JPH0465338A - 炭素繊維補強コンクリート又はその類似組成物の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野１ 本発明は、セメント等の水硬性材料に炭素繊維を混練し
て補強したコンクリート又はその類似組成物の製造方法
に関する。

［従来の技術１ これまで、炭素ａｍ補強コンクリートを製造する場合は
、セメントへの炭素繊維の分散性を良くするために、特
殊ミキサー（オムこミキサー）を使用したり、或いは強
制練りミキサーを用いていた。

［発明が解決しようとする課題１ しかしながら、オムニミキサーは、これを保有している
施工業者またはＰＣ（ブレ年ヤスト）製品製造業者が少
なく、かつこの種の特殊ミキサーは高価であるため、炭
素繊維補強コンクリート製品や構築物が普及する一Ｌで
障害になっていた。

また、強制練りミキサーは、これを保有して５・る業者
は上記オムニミキサーはど少なくないが、特に地方の業
者には傾胴型のミキサーしか保有していない場合が多く
、炭素繊維補強コンクリートの普及が遅れている原因に
なっていた。

本発明は、上記従来の問題点を解決するためになされた
もので、その目的とするところは、炭素繊維補強コンク
リート等の組成物を特に傾胴型ミキサーにより簡易かつ
安価にｌｉ！遺することができるだけでなく、炭素繊維
の分散性や性状が良くて高品質の製品や構築物を製造す
ることができる炭素繊維補強コンクリート又はその類似
組成物の製造方法を提供することにある。

１課題を解決するための手段１ すなわち、本発明は、水硬性材料中に炭素繊維を混合分
散させてコンクリート又はその組成物を製造する方法に
おいて、炭素繊維として引張弾性率が１５　ｔｏｎ／−
ｖａ２以上のものであって、３０〜１２．０００本のモ
ノフィラメントが集束された状態にある短繊維状の炭素
繊維束を用い、外殻が回転する混合機の中で水硬性材料
、炭素ｍ維束およゾ水を混練するにあたり、まず水を投
入し、次いで水硬性材料および炭素繊維を一括して投入
して混練し、かつ水硬性材料、炭素繊維束および水の合
計容量が前記混合機の内容積の７５ｖｏｌ％以下とする
ことを特徴とする。

本発明方法において使用される水硬性材料としては、建
築および土木構築物を構築するために使用される無機系
の各種水硬性材料が用いられ、例えば、ポルトランドセ
メント、高炉セメント、アルミナセメント、ケイ酸力ル
シワム、天然石こう、合成石こう等が含まれる。

また、本発明方法において使用される炭素繊維としては
、公知の炭素繊維であればいずれのものでもよく、例え
ば、コールタールピッチ、石油系ピッチ、石炭液化物、
ポリアクリミニトリル、セルロース、ポリビニルアルコ
ール等を原料とした炭素繊維を用いる。

特に、光学的異方性相を含むピッチから作られる炭素繊
維、即ちメソ７エーχピツチ系炭素繊維は、繊維自体の
引張強度や引張弾性率が入さいことにより強度や剛性が
大きいコンクリート等の組成物が得られる。

さらに、」二元メソ７エーズビノチ系炭素繊維のうち、
引張強度が１００　Ｋｇ、’ｍｎ″以上、及び／又は引
張弾性率が１５　ｔｏｎ／噛１以上のものを用いると、
得られる組成物の物性は一層良くなる。

本発明で用いる集束した炭素繊維束を製造するには種々
の方法がある。

例えば、上記原料を紡糸して得られる原料繊維に集束剤
を付着して原料繊維束を得た後、これを不融化処理ある
いは耐炎化処理して炭化し、さらに必要に応じて黒鉛化
して炭素繊維束を得る。この場合、集束剤の種類、付着
量、付着方法等を適宜選択して決定することにより、所
望の炭素繊維束を得ることができる。

尚、本発明では黒鉛化処理して得られた黒鉛化繊維束も
炭素ａｍ束に含めるものとする。

上記の集束剤としては、例えば、ポリノメチルシロキサ
ン、アミ／変性ポリツメチルシロキサン等のポリツメチ
ルシロキサン通導体、ポリエチレングリフール、ポリプ
ロピレングリコール等のポリアルキレングリコール誘導
体、機械油、タービン油、灯油などの鉱物油、脂肪酸エ
ステル化合物、スルフィド基含有化合物、パーフルオロ
アルキル基含有化合物の内の１種またはそれらの２種以
上の混合物を使用する。

上記集束剤には、公知の静電防止剤、平滑剤、及び界面
活性剤等を添加して使うことができ、更に繊維への付着
を均一かつ繊維への抵抗を少なくするために、水、ケロ
シン、ツメチルシリコンダイマー等、公知の希釈剤で希
釈してもよい。

集束剤の原料繊維に対する付着量は、通常０゜１〜２０
重量％の範囲であり、特に０．２〜１０重量％が好まし
い。

付着量が０．１重量％より少ないと、得られる炭素繊維
束がばらけ易く、水硬性材料と混合する際にモノフィラ
メント同士が絡み合ったり、毛玉状の７フイバーボール
ができて、均一に混合分散できない恐れがある。

一力、２０重量％以上となると、不融化処理あるいは耐
炎化処理の際に付着した集束剤の揮散が不十分となって
繊維上に残存し、不融化処理あるいは耐炎化処理の反応
を阻害する原因となったり、繊維から発生する低分子物
ガスの飛散が十分に行えないため、炭素繊維の物性を低
下させる原因となる。

集束剤を原料繊維に付着させる方法としては、スプレー
により吹き付ける方法、ローラーや〃イドに付けて接触
させる方法、浸漬させる方法などがある。

集束剤が付着されて、集束された原料繊維束は、周知の
方法にしたがって、不融化処理ある（・は耐炎化処理お
よび炭化処理が行われる。不融化処理もしくは耐炎化処
理は、原料繊維を酸素、オゾン、空気、窒素酸化物、ハ
ロゲン、亜硫酸がス等の酸化性雰囲気のもとで、１５０
〜４００℃の温度に５分〜１０時間程度加熱することに
よって行われる。

また、炭化処理は、Ｌ主処理によって得られた繊維を窒
素、アルゴン等の不活性〃ス雰囲気のもとで、ＳＯＯ〜
２，０００°Ｃの温度に０．５分〜１０時間程度加熱す
ることによって行われる。

さらに黒鉛化処理を行う場合には、２，０００〜３．０
００℃の温度に１秒〜１時間程度加熱する。

さらにまた別の方法としては、原料繊維束に集束剤を付
着し、不融化処理あるいは耐炎化処理して得られた不融
化繊維あるいは耐炎化繊維に、再度集束剤を付着して集
束し、炭化し、さらに必要に応じて黒鉛化して目的の炭
素繊維束を得ることができる。

これら不融化繊維あるいは耐炎化繊維に対する具体的な
集束剤の種類、付着量、付着方法などは、上述の原料繊
維の場合と同様に実施することができ、さらに炭化処理
および黒鉛化処理も、上記原料繊維の場合と同様に実施
することができる。

また別の方法としては、上述の原料繊維および／または
不融化繊維あるいは耐炎化繊維の段階で集束剤を付着し
て製造した炭素ａｍ束、あるいは通常の方法で製造した
炭素繊維にサイソング剤を付着して目的の集束した炭素
繊維束を得ることができ、サイソング剤の種類、付着量
、付着方法などを適宜調節することにより、炭素繊維束
が得られる。

上記サイソング剤としては、例えば、ポリビニルアルコ
ール（ＰＶＡ）系として、未ケン化のポリ酢酸ビニル、
部分ケン化ｐ　Ｖ　Ａ、完全ケン化ＰＶＡ、および変性
ＰＶＡとしてイタフン酸変性、７タール酸変性、アクリ
ル酸変性ＰＶＡ等がある。

また、酢酸ビニルとエチレン、マレイン酸、クロトン酸
、またはアクリル酸との共重合物、メチルセルロース、
エチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ヒド
ロキシエチルセルロース等のセルロース誘導体、コーン
スターチ、可溶性デンプン等のデンプン誘導体、ポリア
クリル酸ンーグ、ポリアクリルアマイド等のアクリル系
重合体も使用される。

さらに、ゴムラテックス、硬化剤を含まない軟化点が４
０°Ｃ以上のエポキシ樹脂、ポリウレタンも使用するこ
とができる。これらのポリマーの内で特にカチオン性を
示すものはセメントとのｉ理性を向上させるのに有効で
、例えば、カチオン変性ＰＶＡ、カチオン性ポリ酢酸ビ
ニル、カチオン性ゴムラテックス、カチオン化ポリウレ
タン等が使用される。

以上のサイソング剤は水溶液、エマルノｇン、あるいは
溶剤に溶解した溶液の状態で、一種または二種以上の混
合物として炭素繊維に付着し、その後、乾燥または脱溶
剤処理して、集束した炭素繊維束を得る。

サイジング剤の炭素繊維への付着量は、通常０゜１〜２
０重量％である。０．１重量％未満では集束性が不足し
、水硬性材料に均一に混合分散できない。また、２０重
量％を超えると集束が過度に強固になり、水硬性材料中
での分散度が劣り、コンクリート等の組成物の物性が低
下したり、サイジング剤理する際に、ローラーに繊維束
がとられたりして製造が困難となる等の難点がある。サ
イソング剤が、ポリビニルアルフール（ＰＶＡ）系の未
ケン化のポリ酢酸ビニル、部分ケン化ＰＶＡ、完全ケン
化ＰＶＡ、およびそれらのカチオン性変性物等の場合に
は、０．３〜１０重量％、より好ましくは０．５〜２重
量％の付着量とする。

サイジング剤の付着方法としては、スプレーにより吹外
付ける方法、ローラーや〃イドに付けて接触させる方法
、浸漬させる方法などがある。

さらに、本発明方法に用いられる炭素繊維としては、前
述の方法に従って炭化あるいは黒鉛化処理した後に気相
あるいは液相での酸化や電解処理などの表面処理を行っ
たもの、さらにその後にサイジング剤で処理したものも
使用することができる。

本発明では、このようにして得られる炭素繊維束を構成
するモノフィラメント数は３０〜１２゜０００本である
ことが適当で、好ましくは５０〜６．０００本であるこ
とが望ましい。

３０本未満のものは、集束した繊維束を製造する際の生
産性が悪いなどの問題があり、一方、１２．０００本を
越えると一束状に集束するのが困難となったり、水硬性
材料中での分散性が悪くなったりして不都合である。

上記モノフィラメントの直径は、３〜５０ミクロンであ
ることが、均一に分散させる上で好まし本発明方法では
、炭素繊維束は短＊［状にして水硬性材料と混合される
が、該短繊維とする方法としては、既に集束した長繊維
束を切断したもの、あるいは既に短繊維状にしたものを
集束したもののいずれもが使用できる。

上記切断の方法としては、通常実施される方法が可能で
、例えば、ギロチン式カッター、σ−ピングカッター、
あるいはダイレクトスプレー機の７ズルがン等を用いて
切断することが可能である。

既に集束した長繊維束を切断する時には過度の切断衝撃
などにより集束した束がばらけ過ぎないようにする。

短繊維束の長さは１〜１００ｍｍであるのが好ましい。

１１未満では水硬性材料との混合時の分散性は良いが十
分な補強性能は得られず、一方１　ｆｌ　Ｏｍｍを越え
ると逆に補強性は得られるものの、分散性が悪く均一な
製品が得られない。

本発明方法て°用いる混合機は、外殻が回転する混合機
として、傾胴型コンクーリートミキサー回転ドラムミキ
サーなどがある。

本発明方法において、最も重要なことは、混合機には、
まず水を投入することである。

続いて、上記水硬性材料と炭素繊維を一括して投入する
。コンクリート又はその類似組成物中の炭素繊維の配合
量は、通常０．１〜２０容量％であり、０．１％未満で
は補強効果が乏しく、一方２０％を越えると混合がしに
くかったり、均一に分散て゛きなかったりするなど、好
ましくない。

また、砂、ケイ砂、砂利、砕石、シラスバルーン、フラ
イアッシュ、超微粉シリカなどの骨材は、予め水硬性材
料と混合しておくのが望ましい。尚、上記炭素繊維を入
れたものは、一般に空気量が多くなる傾向にあるので、
そのような場合には消泡剤を添加してもよい。

本発明で用いる集束した短ａ紺状の炭素繊維束は、水硬
性材料中で単独で用いられることは勿論、本発明以外の
炭素繊維、石綿、〃ラスｗＬＪ＃、金属ｗＬ維、有機Ｗ
１．紺、鉄系補強材などの、他の補強材とも併用て゛き
る。

水硬性材料、炭素繊維束および水の合計容量は、上記混
合機の内容積の７５ｖｏｌ％以下とする。

炭素繊維を配合したコンクリート又はその組成物は、建
築および土木構築物の構築の際に通常実施される各種の
成形法、例えば、撃込成形、押出成形、遠心成形、沈漬
成形などの方法により成形し、養生、固化される。

及１鮭Ｙ 傾胴型ミキサー（ＭＡＲＵ１社製ＭｒＣ−１０９−０−
１０２型５４Ｎ容量）に、まず水及び減水剤（合計で６
１重量部）を投入し、次いで短繊維のピッチ系高強度・
高弾性炭素繊維束（三菱化成社製炭素繊維ダイアリード
）（５，１重量部）、早強ポルトランドセメン）（１０
０重量部）、軽量骨材（６６重量部）及びメチルセルロ
ース（０゜３重量部）を投入し、４分３０抄開混線した
。混線量は１３．５ｆ（ミキサー内容積の２５ｖｏｌ％
）とした。

混練後、板状のテストピース（長さ３２ｃｍ、幅４ｃ＋
ｎ、厚み２　ｃｍ）を成型し、気中養生（温度２０°Ｃ
１相′Ｎ湿度６５％）し、炭素繊維強化コノクリート（
ＣＦＲＣ）を得た。

そして、材令７Ｂ１の曲げ強度を一点載荷曲げ試験法（
スパン２６ｃｍ）により測定し、テストピース３個の乎
均値を第１表に示した。

なお第１表に混練直後のまだ固まらないＣＦＲＣの７０
−値（ＪＩＳ　Ｒ５２０１に準する）、空気量（ＪＩＳ
　Ａ　１１２８に準する）をあわせて示した。

また第２表には、使用した炭素繊維の性能を示した。

スＪＬＩζ 実施例１と同じミキサーを用い、混線量を実施例ゴの２
倍（２７１、ミキサー内容積の５０ｖｏｌ％）にして、
ＣＦＲＣの調整を行った。

まず水および減水剤（合計で６１重量部）を上記ミキサ
ーに投入し、次いて゛炭素＃Ｉ＆維束（５，１，−＠１
部）、早強ボルトランドセメン）（１００ｉｉ部）、軽
量骨材（６６重量部）、メチルセルロース（０゜３重量
部）及１消泡剤を投入し、４分３０秒間混練した。

引き続き、実施例１と同じくして得られたＣＦＲＣのテ
ストピースの曲げ強度および混線直後のまだ固まらない
ＣＦＲＣの７０−値、空気量を第１表にした。

叉ｆｆｉ 実施例２と同様に上記ミキサーを用い、混線量を実施例
１の２倍（２７１！、ミキサーの内容積の５０ｖｏｌ％
）にして、ＣＦＲＣの調整を行った。

まず水および減水剤（合計で６１重量部）をＬ記ミキサ
ーに投入し、次いで炭素繊維束（５，１重量部）、早強
ポルトランドセメン）（１００重量部）、軽量骨材（６
６重量部）及びメチルセルロース（０，３重量部）を投
入し、３分間、さらに消泡剤を加え１分３０秒間混練し
た。

引き続き、実施例１と同じくして得られたＣＦＲＣのテ
ストピースの曲げ強度および混線＠後のまだ固まらない
ＣＦＲＣの７０−値、空気量を第１表に示した。

比較例１ 実施例１の上記ミキサーを用い、混線量を実施例１の３
．２倍（４３，２ｎ、ミキサーの内容積の８（Ｌｖｏｌ
％）にして、ＣＦＲＣの調整を試みた。

混合材料および投入手順は実施例３に準して行った。引
き続き、実施例１と同じくして得られたＣＦＲＣのテス
トピースの曲げ強度および混練直後のまだ固まらないＣ
ＦＲＣの７０−値、空気量を第１表に示した。

＃ｔＪ１表に示す様に混線量をミキサーの内容積の８０
ｖｏｌ％にすると曲げ強度は者しく小さくなった。これ
は混線時のミキサーの傾斜が大きくなって混線の効率が
悪くなり、炭素ｍｉ束の繊維が分散しなかったことによ
る。

埼暫鮭玄 実施例１の上記ミキサーを用い、混線量を実施例１の２
倍（２７Ｎ、ミキサーの内容積の５０ｖ。

％）にして、ＣＦＲＣの調製を特開昭６３−１．６２５
５９号公報に記載されている方法に準じて行った。

上記ミキサーに炭素繊維束（５，１重量部）、早強ポル
トランドセメン）（１００重量部）、軽量骨Ｎ（６６重
量部）及びメチルセルロース（０、３重量部）を投入し
、１分間乾式混合した後、水及び減水剤（合計で６１重
量部）を加え３分３０秒間混練した。

実施例１と同じくして得られたＣＦＲＣのテストピース
の曲げ強度および混線直後のまだ固まらないＣＦＲＣの
７Ｃ：ｌ−値、空気量を第１表に示した。

（以下、余白） ［発明の効果１ （１）外殻が回転する混合機を用いて炭素繊維補強コン
クリートを製造すると、従来のオムニミキサーや強制練
りミキサーに比べて、繊維を折ったり、毛玉状になった
りすることがなく、高品質の炭素繊維補強コンクリート
を得ることができる。

（２）混合機に水を先行して投入し、繊維を投入した直
後に混練りするため、水溶性の粘着剤が良くほどけ、繊
維がバラバラになり易い。

（３）傾胴型ミキサーを有する大多数の生フン業者やＰ
Ｃ業者が炭素繊維補強コンクリートを製造することが可
能となった。

（４）本発明方法により、事務所ビル、ホテル等の外装
カーテンウオール、フリーアクセスフロア−モルタル外
壁、土木構造物等の商品化が可能となる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、水硬性材料中に炭素繊維を混合分散させてコンクリ
   ート又はその組成物を製造する方法において、炭素繊維
   として引張弾性率が１５ｔｏｎ／ｍｍ＾２以上のもので
   あって、３０〜１２，０００本のモノフィラメントが集
   束された状態にある短繊維状の炭素繊維束を用い、外殻
   が回転する混合機の中で水硬性材料、炭素繊維束および
   水を混練するにあたり、まず水を投入し、次いで水硬性
   材料および炭素繊維を一括して投入して混練し、かつ水
   硬性材料、炭素繊維束および水の合計容量が前記混合機
   の内容積の７５ｖｏｌ％以下とすることを特徴とする炭
   素繊維補強コンクリート又はその類似組成物の製造方法
   。 ２、消泡剤を添加することを特徴とする請求項１に記載
   の炭素繊維補強コンクリート又はその類似組成物の製造
   方法。 ３、炭素繊維束の長さが１〜１００ｍｍであることを特
   徴とする請求項１または２に記載の炭素繊維補強コンク
   リート又はその類似組成物の製造方法。 ４、炭素繊維束を構成するモノフィラメントの直径が３
   〜５０ミクロンであることを特徴とする請求項１ないし
   ３に記載の炭素繊維補強コンクリート又はその類似組成
   物の製造方法。 ５、炭素繊維束が原料繊維を集束する際に集束剤を付着
   させ、次いで不融化処理または耐炎化処理を行い、さら
   に炭化処理して得られたものであることを特徴とする請
   求項１ないし４に記載の炭素繊維補強コンクリート又は
   その類似組成物の製造方法。 ６、炭素繊維束が原料繊維を不融化処理または耐炎化処
   理を行い、次いで集束剤を付着させた後、炭化処理して
   得られたものであることを特徴とする請求項１ないし５
   に記載の炭素繊維補強コンクリート又はその類似組成物
   の製造方法。 ７、炭素繊維束が原料繊維を不融化処理または耐炎化処
   理した後、炭化処理を行い、次いでサイジング剤を付着
   して集束して得られるものであることを特徴とする請求
   項１ないし５に記載の炭素繊維補強コンクリート又はそ
   の類似組成物の製造方法。