JPWO2015137255A1 - 複合材料 - Google Patents

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Abstract

本発明は、高温下においても高いひび割れ分散性と亀裂進展防止効果を持つ複合材料を提供する。本発明の複合材料は、無機材料を含んでなるマトリクス部1に、複数の単位構造体2aを互いに滑り量を持って連結してなる補強材2を配置したものである。補強材2は、初期長さに対する全滑り量の割合である滑り率が0.035%以上2.5%以下である。

Description

本発明は、無機材料を含んでなるマトリクス部に補強材を配置した複合材料に関し、特に、建築若しくは土木用のコンクリート、又は溶融金属容器、溶融金属処理装置、セメントキルン、焼却炉等に使用される耐火物、若しくは、各種の機器、装置、構造物等に使用される部品に使われる構造用セラミックスとして用いられる複合材料に関する。
建築若しくは土木用のコンクリート、又は溶融金属容器等に使用される耐火物を強化するために、補強材として繊維強化材料を添加する技術が知られている。
例えば非特許文献1には、繊維強化材料の添加により複数のひび割れを分散発生するマルチプルクラック特性を付与し、これにより破壊エネルギーを向上させる技術が開示されている。この非特許文献1には、ひび割れ発生時のひび割れ開口幅と架橋応力の関係が記載されており、マルチプルクラックの発生条件として、ひび割れ開口幅が大きくなるにつれて架橋応力が高くなる特性が必要とされている。
また、不定形耐火物の耐熱スポーリング性、耐衝撃性、耐剥離性を大幅に向上させる目的で、不定形耐火物中に長さと断面積が異なる複数の金属ファイバーを添加する技術も知られている(例えば、特許文献1参照)。
更に、補強用短繊維を特定の断面形状にすることで、多数のクラックを伴って荷重が増大するたわみ硬化現象を発現するコンクリート系複合材料も知られている(例えば、特許文献2参照)。
特開平11−157948号公報 特開2010−53014号公報
コンクリート工学年次論文集,Vol.31,No.1,2009
上述の非特許文献1には、微細なひび割れ分散を発生させるための条件を数式的な力学モデルにより説明した記載があるが、パラメータの全てを実験から直接求めることは困難であり、また、既存の材料をひび割れ分散の形態を取る材料にするための具体的な手段が記載されたものではない。
特許文献1は本願出願人による出願であるからその内容は熟知しているが、特許文献1の記載の金属ファイバーを添加する技術では、ひび割れ分散の形態を取らない。すなわち、一般的な金属ファイバーは繊維が抜け出すとマトリクスと繊維の接触面積が低下し、それに伴い、架橋応力が低下する。架橋応力が低下すると、初期に発生したひび割れ進展を抑えることができずにひび割れの分散化は起こらないと考えられる。このため、一定以上の亀裂伸展防止効果は得られない。
また、特許文献2には、有機樹脂性補強用短繊維を使用したひび割れ分散の形態を取る繊維補強コンクリート複合材料について記載がある。有機樹脂性補強用短繊維はひび割れ分散性向上効果が高く、その効果によりたわみ硬化特性を示していると考えられる。しかし、有機樹脂性補強用短繊維は150℃程度で溶けてしまうため、溶融金属容器等に使用される耐火物や、150℃を超える温度で使用される構造用セラミックスでは効果が期待できない。また、トンネル火災やビル火災においてはコンクリートにも高温下での高い破壊靭性が求められるが、このような場合においても高い効果は期待できない。
そこで本発明が解決しようとする課題は、高温下においても高いひび割れ分散性と亀裂進展防止効果を持つ複合材料を提供することにある。
本発明の一観点によれば、無機材料を含んでなるマトリクス部に、複数の単位構造体を互いに滑り量を持って連結してなる補強材を配置した複合材料が提供される。
ここで「滑り量」は、次のように定義される。すなわち、本発明の補強材の単位構造体は、荷重を受けると初期は互いに滑ることで低い荷重レベルで容易に変位するが、一定量変位した後に急激に荷重を伝達する。このときの変位量が「滑り量」である。そして、本発明では、補強材の初期長さに対する単位構造体の滑り量の合計(全滑り量)の割合((全滑り量/初期長さ)×100)を「滑り率」と定義する。なお、補強材の初期長さ及び滑り量(全滑り量)は3次元の道のりで評価する。
本発明の複合材料においては、補強材を構成する単位構造体が、互いに滑り量を持って連結されているので、滑り量の限界位置に達したときの補強材の剛性が滑り量の限界位置に達する前の剛性よりも高くなる。このため、マトリクス部のひび割れが分散し、単一の亀裂が伸展することを防ぐことができる。具体的には、マトリクス部に初期亀裂が発生した場合、マトリクス部の亀裂変形により単位構造体が滑り量の限界位置まで達し、補強材の剛性が高くなる。補強材の剛性が高くなると、初期亀裂が入った箇所と異なる部分に亀裂が入る。すなわち、ひび割れが分散形態を取る。これにより、亀裂の伸展を防ぐことができる。そして、本発明において単位構造体それ自体はたわみ硬化特性(ひずみ硬化特性)を有する必要がないので、金属やセラミックスで形成することができ、高温下においても高いひび割れ分散性と亀裂進展防止効果を奏することができる。
本発明の複合材料のひび割れ分散性を表す概念図である。 本発明の複合材料のひび割れ分散性による効果を検証したFEM解析のモデルを示す。 図2のモデルに使用した非線形バネの荷重伝達特性例を示す。 図2のモデルによる曲げ試験のFEM解析によって得られた荷重−変位曲線の例を示す。 上記FEM解析によって得られた破壊エネルギー指数と滑り率との関係を示す。 チェーンのねじり量(リングのねじれ回転角度)を表す説明図である。 チェーンのねじり量(リングのねじれ回転角度)と滑り率との関係を調査するための数値解析のモデルを示す。 同上。 上記数値解析の結果(各モデルの荷重−変位曲線)を示す。 上記数値解析の結果(リングのねじれ回転角度とチェーンの滑り率との関係)を示す。 本発明の複合材料の、溶融金属容器への適用形態を示す。 本発明の複合材料の、ランス等の棒状部材への適用形態を示す。 本発明の複合材料の、コンクリート構造物への適用形態を示す。 本発明の複合材料に使用する補強材の他の形態を示す。 図14の補強材を構成する単位構造体を示す。 図14の補強材をブロック状耐火物に適用した例を示す。 各例の複合材料を曲げ試験に供したときの、ひび割れの形態をデジタル画像相関法によって検出した結果の例を示す。 上記曲げ試験により得られた荷重−変位曲線を示す。
まず図1を参照して、本発明の複合材料に特有のひび割れ分散性について説明する。
図1(a)は複合材料の初期状態を示す。無機材料を含んでなるマトリクス部1に、複数の単位構造体2aを互いに滑り量を持って連結してなる補強材2が配置されている。
この初期状態から図1において左端を固定して右向きに引張応力を印加すると、図1(b)に示すようにマトリクス部1の弱い部分に亀裂(初期亀裂)が発生する。その後、補強材2は単位構造体2aが滑り量の限界位置まで達するまでは低い荷重レベルで容易に変位する。このとき微小な亀裂の開きが生じる(図1(c)の状態)。
単位構造体2aが滑り量の限界位置まで達すると、補強材2の剛性が高くなって荷重伝達能が回復し、マトリクス部1に掛かる引張応力が再度上昇する。更に引張応力を印加するとマトリクス部1の弱い部分に2本目の亀裂が発生する(図1(d)の状態)。その後、2本目の亀裂部分においても図1(c)と同様のメカニズムで微小な亀裂の開きが生じる(図1(e)の状態)。続いて、図1(d)と同様のメカニズムでマトリクス部1の弱い部分に3本目の亀裂が発生する(図1(f)の状態)。それ以降も亀裂発生と荷重伝達能の回復を繰り返す結果、亀裂が分散した状態となる(図1(g)の状態)。
なお、図1は、本発明の複合材料のひび割れ分散性をわかりやすく説明するための概念図であり、本発明はこの概念図に限定されるものではない。すなわち、図1の補強材2では複数の単位構造体2aを互いに同じ滑り量を持って連結したが、各連結部の滑り量は異なっていても良い。また、単位構造体も全て同一の形状である必要はない。例えば図1において、いずれかの連結部での滑り量が実質的に0であった場合、当該連結部で連結された単位構造体2aは合体して一つの単位構造体を構成すると見なすことができ、隣接する単位構造体2aとの連結部に滑り量が確保されていれば、本発明の範囲内である。
次に、本発明の複合材料のひび割れ分散性による効果を検証したFEM解析例について説明する。
まず、本FEM解析のモデルについて図2を参照して説明する。本FEM解析においては、図2(a)に示すように補強材として単位構造体としてのリングを互いに滑り量を持って連結したチェーン(リンクチェーン)をマトリクス部に配置した複合材料を想定し、そして図2(b)に示すようにリングを棒状の部材、リングどうしの連結部を非線形バネで置き換えて、曲げ試験片のFEMモデルとした。図3は、非線形バネの荷重伝達特性例を示す。この非線形バネは、棒状部材とバネを加算した長さに対する変位量変化割合が0.36%で荷重を伝達する。すなわち図3の非線形バネによる補強材の滑り率は0.36%である。なお、マトリクス材料にはクラック発生応力、ソフトニング係数、せん断保持率により定義される破壊モデルを適用した。せん断保持率は破壊の進行とともに剛性が低下するようにひずみ量依存性を考慮したが、そのパラメータは材料試験で直接求めることが困難であるため、いくつかの滑り率で実施した曲げ試験について、破壊形態及び荷重−変位曲線の特徴を表現できるように予め調整した。
図4は、図2(b)のモデルによる曲げ試験のFEM解析によって得られた荷重−変位曲線の例を示す。図中○印は非線形バネによる補強材の滑り率を0.7%とした本発明例、▲印は非線形バネによる補強材の滑り率を0%とした比較例である。荷重−変位曲線の面積が破壊エネルギーに相当するが、本発明例では比較例に比べ破壊エネルギーが増大した。
図5は、上記FEM解析によって得られた破壊エネルギーと補強材の滑り率との関係を示す。同図の縦軸は、滑り率が0%の上記比較例の破壊エネルギーを1として指数化した破壊エネルギー指数である。同図に表れているように、滑り率が0.035%以上2.5%以下の範囲で破壊エネルギーの顕著な増大が見られた。これより、本発明において補強材の滑り率の好ましい範囲は、0.035%以上2.5%以下であるということができる。
ここで、補強材がリングを単位構造体とするチェーンである場合、チェーンはねじることで滑り量を確保することができ、また、そのねじり量(リングのねじれ回転角度)の調整により滑り量(滑り率)を調整することができる。そこで、チェーンのねじり量(リングのねじれ回転角度)と滑り率との関係を数値解析により調査した。
まず、チェーンのねじり量、すなわちリングのねじれ回転角度を定義しておく。図6(a)はチェーンの初期状態を示す。この初期状態、つまりリングのねじれ回転角度が0度の位置は、チェーンの一端をチェーンの伸長方向が鉛直方向になるような向きで固定し、固定したリング以外のリングに外力を与えない状態で重力により伸ばした状態で決まる。そしてこの状態で、固定したリング以外のリングに、チェーンの伸長方向と垂直な面内の回転方向(伸長方向の軸線周り)の力又は強制変位を与えると、図6(b)に示すようにリングは回転する。このときのリング1個あたりの回転角度θをリングのねじれ回転角度と定義する。
図7は、本数値解析のモデルを示す。単位構造体としての寸法形状は同図に示すとおりで、これをリンクチェーンとして連結したのが基本となるモデル1である。すなわちモデル1のリングのねじれ回転角度は0度である。そしてモデル2から5は、リングをチェーンの伸長方向の軸線周りにねじることで、ねじれ回転角度を変えたものである。すなわち各モデルのねじれ回転角度は、モデル2が5度、モデル3が7.5度、モデル4が10度、モデル5が18.8度である。
数値解析では、図8に示すように各モデルをx方向に配置し、端部のチェーンリングのy,z方向の変位は拘束するという条件下でx方向に引張応力を印加した。y,z方向の変位を拘束した理由は、実際の複合材料のマトリクス部内でも補強材(チェーン)は、周囲のマトリクス材料によってその伸長方向の軸線周りの回転(変位)が拘束されるからである。
数値解析の結果を図9及び図10に示す。図9は各モデルの荷重−変位曲線を示し、図10は各モデルの数値解析結果から得られた、リングのねじれ回転角度とチェーンの滑り率との関係を示す。なお、図9において荷重が急激に立ち上がるときの変位量が「全滑り量」である。
図10に表れているように、ねじれ回転角度を7.5度以上にすることで、先に図5で特定した滑り率の好ましい下限値(0.035%)以上の滑り率を確保することができる。
以上説明した本発明の複合材料は、建築若しくは土木用のコンクリート、又は溶融金属容器、溶融金属処理装置、セメントキルン、焼却炉等に使用される耐火物、若しくは、各種の機器、装置、構造物などに使用される部品に使われる構造用セラミックスとして好適に適用される。以下、その適用形態を例示する。
図11は溶融金属容器への適用形態を示し、(a)及び(b)は内壁への適用形態、(c)は外壁への適用形態である。内壁及び外壁ともにマトリクス部1は耐火物材料からなり、補強材としてはチェーン2を配置している。
内壁においてはその鉄皮3から等間隔で複数のアイボルト4が突き出しており、図11(a)ではチェーン2の両端を両端のアイボルト4の頭部に溶接固定し、チェーン2の途中はアイボルト4の頭部の輪に通している。そして、チェーン2の全長において滑り率を持たせている。一方、図11(b)では、チェーン2の途中も各アイボルト4の頭部に溶接固定している。この場合、各アイボルト4間において、チェーン2に滑り率を持たせることが好ましい。
図11(c)に示す外壁においてはその鉄皮3から等間隔で複数のYスタッド5が突き出しており、チェーン2の両端を両端のYスタッド5の頭部に溶接固定し、チェーン2の途中はYスタッド5の頭部(分岐部)に載せている。そして、チェーン2の全長において滑り率を持たせている。
図12はランス等の棒状部材への適用形態を示す。ランスにおいてもマトリクス部1は耐火物材料からなり、図12(a)に示すように芯金6から複数のYスタッド7が突き出している。図12(b)から(g)が実際の適用形態であり、図12(b)では補強材としてチェーン2をYスタッド7の頭部(分岐部)に載せるようにして螺旋状に配置し、その両端を上下のYスタッド7の頭部に溶接固定している。そして、チェーン2の全長において滑り率を持たせている。図12(c)ではチェーン2の途中も複数箇所でYスタッド7の頭部に溶接固定している。この場合、各溶接箇所間において、チェーン2に滑り率を持たせることが好ましい。
図12(d)ではチェーン2を上下方向に配置しており、図12(e)では図12(b)の螺旋状配置と図12(d)の上下方向配置とを組み合わせている。また、図12(f)に示すように複数本のチェーン2を螺旋状に配置しても良いし、図12(g)に示すように、重要部にのみチェーン2を円環状に配置しても良い。
上記図12(b)から(g)のいずれの形態においても、チェーン2は滑り率を持たせて配置する。なお、チェーン2の周方向の配置の形態は、図12(h)及び図12(i)に示すように芯金6の周方向におけるYスタッド7の粗密の程度に合せて適宜調整すれば良い。
図13は、コンクリート構造物への適用形態を示す。コンクリート構造物においてマトリクス部1はコンクリート材料からなり、図13(a)に示すようにマトリクス部1には鉄筋8が配置されている。図13(b)が実際の適用形態であり、ここでは鉄筋8に支持部材9を取り付け、この支持部材9に補強材としてチェーン2の両端を固定することで、複数本のチェーン2をマトリクス部1に配置している。このとき、各チェーン2は滑り率を持たせて配置する。
次に、本発明の複合材料に使用する補強材の他の形態を説明する。
図14は補強材の他の形態を示す。また、図15は図14の補強材を構成する単位構造体を示し、(a)は斜視図、(b)は縦断面図である。
図14の補強材20は、図15のセラミックス部材21を単位構造体として、これを複数連結して構成されている。単位構造体であるセラミックス部材21は、例えばアルミナ製で、高さと幅が約25mm、厚さが約10mmのブロック状である。このセラミックス部材21は、上面に凸部21a、下面に凹部21bを2個ずつ有する。それぞれの凸部21aと凹部21bは上下方向に整合する位置に設けられ、その中心には貫通孔21cが連通している。そして、複数のセラミックス部材21を千鳥状に配置し、隣接する各セラミックス部材21の凸部21aと凹部21bの嵌め合せにより、図14に示すような面状の補強材20が得られる。なお、図14の例では、連結した各セラミックス部材21の貫通孔21cに金属線(例えばステンレス鋼の線材)22を挿通させることで、各セラミックス部材21が外れないように連結している。すなわち、金属線22は、複合材料作製過程において各セラミックス部材21が外れないように仮止めするためのものであり、複合材料が使用されるときの荷重伝達が目的ではない。このため、金属線22として、過度に太いものを使用する必要はないし、高温下で強度が低下する素材でも複合材料の機能に問題は生じない。
図14の補強材20は、例えば流し込み施工する型枠の中に配置され、その状態で流動性のあるマトリクス材料を流し込み、その後マトリクス材料が固化することで複合材料が作られる。
この図14の補強材20において、各セラミックス部材21の凸部21aと凹部21bとの嵌め合せ部分には、横方向(図14の左右方向)にある程度(例えば1mm程度)の遊び(隙間)がある。すなわち、各セラミックス部材21は、横方向に互いに滑り量を持って連結されている。したがって、この補強材20をマトリクス部に配置し図14の左右方向に引張応力を印加すると、図1と同様のメカニズムにより、高いひび割れ分散性が得られる。なお、ここに示した1mm程度の遊び量は、亀裂の進展を考えると大きすぎるが、複合材料に配置された状態では、この隙間の多くはマトリクス材料によって満たされているため、実際にはわずかな遊び量のみが有効に機能する。このため、実際には亀裂幅が過度に開くことなく次の亀裂が発生する。
図16は、図14の補強材20をブロック状耐火物に適用した例を示す。同図(a)は、補強材20をブロック状耐火物30の加熱面31に平行に配置した例、(b)は、補強材20をブロック状耐火物30の加熱面31に垂直に複数配置した例である。
これらのブロック状耐火物30は、型枠の所定位置に補強材20を配置し、耐火物材料を流し込むことで作製できる。このとき、補強材20を構成する各セラミックス部材21の凸部21aと凹部21bとの嵌め合せ部分の周辺にも、マトリクス部を構成する耐火材料が浸入するが、この複合材料(ブロック状耐火物30)に力が加わると上記嵌め合せ部分の周辺のマトリクス部に微小な損傷が生じることによって、上述の「滑り量」は確保される。
このように、複数のセラミックス部材21を凸部21aと凹部21bの嵌め合せにより互いに滑り量を持って連結してなる補強材20をマトリクス部に配置することで、高いひび割れ分散性が得られる。例えば、図16(a)のように補強材20をブロック状耐火物30の加熱面31に平行に配置した場合、特に加熱面31に垂直なひび割れ(亀裂)を分散させることができる。また、図16(b)のように補強材20をブロック状耐火物30の加熱面31に垂直に複数配置した場合、特に加熱面31に平行なひび割れ(亀裂)を分散させることができる。更に、図16(a)と図16(b)の配置の形態を組み合わせれば、加熱面31に垂直なひび割れ(亀裂)と平行なひび割れ(亀裂)の両方を分散させることができる。
また、補強材20を構成する単位構造体はセラミックス部材であり、これはマトリクス部を構成する耐火材料と熱膨張率が同レベルで馴染みも良いので、単位構造体を金属部材とする場合に比べ、使用時の熱膨張差が小さくなって過剰なひび割れ(亀裂)の発生を抑制できる。
ただし、セラミックス部材は金属部材に比べ加工性に劣るので、セラミックス部材によって図7に示すようなチェーンを形成することは困難である。したがって、セラミックス部材を単位構造体とする場合、図14及び図15で説明したとおり、セラミックス部材21の凸部21aと凹部21bの嵌め合せにより連結する方式を採用することが現実的である。
なお、セラミックス部材の形状や大きさは図15の例に限定されるものではない。要するに、凸部と凹部の嵌め合せにより互いに滑り量を持って連結できるものであれば良い。
以上、本発明の複合材料の適用形態を図示したが、本発明の適用形態が図示のものに限定されないことは言うまでもない。また、補強材の配置の形態についても図示ものには限定されず、要するにマトリクス部中で滑り率を持たせて配置すれば良い。
ここで、単位構造体(例えばリング)を連結してなる補強材(例えばチェーン)に滑り率を持たせることは、複数の単位構造体を互いに滑り量を持って連結することと同義である。そして滑り量(滑り率)を確保するには、連結材がチェーンの場合、上述のねじり(ねじれ回転角度)を利用するのが最も簡便である。ただしこれには限定されず、例えば、上述の凸部と凹部の嵌め合せのほか、単位構造体に滑り量を確保したうえで補強材を仮固定し、マトリクス中で上記仮固定が解除されるようにすることもできる、上記仮固定には、樹脂やセラミックスのボンドを使用することができる。また、低融点の樹脂によって単位構造体の連結部をコーティングしておき、製造時あるいは使用時の受熱で消失させて滑り量を確保してもよい。その他、種々の方法で滑り量(滑り率)を確保することができることは、当業者に自明である。
<実施例A>
表1に示す各例の複合材料を曲げ試験に供し、ひび割れの形態を観察するとともに破壊エネルギーを求めた。
各例の複合材料のマトリクス部及び補強材の構成は、表1に示すとおりである。ここで、表1中、実施例1のチェーン形態の「収縮」とは、チェーンを収縮させた状態(チェーンを構成するリングを互いに滑り量を持って連結した状態)でエポキシ樹脂により仮固定することで、チェーンに滑り率を持たせたことを意味する。この実施例1のチェーンの滑り率は0.6%程度である。また、実施例2のチェーン形態の「ねじり」とは上述したねじりにより、チェーンに滑り率を持たせたことを意味する。この実施例2のチェーンのねじれ回転角度は26度程度であり、シミュレーション(図10参照)から推定した滑り率は0.47%を超えている。一方、比較例1のチェーン形態の「ストレート」とは、チェーンの下端に錘を付けて吊り下げた状態を意味する。この比較例1のチェーンの滑り率は実質0%と判断される。これは、先に説明した図2(b)のモデルにて滑り率0.035%で実施したシミュレーションで見られるようなひび割れの分散が見られず、滑り率0%で実施したシミュレーションと同様に比較的小さいたわみ量でせん断ひび割れが局所化して荷重伝達できなくなることから、判断される。なお、比較例2は、補強材として従来一般的なSUSファイバーのみを使用したもので、滑り率という概念は存在しない。
実施例1、2及び比較例1では、それぞれのチェーンを2本ずつ型枠内に配置し、その型枠内にマトリクス部となる耐火材料を添加水分とともに流し込み、硬化、養生後、110℃で24時間乾燥して複合材料を得た。なお、実施例1、2及び比較例1においてSUSファイバーは、流し込みの際に添加水分とともにマトリクス部となる耐火材料に練り混ぜた。比較例2では、SUSファイバーを添加水分とともにマトリクス部となる耐火材料に練り混ぜ、硬化、養生後、110℃で24時間乾燥して複合材料を得た。
各例の複合材料を曲げ試験に供した結果は表1のとおりである。また、図17には、チェーンを補強材とした実施例1、2及び比較例1のひび割れの形態をデジタル画像相関法によって検出した結果を示す。同図の(a)が実施例1、(b)が実施例2、(c)が比較例1である。なお、図17は、たわみ量7mm時点の様子を示している。
更に、図18には各例の荷重−変位曲線を示す。同図の(a)が実施例1、(b)が実施例2、(c)が比較例1、(d)が比較例2である。それぞれn=2で評価し、n=2の荷重−変位曲線より破壊エネルギーを求めた。これを表1では比較例2の破壊エネルギーを100として指数化した破壊エネルギー指数で示した。
曲げ試験の結果について説明すると、ひび割れの形態については、実施例1、2はたわみ量6mmまで分散状態であり、高いひび割れ分散性が確認された。一方、比較例1ではたわみ量3mmでひび割れが局所化し、十分なひび割れ分散性は得られなかった。また、比較例2では単一のひび割れが発生し、ひび割れ分散性は得られなかった。また、破壊エネルギーについては、実施例1、2が格段に優れていた。
なお、表1における総合評価は、ひび割れの形態に基づいて判定した。ひび割れの形態が分散状態である場合、亀裂の伸展を防ぐ効果を奏するので総合評価は○とした。また、ひび割れの形態が単一であった場合や、低いたわみ量でひび割れが局所化してしまった場合は、亀裂の伸展を防ぐ効果を奏しないので総合評価は×とした。
<実施例B>
表2に示す各例の複合材料を曲げ試験に供し、ひび割れの形態を観察するとともに破壊エネルギーを求めた。
各例の複合材料のマトリクス部及び補強材の構成は、表2に示すとおりである。ここで、補強材のうち、ボールチェーン、マンテルチェーン及びシングルジャックチェーンについては、長さ60mmにカットして使用した。これらのチェーンの滑り率の定量化は困難であるが、滑り率が確保されていることを確認している。ワイヤーロープについては、長さ30mmにカットして使用した。このワイヤーロープ及びSUSファイバーの滑り率は実質0%である。
各例において所定量の補強材を添加水分とともにマトリクス部となる材料に練り混ぜ、硬化、養生後、110℃で24時間乾燥して複合材料を得た。
各例の複合材料を曲げ試験に供した結果は表2のとおりである。ここで、表2における破壊エネルギー指数は、比較例5の破壊エネルギーを100として指数化したものである。
表2に示すとおり、各種チェーンを補強材とした実施例3〜8ではいずれも高いひび割れ分散性が確認され、破壊エネルギーも十分であった。なお、実施例3〜5、実施例6、7、8ではマトリクス部の構成を変えたが、マトリクス部の構成に関わりなく、本発明の効果が得られた。すなわち、実施例3〜5のマトリクス部はアルミナ−マグネシウム系の耐火物材料からなり、実施例6のマトリクス部はアルミナ系の耐火物材料からなり、実施例7のマトリクス部は粒径5−1mmの骨材を含み、実施例8、9のマトリクス部はポルトランドセメント系コンクリート材料からなるが、いずれも本発明の効果が得られた。
一方、比較例3〜5では単一のひび割れが発生し、ひび割れ分散性は得られなかった。
なお、表2における総合評価は、表1と同様にひび割れの形態に基づいて判定した。ひび割れの形態が分散状態である場合、総合評価は○とした。また、ひび割れの形態が単一であった場合、総合評価は×とした。
本発明に係る複合材料は、流し込み施工又は吹き付け施工に用いられる不定形耐火物材料に特に有用である。
1 マトリクス部
2 補強材(チェーン)
2a 単位構造体(リング)
3 鉄皮
4 アイボルト
5 Yスタッド
6 芯金
7 Yスタッド
8 鉄筋
9 支持部材
20 補強材
21 セラミックス部材(単位構造体)
21a 凸部
21b 凹部
21c 貫通孔
30 ブロック状耐火物
31 加熱面

Claims (8)

  1. 無機材料を含んでなるマトリクス部に、複数の単位構造体を互いに滑り量を持って連結してなる補強材を配置した複合材料。
  2. 曲げ試験に供したときに、マトリクス部に複数のひび割れが分散して発生する請求項1に記載の複合材料。
  3. 前記補強材は、初期長さに対する全滑り量の割合である滑り率が0.035%以上2.5%以下である請求項1又は2に記載の複合材料。
  4. 前記補強材が、リングを単位構造体とするチェーンである請求項1から3のいずれかに記載の複合材料。
  5. 前記リングを、チェーンの伸長方向の軸線周りにねじることにより前記滑り量を確保した請求項4に記載の複合材料。
  6. 前記リングのねじれ回転角度が7.5度以上である請求項5に記載の複合材料。
  7. 前記補強材が、凸部と凹部を有するセラミックス部材を単位構造体として、複数のセラミックス部材を凸部と凹部の嵌め合せにより互いに滑り量を持って連結してなる、請求項1又は2に記載の複合材料。
  8. 前記マトリクス部が、耐火物材料又はコンクリート材料からなる請求項1から7のいずれかに記載の複合材料。
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