JP2005089198A

JP2005089198A - コンクリート補強用短繊維とその製造方法

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Publication number: JP2005089198A
Application number: JP2003320750A
Authority: JP
Inventors: Masami Sato; 正美佐藤; Tsuneo Ishikawa; 常夫石川; Tsuneo Ochi; 恒男越智; Seisuke Okubo; 誠介大久保
Original assignee: Sango Co Ltd; Sango KK
Current assignee: Sango Co Ltd; Sango KK
Priority date: 2003-09-12
Filing date: 2003-09-12
Publication date: 2005-04-07
Anticipated expiration: 2023-09-12
Also published as: JP3777373B2

Abstract

【課題】コンクリートとの付着力が大きく、分散性が良好でかつ補強効果の高いコンクリート補強用短繊維を提供する。
【解決手段】コンクリート補強用短繊維１は、再生ポリエチレンテレフタレートを押出成形した後、延伸加工を行ってモノフィラメントを形成し、このモノフィラメントに対しエンボス加工を行うことにより形成される。コンクリート補強用短繊維１は、芯軸部２と突起部３とから構成され、突起部３によって芯軸部２の外周には凹凸部４が形成される。芯軸部２の扁平率Ｗ／ｔ₁は３〜６、アスペクト比Ｌ／ｄは４０〜１００に設定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、土木、建築分野にて使用され、打込みコンクリートの強度、靭性を補強する目的でコンクリート内に混入されるコンクリート補強用の短繊維に関し、特に、廃ペットボトル等を再生利用可能な合成樹脂製のコンクリート補強用短繊維に関する。

従来より、コンクリート構造物には、引張強度や曲げ強度、ひび割れ強度、靱性、耐衝撃性等を改善すべく、用途に応じて種々の補強材が使用されている。この補強材としては、炭素鋼を素材とする鋼繊維(steel fiber)やガラス繊維、合成繊維等の無機材料や有機物繊維から製造された化学短繊維などが広く使用されている。
特開平７−１０６１９号公報特開平１０−１９４８０２号公報

ところが、鋼繊維を補強材として混入させた強化コンクリートでは、コンクリート吹き付けの際に鋼繊維が跳ね返り、作業環境上好ましくないという問題がある。また、鋼繊維補強コンクリートでは、鋼繊維がコンクリート表面から露出し、そこから錆が生じるという問題もある。

これに対し、化学短繊維は跳ね返りも少なく錆の問題はないが、疎水性の素材を使用した場合、セメントとの付着力が低いという問題がある。例えば、化学短繊維として多く用いられているポリプロピレン短繊維は、疎水性のためセメント付着力が弱く、繊維表面にプラズマ照射や親水基界面活性剤を塗布するなどの処理が予め必要となる。この場合、ポリビニルアルコール等の親水性の合成樹脂を使用すればかかる問題は生じないが、反面、素材によっては（例えば前述のポリビニルアルコール）、温水にて加水分解し易いという別の問題が生じる。

また、化学短繊維は比重が水よりも小さいため、それ自体がスラリー上に浮上して分散しにくいという問題もある。従って、コンクリート付着力を改善すべく親水基界面活性剤を塗布した短繊維は、それによって確かに補強効果は高まるものの、コンクリートとの混練の際や打設時には、短繊維が表面に浮かないように細心の注意が必要となる。

さらに、化学短繊維を用いてさらに補強効果を高めるためには、より断面積が大きく全長の長いアスペクト比の大きな短繊維を使用する必要がある。ところが、このような高アスペクト比の繊維は非常に縺れ易いため、ファイバーボールを形成しコンクリート中に均一に分散しにくいという問題がある。加えて、従来の合成樹脂製化学短繊維はバージン材を素材として製造されているため、製造コストが非常に高価になりコストパフォーマンス上問題がある。

本発明の目的は、コンクリートとの付着力が大きく、分散性が良好でかつ補強効果の高いコンクリート補強用短繊維を提供することにある。また、本発明の他の目的は、製造コストが安く、取り扱いが容易かつ安全であり、流動性に優れコンクリート中に均一に分散し易いコンクリート補強用短繊維を提供することにある。

本発明のコンクリート補強用短繊維は、合成樹脂にて形成された芯軸部と、前記芯軸部と一体に前記芯軸部の外周に形成された突起部とを有してなることを特徴とする。また、本発明の他のコンクリート補強用短繊維は、合成樹脂にて形成された芯軸部と、前記芯軸部の外周に形成された凹凸部とを有してなることを特徴とする。

これらのコンクリート補強用短繊維は、芯軸部の外周に形成した突起部や凹凸部により、コンクリートとの付着性が向上する。また、合成樹脂製のためコンクリート吹き付けの際の跳ね返りや錆の問題がなく、取り扱いが容易でかつ安全性にも優れている。

前記コンクリート補強用短繊維において、前記合成樹脂として、再生ポリエチレンテレフタレートを用いても良い。これにより、廃ペットボトルなどの生活廃棄物を有効利用して、比重が比較的高く、親水性に優れながら加水分解を受けにくいポリエチレンテレフタレートをコンクリート補強用短繊維に適用できる。このため、コンクリートの曲げ強度や曲げ靱性などの改善に優れた効果を発揮する補強用短繊維を比較的安価にて得ることができる。

前記コンクリート補強用短繊維において、前記短繊維の全長を５ｍｍ〜１００ｍｍとしても良い。また、前記芯軸部の換算直径を０.２ｍｍ〜２ｍｍとしても良い。さらに、前記芯軸部の厚さを０.２ｍｍ〜１０ｍｍとしても良い。

また、前記コンクリート補強用短繊維において、前記芯軸部の幅をＷ、厚さをｔとすると、その扁平率Ｗ／ｔを３〜６としても良く、これにより、コンクリート中における分散性が向上する。さらに、前記短繊維の全長をＬ、前記芯軸部の換算直径をｄとすると、そのアスペクト比Ｌ／ｄが４０〜１００としても良く、これにより、コンクリート中における短繊維の分散・配向性が向上する。

一方、本発明のコンクリート補強用短繊維の製造方法は、再生ポリエチレンテレフタレートを押出成形した後、延伸加工を行ってモノフィラメントを形成し、前記モノフィラメントに対しエンボス加工を行うことにより、外周に凹凸部を備える短繊維を形成することを特徴とする。

前記コンクリート補強用短繊維の製造方法において、前記モノフィラメントを、再生ポリエチレンテレフタレートをノズル孔から溶融状態で押し出した後冷却し、軸方向に加熱状態で延伸して成形するようにしても良い。また、前記短繊維を、前記モノフィラメントを一対のエンボスロール中を通した後、それを所定長さに切断することにより成形するようにしても良い。

本発明のコンクリート補強用短繊維によれば、合成樹脂にて形成された芯軸部の外周に突起部や凹凸部をしたことにより、コンクリートとの付着性が向上すると共に、コンクリート吹き付けの際の跳ね返りや錆の問題がなく、取り扱いや作業安全性の改善を図ることが可能となる。従って、通常のコンクリートに比して引張強度や曲げ強度、ひび割れ強度、靱性、耐衝撃性などに優れた繊維補強コンクリートを安全かつ容易に得ることが可能となる。

また、本発明のコンクリート補強用短繊維では、再生ポリエチレンテレフタレートを用いることにより、廃ペットボトルなどの生活廃棄物を有効利用して、比重が比較的高く、親水性に優れながら加水分解を受けにくいポリエチレンテレフタレートをコンクリート補強用短繊維に適用し、コンクリートの曲げ強度や曲げ靱性などの改善に優れた効果を発揮する補強用短繊維を比較的安価にて得ることが可能となる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例であるコンクリート補強用短繊維（以下、短繊維と略記する）の構成を示す斜視図、図２は図１の短繊維の矢視Ａ方向の側面図である。図１の短繊維１は、合成樹脂にて形成された芯軸部２の外周に突起部３を複数形成した構成となっている。芯軸部２と突起部３は一体に形成され、両者は共にペットボトル等から生成された再生ポリエチレンテレフタレート（以下、再生ＰＥＴと略記する）にて形成されている。

図１に示すように、突起部３は芯軸部２の上下に一定間隔で突設されている。すなわち、突起部３によって芯軸部２の外周には凹凸部４が形成されている。芯軸部２は、幅Ｗが１ｍｍ，厚さｔ₁が０.５ｍｍに形成され、突起部３は、幅Ｗが１ｍｍ，高さｔ₂が０.５ｍｍ，長さｌが１ｍｍ，設置ピッチＰ₁が２ｍｍに形成されている。ここで、当該短繊維１では、芯軸部２の扁平率Ｗ／ｔ₁は２に形成されている。この扁平率Ｗ／ｔ₁はコンクリート中における短繊維１の分散性に関係しており、発明者らの実験によれば、それを良好に維持するには３〜６の範囲が好ましい。

また、当該短繊維１では、芯軸部２の換算直径ｄ（外周長の等しい円の直径ｄ＝２（Ｗ＋ｔ₁）／π）は、２（１＋０.５）／π＝０.９５に形成されている。この換算直径ｄも短繊維１の分散性に関係しており、発明者らの実験によれば、０.２ｍｍ〜２ｍｍの範囲であることが分散性向上には好ましい。なお、厚さｔ₁は０.２ｍｍ〜１０ｍｍの範囲内に設定することが好ましい。

短繊維１の全長Ｌは３０ｍｍに形成されている。短繊維１の全長Ｌは、分散性の観点から５ｍｍ〜１００ｍｍであることが好ましい。また、全長Ｌと芯軸部２の換算直径ｄとの比であるアスペクト比Ｌ／ｄは、コンクリート補強効果や分散性に関係しており、発明者らの実験によれば、Ｌ／ｄが４０〜１００であることが好ましい。この場合、アスペクト比が４０未満のものはコンクリート補強効果が低くなる。一方、アスペクト比が１００を超えるものはコンクリート中における分散性が低下する。

次に、短繊維１の製造方法について説明する。図３は、短繊維１の製造工程を示す説明図である。まず、短繊維１の素材としては、使用済みペットボトルから再生された再生ＰＥＴが使用される。この再生ＰＥＴは、使用済みペットボトルを高能率、高純度にて洗浄した後、粉砕（フレーク化）又は粉砕後に溶融押出加工を行ってペレット化したものであり、化学的にはポリエステルそのものである。ポリエステルは、機械的強度や耐熱、耐食、耐候性に優れており、繊維補強コンクリート用の短繊維としては優れた素材のひとつである。ここでは、再生ＰＥＴのうちでも、使用済みペットボトルを２回以上超音波洗浄等にて洗浄処理を行った純度の非常に高いフレークを使用する。なお、成形性と機械的強度を改善するため、紡糸の過程において必要に応じ、液結晶ポリマや結晶化促進剤を適宜（例えば５％）添加したペレットを使用しても良い。

このような再生ＰＥＴからまず繊維状のモノフィラメントを形成する。再生ＰＥＴは、押出成形機にて、例えばシリンダ温度２５０〜２８０℃、ノズル温度２６０〜２８０℃にて溶融され、ダイスの複数のノズル孔から溶融状態で押し出される。押し出された樹脂は冷却バスにて一旦冷却され、その後、延伸バスに送られ、熱風オーブン式延伸法にて一軸延伸加工される。ここでは、延伸温度１６５℃、延伸倍率４.５にて延伸加工が行われ、これにより引張強度が高められ、直径０.７５ｍｍの円形断面のモノフィラメントが形成される。なお、延伸倍率は４〜７.５が好ましい。また、生成されたモノフィラメントに親水基界面活性剤を塗布し、より親水性の良好なモノフィラメントとすることもできる。

このようにして形成されたモノフィラメントは、液結晶ポリマを添加せず延伸処理を施さない再生ＰＥＴよりも引張強度が大幅に向上する。表１は当該短繊維１に使用されるモノフィラメント（実施例１）の引張強度を他の比較例と共に示した表である。表１に示すように、実施例１の再生ＰＥＴは、液結晶ポリマを添加せず延伸処理を施さない再生ＰＥＴ（比較例１）の６倍以上の引張強度を有している。

紡糸，熱延伸処理によりモノフィラメントを生成した後、繊維状のモノフィラメントはエンボス加工された後にカットされ、図１のような短繊維１に加工される。図３に示すように、モノフィラメント１２は巻戻機１１に巻装され、第１ピンチロール１３を介してエンボス加工部２１に送られる。エンボス加工部２１には、上下のエンボスロール１４ａ,１４ｂが設けられており、モノフィラメント１２は両ロール１４ａ,１４ｂの間に引き込まれる。図４は、エンボスロール１４ａ,１４ｂの構成を示す説明図である。エンボスロール１４ａ,１４ｂの外周には、突起部３の設置ピッチＰ₁に対応して、ピッチＰ₁にて成形歯２３が形成されている。エンボスロール１４ａ,１４ｂの間には間隙Ｇが設けられており、両ロール１４ａ,１４ｂの成形歯２３はこの間隙Ｇを挟んで対向している。

モノフィラメント１２は間隙Ｇに引き込まれ、図４の矢印方向に送られる。これにより、成形歯２３がモノフィラメント１２に食い込み、芯軸部２と突起部３が形成され凹凸部４が生まれる。間隙Ｇの寸法は適宜設定可能になっており、その調整により、芯軸部２や突起部３の寸法、扁平率Ｗ／ｔ₁が決定される。エンボスロール１４ａ,１４ｂを通過することにより、円形断面のモノフィラメント１２が扁平率３〜６の扁平型に成形され、コンクリートへの分散性向上が図られる。

エンボスロール１４ａ,１４ｂを出たモノフィラメント１２は、第２ピンチロール１５にてさらに切断部２２に送られる。切断部２２には、回転式カッタ１６とダイス１７が設けられている。図５は、回転式カッタ１６の刃部の構成を示す説明図である。回転式カッタ１６の外周には、短繊維１の全長Ｌに対応して、ピッチＰ₂（＝Ｌ；３０ｍｍ）にて切断刃２４が形成されている。切断刃２４は、ダイス１７のエッジ部２５に若干の隙間をあけて対向している。

第２ピンチロール１５から切断部２２に送られてきたモノフィラメント１２は、ダイス１７のエッジ部２５にて、回転式カッタ１６の切断刃２４によりカットされる。これにより、全長Ｌが３０ｍｍの短繊維１が形成される。切断刃２４の下方には受箱１８が設けられており、回転式カッタ１６によって次々に切断形成される短繊維１はこの受箱１８に収容される。

このようにして得られた再生ＰＥＴ短繊維１について、コンクリート補強用化学短繊維として市販されているポリプロピレン短繊維及びポリビニルアルコール短繊維と物性を比較した。表２は、これらの短繊維の耐アルカリ性を評価試験した結果を示しており、濃度１％のアルカリ溶液（NaOH）に６０℃加温下にて１２０時間浸漬した後の引張強度の変化と、アルカリ溶液浸漬前後の強度保持率（引張強度の変化率）を示している。また、表３は、前記短繊維の親水性の評価試験結果であり、濡れ性を評価する濡れ張力試験用混合液の試薬濃度を３０.０〜４５.０％に変化させた場合の親水性状態を示している。

このように再生ＰＥＴ短繊維１は親水性が高いため、特に親水基界面活性剤を塗布しなくともコンクリートとの付着力を確保できる。また、耐アルカリ性も大きいため、コンクリート中において十分な補強強度を維持できる。さらに、再生ＰＥＴは比重も比較的大きいため、浮上による分散性の低下も抑制される。すなわち、再生ＰＥＴはコンクリート補強用化学短繊維として優れた物性を示す。従って、年間３５万トンとも言われる廃ペットボトルをリサイクル使用してコンクリート補強用化学短繊維を製造すれば、新生ポリエチレンテレフタレートに比して安い材料費にて高性能の短繊維を生産できると共に、生活廃棄物の有効利用が図られ環境保全にも資することができる。

また、本発明の短繊維１は、芯軸部２の外周に突起部３を複数形成して凹凸部４を設けたので、材料面での優位性に加えて、コンクリートとの付着性の点においても優れた効果を有している。さらに、モノフィラメントを扁平型に押し潰した形態となっているので、丸形のモノフィラメントに比して、コンクリート中における分散性が高い。この際、扁平率を前述のように設定することにより、分散性がより向上する。

加えて、アスペクト比を前述のように設定することにより、コンクリート中における短繊維の分散・配向性を向上させることができる。このため、短繊維１をコンクリートに混入するに当たり絡み合いが生じにくく、ファイバーボール発生が抑えられ、コンクリート中に短繊維１が均一に分散する。

本発明は前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、短繊維１の凹凸形状や芯軸部２の形状は、図１のような形態には限られない。図６〜９は短繊維１の変形例を示す説明図である。図６の変形例では、突起部３が上下に互い違いに設けられている。図７の変形例では、突起部３が芯軸部２の四方に軸方向で位置をずらしながら設けられている。図８の変形例では、突起部３が芯軸部２の四方同位置に設けられている。図９の変形例では、芯軸部２の断面形状が三角形となっている。なお、図６〜９の変形例はあくまでも変形例の一部であり、突起部３の配置や芯軸部２の形状はこの他にも種々の形態が採用し得る。

また、突起部３自体の形状も図１のような直方体形状には限られず、軸方向の断面を台形や円弧形状などに形成しても良い。さらに、短繊維１全体を波形に成形したり、折れ線形やくの字形などに形成することも可能である。加えて、突起部３の設置ピッチＰ₁も一定ではなく、不等ピッチに形成しても良い。

本発明の一実施例であるコンクリート補強用短繊維の構成を示す斜視図である。図１のコンクリート補強用短繊維の矢視Ａ方向の側面図である。図１のコンクリート補強用短繊維の製造工程を示す説明図である。エンボスロールの構成を示す説明図である。回転式カッタの刃部の構成を示す説明図である。図１のコンクリート補強用短繊維の一変形例を示す説明図である。図１のコンクリート補強用短繊維の他の変形例を示す説明図である。図１のコンクリート補強用短繊維の他の変形例を示す説明図である。図１のコンクリート補強用短繊維の他の変形例を示す説明図である。

符号の説明

１コンクリート補強用短繊維
２芯軸部
３突起部
４凹凸部
１１巻戻機
１２モノフィラメント
１３第１ピンチロール
１４ａエンボスロール
１４ａ両ロール
１５第２ピンチロール
１６回転式カッタ
１７ダイス
１８受箱
２１エンボス加工部
２２切断部
２３成形歯
２４切断刃
２５エッジ部

Claims

合成樹脂にて形成された芯軸部と、前記芯軸部と一体に前記芯軸部の外周に形成された突起部とを有してなることを特徴とするコンクリート補強用短繊維。
合成樹脂にて形成された芯軸部と、前記芯軸部の外周に形成された凹凸部とを有してなることを特徴とするコンクリート補強用短繊維。
請求項１または２記載のコンクリート補強用短繊維において、前記合成樹脂は、再生ポリエチレンテレフタレートからなることを特徴とするコンクリート補強用短繊維。
請求項１〜３の何れか１項に記載のコンクリート補強用短繊維において、前記短繊維の全長が５ｍｍ〜１００ｍｍであることを特徴とするコンクリート補強用短繊維。
請求項１〜４の何れか１項に記載のコンクリート補強用短繊維において、前記芯軸部の換算直径が０.２ｍｍ〜２ｍｍであることを特徴とするコンクリート補強用短繊維。
請求項１〜５の何れか１項に記載のコンクリート補強用短繊維において、前記芯軸部の厚さが０.２ｍｍ〜１０ｍｍであることを特徴とするコンクリート補強用短繊維。
請求項１〜６の何れか１項に記載のコンクリート補強用短繊維において、前記芯軸部の幅をＷ、厚さをｔとすると、その扁平率Ｗ／ｔが３〜６であることを特徴とするコンクリート補強用短繊維。
請求項１〜７の何れか１項に記載のコンクリート補強用短繊維において、前記短繊維の全長をＬ、前記芯軸部の換算直径をｄとすると、そのアスペクト比Ｌ／ｄが４０〜１００であることを特徴とするコンクリート補強用短繊維。
再生ポリエチレンテレフタレートを押出成形した後、延伸加工を行ってモノフィラメントを形成し、前記モノフィラメントに対しエンボス加工を行うことにより、外周に凹凸部を備える短繊維を形成することを特徴とするコンクリート補強用短繊維の製造方法。
請求項９記載のコンクリート補強用短繊維の製造方法において、前記モノフィラメントは、再生ポリエチレンテレフタレートをノズル孔から溶融状態で押し出した後冷却し、軸方向に加熱状態で延伸して成形されることを特徴とするコンクリート補強用短繊維の製造方法。
請求項９又は１０記載のコンクリート補強用短繊維の製造方法において、前記短繊維は、前記モノフィラメントを一対のエンボスロール中を通した後、それを所定長さに切断することにより成形されることを特徴とするコンクリート補強用短繊維の製造方法。