JP4486400B2 - 高靭性ｆｒｃ材料の製造法 - Google Patents

Description

本発明は，引張試験（材齢２８日）において１％以上の引張ひずみを示すクラック分散型の繊維補強セメント複合材料（高靭性ＦＲＣ材料）を生コン工場で製造する方法に関す
る。

短繊維を配合してコンクリートまたはモルタルを練混ぜ，その短繊維を３次元ランダム配向させることにより，引張および曲げ強度を向上させるＦＲＣ材料が普及している。このようなＦＲＣ材料の分野において，補強繊維として適切なＰＶＡ（ポリビニールアルコール）の短繊維（ビニロン短繊維）を使用し，これを適切なセメント系調合材料に配合し
てなるクラック分散型の繊維補強セメント複合材料が最近開発された。

このクラック分散型の繊維補強セメント複合材料は，特許文献１に記載されているように，配合するＰＶＡ短繊維の強度，寸法および配合量と，セメント系マトリックスの材料配合とを適切に組み合わせることによって，硬化体に初期クラックが生じても，そのクラックに架橋した繊維が引張張力を負担し，その間に別の箇所でクラックが生じ，そのクラックが架橋繊維で伝播が防止されている間に次のクラックが発生するという具合に，繊維で架橋された微細なクラックが順次発生するというメカニズムによって，みかけ上は非常に大きな引張ひずみが生じても（曲げ変形が生じても）荷重に耐えることができるものである。本明細書では，このようなクラック分散型のＰＶＡ補強セメント複合材料を「高靭
性ＦＲＣ材料」と称する。
特開平２０００−７３９５号公報

前記のような高靭性ＦＲＣ材料において，材齢２８日の硬化体の引張試験において引張ひずみが１％以上を示すには，ＰＶＡ短繊維がセメント系調合材料中に均一に分散された状態で混合されることが必要である。しかし，攪拌羽根をもついわゆる機械的な掻き混ぜ方式では均一分散するのに限界があるので，これまで，オムニミキサーの如く，攪拌羽根を持たないで拡散混練する方式のものが使用されてきた。そして，このような特殊ミキサーで製造された高靭性ＦＲＣ材料では，引張ひずみ１％以上を示すことも確認されている
。

一方，この高靭性ＦＲＣ材料を大規模工事に適用するには，市中のレディーミクストコンクリート工場（本明細書では「生コン工場」という）で製造することが不可欠である。しかし，生コン工場で使用されているミキサーは一般に強制二軸練りコンクリートミキサー（強制二軸式ミキサー）であり，このミキサーの通常の操業では，オムニミキサーのよ
うに引張ひずみ１％以上を示す高靭性ＦＲＣ材料を製造することは困難である。

すなわち，強制二軸練りミキサーで大量に高靭性ＦＲＣ材料を製造しようとした場合，ＰＶＡ短繊維がダマ（ファイバーボール）となったり粉体材料が塊となって偏在し，均一に分散しない状態が起きやすく，さらには生コン工場から打設現場にアジテータ車で搬送する過程でもファイバーボールの発生等の現象が起きるので，せっかくの高靭性ＦＲＣ材
料であっても，これを大規模工事に適用することはできなかった。

したがって本発明はこの問題を解決すること，すなわち高靭性ＦＲＣ材料を生コン工場
で生産し現場搬送できる技術の確立を課題としたものである。

本発明によれば，セメント系調合材料にＰＶＡ短繊維を配合してなり，引張試験（材齢２８日）において１％以上の引張ひずみを示すクラック分散型の高靭性ＦＲＣ材料の硬化体を現場打設によって製造するにあたり，該セメント系調合材料にＰＶＡ短繊維を配合する混練装置として強制二軸練りミキサーを使用して一次混練物を製造し，この一次混練物を打設現場に搬送し，打設現場に設置のミキサーに該一次混練物を投入して攪拌し，この攪拌された二次混練物を現場打設することを特徴とする高靭性ＦＲＣ材料の製造法を提供する。そのさい，一次混練物は生コン工場の強制二軸練りミキサーで製造されたあとアジテータ車に搭載され，搭載された一次混練物がアジテータ回転停止状態で打設現場に搬送され，次いで，打設現場において前者より小型の強制二軸練りミキサーで再攪拌され二次
混練物にされる。

本発明は生コン工場で一般に使用されている強制二軸練りミキサーを用いて高靭性ＦＲＣ材料を製造する点に特徴があり，この場合，得られる高靭性ＦＲＣ材料は材齢２８日の硬化体の引張試験において引張ひずみが１％以上を示すものを目標としている。この目標が達成できなければ，せっかくの高靭性ＦＲＣ材料の製造の意味が失われるからである。本発明者らの試験によると，この目標を強制二軸練りミキサーで達成することは必ずしも容易ではなく，このためには，材料配合と練混ぜ手順に特別の配慮が必要であることがわ
かった。

本発明において，高靭性ＦＲＣ材料を得るための材料配合としては，基本的には特許文献１に記載されたものが適用されるが，これに加えて，各種の混和材，混和剤，骨材成分等を配合する。すなわち，基本的には，下記〔Ｍ１〕の条件を満たすセメント調合材料に，下記〔Ｆ１〕の条件を満たすＰＶＡ短繊維（ビニロン繊維）を１〜３vol.％（重量換算
では１３〜３９Ｋｇ／ｍ³）の配合量で配合する。
〔Ｍ１〕（セメント系調合材料）
水結合材比：２５％以上
骨材成分と結合材の重量比：１.５以下（０を含む）
単位水量：２５０〜４５０Ｋｇ／ｍ³
高性能ＡＥ減水剤：３０Ｋｇ／ｍ³未満
〔Ｆ１〕（ビニロン繊維）
繊維径：５０μｍ以下
繊維長：５〜２０ｍｍ
繊維引張強度：１５００〜２４００ＭＰａ

ここで，Ｍ１のセメント系調合材料のうち，結合材としては，普通ポルトランドセメントを使用することができ，この普通ポルトランドセメントに加えてシリカ系粉末（人工ポゾラン）を使用することができる。シリカ系粉末としては，シリカフューム，フライアッシュ，各種スラグ粉などが適用できる。したがって，前記Ｍ１において，水結合材比≧２５％，骨材成分と結合材の重量比≦１.５と規定する「結合材」は，シリカ系粉末を含む
場合には「ポルトランドセメント＋シリカ系粉末」を意味する。

骨材成分としては，最大粒径０.８ｍｍの細粒体を使用するのが好ましく，とくに平均粒径が０.４ｍｍ以下のものがよい。この条件を満たす細粒体であれば硅砂や石灰石粉等の任意のものを骨材成分として使用できる。この細粒体と結合材との重量比（Ｓ／Ｃ）が
１.５以下となるようにこれらを配合するのがよい。

混和剤としては，高性能ＡＥ減水剤，増粘剤，収縮低減剤などが使用でき，このうち，高性能ＡＥ減水剤と増粘剤の使用は本発明において重要である。高性能ＡＥ減水剤としては，ポリカルボン酸系，ポリエーテル系，ナフタレン系，メラミン系，アミノスルホン酸系等のものが使用できる。この中でもポリカルボン酸系またはポリエーテル系のものが好ましい。増粘剤としてはコンクリート用増粘剤として公知の水溶性高分子系のものが使用できるが，とくに微生物醗酵によるバイオサッカライド系の増粘剤例えばウエランガムやデュータンガム等を使用することが好ましい。このようなバイオポリマーを使用する場合には，その添加量としては，単位水量に対して０.０１〜１０％程度（単位重量としては０.０４〜４０Ｋｇ／ｍ³程度）を配合すればよい。市場で入手し得るウエランガムとして例えばデュータンＫＴ（三晶株式会社製）があり，これを使用する場合には２０Ｋｇ／
ｍ³程度を配合すればよい。また，収縮低減剤や膨張材も必要に応じて使用できる。

〔Ｆ１〕の条件を満たすＰＶＡ（ビニロン）短繊維としては，ポリビニールアルコール樹脂を原料として製造されたコンクリートと同等以上の弾性係数を有する短繊維であるのが好ましく，代表的なものとして，引張強度が１６００Ｎ／ｍｍ²級，弾性係数（ヤング率）が４００００（４.０×１０⁴）Ｎ／ｍｍ²級で，比重が約 1.3で形状が０.０４ｍｍφ×１２ｍｍの公知のもの（株式会社クラレ製）が使用できる。ビニロン短繊維の配合量が１vol.％未満ではクラック発生後の耐力が十分ではない。他方，ビニロン短繊維の配合量が３.０vol.％を超えるような多量となると，施工上必要な流動性を満たすことが困難なる。単位重量でのビニロン繊維の配合量としては１３〜３９Ｋｇ／ｍ³の範囲とすれ
ばよい。

〔Ｍ１〕の条件を満たすセメント系調合材料と〔Ｆ１〕の条件を満たすＰＶＡ短繊維とを強制二軸練りミキサーを用いて混練する場合には，下記(1) 〜(4) および(5) の手順を経て練り混ぜた場合に，目標とする引張ひずみ１％以上のクラック分散型の高靭性ＦＲＣ
材料が得られることがわかった。
(1) 結合材，骨材成分および配合水の一部を練り混ぜる。
(2) 高性能ＡＥ減水剤および配合水の残部を添加して練り混ぜ，Ｊ１４ロート流下時間が
５〜３０秒の流動物とする。
(3) 増粘剤を添加して練り混ぜる。
(4) ＰＶＡ短繊維を添加して練り混ぜる。
さらに，必要に応じて，
(5) 高性能ＡＥ減水剤を添加して練り混ぜる。

すなわち，強制二軸練りコンクリートミキサーに，まず(1) 結合材，骨材成分および配合水の一部を投入して練り混ぜる。この場合，結合材および膨張材などの粉体成分を該ミキサーに全量投入し配合水の一部（例えば２／３程度）を添加して混練するのがよい。ついで，(2) 高性能ＡＥ減水剤および配合水の残部を添加して練り混ぜ，Ｊ１４ロート流下
時間が５〜３０秒の流動体とする。

この手順(2) においては，高性能ＡＥ減水剤の目標添加量の一部を使用し，残部は以後
の手順(5) で添加することができる。このように高性能ＡＥ減水剤を手順(2) と手順(5)
で分割添加する場合，手順(2) ではその２／３程度を添加し，手順(5) では残部とするのがよく，しかも，手順(2) の段階では，先ず配合水の残部を添加して所定の時間練り混ぜてから，分割された高性能ＡＥ減水剤を添加して練り混ぜるのが好ましい。いずれにしても，手順(2) ではＪ１４ロート試験において，流下時間が５〜３０秒を示すような流動性の良い混練物とすることが肝要である。すなわち，増粘剤およびＰＶＡ短繊維を添加する前の段階においては，粉体の全体が均一に混練物中に分散しており（乾いた粉状のものが
偏在していない），ロート中をゆっくり流れるような流動性を示すことが必要である。

この条件が満たされると，増粘剤およびＰＶＡ短繊維を添加して混練すれば，繊維が均一に分散した混練物を得ることができる。しかし，増粘剤を添加して混練したあと繊維を添加して混練することがより好ましく，この順序が逆の場合には）すなわち繊維を添加して混練したあと増粘剤を添加して混練すると），繊維の分散性が前者より若干劣るようになる。したがって，まず手順(3) により増粘剤を添加して練り混ぜ，ついで，手順(4) に
よりＰＶＡ短繊維を添加して練り混ぜることが好ましい。

最後に，流動性の調整のために高性能ＡＥ減水剤を投入して練り混ぜる手順(5) を採用することが好ましく，これにより，スランプフロー３００〜７００ｍｍの範囲で，その流
動性を自由に調整できる。

以上の手順により，強制二軸練りミキサーを用いても高靭性ＦＲＣ材料を製造することが可能となり，いわゆる生コン工場で高靭性ＦＲＣ材料を練り混ぜ，これを打設現場に搬送して打設するという通常のコンクリート工事と同様な生産体制を構築が可能となる。しかしながら，これをアジテータ車で搬送する過程で変質することも考えられ，この点が明
らかにされないと，実際の施工ができない。

この点について，種々の試験を行ったが，アジテータ車に高靭性ＦＲＣ材料の混練品を搭載してアジテータを回転しながら搬送すると，せっかく均一にＰＶＡ短繊維が分散した高靭性ＦＲＣ材料混練品であっても，搬送時間が長くなるにつれて，ファイバーボールの発生を見るようになることを知った。しかし，アジテータ車に高靭性ＦＲＣ材料の混練品を搭載した場合にあっても，アジテータの回転を休止して，場合によっては回転数を出来るだけ落として搬送する場合には，強制二軸練りミキサーでの練り混ぜ直後の性状がほぼ維持され，これを打設すれば，引張ひずみ１％以上を示すクラック分散型の硬化体が得ら
れる可能性があることがわかった。

したがって，本発明従って生コン工場で製造された高靭性ＦＲＣ材料の混練品（これを「一次混練物」という）をアジテータ車に搭載して打設現場に搬送するさいには，該アジテータ車のアジテータの回転を停止するか，または可能な限り回転速度を落とした状態で打設現場に搬送することが肝要である。本発明においてアジテータの回転停止状態とはこの状態すなわち「アジテータの回転を停止するかまたは可能な限り回転速度を落とした状
態」を言う。

ところが，比較的長時間にわたって例えば１時間もしくはそれ以上の間，回転されないままアジテータ車で搬送されると，そのバッチ内で材料特性にバラツキが発生して安定した品質を確保する上で問題となり，特に高靭性ＦＲＣ材料の特徴である引張ひずみのばらつきが大きくなることがわかった。これは目視では確認できない程度ではあるが，繊維どうしの絡み合いが微視的に生ずるためであると考えられる。このバラツキを解消するには，コンクリートミキサーで再び掻き混ぜればよいことが判明した。この再攪拌された混練
物を本明細書では「二次混練物」と言う。

すなわち，生コン工場の強制二軸練りミキサーで製造された高靭性ＦＲＣ材料の一次混練物をアジテータ車に搭載して現場に搬送するが，そのさい，アジテータ回転停止状態で打設現場に搬送し，打設現場に設置のミキサー（強制二軸練りミキサーであってもよい）に当該混練物をそのまま投入して所定の時間再攪拌すると，バラツキの少ない高靭性ＦＲＣ材料の二次混練物を得ることができる。したがって，この再攪拌したものを現場打設す
れば，クラック分散型の高靭性ＦＲＣ材料を備えた構造物を構築できる。

〔実施例１〕
市中生コン工場の容量２.５ｍ³の強制二軸練りコンクリートミキサーを使用し，表１に示したセメント調合材料とＰＶＡ短繊維を，表２に示す配合のもとで，図１に示した手
順で混練し，一次混練物を得た。図１に示した手順（ａ＋ｂ）が本文に記載した手順(1)
に相当し，また（ｃ＋ｄ）が手順(2) に，（ｅ）が手順(3) に，（ｆ）が手順(4) に，そ
して（ｇ）が手順(5) に相当している。

得られた混練物をアジテータ車に積み込み，表３にその条件を示したように，アジテータを回転させて運搬した場合（Ｎo.１および２）と，回転させないで運搬した場合（Ｎo.３および４）とに分けて，所定の運搬時間後にサンプリングし，スランプフローおよび空気量を計測すると共に，圧縮強度，引張強度および引張ひずみを測定するための試験体を作製し，材齢２８日でのこれらの試験を行なった。それらのを表３に記載した。なお表３における繊維の分散性と粉体の分散性は目視観察し，その良否を次の基準で３段階評価し
たものである。

繊維の分散状況：
×印：ファイバーボールが多く，繊維が全く分散していない状況。
△印：目視では確認できないものの，触れることによりファイバーボールが確認できる状
況。
○印：目視及び触れた場合でもファイバーボールが確認されず，繊維が均一に分散できて
いると判断された状況。
粉体の分散状況：
×印：粉体のだま（塊）が多く，分散が非常に悪い状況。
△印：目視では確認できないものの，触れることにより粉体の塊が点在していることが確
認できる状況。
○印：目視及び触れた場合でも粉体の塊が確認されず，粉体が均一に分散できていると判
断された状況。

表３の結果に見られるように，アジテータの回転を行った場合には，回転時間の経過と共に粉体の分散性が悪くなり，練り上がり直後に有していた良好な高靭性ＦＲＣ材料の性質が劣化した。例えば回転を９０分続けたＮo.２ではファイバーボールの発生も見られ，空気量の低下も観測され，材齢２８日での引張ひずみは０.８％にまで低下した。他方，アジテータの回転を行わない場合は，練り上がり直後に有していた良好な高靭性ＦＲＣ材料の性質は，例えばＮo.４のように９０分経過後も殆んど変化なく維持しており，これを
現場打設用に使用することにより，高品質の高靭性ＦＲＣ硬化体を得ることができる。

〔実施例２〕
実施例１と同じ市中生コン工場の容量２.５ｍ³の強制二軸練りコンクリートミキサーを使用し，実施例１と同様に表１に示したセメント調合材料とＰＶＡ短繊維を表２に示す
配合のもとで図１に示した手順で混練し，一次混練物を得た。

得られた一次混練物をアジテータ車に積み込み，アジテータを回転させないで（回転を停止した状態で）９０分間搬送した。次いで，アデタータから内容物を容量１００Ｌの強制二軸練りミキサーに投入して再攪拌し，二次混練物を得た。各混練物からサンプリングしてスランプフローおよび空気量を計測すると共に，圧縮強度，引張強度および引張ひずみを測定するための試験体を作製し，材齢２８日でのこれらの試験を行なった。そのさい，引張強度および引張ひずみの試験体を各ケースともランダムに１２本づつ作製し，引張ひずみの測定値についてはその１２個の測定値の平均値を算出すると共に，これらバラツキを標準偏差（％）および変動係数（％）で表記し，それらの結果を表４に示した。表４において，Ｎo.１は一次混練物の練上がり直後のもの，Ｎo.２はアジテータ非回転で９０分搬送した直後のもの，Ｎo.３〜６はアジテータ非回転で９０分搬送後の再攪拌時間を変
えて得た二次混練物のものである。

表４の結果に見られるように，アジテータ非回転で９０分搬送後では（Ｎo.２），変動係数が５０％以上であり，バラツキの大きなものとなった。このバラツキは小型の強制二軸練りミキサーで再攪拌することにより小さくなり，その攪拌時間を３０秒以上とすれば
（Ｎo.４，５，６），変動係数で３０％程度まで小さくなることがわかる。

強制二軸練りミキサーで高靭性ＦＲＣ材料を練り混ぜたさいの手順を示す図である。

Claims (2)

1. セメント系調合材料にＰＶＡ短繊維を配合してなるＦＲＣ材料であって引張試験（材齢２８日）において１％以上の引張ひずみを示すクラック分散型の高靭性ＦＲＣ材料の硬化体を現場打設によって製造するにあたり，該セメント系調合材料にＰＶＡ短繊維を配合する混練装置として強制二軸練りミキサーを使用して一次混練物を製造し，この一次混練物を打設現場に搬送し，打設現場に設置のミキサーに該一次混練物を投入して攪拌し，この
   攪拌された二次混練物を現場打設することを特徴とする高靭性ＦＲＣ材料の製造法。
2. 一次混練物は生コン工場の強制二軸練りミキサーで製造されたあとアジテータ車に搭載され，搭載された一次混練物がアジテータ回転停止状態で打設現場に搬送され，次いで，打設現場において前者より小型の強制二軸練りミキサーで再攪拌され二次混練物にされる
   請求項１に記載の高靭性ＦＲＣ材料の製造法。

Images