JPS6389441A - 繊維強化セメント硬化体 - 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〉 この発明は、オートクレーブ養生が可能で、しかも曲げ
強度並びに衝撃強度が共に優れた繊維強化セメント硬化
体に関するものである。

〈従来技術とその問題点〉 近年、建築様式の変化に伴い、セメントスラリーに石綿
を混入して強化したセメント抄造材が開発され、“石綿
スレート”や“フレキシブルボード”として市販されて
いるが、この石綿強化セメント抄造材は、比強度が高く
て軽量化が可能なことから様々な方面で重宝されるよう
になってきた。

ところが、最近、公害問題から石綿の使用が規制される
見通しが強くなり、各種の無機繊維或いは有機繊維の中
から石綿に代わるセメント強化繊維が検討されて新しい
繊維強化セメント硬化体が多数提案されるに至っている
。

ところで、従来の石綿スレート等の抄造材が自然養生若
しくは蒸気養生により硬化されていたこともあって、１
００℃以上の斉温度下では劣化や溶融のために強化作用
を有しなくなる恐れのある“ガラス繊維”や“有機繊維
”までもが格別な抵抗もなく代替繊維の候補に上り、石
綿に比べると難があるこれらの繊維の“抄造性”のみが
注目され、その向上に研究の主力が向けられてきた。

しかし、自然養生や蒸気養生が適用される抄造材では、
セメントの水和反応に長期間を要することもあって該反
応の進行中に出荷・施工をなさざるを得ない状況にあり
、従って供用時に“ソリ”等の変形が生じ易いと言う根
本的な問題があったのである。

一方、このような水和反応の進行に起因した供用時のセ
メントの変形防止手段として、高温高圧下で短時間の間
にセメントの反応を殆ど終了させてしまう「オートクレ
ーブ養生法」が知られている。しかしながら、オートク
レーブ養生により繊維強化セメント硬化体を製造しよう
とする場合には、一般的なオートクレーブ養生温度であ
る１８０℃の高温に耐え得る繊維を強化体として使用し
なければならないと考えられる。そして、無機繊維及び
有機繊維の中からこの条件を満足しそうなものを見渡す
と“各種パルプ繊維”、“炭素繊維”及び“金属繊維”
等しか拾い出すことができない。

しかも、これらの中で“パルプ繊維”はマトリックスに
対する補強効果が小さい上、多量に混入させると供用時
の防・耐火性が劣ると言う問題点があり、また“金属繊
維”は比重の関係から抄造性を著しく悪くすることに加
えて、供用時における錆発生と言う問題を有していて、
何れもその実用化は難しいと見ざるを得ないものである
。

このようなことから、補強効果が高くてオートクレーブ
養生が可能な実用繊維として、唯一“炭素繊維”が浮か
び上がってくる。

確かに、炭素繊維はセメントマトリックスに対しての補
強効果が大きく、抄造体の曲げ強度や引張り強度を大幅
に改善する有望な補強体ではある。

現に、オートクレーブ養生を意図したものではないが、
炭素繊維を強化繊維として使用した抄造材の提案は多数
なされている（特開昭５５−１００２５６号公報、特開
昭５８−１５６５６７号公報、特開昭５９−７３４６３
号公報、特開昭５９−２３２８０５号公報等）。なお、
これらの提案は何れも、石綿に比べて抄造性の悪い炭素
繊維を石綿並に抄造することに工夫を凝らしたものであ
って、混入パルプの種類や混入量を限定したり、或いは
セピオライトやベントナイト等の無機質粉末を添加した
りする手段により抄き上げ性能が改善されるとの知見事
項を要旨としたものであるが、これらの提案からも、工
夫次第で炭素繊維に石綿並の抄造性能を発揮させ得るこ
とを十分に伺い知ることができる。

しかしながら、炭素繊維のセメント補強体としての特性
をより仔細に検討すると、「他の繊維補強体に比して衝
撃強度の改善効果が小さい」との不満が大きく頭をもた
げるものでもあった。

繊維強化によって物品の衝撃強度を改善しようとする場
合、一般的には、マトリックスの弾性係数よりも小さい
弾性係数で、しかも伸びの大きな繊維を混入する方法が
思い浮かぶであろう。従って、この点からすればセメン
トマトリックスの場合の衝撃強度補強にはアクリル、ビ
ニロン（商品名）、ポリプロピレン、ナイロン（商品名
）、塩化ビニール等の各有機繊維の適用に考えが及ぶか
も知れない。

ところが、これら有機繊維は１００℃以上の高温度下で
は劣化すると言われており、先にも説明したように、こ
の点でオートクレーブ養生が適用されるセメントの補強
材としては使用を躊躇せざるを得ないものであった。勿
論、これまでの繊維強化セメント抄造材に係る提案の中
で採用されている有機繊維のそれぞれを炭素繊維と併用
してセメント中に混入し、その性能を検討してみたが、
やはりオートクレーブ養生を行うと有機繊維を混入した
ことによる衝撃強度改善効果は消失してしまう結果とな
った。

〈問題点を解決するための手段〉 そこで本発明者等は、従来のセメント抄造体にみられた
上記問題点を解消し、オートクレーブ養生が可能で、し
かも十分に優れた曲げ強度と衝撃強度とを兼備した繊維
強化セメント硬化体を実現すべく様々な観点からの研究
を行ったところ、［有機繊維は１００℃以上の高温で劣
化すると言われており、事実その通りではあるが、特に
セメントマトリックス中においてはポリプロピレン繊維
が、それも従来強化繊維として検討されていたものより
も大径範囲のもののみが１６０℃のオートクレーブ養生
にも耐え、これを混入しない場合に比ベオートクレープ
養生後の衝撃強度が向上するようになる」 との思いも掛けない知見を得るに至ったのである。

この発明は、上記知見に基づいて成されたものであり、 繊維強化セメント硬化体を、配合原料の固形分量を基準
として 炭素繊維；０．５〜３％（以降、成分割合を表わす％は
重量％とする）、 直径が３０〜６０μのポリプロピレン繊維二０．５〜３
％、 パルプ：２〜６％ を含有すると共に、ＣａＯとＳｉｎ、とのモル比（Ｃａ
　Ｏ／５ｉＯｚ）が０．５〜１．５であるように構成す
ることにより、十分に優れた曲げ強度と衝撃強度とを兼
備せしめ、かつオートクレーブ養生によっても製造を可
能とした点、 に特徴を有するものである。

もっとも、前述した特開昭５９−７３４６３号公報には
、「パルプを１〜５％、ゼオライト又はベントナイトを
１〜５％、ビニロン繊維、炭素繊維、金属繊維及びポリ
プロピレン繊維からなる群の中から選ばれた少なくとも
１種を５％含むセメント硬化体」に関する発明が記載さ
れてはいるが、該発明は、石綿代替繊維としてビニロン
繊維、炭素繊維、金属繊維或いはポリプロピレン繊維を
使用する場合に問題となる抄造性を特定量のセピオライ
ト或いはベントナイトを配合することによってパルプ配
合量少なく改善することを要旨とするものである。しか
しながら、炭素繊維と直径が３０〜６０μのポリプロピ
レン繊維を併用し、かつパルプを組み合わせることや、
それによって得られる顕著な効果を示唆する記載は何ら
なされていない。

ここで、この発明の繊維硬化セメント硬化体において各
成分の配合割合、ポリプロピレン繊維の直径、及びＣａ
ＯとＳｉｎｇとのモル比（Ｃ４０／　Ｓ　ｉ　Ｏｚ）を
前記の如くに数値限定した理由を説明する。

（ａｌ　　炭素繊維配合量 炭素繊維の混入量が０．５％未満であると所望の補強効
果が期待できず、一方、３％を越えて混入しても混入量
に見合うだけの補強効果が得られなくなることから、炭
素繊維配合量は０．５〜３％と定めた。なお、混入する
炭素繊維は長さが３ｎ未満になると十分な補強硬化を期
待できなくなる懸念が生じ、また２５ｗｍを越えると繊
維同士が絡み易くなってセメントスラリー中への均一分
散が難しくなることから、好ましくは３〜２５＋ｍのも
のを使用するのが良い。

（ｂｌ　　ポリプロピレン繊維の直径、及び配合量ポリ
プロピレン繊維の直径が３０μ未満のものでは、１４０
℃以上の高温でのオートクレーブ養生中に劣化してしま
って補強効果が得られなくなり、一方、６０μを越える
とマトリックスとの付着面積が小さくなるので外力を受
けた際に抜は易くなって補強効果が低下することから、
混入するポリプロピレン繊維の直径は３０〜６０μと定
めた。また、ポリプロピレン繊維の配合量が０．５％未
満であると所望の補強効果が期待できず、一方、３％を
越えて混入しても混入量に見合うだけの補強効果が得ら
れなくなることから、ポリプロピレン繊維配合量は０．
５〜３％と限定した。なお、混入するポリプロピレン繊
維も、長さが３１璽未満になると十分な補強硬化を期待
できなくなる懸念が生じ、また２５鶴を越えるとやはり
繊維同士が絡み易くなってセメントスラリー中への均一
分散が難しくなることから、好ましくは３〜２５龍のも
のを使用するのが良い。

（Ｃ）　　パルプ配合量 炭素繊維は石綿に比べて抄造性が劣るため、これを改善
する目的で補助繊維としてパルプが配合される。パルプ
としては、故紙パルプや針葉樹パルプが好適である。こ
の場合、パルプの配合量が２％未満では所望の抄造性改
善効果が得られず、パルプの配合量は多い程抄造性改善
に良好であるが、反面で供用時の防・耐火性能が低下し
６％を越えて混入するとその許容限度をも越えてしまう
ことから、パルプ配合量は２〜６％と定めた。

（ｄｌ　　ＣａＯと５ｉＯｚとのモル比（Ｃａ　Ｏ／　
Ｓ　ｉ　Ｏｚ）ＣａＯとＳｉｎｇとのモル比（Ｃａ　Ｏ
／　Ｓ　ｉ　Ｏｚ）が０．５未満であっても１．５を越
えてもオートクレーブ養生材の強度が低下し、所望の値
を示さなくなる上、該モル比が０．５を下回ると骨材量
が多くなり過ぎて抄造性の低下をも招（ことから、上記
モル比は０．５〜１．５と定めた。

第１図は、炭素繊維：１．９％、バルブ：４．７％を一
定とし、セメントと珪砂との混合比を調整してＣａＯ／
５ｉＯｚモル比を変えた繊維強化セメント硬化体につい
て曲げ試験を行い、これによって得られたＣａＯ／Ｓｉ
Ｏ□モル比と曲げ強度との関係を示すグラフである。こ
の第１図からも、上記モル比が０．５を下回ったり、１
．５を上回るとオートクレーブ養生材の曲げ強度が低下
することが明らかであり、更に１．５を上回るとオート
クレーブ養生材の曲げ強度が気中養生材のそれよりも低
くなることも分かる。

なお、この発明に適用されるセメントは、水硬性のもの
であれば特にその種類が制限されることはなく、例えば
ポルトランドセメントや高炉セメント等何れを使用して
も本質的な効果は変わらない。

ところで、セメントコンクリートのオートクレーブ養生
は、通常１８０℃で実施されている。そして、セメント
コンクリートの配合条件及びオートクレーブ養生時間が
一定の場合、養生温度の高い方が養生後の乾燥収縮量が
小さくなる。しかしながら、１４０〜１６０℃にてオー
トクレーブ養生を行ったとしても気中養生材や蒸気養生
材に比べて養生後の乾燥収縮量を著しく小さくできる上
、例え直径が３０〜６０μのポリプロピレン繊維であっ
ても１６０℃以上の高温オートクレーブ養生すると劣化
して補強効果が著しく低下する傾向を見せがちである。

従って、衝撃に対するポリプロピレン繊維の補強効果を
保持させつつ上記乾燥収縮量を小さくするためには、１
４０〜１６０℃に調整した温度域でのオートクレーブ養
生を行うことが好ましい。

以上のことを考慮すると、この発明に係る繊維強化セメ
ント硬化体の推奨される製造条件は次の通りである。

即ち、水硬性セメントに、曲げ強度向上のための補強繊
維として長さ：３〜２５鶴の炭素繊維を０．５〜３％と
、衝撃強度向上のための補強繊維として直径が３０〜６
０μで長さが３〜２５龍のポリプロピレン繊維を０．５
〜３％と、その他の補助繊維（抄造性改善繊維）として
パルプ２〜６％とを混入したスラリーを抄造成形した後
、１４０〜１６０℃のオートクレーブ養生を行えば良い
。なお、オートクレーブ養生でセメントマトリックスの
強度を向上させるためには珪酸原料を添加した方が望ま
しく、セメント中のＣａＯと珪酸原料中のＳｉＯ□との
モル比が０．５〜１．５の範囲内を外れないようにセメ
ントと珪酸原料との混合割合を調整する。硅酸原料とし
ては珪砂、シラスバルーン、珪藻土或いはフライアッシ
ュ等が望ましいが、その種類については特に限られるも
のでもない。

続いて、この発明を実施例により比較例と対比しながら
具体的に説明する。

〈実施例〉 まず、第１表に示される如き配合組成のセメント混合材
をそれぞれ丸網抄造機で抄き上げた。なお、これに先立
ってスラリー中へ炭素繊維を均一分散させるためにオム
ニミキサーを使用し、水の添加量は重量比で固形分の１
０倍とした。

次に、抄き上げた上記抄造材を成形した後、比較材７で
は２８日間の気中養生を、本発明例１〜６及び比較材８
〜１５ではそれぞれ１６０℃で５時間のオートクレーブ
養生を行った。

このようにして製造された養生後の各繊維配合セメント
硬化体について曲げ強度、アイシフト衝撃強度及び寸法
変化率を計測し、その結果を第１表に併せて示した。

第１表に示される結果からも明らかなように、比較材７
では炭素繊維で強化がなされているために曲げ強度は高
くなるが、気中養生のために寸法変化率が非常に大きい
ことが分かる。また、比較材７と同一配合条件の抄造材
をオートレープ養生して製造された比較材８では、寸法
変化は小さくなるもののＣａｂ／５ｉｆｔモル比が高い
ために曲げ強度が低下しており、更にポリプロピレン繊
維を配合しなかった比較材７及び比較材８とも衝撃強度
が十分でないことも確認できる。

比較材９及び比較材１０はＣａｂ／Ｓｉｎｇモル比のみ
が本発明の条件から外れているものであるが、やはり十
分な曲げ強度が達成されていない。

更に、比較材１１及び比較材１２は、配合したポリプロ
ピレン繊維の直径が本発明で規定した範囲から外れてい
るものの例であるが、該繊維の直径か細過ぎる比較材１
１ではオートクレーブ養生にて繊維が劣化してしまって
十分な衝撃強度が得られず、一方、繊維径の太過ぎる比
較材１２では、マトリックスとの付着面積が全体として
小さいことから衝撃試験の際に繊維がマトリックスから
抜は易く、このためやはり十分な衝撃強度が得られてい
ない。

そして、比較材１３は炭素繊維とポリプロピレン繊維が
配合されていないので曲げ強度並びに衝撃強度とも十分
でなく、比較材１４はＣａＯ，／５ｉＯｚモル比等は十
分に本発明の条件を満たしているもののポリプロピレン
繊維が配合されていないので衝撃強度が十分ではなく、
また比較材１５は炭素繊維の配合がなされていないので
曲げ強度が著しく劣っている。

これに対して、配合原料条件が全て本発明の規定を満た
している本発明例１〜６のセメント硬化体では、曲げ強
度並びに衝撃強度が共に十分高く、しかも衝撃強度の極
端な劣化を伴うことなくオートクレーブ養生が実施でき
るので、寸法変化率の少ない高強度製品となっているこ
とが分かる。

〈発明の効果〉 以上に説明した如く、この発明によれば、供用時の寸法
変化が少ない製品が得られるオートクレーブ養生による
製造が可能で、しかも曲げ強度のみか衝撃強度にも十分
に優れた繊維強化セメント硬化体を提供することができ
、繊維強化セメント硬化体の適用範囲を更に拡大するこ
とが可能となるなど、産業上極めて有用な効果がもたら
されるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、オートクレーブ養生並びに気中養生した繊維
強化セメント硬化体におけるＣａｂ／Ｓｉｎｇモル比と
曲げ強度との関係を示すグラフである。 第１図 ＣａＯ／５ｉ０２（モルｊｊ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 配合原料の固形分量を基準とした重量割合で炭素繊維：
   ０．５〜３％、 直径が３０〜６０μのポリプロピレン繊維 ：０．５〜３％、 パルプ：２〜６％ を含有すると共に、ＣａＯとＳｉＯ＿２とのモル比（Ｃ
   ａＯ／ＳｉＯ＿２）が０．５〜１．５であることを特徴
   とする繊維強化セメント硬化体。