JP3206905B2

JP3206905B2 - 無水無機繊維含有断熱性耐火物

Info

Publication number: JP3206905B2
Application number: JP30016999A
Authority: JP
Inventors: 清輝深井; 幸久松尾
Original assignee: Krosaki Harima Corp
Current assignee: Krosaki Harima Corp
Priority date: 1999-10-21
Filing date: 1999-10-21
Publication date: 2001-09-10
Anticipated expiration: 2019-10-21
Also published as: JP2001122670A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、トンネル、その他
の建築用の内装材料、あるいは、工業用断熱材料として
高温に曝される箇所でも好適に使用できる断熱性耐火物
に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般の工業用断熱材料あるいは建設用内
装材料は、常用時には、例えば、側壁に適用した場合清
掃時の荷重に耐え得る適当な強度を有し、また、施工時
においては、作業性の点から軽量であることが好まし
い。

【０００３】一方、火災に対する問題として、近年多発
するトンネル内での火災発生時の系列的な温度推移につ
いては各種機関で検討がなされ、例えば、一般的な炭化
水素の燃焼による火災の場合では最高温度が１１５０
℃、４８ｍ³容量程度の大型タンクローリー車の火災の
場合には最高温度が１３５０℃にも達すると言われてい
る。このことを踏まえて、我が国でもトンネル構造物へ
の防災対策が見直されつつあり、その一環として、断熱
性耐火物設置の必要性も認識されてきている。

【０００４】トンネル用断熱性耐火物に求められる特性
としては、適正な熱伝導率を有するとともに、火災中、
熱的スポーリングによる亀裂及び反りを最小にし、火炎
が構造物に直接触れないようにすること、また、火災時
においては、著しく有害なガスを発生しないこと等が挙
げられる。さらに、火災時の消火活動においては被水に
よりスポーリングし亀裂が発生しやすい環境に曝される
ため、消火活動及び鎮火後の作業においては、落下によ
る二次災害を防止できることが必要である。

【０００５】一般的な断熱ボード、断熱耐火板等として
は、例えば、特開平２−２１２３６９号公報に、アルミ
ナセメントをバインダーとし、且つ、セルロース繊維を
含有してなる耐火板において、ウォラストナイト及びセ
ピオライトを含む耐火板あるいは炭化珪素繊維及びウォ
ラストナイトを含む耐火板が開示されている。この耐火
板は内装材の特性として、断熱性、容積安定性、耐スポ
ーリング性、強度、軽量性に優れ、さらに有害性がない
材料ではあるが、断熱性及び軽量性と強度、また、軽量
性及び強度と容積安定性は一般に相反しやすい特性であ
るため、これらの特性を全て満たすまでには至っていな
い。

【０００６】その他の例として、幾つかの特性のみ満足
するものを挙げることは可能であるが、これらの材料
は、特に、トンネル用の用途として開発・製造されたも
のではないため、高耐熱と断熱性を含めたトンネル等の
建築用内装材としての要求性能を十分満足しているとは
言い難い。

【０００７】高耐熱の特性を満たす材料として、本願の
発明者らは先に特開平１０−３１０４７７号公報におい
て、特定量の軽量骨材、セピオライト、ウォラストナイ
ト、アルミナセメント、超微粉非晶質シリカ及び補強繊
維からなる断熱性耐火物を開示した。

【０００８】しかし、この断熱性耐火物の最高耐用温度
は一般的な炭化水素火災を想定した１１００℃であるた
め、温度が１１００℃を越えた場合、反りが発生し十分
な防災性能を得ることができない。その原因について調
べたところ、セピオライトによることが判明した。

【０００９】セピオライトは、化学式（ＯＨ₂）₄（Ｏ
Ｈ）₄Ｍｇ₈Ｓｉ₁₂Ｏ₃₀・６〜８Ｈ₂Ｏで表される珪酸マ
グネシウム化合物で、水の吸着力が高く自重の１００〜
１２０％もの水分を吸保水する性質がある。したがっ
て、無機補強繊維としての機能の他に断熱性、軽量性と
しての機能を併備させることができる。さらに、レオロ
ジー的にはチクソトロピックな性質を示すため低圧で成
形しても保形性を得ることができる。また、低圧成形に
よって均質な成形体を得るには混練物をスリップ状にす
る必要があるが、この際、セピオライトの保水力が高い
ためブリージング抑制効果もある。

【００１０】しかし、この無機繊維は、反面、含水性鉱
物のため、加熱時には吸保水及び結晶水の脱水に伴う熱
間収縮、反りの弊害を生じる。そのため、耐火材料とし
ての耐用温度の向上を考えた場合、最大のネックとな
る。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、工業炉用、
建築用のみならずトンネル用としても十分な断熱性と、
容積安定性と、耐スポーリング性と、強度を有し、ま
た、軽量であって、さらには、火災時に有害ガスの発生
のない断熱性耐火物を得ることにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、耐火物中にＮ
ａ₂Ｏ及びＫ₂Ｏの含有合量が１０％未満である軽量骨材
を８〜３０重量％と、繊維長さが５００μｍ〜４ｍｍで
ある無水無機長繊維を１〜８重量％と、繊維長さが５０
〜＜５００μｍである無水無機短繊維を４〜３０重量％
と、残部にアルミナセメントと超微粉非晶質シリカと、
補強繊維及びその他の耐火材料とを含有する無水無機繊
維含有断熱性耐火物である。

【００１３】本発明においては、耐火材料として熱間で
の強度向上と反り抑制の目的のために無水無機繊維を使
用する。しかし、無水無機繊維は吸水性がなく、多量に
使用した場合、スリップのブリージングや加圧成形時の
保形性が著しく劣化するため、自ずと量的制限を受け
る。使用量と熱間反り量の関係は、一般的に繊維長さが
短く使用量が少ないほど、熱間反り量は大きく、逆に、
繊維長さが長く使用量が多いほど、熱間反り量は小さく
なる傾向にある。また、加圧成形時の保形性は繊維長さ
が短いほど成形可能領域は広く、長くなるほどその領域
が狭くなる。繊維長さについては５００μｍを境にその
特性が著しく異なり、５００μｍ以上の長繊維は、少量
でも反り抑制効果認められるが、多量に使用すると加圧
成形時の保形性が著しく劣化する傾向にある。逆に、５
００μｍ未満の短繊維は、反り抑制効果が長繊維より劣
るが、比較的多量に使用しても加圧成形時の保形性は良
好である。

【００１４】そこで、両繊維の使用効果を最大限に発揮
させ、加圧成形時の保形性、強度、熱間容積安定性の特
性を高めるためには、特定範囲の長繊維と短繊維を組み
合わせて使用することによって可能になるという知見を
得て、本発明を完成するに至った。

【００１５】長繊維は、繊維長さが５００μｍ〜４ｍｍ
である無水無機繊維を１〜８重量％、より好ましくは、
繊維長さが１〜３ｍｍのものを４〜８重量％使用するの
が良い。繊維長さが５００μｍ未満又は使用量が１重量
％未満では熱間反りの抑制効果が小さく、繊維長さが４
ｍｍを越えた場合使用量が１重量％より少なくても、あ
るいは使用量が８重量％を越える場合、繊維長さが４ｍ
ｍを越えなくても加圧成形時の保形性が悪いため好まし
くない。

【００１６】短繊維は、繊維長さが５０〜＜５００μｍ
である無水無機繊維を４〜３０重量％、より好ましく
は、繊維長さが２００〜４００μｍのものを１０〜２０
重量％使用するのが良い。繊維長が５０μｍ未満では熱
間収縮、反りの抑制効果が小さく５００μｍを越える場
合には加圧成形時の保形性が悪いため好ましくない。使
用量が４重量％未満では反りの抑制効果が小さく、３０
重量％を越える場合、過焼結となり熱間収縮が大きくな
り、耐スポーリングが低下する問題が生じるため好まし
くない。

【００１７】無水無機繊維としては、繊維長さが上記条
件を満たせば特に限定されず、例えば、安山岩、玄武
岩、スラグ等を主原料とし、キューポラや電気炉で１５
００〜１６００℃の高温で溶かし、炉から流して遠心力
や圧縮空気、高圧蒸気で吹いて繊維化したロックウール
「新日鐵化学（株）製」、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂原料に第
３成分として金属酸化物を添加したＳＣバルク「新日鐵
化学（株）製」、その他にもバルクファイバー「東芝モ
ノフラックス（株）製」、ウォラストナイトとしてＦＰ
Ｗ「金生興業（株）製」等がある。

【００１８】軽量骨材は、軽量化、低熱伝導率化のため
に使用する。使用量は、Ｎａ₂Ｏ及びＫ₂Ｏの含有合量が
１０％未満であるものを８〜３０重量％用いるのが好適
である。使用量が８重量％未満の場合は、軽量化、低熱
伝導率化の効果が十分でなく、使用量が３０重量％を、
又はＮａ₂Ｏ及びＫ₂Ｏの含有合量が１０％を越える場合
は、熱間収縮が増大するので好ましくない。

【００１９】軽量骨材の種類は、Ｎａ₂Ｏ及びＫ₂Ｏの含
有合量が１０％未満であれば特に限定される物ではな
く、例えば、黒曜石、真珠岩、松脂岩の様な天然ガラス
岩の焼成発泡体として三井パーライト「三井金属鉱業
（株）製」、シラス中の火山ガラス粒子を焼成発泡させ
たシラスパーライト「（株）シラックスウ製」及びシラ
スバルーン「岡崎工業（株）製」、中空軽量骨材として
マイクロセルズ「秩父小野田セメント（株）製」及びフ
ィライト「日本フィライト（株）製」、軽量シャモット
として大村Ｄシャモット「大村耐火（株）製」等があ
る。

【００２０】軽量骨材以外の耐火材料は、軽量骨材の補
助的な役目をするもので、ロー石、シャモット、焦宝石
等の他容積安定性を得られるものであれば特に限定する
必要はなく、２０〜４０重量％の範囲内で使用すること
が好ましい。これにより本発明の断熱性耐火物の熱間で
の反りを抑制させることができる。

【００２１】アルミナセメントは、バインダーとして使
用するものであり、含有するＣａＯに換算して１０〜１
３重量％になることが好ましい。１０重量％未満の場合
は強度向上の効果は小さく、また、これに起因し耐スポ
ーリング性も低下するので好ましくない。１５重量％を
越えると価格が高くなるため規定範囲外とした。アルミ
ナセメントの種類は、上記ＣａＯ含有量を満足しておれ
ば特に他の制限を受けるものではなく、例えば、ＪＩＳ
Ｒ２５１１に規定される第１種〜５種の耐火物アルミナ
セメントの中から選択して単独又は組み合わせて使用す
ることができる。なお、アルミナセメントは過半数を占
めるＡｌ₂Ｏ₃と、ＣａＯが主成分であり、Ａｌ₂Ｏ₃が多
すぎると熱伝導率が高くなり強度も劣化するため、アル
ミナセメントの使用量は総Ａｌ₂Ｏ₃含有量が２８重量％
以内の範囲になるように調整することが望ましい。

【００２２】超微粉非晶質シリカは、アルミナセメント
の中間温度における強度低下防止材として使用される。
アルミナセメントのみの場合では、加熱時における結晶
水の脱水に伴う体積変化により強度が低下する。しかし
ながら、超微粉非晶質シリカを併用するとシリカは０．
３μｍ程度の極小径のものであるため反応性が高く、Ｃ
−Ａ−Ｓ−Ｈ系の水和物あるいはゲルを形成するため、
結晶水の脱水温度が上昇し、且つ、ブロードな脱水特性
を示し、強度低下が抑制される。また、この反応により
養生強度も高くなるため成形品の取り扱いが容易とな
る。超微粉非晶質シリカとしては、シリカフューム、マ
イクロシリカ等を用いることができる。超微粉非晶質シ
リカの使用量は、５〜１０重量％が好適である。５重量
％未満の場合は強度低下抑制効果か小さく耐スポーリン
グ性が低下し、さらに反りも発生するので好ましくな
い。１０重量％を越えると、過焼結となるため収縮が大
きくなり耐スポーリング性も低下するので好ましくな
い。

【００２３】アルミナセメントの硬化時間は気温によっ
て左右されるため、アルミナセメントの硬化調整剤とし
てホウ酸、珪弗化ソーダ、クエン酸、リン酸ソーダ等を
１又は２種以上を組み合わせて０〜０．５重量％を外掛
け添加すると良い。

【００２４】補強繊維としては有機繊維を使用する。有
機繊維は、成形後強度を向上せしめハンドリング時の割
れ、亀裂の発生を防止し、また、乾燥強度すなわち製品
強度を向上させるためのである。有機繊維の素材は、セ
メントをバインダーとしているため、耐アルカリ性を具
備するビニロン、ポリプロピレン、アラミド、ポリエチ
レン、ポリアクリロニトリル、ポリアミド等が好適であ
る。

【００２５】この有機繊維の好適範囲は、繊維長が０．
５〜１０ｍｍであり、使用量は０．５〜３重量％であ
る。繊維長が０．５ｍｍ未満では成形直後のハンドリン
グで折れが発生し、１０ｍｍを越える場合には混練中の
水分が過剰となり強度が低下し耐スポーリング性が悪化
するので好ましくない。使用量が０．５重量％未満では
成形直後のハンドリングで折れが発生するため好ましく
ない。３重量％を越える場合は焼成後の空孔が多くなる
ので中間強度の低下及び焼成収縮が大きくなり、耐スポ
ーリング性が低下するため好ましくない。

【００２６】有機繊維の中でも特にビニロンは種々の点
で優れた特性を示す。ビニロンは、鎖状高分子であるポ
リビニルアルコール（ＰＶＡ）を原料としている。この
ため、他の有機繊維に比較し、耐アルカリ性、繊維強度
（引張り強度１５×１０²ＭＰａ）及びマトリックスと
の界面接着強度が良好なため、材料中に混入した時の補
強効果に優れている。また、耐熱性については製造過程
において［ＯＨ］^-を低減することで高めることができ
る。このため、成形直後から乾燥時に至るまで高強度を
達成することができ、また、常用時においても強度の経
年劣化は殆どなく安定した強度を達成することができ
る。さらに、ビニロンは酸素、炭素、水素からなるＰＶ
Ａが原料であるため、火災時の燃焼時においても窒素
系、硫黄系の有毒ガスを発生させることがなく、安全の
点でも優れた繊維と言える。

【００２７】本発明の断熱性耐火物を製造するには、従
来の加圧脱水成形と同様の行程が採用され得る。例え
ば、加圧脱水成形法では、加圧力は０．５〜４．９ＭＰ
ａが好ましい。加圧力が０．５ＭＰａ未満の場合は締ま
り不足のため成形体が得られず、４．９ＭＰａを越える
場合は、かさ比重が大きくなったり、断熱効果が小さく
なる等の問題が生じ好ましくない。

【００２８】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を実施例によ
って説明する。

【００２９】実施例及び比較例を表１〜４に示すが、本
発明はこれに限られるものではない。

【００３０】表１〜４に示す実施例及び比較例の配合
に、タップフローが約２００〜２３０ｍｍになるよう水
を添加しスリップ状の混練物を得た。

【００３１】得られた混練物を４０×１６０ｍｍ（曲げ
強さ、かさ比重測定用）、３００×３００ｍｍ（熱伝導
率、耐スポーリング性、熱間反り測定用）の成形枠の中
に入れ、１ＭＰａの圧力で加圧脱水成形し、常温で１６
〜２０時間養生し、硬化させた成形板を８０℃で４８時
間乾燥して断熱性耐火物を得た（厚みは２５ｍｍ）。熱
伝導率、耐スポーリング性、反り測定用については、さ
らに、２３０×１１４ｍｍ（熱伝導率測定用）２７０×
１１５ｍｍ（耐スポーリング性測定用）３００×７５ｍ
ｍ（反り測定用）に乾式切削し、断熱性耐火物とした。

【００３２】断熱性耐火物の評価は以下の方法で行っ
た。

【００３３】曲げ強さ：ＪＩＳＲ２５５３（キャスタブ
ル耐火物の強さ試験方法）による。かさ比重：かさ比重は以下に示す真空法にて測定した。

【００３４】１．試料を８０℃で恒量になるまで乾燥
し、乾燥質量Ｗ１（ｇ）とする。

【００３５】２．試料を水銀差圧≦７ｍｍで減圧脱気
し、０．３８ＭＰａの圧力下で２０分飽油させた後、大
気圧に戻して２時間保持する。

【００３６】３．飽油試料の油中質量Ｗ２（ｇ）を測定
する。

【００３７】４．飽油試料を油中から取り出し、飽油質
量Ｗ３（ｇ）を測定する。かさ比重＝｛Ｗ１／（Ｗ３
−Ｗ２）｝×油の比重による。

【００３８】熱伝導率：熱伝導率λ（Ｗ／ｍＫ）は以下
に示す熱流法によって測定した。

【００３９】図１は熱伝導率測定装置の概要を示す図で
ある。

【００４０】１．試料の加熱面に測温用溝５を設け、加
熱面と測温溝間の厚みｄ（ｍ）を測る。

【００４１】２．この溝にＲ型熱電対４を耐火モルタル
で取り付け、試験用電気炉１にセットする。

【００４２】３．毎分６℃で昇温し、炉内温度が１００
０℃になった時の加熱面温度Ｔ１（℃）、放射面温度Ｔ
２（℃）、熱流密度（Ｗ／ｍ²Ｋ）を測定する。

【００４３】熱伝導率＝（Ｑ・ｄ）／（Ｔ１−Ｔ２）に
よる。

【００４４】耐スポーリング性：スポーリグテストは以
下に示す方法で行った。

【００４５】図２はスポーリングテストの概要を示す図
で、１．１３５０℃で保定した電気炉１１に試料１３を蓋と
して取り付け１時間片面加熱する。

【００４６】２．加熱後、直ぐに蓋を外し、加熱面のみ
１０分間水槽１５中で水冷する。

【００４７】反り：熱間反りテストは以下に示す方法で
行った。

【００４８】図３は熱間反りテストの概要を示す図で、１．加熱炉１０１上方の炉上部口形縁れんが１０５に橋
渡ししたアルミナ管１０６の上にバランスをとって試料
１０３をセットする。

【００４９】なお、試料１０３は図に示された方向が長
い長方形で両側は断熱ボード（図なし）により加熱炉上
部を塞いだ状態である。

【００５０】２．図４に示すオランダ運輸公共事業者
（Ｒ．Ｗ．Ｓ）が定めた火災想定のための温度−時間に
よる昇温曲線に沿って１３５０℃までバーナー１０２で
加熱する。

【００５１】３．テスト終了後、試料の加熱側の変位を
反対側に外枠１０８に設けたノギス１０７の間隙の変位
で測定する。

【００５２】反り＝中央部の変位−両端部の変位の平均
とする。

【００５３】基材試験及び表面試験：建設省告示第１８
２８号（基材試験方法、表面試験方法）による。

【００５４】表１は、長繊維の繊維長さ及び使用量の影
響を示した例であり、それぞれの配合中＋表示は外掛け
添加を示す。

【００５５】

【表１】表１の実施例１〜３に示すように、適正な長さ及び量の
長繊維を使用した場合には、十分な強度向上及び熱間反
り抑制効果を有していたが、繊維長さが短い、あるいは
長い場合には、熱間反り量が大きいか、あるいは成形体
の保形性が悪い等の問題を生じる。比較例１に見られる
ように、長繊維量が少ない場合には、熱間での反り量が
大きくなる。逆に多い場合は比較例２に見られるよう
に、成形体の保形性が悪くなった。比較例５は公知の断
熱性耐火物の例であり、１３５０℃の高温に曝された場
合には熱間反りが大きく強度低下も著しいため十分なも
のとは言えない。

【００５６】表２は、短繊維の繊維長及び使用量の影響
を示したものである。

【００５７】

【表２】表２の実施例４，５，６に示すように、適正長さ及び量
の短繊維を使用した場合には、十分な強度向上及び熱間
反り抑制効果があったが、適正長さより長い比較例６の
場合、成形体の保形性が悪くなった。また、適正長さよ
り短い、あるいは添加量が少ない比較例７、８の場合は
熱間での反りを十分抑制することができないため、耐ス
ポーリング性が悪化する問題を解消することができなか
った。短繊維を多量に使用した比較例９の場合は、繊維
自身の抵抗が大きいため成形体の保形性が悪いという問
題を生じた。

【００５８】表３は、軽量骨材の使用量の影響を示した
ものである。

【００５９】

【表３】表３の実施例７，８に示すように、適量の軽量骨材を使
用した場合には、加圧成形後の保形性は良好で、また、
熱間での反りも小さくなっている。これに対して、軽量
骨材量が少ない比較例１０の場合は、成形後時の保形性
が不良であり、熱伝導率も高い値となっている。また逆
に、軽量骨材量が多い比較例１１は、成形後時の保形性
は良好なものの、熱間での反りが大きくなっている。

【００６０】表４は、本発明品の不燃性の試験を実施し
た結果の一例を示したものである。

【表４】表４の実施例に示すように、有害ガスの問題はなかっ
た。

【００６１】本実施例に示した様に，本特許構成要件の
組み合わせにおいてのみ初めて低熱伝導率、低かさ比重
でありながら高強度で、且つ、熱間での反りが小さく、
耐スポーリング性に優れるという結果を示した。また、
著しい有害ガスの発生もなかった。

【００６２】

【発明の効果】本発明の無水無機繊維含有断熱性耐火物
は、以下の効果を奏する。

【００６３】１．断熱性、容積安定性、耐スポーリング
性、強度、軽量性、不燃性を具備した断熱性耐火物であ
って、しかも、安価に得ることが可能になる。

【００６４】２．高断熱化及び軽量化を図った時の強度
低下及び熱間での反りの弊害が最小になり、断熱性、容
積安定性、耐スポーリング性、強度、軽量性の面で優れ
た特性を示し、さらに有害ガスの発生に対しても安全上
優れている。

【００６５】３．したがって、工業炉用、建築用のみな
らずトンネル用として従来の内装材ではできなかった性
能の全てを備えた材料であり、例えば、従来内装材をト
ンネルに被覆した場合、断熱性が不十分なことに起因し
た背面構造部材の熱的損傷の誘発火災時の被覆により内
装材に発生した亀裂、反り及び剥落に起因して背面構造
物の断熱性が不十分な点を解決し、また、消火時の被水
の影響として内装材に熱的スポーリングが発生する脱落
を防止し得る材料であり、且つ軽量でありながら耐用温
度が高いためトンネル用等建材としても特に有用であ
る。

【００６６】４．本発明の無水無機繊維含有断熱性耐火
物は、簡易な加圧脱水成形法で成形できるため、従来の
押し出し成形機で示されるような高コストの成形設備を
必要とせず、また該成形時に生じる反りに起因した歩留
まり低下による製造コスト増を招かない等経済的にも優
れている。

【図面の簡単な説明】

【図１】熱伝導率測定装置の概略図である。

【図２】スポーリングテスト測定装置の模式図であ
る。

【図３】熱間反りテスト測定装置の模式図である。

【図４】熱間反りテストの昇温曲線である。

【符号の説明】

１電気炉２発熱体３試料４
熱電対５試料の加熱面測温用溝６センサー（試験片の放熱面温度測定、熱流密度測
定）１１電気炉１２発熱体１３試料
１４熱電対１５水槽１６給水管１０１加熱炉
１０２バーナー１０３試料１０４熱電対１０５炉上
部口形縁れんが１０６アルミナ管１０７ノギス１０８
外枠

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C04B 35/66

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】耐火物中に、Ｎａ₂Ｏ及びＫ₂Ｏの含有合
量が１０％未満である軽量骨材を８〜３０重量％と、繊
維長さが５００μｍ〜４ｍｍである無水無機長繊維を１
〜８重量％と、繊維長さが５０〜＜５００μｍである無
水無機短繊維を４〜３０重量％と、残部にアルミナセメ
ントと超微粉非晶質シリカと、補強繊維及びその他の耐
火材料等とを含有する無水無機繊維含有断熱性耐火物。
【請求項２】補強繊維がビニロン繊維であり、耐火物
中に０．５〜３重量％含まれている請求項１に記載の無
水無機繊維含有断熱性耐火物。