JP2011121832A

JP2011121832A - 耐せん断破断性に優れたセメント複合材料用の混練物並びに複合材料および橋梁部材

Info

Publication number: JP2011121832A
Application number: JP2009282250A
Authority: JP
Inventors: Tetsushi Kanda; 徹志閑田; Noboru Sakata; 昇坂田; Daisuke Hayashi; 大介林; Yuji Uchida; 雄士内田; Suryanto Benny; ベニー・スリヤント; Kohei Nagai; 宏平長井; Koichi Maekawa; 宏一前川
Original assignee: Kajima Corp
Current assignee: Kajima Corp
Priority date: 2009-12-11
Filing date: 2009-12-11
Publication date: 2011-06-23

Abstract

【課題】ＥＣＣの優れた変形能を活かしつつ、耐せん断破断性を改善した短繊維補強セメント複合材料を提供する。
【解決手段】繊維直径３０〜５０μｍ、繊維長さ５〜２０ｍｍのＰＶＡ短繊維を１.０〜３.０体積％含有し、下記［Ａ］に記載の性質を持ち、水セメント比３０％以上、砂セメント比０〜１００％であるセメント系組成物Ｘと、粗骨材Ｙとを混合し、粗骨材Ｙの含有量が混練物全体の５〜１５体積％である混練物とし、これを打設してセメント複合材料とする。
［Ａ］セメント系組成物Ｘ（粗骨材Ｙを含まないもの）を練り混ぜてＰＶＡ短繊維を３次元方向にランダムに分散させた混練物についての標準水中養生による材齢２８日の硬化体が、引張試験において１％以上の引張ひずみを呈すること。
【選択図】図４

Description

本発明は、引張強度、曲げ強度および靱性に優れたクラック分散型の短繊維補強セメント複合材料において、特に、最初に生じたクラック部分での「せん断ずれ」に対する抵抗力（本明細書では「耐せん断破断性」と呼んでいる）を向上させたものに用いるための混練物、並びにその混練物を用いて得られる複合材料および橋梁部材に関する。

短繊維を配合させることにより曲げ強度や靱性を向上させた短繊維補強セメント複合材料（ＦＲＣ）は既に種々のものが実用化されている。中でも、ＰＶＡ（ＰｏｌｙＶｉｎｙｌＡｌｃｏｈｏｌ）短繊維を配合し、原材料の組み合わせを適正化することによって、１％以上という大きな引張ひずみを呈するセメント系材料が開発され、各種補修材料や、梁、床版等の構造材料として注目されている。この種の材料は、本来、引張荷重に対する変形能がほとんどないとされるセメント系材料において、靱性を飛躍的に向上させるものであり、ひずみ硬化型と呼ばれる高靱性繊維補強セメント複合材料（ＥＣＣ；ＥｎｇｉｎｅｅｒｅｄＣｅｍｅｎｔｉｔｏｕｓＣｏｍｐｏｓｉｔｅ）として知られている。ＥＣＣを構成する組成物の詳細は、例えば特許文献１に開示されている。

特開２０００−７３９５号公報

Benny SURYANTO, Kohei NAGAI, Koichi MAEKAWA,"Role of Coarse Aggregate in High Performance Fiber Reinforced Cementitious Composite",コンクリート工学年次論文集, 2009, Vol.31, No.1, pp.385-390.

ＥＣＣは、引張荷重が付与された際に、セメントマトリクスに多数の細かいクラックが分散して生じることによって材料全体のひずみ量を吸収し、破断することなく引張変形や曲げ変形に追従する性質を有している。その追従性能は引張ひずみにして１％以上であり、一般的なセメント系材料と比べ飛躍的に高い変形能を有するものである。

ＥＣＣの卓越した変形能は、例えば土木分野ではトンネルの吹き付けなどに適用する高耐久補修材料として優れた効果を発揮する。また、建築分野においても、例えば超高層集合住宅の梁部材などに適用した場合に耐震性の向上に有効であることが確かめられている。

ところが、ＥＣＣを橋梁の構造部材である床版や梁に適用するに際しては、さらなる特性改善が望まれる場合がある。橋梁の部材は車両走行荷重を頻繁に受ける。橋梁部材が受ける車両走行荷重は、走行に伴って荷重作用点が逐次移動することや、走行毎に車両の走行軸が異なることによって、主応力軸を常に変化させている。このため橋梁部材は、最初にある主応力軸を持つ第１の主応力（引張応力）が作用して微細な第１のクラックが生じ、その主応力軸による荷重が除荷されたのち、次に別の主応力軸を持つ第２の主応力（引張応力）が付与されるという状況を経験する。このような状況では、第２の主応力によって新たに微細な第２のクラックが生じるよりも優先して、既に生じている第１のクラックがせん断ずれを起こしやすくなる場合がある。そうなると第１のクラック部分で比較的容易に材料の破断に至ることとなり、耐久性に関しては必ずしも十分とはいえない。

ＥＣＣは優れた変形能を持つ反面、上記のような問題が顕在化する懸念があるため、道路床版などの構造部材への積極的な適用が阻まれているのが現状である。
本発明はこのような現状に鑑み、ＥＣＣの優れた変形能を活かしつつ、耐せん断破断性を改善した短繊維補強セメント複合材料を提供しようというものである。

発明者らは研究の結果、ＥＣＣの配合を有するセメント系組成物に少量の粗骨材を混合したとき、第１の主応力（最初に微細クラックを生じさせた引張効力）に対して、その後に負荷される第２の主応力がどのような方向を向いていても、耐せん断破断性が安定して改善されることを見出した。また、粗骨材を混合することによって効果が低減するであろうと考えられた「最初の微細クラックが形成される際の変形能（引張ひずみ）」も、ＥＣＣ以外のセメント系材料と比べ十分に優れた水準が維持されることがわかった。本発明はこのような知見に基づいて完成したものである。

すなわち本発明では、繊維直径３０〜５０μｍ、繊維長さ５〜２０ｍｍのＰＶＡ短繊維を１.０〜３.０体積％含有し、下記［Ａ］に記載の性質を持ち、水セメント比３０％以上、砂セメント比０〜１００であるセメント系組成物Ｘと、粗骨材Ｙとを混合した混練物であって、粗骨材Ｙの含有量が混練物全体の５〜１５体積％である、耐せん断破断性に優れたセメント複合材料用の混練物が提供される。
［Ａ］セメント系組成物Ｘ（粗骨材Ｙを含まないもの）を練り混ぜてＰＶＡ短繊維を３次元方向にランダムに分散させた混練物についての標準水中養生による材齢２８日の硬化体が、引張試験において１％以上の引張ひずみを呈すること。

また、本発明では、前記混練物を硬化させてなる耐せん断破断性に優れたセメント複合材料が提供される。そのような複合材料として、橋梁部材（特に橋梁を構成する梁部材および床版）が例示できる。

本発明によれば、引張変形能力に優れるＥＣＣを改良したセメント系材料として、主応力軸が種々の方向に回転するような引張応力に曝される構造物において、既に生成した微細クラックのせん断ずれに起因した破断に対して優れた抵抗力を発揮するセメント系複合材料が提供可能となった。これにより、ＥＣＣ配合を有するセメント系組成物の適用範囲が広がり、特に車両が通行する道路構造物における梁や床版の耐久性向上に寄与しうる。

従来のＥＣＣについて、第１の主応力によって微細クラックが発生した後に第２の主応力が付与された状態における第１および第２の主応力軸を含む断面内の応力状態を模式的に示した図。図１の状態の後に第２の主応力に起因してせん断破断を起こした場合の断面を模式的に示した図。本発明の混練物を硬化させてなるセメント複合材料について、第１の主応力によって微細クラックが発生した後に第２の主応力が付与された状態における第１および第２の主応力軸を含む断面内の応力状態を模式的に示した図。図３の状態の後に第２の主応力に起因して新たな微細クラックが発生した場合の断面を模式的に示した図。実施例における試験方法を示す図。

図１に、従来のＥＣＣについて、第１の主応力によって微細クラックが発生した後に第２の主応力が付与された状態における第１および第２の主応力軸を含む断面内の応力状態を模式的に示す。ＥＣＣからなる短繊維補強セメント複合材料３には、第１の主応力軸１の方向に作用した第１の主応力（引張応力）１Ａ、１Ｂによって、既に微細な第１のクラック１０が生じており、そのクラックを挟んでセメントマトリクスは３Ａと３Ｂに分断されている。第１のクラック１０は第１の主応力１Ａ、１Ｂの方向（すなわち第１の主応力軸１の方向）に対して概ね垂直に生じる。

第１のクラック１０の内部には図示していないが両側のセメントマトリクス３Ａと３Ｂを繋ぐＰＶＡ短繊維が多数存在している。それらのＰＶＡ短繊維は３Ａおよび３Ｂ両方のセメントマトリクスとタイトに接合しており、３Ａと３Ｂの間に掛かる引張応力を負担できる状態になっている。そして、そのような微細な第１のクラック１０が短繊維補強セメント複合材料３の中に概ね平行に多数導入されることにより、当該材料全体として第１の主応力軸１の方向における引張ひずみ量が賄われ、結果的に材料破断を起こさずに優れた変形能を呈するのがＥＣＣの特徴である。

図１の場面は、第１の主応力１Ａ、１Ｂが一旦除荷された後に、第１の主応力軸１とは方向を異にする第２の主応力軸２の方向に、新たな引張応力である第２の主応力２Ａ、２Ｂが付与された状態を想定したものである。第１の主応力軸１と第２の主応力軸２のなす角度θを本明細書では「第１／第２主応力軸角度」と呼ぶ。第２の主応力２Ａ、２Ｂを第１のクラック１０に作用する分力として示すと、垂直方向分力２１Ａ、２１Ｂと、せん断方向分力２２Ａ、２２Ｂに分けることができる。

第１の主応力１Ａ、１Ｂと、第２の主応力２Ａ、２Ｂの大きさが同等レベルであれば、垂直方向分力２１Ａ、２１Ｂは通常、第１のクラック１０を生成させた第１の主応力１Ａ、１Ｂよりも小さい。このため、垂直方向分力２１Ａ、２１Ｂによって、第１のクラック１０の幅が、過去に第１の主応力によって拡げられた最大幅を超えて更に拡大し材料破断を引き起こすに足るサイズにまで増大することは、希である。

一方、せん断方向分力２２Ａ、２２Ｂは、既に存在する第１のクラック１０にせん断ずれを生じさせる応力として作用する。第１のクラック１０の内壁面は比較的平滑であるため、壁面同士のぶつかり合いによるせん断ずれに対する抵抗力は小さい。このため、せん断ずれに対する抵抗力は主としてクラック内部に介在するＰＶＡ短繊維が負担することになる。しかし、このＰＶＡ繊維による抵抗力はそれほど大きくはなく、第２の主応力２Ａ、２Ｂによって第２の主応力軸２と概ね垂直方向の新たな微細クラックが生じるよりも早期に、第１のクラック１０の部分でのせん断ずれ量が、材料破断を引き起こす程度に大きくなってしまう事態が生じやすい。特に第１／第２主応力軸角度θが大きくなると、せん断方向分力２２Ａ、２２Ｂが増大するので、第１のクラック１０でのせん断破断は一層起こりやすくなると考えられる。

図２に、図１の状態から上記のせん断破断が生じるに至った状態の断面を模式的に示す。２２０Ａ、２２０Ｂは第１のクラックのせん断破断を生じさせた応力である。これは、図１に示したせん断方向分力２２Ａ、２２Ｂに概ね相当する。短繊維補強セメント複合材料３は、せん断破断を起こした第１のクラック１００によって３Ａと３Ｂに分離している。多数の第１のクラック１０のうち、１つでもせん断破断を起こしたものが出現すると、その部分を起点として材料破断が起こる。このような状況を招きやすい点が、道路床版等に適用する際のＥＣＣの弱点として挙げられる。

図３に、本発明の混練物を硬化させてなるセメント複合材料について、第１の主応力によって微細クラックが発生した後に第２の主応力が付与された状態における第１および第２の主応力軸を含む断面内の応力状態を模式的に示す。ＥＣＣ組成のセメント系組成物と粗骨材４の混練物が硬化してなるセメント複合材料３には、第１の主応力軸１の方向に作用した第１の主応力（引張応力）１Ａ、１Ｂによって、既に微細な第１のクラック１０が生じており、そのクラックを挟んでセメントマトリクスは３Ａと３Ｂに分断されている。第１のクラック１０は第１の主応力１Ａ、１Ｂの方向（すなわち第１の主応力軸１の方向）に対して概ね垂直に生じる。この点は図１に示したＥＣＣの場合と同様である。

また、第１のクラック１０の内部には図示していないが両側のセメントマトリクス３Ａと３Ｂを繋ぐＰＶＡ短繊維が多数存在しており、３Ａと３Ｂの間に掛かる引張応力を負担できる状態になっている点、および、そのような微細な第１のクラック１０が短繊維補強セメント複合材料３の中に概ね平行に多数導入されることにより、主応力軸１の方向に優れた変形能を呈する点についても、ＥＣＣの特徴が活かされている。

図３の場面は、図１と同様、第１の主応力１Ａ、１Ｂが一旦除荷された後に、第１の主応力軸１とは方向を異にする第２の主応力軸２の方向に、新たな引張応力である第２の主応力２Ａ、２Ｂが付与された状態を想定したものである。第１のクラック１０に作用する第２の主応力２Ａ、２Ｂの垂直方向分力２１Ａ、２１Ｂは通常、第１のクラック１０を生成させた第１の主応力１Ａ、１Ｂよりも小さい。このため、垂直方向分力２１Ａ、２１Ｂによって、第１のクラック１０の幅が、過去に第１の主応力によって拡げられた最大幅を超えて更に拡大し材料破断を引き起こすに足るサイズにまで増大することは、希である。この点も前述した従来のＥＣＣの場合と同様である。

ところが、本発明の混練物を硬化させてなる短繊維補強セメント複合材料３においては、粗骨材４が配合されている。第１のクラック１０の部分に介在する粗骨材４は、セメントマトリクス３Ａ、３Ｂのいずれか一方と接合状態を保ちながら、他方のセメントマトリクス中にも一部が埋まり込んだ状態で存在するものが大部分である。そのため、第１のクラック１０の部分に介在する粗骨材４は、第２の主応力２Ａ、２Ｂのせん断方向分力２２Ａ、２２Ｂに起因して第１のクラック１０がせん断ずれを起こそうとする動きに対して、大きな抵抗力を発揮する。したがって、第１のクラック１０におけるせん断ずれは、従来のＥＣＣに比べ、起こりにくくなる。特に第１／第２主応力軸角度θが大きくなるほど、すなわちせん断方向分力２２Ａ、２２Ｂが増大する場合ほど、従来のＥＣＣではせん断ずれが生じやすくなるが、粗骨材４を配合した本発明に係る材料はそのような場合でもせん断ずれに対する大きな抵抗力を維持する

図４に、図３の状態の後にどうなるかを模式的に示す。この場合、第１のクラック１０の部分でのせん断ずれが抑制されるので、第２の主応力軸２の方向に働く引張応力によって、第２の主応力軸２に対して概ね垂直な第２のクラック２０が新たに生じることとなる。図４中に記載した応力２Ａ１、２Ａ２、および２Ｂ１、２Ｂ２はそれぞれセメントマトリクス３Ａおよび３Ｂの内部に第２のクラック２０を生じさせた引張応力を示している。これらの引張応力は、図３に示した第２の主応力２Ａ、２Ｂに概ね相当する大きさを有すると考えられる。形成された第２のクラック２０においても、第１のクラック１０と同様、粗骨材４によるせん断ずれに対する抵抗力が発揮されるので、その後さらに主応力軸の方向が異なる第３の主応力（引張応力）が付与された場合にも新たな微細クラックの生成によって優れた変形能を呈し、せん断破断が抑止できる。ただし後述するように、粗骨材４の量が多すぎると、第１のクラック１０をはじめとする新たな微細クラックが生じる際の最大変位量（引張変形能）が低減してしまい、優れた耐せん断破断性が得られなくなることがわかった。したがって、粗骨材４の配合量は本発明において極めて重要である。

〔セメント系組成物Ｘ〕
本発明のセメント複合材料用混練物を得るためのセメント系組成物Ｘは、従来のＥＣＣ組成物を適用することができる。その詳細は特許文献１に開示されているところであるが、以下に簡単に説明する。

短繊維としてはＰＶＡ短繊維を使用する。繊維直径は３０〜５０μｍ、繊維長さは５〜２０ｍｍの範囲とする。直径が３０μｍより小さいか、または長さが５ｍｍより短い場合には、クラック分散型の特性が得られにくくなる。直径が５０μｍを超えるものや、長さが２０ｍｍを超えるものを使用すると、水セメント比および砂セメント比を後述のように調整した組成物において繊維を３次元方向にランダム（均質）に分散させることが難しくなる。特に長さ２０ｍｍを超える短繊維を使用した場合には後述の繊維配合量範囲においてクラック分散型の特性が得られにくくなる。このため、ＰＶＡ短繊維は、直径が３０〜５０μｍの範囲、長さが５〜２０ｍｍの範囲のものを使用する必要があるが、直径は３５〜４５μｍであることがより好ましく、長さは８〜１５ｍｍであることがより好ましい。なお、ＰＶＡ短繊維は直径や長さが異なる複数の種類のものを混合して用いてもよいが、その場合は個々の短繊維の直径および長さが上記の規定を満たすようにする。

ＰＶＡ短繊維の配合量は、セメント系組成物Ｘ中において１.０〜３.０体積％とする。１.０体積％より少なくなればクラック分散型の特性が得られない。１.５体積％以上とすることがより好ましい。ただし、３.０体積％を超えて多量に配合させても効果は飽和し不経済となる。２.５質量％以下とすることがより好ましい。

使用するＰＶＡ短繊維の引張強さ（短繊維を引張試験機のチャック間に挟んで引張試験を行った際の最大荷重を、短繊維の初期断面積で処した値）は、１０００〜２４００ＭＰａの範囲であることが好ましい。さらに見かけの繊維強度が７００〜１８００ＭＰａであることがより好ましい。ここで見かけの繊維強度は、当該ＰＶＡ繊維が、当該ＥＣＣ組成のセメント系組成物Ｘの硬化体（標準水中養生、材齢２８日）の材料中で破断する強度であり、これはそのような硬化体について引張破断試験を行うことによって実測できる。

セメント系組成物Ｘの水セメント比は、３０％以上とする。水セメント比が３０％未満であると、上記ＰＶＡ短繊維にとってはマトリクスの弾性係数と破断靱性が高くなってクラック分散型の性質が発揮されない場合が生じやすい。水セメント比は４０％以上とすることがより好ましい。一方、水セメント比の上限については、それぞれの用途で要求される強度レベルや、工事現場で型枠に打設するか、あるいは工場でプレキャスト材を製造するか、などに応じて適宜設定することができる。後述する［Ａ］の性質を満たす配合とすることにより、必然的に水セメント比の上限は制約を受けるので、特に上限を設けなくてよい。道路構造物の床版や梁といった橋梁部材として適用することを考慮した場合、水セメント比は５０％以下の範囲とすることが好ましく、４５％以下の範囲が一層好ましい。

ＥＣＣの配合によっては、セメントの一部を、養生時に硬化作用を発現する他の粉体に置換することがある。そのような粉体として、フライアッシュ、シリカフューム、高炉スラグ微粉末、製鋼スラグ微粉末、γＣ₂Ｓ粉末など、モルタルやコンクリートにセメント置換材料として使用することができる材料が挙げられ、これらのうち１種以上を適用することができる。本発明における水セメント比を算出する際の「セメント」には、上記のような養生時に硬化作用を発現する他の粉体が含まれる。すなわち、本発明に用いるセメント系組成物Ｘにおける「水セメント比」は、下記（１）式によって定義される。
［水セメント比（％）］＝Ｗ／（Ｃ＋Ｐ）×１００ …（１）
ここで、Ｗ；水の質量、Ｃ；セメントの質量、Ｐ；セメントの一部を置換する粉体の合計質量（０である場合を含む）
上記Ｐを構成する粉体による置換率；Ｐ／（Ｃ＋Ｐ）×１００は、０〜５０％の範囲とすることが好ましい。より具体的には、粉体として例えばフライアッシュおよびシリカフュームの１種または２種を使用する場合、３５％以下の置換率とすることがより好ましい。

セメント系組成物Ｘの砂セメント比は、０〜１００％とする。砂セメント比が１００％を超えると、上記ＰＶＡ短繊維にとってはマトリクスの弾性係数と破断靱性が高くなってクラック分散型の性質が発揮されない場合が生じやすい。砂セメント比は０〜８０％とすることがより好ましく、２０〜８０％とすることが一層好ましい。ここでいう「砂」としては、例えばモルタル・コンクリート用の細骨材が使用できる。

本発明における砂セメント比を算出する際の「セメント」には、上記の水セメント比の場合と同様、養生時に硬化作用を発現する他の粉体が含まれる。すなわち、本発明に用いるセメント系組成物Ｘにおける「砂セメント比」は、下記（２）式によって定義される。
［砂セメント比（％）］＝Ｓ／（Ｃ＋Ｐ）×１００ …（１）
ここで、Ｓ；砂の質量、Ｃ；セメントの質量、Ｐ；セメントの一部を置換する粉体の合計質量（０である場合を含む）

本発明に適用するセメント系組成物Ｘは、ＥＣＣとしての優れた変形能を発揮しうる配合を有している必要がある。具体的には、前述のＰＶＡ短繊維、水セメント比、および砂セメント比に関するそれぞれの規定に加え、下記［Ａ］の性質を満たす配合を有していることが必要である。
［Ａ］セメント系組成物Ｘ（粗骨材Ｙを含まないもの）を練り混ぜてＰＶＡ短繊維を３次元方向にランダムに分散させた混練物についての標準水中養生による材齢２８日の硬化体が、引張試験において１％以上の引張ひずみを呈すること。

この［Ａ］の性質は、クラック分散型のＥＣＣとしての基本な性質を特定したものである。上記のＰＶＡ短繊維、水セメント比、および砂セメント比に関する各規定範囲内において、［Ａ］を満たす配合を設定することができる。その設定には、特許文献１などに開示された技術を利用すればよい。なお、セメント系組成物Ｘには、必要に応じて各種混和材料を添加することができる。

〔粗骨材Ｙ〕
本発明のセメント複合材料用混練物は、ＥＣＣの配合を有するセメント系組成物Ｘと、粗骨材Ｙとを混合したものである点に大きな特徴がある。粗骨材Ｙの主たる役割は、図３、図４を例示して上述したとおり、既に生成した微細なクラックの部分でのせん断ずれに対する抵抗力を持たせることにある。一般的に粗骨材を添加すると、ＥＣＣ本来のクラック分散型の性質が弱められ、引張荷重に対する初期の変形能（第１の微細クラックが多数発生することによる優れた変形特性）が低下することが懸念される。しかし、発明者らの詳細な検討によれば、混練物全体（セメント系組成物Ｘ＋粗骨材Ｙ）に占める粗骨材Ｙの割合を１５体積％以下に抑えれば、道路橋梁部材をはじめとする種々の構造部材において、ＥＣＣに特有の優れた変形能が発揮されることが確認された。その変形能は粗骨材を添加しない従来のＥＣＣと比較すると多少低下するが、普通コンクリートに比べ大幅に優れた変形能を呈する。

既に生成した微細クラック部分でのせん断ずれに対する抵抗力に関しては、５体積％以上の粗骨材配合量を確保することによって、粗骨材を添加しない従来のＥＣＣに対して上記抵抗力の顕著な改善効果が得られることがわかった。７体積％以上とすることがより好ましい。一方、粗骨材の配合量が過剰となると、初期の変形能が低下することに加え、第２の主応力（引張応力）に対する変形能にも劣ることがわかった。種々検討の結果、混練物全体（セメント系組成物Ｘ＋粗骨材Ｙ）に占める粗骨材Ｙの割合を１５体積％以下とすれば、第２の主応力（引張応力）に対する変形能を安定して顕著に向上させることが可能である。粗骨材Ｙの割合を１２体積％以下とすることがより好ましい。

〔セメント複合材料の製造〕
上述のセメント系組成物Ｘと、粗骨材Ｙを、粗骨材の配合量が全体の５〜１５体積％となるように混練することにより、本発明の混練物を得ることができる。ＰＶＡ短繊維は、混練によって３次元方向にランダムに分散させることが可能である。そのような状態にした後、型枠に打設し、構造材料とする。工事現場で打設することもできるし、工場でプレキャスト材とすることもできる。用途によっては内部に鉄筋を存在させても構わない。

本発明の混練物を硬化させてなるセメント複合材料は、供用中に主応力軸が変化する梁や床版などの構造部材に適している他、既存のセメント系構造物のうち多方向にひび割れが発生する箇所への補修・補強用途にも適している。また、普通コンクリート構造物の靱性向上や剥落防止を図りたい場合には、そのコンクリートの代替としても適している。

セメント系組成物Ｘとして、従来のＥＣＣの一例である配合を採用した。セメントは普通ポルトランドセメント（記号Ｃ）を使用し、硬化に寄与するその他の粉体としてフライアッシュ（記号ＦＡ）を置換率ＦＡ／（Ｃ＋ＦＡ）×１００＝３０％で配合させた。水セメント比Ｗ／（Ｃ＋ＦＡ）×１００＝４２.２％、砂セメント比Ｓ／（Ｃ＋ＦＡ）×１００＝７０％、単位水量（粗骨材を除く部分について）は３５０ｋｇ／ｍ³である。ＰＶＡ短繊維は、直径４０μｍ、長さ１２ｍｍのものを使用し、その配合量は２.０体積％（粗骨材を除く部分において）とした。このセメント系組成物Ｘは前記［Ａ］の性質を満たすことが確認されている。

粗骨材Ｙとして、ＪＩＳＡ５００５に規定される市販の砕石２００５を１０ｍｍ以下に篩ったものを用意した。

セメント系組成物Ｘのみを練り混ぜるか、あるいはセメント系組成物Ｘと粗骨材Ｙを混合して練り混ぜることにより、ＰＶＡ短繊維が３次元方向にランダムに分散した状態の混練物を得た。ここに例示する実験において、混練物における粗骨材の含有量は、０体積％（通常のＥＣＣ）、９体積％、および１９体積％の３種類とした。各混練物を型枠に打設し、脱型後、２０℃、６０％Ｒ.Ｈ.の大気環境で養生した材齢約２８日のセメント複合材料の板状体を得た。この板状体のサイズは４２０×５５０×２０（ｍｍ）である。

上記の４２０×５５０×２０（ｍｍ）の板状体について、その板の長辺方向が第１の主応力軸となる曲げ変形を加えることにより、第１のクラックを導入した。そのクラックの導入は、図５のＦｉｇ.１の右上に示すように、長辺方向５１０ｍｍの間隔で２箇所の支点を設け、３１０ｍｍの間隔で２箇所の作用点から荷重を負荷する「４点曲げ試験」によって行った。最大引張ひずみ量が４０％となるように片面から荷重を負荷した後、裏返して同様の荷重を負荷することにより、第１の微細なクラックを導入した（図５のＦｉｇ.２参照）。この第１のクラックが導入された板状体を、ここでは「初期クラック導入材」と呼ぶ。

次に、その初期クラック導入材から、２５０×長辺Ｌ×２０（ｍｍ）の供試材を切り出した。その際、初期クラック導入材の長辺方向（第１の主応力軸の方向）と、供試材の長辺方向とのなす角度θが、２０°、４５°、７０°または９０°となるように種々の方向の供試材を切り出した。図５中のＦｉｇ.１の中に、供試材（グレーで表示される部分）を切り出す際のレイアウトを示してある。供試材の長辺Ｌは、少なくとも３４０ｍｍ以上の寸法を確保してある。前記θが前述の「第１／第２主応力軸角度θ」に相当する。なお、初期クラックを導入していない供試材も用意した。

切り出された供試材について、図５のＦｉｇ.１の左上に示すように、長辺方向３４０ｍｍの間隔で２箇所の支点を設け、１７０ｍｍの間隔で２箇所の作用点から荷重を負荷する「４点曲げ試験」を実施した。供試材が破断に至るまで０.５ｍｍ／ｍｉｎの一定速度で作用点に押し当てる治具を降下させる方法で行った。破断までの最大荷重時における変位量を測定し、当該供試材に第２の主応力を付与した際の変形能を評価した。
結果を表１に示す。

表１からわかるように、従来のＥＣＣにおいては、第１のクラックがない場合（すなわち、第１のクラックが生成する際）、および第１／第２主応力軸角度θが４５°程度までと小さい場合は良好な変形能を有するが、θがそれより大きくなると変形能が低下する。この変形能の低下は第１のクラック部分で大きなせん断ずれが生じたことに起因する。

適正量の粗骨材を混合した本発明例の混練物を用いた場合は、第１のクラックがない場合（すなわち、第１のクラックが生成する際）の変形能については従来のＥＣＣに対して低下が見られる。しかし、一旦、第１のクラックが生じた後においては、第１／第２主応力軸角度θが９０°までの全てのθにおいて、優れた変形能が維持できる。これは、骨材により第１のクラックにおけるせん断ずれが抑止され、θに依存せずに第２のクラックが優先的に生じるためである。したがって、道路床版のように主応力軸が種々変化する用途において、本発明の混練物を用いたセメント複合材料は安定して優れた耐久性を呈することが期待される。

粗骨材の混合量が過剰である比較例の混練物を用いた場合は、第１のクラックがない場合（すなわち、第１のクラックが生成する際）の変形能が低いとともに、第１のクラックが生じた後の変形能についても改善が見られない。このことから、ＥＣＣに普通コンクリート並みの粗骨材を混合させると、本来のＥＣＣに特有の優れた変形能が十分に発揮されなくなることがわかる。

１第１の主応力軸
２第２の主応力軸
３短繊維補強セメント複合材料
４粗骨材
１０第１のクラック
２０第２のクラック
１００せん断破断を起こした第１のクラック
１Ａ、１Ｂ第１のクラックを生じさせた応力
２Ａ、２Ｂ第２の主応力
２１Ａ、２１Ｂ第１のクラックに作用する第２の主応力の垂直方向分力
２２Ａ、２２Ｂ第１のクラックに作用する第２の主応力のせん断方向分力
２Ａ１、２Ａ２、２Ｂ１、２Ｂ２第２のクラックを生じさせた応力
２２０Ａ、２２０Ｂ第１のクラックのせん断破断を生じさせた応力

Claims

繊維直径３０〜５０μｍ、繊維長さ５〜２０ｍｍのＰＶＡ短繊維を１.０〜３.０体積％含有し、下記［Ａ］に記載の性質を持ち、水セメント比３０％以上、砂セメント比０〜１００％であるセメント系組成物Ｘと、粗骨材Ｙとを混合した混練物であって、粗骨材Ｙの含有量が混練物全体の５〜１５体積％である、耐せん断破断性に優れたセメント複合材料用の混練物。
［Ａ］セメント系組成物Ｘ（粗骨材Ｙを含まないもの）を練り混ぜてＰＶＡ短繊維を３次元方向にランダムに分散させた混練物についての標準水中養生による材齢２８日の硬化体が、引張試験において１％以上の引張ひずみを呈すること。
請求項１に記載の混練物を硬化させてなる耐せん断破断性に優れたセメント複合材料。
請求項１に記載の混練物を硬化させてなる耐せん断破断性に優れた橋梁部材。