JPS62238734A - 繊維補強軽量セメント硬化体 - 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」 本発明は、軽量かつ高強度のセメント硬化体に関するも
のである。

「従来の技術」 セメント硬化物のような脆性材料を繊維で補強しようと
する試みはかなり昔からあり、最近は炭素繊維やアラミ
ド繊維の利用が検討されている。

炭素繊維で補強したセメント硬化体として文献［秋浜：
ロ本複合材料学会誌１０．４．（１９８４）、１４５　
］に開示されている如（、セメントモルタルと混和剤と
からなるセメントマトリックス中にミキサーを用いて短
繊維の炭素繊維を混練し同繊維を三次元ランダムに配合
させたのちこれを成形硬化して製造したものがある。こ
のような硬化体は、混入した繊維が短ｔＪＩｉ維であり
かつランダムに配合しているため力学的な補強効果が小
さい。この欠点を改６したものとして炭素繊維をノート
状のペーパー又はマットにして利用したものがあるが、
セメントマトリックス中 全没せず空洞ができてしまい期待した程の補強りＪ果が
得られなかった。更にセメント硬化体を軽量化するため
にセメントモルタル中へ軽量　−ｈ　、＋オを１７１人
することが行われているが、この場合にはセメントモル
タルの粘度が上昇するため一層前記含浸が困■になり補
強効果が上らなかった。この欠点を改善したものとして
例えば特開昭５７−１３３０１３号公報に開示されてい
る如く、芯材の上面及び下面に補強繊維の入ったセメン
トモルタル層を形成しこの全体を加圧成形して七メント
硬化体を作るようにしたものがある。

「発明が解決しようとする問題点」 前記特開昭５７−１３３０１３号公報に開示された方法
で得られるセメントモルタルは従来のものにくらべ軽量
かつ高強度の点で多少の効果はあるが、曲げ強度が低く
、かつ曲げ強度試験を実施した時に芯材と礒強層の間で
層間剥離を生ずるという問題がある。

「問題点を解決するための手段」 発明は、かくの如き従来のセメント硬化体の問題点を解
決すべくなしたものである。

すなわち、本発明は、第１図に示す如く軽量骨材とセメ
ントモルタルと合成樹脂エマルジョンとからなる芯材１
の上面およびまたは下面に区繊維の炭素繊維およびまた
はアラミド繊維を含むシートと合成樹脂エマルジョンを
添加したセメントモルタルからなる表層材２を接着せし
めた繊維補強軽量セメント硬化体を提供するものである
。

以下に本発明について更に詳細に説明する。

本発明に用いる軽量骨材は、例えばｔＩｉ細中空ガラス
球であるシラスバルーンやパーライト等のようなＱ％ｌ
ｌ質中空体中空体は発泡スチロール等のような￥ｉ′機
質中質中空体いられる。

本発明に用いる芯材は、前記軽量骨材にセメントと水と
後述する水性合成樹脂エマルジョンを配合したセメント
モルタルを加え充分に混練したもので、これらの混合比
は特に定めないが軽量骨材（Ｓ）とセメント（Ｃ）の混
合比（容量）　Ｓ／Ｃは０．１乃至ｌの範囲、水（−）
とセメント（Ｃ）の混合比（容量）ｗ／ｃは０．２乃至
ｌの範囲、水性合成樹脂エマルジョン（ε）とセメント
（Ｃ）の混合比（容Ｈ）Ｅ／Ｃは０．１乃至０．６の範
囲にそれぞれあることが好ましい。

本発明に用いるシートは、集束なしの状態で一方向に配
列した引張強度が１００ｋｇ／ｓｓ’以上の連続した長
繊維の炭素繊維およびまたはアラミド繊維の上に長さ３
０鰭以下の化学繊維とバインダー繊維を固着してなるも
のである。

前記シートに用いる炭素繊維は、引張強度が１００　ｋ
ｇ　／　ａｎ　”以上であって連続した繊維の形態をと
っていればよく、ＰＡＮ系、ピッチ系その他いづれでも
用いることができる。引張強度が１００ｋｇ／龍２未満
の炭素繊維は、補強材としての効果が低いので、多数用
いな（ではならず、シート製造時に連続した繊維を配列
する手数がかかりシートの製造コストを引上げる要因と
なるので好ましくない、また、連続した繊維の形態とは
、前記シートの長繊維配列方向についてシートの一端か
ら（ｔｈ端までの間においてｕｈ維が分断されていなけ
ればよいのである。その点でＰＡＮ系のストランドのよ
うな連続繊維は利用し易い。

繊維の径は２０．１１−以下が好ましい、２０μ−を超
えるものは、繊維自体の柔軟性がなくなるために、これ
を用いて作ったシートを取扱う際に、繊維の折ｔｉが生
じやすくなる。

前記シートに用いるアラミド繊維は、前記炭素ＩＪｌ１
ｍと同等の物性のものであり例えば芳香族ポリアミドか
ら作られる米国デュポン社のケブラー（登録商４１Ｊ）
が用いられる。

前記シートに用いる前記長繊維は各フィラメントが小猿
に容易に分離できる形態であることが必要である。集束
化した繊維を用いた場合はセメントモルタルの含浸性が
良くないので、集束剤を除。

去して繊維を開繊化する工程が必要となる。すなわち、
前記シートを用いて繊維補強セメント硬化体を作る際、
前記シートをセメントモルタルペーストに含ませるので
あるが、セメントモルタルのようにセメント粒子と細骨
材を水で分散させたものはｔｄｈ維の径に比べて粒径が
比較的大きな材料を含んでいるため繊維間の隙間がある
程度大きくないとモルタルの構成成分が分離し極めて強
度の低いセメント硬化体となりその結果強度試験におい
て繊維の引き抜けを生じ補強効果の大きなセメント硬化
体が製造できないのである。

前記シートに用いる長繊維は、一方向または縦横の二方
向に所望の間隔をあけて配列したものあるいは布状に織
ったものが用いられる。ただし布状に識ったものは繊維
間の間隔を少な（とも０．５鰭以上とすることが必要で
ある。

前記シートに用いる長さ３０龍以下の化学繊維としては
、前記炭素繊維及びアラミド繊維のほがビニロン繊維、
ポリプロピレン繊維、ポリエチレン繊維、アクリル繊維
等をあげることができる。また、前記短繊維の長さは３
０龍以下で２乃至２０ｍが好ましい。３０鶴以上の繊維
は、水中での均一な分散が不可滝なため出来上ったシー
ト内において短繊維の密度の不均一な部分ができセメン
トモルタルの含浸がむらになって均質なセメント硬化体
が作れないのである。なお、前記短繊維の使用量は特に
定めないがシートの模厚に関係するのでセメント補強用
の場合にはシートの目付量で１０乃至１００ｇ１ｒｄ程
度が良い、短繊維は、シート内で長繊維が移動しないよ
う固定する働きと、セメント硬化体に用いた時に長繊維
の配列直角方向における硬化体のクランクを防止する働
きをもつものと考えられる。

前記シートに用いるバインダー繊維としては、前記長繊
維や短繊維の各々を接着してシート自体の強度を上げる
ことによりシート製造時やハンドレイアップ作業時の作
業性を向上させる働きをするもので、加熱及び乾燥によ
って接着力を発揮する例えばビニロン系のνＰ［１（（
１１クラレ製）やポリエチレン系のＳＷＰ　（三井石油
化学工業■製）が用いられる。繊維の長さは前記短繊維
と同程度かこれより短か目でよく、使用量は短繊維の１
／１００乃至１１５でよい、　１／１００以下では繊維
と繊維の間の接着力が低いので、シートを取扱う際に破
損しやすくなる。また、１１５以上では、シートの柔軟
性の不足やセメントモルタルと補強繊維の間の接着力を
低下させるので、積層体の強度が大幅に低下する。

なお、前記シートに用いる長繊維と短繊維の合計量は特
に定めないがシートとしての厚みが０．１乃至２鰭の範
囲に入るように各繊維の量を決めるのがよい、シートの
厚みが０．１ｍ以下ではシートが破１０し易く、２ｆｉ
以上ではセメントモルタルがシートの中へ浸透し難（な
ることと気泡を巻きこみ易くするため補強効果を減退さ
せるので好ましくない。

つぎに前記シートの製造プロセスについて詳述する。

まず、例えば第２図に示すような抄紙試験装置を用怠し
、この金網の上に金網の長さよりも長い連続した長繊維
の炭素繊維およびまたはアラミド繊維を開繊した状態で
一方向に配列させる。つぎに、長さ３０ｕ＋以下の化学
繊維とこれと同程度かこれより短か目の長さのバインダ
ー繊維とをミキサー等の分散機を用いて均一になるまで
水に分散させる。つぎにこれを前記抄紙試験装置の上部
槽に入れたのち減圧弁を操作して吸引ろ過し水を下部槽
に移す、この時金網上には、配列された長繊維の上部に
長さ３０鰭以下の化学繊維とバインダー繊維が二次元ラ
ンダムに配向した層が形成される。

続いて金網上に形成された前記形成物をはがし余分な水
分を除去し乾燥してシートとする。乾燥方法としては室
温で放置してもよいが、紙乾燥機等を用いて強制乾燥さ
せた方がバインダー繊維の接着力が強化されシート自体
の引張強度が大きくなるので好ましい。

上記の如くして得られるセメント補強用シートを用いた
セメント硬化体は、硬化体に対する。長繊維の含有量が
ｌ′ｓ量％以下において長繊維配列平行方向の強度がｌ
ｏＯｋｇ／−前後の高強度のもので、ｖｔｔ！維を用い
ないシートおよび集束したままの長繊維を用いたシート
を使ったセメンＩ・硬化体にくらべ長繊維配列直角方向
の強度を保った上、配列平行方向の強度を約２倍に向上
した。また、シートにしないで長繊維を直接セメントモ
ルタルに含ませたセメント硬化体にくらべ配列平行方向
の強度を保った上配列直角方向の強度を大巾に向上でき
ることがわかった。

本発明に用いる表層材は、前記シートに、所定量のセメ
ントと水と後述する水性合成）Ｈ脂エマルジ日ンを配合
したセメントモルタルを含浸させたものである。

本発明に用いる水性合成樹脂エマルジョンとしては、ア
クリル系エマルジョン、エチレン−酢酸ビニル系エマル
ジョン、スチレンープダジエン系ラテックス、アクリロ
ニトリル−ブタジェン系ラテックス、メチルメタクリレ
ート−ブタジェン系ラテックス等が用いられる６本発明
においては芯材と表層材との界面における接着力を強く
することが重要であり、芯材と表層材とが互いに反対の
極性のものを用いることによって接着効果が向上し、そ
の結果、得られるセメント硬化体の曲げ強度を増大でき
ることを見いだしたのである。すなわち、芯材に用いる
セメントモルタルにアニオン性の合成樹脂エマルジョン
を含有させた場合は表層材に用いるセメントモルタｔｐ
にはカチオン性の合成ＩＨ脂エマルジョンを含有させた
ものを用いればよく、逆に芯材にカチオン性合成樹脂エ
マルジジンを用いた場合は表層材にアニオン性合成樹脂
エマルジョンを用いて差支えない、これに対して芯材と
表層材に同じ極性の合成樹脂エマルジョンを用いた場合
には得られるセメント硬化体の曲げ強度の向上が若干低
くなる。なお、合成樹脂エマルジョンに極性を付与させ
るには例えば各種のモノマーを共重合させればよい。ア
クリル酸、メタクリル酸、無水マレイン酸等カルボキシ
ル基を存する七ツマ−からは極性としてアニオン性の合
成樹脂エマルジョンができ、ビニルピリジン、ジメチル
アミノエチルメタクリレート等アミノ基を有する七ツマ
−からはカチオン性の合成樹脂エマルシヨンができる。

前記シートに含浸させるセメントモルタルは、芯材に用
いるものよりも含浸性を高くする必要があるので比較的
大きな骨材例えば軽量骨材を含有させないようにして低
粘度に調整したものを用いるのが良い。

本発明の繊維補強軽量セメント硬化体は、たとえばつぎ
のようにして製造することができる。先ず、所望の深さ
を有する型枠を用意しその底部に前記シートを敷き、前
記表層材用のセメントモルタルをスプレー法やごて塗り
法等によって前記シートの上に一定の厚みに？Ｉｌ　ａ
する。その直後に、別途調整しておいた前記芯材を所望
の厚みに充填する。この芯材は加圧プレスや押出機を用
いて製造したものでモルタルが未硬化状態にあるものを
８１層して用いてもよい。つぎに、前記シートと表層材
用セメントモルタルを用いて、前記芯材の上に表層材を
形成する。続いて前記型枠内容物を型枠に入ったまま振
動機にかけモルタル内の気泡を除去したのち、硬化させ
、養生すれば所望のセメント硬化体が得られる。

「実施例」 つぎに実施例および比較例によって発明をさらに具体的
に説明する。

実施例１ 芯材としてシラスバルーン６０ｆｒｆ１部と早強ポルト
ランドセメント１００ｆｆ！ｆｆ１部と水５０重量部と
アニオン性アクリル系エマルジョン（大日本インキ化学
工業（掬製ポンコート４００１）２０　正１１部とをセ
メントミキサーで混練したものを用い、つぎに表層材用
シートを下記によって作った。すなわち長繊維としてＰ
ＡＮ系炭素炭素繊維邦へスロン■ｌ　ＩＩＴＡで引張強
度３６０ｋｇ／　１ｍ”　、１Ｊｌｉ維径１ｐｍのもの
）を６０００本隼束１たものを用い、これを水中で開繊
化し５０ｃ＋５Ｘ１０ｃ＋ｍの金網を有する抄紙試験機
の金網上にその長手方向に１２０００本配列し１つぎに
ピッチ系炭素ｔＡｌｔ維（呉羽化学■製Ｃ−１１（ＩＴ
で引張強度６０ｋｆ／ｍｓ’、繊維径１８μｍのもの）
で長さＩｏｔｍのチョップ２ｇと熱水可溶性のビニロン
系繊維（■クラレｉ！！ＶＰＢ１０５）　’？’長さ５
　ｍｍ　（７）　チ！ｌ　ッ７’Ｏ，１ｇを２０１の水
にミキサーを用いて分散させたものを上部槽に入れたの
ち減圧弁を操作して吸引ろ過したのち金網上の形成物を
剥離し乾燥してシーＩ・とじた。

つぎに長さ５０ｃＩＩＳ＠１Ｏｃａの前記シートを５０
ｃｎｘ１ｇｃｔａ　Ｘ　ｌ　ｃｍの型枠の底部に敷き、
早強ポルトランドセメント１００　ｆｆｌ量部と水４０
重量部とカチオン性アクリル系エマルンヨン（大日本イ
ンキ化学工業（１菊製ボンコートＳｌ’Ｃ５５）２０重
量部とをｌ昆練したセメントモルタルをシートの上から
注入し、こてを用いてモルタルを充分シートに含浸させ
た。つぎにこの表層材の上へ前記芯材を注入し、さらに
この芯材の上へ前記シートと同じシートを置き、このシ
ートの上から前記表層材用モルタルと同じモルタルを注
入した。この晴層体を振動周波数５０乃至１００１１ｚ
の振動機で３分間加振したのち空気中で２４時間放置し
、脱型し、７０間空気中で養生した。

材料試験機でこの硬化体の長繊配向方向の曲げ強度を測
定した結果は第１表のとおりであった。なお、前記脱型
時の硬化体の厚みは１０ｍｍで最下層がｌ　ｍｕ、中間
層が７鶴、最上層が２龍であった。

実施例２ 長繊維として集束してないアラミド繊維（デエボン社製
ケブラー４９で引張強度２８０ｋｇ／ａｍ２、繊維Ｈ１
２μｍのもの）を用いた以外は実施例１と同じ材料、装
置、条件で硬化体を作りその曲げ強度を測定した結果は
第１表のとおりであった。

実施例３ 化学繊維としてコンクリート補強用ビニロン繊維（クラ
−０１製ＲＫＷ１８２　）で長さ６龍のチョップを用い
たことと、カチオン性アクリル系エマルジョンを芯材用
モルタルに用い、アニオン性アクリル系エマルジョンを
表層材用モルタルに３０重量部用いた以外は実施例１と
同し材料、装置、条件で硬化体を作りその曲げ強度を測
定した結果は第１表のとおりであった。

実施例４ 実施例１に示すピッチ系炭素繊維のチョップ１ｇと熱水
可溶性のビニロン系繊維の長さ５　ｍｍのチョップ０．
１ｇを用いる以外に実施例２に示すアラミド繊維のチョ
ップ（長さ６　ｍｍ　Ｎ、５ｇを用い、実施例１と同し
材料、装置、条件で硬化体を作りその曲げ強度を測定し
た結果は第１表のとおりであった。

比較例１ 長繊維は使用せず、ピッチ系炭素繊維（奥羽化学■製（
：　−１１０Ｔで引張強度６０−／龍２、繊維径１８μ
−のもの）で長さｌＱａｍのチョップ３ｇと熱水可溶性
のビニロン系繊維（ｎクラレ製ＶＰＢ１０５　）で長さ
５龍のチョップｏ、ｔｇを２０１の水にミキサーを用い
て分散させ実施例１と同じ装置、同じ条件で作ったシー
トを用いた以外は実施例１と同じ材料、装置、条件で硬
化体を作りその曲げ強度を測定した結果は第１表のとお
りであった。

比較例２ 長繊維は使用せず、比較例１のピッチ系炭素繊維で長さ
１０ｍ−のチョップ３ｇと熱水可用性のビニロン系繊維
（■クラレ製ＶＰＢ１０５　）で長さ５１−のチョップ
Ｏ，１ｇを２０１の水にミキサーを用いて分散させ、実
施例１と同じ装置、同し条件で作ったシートを用いた以
外は実施例１と同じ材料、装置を用いたが、実施例１に
示すセメントモルタル中に合成樹脂エマルジョン（アニ
オン性アクリルエマルジョンとカチオン性アクリルエマ
ルジョン）を全く含まずに用い、硬化体を作り、その曲
げ強度を測定した結果は第１表のとおりであった。

第１表より実施例はいづれも比較例にくらべて嵩比重が
同等で、かつ曲げ強度が２倍以上高いことがわかった。

第　　１　　表 ＯｂＯ印・・・層間の剥離なし　×印・・・剥離あり「
発明の効果」 以上のべた如く、本発明の繊維補強軽量セメント硬化体
は、各層間の密着性が向上したことと、−次元配向した
長繊維のシートを用いたことによって曲げ強度が大幅に
向上し、高価なｔａ維使用量の低減がはかれた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る繊維補強軽量セメント硬化体の一
部拡大１ｕ１１断面図、第２図は本発明に用いたシート
に係る抄紙試験装置の斜視図である。 １・・・芯　　　材 ２・・・表　層　材 ３・・・金　　　網 ４・・・上　部　槽 ５・・・下　部　槽 ６・・・減圧弁 第　１　口

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）軽量骨材とセメントモルタルと合成樹脂エマルジ
   ョンとからなる芯材の上面およびまたは下面に長繊維の
   炭素繊維およびまたはアラミド繊維を含むシートと合成
   樹脂エマルジョンを添加したセメントモルタルからなる
   表層材を接着せしめた繊維補強軽量セメント硬化体。
2. （２）芯材および表層材に含まれる合成樹脂エマルジョ
   ンが互いに極性の異なる合成樹脂エマルジョンである特
   許請求の範囲第１項記載の繊維補強軽量セメント硬化体
   。