JP3974509B2

JP3974509B2 - 高靭性セメント系複合材および高靭性セメント系複合材を製造するためのプレミックス材

Info

Publication number: JP3974509B2
Application number: JP2002353650A
Authority: JP
Inventors: 博三三橋; 洋福山; 晴彦諏訪田; 徹田中
Original assignee: National Institute for Land and Infrastructure Management; Tokyo Rope Manufacturing Co Ltd
Current assignee: National Institute for Land and Infrastructure Management; Tokyo Rope Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2002-12-05
Filing date: 2002-12-05
Publication date: 2007-09-12
Anticipated expiration: 2022-12-05
Also published as: JP2004182562A; US6818056B2; US20040107873A1

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は，高靭性セメント系複合材および高靭性セメント系複合材を製造するためのプレミックス材に関する。
【０００２】
【従来技術】
セメント系複合材には，両端にフックが形成された鋼製の単線を混入したものがあり，トンネル等の吹付け工事に使用されているが，これらは単にコンクリートの剥離を防止するにすぎない。
【０００３】
また，ポリエチレン等の繊維の切断片を混入したセメント系複合材がある。このセメント系複合材に混入された繊維の切断片は引張荷重により生ずる大きなひび割れを防ぐ。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は，硬化したときに引張荷重および圧縮荷重の両方に対して高い靭性を有する高靭性セメント系複合材を提供することを目的とする。
【０００５】
この発明は，さらに，施工性のよい高靭性セメント系複合材を提供することを目的とする。
【０００６】
この発明は，上記高靭性セメント系複合材を製造するためのプレミックス材を提供することを目的とする。
【０００７】
【発明の開示】
この発明による高靭性セメント系複合材は，複数本のスチールコード撚り線切断片が，0.5vol％以上，1.5vol％未満を占め，一種類以上の複数本の有機繊維切断片が，2.5vol％以下を占めているものである。
【０００８】
高靭性セメント系複合材は，上記複数本のスチールコード撚り線切断片および一種類以上の複数本の有機繊維切断片に加えて，一般的には，セメント，水および骨材（砂，砂利等）を含む（硬化した状態では水分の占める体積は少なくなる）。高靭性セメント系複合材には，さらに減水剤等を含む混和材料（水，セメント，骨材以外の材料）を加えてもよい。
【０００９】
スチールコード撚り線切断片は後述するように複数本の単線を撚り合わせたものであり，各々の単線がらせん状に変形しているから，スチールコード撚り線切断片の表面には全体的にみてらせん状の筋（凸条状または凹溝状のもの）がある。したがって，スチールコード撚り線切断片の表面はその全長にわたって長さ方向の摩擦抵抗が大きい。高靭性セメント系複合材は，セメント材であるから，硬化したときにはそれ自体は大きな圧縮荷重に耐え得る。硬化した高靭性セメント系複合材内にランダムに存在する複数本のスチールコード撚り線切断片が圧縮荷重が加わる方向に直交する方向に働く応力に抗するので，硬化した高靭性セメント系複合材の上記直交する方向における靭性が高まる。また，高靭性セメント系複合材内にランダムに存在する複数本のスチールコード撚り線切断片は引張荷重に対する靭性を高めるようにも作用する。これによって硬化した高靭性セメント系複合材は，圧縮荷重および引張荷重の両方に対して高い靭性を持つものとなる。
【００１０】
スチールコード撚り線切断片は３本以上の鋼製の単線を撚り合わせたものであればよく，撚り方は任意に定めることができる。撚りピッチ倍数（撚りピッチの長さ（ｍｍ）／スチールコード撚り線切断片の径（ｍｍ））が15以下であれば，スチールコード撚り線切断片はほつれにくく，またセメントとの付着も十分に得られる。また，ほつれることがないようにスチールコード撚り線の切断面に溶着等を施していてもよい。
【００１１】
スチールコード撚り線切断片の長さは，15ｍｍ以上，45ｍｍ以下である。スチールコード撚り線切断片の長さが15ｍｍ以上であれば，上記のように圧縮荷重および引張荷重に対して高い靭性を維持できる。スチールコード撚り線切断片の長さが45ｍｍ以下であれば，高靭性セメント系複合材を製造するためにスチールコード撚り線切断片，セメント，水，骨材等を練り混ぜるときに複数本のスチールコード撚り線切断片が互いに絡み合うことなく，流動性を確保できるので施工性がよい。
【００１２】
スチールコード撚り線切断片はスチールコード撚り線を上記の長さに切断することにより効率的に製造することができる。
【００１３】
この発明による高靭性セメント系複合材では，複数本のスチールコード撚り線切断片が，0.5vol％以上，1.5vol％未満を占めている。0.5vol％以上であれば，引張，圧縮荷重により生ずるひび割れによる脆性破壊を防止することができる。1.5vol％未満であれば，高靭性セメント系複合材を製造するためにスチールコード撚り線切断片，セメント，水，骨材等を練り混ぜるときにスチールコード撚り線切断片が互いに絡み合うことなく，流動性を確保することができるので施工性がよい。
【００１４】
有機繊維とは，ポリエチレン，ビニロン，アラミド等の化学合成繊維を含む概念であり，単線であっても撚り線であっても良い。高靭性セメント系複合材に混入された複数本の有機繊維切断片は，圧縮荷重または引張荷重により生じる大きなひび割れを防ぐことができる。したがって，有機繊維切断片を混入した高靭性セメント系複合材料は，圧縮強さおよび引張強さが向上し，圧縮荷重および引張荷重に対して靭性を得ることができる。
【００１５】
有機繊維切断片の径はスチールコード撚り線の径よりも小さい。このため，有機繊維切断片はスチールコード撚り線切断片よりも微小な範囲（径方向）においてセメントと結合するため高靭性セメント系複合材は，スチールコード撚り線切断片を含んだときに得られる靭性よりもさらに高い靭性を得ることができる。
【００１６】
さまざまな径をもつ有機繊維切断片を使用することが可能であり，使用可能な有機繊維切断片をそのアスペクト比で規定すると，有機繊維切断片のアスペクト比は2500以下である。これにより引張荷重および圧縮荷重に対して高い靭性を維持でき，かつ高靭性セメント系複合材の製造のためにスチールコード撚り線切断片，有機繊維切断片，セメント，水，骨材等を練り混ぜるときに互いに有機繊維切断片が絡み合うのを防ぐことができる。
【００１７】
複数本の有機繊維切断片が2.5vol％以下を占めていれば，引張荷重および圧縮荷重に対して高い靭性を維持することができる。また高靭性セメント系複合材を製造する場合において，練り混ぜるときに有機繊維切断片が，適度な粘性をもたらし，スチールコード撚り線切断片の沈下を防止し，スチールコード撚り線切断片をほどよく分散させるとともに複数本の有機繊維切断片は互いに絡み合うことなく分散され，流動性を確保することができるので施工性がよい。有機繊維切断片が1.5vol％以下であればさらに好ましい。有機繊維切断片はなくてもよいが，好ましくは混入させておいた方がよい,すなわち0vol％は含まない（0 vol％を除く，または0 vol%を超える。以下同じ。）。より好ましくは，有機繊維切断片は0.1vol％以上あれば，靭性の効果は得られる。
【００１８】
この発明の高靭性セメント系複合材は，柱材，壁パネル等の土木，建築材として用いられる。また，硬化した高靭性セメント系複合材は構造物の一部であってもよい（例えば柱等）。
【００１９】
高靭性セメント系複合材の製造において，0.5vol％以上，1.5vol％未満のスチールコード撚り線切断片と，2.5 vol%以下（0vol％であっても良いが，好ましくは0vol％を含まない，より好ましくは0.1vol％以上であれば靭性の効果が得られる）の有機繊維切断片と，20 vol％〜35 vol％のセメントと，35 vol％〜55 vol％の水と，25 vol％〜35 vol％の骨材とを混合する。これらを練り混ぜて，スチールコード撚り線切断片と有機繊維切断片とを分散させた後，任意の形状の型枠等に流し込み，硬化させる。
【００２０】
この発明の高靭性セメント系複合材を製造するためのプレミックス材（水，骨材を除く）は，複数本のスチールコード撚り線切断片が，1.3 vol％以上，6.9 vol％未満を占め，一種類以上の複数本の有機繊維切断片が，10.8 vol％以下（0vol％であっても良いが，好ましくは0vol％を含まない，より好ましくは0.4vol％以上であれば靭性の効果が得られる）を占め，セメントが83 vol％以上，98 vol％未満を占めているものである。
【００２１】
この発明の高靭性セメント系複合材を製造するための他のプレミックス材（水を除く）は，複数本のスチールコード撚り線切断片が，0.68 vol％以上，3.6 vol％未満を占め，一種類以上の複数本の有機繊維切断片が，5.8 vol％以下（0vol％であっても良いが，好ましくは0vol％を含まない，より好ましくは0.2vol％以上であれば靭性の効果が得られる）を占め，セメントが34 vol％以上，63 vol％未満を占め，骨材が34 vol％以上，63 vol％未満を占めているものである。
【００２２】
高靭性セメント系複合材を製造するためのプレミックス材を用いると，現場で高靭性セメント系複合材を製造する場合に，スチールコード撚り線切断片，有機繊維切断片等の混入量に注意を払うことなく，プレミックス材と，必要な所定の分量の水等を混合し，練り混ぜればよいので作業の効率化を図ることができる。また，プレミックス材は，袋，容器等に入れて運搬可能な状態にしておくことができる。
【００２３】
【実施例の説明】
高靭性セメント系複合材（以下，ＰＳ−ＨＰＦＲＣＣという）は，モルタルに複数本のスチールコード撚り線切断片と複数本の有機繊維切断片であるポリエチレン繊維とが混入されたものである。高靭性セメント系複合材を構成する水，セメント，砂，スチールコード撚り線切断片，有機繊維切断片，減水剤等を含む混和材料の体積比は，45.5：26：25：１：１：1.5 である。このＰＳ−ＨＰＦＲＣＣ（硬化された状態）における，圧縮強度は54.5 Ｎ／ｍｍ²，ヤング率は1.82×10⁴ Ｎ／ｍｍ² である。
【００２４】
このＰＳ−ＨＰＦＲＣＣの製造は，セメント，砂および混和材を空練りし，水および減水剤を投入し，練り混ぜ，非硬化状態とし，ポリエチレン繊維切断片およびスチールコード撚り線切断片を混入し，練り混ぜて分散させる。その後，非硬化状態のまま，任意の形状の型枠等に流し込み，硬化させる。
【００２５】
ＰＳ−ＨＰＦＲＣＣには，複数本のスチールコード撚り線切断片が，１ vol％混入されている。このスチールコード撚り線切断片は，鋼製の単線を５本撚り合わせ，径が0.405 ｍｍ，撚りピッチが4.48ｍｍのスチールコード撚り線を長さ32ｍｍに切断したものである。さらに，ＰＳ−ＨＰＦＲＣＣは，複数本のポリエチレン繊維切断片が，１ vol％混入されている。このポリエチレン繊維切断片（素線）は，径が0.012 ｍｍのポリエチレン繊維を長さ15ｍｍに切断したものである。
【００２６】
上述した高靭性セメント系複合材であるＰＳ−ＨＰＦＲＣＣの実験結果について以下に示す。ここで，比較を行うために，モルタル，およびモルタルにポリエチレン繊維切断片を混入したセメント系複合材（以下，ＰＥ−ＨＰＦＲＣＣという）を使用した。モルタルは，上述したＰＳ−ＨＰＦＲＣＣからスチールコード撚り線切断片およびポリエチレン繊維切断片を除いたもの，ＰＥ−ＨＰＦＲＣＣは上記ＰＳ−ＨＰＦＲＣＣからスチールコード撚り線切断片を除いたものと同じ構成のものである。ＰＥ−ＨＰＦＲＣＣには，ポリエチレン繊維切断片が１ vol％混入されている。ポリエチレン繊維は，上述したＰＳ−ＨＰＦＲＣＣに含まれたものと同一のものである。
【００２７】
図１は，圧縮試験における応力とひずみとの関係を示すものである。モルタル（以下，「ＭＯ」と略称する）では，応力の増加に伴ってひずみが増加し，応力が80Ｎ／ｍｍ² 付近で破壊が生じた。ＰＥ−ＨＰＦＲＣＣ（以下，「ＰＥ」と略称する）およびＰＳ−ＨＰＦＲＣＣ（以下，「ＰＳ」と略称する）では，ともに応力の増加に伴ってひずみが増加して応力がほぼ55Ｎ／ｍｍ²（ひずみがほぼ0.4％）で最大となった。その後，ひずみの増加にともなって応力が減少した。ＰＳでは，ひずみの増加に伴う応力の減少はＰＥよりも小さくなった。したがって，ＰＳの方が破壊するまでに多くのエネルギを吸収することができることがわかる。
【００２８】
図２は，引張圧縮繰返し試験におけるＰＥ（ＰＥ−ＨＰＦＲＣＣ）の応力とひずみとの関係を示すものである。一方向への引張試験と引張圧縮繰返し試験とを行った結果を比較したものである。引張圧縮繰返し試験により得られた結果は，一方向への引張試験とほぼ同様な応力とひずみの関係が現れた。
【００２９】
図３は，引張圧縮繰返し試験におけるＰＳ（ＰＳ−ＨＰＦＲＣＣ）の応力とひずみとの関係を示すものである。一方向への引張試験と引張圧縮繰返し試験とを行った結果を比較したものである。ここでも図２と同様に，引張圧縮繰返し試験により得られた結果は，一方向への引張試験とほぼ同様な応力とひずみの関係が現れた。さらに，図２と比較するとＰＥよりもＰＳの方が全体的に応力は大きい。したがって，ＰＳの方がＰＥよりも破断するまでに多くのエネルギを吸収することができることを示す。
【００３０】
図５および図６は，載荷試験により得られた結果を示すものである。載荷試験は，図４に示す載荷履歴に従い，水平方向に加力する。また，初期軸力は与えず，水平変形（回転変形）に伴う軸方向変形（浮き上がり変形）を拘束するように軸力を加える。
【００３１】
この実験では，試験体としてＰＳ−ＨＰＦＲＣＣ，ＰＥ−ＨＰＦＲＣＣおよびモルタルを，主筋に平行配筋を施し，さらにせん断補強筋を施した配筋タイプ１の鉄筋と，主筋にＸ型配筋を施した配筋タイプ２の鉄筋とでそれぞれ補強した６種類のものを使用した。せん断補強筋の降伏応力は425.1Ｎ／ｍｍ²，降伏ひずみは2474.0×１０^-6であり，主筋の降伏応力は341.5Ｎ／ｍｍ²，降伏ひずみは1891.5×１０^-6である。
【００３２】
以下，モルタルをＭＯ，ＰＥ−ＨＰＦＲＣＣをＰＥ，およびＰＳ−ＨＰＦＲＣＣをＰＳと表記し，その後ろには補強に用いた配筋タイプ１，２をそれぞれ１，２と表記する。
ＭＯ−１；モルタルと配筋タイプ１
ＭＯ−２；モルタルと配筋タイプ２
ＰＥ−１；ＰＥ−ＨＰＦＲＣＣと配筋タイプ１
ＰＥ−２；ＰＥ−ＨＰＦＲＣＣと配筋タイプ２
ＰＳ−１；ＰＳ−ＨＰＦＲＣＣと配筋タイプ１
ＰＳ−２；ＰＳ−ＨＰＦＲＣＣと配筋タイプ２
【００３３】
図５，６は，最大せん断ひび割れ幅と部材角との関係（以下，Ｗ_cr―Ｒ関係）を示すものである。図５において，ＭＯ−１，ＰＥ−１およびＰＳ−１ではそれぞれ部材角の増加に伴い最大せん断ひび割れ幅が大きくなった。しかし，ＰＳ−１では部材角の増加に伴う最大せん断ひび割れ幅がＭＯ−１およびＰＥ−１に比べてかなり小さくなった。図６においても同様に，ＭＯ−２，ＰＥ−２およびＰＳ−２ではそれぞれ部材角の増加に伴い最大せん断ひび割れ幅が大きくなったが，ＰＳ−２では部材角の増加に伴う最大せん断ひび割れ幅がもっとも小さいことがわかった。したがって，配筋タイプ１，２ともにＰＳの最大ひび割れ幅が小さいことがわかる。
【００３４】
以上の結果から，図１においては，ＰＳ（ＰＳ−ＨＰＦＲＣＣ）は，ＭＯ（モルタル）およびＰＥ（ＰＥ−ＨＰＦＲＣＣ）よりも破壊するまでにエネルギを吸収できるので，ＰＳは圧縮荷重に対して高い靭性を有することがわかる。図３においては，混入されたポリエチレン繊維切断片およびスチールコード撚り線切断片は引張圧縮繰返し荷重により劣化していないことからＰＳは引張圧縮繰返し荷重に対しても高い靭性を有することがわかる。図５，６において，ＰＳはＭＯおよびＰＥよりも，引張抵抗力を有し，靭性が高い。したがって，ＰＳでは大きなひび割れを防ぐことができる。このように，スチールコード撚り線切断片および有機繊維切断片を含む高靭性セメント系複合材は，圧縮荷重，引張荷重および引張圧縮繰返し荷重に対して高い靭性を有し，ひび割れ幅を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】圧縮試験による応力−ひずみ線図を示す。
【図２】ＰＥ−ＨＰＦＲＣＣに関する引張圧縮繰り返し試験による応力−ひずみ線図を示す。
【図３】ＰＳ−ＨＰＦＲＣＣに関する引張圧縮繰り返し試験による応力−ひずみ線図を示す。
【図４】載荷試験における載荷履歴を示すものである。
【図５】配筋タイプ１における最大せん断ひび割れ幅と部材角との関係を示すものである。
【図６】配筋タイプ２における最大せん断ひび割れ幅と部材角との関係を示すものである。

Claims

複数本のスチールコード撚り線切断片が，0.5vol％以上，1.5vol％未満を占め，
一種類以上の複数本の有機繊維切断片が，2.5vol％以下を占めており，
上記スチールコード撚り線切断片は３本以上の単線を撚りピッチ倍数が 15 以下であるように撚り合わせたものである高靭性セメント系複合材。
複数本のスチールコード撚り線切断片が，1.3vol％以上，6.9vol％未満を占め，一種類以上の複数本の有機繊維切断片が，10.8vol％以下を占め，セメントが 83vol％以上，98vol％未満を占めており，上記スチールコード撚り線切断片は３本以上の単線を撚りピッチ倍数が 15 以下であるように撚り合わせたものである高靭性セメント系複合材を製造するためのプレミックス材。
複数本のスチールコード撚り線切断片が， 0.68vol％以上，3.6vol％未満を占め，一種類以上の複数本の有機繊維切断片が，5.8vol％以下を占め，セメントが34vol％以上，63vol％未満を占め，骨材が34vol％以上，63vol％未満を占めており，上記スチールコード撚り線切断片は３本以上の単線を撚りピッチ倍数が 15 以下であるように撚り合わせたものである高靭性セメント系複合材を製造するためのプレミックス材。