JP4980392B2 - 繊維強化セメントモルタル - Google Patents
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Description
セメントモルタル中に補強繊維を配合して成る繊維強化セメントモルタルに関する。
既知のセメントモルタルにポリエチレン、ビニロン等から成る補強繊維（短繊維）をばらの状態で配合した繊維強化セメントモルタルは、引張強度と曲げ強度の何れにおいても相当程度の改善が認められている。
又上記繊維強化セメントモルタルの水セメント比（Ｗ／Ｃ％）が４０〜６０％の富加水であるのに対し、該水セメント比（Ｗ／Ｃ％）を１５〜２５％の貧加水にして、上記強度の向上を図った超高強度と呼称される繊維強化セメントモルタルが既知である。
何れにしてもセメントモルタル中に補強繊維を配合すると、セメントモルタルの強度を増長できることが実証されている。
本発明はセメントモルタルに配合する補強繊維が果たす強化繊維機能を著しく高めた繊維強化セメントモルタルを提供する。
即ち、上記超高強度繊維強化セメントモルタルの微細ひび割れから破壊に至る迄の伸び長、即ち破壊に至る前の強度に影響が少ない浅く微細なひび割れ（幅０〜０．０１ｍｍ程度のひび割れ）の生成状態を維持する伸び長を大幅に増長した繊維強化セメントモルタルの提供を目的としている。
本発明はセメントモルタル中に補強繊維としてばらの短繊維と、多数本の短直状の短繊維を直線に引き揃えて束にし、或いは捩りを与えて束にし、該束の周面に結束繊維をスパイラル状に巻装し融着することによって形成した収束繊維とを配合し、該ばらの短繊維と収束繊維の相乗効果により上記モルタル強度を大幅に向上した繊維強化セメントモルタルを提供する。
一具体例として、上記ばらの短繊維は長さ６〜１２ｍｍ、同直径０．００６〜０．０５ｍｍの範囲で選択し、上記収束繊維は長さ９〜２５ｍｍ、同直径０．５〜３ｍｍの範囲で選択し、又収束繊維を形成する短繊維の直径は０．００６〜０．０５ｍｍ、本数は２００〜５０００本の範囲で選択する。
上記ばらの短繊維と収束繊維の相対配合比（重量比）は１〜６（ばらの短繊維）：１〜６（収束繊維）の範囲で選択する。好ましい相対配合比は略１：１である。
又上記ばらの短繊維と収束繊維のセメントモルタル（補強繊維以外の全ての配合材を含むモルタル）１立方メートル当たりの配合量は略１〜４ｖｏｌ％の範囲で選択する。好ましい配合量は２〜３ｖｏｌ％である。
本発明に係る繊維強化セメントモルタルはセメントモルタル中に補強繊維として配合したばらの短繊維と収束繊維とが協働して、前記微細ひび割れが生じ破断に至る迄の伸び長、即ち強度に影響が少ない浅く微細なひび割れ発生を維持する伸び長（ひずみ量）を大幅に増大し、橋梁等のコンクリート構築物の補修用繊維強化セメントモルタルとして、鉄筋コンクリートと同程度の比類のない補修強度が期待できる。
前記の通り、ばらの短繊維単独では引張に対する抗張力に限界があり、早期に微細なひび割れから破壊に至る。本発明においては、ばらの短繊維と収束繊維が協働して微細ひび割れの発生を抑制しつつ、ばらの短繊維が切断に至る曲げ荷重が加わった場合でも、収束繊維の高い抗張力により微細なひび割れが拡大して大きなひび割れを生成し破壊に至るまでの時間を大幅に遅延することができる。
即ち、微細なひび割れ発生状態を長く維持し、微細ひび割れから破壊に至る伸び長（ひずみ量）を大幅に増大することができる。
以下本発明を実施するための形態を図１乃至図４に基づいて説明する。
本発明は図３に示すように、セメントモルタル８中に補強繊維としてばらの短繊維５ａと、短繊維５ｂを収束して成る収束繊維６とを配合し、該ばらの短繊維５ａと収束繊維６の相乗効果により上記モルタル強度を大幅に向上した繊維強化セメントモルタルの提供を目的としている。
本発明は図３に示すように、セメントモルタル８中に補強繊維としてばらの短繊維５ａと、短繊維５ｂを収束して成る収束繊維６とを配合し、該ばらの短繊維５ａと収束繊維６の相乗効果により上記モルタル強度を大幅に向上した繊維強化セメントモルタルの提供を目的としている。
上記補強繊維としての短繊維５ａ，５ｂと結束繊維７とは、ポリエチレン繊維、ビニロン繊維の他、カーボン繊維、アラミド繊維、ザイロン繊維、ダイニーマ繊維が使用される。
上記ダイニーマは東洋紡績株式会社（大阪市北区堂島浜二丁目２番８号）の商標であり、このダイニーマは超高分子量ポリエチレンでできており、超高強力、高弾性率を有し、軽く、耐疲労性と、耐衝撃性と、耐光性等に優れ、繊維強化セメントモルタルに配合する補強繊維として適材である。
又上記ザイロンは同じ東洋紡績株式会社のポリパラフェニレンベンズオキサゾール（ＰＢＯ）繊維の商標であり、同繊維はポリベンズアゾール系ポリマーであり、剛直で極めて直線性の高い分子構造を持つ繊維であり、引張強度、耐衝撃特性と耐光性等に富み、繊維強化セメントモルタルに配合する補強繊維として適材である。
上記ポリエチレン繊維、ビニロン繊維の他、カーボン繊維、アラミド繊維、ザイロン繊維、ダイニーマ繊維等の繊維は互いに組み合わせて用いることができる。
図２Ａに示すように、上記ばらの短繊維５ａの長さＬ１は６〜１２ｍｍ、同直径Ｒ１は０．００６〜０．０５ｍｍの範囲で夫々選択する。
他方、上記収束繊維６の長さＬ２は９〜２５ｍｍ、同直径Ｒ２は０．５〜３ｍｍの範囲で選択し、収束繊維６を形成する短繊維５ｂの直径は０．００６〜０．０５ｍｍ、同本数は２００〜５０００本の範囲で選択する。上記直径Ｒ２は短繊維５ｂの本数によって定まる。
又上記ばらの短繊維５ａと収束繊維６の相対長は略１：１〜４となるように上記長さの範囲で選択する。好ましくは繊維長９ｍｍのばらの短繊維５ａを選択するとき、同１２ｍｍの収束繊維６を選択し、同様に繊維長１２ｍｍのばらの短繊維５ａを選択するとき、同１５ｍｍの収束繊維６を選択するというように、相対長が短い短繊維５ａと該短繊維５ａより相対長が長い収束繊維６とを混ぜてセメントモルタル８（繊維５ａ，６以外の全ての配合材を含むモルタル）中に１〜４ｖｏｌ％配合する。好ましい配合量は２〜３ｖｏｌ％である。
更に好ましくは収束繊維６の長さが短繊維５ａの長さに対し２〜５ｍｍ程度長いものを用い、短繊維５ａの破断後のひび割れ拡大に対する耐力を発揮せしめる。
上記ばらの短繊維５ａと収束繊維６の相対配合比（重量比）は１〜６：１〜６の範囲で選択する。好ましい相対配合比は略１：１である。
図２Ｂは上記収束繊維６の収束手段を例示しており、図示のように多数本の短直状の短繊維５ｂを直線に引き揃えて束にし、或いは捩りを与えて束にし、該束の周面に結束繊維７をスパイラル状に巻装し融着することによって収束繊維６を形成する。
又図２Ｃに示すように、上記収束繊維６を波形に付形した波形収束繊維６を用いセメントモルタル８との結合効果を向上することができる。
上記スパイラル状に巻装した結束繊維７とばらの短繊維５ａと収束繊維６を形成する短繊維５ｂとは、同じ材質で同じ直径０．００６〜０．０５ｍｍの繊維を用いる。但し本発明は結束繊維７とばらの短繊維５ａと収束繊維６を形成する短繊維５ｂの夫々を異材質、異径のもので構成する場合を含む。
本発明は下記の実施例１乃至３に従い実施できる。
＜実施例１・・・繊維量１.０ｖｏｌ％＞
繊維強化モルタル１立方メートル当たりの配合量
水・・・・・・・・・・・・・・・・２５６．８ ｋｇ
ポルトランドセメント・・・・・・１３４２．４ ｋｇ
膨張剤・・・・・・・・・・・・・・・２０．０ ｋｇ
珪砂・・・・・・・・・・・・・・・４６６．３ ｋｇ
シリカフューム・・・・・・・・・・２０４．４ ｋｇ
高性能減水剤・・・・・・・・・・・・１３．６ ｋｇ
起泡剤・・・・・・・・・・・・・・・・０．５４３ｋｇ
ばらの短繊維（ｅｘダイニーマ）・・・・８．３２７ｋｇ
（長さ６〜１２ｍｍ、直径０．００６〜０．０５ｍｍ）
収束繊維（ｅｘダイニーマ）・・・・・・１．３８８ｋｇ
（長さ９〜２５ｍｍ、直径０．５〜３ｍｍ）
繊維強化モルタル１立方メートル当たりの配合量
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ばらの短繊維（ｅｘダイニーマ）・・・・８．３２７ｋｇ
（長さ６〜１２ｍｍ、直径０．００６〜０．０５ｍｍ）
収束繊維（ｅｘダイニーマ）・・・・・・１．３８８ｋｇ
（長さ９〜２５ｍｍ、直径０．５〜３ｍｍ）
＜実施例２・・・繊維量２.５ｖｏｌ％＞
水・・・・・・・・・・・・・・・・３２４．６ ｋｇ
ポルトランドセメント・・・・・・１３６８．４ ｋｇ
珪砂・・・・・・・・・・・・・・・２７３．７ ｋｇ
シリカフューム・・・・・・・・・・２４１．４ ｋｇ
高性能減水剤・・・・・・・・・・・・・８．０４６ｋｇ
抑泡剤・・・・・・・・・・・・・・・・０．６５７ｋｇ
ばらの短繊維（ｅｘダイニーマ）・・・１２．１４４ｋｇ
（長さ６〜１２ｍｍ、直径０．００６〜０．０５ｍｍ）
収束繊維（ｅｘダイニーマ）・・・・・１２．１４４ｋｇ
（長さ９〜２５ｍｍ、直径０．５〜３ｍｍ）
水・・・・・・・・・・・・・・・・３２４．６ ｋｇ
ポルトランドセメント・・・・・・１３６８．４ ｋｇ
珪砂・・・・・・・・・・・・・・・２７３．７ ｋｇ
シリカフューム・・・・・・・・・・２４１．４ ｋｇ
高性能減水剤・・・・・・・・・・・・・８．０４６ｋｇ
抑泡剤・・・・・・・・・・・・・・・・０．６５７ｋｇ
ばらの短繊維（ｅｘダイニーマ）・・・１２．１４４ｋｇ
（長さ６〜１２ｍｍ、直径０．００６〜０．０５ｍｍ）
収束繊維（ｅｘダイニーマ）・・・・・１２．１４４ｋｇ
（長さ９〜２５ｍｍ、直径０．５〜３ｍｍ）
＜実施例３・・・繊維量４.０ｖｏｌ％＞
繊維強化モルタル１立方メートル当たりの配合量
水・・・・・・・・・・・・・・・・３９３．４ ｋｇ
ポルトランドセメント・・・・・・１３６７．７ ｋｇ
膨張剤・・・・・・・・・・・・・・・２０．０ ｋｇ
珪砂・・・・・・・・・・・・・・・１２９．３ ｋｇ
シリカフューム・・・・・・・・・・２０８．１ ｋｇ
高性能減水剤・・・・・・・・・・・・１３．９ ｋｇ
起泡剤・・・・・・・・・・・・・・・・０．８２５ｋｇ
ばらの短繊維（ｅｘダイニーマ）・・・・９．７ ｋｇ
（長さ６〜１２ｍｍ、直径０．００６〜０．０５ｍｍ）
収束繊維（ｅｘダイニーマ）・・・・・２９．１ ｋｇ
（長さ９〜２５ｍｍ、直径０．５〜３ｍｍ）
繊維強化モルタル１立方メートル当たりの配合量
水・・・・・・・・・・・・・・・・３９３．４ ｋｇ
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起泡剤・・・・・・・・・・・・・・・・０．８２５ｋｇ
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（長さ６〜１２ｍｍ、直径０．００６〜０．０５ｍｍ）
収束繊維（ｅｘダイニーマ）・・・・・２９．１ ｋｇ
（長さ９〜２５ｍｍ、直径０．５〜３ｍｍ）
本発明においてセメントモルタルとは実施例１に示す通り、ポルトランドセメント（硬化材）を主材とし、これに砂等の骨材や機能材を配合して加水混練したものを含む。
上記実施例１乃至３における水、ポルトランドセメント、骨材（珪砂）、機能材（シリカフューム、高性能減水剤、起泡剤）と上記ばらの短繊維５ａと収束繊維６はミキサーにかけて混練し、攪拌して両補強繊維５ａ，６を均一に分散せしめる。
本発明は上記水／セメント（シリカフュームを含む）比（Ｗ／Ｃ％）を実施例１においては１６．６％、実施例２においては２０．１％、実施例３においては２４．９％の貧加水にし、ばらの短繊維５ａと収束繊維６と協働してその強度を著しく高めた繊維強化セメントモルタルである。
上記実施例１，３においては起泡剤を配合し、起泡によって体積を増加し、吹き付け性を良好にしている。この起泡は吹き付けによって放散される。
又、実施例２においては抑泡剤を配合し打設に適した繊維強化セメントモルタルを構成している。
下記の比較例においては起泡剤も抑泡剤も使用しておらず、主としてセメントモルタルを現場打ち（流し込み）するものとして提供されたものである。
又実施例１，３においては、膨張剤を添加している。該膨張剤は硬化後の繊維強化セメントモルタルの収縮を有効に抑制する効果がある。
上記実施例１乃至３に従い、図１に示すように、ばらの短繊維５ａと収束繊維６を配合した繊維強化セメントモルタルでＷ２００ｍｍ×Ｈ７００ｍｍ×Ｄ５０ｍｍのダンベル形供試体１を形成し、該供試体１の両端をクランプＣによって把持し、矢印で示す引張応力２に対する小径の伸び部１ａのひび割れ３とひずみ発生状況、破壊に至る関係を試験した結果、図４のグラフに示すように、引張応力が４Ｎ／平方ミリメートル程度に達したときに、表層に微細なひび割れ３（０．０５〜０．１ｍｍ以下）が発生し、４〜８Ｎ／平方ミリメートル程度の引張応力が加わりひずみ量３〜６％程度の伸びが生ずるまで、表層部の微細なひび割れ３の発生が繰り返され、該ひずみ発生から上記微細ひび割れ３が拡大して破壊に至る時間を下記の比較例に比べ大幅に遅延することが証明された。
下記の比較例は本発明の実施例１に対応させたものである。
＜比較例１・・・繊維量１．０ｖｏｌ％＞
繊維強化モルタル１立方メートル当たりの配合量
水・・・・・・・・・・・・・・・・２５６．８ ｋｇ
ポルトランドセメント・・・・・・１３４２．４ ｋｇ
膨張剤・・・・・・・・・・・・・・・２０．０ ｋｇ
珪砂・・・・・・・・・・・・・・・４６６．３ ｋｇ
シリカフューム・・・・・・・・・・２０４．４ ｋｇ
高性能減水剤・・・・・・・・・・・・１３．６ ｋｇ
起泡剤・・・・・・・・・・・・・・・・０．５４３ｋｇ
ばらの短繊維（ダイニーマ）・・・・・・９．７１５ｋｇ
（長さ６ｍｍ、直径０．０１２ｍｍ）
繊維強化モルタル１立方メートル当たりの配合量
水・・・・・・・・・・・・・・・・２５６．８ ｋｇ
ポルトランドセメント・・・・・・１３４２．４ ｋｇ
膨張剤・・・・・・・・・・・・・・・２０．０ ｋｇ
珪砂・・・・・・・・・・・・・・・４６６．３ ｋｇ
シリカフューム・・・・・・・・・・２０４．４ ｋｇ
高性能減水剤・・・・・・・・・・・・１３．６ ｋｇ
起泡剤・・・・・・・・・・・・・・・・０．５４３ｋｇ
ばらの短繊維（ダイニーマ）・・・・・・９．７１５ｋｇ
（長さ６ｍｍ、直径０．０１２ｍｍ）
上記比較例に従い、図１に示すように、短繊維をばらの状態で配合した繊維強化セメントモルタルでＷ２００ｍｍ×Ｈ７００ｍｍ×Ｄ５０ｍｍのダンベル形供試体１を形成し、該供試体１の両端をクランプＣによって把持し、矢印で示す引張応力２に対する小径の伸び部１ａのひび割れ３とひずみ発生状況、破壊に至る関係を試験した結果、図４のグラフに示すように、引張応力が３．５Ｎ／平方ミリメートル程度に達したときに、表層に浅く微細なひび割れ３が発生し、４．５Ｎ／平方ミリメートル程度の引張応力が加わりひずみ量が略１．５％強の伸びで破壊に至ることが証明された。
即ち比較例の引張応力に対する破壊に至るひずみ量が１．５％強であるのに対し、本発明の実施例１，２，３の場合にはそれが３〜６％程度に向上し、ひずみが発生して破壊に至る時間を大幅に遅延し、鉄筋コンクリートに比類する強度を有する繊維強化セメントモルタルであることが証明された。
本発明はセメントモルタル８中に補強繊維として配合したばらの短繊維５ａと収束繊維６とが協働して、微細ひび割れ３が生じてから破壊に至る迄の伸び長、即ち強度に影響が少ない浅く微細なひび割れ３発生を維持する伸び長を大幅に増大し、補強鉄筋を配筋せずに橋梁の床版や橋脚（鉄筋コンクリート）と同程度の補強強度を得ることができ、補強用の繊維強化セメントモルタルとして極めて有効である。
上記砂等の骨材としては珪砂等の砂が例示され、上記機能材としてはシリカフューム（硬化材）、減水剤、起泡剤等が例示される。この例示の場合はセメントとシリカフュームが硬化材となる。
本発明は上記ばらの短繊維５ａと収束繊維６とを配合した繊維強化セメントモルタルにスチレンブタジエン樹脂系、ポリアクリル酸エステル樹脂系（アクリル樹脂系）、エチレン酢ビ樹脂系、酢ビ・ベオバ樹脂系等から成るポリマー樹脂の流動材を配合した実施例を含む。
即ち、前記実施例１乃至３の水とポルトランドセメントと骨材と機能材とから成るセメントモルタルに上記ポリマー樹脂を配合して繊維強化ポリマーセメントモルタルにした実施例を含む。この場合ポリマー樹脂は１０〜１２０ｋｇの範囲で配合する。
以上、下限値と上限値間を「〜」で示した数値範囲は、該下限値と上限値間の全ての数値（整数値と小数値）を表したものである。請求項の記載においても同様である。
１…供試体、１ａ…小径の伸び部、２…引張応力、３…微細なひび割れ、５ａ…ばらの短繊維、５ｂ…収束繊維を形成する短繊維、６…収束繊維、７…結束繊維、８…セメントモルタル、Ｃ…クランプ。
Claims (1)
- セメントモルタル中に補強繊維としてばらの短繊維と、多数本の短直状の短繊維を直線に引き揃えて束にし、或いは捩りを与えて束にし、該束の周面に結束繊維をスパイラル状に巻装し融着することによって形成した収束繊維とを配合して成る繊維強化セメントモルタルであって、上記ばらの短繊維と収束繊維とを１〜６：１〜６の比で配合すると共に、上記ばらの短繊維と収束繊維とを１〜４ｖｏｌ％配合したことを特徴とする繊維強化セメントモルタル。
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