JP2000281402A

JP2000281402A - 高強度組成物補強用鋼繊維

Info

Publication number: JP2000281402A
Application number: JP11093311A
Authority: JP
Inventors: Shuzo Nakamura; 秀三中村; Makoto Katagiri; 誠片桐
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 1999-03-31
Filing date: 1999-03-31
Publication date: 2000-10-10

Abstract

(57)【要約】【課題】高強度コンクリート等において、優れた補強
効果を発揮する鋼繊維を提供する。【解決手段】繊維直径が０.０５mm〜０.５mm、繊維長
さが繊維のアスペクト比(繊維長／繊維直径)で３０〜２
００であり、表面に繊維直径の０.１倍以上の突起ない
し窪みを有しない湾曲した形状、好ましくは、螺旋また
は波形の形状であり、その振幅が繊維直径の０.３〜３
倍、周期が繊維長さの０.１〜０.５倍である高強度組成
物補強用鋼繊維。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高強度のコンクリ
ートやモルタルなどに混合され、これを補強する鋼繊維
に関する。より詳細には、圧縮強度１５０MPa以上の高
強度コンクリートや高強度モルタルを補強する鋼繊維に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】コンクリートの曲げや引張に対する強
度、およびこれらに対する粘り強さを高める目的で、コ
ンクリートに繊維を混入させた繊維補強コンクリートが
知られている。この補強用繊維には鋼や合成樹脂あるい
はガラスなどの繊維を短く切断したものが一般に用いら
れている。この場合、コンクリートのひび割れに対する
強度を高めるには、補強用繊維のヤング率がコンクリー
トマトリックスのヤング率よりも大きいものが効果的で
あるので、補強用繊維としてはヤング率の大きい炭素繊
維、鋼繊維、ガラス繊維、などが適する。これらの繊維
のうち鋼繊維は比較的安価であり、普通強度のコンクリ
ートの強化用繊維として実用化しつつある。

【０００３】繊維によるコンクリートの補強効果は、繊
維とコンクリートマトリックスの付着強度に大きく影響
を受ける。鋼繊維を補強用繊維として用いた場合、繊維
の引張強度よりも付着強度が小さいため、付着強度を向
上させるべく、繊維断面を一定の間隔で変形させたイン
デントや、繊維全体あるいは端部を折り曲げた形状にす
るなどの工夫が従来なされている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、高強度のコン
クリートやモルタル、例えば圧縮強度が１５０MPa以上
のコンクリートやモルタルでは、既存の鋼繊維を使用す
ると十分な補強効果が得られない問題がある。すなわ
ち、未硬化の高強度組成物マトリックスの流動性が高い
場合には、既存の鋼繊維は一般に繊維径が太く、繊維長
さも比較的長いので鋼繊維がマトリックス中で沈降しや
すい。また、繊維に大きく折り曲げなどの加工が施され
ているものは混練時に繊維どうしが絡みあうためマトリ
ックス中に均一に分散し難い。さらに、硬化した高強度
組成物はマトリックスが密実堅牢なので、従来のインデ
ントや折り曲げ加工が施された鋼繊維は大きな負荷が加
わったときに繊維表面とマトリックスとの界面の滑りが
抑制されるために鋼繊維が破断してしまうなどの問題が
ある。このように、既存の鋼繊維を配合した高強度組成
物は、繊維の補強効果が十分ではないため、曲げ強度や
引張強度は必ずしも飛躍的には向上しない。

【０００５】本発明は、高強度組成物に用いる補強用繊
維について、このような従来の問題を解決したものであ
り、高強度組成物に配合した場合、飛躍的に高い曲げ強
度や引張強度を付与することができる鋼繊維を提供する
ものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、繊
維直径が０.０５mm〜０.５mm、繊維長さが繊維のアスペ
クト比(繊維長／繊維直径)で３０〜２００であり、表面
に繊維直径の０.１倍以上の突起ないし窪みを有しない
湾曲した形状であることを特徴とする高強度組成物補強
用鋼繊維に関するものである。

【０００７】本発明の高強度組成物補強用鋼繊維は、好
ましくは、湾曲した形状が螺旋または波形の形状であ
り、その振幅が繊維直径の０.３〜３倍であって、その
周期が繊維長さの０.１〜０.５倍のものである。また、
ヤング率１５０GPa以上、引張強度１GPa以上のものであ
る。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施形態に即して
詳細に説明する。コンクリートに短繊維を混入して曲げ
や引張に対する強度を補強する場合、混入する補強用繊
維の形状や混入量、補強用繊維のヤング率や引張強度な
どの機械的特性、およびマトリックスの機械的特性はも
とより、補強用繊維とマトリックスとの付着強度などの
界面特性の制御が重要である。

【０００９】これは、マトリックスに亀裂が生じていな
い場合でも補強用繊維が荷重を負担し、その負担の割合
は、マトリックスと補強用繊維のヤング率の比に支配さ
れるからである。この時、補強用繊維の強度や補強用繊
維とマトリックスとの付着強度に関連して補強用繊維の
荷重負担の限界が決定される。すなわち、補強用繊維の
強度が付着強度に比べて小さいと補強用繊維が破断し、
また付着強度が小さいと補強用繊維とマトリックスとの
界面が剥離や滑りを生じ、何れの場合も結果的に補強用
繊維の荷重負担が減少するからである。

【００１０】一方、マトリックスに亀裂が生じた場合に
は、荷重は亀裂部分を橋渡ししている繊維のみが負担す
ることになるため、同様に、繊維強度やマトリックスと
の付着強度に関連して補強用繊維の荷重負担の限界が決
定される。

【００１１】従って、コンクリートやモルタルなどの流
動性に富む高強度組成物を補強し、その高い圧縮強度に
加えて飛躍的に高い曲げ強度や引張強度を得るには、マ
トリックスの機械的特性とよく合致する機械的特性の補
強用繊維を選定すると共にその補強用繊維とマトリック
スとの界面特性の最適化を図ることが不可欠である。

【００１２】このためには、補強用繊維としては炭素鋼
製あるいはステンレス鋼製の鋼繊維が適している。鋼繊
維のヤング率は１５０GPa以上のものが望ましい。また
鋼繊維の引張強度は１GPa以上のものが望ましく、１.５
GPa以上のものがさらに望ましい。鋼繊維のヤング率が
１５０GPa未満ではコンクリートマトリックスのヤング
率に近づくため、繊維の荷重分担が減り、高強度組成物
のひび割れ荷重を高めることができない。

【００１３】鋼繊維の直径は０.０５mm〜０.５mmが望ま
しい。この直径が０.０５mm未満では混練時に繊維どう
しが干渉して塊状になりやすい。また、鋼繊維の直径が
０.５mmより大きいと、高強度組成物が硬化するまでの
間に繊維が沈降しやすい。このため何れの場合も高強度
組成物中に配合した鋼繊維の分散が均一にならないの
で、十分な補強効果が得られない。

【００１４】鋼繊維の長さは、そのアスペクト比(繊維
長／繊維直径)が３０〜２００のものが望ましい。な
お、アスベクト比が５０〜１５０であれば、混練時の流
動性の低下も殆ど無く、繊維混入量を比較的大きくで
き、その結果、十分な補強効果が得られるのでさらに望
ましい。一方、鋼繊維のアスペクト比が３０未満では、
亀裂の開口が広がる際に、亀裂箇所を橋渡ししている鋼
繊維が引抜けやすく、繊維の補強効果が低下するので望
ましくない。また、鋼繊維のアスペクト比が２００を越
えると混練時に流動性が低下するので、型枠に流し込む
などの作業性が劣るばかりでなく、気泡も抜け難くな
る。因みに、繊維混入量を減少すれば流動性の低下は抑
えられるが、繊維量が少ないので繊維が負担する荷重が
小さくなり、やはり繊維補強した高強度組成物の強度は
低下するので望ましくない。

【００１５】鋼繊維の表面は繊維直径の０.１倍以上の
突起や窪みが無く、滑らかであることが望ましい。繊維
直径の０.１倍以上の突起や窪みが無ければ、コンクリ
ートの亀裂箇所を橋渡ししている鋼繊維とコンクリート
マトリックスとの界面が剥離した後も、鋼繊維とマトリ
ックスとの相対的な移動が拘束されないため鋼繊維が破
断し難くなり、高強度組成物を高靭化できる。一方、繊
維直径の０.１倍を越える突起や窪みがあると、鋼繊維
とマトリックスとの付着強度のピーク値は大きくなる
が、鋼繊維とマトリックスとの滑りが抑制されるため、
繊維の破断やマトリックスの破壊を生じやすくなり、従
って、コンクリートに亀裂が生じると直ちに亀裂箇所を
橋渡ししている鋼繊維の付着力が急減する。この結果、
高強度組成物の脆性的な破壊を生じるようになる。

【００１６】鋼繊維は湾曲した形状であるものが良く、
例えば、螺旋状または波形の形状のものが好ましい。こ
のような湾曲した形状のものは、亀裂を橋渡ししている
鋼繊維とマトリックスとの界面が剥離した場合にも、鋼
繊維とマトリックスとの相対的な移動時に適切な摩擦力
を鋼繊維とマトリックスとの界面に生じ、結果として繊
維補強した高強度組成物の靱性を高めることができる。

【００１７】鋼繊維が螺旋状または波形の形状である場
合、その螺旋または波形の振幅は繊維直径の０.３〜３
倍であることが望ましい。螺旋または波形の振幅が繊維
直径の０.３倍未満では繊維とマトリックスとの相対移
動時に発生する摩擦力が小さくなるので好ましくない。
一方、この振幅が繊維直径の３倍を越えると高強度組成
物の混練時に繊維が絡み合うので、繊維を均一に分散し
難い。

【００１８】また、螺旋または波形の周期は繊維長さの
０.１〜０.５倍であることが望ましい。この周期が繊維
長さの０.５倍を越えると、繊維とマトリックスとの相
対移動時に繊維に十分な抗力が作用せず、繊維とマトリ
ックスとの界面に発生する摩擦力は急減する。また、こ
の周期が繊維長さの０.１倍未満であると摩擦力が大き
くなり過ぎて繊維とマトリックスとの相対的な移動を拘
束するようになる。これらの結果として、鋼繊維による
十分な補強効果が得られず、繊維補強した高強度組成物
は脆性的な破壊をするようになるので、何れも望ましく
ない。なお、螺旋ないし波形の振幅または周期は繊維中
心を基準としたものである。

【００１９】

【実施例】以下、本発明を実施例によって具体的に示
す。なお、本発明はこれらの実施例に限定されない。

【００２０】(実施例１)マトリックスとなる高強度組成
物(高強度コンクリート)の原料として、中庸熱セメント
２２４６ｇ、シリカフューム２５０ｇ、砂(山形県産の
珪砂:4号)１８８０ｇ、および混和剤(ポリカルボン酸系
高性能減水剤６２.４ｇおよび消泡剤０.６ｇ)を含む水
４５０gを秤量した。また、鋼製の繊維を用意した。こ
の鋼繊維は直径０.０５mm、アスペクト比１２０(長さ6m
m)、顕微鏡で評価した表面凹凸は０.００５mmの螺旋状
のものであり、螺旋の形状は振幅０.１mm(繊維直径の２
倍)および周期２.４mm(繊維長さの０.４倍)であって、
繊維の引張強度およびヤング率はそれぞれ２GPaおよび
２００GPaである。この繊維３１６ｇを秤量した。な
お、このコンクリートに対する繊維混入率は２体積％で
ある。

【００２１】秤量した原料をホバート型ミキサを用いて
混練した。水、セメントとシリカフュームを予め混合さ
せたものを混練し、次ぎに砂、繊維を投入して試料を作
製した。この試料は、曲げ強度測定用の供試体を作製す
るため、縦160mm×横40mm×深さ40mmの型枠に流し込ん
で成型した。また、引張強度測定用の供試体を作製する
ため、縦300mm×横50mm×深さ10mmの型枠に試料を流し
込みんで成型した。この成型２４時間後、脱型し、引き
続き、８０℃、４８時間の蒸気養生を行い、供試体を得
た。

【００２２】この供試体について、曲げ強度の測定は、
インストロン型試験機を用い、下部支点間距離120mmと
して三点曲げ試験を行い、その荷重の最大値から算出し
た。また引張強度の測定は、供誠体の両端にアルミニウ
ム板(50mm角、1.5mm厚)をエポキシ樹脂で固着した後、
インストロン型試験機を用いて一軸引張試験を行い、そ
の荷重の最大値から引張強度を算出した。いずれの試験
においても、試験速度はクロスヘッド速度０.５mm/min
とした。

【００２３】また、混練直後の試料の流動性を評価する
フロー値は、水平な350mm角のガラス板上に置いたJISモ
ルタル用のリングに試料を流し込み、リング上端を擦り
切り後、リングを静かに引き上げ、流れ出た試料が静止
した時の長径とそれに直交する径を測定し、両者の平均
値をフロー値とした。

【００２４】その結果、フロー値は２３０mmと良好な流
動性を示し、また三点曲げ強度は５０MPa、一軸引張強
度は２０MPaと極めて高い値であった。

【００２５】(実施例２)使用した鋼繊維が直径０.５m
m、アスペクト比５０(長さ25mm)の螺旋形繊維であり、
螺旋の振幅１mm(直径の２倍)、螺旋の周期５mm(長さの
0.2倍)、繊維の混合量５５４g(繊維混入率3.5体積％)、
砂の配合量１８０２ｇとした以外は実施例１と同様にし
て、そのフロー値、三点曲げ強度および一軸引張強度を
測定した。これらの結果、フロー値２５０mm、三点曲げ
強度４５MPa、一軸引張強度２０MPaであり、何れも良好
な値を示した。

【００２６】(実施例３)使用した鋼繊維が直径０.１m
m、アスペクト比２００(長さ20mm)の波形繊維であり、
波形の振幅０.２mm(直径の２倍)、波形の周期６mm(長さ
の0.3倍)、繊維の混合量１５８g(繊維混入率１体積
％)、砂の配合量１９３５ｇとした以外は実施例１と同
様にしてそのフロー値、三点曲げ強度および一軸引張強
度を測定した。これらの結果、フロー値２４０mm、三点
曲げ強度４５MPa、一軸引張強度２０MPaであり、何れも
良好な値を示した。

【００２７】(実施例４)使用した鋼繊維が直径０.３m
m、アスペクト比３０(長さ９mm)の螺旋形繊維であり、
螺旋の振幅０.６mm(直径の２倍)、螺旋の周期１.８mm
(長さの0.2倍)、繊維の混合量１２６４g(繊維混入率８
体積％)、砂の配合量１５６４ｇとした以外は実施例１
と同様にして、そのフロー値、三点曲げ強度および一軸
引張強度を測定した。これらの結果、フロー値２３０m
m、三点曲げ強度４２MPa、一軸引張強度１８MPaであ
り、何れも良好な値を示した。

【００２８】(実施例５)使用した鋼繊維が直径０.４m
m、アスペクト比５０(長さ20mm)の波形繊維であり、波
形の振幅０.４mm(直径の1倍)、波形の周期５mm(長さの
0.25倍)、繊維の表面凹凸０.０４mm、繊維の混合量７９
０g(繊維混入率５体積％)、砂の配合量１７２２ｇとし
た以外は実施例１と同様にして、そのフロー値、三点曲
げ強度および一軸引張強度を測定した。これらの結果、
フロー値２３５mm、三点曲げ強度４０MPa、一軸引張強
度１８MPaであり、何れも良好な値を示した。

【００２９】(実施例６)使用した鋼繊維が直径０.１m
m、アスペクト比１５０(長さ15mm)の螺旋形繊維であ
り、螺旋の振幅０.０３mm(直径の0.3倍)、螺旋の周期３
mm(長さの0.2倍)とした以外は実施例１と同様にして、
そのフロー値、三点曲げ強度および一軸引張強度を測定
した。これらの結果、フロー値２３０mm、三点曲げ強度
４５MPa、一軸引張強度１７MPaであり、何れも良好な値
を示した。

【００３０】(実施例７)使用した鋼繊維が直径０.３m
m、アスペクト比４０(長さ12mm)の螺旋形繊維であり、
螺旋の振幅０.９mm(直径の３倍)、螺旋の周期１.８mm
(長さの0.15倍)、繊維の混合量７９０g(繊維混入率５体
積％)、砂の配合量１７２２ｇとした以外は実施例１と
同様にして、そのフロー値、三点曲げ強度および一軸引
張強度を測定した。これらの結果、フロー値２３０mm、
三点曲げ強度４１MPa、一軸引張強度１９MPaであり、何
れも良好な値を示した。

【００３１】(実施例８)使用した鋼繊維が直径０.１m
m、アスペクト比８０(長さ８mm)の螺旋形繊維であり、
螺旋の振幅０.１mm(直径の１倍)、螺旋の周期０.８mm
(長さの0.1倍)、繊維の表面凹凸０.０１mm、繊維の混合
量５５４g(繊維混入率3.5体積％)、砂の配合量１８０２
ｇとした以外は実施例１と同様にして、そのフロー値、
三点曲げ強度および一軸引張強度を測定した。これらの
結果、フロー値２４０mm、三点曲げ強度５８MPa、一軸
引張強度２３MPaであり、何れも良好な値を示した。

【００３２】(実施例９)使用した鋼繊維が直径０.２m
m、アスペクト比８０(長さ16mm)の螺旋形繊維であり、
螺旋の振幅０.２mm(直径の１倍)、螺旋の周期８mm(長さ
の0.5倍)、繊維の表面凹凸０.０１mm、繊維の混合量５
５４g(繊維混入率3.5体積％)、砂の配合量１８０２ｇと
した以外は実施例１と同様にして、そのフロー値、三点
曲げ強度および一軸引張強度を測定した。これらの結
果、フロー値２５０mm、三点曲げ強度４５MPa、一軸引
張強度２０MPaであり、何れも良好な値を示した。

【００３３】(比較例１)使用した鋼繊維が直径０.０２m
mの螺旋形繊維であり、螺旋の振幅０.０４mm(直径の２
倍)、螺旋の周期０.９６mm(長さの0.4倍)、表面の凹凸
が０.００２mmとした以外は実施例１と同様にしてその
フロー値、三点曲げ強度および一軸引張強度を測定し
た。この結果、繊維が細すぎたので、実施例１と比較す
ると脆性的な破断を示し、三点曲げ強度は１６MPa、一
軸引張強度は７.２MPaと劣り、フロー値も１８０mmと流
動性が低くかった。

【００３４】(比較例２)使用した鋼繊維が直径０.６mm
の螺旋形繊維であり、螺旋の振幅１.２mm(直径の２
倍)、螺旋の周期６mm(長さの0.2倍)とした以外は実施例
２と同様にしてそのフロー値、三点曲げ強度および一軸
引張強度を測定した。この結果、フロー値は２４０mmで
あり、流動性は低下しなかったが、繊維が太すぎたの
で、実施例２と比較すると脆性的な破断を示し、三点曲
げ強度は２１MPa、一軸引張強度は８.３MPaと劣った。

【００３５】(比較例３)使用した繊維をアスペクト比２
４０(長さ２４mm)とし、それに伴い波形の周期７.２mm
(長さの0.3倍)とした以外は実施例３と同様にしてその
フロー値、三点曲げ強度および一軸引張強度を測定し
た。この結果、繊維が長すぎたためフロー値は１７０mm
となり流動性が低下し、成型時の作業性にも劣った。ま
た、三点曲げ強度は２０MPa、一軸引張強度は９.３MPa
であり、実施例３と比較すると劣るものとなった。

【００３６】(比較例４)使用した繊維をアスペクト比２
０(長さ６mm)とし、それに伴い螺旋の周期１.２mm(長さ
の0.2倍)とした以外は、実施例４と同様にして、そのフ
ロー値、三点曲げ強度および一軸引張強度を測定した。
この結果、フロー値は２３５mmであり、流動性は低下し
ないが、繊維が短すぎるので供試体が脆性的な破断を示
した。この供試体の三点曲げ強度は２２MPa、一軸引張
強度は８.５MPaであり、実施例４と比較すると劣るもの
となった。

【００３７】(比較例５)使用した繊維が表面凹凸０.１m
mのインデント加工したものを用いた以外は実施例５と
同様にしてフロー値、三点曲げ強度および一軸引張強度
を測定した。この結果、繊維どうしの絡みが顕著である
ためフロー値は２００mmとなり、流動性が低下した。ま
た強度試験中、繊維が引き抜ける時にマトリクスを破壊
する傾向があるため供試体は脆性的な破断を示した。こ
の供試体の三点曲げ強度は２２MPa、一軸引張強度は８.
８MPaであり、実施例５と比較すると劣るものとなっ
た。

【００３８】(比較例６)使用した繊維を螺旋や波形のな
い直線状のものにした以外は実施例６と同様にして、そ
のフロー値、三点曲げ強度および一軸引張強度を測定し
た。この結果、フロー値は２２０mmとなり、混練後の試
料の流動性は低下しなかったが、強度試験においては、
繊維の付着強度が不足するためか、三点曲げ強度は２１
MPa、一軸引張強度は９.１MPaであり、実施例６と比較
して低かった。

【００３９】(比較例７)使用した繊維を螺旋の振幅１.
２mm(直径の４倍)とした以外は実施例７と同様にして、
そのフロー値、三点曲げ強度および一軸引張強度を測定
した。この結果、繊維どうしの絡みが顕著なためフロー
値は１７０mmとなり、流動性の低下が顕著であった。ま
た強度試験中、繊維が引き抜ける際にマトリクスを破壊
する傾向があるため供試体の強度は低く脆性的な破断を
示した。強度の測定結果は、三点曲げ強度２０MPa、一
軸引張強度８.４MPaであり、実施例７と比較すると劣る
ものとなった。

【００４０】(比較例８)使用した繊維を螺旋の周期０.
６４mm(長さの0.08倍)とした以外は実施例８と同様にし
て、そのフロー値、三点曲げ強度および一軸引張強度を
測定した。この結果、繊維どうしの絡みが顕著なため、
混練作業もやや困難であり、フロー値は１７０mmとなり
流動性の低下が顕著であった。また、強度試験では、繊
維が引き抜ける際にマトリクスを破壊する傾向があるた
め供試体の強度は低く、脆性的な破断を示した。強度の
測定結果は、三点曲げ強度１６MPa、一軸引張強度６.９
MPaであり、実施例８と比較すると劣るものとなった。

【００４１】(比較例９)使用した繊維を螺旋の周期９.
６mm(長さの0.6倍)とした以外は実施例９と同様にし
て、フロー値、三点曲げ強度および一軸引張強度を測定
した。この結果、フロー値は２５０mmであり試料の流動
性は低下しないが、強度試験においては、繊維の付着強
度が不足するためか、三点曲げ強度２１MPa、一軸引張
強度８.７MPaであり、実施例９と比較して低かった。

【００４２】上記実施例１〜９および比較例１〜９の結
果を表１にまとめて示した。

【表１】

【００４３】

【発明の効果】本発明の補強用鋼繊維は、高強度コンク
リート等の高強度組成物に対して優れたを補強効果を発
揮するものであり、その組成物の高い圧縮強度に加えて
飛躍的に高い曲げ強度や引張強度を付与することができ
る。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】繊維直径が０.０５mm〜０.５mm、繊維長
さが繊維のアスペクト比(繊維長／繊維直径)で３０〜２
００であり、表面に繊維直径の０.１倍以上の突起ない
し窪みを有しない湾曲した形状であることを特徴とする
高強度組成物補強用鋼繊維。
【請求項２】請求項１の鋼繊維において、湾曲した形
状が螺旋または波形の形状であり、その振幅が繊維直径
の０.３〜３倍であって、その周期が繊維長さの０.１〜
０.５倍である高強度組成物補強用鋼繊維。
【請求項３】ヤング率１５０GPa以上、引張強度１GPa
以上である請求項１または２の高強度組成物補強用鋼繊
維。