鋼構造物の補強方法及び鋼構造物補強用弾性層形成材

本発明は、連続した強化繊維を含むシート状の強化繊維含有材料(以下、「繊維シート」という。)を使用して、橋、桟橋、煙突等、更には、船、車両、航空機等の鋼構造物を補修補強(以後、単に「補強」という。)する鋼構造物の補強方法及び鋼構造物補強用の弾性層形成材に関するものである。

近年、既存或いは新設の鋼構造物の補強方法として、その表面に炭素繊維シートやアラミド繊維シートなどの連続強化繊維シートを貼り付けたり、巻き付けたりする炭素繊維シート接着工法やアラミド繊維シート接着工法などの連続繊維シート接着工法がある。また、未硬化のマトリクス樹脂を連続繊維束に含浸させた繊維シートを接着した後に硬化させる工法、がある。

更には、現場での樹脂の含浸を省略するため、工場生産した板厚1〜2mm、幅5cm程度のFRP板をパテ状接着樹脂を用いて接着するFRP板接着補強工法も開発されている。

このような方法で補強した鋼構造物は、繊維シートが鋼構造物と一体に接着されている限りにおいては、繊維シートによる高い補強効果を得ることができる。しかしながら、負荷により鋼構造物が変形することなどにより、繊維シートが破断する前にこれが鋼構造物表面から剥離した場合には、所期の目的を達成することができなくなる。

そこで、特許文献1は、鋼構造物の表面に緩衝材層を設け、その後、繊維シートを接着剤にて接着し補強する方法について開示している。また、緩衝材層としては、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂等の樹脂を使用し得ることについて開示している。加えて、この樹脂を単独で硬化させた際の23℃での引張弾性率が、0.1〜50N/mm²であると開示している。

特許第3553865号公報

しかしながら、本発明者らの研究実験の結果、鋼構造物を補強する際に鋼構造物表面から繊維シートが剥離する問題は、コンクリート構造物を繊維シートで補強する場合と異なり、鋼構造物表面の温度が大きく影響することが新たに分かった。従って、鋼構造物を繊維シートで補強する場合は、鋼構造物表面の温度を十分に考慮することが必要となる。鋼構造物(鋼材)は、温度による伸び、車両通行などによる撓みがコンクリート構造物に比べ大きい。そのため、剛性の高い連続繊維シートを鋼構造物に接着させると、その端部から繊維シートが剥離することが懸念される。

ここで、鋼構造物は、例えば、我が国においては、真夏の直射日光により、その表面は60℃程度の温度にまで上昇することが知られている。そのため、従来仕様の繊維シートによる補強に使用される接着剤等を用いると、その高い表面温度により接着剤が軟化し、時には、必要な補強効果が得られない場合があることが分かった。

また、上記特許文献1の補強方法においては、緩衝材層を形成する樹脂の引張弾性率が低く、剛性の高い連続繊維シートなどで補強すると、緩衝材層が本来繊維シートに伝達されるべき応力を伝達出来ない可能性がある。即ち、この場合は繊維シートが役に立っておらず、補強できていない。

そこで、本発明の目的は、鋼構造物を繊維シートで補強した場合に、日光照射等により繊維シートによる補強効果が得られなくなるような事態を回避し、十分な補強効果を得ることができ、且つ、繊維シートが破断に至る前に鋼構造物表面から剥がれることを回避することのできる鋼構造物の補強方法及び鋼構造物補強用弾性層形成材を提供することである。

上記目的は本発明に係る鋼構造物の補強方法及び鋼構造物補強用弾性層形成材にて達成される。要約すれば、第1の本発明によれば、鋼構造物の表面上に強化繊維を含む繊維シートを接着して一体化する鋼構造物の補強方法において、 (a)前記鋼構造物の表面にポリウレア樹脂パテ剤を塗布して硬化させ弾性層を形成する工程と、 (b)前記弾性層が形成された前記鋼構造物の表面に前記繊維シートを、接着剤により接着する工程と、を有し、 前記ポリウレア樹脂パテ剤は、硬化時における引張伸びが400%以上、引張強度が8N/mm²以上、引張弾性率が60N/mm²以上500N/mm²以下であり、 前記接着剤は、ガラス転移点温度が60℃以上である、 ことを特徴とする鋼構造物の補強方法が提供される。

第1の本発明の他の実施態様によれば、前記(b)工程にて使用する接着剤は、常温硬化型エポキシ樹脂、エポキシアクリレート樹脂、アクリル樹脂、MMA樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、又は、光硬化型樹脂である。

第1の本発明の他の実施態様によれば、前記鋼構造物の表面に前記弾性層を形成する前に、前記鋼構造物の表面を下地処理する工程及び/又はプライマーを塗布する工程、を有する。

第1の本発明の他の実施態様によれば、前記繊維シートは、一方向に引き揃えた連続した強化繊維を互いに線材固定材にて固定した繊維シートである。又は、前記繊維シートは、強化繊維にマトリクス樹脂が含浸され、硬化された連続した繊維強化プラスチック線材を複数本、長手方向にスダレ状に引き揃え、線材を互いに線材固定材にて固定した繊維シートである。又は、前記繊維シートは、一方向に引き揃えた連続した強化繊維シートに樹脂が含浸され、前記樹脂が硬化された繊維シートである。

第1の本発明の他の実施態様によれば、前記繊維シートは、複数層にて前記鋼構造物の表面に積層して接着され、前記鋼構造物と一体化する。

第2の本発明によれば、 鋼構造物の表面上に強化繊維を含む繊維シートを接着して一体化する鋼構造物の補強方法であって、 (a)前記鋼構造物の表面にポリウレア樹脂パテ剤を塗布して硬化させ弾性層を形成する工程と、 (b)前記弾性層が形成された前記鋼構造物の表面に前記繊維シートを、接着剤により接着する工程と、 を有する鋼構造物の補強方法において前記弾性層を形成するポリウレア樹脂パテ剤から成る鋼構造物補強用弾性層形成材であって、 前記ポリウレア樹脂パテ剤は、硬化時における引張伸びが400%以上、引張強度が8N/mm²以上、引張弾性率が60N/mm²以上500N/mm²以下であることを特徴とする鋼構造物補強用弾性層形成材が提供される。

本発明の鋼構造物の補強方法及び鋼構造物補強用弾性層形成材によれば、日光照射により補強効果が得られなくなるような事態を回避し、十分な補強効果を得ることができ、且つ、繊維シートが破断強度に至る前に鋼構造物表面から剥がれることを回避することができる。

図1は、本発明の鋼構造物の補強方法及び補強構造体を説明するための補強された鋼構造物の例の断面図である。

図2は、本発明の鋼構造物の補強方法に使用し得る繊維シートの一実施例を示す図である。

図3は、本発明の鋼構造物の補強方法に使用し得る繊維シートの他の実施例を示す図である。

図4は、本発明の鋼構造物の補強方法に使用し得る繊維シートの一実施例を示す斜視図である。

図5は、本発明の鋼構造物の補強方法に使用し得る繊維シートを構成する繊維強化プラスチック線材の例の断面図である。

図6は、本発明の鋼構造物の補強方法に使用し得る繊維シートの他の実施例を示す斜視図である。

図7は、本発明の鋼構造物の補強方法の一実施例を説明する工程図である。

図8は、本発明の鋼構造物の補強方法の他の実施例を説明する工程図である。

図9は、本発明の鋼構造物の補強方法を実証するための曲げ強度試験装置の構成を説明する図である。

図10は、本発明に従って補強された鋼構造物の曲げ試験結果を示す図である。

図11は、本発明と比較例とを比較するための補強された鋼構造物の曲げ試験結果を示す図である。

図12、本発明と比較例とを比較するための補強された鋼構造物の曲げ試験結果を示す図である。

以下、本発明に係る鋼構造物の補強方法及び鋼構造物補強用弾性層形成材を図面に則して更に詳しく説明する。

図1を参照すると、本発明に係る鋼構造物の補強方法によれば、鋼構造物100は、弾性層104を介してその表面上に連続した強化繊維fを含む繊維シート1が接着されて一体化される。

本発明の鋼構造物の補強方法の特徴は、 (a)鋼構造物100の表面102にポリウレア樹脂パテ剤を塗布して硬化させ、緩衝層としての弾性層104を形成する工程と、 (b)弾性層104が形成された鋼構造物100の表面に繊維シート1を、必要に応じてガラス転移点温度が60℃以上となるように調整された接着剤105を使用して接着する工程と、 を有する構成にある。

つまり、本発明によれば、 (a)鋼構造物100の表面102にポリウレア樹脂パテ剤を塗布して形成した弾性層104と、 (b)弾性層104が形成された鋼構造物100の表面102に接着剤105により接着された、樹脂含浸された繊維シート層106と、 を有することを特徴とする鋼構造物の補強構造体が提供される。弾性層104は、硬化時における引張伸びが400%以上、引張強度が8N/mm²以上、引張弾性率が60N/mm²以上500N/mm²以下とされる。

本発明によれば、好ましくは、鋼構造物100の表面に弾性層104を形成する前に、鋼構造物1の表面102を下地処理することができ、更には、鋼構造物表面102にプライマーを塗布する。

次に、本発明にて使用する各材料について説明する。

(繊維シート) 本発明においては種々の形態の繊維シート1を使用することができる。繊維シート1の実施例を具体的に具体例1〜3として説明するが、本発明で使用する繊維シート1の形態は、これら具体例に示すものに限定されるものではない。

具体例1 図2に、本発明にて使用することのできる繊維シート1の一実施例を示す。繊維シート1は、連続した強化繊維fを一方向に引き揃えてシート状に構成される樹脂未含浸の繊維シート1Aとされる。

即ち、繊維シート1Aは、一方向に引き揃えた連続した強化繊維fから成る強化繊維シートをメッシュ状の支持体シートなどとされる線材固定材3にて保持した構成とすることができる。例えば、強化繊維fとして炭素繊維を使用した場合には、例えば平均径7μmの単繊維(炭素繊維モノフィラメント)fを6000〜24000本収束した樹脂未含浸の単繊維束を複数本、一方向に平行に引き揃えて使用される。炭素繊維シート1Aの繊維目付は、通常、30〜1000g/m²とされる。

線材固定材3としてのメッシュ状の支持体シートを構成する縦糸4及び横糸5の表面に低融点タイプの熱可塑性樹脂を予め含浸させておき、メッシュ状支持体シート3をシート状に配列した炭素繊維の片面或いは両面に積層して加熱加圧し、メッシュ状支持体シート3の縦糸4及び横糸5の部分を炭素繊維シートに溶着する。

メッシュ状支持体シート3は、2軸構成のほかに、ガラス繊維を3軸に配向して形成したり、或いは、ガラス繊維を一方向に配列された炭素繊維に対して直交する横糸5のみを配置した、所謂、1軸に配向して形成して前記シート状に引き揃えた炭素繊維に接着することもできる。

又、上記線材固定材3の糸条としては、例えばガラス繊維を芯部に有し、低融点の熱融着性ポリエステルをその周囲に配したような二重構造の複合繊維も又好ましく用いられる。

具体例2 また、繊維シート1は、図3に示すように、複数の強化繊維fを一方向に引き揃えた強化繊維シート、例えば、図2に示すような繊維シート1Aに樹脂Reを含浸し、前記樹脂が硬化された繊維シート(所謂、FRP板)1Bとすることもできる。

上記具体例1、2で説明した繊維シート1A、1Bにおいて、強化繊維fとしては、炭素繊維に限定されるものではなく、ガラス繊維、バサルト繊維;ボロン繊維、チタン繊維、スチール繊維などの金属繊維;更には、アラミド、PBO(ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール)、ポリアミド、ポリアリレート、ポリエステルなどの有機繊維;が単独で、又は、複数種混入してハイブリッドにて使用することができる。

また、具体例2における繊維シート1Bの場合の樹脂Reとしては、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を使用することができ、熱硬化性樹脂としては、常温硬化型或は熱硬化型のエポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、MMA樹脂、アクリル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、又はフェノール樹脂などが好適に使用され、又、熱可塑性樹脂としては、ナイロン、ビニロンなどが好適に使用可能である。又、樹脂含浸量は、30〜70重量%、好ましくは、40〜60重量%とされる。

具体例3 更には、図4及び図5に示すように、繊維シート1としては、マトリクス樹脂Rが含浸され硬化された細径の連続した繊維強化プラスチック線材2を複数本、長手方向にスダレ状に引き揃え、各線材2を互いに線材固定材3にて固定した繊維シート1Cを使用することもできる。

繊維強化プラスチック線材2は、直径(d)が0.5〜3mmの略円形断面形状(図5(a))であるか、又は、幅(w)が1〜10mm、厚み(t)が0.1〜2mmとされる略矩形断面形状(図5(b))とし得る。勿論、必要に応じて、その他の種々の断面形状とすることができる。

上述のように、一方向に引き揃えスダレ状とされた繊維シート1において、各線材2は、互いに空隙(g)=0.05〜3.0mmだけ近接離間して、線材固定材3にて固定される。また、このようにして形成された繊維シート1の長さ(L)及び幅(W)は、補強される構造物の寸法、形状に応じて適宜決定されるが、取扱い上の問題から、一般に、全幅(W)は、100〜1000mmとされる。又、長さ(L)は、1〜5m程度の短冊状のもの、或いは、100m以上のものを製造し得るが、使用時においては、適宜切断して使用される。

また、繊維シート1Cの長さ(L)を1〜5m程度として、幅Wをこれより長く1〜10m程度として製造することも可能である。

繊維シート1Cの場合においても、強化繊維fとしては、炭素繊維、ガラス繊維、バサルト繊維;ボロン繊維、チタン繊維、スチール繊維などの金属繊維;更には、アラミド、PBO(ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール)、ポリアミド、ポリアリレート、ポリエステルなどの有機繊維;が単独で、又は、複数種混入してハイブリッドにて使用することができる。また、繊維強化プラスチック線材2に含浸されるマトリクス樹脂Rは、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を使用することができ、熱硬化性樹脂としては、常温硬化型或は熱硬化型のエポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、MMA樹脂、アクリル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、又はフェノール樹脂などが好適に使用され、又、熱可塑性樹脂としては、ナイロン、ビニロンなどが好適に使用可能である。又、樹脂含浸量は、30〜70重量%、好ましくは、40〜60重量%とされる。

又、各線材2を線材固定材3にて固定する方法としては、図4に示すように、例えば、線材固定材3として横糸を使用し、一方向にスダレ状に配列された複数本の線材2から成るシート形態とされる線材、即ち、連続した線材シートを、線材に対して直交して一定の間隔(P)にて打ち込み、編み付ける方法を採用し得る。横糸3の打ち込み間隔(P)は、特に制限されないが、作製された繊維シート1の取り扱い性を考慮して、通常10〜100mm間隔の範囲で選定される。

このとき、横糸3は、例えば直径2〜50μmのガラス繊維或いは有機繊維を複数本束ねた糸条とされる。又、有機繊維としては、ナイロン、ビニロンなどが好適に使用される。

各線材2をスダレ状に固定する他の方法としては、図6(a)に示すように、線材固定材3としてメッシュ状支持体シートを使用することができる。

つまり、シート形態を成すスダレ状に引き揃えた複数本の線材2、即ち、線材シートの片側面、又は、両面を、例えば直径2〜50μmのガラス繊維或いは有機繊維にて作製した、上記具体例1で説明したと同様の構成とされるメッシュ状の支持体シート3により支持した構成とすることもできる。

更に、各線材2をスダレ状に固定する他の方法としては、図6(b)に示すように、線材固定材3として、例えば、粘着テープ又は接着テープなどとされる可撓性帯材を使用することができる。可撓性帯材3は、シート形態を成すスダレ状に引き揃えた各繊維強化プラスチック線材2の長手方向に対して垂直方向に、複数本の繊維強化プラスチック線材2の片側面、又は、両面を貼り付けて固定する。

つまり、可撓性帯材3として、幅(w1)2〜30mm程度の、塩化ビニルテープ、紙テープ、布テープ、不織布テープなどの粘着テープ又は接着テープが使用される。これらテープ3を、通常、10〜100mm間隔(P)で各繊維強化プラスチック線材2の長手方向に対して垂直方向に貼り付ける。

更に、可撓性帯材3としては、ナイロン、EVA樹脂などの熱可塑性樹脂を帯状に、線材2の長手方向に対して垂直方向に片側面、又は、両面に熱融着させることによっても達成される。

(補強方法) 次に、図7を参照して、鋼構造物の補強方法について説明する。本発明によれば、前述のようにして製造された繊維シート1を用いて、鋼構造物の補強が行われる。

つまり、本発明の鋼構造物の補強方法によれば、例えば、繊維シート1として、上記具体例1で説明した強化繊維fを一方向に引き揃えて作製された繊維シート1Aを使用することができ、鋼構造物の表面に形成された弾性層104の上に接着剤105にて接着して一体化する。この時、繊維シート1Aの鋼構造物への接着と同時に、この接着剤による繊維シート1Aに対する接着剤(マトリクス樹脂)含浸をも行うことができる。

これにより、弾性層104と、樹脂含浸された繊維シート1が接着された繊維シート層106を有する鋼構造物の補強構造体200が形成される。

鋼構造物100の補強に際して、曲げモーメント及び軸力を主として受ける部材(構造物)に対しては、曲げモーメントにより生じる引張応力或いは圧縮応力の主応力方向に強化繊維の配向方向を概ね一致させて接着することで、繊維シート1が効果的に応力を負担し、効率的に構造物の耐荷力を向上させることが可能である。

また、直交する2方向に曲げモーメントが作用する場合、繊維シート1の強化繊維fの配向方向が曲げモーメントにより生じる主応力に概ね一致するように2層以上の繊維シート1を直交させて積層接着することで効率的に耐荷力の向上が図れる。

(第1工程) 図7(a)、(b)に示すように、必要に応じて、鋼構造物100の被補強面(即ち、被接着面)101の脆弱部101aを、ディスクサンダー、サンドブラスト、スチールショットブラスト、ウォータージェットなどの研削手段50により除去し、鋼構造物100の被接着面101を下地処理をする。

(第2工程) 下地処理した面102にエポキシ変性ウレタン樹脂プライマー103を塗布する(図7(c))。プライマー103としては、エポキシ変性ウレタン樹脂系に限ることなくMMA系樹脂など、弾性層104(図7(d))と被補強鋼構造物100の材質に合わせて適宜選定される。

なお、プライマー103の塗布工程は、省略することも可能である。

(第3工程) 下地処理した面102にポリウレア樹脂パテ剤104を所要の厚さ(T)にて塗布し、硬化させ、弾性層104を形成する(図7(d))。塗布厚さ(T)は、被接着面102の表面の凹凸、繊維シート1の厚さTに応じて適宜設定されるが、一般にT=0.2〜10mm程度とされる。

本発明にて、弾性率の低いポリウレア樹脂パテ剤、即ち、弾性層104を形成する材料(弾性層形成材)は、主剤、硬化剤、充填剤、添加剤などを含んでおり、その組成の一例を示せば、下記の通りとされる。 (i)主剤:イソシアネート(例えば、4,−4’ジフェニルメタンジイソシアネート)を反応成分とするプレポリマーであり、末端残存イソシアネートがNCO重量%で1〜16重量部に調整されたものを使用する。 (ii)硬化剤:主成分として芳香族アミン(例えばアミン価80〜90)含む硬化剤を使用し、主剤のNCO:アミン比で、1.0:0.55〜0.99重量部で計算されたものを使用する。更には、硬化促進剤としてp−トルエンスルホン酸塩などを含むこともできる。 (iii)充填剤:硅石粉、搖変剤等が含まれ、1〜500重量部で適宜配合される。 (iv)添加剤:着色剤、粘性調整剤、可塑剤等が含まれ、1〜50重量部で適宜配合される。

ここで、ポリウレア樹脂パテ剤は、硬化時における引張伸びが400%以上(通常、400〜600%)、引張強度が8N/mm²以上(通常、8〜10N/mm²)、引張弾性率が60N/mm²以上500N/mm²以下(通常、60〜100N/mm²)とされる。

弾性率が60N/mm²未満では、必要な補強応力伝達ができず、また逆に、100N/mm²を越えると、特に、500N/mm²を超えると、伸び性能が不足するといった問題が生じる。

また、ポリウレア樹脂をパテ剤として使用するためには、23℃におけるBM型粘度計による2回転での粘度が200〜700Pa・sで、回転数20回転では60〜100Pa・sの範囲にあり、チクソトロピックインデックス、即ち、回転粘度計による異なる回転数による粘度の測定値の比(回転数20回転における粘度÷2回転の粘度)が4〜7であることが望ましい。

すなわち、粘度が60Pa・sより小さくチクソトロピックインデックスが4未満であれば、塗付後にダレ等が生じ塗付面の平滑性及び天井面、壁面の塗布が困難となり、また逆に、粘度が100Pa・sより大きくチクソトロピックインデックスが7を超えると樹脂が硬く、混合に問題があり、且つ、平滑に塗布することも困難になる。

ここで、下記表1は、上記特許文献1に記載される緩衝材層を形成する材料として従来使用されているエポキシ樹脂パテ剤と、本発明にて使用される弾性層を形成する材料としての、上記組成のポリウレア樹脂パテ剤とが有する物性を比較した結果を示す。

上記表1と、緩衝層の温度と弾性率の関係表(上記表2)の結果から、エポキシ樹脂パテ剤を使用した場合には、伸びと靭性を共存させることができず、特に、高温時には、エポキシ樹脂の素材強度が低下して鋼材補強効果を発揮できない。また、冬季の低温時には延び性能が極端に低下し、硬くなってしまい、早期剥離に至る。

これに対して、本発明にて使用するポリウレア樹脂パテ剤は、−20℃から+70℃まで安定した性能を示すことができる。従って、ポリウレア樹脂パテ剤は、鋼構造物補強用弾性層形成材として使用し、温度に影響されない剥離防止、補修補強効果を達成することができ、鋼構造物の補強工法に極めて好適に使用し得ることが分かった。

(第4工程) 図7(e)、(f)に示すように、樹脂パテ剤が硬化し、弾性層104が形成されると、この弾性層104の上に接着剤105を塗布し、この面に、繊維シート1を押し付けて補強対象鋼構造物100の表面102に弾性層104を介して接着する。

接着剤105としては、高温時に適用するためには、好ましくは、ガラス転移点温度が60℃以上、通常、70℃〜100℃に調整した接着剤を使用する。上述したように、鋼構造物100、即ち、鋼材は、我が国においては、真夏の直射日光により、その表面は60℃程度の温度にまで上昇する。そのため、従来仕様の繊維シートによる補強に使用される接着剤では、その温度により接着剤が軟化し、時には、必要な補修補強効果が得られない場合があることが分かった。

従って、接着剤105として、ガラス転移点温度が、好ましくは60℃以上、通常、70℃〜100℃とされる接着剤を使用することにより、日光照射により補強効果が得られなくなるような事態を回避し、十分な補強効果を得ることができ、且つ、繊維シートが破断強度に至る前に鋼構造物表面から剥がれることを回避することができる。

このような特性を有した接着剤としては、常温硬化型エポキシ樹脂、エポキシアクリレート樹脂、アクリル樹脂、MMA樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、光硬化型樹脂等が挙げられ、具体的には、常温硬化型エポキシ樹脂及びMMA樹脂が好適とされる。

本実施例では、エポキシ樹脂接着剤を使用した。エポキシ樹脂接着剤は、主剤、硬化剤の2成分型により提供され、その組成の一例を示せば、下記の通りとされる。 (i)主剤:主成分としてエポキシ樹脂を含み、接着増強付与剤として、必要に応じてシランカップリング剤を含むものを使用する。エポキシ樹脂は、例えば、ビスフェノール型エポキシ樹脂、特に、靭性付与のためのゴム変性エポキシ樹脂とすることができ、更に、反応性希釈剤及び搖変剤を用途に応じて添加しても良い。 (ii)硬化剤:主成分としてアミン類を含み、必要に応じて、硬化促進剤を含み、添加剤として着色剤等を含むものを使用し、主剤のエポキシ樹脂:硬化剤のアミン当量比は各々1:1である。アミン類は、例えば、メタキシレンジアミン及びイソホロンジアミンを含む脂肪族アミンとすることができる。斯かる組成のエポキシ樹脂は、ガラス転移温度が70℃以上(74℃)とされる。

尚、接着剤105は、弾性層104の上に塗布するものとして説明したが、勿論、繊維シート1に塗布することもでき、また、弾性層104の表面及び繊維シート1接着面の両面上に塗布しても良い。

また、必要補強量が多い場合には、構造物表面に複数層の繊維シート1を接着することが可能である。ただ、複数層の繊維シート1を積層して接着すると、端部に応力集中が生じ、剥離破壊抵抗が低下することがある。

そこで、剥離破壊を防止するために、図8に示すように、各層の繊維シート1のシート長さ(L)(図1参照)を変化させるのが好ましい。例えば、複数層積層する繊維シート1の長さは、構造物表面102から離間する外層に行くに従って順に短くして、繊維シート1の端部1aを階段状に積層する。端部1aのずらし長さ(h)は、30mm〜300mm程度とするのが適当である。例えば、シート端部1aが100mmづつ短くなるように接着することにより、好結果を得ることができた。

つまり、複数層積層する繊維シート1の長さ(L)を外層を順に30〜300mm程度短くして端部1aを階段状に積層することにより、シート端部1aでの応力集中を低減し、剥離抵抗を向上させることが可能である。

次に、本発明に係る構造物の補強方法及び鋼構造物補強用弾性層形成材の作用効果を実証するために以下の実験を行った。

実験例1 本実験例では、繊維シート1を使用して、接着工法に従って鋼構造物100としての鋼材を補強した。また、本実験例で使用した繊維シート1は、図2を参照して具体例1として説明した構成の繊維シート1Aであった。

繊維シート1Aにおける強化繊維fとしては、平均径10μm、収束本数6000本の樹脂未含浸のピッチ系炭素繊維ストランドを繊維目付300g/m²となるように一方向に引き揃えてシート状とした。このシート状の強化繊維の片側面にガラス繊維を使用して作製された2軸のメッシュ状支持体3を溶着して繊維シート1Aとした。

このようにして作製した繊維シート1Aとされる繊維シート1は、幅(W)が500mm、長さ(L)が50mであった。本実施例では、斯かる繊維シートを適宜切り出して使用した。

次に、上記繊維シート1を使用して鋼構造物としての鋼材100を、図7を参照して説明したと同様の繊維シート接着工法により、次のようにして補強した。ただ、本実験例では、鋼材100の下面側に繊維シート1を貼付するものとした。

先ず、本実験例では、鋼材100の下面をショットブラストにて研掃し、適度の粗面とした。この鋼材100の表面102上にエポキシ変性ウレタンプライマー(新日鉄マテリアルズ(株)製「FORCAUL−1」(商品名))103を0.15kg/m²塗布した。

エポキシ変性ウレタン樹脂プライマー103が指触乾燥した後、塗付面を背面とした状況で弾性層104を形成するために、上述した組成のポリウレア樹脂パテ剤を、およそ1mmの厚さ(T)となるよう、ヘラで鋼材(供試体)100に塗布した。このとき、ポリウレア樹脂パテ剤は、塗布完了後も自重で滴下することはなく鋼材供試体100に付着していた。

弾性層104の形成樹脂として用いたパテ状ポリウレア樹脂の23℃におけるBM型粘度計による2回転での粘度は600Pa・sで、回転数20回転では95Pa・sであった。

また、チクソトロピックインデックス(回転数20回転における粘度÷2回転の粘度)は6.32であった。

次に、上記鋼材表面102に塗布したポリウレア樹脂パテ剤を硬化させて弾性層104を形成した。この弾性層104の上にガラス転移点温度74℃の上述した組成のエポキシ樹脂を、(繊維シート1を複数層積層する場合には各層当たり下塗りとして)塗布量0.4kg/m²にて塗付した。次いで、繊維シート1をエポキシ樹脂塗布面に軽く押し付けた後、繊維シート1の上を幅100mm直径10mmプラスチックローラーを100N程度の押し付け力を加えながら移動させた。繊維シートは、上述の構成の繊維シートを接着剤により全部で7層積層した。具体的には、新日鉄マテリアルズ(株)製の「炭素繊維シートC830」(商品名))を5層、更に、新日鉄マテリアルズ(株)製の「炭素繊維シートC160」(商品名))を2層、積層した。

プラスチックローラーによりシート1上から転圧することで、エポキシ樹脂は、繊維シート1の各繊維の隙間から染み出した状態となっており、なんら保持をしなくても鋼材100に貼りついた状態で剥離することはなかった。

なお、本実施例の場合のように、繊維シート1を複数層積層する場合には各層当たり上塗りとしてエポキシ樹脂105を塗布量0.2kg/m²にて繊維シート1の表面に塗布してゴムベラにより表面を平坦に仕上げた。その後、室温で1週間養生した。繊維シート1の貼着面に、何らボイドを発生することなく、鋼材100に極めて良好に接着することができた。

以上のようにして作製した繊維シート補強鋼材(本発明)100と、接着剤としてガラス転移点温度が48℃とされるエポキシ樹脂含浸接着剤を使用し、パテ剤としてポリウレタン樹脂パテ剤(比較例1)及び軟質型エポキシ樹脂パテ剤(比較例2)を使用した繊維シート補強鋼材100に対して、図9に示す試験装置を使用して、支点間距離Ls80mmとした3点曲げ試験を行った。鋼材100の断面は、幅W0=25mm、厚さT0=2.0mm、全長L0=100mmである。3つの供試体は、上述のように、繊維シートを鋼材表面に接着する接着剤105及びパテ剤104が異なる以外は、同じ構造、材料で作製した。

本実験における、本発明、比較例1、2の各々の構成材料を纏めれば次の表3の通りである。

曲げ試験の結果を、図10及び図11に示す。図11に示す温度/荷重を変化させた曲げ試験グラフから以下のことが注目される。

つまり、比較例1の仕様では、30℃近辺において荷重低下が起こり、エポキシ樹脂含浸接着剤の軟化が発生した。一方、低温では固くなるエポキシ樹脂の性質を生かし、高い荷重を示した。この状況では、高温側で日本の気候条件と補修補強性能を満足させることができない。

比較例2の仕様では、低温時には軟質エポキシ樹脂パテ剤がその温度により固くなり、荷重が上がる前に、早期に剥離に至った。このことは補強できていない状況を示す。高温側は、軟質エポキシ樹脂パテ剤の早期の材料破壊で剥離に至った。

これに対して、本発明のポリウレア樹脂パテ剤は低温から高温において安定した性能を示し、日本の国土気象条件に合致した、補修補強材料及び工法仕様が確立されることが確認された。

実験例2 本実験例では、上記実験例1で説明したと同様の繊維シート1を使用して、接着工法に従って鋼構造物100としての鋼材を補強した。

つまり、本発明の繊維シート補強鋼材(本発明)100は、上記のようにして作製した繊維シート1を、上記実験例1と同様に、プライマー103としてウレタン変性エポキシ樹脂プライマーを、弾性層104のためのパテ剤として、上記組成とされるポリウレア樹脂パテ剤を、更に、接着剤105としてガラス転移点温度74℃の上記組成のエポキシ樹脂を使用して鋼材100に貼付した。

比較例3は、上記のようにして作製した繊維シート1を、プライマー103としてエポキシ樹脂プライマーを使用し、弾性層104のためのパテ剤は用いることなく、また、接着剤105としてはガラス転移点温度74℃の上記組成とされるエポキシ樹脂を使用して鋼材100に貼付した。

比較例4は、上記のようにして作製した繊維シート1を、上記実験例1で使用したと同様に、プライマー103としてエポキシ変性ウレタン樹脂プライマーを、また、弾性層104のためのパテ剤としてポリウレア樹脂パテ剤を使用したが、接着剤としてガラス転移点温度48℃のエポキシ樹脂(新日鉄マテリアルズ(株)製「FR−E3P」(商品名))を使用した。

以上のようにして作製した3つの供試体を使用して、実験例1と同様の曲げ試験を行った。試験の結果を、表4及び図12に示す。

図12に示す温度/荷重を変化させた曲げ試験グラフから以下のことが理解される。

比較例3は、接着剤として本発明と同じくガラス転移点温度74℃といった高Tgのエポキシ樹脂接着剤を使用しているが、ポリウレア樹脂パテ剤を用いることなく繊維シート1を鋼材100に貼付している。従って、本発明と比較すると、比較例3では、ポリウレア樹脂パテ剤(弾性層104)の効果を得ることができず、温度上昇と共に、十分な鋼材の補強が達成されない。なお、比較例3においても、エポキシ樹脂接着剤は比較例2と同様に最終的に剥離した。

比較例4は、本発明と同じくポリウレア樹脂パテ剤を用いているが、接着剤としてガラス転移点温度48℃といった、比較して低Tgのエポキシ樹脂接着剤を使用した。この場合でも同様に、ポリウレア樹脂パテ剤(弾性層104)の効果により繊維シート層106の剥離は、本発明と同様に、発生していないが、ガラス転移点温度48℃前後から、緩やかに曲げ荷重は低下して、本発明に比較すれば、高温時において補強自体が十分に達成されていない。つまり、比較例4では、鋼材と共に、炭素繊維を使用した繊維シート層106が屈曲する状況を示している。従って、高温時にも補強効果を得るためには、接着剤のガラス転移点を調整することが必要であり、その気候条件に必要な温度対応のため、接着剤のガラス転移点は、60℃以上、好ましくは70℃以上とするのが必要である。

このように、本発明に従った鋼構造物の補強方法及び鋼構造物補強用弾性層形成材によれば、鋼構造物100を有効に補強できることが明らかとなった。

1 繊維シート 2 繊維強化プラスチック線材 3 線材固定材(横糸、メッシュ支持体シート、可撓性帯材) 100 鋼構造物 103 プライマー 104 弾性層 105 接着剤 106 繊維シート層 200 補強構造体