JPH0768739B2 - 長繊維補強セメント系部材 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は繊維補強材をセメント系マトリツクス中に配列
埋設してなる繊維補強セメント系部材に関するものであ
る。

＜従来技術＞ 一般に、繊維補強セメント系部材は板，筒中空板、ブロ
ツクなどの形状で土木、建築用部材として広く用いられ
る。

従来繊維補強セメント系部材としてはいわゆる石綿スレ
ートが代表的な例であつたが、最近では石綿による環境
公害防止の観点から、各種の有機、無機、金属繊維が補
強繊維として用いられるようになつて来た。

＜発明が解決しようとする問題点＞ しかしながら、これらのほとんどは短繊維を２次元又は
３次元ランダムにセメント系マトリツクス中に分散させ
る方法にて製造されるため、高強度高靭性成形体を得る
には大量の繊維を要し、無駄が多い。

特に高性能繊維を用いる場合には、繊維の強度や弾性が
十分に引き出せずコスト高になりやすいという欠点があ
つた。

このため長繊維を予め直線状又は格子状に成形し、セメ
ント系マトリツクス断面に一次元又は二次元に重点的に
配向させて成形体の物性を改善させる方法が考えられて
いる。

この方法によれば、繊維が二次元又は三次元ランダム配
向の成形体に比べて同一曲げ又は引張強度を得るのに少
量ですみ、材料設計ができるうえ、高性能繊維になるほ
どその力学的性能を有効に利用できるという利点があ
る。

一方、炭素繊維、アラミド繊維、耐アルカリガラス繊
維、高強度ビニロン繊維などの高特性繊維は引張強度が
セメント系材料自体に較べ著しく大きいことから、これ
らの繊維を配設したセメント系部材の引張或いは曲げの
最大応力度が高められる効果がある。

ところが、これらの高特性繊維は引張強度が大きいこと
に加え、引張破断伸びがわずか数％以下程度の引張弾性
率が大きい繊維である。

なかでもセメントのアルカリ性による劣化の問題がなく
耐久性に優れ、該部材製造時の高温蒸気養生にも耐える
などの利点を有する炭素繊維は引張破断伸びが２％以下
程度の引張弾性率が極めて大きい繊維である。

従つて、これらの引張破断伸びの小さな高特性繊維を用
いた繊維補強セメント系部材では、引張或いは曲げの最
大応力度に達した時点で繊維が破断してしまい、引張歪
み或いは曲げたわみが小さな変形能や靭性に乏しいとい
う欠点を有している。

そこで、かかる応力度や靭性を改良しようとする従来技
術としては、 板厚下半部の繊維量を上半部より多量とし、板厚下
半部の骨材量を上半部より少量とした繊維補強セメント
板（特開昭54−150420号公報）、 繊維を多量に混合した下層の繊維強度と必要に応じ
て繊維を少量混合した上層とが一体化され、下層の厚さ
が上下層の総計厚さに対して0.4〜0.7倍とされている繊
維補強セメント板（特開昭54−80324号公報）、 表面から3mm以内の表層部に集中して繊維を分散配
向せしめた繊維強化セメント硬化体（特開昭57−11861
号公報）、あるいは スチールメツシユを応力材として積層配筋し、該ス
チールメツシユ間に耐アルカリガラス繊維、アラミド繊
維、炭素繊維のメツシユを介装してなる高靭性フエロセ
メント板（特開昭60−125606号公報）等が知られてい
る。

しかしながら、これらの従来技術にも未だつぎのような
問題点がある。

即ち〜の場合においては、曲げ部材の引張応力が作
用する領域に繊維補強層を配設することにより曲げ応力
度を高める効果はあるものの、最大曲げ応力度に達し、
繊維が破断すると急激に応力度も低下し、最大曲げ応力
度を越える曲げたわみの範囲において、なお充分に大き
な応力度を保持するような優れた靭性のある部材は得が
たい問題がある。又の場合においては、配筋するスチ
ールメツシユが苛酷な使用条件或いは長期間経過などに
より腐食し、耐久性が悪くなるという欠点を有してい
る。

＜問題点を解決するための手段＞ そこで本発明者らはかかる問題点に鑑み鋭意検討した結
果、長繊維をセメント系曲げ部材が受ける引張応力に対
して同一面かつ同一方向に配設するに際し、破断伸びの
異なる特定の２種以上の長繊維を用いることにより、こ
れら問題点が解決出来ることを見い出し、本発明に到達
した。

すなわち、本発明の目的は、高強度かつ高靭性の繊維補
強セメント系部材を提供することにあり、そして、その
目的は引張応力を受ける長繊維補強セメント系部材であ
つて、該部材中に、該応力に対して同一面かつ同一方向
に、炭素繊維、耐アルカリ性ガラス繊維およびアラミド
繊維からなる群から選ばれた、破断伸びの異なる２種以
上の長繊維を配設することにより容易に達成される。

以下、本発明を詳細に説明する。

本発明に用いるセメントは、普通ポルトランドセメン
ト、早強ポルトランドセメント、高炉セメント、アルミ
ナセメントのほか、セメント製品を通常製造するのに用
いるような水硬性セメントであれば特に限定するもので
はない。

用いる長繊維は、高特性繊維として、炭素繊維、アラミ
ド繊維および耐アルカリ性ガラス繊維から、破断伸びの
異なる２種以上を選ぶ。

本発明におけるセメントマドリツクス中への長繊維の配
設方法の一例を第１図及び第２図に示す。第１図は本発
明部材の一例を側面からみた説明図であり、第２図は第
１図のＡ−Ａ′線で縦断した断面の説明図である。

各図中１は中央一点載荷曲げ試験により曲げ応力を受け
る繊維補強セメント系部材であり、２は破断伸びの大き
い長繊維、３は破断伸びの小さい長繊維であつて、これ
らは好ましくは部材の曲げ応力の中立軸（第１図中のＮ
−Ｎ′線）に対し、引張応力が作用する領域（第１図中
のＮ−Ｎ′線より下方部分）に、該応力に対して実質的
に同一面かつ同一方向に配設される。

ここで長繊維の長手方向が部材の引張応力の方向と同じ
方向である場合が最も引張応力の負担効果がすぐれてい
るので好ましい。しかし長繊維の長手方向が部材の引張
応力の方向と全く同じ方向でなくしても実質的に引張応
力を負担出来る場合には多少夫々の方向が異なつていて
もよい。

又上記図面では長繊維の配設が一層のみの場合を示した
が本発明はこれに限定されず、同種構成の配設を複数層
設けたり、他種構成の長繊維の層を別に配設しても良
い。

破断伸びの大きい長繊維とより小さい長繊維の大小関係
は少くとも認め得る程度の相対的大小関係があればそれ
なりに複合効果が得られるが、 の関係があれば、複合効果がより効果的に発揮されるの
でより好ましい。なお、３種以上の長繊維を使用する場
合、上記の関係は、破断伸びが最も小さいものと最も大
きいものでみることとなる。又上記関係の数値の上限に
ついては、特に制限はないが、使用される長繊維間で余
りに過大な開きがあると、意義が薄れるので、破断伸び
が最も近接した二種の長繊維間の上記比率が20以下、よ
り現実的には10以下の範囲から選択すれば良い。

更に、本発明の部材において、より好ましくは破断伸び
の大きい長繊維は、より小さい長繊維よりも大きな引張
強力を有する様に種類を選択すれば高強度でかつ高靭性
な特性をより適確に部材に付与することが可能となる。

ここで、繊維の引張強力は用いる長繊維の単位断面積当
りの引張強度とセメントマトリツクス中に配設される該
繊維の断面積との積の値として表わされ、そして、これ
らの引張強度及び断面積並びに破断伸びは例えば炭素繊
維の場合はJIS規格、R7601の方法により測定することが
出来、その他の繊維の場合も同方法に準じて測定するこ
とが出来る。

本発明で重要なのは、高特性の破断伸びの異なる２種以
上の長繊維を少くとも引張応力に対して実質的に同一面
かつ、同一方向に配設することである。

本発明のように長繊維を配設した繊維補強セメント系部
材の曲げにおける荷重−たわみ曲線の一例を第３図に示
す。第３図においてａ、ｂ、ｃはそれぞれ、実施例、比
較例１、比較例２で得られた部材のたわみ曲線である。
同図から明らかな通り本発明部材すなわち、ａではたわ
みが増すと破断伸びの小さな長繊維がまず破断し、荷重
が一旦若干低下するが破断伸びの大きな長繊維の補強能
力により、再び荷重が増大する。そして最終的には破断
伸びの大きな長繊維自体が破断し、荷重が漸減し零とな
る。

これに対して、破断伸びの大きい長繊維のみを配設した
場合には、第３図ｂのように長繊維が破断した時点の荷
重はａの場合とほゞ同等であるがたわみ量が小さい時点
での曲げ応力度において劣り、又、破断伸びの小さい長
繊維のみを使用した場合には第３図ｃのように繊維が破
断した時のたわみ量がａの場合より著しく小さくなる。

このように、本発明によればより高い曲げ応力度を保持
しつつ、靭性の優れた曲げ部材の得られることが明らか
である。

つぎに、本発明においては、長繊維は通常直径が数ミク
ロン乃至数十ミクロンの単糸が数百本乃至数万本束状に
なつたものを用いる。

そしてセメントマトリツクス中に配設する際の束として
の引張強度を確保し、取扱時の損傷を防ぐなどのため、
各種の高分子物質を含浸し付着させ単糸どうしを結着し
て用いるのが好ましい。具体的な高分子物質としてはエ
ポキシ樹脂、ウレタン樹脂、フエノール樹脂、ポリビニ
ルアルコールなどが用いられる。

又、セメントマトリツクスとの接着性を高めるために、
該繊維は表面酸化処理などの表面処理をしたり、付着す
る高分子物質として軟化点が40℃以上の未硬化状態のエ
ポキシ樹脂や、エポキシ樹脂層の上にさらにカルボキシ
ル変状ゴムポリマーを付着させる方法などを用いてもよ
い。セメントマトリツクスとの付着をさらに向上させる
ためには、高分子物質を含浸付着させた表面にさらに樹
脂にて細砂などを付着し、セメントマトリツクスへの投
錨効果を持たせてもよい。

又、本発明で用いる長繊維の形状としては直線状の一次
元のみならず、格子状、網状或いは織物状等の構成品を
帯状に形成して引張応力と同一面もしくは直交面に配設
することも出来る。特に網状の場合に、それが絡み織り
にて構成され、絡み繊維が本発明で云う繊維の長手方向
に配置されていると、より高強度高靭性の繊維補強部材
が得られ好ましい。本発明の長繊維のセメントマトリツ
クスへの埋込みは常法によつて行えばよい。

例えば従来の積層・埋設法によつてもよいし、予め立体
的に型枠内に組込んだ後、マトリツクス材料注入して硬
化させてもよい。

この際、バイブレーター等により振動をかけで脱泡して
やれば、セメントマトリツクスと補強用繊維集合体との
付着はさらに緊密になり、良好な機械的物性を得ること
ができる。

また、本発明の部材は板状、筒状、あるいは中空板、ブ
ロツク等の曲げ部材であればよく、その形状は特に限定
されるものではない。

＜発明の効果＞ 以上のように本発明によれば、補強繊維を曲げ部材が受
ける引張応力に対して、同一面かつ同一方向に配設する
際に炭素繊維、耐アルカリ性ガラス繊維およびアラミド
繊維からなる群から選ばれた、破断伸びが異なる２種以
上の長繊維を用いるという極めて簡易な方法により、少
量の繊維量で効果的かつ合理的な補強性能が発揮出来、
曲げ靭性及び強度のすぐれたセメント系部材を得ること
が出来る。

又、鉄筋コンクリート構造と同じように用途や荷重条件
に応じた断面設計が効果的かつ容易に可能となり、実用
状にも富む。

以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発
明はその要旨をこえない限り下記の実施例に限定される
ものではない。

実施例１ コールタールピツチから作られたメソフエーズ系高伸度
炭素繊維（直径約11ミクロンの単糸約4000本から成る）
をアセトンで希釈した硬化剤を含むエポキシ樹脂溶液に
て含浸し、加熱硬化して、樹脂含有率47％の直線状長繊
維（Ａ）を得、その物性を第１表中に示した。

一方、コールタールピツチから作られたメソフエーズ系
低伸度炭素繊維（直径約10ミクロンの単糸約2000本から
成る）を用い同様にして直線状長繊維（Ｂ）を得、その
物性を第１表中に示した。

長繊維（Ａ）２本をその長手方向にエポキシ系接着剤で
接合し１束にしたものを、幅:40×高さ:20×長さ:320mm
のセメント系曲げ部材の曲げ中立軸から7mmの距離（第
１図のＬ）に、該繊維の長手方向が引張応力方向と同じ
なるようにして、５束と長繊維（Ｂ）５本とを等間隔に
配設した。夫々の長繊維の繊維断面積及び引張強力を第
１表中に示した。

セメントは早強ポルトランドセメント、骨材は川砂（最
大2.5mm粒径）を用い、水／セメント比は0.4/1、骨材／
セメント比は0.67/1とした。

１週間養生後の繊維補強セメント系供試体をスパン260m
mで中央点載荷曲げ試験し、得られた曲げ応力度−たわ
み曲線を第３図ａに示した。

尚、繊維補強のないセメント系単味の供試体の曲げ強度
は81kg/cm²であつた。

比較例１ 実施例１で用いた高伸度炭素繊維（Ａ）のみを用い、実
施例１と同様にして配設し、長繊維補強セメント系部材
を得た。実施例１と同様の曲げ試験を行ない、得られた
曲げ応力度−たわみ曲線を第３図ｂに示した。

なお、ここで用いた長繊維の物性を第１表に示す。

比較例２ 実施例１で用いた低伸度炭素繊維（３）のみを用い、実
施例１と同様にして配設し、長繊維補強セメント系部材
を得た。実施例１と同様の曲げ試験を行ない、得られた
曲げ応力度−たわみ曲線を第３図ｃに示した。

なお、ここで用いた長繊維の物性を第１表に示す。

実施例２ 実施例１の低伸度長繊維（Ｂ）３本を接合し、１束にし
たものを２束と実施例１の高伸度長繊維（Ａ）３束と
を、中立軸から5mmの距離に等間隔に配設した。

一方、中立軸から7mmの距離に実施例１の高伸度長繊維
４本と実施例２の低伸度長繊維１本との計５本を等間隔
に配設した。

これらの断面積及び引張強力を第１表中に示し、得られ
た曲げ応力度−たわみ曲線を第４図に示した。

実施例３ 耐アルカリ性ガラス繊維（旭硝子社製商標「アルフアイ
バー」ARR2400TB）を用い、実施例１と同様にして直線
状長繊維を得、その物性を第１表中に示した。

このガラス長繊維２本を接合し、１束にしたものを３束
と、実施例１の高伸度炭素長繊維（Ａ）２本を接合し１
束にしたもの２束とを、中立軸から4mmの距離に等間隔
に配設した。

一方、中立軸から7mmの距離に同じガラス長繊維１本と
高伸度炭素長繊維（Ａ）２本とを等間隔に配設した。こ
れらの断面積及び引張強力を第１表中に示し、得られた
曲げ応力度−たわみ曲線を第５図に示した。

実施例４ アラミド繊維（米国デユポン社製、商標「ケブラー4
9」、1420デニール）を用い、実施例１と同様にして直
線状長繊維を得、その物性を第１表中に示した。

このアラミド長繊維４本を接合し１束にしたものを４束
と、実施例３のガラス長繊維２本とを、中立軸から3mm
の距離に等間隔に配設した。

一方、中立軸から7mmの距離に同じアラミド長繊維４本
と、ガラス長繊維１本とを等間隔に配設した。

これらの断面積及び引張強力を第１表中に示し、得られ
た曲げ応力度−たわみ曲線を第６図に示した。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の長繊維補強セメント系部材の一例を側
面から見た説明図、第２図は第１図のＡ−Ａ′線で縦断
した断面の説明図である。 第３〜６図は本発明の実施例及び比較例における長繊維
補強セメント系部材の曲げ試験時の曲げ応力度−たわみ
曲線を表わす。 １……繊維補強セメント部材 ２……破断伸度のより大きな長繊維 ３……破断伸度のより小さな長繊維 Ｌ……配設する長繊維の中立軸からの距離

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−133240（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−151749（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−87541（ＪＰ，Ａ) 実開 昭52−34518（ＪＰ，Ｕ) 実公 昭51−53071（ＪＰ，Ｙ２)

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】引張応力を受ける長繊維補強セメント系部
   材であって、該部材中に該応力に対して、実質的に同一
   面かつ同一方向に、炭素繊維、耐アルカリ性ガラス繊維
   およびアラミド繊維からなる群から選ばれた、破断伸び
   の異なる２種以上の長繊維を配設してなることを特徴と
   する長繊維補強セメント系部材。
2. 【請求項２】破断伸びの大きい長繊維が破断伸びの小さ
   い長繊維よりも大きな引張強力（用いる長繊維の単位断
   面積当りの引張強度とセメントマトリックス中に配設さ
   れる該繊維の断面積との積の値）を有することを特徴と
   する特許請求の範囲第（１）項記載の長繊維補強セメン
   ト系部材。
3. 【請求項３】 であることを特徴とする特許請求の範囲第（１）項もし
   くは第（２）項記載の長繊維補強セメント系部材。
4. 【請求項４】破断伸びの異なる２種以上の長繊維がいず
   れも炭素繊維であることを特徴とする特許請求の範囲第
   （１）項乃至第（３）項のいずれかに記載の長繊維補強
   セメント系部材。