JP2011088793A

JP2011088793A - グラウト材補強材

Info

Publication number: JP2011088793A
Application number: JP2009244629A
Authority: JP
Inventors: Takeya Dei; 丈也出井
Original assignee: Teijin Techno Products Ltd
Current assignee: Teijin Ltd
Priority date: 2009-10-23
Filing date: 2009-10-23
Publication date: 2011-05-06

Abstract

【課題】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・耐衝撃性が付与されたグラウト材およびグラウト材補強材を提供すること。
【解決手段】下記要件を全て満足する繊維を補強材として含有することを特徴とするグラウト材を提供すること。
ａ）短繊維の単糸繊度が０．５〜１００ｄｔｅｘ、短繊維長が１〜１５ｍｍの短繊維であること。
ｂ）短繊維の引張強度が２５００ＭＰａ以上、引張弾性率が５０ＧＰａ以上、破断伸度が３〜８％範囲内であること。
ｃ）短繊維の密度が１．０ｇ／ｃｍ^３以上であること。
【選択図】なし

Description

本発明は、主に土木・建築分野において使用されるグラウト材およびグラウト材補強材に関する。

土木・建築工事では、コンクリート構造物の細かい空隙、建築・構造物の補修や補強、ロックアンカーやアースアンカーなどへ、モルタルやセメントペーストなどからなるグラウト材を注入・充填するグラウト工法が、施工し易さ、低コスト、品質安定性などの面から広く行われている。

このような特徴を有することから、グラウト工法の適用対象物が拡大してきており、グラウト材に対する要求性能も高度化してきている。特に、近年のコンクリート系構造体の高強度化、高耐久性化により、このような高性能構造体にグラウト工法を施す必要が生じた場合、少なくとも使用するグラウト材にも同等かそれ以上の性能が要求される。

特開２００１−２５３７５１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補強材としてグラウト材に混合した曲げ強度が向上した材料が提案されている。
しかしながら、この評価では、最大荷重発生時の曲げ応力を曲げ強度としており、最大荷重を経てからの曲げ応力の挙動については確認できていない。また、漸次的に荷重がかかる場合だけではなく、急激に荷重がかかる場合にも、その衝撃を十分に吸収できる必要があるが十分なものではなかった。

さらに上記のグラウト組成物においては、補強材の添加量を増やすと繊維同士が絡まりやすく施工時の作業性が低下するという問題点や、高強度且つ高靱性のグラウト材とするため、グラウト材の強度を高くすると、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、グラウト材破断面で繊維も破断するため、高靱性を得ることや耐衝撃吸収性を付与することが困難であるという問題点があった。
そこで、このような問題点を解決したグラウト材補強材およびグラウト材の開発が望まれていた。

特開２００１−２５３７５１号公報

本発明の目的は、上記問題点を解決し、グラウト材補強材であって、施工時に流動性が低下することなく、高強度・高靱性・耐衝撃吸収性のあるグラウト材とすることができる補強材および該補強材を含むグラウト材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、特定の機械物性を有する繊維を補強材として使用することで、グラウト材の施工時の流動性を損うことなく、高強力、高靱性、耐衝撃吸収性が付与されたグラウト材が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明によれば、
下記要件を満足する短繊維を含むグラウト材補強材、
ａ）短繊維の単糸繊度が０．５〜１００ｄｔｅｘ、短繊維長が１〜１５ｍｍの短繊維であること。
ｂ）短繊維の引張強度が２５００ＭＰａ以上、引張弾性率が５０ＧＰａ以上、破断伸度が３〜８％範囲内であること。
ｃ）短繊維の密度が１．０ｇ／ｃｍ^３以上であること。
好ましくはグラウト材補強材がポリパラフェニレン・テレフタラアミド繊維及び／又はコポリパラフェニレン・３，４’−オキシジフェニレン・テレフタラアミド繊維であるグラウト材補強材、
上記グラウト材補強材を含有することを特徴とするグラウト材、
が提供される。

本発明のグラウト材補強材を使用することにより、グラウト組成物中で良好な繊維分散性を示し、施工時の流動性が良好で、且つ高い曲げ強度や高い曲げ靱性および耐衝撃吸収性を有するグラウト材とすることができる。

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。
グラウト材とは、水硬性材料、補強短繊維（グラウト材補強材とも呼ぶことがある）及び水を混練して調製されたものをさす。

本発明のグラウト材補強材として使用される短繊維は、密度が１．０ｇ／ｃｍ^３以上、繊維長が１〜１５ｍｍ、単糸繊度が０．５〜１００ｄｔｅｘ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好ましい。

該短繊維の密度が１．０ｇ／ｃｍ^３未満であると、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、グラウト材と繊維が分離したり、グラウト材の流動性が低下する恐れがある。

繊維長が１ｍｍ未満であると強度、靱性において繊維添加による補強効果が得られない。また、１５ｍｍを超えると混練中に短繊維同士が絡んだり曲がっ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１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲である。

また、単糸繊度が０．５ｄｔｅｘ未満では、グラウト材の組成物の一つである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、１００ｄｔｅｘを超えると、グラウト材細部への繊維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。好ましくは該短繊維の単糸繊度は、０．７５〜５０ｄｔｅｘである。

本発明のグラウト材補強材として混入される短繊維としては、高強力、高弾性率、且つ破断伸度が適度な大きさであることが必要であり、具体的には、該繊維の引張強度が２５００ＭＰａ以上、引張弾性率が５０ＧＰａ以上であり、且つ該繊維の破断伸度が３〜８％範囲内であることが必要である。

短繊維の引張強度が２５００ＭＰａ未満、引張弾性率が５０ＧＰａ未満であると、グラウト材に荷重がかかった場合、グラウト材の曲げ強度が小さくなり、また短繊維が破断してその衝撃を十分に吸収できない。短繊維の引張強度は好ましくは３０００ＭＰａ以上、引張弾性率は６０ＧＰａ以上である。

また、該短繊維の破断伸度が３％未満ではグラウト材の靱性が十分ではない場合がある。また、破断伸度が８％を超えると母材であるグラウト材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。

また、上記短繊維の繊維混入率は０．０５〜３．０容積％であることが好ましい。該繊維混入率が０．０５容積％未満ではグラウト材が硬化した際にヒビが入り易く、強度や靱性が十分ではなく、一方３．０容積％を超えると、繊維の分散が不完全となり、施工時の流動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。好ましくは、該繊維混入率は、０．０７５〜２．５容積％、より好ましくは０．１〜２．０容積％である。

ここで、本発明における繊維混入率（Ｖｆ：ｆｉｂｅｒｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎ）は、次式；Ｖｆ＝（Ｖ１／Ｖ２）×１００（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体積（１，０００リットル＝１ｍ^３）中に混入された補強繊維の容積（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。）で表される割合（容積％）である。

また上記の密度、繊度、繊維長、引張強度、引張弾性率、混入率を満足する短繊維を補強材として用いるとき施工時の混練時に繊維の絡まりが少なく流動性が良好となることが本発明の重要なポイントである。繊維の弾性率が高くまた適度なアスペクト比であることが効果をもたらしていると推定している。

本発明のグラウト材補強材の原材料としては、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、これらの一種を、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。

次に水硬性材料は特に限定されないが、セメント、シリカヒューム、高炉スラグ、フライアッシュからなる群から選ばれる少なくとも一種の材料を含み、機械的性能に優れた硬化体を得る点からセメントを主体成分とする水硬性材料であるのが好ましい。

グラウト材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。

なかでもＣ３Ａ（カルシウムアルミネート）量を低めにしたものがグラウト材の流動性を高める点から好ましい。もちろん、耐硫酸塩セメントや早強セメント等も使用可能であるが、グラウト材の流動性が低下するので高性能ＡＥ減水剤の使用量を増やすなどの配慮を行うのが好ましい。

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。

また、本発明のグラウト材には修復の対象となるコンクリートとの付着性能を上げるという点でポリマーを添加してもよく、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好ましい。１質量部より少なければ、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ず、２０質量部を超えるとコストアップになるとともに、モルタル練上り直後、いわゆる、フレッシュ時の流動性が確保できない場合がある。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。

本発明のグラウト材には骨材を使用することも好ましい。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い場合がある。

その配合割合は、上記セメント１００質量部に対して、１０〜２５０質量部、好ましくは５０〜１５０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１０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、２５０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。

本発明のグラウト材においては、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。
更に、本発明のグラウト材の練り混ぜ水量は、通常、セメント材料１００質量部に対し、水を１０〜５０質量部混合、好ましくは１５〜４０質量部混合される。

また、本発明のグラウト材は、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り混ぜに用いる水」に適合するものが好ましい。

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）グラウト材の混練性
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）１２００ｇ、骨材（７号珪砂）５００ｇ、水道水３８０ｇ、増粘剤（信越化学工業製ハイメトローズ９０ＳＨ４０００）２ｇ、減水剤（ＢＡＳＦポゾリス製レオビルドＳＰ８ＳＢ）２０ｇ、及びグラウト材補強材短繊維を、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グラウト材の混練性について、繊維の絡まりが無く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施工時の作業を阻害するときは不良とした。

（３）グラウト材の流動性
上辺直径７ｃｍ、下辺直径１０ｃｍ、高さ６ｃｍの鋳鉄製シリンダを直径３０ｃｍの鋳鉄製円盤上の中央に整置し、ついで（２）で得られたグラウト材をシリンダに満たした後にシリンダを静かに垂直にぬき去りグラウト材を円盤上に流れ出させた。次いで円盤に１５回打撃を与えた後、打撃等により広がったグラウト材の直径をｍｍ単位で測定しグラウト材流動性の指標とした。なお、広がりが円形にならなかった場合には、最大径と最小径の平均値をフロー値とする。

（４）グラウト材曲げ強度、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、得られた各グラウト材を打設し、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２０Ｎ／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２０Ｎ／ｍｍ^２または破壊エネルギー５ｋＮ／ｍｍ^２以下を不良とした。

（５）グラウト材の衝撃吸収性評価方法
幅１００ｍｍ×高さ４ｍｍ×長さ１００ｍｍの型枠に、得られた各グラウト材を打設し、２０℃、９０％ＲＨで材齢２８日まで養生して、成形品を得た。このようにして得られた成形品を、ダイヤモンドカッターを用いて幅１０ｍｍ×高さ４ｍｍ×長さ８０ｍｍに切り出し、供試体を作成した。
上記供試体をＪＩＳ−Ｋ−７７０１シャルピー衝撃強さの試験に準拠して測定した。すなわち、シャルピー衝撃試験機（東洋精機製、ＤＧ−ＣＢ型）を用い、試験片の中心を２．０Ｊ用振り子の打撃刃先端が接触するように試験片を設置して測定を行い、衝撃エネルギーの値は、振り子の振り下ろす前の位置エネルギーと試験片破壊後に残された振り子のエネルギーの差から求めた値を衝撃吸収エネルギーとし、衝撃吸収エネルギーが５ｋＪ／ｍ^２以上のとき良好とし、５ｋＪ／ｍ^２未満を不良とした。

［実施例１］
表１に示す配合割合でグラウト材を調整し、グラウト材補強材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１．４ｇ／ｃｍ^３、単糸繊度１．７ｄｔｅｘ、長さ６ｍｍ、引張強力３４１０ＭＰａ、引張弾性率７４ＧＰａ）を使用した。グラウト材混練性、流動性、曲げ強度、破壊エネルギー、衝撃吸収性評価を行い、評価結果を表２に示す。

［実施例２〜５、比較例１〜７］
実施例１において、グラウト材補強材の短繊維種、短繊維の容積混入率、単糸繊度、長さ、引張強力および引張弾性率を表１に示す通り変更してグラウト材を調整し、グラウト材の混練性、流動性、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。

本発明のグラウト材は施工時の作業性を阻害することのない流動性を有し、補強材である短繊維は該グラウト材中で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。

本発明のグラウト材は、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・衝撃吸収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

下記要件を全て満足する短繊維を含むグラウト材補強材。
ａ）短繊維の単糸繊度が０．５〜１００ｄｔｅｘ、短繊維長が１〜１５ｍｍの短繊維であること。
ｂ）短繊維の引張強度が２５００ＭＰａ以上、引張弾性率が５０ＧＰａ以上、破断伸度が３〜８％範囲内であること。
ｃ）短繊維の密度が１．０ｇ／ｃｍ^３以上であること。
グラウト材補強材がポリパラフェニレン・テレフタラアミド繊維及び／又はコポリパラフェニレン・３，４’−オキシジフェニレン・テレフタラアミド繊維である請求項１記載のグラウト材補強材。
請求項１〜２いずれかに記載のグラウト材補強材を含有することを特徴とするグラウト材。