JP2007126317A

JP2007126317A - 高流動繊維補強モルタルまたはコンクリート混練物、およびその硬化体

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Publication number: JP2007126317A
Application number: JP2005319200A
Authority: JP
Inventors: Komei Matsubara; 功明松原; Takeyoshi Hishiki; 剛啓日紫喜; Toshio Ono; 俊夫大野; Toshimichi Ichinomiya; 利通一宮; Goro Sakai; 吾郎坂井; Shuji Yanai; 修司柳井; Tomoaki Honda; 智昭本田; Naoki Sogabe; 直樹曽我部; Kiminobu Ashida; 公伸芦田; Kazuhiro Aizawa; 一裕相澤
Original assignee: Kajima Corp; Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Kajima Corp; Denka Co Ltd
Priority date: 2005-11-02
Filing date: 2005-11-02
Publication date: 2007-05-24

Abstract

【課題】自己流動性を有する繊維補強セメント系材料において、練り混ぜから打設終了までの間に繊維の分散性が安定して高く維持される混練物を提供する。
【解決手段】以下のように骨材の最大粒径が調整されている高流動繊維補強モルタルまたはコンクリート混練物。（１）平均繊維長５〜２５ｍｍ、密度７〜１０ｇ／ｃｍ³の短繊維が分散混合され、骨材の最大粒径が０.３〜２.５ｍｍであるもの、（２）平均繊維長２５超え〜７０ｍｍ、密度７〜１０ｇ／ｃｍ³の短繊維が分散混合され、骨材の最大粒径が１.２〜２０ｍｍであるもの、（３）平均繊維長５〜２５ｍｍ、密度０.９〜２.６ｇ／ｃｍ³の短繊維が分散混合され、骨材の最大粒径が０.１５〜２.５ｍｍであるもの、（４）平均繊維長２５超え〜７０ｍｍ、密度０.９〜２.６ｇ／ｃｍ³の短繊維が分散混合され、骨材の最大粒径が０.６〜２０ｍｍであるもの。
【選択図】図３

Description

本発明は、繊維補強モルタルまたはコンクリート構造物を構築するための高流動モルタルまたはコンクリート混練物、およびその硬化体に関する。

モルタルおよびコンクリート（以下これらを「セメント系材料」ということがある）の強度や靱性を改善する手法として、セメント系材料中に短繊維を配合させる手法が知られている（特許文献１〜４）。このような繊維補強セメント系材料は曲げ強度および靱性が向上し、硬化後のセメント系材料片の剥落を防止する手段として汎用的に使用されている。

近年、構造物における鉄筋の過密化や部材の薄肉化に伴い、高流動性を有するセメント系材料の要求が高まり、特に振動締め固め作業を必要としない自己充填性モルタルまたはコンクリートを使用するケースが増加しつつある。繊維補強セメント系材料においても高流動性を有するものが開発されている。

特表平９−５００３５２号公報特開平１１−２４６２５５号公報特開２００１−１８１００４号公報特開平９−２９５８７７号公報

繊維補強セメント系材料の場合、材料中の繊維の分散性が重要である。打設後のセメント系材料中において繊維の分散に偏りがあると、所定の特性を満足できる箇所とそうでない箇所が生じ、構造物全体として繊維補強の機能が十分発揮されないことになる。一般にスランプ値によって流動性を管理する普通コンクリートの場合、練り混ぜ段階（混練物の状態）で繊維が十分に分散していれば、運搬から打設の過程において繊維の分散に偏りが生じることは少ない。しかし、自己充填性コンクリートのような高流動性を有するセメント系材料では、混練後の運搬中や打設時に繊維の分散に偏りが生じやすく、しばしば問題となっていた。

自己充填性を有するような高流動モルタルまたはコンクリートにおいて、安定した繊維の分散性を確保することは必ずしも容易ではなく、現時点でまだその技術は確立されていない。
本発明はこのような現状に鑑み、繊維を混合した高流動性のモルタルまたはコンクリートにおいて、混練したのち打設が完了するまでの間に繊維の分散性が安定して高く維持できるものを提供する。

発明者らの詳細な検討によれば、流動性の高いモルタルまたはコンクリートの場合、混練後の繊維の分散性は使用する骨材の最大粒径に大きく依存することが明らかになった。その依存性は混合する繊維の長さや密度（比重）によって大幅に変化するが、発明者らは繊維の長さ、繊維の密度（比重）、および骨材の最大粒径のあいだには繊維の良好な分散性が安定して発揮される範囲が存在することを突き止めた。本発明はこのような知見によって完成したものである。

すなわち本発明では、以下の４つの態様の高流動繊維補強モルタルまたはコンクリート混練物、およびその硬化体が提供される。
（１）平均繊維長５〜２５ｍｍ、密度７〜１０ｇ／ｃｍ³の短繊維が分散混合され、骨材の最大粒径が０.３〜２.５ｍｍに調整されている高流動繊維補強モルタルまたはコンクリート混練物。
特に、平均繊維長１０〜２５ｍｍ好ましくは１０〜２０ｍｍ、密度７.５〜８.０ｇ／ｃｍ³の短繊維が好適な対象となる。
（２）平均繊維長２５超え〜７０ｍｍ、密度７〜１０ｇ／ｃｍ³の短繊維が分散混合され、骨材の最大粒径が１.２〜２０ｍｍに調整されている高流動繊維補強モルタルまたはコンクリート混練物。
特に、平均繊維長２５超え〜５０ｍｍ好ましくは３０〜４５ｍｍ、密度７.５〜８.０ｇ／ｃｍ³の短繊維が好適な対象となる。
（３）平均繊維長５〜２５ｍｍ、密度０.９〜２.６ｇ／ｃｍ³の短繊維が分散混合され、骨材の最大粒径が０.１５〜２.５ｍｍに調整されている高流動繊維補強モルタルまたはコンクリート混練物。
特に、平均繊維長１０〜２５ｍｍ好ましくは１０〜２０ｍｍ、密度０.９〜２.０ｇ／ｃｍ³好ましくは１.０〜１.５ｇ／ｃｍ³の短繊維が好適な対象となる。
（４）平均繊維長２５超え〜７０ｍｍ、密度０.９〜２.６ｇ／ｃｍ³の短繊維が分散混合され、骨材の最大粒径が０.６〜２０ｍｍに調整されている高流動繊維補強モルタルまたはコンクリート混練物。
特に、平均繊維長２５超え〜５０ｍｍ好ましくは３０〜４０ｍｍ、密度０.９〜２.０ｇ／ｃｍ³好ましくは１.０〜１.５ｇ／ｃｍ³の短繊維が好適な対象となる。

ここで、繊維の形状としてはストレート型の他、波形加工やインデント加工を施してセメントマトリクスに対するアンカー効果を向上させたものも適用できる。このような非ストレート型の繊維の繊維長はある２点間の最も長い距離で表される。
種類の異なる２種以上の繊維をブレンドして配合させてもよい。その場合、各種繊維が上記規定範囲内の密度を有する繊維であり、かつ全体の平均繊維長が上記規定範囲内にあることが好ましい。
骨材の最大粒径は、ＪＩＳＡ１１０２に規定されるふるいの中で、骨材の質量の９０％以上が通るふるいのうち、最小寸法のふるいの公称値で表される。

また本発明では上記（１）〜（４）の各混練物において、特にモルタルフロー２００ｍｍ以上またはスランプフロー５００ｍｍ以上の高流動性を有するものが提供される。
ここで、モルタルフローはＪＩＳＲ５２０１に準じて落下運動を加えない方法により求めた値が採用される。またスランプフローはＪＩＳＡ１１５０が採用される。

本発明によれば、使用する繊維の種類に応じて、混練後に繊維の分散性が安定して高く維持される骨材の最大粒径範囲が明らかにされた。その優れた分散性の維持は自己充填性を有するような高流動モルタルやコンクリートにおいて実現される。本発明に従う高流動セメント系材料では高強度材料を使用すれば曲げ強度３０Ｎ／ｍｍ²以上、あるいはさらに４０Ｎ／ｍｍ²といった優れた強度特性を有する硬化体を構築することも可能である。また、繊維の添加を打設直前に行う必然性がなくなり、混練物の製造や運搬方法の制約も従来の繊維補強セメント系材料の場合と比べ大幅に軽減される。
したがって本発明は、繊維補強により曲げ強度や靱性を向上させた高流動モルタルおよびコンクリート、特に自己流動性モルタルおよびコンクリートの実用化に大きく寄与するものである。
なお、上記の曲げ強度は「鋼繊維補強コンクリートの曲げ強度および曲げタフネス試験方法（ＪＳＣＥ−Ｇ５５２−１９９９）」に規定の試験方法に準拠してモルタルの場合４０×４０×１６０ｍｍ、コンクリートの場合１００×１００×４００ｍｍの試験体を用いて測定される値が採用される。

本発明ではセメント系材料中に配合させる繊維の種類に応じて、骨材の最大粒径を規定する。発明者らの検討によれば、高流動性を有するセメント系材料混練物中において繊維の分散性を高く維持するには、個々の繊維（「繊維粒子」という）が骨材粒子の動きに十分追随して移動できることが重要な要因となる。つまり、骨材粒子のサイズが繊維粒子のサイズおよび密度（比重）との関係において適正範囲にあるとき、混練物が流動するときに骨材粒子が効率良く繊維粒子を運ぶことができる。

セメント系混練物の流動中に骨材粒子が繊維粒子を運ぶメカニズムはまだ十分に解明されていないが、骨材粒子の粒径に適正範囲があることについては以下のようなことが考えられる。
骨材粒子のサイズが繊維長に対し小さすぎると繊維粒子を運ぶ（連れて行く）力が繊維粒子に十分に加わらないことにより、繊維粒子は骨材粒子よりも相対的に移動速度が遅くなり、その結果、流動中に繊維の分布状態が場所により不均一になる。
骨材粒子のサイズが繊維長に対し大きすぎると繊維粒子は骨材粒子の隙間に残留しやすくなり、この場合も繊維粒子は骨材粒子よりも相対的に移動速度が遅くなり、その結果、流動中に繊維の分布状態が場所により不均一になる。
骨材粒子のサイズが適正な場合は、骨材粒子の移動に伴って繊維粒子を動かす力が骨材粒子から繊維粒子に働くとともに、骨材粒子の隙間は繊維粒子が滞留するほど小さくないため、動き出した繊維粒子は骨材粒子に連れられて運ばれる。つまり、骨材粒子と繊維粒子の移動速度の差は小さくなり、流動中に繊維の分散性は高く維持される。

種々検討の結果、骨材粒子のサイズについては、最大粒径によってうまく整理することができた。ここでいう最大粒径は前述のように骨材の９０質量％以上が通るふるい最小寸法で表されるものであり、本発明で規定する最大粒径を超える骨材粒子は骨材全体の１０質量％未満の範囲で混入が許容される。

繊維長、繊維径、繊維形状のうち、混練物の流動時に繊維の分散性が高く維持される特性（以下「分散維持性」という）に対しては、繊維長の影響が最も強く出る。平均繊維径が０.１〜１.５ｍｍ程度の範囲では、分散維持性に対する繊維径の有意性は繊維長に比べ非常に小さい。また、波形加工やインデント加工を施したものでも、形状による有意性はあまり認められない。つまり、混練物の分散維持性に及ぼす繊維長、繊維径、繊維形状の寄与は、硬化後のマトリクスに対するアンカー効果への寄与とかなり様子の異なったものであると言える。
ただし、繊維の密度（比重）は混練物の分散維持性に大きく影響する。
このようなことから、繊維に関するパラメーターとしては繊維長と密度を取り上げ、前記（１）〜（４）に示したそれぞれの繊維ごとに最大粒径の適正範囲が定められた。

次に、本発明のモルタルまたはコンクリート混練物を構成する材料について説明する。
〔セメント〕
各種セメントが使用できる。
〔水〕
コンクリート用練り混ぜ水に適合する一般的な水が使用できる。
〔骨材〕
前記（１）〜（４）の各態様に従って粒度調整されていることを除き、その他の性質は一般的なモルタルまたはコンクリートに適合する骨材が使用できる。２種類以上の骨材をブレンドすることも差し支えない。例えばコンクリートの場合には通常のように細骨材と粗骨材を混ぜて使用する。この場合、配合される全骨材について（１）〜（４）の最大粒径が適用される。

〔混和材〕
モルタルまたはコンクリートに使用される公知の混和材が使用できる。例えば、石灰石微粉末、フライアッシュ、シリカフューム、石膏、高炉スラグなどが挙げられる。これらの材料をセメントとプレミックスした製品を前記セメントの代わりに使用することもできる。

〔混和剤〕
セメントを含む微粉末の分散を実現できる混和剤として、例えば、高性能ＡＥ減水剤、高性能減水剤、ＡＥ減水剤などが使用できる。また、混練物中の繊維の分散性を改善する混和剤として、例えば、増粘剤、水中不分離性混和剤などが挙げられる。さらに、コンクリート中の空気量調整剤などが挙げられる。

〔繊維〕
平均繊維径０.１〜１.５ｍｍ好ましくは０.１〜１.１ｍｍ、繊維引張強度１００〜１００００Ｎ／ｍｍ²好ましくは５００〜３０００Ｎ／ｍｍ²の各種繊維が使用できる。平均繊維長および密度については前記（１）〜（４）の各態様における規定に従う。前述のように、２種類以上の短繊維製品をブレンドして使用することも可能である。また、個々の繊維粒子の繊維長が比較的ブロードな分布を持っていても構わない。ただし、質量割合で全繊維粒子の９０％以上の繊維粒子が、前記（１）〜（４）の各態様で許容される平均繊維長の範囲の繊維長を持つことが望ましい。また繊維径に関しても、質量割合で全繊維粒子の９０％以上の繊維粒子が、０.１〜１.５ｍｍ好ましくは０.１〜１.１ｍｍの範囲の繊維径を持つことが望ましい。ここで、繊維径は繊維の長手方向に概ね垂直な断面における最大径である。

前記（１）、（２）の態様に適合する密度の繊維としては、鋼、ステンレス等の金属繊維が挙げられる。これらは表面にめっきその他の防食処理が施されているものを採用することもできる。
前記（３）、（４）の態様に適合する密度の繊維としては、ＰＶＡ、高強力ＰＶＡ、ポリエチレン、高強力ポリエチレン、超高分子量ポリエチレン、ＰＢＯ、ポリプロピレン、ナイロン、アクリル、アラミド、炭素、ガラス等が挙げられる。
繊維の形状は、成形加工されていないストレート型でも有効であるが、波型加工やインデント加工の他、繊維両端部に曲げ加工などの引き抜け防止加工が施された繊維を使用することもできる。さらに断面形状についても、円形のみならず、三日月型や長方形型などの繊維も有効に利用できる。

次に、材料の配合量や、混練物の準備方法について説明する。
〔繊維添加率〕
混練物中への繊維の添加率は、使用する繊維の形状にもよるが、容積換算で０.１〜５.０％の範囲とすることが望ましい。添加率が０.１％未満では、アンカー効果の高い形状に成形加工されたものでも曲げ強度や靱性の向上効果を十分に引き出すことができない。５.０％を超えて多量に添加すると混練物の流動性が阻害され自己充填性を呈するセメント系材料を得ることが難しくなる。

〔他の材料の配合量〕
繊維を除く他の材料の配合量は、既往の高流動モルタルまたはコンクリートの配合に従うことができる。混練物の流動性としては、モルタルフロー２００ｍｍ以上好ましくは２３０ｍｍ以上、あるいはスランプフロー５００ｍｍ以上好ましくは６００ｍｍ以上となるようにすることが望ましい。

〔混練物の準備〕
混練方法は、一般的な高流動モルタルまたはコンクリートの場合に従うことができる。ただ、本発明の混練物は繊維の分散維持性が顕著に改善されているので、繊維の添加時期は従来のようにできるだけ打設直前に行う配慮から解放されるメリットがある。したがって、混練物の準備には以下に示すような多様な方法が採用でき、作業計画の自由度が拡がる。
（方法１）
モルタルまたはコンクリート製造プラントにおいて、上述の材料をすべて一括して練り混ぜる。
（方法２）
モルタルまたはコンクリート製造プラントにおいて、上述の材料のうち繊維以外の材料を練り混ぜ、その後、繊維を全量一括投入して練り混ぜる。
（方法３）
モルタルまたはコンクリート製造プラントにおいて、上述の材料のうち繊維以外の材料を練り混ぜ、その後、繊維を分割投入して順次練り混ぜる。
（方法４）
モルタルまたはコンクリート製造プラントにおいて、上述の材料のうち繊維以外の材料を練り混ぜ、アジテータ車にて打設現場に到着した後、繊維をアジテータ車に一括投入して高速攪拌する。
（方法５）
モルタルまたはコンクリート製造プラントにおいて、上述の材料のうち繊維以外の材料を練り混ぜ、アジテータ車にて打設現場に到着した後、繊維をアジテータ車に分割投入して順次高速攪拌する。

繊維長や密度の異なる８種類の短繊維を用意し、配合する繊維の種類ごとに骨材の最大粒径を種々変化させた高流動繊維補強モルタルまたはコンクリート（セメント系材料）の混練物を作った。使用した材料を表１に、配合を表２（１）〜２（４）に示す。前記（１）〜（４）の態様に相当する繊維と、表２（１）〜２（４）との対応関係は以下のとおりである。
（１）の繊維……表２（１）
（２）の繊維……表２（２）
（３）の繊維……表２（３）
（４）の繊維……表２（４）
混練作業はすべての材料を一括して練り混ぜる方法で行った。

各セメント系材料の混練物について以下のように流動実験を行い、繊維の分散維持性を調べた。
図１に流動実験に用いた木製の型枠（以下「実験型枠」という）の構造を模式的に示す。各枠部材を構成する材料はコンクリートの打設に一般的に使用される木枠（ベニヤ板）と同様のものである。この実験型枠は筒枠１と流動枠２で構成される。筒枠１は内のり寸法が高さ１０００ｍｍ、幅３００ｍｍ、長さ６００ｍｍであり、一部の側面の下端に高さ１００ｍｍ×幅３００ｍｍの開口部３を有している。この開口部３は流動枠２につながっている。流動枠２は高さ１００ｍｍの枠で囲まれ、幅３００ｍｍのまま筒枠１の後端（開口部３の反対側の端部）から３０００ｍｍの位置までまっすぐ伸びている。筒枠１および流動枠２の底面はフラットで、かつ水平に置かれている。

初め、開口部３は仕切り板４によって閉じられている。試料であるセメント系材料の混練物５を筒枠１の中に上部から流し込み、筒枠１を上端まで混練物５で満たす。その後、直ちに仕切り板４を引き上げて開口部３を全開にする。試料はいずれも自己充填性を有するように調製されたものであり、開口部３から流出した混練物５は流動枠２の終端まで到達する。

図２に混練物５の流動が終わってサンプルを回収する段階の実験型枠を模式的に示す。流動枠２の終端から３００ｍｍの位置に仕切り板６を差し込み、仕切り板６より終端側の領域に到達している混練物５を全量（約７Ｌ程度）回収する。また、仕切り板４で開口部３を閉じ、筒枠１の内部に残った混練物５を全量回収する。そして、それぞれの回収された混練物サンプルの質量を測定した後、繊維を洗い出し、各サンプル中に含まれる繊維の質量を測定し、繊維の配合値を単位量（ｋｇ／ｍ³）に換算して求める。

繊維の初期配合値Ｘ₀（ｋｇ／ｍ³）、筒枠１中の配合値Ｘ₁（ｋｇ／ｍ³）、流動枠終端３００ｍｍ以内の配合値Ｘ₂（ｋｇ／ｍ³）から、下記［１］式で表される繊維減少率（％）を求め、繊維の分散維持性を評価した。
繊維減少率＝（Ｘ₁−Ｘ₂）／Ｘ₀×１００ ……［１］
結果を表２（１）〜２（４）、および図３、４に示す。表２（１）〜２（４）では配合値Ｘ₁およびＸ₂をそれぞれ「流し込み口」および「流動先端」と表記して区別してある。
また、各セメント系材料混練物についてモルタルフローあるいはスランプフローを前記の方法で測定した。その結果も表２（１）〜２（４）に示した。

上記の流動実験で評価される繊維減少率が小さいほど、その繊維の分散維持性は良好である。ただし、繊維減少率の適正範囲は使用する繊維の種類によって変動する。一般に密度が小さい繊維を使用した場合ほど繊維減少率は小さく抑えることが望ましく、また平均繊維長が長くなると繊維減少率の許容範囲は多少緩和される。
繊維減少率が適正範囲を超えて大きくなると、当該セメント系材料が硬化した構造物において繊維補強によって見込まれる曲げ強度や靱性が得られない部位が生じる恐れがあり、好ましくない。あるいは、曲げ強度等のレベルを低く見積もった構造設計とする必要があり、その場合は目標の強度レベルに対して過剰量の繊維を使用しなければならず、コスト的に不利となる。

発明者らの詳細な検討の結果、上記流動実験による繊維減少率の適正範囲は、前記（１）〜（４）の態様で使用される各々の繊維について、概ね以下の範囲であると判断された。
〔繊維減少率の適正範囲〕
（１）の繊維：５％以下
（２）の繊維：９％以下
（３）の繊維：２％以下
（４）の繊維：３％以下
これらの適正範囲を満たすものを表２（１）〜２（４）では繊維の分散維持性を○と表示し、図３、４では黒塗りのプロットで示した。

表２（１）〜２（４）および図３、４からわかるように、前記（１）〜（４）で規定した骨材の最大粒径範囲において、繊維減少率が適正となり、繊維の優れた分散維持性を有する高流動セメント系材料混練物が実現される。骨材の最大粒径が上記範囲を外れると、繊維減少率は急激に上昇する。

混練物の流動実験に用いた型枠の構造を模式的に示した斜視図。混練物の流動が終了した段階における図１の型枠を模式的に示した斜視図。表１の繊維Ｆ１〜Ｆ４を用いた混練物について、骨材最大粒径と繊維減少率の関係を示したグラフ。表１の繊維Ｆ５〜Ｆ８を用いた混練物について、骨材最大粒径と繊維減少率の関係を示したグラフ。

符号の説明

１筒枠
２流動枠
３開口部
４仕切り板
５混練物
６仕切り板

Claims

平均繊維長５〜２５ｍｍ、密度７〜１０ｇ／ｃｍ³の短繊維が分散混合され、骨材の最大粒径が０.３〜２.５ｍｍに調整されている高流動繊維補強モルタルまたはコンクリート混練物。
平均繊維長２５超え〜７０ｍｍ、密度７〜１０ｇ／ｃｍ³の短繊維が分散混合され、骨材の最大粒径が１.２〜２０ｍｍに調整されている高流動繊維補強モルタルまたはコンクリート混練物。
平均繊維長５〜２５ｍｍ、密度０.９〜２.６ｇ／ｃｍ³の短繊維が分散混合され、骨材の最大粒径が０.１５〜２.５ｍｍに調整されている高流動繊維補強モルタルまたはコンクリート混練物。
平均繊維長２５超え〜７０ｍｍ、密度０.９〜２.６ｇ／ｃｍ³の短繊維が分散混合され、骨材の最大粒径が０.６〜２０ｍｍに調整されている高流動繊維補強モルタルまたはコンクリート混練物。
当該混練物は、モルタルフロー２００ｍｍ以上またはスランプロフロー５００ｍｍ以上の高流動性を呈するものである請求項１〜４のいずれかに記載の高流動繊維補強モルタルまたはコンクリート混練物。
請求項１〜５のいずれかに記載の混練物が硬化したモルタルまたはコンクリート硬化体。