JPH0625021B2

JPH0625021B2 - 炭素繊維強化セメント成形物中間体

Info

Publication number: JPH0625021B2
Application number: JP15601988A
Authority: JP
Inventors: 泰雄向後; 孝史春田
Original assignee: Taisei Corp; Toho Rayon Co Ltd
Current assignee: Taisei Corp; Teijin Ltd
Priority date: 1988-06-25
Filing date: 1988-06-25
Publication date: 1994-04-06
Anticipated expiration: 2009-04-06
Also published as: JPH026361A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、炭素繊維を強化材とし、セメント組成物をマ
トリックスとする軽量で高強度を有する硬化部材を製造
するための炭素繊維強化セメント成形物中間体及びその
製造法に関する。

本願発明の中間体は、一方向に配向した連続炭素繊維が
開繊し、その炭素繊維のフィラメント間にセメントペー
ストを含み、両面を低透湿又は非透湿性のフィルムで支
持したものである。

用途として、建築・土木分野にて使用され、特に建物の
外壁材、内壁材、床材、柱及び柱の補強、コンクリート
の型枠、橋梁として利用できる。

また、この本発明の中間体は、工場生産が可能で、工場
生産された中間体は、低透湿又は非透湿性のフィルム材
にて支持され、水分の蒸発を抑えた状態で保存され、工
場又は施工現場で使用される。

本発明の中間体の利用に際しては、従来のコンクリート
材料が、型枠に充填されて硬化・成形されるのと異な
り、低透湿又は非透湿性のフィルムを剥離し、所定量、
所定方向に繊維軸が配向するように積層され、あるいは
柱のような芯体に巻き付けられて、セメントの水和反応
によって硬化され、繊維強化セメント成形体として利用
する事ができる。

〔従来技術及び問題点〕

近年、セメント組成物の強化材として比強度、比弾性率
が高く、耐薬品性、耐蝕性が優れていることから炭素繊
維が注目を浴びている。しかし、これまでセメント組成
物を炭素繊維で強化する場合は、ほとんどが短繊維を混
入させて使用していた。短繊維を用いた場合、長繊維を
用いた場合に較べ、その強度、弾性率が寄与する効果が
小さく、また、混練上の問題から炭素繊維体積含有割合
はせいぜい 5％程度までである。

長繊維は強化材とすることにより、強度、弾性率が寄与
する効果を高めることができる。そこで炭素繊維やアラ
ミド繊維の長繊維を用いてセメント組成物を強化する方
法もあり、これらは長繊維をエポキシ樹脂やビニルエス
テル樹脂等の有機合成樹脂マトリックスで棒状又はロー
プ状等に成形し、鉄筋の代わりに応用されつつある。

しかし、これらは、長繊維に含浸したマトリックスが有
機物であるため、耐火性、耐熱性に乏しいという問題が
ある。

炭素繊維を強化材としセメント組成物をマトリックスと
した複合材料は、この耐火性、耐熱性に乏しいという問
題を解決することができ、既に本発明者等により開発さ
れている。

しかしながら、長繊維炭素繊維を強化材としセメント組
成物をマトリックスとした既開発の複合材料は、セメン
ト、炭素繊維そして水を主成分とするため比重が 1.8〜
2.0と大きく、用途によっては更に比重を小さくしたい
という要求がある。

〔発明の目的〕

本発明は、上述の如き問題がなく、そして比重が小さい
炭素繊維強化セメント成形物を得るための、炭素繊維を
強化材としセメント組成物をマトリックスとする取扱い
性に優れた成形物中間体を提供するものである。この中
間体は軽量建築部材等の製造に好適に使用される。

〔発明の構成及び作用〕

本発明は下記の通りである。

（１）セメントペーストを含浸した連続炭素繊維が一方
向に配向してなる成形物中間体において、該セメントペ
ーストがセメント微粉体 100重量部に対して平均粒径が
50μｍ以下のシラスバルーンを 5〜50重量部含み、且
つ、両面を低透湿又は非透湿性のフィルムで支持した炭
素繊維強化セメント成形物中間体。

本発明の好適な実施態様は、下記のとおりである。

（a ）セメントがポルトランドセメント、高炉セメン
ト、アルミナセメント、耐硫酸塩セメントのいずれかの
微粉体、又は、これらを主成分とする微分体である前記
請求項（１）の炭素繊維強化セメント成形物中間体。

（b ）炭素繊維含有率が 5〜30重量％である前記請求項
（１）の炭素繊維強化セメント成形物中間体。

炭素繊維を強化材としセメント組成物をマトリックスと
する本発明の成形中間体は、中間体中の炭素繊維が一方
向に配向した連続長繊維であり、採取の仕方により、所
定寸法にカット又はロールに巻いた形で得ることができ
る。

この中間体を所定の寸法、形状に裁断し、積層して後中
間体に含まれるセメントペーストの水和反応を進めるこ
とにより、炭素繊維強化セメント成形物が得られる。中
間体積層時に必要に応じて炭素繊維の配向方向を変える
ことができることは勿論である。

かくして得られる炭素繊維強化セメント組成物は、任意
の方向に強度、弾性率を向上させることが可能となり、
従来コンクリート構造物の補強のために用いていた鉄筋
が不必要となる。このため、鉄筋の錆、腐食によるコン
クリートのひび割れの問題がなくなる。また、セメント
中のアルカリと或る種の骨材が反応してコンクリートに
ひび割れを起すといわれるアルカリ骨材反応の心配もな
い。

本発明の構成を図面により説明する。

第 1図は、本発明の成形中間体を製造する方法の概念図
であり、第 2図はセメントペースト浴の斜視図である。
第 1図において、 1のクリールスタンドから供給された
炭素繊維束 2は、 4の炭素繊維走行位置規制ローラーで
引き揃え整トウされ、 7のペースト浴に導かれる。この
ペースト浴には炭素繊維束の走行方向に対して直角方向
に炭素繊維束を開繊するための開繊バー 5が配置され、
ここで開繊された炭素繊維のフィラメント間に 8のセメ
ントペーストが含浸する。このように炭素繊維束を強制
的に開繊させることによりセメントペースト中に含まれ
る比較的粒径が大きいシラスバルーンも炭素繊維のフィ
ラメント間に入る。

更に、ペースト浴出側には開繊バーと平行に 6の方向転
換バーが配置され、ペースト浴を出たシート状の炭素繊
維束は 9のスクイズバーで過剰のペーストを取り除いた
後、11の抵透湿又は非透湿性のフィルムからなる中間体
支持フィルムを、12の支持フィルム密着ローラーで中間
体の上下両面に密着させ、13の引き取りローラーで引き
取られる。得られる中間体は所定長に切断して、又は紙
管等に巻いてロール状にて採取することができる。

セメントペースト浴に配置される炭素繊維束開繊バーは
固定バー又は自由に回転できるローラーも使用可能であ
るが、開繊性が良く、炭素繊維の毛羽の巻き付きがない
等の点から回転しない固定バーが好ましい。

また、セメントペーストを含浸した炭素繊維束は、ペー
スト浴を出た後でピンガイドや溝ローラー等に接触する
と含浸ペーストの脱落、炭素繊維の毛羽発生によるトラ
ブルを起し易い。従って、ペースト浴を出た後で炭素繊
維束の走行位置を規制して、炭素繊維強化セメント成形
物中間体の炭素繊維目付を調整することは問題がある。
中間体の炭素繊維目付を調整するためには、第 2図に示
す如く、ペースト浴内に複数本数の開繊バーを設け、引
き揃えた炭素繊維束を各開繊バーへ導き、ペースト浴内
に複数層重ねる方法が好ましい。この方法によれば、炭
素繊維走行位置規制ローラーにより規制され、引き揃れ
たシート状の炭素繊維束が開繊バー部では所定間隔毎に
分散され充分な開繊幅が保障されペーストの含浸も良く
なる。このそれぞれの開繊バーを通過したペーストを含
浸したシート状の炭素繊維束は 6の方向転換バー部で一
層に重ね合され一体化されて、ペースト浴を出た時点で
既に所定幅、所定炭素繊維目付の中間体のシート状にな
っている。

炭素繊維束の開繊を均一にするため、ペースト浴に入る
前の炭素繊維束の張力を一定にすることが好ましい。こ
のために、クリール部で 1錘毎に調整するか、又はクリ
ール部からペースト浴間にダンサーローラーやニップロ
ーラーを配して調整することができる。

ここで使用される炭素繊維は、連続繊維であれば特に制
限はなく、ＰＡＮ系、ピッチ系、セルロース系等のいず
れでもよい。

そして、炭素繊維の含有率は 5〜30重量％の範囲が好ま
しい。 5重量％未満であると、炭素繊維強化セメント成
形物への機械的特性の寄与が小さく、また、セメントの
硬化収縮に抗しきれずクラックが発生する場合があり好
ましくない。30重量％超になると、炭素繊維束内へのセ
メントペーストの含浸が不均一になり、また、成形物中
間体としてのハンドリング性、例えば粘着性、積層時の
密着性等が乏しくなり好ましくない。

本発明におけるセメントとは、ポルトランドセメント、
高炉セメント、アルミナセメント、耐硫酸塩セメント若
しくはこれらのセメントのアルカリ分により水硬性を発
揮する微粉シリカとの混合微粉体、又は、これらを主成
分とする微粉体である。セメント中の微粉シリカの添加
割合は30重量％程度までであり、これ以上になると、混
練水の増加などをもたらすため好ましくない。

セメントと混合されるシラスバルーンはシリカとアルミ
ナを主成分とする微小中空球体であり、非常に軽く、ま
た、ポラゾン効果を有するためセメントのフィラーとし
て好適である。本発明で用いられるシラスバルーンは、
平均粒径が50μｍ以下のものが好ましい。粒径が大きく
なると炭素繊維束内へのペーストの含浸性が低下し、均
一な成形物中間体が得られなくなる。また、シラスバル
ーンの混合割合は、セメント微粉体 100重量部に対して
シラスバルーン、 5〜50重量部である。 5重量部未満で
は、軽量化効果が小さく、また、50重量部超では、混練
水の増加や炭素繊維束内部へのペーストの含浸不良等が
生じ不都合である。上記セメント及びシラスバルーン
は、所定量の水と混練されてペーストとなる。

尚、混練する時にペーストの流動性を調整し、また、混
練水を減少させることにより水和反応後の炭素繊維強化
セメント組成物の強度向上等のため高性能減水剤（ナフ
タレンスルホン酸／ホルムアルデヒド縮合体のアルカリ
及びアルカリ土類金属塩等）を添加することもできる。
これらを混練したペーストの組成は、セメント 100重量
部に対して水が30〜70重量部が好ましい。水が30重量部
未満であると、ペーストの流動性が低下することによ
り、炭素繊維束への含浸不良、積層時の密着不良等が生
じ易くなる。また、70重量部超になる成形物の強度が低
下して好ましくない。

高性能減水剤の使用量はセメント 100重量部に対して 0
〜 5重量部が好ましい。

5重量部超使用するとペーストの流動性は良くなるが、
セメント粒子が分離し易くなり好ましくない。高性能減
水剤は有機物であるが、添加量が極く少量であるため、
この炭素繊維強化セメトンの特徴の一つである耐火性を
損うことはない。炭素繊維強化セメント成形物中間体の
支持材は低透湿又は非透湿性フィルムであり、合成樹脂
フィルム等が好適に使用される。

〔発明の効果〕

本発明の炭素繊維強化セメント成形物中間体は非常に軽
い微小中空球であるシラスバルーンを含んだシート状の
中間体であり、この中間体は柔軟性があり、適度の粘着
性を有し、積層して成形する素材として好適である。

そして、この中間体を所定寸法に切断し、所定の炭素繊
維配向に積層成形することにより、軽量で強度が高く、
更に断熱、遮音、耐火性に優れた炭素繊維強化セメント
成形物が得られる。

〔実施例及び比較例〕

実施例１セメントとして微粉高炉系セメント（平均粒径 4μｍ）
100重量部、シラスバルーン（平均粒径40μｍ）30重量
部、高性能減水剤としてナフタレンスルホン酸塩高縮合
物 3重量部、水40重量部を計量混練してセメントペース
トを調製した。

このペーストを第 2図に示すペースト浴に入れた。この
浴には直径20mmの開繊バーが 5本配置されており、各開
繊バーに12,000本から成る炭素繊維束を20mm間隔毎に導
入、開繊させつつセメントペーストを含浸させ、ペース
ト浴後部の方向転換バーで各開繊バーごとの炭素繊維シ
ートを重ね合せた。

この時のペースト浴入側の炭素繊維束には 200〜 300mg
/dの張力をかけ、各炭素繊維束は、開繊バーで幅が10〜
20mmに開繊させた。

続いて、ペースト浴出側のスクイズバーで過剰のペース
トを除去し、セメントペーストが含浸した炭素繊維シー
トの両面に支持材であるポリエチレンフィルムを供給密
着させ、キャタピラー式引取機で引き取り、炭素繊維を
強化材としセメント組成物をマトリックスとする成形物
中間体を得た。この中間体は、炭素繊維の目付が 148g
／ｍ^２であり、炭素繊維重量含有率が11.8％であった。

この中間体 3枚を炭素繊維の配向方向が一方向になるよ
うに積層し、プレス成形機で1kg ／cm^２の圧力下、23℃
の室温で24時間水和反応を進め、いわゆる一方向強化炭
素繊維セメント複合材の板を成形した。

続いて、この板を50℃の温水中に48時間浸漬養生した。
得られた成形板は炭素繊維の配向の乱れや、層間のボイ
ドもなく良好であった。そして板の厚みは3.4mmで、炭
素繊維体積含有率は 7.4％であった。

この板から幅10mm、長さ130mm の試験片を切り出し、 3
点曲げ法（スパン／厚さ＝32）で強度を測定したとこ
ろ、24.1kgf ／mm^２と優れた機械的特性を有していた。
また、この成形板の比重は 1.1と非常に小さかった。

このものの比強度は 2.2×10^６cmであった。

比較例１（シラスバルーン不使用）セメントとして微粉高炉系セメント（平均粒径 4μｍ）
100重量部、シリカヒューム（平均粒径 0.1〜 2μｍ）
20重量部、高性能減水剤 2重量部、水40重量部を計量混
練してセメントペーストを調製した。以後の工程は実施
例１と同様にして成形物中間体を得た。この中間体は、
炭素繊維の目付が150g／ｍ^２であり、炭素繊維含有率が
7.3％であった。

この中間体 3枚を実施例１と同様に積層、硬化、養生し
て炭素繊維強化セメント複合材の板を成形した。

得られた成形板は炭素繊維の配向の乱れや、層間のボイ
ドもなく良好であった。そして、板の厚みは 3.1mmで、
炭素繊維体積含有率は 8.2％であり、三点曲げ法で強度
を測定したところ、28.1kgf ／mm^２と良好であった。し
かし、この成形板は比重が 1.9であり実施例１と較べ大
きいものであった。このものの比強度は 1.5×10^６cmで
あった。

【図面の簡単な説明】

第 1図は、本発明の成形物中間体を製造する方法の概念
図、第 2図は、セメントペースト浴の斜視図である。第 1図及び第 2図における主な符号の意味は次の通りで
ある。 1：クリールスタンド、 2：炭素繊維束、 3：ガイドロ
ーラー、 4：炭素繊維走行位置規制ローラー、 5：開繊
バー、 6：方向転換バー、 7：ペースト浴、 8：セメン
トペースト、 9：スクイズバー、10：支持フィルムアン
ワインダー、11：中間体支持フィルム、12：支持フィル
ム密着ローラー、13：引き取りローラー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セメントペーストを含浸した連続炭素繊維
が一方向に配向してなる成形物中間体において、該セメ
ントペーストがセメント微粉体 100重量部に対して平均
粒径が50μｍ以下のシラスバルーンを 5〜50重量部含
み、且つ、両面を低透湿又は非透湿性のフィルムで支持
した連続炭素繊維強化セメント成形物中間体。