JP2010116274A

JP2010116274A - 短繊維補強セメント成形体

Info

Publication number: JP2010116274A
Application number: JP2008288764A
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: 2008-11-11
Filing date: 2008-11-11
Publication date: 2010-05-27

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・高耐久性が付与された短繊維補強セメント成形体を提供すること。
【解決手段】短繊維Ａと短繊維Ｂを含有する短繊維補強セメント成形体であって、下記要件を満足することを特徴とする短繊維補強セメント成形体。
ａ）短繊維Ａが、繊維長が３〜２０ｍｍで、繊維径が７〜３００μｍの短繊維であること。
ｂ）短繊維Ｂが熱可塑性樹脂及び／又は熱硬化樹脂で被覆されてなるパラ型アラミド集束短繊維であって、繊維長が１０〜３０ｍｍ、繊維径が１００〜５００μｍであること。
ｃ）セメント成形体全容積中に占める短繊維の容積分率Ｖｆが０．０５〜３．０ｖｏｌ％であること。
ｄ）短繊維Ａと短繊維Ｂの引張強度が１０００ＭＰａ以上であること。
【選択図】なし

Description

本発明は短繊維補強セメント成形体に関するものであり、さらに詳しくは、セメントペースト、モルタルおよびコンクリート材料等のセメント成形体の曲げ強度、曲げ靱性などの機械的特性を向上させる短繊維補強セメント成形体に関するものである。

従来からセメントペースト、モルタルまたはコンクリート等のセメント成形体の曲げ強度、耐衝撃強度等の機械的特性を向上させるために、アスベスト、ガラス繊維、スチール繊維、または炭素繊維等の無機繊維が用いられてきた。その中でアスベストは古くから使用されてきたが、発ガン性の問題等から現在は使用が規制されるようになってきた。また、ガラス繊維は耐アルカリ性タイプのものでもセメント中のアルカリによる劣化が確認されており、長期的に補強効果を維持することが困難であるため、大量使用には至っていない。スチール繊維はコンクリート中で腐食が生じ、これによってコンクリート材料にひび割れが生じるという問題がある。また、スチール繊維に防錆処理を施しても長期的には腐食に耐えられず、しかも防錆処理にコストがかかり有用ではない。炭素繊維はセメント中に分散させるための混練処理中に折れて短くなり、必要な長さが維持できないので期待通りの補強効果が得られなくなるという問題を有している。

これに対して有機高分子重合体からなる繊維については、例えば、ビニロン繊維、ポリプロピレン繊維、アラミド繊維等の使用による補強が有効であり、既に実用化されている。

具体的には、「ガラス繊維補強強化セメント製品の製造方法」（特開昭４９−９８４２４号公報）、「繊維強化セメント製品の製造法」（特開昭４９−１０４９１７号公報）、「耐熱混合繊維強化セメント製品の製造法」（特開昭４９−１０４９１８号公報）、「軽量硬化補強製品の製造法」（特開昭６１−８６４５２号公報）、「軽量珪酸カルシウム製品」（特開昭６２−１７１９５２号公報）、「スチールファイバー補強コンクリート材料」（特開平６−１１５９８８号公報）、及び「無機質繊維強化セメント製建材とその製造方法」（特開昭６３−４５１８５号公報）等に開示され、ガラス繊維、ポリエステル繊維、ビニロン繊維、ポリプロピレン繊維、アラミド繊維、アクリル繊維、スチール繊維、炭素繊維などを使用することが教示されている。

確かに、これらの繊維を使用して補強を行うことによりセメントペースト、モルタルまたはコンクリート等のセメント成形体の曲げ強度、曲げ靱性等の機械的特性を向上させることが可能になるが、補強効果を充分に発現させるためには、コンクリート材料中の繊維の１本１本が均一に分散して存在し、周囲のコンクリートと強固に結合していることが重要である。

上記の短繊維を補強用繊維として使用する場合、分散性のみを考えるとカット長の短い短繊維がよいが補強効果が低下する。また，補強効果を向上させるためにカット長の長い短繊維を使用すると，分散性が低下して作業性が悪くなるばかりか，攪拌中に繊維同士が絡みあってファイバーボールを発生しやすく，曲げ靱性も低下し、補強効果を充分に発揮できていないという問題がある。

特開昭４９−９８４２４号公報特開昭４９−１０４９１７号公報特開昭４９−１０４９１８号公報特開昭６１−８６４５２号公報特開昭６２−１７１９５２号公報特開平６−１１５９８８号公報特開昭６３−４５１８５号公報

本発明は、かかる従来の問題点を解消するものであり、分散性が良好な補強用短繊維からなる、曲げ強度および曲げ靱性対して優れた機械的特性を有する短繊維補強セメント成形体を提供するものである。

本発明者らは、上記目的達成のために鋭意検討した結果、繊維長、繊維径または繊維種の異なる２種の短繊維を補強用短繊維とすればセメント成形体中の繊維が均一に分散し、作業性を阻害しないで、機械的特性を向上させることを見いだし、さらに検討を重ねた結果本発明に到達した。

即ち、本発明によれば、
短繊維Ａと短繊維Ｂを含有する短繊維補強セメント成形体であって、下記要件を満足することを特徴とする短繊維補強セメント成形体。
ａ）短繊維Ａが、繊維長が３〜２０ｍｍで、繊維径が７〜３００μｍの短繊維であること。
ｂ）短繊維Ｂが熱可塑性樹脂及び／又は熱硬化樹脂で被覆されてなるパラ型アラミド集束短繊維であって、繊維長が１０〜３０ｍｍ、繊維径が１００〜５００μｍであること。
ｃ）セメント成形体全容積中に占める短繊維の容積分率Ｖｆが０．０５〜３．０ｖｏｌ％であること。
ｄ）短繊維Ａと短繊維Ｂの引張強度が１０００ＭＰａ以上であること。
が提供される。
短繊維Ｂとして好ましくは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ルアミド短繊維である。

本発明の短繊維補強コンクリートは、引張強度が１０００ＭＰａ以上の高強度高剛性繊維からなる２種の短繊維を補強繊維として用いることにより、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、高強度・高靱性・高耐久性が付与された短繊維補強セメント成形体を提供される。特に一方の繊維がパラ型アラミド集束短繊維であることにより分散性と強度等向上効果が発現する。

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明でいうコンクリートとは、骨材にセメントを加え硬化させた普通コンクリート、起泡剤を併用して発泡硬化させた軽量気泡コンクリート、有機ポリマーを併用したポリマーコンクリート等のいかなるコンクリートをも含むものであるが、さらに細骨材のみを使用したモルタルや、骨材を使用しないセメントペーストをも含むものである。骨材としては、コンクリートに通常用いられるものであればどのようなものでもよく、砂、砂利、砕石、人工軽量骨材、人工軽量細骨材、高炉スラグ等を使用することができる。さらにセメントも、水硬性セメントならどのようなものでもよく、例えば、ポルトランドセメント、水硬性石灰、ローマン・セメント、天然セメント等を使用することができる。尚ポルトランドセメントの中には数多くの種類があるが、例えば普通ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、低熱ポルトランドセメント等いずれを使用してもよい。

本発明で使用する補強用短繊維Ａ及び短繊維Ｂの引張強度としては１０００ＭＰａ以上である必要があり、１０００ＭＰａ未満の場合補強効果が低下し好ましくない。

本発明で使用する短繊維Ａ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、ポリケトン繊維、アクリル繊維、塩化ビニル繊維、セルロース繊維、パルプ繊維等の有機繊維のいずれをも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ルアミド等のパラ型アラミド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ルアミド短繊維は、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、例えば軽量気泡コンクリートを製造する際に採用される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。

短繊維Ａの繊維長は３〜２０ｍｍ、好ましくは６〜１５ｍｍで、繊維径は７〜３００μｍ、好ましくは１０〜２００μｍのものを用いる必要がある。短繊維Ａの繊維長が３ｍｍ未満及び繊維径が３００μｍを超える場合は、流動性はよいが，セメント成形体との接着が不足して補強効果が低下する。一方、繊維長が２０ｍｍを超えたり繊維径が７μｍより小さいと、繊維同士が絡み易くファイバーボールが発生し均一に短繊維がセメント成形体中で存在せず十分な補強効果が得られない。

本発明で使用する短繊維Ｂとしてはパラ型アラミド繊維であることが必要で、好ましくはポリパラフェニレンテレフタラミドや共重合体である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ルアミド繊維が好ましい。中でも、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ルアミド繊維を基材として用いた場合には、優れた引抜き特性を有するために他の繊維に比べ特に補強効果が優れているだけでなく、耐アルカリ性にも優れているため、長期にわたって高性能を保持することが出来る。さらに、この繊維は、耐アルカリ性にも優れていることから、温度２００℃程度のオートクレーブ養生にも耐えられる。

又短繊維Ｂは樹脂被覆集束短繊維であり、繊維長は１０〜３０ｍｍ、好ましくは１２〜２０ｍｍで、繊維径は１００〜５００μｍ、好ましくは２００〜４００μｍのものを用いる必要がある。繊維長が１０ｍｍ未満及び繊維径が５００μｍより大きいと，流動性はよいが，セメント成形体の補強効果が得られず曲げ靱性が低下し好ましくない。一方、繊維長が３０ｍｍを超えたり繊維径が１００μｍ未満の場合、分散性が悪くファイバーボールが発生し均一に短繊維がセメント成形体中で存在せず十分な補強効果が得られなくなる。

ここで樹脂被覆集束短繊維とするには、まずマルチフィラメントに浸漬法やスプレー法により繊維表面及び内部に樹脂を付与し、乾燥及び必要により熱処理することにより樹脂被覆体とし、その後所定の長さにカットすることにより得られる。

繊維被覆に使用する樹脂は、耐アルカリ性の熱可塑性樹脂及び／又は熱硬化性樹脂であれば特に制限なく使用されるが、好ましくは、エポキシ系樹脂、ビニールエステル系樹脂、フェノール系樹脂、ポリウレタン系樹脂、メラミン系樹脂、ホルムアルデヒド系樹脂、フルオロ重合体系樹脂等の熱硬化性樹脂が使用され、中でも、エポキシ系樹脂やビニールエステル系樹脂が特に好ましく使用される。

次に短繊維をセメント成形体に均一に分散させ、曲げ強度と曲げ靱性性能向上を同時に満足させるためには，短繊維Ａと短繊維Ｂを混合してセメント成形体に含有させることが好ましく、その際混合容積量比率Ｂ／Ａは０．１〜２．０の範囲が好ましく、特に０．５〜１．５の範囲が好ましい。この範囲の場合短繊維Ａと短繊維Ｂの繊維同士の絡まりが少なく且つ流動性も良好で短繊維が均一に混合分散する。短繊維Ｂが樹脂被覆集束短繊維でない場合、同一短繊維量混合しても均一な分散、流動性は得られない。又混合比Ｂ／Ａが０．１未満ではセメント成形体の曲げ靱性が劣り、一方２以上では曲げ強度が劣る。

セメント成形体への補強用繊維としての短繊維Ａと短繊維Ｂの合計添加量は０．０５〜３．０容積％の範囲である必要があり、好ましくは０．５〜２容積％である。補強用繊維の添加量が０．０５容積％未満では補強性能が劣り、一方３．０容積％以上では流動性が悪く、また分散不良となり補強性能も劣る。

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
ＪＩＳ−Ｌ−１０１５に準拠して測定した。
（２）短繊維補強セメント成形体の混練性
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）７００ｇ、骨材（５号珪砂）１４００ｇ、水道水３８５ｇ、及び短繊維を、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スラリーの混練性について、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）短繊維補強セメント成形体の曲げ強度、および曲げ靱性
幅４０ｍｍ×高さ４０ｍｍ×長さ１６０ｍｍの型枠に、上記で得られた各スラリーを打設し、２０℃、９０％ＲＨで材齢２８日まで養生して、短繊維補強セメント成形体の供試体を製造した。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て曲げ靱性とし、曲げ強度１２Ｎ／ｍｍ^２以上で且つ破壊エネルギー６ｋＮ／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６ｋＮ／ｍｍ^２未満を不良とした。

［実施例１］
短繊維Ａとして、パラ型アラミド繊維（帝人テクノプロダクツ株式会社製「テクノーラ」（単糸断面直径１２μｍ、カット長６ｍｍ、引張強度３０００ＭＰａ）を使用した。
短繊維Ｂとして、総繊度が４４０ｄｔｅｘ、フィラメント数が２６７本（繊維の断面直径が１２μｍ）のパラ型アラミド繊維（帝人テクノプロダクツ（株）製、「テクノーラ」）を、エポキシ樹脂（ジャパンエポキシレジン株製ディックファインＥＮ−０２７０）の固形分１２％溶液中に浸漬した後、温度２５０℃で乾燥させ、樹脂付着量１５％のストランドを作成し、該ストランドを１２ｍｍに切断し短繊維Ｂとした。
表１に示す短繊維配合割合となるように短繊維補強セメント成形体を調整し、その混練性、曲げ強度、および曲げ靱性を評価し、結果を表１に示す。

［実施例２〜７、比較例１〜８］
実施例１において、短繊維補強セメント成形体の配合割合、短繊維種、短繊維の容積混入率、繊維径、および繊維長を表１に示す通り変更して短繊維補強セメント成形体を調整し、その混練性、曲げ強度、および曲げ靱性を評価し、結果を表１に示す。

［実施例８、比較例９］
実施例１において、繊度が１１００ｄｔｅｘ、フィラメント数が６６７本（繊維の断面直径が１２μｍ）のコポリパラフェニレン・３．４’・オキシジフェニレン・テレフタラミド繊維（帝人テクノプロダクツ（株）製、「テクノーラ」）を、エポキシ樹脂（ジャパンエポキシレジン（株）製）中に浸漬した後、温度２５０℃で乾燥させ、樹脂付着量１５％のストランドを作成し、補強用短繊維Ｂとして得られたストランドを１２ｍｍに切断し使用した以外は実施例１と同様に実施した。

［比較例１０］
短繊維Ａとしてメタ型アラミド繊維（帝人テクノプロダクツ株式会社製「コーネックス」（単糸断面直径１４μｍ、引張強度６８０ＭＰａ）を使用した。短繊維Ｂとして、繊維の断面直径が１４μｍのメタ型アラミド繊維（帝人テクノプロダクツ（株）製、「コーネックス」）を、エポキシ樹脂（ジャパンエポキシレジン株製ディックファインＥＮ−０２７０）の固形分１２％溶液中に浸漬した後、温度２５０℃で乾燥させ、樹脂付着量１５％のストランドを作成し、補強用短繊維Ｂとして得られたストランドを１２ｍｍに切断し使用した。表１に示す短繊維配合割合で短繊維補強セメント成形体を調整し、その混練性、曲げ強度、および曲げ靱性を評価し、結果を表１に示す。

［実施例９〜１２、比較例１１〜１６］
短繊維Ａとしてポリビニルアルコール繊維（クラレ株式会社製、単糸断面直径２７μｍ、引張強度１６００ＭＰａ）を使用した。
短繊維Ｂとして、実施例１で使用した樹脂加工ストランドを使用し、表２に示す短繊維配合割合、短繊維の容積混入率、繊維径、および繊維長で短繊維補強セメント成形体を調整し、その混練性、曲げ強度、および曲げ靱性を評価し、結果を表２に示す。

［実施例１３〜１６、比較例１７〜２２］
短繊維Ａとしてポリビニルアルコール繊維（クラレ株式会社製、単糸断面直径１００μｍ、引張強度１４００ＭＰａ）を使用した。
短繊維Ｂとして、実施例１で使用した樹脂加工ストランドを使用し、表３に示す短繊維配合割合、短繊維の容積混入率、繊維径、および繊維長で短繊維補強セメント成形体を調整し、その混練性、曲げ強度、および曲げ靱性を評価し、結果を表３に示す。

本発明の短繊維補強セメント成形体は施工時の作業性を阻害することのない流動性を有し、該セメント成形体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６ｋＮ／ｍｍ以上であることが明らかである。

本発明の短繊維補強セメント成形体は、短繊維補強コンクリート以外の建築資材、例えば石膏ボード、サイジングボード、スレート板、珪酸カルシウム板等の他の建築資材に適用することができる。

Claims

短繊維Ａと短繊維Ｂを含有する短繊維補強セメント成形体であって、下記要件を満足することを特徴とする短繊維補強セメント成形体。
ａ）短繊維Ａが、繊維長が３〜２０ｍｍで、繊維径が７〜３００μｍの短繊維であること。
ｂ）短繊維Ｂが熱可塑性樹脂及び／又は熱硬化樹脂で被覆されてなるパラ型アラミド集束短繊維であって、繊維長が１０〜３０ｍｍ、繊維径が１００〜５００μｍであること。
ｃ）セメント成形体全容積中に占める短繊維の容積分率Ｖｆが０．０５〜３．０ｖｏｌ％であること。
ｄ）短繊維Ａと短繊維Ｂの引張強度が１０００ＭＰａ以上であること。
短繊維Ａと短繊維Ｂとの混合容積量比率Ｂ／Ａが０．１〜２．０である請求項１記載の短繊維補強セメント成形体。
パラ型アラミド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ルアミド短繊維である請求項１〜２いずれかに記載の短繊維補強セメント成形体。