JP2000506237A - 混成プレートおよびそのような混成プレートの製造方法 - Google Patents
混成プレートおよびそのような混成プレートの製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
本発明は複合材料と板の組合せからなる混成製品に関する。混成製品は複合材料と板部材の間を密に接触させて複合材料と異形板要素の技術的物理的利点を組合せることを意図する。複合材料は要素に基づき、板要素は材料に依存するが、セラミックスまたはプラスチックに基づくことができる。複合材料は、複合材料の硬度を増加させるために岩石または金属の粒子を含むことが好ましく、複合材料の補強をするために棒材、糸状物、網状物、繊維の形状の要素を含むことが好ましい。板要素は板要素の剛性を増加させるために、また複合材料と板要素の間の改良された接触を実現するために、異形、好ましくは台形状断面にする。
Description
【発明の詳細な説明】
混成プレートおよびそのような混成プレートの製造方法発明の背景および図面の説明
本発明は、好ましくは複合材料からなる物体の外側に配置された、異形板(pro
filed sheet)と密に接触した粒子基複合材料からなる混成製品、並びにそのよう
な混成製品から構成された物に関する。
複合材料はセメント基であることができ(コンクリートとある程度類似する)
、異形板は金属、例えば、鋼であることができる。公知技術によると、製品、代
表的にスラブは、異形鋼板と接触する慣用コンクリートからなるので、本発明の
混成製品と外見的に類似する。
本発明の混成製品は、上記の製品とは、複合材料と異形板の間の完全に異なり
より優れた密な協働(intimate co-operation)によって区別される。
これは、例えば本明細書の実施例1に示されるように、対応する慣用製品より
強く、また、極めて強靱で非常に集中した負荷(concentrated loadings)を吸収
可能である、混成スラブを提供する。それは、慣用の金属板/コンクリート/混
成製品は亀裂感受性/脆性でありより集中した負荷を吸収するには不適当である
ことが知られているので、当業者には驚くべきことである。
この新規で当業者に極めて驚くべき挙動は、複合材料に付加される独立のそれ
自体外的な性質の独特の組合せ、即ち、下記によって得られる。
a)普通コンクリートより2〜10倍高い圧縮強度一慣用の20〜50MPa
に対して典型的には80〜30O0MPa。
b)普通コンクリートより1.5〜3倍高い剛性/弾性率。
c)普通コンクリートより5〜200倍以上高い靱性/破断エネルギー。
また、板に関して、
d)異形板(典型的には鋼のような高強度材料製)の使用。
以下において混成製品の機械的作用を検討し、これと関連して、本発明の製品
と類似する、慣用のコンクリートと接触する異形鋼板を有する従来技術の製品と
比較を行う。
コンクリートは引張強度が低い。コンクリートを構造材料、例えば、スラブお
よびビームとして使用するためには、コンクリートは、慣用的にはコンクリート
に充分埋設された鋼棒材によって、引張補強される。通常鋼棒材は丸い異形表面
を持つ。それは十分にコンクリート中に配置され、典型的にはコンクリートの表
面から直径の少なくとも1.5倍の位置に配置され、かつ相互に充分に間隔を設
けられるので、各々の補強鋼は閉鎖されたコンクリート体中に独立に維持される
。
曲げの影響を受けた製品(ビーム、スラブ等)を考えると、コンクリート内に
配置された棒状補強材よりも、製品の外側表面の薄い板状の補強鋼材の局在が、
補強材とコンクリートの間の剪断協働を無視した、純粋な力バランスの観点から
、好適である。20〜30%長いモーメントアームで、純粋な曲げの支持能力は
20〜30%高い。
しかしながら、有効に作用するためには、補強材は、合理的な大きさの剪断力
がコンクリートと補強材の間に伝達されるような仕方でコンクリート中に配置さ
れるべきである。これが、相互に充分に離間してコンクリート中に深く埋設され
た異形棒材を有するコンクリートがその形状を有し、また外部の板を有する製品
が板が異形で
ある場合にも滅多に使用されない理由である。
剪断耐久力自体を考える前に、2つの単一の力が負荷された補強ビーム/スラ
ブの挙動によって例示される、補強コンクリートの挙動において、剪断耐久力の
作用及びその欠如について簡単に考察する。すなわち、図1は配置を示し、2お
よび3はビーム/スラブの部分、即ち、それぞれ中央部分および外側部分を示し
、それぞれの物体に作用する力は矢印で示されている。
中央部分はモーメントが影響するだけである。力の伝播(コンクリートの上側
に圧縮力および長軸補強材に牽引力)それ自体は補強材およびコンクリートの間
に剪断の繋がりを必要としない。しかしながら、破損/不十分な剪断耐久力は、
例えば隙間(亀裂)の制御に関して、重要な二次的作用を持つ(図2参照)。
図2は、純粋なモーメント作用を受けた慣用的に補強されたコンクリートスラ
ブで、補強材とコンクリートの間に良好な剪断抵抗を有するものを1に、貧弱な
剪断抵抗を有するものを2に示す。異形棒材の形の良好な補強材3は、多くの非
常に細かい亀裂の形成を確実にする。異形板4の形の補強材では、従来技術に従
う構造物では剪断抵抗が貧弱であって、少数の非常に広く深い亀裂が発達する。
モーメント作用の他に、外側部分では剪断作用も受ける。こうして、力は圧縮
帯域から補強材へ伝播されて、その引張応力が減少されるべきである。剪断力を
伝播する能力がなければ、剪断欠損(shear failure)が起きて、損壊(collapse)
する(非補強コンクリートと薄い板とが複合作用なしで単独で耐久できる負荷−
これは通常複合材料として機能する場合に耐久できる負荷の僅かにすぎない―よ
り大きい負荷によって)。
図3は底部で補強されたスラブまたはビームの部分を示し、これはコンクリー
トと補強材の間の剪断欠損のために破壊される。
図3は、外側部分の挙動を1,2,3の3つの段階として示す。端部4で支承
されたスラブは、力5により応力を受ける。段階1では、引張応力割れ6がコン
クリートに起きるだけである。段階2では、力伝播帯域Cが最大寸法まで大きく
なるので割れが段々と大きく開く。この帯域は支承体に向かって移動し、最終的
に段階3に示すように破損する。
コンクリートと補強鋼材の間の良好な剪断抵抗は下記を要求することが知られ
、認められている。
1)コンクリートが剪断の際に補強材の周りを機械的に絞る、表面からまた相
互に充分に離間した補強鋼材の良好な埋設。
2)例えば上記の絞り作用に関して最適である、円筒状補強棒材が好ましい。
3)慣用のカム鋼およびテンター鋼と比べて、長軸方向に垂直な、短い相互距
離で配置された山頂を設けた補強棒材が好ましい。
上記のことから、板では、特にコンクリート製品の外側表面に配置した板でな
い場合には、円筒形状補強棒材と同じ程度の協働は通常得られないことが明らか
に認められる。
従来技術において異形薄板/コンクリート複合材料製品を用いて相当する平面
板複合材料と比べて改良が得られることが知られている。例えば、そのような異
形板/コンクリート複合材料を、カバー部材として、また板の補強作用をフェロ
コンクリートにおける補強鋼材と同じように利用可能にするために、用いること
が知られている。
しかしながら、板とコンクリートの間では、慣用のフェロコンクリートにおけ
る補強棒材とコンクリートの間に対応する有効な協働を得ることは全く不可能で
あることが明らかに認められる。異形板の補強材料としての合理的に有効な利用
は、中位負荷を受ける構造
物および高々中位剪断応力を受ける実質的に純粋な曲げ作用下の構造物に限られ
る。
従って、英国規格「建造物における鋼部材の構造的使用BS5950−Port4
(1982)」は、コンクリートと共に複合材料として作用する「異形鋼板」の
使用についての規則の段落に下記を記載している。
4.5複合材料作用についての要件
4.5.1一般的。複合材料作用に関して異形鋼板は板とコンクリートの間の界面
の水平剪断力を伝播可能であるべきである。これは4.5.3〜4.5.7に記載された方
法の1または2以上によって達成できる。
4.5.2平面状開放異形板。図2(a)および(b)に示したような平面状開放
異形板は、剪断結合手段を伴わないならば、複合材料作用を必要とする場合に許
容される。
図2(a)は台形の形状(本明細書の実施例1の板の形状とかなり類似してい
る)を有するスラブである。図2(b)の形状は、その台形(trapeziums)間の板
部分が平面でなくさらに「小さい」台形の形状である以外は図2(b)と同じで
ある。
実施例1に示す本発明による混成スラブ(上記の混成スラブ(a)と外見上か
なり似ている)を参照すると、これは、このような態様では、特に高い剪断応力
を持つ集中負荷の下では、非常に貧弱な挙動をすると予想されることを意味する
。これはまた、BS5950の4.5.2の上記要件によれば構造物を「複合材料作
用を必要とする場合」に使用することは許容されないことを意味する。
従って、実施例1のスラブが高い剪断抵抗を含む高い耐久性(carrying capaci
ty)と集中剪断応力を含む極めて高い負荷の下の非常に高い靱性を示したことは
、当業者にとって非常に驚くべきことで
あると考えられる。
しかしながら、本発明を説明する前に粒子基材料における材料破損の機構を検
討することが理解のために必要である。
破断−境界付近での破壊
鋼のような強い材料の表面付近でのコンクリートのような材料における破断は
、引っ張り分離及び剪断による分離の形で起こる。
通常、張力下での金属板とコンクリートとの間の分離破断に対する抵抗力は、
特にその分離破断が割れの開始後拡大(careening)によって起こるときは、小さ
い。この抵抗力は純粋な剪断に対しては本質的により高い。これが、平坦な板と
は異なって、異形板の形の本発明の実施態様にとける主たる原因である。ここで
望ましくない拡大破壊は強力に反作用を受けるので、剪断による接触破壊かより
主要な破断の形態となる。この点に関して、本発明は先行技術の構造、例えば従
来のコンクリートおよび鋼の台形状の異形板と異なることはない。
それ故、上記の背景の下で、剪断により引き起こされる破壊時に何が起こるか
を考えること、及び、これに照らして、その後で、本発明によって提供される、
先行技術に較べて剪断破壊に対する抵抗を改良する手段と、それによって得られ
るものを考えることが最も重要である。
粒子基複合材料と「補強」棒材又は異形板の間の剪断破壊は非常に複雑である
。マクロな尺度では、前記破壊は主として金属表面(図4.1)又は主として複
合材料の中(図4.2)で起こり得る。
表面3におけるコンクリートは、異形板4に関して矢印の方向に変位される。
2において、破断表面6で示されているように、破壊はコンクリート製品中で起
こっているので、コンクリートの最下部5は異形板に関して元の位置に保持され
ている。局所界面破壊
界面付近での破壊は、金属表面の原子と複合材料の原子との間の原子の分離に
よって起こり得るか、従来の系では、界面付近の複合材料中での破壊を原因とし
ても−そして非常にあり得ることであるが主としてそれを原因として−起こり、
界面それ自体では起こらない。
表面、例えば鋼板の表面に近い従来のコンクリートの構造を考えてみよう(図
5)。コンクリート1、モルタル2及びセメントペースト3に関する界面がここ
に示されている。4は金属板であり、1は石5及びモルタル2を有するコンクリ
ートであり、このモルタルは今度は砂粒子6及びセメントペースト3からなる。
このセメントペーストは部分的に水和したセメント粒子7からなり、このセメン
ト粒子は多孔質水和物生成物8を形成する。
表面付近では、前記粒子はこの表面からはるかに離れた所よりも充填密度が低
く、このことは、今度は前記表面から十分に離れた材料中の性質から逸れた性質
を有する境界帯域に反映される。このことは曲線で示されており、ここに、横座
標は前記板の表面からの距離を示しており、縦座標(y)は性質(例えば、強度
、硬度又は密度)を示す。
従って、前記鋼表面に非常に近接して、厚さ約10μmのセメントペーストの
境界帯域(GZc)があり、ここに前記材料は、この材料の内部よりもセメント
粒子の濃度の低い粒子構造でできている。この帯域はより多孔質であり、この材
料の内部のセメントペーストよりも多孔質であり、はるかに弱い。
前記例示したコンクリートにおいて、対応して厚さ約1mmのモルタルの多孔質
帯域(GZm)があり、この帯域はセメントペーストの含量が実質的に高く、対
応して砂粒子の含量が低い。砂粒子は強
く、剛性であるから、前記粒子含量の低い境界帯域は、表面から遥かに離れた材
料内のモルタルよりも弱いであろう。対応して、厚さ約10mmの、石の濃度の低
いモルタルに富んだ帯域がある。このことは、もし前記石が前記モルタルよりも
強いときは、表面から遥かに離れた材料よりも弱いことを意味している。
前記剪断抵抗は、異なった方策によって異なった方法で改善することができる
:
1)特に境界層の構造を含んで、コンクリートの構造を改善することによって
、強度付与性が改善される、
2)前記境界帯域に近接する金属表面の断面形状を適合/賦形することにより
、弱い境界帯域の効果は減少する。
従来の鉄筋コンクリートにおいて、約1mmの波頂(crests)を設けられた鋼補強
に関連して方策2が用いられる。これは、補強に沿った剪断破断はセメントペー
ストと鋼表面との間の10μmの薄くて弱い境界層では専ら起こらず、外側のモ
ルタル/コンクリート中に広範囲に起こるよう強制することを確保する。
その上に特別なアンカー手段の設けられていない異形板に関しては、補強棒の
設けられたものよりも遥かに表面が平滑であり、対応して、微細な/弱い境界帯
域に関するより大きな問題がある。
本発明によるアプローチにより、前記複合材料は非常に顕著に改善され、その
ため通常は平坦であると言われる従来の異形薄鋼板を利用して、「コンクリート
」と共に混成構造をもたらし、また「コンクリート」と密な接触をもたらし、非
常に高い支持能力、高い靱性及び非常に高い剪断応力を吸収する能力を示す。
上記の問題の複雑さ(complex)を参照しそして例として、セメントをベースと
する結合剤を有する複合材料を、部分的には慣用のコンクリートを、部分的には
しばしば本発明による製品における好ま
しい複合材料、を考察する(図6)。この図は、境界1に近接した結合剤の、部
分的にはセメントペースト(図6b)を、部分的には図6aに示された結合剤(
これは、従来よりも本質的に緻密に充填されたセメント粒子2、及び前記セメン
ト粒子の間の間隙に堆積された超微細なSiO3粒子を用いて、一般に本発明に
よって用いられる)。
ここで得られるのは次のことである:
1)一般的な材料の改善、例えば典型的には強度の5倍の向上;
2)当初は、多孔質で弱い約10μmの厚さの境界帯域の特別な改善;具体例
においては、強度の25倍の増加。これは典型的には実際において目立つ;
3)多分マイクロシリカ粒子(100nm=0.1μm)のような厚さの超微
細な帯域は別として、従来の弱い境界帯域の殆ど100%の除去。
これは、セメントベースの複合材料の引っ張り強度が少なくとも80MPa、
好ましくは少なくとも100MPa、より好ましくは少なくとも150MPa、
更により好ましくは少なくとも200MPa、最も好ましくは少なくとも250
MPaであることの要請に、そしてまた、そのようなセメント−ベースの結合剤
の組成に対する要請に反映される。
複合材料の結合剤によって特徴付けられる製品は、セメント様ポルトランドセ
メント及び/又はアルミネートセメント並びに好ましくは更に、容量部にして1
〜40%の、好ましくは5〜25%のマイクロシリカのような超微細粒子に基づ
き、これは前記結合剤の全体積の少なくとも50%、好ましくは少なくとも55
%、より好ましくは少なくとも60%、更により好ましくは少なくとも65%、
最も好ましくは少なくとも70%という微細粒子(例えば、セメン
ト+マイクロシリカ)の高い全含量によって特徴付けられる。
これらの手段は、本発明の性能により、実際には、従来の「平滑な」板を用い
て10μm〜5又は1μmの平面からのずれを持ったミクロな粗さの利益を得るこ
とができる。そのような粗さは、板と従来のセメントペースト/コンクリートと
の間の弱い境界帯域(厚さ約10μm)を通しての破断を防ぐには全く不十分で
ある。
この記述から明らかなように、このアプローチは、本発明の複合材料の特徴で
ある全体の構造に関するパッケージ/性質に関するパッケージの一部に過ぎない
。以下に、靱性/脆性に関する問題を考察する。剪断破断(一般)
図7は、接着剤接合部で相互に保持された対象物−ブロック1及び基層2−を
剪断にさらしこの接合部が破壊するまでを示している。接着剤接合部は、最大応
力まで実質的に線状の弾性挙動を有する材料から構成されている。この挙動はコ
ンクリート及び本発明と組み合わせて使用される多数の複合材料に典型的なもの
である。
もし、例えば全破壊までに1mm引き伸ばせる接着剤接合部によって相互に保持
された極めて剛性の大きい物体が相互に動かされるならば、前記最大張力(To
)は、破壊の状態における全接触表面で有効である。もし、他方で上記と同じ接
合剤を用いて同じ基層に接着された弾性のゴムカーペット/コンベヤーベルトが
5m引っ張られるならば、この力は恐らく10〜20mmの伸び(前記ゴムベルト
の厚さ及び剛性9に依存して)に過ぎない小さな作用帯域に伝達されるのみであ
ろう。更に動かすことにより、前記接触帯域は前記力が作用する端部で破壊され
る。亀裂は伝播して、小さな作用接触帯域は内側へ変位する。
伝達される力は全領域に対応するのでなく、作動帯域のサイズの
範囲/領域に対応する小さな部分のみに対応する。もし作動帯域が、例えば20
mmであり、前記「板」が5mであれば、この5mの大きさの板が極めて剛性の高
いものであるとして、最大剪断力は対応する力の約40/00に過ぎない。
接触破断/降伏でのこの機構の認識は、先行技術による異形板/コンクリート
複合製品の作用モード及び弱さの理解のために、また、先行技術に較べて大きく
、顕著で、当業者にとって非常に驚くべき改善を提供する本発明によって作り出
された手段/方策の理解のために、非常に重要である。
それは特に、本発明による製品のための複合材料の組成に関連して必須の非常
に極限された力の伝達と関連した上記の脆い挙動に対して安全にするための方策
である。
図8は、典型的な、従来のコンクリート1、強いコンクリート2、及び3(繊
維で破断−靱性を付与された2と同じ強い材料)を示す。引っ張り強度と割れ帯
域変形との関係が示されている。単位面積の割れを形成する仕事を表すこれら曲
線の下の領域は、破断G(単位N/m又はN/mm)の各エネルギーを示す。非常
に強く、非常に強靱な材料は、本発明による典型的な複合材料を表す。
材料強度及び剛性を与える他になされることは、それらに非常に高い破断靱性
/割れ靱性を与えて、これらの力が大きな接触面積に亘って同時に作用するよう
にすることである。この概念は図8に示されている。
普通の引っ張り強度(例えば、3N/mm2)の従来のコンクリートは、普通の
割れ帯域変形(30〜50μm)を有する一方で、従来の非常に強いコンクリー
ト(引っ張り強度は例えば10N/mm2)は実質的により小さい割れ帯域変形−
典型的には約10μm−を有する。これは本質的に、より高い脆性となって現れ
る。数字的に
はこれはまた、破断のエネルギーG(曲線の下の面積)のエネルギーは強度に対
応して増大せず、粗く見積もって変化しないままである。従来のコンクリートの
破断エネルギーは、100N/mのオーダーである。
本発明に関して使用される複合材料は、非常に高い破断靱性を与えられ、それ
らが、少なくとも500N/m、好ましくは少なくとも1000N/m、より好
ましくは少なくとも2500N/m、更に好ましくは少なくとも5000N/m
、もっと更に好ましくは少なくとも10,000N/m、最も好ましくは少なく
とも20,000N/mという高い破断エネルギーを付与されるという事項で表
される。
従って、従来の非常に強いコンクリートを包含する従来のコンクリートよりも
約5倍超ないし200倍超高い破断エネルギーに対応する破断エネルギーで表さ
れる破断靱性の増加が存在する。
破断のエネルギーが非常に顕著であるという事実は、また、前記材料が大きな
割れ帯域変形を行う能力か、対応して増大するということも意味する(図8参照
)。先に引用/要求された破断のエネルギー(少なくとも0.5N/mmないし少
なくとも20N/mm)に関しては、割れ帯域変形の増大は典型的には、非常に強
い従来のコンクリートについての10μmから、本発明の(より強い)強靱な複
合材料についての1000μm超への増大である。
高い靱性を付与することは、第1に、微細で、強くて、剛性の繊維を、好まし
くは高い体積濃度で添加することによって達成され、この場合、前記粒子ベース
の複合材料は、容量濃度にして0.1〜1%、及び/又は1〜2%、及び/又は
5〜10%、及び/又は10〜20%、及び/又は20〜60%で、ばらばらの
繊維としての長い粒子を含む。
例えば、従来の、多数の繊維を含む比較的弱い多孔質のコンクリート又はモル
タル混合物で得られる高い靱性単独は、本発明による製品の特徴である異形板と
の密な共同作業にとって十分でない。従って、コンクリートと異形板との間の剪
断破壊は、一般には弱い多孔質の境界帯域で起こり(図5及び“border
zone failure”の記述を参照のこと)、繊維が作用する材料の内部
では起こらない。
本発明に従って、境界帯域をより強く、より緻密に、そしてより剛性にするこ
とにより、破れは繊維が作用する材料の内部へ(材料の表面から離れて)大いに
伝播させられることになり、これによって繊維で得られる本質的な破断靱性の利
用を確保する。
このことは複合材料に関する本発明の必須の組み合わせであるa)高い強度、
b)高い剛性、及びc)高い破断靱性、を再び強調する。
強く、剛性で、強靱な複合材料に基づく構造を有する本発明の比較
密に充填されたセメント及びマイクロシリカと共に結合剤を含有する複合材料
を包含する高濃度の粒子を有する緻密な粒子ベースの複合材料を製造することは
知られている。Bache H.H.のヨーロッパ特許明細書No.00107
77“Sheped Article and Composite Mate
rial and Method for Producing Same”を
参照のこと。
Al2O3含有部の砂及び石のような非常に剛性で、強い粒子を用いて得られる
特に高い強度及び剛性を有する材料を製造することも知られている。Bache
H.H.,“Densified
Cement/Ultrafine Particle−Based Mate
rial, presented at the Second Intern
ational Conferenceon Superplasticize
r Concrete,June 1981,Ottawa,Canada,C
BL Report No.40,Aalborg Por 33pp.を参照
のこと。
従来の鉄筋コンクリート中のコンクリートに埋め込まれた鋼の補強材と関連し
て使用されるのと同じ原理に従って、「コンクリート」に埋め込まれこれによっ
て完全に取り囲まれた棒、針金又は網で補強された補強製品中にそのような材料
を使用することは公知であることも、同じ刊行物から明らかである。
しかしながら、強く、剛性で、強靱な複合材料を伴う技術(上記刊行物参照)
に照らして、そのような強く、剛性で、破断に対して強靱な複合材料と密に接触
した板を用いる本発明に従って製品を製造することは新規であり驚くべきことで
ある。
従って、PCT/DK87/00072公報から引き出すことのできる教えは
、非常に明らかに「コンクリート」内に埋め込むことによってしっかりと楔止め
された丸い棒及び針金による補強を確保することである。全ての補強部材は、実
質的に円形の断面である棒、針金である。この公報は、「補強材」はみぞ形鋼及
びI形鋼も包含することを言及している。ここでは問題は明らかに棒についてで
あり、板についてではない。問題はまた、非常に明らかにコンクリートによって
十分に取り囲まれ、埋め込まれた補強棒についてであって、本発明に従って複合
材料によって形成された物体の、好ましくは外側に配置された異形板についてで
はない。
先行技術においても上記の文献においても、いずれにせよ当業者
を外側に配置された異形板に関する本発明に導くようなものは何もない。反対に
、前記PCT/DK87/00072公報に含まれる補強機能に関する全ての教
えは全体的埋め込みの重要性を支持している。
それ故、これらは明らかに当業者を本発明に導くような思想/アイデアから方
向をそらし、本発明に全く導くものではないであろうから、本発明は新規であり
、上記の文献を背景としても当業者にとって非常に驚くべきものである。剪断挙動の定量(概要)
「計算例」のもとで、複合材料の大きな製品/物体に固定された鋼板の変位の
挙動の分析が示される。極めて単純化されているが実際に何が起きているかに関
し良好な定性的、部分的には定量的な鑑定を与える系を検討した。
最初の二つの計算例では、鋼設計者便覧(Steel Designers Man-ual)で計算例
として用いられる材料及び構造と同様である通常のコンクリートと接した鋼板を
有する従来技術の混成構造に対応する入力データが使用される。
最後の二つの計算例(3及び4)では、この文書の例1で使用される材料と同
様である本発明のために使用される複合材料に対応する入力データが使用される
。
これらの計算例でもって、なぜ従来技術による異形板/コンクリート製品が明
白な脆性挙動で純粋に変位して機能するのかが証明・説明される(「複合作用」
が必要とされるような構造を使用しない英国標準規格の指針による)。
実際の経験によれば、a)より高い強度のコンクリート、b)より高い強度の
鋼で、どうして利益が得られないのかも証明・説明される。そのような手段の明
確な否定的効果、支持能力(耐久性;c
arrying capacity)が小さいこと、脆性が高いこと等、がなぜ生じるのかも証明
及び説明される。
次に、以下の例は本発明を表す。本発明の範囲内で構成される、異形鋼板と複
合材料の間の完全に異なる密な協働作用(intimate co-operation)がどうして得
られるのかが証明・説明される(計算例3及び4参照)。
例えば、当業者にとって驚くべきことに、剪断容量が通常のコンクリートにつ
いての挙動と比べて約30倍増加し、そしてまた通常の非常に強固なコンクリート
(本発明による材料と同じ強度を有するが本発明による高い破断靱性を本質的に
取り込んでいない)と比ベて同じ率(30倍)だけ増加することが示される。
これらの計算例で説明される結果は、「鋼設計者便覧」に示された計算例によ
り従来技術の製品について、また例1で説明される物理的試験された製品により
本発明の製品について説明される事実とよく一致する。
粒子を基にした複合材料(コンクリート)の破断靱性を増大させることにより
異形鋼板と複合材料との間の剪断容量を向上させることは、当業者にとって目新
しく且つ驚くべきことである。
当業者にとっては、既知の認められた技術による実質的に同じ又はより小さい
剪断容量とより高い脆性を有する非常に強固なコンクリートを使用することによ
り、系にそのような向上をもたらすことは、更に驚くべきことである。
当業者にとって、本発明による材料の対策により、極めて高品質(強度)のプ
レート要素を効果的に利用することが可能であることは、なお更に驚くべきこと
である。従来技術では、強度が通常よりはるかに高いが厚さは半分の異形鋼板を
使用すると、例えば、剪断容量(shear capacity)が著しく低下し、またもともと
の高い脆性が
増大することになり、すなわち認知されていてそのような複合材料について受け
入れられた設計上の規定の一部である現象が起きる(「鋼設計者便覧」参照)。それほど硬質でない結合剤、例えばプラスチック、を基にした本発明による複合 製品
本発明の特定の側面は、複合材料か、それほど硬質でなくしばしば非常に変形
しやすい材料、例えばプラスチック材料の結合剤の如きもの、を基にしている製
品に関する。
薄い「接着接合部」のように、そのような材料は非常にしばしば、硬質の構成
要素を一緒に強く保持しそしてそれらの間に力を伝えるのに非常に適している。
同様の原理に従って作用すれば、これらの材料は、細い繊維の複合材料において
細くて強い硬質の繊維を保持しそしてこれらの間に力を伝えるためのマトリック
ス材料としてやはり非常に適している。ここでは特に、接着材料の接着性と高い
変形性能を利用する。ところが、大抵の種類のプラスチックのような軟質材料は
、強固且つ硬質の混成構造体において例えば鋼板と一緒に一体にされる構成要素
として取り入れなくてはならない大きな構成要素のための材料としては不適当で
ある。ここでは、通常のプラスチック材料は大変に降伏しやすい。
例えば、異形鋼板との仮想の混成構造体は、例1(ここでは複合材料が通常の
プラスチック材料と置き換えられてはいるが)でもって示されるように、この明
細書の例1の混成構造体で証明される強度及び剛性などは決して示さないであろ
う。
本発明による製品/構造体におけるプラスチック粒子基複合材料では、複合材
料を、強く、硬質で、剛性で、且つ同時に靱性の物体であって、強固な板、例え
ば強固な鋼板と機械的に緊密に共働する物体を作製するのに適したものにする、
同じ特性や特性の組み合わ
せが提供される。これは、下記で説明する構造構成で得られる。構造構成−粒子−繊維−混成製品
1.構造材料を、適切に非常に高い容量濃度の結合剤、例として強固で硬質の
粒子を取り入れるプラスチック材料の結合剤から構成する。
本発明による製品のためのそのような粒子を基にした複合材料の興味深い一つ
の群では、例えば50μmから最小0.1μmまで、そして0.01μmまでさえの、非
常に細かい粒子を使用する。ここでは、「セメント粉末度」という表示(一般に
平均粒度か5μmと15μmの間で、適切には5〜10%が50μmより大きいセメン
ト粒子に当てはまる)と、「セメントより細かい」という表示(例えば、平均粒
度が約0.1〜0.2μmである通常のマイクロシリカに当てはまる)をしばしば使用
する。そのような物質は、複合材料の結合剤がセメントサイズの「細かい」粒子
を基にし、そして好ましくは、1〜40%、好ましくは5〜25%の容量部でマイク
ロシリカのような超微細粒子をも基にしていることを特徴とする製品であり、結
合剤の全容量を基にして少なくとも50容量%、好ましくは少なくとも55%、より
好ましくは60%、更に好ましくは少なくとも65%、最も好ましくは少なくとも70
%という細かい粒子(例えばセメント+マイクロシリカ)の高い総含有量を特徴
とする製品で使用される。
本発明による製品のための粒子を基にした複合材料の興味深いもう一つの群は
、より大きな粒子を高い容量濃度で含み、そして細かい粒子を少しも含まずある
いは少量だけ含有する。「より大きな」とは、セメント粒子より大きいこと、典
型的には100μmより大きい粒度を意味するが、まれには粒子は10mmより実質的
に大きい。
そのような興味深い複合材料は、アルミナ、炭化ケイ素そして窒化ケイ素材料
又はそれらに富んだ材料のようなより強固な材料より
も好ましい天然の強固な岩石、例えば石英、輝緑岩及び花崗岩といったものの粒
子のような、及び/又は、鋼もしくは鋼の合金のような強固な金属の粒子のよう
な、硬質の強固な粒子を、全複合材料を基にして少なくとも30容量%、好ましく
は少なくとも40%、より好ましくは少なくとも50%、更に好ましくは少なくも60
%、最も好ましくは少なくとも65%の容量濃度で含有することを特徴とする。
最後に、細かい粒子と大きな粒子の両方を有する、本発明による製品のための
粒子を基にした興味深い複合材料であって、
a)高濃度の「細かい」粒子と中程度から高濃度までの「より大きな」粒子、
又は
b)中程度の濃度の「細かい粒子」と高濃度のより大きな粒子、又は
c)比較的高濃度の「細かい」粒子とより大きな粒子の両方、を有する複合材
料がある。
そのような複合材料は一般に、「細かい」粒子とより大きな粒子の合計を指す
強固な硬質粒子を非常に高い容量濃度で有することを特徴とする。
2.複合材料はまた、強固な硬質粒子を含有するほかに、細長く、強固な硬質
成分を、一般には分離した繊維、糸、布帛又はウェブの形態で、そして常にとい
うわけではないが適切には高い容量濃度で含有し、粒子を基にした複合材料が細
長い粒子を分離した繊維として、0.1〜1%及び/又は1〜2%及び/又は2〜
5%及び/又は5〜10%及び/又は10〜20%及び/又は20〜60%の容量濃度で含
有することを特徴とする。
本発明による製品のための複合材料の多くにおいて、繊維は靱性を付与すると
いう主目的を満たすだけである。繊維の容量割合はしばしば非常に小さい(例え
ば2%以下)ので、それはもともとの粒
子強化材料の剛性に最低限の効果のみを及ぼし、そしたまた複合材料に実際に取
り入れることができる粒子の量と大きさに最低限の影響のみを及ぼす。
高い繊維濃度、例えば10〜20容量%、特に20〜60容量%、そして特定的に約60
容量%の繊維濃度では、繊維は剛性への寄与に関しても粒子との相互作用に関し
ても、顕著な効果を及ぼす。例として、a)繊維の非常に高い含有量と、b)そ
れに対応して「粒子」の低い含有量、任意的には「粒子」が全くないこと、を特
徴とする、高い剛性と破断靱性とを有する本発明による製品のための非常に興味
深い複合材料がある。
3.本発明による複合製品について言うと、上記の複合材料は、異形形状を与
えられたスラブの形態の、例えば鋼の、強固な硬質構成要素と組み合わされる。
複合材料においてプラスチックの又は相当するそれほど硬質でない結合剤を基
にした本発明による複合製品については、1〜3から説明されるルートを特徴と
することができる。
1.非常に高濃度の粒子を用いれば、プラスチック材料(関係する純粋なプラ
スチック材料に関連して検討される)には、非常に高い剛性と非常に高い圧縮強
さ、そして実質的に「変化のない」引っ張り強さ、及び最大限の応力に至るまで
の変形に関して非常に小さい降伏値が与えられる。
2.繊維を用いれば、上記の硬質であるが脆いプラスチック複合材料には、非
常に高い破断靱性、すなわち最大応力後の挙動に関連しての亀裂帯域の変形と亀
裂の開口に関係する高い変形性能とエネルギー容量が与えられる。
3.剛性、圧縮強さ及び破断靱性に関し完全に変更される材料挙動の場合には
、我々は当然、通常のプラスチック−金属混成構造(
接着等を参照)から縁を切らなくてはならない。1及び2で述べたように変更さ
れた平板−プラスチック複合材料は、混成構造体について一般に言及されるのと
同じ弱点(傾斜破断(careening ruptu-re)等)に悩まされる。本発明によるプ
ラスチックを基にした製品の独特な混成挙動は、強固な異形硬質板を使って混成
構造体(hybrid constructions)を作製することにより確実にされる。
本発明は、複合材料についての特性や特性の組み合わせに対する要件に、いか
にしてそのような特性を得るかに関する要件を付加して規定される。
本発明を表現する別の方法は、異形板(profiled sheet)を緊密に接触させるこ
とにより本発明の製品/構造体又はその部品を形成する混成製品(hybrid articl
es)の複合材料についての特性や特性の組み合わせを得るためになされるアプロ
ーチに主として焦点を合わせることによる。
複合材料から構成された物体の完全に又は少なくとも本質的に外部に好ましく
配置された異形板と緊密に接触するプラスチックを基にした複合材料から構成さ
れ、混成製品を形成する対象物は、a)複合材料の結合剤が、セメントと同程度
の大きさの細かい粒子を含有し、そして随意により細かい粒子も含有していて、
セメントの粉末度又はそれより細かな、例えばマイクロシリカのような細かい粒
子を含めて、凝固前のセメントの容量割合が少なくとも50%、好ましくは少なく
とも55%、より好ましくは少なくとも60%、更に好ましくは少なくとも65%、最
も好ましくは少なくとも70%であることを特徴とする、強固で密度の高いセメン
トペースト及び/又はプラスチックを基にした結合剤と同様のその他の結合剤を
基にしていること、及び
b)複合材料が分離した繊維の如き細長い粒子を、0.1〜1容量
%、及び/又は1〜2容量%、及び/又は2〜5容量%、及び/又は10〜20容量
%、及び/又は20〜60容量%の濃度、あるいは60%より高い濃度で含有している
こと、そして好ましくは
c)複合材料が、アルミナ、炭化ケイ素そして窒化ケイ素材料又はそれらに富
んだ材料のようなより強固な材料よりも好ましい天然の強固な岩石、例えば石英
、輝緑岩及び花崗岩といったものの粒子のような、及び/又は、鋼もしくは鋼の
合金のような強固な金属の粒子のような、より大きく、硬質の強固な粒子を、全
複合材料を基にして少なくとも30容量%、好ましくは少なくとも40%、より好ま
しくは少なくとも40%、更に好ましくは少なくも50%、なお更に好ましくは少な
くも60%、最も好ましくは少なくとも65%の容量濃度で含有していること、及び
d)プレート構成要素が強固であって、引張強さが少なくとも100MPa、好まし
くは少なくとも200MPa、より好ましくは少なくとも350MPa、更に好ましくは少な
くとも500MPa、なお更に好ましくは少なくとも700MPa、最も好ましくは少なくと
も1000MPaであることを特徴としていること、
を特徴とする。
特定の側面において、本発明は、より大きな粒子がなくあるいは低濃度のより
大きな粒子を含むに過ぎない複合材料を組み入れた製品に関する。
単なる粒子に関しては、そのような複合材料は、a)もっぱらセメント粒子と
セメントの粉末度あるいはそれより細かな粒子のみ、及び/又はb)わずかによ
り大きな粒子、例えば100μmから、250μm又は最大で1mmまでの大きさの粒子
も含有しているもの、から構成することができる。
このカテゴリーの複合材料は、a)厚さか例えば10mm未満又は5
mm未満又は2mm未満である非常に薄い製品/部品、及び/又はb)非常に制限さ
れた内部構造を持つ製品、例えば、繊維濃度が高く、例として2〜5%、及び/
又は5〜10%、及び/又は10%と20%の間、及び/又は20%と60%の間の、及び
/又は60%より高い濃度を持つ製品、にとって特に重要である。製造
1)セメントを基にした強固な材料、もっと一般的に言えば粒子を基にした強
固な複合材料が2)異形板と緊密に接触したものから構成された構成要素の製造
は、
1.複合材料、例えばデンサイト(Densite)タイプのセメントを基にした強固
な材料の製造、
2.異形板、例えば異形鋼板の製造、
3.項目1と2に記載された構成要素間の緊密な接触を確実にすること、
を含む。
複合材料、例えばセメントで結合された材料の製造は、それぞれの複合材料を
製造するための既知の技術に従って行うことができる。
同様に、異形板の製造は、そのような板を製造するための既知の技術に従って
行うことができる。
本発明は、緊密な接触を得るために、また、例えば異形板が複合材料の製造に
関して型(form)又は工具(tool)として機能する、あるいは逆に複合材料が異
形板の製造において型又は工具として機能する一体製造のために、構成要素を一
緒に接合するプロセスと方法に関する。
一つの側面において、本発明は、複合材料の構成要素にそれらの最終形状を与
えそして異形板と緊密に接触する最終位置を与える工
程において異形板が成形型側として働く方法に関する。
成形は、異形板に対して流し込み又はプレスされる素材を、好ましくは機械式
の振動で補助して、流し込むことで行うことができる。
これらの方法は、凝固前の生の状態では容易に流動する素材をプラスチックや
硬質プラスチックに流し込むことを含む。これらの方法は、薄い層の自身の重量
に相当する10又は100 Paから高圧圧縮の場合の10又は100MPaまでの圧力をかける
ことを含む。
成形の特定の側面は、流し込み用の素材を板へ塗りつけ又は吹きつけることで
行うことができる。
本発明の特定の側面は、上記の方法を、例えば塗りつけ又は吹きつけに続いて
、加圧圧縮(圧力を振動させるのがしばしば好ましい(振動圧縮))と組み合わ
せる方法に関する。
本発明の他の側面では、複合材料の構成成分のうちの一部又は全部一より大き
な粒子、繊維等−を、異形板と接触させて予め配置し、それからこれらの成分間
の空隙(キャビティ)に、浸透により液体結合剤を、例えば真空及び/又は外部
からの加圧で補助して満たす。
本発明のもう一つの側面では、板と複合材料の流し込み用素材の細かい粒子+
液とを最初に緊密に接触させ、次により粗い分を細かい粒子+液と接触させる。
本発明の一つの側面では、これを、生の状態で、上記の細かい粒子+液をより粗
い粒子と構成要素との間に同時に移して行う。この方法は、遠心力により、ある
いは内側の空気の蓄積を免れるためことによっては内部の減圧により補助される
外部加圧により、行うことができる。
本発明のもう一つの側面では、より細かい粒子と限られた空隙に、例えば間隔
を開け密に配置された補強材の間に、あるいは板のざ
らざらしているところに浸透する液とから構成される物質を、上記のように最初
に適用し、続いて、粗い粒子系が浸透していくことができる領域からより細かい
粒子+液の系を追い出し、且つ同時に、細かい粒子−液体の材料が詰った粗い粒
子が浸透できない限られた狭い間隙を残す、細かい粒子と粗い粒子の両方+液を
含有している流し込み用の素材を適用する。
流し込み用の素材を板と緊密に接触して成形してから、流し込み用の素材は、
例えばセメントで結合される材料の場合には水和により、熱可塑性材料の場合に
は固化により、そして熱硬化性プラスチック材料の場合には重合により、凝固す
る。
本発明による多数の方法については、板要素と板との最終的な接触がこのよう
にしてやはり得られた。
本発明の興味深い側面は、複合材料間の界面での特定の手段、例えば接着とい
ったもの、に関する。本発明の一つの側面では、凝固した材料を板から切り離し
、その後接着剤を片面又は両面に適用し、それからそれらを再び緊密に接触させ
、次いで接着剤を固化させる。
本発明のもう一つの側面では、接着剤を板の表面へ適用してから、流し込みそ
して例えば固体フィルムの形に硬化させる。複合材料を板と接触させそしてまた
適用された固体フィルムとも接触させてから、後者を加熱により溶融させ、次い
で固化させて所望の接着接合部を形成する。
本発明の別の側面では、複合材料と板を別々に作製し、次に緊密に接触させて
、例えば接着により保持して、集成する。
本発明の特定の側面では、最初に複合材料製品を製造し、次いで板要素をこの
複合材料製品の表面と緊密に接触させる方法により板部品を作製する。このカテ
ゴリーの方法は、複合製品の外形になら
うよう、加圧、随意には減圧、そして加熱により補助されて成形される平面板を
基礎材料とすることかできる。例として、それはプラスチック板の減圧成形ある
いは超可塑性金属の板の加圧成形でよく、両方の方法とも一般に高温で行われる
。
もう一つのしばしば好まれる技術は、亜鉛めっき浴で複合製品の表面に金属の
外皮を付着させる亜鉛めっき法である。本発明の範囲内のそのほかの技術は、例
えばプラズマ溶射技術や化学気相成長といったその他の周知のコーティング技術
を基にする。まさに板を最初に製造する方法におけるように、完成した複合製品
上での板又は外皮の成形においては最終の接触を同時に行うことも可能であり、
あるいは方法は、最初に、成形した板又は外皮を複合製品から切り離し、その後
それらを次の工程で、例えば接着により、再び一緒に接合することを基にする。
従来技術による混成構造−例
次に、従来技術によるコンクリートと異形鋼板の典型的な複合構造を考える。
この例は、英国規格にしたがってこのような複合スラブが設計される仕方を説
明する、基本要領として使用される「鋼設計者便覧」から採用した。
試料は、均等に分配された荷重を吸収するように設計され、2つのエッジにそ
って簡単に支持された3mのスパンを有するプレートの形態のカバー構造である
。カバープレートは、(下部の)異形鋼板と(上部の)コンクリートからなる。
異形:Z形、高さ 50mm
上と下のフランジ 125mm
物体傾斜(水平/垂直) 25/50
(垂直からの偏差)
板の厚さ 1,2mm
鋼の品質、降伏点 280N/mm
カバー厚さ 75/125mm
(コンクリート+鋼板)
平均 100mm
コンクリートの圧縮強度 30N/mm2(立方体)
「鋼設計者便覧」において、複合製品として有効に機能するならば、即ち、コ
ンクリートと異形板の間に剪断破壊がなければ(例えば、特定の機械的手段によ
って固定される)、板によって吸収され得る最大モーメントの計算がなされる。
抵抗の塑性モーメントM1:31,800N(モーメント/メートル)
このような板を用いた実験に基づき、破断の実条件が「鋼設計者便覧」に示さ
れている。破壊は実質的により低い荷重で生じ、曲げではなくて剪断破壊による
ものであり、最大剪断力Vu=21,800N/mmである。
上記の出発データに基づき、類似の均一な弾性プレート(即ち、複合プレート
と同じ外側寸法を有するが、線形弾性挙動を有する均一で等方的材料からなる)
における対応する最大応力の計算結果が下記に示されている。この計算は、単純
な角材についての理論に基づく。
結果を下記にまとめて示す。
スキーム:類似の弾性プレートにおける最大応力は、1)実挙動、2)有効な
複合作用が形成される条件での挙動に対応し、均等分布荷重は2つの破断条件に
対応する。
この結果は、通常の構造/製品における異形板とコンクリートの間の不十分な
協働を強調している。
即ち、破壊時の実荷重は、剪断破壊が回避されるならば板が耐えることができ
るであろう荷重の約50%に過ぎない。このように、複合挙動に対応する支持能
力は、全く利用することができない。
また、この結果は、本発明で採用される手段によって何か得られるかの推定に
応用され、例2に示される本発明の板を用い、何が純粋に物理的に得られるかに
ついて比較される。
このように、例1の本発明による製品において、破壊時に、19N/mm2の
剪断応力が発生し、これは、上記の従来の複合板におけるよりも19/0.42
=45倍高い。
本発明による製品には、剪断破壊は全く発生しないため、実際の剪断能力はさ
らに高い。即ち、剪断能力は、従来技術による複合製品のそれよりも少なくとも
45倍高い。
このことは、1)コンクリート強度が、約10倍(factor)以上に相当して高め
られたに過ぎないこと、2)コンクリートと鋼板の間の破壊時の剪断抵抗は、一
般に、コンクリートの強度を高めることでは全く増加しないこと(計算例を参照
されたい)に照らして、非常に驚くべきである。計算例
次に、a)従来技術による製品、及びb)本発明による製品、におけるプレー
ト複合材料の相互作用を例証するため、特に剪断破壊についていくつかの計算例
を示す。ここでは、図9に示すように、薄い金属板がコンクリート体に対して引
っ張られる単純化した系を
考察する。図は、厚さtと弾性率Eaの薄い金属板1を横断面で示し、この金属
薄板1は、板の方向に作用する力3(F)による影響を受ける複合材料からなる
物体の外側に固定される。
純粋な剪断を説明するにおいて、板が平板か形材かは重要ではない。したがっ
て、議論するために選択される(示した簡単なプレートと板混成構造について物
理的に例証する)。
変位を大きくすると、その中に力が伝わるゾーン(以下、変位ゾーンと表す)
か伝搬する。力の作用点での変位が、伝わる作用力の最大値に達すると、変位ゾ
ーンはその最大伸び(Lc)に達し、伝わる力はその最大の大きさ(F=Fc)
に達する。
さらなる応力の付加は(力の作用点の除去)は、エッジから変位ゾーンを除去
するが、力F=Fcを維持する。材料をさらに使用することによって得られるも
のは、作用ゾーンの上に力を伝達できないことによって失われる。図は、製品と
前方クラック5の中のある距離にある力伝達ゾーン5が存在するこの状態を示す
。
この挙動は、理想化された場合を考えると下記に示すように表され、即ち、作
用ゾーン(Lc)の全体にわたって線形弾性挙動と一定剪断応力(To)を有す
る場合である。
モデル複合体(complex)1
板内の引張力 Fc=21/2EaGt (N/mm)
板内の引張強度 σ= 21/2EaG/t(N/mm2)
作用ゾーン Lc=21/2EaGt/(mm)
Ea:板エレメントの弾性率 G:剪断破壊時の破断エネルギー
τo:剪断強度 t:板厚さ
モデルから分かるように、板エレメントの弾性率は、支持能力を表す式の一部
をなす。出来るだけ明確性/概観を得るように選択した説明の例は、板の剛性の
みが関与する。実際の系において、コン
クリートの剛性もまた重要である。結果は同じ傾向があり、即ち、コンクリート
のより高い弾性率が、より大きい作用ゾーンとより大きい支持能力をもたらす。
変位に関係する破断エネルギーは、関連の技術文献によってそのような量が明
確に規定されていないにもかかわらず、また、張力下の破断エネルギーに対する
破断靱性についての要件に関してこの明細書の説明で選択しているが、この単純
化したモデルの一部をなす。張力に関する破断エネルギーを用いる理由は、本明
細書の「定義と説明」についての節に見られる。1.従来技術による既存の複合スラブを説明する挙動
コンクリート、板エレメント、板厚について実際のプレートと高い類似性を有
する複合材料スラブを、「鋼設計者便覧」の「複合スラブ」の設計例(コンクリ
ートと、台形の異形を有する厚さ1.2mmの板である異形鋼板からなる)とし
て使用した。
出発データ:
最大の局部的剪断応力 τo=5N/mm2
板厚さ t=1mm
破断エネルギー G=0.1N/mm
鋼板の弾性率 Ea=2×105N/mm2
剪断破壊時の破断状態はモデルに見られる。
板の最大引張力 Fc=200N/mm
板の最大引張応力 σ=200N/mm2
作用ゾーンの伸び Lc=40mm
これは、接触領域の非常に小さい部分を横切って集中した力の伝達の(多くは
不都合な)脆い挙動を例証する。
L=3.0mのスパンを有する簡易支持スラブに関する「鋼設計者便覧」によ
る例に照らして見ると、このことは、例えば、約Lc
=750mmの距離を横切って剪断力が伝達されることを意味する。作用ゾーン
の伸びLcについての値から分かるように、力の伝達は、わずかLc=40mm
の距離、即ち、剪断領域のわずか5%のみで生じる。このことは、言い換えれば
、平均の剪断応力が最大の約5%に過ぎないことを意味する。
τ=5×(40/750)=0.27N/mm2
このことに照らして見ると、従来技術の範鴫の多数の実験や実際の経験により
、使用が「複合作用」(該当頁参照)を必要とするこうした混成構造を使用する
オーダーに関する上記の引用を参照し、「英国規格」に見られるように、剪断破
壊についての通常の複合スラブの弱さについて認識が得られたことは、驚くこと
ではない。2.従来技術による既存の複合スラブについての改良されたコンクリート品質/ 鋼品質の作用の評価
計算例1の数値における出発点を用い、次に、比較的強い材料(コンクリート
/鋼)を用いた従来技術による薄いスラブのコンクリート混成構造で適度な利点
さえも得られず、構造の一般的教示から期待されるのに反し、比較的強い材料で
明確に劣った挙動が多いことの理由を示す。
コンクリート品質−強度
得られるコンクリートの強度を高めると(例えば、水とコンクリートの割合を
減らす)、剪断強度もまた高められるであろう。即ち、従来技術による設計原理
から、剪断強度を2倍にすると、複合スラブの2倍の剪断支持能力が得られるこ
とが期待される。しかしながら、このことは正しくない。水/セメントの比を減
らすことによるコンクリート強度の増加は、より脆いコンクリートをもたらす。
即ち、強度を2倍にすることは、一般に、弾性率と破断エネルギーにあまり重要
でない効果を与えるに過ぎないであろう。多くの場合
、破断エネルギーは、破断などが複雑な経路ではなくて、弱いコンクリートで生
じるように簡単に進むことにより、一層低下するであろう。
上記の概略の推定の他に、本発明者は、コンクリートの強度としたかってτo
もまた変化したときに破断エネルギーが変化しないと仮定すると(G=0.1N
/mm)、下記の表1に示したように、τoのそれぞれ2倍と3倍の増加が得ら
れる。
表 1
τo Fc σ Lc Lc/0.25L τav
/mm2 N/mm N/mm2 mm % N/mm2
5 200 200 40 5 0.27 例1による計算値
10 200 200 20 2.5 0.27 より強いコンク
25 200 200 8 1 0.27 リートを用いた
実際の値
例として、力が伝達される領域のサイズは、最後から2番目の列に示されてお
り、L=3メートルの長さを有する上記スラブの全接触面積の%で表示されてい
る。最後の列に平均剪断応力が記してある。
理解されるように、剪断能力(Fc)と鋼の利用(σ)について全く改良が得
られていない。唯一生じたことは、小さい力の伝達ゾーンがさらに集中したこと
である(40mmの程度からそれぞれわずか20mmと8mmに低下し、剪断力
の吸収に利用できる領域のそれぞれわずか2.5%と1%に相当する)。
この数値の例に照らして見ると、改良が全くなくて同じ剪断能力と結論せざる
を得ない。実際には、表に示したよりも条件は悪くなった。その製品はさらに一
層脆く、局所的な応力と亀裂に敏感である。鋼の品質−強度
モデル複合体1から分かるように、例えば、2倍又は5倍の強度を有するかな
り強い鋼を用いて一定の板厚にしても何も得られていない。一定の板厚さにおい
て(例ではt=1mm)、表に示したデータが全ての場合に得られ、その挙動は
鋼の剛性(弾性率)のみによって決まり、これはより強い鋼を用いても不変であ
り、降伏応力や強度によらない(例に関して、200N/mm2を上回る限り)
。
即ち、このことは、従来技術のノウハウによると、複合スラブの支持能力は、
主たる構成部分(コンクリートと鋼板)の強度を2倍/5倍にしても、2倍/5
倍にされ得ないことを意味する。試してみても、その効果は、良くても不変の挙
動になる。板エレメントの有効な利用
材料を節約するために、例えば800〜1000N/mm2の降伏応力を有す
るかなり強い鋼を使用することを考えても、状態はさらに悪くなる。
板の厚さを半分に、即ち、t=1mmからt=0.5mmに下げたときに起き
ることを考察する。(原理を例示するこの想定の例においては、別の理由により
0.5mmの板厚さが弱くすることは無視する。例として、同様な系において1
0mmの板を5mmの板に下げたとき、下記に示す同じ結果を得ることができた
。)モデル複合体1より、表2に示す値が得られる。
表 2
τo Fc σ Lc
N/mm2 N/mm N/mm2 mm
5 141 282 28
10 141 282 14
25 141 282 6
表1と表2の値を比較して分かるように、より薄いより強い表2の板は、劣っ
た支持能力、即ち、先の非常に小さい剪断支持能力の30%の低下をもたらす。
また、作用ゾーンは30%低下した。鋼の品質は、所望のようには利用されず、
従来は板厚さを半分にすることが2倍の応力をもたらすと予測されていたが、4
0%の増加に相当するに過ぎない。
例えば、2倍の強度の鋼(例えば、300N/mm2に代えて600N/mm2
の降伏応力を有する)を使用したい場合、板厚さは1/4に低下されるべきであ
る。このことは、剪断能力の半分化と先の非常に小さい変位ゾーンの半分化に帰
結するであろう。いずれにせよ、板厚さを低下させるために従来技術のノウハウ
によって高い鋼品質を使用することは、剪断の劣った支持能力とより大きい脆さ
をもたらすであろう。
3.例1に記載したのと同様な複合スラブ(複合材料の板厚さと特性について)
を有する本発明による複合スラブを例証する挙動出発データ
最大の局所的剪断応力 τo=25N/mm2
薄板厚さ t=1mm
破断エネルギー G=3.6N/mm(3600N/m)
弾性率(薄鋼板) Ea=2×105N/mm2
剪断破壊時の破断状態において、モデルから分る。
最大の引張力 Fc=1200N/mm
薄板の最大引張応力 σ=1200N/mm2
作用ゾーンの大きさ Lc=48mm
例1に示した本発明の複合スラブにおいて(中心線の荷重に負荷のあるフリー
スパン287mm)、わずか144mm(計算例1に
ついて記載の公知のスラブ構造の750mmに比較して)の範囲を有する領域で
ある負荷と支持の間に剪断力が伝達される。このことは、全変位領域の48/1
44=33%に実際の伝達が生じることを意味する(わずか5%の計算例1とは
異なる)。このことは、対応して、平均の剪断応力がτav=25×0.33=8
N/mm2となることを意味する。
即ち、例1の数値(F=0.27N/mm2)に比較して、剪断抵抗は約30
倍に増加した。
このような、高い数値だけでなく、わずか5倍(5N/mm2から25N/m
m2に)増加した剪断強度の6倍も高く剪断抵抗が増加ことはことは、当業者に
とって非常に驚くべきである。
このように、従来技術の技術的ノウハウによって期待されるのに比較して、増
加した剪断強度にともなって6倍も高い「非常に驚くべき」効果が得られる。
計算例2に示した比較的強いコンクリート(及び鋼)の負の効果に関する従来
技術の経験からの結果に比較し、公知技術の範鴫にある当業者にとって、この結
果はさらに驚くべきである。
表1より、本発明によって、例えば、顕著な破断エネルギーの同時の増加なし
にコンクリート強度を改良することのみによって得られる非常に高い剪断強度(
τo=25N/mm2)にともない、剪断応力の平均値は増加しないように見え
る。
このことは、驚くべきことに、本例の数値に基づき、同じ剪断強度τo=25
N/mm2を有する材料で、本発明の複合材料に特徴的な極めて基本的な破断靱
性の導入なしに同様に極めて強いコンクリートを備えた類似系に比較し、剪断能
力の30倍の改良が本発明によって得られることを意味する。4.本発明の複合体スラブの見積−より広範な見解
出発点としての計算例3から考えられるように、道具としてモデル複合体1を
さらに用いて、本発明の異なる局面を考察/評価する。大型製品
本発明の範囲内の多数の製品の設計のための基礎である設計戦略の本質的特徴
は、脆性/靱性の程度が材料だけでなく製品のサイズに依っているという事実に
見られる。例証として、我々はここで、計算例3に記載し、実施例1に示したも
ののような、しかしそれより10倍大きい製品を考える。実施例1に関して、こ
れは、例えば約3mのスパン、80/300mmの高さを有するスラブ構築物、
及び10mmの厚みを有する異形鋼板を意味する。
我々は、以下の:
a)計算例3の場合と全く同一の複合材料から調製された;
b)大型製品の挙動が計算例3に示したスラブの挙動と同様になるように適合
される材料の
製品を考察する。a)同一材料のもの
最大局部剪断応力 τo=25N/mm2
板厚 t=10mm
破断エネルギー G=3.6N/mm(3600N/m)
剪断破損時の破断の状態は、モデル複合体1から分かる:
板の最大引張力 Fc=3800N/mm
板の最大引張応力 σ=380N/mm2
作用ゾーンの範囲 Lc=152mm
それは興味深い本発明の複合体スラブであることは明確であるが
、しかし計算例3のシステムに比して、板厚を10倍にしても鋼板の破断の引張
力は10倍には増大せず、鋼はそれほど有効には利用されない。
伝播ゾーンは小板より相対的に小さくなり、即ち33%であるのに比して15
2/1440=10.7%であり、そして剪断応力の平均値は対応的に小さくな
り、即ち小板では8N/mm2であるのに比して2.5N/mm2となった、とい
うことも観察される。
その値は、従来技術の場合の値(計算例2:τav=0.27N/mm2)に
比して非常に高い。τav=2.5N/mm2であれば、剪断力/面積は約10
倍大きい。
b)程度及び靱性に関して改良/調整された材料のもの
本発明の製品を設計する場合に用いられる設計原則により、幾何学的に同様の
製品、例えば因子10による破断エネルギーの同時増強により同一強度及び剛性
を有する材料のものの10倍の大きさの製品に関して、同様の挙動が得られる。
これは、実際の場合に、我々が3.6N/mmから36N/mm(3600N/
m)に破断エネルギーを増大しなければならないことを意味する。これは技術的
に実行可能である。
典型的には、それは繊維含量を増大し(例えば、実施例1〜6に示した製品に
用いられる1.1%の実際のものから、又は9%のもの)、そして大型製品に適
応される繊維幾何学及び粒子幾何学的要件を修正することにより実行される。開始データ
最大局部剪断強度 τo=25N/mm2
板厚 t=10mm
破断エネルギー G=36N/mm(36000N/m)
弾性率(鋼板) E=2×102N/mm2
モデル複合体1から判明すること:
板の最大引張力 Fc=12000N/mm
板の最大引張強さ σ=1200N/mm2
作用ゾーンの範囲 Lc=480mm
さらに、我々は小型靱性スラブに関して前記したのと同一/同様の挙動を大型
製品に関して得た。
即ち:
変位領域の33%までの伝播;平均応力τav=8N/mm2(慣用的技法(
実施例1及び2を比較)を比較した場合の剪断抵抗の30倍増)。5.従来技術及び本発明の3m複合体スラ
ブの支持能力
a)「鋼設計者便覧」に記載された従来技術の複合体スラブ(「従来技術によ
るハイブリッド構築物」参照)及びb)本発明の被験複合体スラブ(実施例1を
比較)を基礎にして、支持能力の比較を実行した。
3mのスパンを有し、反対縁に沿って支持され、等分布加重で荷重された単純
スラブを考える。従来技術(鋼設計者便覧による)のスラブは、記載された通り
である。
本発明のスラブ構築物は、横断面に関しては、被験物(実施例1を比較)と幾
何学的に同様である。同時に、挙動が同様になるように、破断−靱性が調整され
る(4におけると同様に)。実施例1において実験的に見出されたモーメント容
量(破断モーメント)を基礎にして、同様の大型スラブ構築物に関する古典的ビ
ーム理論から、そして破断の対応する荷重を順次算出したものから、破断モーメ
ントを算出した。
スラブ構築物 高さ 平均スラブ厚 破断時の荷重
厚み 圧力 水m
mm mm mm kN/m2 m
従来技術 125 100 1.2 14.5 1.45
本発明 125 53 4.2 204 20.0
236 100 7.9 728 73.0
316 135 10.5 1.306 131.0「コンクリート」と接触する異形鋼板を有する複合製品の支持能力
破断時の荷重は、等分布荷重の圧力に換算して、一部はkN/m2で、一部は
水柱のメートルとして表される。従来技術のスラブの支持能力は、それらが引用
される「鋼設計者便覧」に記述されている。
従来技術のスラブは、5/KN m2の等分布荷重に耐えるように設計される
。破断の荷重は、10KN/m2である。2KN/m2の自重は、そこに含まれる
。破損は、鋼板及びコンクリートに沿った剪断破断により起こる(剪断破損が防
止され、代わりに曲げ時の塑性降伏によりスラブ破損が起きた場合、支持能力は
ほぼ2倍の28.3kN/m2となった)。
見たところでは、本発明は以下を提供する:
a)同一高さ(125mm)で、材料の53容量%だけのスラブ:従来技術の
参照に関する1.45mに比して、20mの水柱の荷重に対応する14倍高い支
持能力;
b)同一容量の材料の、そしてわずかに2倍の高さのスラブ;支持能力は、7
3mの高さの水柱の荷重に対応して50倍以上高い
c)本特許明細書の実施例1で扱われる小型スラブとまさに幾何
学的に同様のやや強いスラブ。従来技術の参照に比して、支持能力は90倍高く
、破断の荷重は1.45mに比して130mの水柱に相当する。
スラブの材料容積は、見たところでは、参照スラブに関する値の35%以上だ
け多くなる。
a)及びb)に関しては、当業者には最大の驚きであったが、約8の因子によ
りコンクリートの強度を増大(30〜250N/mm2)し、そして必ずしも異
質でない鋼の約3.5〜7倍(それぞれ1.5mmから4.2及び7.9mmに
)に同時に板厚を増大することにより、それぞれ14及び50倍高い支持能力が
得られる。
したがって、異形板/コンクリート複合材料ではより強いコンクリートの予想
される正の効果はおよそ得られないという周知の事実が見当違いを無視しても、
(複合体作用により)支持能力は、前記の材料強度及び鋼板厚の増大に伴って、
慣用的技術で予期されるものより約2〜6倍高くなる。上記の事実に考慮が払わ
れるならば、この特徴(数字)は、公知の技術に関して、当業者はさらに驚くこ
とになる。
さらに、本発明(実施例1)のスラブ構築物に関連した値は、従来技術の構築
物の場合と同様に、鋼板での降伏のために、そして剪断破損によらずに、曲げ時
の破断により破損したスラブ構築物に関する実験を基礎にした、と強調さるべき
である。
これは、例えば、破損が剪断のために起こる限界に達する前に、高品質の鋼板
を用いるとさらに高い支持能力が得られることを示す。製品−構築の実施態様
所望の挙動は、異形形状を有する板と組合された強く、硬質で、同時に非常に
強靱な複合材料で保証される。
本発明は、広範囲の異形実施態様、並びにスラブ要素及びスラブ厚を包含する。
本発明の特に興味深い一群の構築物は、輪郭が不等辺四辺形の、したがって丸
くない、そしてここではさらに、側壁が急勾配の(即ち、ウェブとフランジの間
の角度が大きく、例えば44°、任意に60°、任意に70°あるいは任意に8
0°又は90°である)構築物である。このような実施態様は、板異形と複合材
料との間の密接な機械的協働を増大して、例えば縦変位を無効にする。
本発明の特定の局面は、異形板、及び典型的には棒、糸及びワイヤの形態で、
複合材料中に埋め込まれた強化材でさらに強化された複合材料から成る構築物に
関する。
主に、強化材はあらゆる物質のものであり、任意の強度及び剛性を有する。
本発明の好ましい構築物では、強化材は強力で、少なくとも500MPa、好
ましくは少なくとも700MPa、さらに好ましくは少なくとも1000MPa
、さらに好ましくは少なくとも2000MPaの引張強さを有する。
好ましい強化材の例は、1800MPa、2000MPa又は2000〜25
00MPaの引張強さを有する鋼の常温延伸糸である。強化材は、別々の糸、又
は例えばケーブルを形成する組合せ糸の形態である。
本発明の特定の局面は、局部的又は全体的に強化された本発明の異形板及び複
合材料に関する。本発明の特定の局面は、1つ以上の方向に異形処理された製品
に関する。
本発明の特定の局面は、エキストラの板を備えた本発明の構築物に関する。
エキストラ板は、特定の目的に役立つ。板は、例えば他の板要素
に対して化学的に侵略的な材料、物質を含有する部屋(容器、サイロ等)の内面
であり得る。エキストラ板は、即ちそれらの形態に関連した目的に役立つ。例え
ば平滑面は清浄を促し、物質運動(管中での液体運動、管及びサイロ等の中での
粉末運動)の内側での摩擦抵抗(分別抵抗)を低減する。
エキストラ板は、曲げ応力に対する縦及び横方向の両方の強化のための、そし
て剛性を増大するための支持構築物の一部であり得る。
異形板及びエキストラ板の接合は、リベット締め、ボルト締め、溶接、例えば
点溶接、接着及びはんだ付け等により、実行し得る。
板はさらに、複合材料と接触して配置され得る。複合材料と接触して配置され
るエキストラ板は、前記と同一の目的に、そして複合材料の成形中の恒久的型枠
/成形側板として役立ち得る。
エキストラ板は、平坦な又は均等湾曲形状から得られる形態を有する。本発明
の特定の局面は、エキストラ板が異形処理される構築物である。
前記のように、本発明は板成形成分に関する。それは、例えば成分が、例えば
箱形構築物、例えば容器等の床、天井又は壁のような平面限界を構成する場合の
ように、平面である板成形成分である。
成分はさらに、湾曲面及びシャッター構築物を有するタンク、管の場合のよう
に湾曲された限界を形成する場合のように、湾曲され、典型的にはわずかに湾曲
され得る。
本発明の製品は、典型的には板形態の成分を含有する。本発明の成分は、ビー
ム又はカラムのような構築物要素であり得る。本発明の製品は、前述の成分およ
び/または構築物要素、例えば管
、容器、ドア、門、壁、キャビン、天井構築物、サーモボックス、冷蔵室、加熱
室、セキュリティー室、ボイラー、冷却塔、煙突、端、道路の上部層等から成る
対象物である。
本発明の特定の局面は、本発明により構成される異形板複合材料で強化された
製品で補修される製品に関する。それは、例えば前段落に記載されたような製品
である。本発明の成分で強化される製品は、任意の固体材料、例えば金属、木材
、プラスト、タイル、コンクリート、石膏、天然石、ガラス及びセラミックであ
り得る。
本発明の特定の製品は、機械領域内で使用可能な製品、例えばモーター、ポン
プ外被、ポンプ、成形用具、成形機、特に低重量/強度比が非常に重要である領
域内で、例えば迅速な運動/回転成分と関連した、そして輸送領域(飛行機、船
舶、自動車等)内で用いるための製品である。
本発明の特定の製品は、板要素又は複合材料の特別の摩擦及び摩耗特性が典型
的には利用される摩耗耐性および/または平滑対象物である。実施例1 本発明のスラブ構築物−製造及び機械的試験
構築:スラブ構築物は、強力な、靱性の、繊維強化セメントベースの複合材料と
密接に接触する異形鋼板から成る。スラブ横断面の断片を図10に示す。鋼板1
(1mm厚)は、スラブ構築物の総量積の約13%を構成する。
異形板の他に、構築物は、上部側面2、3に配置される縦及び横強化材で強化
される。横強化材棒(直径3mm)は、中心から150mmの距離で配置される
。
強化材は、構築物を硬化させるためにのみ貢献し、曲げ荷重中の
底部での高引張応力を吸収するために働かない(底部に変位された縦強化材をも
有するその他の好ましい製品があり、これはより強力である。しかしながら、目
的は、ここでは、純粋異形強化ハイブリッド構築物の作用様式を試験/実証する
ことであった。)。
複合材料4を密に且つ均質に(1%未満の空気を「混入」させて)配置した。
含まれる成分の密度の処方及びおよその知識から、「粒子」の容積比率を算出し
た(セメントと水との反応による化学的構造生成前の状態を示す)。
セメント+マイクロシリカ+分散剤 35.7%
砂(焼成ボーキサイト) 46.1%
鋼ファイバー 1.1%
水 17.1%スキーム
複合材料中に含まれる成分は、容量%で示した。
混合した空気及び分散剤(全体で2%以下)からの総容積への無意味な貢献を
無視したならば、これは以下の容積比率を意味する:結合剤単独
粒子(セメント+マイクロシリカ) 68.0%
液体 32.0%複合材料
大型粒子(砂−ボーキサイト) 46.0%
鋼繊維 1.1%
結合剤(粒子+液体) 53.0%スキーム
結合剤(一番上)及び全複合材料(一番下)の容積比率。圧縮強度
250 N/mm2 破断エネルギー
非常に緊密に関連した物質による経験から、複合材料の破断エネルギーを30
00〜4000N/m(3.0〜4.0N/mm)と概算した。材料:
鋼板:1mm常温圧延ファイン板ST12
機械的特性:降伏点(極限応力)=270(410)N/mm2
降伏限界最大値=280N/mm2
破断点伸び最小値(L≒80mm)=28%
HRB硬度5最大値=65
曲げにより影響されるプロファイリング(供給元からの情報)強化材:
4ピースφ6mmカム鋼。引張強さ=4200kg/cm2(縦)
3ピースφ6mmカム鋼。引張強さ=4200kg/cm2(横)セメントベースの複合材料:
Densit A/Sから供給されたDensit結合剤。Densit結合剤は、約8
0%のポートランドセメント(白色セメント)及び約20%のマイクロシリカ(
ポートランドセメントより50〜100倍微細)並びに粉末形態の微量の分散剤
を含有する。
強砂:0〜1mm及び1〜2mmのベークトボーキサイト
(Al2O3リッチの物質)
鋼ファイバー:φ0.4x12mm、強度4200kg/
cm2。供給元: DensitA/S。
水:水道水。処方:
Densit結合剤: 8000g
ボーキサイト 0〜1mm: 8000g
ボーキサイト 1〜2mm: 3400g
鋼ファイバー0.4x12: 600g
水 1280g調製:
混合装置: 強制混合機
混合時間: 乾燥混合5分、湿潤混合8分。
ファイバーを用いた湿潤混合5分。
成形: 振動による柔軟成形。
硬化: 15〜20℃で一昼夜。50℃で4昼夜。品質:
同一方法で硬化させた参照検体(90x45mmシリンダー)は、約250M
Paの圧縮強さを示した。破断エネルギー概算値:約3000〜4000N/m
。機械的試験
配置を図11に示す。据付けは、末端と中央部で支持された単純支持スラブ1
で、したがって鉛直線荷重Pを吸収するために合計3つの支持体(R1、R2及
びR3)が示された。スラブ構築物は、一断面上に中央に配置された線状荷重P
で荷重された。別の断面の外側支持体は、下方に保持された。したがって、スラ
ブの荷重の半分は遊離端で単純支持スラブとして作用し、中央支持体で固定/部
分固定される。固定の程度は、関連した力(外側荷重P及び3つの支持体R1、
R2及びR3のすべてでの反応の力)が測定されたときに確定される。
荷重実験中の力及び変位を記録した。
1.弾性領域。
加えた力及び変位並びに実質的可逆変位間のおよその比例関係を特徴とする。
弾性領域は、荷重P=0から約30KNまで延びる。
上限では:
加えた力 P=30KN
反応の力 R1=13KN
R2=20KN
R3=−3KN
転移領域の後には、明確な塑性降伏を示す大きな領域が存在した。
2.塑性領域。
実質的に一定作用の力及び大変位(実質的に非可逆性)を用いる。例として、
加えた力は、ここでは、4〜12mmの約8mmの変位に対して50〜64KN
間でのみ変化するが、これに比して、弾性領域では0〜わずかに2mm以下の変
位に対して0から30KNまで変化した。最大適用力P=64KNで示される最
大荷重を用いた条件では、対応する反応力は:R1=30KN、R2=37KN
、R3=−7KNであった。結果の評価
本発明の製品の支持能力を、しばしば別のサイズ、形態及び幅の他の板製品と
、そして異なる荷重と対照/比較し得る用にするために、それは以下のものの挙
動を考慮するよう選択された:
外側は幾何学的に同一であるが、全荷重領域で線状弾性挙動を示す等方性物質か
ら成る類似製品。
実施した第一の比較は、本発明の実施例1の複合体製品の挙動と同一幾何学を
有するが均質物質から成る対応する板製品(例えば均質鋼)との比較であった。
実際の荷重によりどのような応力が類似の、強い、弾性製品に生じたかを我々
は考えた。
荷重(P)下での横断面の状態を、我々は考えた。
ビームの理論にしたがって、応力を算出した(荷重からの局部力を無視する)
。公知の端反応(R1)から、対応する最大モーメントを算出した。横断面の抵
抗のモーメントを用いてわり算をして、対応する最大引張応力(スラブの底側面
)を得た。そして、小特別計算により、最大圧縮応力(スラブの上部側面)及び
最大剪断応力も得た。
最大値 弾性領域
加えた力(P),kN 64 30
反応R1,kN 30 13
最大結合−引張応力 319 138
(底側面)(N/mm2)
最大圧縮応力 147 64
(上部側面)(N/mm2)
最大剪断応力(N/mm2) 19 8
類似の弾性スラブ構築物の最大応力は、ビームの理論にしたがって算出した。
したがって、外側力作用からの、そして支持体での局部/高応力は関連しない。
力及び反応は、320mmの実際のスラブ幅を示す。
類似弾性スラブから算出したスラブ/ビームに関する最大結合−引張応力−実
際には319N/mm2−は、しばしば曲げ強さ(英語ではflexural strength)
を示す。剪断応力は、荷重及び遊離支持体R1間の距離に作用する剪断応力を示
す(それらは、剪断応力が荷重及び中央支持体間に作用する剪断応力が10〜2
0%高い、即ちそれぞれ〜22及び10N/mm2であるので、絶対最大値では
ない)。応力の数値を図12に示す。
スラブの断面は、1)幅(80mm)の4分の1そして、2)縦
方向では、荷重(P)及び遊離支持体(R1)間に存在するスラブの一部を表す
ことが示されている。P点での横断面の線荷重による荷重中、最大引張応力は底
部で上昇し、上部での最大圧縮応力はフランジ付近のウェブの最大剪断応力と一
緒に上がる。
最大引張及び圧縮応力は支持体(R1)に向かって低減する一方、最大剪断応
力は断面A−B−C−D全体で一定である。実例に関しては、これは、最大荷重
下で、20x143.5x19=54.530N=5.5トンの総剪断力が横断
面(20x143.5mm)に吸収されることを意味する。したがって、水平セ
クションに関しては、局部応力だけでなく、その全幅及び荷重ゾーンから遊離支
持体までの全長および全幅の範囲の断面積の平均値を示す剪断応力も示されてい
る。実施例1の考察
実験は、本発明の製品に関して、異形板及び強、硬質セメントベースの複合材
料間の密接な協働が高破断−靱性を付与することを示す。
降伏挙動は、剪断応力が非常に高いにもかかわらず、板素子及び複合材料間の
いかなる形態の滑りも伴わずに、引張側面(中央荷重中)で鋼板の顕著な降伏を
示す製品に起きた。算出剪断応力(19N/mm2)は、対応する従来技術のも
の(平均応力=0.42N/mm2)より45倍高かった。これは剪断破損時の
破断を示す(「従来技術の混成構築物」の段落と比較)。これは、異形板と複合
材料間の非常に有効な協働を実証する。さらに、複合スラブの実際の剪断能力は
、破損が曲げにより起きて、剪断によるのではないので、19N/mm2の平均
応力に対応するものより高いに違いない、と強調すべきである。
セメント複合材料の高圧縮強さ(約250MPa)により、非常
に薄い層の複合材料(8mm)が使用可能になり、それゆえ、対応する材料消費
が適度になり、重量が低減された。
このガイド実験はさらに、本発明の異なるその他の局面の考察のための基礎と
して用い得る。
1.スラブと非常に強い強化材棒の組合せ。
異形スラブの底部に隣接して配置される強化材糸/棒は、曲げ時の支持能力を
増大する。したがって、常温圧延鋼棒材を配置した製品に関しては、直径5mm
、極限応力1850N/mm2の各々の異形の1つは、製品の支持能力を約75
%増大する。
2.高強度一例えば圧縮強さが少なくとも300MPaである−複合材料を用
いた好ましい製品。
上記のような高強度引張強化材の使用により、成分に圧力ゾーンが要求される
。幾何学的要件(8mmの薄層のセメント複合材料)を変えない場合、張力の破
断が起きると、最大圧縮荷重(応力)は約275〜310MPaになる。圧縮ゾ
ーンに生じる破断(張力の降下時の破断が普通は好ましい)の防止は、厚みを増
大する(例えば8mmの代わりに10〜12mm)か、および/または特別の圧
縮強化材を用いることにより実行し得る。本発明の特に好ましい局面は、例えば
少なくとも300MPaの圧縮強さを有する特定の強い複合材料の使用である。
上記の実例に関しては、これは非常に薄い製品(8mm)の保持を可能にする。概念−定義−説明
本明細書では、本発明を特徴づける多数の概念が生じる。最も重要なものを、
以下で定義し/説明し、そして動機付けをおこなう。密接な接触。
この用語は、複合材料と異形板との間の接触を特徴づけるために用いられる。
密接接触とは、例えば一緒に沸騰させたり、又はその
他の機械的接合の場合ではなく、一緒に成形し、一緒に融解し、一緒に接着する
場合の接触面全体での実質的に完全な原子接触を意味する。特定の粒子ベースの
物質と異形処理板との間の密接な接触はさらに、本特許明細書中に含まれる。圧縮強さ。
複合材料の強度は、高さ/直径比が2mmで、直径が100mm、高さが20
0mmの円筒形製品を圧潰することにより測定される強度に関して圧縮強さを主
張することにより特徴づけられる。複合材料の強さは、複合材料で調製された特
定の製品に関して確定され得る。混成製品(異形処理板と一緒に)で判明してい
るように、複合材料の強さは、鋸で引いた/くりぬいた検体に関して測定するこ
とにより、あるいは異形板と一緒に判明しているように、複合材料上に機械的圧
縮荷重を直接加重することにより、確定し得る。圧縮強さの種々の測定の比較/
評価により、上記の円筒形検体に関して確定された圧縮強さとの関係を確立し/
立証することが必要である。強さに対する要件が圧縮強さに関連するということ
は、a)曲げ及び圧縮に際して、複合材料の破断時の挙動(異形板との有効な協
働を提示する)が高度に、圧縮時の材料の強度により確定されるという事実、b
)圧縮強さがしばしばその他の強さ特性の代用として作用する許容可能な特性で
あり、そしてc)圧縮強さが相対的に測定が簡単であるということによる。弾性率。
複合材料の剛性は、小荷重での応力/歪み曲線の傾きを示す弾性率により特徴
づけられる。弾性率は、複合材料の特定の検体、例えば圧縮強さに関する段落に
記載したようなシリンダーに関して確定し得る。複合材料の弾性率は、混成製品
−即ち複合材料が板素子と密接に接触した製品に関する測定値からも確定し得る
。
このような確定は、例えば、力と荷重製品の変形の相互依存的値の測定から、
又は自由振動下での製品の共鳴振動数の測定から実行し得る。その場合、確定は
、複合体製品に適用される弾性理論を基礎にして実行される。確定は、異形板の
挙動が申し分なく公知であることを再仮定する。破断エネルギー。
複合材料の破断−靱性は、引張り時の挙動に関連した破断エネルギーGにより
特徴づけられる。破断エネルギーは、単位領域の新規の亀裂を形成するのに必要
な仕事量(単位J/m2=N/m又はJ/mm2=N/mm)と定義される。複合
材料の破断エネルギーは、複合材料の特定の検体−例えば曲げ時に試験される切
込みを提示するビーム、又は引張り時に試験されるノッチ濾提示する引張検体に
関して確定し得る。複合材料の破断エネルギーは、切込みを提示する切断検体を
基礎にした混成製品の測定値からも確定し得る。
複合材料の破断−靱性を特徴づけるために引張り関連して破断エネルギーを用
いる理由は、a)引張り時の挙動が破断及び圧潰形成時の硬質粒子ベースの複合
材料にとって重要であり、したがって、剪断時の破断は、例えば本質的には引張
り時の破損により起こり、b)引張りに関連した破断エネルギーは硬質粒子ベー
スの複合材料に関して合理的な十分明記された量であり、そしてc)引張りに関
連した破断エネルギーは実験により測定するのが腰囲であることである。外部(外側)配置。
本発明は、複合材料から形成される本体に関連して、好ましくは完全に又は本
質的に外部に配置される異形板と密接に接触する複合材料を有する製品に関する
。
好ましい外部配置に関する処方は、a)異形板が、それらが複合
材料と一緒に構成する本体の外側(外側面に近接して)におけるそれらの配置に
より有効にさようする本発明の好ましい製品と、b)しかしより中心部に包埋さ
れる板を有する本発明の複合材料の製品との間の識別に際して動機づけられる。
したがって、複合材料から構成される本体の外側に配置される、複合材料と組
合せた異形板を有する実施例1の板素子が、典型的には本発明には好ましい。同
様に、本発明の製品は、複合材料が内部殻をそして異形板が外部殻を構成する場
合、逆に異形板が内部に配置され、複合材料が外部殻を構成する場合に、例えば
実施例1に示したような、本発明の板製品の湾曲実施態様として作製される管及
び容器として得られる。異形板が完全に又は部分的に包埋される場合はない。
複合材料の「ブロック」、例えば異形板の一端が全部包埋される基礎を有する
製品に関しては、それは別様である。このような製品は、例えば特定の複合材料
及び異形板の組合せによる非常に有効な固定により、その製品が、合理的程度に
、本発明の特徴的作用様式を使用させる条件で、このような製品は本発明の範囲
内でのみ好ましい。
異形板が完全に又は部分的に複合材料に包含されるという事実により、単に幾
何学的に説明され得る本発明の複合体製品の大部門がある。
実例として、それは、その一側面でその支持構造が強い複合材料と密接に接触
する異形鋼板であるセキュリティーボックスに関する限界は、「本発明の好まし
い」要件を完全に満たす、と記載得る。この構築物は、高度の機械的応力から保
護するために設計される。しかしながら、限界(ドア/壁/底又は天井)は、典
型的には、混成製品の金属面上に、即ち異形板の外側面に付加的に配置される物
質に提示される多数のその他の機能を満たさねばならない。実例として、それは
防火性、局部攻撃(例えばドリル、のみ等による)に対する防護、構築物による
隠蔽、審美的考慮等である。
これはしばしば、本発明の明確に確認可能な好ましい製品としての上記のよう
な本発明の混成構築物を離れた他の物質を用いて確立される。しかしながら、実
際的理由のために、同一タイプの複合材料が、しばしば支持混成構築物のために
選択される物質として非主要構成機能を取り扱うために用いられる;頻繁に、異
形板が完全に又は部分的に複合材料中に包埋される/包囲されるようになる手段
による成形で、このような構築物は調製される。
このような製品は、もちろん、非主要支持機能のためにその他の物質を用いる
対応製品と同様に好ましいし、しばしばそれより好ましいことさえある。
異形鋼板を用いた、中等度に異形処理下、剪断破損を防止するためのいかなる
特別測定もおこなわない本発明の複合体製品の剪断能力の試験/立証
複合スラブの構築物を、図13に示す。組成物及び成分の特性は、「材料」の
段落に示す。図13は、複合スラブの断面を示す。スラブの長さは600mmで
ある。1は、複合材料、2は異形鋼板、3は横強化材、即ち、各々50mmで配
置された6mm直径カム鋼、そして4は縦上部強化材、即ち、直径10mmの3
ピースのカム鋼である。鋼強化材は、振動時にゆるまないように固定される。横
棒材は、末端5で板に溶接されるタックスであり、縦棒材は、縁6で横強化材に
溶接されるタックスである。
複合スラブに、図14に示したような配置で横荷重をかけた。図14は、外径
600x230x40mmで、支持体2上に置かれた、垂直線荷重3の影響を受
ける複合スラブの試験配置を示す。各
支持体上の、そして各荷重線上の力は、P/2(ここで、Pは総力である)であ
る。配置は対称的である。支持体間の距離は、500mm;支持体と加力の最も
近い点との間の距離は150mmである。実験中は、遊離縦縁4を、拡大鏡で観
察した。
実験中、0〜25kNから7〜91kNに変化する種々の荷重レベルで、スラ
ブに種々の荷重をかけたり、加重しなかったりした。
歪み、変形及び加えた力の対応する値を、実験中に記録した。その上、スラブ
の2つの遊離縁について、視覚的観察(拡大鏡による)をおこなった。材料
マトリックス(「コンクリート」)はDensitA/Sから得た材料より調整した
。組成をスキーム1に示す。硬化したマトリックス材料の特性をスキーム2に示
した。
異形板は、品質Fe510B(EU25−72規格)の鋼製であり、しばしば
St.52−3と記される。
板厚:2mm
引張強度:580N/mm2
降状点:430N/mm2
実施例で使用した材料と同じ供給者からの板についての測定。この板はモール
ディングする3日前にサンドブラストした。
上側の縦通材:直径10mmのカム鋼、KS520。横通材:直径6mm、K
S520。
Inducast6000 26.33kg
生ボーキサイト(Ro-bayxute)2×4mm 8.47kg
鋼繊維 0.15×6mm 3.50kg
水 2.68kgスキーム1.「コンクリート」とも呼ばれる「マトリックス」であるIndu
castの組成は、Al2O3に富む砂と、セメントをベースにした結合剤、マイ
クロシリカおよび分散剤(乾燥粉末)との細砂コンクリートである。
調整品
比重量(ρ) 2950kg/m3
音速度(v) 5705m/秒
動Eモジュール(Edyn) 96.0GPa
引張強度(MPa) 225〜260(概算)
破壊エネルギー(Nm) 10,000〜15,000
スキーム2.硬化マトリックス材料の特性は、複合体スラブに使用したものと
同一の混合物から調整され、同様に保管されていたものについて測定した。圧縮
強さと破壊ネエルギーと値を概算した。弾性の動モジュールは比重と音速度の測
定値より計算した:Edyn=ρ×v2
マトリックス材料は強制混合装置を利用して調整した。
1.乾燥粉末(鋼繊維を除く)をおよそ1分間混合する。
2.水をくわえて、およそ5分間混合する。
3.鋼繊維を加え、さらにおよそ5分間混合する。
次いでこのスラブを成型し、振動机の上に水平に於いて振幅50HZの振動を
加えた。該スラブの上面をプラスチックで覆い、20℃でおよそ24時間置いた
。それから湿った布および密にフィットするプラスチックで覆って70℃で4昼
夜置いた。
同時に当該材料の試験シリンダー3本(直径45mm、高さ90mm)をスラ
ブの調整と実質的に同一の条件にて作製した。概略3に選別した結果を示す。測
定された値:加えた力と中央断面のひずみ(図14参照)との間には関連性がな
いことが示されてい
る。さらに応力の計算値も示されている。
*降状開始
スキーム3.異形鋼(板の中央部)におけるそれぞれ頂部と底部の加えた力と
歪みと、コンクリートと鋼の予想される圧縮応力および引張応力のそれぞれとの
相互依存値。さらに、加えた力と支持体の間に縦方向に働く平均剪断応力を示す
。
それぞれ91MPaと280MPaの「コンクリート」と鋼の最大応力に対応
する61kNの負荷を加えまた鋼とコンクリートの間の3.4MPaの平均剪断
応力までは、コンクリート内には亀裂もなく、また異形鋼とコンクリート間の分
離を示すいかなる徴候も認められなかった。
91kNまでの負荷を5回繰り返す間、「コンクリート」内に1ヶ所小さな亀
裂が認められだけで、またコンクリートと異形鋼の間の中央部分に分離があった
。負荷を加えた後91kNより僅かに高い負荷をさらに加えると、図15に示す
ように異形鋼とコンクリートの間の剪断の形で破断が起きた。
図15は、剪断破損(ならびに引き続いて起きる攻撃ライン間の曲げ破損)後
の支持体3と攻撃ライン4の間の複合体製品の部分をスケッチとして示る。剪断
破損部分で「コンクリート部分」1は異
形鋼に対して外方向に押し出されている。
評価
本複合体製品は、本発明の製品の剪断能を実験的に明確にすることを目的に設
計されたものであるが、
1.型と取り度は極めて低く、また
2.剪断破損を保証する特別な処置は一切おこなっておらず、また
3.異形高に比べて板厚が大きく、さらに
4.比較的高い鋼強度を有している。
本実施例の試験サンプルの異形板と実施例1の異形板の比較をスキーム4に示
す。
スキーム4.適度に型どりした異形板を用いた実験に使用した異形板と、実施
例1に参照される組立に用いた異形板との比較。説明については図16を参照。
図16は、実施例2で使用した異形鋼板の断面と、実施例1に記載の複合体製
品の断面をそれぞれ示す。スキーム4に参照される幾何学寸法表示を図中に示し
た。
複合体スラブは、剪断破損を起こすまでは亀裂を発生することなく強い内部凝
集を示し、例えば同様の重量アルミニウム製品に比ベて70%以上の高い剛性を
示した。
剪断損傷は異形鋼と「コンクリート」の間の平均剪断応力5MP
aで起きた。この値は、加わった部分と絞り作用がないために剪断抵抗が実質的
に低い部分である2個の半外側異形部を含む支持体の間の総面積を基に計算した
。複合体スラブが関与していない外側部分について対象から外した場合、破損が
おきる時の平均応力はおよそ7MPaである。
これらの値は公知の技術に照らしたとき当業者にとって驚嘆すべき高い値であ
る。即ち、”Steel Desingers Manual”には次の様に記
されている:設計を弾性原理に基づいて行った場合、デッキ異形とコンクリート
の間に可能な結合力は通常の型で0.05N/mm2(0.05MPa)程度で
あり、特定の型の場合で0.2N/mm2(0.05MPa)程度までしか増加
しない。
本実施例2の型は明らかに前者−”通常型”であり、特別に剪断に対応した配
置を施していないものである。従って、実施例2の剪断応力5MPaは、公知技
術により得られる剪断応力に比べておよそ100倍も高い値であることを意味し
ている。
当該実施例は、異形板に高強度、高剛性、高破断抵抗性を有するマトリックス
を加えるという本発明の原理、即ち極めて高い剪断耐性の獲得が、極めて軽度の
型どり鋼板を利用した場合でも可能であることを明確に示している。
供試体の目的は、非常に軽度に異形化した鋼板を用いて本発明の複合体製品の
限界を調べるだげであったことが強調される。この高い剪断抵抗性を示す製品は
、そのような製品が本発明の好適な製品ではないこと示している。反対に、本発
明はより好適な異形化に関するものであり、即ちウェブとフランジのなす角度が
60°以上、好ましくは70°以上、さらに好ましくは80°以上、好適には8
5°以上である異形(形状)に関するものである。
本発明の別の観点は、特別な取り付け配置を取ることで、異形板と複合材料間
の剪断破損、ならびにその他の破損に対する防御を高めた本発明の複合体製品で
ある。この特別な取り付け配置に関する観点は普遍的であり、本発明の中度の異
形板を用いた複合体製品と高度な異形板を用いた製品の両方に適用される。
同一外寸を持ち、単一材料からなるプレート要素の比較
以下(スキーム5)に単一材料からなる同類弾性プレート製品について計算値
の変化を示す。弾性率の値は、製品が正確に複合体スラブ同様に変形される(最
初の負荷/脱負荷サイクルの後に複合体スラブの変化を参照して)単一プレート
要素について求められた。
剪断応力はリブ上面の水平面内の応力と見なせる。力伝達体から支持体(15
0mm)に延びる全領域を横切る剪断応力の平均値を対照とした。測定値をスキ
ーム5に示す。
負荷力 応力(N/mm2) 同類材料の弾性
(kN) 底 上部 水平断面 モジュール
(張力) (圧縮 (剪断) (N/mm2)
力)
31.0 66 47 124000
36.0 76 55 108000
60.2 127 92 96000
90.8 192 139 91000
スキーム5.直線的な弾性変化を示す同類単一材料製品の変化。最後の縦列に
は、実施例の複合体製品と同一の変形を正確に得るのに必要な同類単一材料につ
いての弾性率値が示されている。
重量がほぼ同じ(約90%)アルミニウム製の同類製品との比較は興味深い。
60N/mm2の応力レベルまでは剛性(弾性モジュール)はアルミニウム製の
ものに比べて77%高く、応力が192
N/mm2まで上昇しても複合体製品の剛性ははアルミニウム製に比べて明らか
に高かった。この場合のEモジュールは負荷が小さい場合のアルミニウムのEモ
ジュールに比べて約30%高い。
アルミニウムとの比較では、低負荷/低応力レベル時のアルミニウムの典型的
なEモジュール値である70,000N/mm2を用いた。
実施例3
本発明の薄型複合体スラブにスレッジハンマーで繰り返し衝撃を与え実験。
安全箱の改良度試験のための国際規約に従い、40nmの本発明の複合体スラ
ブに繰り返し衝撃を加えた。
スラブは厚さ2mmの異形鋼板に密に接した高強度高靱性粒子をベースにした
複合材料−全体厚40mmから構成されていた。複合体スラブの製造は、次の点
を除き実施例2に示した複合体スラブ、即ち図13の方法と同じにして行った。
実施例2では1本であった縦軸方向の補強鋼材を、本実施例では各異形断面につ
いて2本にし、また実施例2のスラブの外寸が600×240mmであったのに
対して本実施例では少し大きめの600×540mmである。
異形断面の略図を図17に示す。図17は本実施例で使用した複合体スラブの
断面図の一部である。1は複合材料であり、2は異形鋼板であり、その大きさは
図13に示した実施例2のスラブのものと同じである。3は50mm当たりの直
径6mmのカム鋼材製の横補強材であり、4は直径8mmのカム鋼材製の縦頂部
補強材であり、5は直径12mmのカム鋼材製の縦底部補強材である。スラブの
主な大きさは:長さ600mm、幅540mm、厚さ40mmと24mm(それ
ぞれ異形上面と底面)。複合材料、調整品、ならびに
焼き入れについては実施例2に同じである。
スラブを金庫向けに定められた、金庫/パネル用標準試験にかけ、スレッジハ
ンマーとトーチで衝撃を加えた。
この種の試験は金庫用の箱−パネルの試験で利用される。高強度セメントを基
にした同型の複合材料で、品質的には本実施例で使用した材料と同程度のものと
比較した。比較のために選択した通常のパネルの厚さは、本異形スラブの持つ最
大の厚さと同である(40mm)が、板鋼量は本実施例のものに比べ4倍である
。上下2ヶ所のスラブの厚さはそれぞれ3〜5mmであることが多いが、本実施
例の板の厚さは2mmである。(本発明の板の異形を考えると、この厚さより鋼
板量はmm2当たり2.6mm3に相当する)。通常のスラブにもよく利用され
ている補強棒材を用いた場合、使用される鋼製補強材の全体量は変わらず、通常
利用される量のおよそ25〜50%である。
既に述べたように、比較対象の市販のスラブの厚さは40mmである。本実施
例のスラブの厚さは平均すると32mmに過ぎず(異形上面と異形底面について
、それぞれ40mmと24mm)、比較対象のものの厚さに比べて平均で80%
でしかない。
試験中、スラブは端部に沿って支持されている。このスラブをスラッジハンマ
ーで衝撃を加えやすい様に、床上に垂直1.5mの位置に置いた。コンクリート
側のスラブ面(120×120mm)に印を付けて、重量3kgのスレッジハン
マーで何度も大きな応力/衝撃を加えた。試験は経験豊かな、強力の試験人によ
り実施された。加える衝撃は、試験人が「力強く」と称する程度で実施された。
(鋼製)スラッジハンマーの頭部の重さは3kgである。取っ手の長さはおよ
そ75cmである。
上記試験では、次の形が単独あるいは複数重なった形の破壊が起こる:1)局
部の破砕、2)押し抜き(切頭錐体型に試験体の一部が押し出される)と3)複
合体スラブの曲がりである。
通常のパネルに用いられている様な板のかわりに異形鋼板を用いた本発明品に
ついて実施した測定結果では、上記の2)および3)の形の破壊に対する効果−
押し出しと曲がりに対する抵抗性が認められたが一局部破砕に対する効果は認め
られなかった。
一方、押し出しが始まったり、あるいはスラブの曲がりが起きると衝撃を加え
る領域に応力が集中するようになり、例えばスラブ面の表面に高い圧縮がかかり
、局部破砕に対する抵抗性は大きく低下する。
当該製品は、80回のハンマー衝撃と鋼製補強材を取り除く各種のトーチ作業
に抗し、凹みは底部異形板まで及ばず、これを切断するには至らなかった。
前面と袋部分に通常の鋼板を使った箱に利用されている複合材料を有する通常
のパネルについて、まず前面の板の一部(120mm×120mm)をトーチに
よってカッティングし手道具を用いて取り外した。当該非被覆域にスレッジハン
マーを用いて、背面の鋼板がトーチカッティングで取り除くことができるまで叩
いた。
40mmの厚さの通常のパネルは、補強材がない場合には10−30回のハン
マーによる衝撃に耐えることができるが、これに補強材を加えるとこの回数は1
.5から2倍となり、即ち20回から最大60回の衝撃に耐えるようになる。
従って、より薄い鋼板と薄い構造体にもかかわらず80回のハンマー衝撃に耐え
たことは、本発明による大きな改善の一つである。
初期(30〜45回の衝撃)には、局部の破砕も小さく、破砕に対する抵抗性
に優れた同一材料を用いた厚みのある製品の初期変化
と同じであった。
この時点で凹みは5〜10mmであった。
その後は破砕が進み、後期においては強い局所的な異形板の外向きの曲がりが
おき、衝撃が加わった領域はマトリックス材料による保護を実質受けなくなった
。初期の変化は、本複合体製品が曲がりと剪断力を十分に吸収する能力を有し、
鋼板とコンクリートの間に破損が起きないことを示している。破砕に対する抵抗
性が同一材料の厚みなる製品と同様である(押し代ならびに曲がりに対して良好
な抵抗性を有することを示す)だけでなく、衝撃を加えた領域外であるスラブの
前面にも破損は見られなかった。このことは、押し出し又は剪断によるいずれの
型の破損も起きないこと、そして鋼性板とコンクリートの間に良好な接触がある
ことを示している。
スラブ前面がやぶれた後でさえ、本質的に破砕とは無関係の縦方向の亀裂が数
本あるのみであった。
厚さ40mmで両側に2〜5mmの鋼板を有し、同種の複合材料から成る通常
パネルと比較すると、この変化は極めて興味深く、また当業者にとって驚嘆すべ
きものである。
1.本発明の鋼製複合体スラブは明らかに薄く、スラブ量も少ないが、対照の
パネルに比べて明らかに多くのハンマー衝撃に耐える−20〜60回に対して8
0回。
2.ハンマー衝撃に共した通常パネルの前面には、衝撃を加えた領域からスラ
ブ全体に亀裂が広がっていた(鋼板を取り除いた後)。本発明のパネルスラブに
はこの様なことは無かった。
3.このことは、本発明により補強されたパネルのコンクリートと鋼板間の剪
断破損に対する驚嘆すべき、また特異的な抵抗性を示すものである。
4.本発明のパネルでは、鋼板は1枚であるが通常のスラブでは
2枚であり、そして
5.従来技術の曲がり破損と押し出しに対する抵抗性は、より薄い本発明のパ
ネル、例えばリムを横切る曲がりに対して極めて適切な抵抗性に比べて大きく劣
ると考えられる。
本実験の目的は最終製品の試験ではないが、金庫産業への応用性を有する本発
明の実施態様について、繰り返し衝撃に対する複合体製品の耐性に関する情報を
得ることができた点を強調したい。
実施例による様に、本発明による好適な安全パネルの異形板の数は1枚と限ら
ず、2枚以上でもよい。
【手続補正書】
【提出日】1998年10月1日(1998.10.1)
【補正内容】
請求の範囲
1. バインダーによって一体化された粒子基複合材料部材と、該粒子基複合材 料部材の完全に又は実質的に外側に配置された累形板とにより構成された混成体 であって、前記複合材料がa)少なくとも80MPaの圧縮強度と、b)少なくと も40,000MPaの弾性率と、c)少なくとも500N/mの剪断エネルギー を有し、前記累形板の素材がd)少なくとも100MPaの引張強度を有し、且つ 、前記複合材料部材と前記累形板の間の界面において密な原子的接触(明細書に 定義した)が存在し、かつ、該複合材料部材と累形板との間の前記の密な接触が 0.2N/mm2〜5N/mm2の結合力を有することを特徴とする混成体。 2. 壁、床および天井構造物などの静的負荷を吸収するため、または空港およ
び公共道路の交通レーンの表面および金庫などの動的負荷を吸収するための混成 体
構築用混成スラブであって、前記スラブは異形板要素と密に接触した粒子基複
合材料からなり、前記複合材料は粒子状の基礎材料と該基礎材料を相互に所定の
位置に保持するバインダーとを少なくとも含み、前記板要素は異形板要素として
平面的に伸長され得る材料を含み、前記複合材料の容積が前記混成スラブの容積
の少なくとも50%をなし、前記複合材料の前記バインダーが微細粒子と細粒子 を含み、前記微細粒子の容積がバインダーの最大で40容積%で、好ましくはバ インダーの5〜25容積%をなし、前記微細粒子と細粒子の合計がバインダーの 少なくとも50容積%、好ましくはバインダーの55容積%、より好ましくはバ インダーの少なくとも60容積%、さらにより好ましくはバインダーの少なくと も65容積%、最も好ましくはバインダーの少なくとも70容積%をなす
ことを
特徴とする混成スラブ。
3. 前記複合材料の容積が前記混成スラブの容積の55%、好ましくは前記混
成スラブの容積の60%、より好ましくは前記混成スラブの容積の65%、最も
好ましくは前記混成スラブの容積の70%をなす請求項1に記載の混成スラブ。
4.前記複合材料は繊維を含み、前記繊維の容積は複合材料の容積の0.1〜
1%、好ましくは複合材料の容積の1〜2%、より好ましくは複合材料の容積の
2〜5%、最もより好ましくは複合材料の容積の10〜20%をなす請求項2ま
たは3に記載の混成スラブ。5. 前記複合材料が複合材料の硬度を増加させる粒子、好ましくは石英、輝緑
岩、花崗岩などの鉱物の粒子、より好ましくはアルミナ、炭化ケイ素、窒化ケイ
素などの結晶の粒子、最も好ましくは鋼、鋼合金などの金属の粒子を含み、硬度
を増加させる前記粒子が複合材料の容積の少なくとも30%、好ましくは複合材
料の容積の少なくとも40%、より好ましくは複合材料の容積の少なくとも50
%、さらに好ましくは複合材料の容積の少なくとも60%、最も好ましくは複合
材料の容積の少なくとも65%をなす請求項2〜4のいずれかに記載の混成スラ
ブ。
6. 前記複合材料は該複合材料の補強要素を含み、前記要素は多くの棒状物、
多くの糸状物、多くの網状物、多くの繊維を含む請求項2〜5のいずれかに記載
の混成スラブ。
7. 前記バインダーは微細粒子としてマイクロシリカを含み、細粒子としてセ メントを含み、好ましくはポルトランドセメント、あるいはアルミナセメントを 含む、
請求項2〜6のいずれかに記載の混成スラブ。
8. 前記板要素は金属製であり、前記金属は鋼、銅、ニッケル、チタン、アル
ミニウムおよびこれらの合金からなる群から選ばれる請求項2〜7のいずれかに
記載の混成スラブ。
9. 前記板要素は非金属製であり、前記非金属はセラミックスおよびプラスチ
ックからなる群から選ばれる請求項2〜8のいずれかに記載の混成スラブ。
10.前記板要素の前記異形は台形の断面を含み、前記台形断面は板の平面に
対して10°、好ましくは20°、より好ましくは30°、さらにより好ましく
は45°、最も好ましくは60°の角度で延びる辺を有する請求項2〜9のいず
れかに記載の混成スラブ。
11.前記複合材料は形状として板要素を用いて製造されるか、あるいは前記
板要素は形状として複合材料を用いて製造される請求項1〜10のいずれかに記
載の混成体を製造する方法。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE,
DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,IT,L
U,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ,CF
,CG,CI,CM,GA,GN,ML,MR,NE,
SN,TD,TG),AP(GH,KE,LS,MW,S
D,SZ,UG),UA(AM,AZ,BY,KG,KZ
,MD,RU,TJ,TM),AL,AM,AT,AT
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KZ,LC,LK,LR,LS,LT,LU,LV,M
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,PT,RO,RU,SD,SE,SG,SI,SK,
SK,TJ,TM,TR,TT,UA,UG,US,U
Z,VN,YU
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1. 壁、床および天井構造物などの静的負荷を吸収するため、または空港およ び公共道路の交通レーンの表面および金庫などの動的負荷を吸収するための対象 物構築用混成スラブであって、前記スラブは異形板要素と密に接触した粒子基複 合材料からなり、前記複合材料は少なくとも粒子状の基礎材料と該基礎材料を相 互に所定の位置に保持するバインダーとを含み、前記板要素は異形板要素として 平面的に伸長され得る材料を含み、前記複合材料の容積が前記混成スラブの容積 の少なくとも50%をなすことを特徴とする混成スラブ。 2. 前記複合材料の容積が前記混成スラブの容積の55%、好ましくは前記混 成スラブの容積の60%、より好ましくは前記混成スラブの容積の65%、最も 好ましくは前記混成スラブの容積の70%をなす請求項1に記載の混成スラブ。 3. 前記複合材料は繊維を含み、前記繊維の容積は複合材料の容積の0.1〜 1%、好ましくは複合材料の容積の1〜2%、より好ましくは複合材料の容積の 2〜5%、最もより好ましくは複合材料の容積の10〜20%をなす請求項1ま たは2に記載の混成スラブ。 4. 前記複合材料が複合材料の硬度を増加させる粒子、好ましくは石英、輝緑 岩、花崗岩などの鉱物の粒子、より好ましくはアルミナ、炭化ケイ素、窒化ケイ 素などの結晶の粒子、最も好ましくは鋼、鋼合金などの金属の粒子を含み、硬度 を増加させる前記粒子が複合材料の容積の少なくとも30%、好ましくは複合材 料の容積の少なくとも40%、より好ましくは複合材料の容積の少なくとも50 %、さらに好ましくは複合材料の容積の少なくとも60%、最も好 ましくは複合材料の容積の少なくとも65%をなす請求項1〜3のいずれかに記 載の混成スラブ。 5. 前記複合材料は該複合材料の補強要素を含み、前記要素は多くの棒状物、 多くの糸状物、多くの網状物、多くの繊維を含む請求項1〜4のいずれかに記載 の混成スラブ。 6. 前記バインダーはセメントを含み、前記バインダーはマイクロシリカなど の微粒子を含み、前記微粒子の容積はバインダーの容積の高々40%、より好ま しくはバインダーの要請の5〜25%をなし、前記バインダーはセメント、好ま しくはポルトランドセメント、あるいはアルミナセメントなどの細粒子を含み、 前記微粒子および前記細粒子の容積はバインダーの少なくとも50%、好ましく はバインダーの少なくとも55%、より好ましくはバインダーの少なくとも60 %、さらによりより好ましくはバインダーの少なくとも65%、最も好ましくは バインダーの少なくとも70%をなす請求項1〜5のいずれかに記載の混成スラ ブ。 7 .前記板要素は金属製であり、前記金属は鋼、銅、ニッケル、チタン、アル ミニウムおよびこれらの合金からなる群から選ばれる請求項1〜6のいずれかに 記載の混成スラブ。 8. 前記板要素は非金属製であり、前記非金属はセラミックスおよびプラスチ ックからなる群から選ばれる請求項1〜6のいずれかに記載の混成スラブ。 9.前記板要素の前記異形は台形の断面を含み、前記台形断面は板の平面に対 して10°、好ましくは20°、より好ましくは30゜、さらにより好ましくは 45°、最も好ましくは60°の角度で延びる辺を有する請求項1〜8のいずれ かに記載の混成スラブ。 10.前記複合材料は形状として板要素を用いて製造されるか、あるいは前記 板要素は形状として複合材料を用いて製造される請求 項1〜9のいずれかに記載の混成スラブ。
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