炭素繊維及びアラミド繊維は、高強度、高剛性である点において優れている。必要に応じて、繊維を互いに絡ませたり、束状に集束させたり、糸状に撚ったりしてもよい。
繊維は常法により製造される。例えば、炭素繊維は、次のような方法により製造することができる：アクリロニトリル、コモノマー及び溶剤を触媒の存在下で重合させて得られた紡糸原液を、紡糸、水洗、後処理し、プリカーサーを得る。得られたプリカーサーを、通常２００〜３５０℃の空気中で耐炎化させ、次いで１０００〜１５００℃の不活性ガス中で炭素化し、さらに表面処理やサイジング処理を施すことにより、炭素繊維を得ることができる。ガラス繊維は、短繊維の場合と長繊維の場合とで多少異なる、以下のような方法により製造することができる：短繊維のガラス繊維は、溶融ガラスを、多数の***（通常０．５〜０．７ｍｍ直径）のあいた短繊維紡糸装置中に入れ、約１０００ｒｐｍ以上の回転速度で遠心し、綿あめのように吹き飛ばすことにより得ることができる。長繊維のガラス繊維は、主として、長繊維紡糸装置中で溶融ガラスを冷却しないで直接細孔のあいたブッシングに導き、繊維化する方法（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｌｔ法）により製造することができる。
この他にも各種繊維の製造方法について、本書においてその全体が援用される「繊維便覧 第２版、繊維学会編、平成６年３月２５日発行」を参照することができる。
市販の繊維を用いることもできる。例えば、炭素繊維としてパイロメックス（帝人テクノプロダクツ株式会社）、ガラス繊維としてガラスクロス（ユニチカグラスファイバー株式会社）又はガラスクロス（カネボウ株式会社）、アラミド繊維としてトワロン，テクノーラ，コーネックス（帝人テクノプロダクツ株式会社）又はＫＥＶＬＡＲ（東レ・デュポン株式会社）等を好適に用いることができる。
織物は、常法により成形され得、例えば、たて糸を並列し、これと互い違いに交錯するようによこ糸を挿入することにより成形され得る。編物は、常法により成形され得、例えば、編針で糸のループを作り、これを既成のループに通す操作を繰り返して、ループを連結することにより形成され得る。不織布は、常法により成形され得、例えば、積層した繊維を縮充、ニードルパンチ、水流パンチなどにより絡ませることにより、或いは、積層した繊維を融着することにより成形され得る。これら以外の方法により織物、編物、又は不織布を成形してもよい。織物、編物、又は不織布の製造方法については、本書においてその全体が援用される「繊維便覧 第２版、繊維学会編、平成６年３月２５日発行」を参照することができる。
マトリックス高分子としては、特に限定されないが、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ビニルエステル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリアミドイミド樹脂等が使用され得る。特に、成形性及び耐熱性に優れるエポキシ樹脂等が好ましい。マトリックス高分子には、必要に応じて、硬化剤、硬化促進剤、希釈剤等が添加される。
付加材は、繊維の織物、編物又は不織布にマトリックス高分子を塗布するか又は含浸させ、マトリックス高分子を硬化させることにより、或いは、繊維とともにマトリックス高分子を混ぜ込んで織物、編物又は不織布を成形し、マトリックス高分子を硬化させることにより、得ることができる。
付加材として繊維をマトリックス高分子中に分散させたものを用いる場合、例えば、前述の繊維を前述のマトリックス高分子中に常法により分散させたものを用いることができる。付加材として繊維をマトリックス高分子中に分散させたものの製造方法については、本書においてその全体が援用される「繊維便覧 第２版、繊維学会編、平成６年３月２５日発行」を参照することができる。
付加材として金属又は樹脂を用いる場合、金属としては、例えば、鋼、ステンレス鋼、樹脂としては、前述のマトリックス高分子を硬化させたものを好適に使用することができる。
付加材の形状は、特に限定されないが、例えば、フィルム（０．０５ｍｍ未満の厚さを有する）、シート（０．０５ｍｍ以上、１ｍｍ未満の厚さを有する）、プレート（１ｍｍ以上の厚さを有する）であり、好ましくはシート又はプレートである。
本発明の好ましい実施形態において、付加材は、炭素繊維プレート、炭素繊維シート、アラミド繊維プレート、アラミド繊維シートである。
市販されている繊維製品、例えば、炭素繊維プレートとして炭素繊維トウプレート（日鉄コンポジット株式会社）又はトレカラミネート（東レ株式会社）、炭素繊維シートとして炭素繊維トウシート（日鉄コンポジット株式会社）、トレカクロス（東レ株式会社）、リペラーク（三菱化学産資株式会社）又はＴＵクロス（新日本石油株式会社）、アラミド繊維プレートとしてアラミド繊維トウプレート(日鉄コンポジット株式会社製)、アラミド繊維シートとしてアラミド繊維トウシート（日鉄コンポジット株式会社製）又はフィブラシート（ファイベックス株式会社）等も付加材として好適に用いることができる。
付加材層は、複数枚の付加材が接着剤を介して積層されたものであってもよい。このとき、各付加材の種類や形状は、同じであってもよいし、異なってもよい。また、付加材同士の接着に使用される接着剤としては、特に限定されないが、後述する付加材と挿入材との接着に用いられる接着剤が好適に使用され得る。
挿入材としては、特に限定されないが、建設構造物の分野において通常使用される材料、例えば、繊維を原料とする織物、編物、又は不織布をマトリックス高分子で硬化させたもの、繊維をマトリックス高分子中に分散させたもの、金属、樹脂が使用され、特に、繊維を原料とする織物、編物、又は不織布をマトリックス高分子で硬化させたものが好適に使用され得る。
繊維の具体例としては、無機繊維、有機繊維、金属繊維等の繊維が好適に使用され、例えば、炭素繊維（ＣＦ）、ガラス繊維（ＧＦ）、アラミド繊維（ＡｒＦ）、ポリアリレート繊維、高強度ポリエチレン繊維、ポリアセタール繊維、アルミナ繊維（ＡＦ）、炭化ケイ素繊維（ＳｉＣＦ）、チラノ繊維、ボロン繊維、アモルファス金属繊維、ステンレス繊維、又は、これらの組み合わせからなる群より選択される繊維が挙げられる。必要に応じて、繊維を互いに絡ませたり、束状に集束させたり、糸状に撚ったりしてもよい。
繊維は前述の方法により製造される。市販品を用いる場合には、前述の市販の繊維を用いることができる。
織物、編物、又は不織布は、前述の方法により成形することができる。
マトリックス高分子としては、特に限定されないが、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ビニルエステル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリアミドイミド樹脂等が使用され得る。特に、成形性及び耐熱性に優れるエポキシ樹脂等が好ましい。マトリックス高分子には、必要に応じて、硬化剤、硬化促進剤、希釈剤等が添加される。
挿入材は、繊維の織物、編物又は不織布にマトリックス高分子を塗布するか又は含浸させ、マトリックス高分子を硬化させることにより、或いは、繊維とともにマトリックス高分子を混ぜ込んで織物、編物又は不織布を成形し、マトリックス高分子を硬化させることにより、得ることができる。
挿入材として繊維をマトリックス高分子中に分散させたものを用いる場合、例えば、前述の繊維を前述のマトリックス高分子中に常法により分散させたものを用いることができる。
挿入材として金属又は樹脂を用いる場合、金属としては、例えば、鋼、ステンレス鋼樹脂としては、前述のマトリックス高分子を硬化させたものを好適に使用することができる。
挿入材の形状は、特に限定されないが、例えば、フィルム（０．０５ｍｍ未満の厚さを有する）、シート（０．０５ｍｍ以上、１ｍｍ未満の厚さを有する）、プレート（１ｍｍ以上の厚さを有する）であり、好ましくはフィルム又はシートである。
本発明の好ましい実施形態において、挿入材は、ガラス繊維シート、ガラス繊維フィルム、アラミド繊維シート、又はアラミド繊維フィルムである。
市販されている繊維製品、例えば、ガラス繊維シートとしてガラス繊維トウシート(日鉄コンポジット株式会社製)、アラミド繊維シートとしてアラミド繊維トウシート（日鉄コンポジット株式会社製）又はフィブラシート（ファイベックス株式会社）等も挿入材として用いることができる。
挿入材層は、複数枚の挿入材が接着剤を介して積層されたものであってもよい。このとき、各挿入材の種類や形状は、同じであってもよいし、異なってもよい。また、挿入材同士の接着に使用される接着剤としては、特に限定されないが、後述する付加材と挿入材との接着に用いられる接着剤が好適に例示される。
挿入材層４の剛性は、付加材層３の剛性の約０．５倍以下、好ましくは約０．４倍以下、より好ましくは約０．３倍以下、さらに好ましくは約０．２倍以下である。言い換えると、付加材層３の剛性に対する挿入材層４の剛性の比は、約０．５以下、好ましくは約０．４以下、より好ましくは約０．３以下、さらに好ましくは約０．２以下である。
このような範囲の剛性を有する挿入材層４を付加材層３と母材１との間に存在させることにより、このような範囲の剛性を有さない挿入材層４を付加材層３と母材１との間に存在させる場合或いは挿入材層４を存在させない場合と比べて、補強材が母材からはく離しにくく、より長い間又はより大きなはく離荷重に対して母材を補強することができる。
なお、挿入材層４が、複数枚の挿入材が接着剤を介して積層されたものである場合、挿入材の積層体全体の剛性を、挿入材層４の剛性とする。また、付加材層３が、複数枚の付加材が接着剤を介して積層されたものである場合、付加材の積層体全体の剛性を、付加材層３の剛性とする。
また、挿入材層４が、複数枚の挿入材が接着剤を介して積層されたものである場合、及び／又は、付加材層３が、複数枚の付加材が接着剤を介して積層されたものである場合、挿入材層４に最も近い付加材と、付加材層３に最も近い挿入材との間の接着剤層を接着剤層５とする。
また、本発明では、前述のような範囲の剛性を有する挿入材層４を、付加材層３と母材１との間に介在させることにより、挿入材層４を介在させない場合と比べて、より高い剛性の付加材層３を用いることができるため、母材をより強固に補強することができる。
付加材と挿入材との形状の組み合わせとしては、好ましくは、挿入材がフィルムであるとき、付加材はシート又はプレートであり、挿入材がシートであるとき、付加材はシート又はプレートであり、挿入材がプレートであるとき、付加材はプレートである。言いかえると、付加材と挿入材との形状の組み合わせとしては、好ましくは、付加材がプレートであるとき、挿入材はプレート、シート又はフィルムであり、付加材がシートであるとき、挿入材はシート又はフィルムである。
付加材と挿入材との繊維原料の組み合わせとしては、好ましくは、挿入材がガラス繊維又はアラミド繊維であるとき、付加材は炭素繊維である。
本発明において使用される付加材と挿入材との好ましい組み合わせの例を、下記の表１に示す。
本発明の補強材は、前述の付加材と挿入材とを接着剤により接着させることにより得られる。
付加材と挿入材との接着に使用され、接着剤層５を形成する接着剤としては、特に限定されないが、合成樹脂又は天然樹脂を主成分とし、これに硬化剤、硬化促進剤、希釈剤、可塑剤、充填材等を適当に配合した接着剤を好適に使用することができる。主成分となる樹脂としては、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、アクリル（酸）樹脂、シリコン樹脂、酢酸ビニル樹脂又は酢酸ビニル共重合樹脂等の硬化性又は可塑性樹脂が使用され得、その中でも特に、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂が好適に使用され得る。接着剤は、製造や施工時の取扱い易さの点において、約５℃〜約４５℃の温度で数日以内に硬化するものが好ましい。また、かかる接着剤は、所望の厚さの接着剤層をもたらす量で使用される。接着剤の量は、試験片を用いて、単位面積当たりどれくらいの量の接着剤を適用すれば硬化後の接着剤層が所望の厚さになるかを確認した上で決定することが望ましい。
エポキシ樹脂の例としては、ビスフェノールＡの低分子量ジグリシジルエーテルとジアミンを反応させて得られる重合体、又は、オレフィンを過酢酸で酸化して得られる重合体が挙げられる。アクリル（酸）樹脂の例としては、アクリル酸エステル（例えば、アクリル酸エチル、アクリル酸メチル、アクリル酸ブチル、アクリル酸−２−エチルへキシル）の重合体が挙げられる。ウレタン樹脂の例としては、ジイソシアネートとジオールとを反応させて得られるウレタン結合を主体とする重合体が挙げられる。
付加材と挿入材との接着は、常法、例えば、前述の接着剤を含浸させた又は塗布した挿入材に付加材を重ね合わせ、接着剤を硬化させる方法、前述の接着剤を含浸させた又は塗布した付加材に挿入材を重ね合わせ、接着剤を硬化させる方法、或いは、予め所定の間隙を介して付加材と挿入材を固定しておいてから、付加材と挿入材との間隙に接着剤を充填し、接着剤を硬化させる方法により行われ得る。また、接着剤に熱硬化性樹脂、ＵＶ照射性樹脂等の熱、ＵＶ等により物性が変化して硬化する接着剤を使用する場合は、必要に応じて、温風を吹き付ける、ＵＶを照射する等の処理を施す。更に、脱泡、送風乾燥などを行ってもよい。接着剤及び接着技術については、本書においてその全体が援用される「接着ハンドブック（第３版）、日本接着学会編、１９９６年６月２８日発行」を参照することができる。
本発明の補強材は、さらに、必要に応じてコーティング処理される。コーティング処理に使用されるコーティング剤としては、光（ＵＶ、可視光）遮断剤、防カビ剤、防藻剤、防サビ剤、難燃剤、顔料、着色料、色素、光沢剤、耐水性物質等の表面特性を改善する物質を含有する樹脂（例えば、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、シリコン樹脂、フッ素樹脂等のコーティング剤に通常使用される樹脂）、ガラスが挙げられる。コーティングは、吹付け、ローラー塗り、刷毛塗り等の常法によってコーティング剤を補強材の表面へ塗布することにより行われ得る。
このようにして、付加材層３と挿入材層４とが接着剤層５を介して積層された構造を有する本発明の構造物が得られる。本発明の構造物は、付加材層３と挿入材層４とが接着剤層５を介して積層された構造を部分的に有してもよいし、全体的に有してもよい。
本発明の補強材は、補強が望まれる母材１へ接着される。このとき、補強材は、母材１の全体に接着されてもよいし、母材１の一部に接着されてもよい。
本発明の補強材と母材１との接着は、補強材の挿入材層４と母材１とを適当な接着剤で接着することによって行われる。補強材と母材１との接着は、常法、例えば、接着剤を含浸させた又は塗布した母材１に補強材を重ね合わせ、接着剤を硬化させる方法、接着剤を含浸させた又は塗布した補強材を母材１に重ね合わせ、接着剤を硬化させる方法、或いは、予め所定の間隙を介して母材１に補強材の挿入材層４を固定しておいてから、母材１と挿入材層４との間隙に接着剤を充填し、接着剤を硬化させる方法により行われ得る。接着後、必要に応じて、圧着、光（ＵＶ、可視光）照射、脱泡、仕上げ処理（表面コーティング等）、送風乾燥、などを行ってもよい。
本発明の補強材の挿入材層４と母材１との接着に使用され、接着剤層２を形成する接着剤としては、特に限定されないが、例えば、前述の付加材と挿入材との接着に使用される接着剤が例示される。補強材と母材１との接着に使用される接着剤は、母材１の種類、挿入材の種類、環境条件等により、適宜選択され得る。例えば、母材１がコンクリートである場合、接着剤としては、エポキシ樹脂、アクリル（酸）樹脂、酢酸ビニル樹脂、及び、酢酸ビニル共重合樹脂、エチレン酢酸ビニル樹脂が好適に使用され得るが、これらに限定されない。母材１が鉄鋼である場合、接着剤としては、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、アクリル（酸）樹脂、及び、酢酸ビニル共重合樹脂、エチレン酢酸ビニル樹脂が好適に使用され得るが、これらに限定されない。エポキシ樹脂は、接着力が大きく、強靭であり、耐薬品性が高く、寸法安定性に優れるなどの利点を有し、また、低粘度液状品から高粘度パテ状品まで調製できる点、種々の材料からなる母材に対して適用可能である点においても優れている。アクリル樹脂は、軽量であり、強靭であり、耐候性が高く、耐光性が高いなどの利点を有し、また、取扱いが容易な水系エマルジョンに調製可能な点においても優れている。接着剤は、製造や施工時の取扱い易さの点において、約５℃〜約４５℃の温度で数日以内に硬化するものが好ましい。接着剤及び接着技術については、本書においてその全体が援用される「接着ハンドブック（第３版）、日本接着学会編、１９９６年６月２８日発行」を参照することができる。
接着剤層２と接着剤層５の組み合わせは、接着剤層２及び接着剤層５に関する無次元パラメーターＤの値によって選定される。無次元パラメーターＤは、現実的には約０．５〜４．０の範囲をとり得るが、同程度の物性及び厚みを有する接着剤層２及び接着剤層５が好適に使用されるため、多くの場合約０．７〜１．４、より多くの場合０．９〜１．１、しばしば約１．０である。ここで、Ｄ＝ｈ5Ｇ2／（ｈ2Ｇ5）であり、Ｇ2は接着剤層２のせん断弾性係数、ｈ2は接着剤層２の片側厚さ、Ｇ5は接着剤層５のせん断弾性係数、ｈ5は接着剤層５の片側厚さである。
母材１としては、建設構造物に使用される物質であれば特に限定されないが、例えば、コンクリート、鉄鋼、アルミニウム、木材、石材、モルタル、レンガ、タイルが挙げられ、特に好ましくはコンクリート及び鉄鋼である。
本発明の適用対象となる建設構造物としては、補強を必要とするあらゆる建築施設及び土木施設、そのユニット並びにその部材が含まれ、例えば、橋梁（河川、海水面、湖水面、谷、道路、鉄道等と立体的に交差する構造物）或いはそれらのユニット又は部材（例えば、橋板、橋脚、橋柱、橋架、橋床、橋台、橋杭、橋塔）、トンネル（山腹、河底、海底、湖底、地下に貫かれた通路）或いはそれらのユニット又は部材（例えば、内壁、出入口の壁）、建築物（屋根及び柱又は壁を有する構造物）（例えば、ビル、高層ビル、家屋、畜舎）或いはそれらのユニット又は部材（柱、梁、屋根、外壁、内壁、床、天井、塀等）、或いは、道路、井戸、ダム、煙突、塔、像、記念碑、標識、門、塀、堤防或いはそれらのユニット又は部材が含まれるが、これらに限定されない。
本発明は、また、補強材の製造方法にも関する。
具体的には、本発明は、付加材及び／又は挿入材の表面に接着剤を塗布するか又は含浸させる工程、接着剤を塗布するか又は含浸させた付加材と挿入材とを重ね合わせる工程、並びに、接着剤を硬化させる工程を包含する補強材の製造方法を提供する。
本発明は、別の製造方法として、所定の間隙を介して付加材及び挿入材を配置する工程、間隙に接着剤を充填し、付加材及び挿入材に接着剤を含浸させる工程、並びに、接着剤を硬化させる工程を包含する補強材の製造方法を提供する。ここで、複数枚の付加材を用いる場合には、配置工程において、予め付加材同士を接着させたものを配置してもよいし、各々の付加材を所定の間隙を介して配置してもよい。複数枚の挿入材を用いる場合には、配置工程において、予め挿入材同士を接着させたものを配置してもよいし、各々の挿入材を所定の間隙を介して配置してもよい。
本発明は、さらに、接着剤層２付き補強材にも関する。
本発明の接着剤層２付き補強材は、本発明の補強材の挿入材層４に接着剤を含浸させる又は塗布することにより製造され得、挿入材層４に接着剤層２が積層された構造を有する。本発明の接着剤層２付き補強材は、さらに、接着剤層２の表面に剥ぎ取り可能なはく離材を有してもよい。はく離材（例えば、はく離フィルム又はシート）は、接着剤層２付き補強材が使用されるまでの一時的な支持体であり、接着剤層２の乾燥や汚れを防ぎ、接着性を維持する役割を果たす。はく離材としては、はく離可能である限り特に限定されないが、例えば、はく離紙（例えば、樹脂ラミネート加工を施した紙）が使用され得る。
接着剤層２付き補強材に使用される接着剤としては、特に限定されず、上記の補強材の挿入材層４と母材１との接着に使用される接着剤が例示される。接着剤層２付き補強材は、接着剤層２をはく離材でシールした状態で長期保存される可能性が高いので、このような長期保存に耐え得るよう、長期の形状安定性に優れ、はく離材に対して耐性が高いことが望ましい。また、施工時の作業性の観点から、約５℃〜約４５℃の温度で数日以内に硬化する接着剤が好ましい。
本発明は、さらに、本発明の補強材を有する強化建設構造物にも関する。
本発明の強化建設構造物には、補強材、接着剤層２及び母材１を有し且つ補強材の挿入材層４が母材１に接着剤２を介して接着された（一体化された）構造を有する前述の建設構造物が含まれる。
本発明は、さらに、建設構造物の補強工法を提供する。本発明の補強工法は、（Ｉ）建設構造物の母材１に挿入材層４を接着し、さらに、該挿入材層４に付加材層３を接着する工程、（ＩＩ）建設構造物の母材１に、本発明の補強材の挿入材層４を接着する工程、又は、（ＩＩＩ）建設構造物の母材１に、本発明の接着剤層２付き補強材を貼付する工程、からなる群より選択される少なくとも１つの工程を包含する。
本発明の１つの好ましい実施形態において、補強材は、付加材層３と挿入材層４とが接着剤層５を介して積層された構造を全体的に有する。図２（ａ）及び（ｂ）は、かかる補強材及びかかる補強材を備える強化建設構造物の側面外略図である。
本発明の１つの好ましい実施形態において、補強材は、付加材層３と挿入材層４とが接着剤層５を介して積層された構造を部分的に有する。図１１（ａ）−（ｅ）は、かかる補強材及びかかる補強材を備える強化建設構造物の側面外略図である。
本発明の１つの好ましい実施形態において、補強材は、母材１の片面に接着される。図２（ｂ）は、補強材を母材１の片面に接着した場合の側面外略図である。
本発明の１つの好ましい実施形態において、補強材は、母材１の両面に接着される。図２（ｃ）は、補強材を母材１の両面に接着した場合の側面外略図である。
本発明の１つの好ましい実施形態において、補強材は、端部、或いは、端部及び必要部分のみにおいて、付加材層３と挿入材層４とが接着剤層５を介して積層された構造を有する。接着剤層のはく離せん断応力を受けやすい端部、或いは、端部及び必要部分のみに挿入材を用いることにより、より少ない量の挿入材で母材１を効率的に補強することができる。
本発明の１つの好ましい実施形態において、挿入材層４の積層面の面積は、付加材層３の積層面の面積より少し広い。図１０に挿入材層４の積層面の面積が付加材層３の積層面の面積より少し広い場合の本発明の強化建設構造物の側面概略図を示す。
本発明の好ましい実施形態において、本発明における補強材は、後述する式〔２１〕及び式〔２２〕を満足する。
式〔２１〕及び式〔２２〕は、以下のように得られる。
先ず図３に、本発明の強化建設構造物の各層に生じる力のつりあいを示す。この力のつりあいから、下記の式〔１〕で表される４階微分方程式を得る。
ここで、
ここで、
σ0は、付加材層３が接着されていない位置における母材１に生じる応力であり、
σ1は、付加材層３が接着されている位置における母材１に生じる応力であり、
Ｅ1は、母材１のヤング率であり、
ｔ1は、母材１の厚さであり（ただし、付加材を両面に有している場合のｔ1は母材１の厚さであり、付加材を片面に有している場合のｔ1は母材１の厚さ×２である）、
Ｅ3は、付加材層３のヤング率であり、
ｔ3は、付加材層３の片側厚さであり、
Ｅ4は、挿入材層４のヤング率であり、
ｔ4は、挿入材層４の片側厚さであり、
Ｇ2は、接着剤層２のせん断弾性係数であり、
ｈ2は、接着剤層２の片側厚さであり、
Ｇ5は、接着剤層５のせん断弾性係数であり、
ｈ5は、接着剤層５の片側厚さであり、
ｘは、付加材層３の中央を原点とする水平方向の座標である。
σ0は、付加材層３が接着されていない位置における母材１に生じる応力であり、
σ1は、付加材層３が接着されている位置における母材１に生じる応力であり、
Ｅ1は、母材１のヤング率であり、
ｔ1は、母材１の厚さであり（ただし、付加材を両面に有している場合のｔ1は母材１の厚さであり、付加材を片面に有している場合のｔ1は母材１の厚さ×２である）、
Ｅ3は、付加材層３のヤング率であり、
ｔ3は、付加材層３の片側厚さであり、
Ｅ4は、挿入材層４のヤング率であり、
ｔ4は、挿入材層４の片側厚さであり、
Ｇ2は、接着剤層２のせん断弾性係数であり、
ｈ2は、接着剤層２の片側厚さであり、
Ｇ5は、接着剤層５のせん断弾性係数であり、
ｈ5は、接着剤層５の片側厚さであり、
ｘは、付加材層３の中央を原点とする水平方向の座標である。
ここで、各せん断弾性係数Ｇ及び各ヤング率Ｅについては、例えば、以下のように求めることができる。せん断弾性係数Ｇとヤング率Ｅとの間には次式で表される関係がある。
ここで、μはポアソン比である。
せん断弾性係数Ｇは、上式から、ヤング率Ｅとポアソン比μによって与えられる。ヤング率Ｅとポアソン比μは、材料の引張試験により求めることができる。
例えば、金属材料のヤング率Ｅとポアソン比μについては、ＪＩＳ Ｚ ２２４１ 「金属材料引張試験方法」の規格に従って求めることができる。炭素繊維プレートのヤング率Ｅとポアソン比μについては、ＪＩＳ Ｋ ７０７３ 「炭素繊維強化プラスチックの引張試験方法」の規格に従って求めることができる。また、プラスチックのヤング率Ｅとポアソン比μについては、ＪＩＳ Ｋ ７１１３ 「プラスチックの引張試験方法」の規格に従って求めることができる。コンクリート材料に対しては、ヤング率を求めるＪＩＳはないが、設計では、ＪＩＳ Ａ １１０８ 「コンクリートの圧縮強度試験方法」の規格から求められる圧縮強度の１／３点と原点とを結ぶ線の傾きをヤング率とみなしている。またポアソン比に対して、設計では０．１７程度を使用している。
また、付加材層３の厚さｔ3、挿入材層４の厚さｔ4、各接着剤層の厚さｈ2及びｈ5は、例えば、ノギス、マイクロメータ、レーザ変位センサ、マイクロスコープ等の計測器具を用いて、常法により測定される。母材の厚さｔ1は、例えば、ノギス、コンベックス、巻尺、測量ロープ等の計測器具を用いて、常法により測定される。また、市販されている付加材又は挿入材を使用する場合は、多くの場合、カタログや説明書にヤング率、厚さが記載されているので、それらの値を用いることもできる。
式〔１〕を解くことにより、接着剤層２に生じるせん断応力τ2および接着剤層５に生じるせん断応力τ5がそれぞれ次式で与えられる。
ここで、
式〔９〕および式〔１０〕のｘにＬ（ここで、Ｌは付加材層３の半長さである）を代入することにより、接着剤層２の付着端に生じるはく離せん断応力τ21及び接着剤層５の付着端に生じるはく離せん断応力τ51がそれぞれ次式で与えられる：
ここで、ｃ2Ｌが３より大きい時、ｔａｎｈ（ｃ2Ｌ）がほぼ１になるので、式〔１５〕および式〔１６〕はそれぞれ次式になる。
接着剤層２のはく離せん断応力τ21および接着剤層５のはく離せん断応力τ51がそれぞれ次式を満足するとき、付加材層３又は補強材のはく離を防止することができる。
ここで、
Ｔ21は、接着剤層２と母材１との界面の引張せん断接着強さおよび接着剤層２と挿入材層４との界面の引張せん断接着強さのうち、小さい方の値を表し、
Ｔ51は、接着剤層５と挿入材層４との界面の引張せん断接着強さおよび接着剤層５と付加材層３との界面の引張せん断接着強さのうち、小さい方の値を表す。
Ｔ21は、接着剤層２と母材１との界面の引張せん断接着強さおよび接着剤層２と挿入材層４との界面の引張せん断接着強さのうち、小さい方の値を表し、
Ｔ51は、接着剤層５と挿入材層４との界面の引張せん断接着強さおよび接着剤層５と付加材層３との界面の引張せん断接着強さのうち、小さい方の値を表す。
引張せん断接着強さは、接着剤の材料特性および接着される材の表面の状態によって決定され、一般にＪＩＳ Ｋ ６８５０「接着剤の引張せん断接着強さ試験方法」により測定することができる。
式〔１９〕および式〔２０〕は変形すると、それぞれ次式になる。
ここで、
他方、従来工法で付加材層３又は補強材のはく離を防止する条件は、非特許文献１により、次式で与えられる。
ここで、
τ20は、従来工法において、挿入材を挿入しない時の接着剤層２の付着端に生じるはく離せん断応力であり、Ｔ20は、従来工法において、接着剤層２と母材１との界面の引張せん断接着強さ及び接着剤層２と付加材層３との界面の引張せん断接着強さのうち、小さい方の値を表す。
τ20は、従来工法において、挿入材を挿入しない時の接着剤層２の付着端に生じるはく離せん断応力であり、Ｔ20は、従来工法において、接着剤層２と母材１との界面の引張せん断接着強さ及び接着剤層２と付加材層３との界面の引張せん断接着強さのうち、小さい方の値を表す。
式〔２５〕を変形して、次式を得る。
ここで、
発明工法において、補強材が母材からはく離しないためには、式〔２１〕と式〔２２〕を満足しなければならない。式〔２１〕と式〔２２〕は、無次元量Ｅ4ｔ4／（Ｅ3ｔ3）、Ｅ3ｔ3／（Ｅ1ｔ1）、Ｄ、Ｋ21、Ｋ51で表される。ここで、Ｅ4ｔ4／（Ｅ3ｔ3）は付加材の剛性に対する挿入材の剛性の比を表し、Ｅ3ｔ3／（Ｅ1ｔ1）は母材の剛性に対する付加材の剛性の比を表す。
引張せん断接着強さＴ21とＴ51が等しいときＫ21とＫ51は等しくなる。しかし、Ｋ21とＫ51は、母材１に生じる応力σ0の大きさによって、様々な値をとる。
例として、Ｄ＝１として、Ｋ21＝０．３６、０．４２、０．４８の各場合に対して、式〔２１〕を満足するＥ4ｔ4／（Ｅ3ｔ3）とＥ3ｔ3／（Ｅ1ｔ1）の領域を図４に示す。Ｋ21の各値に対して、各曲線（実線）の下側が式〔２１〕を満足する領域である。Ｋ51＝０．３６、０．４２、０．４８の各場合に対して、式〔２２〕は常に成立しているので、式〔２２〕から導出される、Ｅ4ｔ4／（Ｅ3ｔ3）とＥ3ｔ3／（Ｅ1ｔ1）の領域は図にない。
他方、従来工法において、補強材が母材からはく離しないためには、式〔２６〕を満足しなければならない。式〔２６〕は、無次元量Ｅ3ｔ3／（Ｅ1ｔ1）及びＫ20で表される。Ｋ20＝０．３６，０．４２，０．４８の各場合に対して、式〔２６〕を満足するＥ3ｔ3／（Ｅ1ｔ1）の領域を図４に示す。Ｋ20の各値に対して、各直線（破線）の左側が式〔２６〕を満足する領域である。
図４において、Ｋ21＝０．３６に対して式〔２１〕が与える曲線は、Ｋ20＝０．３６に対して式〔２６〕が与える直線と点Ａで交わる。同様に、Ｋ21＝０．４２に対して式〔２１〕が与える曲線は、Ｋ20＝０．４２に対して式〔２６〕が与える直線と点Ｂで交わる。さらに、Ｋ21＝０．４８に対して式〔２１〕が与える曲線は、Ｋ20＝０．４８に対して式〔２６〕が与える直線と点Ｃで交わる。
図５においてＫ21＝Ｋ20＝０．３６の場合を例として、発明工法と従来工法の比較を行なう。Ｋ21＝０．３６に対して、式〔２１〕を満足する領域、及びＫ20＝０．３６に対して、式〔２６〕を満足する領域を、改めて図５に示す。曲線Iの下側の領域、すなわち[R1]と[R2]の領域が、式〔２１〕を満足する領域である。直線IIの左側の領域、すなわち[R1]と[R3]の領域が、式〔２６〕を満足する領域である。これより次のことが分かる。Ｅ3ｔ3／（Ｅ1ｔ1）が小さいとき、すなわち母材の剛性に対して付加材の剛性が小さいときは、従来工法でも発明工法でも、補強材が母材からはく離しない。しかし、Ｅ3ｔ3／（Ｅ1ｔ1）が大きくなると、すなわち母材の剛性に対して付加材の剛性が大きくなると、発明工法でなければ、母材から補強材のはく離を防止することはできない。
したがって発明工法は、Ｅ4ｔ4／（Ｅ3ｔ3）の値が交点Ａより下になるような剛性Ｅ4ｔ4を有する挿入材を使用することにより、付加材の剛性Ｅ3ｔ3を、従来工法のそれよりも大きくすることができる。
図４において、交点Ａ、Ｂ、Ｃを通過する曲線（一点鎖線）は、Ｋ21＝Ｋ20の任意の値に対して、式〔２１〕が与える曲線と式〔２６〕が与える直線との交点を連ねたものであり、式〔２１〕の左辺と式〔２６〕の左辺とを等値することによって、次式で与えられる。
図４の交点Ａ、Ｂ、Ｃを通過する曲線は、Ｄ＝１に対する結果である。式〔５〕で定義されるＤは、接着剤層２のせん断弾性係数Ｇ2、接着剤層２の片側厚さｈ2、接着剤層５のせん断弾性係数Ｇ5、および接着剤層５の片側厚さｈ5を変数とする無次元量である。これらの変数の値の組合せにより、Ｄは０．５〜４の範囲で様々な値をとり得る。具体例としてＤ＝０．５、１、２及び４の各場合について、式〔２８〕の曲線を図６に示す。
図６から、Ｅ3ｔ3／（Ｅ1ｔ1）＝０．０５〜０．５に対して、下記のようなＤとＥ4ｔ4／（Ｅ3ｔ3）との好ましい関係が得られる：
Ｄが０．５の場合、Ｅ4ｔ4／（Ｅ3ｔ3）は好ましくは０．３以下、さらに好ましくは０．２以下、
Ｄが０．５より大きく１．０以下の場合、Ｅ4ｔ4／（Ｅ3ｔ3）は好ましくは０．４以下、さらに好ましくは０．３以下、
Ｄが１．０より大きく２．０以下の場合、Ｅ4ｔ4／（Ｅ3ｔ3）は好ましくは０．５以下、さらに好ましくは０．４以下、
Ｄが２．０より大きく４．０以下の場合、Ｅ4ｔ4／（Ｅ3ｔ3）が好ましくは０．６以下、さらに好ましくは０．５以下。
Ｄが０．５の場合、Ｅ4ｔ4／（Ｅ3ｔ3）は好ましくは０．３以下、さらに好ましくは０．２以下、
Ｄが０．５より大きく１．０以下の場合、Ｅ4ｔ4／（Ｅ3ｔ3）は好ましくは０．４以下、さらに好ましくは０．３以下、
Ｄが１．０より大きく２．０以下の場合、Ｅ4ｔ4／（Ｅ3ｔ3）は好ましくは０．５以下、さらに好ましくは０．４以下、
Ｄが２．０より大きく４．０以下の場合、Ｅ4ｔ4／（Ｅ3ｔ3）が好ましくは０．６以下、さらに好ましくは０．５以下。
このようなＤ値とＥ4ｔ4／（Ｅ3ｔ3）の関係を満足することにより、本発明の補強材は、補強材が挿入材層４を有さない場合或いはＤ値とＥ4ｔ4／（Ｅ3ｔ3）とがこのような関係を満たさない場合と比べて、母材からはく離しにくく、より長い間又はより大きなはく離荷重に対して母材を補強することができる。また、このようなＤ値とＥ4ｔ4／（Ｅ3ｔ3）の関係を満足することにより、本発明の補強材は、挿入材層４を介在させない場合と比べて、より高い剛性の付加材を用いることができるため、母材をより強固に補強することができる。
ここでは、Ｄ＝０．５、１、２、及び４の各場合を具体例に挙げて説明しているが、当業者であれば、式〔２８〕、後述の式〔２９〕、後述の式〔３０〕及び図６に基づき、他のＤ値についても、好ましいＥ4ｔ4／（Ｅ3ｔ3）値を選定することができる。
また、図６における各曲線の変動幅は小さく、式〔２８〕を次式で近似できる。
さらに、Ｅ4ｔ4／（Ｅ3ｔ3）が次式を満たすとき、補強材が挿入材層４を有さない場合或いはＥ4ｔ4／（Ｅ3ｔ3）が次式を満たさない場合と比べて、補強材が母材からはく離しにくく、より長い間又はより大きなはく離荷重に対して母材を補強することができる。
ここで、通常、Ｅ3ｔ3／（Ｅ1ｔ1）の適用範囲は０．０５から０．５の間であり、Ｄの適用範囲は０．５から４の間である。
図１２に、Ｅ3ｔ3／（Ｅ1ｔ1）＝０．０５〜０．５の範囲について、Ｄ＝０．５、１、２、及び４の各場合を具体例に挙げて、式〔２８〕とその近似式〔２９〕との位置関係を示す。図１２から明らかなように、Ｅ3ｔ3／（Ｅ1ｔ1）＝０．０５〜０．５の範囲について、Ｄ＝０．５、１．０、２．０、４．０のいずれの場合についても、常に近似式〔２９〕が式〔２８〕を下回っている。これから明らかなように、Ｅ3ｔ3／（Ｅ1ｔ1）＝０．０５〜０．５であり、Ｄ＝０．５〜４．０である場合、式〔３０〕を満足するようなＥ4ｔ4／（Ｅ3ｔ3）を選定すれば、常に、補強材が挿入材層４を有さない場合或いはＥ4ｔ4／（Ｅ3ｔ3）が式〔３０〕を満たさない場合と比べて母材からはく離しにくい補強材を得ることができる。
本発明の１つの好ましい実施形態において、本発明の補強材と母材１とが接着剤層２を介して接着されるとき、Ｅ3ｔ3／（Ｅ1ｔ1）＝０．０５〜０．５であり、Ｄ＝０．５〜４．０であり、且つ、Ｅ4ｔ4／（Ｅ3ｔ3）が式〔３０〕を満足する。
本書において「補強」とは、特に言及しない限り、構造物の欠陥を修繕又は補修すること、構造物の予測される欠陥を防止又は軽減すること、或いは、構造物の強度を改善することを意味する。
本発明により、母材からはく離しにくい新規補強材及びその製造方法、該補強材を有する新規強化建設構造物、該補強材を用いた建設構造物の新規補強工法が提供された。
本発明により、付加材と母材との間に挿入材を介在させた積層構造を有する補強材において、付加材層の剛性に対する挿入材層の剛性の比を０．５以下とすることにより、挿入材層を介在させない場合或いは付加材層の剛性に対する挿入材層の剛性の比が０．５より大きい場合と比べて、補強材が母材からはく離しにくく、より長い間又はより大きなはく離荷重に対して母材を補強することが可能になった。
また、本発明により付加材層の剛性の０．５倍以下の剛性を有する挿入材層を母材と付加材層との間に介在させることにより、挿入材層を介在させない場合と比べて、より高い剛性の付加材を用いることができるため、母材をより強固に補強することができる。
本発明は、例えば、拘束治具の取り付けや溶接による施工が困難な母材（例えば、石材、木材、コンクリート）にも適用可能である。
また、本発明の補強工法を用いれば、拘束治具の取り付けや溶接等を必要としないため、高度な技術を有していない者でも簡単に母材を補強することができる。
１：母材
２：接着剤
３：付加材層
４：挿入材層
５：接着剤
＜材料特性＞
Ｅ：各材料のヤング率。
Ｇ：各材料のせん断弾性係数。
Ｅ1：母材１のヤング率。
Ｅ3：付加材層３のヤング率。
Ｅ4：挿入材層４のヤング率。
Ｇ2：接着剤層２のせん断弾性係数。
Ｇ5：接着剤層５のせん断弾性係数。
Ｔ21：接着剤層２と母材１との界面の引張せん断接着強さ及び接着剤層２と挿入材層４との界面の引張せん断接着強さのうち、小さい方の値。
Ｔ51：接着剤層５と挿入材層４との界面の引張せん断接着強さ及び接着剤層５と付加材層３との界面の引張せん断接着強さのうち、小さい方の値。
Ｔ20：挿入材を挿入しない時，接着剤層２と母材１との界面の引張せん断接着強さ及び接着剤層２と付加材層３との界面の引張せん断接着強さのうち、小さい方の値。
μ：各材料のポアソン比。
＜寸法＞
ｈ2：接着剤層２の片側厚さ。
ｈ5：接着剤層５の片側厚さ。
Ｌ：付加材層３の半長さ。
ｔ1：母材１の厚さ（ただし、付加材を両面に有している場合のｔ1は母材１の厚さであり、付加材を片面に有している場合のｔ1は母材１の厚さ×２である）。
ｔ3：付加材層３の片側厚さ。
ｔ4：挿入材層４の片側厚さ。
＜応力＞
σ0：付加材層３が接着されていない位置における、母材１に生じる応力。
σ1：付加材層３が接着されている位置における、母材１に生じる応力。
σ3：付加材層３に生じる応力。
σ4：挿入材層４に生じる応力。
τ2：接着剤層２に生じるせん断応力。
τ5：接着剤層５に生じるせん断応力。
τ20：挿入材を挿入しない時の接着剤層２の付着端に生じるはく離せん断応力。
τ21：挿入材を１枚挿入した時の接着剤層２の付着端に生じるはく離せん断応力。
τ51：挿入材を１枚挿入した時の接着剤層５の付着端に生じるはく離せん断応力。
＜その他の記号＞
Ｄ：接着剤層２および接着剤層５の各せん断弾性係数および各片側厚さから成るパラメータ。
Ｆ：母材１のヤング率および厚さ、ならびに付加材層３および挿入材層４の各ヤング率および各片側厚さから成るパラメータ。
K20：E1,ｔ1，G2，ｈ2，T20及びσ0から成るパラメータ。
K21：E1,ｔ1，G2，ｈ2，T21及びσ0から成るパラメータ。
K51：E1,ｔ1，G2，ｈ2，T51及びσ0から成るパラメータ。
Ｐ0：従来工法によって炭素繊維プレートがはく離する時の荷重。
Ｐ1：本工法によって炭素繊維プレートがはく離する時の荷重。
ξ：母材１のヤング率と厚さ、ならびに付加材層３のヤング率および片側厚さから成るパラメータ。
ｃ2：接着剤層２のせん断弾性係数と片側厚さ、母材１のヤング率と厚さ、ならびにξから成るパラメータ。
ｒ：Ｄ、Ｆおよびξから成るパラメータ。
ｓ：Ｄ、Ｆおよびξから成るパラメータ。
α：ｒおよびｓから成るパラメータ。
β：ｒおよびｓから成るパラメータ。
Ａ：Ｆ、Ｌ、ｃ2、α、βおよびξから成るパラメータ。
Ｂ：Ｆ、Ｌ、ｃ2、α、βおよびξから成るパラメータ。
ｘ：付加材の中央を原点とする水平方向の座標。
２：接着剤
３：付加材層
４：挿入材層
５：接着剤
＜材料特性＞
Ｅ：各材料のヤング率。
Ｇ：各材料のせん断弾性係数。
Ｅ1：母材１のヤング率。
Ｅ3：付加材層３のヤング率。
Ｅ4：挿入材層４のヤング率。
Ｇ2：接着剤層２のせん断弾性係数。
Ｇ5：接着剤層５のせん断弾性係数。
Ｔ21：接着剤層２と母材１との界面の引張せん断接着強さ及び接着剤層２と挿入材層４との界面の引張せん断接着強さのうち、小さい方の値。
Ｔ51：接着剤層５と挿入材層４との界面の引張せん断接着強さ及び接着剤層５と付加材層３との界面の引張せん断接着強さのうち、小さい方の値。
Ｔ20：挿入材を挿入しない時，接着剤層２と母材１との界面の引張せん断接着強さ及び接着剤層２と付加材層３との界面の引張せん断接着強さのうち、小さい方の値。
μ：各材料のポアソン比。
＜寸法＞
ｈ2：接着剤層２の片側厚さ。
ｈ5：接着剤層５の片側厚さ。
Ｌ：付加材層３の半長さ。
ｔ1：母材１の厚さ（ただし、付加材を両面に有している場合のｔ1は母材１の厚さであり、付加材を片面に有している場合のｔ1は母材１の厚さ×２である）。
ｔ3：付加材層３の片側厚さ。
ｔ4：挿入材層４の片側厚さ。
＜応力＞
σ0：付加材層３が接着されていない位置における、母材１に生じる応力。
σ1：付加材層３が接着されている位置における、母材１に生じる応力。
σ3：付加材層３に生じる応力。
σ4：挿入材層４に生じる応力。
τ2：接着剤層２に生じるせん断応力。
τ5：接着剤層５に生じるせん断応力。
τ20：挿入材を挿入しない時の接着剤層２の付着端に生じるはく離せん断応力。
τ21：挿入材を１枚挿入した時の接着剤層２の付着端に生じるはく離せん断応力。
τ51：挿入材を１枚挿入した時の接着剤層５の付着端に生じるはく離せん断応力。
＜その他の記号＞
Ｄ：接着剤層２および接着剤層５の各せん断弾性係数および各片側厚さから成るパラメータ。
Ｆ：母材１のヤング率および厚さ、ならびに付加材層３および挿入材層４の各ヤング率および各片側厚さから成るパラメータ。
K20：E1,ｔ1，G2，ｈ2，T20及びσ0から成るパラメータ。
K21：E1,ｔ1，G2，ｈ2，T21及びσ0から成るパラメータ。
K51：E1,ｔ1，G2，ｈ2，T51及びσ0から成るパラメータ。
Ｐ0：従来工法によって炭素繊維プレートがはく離する時の荷重。
Ｐ1：本工法によって炭素繊維プレートがはく離する時の荷重。
ξ：母材１のヤング率と厚さ、ならびに付加材層３のヤング率および片側厚さから成るパラメータ。
ｃ2：接着剤層２のせん断弾性係数と片側厚さ、母材１のヤング率と厚さ、ならびにξから成るパラメータ。
ｒ：Ｄ、Ｆおよびξから成るパラメータ。
ｓ：Ｄ、Ｆおよびξから成るパラメータ。
α：ｒおよびｓから成るパラメータ。
β：ｒおよびｓから成るパラメータ。
Ａ：Ｆ、Ｌ、ｃ2、α、βおよびξから成るパラメータ。
Ｂ：Ｆ、Ｌ、ｃ2、α、βおよびξから成るパラメータ。
ｘ：付加材の中央を原点とする水平方向の座標。
以下、本発明の実施例を示すが、この実施例は本発明をより容易に理解するための説明であって、本発明を何ら限定するものではない。
挿入材にガラス繊維シート、付加材に炭素繊維プレートを用いた場合の、本工法と従来工法の比較
図７に示す試験片に引張力を作用させ、炭素繊維プレートがはく離する時の荷重を、本工法と従来工法とで比較する。母材１にＥ1＝２０３．５ＧＰａ、ｔ1＝１１．５８ｍｍの鋼板、挿入材層４にＥ4＝１２０ＧＰａ、ｔ4＝０．１１５ｍｍのガラス繊維シート、付加材層３にＥ3＝１４１ＧＰａの炭素繊維プレート、接着剤層２と接着剤層５のためにＧ2＝Ｇ5＝０．７４３ＧＰａのエポキシ樹脂層を用いる。表２に示すように、炭素繊維プレートの厚さｔ3＝４．０ｍｍおよびｔ3＝６．０ｍｍに対して試験片を作製した。エポキシ樹脂層の厚さは、試験片が完成した後にノギスを用いて計測した厚さである。表２には、Ｅ4ｔ4／（Ｅ3ｔ3）の選定値、並びに、Ｅ3ｔ3／（Ｅ1ｔ1）の値及びＤの値を式〔２９〕に代入して得られるＥ4ｔ4／（Ｅ3ｔ3）の限界値が示してある。Ｅ4ｔ4／（Ｅ3ｔ3）の選定値は、Ｅ4ｔ4／（Ｅ3ｔ3）の限界値より小さい。
図７に示す試験片に引張力を作用させ、炭素繊維プレートがはく離する時の荷重を、本工法と従来工法とで比較する。母材１にＥ1＝２０３．５ＧＰａ、ｔ1＝１１．５８ｍｍの鋼板、挿入材層４にＥ4＝１２０ＧＰａ、ｔ4＝０．１１５ｍｍのガラス繊維シート、付加材層３にＥ3＝１４１ＧＰａの炭素繊維プレート、接着剤層２と接着剤層５のためにＧ2＝Ｇ5＝０．７４３ＧＰａのエポキシ樹脂層を用いる。表２に示すように、炭素繊維プレートの厚さｔ3＝４．０ｍｍおよびｔ3＝６．０ｍｍに対して試験片を作製した。エポキシ樹脂層の厚さは、試験片が完成した後にノギスを用いて計測した厚さである。表２には、Ｅ4ｔ4／（Ｅ3ｔ3）の選定値、並びに、Ｅ3ｔ3／（Ｅ1ｔ1）の値及びＤの値を式〔２９〕に代入して得られるＥ4ｔ4／（Ｅ3ｔ3）の限界値が示してある。Ｅ4ｔ4／（Ｅ3ｔ3）の選定値は、Ｅ4ｔ4／（Ｅ3ｔ3）の限界値より小さい。
試験結果を図８に示す。縦軸は、本工法によって炭素繊維プレートがはく離する時の荷重Ｐ1を、従来工法によって炭素繊維プレートがはく離する時の荷重Ｐ0で除した値を示す。この図から分かるように、本工法によって炭素繊維プレートがはく離する時の荷重は、従来工法によって炭素繊維プレートがはく離する時の荷重より大きい。
挿入材にガラス繊維シート、付加材に炭素繊維シートを用いた場合の、本工法と従来工法の比較
図９に示す試験片に引張力を作用させ、炭素繊維シートがはく離する時の荷重を、本工法と従来工法とで比較する。母材１にＥ1＝２１２．９ＧＰａ、ｔ1＝８．６ｍｍの鋼板、挿入材層４にＥ4＝１２０ＧＰａ、ｔ4＝０．１１５ｍｍのガラス繊維シート、付加材層３にＥ3＝４５０ＧＰａ、ｔ3＝１．６３ｍｍの炭素繊維シート、接着剤層２と接着剤５のためにＧ2＝Ｇ5＝０．７５５ＧＰａのエポキシ樹脂層を用いる。表３に示すエポキシ樹脂層の厚さは、試験片が完成した後にノギスを用いて計測した厚さである。表３には、Ｅ4ｔ4／（Ｅ3ｔ3）の選定値、並びに、Ｅ3ｔ3／（Ｅ1ｔ1）の値及びＤの値を式〔２９〕に代入して得られるＥ4ｔ4／（Ｅ3ｔ3）の限界値が示してある。Ｅ4ｔ4／（Ｅ3ｔ3）の選定値は、Ｅ4ｔ4／（Ｅ3ｔ3）の限界値より小さい。引張試験の結果は、Ｐ1／Ｐ0＝１．３７であった。したがって、本工法による炭素繊維シートがはく離する時の荷重は、従来工法による炭素繊維シートがはく離する時の荷重より大きい。
図９に示す試験片に引張力を作用させ、炭素繊維シートがはく離する時の荷重を、本工法と従来工法とで比較する。母材１にＥ1＝２１２．９ＧＰａ、ｔ1＝８．６ｍｍの鋼板、挿入材層４にＥ4＝１２０ＧＰａ、ｔ4＝０．１１５ｍｍのガラス繊維シート、付加材層３にＥ3＝４５０ＧＰａ、ｔ3＝１．６３ｍｍの炭素繊維シート、接着剤層２と接着剤５のためにＧ2＝Ｇ5＝０．７５５ＧＰａのエポキシ樹脂層を用いる。表３に示すエポキシ樹脂層の厚さは、試験片が完成した後にノギスを用いて計測した厚さである。表３には、Ｅ4ｔ4／（Ｅ3ｔ3）の選定値、並びに、Ｅ3ｔ3／（Ｅ1ｔ1）の値及びＤの値を式〔２９〕に代入して得られるＥ4ｔ4／（Ｅ3ｔ3）の限界値が示してある。Ｅ4ｔ4／（Ｅ3ｔ3）の選定値は、Ｅ4ｔ4／（Ｅ3ｔ3）の限界値より小さい。引張試験の結果は、Ｐ1／Ｐ0＝１．３７であった。したがって、本工法による炭素繊維シートがはく離する時の荷重は、従来工法による炭素繊維シートがはく離する時の荷重より大きい。
Claims (12)
- 接着剤層２の接着のみによって母材１に固定される補強材であって、
付加材層３、挿入材層４、及び接着剤層５を有し、
付加材層３と挿入材層４とが接着剤層５を介して積層され、挿入材層４が接着剤層２を介して母材１に接着され、且つ、
次式を満たす、建設構造物の補強材。
[数式１９]
E 1 :母材１のヤング率
E 3 :付加材層３のヤング率
E 4 :挿入材層４のヤング率
t 1 :母材１の厚さ（ただし、付加材層３を両面に有している場合のt 1 は母材１の厚さであり、付加材層３を片面に有している場合のt 1 は母材１の厚さ×２である。）
t 3 :付加材層３の片側厚さ
t 4 :挿入材層４の片側厚さ
G 2 ：接着剤層２のせん断弾性係数
G 5 ：接着剤層５のせん断弾性係数
h 2 :接着剤層２の片側厚さ
h 5 :接着剤層５の片側厚さ - Dが2.0より大きく4.0以下の場合、付加材層３の剛性に対する挿入材層４の剛性の比が０．５以下である、請求項１に記載の建設構造物の補強材。
- Dが1.0より大きく2.0以下の場合、付加材層３の剛性に対する挿入材層４の剛性の比が０．４以下である、請求項１に記載の建設構造物の補強材。
- Dが0.5より大きく1.0以下の場合、付加材層３の剛性に対する挿入材層４の剛性の比が０．３以下である、請求項１に記載の建設構造物の補強材。
- Dが0.5の場合、付加材層３の剛性に対する挿入材層４の剛性の比が０．２以下である、請求項１に記載の建設構造物の補強材。
- 付加材層３が炭素繊維プレート又は炭素繊維シートであり、挿入材層４がガラス繊維シート又はアラミド繊維シートである、請求項１に記載の補強材。
- 前記挿入材層４の積層面の面積は、付加材層３の積層面の面積より広い、請求項１に記載の補強材。
- 付加材及び／又は挿入材の表面に接着剤を塗布するか又は含浸させる工程、
接着剤を塗布するか又は含浸させた付加材と挿入材とを重ね合わせる工程、並びに、
接着剤を硬化させる工程、
を包含する、請求項１に記載の補強材の製造方法。 - 所定の間隙を介して付加材及び挿入材を配置する工程、
間隙に接着剤を充填し、付加材及び挿入材に接着剤を含浸させる工程、並びに、
接着剤を硬化させる工程
を包含する、請求項１に記載の補強材の製造方法。 - 請求項１に記載の補強材の挿入材層４に、接着剤層２が接着されている、建設構造物の接着剤層２付き補強材。
- 請求項１に記載の補強材、接着剤層２、及び母材１を有し、
補強材の挿入材層４と母材１とが接着剤層２を介して接着されている、強化建設構造物。 - 下記工程（Ｉ）〜（ＩＩ）からなる群より選択される少なくとも１つの工程を包含する、建設構造物の補強工法：
（Ｉ）建設構造物の母材１に請求項１に記載の補強材の挿入材層４を接着し、さらに、該挿入材層４に付加材層３を接着する工程、
（ＩＩ）建設構造物の母材１に、請求項１０に記載の接着剤層２付き補強材を貼付する工程。
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