JP7338163B2

JP7338163B2 - セメント組成物

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Publication number: JP7338163B2
Application number: JP2019030536A
Authority: JP
Inventors: 理紗吉田; 泰道神代
Original assignee: Obayashi Corp
Current assignee: Obayashi Corp
Priority date: 2019-02-22
Filing date: 2019-02-22
Publication date: 2023-09-05
Anticipated expiration: 2039-02-22
Also published as: JP2020132495A

Description

本発明は、セメント組成物に関する。

一般にセメント組成物（例えばコンクリート）は、水、セメント、骨材などを混練して製造されている。このようなセメント組成物は、火災時に爆裂する可能性があり、特に、強度が高いほど爆裂する可能性が高いことが知られている。そこで、爆裂を防止するために、有機繊維（例えばポリプロピレン繊維）を混入したセメント組成物が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載のコンクリートには、長さ５～４０ｍｍ、繊維径（直径）５～５００μｍの有機繊維が混入されており、さらに、無機繊維も混入されている。

特開２００３－３０６３６６号公報

有機繊維の繊維長が長く、繊維径が細いほど、セメント組成物中のセメントペーストが繊維表面に付着しやすくなり、流動性が低下する。このため、特許文献１のコンクリートでは、粘性が高くなり、作業性が低下するおそれがあった。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、作業性を確保しつつ、耐火性能の向上を図ることにある。

かかる目的を達成するため、本発明のセメント組成物は、セメントと、水と、細骨材と、粗骨材と、中実の有機繊維と、無機繊維とを含むセメント組成物（但し、ワラストナイト及びマイカから選ばれる補強材を含有する水硬性材料を除く。）（但し、エトリンガイト生成系混和材を含有する耐爆裂性セメント硬化体を除く。）であって、前記有機繊維は、繊維長さが２～４ｍｍであり、繊維径が１５～５０μｍであり、混入量が０．５～３．５ｋｇ／ｍ３であり、前記無機繊維は、鋼繊維であり、引張強度が２５００Ｎ／ｍｍ２以上であり、前記無機繊維の混入量が２０～８０ｋｇ／ｍ３である、ことを特徴とする。
このようなセメント組成物によれば、有機繊維の繊維長さが短く繊維径が大きいので、有機繊維を混入しても高い流動性を得ることができ、作業性を確保できる。また、有機繊維と無機繊維を混入していることにより爆裂を防止できる。これにより、作業性を確保しつつ、耐火性能の向上を図ることができる。また、無機繊維の混入量が少なくてすむ。また、脆性破壊を抑制できる。

かかるセメント組成物であって、前記有機繊維と前記無機繊維との質量比が１：１０～１：（４０／３）の範囲にあってもよい。
このようなセメント組成物によれば、この範囲においても効果を奏することができる。

かかるセメント組成物であって、水セメント比が、１３．５～１８．０％であることが望ましい。
このようなセメント組成物によれば、高強度のセメント組成物の耐火性能の向上を図ることができる。

本発明によれば、作業性を確保しつつ、耐火性能の向上を図ることができる。

有機繊維による爆裂抑制のメカニズムを説明するための概念図である。本実施例及び比較例の各試験体の作製条件を示す図である。ＰＰ繊維の仕様を示す図である。鋼繊維の仕様を示す図である。試験項目を示す図である。作業性と耐火性の判定基準を示す図である試験結果を示す図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。

＝＝＝実施形態＝＝＝
＜爆裂防止のメカニズムについて＞
爆裂とは、コンクリートが火災などにより強く加熱されたときに爆発的に破裂（剥離）する現象である。コンクリートは、強度が高いほど火災時に爆裂する可能性が高いとされている。その原因としては、高強度コンクリートの組織は緻密であり、内部で蒸発した水分は散逸しづらいため、加熱されたときに空隙内圧が上昇し、二次的な応力を発生して爆裂する可能性が高いと考えられている。

この爆裂を防止するため、有機繊維を混入したコンクリートが開発されている。有機繊維としては、例えば、ポリプロピレン繊維（以下、ＰＰ繊維ともいう）が用いられている。

図１は、有機繊維による爆裂抑制メカニズムを説明するための概念図である。

図に示すように、コンクリート１０には有機繊維として細長いＰＰ繊維２０が複数本混入されている。このコンクリート１０を加熱すると、ＰＰ繊維２０は１６０℃で溶融して管状空隙となる。そして、この管状空隙が蒸気圧逸散ネットワークとなり、当該蒸気圧逸散ネットワークが、蒸気溜り内の圧力をマイクロクラックから逃がすことで爆裂を抑制できる。

また、有機繊維に加えて、無機繊維（例えば鋼繊維）をさらに混入することにより、コンクリートにマイクロクラックが発生することによる脆性破壊を抑制でき、これにより、さらに爆裂を防止できる。

しかしながら、有機繊維の繊維長が長く、繊維径が細いほど（すなわち縦横のアスペクト比が大きいほど）、コンクリート中のセメントペーストが繊維表面に付着し、流動性が低下する。このため練り混ぜ性が悪くなり作業性が悪化するおそれがある。具体的には、有機繊維の繊維長が５ｍｍ以上、繊維径が１０μｍ以下になると練り混ぜ性が悪くなる。

よって、有機繊維は、繊維長さが２～４ｍｍであり、繊維径が１５～５０μｍであることが好ましい。また、有機繊維の混入量は、多いほど爆裂防止の効果が高くなるが、流動性が悪化し作業性が低下する。このことを考慮して、有機繊維の混入量は０．５～３．５ｋｇ／ｍ^３であることが好ましい。これにより、有機繊維を混入しても高い流動性を得ることができ、作業性を確保できる。また、有機繊維を混入することにより爆裂を防止でき、耐火性能の向上を図ることができる。なお、有機繊維としては、ＰＰ繊維には限られず、他の有機材料の繊維を用いても良い。

無機繊維としては、例えば、金属繊維（鋼繊維、ステンレス繊維など）や、炭素繊維、ガラス繊維などを用いることができる。無機繊維はコンクリートを拘束し、剥離（脆性破壊）を抑制する補強材としての機能を有するため、適度な引張強度が必要になる。引張強度が２５００Ｎ／ｍｍ^２以上の無機繊維を使用すると、少ない混入量で耐火性能の向上を図ることができる。また、無機繊維の混入量は、２０～８０ｋｇ／ｍ^３が好ましい。これにより、脆性破壊を抑制することができる。

以下の実施例では、有機繊維として繊維長が短く、繊維径が太いＰＰ繊維を混入し、さらに、無機繊維として鋼繊維を混入したコンクリートのサンプル（試験体）を作製し、作業性や耐火性等の評価を行った。

＜＜実施例＞＞
ＰＰ繊維の形状（径、長さ）と混入量、及び、鋼繊維の種類と混入量をパラメータとしたコンクリートの試験体を作製し、作業性と耐火性について評価を行った。

また、比較例として、ＰＰ繊維と鋼繊維の何れか一方、又は、両方を含まない試験体やＰＰ繊維の径が細くて繊維長が長い試験体などを作製して評価した。

＜試験体＞
図２は、本実施例及び比較例の各試験体の作製条件を示す図である。また、図３は各ＰＰ繊維の仕様を示す図であり、図４は、各鋼繊維の仕様を示す図である。

（調合について）
水（Ｗ）、結合材（Ｂ）、細骨材、粗骨材、膨張材、及び、混和剤等を調合し、コンクリートの試験体を作製した。なお、結合材（Ｂ）にはセメントが含まれている。また、各試験体には、混和剤（化学混和剤）として、高性能減水剤を混入している。高性能減水剤は、水結合材比（Ｗ／Ｂ）を低減して強度を増加させるための材料である。高性能減水剤は、単位セメント量×１．５～２．１％混入した。

また、実施例の試験体には、爆裂防止のために有機繊維（ＰＰ繊維）を混入しており、さらに、無機繊維（鋼繊維）も混入している。ＰＰ繊維や鋼繊維の条件については後述する。

（水結合材比について）
水結合材比（Ｗ／Ｂ：水セメント比に相当）は、水の結合材（セメント）に対する重量比である。コンクリートの強度は、この水結合材比（Ｗ／Ｂ）に依存し、Ｗ／Ｂが小さいほど強度が高くなる。本実施例では、図２に示すように、水結合材比（Ｗ／Ｂ）が１７．０％～１３．５％の超高強度コンクリートの試験体を作製した。

（ＰＰ繊維について）
有機繊維として、ダイワボウポリテック株式会社製のＰＰ繊維（繊維長さ３ｍｍ、繊維径１８μｍのＰＰ繊維）を２～３ｋｇ／ｃｍ^３混入した（図２参照）。

また、比較例としてＰＰ繊維を混入していない試験体や、細長いＰＰ繊維を混入した試験体も作製した。具体的には下記の３種類のＰＰ繊維を、図２に示す混入量で各試験体に混入した。

径１８μｍ－長さ３ｍｍ（実施例１～１６、比較例３、比較例９）
径１０μｍ－長さ１０ｍｍ（比較例４～６）
径１８μｍ－長さ１０ｍｍ（比較例１０～１２）
ＰＰ繊維無し（比較例１、２、７、８）
（鋼繊維について）
無機繊維として、下記の３種類の鋼繊維（フック型軟鋼、フック型硬硬、ストレート型鋼）を、図２に示す混入量で各試験体に混入した。

フック型軟鋼（実施例１～７、実施例１０～１５、比較例２、５、６、８、１１、１２）
フック型硬鋼（実施例８、９）
ストレート型鋼（実施例１６）
鋼繊維無し（比較例１、３、４、７、９、１０）
なお、フック型軟鋼としては、神鋼建材工業株式会社製の亜鉛めっき鋼繊維（仕様は図４参照）を使用し、フック型硬鋼としては、神鋼建材工業株式会社製の高張力鋼繊維をさらに亜鉛メッキしたもの（仕様は図４参照）を使用した。また、ストレート型鋼としては、東京製綱株式会社製のタフミックファイバーIII（仕様は図４参照）を使用した。

図４に示すように、フック型硬鋼は、フック型軟鋼と比べて、径が小さいにもかかわらず、引張強度が大きい。具体的には、フック型軟鋼の引張強度が１４４０±２１６Ｎ／ｍｍ^２（２０００Ｎ／ｍｍ^２未満）であるのに対し、フック型硬鋼の引張強度は、３０７０±４６０Ｎ／ｍｍ^２（２５００Ｎ／ｍｍ^２以上）である。

（容量比、直径比について）
各繊維の仕様と、各試験体への各繊維の混入量から、各試験体についてＰＰ繊維と鋼繊維の直径比と容量比を求めた。なお、ＰＰ繊維の比重は０．９１ｇ／ｃｍ^３であり、鋼繊維の比重は７．８５ｇ／ｃｍ^３である。

図２に示すように、本実施例（実施例１～１６）の試験体においてＰＰ繊維と鋼繊維の直径比は、
鋼繊維がフック型軟鋼の場合１．０：３４．４
鋼繊維がフック型硬鋼の場合１．０：２１．１
鋼繊維がストレード型鋼の場合１．０：８．９
である。

また、図２の条件（混入量）により、ＰＰ繊維と鋼繊維の容量比は、１．０：１．２～１．０：４．６となる。なお、フック型硬鋼の実施例８、９では、他の実施例よりも鋼繊維の混入量が少ないため容量比も小さくなっている（１．０：１．２～１．０：１．７）。

また、ＰＰ繊維と鋼繊維の質量比が最も小さいものとしては、フック型硬鋼では実施例８の１：１０であり、フック型軟鋼では実施例５の１：（４０／３）となる。このように、実施例では、ＰＰ繊維と鋼繊維の質量比が１：１０～１：（４０／３）の範囲のものも含まれている。

＜試験項目＞
図５は、試験項目を示す図である。

（フレッシュ試験）
フレッシュ試験として、練り上がりのスランプフロー（SF）、空気量（AIR）、温度（CT）を測定した。なお、スランプ測定はJIS A 1150「コンクリートのスランプフロー試験」に準じて行い、空気量の測定はJIS A 1128「フレッシュコンクリートの空気量の圧力による試験方法－空気圧力方法」に準じて行った。

（圧縮強度試験）
圧縮強度試験はJIS A 1108「コンクリートの圧縮強度試験方法」に準じて行った。

（耐火試験）
各試験体を耐火炉に入れて、ＩＳＯ８３４に規定される標準加熱温度曲線に従って６０分加熱を行った。そして、耐火試験後の試験体の表面の残存面積を、ノギスを用いて計測し、試験体全体の表面積との比率から残存面積率を求めた。

＜試験結果＞
図６は、作業性と耐火性の判定基準を示す図である。図７は、試験結果を示す図である。また作業性については、図６に示すように、ハンドリングが良く、部材作製しやすいものを○とし、ハンドリングが悪く、部材作製しにくいものを×とした。また、耐火性については、耐火試験後の残存面積が８０％以上を○とし、８０％未満を×とした。

なお、残存面積とは、試験体全表面積をＳとし、耐火試験後に剥離した面積をＡとすると、下記の式（１）で求められる値である。
残存面積（％）＝（Ｓ－Ａ）／Ｓ×１００・・・・（１）

（作業性について）
太くて短いＰＰ繊維を混入した試験体のスランプフローが高い結果となった。
例えば、Ｗ／Ｂが１７．０％の超高強度コンクリートの場合、比較例４（繊維長１０ｍｍ、繊維径１０μｍの細長いＰＰ繊維を１．５ｋｇ／ｍ^３混入）のスランプフローは６１．５であるのに対し、比較例３（繊維長３ｍｍ、繊維径１８μｍのＰＰ繊維を２ｋｇ／ｍ^３混入）のスランプフローは７３．０であり、作業性が良好（○）となっている（但し、鋼繊維が混入されていないため耐火性が×である）。このように、ＰＰ繊維が太くて短い場合、ＰＰ繊維の混入量が多いにも関わらず、スランプフローが高い結果となった。

さらに、実施例（実施例１、２など）では、ＰＰ繊維に加えて鋼繊維を混入しているが、ＰＰ繊維として太くて短いものを用いているため、ＰＰ繊維の混入量が２～３ｋｇ／ｍ^３であっても作業性が全て良好（○）となっている。

Ｗ／Ｂが異なる場合（１３．６％などの場合）についても同様のことが言える。

（耐火性について）
比較例において、ＰＰ繊維を混入していない試験体では耐火性が×となっており、ＰＰ繊維を混入することで耐火性が向上していると言えるが、ＰＰ繊維の径が太く長さが短い場合、鋼繊維を混入していない試験体（比較例３、９）では耐火性が×となっている。これに対し、実施例では、ＰＰ繊維の径が太く長さが短くても、鋼繊維を混入していることにより、耐火性が良好（○）となっている。すなわち、耐火試験後の残存面積が８０％以上であった。

このように、ＰＰ繊維として径が太く長さが短い繊維を用いる場合、鋼繊維を混入することで耐火性の向上を図ることができることが確認された。

また、鋼繊維として引張強度の大きいフック型硬鋼を用いた実施例８、９では、他の実施例よりも混入量が少ないにもかかわらず、他の実施例と同等の効果が得られている。すなわち、フック型硬鋼を用いることで鋼繊維の混入量が少なくて済む。

以上のことにより、実施例では、長さが短く繊維径が太いＰＰ繊維と、鋼繊維を混入しているので、作業性を確保しつつ、耐火性能の向上を図ることができる。なお、実施例ではＰＰ繊維の繊維長さが３ｍｍ、繊維径が１８μｍであったが、バラツキを考慮して、繊維長さは２～４ｍｍ、繊維径は１５～５０μｍであると良い。また、混入量は０．５～３．５ｋｇ／ｍ^３であると良い。これにより高い流動性を得ることができ、作業性を確保できる。また、有機繊維と無機繊維を混入していることにより爆裂を防止できる。よって、作業性を確保しつつ、耐火性能の向上を図ることができる。

＝＝＝その他の実施形態について＝＝＝
上記実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはいうまでもない。

前述した実施形態では有機繊維としてＰＰ繊維を用いていたがこれには限られず、他の有機繊維を用いても良い。

また、前述した実施形態では、無機繊維として鋼繊維を用いていたがこれには限られず、他の無機繊維を用いても良い。

１０コンクリート
２０ポリプロピレン繊維（ＰＰ繊維）

Claims

セメントと、水と、細骨材と、粗骨材と、中実の有機繊維と、無機繊維とを含むセメント組成物（但し、ワラストナイト及びマイカから選ばれる補強材を含有する水硬性材料を除く。）（但し、エトリンガイト生成系混和材を含有する耐爆裂性セメント硬化体を除く。）であって、
前記有機繊維は、繊維長さが２～４ｍｍであり、繊維径が１５～５０μｍであり、混入量が０．５～３．５ｋｇ／ｍ３であり、
前記無機繊維は、鋼繊維であり、引張強度が２５００Ｎ／ｍｍ２以上であり、
前記無機繊維の混入量が２０～８０ｋｇ／ｍ３である、
ことを特徴とするセメント組成物。
請求項１に記載のセメント組成物であって、
前記有機繊維と前記無機繊維との質量比が１：１０～１：（４０／３）の範囲にある、
ことを特徴とするセメント組成物。
請求項１又は２に記載のセメント組成物であって、
水セメント比が、１３．５～１８．０％である、
ことを特徴とするセメント組成物。