JP2010513751A

JP2010513751A - 曲げることのできる繊維強化複合材の鉄筋

Info

Publication number: JP2010513751A
Application number: JP2009541413A
Authority: JP
Inventors: クヌフ，ブライアン・ジェイ; ファッツ，アラン; トンプソン，エイ・ディーン; ジュンク，ウィリアム・ピー
Original assignee: ディーティー・サーチ・アンド・デザインズ・エルエルシー
Priority date: 2006-12-14
Filing date: 2007-12-14
Publication date: 2010-04-30
Also published as: WO2008076400A2; CA2671371A1; WO2008076400A3; US20080141614A1; EP2102434A2; AU2007334387A1; EP2102434A4

Abstract

曲げることのできる繊維強化複合材の鉄筋構造は、熱可塑性樹脂に埋め込まれた複数の長繊維を含んでいる。鉄筋構造は、縦横比が約２対１の楕円状の横断面形状と、約３０ｃｍのねじり間隔を有するねじりとを有している。熱可塑性樹脂マトリクスは、構造を軟らかくすべく熱が加えられることにより現地で鉄筋構造を曲げることを可能にし、その後冷やされて硬い状態に戻る。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）及び特許規則１．７８（ａ）（４）に基づき、２００６年１２月１４日出願の曲げることのできる鉄筋に係る米国特許仮出願第６０／８７４，８２８号の優先権を主張し、それは参照によりその全体が本明細書に組み込まれている。

本発明は、曲げることのできる繊維強化複合材の鉄筋に関する。

コンクリート及びその他の石やセメント質の材料は、高い圧縮強度を有するが、比較的低い引張強度を有している。したがって、コンクリートが構造材料として用いられるときには、その構造体の引張強度を高めるために、補強材を包含することが一般的となっている。補強材は、通常、鋼の棒（ロッド又はバー）等の剛体棒（ロッド又はバー）から構成されている。このような補強材は、一般的に「鉄筋」と呼ばれている。

残念ながら、鋼及びその他の材料は酸化し易い。また、そのような材料は、使用される前は非常に硬いため、そのような補強材の配置は困難であり時間がかかってしまう。これにより、一般的な金属製の鉄筋は、寸断されて「十字」又はその他の望ましい形態を形成するように接合されなければならない。

一つ可能な解決策として、熱可塑性樹脂と結合させて、ガラス繊維配合組成を構造の鉄筋として用いることができる。例えば、Ｂｒｙａｎ，IIIらの米国特許第６，０４８，５９８号公報は、熱硬化性樹脂により互いに縛られたねじれロープの鉄筋を開示している。Ｏｋａｍｏｔｏらの米国特許第５，５８０，６４２号公報は、強化用繊維及び熱可塑性樹脂から成る補強材を開示している。Ｋａｉｓｅｒらの米国特許第５，５９３，５３６号公報及び米国特許第５，６２６，７００号公報は、引き抜き成形及びＳＭＣ（薄板成形材料）の組み合わせを含む強化構造鉄筋を形成するための装置を開示している。改良された引き抜き成形は、熱硬化性樹脂の補強材から成る中心と薄板成形材料の外部とを有する鉄筋を作り出す。Ｋａｋｉｈａｒａらの米国特許第５，０７７，１３３号公報は、強化繊維された中心部の周りにらせん状に巻きつけられた内側の繊維束の層と、中心部に沿って軸方向に向いた複数の中間の繊維束と、中心部及び他の束の周りにらせん状に巻きつけられた外側の繊維束とを提案している。Ｌ‘Ｅｓｐｅｒａｎｃｅらの米国特許第４，６２０，４０１号公報は、繊維強化熱硬化性樹脂の中心部と、その中心部の周りに螺旋状に巻かれるとともに、熱硬化性樹脂が染み込んだ複数の長繊維とを提案している。Ｊａｃｋｓｏｎの米国特許第２，４２５，８８３号公報は、フェノール樹脂を含み、加熱により硬化された微細なガラス繊維で形成された棒（ロッド又はバー）を開示している。

これらの進歩に関わらず、従来技術の不都合さ及び複雑さを克服することのできる、改良された構造鉄筋を提供する必要性が残っている。

本発明は、改良された複合材料強化材による棒又は鉄筋の構造を提供する。鉄筋構造は、通常、補強棒を形成するための熱可塑性樹脂マトリクスに長繊維を埋め込んで形成される。その棒は、横断面の縦横比が１：１よりも大きくなるように、扁平にされる。次に、その棒は、略らせん状にねじられる。鉄筋構造の一つの実施形態では、その棒は、横断面の縦横比が約２：１であり、ねじりの間隔が約３０センチメートルである略楕円形の横断面形状を有している。マトリクスは、ポリプロピレン等の熱可塑性樹脂であってもよく、繊維は、ガラスで形成されていてもよい。熱可塑性樹脂マトリクスは、熱が加えられることによりマトリクスを軟らかくすることにより、その棒を所望の形状に屈曲させる又は曲げることができるようにする。都合良く曲げることができるという性能は、横断面の形状及び縦横比と棒に与えられたねじりとによって補助されている。所望の形状に一旦曲げられると、棒は冷やされて十分に硬い状態に再硬化される。

本発明の目的及び効果は、本発明の幾つかの実施形態を説明及び例により説明する添付の図面とともに、後述する記載から明らかになる。図面は、本明細書の一部を構成するとともに本発明の実施例を含み、それについての様々な物や特徴を説明する。

本発明に係る、曲げることのできる繊維強化複合材の鉄筋を形成するための引き抜き製法を示す図である。本発明に係る、曲げることのできる繊維強化複合材の鉄筋の長さを断片的に示す斜視図である。非常に拡大して示す、図２の鉄筋の線３−３における横断面図である。

要求されているように、本発明に係る詳細な実施形態はここに開示されている。しかしながら、開示された実施形態は、様々な形で具体化され得る本発明の単なる例であると理解されるべきである。従って、ここで開示された特徴的な構造上の及び機能上の詳細は、限定するものとして解釈されるべきではないが、単に特許請求の範囲の根拠であり、また、事実上いかなる適切に詳細な構造にも本発明がいろいろと用いられるようにさせるべく、当業者に教えるための典型的な原理である。

図面をさらに詳細に参照すると、符号１は、本発明を用いた、曲げることのできる繊維強化複合材の棒又は鉄筋構造を通常指し示している。鉄筋構造１は、熱可塑性樹脂マトリクス３に埋め込まれた複数の強化繊維２（図２及び図３）を通常含んでいる。鉄筋構造１は、らせん状に通常ねじられている。

図１は、鉄筋構造１を製造するためのシステム及び工程１０を図式的に説明している。複数の糸巻き（スプール又はボビン）１４を含んだクリール装置（ｃｒｅｅｌａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）１２は、複数の連続した強化繊維を一組の繊維ガイド１６に繰出す。繊維２は、「ロービング（粗紡糸）」又はねじりストランド（より糸）の形態で糸巻き１４に供給される。繊維２は、カーボン、ガラス、アラミド、有機及び／又は金属繊維等の、手作り又は人工の連続フィラメントであってもよい。ポリマー３を繊維２に最大限に染み込ませるために、クリール装置１２は、最適な初期張力で繊維を供給する。クリールシステム１２の特定の配置は、納入業者から供給された強化材／ロービング２の形態に応じて変更され得る。

繊維は、最終製品の最終的な大きさに応じたガイドピン及びテンショナー（ｔｅｎｓｉｏｎｅｒ）から構成され得るガイド１６を通過する。ガイド１６は、繊維２の経路のガイドは別に、マトリクス含浸室１８内の表面を増大させるのに役立つ。説明の工程１０は、熱可塑性樹脂３が供給される乾燥機２０を含んでいる。加熱器構成部２２は、熱可塑性樹脂を加熱して塑性状態にする。ねじ「ポンプ」２４は、加熱された樹脂を含浸室１８に強制的に入れる。

工程１０の重要な構成部分である含浸室１８は、２つの部分を含んでいる。第１の部分２６では、繊維２は、含浸室１８に注入された熱可塑性高分子３と接触する。室１８の設計は、熱可塑性樹脂３に高いせん断領域の生成を可能にさせ、その粘性を十分に低下させるようになっている。このように粘性が低下することにより、粘性の高い高分子材料３の繊維２への含浸が大いに改善される。含浸室１８の第２の部分２８では、含浸繊維２は統合含浸鉄筋３０として一つにまとめられる。所望の最終的な形状に応じ、統合鉄筋３０は、まだ熱い状態で最終的な形状が与えられる。

最終的な形状の鉄筋３０は、含浸室１８を一旦後にすると、冷却システム３２を通過する。冷却システムの設計は、製品の最終形状次第である。熱可塑性鉄筋３０については、冷却システム３２は長手方向に沿って散水機（不図示）を備えた長い管の形態であってもよい。散水機は、熱可塑性鉄筋３０に水を吹き付けて表面を冷却するために用いられる。

含浸鉄筋３０は、次に牽引機（ｐｕｌｌｅｒ）３６を通過する。牽引機３６は、製造工程１０を通じて、全ての装置を通して含浸鉄筋３０を引っ張る。最終的に、含浸鉄筋は、所望の長さに最終製品を切断する切断部３８に入る。

一つの具体的な熱可塑性鉄筋３０は、繊維強化材２としてのＥ−ガラス（Ｅ−ｇｌａｓｓ）又は電気グレードガラス（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｇｒａｄｅｇｌａｓｓ）と、熱可塑性マトリクス３としてのポリプロピレンとから成る。繊維の体積比は、鉄筋３０の全体積の約４５％であり、これは典型的な長繊維熱可塑性物質の製造工程の代表値である。熱可塑性鉄筋の設計最適化は、ＡＢＡＱＵＳ（登録商標）の有限要素方解析ソフトウェア（ＤａｓｓａｕｌｔＳｙｓｔｅｍｅｓＳｏｃｉｅｔｅＡｎｏｎｙｍｅＦｒａｎｃｅ、ｗｗｗ．ｓｉｍｕｌｉａ．ｃｏｍ）を用いることにより行われた。鉄筋３０の最適な形状は、異なる鉄筋の大きさに応じて詳細な寸法が変化するが、約２：１の縦横比を有する楕円形状の横断面形状であることがわかった。一つの実施形態では、鉄筋３０は、約０．７５インチ（１９．０５ｍｍ）の長径を有し、約０．３７５インチ（９．５３ｍｍ）の短径を有している。鉄筋３０は、代わりに、特に楕円形ではない他の扁平な形状を有していてもよいことが予測される。さらに、最適形状は、鉄筋３０において、３０センチメートル（ｃｍ）のねじり間隔、又は、約１２インチ当たり一つのねじりを含んでいる。別の方法としては、ねじりピッチは、約６から２４インチ（１５．２４から６０．９６ｃｍ）の範囲内にあってもよい。例示的な形状は後段の図２で説明されており、設計最適化の付加的な目玉は以下に説明されている。

熱可塑性材料は現地で曲げることができるという潜在力を有しているため、熱硬化性樹脂よりも熱可塑性マトリクス３が選ばれている。鉄筋構造の一つの実施形態は、熱可塑性マトリクス３としてポリプロピレン樹脂を包含している。しかしながら、その他の熱可塑性樹脂は、いくらかの応用や環境で用いられるために、好都合に採用され得ることが予測される。鉄筋３０を曲げるには現地での加熱を必要とし、これにより、曲げ力が加えられた結果として生じた応力が減少される。加熱は、曲げるために鉄筋３０を一時的に軟らかくするだけであり、熱可塑性材料３を実際に溶かしてしまう温度ではないことが望ましい。加熱温度は、約１５０から２００Ｆ（６５．６から９３．３℃）の範囲であってもよい。

楕円形の横断面を有し、長径に沿って曲がった鉄筋構造１は、現地で曲げることができるという要求を満たすことと思われる。楕円形状は横応力を最小限にし、ねじりは鉄筋を調整しないで曲げることを容易にする。ねじり間隔は、曲げられる長さの分解能を示しており、すなわち、もし間隔が３０ｃｍであるなら、鉄筋は３０ｃｍ毎にしか曲げられることができない。鉄筋３０のねじれを増やす（すなわち、ねじり間隔を減らす）と、応力及び歪みの値が増加することが測定された。解析を通じて検討されたたくさんのねじり間隔のうち、最も少ない縦応力を示した形状は３０ｃｍ間隔であった。さらに、鉄筋は、横断面の垂直面の横方向に最適に曲げられる、すなわち、略長径であることがわかった。

様々な縦横比が解析を通じて検討された。縦横比を増加させると縦応力が減少するが、横応力は増加することがわかった。縦横比を増加させると、座屈する可能性が増加することがわかった。縦横比２：１が最適な設計条件であることがわかり、図３に示されている。

要約すると、現地での曲げ性の基準を満たす熱可塑性鉄筋構造１の最適な実施形態は、４５％の繊維体積比でＥ−ガラス繊維２を有するポリプロピレンマトリクス３と、約２：１の縦横比を有する実質的に楕円形の形状と、約３０ｃｍのねじれ間隔とを含んだ連帯までをも要求するわけではない。

ここでは本発明のいくつかの形態が説明及び記載されているが、記載及び示されたような特定の形態や部品配置に限定されるものではないものと理解されるべきである。

Claims

複合材料強化棒構造において、
熱可塑性樹脂マトリクスと、
前記マトリクスに埋め込まれて補強棒を形成する複数の細長い繊維とを含み、
前記棒は、扁平な横断面形状を有する、複合材料強化棒構造。
請求項１に記載の構造において、
前記棒は、らせん状のねじりを有する、構造。
請求項１に記載の構造において、
前記棒は、約６から２４インチ（１５．２４から６０．９６ｃｍ）の範囲のねじり間隔のらせん状のねじりを有する、構造。
請求項１に記載の構造において、
前記棒は、約３０ｃｍのねじり間隔を有する、構造。
請求項１に記載の構造において、
前記棒は、約２対１の縦横比の横断面を有する、構造。
請求項１に記載の構造において、
前記棒は、実質的に楕円形の横断面形状を有する、構造。
請求項１に記載の構造において、
前記棒は、横断面の縦横比が約２対１である実質的に楕円形の横断面形状を有する、構造。
請求項１に記載の構造において、
前記熱可塑性樹脂マトリクスは、ポリプロピレン樹脂で形成された、構造。
請求項１に記載の構造において、
前記繊維は、ガラス、カーボン、アラミド及び金属から成る材料群のいずれか一つにより形成された、構造。
請求項１に記載の構造において、
前記繊維は、ガラスで形成された、構造。
請求項１に記載の構造において、
前記繊維は、前記棒の体積の約４５パーセントを形成する、構造。
複合材料強化棒構造において、
熱可塑性樹脂マトリクスと、
前記マトリクスに埋め込まれて補強棒を形成する複数の長繊維とを含み、
前記棒は、実質的に楕円形の横断面形状を有し、
前記棒は、らせん状のねじりを有する、複合材料強化棒構造。
請求項１２に記載の構造において、
前記棒は、約６から２４インチ（１５．２４から６０．９６ｃｍ）の範囲のねじり間隔のらせん状のねじりを有する、構造。
請求項１２に記載の構造において、
前記棒は、約３０ｃｍのねじり間隔を有する、構造。
請求項１２に記載の構造において、
前記棒は、約２対１の縦横比の横断面を有する、構造。
請求項１２に記載の構造において、
前記熱可塑性樹脂マトリクスは、ポリプロピレン樹脂で形成された、構造。
請求項１２に記載の構造において、
前記繊維は、ガラス、カーボン、アラミド及び金属から成る材料群のいずれか一つにより形成された、構造。
請求項１２に記載の構造において、
前記繊維は、ガラスで形成された、構造。
請求項１２に記載の構造において、
前記繊維は、前記棒の体積の約４５パーセントを形成する、構造。
複合材料強化棒構造において、
熱可塑性樹脂マトリクスと、
前記マトリクスに埋め込まれて補強棒を形成する複数の長繊維であって、ガラス、カーボン、アラミド及び金属から成る材料群のいずれか一つにより形成された、繊維とを含み、
前記棒は、横断面の縦横比が約２対１である実質的に楕円形の横断面形状を有し、
前記棒は、約６から２４インチ（１５．２４から６０．９６ｃｍ）の範囲のねじり間隔のらせん状のねじりを有する、複合材料強化棒構造。
請求項２０に記載の構造において、
前記棒は、約３０ｃｍのねじり間隔を有する、構造。
請求項２０に記載の構造において、
前記熱可塑性樹脂マトリクスは、ポリプロピレン樹脂で形成された、構造。
請求項２０に記載の構造において、
前記繊維は、ガラスで形成された、構造。
請求項２０に記載の構造において、
前記繊維は、前記棒の体積の約４５パーセントを形成する、構造。
ポリマーマトリクスに埋め込まれた複数の長繊維を含む複合材料強化棒構造を形成するための製造工程において、改善点は、
前記ポリマーマトリクスを形成するために熱可塑性樹脂樹脂を付与するステップと、
補強棒を形成するために前記マトリクス内に前記長繊維を埋め込むステップと、
横断面の縦横比が１対１以上となるように前記補強棒を扁平にするステップと、
約６から２４インチ（１５．２４から６０．９６ｃｍ）の範囲のねじり間隔になるように前記扁平棒をねじるステップとを含む、製造工程。
請求項２５に記載の製造工程において、
前記扁平にするステップは、
縦横比が約２対１を有する実質的に楕円形の横断面形状になるように前記棒を扁平にするステップを含む、製造工程。
請求項２５に記載の製造工程において、
前記ねじるステップは、
約３０ｃｍのねじり間隔になるように前記扁平棒をねじるステップを含む、製造工程。