JP2008526665A - 繊維強化セメント系軽量パネル - Google Patents

Abstract

居住用および他の建造物の構造タイプにおける、ルーフィング要素、サイディング要素、フレーミングおよびシーシング要素、ならびに床仕上げ材取付け用の基材要素などの用途における建造物コンポーネントとして使用するための特に優れた靭性を有する繊維強化セメント系軽量パネル。該パネルは、無機結合剤、ＰＶＡ繊維および軽量フィラーの水性混合物を硬化して生成する連続相を用いる。無機結合剤は、例えば、水硬性セメント単独、または水硬性セメントとポゾランの組合せ、または水硬性セメント、α半水和物、活性ポゾランおよび任意選択の石灰の組合せでよい。該ＰＶＡ繊維は、該連続相を強化し、該複合材全体にランダムに分布する。本発明の代表的なパネルは、６０〜８５ｐｃｆの密度を有する。
【選択図】図２

Description

発明の詳細な説明

［発明の分野］
本発明は、強化用として選択した特性を有するポリビニルアルコール（ＰＶＡ）繊維を用いたために曲げ靭性が著しく改良された、居住用および他の建造物の構造タイプにおける、ルーフィング要素、フレーミングおよびシーシング要素、サイディング要素、ならびに床仕上げ材取付け用の基材要素としての用途に適した軽量パネルに全般的に関する。より詳細には、本発明は、ひょうまたは他の物体から受ける衝撃荷重に耐えることができるパネルに関する。

［発明の背景］
セメント系パネルは、居住用および／または商用構造物の内壁および外壁を形成するために建設業界において使用されている。こうしたパネルの利点には、標準の石こうベースのウォールボードに比較して、耐湿性を有する点が含まれる。しかし、そうした従来のパネルの欠点は、合板や配向ストランドボード（ＯＳＢ）など、木材ベースのパネルより優れていないまでも匹敵し得る程度の十分な曲げ靭性がないことである。

耐用年限内の建築構造物は、多様な衝撃荷重（例えば、ひょう害、あるいはトルネードやハリケーンにより建造物にぶつかる物体からの損傷）を受ける。必ずしもすべての建造物用シージングパネルが、そうした衝撃荷重に耐えるほどの十分な靭性を有しているわけではない。耐衝撃荷重性を実際に示す必要がある場合、シーシングパネルを測定して、該パネルが破損なく耐え得る衝撃度を決定する。

本明細書で特徴づけられている曲げ靭性は、４点曲げ荷重を受けた供試体についての曲げ荷重対たわみ曲線下の全面積に等しいものとして測定される。

曲げ靭性は、ＡＳＴＭ Ｃ９４７試験方法により４点曲げ荷重を受けた曲げ供試体についての荷重対たわみ曲線下の全面積として測定される。

大きな曲げ靭性を実現する木材ベースのパネルは、通常、接着剤で一緒にした木材片からなる合板または配向ストランドボード（ＯＳＢ）である。このようなパネルは、曲げ靭性を提供し得るが、いずれも可燃性であり、水に曝露するとそれに対する耐性もない。水硬性セメントから作製したパネルは、耐水性となるであろうが、木材パネルよりはるかに重く、曲げ靭性が不十分である。合板または配向ストランドボード（ＯＳＢ）の欠点を回避しつつ、本発明の曲げ靭性を提供し得るパネルは現在入手不可能であると考えられる。

さらには、建設環境において合板およびＯＳＢと同様な機能を有するように構成したセメント系パネルに対する必要条件とは、該パネルが、釘打ち可能であり、従来の鋸および他の従来の大工道具を用いて切断または加工し得ることを意味する。セメント系構造用パネルが低密度で持ち運びが容易であることも望ましい。

該パネルは、木材切断に用いる丸のこで切断可能であるべきである。
該パネルは、釘またはねじを用いて枠に固定可能であるべきである。
該パネルは、水への曝露に対して寸法安定性であるべきであり、すなわち、膨張が可能な限り小さく、好ましくは、ＡＳＴＭ Ｃ１１８５による測定をしたときに０．１％未満であるべきである。
該パネルは、生分解性であるべきではなく、または昆虫または腐敗の攻撃を受けるべきではない。
該パネルは、外部仕上げシステムに対して結合可能な基材を提供すべきである。

２８日間硬化させた後、ＡＳＴＭ Ｃ９４７試験による測定をしたときに、６０ｌｂ／ｆｔ^３（９６１ｋｇ／ｍ^３）〜７５ｌｂ／ｆｔ^３（１２００ｋｇ／ｍ^３）の密度を有する厚さ０．５インチ（１２．７ｍｍ）のパネルの曲げ強度は、少なくとも７５０ｐｓｉ（５．２ＭＰａ）であり、好ましく１０００ｐｓｉ（６．９ＭＰａ）を超える。

現在入手可能なセメントベースおよび木材ベースの製品および複合材は、上記の性能特徴の一部を満足するが、全部を満足しないことは明らかであろう。詳細には、改良されたセメントベースパネルに対する必要性が存在し、該パネルは、軽量であり、曲げ靭性が改良され、難燃性および耐水性を提供することにより現行のセメントベースおよび木材ベースの能力を超えるものである。

ガラス繊維は、セメントを強化するために使用されているが、時間とともに強度が減少することが知られている。というのは、該ガラスは、養生セメント中に存在する石灰により攻撃されるからである。これは、ガラス繊維をコーティングすることにより、または特殊な耐アルカリガラスを用いることによりある程度までは緩和し得る。金属繊維、木材もしくは他のセルロース繊維、炭素繊維、またはポリマー繊維などの他の繊維もセメントを強化することが示唆されている。第１０欄第１〜６行には、「このような繊維は、ガラス繊維と等しい強度を提供するものではないが、本発明のパネル中にいくつかのポリマー繊維を含むことが可能である。そうしたポリマー繊維、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリアクリロニトリルおよびポリビニルアルコール繊維は、耐アルカリガラス繊維よりも安価であり、石灰による攻撃を受けない。」とある。

参照により本明細書に組み込まれているＢｏｎｅｎの米国特許第６，２４１，８１５号には、バッカーボード又はパネルなどの建設材料において使用するための一組成物が開示され、それは、高性能コンクリート、パッチング材料、ジョイント化合物などと置換することができ、硬化可能な硫酸カルシウム、好ましくは半水和物、ポルトランドセメント、微粉砕ポゾラン材料、石灰および骨材を含み、任意選択で他の添加剤を含む。骨材と、硫酸カルシウム、ポルトランドセメント、ポゾラン材料および石灰（セメント系の結合剤）を組み合わせたものの体積比は、２／１以上である。この組成物から作製したパネルは、寸法安定性が良好であるので特に水に曝露するとき有用である。

Ｓｃｈａｅｆｅｒらの米国特許第４，１９９，３６６号には、材料の全体積に対して少なくとも２体積％の量のポリビニルアルコールの短い繊維を含む繊維強化セメント様材料が開示されている。このような繊維は、破断時に約４〜８％の伸びを示し、１３０ｇ／ｄｔｅｘを超える剛性率である。該材料の調製方法も開示されている。Ｇｏｒｄｏｎらの米国特許第４，３０６，９１１号には、繊維強化水硬性材料の製造方法が開示されている。Ｍｅｉｅｒらの米国特許第４，３３９，２７３号には、繊維強化水硬性組成物の製造方法、製造した組成物およびその使用が開示されている。Ｖｏｎｄｒａｎの米国特許第５，２９８，０７１Ａ号には、水和可能セメント粉末中の同時粉砕繊維均一分散物を含む繊維−水和可能セメント組成物が開示されている。Ｓｈａｈらの米国特許第６，５２８，１５１号には、セメント、水、水溶性結合剤、ならびに比較的短く不連続な強化繊維、好ましくはポリビニルアルコールの短い繊維を混合して押出し成型可能な混合物を提供し、次いで該混合物を押出し成型し、該セメントを硬化することにより作製した押出し成型繊維強化セメントマトリックス複合材が開示されている。Ｃｈｅｙｒｅｚｙらの米国特許第６，７２３，１６２Ｂ１号には、セメントマトリックス、コンクリートセメントマトリックスおよびプレミックス中に分散した有機繊維を含むコンクリートが開示されている。その実施例の一部では、ポリビニルアルコール繊維を用いる。Ｌｉらの米国特許出願公開第２００２／００１９４６５号には、自己充填性であり、ポリマー増粘剤および流動化剤を含むセメント組成物に親水性ポリマー繊維を加えることにより調製し得る短い繊維で強化したセメント系複合材が開示されている。ＮｅｌｓｏｎらのＪ．Ｍａｔ．Ｃｉｖｉｌ．Ｅｎｇ．，Ｓｅｐｔ．／Ｏｃｔ．２００２中の「Ｆｒａｃｔｕｒｅ Ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｃｅｍｅｎｔ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ（微細繊維強化セメント複合材の破壊靭性）」には、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、および乾燥空気条件下で精製したセルロース繊維で強化した薄いセメント複合材シートについて行った破壊靭性試験の結果が開示されている。しかし、これらの参考文献のセメント系製品は高密度を有する。換言すれば、これらの参考文献が示したようなＰＶＡ繊維で強化したセメントベースパネルの現状技術では、密度が十分にあるパネルが取り扱われ、軽量パネルの取り扱いがない。

参照により本明細書に組み込まれている米国特許出願第１０／６６６２９４号には、構造用セメント系パネル（ＳＣＰまたはＳＣＰパネル）を製造するための多層方法、ならびにこうした方法により製造するＳＣＰが開示されている。ゆるく分散した短繊維、または１層のスラリーを最初に１回移動網上に堆積した後、繊維は、スラリー層上に堆積する。この特許出願により、その方法により製造する構造用セメント系パネル（ＳＣＰ）、ならびにその方法に従って構造用セメント系パネルを製造するのに適した装置も開示されている。

［発明の要旨］
本発明は、極めて靭性の大きいセメントベース軽量複合材を製造するためのポリビニルアルコール（ＰＶＡ）繊維強化セメント系組成物に関する。該組成物は、無機結合剤、軽量フィラー、および好ましい種類のＰＶＡ繊維の混合物である。本発明の材料の組合せは、大きな靭性（エネルギー吸収能力）を有するセメントベース軽量複合材に適していることが分かった。本発明の複合材では、達成した靭性は、耐アルカリ性ガラス、カーボン、またはスチールなど、他の多様な繊維で強化した複合材の靭性に比較して数桁大きい。該ＰＶＡ繊維は、複合材に良好な性能をもたらす好ましい特性およびパラメータを有するように選択する。このような好ましい多様なＰＶＡ繊維は、耐アルカリガラス、カーボン、スチール、または他のポリマー繊維など、他のタイプの繊維と組み合わせて使用し得る。本発明の開示による配合を用いて製造したセメントベース複合材は、建造物建設における多様な用途を目標にし得る。開示の配合および得られた複合材は、衝撃荷重による損傷（例えば、ひょう害）が非常に重要である用途において特に有用である。可能性のある用途の一部の例として、建造物用のルーフィングタイルおよび外部サイディングが挙げられる。

低密度、改良した曲げ強度および釘打ち性の組合せを実現する、本発明のパネルの実施形態のための代表的な組成物は、パネルの厚さ全体にわたって分布した、選択したＰＶＡ繊維と、軽量フィラー（例−中空微小ガラス球、中空微小セラミック球、微小プラスチック球および／またはパーライト、いずれも均一に）と、流動化剤／広範囲減水剤（例−ポリナフタレンスルホネート、ポリアクリレートなど）とを含む無機結合剤（例−石こう−セメント、ポルトランドセメントまたは他の水硬性セメント）を含む。

該パネルは、単層パネルでも多層パネルでもよい。単層または多層パネルは、メッシュのシート、例えば、望むならガラス繊維メッシュを備えることもできる。代表的なパネルは、水および無機結合剤と、混合物全体にわたる、選択したＰＶＡ繊維、軽量微小セラミック球および／または微小ポリマー球、および流動化剤との混合物から作製する。促進および遅延剤、粘度調節剤などの他の添加剤も、関係した製造方法の要求を満たすために混合物に任意選択で添加し得る。

本発明のセメント系パネルの重要な特徴は、該パネルが軽量であることである。好ましくは、本発明のセメント系パネルの密度は、８５ｐｃｆ未満であり、より好ましくは、本発明のセメント系パネルの密度は、７０ｐｃｆ未満である。本発明では、有利な諸特性を有するパネルを実現するために軽量セメント系パネル中に選択したＰＶＡ繊維を用いる。

好ましい繊維は、単独、あるいは耐アルカリガラス、炭素繊維、スチール繊維、他のポリマー繊維など、他のタイプの繊維と組み合わせて使用し得る。

該複合材の曲げ靭性は、本明細書において説明したのと同様な曲げ靭性評価方法に従って、通常２．２５ジュールを超える。さらに、該パネルは、少なくとも２％の繊維体積分率においてシアパネルとして使用することもある。

［発明の詳細な説明］
すでに議論したように、ひょう、あるいは強風の搬送する他の物体のもたらす衝撃の破損に耐える改良された靭性を提供することを目的として、軽量であり、現在入手可能なセメントベースおよび木材ベースのパネルと置換可能である建築用パネルに対する必要性が存在する。木材ベースのパネルおよび製品は、十分な曲げ靭性性能を一般に提供するが、水を受けた場合に寸法安定性がなく、腐敗または昆虫が攻撃し得る。現在入手可能なセメントベースのパネルおよび製品は、以下の欠点を有する。すなわち、製品の高密度、劣悪な靭性性能、パネルの剥離につながる凍結融解条件下の不安定性、セルロース繊維で強化したパネルにおける不十分な防菌性および防かび性およびシロアリ耐性、ならびにセルロース繊維で強化したパネルにおける不十分な耐湿性を有する。

さらに、セルロース繊維で強化した、木材ベースのパネルまたはセメントベースのパネルを用いる場合、大きな追加のコストをかけて耐水コーティングまたはこうしたパネル上への追加の耐水パネルを施用することによりこうしたパネルを水分から保護する必要がある。反対に、本発明のパネルは、耐水性であり、寸法安定性がある。該パネルは、木材パネルに用いる道具で切断し、釘またはねじにより枠に固定し得る。望む場合、さねはぎ構造が可能である。

本発明のパネルを作製するのに用いる主要な出発材料は、無機結合剤、例えば、硫酸カルシウムα半水和物、水硬性セメントおよびポゾラン材料、選択したＰＶＡ繊維、軽量フィラー、例えば、パーライト、微小セラミック球および／または微小ポリマー球、流動化剤、例えば、ポリナフタレンスルホネートおよび／またはポリアクリレート、水、ならびに任意選択の添加剤である。

硫酸カルシウム半水和物
本発明のパネルにおいて使用し得る硫酸カルシウム半水和物は、石こう鉱石である天然産の鉱物（硫酸カルシウム二水和物ＣａＳＯ_４・２Ｈ_２Ｏ）から作製する。特段の指示のない限り、「石こう」は、硫酸カルシウムの二水和物の形態を指す。採掘した後、原料石こうは、熱処理して、凝結可能な硫酸カルシウムを生成し、それは、無水でもよいが、より典型的には半水和物、ＣａＳＯ_４・１／２Ｈ_２Ｏである。なじみのある末端用途では、該硬化可能硫酸カルシウムは、水と反応して、二水和物（石こう）を生成することにより固化する。該半水和物は、α半水和物およびβ半水和物という名称で呼ばれる２つの認識された形態を有する。これらは、その物理特性およびコストに基づいて多様な用途向けに選択される。両方の形態は、水と反応して硫酸カルシウムの二水和物を生成する。水和を行うと、α半水和物は、石こうの直方体結晶が生ずることを特徴とし、β半水和物は、水和して、通常大きなアスペクト比を有する石こうの針状結晶を生成することを特徴とする。本発明では、α形態またはβ形態の一方または両方が、所望の機械性能に応じて使用し得る。β半水和物の形態は、より粗な微細構造を形成し、低密度製品向けに好ましい。α半水和物は、β半水和物が形成するものより強度および密度が大きいより密な微細構造を形成する。したがって、α半水和物は、β半水和物と置換して強度および密度を増加させることができる、あるいはこれらは、組み合わせて諸特性を調節し得る。

本発明のパネルを作製するのに用いる無機結合剤の代表的な実施形態は、ポルトランドセメント、高アルミナセメント、ポゾラン配合ポルトランドセメントまたはその混合物などの水硬性セメントを含む。

本発明のパネルを作製するのに用いる無機結合剤の他の代表的な実施形態は、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含有するブレンドを含む。

水硬性セメント
ＡＳＴＭでは、「水硬性セメント」を以下のように、すなわち、水との化学的相互作用により凝結し、硬化し、水の存在下でそうすることが可能であるセメントと定義する。建設および建築業界において用いる数タイプの水硬性セメントが存在する。水硬性セメントの例として、ポルトランドセメント、高炉スラグセメントおよび高硫酸塩セメントなどのスラグセメント、カルシウムスルホアルミネートセメント、高アルミナセメント、膨張セメント、白色セメント、ならびに急凝結および早硬化セメントが挙げられる。硫酸カルシウム半水和物は、水との化学的相互作用により実際凝結し、硬化するが、本発明の内容において水硬性セメントの広い定義の中に含めない。上記の水硬性セメントはすべて、本発明のパネルを作製するために使用し得る。

最もありふれた、広く用いられる種類の関係の深い水硬性セメントは、ポルトランドセメントとして知られている。ＡＳＴＭでは、「ポルトランドセメント」を、本質的に水硬性珪酸カルシウムからなるクリンカを粉砕することにより製造し、同時粉砕添加物として１つまたは複数の形態の硫酸カルシウムを通常含む水硬性セメントとして定義する。ポルトランドセメントを製造するために、石灰石、粘土質岩および粘土の緊密な混合物は、キルンで焼成して、クリンカを製造し、次いで該クリンカは、さらに処理する。その結果、ポルトランドセメントの以下の４つの主要な相が生成する：珪酸三カルシウム（３ＣａＯ・ＳｉＯ_２、Ｃ_３Ｓとも呼ばれる）、珪酸二カルシウム（２ＣａＯ・ＳｉＯ_２、Ｃ_２Ｓと呼ばれる）、アルミン酸三カルシウム（３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３またはＣ_３Ａ）およびアルミン酸鉄四カルシウム（４ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・Ｆｅ_２Ｏ_３またはＣ_４ＡＦ）。ポルトランドセメント中に少量存在する他の化合物として、硫酸カルシウムおよび硫酸アルカリの他の複塩、酸化カルシウムおよび酸化マグネシウムが挙げられる。ポルトランドセメントの多様な認識されたクラスのうち、本発明のパネルの作製向けには、ＩＩＩ型ポルトランドセメント（ＡＳＴＭ分類）が好ましい。なぜなら、その微粒性のために、高強度が得られることが分かっているからである。高炉スラグセメントおよび高硫酸塩セメントなどのスラグセメント、カルシウムスルホアルミネートセメント、高アルミナセメント、膨張セメント、白色セメント、凝結調節セメントおよびＶＨＦセメントなどの急凝結および早硬化セメント、ならびに他のタイプのポルトランドセメントを含めての水硬性セメントの他の認識されたクラスも、本発明のパネルを作製するために、使用して成功し得る。スラグセメントおよびカルシウムスルホアルミネートセメントは、アルカリ性が低く、本発明のパネルを作製するためにやはり適している。

ＰＶＡ繊維
異なる種類のＰＶＡ繊維の使用に伴い、複合材の機械性能に大きな相違が起こる。したがって、本発明では、良好な複合材の性能をもたらすと考えられる特徴を有するＰＶＡ繊維を選択する。表１では、そのような特性を列記する。

ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）繊維は、一般式が（−ＣＨ_２−ＣＨ（ＯＨ）−）_ｎ、分子量が例えば、１３，０００〜１００，０００、密度が例えば、１．２３〜１．３０ｇｍ／ｃｃであるポリマーであり、当技術分野で知られているのと同様に一般に調製する。

好ましい市販のＰＶＡ繊維は、表２に列記する。

本発明による該ＰＶＡ繊維は、得られた生成物中でこのような繊維が少なくとも０．５０体積％、好ましくは０．５０〜３．００体積％を占める量においてセメント様基材に添加する。０．５０％未満の繊維混合物では、所望の特徴を有する材料が得られない。３．００体積％を超える繊維混合物では、所望の生成物を調製するのが非常に高価になり、曲げまたは衝撃強度の改良に見るべきものがない。個々の繊維長は、均一でも不均一でもよい。

該ＰＶＡ繊維は、セメント材料中に均一に分布する。該繊維は、ＰＶＡのモノフィラメントでも、ＰＶＡのマルチフィラメント糸でもよい。該繊維の断面は、多様な形態をとり得るが、特に、調製プロセスの物理的および化学的な変動に起因する。例えば、紡糸液の材料、沈殿浴および吐糸管ノズルが変動し得る。このように、円形繊維、多裂形状繊維、中空繊維、多孔質繊維などの調製が、容易になる。繊維の外表面は、物理的後処理プロセスにより、粗化、開裂またはフェルト化し得る。

ＰＶＡ繊維は、化学的な反応性が高いので、容易に化学的に改変し得る。カルボキシル基、アミド基、ニトリル基、リン酸塩基、硫酸塩基など、多様な官能基は、付加反応またはラジカル反応によって導入し得る。光沢剤または接着剤は、純粋に物理的な手段により繊維上もしくは繊維中に導入することができ、ＰＶＡ繊維がセメント様材料内に固定されるのに役立ち得る。上記の方法により、ＰＶＡ繊維は、難燃性に、疎水性にまたは架橋し得る。このように改変したＰＶＡ繊維はすべて、本発明におけるフィラーとして有用である。

本発明の方法によれば、ポリビニルアルコール繊維は、セメント様材料に単独で加え得る、あるいはガラスまたは他の合成もしくは天然繊維の単独、またはこれらの組合せとともに加え得る。該強化用繊維に加えて、セルロース屑、木材チップ、「フィブリッド」（例えば、ポリプロピレンのフィブリッド）および他のフィラーなどの補助剤も、該強化材料に加え得る。

他の任意選択の繊維
ガラス繊維は、断熱材料として汎用されているが、多様なマトリックスに対する強化材料としても使用し得る。繊維自体のために、脆性破壊を受ける恐れのある材料に引っ張り強度が付与される。繊維は、荷重すると破壊することもあるが、ガラス繊維を含む複合材の通常モードの破壊は、該繊維と連続相材料の間の結合が劣化および破壊して起こる。したがって、強化用繊維が、延性を増し、長期にわたり複合材を強くする能力を保持したい場合、このような結合が重要である。ガラス繊維強化セメントは、時間の経過とともに強度が低下するが、これは、セメント硬化時に生成する石灰がガラスを攻撃するためであることが分かった。このような攻撃に勝つ１つの可能性は、ポリマー層などの保護層でガラス繊維を覆うことである。一般に、こうした保護層は、石灰からの攻撃に耐え得るが、本発明のパネルの強度が低下するので、保護層は、好ましくないことが分かった。石灰の攻撃を制限するより高価な方法は、Ｎｉｐｐｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｇｌａｓｓ（ＮＥＧ）３５０Ｙなどの特殊耐アルカリガラス繊維（ＡＲガラス繊維）を用いることである。こうした繊維は、マトリックスに優れた結合強度を付与することが分かったので、本発明のパネル向けに好ましい。ガラス繊維は、約５〜２５ミクロン（マイクロメートル）、通常約１０〜１５ミクロン（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。該フィラメントは、通常、１００フィラメントのストランドにより合わせ、これは、束にして約５０ストランドを含むロービングになし得る。該ストランドまたはロービングは、チョップして、例えば、長さ約０．２５〜３インチ（６．３〜７６ｍｍ）、好ましくは１〜２インチ（２５〜５０ｍｍ）の適切なフィラメントおよびフィラメント束になし得る。

本発明のパネル中に他のポリマー繊維を含ませることも可能である。例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン、高密度ポリエチレン、ポリアクリロニトリル、ポリアミド、ポリイミドおよび／またはアラミド繊維などのポリマー繊維は、耐アルカリガラス繊維より安価であり、石灰の攻撃を受けない。カーボンまたはスチール繊維も添加剤として可能である。

ポゾラン材料
上記のように、大抵のポルトランドセメントおよび他の水硬性セメントでは、水和（硬化）中に石灰が生成する。該石灰を反応させてガラス繊維に対する攻撃を低減するのが望ましい。硫酸カルシウム半水和物が存在すると、セメント中のアルミン酸三カルシウムと反応してエトリンガイトを形成し、その結果、硬化生成物に望ましくないクラックが生ずる恐れのあることも知られている。これは、当技術分野では「硫酸塩アタック」と呼称されることが多い。こうした反応は、「ポゾラン」材料を加えることにより予防し得る。該材料は、ＡＳＴＭ Ｃ６１８−９７において、「それ自体は、ほとんどまたは全くセメント様の価値がないが、微粉砕の形態および水分の存在において、常温で水酸化カルシウムと化学的に反応しセメント様特性を有する化合物を形成することになる珪酸質、または珪酸質およびアルミナ質材料」として定義される。しばしば用いる１つのポゾラン材料は、シリカフュームであり、これは、シリコン金属およびフェロシリコン合金製造時の生成物である微細に分割された非晶質シリカである。これは、シリカ含有量が高く、アルミナ含有量が低いことが特徴である。軽石、パーライト、珪藻土、凝灰岩、トラス、メタカオリン、マイクロシリカ、粉砕造粒高炉スラグおよびフライアッシュを含めての多様な天然および人工材料が、ポゾラン特性を有するといわれている。シリカフュームは、本発明のパネルにおける使用において特に好都合なポゾランであるが、他のポゾラン材料も用い得る。シリカフュームと反対に、メタカオリン、粉砕造粒高炉スラグおよび粉砕フライアッシュは、シリカ含有量がはるかに低く、大量のアルミナを含むが、有効なポゾラン材料であり得る。シリカフュームを用いる場合、反応性粉末の約５〜２０重量％、好ましくは１０〜１５重量％を占めることになる（反応性粉末の例：水硬性セメント単独；水硬性セメントとポゾランのブレンド；または水硬性セメント、硫酸カルシウムα半水和物、ポゾランおよび石灰のブレンド）。他のポゾランで置換する場合、用いる量は、シリカフュームに類似の化学性能を示すように選択する。

軽量フィラー／微小球
本発明のセメント系軽量パネルは、通常、密度が１立方フィート当り６０〜８５ポンド、好ましくは１立方フィート当り６０〜７５ポンドである。対照的に、通常のセメント系パネルは、１立方フィート当り９０〜１４５ポンド程度の密度を有する。

このような低密度を実現するのを助けるために、該パネルには、軽量フィラー粒子を提供する。こうした粒子は、通常、５０〜２５０ミクロン（マイクロメートル）の平均粒径サイズを有しおよび／または１０〜５００ミクロンの粒径サイズ範囲内にある。また該粒子は、通常、粒子密度（比重）が０．０２〜１．００の範囲にある。微小球は、本発明のパネルにおいて重要な目的を果たし、もしそうでなければ、該パネルは、建築向けパネルにおいて望まれているよりも重くなることになる。軽量フィラーとして用いることにより、該微小球は、該製品の平均密度を下げる助けになる。該微小球が中空であるとき、マイクロバルーンと呼称する場合がある。

本発明のパネルを作製するのに用いる混合物中に含ませる通常の軽量フィラーは、セラミック微小球、ポリマー微小球、パーライト、ガラス微小球および／またはフライアッシュ浮灰からなる群から選択する。

セラミック微小球は、多様な材料から多様な製造方法を用いて製造し得る。多様なセラミック微小球は、本発明のパネル中のフィラー成分として利用し得るが、本発明の好ましいセラミック微小球は、石炭燃焼の副生物として生成するが、石炭燃焼施設に見られるフライアッシュの一成分、例えば、Ｋｉｓｈ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｉｎｃ．，Ｍｅｎｔｏｒ，Ｏｈｉｏ社製のＥｘｔｅｎｄｏｓｐｈｅｒｅｓ−ＳＧ、またはＴｒｅｌｌｅｂｏｒｇ Ｆｉｌｌｉｔｅ Ｉｎｃ．，Ｎｏｒｃｒｏｓｓ，Ｇｅｏｒｇｉａ ＵＳＡ社製のＦＩＬＬＩＴＥ（登録商標）Ｂｒａｎｄセラミック微小球である。本発明の好ましいセラミック微小球の化学成分は、主として約５０〜７５重量％のシリカ（ＳｉＯ_２）および約１５〜４０重量％のアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）であり、最高３５重量％の他の材料である。本発明の好ましいセラミック微小球は、直径が１０〜５００ミクロン（マイクロメートル）、殻の厚さが通常球径の約１０％、粒子密度が好ましくは約０．５０〜０．８０ｇ／ｍＬである中空球形粒子である。本発明の好ましいセラミック微小球の破砕強度は、１５００ｐｓｉ（１０．３ＭＰａ）を超え、好ましくは２５００ｐｓｉ（１７．２ＭＰａ）を超える。

本発明のパネル中のセラミック微小球が好ましいのは、大抵の合成ガラス微小球より約３〜１０倍強度が大きいという事実による。加えて、本発明の好ましいセラミック微小球は、熱的に安定であり、本発明のパネルの寸法安定性を増進する。セラミック微小球は、接着剤、シーラント、コーキング剤、ルーフィング化合物、ＰＶＣフローリング、塗料、工業コーティングおよび耐高温プラスチック複合材などの一連の他の用途で使用する。該微小球が中空および球形であることは、好ましくはあるが、必須ではないことは理解されよう。というのは、本発明のパネルに軽量および重要な物理特性をもたらすのは、粒子の密度および圧縮強度であるからである。あるいは、生成したパネルが所望の性能を満足すれば、多孔質の不規則粒子で置換することもできる。

該ポリマー微小球もまた、好ましくは、中空球であり、ポリアクリロニトリル、ポリメタクリロニトリル、ポリ塩化ビニルもしくはポリ塩化ビニリデン、またはその混合物などのポリマー材料から作製した殻を有する。該殻は、製造中にポリマー殻を膨張させるのに用いたガスを封入していることもある。ポリマー微小球の外表面は、炭酸カルシウム、酸化チタン、雲母、シリカ、タルクなど、ある種の不活性コーティングを有することもある。ポリマー微小球は、粒子密度が好ましくは約０．０２〜０．１５ｇ／ｍＬ、直径が１０〜３５０ミクロン（マイクロメートル）の範囲である。ポリマー微小球の存在により、パネルの低密度ならびに切断性および釘打ち性の向上の二重の目的の同時達成が容易になる。本発明のパネルのすべてが、従来からの大工道具を用いて切断し得るが、ポリマー微小球を含むことにより、釘打ちに対する抵抗が減少する。釘を手で打ち込むときにこれは重要な特性である。エア式釘打ち機を用いるときは、パネルの釘打ち抵抗はそれほど重要でないので、釘を手で打ち込むパネルに比べてパネルの強度はより高くし得る。さらに、セラミック微小球とポリマー微小球のある割合のブレンドを用いるとき、スラリーのレオロジー特性の改良およびパネルの乾燥曲げ強度の増加の点でシナジー効果が実現される。

他の軽量フィラー、例えば、ガラス微小球、パーライト、またはフライアッシュ由来の中空アルミノシリケート浮灰もしくは微小球も、本発明のパネルの作製に用いるセラミック微小球と組み合わせて、またはセラミック微小球の代替で混合物中に含めるのに適している。

ガラス微小球は、耐アルカリガラス材料から通常作製し、中空でもよい。通常のガラス微小球は、ＧＹＰＴＥＫ ＩＮＣ．，Ｓｕｉｔｅ １３５，１６ Ｍｉｄｌａｋｅ Ｂｌｖｄ ＳＥ，Ｃａｌｇａｒｙ，ＡＢ，Ｔ２Ｘ ２Ｘ７，ＣＡＮＡＤＡから入手できる。

本発明の第１の実施形態では、セラミック微小球のみが、該パネルの厚さ全体で使用される。該パネルは、該パネルの厚さ全体に均一に分布した約３５〜４２重量％のセラミック微小球を好ましくは含む。

本発明の第２の実施形態では、軽量のセラミック微小球とポリマー微小球のブレンドが、該パネルの厚さ全体で使用される。所望の特性を実現するために、本発明の第２の実施形態のパネル中のポリマー微小球の体積分率は、好ましくは乾燥成分の全体積の７〜１５％の範囲となろう。この場合、該組成物の該乾燥成分は、反応性粉末（反応性粉末の例：水硬性セメント単独；水硬性セメントとポゾランのブレンド；または水硬性セメント、硫酸カルシウムα半水和物、ポゾランおよび石灰のブレンド）、セラミック微小球、ポリマー微小球および耐アルカリガラス繊維である。ポリマー微小球の量は、類似の効果を実現するのに望ましいように、水／反応性粉末の比を調節することにより変更し得る。通常の水性混合物は、０．３／１を超え０．７／１までの水／反応性粉末の比を有する。

配合
本発明の耐せん断性パネルを作製するのに用いる成分は、ＰＶＡ繊維、水硬性セメント、硫酸カルシウムα半水和物、シリカフュームなどの活性ポゾラン、石灰、セラミック微小球、ポリマー微小球、流動化剤（例えば、ポリナフタレンスルホネートのナトリウム塩）および水である。少量の促進剤および／または遅延剤は、該組成物に添加してグリーン（すなわち、未硬化の）材料の凝結特性を制御し得る。通常の非制限的な添加剤として、塩化カルシウムなどの水硬性セメント向け促進剤、石こうなどの硫酸カルシウムα半水和物向け促進剤、ＤＴＰＡ（ジエチレントリアミン五酢酸）、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）などの遅延剤、グリコールなどの収縮低減剤、および連行空気が挙げられる。

本発明のパネルは、ＰＶＡ繊維および微小球が均一に分布する連続相を含む。連続相は、好ましくは、流動化剤および／または他の添加剤を含む、反応性粉末（反応性粉末の例：水硬性セメント単独；水硬性セメントとポゾランのブレンド；または水硬性セメント、硫酸カルシウムα半水和物、ポゾランおよび石灰のブレンド）の水性混合物を硬化することにより生成する。

本発明におけるこのような反応性粉末（無機結合剤）の各実施形態における、反応性粉末の乾燥重量に対する代表的な概略の重量割合は、表３および４に示す。表５では、本発明の組成物における反応性粉末（無機結合剤）、軽量フィラー、流動化剤および水の代表的な範囲を列挙する。

石灰は、本発明の配合すべてにおいて必要とされないが、石灰の添加により優れたパネルが提供される。反応性粉末中の石灰の通常の量は、約０．２〜３．５重量％である。

本発明の第１の実施形態では、該組成物の乾燥成分は、反応性粉末（反応性粉末の例：水硬性セメント単独；水硬性セメントとポゾランのブレンド；または水硬性セメント、硫酸カルシウムα半水和物、ポゾランおよび石灰のブレンド）、ＰＶＡ繊維、セラミック微小球、および任意選択の耐アルカリガラス繊維となろう。該組成物の湿成分は、水および流動化剤となろう。該乾燥成分および該湿成分は、組み合わせて本発明のパネルを生成する。ＰＶＡ繊維およびセラミック微小球は、該パネルの厚さ全体にわたりマトリックス内で均一に分布する。本発明のパネルは、乾燥成分の全重量の約４９〜５６重量％の反応性粉末、０．７５〜３．０重量％のＰＶＡ繊維、３５〜４２重量％のセラミック微小球、および０〜１２重量％の耐アルカリガラス繊維から形成される。概略の範囲では、本発明のパネルは、全乾燥成分の３５〜５８重量％の反応性粉末、０．５〜５．０重量％のＰＶＡ繊維、３４〜４９重量％のセラミック微小球、および０〜１７重量％の耐アルカリガラス繊維から形成される。乾燥成分に添加する水および流動化剤の量は、任意の特定の製造方法に対する加工上の考慮事項を満足させるのに必要な所望のスラリー流動性を得るのに十分なものであろう。水に対する通常の添加割合は、反応性粉末の重量の３５〜６０重量％の範囲であり、流動化剤に対する添加割合は、反応性粉末の重量の１〜８重量％の範囲である。

任意選択のガラス繊維は、約５〜２５ミクロン（マイクロメートル）、好ましくは約１０〜１５ミクロン（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。該モノフィラメントは、通常１００フィラメントのストランドにより合わせ、これは、束にして約５０ストランドのロービングになし得る。該ガラス繊維の長さは、好ましくは、約１〜２インチ（２５〜５０ｍｍ）、広くとれば約０．２５〜３インチ（６．３〜７６ｍｍ）となろう。該ガラス繊維および該ＰＶＡ繊維は、ランダムに配向しており、これにより、パネルの平面内において力学的挙動が等方的になる。

本発明の第２の実施形態は、該パネルの厚さ全体にわたり均一に分布したセラミック微小球とポリマー微小球のブレンドとともにＰＶＡ繊維を含む。パネル中にポリマー微小球を組み込むことは、該パネルが従来の大工道具により切断または固定（釘またはねじで）できるのに必要とされる低密度と延性の組合せを実現することに役立つ。加えて、組成物の一部として中空セラミック微小球と中空ポリマー微小球の組合せを用いると、スラリーのレオロジー特性が大きく改善される。したがって、本発明の第２の実施形態では、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、ポゾランおよび石灰）、セラミック微小球、ポリマー微小球および任意選択の耐アルカリガラス繊維であり、該組成物の湿成分は、水および流動化剤となろう。乾燥成分と湿成分は、組み合わせて本発明のパネルを製造することになろう。良好な固定および切断能力を実現するために、パネル中のポリマー微小球の体積分率は、好ましくは、乾燥成分の全体積の７〜１５％の範囲となろう。本発明のパネルは、乾燥成分の全重量の約５４〜６５重量％の反応性粉末、０．７５〜３．００重量％のＰＶＡ繊維、２５〜３５重量％のセラミック微小球、０．５〜０．８重量％のポリマー微小球および０〜１０重量％の耐アルカリガラス繊維から形成される。概略の範囲では、本発明のパネルは、全乾燥成分に対して４２〜６８重量％の反応性粉末、０．５０〜５．００重量％のＰＶＡ繊維、２３〜４３重量％のセラミック微小球、０．２〜１．０重量％のポリマー微小球および０〜１５重量％、例えば５重量％の耐アルカリガラス繊維から形成される。乾燥成分に添加する水および流動化剤の量は、任意の特定の製造方法に対する加工上の考慮事項を満足させるのに必要な所望のスラリー流動性を得るように調節することになろう。水に対する通常の添加割合は、反応性粉末の重量の３５〜７０重量％の範囲であるが、パネルの密度を低減し、釘打ち性を改良するための水と反応性粉末の比を用いることが望ましいときは、６０％を超え、最高７０％まで、好ましくは６５〜７５％になり得よう。水と反応性粉末の比は、ポリマー微小球の効果と類似のものが得られるように調節し得るので、いずれを用いてもよく、あるいは２つの方法の組合せでもよい。流動化剤の量は、反応性粉末の重量の１〜８％の範囲となろう。

任意選択のガラス繊維は、直径が約５〜２５ミクロン（マイクロメートル）、好ましくは約１０〜１５ミクロン（マイクロメートル）であるモノフィラメントである。それらは、典型的に上記のように、束にしてストランドおよびロービングとする。該ガラス繊維の長さは、好ましくは、約１〜２インチ（２５〜５０ｍｍ）、広くとれば約０．２５〜３インチ（６．３〜７６ｍｍ）である。該繊維は、ランダムに配向しており、パネルの平面内において力学的挙動が等方的になろう。

本発明の第２の実施形態では、セラミック微小球の部分的な置換として上記の量のポリマー微小球を組み込むことにより、複合材の乾燥曲げ強度の改良が助けられる。加えて、セラミック微小球をポリマー微小球によって部分的に置換すると、所与のスラリー流動性を実現するに必要な水／反応性粉末比が低下する。セラミック微小球とポリマー微小球のブレンドを含むスラリーは、セラミック微小球のみを含むスラリーと比較して優れた流動挙動（ワーカビリティー）を有する。本発明のパネルの工業的加工で、流動挙動の優れたスラリーを用いる必要がある場合に、これは特に重要である。

本発明のパネルの作製
反応性粉末（反応性粉末の例：水硬性セメント単独；水硬性セメントとポゾランのブレンド；または水硬性セメント、硫酸カルシウムα半水和物、ポゾランおよび石灰のブレンド）、チョップしたＰＶＡ繊維、および軽量フィラー、例えば、微小球は、適切なミキサーにおいて乾燥状態でブレンドする。通常、ＰＶＡ繊維は、チョップした形態において入手可能であり、乾燥成分に直接加える、またはチョップした形態において湿潤スラリーに直接加える。ガラス繊維の場合、通常ロービングからチョップするが、通常、ＰＶＡ繊維ではそうしない。

次いで、水、流動化剤（例えば、ポリナフタレンスルホネートのナトリウム塩）、およびポゾラン（例えば、シリカフュームまたはメタカオリン）は、別のミキサーにおいて１〜５分間混合する。望むならば、この段階で遅延剤（例えば、酒石酸カリウム）を加えてスラリーの凝結特徴を制御する。乾燥成分は、湿潤成分を含むミキサーに加え、２〜１０分間混合して滑らかで、均一なスラリーを形成する。

次いで、ＰＶＡ繊維を含むスラリーは、均一なスラリー混合物を得ることを目的として、いくつかのやり方においてガラス繊維または他の繊維と任意選択で組み合わせ得る。次いで、繊維を含むスラリーを所望の形状およびサイズの適切なモールド中に注ぐことにより、セメント系パネルは形成される。必要なら、モールドに振動を与えて材料をモールド中で十分充填する。適切なスクリードバーまたはこてを用いて、該パネルに必要な表面仕上げ特徴を与える。

スラリー、ＰＶＡ繊維、および任意選択のガラス繊維または他の繊維の混合物を堆積する他の方法も、パネル作製分野に精通した当業者なら行うことになろう。例えば、各パネルを作製するためのバッチ法を用いるのではなく、連続シートが、類似の方式において調製し得る。該連続シートは、材料が十分に凝結した後、切断して所望のサイズのパネルになし得る。

多数の用途、例えば、サイディングでは、該パネルは、垂直枠に釘止めまたはねじ止めすることになろう。該パネルを床下用または床用基礎構造材として用いるような一部の用途では、該パネルは、好ましくは、さねはぎ構造で作製することになろう。この構造は、流延中に該パネルのエッジを成型することにより、または使用前にルーターでさねはぎを切り込むことにより作製し得る。

本発明の他の特徴は、ＰＶＡ繊維、および任意選択のガラス繊維または他の繊維が該パネル全体に均一に分布するように生成セメント系パネルを構築することである。スラリー体積に対する繊維の割合は、好ましくは、約０．５％〜３％の範囲、例えば１．５％である。

本発明のパネルは、通常、１つまたは複数の以下の特性を有する：

曲げ強度は、通常、少なくとも７５０ｐｓｉ（５．２ＭＰａ）であり、好ましくは１０００ｐｓｉ（６．９ＭＰａ）を超える。

曲げ靭性は、通常、ＡＳＴＭ Ｃ９４７試験手順による４点曲げにおいて、幅４インチ（１０２ｍｍ）、長さ１２インチ（３０５ｍｍ）、厚さ０．５インチ（１２．７ｍｍ）の供試体にスパン１０インチ（２５４ｍｍ）で荷重したときに、荷重対たわみ曲線の下に描かれる全面積として少なくとも２．２５ジュールである。

側方耐ファスナー性は、Ｒ．Ｔｕｏｍｉ ａｎｄ Ｗ．ＭｃＣｕｔｃｈｅｏｎ，ＡＳＣＥ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｊｏｕｒｎａｌ，Ｊｕｌｙ １９７８により記載されたように、ＡＳＴＭ Ｄ １７６１の修正版に従って測定したときに厚さ０．５インチ（１２．７ｍｍ）のパネルに対して通常少なくとも３００ポンドである。

表６では、調べた６種の繊維の特性を要約する。

調べたすべての繊維は、長さが０．５０インチ（１２．７ｍｍ）以下、直径が２００ミクロン以下であった。調べた混合物の組成物は、以下の成分：強化用繊維、無機結合剤、軽量フィラー、流動化剤および水を組み合わせることにより生成した。合計で１９の混合物を調べた。調べた混合物の設計スラリーの密度は、７０ポンド／立方フィート（ｐｃｔ）であった。混合物中の繊維体積分率を変えて、多様な繊維について０．５％〜２．０％で調べた。

本発明の混合物組成
表７は、このような実施例の目標の混合物組成を説明する。本表に示した多様な成分の重量分率は、繊維を除いて湿潤スラリーに対するものである。表８および表８Ａでは、このような実施例について、ＰＶＡ繊維と組み合わせた湿潤スラリーの実際の組成を示す。

該パネルは、標題「本発明のパネルの作製」の節において説明したのと同様に作製した。

結果
表９では、調べた組成物に対する結果を要約する。表９では、繊維強化軽量セメント系配合物の性能データを示す。実施例２Ａ〜２Ｄに対するデータは、ＰＶＡ繊維ＫＵＲＡＬＯＮ ＲＥＣ１５ｘ１２（ＰＶＡ−２とも標識）を用いた本発明の複合材に対するものである。厚さ半インチの複合材パネルは、Ｈｏｂａｒｔミキサー内で多様な成分を混合し、生成した混合物をモールド中に流延することにより製造した。パネル内での繊維の配向は、評価したすべての混合物組成に対して３次元的にランダムであった。調査からの結果は、図２〜５においても例示する。該結果についての議論は、以下に続く。

複合材の曲げ靭性
幅４インチ（１０２ｍｍ）、長さ１２インチ（３０５ｍｍ）の曲げ用パネル供試体は、ＡＳＴＭ Ｃ９４７試験手順により４点曲げにおいてスパン１０インチ（２５４ｍｍ）で荷重した。荷重は、０．５インチ／分（１２．７ｍｍ／分）の一定変位速度でかけた。曲げ荷重対変位応答を記録した。複合材の靭性は、供試体が破壊するまでの荷重対たわみ曲線下の全面積として計算した。

表９ならびに図２および図３では、調べた多様な複合材に対して得た曲げ靭性値を示す。以下の重要な観察を提示することができる。

それらの低靭性値が示すように、炭素繊維およびスチール極細繊維で強化した複合材は、非常にもろい。

耐アルカリガラス繊維およびＰＶＡ ＲＦ３５０繊維で強化した複合材は、炭素繊維およびスチール極細繊維で強化した複合材と比較して、若干靭性が良好である。

ＫＵＲＡＬＯＮ ＲＥＣ１５ｘ１２（ＰＶＡ−２）ＰＶＡ繊維で強化した複合材の靭性特性は、特に注目される。ＰＶＡ ＲＥＣ１５繊維で強化した複合材は、他のタイプの繊維で強化した複合材よりも靭性値が数桁大きいことが観察し得る。

詳細には、繊維の体積分率２％において、ＰＶＡ ＲＥＣ１５繊維で強化した複合材は、耐アルカリガラス繊維で強化した複合材より約５倍、炭素繊維で強化した複合材より約３５倍、スチール極細繊維で強化した複合材より約４０倍大きいエネルギーを吸収する（図３）。

曲げ強度
幅４インチ（１０２ｍｍ）、長さ１２インチ（３０５ｍｍ）の曲げ用パネル供試体は、ＡＳＴＭ Ｃ９４７試験手順により４点曲げにおいてスパン１０インチ（２５４ｍｍ）で荷重した。荷重は、０．５インチ／分（１２．７ｍｍ／分）の一定変位速度でかけた。曲げ荷重対変位応答を記録した。複合材の曲げ強度は、ＡＳＴＭ Ｃ９４７試験手順により計算した。

表９および図４では、調べた多様な混合物組成に対して得た曲げ強度データを示す。ＰＶＡ ＲＥＣ１５繊維で強化した複合材は、曲げ強度性能が最も良好である。

側方耐ファスナー性
複合材の側方耐ファスナー性は、Ｒ．Ｔｕｏｍｉ ａｎｄ Ｗ．ＭｃＣｕｔｃｈｅｏｎ，ＡＳＣＥ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｊｏｕｒｎａｌ，Ｊｕｌｙ １９７８により記載されたように、ＡＳＴＭ Ｄ １７６１の修正版に従って測定した。長さ１−５／８インチ（４１．３ｍｍ）のねじをファスナーとして用いて試験を行った。

表９および図５では、試験した多様な複合材に対する側方耐ファスナー引抜き性を示す。側方耐ファスナー性は、該パネルの有する、ファスナーに対する側方耐引抜き性を定量化する。長さが１−５／８インチ（４１．３ｍｍ）のねじを用いて複合材の側方耐ファスナー性を決定した。該図では、ＰＶＡ ＲＥＣ１５繊維で強化した複合材は、側方耐ファスナー性が最も高いことが観察し得る。２つの異なるタイプのＰＶＡ繊維（ＰＶＡ ＲＥＣ１５対ＰＶＡ ＲＦ３５０）で強化した複合材の性能の差異は、特に注目すべきである。一方では、ＰＶＡ ＲＥＣ１５繊維で強化した複合材は、極めて良好な性能である。ＰＶＡ ＲＦ３５０繊維で強化した複合材の性能は不十分である。

最大たわみ
表９、ならびに図６および図７では、繊維タイプおよび繊維体積分率が繊維強化セメントベース軽量複合材の最大たわみに及ぼす影響を示すデータを表す。表９に示す最大たわみ値は、ＡＳＴＭ Ｃ９４７標準法により行う曲げ試験を用いて測定し、このような値は、該試験レジメ中に観測した荷重ピークに対応する荷重ポイント下の供試体の曲げたわみを表す。

図６および図７から、ＰＶＡ繊維で強化した複合材は、大きい最大たわみを有することが明白に観察し得る。この観察結果および複合材の力学的挙動により、ＰＶＡ繊維で強化した複合材は、より大きな変形能力（すなわち、より大きな延性）、したがって、より大きな靭性を有するという事実が示される。このような結果から、炭素繊維およびスチール極細繊維で強化した複合材では、複合材中の繊維体積分率を増加しても該複合材の延性が改良されないことが容易に理解されよう。繊維体積分率２％で炭素繊維およびスチール極細繊維により強化した複合材は、最大たわみ値が０．０７インチ未満である。複合材の靭性値と組み合わせたこのような結果により、ＰＶＡ繊維で強化した複合材に比較して、炭素繊維およびスチール極細繊維で強化した複合材はその機械的応答において極めてもろいという事実が示される。

選択したＰＶＡ繊維と、アクリル繊維およびポリプロピレン繊維との比較
上記の材料および手順を使用するが、上記の実施例の繊維をアクリル繊維またはポリプロピレン繊維と置換して、複合材における選択したＰＶＡ繊維の使用をアクリル繊維またはポリプロピレン繊維の使用と比較した。

表１０および図８では、繊維タイプが繊維強化セメントベース軽量複合材の靭性に及ぼす影響を示すデータを表す。表１０および図８で表す結果から、他のタイプのポリマー繊維では、ＰＶＡ繊維がもたらす複合材靭性に等しい複合材靭性の向上がもたらされないことは明白に観察し得る。

表１１および図９では、繊維タイプが繊維強化セメントベース軽量複合材の曲げ強度に及ぼす影響を示すデータを表す。表１１および図９で表す結果から、他のタイプのポリマー繊維では、ＰＶＡ繊維がもたらす曲げ強度に等しい曲げ強度の向上がもたらされないことが観察し得る。

本発明のＰＶＡ繊維の好ましい特性
こうしたデータに基づき、異なる種類のＰＶＡ繊維の使用によって、複合材の機械性能に大きな相違が起こることが明らかになる。したがって、複合材の良好な性能をもたらすＰＶＡ繊維の好ましいパラメータおよび特性は、表１において識別し、強調される。また、表２では、本発明の好ましい繊維であるいくつかの市販の繊維を列挙する。このような好ましい種類の繊維は、耐アルカリガラス繊維、炭素繊維、スチール繊維、または他のポリマー繊維など、他のタイプの繊維と組み合わせて用い得る。

本発明の特定の実施形態が示し、説明されたが、その広い態様における本発明、および特許請求の範囲において示す本発明から逸脱することなく本発明の変更形態および改変形態を作製し得ることは、当業者には理解されよう。

本発明の単層パネルの側面概略図である。 繊維強化セメントベース軽量複合材の曲げ靭性に及ぼす繊維タイプおよび繊維体積分率の影響を示すデータを表す図である。 繊維強化セメントベース軽量複合材の曲げ靭性に及ぼす繊維タイプ（繊維体積分率２％において）の影響を示すデータを表す図である。 繊維強化セメントベース軽量複合材の曲げ強度に及ぼす繊維タイプおよび繊維体積分率の影響を示すデータを表す図である。 繊維強化セメントベース軽量複合材の側方耐ファスナー性に及ぼす繊維タイプおよび繊維体積分率の影響を示すデータを表す図である。 繊維強化セメントベース軽量複合材の最大たわみに及ぼす繊維タイプおよび繊維体積分率の影響を示すデータを表す図である。 繊維強化セメントベース軽量複合材の最大たわみに及ぼす繊維タイプの影響を示すデータを表す図である。 繊維強化セメントベース軽量複合材の靭性に及ぼす繊維タイプの影響を示すデータを表す図である。 繊維強化セメントベース軽量複合材の曲げ強度に及ぼす繊維タイプの影響を示すデータを表す図である。

Claims (26)

1. ６０〜８５ｐｃｆ（９６１〜１３６０ｋｇ／ｍ^３）の密度を有する、強化された、軽量で寸法安定性のよいパネルであって、反応性粉末の水性混合物を硬化して得られる連続相であり、前記反応性粉末が、乾燥基準において、３５〜７０重量％の反応性粉末と、２０〜５０重量％の軽量フィラーと、０〜２０重量％のガラス繊維と、０．５〜５．０重量％のＰＶＡ繊維とを含み、前記連続相が、前記ＰＶＡ繊維により強化され、０．０２〜１．００の粒子比重及び５０〜２５０ミクロンの平均粒径サイズを有し及び／又は１０〜５００ミクロンの粒径サイズの範囲内である前記軽量フィラーを含み、前記ＰＶＡ繊維が、約１０〜４００ミクロン（マイクロメートル）の直径、約０．１〜１インチ（２．５〜２５．４ｍｍ）の長さ、および２０〜５０ＧＰａの繊維弾性率を有するパネル。
2. 前記連続相が、前記ＰＶＡ繊維により均一に強化され、前記軽量フィラーが、均一に分布し、前記パネルが、少なくとも７５０ｐｓｉ（５．２ＭＰａ）の曲げ強度を有する、請求項１に記載のパネル。
3. 前記パネルが、少なくとも１０００ｐｓｉ（６．９ＭＰａ）の曲げ強度を有する、請求項１に記載のパネル。
4. 前記パネルが、ＡＳＴＭ Ｃ９４７試験手順による４点曲げにおいて、幅４インチ（１０２ｍｍ）、長さ１２インチ（３０５ｍｍ）、厚さ０．５インチ（１２．７ｍｍ）の供試体にスパン１０インチ（２５４ｍｍ）で荷重したときに、荷重対たわみ曲線の下に描かれる全面積として少なくとも２．２５ジュールの曲げ靭性を有する、請求項１に記載のパネル。
5. 前記パネルが、厚さ０．５インチ（１２．７ｍｍ）のパネルで少なくとも３００ポンドの側方耐ファスナー性を有する、請求項１に記載のパネル。
6. 反応性粉末の前記水性混合物が、乾燥基準で、３５〜７５重量％の硫酸カルシウムα半水和物と、２０〜５５重量％の水硬性セメントと、０．０〜３．５重量％の石灰と、５〜２５重量％の活性ポゾランとを含み、前記連続相が、ＰＶＡ繊維により均一に強化され、均一に分布したセラミック微小球を含み、前記球が、約１０〜５００ミクロン（マイクロメートル）の平均直径を有する、請求項１に記載のパネル。
7. 反応性粉末の前記水性混合物が、水硬性セメントを含む、請求項１に記載のパネル。
8. 反応性粉末の前記水性混合物が、乾燥基準で、７０〜１００重量％の水硬性セメントと、０〜３０重量％の少なくとも１種のポゾランとを含む、請求項１に記載のパネル。
9. 前記パネルが、約１／４〜１インチ（６．３〜２５．４ｍｍ）の厚さを有する、請求項１に記載のパネル。
10. 厚さ０．５インチ（１２．７ｍｍ）のパネルが、ＡＳＴＭ Ｃ９４７試験方法による４点曲げにおいて、幅４インチ（１０２ｍｍ）、長さ１２インチ（３０５ｍｍ）、厚さ０．５インチ（１２．７ｍｍ）の供試体にスパン１０インチ（２５４ｍｍ）で荷重したときに、荷重対たわみ曲線の下に描かれる全面積として少なくとも約２．２５ジュールの曲げ靭性を有する、請求項１に記載のパネル。
11. 前記軽量フィラーが、約５０〜７５重量％のシリカと、約１５〜４０重量％のアルミナと、最大３５重量％の他の材料とを含む中空セラミック球を含む、請求項１に記載のパネル。
12. 前記軽量フィラーが、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群の少なくとも１つの要素を含み、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群から選択される少なくとも１つの粉末により任意選択でコーティングされているポリマー微小球を含む、請求項１に記載のパネル。
13. 前記ＰＶＡ繊維が、約１０〜１００ミクロン（マイクロメートル）の直径、約０．２〜０．５インチ（５．１〜１２．７ｍｍ）の長さ、および３０〜５０ＧＰａの繊維弾性率を有する、請求項１に記載のパネル。
14. ６０ｌｂ／ｆｔ^３（９６１ｋｇ／ｍ^３）〜７５ｌｂ／ｆｔ^３（１２００ｋｇ／ｍ^３）の密度を有するパネルの曲げ強度が、少なくとも７５０ｐｓｉ（５．２ＭＰａ）である、請求項１に記載のパネル。
15. ６０ｌｂ／ｆｔ^３（９６１ｋｇ／ｍ^３）〜７５ｌｂ／ｆｔ^３（１２００ｋｇ／ｍ^３）の密度を有するパネルの曲げ強度が、少なくとも１０００ｐｓｉ（６．９ＭＰａ）である、請求項１に記載のパネル。
16. エッジが、隣接パネルのさねはぎ構造が可能であるような形状である、請求項１に記載のパネル。
17. 前記水硬性セメントが、ポルトランドセメントである、請求項１に記載のパネル。
18. 前記ＰＶＡ繊維が、湿基準で前記水性混合物の少なくとも０．５体積％を構成する、請求項１に記載のパネル。
19. 前記ＰＶＡ繊維が、湿基準で前記水性混合物の少なくとも約１〜３体積％を構成する、請求項１に記載のパネル。
20. 前記ＰＶＡ繊維が、湿基準で前記水性混合物の少なくとも約１〜２体積％を構成する、請求項１に記載のパネル。
21. 乾燥基準において、４０〜９５重量％のセメントを含む反応性粉末の水性混合物であって、連続相が、ＰＶＡ繊維により均一に強化され、均一に分布した軽量フィラーを含み、前記軽量フィラーが、０．０２〜１．００の粒子比重を有し、前記ＰＶＡ繊維が、約１０〜４００ミクロン（マイクロメートル）の直径、約０．１〜１インチ（２．５〜２５．４ｍｍ）の長さ、および測定時２０〜５０ＧＰａの繊維弾性率を有する水性混合物をパネルモールド上に載せるステップと、前記水性混合物を硬化して前記パネルを形成するステップとを含む、請求項１に記載のパネルの作製方法。
22. 前記軽量フィラーが、約１０〜３５０μｍの平均直径を有する均一に分散したポリマー球を含む、請求項２１に記載の方法。
23. 前記軽量フィラーが、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群の少なくとも１つの要素を含み、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群から選択される粉末により任意選択でコーティングされている中空ポリマー微小球を含む、請求項２１に記載の方法。
24. 前記ＰＶＡ繊維が、約５〜２５ミクロン（マイクロメートル）の直径および約０．２５〜１インチ（６〜２５．４ｍｍ）の長さを有するモノフィラメントである、請求項２１に記載の方法。
25. 前記ＰＶＡ繊維が、モノフィラメントである、請求項２１に記載の方法。
26. 前記水性混合物が、０．３／１を超えて０．７／１までの水と反応性粉末との比を有する、請求項２１に記載の方法。