JP2007507416A - 軽量でひずみ硬化型の脆性複合材料 - Google Patents

Abstract

【課題】
【解決手段】繊維強化軽量コンクリート複合材は、４容量％以下の強化繊維と、粒径の小さな軽量の骨材または気泡を含んでおり、硬化すると高い引っ張り強度とひずみ硬化特性を示す複合材となる。この複合材は土木工学における様々な構造物に利用可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、繊維強化型の脆性無機複合材料に関し、特に、軽量で、引っ張り強度特性を示すセメント材料に関する。

軽量コンクリートには様々なものがあり、一般には熱処理された頁岩、粘土、粘板岩、エキスパンドスラグ、エキスパンドフライアッシュ、多孔性の火山岩の採掘地から採掘された骨材といった軽量の骨材を水硬性複合材に配合してなる。養生したものの重量は通常４００乃至１９００ｋｇ／ｍ^３である。さらに、空気を混入して小さな球状の泡を分散させることにより、気泡を混入させたものとして密度を低くすることができる。P. E. Regan et al.、"Lightweight Aggregate Foamed Concrete"、STRUCTURAL ENGINEERING、Vol.68、No.9、1999年、pp.167-173がある。このような製品には発泡ポリマーのビーズが用いられることもある。

軽量コンクリートは、重量を大幅に減少できるという利点がある。橋梁や建築物の設計では、例えば、重力負荷や耐震重量を減少させると、部材の大きさや基礎強度が減少する。しかしながら、軽量コンクリートは延性に欠けるため使用が限られている。従来のコンクリートは延性が高いことで知られているのに対し、軽量骨材は通常セメント複合材より弱くひび割れが広がってしまうことから、軽量コンクリートはクラッキングや脆性の問題があると言われている。このような軽量の製品では、一般に破断エネルギーは通常のコンクリートの数分の一である。

強化繊維を配合することにより破断強さを向上することができる。しかしながら、従来の繊維強化コンクリートは、引っ張り荷重に対して未だ準脆性、ポストピーク、テンション軟化の特性があり、クラックが増えると耐荷重が減少するものであった。引っ張り応力は低く、通常のコンクリートとほぼ同じで約０．０１％である。繊維強化コンクリートの準脆性を、延性金属に似た延性ひずみ硬化特性に変える努力がなされてきた。多くの場合、このアプローチは繊維の分量を可能な限り増やすものであった。繊維によってその分量は４−１０％に達し、適度なひずみ硬化特性を得ることができた。例えば、ＷＯ９９／５８４６８には、通常の密度の高機能コンクリートであって、非常に硬く細い繊維を含む目の詰まった基質に４％の分量のポリビニルアルコール繊維を配合することにより適度なひずみ硬化を得られることが開示されている。にもかかわらず、引っ張り応力は０．５以下である。

繊維量を増やすと、逆に処理方法に問題が生じる。配合繊維が増えれば増えるほど、混合剤の粘度が増加して均一な分散が困難となる。繊維が多い表面領域や繊維間の機械的相互作用により粘度が上昇し、これもまた処理を困難にさせる。この問題を解消すべく様々な処理技術が提案されており、例えば米国特許５，８９１，３７４がある。

上述したように軽量コンクリートは、通常の密度のコンクリートより脆性が高く、かつ圧縮強さが低い問題がある。コンクリートに多量の強化繊維を軽量骨材とともに配合すると、軽量骨材が強化繊維の均一な分散を妨げ問題となる。軽量コンクリートの引っ張り強度とひずみ硬化特性を向上させる試みが幾つかなされている。しかしながら、このような試みは、繊維のタイプが不適切であったり中間層の結合度が弱いため十分に成功していない。さらに、軽量フィラーのサイズコントロールの重要性はこの分野で認められていなかった。

米国特許４，４０７，６７６には、繊維化しかぎ状となった微少繊維をポリオレフィンフィルムとともに用いて、気泡または多孔質樹脂チャンクを含有する強化セメントモルタルが記載されている。クラックが生じた場合にも、かぎ状の微少繊維とモルタル基質間に機械的な結合が生じ、強いブリッジ力が発生する。この繊維化プロセスでは、しかしながら、様々な寸法の繊維が生じてしまう。直径の小さな繊維は強度が弱く引っ張ると破断してしまうため最終製品の引っ張り強さに限界があり、直径の大きな繊維は結合度に欠けポリオレフィン繊維のポアソン比が高いため基質から抜けやすい。気泡や多孔質樹脂チャンクを用いるため生成された軽量コンクリートは引っ張り応力とひずみ硬化が低いものとなり、圧縮強さが低くなる。

米国特許５，００２，６２０には多層コンクリート構造が開示されており、軽量気泡を含有する繊維強化コンクリートが、高密度な繊維強化コンクリートとともに用いられている。ポリプロピレン繊維とカーボン繊維が有効であると記載されている。しかしながら、カーボン繊維は、ランダムに分散したときに曲げストレスに対して脆く弱いためセメント基質に用いるのに不都合がある。さらに、記載された構造は非等方性が高いのみならず、直列で軽量コンクリートに求められるひずみ硬化特性を得られない。

米国特許５，０３０，２８２には、一方向に配列された連続カーボン繊維を高い重量パーセント密度に適用して軽量化することが開示されている。しかしながら、このような複合材は特別の処理が必要であり、非等方性である。

米国特許６，２０３，６０９には、アルミニウム金属粉とアルカリセメント成分の反応により提供されるポリプロピレン繊維と気泡を含有する軽量コンクリートが開示されている。しかしながら、ひずみ硬化の特性を得ることができない。

現在入手可能なものより物理的特性を向上させた軽量コンクリート材料を提供することが望まれており、特に、破断強さとひずみ硬化特性が高く、軽量で、処理と利用が簡単で、圧縮強さ等の高い物理特性が求められていた。

驚くべきことに、好適には基質相互作用繊維４％以下と、均一に分散される粒径１０μｍ−１０００μｍの骨材（または、孔隙）とにより、軽量の繊維強化コンクリート複合材が開発された。この複合材は密度８００ｋｇ／ｍ^３以下であり、通常で２−３％以上の引っ張り応力と、延性材料のひずみ硬化特性を示す。

図１は、本発明にかかるひずみ硬化型脆性複合材料の一実施例の張力とひずみのカーブを示す図である。 図２は、本発明にかかるひずみ硬化型脆性複合材料のさらなる実施例の張力とひずみのカーブを示す図である。 図３は、本発明にかかるひずみ硬化型脆性複合材料の断面ＳＥＭである。 図４は、図３に示す複合材に刻まれたクラックパターンを示す図である。 図５は、図３に示す複合材のひずみに対するクラック幅を示す図である。 図６は、脆性複合材料のミクロメカニカルモデルの関係を示す概略図である。

本発明の複合材は少なくとも、水硬性セメントまたは無機ポリマーと、短繊維で、強化型の、好ましくは基質相互作用繊維を４容量％以下と、寸法が１０−１０００μｍの範囲の軽量フィラーまたは孔隙を含む。これらの成分は個別に、あるいは１以上の乾燥混合材料の形で供給されてもよい。これらの材料に水を加えて、所望密度の水硬性混合材とする。慣例にしたがい、流動剤、揺変剤、超塑性剤、減水剤、硬化遅延剤、硬化促進剤といった成分や他の成分を追加してもよい。

この水硬性の無機材料は、１以上の公知のセメントまたは無機ポリマーを含んでおり、これが複合剤の脆性基質となる。「水硬性セメント」は、水を加えると固化または硬化することを意味し、限定するものではないがポートランドセメントや、混合ポートランドセメント、膨張セメント、速乾・速硬性セメント、カルシウム・アルミナセメント、マグネシウム燐酸、またはこれらの混合材である。フライアッシュやシリカヒュームといったポゾラン混合剤を混合材に添加してもよい。経済的理由から、本発明では水硬性セメントを用いるのが好ましい。しかしながら、アルミノ珪酸をベースとしたジオポリマーといった無機ポリマーを用いてもよい。

使用する強化繊維は、０．５−４容量％であり、好ましくは１．０−３．０容量パーセントであり、最も好ましくは１．５−２．５容量％である。この繊維の性質は所定の条件を満たす必要がある。例えば、この繊維は強度と弾性係数が高く、複合材へ強い結合度を示すことが必要である。この条件に合わない繊維を条件に合う繊維に混ぜてもよいが、用いない方が好ましい。繊維の長さは４ｍｍ以上であり、一般に３０ｍｍ以下となるよう処理される。この繊維の平均直径は２０−１００μｍであり、より好ましくは３０−６０μｍである。

上記に加え、繊維は強度８００ＭＰａ以上；弾性率１０−３００ＧＰａ、より好ましくは４０−２００ＧＰａ；界面化学結合度（interfacial chemical bonding）が４．０Ｊ／ｍ^２以下、より好ましくは２．５Ｊ／ｍ^２以下、そして好適には、界面摩擦力に応じて、０．１Ｊ／ｍ^２以上、より好ましくは０．３Ｊ／ｍ^２以上；界面摩擦力が０．５−３．０ＭＰａ、より好ましくは０．８−２．０ＭＰａ；界面滑り硬化率（interface slip hardening coefficient）３．０以下、より好ましくは１．５以下である。界面の性状は、A.Katz et. al, "A Special Technique for Determining the Bond Strength of Carbon Fibers in Cement Matrix by Pullout Test"，JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE LETTERS,15, 1996, pp.1821-1823に記載の単一繊維引っ張り試験で求めることができ、残りの性状は繊維業者または標準的な試験方法で求めることができる。「基質相互作用」とは基質の複合的な相互作用をいい、例えば界面化学結合や界面摩擦力である。上記の条件に合う繊維は基質相互作用である。

本発明に使用するのに適切な強化繊維は、例えば芳香族ポリアミド繊維（アラミド繊維）、高弾性率ポリエチレン繊維（例えば、SPECTRA^TM繊維）、ポリビニルアルコール繊維である。このリストは例示であり、限定するものではない。これらの繊維は、好適には極性基であり、より好ましくは親水基であって脆性基質と高度な相互作用を示す（「基質相互作用」である）。例えばポリエステル繊維など通常状態で親水性の繊維は、あまり好ましくない。適切でない繊維の例としては、カーボン繊維、公知のポリプロピレン繊維、セルロース繊維、低密度ポリエチレン繊維、スチール繊維である。コポリマー繊維も利用可能であり、例えば高弾性率ポリエチレン繊維はまた、アクリル酸、無水マレイン酸、フマル酸、２−ヒドロキシエチルアクリレート、ビニルアセテート等の親水性モノマーの残基を含んでいる。このようなモノマーは、エチレンと重合すると、少量使用して繊維の弾性率を確保するのに好適である。好適な繊維は、日本の大阪のクラレ株式会社から入手できるポリビニルアルコールK-II REC^TMであり、名目上は直径３９μｍ、平均長１２ｍｍ、弾性率４２．８ＧＰａ、摩擦力２．０ＧＰａ、化学結合度２．２Ｊ／ｍ^２、滑り硬化率１．２、平均強度１６２０ＭＰａである。

軽量フィラーは粒径１０μｍ乃至１０００μｍ、好ましくは１０μｍ乃至４００μｍ、さらに好ましくは１０μｍ乃至１００μｍであり、好適には８００Ｋｇ／ｍ^３から約２０００Ｋｇ／ｍ^３、好ましくは１０００Ｋｇ／ｍ^３から１９００Ｋｇ／ｍ^３の所望の密度とするのに十分な量とする。この軽量フィラーは例えば４０容量％用いる。

軽量骨材は、従来から軽量コンクリートに用いられているものでよいが、粒径が上記範囲のものとする。この粒径はＡＳＴＭ Ｃ１２５ふるい分析試験で計測する。

この軽量「骨材」は、一部または全部が孔隙であってもよい。この場合の気体は水硬性混合材のプロセス中に、フロッシングやエアレーション等の物理的手段で導入したり、例えばアルミニウム粉末をアルカリ成分で反応させた水素ガスなどで化学的に導入したり、Ｓｉ−Ｈ機能シランをこの環境下で水と反応させて水素を振動させてもよい。気泡のみを軽量骨材として用いる場合、安定剤を追加して気泡の合体を防ぎ、あるいは乾燥密度が約１４００Ｋｇ／ｍ^３以上、好ましくは１５００Ｋｇ／ｍ^３以上となるよう重量％を制限してもよい。互いに合体してある程度以上大きな気泡が生じた場合、複合体の強度、特にひずみ硬化特性が弱まってしまう。気泡は特に他の軽量骨材とともに用いた場合に有用である。この方式によれば気泡の量は小さく抑えられ、気泡同士の合体が最小限となる。例えば、所要密度１３００Ｋｇ／ｍ^３の複合体では、単独で用いる場合に１６００Ｋｇ／ｍ^３以上の密度となるよう十分なガスあるいはガスプレカーソルと、密度を所要範囲に下げるのに十分な軽量フィラーとを追加する。

好適には、軽量フィラーの一部または全部が、孔隙あるいは低密度の人工ビーズかミクロスフェアで構成される。好適なミクロスフェアまたは「微細バルーン」は中空セラミックまたはガラスのミクロスフェアであり、例えば３Ｍ社から商品名「Scotchlite^TM」ガラスバブル、すなわちScotchlite S38として入手可能なものは、密度が３８０Ｋｇ／ｍ^３、サイズ分布が１０−８０μｍ、粒径平均４０μｍであり；Scotchlite S60は、密度が６００Ｋｇ／ｍ^３、寸法分布が１０−６０μｍ、粒径平均３０μｍである。好適なセラミックミクロスフェアは、例えばPQ Corporationから入手可能なExtendospheres^TM、３M社から入手可能なZeospheres^TMである。

ポリマーの微細バルーンも有用なことが証明されている。微細空洞バブル（MHK）を含むポリマーの微細バルーンは、密度１６．７Ｋｇ／ｍ^３、サイズ分布が４０−１２０μｍ、粒径平均が８０μｍのものがドイツ、レイマンのHeidelberger Bauchemie Co., Ltd.から入手可能であり、これはポリビニリデン・クロライド／アクリロニトリル・コポリマーでなる。ポリマーの微細バルーンを選択するにあたり、極性基、親水群、相互作用群を含む脆性基質と相互作用するものが望ましいが、非相互作用の微細バルーンを用いてもよい。様々な種類のポリマーの微細バルーンが市場で入手可能である。

他の発泡剤、例えば発泡ポリオレフィンや発泡ポリスチレン、特に約１００μｍといった大きなサイズのものも有用である。

水硬性セメント、繊維、軽量骨材が所望の密度となるよう十分な水を加える。好適な水の量は、繊維や軽量骨材を含まないセメント１に対して水０．４−０．６である。混合方法は特に重要ではないが、どの場合でも各成分はすべて一度に、すべての成分を同時に、または予め特定の成分を混合した形態で配合するとよい。

軽量フィラーはセメントや他の骨材より遙かに軽いため、分離を防ぐには粘度調整剤が往々にして必要となる。様々な粘度調整剤が市場で入手可能であり、例えばDow Chemical Co.からMethocel^TMセルロースエーテルとして入手可能なヒドロキシプロピルメチルセルロースといった改良セルロースや、ポリビニルアルコールポリマーといった高分子シックナーがある。粘度調整剤の量は有効であればいくらでもよく、通常は０．５−５ｐｐｈ、好適にはセメント成分の重量に応じて約１ｐｐｈである。

減水剤で粘稠度を調整し、後で水を追加するようにすると有用である。このような減水剤または超塑性剤（"superplasticizer"）は、Melement^TM300としてイリノイ州のW. R. Grace & Co.から入手可能なメラミンホルムアルデヒド凝縮液がある。この減水剤の量は、混合剤の特定成分や水の量に応じて変化するが、通常は０．５−５ｐｐｈ、好適にはセメントの量に応じて１−５ｐｐｈである。

本発明の複合材は、水を加えて養生または固化させると、ひずみ硬度特性を有する高強度の軽量脆性基質複合材となる。繊維と軽量骨材を正しく選択することにより、密度が８００Ｋｇ／ｍ^３以下から、上は２０００Ｋｇ／ｍ^３の範囲で他の有用な物理的性状も得ることができる。密度が９００−１６００Ｋｇ／ｍ^３の複合材はすべて極めて驚異的な３％以上の引っ張り応力を示し、さらにこれらの複合材の殆どが、高密度の繊維強化セメントと同等以上の引っ張り強さと圧縮強さを示す。

繊維とフィラーの選択は、繊維と脆性基質と界面領域の機械的相互作用が延性を呈するようミクロメカニカルな視野から決定してもよい。引っ張り強さにかかる繊維強化脆性基質複合材の基本的な条件は、クラッキングが安定した状態で起きることであり、これは外部から一定の張力σ_SSがかかる場合にクラック開口δ_SSを維持しつつクラックの長さが増えることを意味する。D. MarshallとB. N. Cox、"A J-integral Method for Calculating Steady-State Matrix Cracking Stress in Composites"、MECHANICS OF MATERIALS、V. 7、No. 8、1988年8月、pp. 127-133を参照されたい。この現象は以下を満たす場合に発生する：

式（１）において、J'_tipは、例えば３容量％以下といった少ない繊維含有量で基質の耐久性K_m ²/E_mに近づく。σ(δ)は張力とクラック開口の関係を一般化したものであり、外部張力σをかけた場合の非弾性ひずみδを示している。図６は式（１）をσ(δ)プロットに表したものである。外部張力は最大つっぱり力σ₀に拘束されるため、安定状態クラック延伸モードの基質強度には上限が現れる：

このとき、δ₀はσ₀に対するクラック開口である。

クラッキングの安定状態を材料設計で得るには、張力−クラック開口の関係σ(δ)を、各材料のミクロメカニックのパラメータに相関させる必要がある。非連続の短繊維強化セメント複合材では、総合的な分析モデルσ(δ)がV. C. Li、"Post-Crack Scaling Relations for Fiber-Reinforced Cementitious Composites"、ASCEJ. OF MATERIALS IN CIVIL ENGINEERING、V. 4、No. 1、 1992、pp.41-57や；Z. Lin et al.、"On Interface Property Characterization and Performance of Fiber Reinforced Cementitious Composites"、J. CONCRETE SCIENCE AND ENGINEERING、RILEM、Vol. 1、1999、pp.173-184にある。このモデルでは、繊維が質量Ｖ_ｆ、繊維長ｌ_ｆ、直径ｄ_ｆ、弾性率E_f、引っ張り応力σ_fuで特徴づけられる。基質は、破断強さK_m、弾性率E_m、初期クラック分布a₀で特徴づけられる。繊維と基質の相互作用あるいは界面特性は、界面摩擦力τ₀、化学結合度Ｇ_d、すべり硬化係数βで示される。とりわけ、繊維と基質の界面におけるクラックの広がりのエネルギー論は、デボンディングプロセスと与えられた長さの繊維の引っ張り強度を決定するのに用いられ；先に存在する割れ目のランダム特性や繊維のランダムな位置・配向を示すのに統計学を導入する。

上記モデルのパラメータの検討により所望のミクロメカニックの性質を得ることができ、これは複合材のひずみ硬化特性を得るための選択の案内となりうる。通常のセメントペーストの約半分の軽量フィラーの基質のJ'_tipの上限が１Ｊ／ｍ^２と仮定し、所望の製品引っ張り強度が少なくとも２．５ＭＰａ、繊維と界面特性は以下のものが好ましい：繊維強度８００ＭＰａ以上、繊維直径２０−１００μｍ、より好ましくは３０−６０μｍ、繊維の弾性率１０―３００ＧＰａ、より好ましくは４０−２００ＧＰａ、繊維長４−３０ｍｍ、これは処理工程で部分的に束ねられており；界面化学結合が４．０Ｊ／ｍ^２以下、より好ましくは２．５Ｊ／ｍ^２以下、界面摩擦力０．５−３．０Ｍｐａ、より好ましくは０．８―２．０ＭＰａ、界面すべり硬化係数が３．０以下、より好ましくは１．５以下である。

本発明の概要を記載したが、さらなる理解のために特定の実施例を参照するが、これらは単なる例示であって限定するものではない。

実施例１−１０
本発明の説明のために、様々な密度のサンプル複合材を用意する。これらのサンプルはセメント、水、軽量フィラー、砂、粘度調整剤、減水剤、不連続の短繊維を含む。混合比は表１に記載されており、繊維が体積比であるのを除き、他は重量比で示されている。使用するセメントは、米国ミシガン、Lafarge Cement Co.のタイプＩポートランドセメントである。軽量フィラーとして、米国ミネソタ 3M Co.の２種類のScotchlite^TMガラスバブルすなわちＳ３８とＳ６０、およびドイツ、レイマン、Heidelberger Bauchemie Co. Ltd. の微細空洞バブルＭＨＫを使用する。米国ウエストバージニア、Berkeley SpringsのUS Silica Co. からＦ１１０として入手可能な寸法分布が５０−１５０μｍの微細な砂を使用して、複合体の弾性率を向上させる。使用する粘度調整剤はヒドロキシプロピルメチルセルロース（「ＭＣ」）であり、米国ミシガン、MidlandのDow Chemical Co.からMethocal^TMセルロースエーテルとして入手可能である。使用する減水剤は、米国イリノイのW. R. Grace & Co.からMement^TM330として入手可能な超塑性剤である（「ＳＰ」）。日本の大阪のクラレ株式会社から入手可能なK-II REC^TM PVA繊維を複合体の全体積当たり２％使用する。

この混合材を、惑星回転ブレードを備えるホバートミキサにかける。セメント、砂、軽量フィラー、メチルセルロースパウダーを乾燥状態で約１−２分混合し、その後水と超可塑剤を加えてさらに２分混合する。最後に、繊維が完全にセメント基質に分散されるようにゆっくり追加する。この生の混合材をプレキシガラスの型に注ぎ、適度な振動を与える。２４時間後にサンプルを取り出し、室温で水につけ２８日間養生する。サンプルをエアーで乾かした後、これらの物理特性を測定する。

一軸張力試験を行って、複合材の張力特性を評価する。準脆性繊維強化セメントのいくつかは撓み荷重をかけるとひずみ硬化特性を示すが、直接一軸張力試験を行う方が複合材のひずみ硬化特性を評価するのに最も適していると考えられる。この試験片は３０４．８ｍｍ×７６．２ｍｍ×１２．７ｍｍとする。アルミニウムのプレートを試験片の端部に接着して持ちやすくする。試験は、ディスプレースメント制御下で２５ＫＮの能力をもつＭＴＳ装置で行う。負荷レートは０．１５ｍｍ／ｍｉｎである。試験を通して。２つの外部ＬＶＤＴ（線形可変ディスプレースメントトランスデューサー）を試験片の表面に取り付け、ゲージ長さを約１８０ｍｍとしてディスプレースメントを計測する。試験中は、MicroWatcher （日本、オリンパス）で２００倍に拡大してクラック開口を測定する。

直径７５ｍｍ、高さ１５０ｍｍの円筒形の試験片を用いて圧縮テストを行う。負荷レートは０．５０ｍｍ／ｍｉｎであり、ピーク負荷のみを記録する。

試験結果を表２に示し、各混合材サンプルについて密度、引っ張り強度、圧縮強さを含んでいる。各複合材について張力に対する歪みのカーブが図１、図２に示されている。すべての混合材が高いひずみ硬化特性を示している。

混合材１，２，３は砂とセメントが同じ重量比であるが、密度を変えるためガラスバブルＳ３８の容量を変えている。試験結果は、Ｓ３８の量を増やすことにより密度が１．４６ｇ／ｃｍ^３に減っても、最初にクラックが生じる張力、極限張力、引っ張り応力はほぼ変化しなかった。平均の張力許容度は約３．６％に達し、非強化セメントモルタルと比較して０．０１５であり、高密度の繊維強化セメントの０．５％以下である。圧縮強さは密度とともに減少したが；密度１．４６ｇ／ｃｍ^３で３９．２ＭＰａの強度は、密度約２．４０ｇ／ｃｍ^３（２４００ｋｇ／ｍ^３）の典型的な通常の強度のコンクリートの大部分よりまだ高い。

混合材４，５もまた砂を含んでいるが、Ｓ３８の代わりに、粒径の小さいガラスバブルＳ６０を用いている。混合材２と５は同じような密度であり、これら２つの混合材で泡のサイズ分布が異なるが量は同程度であることを示している。混合材５からできる複合材は、混合材２からできる複合材よりも細かい泡組織となる。図１と図２を比較すると、泡のサイズが小さい方が引っ張り応力が高いことが分かる。混合材６，７，８は密度を非常に低くした複合材の群である。テスト結果は、これ以上ガラスバブルの量を増やしても複合材の強度に殆ど効果がないが、引っ張り強度と圧縮強度が大きく減少することを示している。しかしながら、水より密度が低い場合でも、すなわち混合材８でも引っ張り強度は２．８５ＭＰａ、圧縮強度が２１．８ＭＰａと、多くの構造応用例の規格を満たしている。

混合材９は、軽量フィラーとして気泡を用いた実施例である。混合材９の気泡は、ドイツ、レイマン、Heidelberger Bauchemie Co. Ltd.からAddiment^TM LPS A94として入手可能な空気混入剤を用いる。上述したように、本発明で気泡またはバブルを用いる場合には、混合及びハンドリングプロセスにおいて泡の大きさが安定しない問題がある。機械的な力や時間により気泡のサイズ分布が変化し、大きな泡が形成されてしまう。結果として、混合材９の圧縮強度は、同程度の密度の混合材３より大きく減少している。

混合材１０は、軽量フィラーとして重合バブルを用いた実施例である。使用する微細空洞バブルMHKは所望のサイズ分布である。しかしながら、重合バブルはガラスバブルに比べセメント水和物やＰＶＡ繊維に対する結合度が弱く、混合材１０の引っ張り応力は、同程度の密度の混合材１より低くなるが、それでも２％近くに達している。

図３は、混合材６の断面ＳＥＭであり、サイズの小さなガラスバブルＳ６０をランダム分布させたＰＶＡ強化繊維とともに用いることにより細かい細胞構造が形成されている。図４は混合材６のクラックパターンを示し、クラックの間隔は２ｍｍ以下である。図５は、混合材６において、張力に対するクラック開口の広がりを示す図である。他の一般的なＦＲＣではクラック幅はほぼ線形に増加し負荷が下がるまで複合体を変形させるのに対し、最初にクラックが生じたすぐ後に、クラック幅は急速に広がるが、その後他の微細クラックが生じるため約８０μｍで安定する。

本発明の実施例について図示し説明したが、これらの実施例は本発明のすべての形態を図示し説明したものではない。むしろ、本明細書で用いられている用語は説明のためであって限定のためのものではなく、本発明の意図と範囲を超えないで様々な変更が可能であると解すべきである。

Claims (14)

1. 水を加えることにより硬化してひずみ硬化特性を示す水硬性コンクリート複合材において、
   ａ）無機脆性基質プレカーソルと；
   ｂ）平均長が４ｍｍ以上であって、養生した複合材の体積に対し０．５乃至４体積％の強化繊維と；
   ｃ）粒径が１０μｍ−１０００μｍの範囲であって、養生した複合材の密度が約２０００ｋｇ／ｍ^３以下となる分量の１以上の軽量骨材とを具えることを特徴とする複合材。
2. 請求項１の複合材において、前記強化繊維が、平均直径が１０−６０μｍ、平均長が４−３０ｍｍ、強度８００ＭＰａ以上、弾性率１０−３００ＧＰａ、界面化学結合度（interface chemical bonding）４．０Ｊ／ｍ^２、界面摩擦力０．５−３．０ＭＰａ、界面すべり硬化係数（interface slip hardening coefficient）が３．０以下の重合強化繊維を含むことを特徴とする複合材。
3. 請求項１の複合材において、前記軽量骨材が、平均直径１０−１００μｍの微細バルーンを含むことを特徴等する複合材。
4. 請求項３の複合材において、前記微細バルーンが、ガラスまたはセラミックまたはポリマーの壁を有することを特徴とする複合材。
5. 請求項１の複合材において、前記脆性無機基質プレカーソルが水硬性セメントまたは無機ポリマーを含むことを特徴とする複合材。
6. 請求項１の複合材において、前記脆性無機基質プレカーソルがポートランドセメントを含むことを特徴とする複合材。
7. 請求項１の複合材において、セメント重量１に対し１．０−３．０の量の有機繊維と、水を加えて養生したときの密度が８００−１９００ｋｇ／ｍ^３となるのに十分な軽量骨材とを含むことを特徴とする複合材。
8. 請求項１の複合材において、前記強化繊維は、高密度ポリエチレン繊維、ポリビニルアルコール繊維、ポリアミド繊維のグループから選択されることを特徴とする複合材。
9. 請求項１の複合材において、前記繊維が極性基または親水基を含むことを特徴とする複合材。
10. 請求項１の複合材において、前記軽量骨材の少なくとも一部が気体の入った孔隙を含むことを特徴とする複合材。
11. 請求項１の複合材において、前記ガスの入った孔隙を含んでおり、水を加え養生させて硬化した複合材の密度が１４００−１９００ｋｇ／ｍ^３であることを特徴とする複合材。
12. 繊維強化軽量コンクリート構造体であって、請求項１の複合材に水を加えて水硬性複合材とし、これを養生した繊維強化脆性基質複合材を含むことを特徴とする構造体。
13. 請求項９の複合材において、密度が８００−１２００ｋｇ／ｍ^３であり、２％以上の引っ張り強度を示すことを特徴とする複合材。
14. 請求項９の複合材において、密度が９００−１６００ｋｇ／ｍ^３であり、３．０％以上の引っ張り強度を示すことを特徴とする複合材。

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