JPH0585801A

JPH0585801A - 繊維強化無機質成形体とその製造方法

Info

Publication number: JPH0585801A
Application number: JP27184991A
Authority: JP
Inventors: Kanji Yamada; 寛次山田; Hirozo Mihashi; 博三三橋
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1991-09-25
Filing date: 1991-09-25
Publication date: 1993-04-06

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、土木建築分野で用いられる高強
度、高靭性な繊維強化無機質成形体およびその製造方法
に関する。【構成】無機質材料をマトリックスとし、強化材が少
くとも一層の網状成形体を含有し、少くとも一層の不織
布状の繊維構造体もしくは短繊維を分散させた層を備
え、かつ前記二層の強化材を積層し、第三の強化材であ
る線材で結合させる事を特徴とする。【効果】本法による繊維強化無機質成形体は、高強度
・高靭性で、しかも結合させる第三の強化材の本数によ
って強度と靭性の組み合わせを自由に設定できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、土木建築分野等で用い
られる繊維強化無機質成形体およびその製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】これまで繊維強化無機質板について種々
の提案がされている。

【０００３】例えば短繊維を特定方向に配向させること
なくランダムに分散させた繊維強化無機質板、および連
続繊維を一方向または二方向に配向して積層させた繊維
強化無機質板が知られている（例えば鹿島建設技術研究
所年報第２９号、第８１―８８頁、および第３０号、第
５７―６８頁：特開昭５９―１３６４７号公報）。

【０００４】短繊維を用いた強化方法では、繊維がラン
ダムに分散しているため強化の効率が悪い。

【０００５】一方連続繊維による強化方法では、繊維を
秩序立てて配向させて強化の効率を上げることができ
る。

【０００６】その一つの改良形態として、繊維を網状体
となし、熱硬化性樹脂で固定して一種の成形体（網状成
形体）とした後、水硬性無機質材料（以下、セメントと
呼ぶ）をマトリックスとして用いて一体化した板状物が
提案されている（特開昭５７―２１２０４７号公報）。

【０００７】しかしながら、一般にそのような網状成形
体を強化材として使用する場合には、網状成形体の繊維
束が必然的に有する屈曲の為に、セメントマトリックス
のかぶり部分が剥落し易いという欠点を持っている。

【０００８】このため網状成形体で強化された板状物が
曲げ荷重を受けたときには、網状成形体が引張応力によ
って破断する前にかぶり部分が剥落し、低強度での破壊
につながっている。

【０００９】そこで、網状成形体を立体的に編んでいわ
ゆる三次元編物となし、剥落を起こさないようにしてセ
メントマトリックスを強化することが考えられる（特開
昭６３―１３４７４１号公報）。

【００１０】しかし、この方法では下記の点で実用化に
難点があると思われる。すなわち、板状物の厚みに合わ
せた織物を準備する必要があるために汎用性に欠け、種
類が多くなりすぎる。

【００１１】さらに、三次元織物は繊維の利用効率、生
産効率、運搬効率が低く、結果的に高価である等であ
る。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、網状成形体
の利点を生かしつつかぶり部分が剥落することなく、網
状成形体の引張強度を生かした高強度、高靭性の繊維強
化無機質成形体とそれを製造する方法を提供することを
目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、硬化性無機質
材料をマトリックスとし、強化材が少なくとも一層の網
状成形体を有し、少なくとも一層の不織布状の繊維構造
体もしくは短繊維を特定方向に配向させることなくラン
ダムに分散させた層を備え、かつ前記の二層を積層し、
線材で結合した構造であることを特徴とする繊維強化無
機質成形体である。

【００１４】そして、本発明の第一の製造方法は、少な
くとも一層の網状成形体と少なくとも一層の不織布状の
繊維構造体を準備し、マトリックスを形成する硬化性無
機質材料と前記二層を積層させた後、両者を線材で結合
させ、賦形する事を特徴とする繊維強化無機質成形体の
製造方法である。

【００１５】また、本発明の第二の製造方法は、少なく
とも一層の網状成形体を準備し、短繊維を特定方向に配
向させることなくランダムに分散させた、マトリックス
を形成する硬化性無機質材料層を準備し、前記二層を積
層させた後、両者を線材で結合させ、賦形する事を特徴
とする繊維強化無機質成形体の製造方法である。

【００１６】本発明の重要な要件は以下の点である。

【００１７】まず、第１の強化材である網状成形体に近
接して、第２の強化材である短繊維または連続繊維から
なる不織布状の繊維構造体、もしくは短繊維を特定方向
に配向させることなくランダムに分散させた硬化性無機
質マトリックス層を備えている事である。

【００１８】次は、第３の強化材である線材をもって、
第１の強化材である網状成形体と第２の強化材である不
織布状の繊維構造体もしくは短繊維をランダムに分散さ
せた硬化性無機質マトリックス層を結合することであ
る。

【００１９】この２つの要件が両方とも成立して、初め
て、主要な引張強化材である第１の網状成形体のかぶり
部分の剥落を防止することができる。

【００２０】以上の２つの要件を備えた例として例え
ば、図１、図３が挙げられる。

【００２１】図１は第２の強化材として短繊維を用いた
例を示す。１は第１の強化材である炭素繊維網状成形体
を、２は第２の強化材である短繊維を混入したモルタル
を、３は第３の強化材であるステンレス繊維を示す。

【００２２】図３は第２の強化材として不織布を用いた
例を示す。１は第１の強化材である炭素繊維網状成形体
を、２は第２の強化材である炭素繊維不織布を、３は第
３の強化材であるステンレス繊維を、４はモルタルを示
す。

【００２３】最初の要件は、引張力を受けたときの網状
成形体のまわりのセメントマトリックスのクラックを分
散させるとともに、靭性を向上させ、かつ第３の強化材
である線材が抜けでることを防止する為に必要である。

【００２４】また、次の要件は、網状成形体が必然的に
有する屈曲によるかぶり部分の開口亀裂を、線材の引張
力によって押え込んで閉じさせる、いわば釘のような作
用を持たせる為に必要である。

【００２５】従ってこれら２つの要件が成立すれば、第
２の強化材と第１の強化材との位置関係については、上
面だけ、下面だけ、両方、あるいは複数の層構造として
互い違いの層を形成しても、同様の効果を発揮するもの
である。

【００２６】また、第３の強化材の長さについては、部
材の曲げ引っ張り側から曲げ圧縮側まで貫通することが
望ましいが、かぶり部分と第１、第２の強化材を結合す
ることにより目的を達することから、曲げ圧縮側に到達
しなくてもよい。

【００２７】それら強化材の位置関係と量については、
必要な強度、弾性率、靭性、製造条件等によって自由に
組み合わせることができる。

【００２８】第１の強化材である網状成形体に使用され
る材料としては繊維、繊維樹脂複合材または金属線の交
点を固着させた物を用いることができる。

【００２９】その内繊維としては、全ての合成繊維、高
強度繊維、及びそれらを含有する繊維樹脂複合材を使用
することができる。

【００３０】本発明で用いられる繊維の例として、ステ
ンレス繊維、炭素繊維、ガラス繊維、ボロン繊維、アラ
ミド繊維、ポリエチレン繊維、ビニロン繊維、アクリル
繊維、ポリプロピレン繊維、炭化ケイ素繊維、アルミナ
繊維等があげられるが、中でもステンレス繊維、炭素繊
維、アラミド繊維、耐アルカリガラス繊維などが好まし
い。

【００３１】これらの繊維は連続であればいずれの形状
であっても良く、また、マトリックスとの付着性を改善
するためにプラズマ処理、シランカップリング剤による
処理等が施されていてもよい。

【００３２】また、繊維樹脂複合材の例としては、上記
の繊維と熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂とからなる、
樹脂で被覆した繊維または樹脂含浸繊維が挙げられる
が、これらに限定されない。

【００３３】樹脂を繊維に含浸させて繊維樹脂複合材を
つくる場合、慣用の溶剤または水に溶解した樹脂、ある
いは溶融した樹脂のいずれをも用いることができる。

【００３４】特に溶剤に溶解した熱硬化性樹脂、特にエ
ポキシ樹脂ワニスが繊維内部への含浸性がよく、好まし
い。

【００３５】エポキシ樹脂としては、例えばビスフェノ
ールＡ系、フェノールノボラック系、環状脂肪族系、長
鎖脂肪族系等の種々のものを使用することができる。

【００３６】また、熱硬化性樹脂を使用する場合、完全
に硬化させる必要はなく、Ｂステージ、Ｃステージのい
ずれの状態でもよい。

【００３７】金属線の例としては、軟鋼線材、ステンレ
ス線よりなるクリンプ金網、溶接メッシュ等の成形体ま
たは軟鋼板材、ステンレス鋼板材よりなるエキスパンド
メタルを用いることができる。

【００３８】第２の強化材である不織布状の繊維構造
体、もしくはランダム分散用の短繊維に用いられる繊維
は、上記第１の強化材と同様に選択できる。

【００３９】また、不織布状の繊維構造体の製造方法と
しては、連続繊維を用いたスパンボンド法、つまりモノ
フィラメントまたはマルチフィラメントを綾振り、エヤ
ーサッカー等の機械的な方法で集積し接着剤処理した方
法、または短繊維を水中または空気中で攪拌してランダ
ムにした状態で接着剤処理する方法等を用いることがで
きる。接着剤はスプレーで吹き付けても接着剤浴中に浸
漬してもよい。

【００４０】また粒状の接着剤を集積した繊維に絡み取
らせて後で熱または溶剤によって溶解させて接着しても
よい。

【００４１】また、不織布の密度は硬化性無機質マトリ
ックスが十分浸透できるように疎であることが製造上か
ら好ましいが、必要な強度、靭性とマトリックスの流動
性の程度に応じて、密なものも用いることができる。

【００４２】第３の強化材である線材は、第１の強化材
と同様な繊維または繊維樹脂複合材から選択できるほ
か、より好ましくは金属線材を用いることができる。

【００４３】これらの線材に要求される条件としては、
硬化性無機質マトリックスとの付着強度が重要であり、
突起をつけるなど異形化されることによって機械的な付
着強度が高められているか、または化学的な処置によっ
て付着強度を高めていることが好ましい。

【００４４】例えば異形処置されたステンレス繊維、鋼
繊維、ステンレス釘、鋼釘などが経済性、強度、弾性率
等の特性から好ましい。

【００４５】なお以上３種類の強化材の材種は同じであ
っても、異なっていてもよい。

【００４６】硬化性無機質マトリックスは、普通ポルト
ランドセメント、高炉セメント、早強セメント、高炉水
砕粉末、高炉スラグ粉末等を結合材とし、細骨材として
珪砂、山砂、川砂、海砂、砕砂、天然もしくは人工軽量
砂を用いたモルタルが第２の強化材への浸透性、分散性
の面から好ましい。

【００４７】必要であればシリカフュームのような混和
材、減水剤、流動化剤のような混和剤を加えることもで
きる。また、粗骨材を加えたコンクリートとして用いる
こともできる。

【００４８】マトリックスである硬化性無機質材料は、
第１、第２の強化材の両方に十分浸透させることが必要
で、コテ塗、スプレーなどの方法によるほか流動性に優
れたセメントマトリックスを用いてキャスト成形で浸透
させる方法、または押出機を使用して押出圧力で圧入さ
せる方法を用いることができる。

【００４９】また第３の強化材の挿入には、マトリック
スが硬化する前にネイラーなどの釘打ち機械によって一
本毎に打ち込む方法、強化材を混入させた圧搾空気を吹
き付けることによってまとめて打ち込む方法等がある。

【００５０】また第２の強化材にあらかじめ第３の強化
材を貫通させておくか、第１の強化材にあらかじめ第３
の強化材を固着させておいて用いることで同様の効果を
得ることも可能である。

【００５１】

【実施例】以下、実施例により本発明を更に詳しく説明
するが、実施例で使用する材料は次の通りである。

【００５２】セメントは早強ポルトランドセメント（比
重３．１３、２８日圧縮強度４８６ｋｇ／ｃｍ²）、骨
材は粉末珪砂（粒度；０．０５３ｍｍフルイ通過重量８
０％）、また混和剤としてナフタリンスルホン酸塩系縮
合物を用いた。

【００５３】これらの材料の配合は次の通りである。

【００５４】

【表１】

【００５５】強化材は、第１の強化材として炭素繊維メ
ッシュ（品番ＣＴ１３６）を用いた。

【００５６】同メッシュはＰＡＮ系炭素繊維を絡み織り
にて織成し、エポキシ樹脂で含浸硬化させた物で、経と
緯方向のピッチが７．５ｍｍ、引張弾性率２４ｔ／ｍｍ
²、引張強度が経４１３ｋｇ／４本、緯３１４ｋｇ／４
本、伸びが経２．９％、緯２．３％である。

【００５７】第２の強化材に不織布状材料を用いる場合
は、ピッチ系炭素繊維マットを用いた。

【００５８】同マットは長さ２５ｍｍの炭素繊維を厚さ
０．７ｍｍ、目付量５０ｇ／ｍ²に固めた物で、原紙の
引張強さは６０．２ｋｇ／ｍｍ²、引張弾性率は３．０
ｔ／ｍｍ²である。

【００５９】また、第２の強化材として短繊維を用いる
場合は、ＰＡＮ系炭素繊維を６ｍｍに切断した物を用い
た。同繊維は引張強度４３０ｋｇ／ｍｍ²、弾性率２４
ｔ／ｍｍ²である。

【００６０】第３の強化材は異形ステンレスファイバー
を用いた。同材料は鋼種がＳＵＳ４３０、繊維太さは
０．４ｍｍ×０．７ｍｍ、長さは１５ｍｍで、弾性率が
２０．４ｔ／ｍｍ²、引張耐力が２１ｋｇ／ｍｍ²、引張
強度が４６ｋｇ／ｍｍ²、伸びが２２％である。

【００６１】養生は、打設後２４時間湿空養生をし、２
週間２０度の水中養生を行なって載荷試験をした。

【００６２】試験体の大きさは幅５０ｍｍ、厚さ１５ｍ
ｍ、長さ１５０ｍｍとして中央部集中載荷試験を行なっ
た。

【００６３】

【実施例１、２、３】図１に示す本発明の繊維強化無機
質成形体を製造し、載荷試験を行なった。

【００６４】１は第１の強化材である炭素繊維網状成形
体を、２は第２の強化材である短繊維を３％混入したモ
ルタルを、３は第３の強化材であるステンレス繊維を示
す。

【００６５】本実施例では第１の強化材に炭素繊維網状
成形体を３層重ねて型枠中に配列し、その後第２の強化
材となるＰＡＮ系炭素繊維の短繊維をセメントモルタル
中に容量比で３％分散させたマトリックスを打設した。

【００６６】その後マトリックスの硬化前に第３の強化
材を打ち込んだが、打ち込み本数を第２表に示す３種類
変えた試験体を作成した。

【００６７】また、比較例として第１の強化材だけを実
施例と同量用いた成形体（比較例２）と、第１と第２の
強化材をそれぞれ実施例と同量用いた成形体（比較例
１）を製造してその差異を確かめた。

【００６８】結果の荷重―撓み曲線を図２に示す。破壊
形式、最大荷重、荷重変位曲線で囲まれる面積の一覧表
を第２表に示す。

【００６９】１は第１の強化材である炭素繊維網状成形
体を、４は第２の強化材である炭素繊維不織布を、３は
第３の強化材であるステンレス繊維を、２はモルタルを
示す。

【００７０】以上の例でも明らかなように実施例の場合
には比較例２に比べ、曲げ荷重が８倍から１０倍、靭性
を示す指標である荷重変位曲線下の面積が２倍から３倍
に達している。

【００７１】また、比較例１に比べても曲げ強度が２倍
以上、荷重変位曲線下の面積が１．５倍から２倍に達し
ている。

【００７２】

【表２】

【００７３】

【実施例４、５、６】図３に示す繊維強化無機質成形体
を製造し、載荷試験を行なった。本実施例では、第２の
強化材であるピッチ系炭素繊維の不織布にセメントモル
タルを擦り込んで型枠中に配列し、次に第１の強化材で
ある炭素繊維網状成形体を重ねるという工程を繰り返
し、不織布を４層、網状成形体を３層用いて互層にし
た。

【００７４】その後繊維の入らないセメントマトリック
スを規定厚みまで打設した。

【００７５】マトリックスの硬化前に第３の強化材を打
ち込んだが、打ち込み本数を第３表に示す３種類変えた
試験体を作成した。

【００７６】また、比較例として第１の強化材だけを実
施例と同量用いた成形体（比較例５）と、第１と第２の
強化材をそれぞれ実施例と同量用いた成形体（比較例
４）を製造してその差異を確かめた。

【００７７】結果の荷重―撓み曲線を図４に示す。破壊
形式、最大荷重、荷重変位曲線で囲まれる面積の一覧表
を第３表に示す。

【００７８】以上の例でも明らかなように実施例の場合
には比較例５に比べ、曲げ荷重が９倍から１０倍、靭性
を示す指標である荷重変位曲線下の面積が３倍から４倍
に達している。

【００７９】また、比較例４に比べても曲げ強度が２倍
以上、荷重変位曲線下の面積が３倍から４倍に達してい
る。

【００８０】

【表３】

【００８１】

【発明の効果】従来、第１の強化材（炭素繊維網状成形
体等）だけで強化した水硬性無機質マトリックスの強
度、靭性は低く、本格的な使用に耐えるものができなか
った。

【００８２】その原因は、網状成形体のコストパフォー
マンスが低く、破壊時の靭性が低いためである。

【００８３】本発明に従えば、わずかの短繊維を混入す
るか経済的な不織布を複合化させることで、第１の強化
材の破断強度まで利用することが可能となる。

【００８４】その結果、成形体は曲げ破壊荷重が大きく
コストパフォーマンスが上昇し、また破壊に際しても靭
性に富んだ性状となす事ができる。

【００８５】また、本発明の優れているのは、第３の強
化材の本数によって、得られる強度と靭性の組合せを変
えられる点である。

【００８６】例えば、低靭性でも高強度を得たい場合は
第３の強化材の打ち込み本数を少なくし、低強度でも高
靭性を得たい場合は第３の強化材の打ち込み本数を増や
すことによって対応できる。

【００８７】以上の事により初めて本格的な使用に耐え
ることを可能ならしめた。

【００８８】従来、高価な３次元織物でしか到達できな
かった高い曲げ強度と高い靭性を２次元織物を用いて得
ることが可能となった点、および強度と靭性の自由な組
合せを設定できる点に鑑み、本発明の効果は顕著であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１、２、３を示す説明図である。

【図２】実施例１、２、３と比較例１、２の荷重―変位
曲線を示す図である。

【図３】実施例４、５、６を示す説明図である。

【図４】実施例４、５、６と比較例４、５の荷重―変位
曲線を示す説明図である。

【符号の説明】

１炭素繊維網状成形体２モルタル３ステンレス繊維４炭素繊維不織布

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】硬化性無機質材料をマトリックスとし、
強化材が少なくとも一層の網状成形体を有し、少なくと
も一層の不織布状の繊維構造体もしくは短繊維を特定方
向に配向させることなくランダムに分散させた層を備
え、かつ前記の二層を積層し、線材で結合した構造であ
ることを特徴とする繊維強化無機質成形体。
【請求項２】少なくとも一層の網状成形体と少なくと
も一層の不織布状の繊維構造体を準備し、マトリックス
を形成する硬化性無機質材料と前記二層を積層させた
後、両者を線材で結合させ、賦形する事を特徴とする繊
維強化無機質成形体の製造方法。
【請求項３】少なくとも一層の網状成形体を準備し、
短繊維を特定方向に配向させることなくランダムに分散
させた、マトリックスを形成する硬化性無機質材料層を
準備し、前記二層を積層させた後、両者を線材で結合さ
せ、賦形する事を特徴とする繊維強化無機質成形体の製
造方法。