JP4090762B2 - 耐爆裂性水硬性硬化体 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、建造物の床、壁、柱、梁などを構成するコンクリート部材に関し、さらに詳しくは火災により加熱されたときの耐爆裂性に優れた水硬性硬化体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コンクリート、モルタル、セメントボードなどの水硬性硬化体からなる建造物の床、壁、柱などの構造部材が火災によって強く熱せられた場合に、爆裂が生じて硬化体が削れ、構造部材が強度を喪失したり、内部の鉄筋が露出し、熱によって軟化し、耐力を失うことがある。この爆裂現象は水硬性硬化体に含まれる水分が加熱されて発生する蒸気圧と、加熱により硬化体中に発生する熱ストレスによるものと考えられている。
【０００３】
建造部材の爆裂防止に関して、種々の対策が提案されている。例えば特開昭５８−１０４０７２号では繊維径１５μ、繊維長６mmのポリプロピレン繊維を混入する方法が提案されている。また特開２０００−１４３３２２号では繊維径５〜１００μ、繊維長５〜４０mmのポリプロピレン繊維やポリビニルアルコール繊維を含有した水結合材比３５％以下の高強度コンクリートの爆裂防止方法が提案されている。これらは火災時の加熱により繊維がいち早く溶融または分解し、水蒸気の逃げ道となる微細トンネルをつくるものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ポリプロピレン繊維やポリビニルアルコール繊維を用いた場合であっても、爆裂防止効果は必ずしも十分であるとはいえず、また上記特開２０００−１４３３２２号のような方法は、部材の厚さが薄い場合や鉄筋の被りが薄い場合には必ずしも有効ではなく、多量の繊維の添加が必要となっていた。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために鋭意検討した結果、水硬性硬化体に対し、特定のエチレン含有量を有するエチレンービニルアルコール系繊維を用いたところ、従来のポリプロピレン繊維やポリビニルアルコール繊維を添加した場合に比べて爆裂防止効果に優れることを見出し、さらには薄肉の建造部材において、繊維の添加量が少量であっても爆裂防止に効果があることを見出した。すなわち本発明は、エチレン含有量が２５〜７０モル％であるエチレンービニルアルコール系共重合体を成分とする繊維が含有されてなり、かつ該繊維が下記（１）〜（３）を満足してなる耐爆裂性水硬性硬化体である。
（１）繊維繊度が１〜１００ｄｔｅｘであること、
（２）繊維長さが１〜３０ｍｍであること、
（３）水硬性硬化体１００容積％に対し、０．０５〜０．５容積％含有されてなること。
【０００６】
本発明のエチレンービニルアルコール系共重合体を成分とする繊維（以下、ＥＶＡ系繊維と称す）は、エチレンと酢酸ビニルとの共重合体のケン化物を成分とする繊維であり、エチレン含有量の制御により、２００℃以下の融点をもつＥＶＡ系繊維を製造することが可能である。本発明のＥＶＡ系繊維において、該共重合体に含有されるエチレンの量は２５〜７０モル％のものが用いられる。エチレンの含有量が２５モル％よりも低い場合、繊維は水に溶解しやすい性質を有するため、繊維が水硬性材料中の水により硬化前に溶解しやすくなるといった問題点がある。一方、エチレンの含有量が７０モル％よりも高い場合は、融点が１２０℃以下の低融点の繊維となるため、繊維が水硬性材料中で硬化前の水和熱により溶融しやすくなるといった問題点がある。好ましくは３０〜５０モル％である。
【０００７】
本発明の耐爆裂性能を達成するためのＥＶＡ系繊維の必要な繊度、繊維長さは、繊度が１〜１００ｄｔｅｘ、繊維長さが１〜３０ｍｍであり、またＥＶＡ系繊維の水硬性硬化体中における含有率は水硬性硬化体１００容積％に対し、０．０５〜０．５容積％の範囲が必要である。
【０００８】
繊度が１ｄｔｅｘ未満であると分散が困難となり、１００ｄｔｅｘを超えると爆裂防止効果が少なくなる。したがって繊度は１〜１００ｄｔｅｘであることが必要であり、好ましくは１０〜８０ｄｔｅｘである。また繊維長さについては１〜３０ｍｍであることが必要である。１ｍｍ未満であると爆裂防止効果が少なくなり、３０ｍｍを超えると水硬性硬化体中での繊維の分散性が悪くなる。好ましくは２〜１５ｍｍである。さらに含有率についてはフレッシュミックス（硬化する前の配合直後のコンクリート、モルタルなどの水硬性組成物）の流動性を損なうことから、できるだけ少ないことが望ましいとされている。水硬性硬化体において本発明のＥＶＡ系繊維を添加した場合、水硬性硬化体１００容積％に対し、０．０５〜０．５容積％が必要である。含有率が０．０５容積％未満の場合爆裂防止効果が少なくなり、逆に０．５容積％を超えると混練性が悪くなる。好ましくは０．０８〜０．２５容積％である。
【０００９】
従来の、コンクリート、モルタルなどの水硬性組成物を調製する際に爆裂防止用として添加されるポリビニルアルコール繊維（以下、ビニロン繊維と称す）が２００℃以上の高温で溶融しながら分解が開始するのに対し、本発明のＥＶＡ系繊維は、上記したようにエチレン含有量の制御により２００℃より低い融点を有する。したがってＥＶＡ系繊維が添加された水硬性硬化体が火災などによって加熱された場合、ビニロン繊維が添加された水硬性硬化体に比べてＥＶＡ系繊維が速やかに溶融・分解し、水蒸気の逃げ道となる微細トンネルをつくるので、ＥＶＡ系繊維を添加した水硬性硬化体はビニロン繊維を添加した水硬性硬化体に比べて、爆裂防止性に優れる。
【００１０】
また、本発明のＥＶＡ系繊維は水硬性硬化体のフレッシュミックスに繊維を添加するに際して、ビニロン繊維が親水性に富んだ繊維であることから水硬性硬化体のフレッシュミックスに添加すると流動性を損なうのに対し、ＥＶＡ系繊維はビニロン繊維に比べて疎水性であるので、ビニロン繊維よりも流動性に優れるといった特長を有する。
【００１１】
一方、ポリプロピレン繊維との比較においては、ポリプロピレン繊維は比重が０．９であることから、水硬性硬化体のフレッシュミックスにポリプロピレン繊維を添加した場合に表面に繊維が浮いて、フレッシュミックス中に繊維を均一に混合するのが難しいのに対し、ＥＶＡ系繊維は比重が１．２程度であることから、ＥＶＡ系繊維がフレッシュミックス中において均一な混合が容易であるという優位点を有する。繊維のフレッシュミックス中への均一な混合は、優れた爆裂防止性能を得るためには重要な要素である。
【００１２】
さらに本発明においては、繊維と水硬性硬化体との接着性についても考慮すべき重要な因子である。水硬性硬化体が火災などの急激な温度上昇を伴って加熱されることにより、空隙に存在する水分が気化して蒸気圧が増すときに、周辺のマトリックスにはこれを破壊しようとする応力が負荷される。繊維が水硬性硬化体中に存在しないとマトリックスは容易に破壊され、爆裂に至る。繊維が存在すると分断されようとするマトリックスに繊維よる架橋が形成され、マトリックスの破壊を防ごうとする。その後、さらなる温度上昇によって繊維が溶融・分解することにより水蒸気の逃げ道となる微細トンネルを形成し、爆裂防止が達成される。
【００１３】
従来よりビニロン繊維は水硬性硬化体との接着性に優れていることが知られており、これに対してポリプロピレン繊維は水硬性硬化体との接着性が低いことが知られている。
ビニロン繊維が添加された水硬性硬化体が火災などの急激な温度上昇を伴って加熱された場合、ビニロン繊維はマトリックスとの接着性が高いため、ビニロン繊維の存在により加熱時の水分の気化による蒸気圧の上昇に抗してマトリックスの破壊を防ごうとするが、さらなる温度および蒸気圧の上昇により繊維が溶融または分解する前に一旦マトリックスの破壊が生じると、繊維がマトリックスに固く固定されているために、かえって大きな爆裂に至る場合がある。
一方、ポリプロピレン繊維はマトリックスとの接着性が低く、繊維が溶融する前に繊維により形成される架橋が弱いので、加熱時の水分の気化による蒸気圧の上昇に抗しきれず、容易に爆裂に至る場合がある。
【００１４】
ＥＶＡ系繊維はビニロン繊維よりも水酸基が少ないことから水硬性硬化体との接着性はビニロン繊維よりも低いが、一方ではポリプロピレン繊維に比べて接着性は高く、すなわちマトリックスの破壊を防ぐための適度な接着性を有する。ＥＶＡ系繊維を添加した水硬性硬化体は火災などの急激な温度上昇を伴った加熱時において、加熱時の水分の気化による蒸気圧の上昇により分断しようとするマトリックスをＥＶＡ系繊維が溶融する前に架橋を形成し、さらに加熱されることにより２００℃以下の温度により速やかに溶融・分解し、水蒸気の逃げ道となる微細トンネルをつくる。したがって、ＥＶＡ系繊維は、加熱による蒸気圧の上昇時に、繊維が溶融する前の爆裂を防ぐためのマトリックス中での架橋形成と、さらなる温度上昇により繊維が溶融・分解することによる微細トンネルの生成が、ビニロン繊維やポリプロピレン繊維に比べてスムーズに進行するので、ビニロン繊維やポリプロピレン繊維に比べて優れた耐爆裂防止性能を有する。
【００１５】
さらに、繊維とマトリックスの接着性はセメント量の多い（砂が少ない）マトリックス、例えば高強度コンクリートや高強度モルタル等では小さく、セメント量の少ない（砂が多い）マトリックス、例えば普通コンクリートや普通モルタル等では大きいと一般的にいわれている。したがってセメントの多いマトリックスで適度な接着性を得ようとすれば、マトリックスとの接着性に優れたビニロン繊維が好適であり、一方セメント量の少ないマトリックスで適度な接着性を得ようとすれば、マトリックスとの接着性が低いポリプロピレン繊維が好適である。ＥＶＡ系繊維は上記したように、マトリックスとの接着性がビニロン繊維よりも低いが、ポリプロピレン繊維よりも高く、しかも共重合体中のエチレン含有量を制御することによって接着性を調整できるので、普通コンクリートや普通モルタル等から高強度コンクリートや高強度モルタル等まで幅広い物性のコンクリートやモルタル等の使用に適している。
なおここでいう、高強度コンクリート、高強度モルタルとは圧縮強度が６０ＭＰａ以上のコンクリート、モルタルのことであり、普通コンクリート、普通モルタルとは２０ＭＰａ以上６０ＭＰａ未満のコンクリート、モルタルのことである。
【００１６】
本発明のＥＶＡ系繊維を含有した水硬性硬化体は、従来のビニロン繊維やポリプロピレン繊維を含有した水硬性硬化体に比べ、普通コンクリート、普通モルタル等から高強度コンクリート、高強度モルタル等まで幅広い圧縮強度の水硬性硬化体において爆裂防止性能に優れており、建造物の床、壁、柱、梁などを構成するコンクリート部材として使用することができる。また手摺などの薄肉部材は表面積が大きいことから急激に温度上昇して爆裂しやすいので、従来のビニロン繊維やポリプロピレン繊維を用いた場合においては、耐爆裂性を付与することは容易ではないが、本発明のＥＶＡ系繊維を用いれば、薄肉部材においても耐爆裂性を付与することが可能となる。
【００１７】
【実施例】
以下に実施例を加えて詳細に説明するが、本発明は実施例により何等限定されるものではない。なお本発明における各繊維の物性および得られる水硬性硬化体の物性、耐爆裂性の評価は以下の方法により測定されたものを意味する。
【００１８】
［繊度 ｄｔｅｘ］
得られた繊維状物の一定試長の重量を測定して見掛け繊度をｎ＝５以上で測定し、平均値を求めた。なお、一定糸長の重量測定により繊度が測定できないものはバイブロスコープにより測定した。
【００１９】
［繊維強力 ｃＮ、強度 ｃＮ／ｄｔｅｘ、伸度 ％］
繊維を予め温度２０℃、相対湿度６５％の雰囲気下で２４時間放置して調湿した後、単繊維を試長１０cm、引張速度５cm／分としてインストロン試験機「島津製作所製オートグラフ」にて繊維強力を測定し、該強力を繊度で除して強度を求めた。伸度は、（単繊維破断（cm）／把持長（cm））×１００（％）により算出した。なお繊維長が１０cmより短い場合
は、そのサンプルの可能な範囲での最大長さを把持長として測定することとする。
【００２０】
［ＥＶＡ繊維の融点 ℃］
示差走査熱量計「メトラー社製ＴＡ３０００」により、以下の条件で測定して吸熱ピーク温度で示す。
測定条件：３０℃で３分間放置し、次いで２２０℃まで速度１０℃／分で昇温した。
【００２１】
［耐火試験供試体用コンクリートの調製］
普通ポルトランドセメント（太平洋セメント社製）、細骨材（川砂）、粗骨材（最大粒径２０mm）、高性能ＡＥ減水剤（ＳＰ）としてポゾリスＳＰ−８Ｎを使用した。１００リットルの２軸ミキサーを使用して、最初にセメントと砂を１分間混ぜ、次いで水を加えて２分間混練する。次いで繊維を加え１分間混練し、一度掻き落として再度１分間混練した。
次いで排出し切り返しを行い、再度２分間混練し、調製した。
【００２２】
［コンクリートのスランプ値 mm］
ＪＩＳ Ａ１１０１によるコンクリートのスランプ試験方法に準じて、コーン（上辺直径１０cm、下辺直径２０cm、高さ３０cm）にフレッシュコンクリートを所定の手順で満たし、且つコーンを引き上げ、崩れたフレッシュコンクリートを上辺部の下がりを測定した。
【００２３】
［耐火試験供試体用モルタルの調製］
普通ポルトランドセメント（太平洋セメント社製）、砕砂、高性能ＡＥ減水剤（ＳＰ）としてポゾリスＳＰ−８Ｎを使用した。３０リットルのオムニミキサーを使用して、最初に粉体を２分間混ぜ、次いで水を加え２分間混練する。次いで繊維を加え１分間混練し、一度掻き落として再度１分間混練し、調製した。
【００２４】
［モルタルのフロー値 mm］
練り混ぜたフレッシュモルタルを底面が直径１０cm、上面が直径７cm、高さ６cmの真鍮製のコーンに、鉄製円盤上で満たし、静かにコーンを抜き去り、次いでテーブルに１５回上下打撃を与えた時のモルタルの広がりをその直径（mm）で表示する。
【００２５】
［水硬性硬化体の圧縮強度 ＭＰａ］
コンクリートの場合は直径１０cm、高さ２０cm、モルタルの場合は直径５cm、高さ１０cmの円柱体を成形して試料とし、毎秒０．２５ＭＰａの増加速度で荷重をかけてＪＩＳ Ａ１１０８−１９９３に準じて測定した。
【００２６】
［耐爆裂性の評価］
下記式により爆裂した場合の試験体の残存率を求め、爆裂防止性を評価した。

【００２７】
［実施例１〜２、比較例１〜２］
繊維を添加しない場合の、圧縮強度が３０ＭＰａである普通コンクリートの基本配合をＬ−配合とし、一方、繊維を添加しない場合の圧縮強度が８０ＭＰａである高強度コンクリートの基本配合をＨ−配合とし、各々表１、表２に示す。さらにＬ−配合、Ｈ−配合に添加する繊維（使用繊維１と称す）を表３に示す。使用したＥＶＡ繊維のエチレン含有量は４４モル％（ケン化率９９％、融点１６５℃）のものを用いた。なお、ビニロン繊維は（株）クラレ製「ＲＥＣ１５」（繊維繊度１５ｄｔｅｘ×繊維長１２mm）を用いた。またポリプロピレン繊維はFibermesh社製「Fiberforce」（繊維繊度１５ｄｔｅｘ×繊維長１２mm）を用いた。
【００２８】
【表１】

【００２９】
【表２】

【００３０】
【表３】

【００３１】
表１、表２の配合に表３の使用繊維１を０．１〜０．３容積％添加したコンクリートを調製し、直径１０cm、高さ２０cmの円柱供試体用型枠にキャスティングし、各水準あたり４個作成した。そして作成した円柱供試体を２０℃、６５％ＲＨの部屋で２４時間気中養生し、直ちに脱型し、２０℃の水中に入れ２８日間水中養生した。その後各水準あたり４個のうち２個を水中より取り出し、５時間後に圧縮強度を測定したところ、Ｌ−配合の試験体はいずれも３０〜４０ＭＰａの範囲であり、一方Ｈ−配合の試験体はいずれも８０〜９０ＭＰａの範囲であった。また残りの各水準あたり２個については、爆裂試験を行うために、１０５℃の熱風乾燥機内で７日間乾燥した。乾燥後の水分率は約２％であった。
【００３２】
上記乾燥後のサンプルを横３ｍ、高さ１ｍ、奥行き５０cmであり、一方の壁面にＬＰＧバーナー火炎噴射口を上下に合計９個有する耐火煉瓦製加熱機にセットして加熱し、爆裂試験を実施した。耐火煉瓦製加熱機の加熱プログラムはＩＳＯ８３４に準拠し、加熱開始後１５分で７００℃に達し、加熱後３０分で８３０℃に到達するようにした。そして加熱温度が８３０℃に到達した後ガス供給を遮断し、室温になるまで冷却した。その後さらに自然冷却を約４時間行った後、各円柱試験体の爆裂試験後の耐爆裂性を評価した。その結果を表４に示す。なお、各試験体の中で、Ｌ−配合試験体の中の１水準の実施例１−２とＨ−配合試験体の中の１水準の実施例２−２は全く爆裂を示さなかったので、これらをそれぞれＬ−配合試験体およびＨ−配合試験体の爆裂試験後の基準重量とし、各試験体の爆裂試験後の重量を上記基準重量で除して爆裂後の残存率として算出した。なお繊維を添加していないＬ−配合試験体、Ｈ−配合試験体はそれぞれ参考例１、参考例２として表示した。表４からＥＶＡ繊維を添加した試験体は残存率が９８〜１００％であり、ビニロン繊維やポリプロピレン繊維を添加した試験体に比べて爆裂防止性能に優れていた。
【００３３】
また各試験体について、フレッシュコンクリートの流動性の度合いを示すスランプ値を測定し、測定結果を上記耐爆裂性能（残存率）と併せて表４に示した。繊維を添加しないコンクリートのスランプ値（参考例１、参考例２）と繊維を添加したコンクリートのスランプ値（実施例１〜２、比較例１〜２）を比較したところ、ＥＶＡ繊維を添加した試験体スランプ値はビニロン繊維やポリプロピレン繊維を添加した試験体のスランプ値に比べて、繊維を添加しないコンクリートのスランプ値に対する数値の低下が少なく、すなわちＥＶＡ繊維を添加した試験体はビニロン繊維やポリプロピレン繊維を添加した試験体に比べてスランプ値への影響が小さいことがわかった。
【００３４】
【表４】

【００３５】
［実施例３〜４、比較例３〜４］
上記Ｌ−配合、Ｈ−配合の場合と同様、繊維を添加しない場合の圧縮強度が３０ＭＰａである普通モルタルの基本配合をＬＭ−配合、一方繊維を添加しない場合の圧縮強度が７０ＭＰａである高強度モルタルの基本配合をＨＭ−配合とし、それぞれ表５、表６に示す。
そして上記ＬＭ−配合、ＨＭ−配合に添加する繊維（使用繊維２と称す）を表７に示す。
なお、使用繊維２は表３の使用繊維１の繊維長１２mmを６mmに変えたものである。
【００３６】
【表５】

【００３７】
【表６】

【００３８】
【表７】

【００３９】
表５、表６の配合に表７の使用繊維２を０．１〜０．３容積％添加したモルタルを調製し、直径５cm、高さ１０cmの円柱供試体用型枠にキャスティングし、各水準あたり４個作成した。そして作成した円柱供試体を２０℃、６５％ＲＨの部屋で２４時間気中養生し、直ちに脱型し、２０℃の水中に入れ２８日間水中養生した。その後各水準あたり４個のうち２個を水中より取り出し、５時間後に圧縮強度を測定したところ、ＬＭ−配合の試験体はいずれも３０〜４０ＭＰａの範囲であり、一方ＨＭ−配合の試験体はいずれも６０〜７０ＭＰａの範囲であった。また残りの各水準あたり２個については、爆裂試験を行うために、１０５℃の熱風乾燥機内で７日間乾燥した。乾燥後の水分率は約２％であった。
【００４０】
上記乾燥後のサンプルを横３ｍ、高さ１ｍ、奥行き５０cmであり、一方の壁面にＬＰＧバーナー火炎噴射口を上下に合計９個有する耐火煉瓦製加熱機にセットして加熱し、爆裂試験を実施した。耐火煉瓦製加熱機の加熱プログラムはＩＳＯ８３４に準拠し、加熱開始後１５分で７００℃に達し、加熱後３０分で８３０℃に到達するようにした。そして加熱温度が８３０℃に到達した後ガス供給を遮断し、室温になるまで冷却した。その後さらに自然冷却を約４時間行った後、円柱試験体の爆裂試験後の耐爆裂性を評価した。その結果を表８に示す。なお、各試験体の中で、ＬＭ−配合試験体の中の２水準の実施例３−１、３−２とＨＭ−配合試験体の中の１水準の実施例４−２は全く爆裂を示さなかったので、これらをそれぞれＬＭ−配合試験体およびＨＭ−配合試験体の爆裂試験後の基準重量とした。ただし、ＬＭ−配合の場合においては、上記したように２水準が全く爆裂を示さなかったので、２水準の重量の平均値を使用した。そして各試験体の爆裂試験後の重量を上記基準重量で除して爆裂後の残存率として算出した。なお繊維を添加していないＬＭ−配合試験体、ＨＭ−配合試験体はそれぞれ参考例３、参考例４として表示した。表８からＥＶＡ繊維を添加した試験体は残存率が９７〜１００％であり、ビニロン繊維やポリプロピレン繊維を添加した試験体に比べて爆裂防止性能に優れていた。
【００４１】
また各試験体について、フレッシュモルタルの流動性の度合いを示すフロー値を測定し、測定結果を上記耐爆裂性能（残存率）と併せて表８に示した。繊維を添加しないモルタルのフロー値（参考例３、参考例４）と繊維を添加したモルタル（実施例３〜４、比較例３〜４）のフロー値を比較したところ、ＥＶＡ繊維を添加した試験体のフロー値はビニロン繊維やポリプロピレン繊維を添加した試験体のフロー値に比べて、繊維を添加しないモルタルのフロー値に対する数値の低下が少なく、すなわちＥＶＡ繊維を添加した試験体はビニロン繊維やポリプロピレン繊維を添加した試験体に比べてフロー値への影響が小さいことがわかった。
【００４２】
【表８】

【００４３】
［実施例５：薄板での爆裂試験］
表５のモルタル配合（ＬＭ−配合）に表９に示す使用繊維３を０．１〜０．２容積％添加し、縦５０cm、横５０cm、厚さ５cmの平板を作成し、水中養生２８日、気中養生２８日後１０５℃で乾燥し、水分率２％に調製した後、爆裂試験を行った。試験結果を表１０に示す。表１０の結果から、従来提案されているビニロン繊維、ポリプロピレン繊維を添加した薄肉のモルタル板では爆裂を防止することが困難であったが、ＥＶＡ繊維を添加した薄肉のモルタル板では爆裂を防止することが可能であった。
【００４４】
【表９】

【００４５】
【表１０】

【００４６】
【発明の効果】
本発明の、ＥＶＡ系繊維を添加した水硬性硬化体は、従来のビニロン繊維やポリプロピレン繊維を添加した水硬性硬化体に比べて優れた爆裂防止効果を得ることができる。さらには、普通コンクリート、普通モルタルから高強度コンクリート、高強度モルタルに至る広範囲のコンクリート部材の爆裂防止が可能となる。また薄肉部材においても優れた耐爆裂性を付与することが可能となる。

Claims (1)

1. エチレン含有量が２５〜７０モル％であるエチレンービニルアルコール系共重合体を成分とする繊維が含有されてなり、かつ該繊維が下記（１）〜（３）を満足してなる耐爆裂性水硬性硬化体。
   （１）繊維繊度が１〜１００ｄｔｅｘであること、
   （２）繊維長さが１〜３０ｍｍであること、
   （３）水硬性硬化体１００容積％に対し、０．０５〜０．５容積％含有されてなること。