JP2004513868A - 構造用被覆パネル - Google Patents
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Abstract
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的には住宅およびその他のタイプの軽量建築物の骨組みに取り付けるパネルに関し、より詳細には、本発明は、建築基準によって必要とされる部分で強風または地震の荷重によってかかる横からの力に耐えることができるパネルに関する。
【0002】
【従来の技術】
通常、耐震壁(shear wall)またはダイヤフラムとして知られるそのようなパネルは、ASTM(American Society for Testing Materials:米国材料試験協会)E72等の認定試験で示される剪断抵抗の実証をしなければならない。
【0003】
骨組みに固定したパネルを有する単純な箱型構造物を考える場合、例えば、風圧などのその箱の片側に向かって作用する横からの強い力は、側壁が当該箱形構造物を長方形から平行四辺形にしようとする力に対抗することを強いることが多い。全ての被覆パネルがその力に耐えること、また、すべての被覆パネルが高い弾力性を有することができず、特にパネルが骨組みに固定されている箇所で破損するものがある。被覆パネルの剪断に対する抵抗を実証することが必要な場合は、そのパネルが破損しないで耐えることのできるたわみ許容範囲の負荷を判定する測定を行う。
【0004】
剪断における一定の規格は、一般に、3つの同じ8フィート×8フィート(2.44m×2.44m)の組立部品、すなわち、骨組みに固定したパネルの試験に基づいて定められる。組立部品の一方の端を同じ場所で固定し、その状態で横からの力を当該組立部品の固定されていない他端にそれ以上負荷を支えられなくなって破損するまで加える。測定される剪断の強さは、組立部品に使用されるパネルの厚さおよび釘の大きさと間隔に依存して変化する。
【0005】
例えば、16インチ(406.4mm)の間隔(中心から中心まで)毎に離された木材の間に、公称2インチ×4インチ(50.8mm×101.6mm)の8dの釘(下記の釘の解説参照)で固定されるとともに、外周部分では釘を6インチ(152.4mm)の間隔で離し、内部では12インチ(304.8mm)間隔で固定された厚さ公称1/2インチ(12.7mm)の合板である標準的な組立部品は、破損が起こる前に720ポンド/フィート(1072kg/m)の剪断に対する強さを示すものと推測される。(ASTM E72試験が提供するように、測定される強さは、釘の大きさと間隔が変われば変化することに注意されたい。)この最大の強さは、パネルの設計剪断力を決めるために、安全係数、例えば係数3を用いて低減するようになっている。
【0006】
剪断における一定の規格に適合しなければならないところに使用される被覆パネルとしては、通常、接着剤で接着した木片からなる合板または表面を耐水性樹脂で表面が覆われた強靱で堅固な構造用外壁パネル(OSB:Oriented strand board)がある。これらのパネルは、必要とする剪断の強さを提供することはできるが、どれも可燃性であって水にさらしたときに耐久性のあるものはない。水硬性セメント製のパネルは、水には耐えるが木製パネルより重量があってかつ剪断の強さが不十分である。水硬性セメント製のパネルは、この必要な剪断の強さを提供することができる一方、合板またはOSBの欠点を回避したものは、現時点では存在せず、入手できないものとなっている。
【0007】
ボードの厚さは、例えば、重量、負荷を運搬する能力、荷重を支える強さその他のボードの物理的および力学的性質に影響を与えるようになっており、所望されるパネルの性質もボードの厚さによって変化する。例えば、0.5インチ(12.7mm)の公称厚さを有する剪断における一定の規格を有するパネルが満たすべき所望される性質は、以下のものを含む。
【0008】
・中心において16インチ(406.4mm)毎のスパン(梁間)に亘り、ASTM 661およびアメリカ合板協会(APA)試験法S−1に従って試験したときのパネルは、静荷重で550ポンド(250kg)より大きい最大負荷能力、衝撃荷重で400ポンド(182kg)より大きい最大負荷能力、および200ポンド(90.9kg)荷重の静荷重および衝撃荷重の両方で0.078インチ(1.98mm)未満のたわみを有する。
・釘を使用し、上記の間隔をあけて行うASTM E72試験で測定される厚さ0.5インチ(12.7mm)パネルの荷重を支える剪断に対する強さは、少なくとも720ポンド/フィート(1072kg/m)であること。
・4フィート×8フィート、厚さ1/2インチ(1.22m×2.44m、厚さ12.7mm)のパネルは、99ポンド(44.9kg)以下、好ましくは、85ポンド(38.6kg)以下の重量であること。
・パネルは、木材を切断するために使用する丸鋸で切断することができること。
・パネルは、釘またはねじで骨組みに固定できること。
・パネルは、凸条及び溝条(例えば、「あり」と「あり溝」)をパネルの端に作製することができるように機械にかけられること。
・パネルは、水にさらしたとき寸法が安定している。すなわち、できるだけ拡大せず、好ましくは、ASTM C1185により測定したときに0.1%未満であること。
・パネルは、微生物分解性を有するものでないこと、または、虫の攻撃若しくは腐敗の影響を受けないこと。
・パネルは、外装仕上げシステムの付着性を有する基材であること。
・パネルは、ASTM E136により決められた非可燃性であること。
・65ポンド/立法フィート(1041kg/m3)以下の乾燥状態での密度を有する厚さ0.5インチ(12.7mm)のパネルの曲げ強さは、28日間の硬化後、水中に48時間浸した後に、ASTM C947により測定したとき、少なくとも1700psi(11.7MPa)、好ましくは、少なくとも2500psi(17.2MPa)であること。このパネルは、その乾燥状態の強さの少なくとも75%を保持すること。
【0009】
合板およびOBSが、上の性能特性のいくつかの性質は満たすが全部は満たさないことは当然に明らかである。したがって、一定の地域で必要とされる剪断における一定の規格を満たし、現在使用されている木材をベースにした非可燃性および水耐久性を有するパネルの能力を超える改良されたパネルが必要となっている。
【0010】
従来技術の水硬性セメントをベースとしたパネルおよび構造物もまた、パネルを従来の大工道具で切断または固定する(釘またはねじでとめる)ために、必要な低密度、釘打ち適性および切断適性の組合せを持ち合わせていない。
【0011】
本発明のパネルは、一般的には、ガラス繊維によって、および、球状微粒子の添加によって補強され、水硬性セメントのパネルと比較して重量の減少する石膏セメントの組成物として説明される。このパネルは、上に掲げた性能の要求項目を満足させ、以下で説明する本発明で要求される性能を満たすことができない類似成分を有するその他の組成物と区別することができる。
【0012】
石膏セメント組成物は、一般的には、米国特許第5、685、903号、同第5、858、083号、同第5、958、131号に開示されている。それぞれの特許において、ポゾランが加えられ‘903号および、‘083号の特許ではヒュームドシリカが加えられ、‘131号の特許ではメタカオリンが加えられている。骨材および繊維の添加を提案しているが、本発明の要求項目を満たすパネルについては記載されていない。
【0013】
ガラス繊維は、セメントの補強に使用されているが、当該ガラスは硬化したセメント中に存在する石灰に攻撃されるため、時間が経つにつれて強さを失うことが知られている。これは、ガラス繊維をコーティングするか、または、耐アルカリ性の特別なガラスを使用することによって、ある程度補うことができる。金属繊維、木材または他のセルロース繊維、炭素繊維、またはポリマー繊維等その他の繊維がセメントを補強するものとして提案されている。
【0014】
セメントをベースとするパネルおよび構造物はまた、重量を減らすためにガラス、セラミックスおよびポリマーの軽量粒子を含有しているが強さが減少することが犠牲となっている。その他の骨材が提案されているが、それらは軽量粒子の利点を有していない。
【0015】
米国特許第4、379、729号では、木材をコンクリートの形に置き換えることを意図してパネルに3つの層を使用している。外側の2つの層は、ガラス繊維強化セメントであり、真ん中の層は、空洞球状物を含有するセメントである。そのパネルは静荷重を受けるが、風および地震の負荷が予想される場合の建築基準に定める要求項目を満たすことは必要としない。
【0016】
ロシア特許第SU1815462号においてもまた、パネルというよりパイプの製造において3層が使用されている。ここでも外側の層はガラス繊維強化セメント製の層であり、中間層は、ガラス繊維とガラス球の両方を含有する。
【0017】
剪断における一定の規格のパネルというよりはむしろ厚いモジュールによる壁部分は、米国特許第4、259、824号に記載されている。ガラス繊維を含む様々な骨材が有用であることを示している。
【0018】
米国特許第5、154、874号には、紙繊維を含む石膏ボードが開示されている。
【0019】
石膏セメントパネルが、カナダ特許第CA2、192、724号に記載されている。そのパネルは、ガラス繊維よりむしろ10%から35%の木材または紙の繊維を含有している。同様に、米国特許第5、371、989号には外側表面上にガラス繊維のマットを有する石膏ボードが開示されている。
【0020】
国際公開WO93/10972には、セメントで包囲し、発泡セメントが連続面に配列され、セメントに囲われた低密度骨材を含む内装パネルが記載されている。そのパネルは、ガラス繊維を含むことも可能である。
【0021】
セメントパネル中のアスベスト繊維をセルロースまたはガラス繊維で置き換えることが、米国特許第4、808、229号で提案されている。
【0022】
層をなすパネルが日本国特許JP62−238734Aに開示されている。パネルの内側には球状微粒子が使用され、外側表面には炭素繊維またはプラスチック繊維で補強したセメントが用いられている。
【0023】
米国特許第4、504、320号には、細粒炭セノ微粒子(Fly ash cenospheres)およびヒュームドシリカを含むガラス強化ポルトランドセメントが記載されている。
【0024】
上述の説明から、繊維強化セメントが使用されており、ガラス、セラミック、およびポリマーにおける球状微粒子が重量を減らすために含まれていることは明らかであろう。その他の例が、日本国特許JP−2641707B2、同JP53−034819、同JP54−013535、同JP94−096473B2、スウェーデン特許SE8603488、英国特許GB1493203の中で見出されている。
【0025】
【発明が解決しようとする課題】
上記の様々な特許および特許出願で示されるセメントの補強に向けられたあらゆる努力にもかかわらず、本発明者等は、現在入手できるパネルを合板パネルまたはOSBパネルと置き換えることは、建築基準が要求する剪断荷重に対する耐久性を満たすことも、例えば、切断および釘打ち等の同様の作業特性を有することも必要な用途においては、いずれもが可能ではない。
【0026】
以下の説明において現在は合板パネルまたはOSBパネルのみで可能な剪断荷重を満足すること、または、越えることが可能な石膏セメントパネルを製造することができることを示す。
【0027】
本発明は、パネルの取扱いおよび釘打ち適性のために必要な低密度と延性の組合せを以下3つのやり方のうちの1つで達成する。
【0028】
・パネルの厚さ全体に均一に分布する軽量のセラミック製の球状微粒子を使用すること。
・パネルの厚さ全体に軽量セラミックおよびポリマー球状微粒子の混合物を使用すること、および、パネル形成で使用する水の量を調節してポリマー球状微粒子の効果と類似の効果を提供することの何れか、または、それらの組合せ。
・釘打ち適性および切断適性が改良されている少なくとも1つの外側の層を含有する多層パネル構造を作製すること。これは、パネルの芯部を基準として外層の作製において水対反応性の粉末の高い比率(下記に定義する)を使用するかまたはパネルの芯部を基準として外層に軽量ポリマーの球状微粒子の相当量を組み込み、一方内側の芯部は従来のパネルと同じものとすることによって提供される。
【0029】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1の実施形態は、耐アルカリ性のガラス繊維で補強し、セラミック球状微粒子を含有する軽量で寸法が安定しているパネルである。そのパネルにはガラス繊維およびセラミック球状微粒子が、反応性粉末、すなわち、硫酸カルシウムα半水和物、水硬性セメント、石灰、および活性ポゾランの硬化した水性混合物を含む連続相全体にわたって均一に分布している。
【0030】
本発明の第2の実施形態は、耐アルカリ性のガラス繊維で補強し、パネルの全厚さの連続相全体にわたって均一に分布しているセラミックおよびポリマー球状微粒子の混合物でも可能な球状微粒子を含有する軽量で寸法が安定しているパネルである。また、それに代えて、水対反応性粉末の比率を増加して、ポリマー球状微粒子を加えるのと同様の効果を実現させることができ、ポリマー球状微粒子は全部または一部を取り替えることができる。
【0031】
本発明の第3の実施形態は、芯部が1つまたは複数の外側に面する層を有する多層構造を用いる耐アルカリ性のガラス繊維で補強した軽量で寸法が安定しているパネルである。この実施形態において、外側の層は、ガラス繊維で補強した第2の層中に軽量ポリマー球状微粒子の相当量を組み込み、その外側の層には、連続相全体にわたって均一に分布しているセラミック球状微粒子またはセラミックとポリマー球状微粒子の両方の混合物(その混合物は、場合により、水−反応性粉末の比率によって決定する)のいずれかを有する芯部を配列し、耐アルカリ性のガラス繊維によって補強する。
【0032】
別法では、その外側の層をパネルの芯部で使用するより高い水対反応性粉末の比率で生成することによってポリマー球状微粒子と同様の効果を実現させることができるようになっており、それは、ポリマー球状微粒子を全部または一部を取り替えることでも可能である。
【0033】
3つの実施形態全てにおいて、ASTM E72試験で規定されている通りパネルを骨組みに固定するとき、それは、パネルが強風または地震の力に耐えられなければならない場合の建築基準によって必要とされる剪断荷重を満たす、または、それを超えるものへの対処が可能である。そのパネルはまた、建造物の下張り床または床の下張り材として使用することもできる。そのような用途においては、パネルは、好ましくは、先細にした凸条および溝条の連結部を採用する。
【0034】
本発明の第1の実施形態のパネルを製造するには、軽量充填材としてセラミック球状微粒子を利用する。これらの球状微粒子は、パネルの厚さ全体にすみからすみまで均一に分布している。その組成物において、乾燥成分は、反応性粉末(乾燥状態を基準として、水硬性セメント20重量%から55重量%、硫酸カルシウムα半水和物35重量%から75重量%、ポゾラン5重量%から25重量%、石灰0.2重量%から3.5重量%)、セラミック球状微粒子、および耐アルカリ性のガラス繊維であり、湿体成分は水および超可塑剤である。この乾燥成分と湿体成分は、本発明の第1の実施形態のパネルを製造するために混ぜ合わされる。本発明のパネルは、好ましくは、乾燥成分の全重量の約49重量%から56重量%の反応性粉末、乾燥成分の全重量の35重量%から42重量%のセラミック球状微粒子、および乾燥成分の全重量の7重量%から12重量%の耐アルカリ性ガラス繊維から形成される。
【0035】
一般的範囲では、本発明のパネルは、乾燥成分の全重量を基準として、約35重量%から58重量%の反応性粉末、34重量%から49重量%のセラミック球状微粒子、および6重量%から17重量%の耐アルカリ性ガラス繊維から形成される。乾燥成分に加える水および超可塑剤の量は、個々の製造方法の工程を考慮して必要となる望ましいスラリーの流動性を実現させるのに十分なものとする。水の標準的な添加率は、反応性粉末の重量の35%から60%(水対反応性粉末が0.35〜0.6/1)の範囲であり、超可塑剤の添加率は、反応性粉末の重量の1%から8%の範囲である。ガラス繊維は、約5μmから25μm(マイクロメートル)、標準的には、約10μmから15μm(マイクロメートル)の直径を有するモノフィラメントである。モノフィラメントはいくつかの方法で束にされる。1つの標準的な形態においては、100本の繊維のストランドを組み合わせて約50本のストランドを含有する粗紡糸にする。その他の取り合わせも可能である。ガラス繊維の長さは、好ましくは、約1インチから2インチ(25mmから50mm)であり、一般には、0.25インチから3インチ(6.3mmから76mm)であり、繊維の性質はパネルの平面内でふぞろいである。
【0036】
本発明の第2の実施形態のパネルを製造するには、軽量充填材としてセラミック球状微粒子とポリマー球状微粒子の混合物を使用する。パネルにポリマー球状微粒子を組み込むことは、パネルを従来の大工道具で切断または固定する(釘打ちまたはねじ留めする)ことを可能にし、必要な低密度および釘打ち適性の組合せを実現させるために役立つことが発見されている。
【0037】
水対反応性粉末の比率もまた密度と釘打ち適性に影響するため、ポリマー球状微粒子と同様の効果を与えるように比率を調節することができるが、ポリマー球状微粒子を含有していてもよく、水対反応性粉末の比率を調節することによって完全に入れ替える必要はない。スラリーのレオロジー特性が、組成物中でセラミックとポリマー球状微粒子を組み合わせて使用することによってかなり改良されることも見出されている。
【0038】
したがって、本発明の第2の実施形態において、組成物の乾燥成分は、上記の反応性粉末(すなわち、水硬性セメント、硫酸カルシウムα半水和物、ポゾラン、および石灰)、セラミック球状微粒子、ポリマー球状微粒子、および耐アルカリ性ガラス繊維であり、組成物の湿体成分は、水および超可塑剤である。この乾燥成分と湿体成分を混ぜ合わせて、本発明のパネルを製造する。セラミックとポリマー球状微粒子は、パネルの厚さ全体にわたるマトリックス中に均一に分布している。優れた固定性能と切断性能を実現させるためには、パネル中のポリマー球状微粒子の体積分率は、好ましくは、乾燥成分の全体積の7%から15%の範囲内である。
【0039】
本発明のパネルは、好ましくは、乾燥成分の全重量の約54重量%から65重量%の反応性粉末、乾燥成分の全重量の25重量%から35重量%のセラミック球状微粒子、乾燥成分の全重量の0.5重量%から0.8重量%のポリマー球状微粒子、および乾燥成分の全重量の6重量%から10重量%の耐アルカリ性ガラス繊維から形成される。
【0040】
一般的範囲では、本発明のパネルは、乾燥成分の全重量を基準として、約42重量%から68重量%の反応性粉末、23重量%から43重量%のセラミック球状微粒子、1.0重量%まで、好ましくは0.2重量%から1.0重量%のポリマー球状微粒子、5重量%から15重量%の耐アルカリ性ガラス繊維から形成する。乾燥成分に加える水および超可塑剤の量は、個々の製造方法の工程を考慮して必要となる望ましいスラリーの流動性を実現させるように調製される。所望される場合はポリマー球状微粒子の代わりに追加の水を使用してポリマー球状微粒子と同様の密度および釘打ち適性に対する効果を与えることができ、あるいは、ポリマー球状微粒子および追加の水の両方を使用することもできる。
【0041】
標準的な水の添加率は、反応性粉末の重量の35%から70%の範囲であり、超可塑剤の添加率は、反応性粉末の重量の1%から8%の範囲である。追加の水を使用する場合は、水対反応性粉末の比率は0.6/1より大きく(反応性粉末を基準として水>60%)、好ましくは、>0.6/1から0.7/1、より好ましくは、0.65/1から0.7/1である。水対反応性粉末の比率をポリマー球状微粒子と入れ替えるために調整するときは、その組成物は、本発明のパネルを形成するのに適したコンシステンシーを有する水性混合物を造るために調整される。
【0042】
ガラス繊維は、約5μmから25μm(マイクロメートル)、標準的には、約10μmから15μm(マイクロメートル)の直径を有するモノフィラメントである。上記のように、モノフィラメントは、例えば、100本の繊維のストランドを組み合わせて約50本のストランドを含有する粗紡糸とするようないくつかの方法で束にすることができる。ガラス繊維の長さは、好ましくは、約1インチから2インチ(25mmから50mm)であり、一般には、0.25インチから3インチ(6.3mmから76mm)であり、繊維の性質はパネルの平面内でふぞろいである。
【0043】
本発明の第3の実施形態においては、芯部が改良された釘打ち適性(固定性能)を有する少なくとも1つの外側の層を有するパネルの多層構造を作製する。
これは、相当量のポリマー球状微粒子を外側の層に組み込むか、水対反応性粉末の比率を芯部の作製で使用するより高い比率で使用することによるか、またはそれらを組み合わせることによって達成する。
【0044】
パネルの芯部の層は、層の厚さ全体にわたって均一に分布するセラミックの空洞球状微粒子、または、ある実施形態においてはセラミックとポリマー球状微粒子の混合物を含有する。第2の実施形態としては、芯部の水対反応性粉末の比率は、ポリマー球状微粒子と同様の効果を与えるためにその比率を調整するこが可能である。
【0045】
しかしながら、芯部は外側の層より強くつくるべきであり、一般に、パネルの芯部がセラミック球状微粒子のみを有するものより優れた釘打ち適性を有しつつ、適切な剪断に対する強さを提供するように使用するポリマー球状微粒子の量または水対反応性粉末の比率を選択するようになっている。
【0046】
芯部層の乾燥成分は、上述の反応性粉末(すなわち、水硬性セメント、硫酸カルシウムα半水和物、ポゾラン、および石灰)、球状微粒子(セラミック単独またはセラミックとポリマー球状微粒子の混合物)、および耐アルカリ性ガラス繊維であり、芯部層の湿体成分は、水および超可塑剤である。この乾燥成分と湿体成分を混ぜ合わせて、本発明のパネル芯部層を製造する。
【0047】
本発明のパネルの芯部層は、好ましくは、乾燥成分の全重量の約49重量%から56重量%の反応性粉末、乾燥成分の全重量の35重量%から42重量%のセラミック球状微粒子、および乾燥成分の全重量の7重量%から12重量%の耐アルカリ性ガラス繊維から、またはこれに代えて、乾燥成分の全重量の約54重量%から65重量%の反応性粉末、乾燥成分の全重量の25重量%から35重量%のセラミック球状微粒子、乾燥成分の全重量の0.5重量%から0.8重量%のポリマー球状微粒子、および乾燥成分の全重量の6重量%から10重量%の耐アルカリ性ガラス繊維から形成される。
【0048】
一般的範囲では、本発明のパネルの多重層の外層または芯部層は、乾燥成分の全重量を基準として、約35重量%から58重量%の反応性粉末、34重量%から49重量%のセラミック球状微粒子、および6重量%から17重量%の耐アルカリ性ガラス繊維から、またはこれに代えて、乾燥成分の全重量を基準として、約42重量%から68重量%の反応性粉末、23重量%から43重量%のセラミック球状微粒子、1.0重量%まで、好ましくは0.2重量%から1.0重量%のポリマー球状微粒子、および5重量%から15重量%の耐アルカリ性ガラス繊維から形成される。乾燥成分に加える水および超可塑剤の量は、個々の製造方法の工程を考慮して必要となる望ましいスラリーの流動性を実現させるように調製される。標準的な水の添加率は、反応性粉末の重量の35%から70%の範囲であり、超可塑剤のそれは、反応性粉末の重量の1%から8%の範囲である。
【0049】
外側の層の乾燥成分は、反応性粉末(水硬性セメント、硫酸カルシウムα半水和物、ポゾラン、および石灰)、セラミック球状微粒子、ポリマー球状微粒子、および耐アルカリ性ガラス繊維であり、外側の層の湿体成分は、水および超可塑剤である。この乾燥成分と湿体成分混ぜ合わせて、本発明のパネルの外側の層が製造される。
【0050】
パネルに優れた固定性能と切断性能を提供するためにポリマー球状微粒子を相当量組み込むパネルの外側の層において、パネルの外側の層におけるポリマー球状微粒子の体積分率は、好ましくは、乾燥成分全体積の7%から15%の範囲内である。本発明のパネルの外側の層は、好ましくは、乾燥成分の全重量の約54重量%から65重量%の反応性粉末、乾燥成分の全重量の25重量%から35重量%のセラミック球状微粒子、乾燥成分の全重量の0.5重量%から0.8重量%のポリマー球状微粒子、および乾燥成分の全重量の6重量%から10重量%の耐アルカリ性ガラス繊維から形成される。
【0051】
一般的範囲では、その外側の層は、乾燥成分の全重量を基準として、約42重量%から68重量%の反応性粉末、23重量%から43重量%のセラミック球状微粒子、1.0重量%までのポリマー球状微粒子、および5重量%から15重量%の耐アルカリ性ガラス繊維から形成される。
【0052】
乾燥成分に加える水および超可塑剤の量は、個々の製造方法の工程を考慮して必要となる望ましいスラリーの流動性を実現させるように調製される。標準的な水の添加率は、反応性粉末の重量の35%から70%の範囲であり(釘打ち適性を改良しようとする場合は60%より多くする)、超可塑剤の添加率は、反応性粉末の重量の1%から8%の範囲である。外側の層の好ましい厚さは、1/32インチから4/32インチ(0.8mmから3.2mm)の範囲内である。外側の層を1つだけ使用する場合、外側層の厚さは、パネルの全厚さの3/8未満とすべきである。
【0053】
芯部および外側の層の両方において、ガラス繊維は、約5μmから25μm(マイクロメートル)、標準的には、約10μmから15μm(マイクロメートル)の直径を有するモノフィラメントである。モノフィラメントは、例えば、100本の繊維のストランドを組み合わせて約50本のストランドを含有する粗紡糸とするようにいくつかの方法で束にされる。ガラス繊維の長さは、好ましくは、約1インチから2インチ(25mmから50mm)であり、一般には、0.25インチから3インチ(6.3mmから76mm)であり、繊維の性質はパネルの平面内でふぞろいである。
【0054】
別の態様において本発明は、これまで説明した剪断耐性のパネルを製造する方法に関するものである。反応性粉末(すなわち、硫酸カルシウムα半水和物、水硬性セメント、活性ポゾラン、および石灰)、および球状微粒子(セラミック単独またはセラミックとポリマー球状微粒子の混合物)の水性スラリーを用意し、次にパネルの型の中で薄い層を析出させ、その間、そのスラリーを短く切り刻んだガラス繊維と組み合わせて、均一に混合した芯部の材料を製造する。
【0055】
第3の実施形態においては、パネルの全部の層(すなわち、芯部および1つまたは複数の外側の層)を同じ方法を使用して形成する。芯部の層に適切な剪断に対する強さを提供しつつ、優れた釘打ち適性を有する外側の層を提供するために、芯部層用の水性スラリーは、セラミック球状微粒子のみまたはセラミックとポリマー球状微粒子の混合物のいずれかを含有し、外側の層用のスラリーは、芯部で使用するより多い量のポリマー球状微粒子を含有する。
【0056】
【発明の実施の形態】
前述のように、強風または地震の負荷によって生ずる剪断力に対する耐性を要求する建築基準を満足させる必要があるところでは、合板および耐水性樹脂でコーティングされた強靱で堅固な構造用外壁パネル(OSB)にとって代わることができる構造用パネルが必要である。
【0057】
そのような性能が必要でないところでは、パネルは剪断力を支えるように設計されないので、紙を上張りした石膏シート、ガラスのマットを上張りした石膏シート、非建造物用のセメントベースのパネル等の通常の被覆パネルを使用することができる。合板およびOSBは剪断荷重に対する必要な性能を提供することができるが、それらは水をかけられたとき寸法の安定性がなく、腐食または虫に攻撃されることもある。さらに、合板およびOSBのパネルを使用するときはかなりの追加の費用をかけてそれらの上にさらなる耐水性のパネルを張って湿気からそれらを護ることが必要である。その後に外装の仕上げ層を塗布することができる。
【0058】
対照的に、本発明のパネルは、耐水性、非燃焼性、寸法安定性、および合板またはOSBの被覆パネルを使用するときに、必要な2つの層に取って代るに十分な強さがあり、化粧漆喰等の外装仕上げ層を新しいパネルに直接塗布することができる。そのパネルは木製パネル用に使用される道具で切断でき、釘またはねじで骨組みに固定することができる。望ましい場合は、凸条および溝条(例えば、「あり」および「あり溝」)の構造法が可能である。
【0059】
本発明のパネルを製造するために使用する主要な出発材料は、硫酸カルシウムα半水和物、セメント、ポゾラン材料、耐アルカリ性ガラス繊維、セラミック球状微粒子、および、ポリマー球状微粒子である。
【0060】
〔硫酸カルシウム半水和物〕
本発明のパネルに使用する硫酸カルシウム半水和物は、天然に存在する鉱物(硫酸カルシウム二水和物:CaSO4・2H2O)である石膏鉱石から製造される。他に指示しない限り、「石膏」とは、硫酸カルシウムの二水和物の形を指す。採掘した後、原料の石膏は、熱処理して無水物である硫酸カルシウムとなるが通常は硫酸カルシウム半水和物CaSO4・1/2H2Oとなる。
【0061】
この半水和物はα半水和物およびβ半水和物と呼ばれる2つの認知された形態を有する。これらは、その物理的性質および価格に基づいて様々の用途に選択される。両方の形とも水と反応して硫酸カルシウムの二水和物を形成する。β半水和物は密度の低いミクロ構造を形成し、低密度の製品向けに選ばれる。α半水和物は、β半水和物によって形成されるものより高い強さと密度を有するより濃密なミクロ構造を形成する。
【0062】
硫酸カルシウムα半水和物、水硬性セメント、ポゾラン、および石灰を本発明に従う量で含有する反応性粉末の混合物が、高品位の長期間の耐久性を有するパネルを生成することが見出されているので、α半水和物は、本発明の被覆パネル用として好ましい。
【0063】
〔水硬性セメント〕
ASTMは、「水硬性セメント」を次のように、すなわち、水との化学的相互作用によって凝結および硬化し、それが水中で可能なセメント、と定義している。建設および建築産業で使用される水硬性セメントにはいくつかのタイプがある。水硬性セメントの例としては、ポルトランドセメント、高炉スラグセメントおよび過硫酸化セメント等のスラグセメント、スルホアルミン酸カルシウムセメント、高アルミナセメント、膨張セメント、白色セメント、急速凝結および硬化セメント等がある。
【0064】
硫酸カルシウム半水和物は、水との化学的相互作用によって凝結および硬化するが、本発明のコンテキストにおいては、水硬性セメントの一般的定義の中には含まれない。前記の水硬性セメントは、全て本発明のパネルを製造するのに使用することができる。水硬性セメントと密接に関係する最も一般的で広く使用されている水硬性セメントは、ポルトランドセメントとして知られている。
【0065】
ASTMは、「ポルトランドセメント」を、通常は、「1つまたは複数の硫酸カルシウムの形を中間付加物として含有する本質的に水硬性ケイ酸カルシウムからなるクリンカー(硬質れんが)を粉砕することによって製造した水硬性セメント」として定義している。
【0066】
ポルトランドセメントを製造するには、石灰石と粘土質岩石および粘土の均質な混合物をキルン(かま)の中で高温に熱してクリンカーを製造し、これを次にさらに処理する。その結果ポルトランドセメントの以下4つの主たる相、すなわち、ケイ酸三カルシウム(3CaO・SiO2、またC3Sとも記す)、ケイ酸2カルシウム(2CaO・SiO2、またC2Sとも記す)、アルミン酸3カルシウム(3CaO・Al2O3、またC3Aとも記す)、およびアルミノ鉄酸4カルシウム(4CaO・Al2O3・Fe2O3、またC4AFとも記す)が生成する。
【0067】
ポルトランドセメント中に少量存在するその他の化合物としては、硫酸カルシウムおよびその他のアルカリ硫酸複塩、酸化カルシウム、酸化マグネシウム等がある。
【0068】
ポルトランドセメントの認定されている様々な等級の中でタイプIIIのポルトランドセメント(ASTMの分類)が、その粉末度によって大きな強さを提供することが見出されているために本発明のパネルを製造するのに好ましい。その他に、高炉スラグセメントおよび過硫酸化セメント等のスラグセメント、スルホアルミン酸カルシウムセメント、高アルミナセメント、膨張セメント、白色セメント、調整凝結セメントおよびVHEセメント等の急速凝結および硬化セメントを含む認定された等級の水硬性セメントおよび別タイプのポルトランドセメント等もまた本発明のパネルを製造するために首尾よく使用することができる。スラグセメントおよびスルホアルミン酸カルシウムセメントはアルカリ性が低く、これらもまた本発明のパネルを製造するには好ましい。
【0069】
〔繊維〕
ガラス繊維は、普通は絶縁材として使用されるが様々な基質の補強材としても使用されている。繊維自身は、それなしでは脆性の破損を受けやすい材料に張力を与える。その繊維も荷重がかかったときは破壊するかもしれないが、ガラス繊維を含有する複合体の通常の破損は、その繊維と連続相材料との間の結合の劣化および破損によって起こる。
【0070】
したがって、補強繊維が長時間複合体の延性と強さを増す能力を保持しなければならない場合は、そのような結合は重要であるといえる。ガラス繊維強化セメントは時間の経過によって強さを失うが、それはセメントが硬化する際に生成する石灰がガラスに影響を与えることに起因することが知られている。
【0071】
そのような影響を克服することが可能な1つの方法は、ガラス繊維をポリマー層等の保護層で被覆することである。一般的にはそのような保護層は、石灰の影響に耐えることができるが、本発明のパネルにおいては強さが減少することが見出されており、したがって、保護層は好ましくない。
【0072】
石灰の影響を制限するもっと費用のかかる方法は、日本電気硝子(NEG)350Y等の特別の耐アルカリ性ガラス繊維(ARガラス繊維)を使用することである。そのような繊維は、基質に対する非常に優れた結合強さを提供することが知られており、したがって、本発明のパネル用として好ましい。
【0073】
そのガラス繊維は、約5μmから25μm(マイクロメートル)、標準的には、約10μmから15μm(マイクロメートル)の直径を有するモノフィラメントである。そのモノフィラメントは、一般に、100本の繊維を合わせてストランドとし、それを束にして約50本のストランドを含有する粗紡糸にする。そのストランドまたは粗紡糸は、一般に、例えば、0.25インチから3インチ(6.3mmから76mm)、好ましくは、1インチから2インチ(25mmから50mm)の適当なモノフィラメントまたはモノフィラメントの束に切り刻む。
【0074】
ガラス繊維と同等の強さは提供しないが、本発明のパネルにあるポリマー繊維を含ませることが可能である。例えば、ポリプロピレン繊維、ポリエチレン繊維、ポリアクリロニトリル繊維、ポリビニルアルコール繊維等のポリマー繊維は、耐アルカリ性ガラス繊維より安価であり、かつ石灰による攻撃を受けにくい。
【0075】
〔ポゾラン材料〕
既述したように、ポルトランドセメントおよびその他の水硬性セメントの殆どは、水和作用(硬化)の間に石灰を生成する。ガラス繊維に対する影響が減少するように石灰と反応することが好ましい。硫酸カルシウム半水和物は、この硫酸カルシウム半水和物がセメント中のトリカルシウムアルミン酸塩と反応して硬化した製品の望ましくないひびが入るエトリンジャイトを形成することもまた知られている。
【0076】
これは当業界ではしばしば「サルフェイトアタック」と称している。そのような反応は「ポゾラン」材料を添加することによって防ぐことができるが、これは、ASTM C618−97では、「・・・それ自身殆どまたは全くセメント状の価値を持たないシリカ質またはシリカ質の材料およびアルミニウムの材料であるが、微細に分割された形で水分の存在するところでは、常温で水酸化カルシウムと化学的に反応してセメント状の特性を有する化合物を形成する」と定義されている。
【0077】
しばしば、使用されるポゾラン材料の1つは、シリカヒューム、すなわち、ケイ素金属およびフェロシリコン合金製造の生成物である微細に分割された無定形シリカである。その特徴としては、非常に高いシリカ含量と低いアルミナ含量を有する。軽石、パーライト、珪藻土、凝灰岩、トラス(trass)、メタカオリン、ミクロシリカ、磨り潰した粒状高炉スラグ、フライアッシュ等を含む様々な天然および人工の材料がポゾラン特性を有すると言われている。
【0078】
シリカヒュームが本発明のパネル用として特に使いやすいポゾランであるが、他のポゾラン材料も使用することができる。シリカヒュームと対比して、メタカオリン、磨り潰した粒状高炉スラグ、および粉砕したフライアッシュはシリカ含量がかなり低く、アルミナ含量が多いが、有効なポゾラン材料になりうる。
【0079】
シリカヒュームを使用するとき、それは反応性粉末(すなわち、水硬性セメント、硫酸カルシウムα半水和物、シリカヒューム、および石灰)の約5重量%から20重量%、好ましくは、10重量%から15重量%を構成する。別のポゾランに置き換える場合、使用量はシリカヒュームと同様の化学的性能を提供するように選択する。
【0080】
〔軽量充填材/球状微粒子〕
2つのタイプの球状微粒子を本発明のパネルでは使用する。それらは、
・セラミック球状微粒子と
・ポリマー球状微粒子である。
【0081】
球状微粒子は、本発明のパネルにおける重要な目的に役立ち、それがないと、パネルは構造用パネルに望まれる場合より重くなる。軽量充填材として使用することによって球状微粒子は、製品の平均密度を低下するのに役立つ。標準的な厚さ1/2インチ、4フィート×8フィート(厚さ12.7mm、1.31m×2.62m)のパネルが、約99ポンド(44.9kg)未満(好ましくは、85ポンド(38.6kg)以下)の重量となるのに十分な少量の球状微粒子の割合の組成物であることが望ましい。球状微粒子が空洞のときは、それらはマイクロバルーンと呼ばれるときもある。
【0082】
セラミック球状微粒子は、様々な材料から異なる製造方法を用いて製造することができる。本発明のパネルの充填材の成分として、様々なセラミック球状微粒子を使用することができるが、本発明の好ましいセラミック球状微粒子は、石炭燃焼の生成物として生成され、また、本発明の好ましいセラミック球状微粒子としては、石炭を燃やす施設で見られるフライアッシュの成分がある。例えば、本発明の好ましいセラミック球状微粒子としては、PQコーポレーション製のExtendospheres−SGがある。
【0083】
本発明の好ましいセラミック球状微粒子の化学組成は、主として約50%から75%の範囲内のシリカ(SiO2)と約15%から40%の範囲内のアルミナ(Al2O3)であり、35重量%までのその他の物質を含む。
【0084】
本発明の好ましいセラミック球状微粒子は、直径が10μmから500μm(マイクロメーター)の範囲内、球殻の厚さが一般的には球の直径の約10%、粒子の密度が、好ましくは、約0.50g/mLから0.80g/mL、を有する空洞の球形粒子である。
【0085】
本発明の好ましいセラミック球状微粒子は、1500psi(10.3MPa)より大きく、好ましくは、2500psi(17.2MPa)より大きい破砕の強さを有する。
【0086】
本発明のパネルにおいてセラミック球状微粒子が好ましいのは、主として、それらが殆どの合成ガラス球状微粒子より約3倍から10倍強いという事実に基づく。加えて、本発明の好ましいセラミック球状微粒子は、熱的に安定であり、本発明のパネルに対して優れた寸法安定性を提供する。
【0087】
セラミック球状微粒子には、接着剤、シーラント、充填剤、屋根用配合物、PVCフローリング、ペイント、産業用充填材、高温耐性を有するプラスチック複合体等一連のその他の利用法が知られている。それらは好ましいものであるが、本発明のパネルに軽量と重要な物理的性質を与えるのは、粒子密度および圧縮の強さであるので、球状微粒子が空洞で球形であることが必須ではないことを理解すべきである。別法として、得られるパネルが望ましい性能を満たすことを前提として、多孔質でふぞろいの粒子に置換することができる。
【0088】
ポリマー球状微粒子もまた殻を有する空洞の球であり、好ましくは、ポリアクリロニトリル、ポリメタクリロニトリル、ポリ塩化ビニルまたはポリ塩化ビニリデン、またはそれらの混合物等のポリマー材料からなる。その球殻は、製造中にポリマーの殻を拡大するために使用したガスを閉じ込めている可能性がある。ポリマー球状微粒子の外側表面は、炭酸カルシウム、二酸化チタン、雲母(mica)、シリカ、タルク等の何らかのタイプの不活性のコーティングを有することができる。
【0089】
そのポリマー球状微粒子は、好ましくは、約0.02g/mLから0.15g/mLの粒子密度を有し、10μmから350μm(マイクロメートル)の範囲内の直径を有する。ポリマー球状微粒子の存在は、低いパネルの密度と優れた切断適性および釘打ち適性という二重の目的達成を容易にすることが発見されている。
【0090】
本発明のパネルは全て従来の大工道具を用いて切断することができるが、ポリマー球状微粒子を含有させると釘打ちに対する抵抗が低下する。これは釘を手で打ち込むときに評価できる性質である。空気式釘打ち装置を使用するときは、パネルの釘打ちに対する抵抗は重要度が低く、そのためパネルの強さは手で釘打ちするパネルより高くすることができる。
【0091】
さらに、セラミック球状微粒子とポリマー球状微粒子の混合物を一定の割合で使用するときは、スラリー(懸濁液)のレオロジー特性の改良およびパネルの乾燥時の曲げ強さの増大に関してシナジー効果が実現されることが発見されている。
【0092】
本発明の第1の実施形態においては、パネルの厚さ全体にわたってセラミック球状微粒子のみを使用する。そのパネルは、好ましくは、約35重量%から42重量%のパネルの厚さ全体に均一に分布しているセラミック球状微粒子を含有する。
【0093】
本発明の第2の実施形態においては、パネルの厚さ全体にわたって軽量のセラミック球状微粒子およびポリマー球状微粒子の混合物を使用する。望ましい性質を実現させるために、本発明の第2の実施形態のパネルにおけるポリマー球状微粒子の体積分率は、好ましくは、乾燥成分の全体積の7%から15%の範囲内であり、その組成物の乾燥成分は、反応性粉末(すなわち、水硬性セメント、硫酸カルシウムα半水和物、ポゾラン、および石灰)、セラミック球状微粒子、ポリマー球状微粒子、および耐アルカリ性ガラス繊維である。ポリマー球状微粒子の量は、既述したように、同様の効果を実現させるために、水対反応性粉末の比率を調整することによって変化させることができる。
【0094】
本発明の第3の実施形態においては、少なくとも1つの外側の層が表面層における釘打ちに対する抵抗を減ずることによって改良した釘打ち適性を有する多層構造をつくる。これは、表面層に水対反応性粉末の高い比率を用いるか、軽量のポリマー球状微粒子の相当量を組み込むか、またはその両方を組み合わせることによって達成させる。
【0095】
そのパネルの芯部は、軽量充填材として芯部層の厚さ全体にわたって均一に分布しているセラミック球状微粒子のみを含有させてもよく、またはこれに代えて、セラミック球状微粒子とポリマー球状微粒子の混合物を使用するか、あるいは本発明の第2の実施形態におけるように水対反応性粉末の比率を調整することもできる。
【0096】
パネル外層中の空洞のポリマー球状微粒子の体積の割合は、好ましくは、パネルの製造に使用する乾燥成分の全体積の7%から15%の範囲内であり、その乾燥成分は、反応性粉末(上で定義したもの)、セラミック球状微粒子、ポリマー球状微粒子、および耐アルカリ性ガラス繊維である。外側の層の好ましい厚さは、1/32インチから4/32インチ(0.75mmから3.2mm)の範囲内である。1つだけの外層を使用する場合は、好ましくは、パネルの厚さ全体の3/8未満である。
【0097】
〔調合物〕
本発明の剪断耐性パネルの製造に使用する成分は、水硬性セメント、硫酸カルシウムα半水和物、シリカヒューム等の活性ポゾラン、石灰、セラミック球状微粒子、ポリマー球状微粒子、耐アルカリ性ガラス繊維、超可塑剤(例えば、ポリナフタレンスルホン酸のナトリウム塩)、および水である。
【0098】
少量の促進剤および/または凝結遅延剤を、生(すなわち未硬化)の材料の凝結特性を制御するために添加することができる。一般的な非限定の添加剤としては、塩化カルシウム等の水硬性セメント用促進剤、石膏等の硫酸カルシウムα半水和物用の促進剤、DTPA(ジエチレントリアミン五酢酸)等の加流遅延材、酒石酸または酒石酸のアルカリ塩(例えば、酒石酸カリウム)、グリコール等の収縮低減剤、同伴ガス等が挙げられる。
【0099】
本発明のパネルは、耐アルカリ性ガラス繊維および球状微粒子がその中に均一に分布する連続相を含む。その連続相は、好ましくは超可塑剤および/またはその他の添加剤を含む反応性粉末(すなわち、硫酸カルシウムα半水和物、水硬性セメント、シリカヒューム等の活性ポゾラン、および石灰)の水性混合物の硬化によってもたらされる。
【0100】
本発明の3つの実施形態すべてにおけるこれら反応性粉末の一般的な重量割合および好ましい重量割合は次の通りである。
【0101】
【表1】
【0102】
石灰は、本発明のすべての調合物には必要としないが、石灰を添加することによって高品位のパネルが提供されることが見出されており、その高品位のパネルには、通常約0.2重量%より多い量が添加されている。したがって、殆どの場合、反応性粉末中の石灰の量は、約0.2重量%から3.5重量%とされる。
【0103】
本発明の第1の実施形態において、その組成物の乾燥成分は、反応性粉末(水硬性セメント、硫酸カルシウムα半水和物、ポゾラン、石灰)、セラミック球状微粒子、および耐アルカリ性ガラス繊維であり、その組成物の湿体成分は、水と超可塑剤である。本発明のパネルを製造するには、その乾燥成分と湿体成分を組み合わせる。
【0104】
セラミック球状微粒子は、パネルの厚さ全体にわたる基板中に均一に分布させる。本発明のパネルは、乾燥成分の全重量の約49重量%から56重量%の反応性粉末、乾燥成分の全重量の35重量%から42重量%のセラミック球状微粒子、および乾燥成分の全重量の7重量%から12重量%の耐アルカリ性ガラス繊維から形成される。
【0105】
一般的範囲においては、本発明のパネルは、乾燥成分の全重量の約35重量%から58重量%の反応性粉末、乾燥成分の全重量の34重量%から49重量%のセラミック球状微粒子、および乾燥成分の全重量の6重量%から17重量%の耐アルカリ性ガラス繊維から形成される。
【0106】
乾燥成分に加える水と超可塑剤の量は、個々の製造方法の工程で考慮すべきことを満足させるために必要となる望ましいスラリーの流動性を提供するのに十分なものとする。水の標準的な添加率は、反応性粉末の重量の35%から60%の範囲内であり、超可塑剤の標準的な添加率は、反応性粉末の重量の1%から8%の範囲内である。
【0107】
ガラス繊維は、約5μmから25μm(マイクロメートル)、好ましくは、約10μmから15μm(マイクロメートル)の直径を有するモノフィラメントである。モノフィラメントは、一般に100本のモノフィラメントを合わせてストランドとし、約50本のストランドの粗紡糸になるように束にされる。ガラス繊維の長さは、好ましくは、約1インチから2インチ(25mmから50mm)、一般には、0.25インチから3インチ(6.3mmから76mm)とする。繊維は、パネルの平面内で等方性の機械的な挙動を提供するふぞろいの性質を有する。
【0108】
本発明の第2の実施形態は、パネルの厚さ全体にわたって均一に分布するセラミック球状微粒子とポリマー球状微粒子の混合物を含有する。パネルにポリマー球状微粒子を組み込むことは、パネルを従来の大工道具で切断または固定する(釘打ちまたはねじ留めする)ことを可能にするために必要な低密度および延性の組合せを実現させるために役立つことが発見されている。加えて、スラリーのレオロジー特性が、組成物中で空洞セラミックとポリマー球状微粒子を組み合わせて使用することによってかなり改良されることも見出されている。
【0109】
したがって、本発明の第2の実施形態において、組成物の乾燥成分は、上記の反応性粉末(水硬性セメント、硫酸カルシウムα半水和物、ポゾラン、および石灰)、セラミック球状微粒子、ポリマー球状微粒子、および耐アルカリ性ガラス繊維とし、組成物の湿体成分は、水および超可塑剤として、この乾燥成分と湿体成分を混ぜ合わせて、本発明のパネルを製造する。
【0110】
優れた固定性能と切断性能を実現させるためには、パネル中のポリマー球状微粒子の体積分率は、好ましくは、乾燥成分の全体積の7%から15%の範囲内とする。
【0111】
本発明のパネルは、好ましくは、乾燥成分の全重量の約54重量%から65重量%の反応性粉末、乾燥成分の全重量の25重量%から35重量%のセラミック球状微粒子、乾燥成分の全重量の0.5重量%から0.8重量%のポリマー球状微粒子、および乾燥成分の全重量の6重量%から10重量%の耐アルカリ性ガラス繊維から形成される。
【0112】
一般的範囲では、本発明のパネルは、乾燥成分の全重量を基準として、約42重量%から68重量%の反応性粉末、23重量%から43重量%のセラミック球状微粒子、0.2重量%から1.0重量%のポリマー球状微粒子、および5重量%から15重量%の耐アルカリ性ガラス繊維から形成される。
【0113】
乾燥成分に加える水および超可塑剤の量は、個々の製造方法の工程で考慮すべきことを満足させるために必要となる望ましいスラリーの流動性を提供するように調製される。標準的な水の添加率は、反応性粉末の重量の35%から70%の範囲であるが、パネルの密度を低下し、釘打ち適性を改良する水対反応性粉末の比率を使用する必要があるときは、60%から70%までより多い、好ましくは、65%から75%とするようになっている。
【0114】
水対反応性粉末の比率は、ポリマー球状微粒子と同様の効果を提供するようにその比率を調整することができるので、どちらかを、または、2つの方法を組み合わせて使用することができる。
【0115】
超可塑剤の量は、反応性粉末の重量の1%から8%の範囲である。ガラス繊維は、約5μmから25μm(マイクロメートル)、好ましくは、約10μmから15μm(マイクロメートル)の直径を有するモノフィラメントである。それらは一般に上記のように、束ねてストランドおよび粗紡糸にする。ガラス繊維の長さは、好ましくは、約1インチから2インチ(25mmから50mm)であり、一般には、0.25インチから3インチ(6.3mmから76mm)である。このガラス繊維は、パネルの平面内で等方性の力学的挙動を提供するふぞろいの性質を有する。
【0116】
本発明の第2の実施形態においてセラミック球状微粒子の一部の代替として上記の量でポリマー球状微粒子を組み込むことは、複合体の乾燥時の曲げ強さを改良するために役立つ(実施例9参照)。加えて、ポリマー球状微粒子によるセラミック球状微粒子の一部の代替は、一定のスラリー流動性を実現させるために必要な水対反応性粉末の比率を低下させる(実施例13参照)。セラミック球状微粒子とポリマー球状微粒子の混合物を含有するスラリーは、セラミック球状微粒子のみを含有するものと比較して高品位の流動挙動(作業性)を有するであろう。このことは本発明のパネルの工業的な処理が優れた流動挙動を有するスラリーを使用する必要があるとき、特に重要である。
【0117】
本発明の第3の実施形態においては、外側の層が改良された釘打ち適性(固定性能)を有する多層構造のパネルを生成する。これは、相当量のポリマー球状微粒子を外側の層に組み込むか、外側の層における水対反応性粉末の比率を増すか、またはそれらを組み合わせることによって達成する。パネルの芯部は、層の厚さ全体に均一に分布するセラミック球状微粒子を含有させ、またはこれに代えて、セラミック球状微粒子とポリマー球状微粒子の混合物を含有させる。
【0118】
芯部層の乾燥成分は、反応性粉末(水硬性セメント、硫酸カルシウムα半水和物、ポゾラン、および石灰)、球状微粒子(セラミック球状微粒子単独またはセラミック球状微粒子とポリマー球状微粒子の混合)、および耐アルカリ性ガラス繊維とし、芯部層の湿体成分は、水および超可塑剤である。
【0119】
この乾燥成分と湿体成分を混ぜ合わせて、本発明のパネルの芯部層を製造する。本発明のパネルの芯部は、乾燥成分の全重量の、好ましくは、約49重量%から56重量%の反応性粉末、35重量%から42重量%の空洞のセラミック球状微粒子、7重量%から12重量%の耐アルカリ性ガラス繊維から、またはこれに代えて、約54重量%から65重量%の反応性粉末、25重量%から35重量%のセラミック球状微粒子、0.5重量%から0.8重量%のポリマー球状微粒子、6重量%から10重量%の耐アルカリ性ガラス繊維から形成される。
【0120】
一般的範囲では、本発明のパネルの芯部層は、乾燥成分の全重量を基準として、約35重量%から58重量%の反応性粉末、34重量%から49重量%のセラミック球状微粒子、6重量%から17重量%の耐アルカリ性ガラス繊維により、またはこれに代えて、約42重量%から68重量%の反応性粉末、23重量%から43重量%のセラミック球状微粒子、1.0重量%まで、好ましくは0.2重量%から1.0重量%のポリマー球状微粒子、5重量%から15重量%の耐アルカリ性ガラス繊維により形成される。
【0121】
乾燥成分に加える水および超可塑剤の量は、個々の製造方法の工程で考慮すべきことを満足させるために必要となる望ましいスラリーの流動性を提供するように調製される。標準的な水の添加率は、反応性粉末の重量の35%から70%の範囲とするが、パネルの密度を低下し、釘打ち適性を改良する水対反応性粉末の比率を使用する必要があるときは60%から70%までとし、超可塑剤の添加率は、反応性粉末の重量の1%から8%の範囲とする。ポリマー球状微粒子によって得られる同様の効果を得るために水対反応性粉末の比率を調製するときは、スラリーの組成物は、所望の性質を有する本発明のパネルを提供するように調製される。
【0122】
外側の層の乾燥成分は、反応性粉末(水硬性セメント、硫酸カルシウムα半水和物、ポゾラン、および石灰)、セラミック球状微粒子、ポリマー球状微粒子、および耐アルカリ性ガラス繊維とし、外側の層の湿体成分は、水および超可塑剤とする。この乾燥成分と湿体成分を混ぜ合わせて、本発明のパネルの外側の層を製造する。パネルに優れた固定性能と切断性能を提供するために空洞のポリマー球状微粒子を相当量パネルの外側の層に組み込む。パネルの外側の層におけるポリマー球状微粒子の体積分率は、好ましくは、乾燥成分全体積の7%から15%の範囲内である。本発明のパネルの層は、好ましくは、乾燥成分の全重量の約54重量%から65重量%の反応性粉末、乾燥成分の全重量の25重量%から35重量%のセラミック球状微粒子、乾燥成分の全重量の0.5重量%から0.8重量%のポリマー球状微粒子、乾燥成分の全重量の6重量%から10重量%の耐アルカリ性ガラス繊維から形成される。
【0123】
一般的範囲では、本発明のパネルの外層は、乾燥成分の全重量を基準として、約42重量%から68重量%の反応性粉末、23重量%から43重量%のセラミック球状微粒子、1.0重量%までのポリマー球状微粒子、5重量%から15重量%の耐アルカリ性ガラス繊維から形成される。
【0124】
乾燥成分に加える水および超可塑剤の量は、個々の製造方法の工程で考慮すべきことを満足させるために必要となる望ましいスラリーの流動性を提供するように調製される。標準的な水の添加率は、反応性粉末の重量の35%から70%の範囲であるが、パネルの密度を低下し、釘打ち適性を改良するために水対反応性粉末の比率を調整するときは60%より多く70%までとし、超可塑剤の添加率は、反応性粉末の重量の1%から8%の範囲とする。外側の層の好ましい厚さは、1/32インチから4/32インチ(0.8mmから3.2mm)の範囲内であり、1つだけ使用する場合の外層の厚さはパネルの全厚さの3/8未満とする。
【0125】
芯部および外側の層において、ガラス繊維は、約5μmから25μm(マイクロメートル)、好ましくは、約10μmから15μm(マイクロメートル)の直径を有するモノフィラメントである。そのモノフィラメントは、一般的には上記のように束にしてストランドまたは粗紡糸にする。その長さは、好ましくは、約1インチから2インチ(25mmから50mm)であり、一般には、0.25インチから3インチ(6.3mmから76mm)である。このガラス繊維は、パネルの平面内で等方性の力学的挙動を提供するふぞろいの性質を有する。
【0126】
〔本発明のパネルの製作〕
水硬性セメント、硫酸カルシウムα半水和物、および球状微粒子を乾燥状態で適当なミキサーで混合される。
【0127】
次に、水、超可塑剤(例えば、ポリナフタレンスルホン酸のナトリウム塩)、およびポゾラン(例えば、シリカヒュームまたはメタカオリン)を別のミキサー内で1分〜5分間混合する。必要な場合は、この段階でスラリーの凝結特性を制御するために凝結遅延剤(例えば、酒石酸カリウム)を添加する。乾燥成分を、湿体成分を含有するミキサーに加えて2分〜10分間混合し、滑らかで均一なスラリーを形成する。
【0128】
そのスラリーは、均一な混合物を得る目的に合わせていくつかの方法でガラス繊維と一緒にすることができる。そのガラス繊維は一般に短い長さに切り刻んだ粗紡糸の形をしたものである。好ましい実施形態においては、スラリーと切り刻んだガラス繊維は、パネルの型に同時に吹き付ける。
【0129】
好ましくは、吹きつけは、特別な模様を持たない均一なパネルまで積み上がった約0.25インチ(6.3mm)までの厚さおよび1/4インチから1インチ(6.3mmから25.4mm)の厚さを有する薄い層を薄い層を生成するため複数の工程で行われる。
【0130】
例えば、1の吹付け作業では、6回の長さ方向および幅方向の吹き付けの工程によって3フィート×5フィート(0.91m×1.52m)のパネルが生成される。各層が堆積したら、スラリーとガラス繊維の緊密な接触が達成されることを確保するためにローラーを使用してもよい。また、これの層は、ローラーがけの後スクリードバー(施工機械用バー)またはその他の手段で水平にならすことができる。
【0131】
一般的にはスラリーを霧化するために圧縮空気を使用する。噴霧ノズルからスラリーが出るとき、当該スラリーは、スプレーガンに備わっているチョッパー機構により粗紡糸から切断されたガラス繊維と混合する。スラリーとガラス繊維の均一な混合物が、上記のようにパネルの型の中で堆積する。
【0132】
本発明の第3の実施形態においては、パネルの外側表面層は、パネルを骨組みに取り付けるために使用する留め金具を容易に打ち込むことができるように、相当量のポリマー微粒子を含有している。そのような層の好ましい厚さは、約1/32インチから4/32インチ(0.8mmから3.2mm)である。パネルの芯部を作製する上記と同じ方法を、パネルの外側の層を吹き付けるのにも使用することができる。
【0133】
スラリーとガラス繊維の混合物を堆積させる別の方法では、パネル製造技術に詳しい人であれば気付くであろう。例えば、各パネルをつくるのにバッチ法を使用するよりも、類似のやり方で連続シートを調製し、材料が十分に凝結した後に、所望の大きさのパネルに切断することができる。
【0134】
例えば、多くの用途において、羽目板においては、パネルは垂直の骨組みに釘打ちまたはねじ留めされる。建築物の下張り床または床の下張り材として使用されるパネル等のある用途においては、パネル、好ましくは、凸条および溝条の構造法によって生成されるが、パネルは、型に嵌めてパネルを生成する際にパネルの端を形作るかまたは使用前にルーター(くり抜き機)で凸条および溝条をカットすることによってつくることができる。その凸条および溝条は、好ましくは、図3および図4に示すように、本発明のパネルの容易に設置できるよう先細にする。
【0135】
【実施例】
〔第1実施例〕
表Aに示す混合組成物を使用して吹付ける方法によってパネルを、型に嵌めて生成した。スラリー密度の測定値は69.8ポンド/立法フィート(1118kg/m3)であった。表Aに示す7.1%の繊維重量割合は、パネル中3%の繊維体積に相当する。注型したパネルは、プラスチックシートで覆い、1週間硬化するままにした。
【0136】
1週間後、そのパネルを型から取り出し、大きさが、曲げ強さの評価用には4インチ×12インチ(101.6mm×304.8mm)、釘引張り力の評価用には6インチ×6インチ(152.4mm×152.4mm)、および側面留め金具抵抗の評価用には4インチ×10インチ(101.6mm×254mm)の試験片に切断した。
【0137】
その試験片を2つの組に分けた。第1の組からの試験片をプラスチックの袋に入れ、湿気条件下で28日間硬化し、試験の前にさらに華氏131度(55℃)のオーブン中で4日間乾燥した。そのオーブンで乾燥した試験片は、63.3ポンド/立法フィート(1013kg/m3)の密度を有することがわかった。ASTM C947による曲げ強さの測定値は、2927ポンド/平方インチ(20.2MPa)であることがわかった。R. Tuomi and W. McCutcheon の論文、ASCE Structural Division Journal、July 1978に記載されているASTM D 1761の修正版によって測定したときの1−5/8インチ(41.28mm)の長さのねじの側面留め金具抵抗は、542.4ポンド(246.5kg)であることがわかった。ASTM C473によって測定した釘引張り力は、729.6ポンド(331.6kg)であることがわかった。
【0138】
第2の組からの試験片をプラスチックの袋に入れ、湿気条件下で28日間硬化し、次に華氏131度(55℃)のオーブン中で4日間乾燥し、最後に、試験前にさらに水中に48時間浸した。その浸した試験片は、72.6ポンド/立法フィート(1162kg/m3)の密度、2534ポンド/平方インチ(178.5kg/cm2)の曲げ強さ、453.2ポンド(206kg)の側面留め金具抵抗、および779.5ポンド(354kg)の釘引張り力を有することがわかった。
【0139】
【表2】
【0140】
〔第2実施例〕
ASTM D1037によって作製したパネルの水中浸漬(55℃のオーブン乾燥の後)の効果を試験し、競争相手の構造用外壁パネル(OSB)および合板パネルの性能と比較した。4インチ×10インチ(101.6mm×254mm)の試験片を水中に24時間浸漬し、その後、各パネルの水の吸収および水膨張を測定した。結果を表Bに示す。
【0141】
【表3】
【0142】
本発明のパネルは、OSBまたは合板のいずれよりずっと少ない水を吸収し、膨張もずっと少なかったことがわかる。したがって、本発明のパネルは、木材をベースとしたパネルが必要とするような水分に対する保護を必要としないはずである。
【0143】
〔第3実施例〕
剪断荷重のもとでのパネルの破損は、留め金具、すなわち、釘またはねじのところで起こり得る。破損に対する抵抗は、第1実施例で記したASTM D1761の修正版によって測定することができる。その試験は被覆パネル試料に取り付ける骨組み部材に荷重を与える。破損にいたる荷重を測定する。本発明のパネルを構造用外壁パネル(OSB)および合板と比較するためにその試験を実施した。結果を表Cに示す。
【0144】
【表4】
【0145】
上の試験の結果は、特に釘を留め金具として使用したとき、本発明のパネルが試験をした構造用外壁パネル(OSB)および合板より破損前に、より大きい荷重に耐えることを示す。
【0146】
〔第4実施例〕
パネルに適用される別の試験では試料のパネルから留め金具を抜き取るために必要な力を測定する。このような試験は、ASTM D1761−88およびAPA試験法S−4によって行った。結果を表Dに示す。
【0147】
【表5】
【0148】
この結果は構造用外壁パネル(OSB)または合板との関連で本発明のパネルが優れたまたは少なくとも同等の性能を提供することを示す。
【0149】
〔第5実施例〕
本発明のパネルの1つの可能性のある用途は、建築物のフローリングパネルである。フローリングパネルの性能は、ASTM E661およびAPA試験法S−1によって測定することができる。厚さが0.75インチ(19.1mm)、大きさが2フィート×4フィート(610mm×1219mm)のパネルを中央の間隔が16インチ(406.4mm)である2インチ×10インチ(50.8mm×254mm)の梁の上に支える。梁と梁の中間に荷重をかけ、破損および欠陥がでるまでの最大荷重を測定する。本発明の3つのパネルの試験を行った。結果を表Eに示す。
【0150】
【表6】
【0151】
APAが評価するスタード−I−フロアパネル(Sturd−I−Floor Panels)の基準は、最大静止荷重が、550ポンド(250kg)、上記衝撃後で400ポンド(181.8kg)である。許容されるたわみは、静止荷重および上記衝撃後の両方とも0.078インチ(1.98mm)である。本発明のパネルは、明らかに優れた性能を示している。したがって、本発明のパネルは、床板の下敷の目的でも使用できるが、それだけではなく、むしろ建築物のフローリングパネルとして使用することができる。
【0152】
〔第6実施例〕
この実施例は、本発明の組成物を使用して作製したパネルの曲げ強さについての老朽化を促進する影響(長期強さ)を説明する。本発明のパネルで得られた老朽化が促進された結果を、従来技術の反応性粉末の混合物を含有する組成物を用いて作製したパネルの性能の促進される老朽化と比較する。
【0153】
従来技術の反応性粉末の混合物は、組成物中に硫酸カルシウムα半水和物を含有していない。表F.1の中で、混合物Aと混合物Bは、本発明の組成物であり、一方、混合物Cおよび混合物Dは、従来技術の反応性粉末を含有する組成物である。上記の4つの反応性粉末の混合物は、次の通りである:
◆ 混合物A: 硫酸カルシウムα半水和物、タイプIIIポルトランドセメント、シリカヒューム、および石灰
◆ 混合物B: 硫酸カルシウムα半水和物、タイプIIIポルトランドセメント、メタカオリン、および石灰
◆ 混合物C: タイプIIIポルトランドセメント、水冷高炉スラグ、およびNSR(従来技術の反応性粉末の混合物);および
◆ 混合物D: タイプIIIポルトランドセメント、およびシリカヒューム(従来技術の反応性粉末の混合物)。
【0154】
混合物Aおよび混合物Bにおいては、スラリーの凝結を遅延させるために反応性粉末(硫酸カルシウムα半水和物、タイプIIIポルトランドセメント、シリカヒューム、および石灰)の全重量の0.07%の割合で酒石酸カリウムを添加した。
【0155】
混合物Cにおいては、オキシカルボン酸をベースにした凝結制御剤(電気化学工業株式会社製)を反応性粉末(すなわち、タイプIIIポルトランドセメント、スラグ、およびNSR)の全重量の0.80%の割合で添加した。NSRは、アルミン酸カルシウムおよび無機硫酸塩からなる収縮性の優れた混和材料で、全体の硬化時間の短縮を補助する。
【0156】
表F.1に示した4つの混合物組成物について、前記の吹付け法を利用して3フィート×5フィート(0.91m×1.52m)のパネルを、型に嵌めて生成した。全てのパネルは、X−Y平面にふぞろいに分布している長さが1.57インチ(40mm)の耐アルカリ性ガラス繊維を含有させた。型に嵌めて生成したパネルは、プラスチックシートで覆い、1週間硬化するままにしておいた。
【0157】
1週間後、そのパネルを型から取り出し、曲げ強さの評価用に、大きさが4インチ×12インチ(101.6mm×304.8mm)の試験片に切断した。各パネルからの試験片を少なくとも6つの組に分けた。その試験片を湿った袋の中で28日間硬化し、さらに華氏131度(55℃)のオーブン中で4日間乾燥した。
【0158】
第1の組からの試験片は、オーブンからそれらを取り出した後、たわみの試験(ASTM C 947)を行った。相当する結果を表F.2に報告する。乾燥したパネルの性能は同等であった。残り5つの組からの試験片は、それぞれ7日、14日、21日、56日、および112日老朽化が促進したときの曲げ強さを測定するためにとっておいた。老朽化の過程を促進するために4インチ×12インチ(101.6mm×304.8mm)の試験片を60℃(華氏140度)の水中に最大112日の持続時間で浸漬した。試験片を異なる時間間隔で取り出し、たわみ試験(ASTM C 947)における破壊係数および最大たわみの試験をした。たわみ試験における最大たわみは、ピーク荷重に対応する試験片荷重点の変位と定義される。混合物Dに属する試験片については、112日の促進老朽化試験は、遂行できなかった。
【0159】
破壊係数(曲げ強さ)保持率の結果を図1Aに示す。本発明の反応性粉末の混合物(混合物Aおよび混合物B)を含有するパネルが、従来技術の反応性粉末を使用して作製したパネルと比較して本質的に優れていたことがわかる。本発明のパネルは、112日の促進老朽化期間の終わりに、始めの強さの80%より多くの破壊係数を保持していた。
【0160】
他方、従来技術の日本の反応性粉末の混合物(混合物C)は、促進老朽化期間の28日未満で始めの強さの殆ど50%を失った。同様に、従来技術のポルトランドセメントとシリカヒュームの混合物(混合物D)によるパネルは、促進老朽化期間の28日未満で始めの強さの殆ど60%を失った。
【0161】
最大たわみ保持率の結果を図1Bに示す。重ねて、本発明の反応性粉末の混合物(混合物Aおよび混合物B)を含有するパネルの性能が、従来技術の反応性粉末の混合物を使用して作製したパネルに本質的に優れていることに気付くことができる。本発明のパネルは、112日の促進老朽化期間の終わりに、始めのたわみの80%より多くの最大たわみ保持率を保持していた。
【0162】
他方、従来技術の反応性混合物(混合物Cおよび混合物D)を使用して作製したパネルは、促進老朽化期間の28日の終わりで著しくもろくなり、始めのたわみのわずか約20%しか保持していなかった。これらの結果から、本発明のパネルは、従来技術の反応性粉末の混合物を使用して製造したパネルとは対照的に、時間が経っても強さと延性を維持するということが結論づけられた。
【0163】
【表7】
【0164】
【表8】
【0165】
〔第7実施例〕
第1実施例に従い、横32インチ縦48インチ(横81.3mm縦121.9mm)、厚さ0.5インチ(12.7mm)の寸法を有する本発明のパネルを作製した。そのパネルは、剪断に対する強さ(またはラッキング強さ)を測定するために、ASTM E72の修正版に従って試験をした。同じ寸法を有する他のパネルは、構造用外壁パネル(OSB)、合板、および本発明のパネルについては、中間のスタッド上に8dの釘で中心から6インチ(152mm)のところに12インチ(304mm)の間隔を置いて釘打ちし、一方、Durock(登録商標)セメントパネル(US Gypsum Company米国ギピス社)については、周辺および中間のスタッドの両方に中心から8インチ(203.2mm)のところに釘打ちした以外は、同じ方法を用いて試験をした。
【0166】
合板パネルとDurock(登録商標)パネルは、繊維の性質がかかる力に対して平行および直角の両方のものについて試験をした。本発明のパネルは、長さ1.57インチ(40mm)の不連続のガラス繊維を3%の公称繊維体積で含有していた。そのパネルは、28日間の乾燥条件下で試験をした。他のパネルもまた試験したときは乾燥条件下であった。
【0167】
その剪断に対する強度試験の結果を図2の棒グラフに示す。本発明のパネルの優れた性能が、特にDurock(登録商標)セメントパネルによって支えられる荷重と比較すると明らかである。
【0168】
〔第8実施例〕
本発明のパネル、Durock(登録商標)外装セメントボード、OSBおよび合板の試料を、ASTM G21に従って耐カビ性の試験を行った。表Gの結果は、本発明のパネルがカビ類の成長を全く支えないことを明白に示している。他方、OSBパネルおよび合板パネルは、カビ類の成長に対して著しく劣る耐性を有する。
【0169】
【表9】
【0170】
〔第9実施例〕
異なる量のセラミック球状微粒子とポリマー球状微粒子を含有し、一定の密度を提供する厚さが半インチ(12.7mm)の6つのパネルを、前述の方法でその手順に従って、型に嵌めて生成した。その6つの混合物の混合割合を表Hに示す。
【0171】
混合物はすべて、スラリーの凝結を遅延させるために反応性粉末(既に定義した)の全重量に基づいて0.07重量%の酒石酸カリウムを含有していた。パネルはすべてX−Y平面にふぞろいに分布する長さが1.57インチ(40mm)のガラス繊維を含有していた。
【0172】
使用したセラミック球状微粒子はPQコーポレーション(PQ Corporation)製のExtendospheres−SGであり、ポリマー球状微粒子は、ピアスアンドスティーブンスコーポレーション(Pierce & Stevens Corporation)製のDualite MS7000であった。
【0173】
表Hもまた、水対反応性粉末の比率がポリマー球状微粒子の含量が増加するのに伴い減少することを示している。パネルは、プラスチックシートで覆い28日間硬化させた。そのあと、横4インチ(101.6mm)縦12インチ(304.8mm)の大きさの10個の屈曲性の試験片をカットし、華氏131度(55℃)に維持したオーブン中で4日間乾燥した。
【0174】
5個の屈曲性の試験片は、オーブン乾燥のすぐ後で試験を行い(28日オーブンで乾燥)、残りは、水中に48時間浸した後試験を行った(28日湿潤)。曲げ試験は、ASTM C947に従って実施した。様々の混合物の結果が表Gの中で比較される。
【0175】
その結果から、オーブン乾燥の曲げ強さは、混合物中のポリマー球状微粒子含量の増加に伴って増加することが明らかである。この観察された増加は、主として繊維と連続相の間の高められた相互作用によるものである。したがって、この実施例は、ポリマー球状微粒子の好ましい範囲においては、複合体の乾燥曲げ強さが増加することを示す。
【0176】
【表10】
【0177】
【表11】
【0178】
〔第10実施例〕
表Jに示す混合物組成物を使用し、吹付け法でパネルを、型に嵌めて生成した。スラリーの凝結を遅延させるため反応性粉末の0.07重量%の割合で酒石酸カリウムを添加した。スラリーの測定密度は、69.8ポンド/立法フィート(1118kg/m3)であった。そのパネルには、X−Y平面にふぞろいで分布する長さが1.57インチ(40mm)のガラス繊維を含有させた。型に嵌めて生成されたパネルは、プラスチックシートで覆い、1週間硬化するままにした。
【0179】
1週間後、そのパネルを型から取り出し、大きさが、曲げ強さの評価用には4インチ×12インチ(101.6mm×304.8mm)、釘引張り力の評価用には6インチ×6インチ(152.4mm×152.4mm)、および側面留め金具抵抗の評価用には4インチ×10インチ(101.6mm×254mm)の試験片に切断した。その試験片を2つの組に分けた。
【0180】
第1の組からの試験片をプラスチックの袋に入れ、湿気条件下で28日間硬化し、試験の前にさらに華氏131度(55℃)のオーブン中で4日間乾燥した。そのオーブンで乾燥した試験片は、63.3ポンド/立法フィート(1013kg/m3)の密度を有することがわかった。ASTM C947による曲げ強さの測定値は、2927ポンド/平方インチ(206kg/cm2)であることがわかった。R.Tuomi and W.McCutcheon の論文、ASCE Structural Division Journal、July 1978 に記載されているASTM D1761の修正版によって測定したときの1−5/8インチ(41.28mm)の長さのねじの側面留め金具抵抗は、542.4ポンド(246.5kg)であることがわかった。ASTM C473によって測定した釘引張り力は、729.6ポンド(331.6kg)であることがわかった。
【0181】
第2の組からの試験片をプラスチックの袋に入れ、湿気条件下で28日間硬化し、次に華氏131度(55℃)のオーブン中で4日間乾燥し、最後に、試験前にさらに水中に48時間浸した。その浸した試験片は、72.6ポンド/立法フィート(1162kg/m3)の密度、2534ポンド/平方インチ(178.5kg/cm2)の曲げ強さ、453.2ポンド(206kg)の側面留め金具抵抗、および779.5ポンド(354kg)の釘引張り力を有することがわかった。
【0182】
【表12】
【0183】
〔第11実施例〕
表Kに示す混合物組成物を使用し、吹付け法でパネルを、型に嵌めて生成した。ポゾランがシリカヒュームであった第10実施例との比較のため、この実施例のパネルを作製するための反応性粉末の混合物に使用したポゾランは、メタカオリンにした。スラリーの凝結を遅延させるため反応性粉末の0.07重量%の割合で酒石酸カリウムを添加した。そのパネルには、X−Y平面にふぞろいで分布する長さが1.57インチ(40mm)のガラス繊維を含有させた。スラリーの測定密度は、67.5ポンド/立法フィート(1081kg/m3)であった。
【0184】
注型したパネルは、プラスチックシートで覆い、1週間硬化するままにした。1週間後、そのパネルを型から取り出し、大きさが、曲げ強さの評価用には4インチ×12インチ(101.6mm×304.8mm)、釘引張り力の評価用には6インチ×6インチ(152.4mm×152.4mm)、および側面留め金具抵抗の評価用には4インチ×10インチ(101.6mm×254mm)の試験片に切断した。その試験片を2つの組に分けた。
【0185】
第1の組からの試験片をプラスチックの袋に入れ、湿気条件下で28日間硬化し、試験の前にさらに華氏131度(55℃)のオーブン中で4日間乾燥した。そのオーブンで乾燥した試験片は、63.7ポンド/立法フィート(1019kg/m3)の密度を有することがわかった。ASTM C947による曲げ強さの測定値は、2747ポンド/平方インチ(193.5kg/cm2)であることがわかった。R. Tuomi and W. McCutcheon の論文、ASCE Structural Division Journal、 July 1978 に記載されているASTM D1761の修正版によって測定したときの1−5/8インチ(41.28mm)の長さのねじの側面留め金具抵抗は、569.2ポンド(258.7kg)であることがわかった。ASTM C473によって測定した釘引張り力は、681.6ポンド(309.8kg)であることがわかった。
【0186】
第2の組からの試験片をプラスチックの袋に入れ、湿気条件下で28日間硬化し、次に華氏131度(55℃)のオーブン中で4日間乾燥し、最後に、試験前にさらに水中に48時間浸した。その浸した試験片は、70ポンド/立法フィート(1162kg/m3)の密度、2545.5ポンド/平方インチ(179.3kg/cm2)の曲げ強さ、588ポンド(267.3kg)の側面留め金具抵抗、および625ポンド(284kg)の釘引張り力を有することがわかった。
【0187】
【表13】
【0188】
〔第12実施例〕
フローリングへの用途の望ましい形としては、パネルの端に凸条及び溝条の型を持たせればよい。好ましい凸条及び溝条の型を図3で図解する。その凸条及び溝条は、下にある骨組みと直角をなす端のパネルとパネルのジョイントでパネルの端の支えとなっている。その凸条及び溝条は、隣接するパネルの端の差異に基づく移動を制限する。その結果、隣接するパネルの間のジョイントは、それがない場合は建築基準によって必要となる飼物なしで作製することができる。
【0189】
その凸条及び溝条は、1つのパネルには溝条を、隣接するパネルには最初のパネルの溝条にはまる対応する凸条を作製して形成させる。厚さ3/4インチ(19.1mm)のパネルの凸条及び溝条の実際の寸法を図4に示す。厚さが1/2インチ(12.7mm)および5/8インチ(15.9mm)のパネルに対しても凸条及び溝条作製することができる。
【0190】
凸条及び溝条は、液体状態のときにパネルをその形に形作ることによってパネルを型に嵌めて作製することができ、または、凸条及び溝条は、型に嵌めて生成して硬化した後にルーター(くり抜き機)で凸条及び溝条にカットすることによってつくることができる。
【0191】
本発明のパネルは、その強さ、延性、および軽量のおかげでその端のところで凸条及び溝条の型を採用することができ、それは次いで従来の工事用留め金具で釘打ちまたはねじ留めすることができる。従来技術によるセメントパネルを補強する繊維では、従来の留め金具で固定することができる凸条及び溝条を有するパネル端を採用するのには重くてもろすぎた。
【0192】
〔第13実施例〕
次の試験結果は、ポリマー微粒子をパネルに添加することまたは水対反応性粉末の比率を増加することの釘打ち適性に対する効果を示す。表Lに示す組成物を使用して厚さ0.5インチ(12.7mm)のパネルを調製した。釘打ち適性は、50本の8ペニー釘(ASTM F1667−97 NLCMSタイプの釘)を打ち込み、それぞれの釘を打ち込むために必要としたハンマー打ちの回数および十分に打ち込むことができずに曲がってしまった釘の数を記録することによって測定した。高い水対反応性粉末の比率を使用するかまたはポリマー球状微粒子を添加したときハンマー打ちの平均回数が減少することが見出された。曲がってしまった釘の数は下の表Mに見られるようにきわだって減少した。
【0193】
【表14】
【0194】
【表15】
【0195】
水対反応性粉末の比率を増加すること(左側の縦の2列を比較)もまた、釘打ち適性を改良する効果を有すると結論づけることができる。したがって、水対反応性粉末の比率の増加を使用してポリマー微粒子で可能な改良を提供することができる。別法として、場合によっては両方の取り組み方を組み合わせることができる。
【0196】
本発明を1つまたは複数の特定の実施形態に関して述べたが、本発明の範囲から逸脱することなく、本発明に様々な変更を加えることができることを、当業者なら理解するであろう。これらの実施形態およびそれらの変形は、前記の特許請求の範囲に入るものと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図1】
(A)および(B)は、第6実施例の試験結果をグラフで示したものである。
【図2】
第7実施例で報告した試験結果の棒グラフである。
【図3】
凸条及び溝条のパネルを示す。
【図4】
図4は、厚さ3/4インチ(19.1mm)のパネルの凸条及び溝条の形状を示す図である。
Claims (48)
- 骨組みに固定されるときに、剪断荷重に耐え得るとともに、補強され、軽量で寸法が安定しているパネルであって、
乾燥状態を基準として、35重量%から75重量%の硫酸カルシウムα半水和物と、20重量%から55重量%の水硬性セメントと、0.2重量%から3.5重量%の石灰と、5重量%から25重量%の活性ポゾランと、を含む反応性粉末の水性混合物の硬化によって得られる連続相を含み、
当該連続相が、耐アルカリ性ガラス繊維で均一に補強され、かつ、均一に分布しているセラミック球状微粒子を含有しているとともに、前記セラミック微粒子が10μmから500μm(マイクロメートル)の平均直径を有することを特徴とするパネル。 - 請求項1に記載のパネルにおいて、
前記パネルが、それぞれ乾燥状態を基準として、
35重量%から58重量%の前記反応性粉末と、
6重量%から17重量%の前記ガラス繊維と、
34重量%から49重量%の前記セラミック球状微粒子と、
から形成されていることを特徴とするパネル。 - 請求項2に記載のパネルにおいて、
前記パネルが、それぞれ乾燥状態を基準として、
49重量%から56重量%の前記反応性粉末と、
7重量%から12重量%の前記ガラス繊維と、
35重量%から42重量%の前記セラミック球状微粒子と、
から形成されていることを特徴とするパネル。 - 請求項1に記載のパネルにおいて、
前記パネルに、さらに10μmから350μm(マイクロメートル)の平均直径を有するポリマー微粒子が均一に分布されていることを特徴とするパネル。 - 請求項4に記載のパネルにおいて、
前記パネルが、それぞれ乾燥状態を基準として、
42重量%から68重量%の前記反応性粉末と、
5重量%から15重量%の前記ガラス繊維と、
23重量%から43重量%の前記セラミック微粒子と、
1.0重量%までの前記ポリマー微粒子と、
から形成されていることを特徴とするパネル。 - 請求項5に記載のパネルにおいて、
前記パネルが、それぞれ乾燥状態を基準として、
54重量%から65重量%の前記反応性粉末と、
6重量%から10重量%の前記ガラス繊維と、
25重量%から35重量%の前記セラミック微粒子と、
0.5重量%から0.8重量%までの前記ポリマー微粒子と、
から形成されていることを特徴とするパネル。 - 請求項1または4に記載のパネルによって芯部を構成する多層パネルであって、さらに少なくとも1つの外側の層を含み、
前記外側の層が、乾燥状態を基準として、35重量%から75重量%の硫酸カルシウムα半水和物と、20重量%から55重量%の水硬性セメントと、0.2重量%から3.5重量%の石灰と、5重量%から25重量%の活性ポゾランと、を含む反応性粉末の水性混合物の硬化によってもたらされる連続相を含み、
当該連続相は、耐アルカリ性ガラス繊維で均一に補強されており、かつ、前記外側の層が、均一に分布され、10μmから350μm(マイクロメートル)の平均直径を有するポリマー微粒子、0.6/1から0.7/1の範囲内の水対反応性粉末の比、または、これらの組み合わせのいずれかに基づいて低減された層密度によって形成され、
前記外側の層の連続相が場合によってセラミック微粒子を含有することを特徴とするパネル。 - 請求項7に記載のパネルにおいて、
前記外側の層が、それぞれ乾燥状態を基準として、
42重量%から68重量%の前記反応性粉末と、
5重量%から15重量%の前記ガラス繊維と、
1.0重量%までの前記ポリマー微粒子と、
23重量%から43重量%の前記セラミック微粒子と、
から形成されていることを特徴とするパネル。 - 請求項7に記載のパネルにおいて、
前記外側の層が、それぞれ乾燥状態を基準として、
54重量%から65重量%の前記反応性粉末と、
6重量%から10重量%の前記ガラス繊維と、
0.5重量%から0.8重量%の前記ポリマー微粒子と、
25重量%から35重量%の前記セラミック微粒子と、
から形成されていることを特徴とするパネル。 - 請求項1に記載のパネルにおいて、
前記パネルが、1/4インチから1インチ(6.3mmから25.4mm)の厚さを有していることを特徴とするパネル。 - 請求項7に記載のパネルにおいて、
前記外側の層が、1/32インチから4/32インチ(0.8mmから3.2mm)の厚さを有していることを特徴とするパネル。 - 請求項1に記載のパネルにおいて、
0.5インチ(12.7mm)の厚さのパネルが、留め金具として8dの共通釘を用い、かつ、当該パネルの周囲における前記共通釘の取り付け間隔が芯々で6インチ(152mm)、中間のスタッドが芯々で12インチ(304mm)の間隔で、ASTM E72の試験法に従い試験したとき、少なくとも720ポンド/フィート(1072kg/m)の剪断率を有することを特徴とするパネル。 - 請求項1に記載のパネルにおいて、
梁間が芯々で16インチ(406.4mm)についてASTM 661およびAPA S−1試験法に従って試験したときの0.5インチ(12.7mm)の厚さのパネルが、静荷重で550ポンド(250kg)より大きい最大負荷能力、衝撃荷重で400ポンド(182kg)より大きい最大負荷能力、および200ポンド(90.9kg)荷重の静荷重および衝撃荷重の両方で0.078インチ(1.98mm)未満のたわみを有することを特徴とするパネル。 - 請求項1に記載のパネルにおいて、
前記セラミック微粒子が、空洞であり、
50重量%から75重量%のシリカと、
15重量%から40重量%のアルミナと、
35重量%までのその他の材料と、
を含むことを特徴とするパネル。 - 請求項4または7に記載のパネルにおいて
前記ポリマー球状微粒子が、ポリアクリロニトリル、ポリメタクリロニトリル、ポリ塩化ビニルおよびポリ塩化ビニリデンからなる一群の少なくとも1つから生成されており、場合によって、炭酸カルシウム、酸化チタン、雲母、シリカ、およびタルクからなる一群から選択される粉末によって覆われていることを特徴とするパネル。 - 請求項1に記載のパネルにおいて、
前記ガラス繊維が、5μmから25μm(マイクロメートル)の直径および0.25インチから3インチ(6.3mmから76mm)の長さを有するモノフィラメントであることを特徴とするパネル。 - 請求項1に記載のパネルにおいて、
前記活性ポゾランが、シリカヒューム、メタカオリン、磨り潰した粒状高炉スラグ、および粉砕フライアッシュからなる一群の少なくとも1つであることを特徴とするパネル。 - 請求項17に記載のパネルにおいて、
前記活性ポゾランが、シリカヒュームであることを特徴とするパネル。 - 請求項17に記載のパネルにおいて、
前記活性ポゾランが、メタカオリンであることを特徴とするパネル。 - 請求項1に記載のパネルにおいて、
4フィート×8フィート、厚さ1/2インチのパネル(1.31m×2.62m、厚さ12.7mm)が、99ポンド(44.9kg)以下の重量を有することを特徴とするパネル。 - 請求項1に記載のパネルにおいて、
水中に48時間浸した後に65ポンド/立法フィート(1041kg/m3)以下の乾燥密度を有するパネルについて、ASTM C947試験により測定したときに、当該パネルの曲げ強さが、少なくとも1700psi(11.7Mpa)であることを特徴とするパネル。 - 請求項1、4、7の何れか一項に記載のパネルにおいて、
パネル同士を隣接させるために当該パネルが、凸条および溝条の構造法によって生成された端を有することを特徴とするパネル。 - 骨組みに固定されるときに、剪断荷重に耐え得るとともに、補強され、軽量で寸法が安定しているパネルを作製する方法であって、
(a)乾燥状態を基準として、35重量%から75重量%の硫酸カルシウムα半水和物と、20重量%から55重量%の水硬性セメントと、0.2重量%から3.5重量%の石灰と、5重量%から25重量%の活性ポゾランと、を含む反応性粉末と、10μmから500μm(マイクロメートル)の平均直径を有する空洞のセラミック微粒子、および前記反応性粉末を基準として35重量%から70重量%の水を含む水性スラリーを調製するステップと、
(b)前記反応性粉末、ガラス繊維、セラミック微粒子、および、前記反応性粉末を基準としてプラス35重量%から70重量%の水を含む堆積物を形成するために、切り刻んだ耐アルカリ性ガラス繊維とともに前記(a)のスラリーをパネルの型の中に堆積させてパネルを形成させるステップと、
を含むことを特徴とする方法。 - 請求項23に記載したパネルを作製する方法において、
前記組合わされた堆積物が、乾燥状態を基準として、
35重量%から58重量%の前記反応性粉末と、
6重量%から17重量%の前記ガラス繊維と、
34重量%から49重量%の前記セラミック微粒子と、
を含むこと特徴とする方法。 - 請求項24に記載したパネルを作製する方法において、
前記組合わされた堆積物が、乾燥状態を基準として、
49重量%から56重量%の前記反応性粉末と、
7重量%から12重量%の前記ガラス繊維と、
35重量%から42重量%の前記セラミック微粒子と、
を含むことを特徴とする方法。 - 請求項23に記載したパネルを作製する方法において、
前記組合わされた堆積物が、さらに10μmから350μmの平均直径を有し、均一に分布されたポリマー微粒子を含むことを特徴とする方法。 - 請求項26に記載したパネルを作製する方法において、
前記組合わされた堆積物が、乾燥状態を基準として、
42重量%から68重量%の前記反応性粉末と、
5重量%から15重量%の前記ガラス繊維と、
23重量%から43重量%の前記セラミック微粒子と、
1.0重量%までの前記ポリマー微粒子と、
前記反応性粉末を基準として、35重量%から70重量%の水と、
を含むことを特徴とする方法。 - 請求項27に記載したパネルを作製する方法において、
前記組合わされた堆積物が、乾燥状態を基準として、
54重量%から65重量%の前記反応性粉末と、
6重量%から10重量%の前記ガラス繊維と、
25重量%から35重量%の前記セラミック微粒子と、
0.5重量%から0.8重量%までの前記ポリマー微粒子と、
前記反応性粉末を基準として、35重量%から70重量%の水と、
を含むこと特徴とする方法。 - 請求項23または26に記載したパネルを作製する方法において、さらに、
(c)乾燥状態を基準として、42重量%から68重量%の前記反応性粉末と、5重量%から15重量%の前記ガラス繊維と、23重量%から43重量%の前記セラミック微粒子と、1.0重量%までの10μmから350μm(マイクロメートル)の平均直径を有するポリマー微粒子と、前記反応性粉末を基準として、35重量%から70重量%の水と、を含む第2の組合わされた堆積物をステップ(b)で形成されたパネルの少なくとも1つの外側表面に対して吹き付けるステップを含むことを特徴とする方法。 - 請求項29に記載したパネルを作製する方法において、
前記第2の組合わされた堆積物が、乾燥状態を基準として、
54重量%から65重量%の前記反応性粉末と、
6重量%から10重量%の前記ガラス繊維と、
0.5重量%から0.8重量%までの前記ポリマー微粒子と、25重量%から
35重量%の前記セラミック微粒子と、
反応性粉末を基準として、35重量%から70重量%の水と、
を含むことを特徴とする方法。 - 請求項23に記載したパネルを作製する方法において、
前記セラミック微粒子が、空洞であり、
50重量%から75重量%のシリカと、
15重量%から40重量%のアルミナと、
35重量%までのその他の材料と、
を含む方法。 - 請求項26または29に記載したパネルを作製する方法において、
前記空洞のポリマー球状微粒子が、ポリアクリロニトリル、ポリメタクリロニトリル、ポリ塩化ビニルおよびポリ塩化ビニリデンからなる一群の少なくとも1つから生成されており、
場合によって、炭酸カルシウム、酸化チタン、雲母、シリカ、およびタルクからなる一群から選択される粉末によって表面が覆われていることを特徴とする方法。 - 請求項23に記載したパネルを作製する方法において、
前記ガラス繊維が、5μmから25μm(マイクロメートル)の直径および0.5インチから3インチ(12mmから76mm)の長さを有するモノフィラメントであることを特徴とする方法。 - 請求項23に記載したパネルを作製する方法において、
前記活性ポゾランが、シリカヒューム、メタカオリン、磨り潰した粒状高炉スラグ、および粉砕フライアッシュからなる一群の少なくとも1つであることを特徴とする方法。 - 請求項34に記載したパネルを作製する方法において、
前記活性ポゾランが、シリカヒュームであることを特徴とする方法。 - 請求項34に記載したパネルを作製する方法において、
前記活性ポゾランが、メタカオリンであることを特徴とする方法。 - 請求項23または26に記載したパネルを作製する方法において、
パネルが凸条および溝条の構造法によって形作られることを特徴とする方法。 - 請求項1に記載のパネルにおいて、
前記水硬性セメントが、ポルトランドセメントであることを特徴とするパネル。 - 請求項23に記載したパネルを作製する方法において、
前記水硬性セメントが、ポルトランドセメントであることを特徴とする方法。 - 請求項23または26に記載したパネルを作製する方法において、
前記組合わされた堆積物が、0.7/1までであって0.6/1より大きい水対反応性粉末の比率を有することを特徴とする方法。 - 請求項29に記載したパネルを作製する方法において、
前記第2の組合わされた堆積物が、0.7/1までであって0.6/1より大きい水対反応性粉末の比率を有することを特徴とする方法。 - 請求項1または4に記載のパネルにおいて、
水対反応性粉末の比率が、0.7/1までであって0.6/1より大きく、かつ、それによって前記パネルの釘打ち適性を改良するために、前記反応性粉末の水性混合物を硬化させて形成されたことを特徴とするパネル。 - 請求項7に記載のパネルにおいて、
前記外側の層における水対反応性粉末の比率が、0.7/1までであって0.6/1より大きく、それによって前記パネルの釘打ち適性を改良するために、当該外側の層が、前記反応性粉末の水性混合物の硬化によって形成されたことを特徴とするパネル。 - 請求項7に記載のパネルにおいて、
前記パネルの芯部が、前記外側の層より高い強さを有することを特徴とするパネル。 - 請求項1、4、7の何れか一項に記載のパネルにおいて、
前記反応性粉末が、0.2重量%から3.5重量%の石灰を含むことを特徴とするパネル。 - 請求項23、26、29の何れか一項に記載のパネルを作製する方法において、
前記反応性粉末が、0.2重量%から3.5重量%の石灰を含むことを特徴とする方法。 - 請求項1、4、7の何れか一項に記載のパネルにおいて、
前記反応性粉末が、
45重量%から65重量%の硫酸カルシウム半水和物と、
25重量%から40重量%の水硬性セメントと、
0.75重量%から1.25重量%の石灰と、
10重量%から15重量%の活性ポゾランと、
を含むことを特徴とするパネル。 - 請求項23、26、29の何れか一項に記載のパネルを作製する方法において
前記反応性粉末が、45重量%から65重量%の硫酸カルシウム半水和物と、
25重量%から40重量%の水硬性セメントと、
0.75重量%から1.25重量%の石灰と、
10重量%から15重量%の活性ポゾランと、
を含むことを特徴とする方法。
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