JP2016534247A - コンクリートの補強のための複合繊維 - Google Patents

Abstract

複合繊維及びコンクリートの補強のための複合繊維を製造する方法が提供される。複合繊維には、繊維及びポリマーコーティングが含まれている。複合繊維は、約10〜約80mmの長さ及び約0.3〜約2mmの相当直径を有している。複合繊維を用いてコンクリートを補強するための方法も更に提供される。【選択図】なし

Description

関連出願
本出願は、2013年9月4日に出願された出願番号第61/873,444号を有する米国仮特許出願の優先権/恩典を主張するものであり、それの全体の開示内容は本願明細書に充分に援用されている。

発明の分野
本発明の一般概念は、コンクリートの補強のための複合繊維、製造するプロセス及び該繊維を用いてコンクリートや他の建築材料を補強する方法に関する。

コンクリートのような建築材料は、慣用の補強材、例えば鉄筋及び/又は溶接金網を用いたときに起こり得る特定の問題を解決するために繊維で補強することができる。繊維は、コンクリートに対して靱性(すなわち、破損の間のエネルギー吸収能力)を導入することができ、その固有の脆さを克服するとともに直接又は間接の引張応力下でポストクラック強度を与える。コンクリート補強を補強するのに用いられる慣用の繊維の大多数は、低又は高炭素含有量スチール、又はポリマー、例えばポリプロピレン、ポリビニルアルコール、ポリエステル等から作られている。これらの慣用の繊維は制限が欠点である。プロセス可能性の問題は、比較的高い用量が必要とされることによって生じ得る(例えば、混合の間のクラスター化、ポンプ輸送の間のブロック化、加工性の低下、困難な圧密化や仕上げ)。更に、このような慣用の繊維の費用対効果は、比較的高い用量が必要とされること; 耐久性に対する懸念; 健康、安全性、及び環境問題; その他のため従来の解決策よりしばしば劣っている。複合補強材料、例えば複合繊維は、慣用の繊維の弱点を、すなわち、比較的低い用量で非常に高い性能を達成することによって克服することができる。
特開2002154853号公報には、連続無機繊維束を樹脂に含浸し、得られた材料を硬化させ、その後、硬化した材料を切断することによって製造した複合繊維が記載されている。この複合繊維の樹脂含有率は、10〜80質量%である。その長さは10〜80mmであり、その断面は0.1〜12mmである。

国際公開第2006059041 Al号パンフレットには、共溶融ガラス繊維及びポリプロピレン繊維をベースとする複合繊維又は複合テープ、例えば(Owens Corningから入手可能な)Twintex(登録商標)ブランドとして販売され、熱可塑性引抜成形によって製造された複合製品、が開示されている。
しかしながら、これらの既知の複合繊維には、比較的高い生産コストの問題がある。生産コストに対するかぎは、生産速度である。例えば、特開2002154853号公報には、わずか5メートル/分のライン速度が記載されている。
より速い生産速度は、放射線キュアリング技術を用いることによって達成され得る。本願明細書に援用されている米国特許第4,861,621号明細書には、光ケーブル用途のために紫外線によって材料を硬化させる引抜きプロセスが開示されている。特に、ガラスロービングの形の繊維状補強材料を硬化性コーティング材料に含浸し、次に紫外線用ユニットの下を通過させる。引抜き速度は、10メートル/分である(実施例2)。
他のUVキュアリングプロセスも当該技術において既知である。しかしながら、前述の欠点を克服するコンクリートの補強のための解決策、特に複合繊維の生産速度を改善し、製造コストも低下させるという解決策は当該技術において依然として求められている。

本発明の一般概念は、コンクリート補強に用いられる複合繊維に関係している。複合繊維は、ポリマー材料でコーティングされた複数の繊維を含んでいる。必要とされる用量の複合繊維は、コンクリートのより良好なプロセス可能性を可能にするとともに安価な製造コストを伴いつつ高耐久性又は大きいひび割れ開口までのポストクラック強度を与える。
いくつかの例示的実施態様において、複合繊維は、複合繊維の長さが10から80mmまでであり且つ複合繊維の相当直径が0.3から2mmであるという点に特徴を有する。
他の例示的実施態様において、ポリマーコーティングは、放射線(例えば、UV)硬化ポリマーコーティングである。
他の例示的実施態様において、ポリマーコーティングは、複合繊維の5から50質量%までである。
本発明の一般概念は、更に、複合繊維を製造する方法に関する。いくつかの例示的実施態様において、方法には、液体ポリマーコーティング組成物を調製する工程; 液体ポリマーコーティング組成物を複数の繊維の表面に適用して、コーティングされた表面を形成する工程; 及びコーティングされた表面を放射線にさらすとともに液体コーティング組成物を硬化して、複合繊維を形成する工程が含まれる。

本発明の一般概念は、更に、補強されたコンクリートを形成する方法に関する。方法には、コンクリートを調製する工程及びそのコンクリート中で本発明の1つ以上の複合繊維を混合して、補強されたコンクリートを形成する工程が含まれる。
他の例示的実施態様において、適用されたコンクリート中の複合繊維の用量は、生コンクリートの立方メートル当たり2から75kgまでの繊維である。
他の例示的実施態様において、適用されたコンクリート中の複合繊維の用量は、生コンクリートの立方メートル当たり5から25kgまでの繊維である。
他の例示的実施態様において、適用されたコンクリート中の複合繊維の用量は、生コンクリートの立方メートル当たり7.5から12.5kgまでの繊維である。
追加の特徴及び利点は、以下の説明に部分的に示され、説明から部分的に明らかになるか、又は本明細書に開示された例示的実施態様の実施によって明らかになる。本明細書に開示された例示的実施態様の目的及び利点は、特に指摘されるか或いは添付の特許請求の範囲に挙げられた要素及び組み合わせによって理解され達成される。前述の概要及び下記の詳細な説明はいずれも例示的で単に説明のためのものであり、本明細書に開示されるか又は特許請求される本発明の一般概念を制限するものでないことは理解すべきである。

種々の例示的実施態様をここでより充分に記載する。しかしながら、これらの例示的実施態様は異なる形で具体化されてもよく、本明細書に示された説明に限定されるものとして解釈されてはならない。むしろ、これらの例示的実施態様は、この開示内容が当業者に本発明の一般概念を具体的に説明し伝えるのに充分且つ完全であるように示されている。
特に定義されない限り、本明細書に用いられるすべての技術的及び科学的な用語は、これらの例示的実施態様が属している当業者が一般に理解するのと同じ意味を有する。本明細書において説明に用いられる用語は、具体的な例示的実施態様を記載するだけのためであり、本発明の一般概念の制限を意図しない。
明細書及び添付の特許請求の範囲に用いられる単数形「a」、「an」及び「the」は、文脈上明白に特に指示されない限り、複数形も含まれることを意味する。本明細書に言及されたすべての出版物、特許出願、特許、及び他の参考文献は、全体で援用されている。

特に指示されない限り、明細書及び特許請求の範囲に用いられる成分の量、反応条件その他を表しているすべての数字は、すべての場合において用語「約」によって修飾されていると理解すべきある。従って、特に指示されない限り、明細書及び添付の特許請求の範囲に示される数値パラメータは、本例示的実施態様によって得ることが求められた望ましい特性によってはバラついてもよい近似値である。少なくとも、且つ特許請求の範囲の範囲に対して等価物の原則の適用を制限する試みとしてではなく、各数値パラメータは、有効数字の数及び通常の丸める方法を考慮して解釈されなければならない。
例示的実施態様の広い範囲を示している数値範囲及びパラメータが近似値であるにもかかわらず、個々の実施例に示された数値は、できる限り正確に報告されている。しかしながら、任意の数値は、必ずそれぞれの試験測定に見られる標準偏差から生じるある種の誤差を固有に含有する。本明細書及び特許請求の範囲全体にわたって示されたあらゆる数値範囲には、このようなより広い数値範囲に入るあらゆるより狭い数値範囲が、このようなより狭い数値範囲がすべて本明細書にはっきりと書き込まれたかのように含まれる。
本明細書に用いられる「繊維」は、1つ以上のモノフィラメントの収集物を意味する。
本明細書に用いられる「ポリマーコーティング」は、後述されているか或いは本明細書に示唆されているキュアリング法の1つによって硬化されるモノマー及び/又はオリゴマーの混合物を意味する。

本明細書に用いられる「含浸した」は、部分的に又は完全に含浸したことを意味する。
本明細書に用いられる「放射線硬化した」は、モノマーが好ましくは適切な触媒の存在下に放射線の援助で重合されたことを意味する。
本明細書に用いられるUV硬化したとは、紫外線の存在下でモノマーの重合を意味する。
本明細書に用いられる「ポリマー」には用語「コポリマー」が含まれ、特に指示されない限り、用語「コポリマー」は2種類以上の任意のモノマーから製造されたポリマーを意味し、例えば、ターポリマー、ペンタポリマー、2種類以上の官能基が生成物コポリマーに存在するように重合後に官能基化されたホモポリマー、ブロックコポリマー、セグメント化コポリマー、グラフトコポリマー、及びこれらの任意の混合物又は組み合わせが含まれる。本明細書に用いられる「(コ)ポリマー」は、ホモポリマー又はコポリマーを意味する。
本明細書に用いられる「複合繊維」は、ポリマー材料でコーティングされた1つ以上の繊維の収集物を意味する。
本明細書に用いられる「相当直径」は、EN14889規格で定義された直径を意味する。
本明細書に用いられる「アスペクト比」は、EN14889規格で定義された長さ対直径比を意味する。

本明細書に用いられる「コンクリート」は、骨材粒子の間の空間を充填し且つ一緒に接着するマトリックス(セメント又は結合剤)に埋め込まれた骨材を含有する任意のタイプの建築材料、例えばポルトランドセメントベースのコンクリート、ミネラルモルタル、アスファルトも意味する。
種々の例示的実施態様によれば、複合繊維はコンクリート補強に与えられている。複合繊維の長さは、約10から約80mmまでであってもよい。複合繊維の相当直径は、約0.3から約2mmまであってもよい。他の例示的実施態様において、複合繊維の長さは約30から約50mmまでであり、複合繊維の相当直径は約0.5から約1.0mmまでである。
複合繊維の形状は異なってもよい。いくつかの例示的実施態様において、複合繊維は、一般的には円筒形又は楕円形である。更に、複合繊維の表面は、例えば滑らかなものから粗いもの又はエンボス加工されているものまで、異なってもよい。
ある種の例示的実施態様において、繊維は、無機繊維、例えばガラス繊維又は他の鉱物繊維である。限定されない例示的なガラス繊維としては、Aタイプガラス繊維、Cタイプガラス繊維、Gタイプガラス繊維、Eタイプガラス繊維、Sタイプガラス繊維、E-CRタイプガラス繊維(例えば、Owens Corningから市販されているAdvantex(登録商標)ガラス繊維)、Rタイプガラス繊維、生体内溶解性ガラス繊維、耐アルカリ性ガラス、又はこれらの組み合わせが挙げられ、これらのすべてが補強用繊維として用いるのに適しているものであり得る。いくつかの例示的実施態様において、耐アルカリ性ガラス繊維、例えばOwens Corningから入手可能なCemfil(登録商標)は、補強用繊維として用いるのに適している。

繊維を形成するモノフィラメントの直径は、約10から約27ミクロンまで、又は約13から約20ミクロンまで異なってもよい。
繊維のテックスは、300から2400テックスまでであってもよい。いくつかの例示的実施態様において、テックスは、400〜1200テックスの範囲にある。
種々の例示的実施態様によれば、フィラメントの表面の少なくとも50%をポリマーコーティングに含浸する。他の例示的実施態様において、フィラメントの表面の95%までをポリマーコーティングに含浸する。ポリマーコーティングは放射線硬化ポリマーコーティング、例えば、UV硬化ポリマーコーティングであってもよい。広範囲にわたる放射線、特にUV硬化性モノマー、オリゴマー又はポリマーが従来技術において既知である。特に適切なUV硬化性モノマー、オリゴマー又はポリマーとしては、脂肪族又は芳香族の主鎖を含むか又は含まないポリウレタン、エポキシ、ポリエステル、ポリエーテル構造をベースとするアクリレート、メタクリレート、ビニルエーテル及びビニル誘導体、及びこのような構造をベースとするコポリマーが挙げられる。いくつかの例示的実施態様において、ポリマーコーティングには、芳香族構造をベースとするポリウレタンが単独で又はエポキシ又はポリエーテル誘導体との混合物で含まれる。いくつかの例示的実施態様において、ポリマーコーティングは、ポリウレタン樹脂である。

ポリマーコーティングは、複合繊維の約5〜約50質量%を含んでもよい。いくつかの例示的実施態様において、ポリマーコーティングは、複合繊維の約10から約30質量%までである。
本明細書に記載されている例示的な複合繊維は、適切な任意のタイプの繊維、例えば、ガラス繊維を用いて製造され得る。液体の或いは粘稠な、モノマー又はオリゴマーコーティング組成物が調製され、繊維の表面に適用されて、コーティングされた要素が形成され得る。いくつかの例示的実施態様において、ポリマーコーティングは、ポリエステル又はビニルエステルを含んでいる。次に、コーティングされた要素は、コーティング組成物を硬化させる放射線、例えば紫外線にさらされて、複合繊維を形成し得る。
いくつかの例示的実施態様において、コンクリートを補強するために本明細書に記載されている複合繊維が用いられ得る。補強されたコンクリートは、コンクリートを調製し(例えば、コンクリートを形成する慣用の方法を用いて)、続いてコンクリートに複合繊維を混合し、それによって複合繊維補強コンクリートを形成することによって形成され得る。いくつかの例示的実施態様において、補強コンクリート中の複合繊維の用量は、コンクリート1立方メートル当たり約2から約75kgまでの繊維、又はコンクリート1立方メートル当たり約5から約25kgまでの繊維である。いくつかの例示的実施態様において、補強コンクリート中の複合繊維の用量は、コンクリート1立方メートル当たり約7.5から約12.5kgまでの繊維である。

従って、本発明の一般概念は、また、コンクリート又は他の建築材料の補強のために複合繊維を用いることを包含する。
複合繊維は、コンクリートを製造するプロセスにおいて驚くほど良好な加工性を示しつつコンクリートの補強において驚くほど良好な性能をもたらす具体的な寸法の組み合わせを有する。この加工性の性能は、EN12350‐2規格に定義されるように、スランプ試験によって評価される。
本明細書に記載されている複合繊維の他の利点としては、混合プロセスの間の高速の分散、コンクリート塊において繊維の一様な分布を達成する際の容易さ、混合及びポンプ輸送の装置の摩耗の低減、構造要素を充填する際のポンプ輸送パイプの詰まり及びブロック化のリスクが少ないこと、及び従来の補強と組み合わせて用いる際のハニカム及びそれに伴う耐久性の問題のリスクがより少ないことが挙げられる。
複合繊維は、また、作業者が取り扱うのに安全である。この安全性の例示的理由には、少量の複合繊維及び鋭いピンが存在しないことが含まれる。
いくつかの例示的実施態様において、複合繊維は、腐食せず、それ故、打放しコンクリート表面の場合に腐食しみを生じない。更に、従来の鋼繊維と比較すると、複合繊維は硬化コンクリートを再循環するのに容易である。

更に、複合繊維の製造プロセスによって、製造コストの低下又は減少がもたらされる。プロセスは、連続生産ラインの他の段階に適合するのに可撓性且つ順応性がある。例えば、全体の生産変動に適応するためにライン速度を容易に変動させることができる。更に、コーティングは、直ちに機能し、処理することが可能であり、ポスト加熱又は乾燥を必要としない。その点で、プロセスは、50m/分を超える、例えば、100m/分を超えることができるライン速度を可能にする。
本発明の一般概念を一般的に及び種々の特定の例示的実施態様に関しての双方を上で記載してきた。本発明の一般概念を説明に役立つ例示的実施態様であると考えられることを示してきたが、この開示内容を読み取ることから当業者には様々な代替物が明らかになる。本発明の一般概念は、個々の特許請求の範囲に示される場合を除いて、特に制限されない。更に、下記の実施例は、本発明をより良く具体的に説明することを意味するが、本発明の一般概念を制限しない。

下記の実施例は、コンクリートの補強のために用いられる本発明の複合繊維の種々の例示的実施態様の性能を記載するものである。複合繊維をOwens Corningから入手可能なCemfil(登録商標)ガラス繊維及び紫外線を用いて標準硬化されるポリエステル樹脂によって調製した。樹脂含有率は、複合繊維の20質量%であった。フレッシュコンクリートのコンシステンシー又は加工性を、EN 12350‐2規格に準じて測定した。この試験をスランプ測定として下記の表に示す。硬化コンクリートの曲げ特性を標準硬化(すなわち、20℃及び100%相対湿度)の28日後にEN 14651に準じて測定した。EN12390‐3規格に従って測定したコンクリート圧縮強さは30MPaであった。
下記の表において、LOPは比例限度を意味し、第1の亀裂が生じた時の曲げ引張強度に対応する。残留曲げ引張強度をf_Rl及びf_R3として示す。

実施例1: 性能に対する相当直径及びアスペクト比の影響
繊維の用量は、コンクリート1立方メートル当たり10kgの繊維であった。複合繊維の長さは、40mmであった。複合繊維の製造速度は、200メートル/分であった。表1は、性能に対する複合繊維の相当直径とアスペクト比の影響を示すものである。

表l: 性能に対する複合繊維の相当直径の影響

実施例2: 性能に対する繊維長の影響
繊維の用量は、コンクリート1立方メートル当たり10kgの繊維であった。複合繊維の相当直径は、0.70mであった。複合繊維の製造速度は、200メートル/分であった。表2は、性能に対する複合繊維の長さとアスペクト比の影響を示すものである。

表2: 性能に対する複合繊維の長さの影響

実施例3: 性能に対する樹脂含有率の影響
繊維の用量は、コンクリート1立方メートル当たり10kgの繊維であった。複合繊維の長さは40mmであり、その相当直径は0.7mmであった。複合繊維の製造速度は、200m/分であった。表3は、性能に対する複合繊維の樹脂とアスペクト比の影響を示すものである。

表3: 性能に対する複合繊維の樹脂含有率の影響

実施例4: 性能に対する用量の影響
複合繊維の長さは40mmであり、その相当直径は0.70mmであり、その長さは40mmであった。ライン速度は、200m/分であった。表4は、性能に対する異なる用量の影響を示すものである。

表4: 性能に対する用量の影響

実施例5: 性能に対するライン速度の影響
繊維の用量は、コンクリート1立方メートル当たり10kgの繊維であった。複合繊維の長さは40mmであり、その相当直径は0.70mmであった。表5は、性能に対する異なるライン速度の影響を示すものである。

表5: 性能(含浸品質)に対するライン速度の影響

Claims (18)

1. コンクリートの補強のための複合繊維であって、複数の繊維及びポリマーコーティングを含み、約10〜約80mmの長さ及び約0.3〜約2mmの相当直径を有する、前記複合繊維。
2. 約30〜約50mmの長さを有する、請求項1に記載の複合繊維。
3. 約0.5〜約l.0mmの相当直径を有する、請求項1に記載の複合繊維。
4. 前記繊維が、鉱物繊維である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の複合繊維。
5. 前記繊維が、ガラス繊維である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の複合繊維。
6. 前記繊維が、耐アルカリ性ガラス繊維である、請求項5に記載の複合繊維。
7. 前記ポリマーコーティングが、放射線硬化ポリマーコーティングである、請求項1〜6のいずれか1項に記載の複合繊維。
8. 前記ポリマーコーティングが、UV硬化ポリマーコーティングである、請求項7に記載の複合繊維。
9. 前記コーティングが、ポリウレタン樹脂又はポリエステル樹脂である、請求項1〜8のいずれか1項に記載の複合繊維。
10. 前記ポリマーコーティングが、前記複合繊維の5〜50質量%である、請求項1〜9のいずれか1項に記載の複合繊維。
11. 前記ポリマーコーティングが、前記複合繊維の10〜30質量%である、請求項10に記載の複合繊維。
12. 複合繊維を製造する方法であって、
    粘稠なポリマーコーティング組成物を調製する工程、
    前記粘稠なポリマーコーティング組成物を複数の繊維に適用して、コーティングされた要素を形成する工程、及び
    前記コーティングされた要素を、前記粘稠なコーティング組成物を硬化させる放射線にさらして、複合繊維を形成する工程
    を含む、前記方法。
13. 前記放射線が、紫外線である、請求項12に記載の方法。
14. 前記複合繊維が、約10〜約80mmの長さ及び約0.3〜約2mmの相当直径を有する、請求項12に記載の方法。
15. コンクリートを補強するための方法であって、
    粘稠なポリマーコーティング組成物を調製する工程、
    前記粘稠なポリマーコーティング組成物を複数の繊維に適用して、複数のコーティングされた要素を形成する工程であって、各コーティングされた要素が1つ以上の前記繊維を含む工程、
    前記コーティングされた要素を、前記ポリマーコーティング組成物を硬化させる放射線にさらして、複数の複合繊維を形成する工程、
    コンクリートを調製する工程、及び
    前記コンクリート中に前記複合繊維を混合する工程
    を含む、前記方法。
16. 前記複合繊維が、前記コンクリート1m³当たり約2〜約75kgの量で前記コンクリート中に含まれる、請求項15に記載の方法。
17. 前記複合繊維が、前記コンクリート1m³当たり約5〜約25kgの量で前記コンクリート中に含まれる、請求項16に記載の方法。
18. 前記複合繊維が、約10〜約80mmの長さ及び約0.3〜約2mmの相当直径を有する、請求項15〜17のいずれか1項に記載の方法。