JP2010105831A

JP2010105831A - ポリマーセメント組成物

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Publication number: JP2010105831A
Application number: JP2008276794A
Authority: JP
Inventors: Takeya Dei; 丈也出井; Sadamitsu Murayama; 定光村山
Original assignee: Teijin Techno Products Ltd
Current assignee: Teijin Ltd
Priority date: 2008-10-28
Filing date: 2008-10-28
Publication date: 2010-05-13
Anticipated expiration: 2028-10-28
Also published as: JP5378754B2

Abstract

【課題】現場での製造が容易であって、施工時の作業性を阻害することのない流動性を有し、高強度・高靱性が付与されたポリマーセメント組成物を提供すること。
【解決手段】セメント、水、骨材、ポリマー、および引張強度が２０ｃＮ／ｄｔｅｘ以上の高強力短繊維を含有してなるポリマーセメント組成物であって、セメント１００質量部に対し、ポリマー１〜２０質量部で配合されおり、該ポリマーセメント組成物に含まれる高強力短繊維の繊維長が１〜１８ｍｍ、単糸繊度が０．３〜１０ｄｔｅｘ、混入率を０．１〜５容積％ととする。
【選択図】なし

Description

本発明は、ポリマーセメント組成物に関し、特に、塩害、凍害、中性化、アルカリ骨材反応などによる種々のコンクリート構造物劣化部に充填して補修する用途に好適な、ポリマーセメント組成物に関するものである。

従来から、コンクリート構造物の柱、床、壁、及び梁等に対して、その断面の劣化部分のかぶり部を除去し、鉄筋を露出させ、その除去部分に、短繊維補強セメント系複合材料を、吹き付けたり、塗り付ける補修工法が適用されている。

特開２００２−１９３６５３号公報（特許文献１参照）では、ポリビニルアルコール短繊維をモルタルに混合した引張、曲げ靭性の高い吹き付け材料が提案されている。しかしながら、この材料では、必要性能を発現させるために、ポリビニルアルコール短繊維混入量を増加させなければならず、均一な繊維の分散を得るために攪拌力の強い強制練りミキサーの使用、定められた短繊維混合方法といった規定の製造工程が必要であった。

特開２００４−３１５２５１号公報（特許文献２参照）では、特定の高い引張強度等を有する有機短繊維を使用し、比較的低い繊維混入率で高い強度及び靭性が付与されたセメント複合体を得ている。低い繊維混入率のため、特殊な混合ミキサーを使用しなくても製造が可能となったが、均一な繊維分散を得る目的で、繊維の添加手順が規定されるため、製造方法が煩雑となり、製造手順の違いによりモルタルの物性に影響を及ぼす可能性がある。

また、従来のセメント複合体においては、上記補強用短繊維の力学性能が低いため、高い強度を得るためには、３容積％以上の繊維混入率が必要であり、多量の繊維を均一に分散させるためには、増粘剤の投与、攪拌力の強い特殊ミキサーの使用、さらには、練り混ぜ水に予め繊維を均一に分散させてからセメント、砂と練り混ぜるといった複雑な製造工程が必要であった。また、高強度且つ高靱性のセメント複合体とするため、モルタルの強度が高くなると、その強力に繊維が対応しきれず、繊維自身の引張強度が限界に達し、モルタル破断面で繊維も破断するため、高い靱性を得ることが困難であった。
そこで、このような問題点を解決したポリマーセメント組成物の開発が望まれていた。

特開２００２−１９３６５３号公報特開２００４−３１５２５１号公報

本発明の目的は、上記問題点を解決し、現場での製造が容易で施工時の作業性を阻害することのない流動性を有し、劣化コンクリート部との接着性が良好で、且つ成形物が高強度・高靱性を有するポリマーセメント組成物を提供することである。

本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、セメントに特定のポリマーおよび高強力短繊維を特定の配合組成で組み合わせることで、上記問題点が解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明によれば、
セメント、水、骨材、ポリマー、および引張強度が２０ｃＮ／ｄｔｅｘ以上の高強力短繊維を含有してなるポリマーセメント組成物であって、下記要件を満足するポリマーセメント組成物、
ａ）ポリマー配合量がセメント１００質量部に対し、１〜２０質量部であること。
ｂ）高強力短繊維の繊維長が１〜１８ｍｍ、単糸繊度が０．３〜１０ｄｔｅｘであること。
ｃ）高強力短繊維の混入率が（セメント１００質量部に対し、）０．１〜５．０質量％であること。
又好ましくは高強力繊維がコポリパラフェニレン・３，４’−オキシジフェニレン・テレフタラアミド繊維であるポリマーセメント組成物、
が提供される。

本発明のポリマーセメント組成物により、現場での製造が容易であって、施工時の作業性を阻害することのない流動性を有し、コンクリート補強工法において劣化下地との接着性が良好で高い曲げ強度と高い靱性を有する組成物が得られる。

本発明を以下の好適例により説明するが、これらに限定されるものではない。
本発明でいうポリマーセメントとは、結合材にセメントとポリマーを用いたセメント系複合材料をいい、組成物がセメント、水、およびポリマーであるときはポリマーセメントペーストと称し、セメント、水、ポリマー、および細骨材であるときはポリマーセメントモルタルと称し、セメント、水、ポリマー、細骨材、および粗骨材であるときはポリマーセメントコンクリートと称し、ポリマーセメント組成物に水が含まれないものをプレミクスポリマーセメントと称する。

本発明のポリマーセメント組成物に用いるセメントとしては、現場の施工条件等を考慮して選定することができ、特に限定されず、例えば普通、早強、超早強、低熱、及び中庸熱等の各種ポルトランドセメントや、これらの各種ポルトランドセメントにフライアッシュや高炉スラグなどを混合した高炉セメント等の各種混合セメント、速硬セメント等を、単独または２種以上で用いることができる。

また、該セメントには、高炉スラグ粉末、フライアッシュ、シリカヒューム、石灰石粉末、石英粉末、二水石膏、半水石膏、無水石膏、生石灰系膨張材、カルシウムサルフォアルミネート系膨張材などの公知の混和材を添加することができる。その配合割合は、特に限定されず、適宜設計することができる。

本発明のポリマーセメント組成物は、セメント、水、骨材、ポリマー、および引張強度が２０ｃＮ／ｄｔｅｘ以上の高強力短繊維を含有してなるポリマーセメント組成物であって、セメント１００質量部に対し、ポリマー１〜２０質量部配合されていることが必要である。

ポリマーセメント組成物に使用するポリマーとしては、ポリアクリル酸エステル、スチレンブタジエン、エチレン酢酸ビニル、酢酸ビニル／バーサック酸ビニルエステル、酢酸ビニル／バーサック酸ビニルエステル／アクリル酸エステル等の樹脂が挙げられ、これらの中から適宜、選択して単独、または１種以上を混合して使用することができる。また、該ポリマーは、その使用形態については限定されない。従って、例えばディスパージョン状態となったものを現場において施工直前に混合するものや、該ポリマーを再乳化型の粉末として予めセメント等と混合しておき、水を添加して混練する際にディスパージョン状態となるものなど、いずれの形態でも使用することができる。

該ポリマーの配合割合は、セメント１００質量部に対して、１〜２０質量部となるようにすることが必要である。ポリマーを上記範囲の適正量配合することにより組成物が施工に適した粘度、粘性を有するとともに、補強用高強力短繊維が均一に分散する効果を有する。ポリマー配合量が１質量部より少なければ、粘度が低く高強力短繊維が絡まり易くなり補強効果が低下するとともに、コンクリートとの付着性能、乾燥収縮抑制性能が十分に発揮できない。逆に２０質量部を超えるとモルタル練上り直後、いわゆる、フレッシュ時の粘度が高くなりすぎ流動性が低下し好ましくない。好ましくは２〜１５質量部、更に好ましくは３〜１０質量部であることが望ましい。

本発明のポリマーセメント組成物に使用する骨材としては、川砂、海砂、山砂、砕砂、３〜８号珪砂、石灰石、及びスラグ細骨材等の細骨材のみや、用途の要求特性に応じて、川砂利、砕石、及び人工骨材等の粗骨材を混合使用することができる。高物性を発現させるためには、微細な粉や粗い骨材を含まない粒度調整した珪砂や石灰石等の細骨材のみを用いるほうが好ましい。

さらに、所望の特性のセメント硬化体を得るためには、その粒度構成や配合割合にも好適な範囲があり、骨材の粒度は４ｍｍ以下のものが好ましく、１．２ｍｍ未満のものが４０〜７５％で、１．２〜４ｍｍのものが６０〜２５％である混合物がより好ましく、１．２ｍｍ未満のものが５５〜７０％で、１．２〜４ｍｍのものが４５〜３０％である混合物が最も好ましい。最大粒度が４ｍｍを超えると流動性や充填性が不足し、１．２〜４ｍｍのものが２５％未満では耐久性に劣る場合があり、６０％を超えると必要な早期強度が得られなく好ましくない。

骨材の配合割合は、上記セメント１００質量部に対して、５０〜４００質量部、好ましくは１００〜３００質量部とすることが望ましい。これは、かかる配合比で細骨材を混合することより、作業性が良く、実用的な強度発現性を有し、実用上問題のない硬化収縮を有する補修材料となるからである。細骨材がセメントに対して５０質量部未満では、乾燥収縮や水和熱によるひび割れが発生するおそれがあり、また、４００質量部を超えると、充分な流動性を確保できず、強度発現性にも支障の出るおそれがある。

本発明のポリマーセメント組成物において、混入される高強力短繊維としては、密度が１ｇ／ｃｍ^３以上であることが好ましく、高強力短繊維の密度が１ｇ／ｃｍ^３未満であれば、練り混ぜ水と共に混ぜた場合に繊維が浮いてしまい、所定の分散性が得られず、ポリマーセメント組成物の流動性が低下する恐れがあり好ましくない。
高強力短繊維の繊維長が１〜１８ｍｍ、単糸繊度が０．３〜１０ｄｔｅｘであることが、繊維混入による補強効果、即ち高強度・高靱性付与の観点から必要である。

高強力短繊維の繊維長が１ｍｍ未満の場合、強度、靱性において繊維添加による補強効果が得られず好ましくない。また、１８ｍｍを超えると混練中に短繊維同士が絡んだり細かく折れたりして施工性を阻害したり、繊維添加による期待した補強効果が得られない場合が生じる。最も好ましくは３ｍｍ〜１２ｍｍの範囲である。

また、単糸繊度が０．３ｄｔｅｘ未満では、セメントがアルカリ性であるために繊維の芯近くまで劣化が起こってその引っ張り強度の低下が大きくなり、目的の補強効果が得られなくなる場合がある。一方、１０ｄｔｅｘを超えると、繊維の細部への行き渡りが不十分となり、かつ、同じ体積含有率で短繊維を添加する場合、単繊維本数が少なくなって充分な補強効果が得られない。好ましくは単糸繊度は、０．７５〜５ｄｔｅｘである。

本発明のポリマーセメント組成物において、混入される補強用高強力短繊維としては、該繊維の引張強度が２０ｃＮ／ｄｔｅｘ以上であることが必要で、破断伸度が３〜６％範囲内であることが好ましい。

高強力短繊維の引張強度が２０ｃＮ／ｄｔｅｘ未満ではセメント複合体の強度が十分でなく、また、該繊維の破断伸度が３％未満ではセメント複合体の靱性が低下し好ましくない。また、破断伸度が６％を超えると母材であるポリマーセメントモルタル（含むコンクリート）との伸度差が大きくなりすぎ、かつ、伸びによる単繊維の太さの減少によってセメント破断面近辺での界面接着部で部分的な剥離が生じ易くなって補強効果を充分に発現できなくなる。

又、上記高強力短繊維の繊維混入率は０．１〜２．５容積％程度であることが必要である。該繊維混入率が０．１容積％未満では強度や靱性が十分ではなく、２．５容積％を超えると、繊維の分散が不完全となり、施工時の作業性を阻害するだけではなく、繊維混入率に見合う補強効果や靭性改善効果が得られなくなるので好ましくない。特に、該繊維混入率は、０．５〜２．０容積％であることが好ましい。

ここで、本発明における繊維混入率（Ｖｆ：ｆｉｂｅｒｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎ）は、次式で表される割合（容積％）である。
Ｖｆ＝（Ｖ１／Ｖ２）×１００式（１）
（式中、Ｖ１は繊維を含有したポリマーセメント複合体の単位容積（１．０００リットル＝１ｍ^３）中に混入された高強力短繊維の容積（リットル）を示し、Ｖ２は繊維補強ポリマーセメント複合体の単位容積（１．０００リットル＝１ｍ^３）を示す。）

本発明において用いられる補強用高強力短繊維の原材料としては、炭素繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、アスベスト繊維等の無機繊維、アラミド繊維、ビニロン繊維、ポリプロピレン繊維、ポリエチレン繊維、ポリアリレート繊維、ポリベンズオキサゾール（ＰＢＯ）繊維、ナイロン繊維、ポリエステル繊維、アクリル繊維、塩化ビニル繊維、ポリケトン繊維、セルロース繊維、パルプ繊維等の有機繊維等を挙げることができ、これらの一種又は二種以上を組み合わせて、使用することができる。なかでもポリパラフェニレンテレフタラミドやコポリパラフェニレン・３，４’オキシジフェニレン・テレフタラミド等のパラ型アラミドからなる繊維が他の繊維に比べて補強効果が大きいので好ましく、特にコポリパラフェニレン・３，４’オキシジフェニレン・テレフタラミド短繊維は、高温高圧下強アルカリ性の雰囲気中に長時間保持してもその機械的特性の劣化が小さいので、高温高圧下での蒸気養生、例えば１８０℃、圧力約１０Ｋｇ／ｃｍ^２の飽和水蒸気による条件下においても高い強力保持率を有するので好ましい。

本発明のポリマーセメント組成物においては、上記材料のほかに、ＡＥ減水剤、高性能ＡＥ減水剤、凝結遅延剤、硬化促進剤、増粘剤、消泡剤、発泡剤、防錆剤、防凍剤、粘土鉱物系チクソ性付与材、着色剤、保水剤等の添加剤を、本発明の目的を実質的に阻害しない範囲で使用することができる。

本発明のポリマーセメント組成物は、それぞれの材料を施工時に混合しても、予め一部を混合してもかまわないが、予め粉末成分を混合した材料と水とを混合することが、施工現場での計量手間や計量ミスをなくす点で好ましい。混合は通常使用されるミキサーであればよく、特に限定されるものではないが、羽根型か、もしくはオムニミキサーが好適であり、繊維プレミクスのポリマーセメントモルタル粉体に所定量の水を投入するだけで調合製造が可能となり、これまでと同等の高い曲げ靭性能が得られるものである。
更に、本発明のモルタルの練り混ぜ水量は、通常、セメント材料１００質量部に対し、水を２５〜５５質量部混合、好ましくは３０〜５０質量部混合される。

また、本発明のポリマーセメント組成物は、適量な水を添加して混練するが、水は、セメント等の硬化に悪影響を及ぼす成分を含有していなければ、水道水や地下水、河川水等の水を用いることができ、例えば、「ＪＩＳＡ５３０８付属書９レディーミクストコンクリートの練混ぜに用いる水」に適合するものが好ましい。

このようにして得られたポリマーセメント組成物を用いたモルタルやコンクリートは、建築・土木分野での施工に有用であり、例えば、コンクリート建造物等の劣化部のコンクリートやモルタル部の一部を除去、はつりとった後に、必要に応じて鉄筋の錆びを落とし、必要な厚さの本発明のポリマーセメント組成物を用いて施工することで、その建造物に十分な表面強度と付着性とを付与することができる。

以下に実施例および比較例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
なお、実施例における各種の評価は、次のようにして測定した。
（１）繊維長、繊度
ＪＩＳ−Ｌ−１０１５に準拠して測定した。
（２）ポリマーセメント組成物の混練性
普通ポルトランドセメント（住友大阪セメント株式会社製）、骨材（５号珪砂）水道水、ポリアクリル酸エステル系ポリマーディスパージョン（ニチゴーモビニール株式会社製）、及び補強用繊維を、モルタルミキサー（(株)マルイ製、ＭＩＣ−３６２型、容量：５Ｌ）を用いて１４０ｒｐｍの撹拌速度で約３分間混練して得られたモルタルの混練性について、繊維の絡まりが無く且つその流動性が施工時の作業を阻害しないときは良好とし、繊維の絡まりがありまたその流動性が施工時の作業を阻害するときは不良とした。
（３）ポリマーセメント組成物曲げ強度、および曲げ強度エネルギー測定方法
幅４０ｍｍ×高さ４０ｍｍ×長さ１６０ｍｍの型枠に、得られた各モルタルを打設し、２０℃、９０％ＲＨで材齢２８日まで養生して、供試体を製造した。上記供試体を、３点曲げ測定法にしたがって測定した。すなわち、１０トン用引張圧縮試験機（ＴＯＹＯＢＡＬＤＷＩＮ社製、ＵＮＩＶＥＲＳＡＬＴＥＳＴＩＮＧＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＭＯＤＥＬＵＴＭ１０ｔ）を用い、支点間距離１０ｃｍの中心を２ｍｍ／分の速度で圧縮し、応力の最高点より曲げ強度を求めた。また、曲げ応力−歪みの関係から供試体の破壊に必要な破壊エネルギーを算出し、曲げ強度１２Ｎ／ｍｍ^２以上で且つ破壊エネルギー５ｋＮ／ｍｍ以上を良好とし、曲げ強度１２Ｎ／ｍｍ^２または破壊エネルギー５ｋＮ／ｍｍ^２以下を不良とした。

［実施例１］
表１に示す配合割合でポリマーセメントモルタルを調整し、高強力短繊維としてアラミド繊維（帝人テクノプロダクツ株式会社製「テクノーラ」（密度１．３９ｇ／ｃｍ^３、単糸繊度１．７ｄｔｅｘ、長さ６ｍｍ、引張強力２４．５ｃＮ／ｄｔｅｘ、破断伸度４．５％）を使用した。ポリマーセメントモルタル混練性、曲げ強度、および破壊エネルギー測定を行い、評価結果を表２に示す。

［実施例２〜７、比較例１〜９］
実施例１において、ポリマーセメント組成物の配合割合、短繊維種、短繊維の容積混入率、単糸繊度、長さ、引張強力および破断伸度を表１に示す通り変更してポリマーセメントモルタルを調整し、ポリマーセメントモルタルの混練性、曲げ強度、および破壊エネルギー測定を行い、評価結果を表２に示す。

本発明のポリマーセメント組成物は施工時の作業性を阻害することのない流動性を有し、該ポリマーセメント組成物中の繊維は均一に分散している。また得られた供試体は、作用応力が増加しても急激な繊維の破断は生じず、曲げ応力も低下することがなく、載荷終了間際まで、ひずみ硬化現象が現れることが認められた。また、三点曲げ試験において、曲げ応力が１２Ｎ／ｍｍ^２、破壊エネルギー５ｋＮ／ｍｍ以上であることが明らかである。

本発明のポリマーセメント組成物は、現場での製造が容易であって、施工時の作業性を阻害することのない流動性を有し、高強度・高靱性が付与されているため、種々のコンクリート構造物劣化部の補修、または鉄筋コンクリート構造物からなる橋脚の耐震補強や道路床版の下面増厚等の補強にも好適に使用することができる。

Claims

セメント、水、骨材、ポリマー、および引張強度が２０ｃＮ／ｄｔｅｘ以上の高強力短繊維を含有してなるポリマーセメント組成物であって、下記要件を満足することを特徴とするポリマーセメント組成物。
ａ）ポリマー配合量がセメント１００質量部に対し、１〜２０質量部であること。
ｂ）高強力短繊維の繊維長が１〜１８ｍｍ、単糸繊度が０．３〜１０ｄｔｅｘであること。
ｃ）高強力短繊維の混入率がポリマーセメント組成物全容積に対し０．１〜５．０容積％であること。
高強力短繊維の密度が１ｇ／ｃｍ^３以上、破断伸度が３〜８％範囲内である請求項１記載のポリマーセメント組成物。
高強力短繊維がポリパラフェニレン・テレフタラアミド繊維である請求項１〜２いずれかに記載のポリマーセメント組成物。
高強力短繊維がコポリパラフェニレン・３，４’−オキシジフェニレン・テレフタラアミド繊維である請求項１〜２いずれかに記載のポリマーセメント組成物。