WO2023181605A1 - 炭素繊維含有コンクリート若しくはモルタル組成物、並びに炭素繊維強化コンクリート若しくはモルタル構造物、及びその製造方法 - Google Patents

炭素繊維含有コンクリート若しくはモルタル組成物、並びに炭素繊維強化コンクリート若しくはモルタル構造物、及びその製造方法 Download PDF

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carbon
fibers
aggregate
mortar
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真吾 乳井
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帝人株式会社
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B14/00—Use of inorganic materials as fillers, e.g. pigments, for mortars, concrete or artificial stone; Treatment of inorganic materials specially adapted to enhance their filling properties in mortars, concrete or artificial stone
    • C04B14/38—Fibrous materials; Whiskers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B28/00—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements
    • C04B28/02—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements containing hydraulic cements other than calcium sulfates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28C—PREPARING CLAY; PRODUCING MIXTURES CONTAINING CLAY OR CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28C5/00—Apparatus or methods for producing mixtures of cement with other substances, e.g. slurries, mortars, porous or fibrous compositions
    • B28C5/40—Mixing specially adapted for preparing mixtures containing fibres

Definitions

  • the present disclosure relates to concrete or mortar compositions containing spindle-shaped carbon fiber aggregates, reinforced concrete or mortar structures, and methods of manufacturing the same.
  • the present invention relates to concrete or mortar compositions containing spindle-shaped carbon fiber aggregates made from recycled carbon fibers, reinforced concrete or mortar structures, and methods for producing the same.
  • Concrete or mortar structures whose main component is cement are used in large quantities in the fields of architecture and civil engineering because of their excellent properties such as compressive strength, durability, and nonflammability, as well as their low cost.
  • these structures are made of aggregate such as sand or gravel, they basically have brittle physical properties and easily crack when stress such as tension, bending, or bending is applied. , it has disadvantages such as breakage.
  • fiber-reinforced plastic wire using steel fiber, synthetic fiber, aramid fiber, glass fiber, etc.
  • the mechanical properties such as flexural strength and flexural toughness of cement composite materials (reinforced concrete or mortar structures) are greatly improved.
  • Carbon fiber has excellent specific strength and specific modulus, and is lightweight, so it is used as reinforcing fiber for various materials. Furthermore, as reinforcing fibers used in cement composite materials, they are also used in the fields of architecture and civil engineering because they undergo relatively little deterioration in alkali. In particular, many methods have been studied for using composite wire rods manufactured from carbon fiber reinforced plastic (CFRP) using carbon fibers, which are continuous fibers, in cement composite materials.
  • CFRP carbon fiber reinforced plastic
  • Patent Documents 1 to 3 describe cement composite materials in which a resin matrix or, as an alternative, an inorganic matrix is adhered to carbon fibers that are continuous fibers, and a composite wire material is then cured and cut. are doing.
  • these methods cannot be applied to pre-cut short fibers, process end material fibers, recycled carbon fibers recovered from CFRP, etc., because they are cut after the continuous fibers have been hardened. .
  • the production energy or cost of the curing process may become a problem.
  • pre-cut carbon fibers are used as reinforcing materials as they are, they are not hardened and are easily dispersed into single fibers when mixed with a concrete composition or the like.
  • dispersed into single fibers there are problems that the dispersed single fibers may break due to contact with the aggregate, and that the viscosity of the material increases during kneading, resulting in a decrease in handleability. Further, there was a problem that the reinforcing effect such as bending toughness was reduced.
  • Patent Document 4 describes a cement composite material reinforced with carbon fibers having an average fiber length of 3 mm or less. Since the average fiber length is short, the probability of breakage of the dispersed single fibers is low, but it is expected that the reinforcing effects such as bending strength and bending toughness of the resulting cement composite material will be small. Furthermore, due to the increase in material viscosity, the characteristic values of the mortar composition before curing are reduced, such as slump and fluidity.
  • the present disclosure provides carbon fiber-containing concrete that is easy to handle by using a reinforcing material made from pre-cut carbon fibers such as short fibers, process end fibers, and recycled carbon fibers recovered from CFRP.
  • Another object of the present invention is to provide a mortar composition, and to provide a cured product of the carbon fiber reinforced concrete or mortar structure having a high fiber reinforcing effect.
  • the present disclosure also aims to provide a method for manufacturing carbon fiber reinforced concrete or mortar structures.
  • a carbon fiber-containing concrete or mortar composition comprising a carbon fiber aggregate composed of at least carbon fibers and a binder, the carbon fiber aggregate has a spindle shape;
  • a carbon fiber-containing concrete or mortar composition characterized by:
  • ⁇ Aspect 8> The carbon fiber-containing concrete or mortar composition according to any one of aspects 1 to 7, wherein the carbon fibers are recycled carbon fibers.
  • ⁇ Aspect 9> The carbon fiber-containing concrete according to aspect 7 or 8, wherein the recycled carbon fiber contains a residual carbon component, and the residual carbon component is more than 0% by weight and 5.0% by weight or less based on the recycled carbon fiber.
  • ⁇ Aspect 10> A carbon fiber reinforced concrete or mortar structure in which the composition according to any one of aspects 1 to 9 is cured.
  • the reinforcing material is made from pre-cut carbon fibers such as short fibers, process end fibers, and recycled carbon fibers recovered from CFRP, etc., which makes the carbon fibers excellent in handling. It is possible to provide a concrete or mortar composition containing carbon fibers, a cured product thereof, a carbon fiber reinforced concrete or mortar structure with a high fiber reinforcing effect, and a method for producing the same.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of one embodiment of an agitated granulator that can be used with the present disclosure.
  • FIG. 2 is a photograph of a plurality of carbon fiber aggregates according to Example 1.
  • FIG. 3 is a photograph of one carbon fiber aggregate according to Example 1.
  • FIG. 4 is a photograph of a plurality of carbon fiber aggregates according to Example 2.
  • the concrete or mortar composition according to the present disclosure includes: At least including a carbon fiber aggregate composed of at least carbon fibers and a binder, It is characterized by containing spindle-shaped carbon fiber aggregates.
  • the concrete or mortar composition according to the present disclosure contains spindle-shaped carbon fiber aggregates.
  • spindle-shaped carbon fiber aggregates are manufactured by rolling granulation method, stirring granulation method, etc.
  • carbon fibers are subject to stress in a certain direction such as centrifugal force. Therefore, it is considered that the single fibers are tightly fixed by the binder in a bundled state while arranging along a certain direction. Therefore, it is thought that it is difficult to unbundle when mixed with a concrete composition or the like, and it is possible to suppress dispersion into single fibers.
  • the concrete or mortar structure according to the present disclosure is preferably reinforced with spindle-shaped carbon fiber aggregates having an average length of 1.5 mm to 60 mm.
  • a feature of the spindle-shaped carbon fiber aggregate is that even if the length of the pre-cut carbon fibers used as raw materials is less than 1.5 mm, the average length of the carbon fiber aggregate can be extended. Therefore, it is possible to increase the anchoring force with the concrete structure, etc. as a reinforcing material, making it difficult for the reinforcing material to pull out from the base material, such as the concrete structure, due to tensile stress, resulting in good reinforcement efficiency. be able to.
  • a spindle-shaped carbon fiber aggregate has excellent properties as a reinforcing material for concrete structures made of pre-cut carbon fiber as a raw material, and thereby has a fiber reinforcing effect.
  • a carbon fiber assembly according to the present disclosure is an assembly composed of at least carbon fibers and a binder.
  • the single fibers are bonded to each other by a binder.
  • the amount of binder in the carbon fiber aggregate is preferably 0.1% to 10% by weight, particularly 0.5% to 8% by weight, or 1% by weight, relative to the carbon fiber aggregate. It may be up to 6% by weight. If the amount of binder is less than 0.1% by weight, the binder will be unbound and easily dispersed into single fibers when mixed with a concrete composition, etc., resulting in breakage of single fibers and an increase in material viscosity during kneading. This is not preferable because the handling properties may deteriorate.
  • the amount of binder exceeds 10% by weight, the weight ratio of carbon fibers constituting the carbon fiber aggregate becomes small, so when comparing the same additive amount of the aggregate, there is a tendency that good reinforcement efficiency cannot be obtained. be.
  • the carbon fiber aggregate according to the present disclosure has a spindle shape.
  • the spindle shape means a shape that is thick at the center and gradually becomes thinner toward both ends.
  • a method for obtaining a spindle-shaped carbon fiber aggregate using an agitation granulation method will be described later.
  • a similar method for a method for obtaining a spindle-shaped carbon fiber aggregate using a rolling granulation method, reference may be made to, for example, the description in Japanese Patent No. 3452363.
  • the average length of the carbon fiber aggregate may be 1.5 mm to 60 mm.
  • the average length of the aggregate is 5 mm or more, 10 mm or more, 15 mm or more, 20 mm or more, or 25 mm or more, and/or preferably 55 mm or less, 50 mm or less, 45 mm or less, or 40 mm or less. If the average length of the carbon fiber aggregate is less than 1.5 mm, the anchoring force with the concrete structure etc. is small, and the aggregate is easily pulled out from the base material concrete structure etc. in response to tensile stress, which is good. This is not preferable because it is not possible to obtain sufficient reinforcement efficiency.
  • the average length of the carbon fiber aggregate is greater than 60 mm, it may be difficult to uniformly mix the aggregate into a concrete composition or the like.
  • the aggregates become entangled during mixing, it may become difficult to uniformly disperse them into a concrete composition or the like.
  • the average length of the carbon fiber aggregates is determined by measuring the length of 50 carbon fiber aggregates in the longitudinal direction visually using a vernier caliper, or in an image taken with a digital camera or optical microscope. It can be calculated by averaging the measured values.
  • the average length of the carbon fiber aggregate is 1.2 to 5.0 times the average length of the carbon fibers contained in the carbon fiber aggregate.
  • the average length of the carbon fiber aggregate is within the above range, good reinforcing efficiency may be obtained.
  • the average length of the carbon fiber aggregate is 1.4 times or more, 1.5 times or more, or 1.6 times or more the average length of the carbon fibers, and/or 4.5 times or more 4.0 times or less, 3.5 times or less, 3.0 times or less, or 2.5 times or less.
  • the average length of the carbon fiber aggregate is within the above range, particularly good reinforcing efficiency may be obtained.
  • the average maximum width of the carbon fiber aggregate may be 0.1 mm to 3.0 mm.
  • the average length of the aggregate is 0.2 mm or more, 0.3 mm or more, 0.4 mm or more, or 0.5 mm or more, and/or preferably 2.8 mm or less, 2.6 mm or less, It is 2.4 mm or less, 2.2 mm or less, or 2.0 mm or less.
  • the average maximum width of the carbon fiber aggregate is the largest average length (width) in the direction perpendicular to the length direction.
  • the average maximum width of the carbon fiber aggregate is less than 0.1 mm, the aggregate may break, and there will be many short aggregates that have low anchoring force to concrete structures, etc., and it is difficult to achieve good reinforcement efficiency. It is not desirable because it cannot be obtained.
  • the average maximum width of the carbon fiber aggregates is larger than 3.0 mm, the number of aggregates dispersed in concrete structures etc. decreases when compared with the same amount of aggregates added. As a result, the total surface area of contact with concrete structures etc. becomes smaller, and good reinforcement efficiency tends to be difficult to obtain.
  • the average maximum width of the carbon fiber aggregates is determined by measuring the length of 50 carbon fiber aggregates in the minor axis direction using a caliper or the like, or by measuring the length of 50 carbon fiber aggregates in an image obtained with a digital camera or optical microscope. It can be calculated by averaging the measured values.
  • the aspect ratio of the aggregate may be between 5 and 150.
  • the aspect ratio of the aggregate is 10 or more, 15 or more, 20 or more, 25 or more, or 30 or more, and/or 120 or less, 100 or less, 80 or less, or 60 or less.
  • the aspect ratio of the carbon fiber aggregate is a value obtained by dividing the major axis of the spindle-shaped aggregate by the minor axis, and can be expressed as average length/average maximum width. As the degree of elongation increases, the aspect ratio increases. If the aspect ratio is less than 5, the total surface area of contact with a concrete structure or the like becomes small, and the fixing force becomes small, making it impossible to obtain good reinforcing efficiency, which is not preferable.
  • the aspect ratio is greater than 150, it becomes difficult to mix uniformly into concrete compositions, etc., and the aggregate may break, so good reinforcing efficiency tends not to be obtained.
  • Carbon fibers are the raw material for the aggregate, and include ordinary carbon fibers (carbon fibers that are not recycled carbon fibers, so-called virgin carbon fibers), recycled carbon fibers, and mixtures thereof.
  • the carbon fiber may be, for example, a PAN-based carbon fiber or a pitch-based carbon fiber.
  • the form of the carbon fibers is not particularly limited, but may be in the form of a carbon fiber bundle composed of a plurality of single yarns (filaments).
  • the number of filaments constituting the carbon fiber bundle may range from 1,000 to 80,000, or from 3,000 to 50,000. Further, the diameter of the filament constituting the carbon fiber may be 0.1 ⁇ m to 30 ⁇ m, 1 ⁇ m to 10 ⁇ m, or 3 ⁇ m to 8 ⁇ m.
  • Regenerated carbon fiber contains a carbon fiber component and a carbon component other than the carbon fiber component (particularly a residual carbon component). Usually, in recycled carbon fibers, carbon components other than the carbon fiber component are attached to the surface of the carbon fiber component.
  • the recycled carbon fiber is not particularly limited, but may be, for example, recycled carbon fiber obtained by heat treating a carbon fiber-containing plastic product such as carbon fiber reinforced plastic (CFRP).
  • CFRP carbon fiber reinforced plastic
  • the recycled carbon fiber is a recycled carbon fiber obtained by a semiconductor thermal activation method.
  • a particularly preferred embodiment of the following method according to the present disclosure involves decomposing a plastic component contained in a carbon fiber-containing plastic product by a semiconductor thermal activation method to produce recycled carbon fiber.
  • TASC method is a method of decomposing a compound to be decomposed such as a polymer using thermal activation of semiconductors (TASC).
  • TASC method for a method of producing recycled carbon fiber by decomposing plastic components contained in carbon fiber-containing plastic products using a semiconductor thermal activation method, see, for example, the descriptions in Japanese Patent No. 4517146 and Japanese Patent Application Publication No. 2019-189674. can do.
  • the carbon fiber component in the recycled carbon fibers may be modified by undergoing heat treatment or the like during the manufacturing process of the recycled carbon fibers.
  • the residual carbon component in the recycled carbon fiber usually originates from the resin contained in the carbon fiber-containing plastic product used as a raw material when manufacturing the recycled carbon fiber. Generally, in the process of heat treating a carbon fiber-containing plastic product, the plastic component is thermally decomposed and residual carbon remains on the surface of the carbon fiber component.
  • the residual carbon component is preferably more than 0% by weight and 5.0% by weight or less based on the recycled carbon fiber. In this case, it may be possible to obtain an aggregate with improved reinforcement efficiency.
  • the residual carbon component is more than 0% by weight and less than 5.0% by weight
  • single fibers may be It is thought that there is a relatively small amount of carbon components (particularly charcoal) that can become foreign substances that inhibit alignment and focusing. Therefore, it is possible to obtain an aggregate that is firmly fixed by the binder, so that it is difficult to unbundle when mixed with a concrete composition or the like, and it is thought that dispersion into single fibers can be suppressed.
  • the residual carbon component is 4.0% by weight or less, 3.0% by weight or less, or 2.0% by weight or less based on the recycled carbon fiber. It is preferable that the residual carbon component is reduced as much as possible, but it is preferably 0.1% by weight or more, 0.2% by weight or more, 0.4% by weight or more, 0.6% by weight, 0.6% by weight or more based on the carbon fiber. It may be 8% by weight or more, 1.0% by weight or more, or 1.2% by weight or more.
  • the content of residual carbon components in the recycled carbon fibers can be measured by thermogravimetric analysis (TGA method).
  • Residual carbon content by thermogravimetric analysis can be measured using the following procedure: (i) Sample pieces of 1 to 4 mg obtained by pulverizing recycled carbon fibers were measured in a thermogravimetric analyzer using an air supply rate of 0.2 L/min, a heating rise rate of 5°C/min, and a With a recording speed of 6s, Raising the temperature from room temperature to 100°C, holding at 100°C for 30 minutes; Raising the temperature from 100°C to 400°C, and A thermogravimetric analysis was performed for a total of about 600 minutes, including a holding step at 400 ° C.
  • the recycled carbon fiber contains resin derived from a sizing agent or the like, the above measurement can be performed after removing the resin.
  • the carbon fibers can have an average length of 1 mm or more and less than 30 mm. Fibers with lengths in this range can be obtained, for example, by cutting fibers with relatively long dimensions.
  • the average length of the carbon fibers may be 2 mm or more, 3 mm or more, or 4 mm or more, and/or 29 mm or less, 28 mm or less, 27 mm or less, 26 mm or less, 25 mm or less, 24 mm or less, 23 mm or less, 22 mm. Below, it may be 21 mm or less, or 20 mm or less. In particular, the average length of the carbon fibers may be 8 mm to 25 mm, or 9 mm to 20 mm.
  • the average length of the carbon fibers is 1 mm or more and less than 30 mm, the single fibers are facilitated to be bundled while arranging in a certain direction, and the bundles are difficult to unravel when mixed with a concrete composition, etc. It is thought that dispersion into single fibers can be suppressed.
  • the average length of the raw material fibers is sufficiently long, the fibers can be easily oriented in one direction, making it possible to obtain a spindle-shaped aggregate. it is conceivable that.
  • the average length of carbon fibers can be determined by measuring the length of 50 carbon fibers visually using a vernier caliper, or in an image taken with a digital camera or optical microscope, and averaging the measured values. It can be calculated.
  • a method for manufacturing a spindle-shaped carbon fiber aggregate according to the present disclosure includes: Providing a mixture consisting of at least carbon fibers and a binder-containing liquid (providing step); Producing a spindle-shaped precursor by rolling the mixture in a container (granulation step) and drying the precursor (drying step).
  • the method according to the present disclosure provides a mixture comprising at least carbon fibers and a binder-containing liquid.
  • the mixture consists in particular of carbon fibers and a binder-containing solution.
  • the amount of binder-containing liquid in the mixture is preferably 10% to 70% by weight, particularly preferably 15% to 60% by weight, or 20% to 50% by weight.
  • the fibers are bundled particularly well due to the liquid contained in the binder. Furthermore, in this case, the load of the drying process can be reduced because the amount of liquid contained in the binder does not become excessive.
  • the binder-containing liquid is a binder dispersion liquid or a binder solution, and contains a binder and a solvent or a dispersion medium.
  • the binder has the role of focusing the carbon fibers in the aggregate and maintaining the shape of the aggregate.
  • the binder is not particularly limited, but is preferably a thermoplastic resin or a thermosetting resin. More specifically, the binder includes epoxy resin, urethane-modified epoxy resin, vinyl ester resin, acrylic resin, polyester resin, phenol resin, polyamide resin, polyurethane resin, polycarbonate resin, polyetherimide resin, polyamideimide resin, polyimide. Examples include resins, bismaleimide resins, polysulfone resins, polyethersulfone resins, epoxy-modified urethane resins, polyvinyl alcohol resins, and polyvinylpyrrolidone resins. These resins can be used alone or in combination of two or more.
  • binder examples include bentonite, lignin sulfonate, molasses, carboxymethyl cellulose, konjac powder, sodium alginate, polyacrylamide, polyvinyl acetate, polyvinyl alcohol, and starch. These can be used alone or in combination of two or more, and can also be used in combination with the above resins.
  • solvent or dispersion medium is not particularly limited as long as it is a liquid that can dissolve or disperse the binder.
  • Solvents or dispersion media include water, alcohols (for example methanol or ethanol), ketones (for example methyl ethyl ketone or acetone), hydrocarbons (for example cyclohexane, toluene or xylene), halogenated hydrocarbons (for example dichloromethane), amides (for example N- methylpyrrolidone or dimethylformamide), ethers (eg tetrahydrofuran).
  • the solvent or dispersion medium is particularly preferably water.
  • the binder-containing liquid used in the present disclosure can be prepared, for example, by further adding a solvent or dispersion medium to a relatively concentrated commercially available sizing agent composed of a binder and a solvent or dispersion medium.
  • a binder-containing liquid can be prepared by adding a dispersion medium (especially water) to a sizing agent containing a binder and a dispersion medium (especially water).
  • the sizing agent (and the binder-containing liquid obtained by adding a solvent or dispersion medium to the sizing agent) may be, for example, in the form of a water emulsion in which the binder is dispersed in water, and in particular may be a water-based polyurethane.
  • the concentration of the binder in the sizing agent is not particularly limited, but may be, for example, 10 to 80% by weight, 20 to 60% by weight, or 30 to 50% by weight.
  • the amount of the binder may be 0.5% by weight or more, 1% by weight or more, 1.5% by weight or more, 2.0% by weight or more, or 3.0% by weight relative to the binder-containing liquid, and Or, it may be 20% by weight or less, 18% by weight or less, 16% by weight or less, 14% by weight or less, or 12% by weight or less.
  • the amount of binder is particularly preferably from 1% to 16% by weight, or from 2% to 12% by weight, based on the binder-containing liquid.
  • the amount of the binder is preferably 0.1% to 10% by weight, particularly preferably 0.5% to 8% by weight, or 1% to 6% by weight based on the carbon fiber aggregate. Weight%.
  • the fiber component particularly the carbon fiber
  • a fiber opening treatment By performing the fiber opening treatment, it may be possible to eliminate the entanglement of the fibers and promote orientation of the fibers in one direction in the granulation process.
  • Carbon fibers that can be used to produce a spindle-shaped carbon fiber aggregate can be subjected to an opening treatment in advance. By performing the fiber opening treatment, it may be possible to promote convergence of the single fibers while arranging them along a certain direction in the granulation process.
  • the method of opening the fibers is not particularly limited, but can be performed using a rotating blade, for example.
  • the rotating blade for opening may be an auxiliary blade installed in the granulator.
  • the opening treatment can also be performed by high-speed stirring.
  • the method for obtaining a mixture from carbon fibers and a binder-containing liquid is not particularly limited.
  • the carbon fibers and the binder-containing liquid can be put in the form of a mixture into a container used in the granulation process.
  • a mixture may be obtained by pouring a binder-containing liquid onto a mass of carbon fibers and optionally stirring, and this mixture may be poured into a container.
  • the carbon fibers and the binder-containing liquid can be separately charged into a container and mixed within the container to form a mixture. Mixing and granulation may be performed simultaneously.
  • the carbon fibers and binder-containing liquid in the mixture do not necessarily need to be uniformly distributed within the mixture.
  • the mixture can be stirred during the granulation process to improve uniformity.
  • a spindle-shaped precursor is formed by rolling a mixture in a container (hereinafter, this process may be referred to as "granulation process"). Manufacture.
  • the method of rolling the mixture in the container is not particularly limited, and known methods (particularly known granulation methods) can be used.
  • the spindle-shaped precursor is produced by rolling the mixture in a container in the clearance between the inner wall of the container and a rotating body within the container.
  • the method for rolling the mixture in the clearance between the inner wall of the container and the rotating body within the container is not particularly limited. An exemplary method for this is described below with reference to FIG.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of one embodiment of an agitated granulator that can be used in the present disclosure.
  • the stirring granulator 10 in FIG. 1 has a cylindrical container portion 12 as a container and a stirring blade 14 as a rotating body.
  • the stirring granulator 10 shown in FIG. 1 is of a horizontal type, and in normal use, the opening of the container portion 12 opens toward the side.
  • FIG. 1 is a view looking into the inside of the container section.
  • a shaft portion 16 is attached to the inner wall of the container portion 12 facing the opening (the wall on the back side in the above viewpoint).
  • the shaft portion 16 extends in the horizontal direction.
  • the stirring blade 14 can rotate around this shaft portion 16 (counterclockwise ("A") in the example of FIG. 1, but may also rotate clockwise). That is, the stirring blade 14 in FIG. 1 is configured to rotate in a plane parallel to the direction of gravity.
  • an auxiliary blade for opening the fibers can also be installed in the container section 12.
  • a mixture containing carbon fibers and a binder-containing liquid is optionally mixed and stirred by the stirring blade 14 rotating in the container 12, and the mixture is mixed and stirred between the inner wall of the container 12 and the stirring blade 14 inside the container 12. It is rolled with a clearance between (indicated by the symbol "C" in FIG. 1).
  • the granulation process can be carried out at ambient temperature or by heating.
  • the granulation process can be carried out for, for example, 1 minute to 1 hour, 5 minutes to 20 minutes, or 8 minutes to 15 minutes.
  • the container of the present disclosure is not particularly limited as long as it is suitable for holding a mixture therein and for performing the above-described granulation treatment on the mixture.
  • the container is made of a material with excellent rigidity and durability.
  • the inner wall of the container be made of a material that does not cause wear during rolling of the mixture, or that the inner wall be subjected to a surface treatment for this purpose.
  • the container is not tilted and is substantially parallel to the horizontal direction.
  • the portion of the inner wall of the container that is located below in the direction of gravity may not be inclined but may be substantially parallel to the horizontal direction.
  • the rotating body is configured to be able to roll a mixture containing carbon fibers and a binder-containing liquid between itself and the inner wall of the container by rotating within the container.
  • the rotating body is, for example, attached to a shaft installed in the container and configured to be able to rotate around the shaft.
  • the rotating body preferably has the form of a blade.
  • the rotating body is particularly preferably a stirring blade.
  • the stirring blade is preferably made of a material with excellent rigidity and durability, and in particular, it should be made of a material that does not cause wear during rolling of the mixture, or should be surface-treated for this purpose. is preferred.
  • the size of the clearance between the inner wall of the container and the rotating body that is, the distance between the inner wall of the container and the rotating body may be constant, or may vary continuously or discontinuously. There may be.
  • the size of the clearance between the inner wall of the container and the rotating body within the container can be set as appropriate depending on the desired size of the carbon fiber aggregate. For example, it may be 1 to 10 mm.
  • a known stirring granulator can be used as the device having the above container and rotating body.
  • the stirring granulator is not particularly limited, and for example, a Henschel type granulator (Henschel mixer), a bag mill type granulator, or an Eirich type stirring granulator can be used. Both vertical and horizontal types of stirring granulators can be used.
  • spindle-shaped precursor contains carbon fibers and a binder, and also contains a liquid (particularly water) derived from the binder-containing liquid. In the drying step described below, liquid (particularly water) in the precursor can be removed.
  • the method of drying the precursor is not particularly limited, and the temperature conditions, time conditions, etc. can be determined as appropriate depending on the moisture content of the obtained precursor.
  • the mortar composition according to the present disclosure is obtained by adding water to a spindle-shaped carbon fiber aggregate, cement, fine aggregate such as sand, and an admixture and mixing the mixture. Concrete compositions are obtained by mixing these raw materials with coarse aggregate such as gravel. Various additives and other raw materials may be added to such concrete or mortar compositions for the purpose of improving physical properties depending on the intended use.
  • the addition rate (content rate) of carbon fibers constituting the spindle-shaped carbon fiber aggregate according to the present disclosure can be selected depending on the application, but preferably 0% to the total amount of the concrete or mortar composition. 0.01 to 10% by volume, particularly 0.05 to 5% by volume, 0.1 to 3% by volume, or 0.2 to 1.5% by volume. Furthermore, the spindle-shaped carbon fiber aggregate according to the present disclosure and existing reinforcing fiber materials can be used in combination. If the carbon fiber addition rate is less than 0.01% by volume, it is not preferable because good reinforcing efficiency cannot be obtained.
  • the addition rate of carbon fiber exceeds 10% by volume, it may become difficult to uniformly mix the aggregate into a concrete composition or the like.
  • the aggregates become entangled during mixing, it may become difficult to uniformly disperse them into a concrete composition or the like. This is undesirable because the viscosity of the concrete composition may increase and the handling properties may deteriorate.
  • ⁇ Method of adding carbon fiber aggregate As a method for adding the spindle-shaped carbon fiber aggregate according to the present disclosure to a concrete composition, for example, the aggregate is made into a dry premix with cement, fine aggregate, coarse aggregate, etc., and then water is added and kneaded. There are two methods: mixing cement, fine aggregate, coarse aggregate, etc., and water, then adding aggregate after sufficiently stirring the mixture.
  • a pan type mixer As a mixer for kneading, a pan type mixer, a tilting mixer, an omni mixer, a Hobart mixer, a truck mixer, etc. can be used.
  • the concrete or mortar structure according to the present disclosure can be manufactured by curing the concrete or mortar composition obtained as described above.
  • the carbon fibers may exist in the form of spindle-shaped carbon fiber aggregates according to the present disclosure, and some or all of the aggregates may be unbundled and dispersed into single fibers or fiber bundles. It's okay.
  • carbon fiber aggregates are mixed with concrete compositions, etc., so that the carbon fibers are relatively less likely to break even if they are dispersed into single fibers or fiber bundles during manufacturing. A uniformly dispersed structure can be obtained.
  • the method for curing the concrete or mortar composition is not particularly limited, and the curing method and conditions can be determined as appropriate depending on the type of structure, construction conditions, location conditions, environmental conditions, etc. For example, it may be used in construction or repair methods such as 3D printing, coating, injection, filling, plastering, and spraying.
  • Carbon fiber recycled carbon fiber with an average single fiber diameter of 6.7 ⁇ m, a single fiber tensile strength of 5.3 GPa, a Weibull shape coefficient of 7.6, and a residual carbon content of 1.4% by weight, obtained by a semiconductor thermal activation method, was used. .
  • Single fiber tensile strength was measured in accordance with JIS R7606 as follows: Collecting at least 30 single fibers from the fiber bundle, Measure the diameter of the single fiber in the side image of the single fiber taken with a digital microscope, calculate the cross-sectional area, The sampled single fibers were fixed on a perforated mount using adhesive. The mount to which the single fibers were fixed was attached to a tensile testing machine, and a tensile test was performed at a sample length of 10 mm and a strain rate of 1 mm/min to measure the tensile breaking stress. Calculate the tensile strength from the cross-sectional area and tensile breaking stress of the single fiber, The average tensile strength of at least 30 single fibers was defined as the single fiber tensile strength.
  • thermogravimetric analysis The amount of residual carbon component in the recycled carbon fibers was determined by thermogravimetric analysis (TGA method) as follows: (i) A 4 mg sample piece obtained by pulverizing recycled carbon fiber was measured in a thermogravimetric analyzer using an air supply rate of 0.2 L/min, a heating rise rate of 5°C/min, and a heating rate of 1/6 s. Thermogravimetric analysis with steps consisting of heating from room temperature to 100°C, holding at 100°C for 30 minutes, heating from 100°C to 400°C, and holding at 400°C for 480 minutes at a recording speed.
  • Binder-containing liquid A binder-containing liquid (water emulsion sizing agent) containing 10.2 g of urethane resin as a binder and 255 g of water as a dispersion medium was prepared.
  • granulation process For the granulation process, a vertical stirring granulator (30L MTI mixer, manufactured by Tsukishima Kikai Co., Ltd.) was used.
  • the stirring granulator had a stirring blade and also had an auxiliary blade to promote opening of the fibers.
  • the moisture content in the mixture was 33.3% by weight.
  • the rotation speed of the stirring blade was 290 rpm, and the rotation speed of the auxiliary blade was 5,000 rpm.
  • Binder content The binder content for the aggregate of Example 1 was 2.0% by weight.
  • the average length of the carbon fiber aggregate according to Example 1 was 32.8 mm, and the average maximum width was 0.9 mm. Since the average length of the recycled carbon fibers was 15 mm, the average length of the carbon fiber aggregate was 2.2 times the average length of the recycled carbon fibers.
  • the aspect ratio (major axis/minor axis) of the aggregate of Example 1 was calculated.
  • the addition rate of carbon fiber in the obtained green mortar composition was 0.5% by volume.
  • the water/cement ratio was 30.0% by weight and the fine aggregate/cement ratio was 45.0% by weight.
  • the green mortar composition according to Example 1 was poured into a formwork of 40 mm width x 40 mm height x 160 mm length, and was cured in air at 20 °C for 2 days, and then in water at 20 °C for 4 days.
  • a mortar structure specimen (cured product) for measuring bending fracture energy was manufactured.
  • Example 2 ⁇ Preparation of materials> (Carbon fiber)
  • Carbon fiber The same recycled carbon fiber as in Example 1 was used as the carbon fiber, except that it was cut to an average length of 10 mm.
  • Binder-containing liquid A binder-containing liquid (water emulsion sizing agent) containing 10.2 g of urethane resin as a binder and 291 g of water as a dispersion medium was prepared.
  • the stirring granulator had a stirring blade and also had an auxiliary blade to promote opening of the fibers.
  • the moisture content in the mixture was 36.3% by weight.
  • the rotation speed of the stirring blade was 320 rpm, and the rotation speed of the auxiliary blade was 3,000 rpm.
  • FIG. 4 is a photograph of the carbon fiber aggregate according to Example 2. The obtained carbon fiber aggregate had a spindle shape.
  • Binder content The binder content for the aggregate of Example 2 was 2.0% by weight.
  • the average length of the carbon fiber aggregate evaluated in the same manner as in Example 1 was 18.9 mm, and the average maximum width was 1.6 mm. Since the average length of the recycled carbon fibers was 10 mm, the average length of the carbon fiber aggregate was 1.9 times the average length of the recycled carbon fibers.
  • Comparative example 1 In Comparative Example 1, virgin carbon fiber bundles cut to an average length of 10 mm (24,000 single fibers per bundle, average single fiber diameter 6.8 ⁇ m, single fiber tensile strength) were used instead of recycled carbon fiber aggregates. A green mortar composition and a mortar structure were produced and evaluated in the same manner as in Example 1, except that a strength of 5.4 GPa and a Weibull shape factor of 4.9) were used. The results are shown in Table 1 below.
  • the green mortar compositions according to Examples 1 and 2 exhibited fluidity equivalent to that of the raw mortar composition without fiber reinforcement according to Reference Example 1, and had better fluidity than the raw mortar composition according to Comparative Example 1. showed his sexuality. The reason for this is that the carbon fiber aggregates of Examples 1 and 2 had a higher bundling power than the cut virgin carbon fiber bundles of Comparative Example 1, and their dispersion into single fibers was suppressed. The reason is that the viscosity did not increase. Further, the mortar structures according to Examples 1 and 2 had higher bending strength and bending fracture energy than the mortar structures without fiber reinforcement according to Reference Example 1. Therefore, by using the green mortar compositions according to Examples 1 and 2, excellent moldability and reinforcement efficiency can be obtained at the same time.
  • the mortar structure according to Example 1 has further increased bending strength and bending fracture energy than the mortar structure according to Example 2, and even though it contains recycled carbon fiber, it has a higher bending strength than the mortar structure according to Example 2. It exhibited higher bending strength and bending failure energy than such mortar structures.
  • the reason for this is that the carbon fiber aggregate of Example 1 had a longer average length than the aggregate of Example 2, and the fixing force with the mortar was further increased, so that it was less susceptible to tensile stress. On the other hand, the aggregate became more difficult to pull out from the mortar, and the reinforcement efficiency was particularly good.

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Abstract

本発明は、短繊維や、工程端材繊維、ＣＦＲＰなどから回収処理される再生炭素繊維などの、予めカットされている炭素繊維を原材料にした補強材により、取扱い性に優れた炭素繊維含有コンクリート若しくはモルタル組成物を提供し、かつその硬化物である繊維補強効果が高い炭素繊維強化コンクリート若しくはモルタル構造物を提供することを目的とする。本発明の炭素繊維含有コンクリートまたはモルタル組成物は、炭素繊維及びバインダから少なくとも構成される炭素繊維集合体を含む炭素繊維含有コンクリートまたはモルタル組成物であって、前記炭素繊維集合体が、紡錘形の形状を有すること、を特徴とする。

Description

炭素繊維含有コンクリート若しくはモルタル組成物、並びに炭素繊維強化コンクリート若しくはモルタル構造物、及びその製造方法
　本開示は、紡錘形の炭素繊維集合体を含有するコンクリート若しくはモルタル組成物、並びにその強化されたコンクリート若しくはモルタル構造物、及びその製造方法に関する。特に、再生炭素繊維（リサイクルされた炭素繊維）から製造される紡錘形の炭素繊維集合体を含有するコンクリート若しくはモルタル組成物、並びにその強化されたコンクリート若しくはモルタル構造物、及びその製造方法に関する。
　セメントを主成分とするコンクリート若しくはモルタル構造物は、その圧縮強度、耐久性、不燃性などの優れた特性に加え安価であることから、建築、土木分野で大量に使用されている。しかしながら、これらの構造物は砂や砂利などの骨材を用いた場合であっても、基本的には脆性な物性を有し、引張、曲げ、屈曲などの応力が加わると容易にクラックが入る、破損するなどの欠点を有している。
　そこでこれらの欠点を補うべく、従来からの各種骨材に加えて、鋼繊維や、合成繊維、若しくはアラミド繊維やガラス繊維などを用いた繊維強化プラスチック線材（ＦＲＰ線材）を補強材として使用することがあり、そのセメント複合材料（強化コンクリート若しくはモルタル構造物）の曲げ強度、曲げ靭性などの機械的特性は大きく向上する。
　炭素繊維は、比強度・比弾性率に優れ、軽量であるため、各種材料の強化繊維などとして用いられている。さらには、セメント複合材料に用いられる強化繊維として、アルカリ中での劣化が比較的少ないことから、建築、土木分野でも利用されている。特に、連続繊維である炭素繊維を用いた炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）から製造される複合線材を、セメント複合材料に用いられる方法が多く検討されてきた。
　例えば、特許文献１～３は、連続繊維である炭素繊維に樹脂マトリックス、若しくは代替として無機マトリックスを付着させた後に、その硬化処理を行い、カットした複合線材を使用してなるセメント複合材料を記載している。しかし、これらの方法は、連続繊維の硬化処理を行った後にカットすることから、予めカットされている短繊維や、工程端材繊維、ＣＦＲＰなどから回収処理される再生炭素繊維などには適用できない。また、硬化処理工程の製造エネルギー若しくはコストが問題になることがある。
　一方で、予めカットされている炭素繊維をそのまま補強材として使用する場合は、硬化処理を行っていないため、コンクリート組成物などとの練り混ぜ時に単繊維に分散し易い。単繊維に分散すると、分散した単繊維が骨材との接触により折損すること、及び混錬時の材料粘度が上昇して取扱い性が低下することが問題になる。また、曲げ靭性などの補強効果が低下する問題があった。
　特許文献４は、平均繊維長が３ｍｍ以下の炭素繊維で補強したセメント複合材料を記載している。平均繊維長が短いため、分散した単繊維の折損確率は低いが、得られるセメント複合材料の曲げ強度、曲げ靭性などの補強効果は小さいことが予想される。また、材料粘度の上昇により、養生前のモルタル組成物の特性値として、スランプと流動性が低下している。
特許第５０４６２７６号公報 特許第５０５４９０６号公報 特許第５１８２７７９号公報 特許第５８０９０１９号公報
　本開示は、短繊維や、工程端材繊維、ＣＦＲＰなどから回収処理される再生炭素繊維などの、予めカットされている炭素繊維を原材料にした補強材により、取扱い性に優れた炭素繊維含有コンクリート若しくはモルタル組成物を提供し、かつその硬化物である繊維補強効果が高い炭素繊維強化コンクリート若しくはモルタル構造物を提供することを目的とする。
　また、本開示は、炭素繊維強化コンクリートまたはモルタル構造物の製造方法を提供することを目的とする。
　本発明に係る下記の態様によれば、上記の課題を解決することができる：
＜態様１＞
　炭素繊維及びバインダから少なくとも構成される炭素繊維集合体を含む炭素繊維含有コンクリートまたはモルタル組成物であって、
　前記炭素繊維集合体が、紡錘形の形状を有すること、
を特徴とする炭素繊維含有コンクリートまたはモルタル組成物。
＜態様２＞
　前記紡錘形の炭素繊維集合体の平均長さが、１．５ｍｍ～６０ｍｍである、態様１に記載の炭素繊維含有コンクリートまたはモルタル組成物。
＜態様３＞
　前記紡錘形の炭素繊維集合体の平均最大幅が、０．１ｍｍ～３．０ｍｍである、態様１又は２に記載の炭素繊維含有コンクリートまたはモルタル組成物。
＜態様４＞
　前記炭素繊維の平均長さが、１ｍｍ以上３０ｍｍ未満である、態様１～３のいずれか一項に記載の炭素繊維含有コンクリートまたはモルタル組成物。
＜態様５＞
　前記炭素繊維集合体の平均長さが、前記炭素繊維集合体に含有される前記炭素繊維の平均長さの１．２倍～５．０倍である、態様４に記載の炭素繊維含有コンクリートまたはモルタル組成物。
＜態様６＞
　前記バインダの含有量が、前記紡錘形の炭素繊維集合体に対して、０．１重量～１０重量％である、態様１～５のいずれか一項に記載の炭素繊維含有コンクリートまたはモルタル組成物。
＜態様７＞
　前記炭素繊維が、再生炭素繊維を含む、態様１～６のいずれか一項に記載の炭素繊維含有コンクリートまたはモルタル組成物。
＜態様８＞
　前記炭素繊維が、再生炭素繊維である、態様１～７のいずれか一項に記載の炭素繊維含有コンクリートまたはモルタル組成物。
＜態様９＞
　前記再生炭素繊維が、残留炭素成分を含み、前記残留炭素成分が、前記再生炭素繊維に対して０重量％超５．０重量％以下である、態様７又は８に記載の炭素繊維含有コンクリートまたはモルタル組成物。
＜態様１０＞
　態様１～９のいずれか一項に記載の組成物が硬化された炭素繊維強化コンクリートまたはモルタル構造物。
＜態様１１＞
　炭素繊維及びバインダから少なくとも構成される紡錘形の炭素繊維集合体を製造すること、
　を含む、炭素繊維強化コンクリートまたはモルタル構造物の製造方法。
＜態様１２＞
　前記炭素繊維が、再生炭素繊維を含む、態様１１に記載の方法。
＜態様１３＞
　前記炭素繊維が、再生炭素繊維である、態様１１又は１２に記載の方法。
＜態様１４＞
　炭素繊維含有プラスチック製品に含有されるプラスチック成分を半導体熱活性法によって分解して、前記再生炭素繊維を製造することを含む、態様１２又は１３に記載の方法。
　本発明によれば、短繊維や、工程端材繊維、ＣＦＲＰなどから回収処理される再生炭素繊維などの、予めカットされている炭素繊維を原材料にした補強材により、取扱い性に優れた炭素繊維含有コンクリート若しくはモルタル組成物を提供し、かつその硬化物である繊維補強効果が高い炭素繊維強化コンクリート若しくはモルタル構造物、及びその製造方法を提供することができる。
図１は、本開示で用いることができる攪拌造粒器の１つの実施態様の概略図である。 図２は、実施例１に係る複数の炭素繊維集合体の写真である。 図３は、実施例１に係る１つの炭素繊維集合体の写真である。 図４は、実施例２に係る複数の炭素繊維集合体の写真である。
　本開示に係るコンクリート若しくはモルタル組成物は、
　炭素繊維及びバインダから少なくとも構成される炭素繊維集合体を少なくとも含み、
　紡錘形の炭素繊維集合体を含有する
を特徴とする。
　本開示に係るコンクリート若しくはモルタル組成物は、紡錘形の炭素繊維集合体を含有する。理論によって限定する意図はないが、紡錘形の炭素繊維集合体は、転動造粒方式や、攪拌造粒方式などで製造されるため、炭素繊維が遠心力などの一定の方向の応力を受けることにより、その単繊維が一定の方向に沿って配列しながら集束した状態で、バインダにより強固に固定化されていると考えられる。したがって、コンクリート組成物などとの練り混ぜ時に集束が解け難く、単繊維に分散することを抑制できると考えられる。
　また、本開示に係るコンクリート若しくはモルタル構造物は、炭素繊維集合体の平均長さが、１．５ｍｍ～６０ｍｍである紡錘形の炭素繊維集合体で強化されることが好ましい。原材料となる予めカットされた炭素繊維の長さが１．５ｍｍ未満であっても、炭素繊維集合体の平均長さとして延長できることが、紡錘形の炭素繊維集合体の特徴にある。したがって、補強材としてのコンクリート構造物などとの定着力を増すことができるため、引張応力に対して、補強材が母材であるコンクリート構造物などから引き抜け難くなり、良好な補強効率を得ることができる。
　すなわち、本開示は、紡錘形の炭素繊維集合体が、予めカットされている炭素繊維を原材料にしたコンクリート構造物などに対する補強材として、優れた特性を有することを見出したことにより、繊維補強効果が高いセメント複合材料を提供することに至った。
　以下、本開示に係る発明について、さらに詳細に説明する。
＜炭素繊維集合体＞
　本開示に係る炭素繊維集合体は、炭素繊維及びバインダから少なくとも構成される集合体である。炭素繊維集合体中で、その単繊維が、バインダによって互いに結合している。
　炭素繊維集合体中のバインダの量は、好ましくは、炭素繊維集合体に対して、０．１重量～１０重量％であり、特には、０．５重量％～８重量％、又は１重量％～６重量％であってよい。バインダの量が０．１重量％未満では、コンクリート組成物などとの練り混ぜ時に集束が解けて単繊維に分散しやすくなり、単繊維が折損すること、及び混錬時の材料粘度が上昇して取扱い性が低下することがあるので好ましくない。
　また、バインダの量が１０重量％超では、炭素繊維集合体を構成する炭素繊維の重量比率が小さくなるので、集合体の同一添加量で比較した場合、良好な補強効率が得られない傾向にある。
　本開示に係る炭素繊維集合体は、紡錘形の形状を有する。なお、紡錘形とは、中央部が太く、両端に向かって次第に細くなる形状を意味する。
　本開示に関わる方法の特に好ましい実施態様として、攪拌造粒方式を用いた紡錘形の炭素繊維集合体を得るための方法については、後述する。類似する方法として、転動造粒方式を用いた紡錘形の炭素繊維集合体を得るための方法については、例えば、特許第３４５２３６３の記載などを参照することができる。
（集合体の平均長さ）
　炭素繊維集合体の平均長さは、１．５ｍｍ～６０ｍｍであってよい。好ましくは、集合体の平均長さが、５ｍｍ以上、１０ｍｍ以上、１５ｍｍ以上、２０ｍｍ以上、若しくは２５ｍｍ以上であり、かつ／又は、好ましくは５５ｍｍ以下、５０ｍｍ以下、４５ｍｍ以下、若しくは４０ｍｍ以下である。炭素繊維集合体の平均長さが１．５ｍｍ未満では、コンクリート構造物などとの定着力が小さく、引張応力に対して、集合体が母材であるコンクリート構造物などから引き抜けやすくなり、良好な補強効率を得ることができないので好ましくない。
　また、炭素繊維集合体の平均長さが６０ｍｍより大きいものでは、集合体をコンクリート組成物などに均一に混ぜることが難しくなることがある。また、練り混ぜ時に集合体が絡まり合うことで、さらにコンクリート組成物などに均一に分散させることが難しくなることがある。
　炭素繊維集合体の平均長さは、目視でノギスなどを用いて、又はデジタルカメラ若しくは光学顕微鏡などで取得された画像において、５０個の炭素繊維集合体の長軸方向の長さを計測し、計測値を平均することによって、算出することができる。
　好ましくは、炭素繊維集合体の平均長さが、炭素繊維集合体に含有される炭素繊維の平均長さの、１．２倍～５．０倍である。炭素繊維集合体の平均長さが上記の範囲である場合には、良好な補強効率を得ることができることがある。
　特に好ましくは、炭素繊維集合体の平均長さが、炭素繊維の平均長さの、１．４倍以上、１．５倍以上、若しくは１．６倍以上であり、かつ／又は、４．５倍以下、４．０倍以下、３．５倍以下、３．０倍以下、若しくは２．５倍以下である。炭素繊維集合体の平均長さが上記の範囲である場合には、特に良好な補強効率を得ることができることがある。
（集合体の平均最大幅）
　炭素繊維集合体の平均最大幅は、０．１ｍｍ～３．０ｍｍであってよい。好ましくは、集合体の平均長さが、０．２ｍｍ以上、０．３ｍｍ以上、０．４ｍｍ以上、若しくは０．５ｍｍ以上であり、かつ／又は、好ましくは２．８ｍｍ以下、２．６ｍｍ以下、２．４ｍｍ以下、２．２ｍｍ以下、若しくは２．０ｍｍ以下である。炭素繊維集合体の平均最大幅は、長さ方向に垂直な方向で最も大きい平均長さ（幅）である。炭素繊維集合体の平均最大幅が０．１ｍｍ未満では、集合体が折れてしまうことがあり、コンクリート構造物などとの定着力が小さい短い集合体が多くなることになり、良好な補強効率を得ることができないので好ましくない。
　また、炭素繊維集合体の平均最大幅が３．０ｍｍより大きいものになると、集合体の同一添加量で比較した場合、コンクリート構造物などに分散する集合体の本数が少なくなる。その結果、コンクリート構造物などとの接触総表面積が小さくなり、良好な補強効率が得られない傾向にある。
　炭素繊維集合体の平均最大幅は、目視でノギスなどを用いて、又はデジタルカメラ若しくは光学顕微鏡などで取得された画像において、５０個の炭素繊維集合体の短軸方向の長さを計測し、計測値を平均することによって、算出することができる。
（アスペクト比）
　集合体のアスペクト比は、５～１５０であってよい。好ましくは、集合体のアスペクト比が、１０以上、１５以上、２０以上、２５以上、若しくは３０以上であり、かつ／又は、１２０以下、１００以下、８０以下、若しくは６０以下である。炭素繊維集合体のアスペクト比は、紡錘形の集合体の長径を短径で除した値であり、平均長さ／平均最大幅とすることができる。細長い度合いが増すにつれて、アスペクト比は大きくなる。アスペクト比が５未満では、コンクリート構造物などとの接触総表面積が小さくなり、定着力が小さくなるため、良好な補強効率を得ることができないので好ましくない。
　アスペクト比が１５０より大きいものでは、コンクリート組成物などに均一に混ぜることが難しくなり、集合体が折れてしまうことがあるため、良好な補強効率が得られない傾向にある。
（炭素繊維）
　炭素繊維は、集合体の原料であり、通常の炭素繊維（再生炭素繊維ではない炭素繊維、いわゆるヴァージン炭素繊維）、再生炭素繊維、及びこれらの混合物が挙げられる。炭素繊維は、例えば、ＰＡＮ系炭素繊維、又はピッチ系炭素繊維であってよい。
　炭素繊維の形態は、特に制限されないが、複数の単糸（フィラメント）から構成される炭素繊維束の形態であってよい。炭素繊維束を構成するフィラメントの構成本数は、１，０００本～８０，０００本、又は３，０００本～５０，０００本の範囲であってよい。また、炭素繊維を構成するフィラメントの直径は、０．１μｍ～３０μｍ、１μｍ～１０μｍ、又は３μｍ～８μｍであってよい。
（再生炭素繊維）
　再生炭素繊維（リサイクルされた炭素繊維）は、炭素繊維成分、及び炭素繊維成分以外の炭素成分（特には残留炭素成分）を含む。通常、再生炭素繊維中で、炭素繊維成分以外の炭素成分は、炭素繊維成分の表面に付着している。
　再生炭素繊維は、特に限定されないが、例えば、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）などの炭素繊維含有プラスチック製品を熱処理することによって得られた再生炭素繊維であってよい。
　特に好ましくは、再生炭素繊維は、半導体熱活性法によって得られた再生炭素繊維である。本開示に係る下記の方法の特に好ましい実施態様は、炭素繊維含有プラスチック製品に含有されるプラスチック成分を、半導体熱活性法によって分解して、再生炭素繊維を製造すること、を含む。
　なお、「半導体熱活性法」（ＴＡＳＣ法）は、半導体の熱活性（Ｔｈｅｒｍａｌ　Ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｓｅｍｉ－ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ、ＴＡＳＣ）を利用してポリマーなどの被分解化合物を分解する方法である。炭素繊維含有プラスチック製品に含有されるプラスチック成分を半導体熱活性法によって分解して再生炭素繊維を製造する方法については、例えば、特許第４５１７１４６号、及び特開２０１９－１８９６７４号公報の記載などを参照することができる。
　再生炭素繊維中の炭素繊維成分は、再生炭素繊維の製造の過程で熱処理などを受けることによって改質されていてもよい。再生炭素繊維中の炭素繊維成分の詳細については、上記の炭素繊維についての記載を参照することができる。
　再生炭素繊維中の残留炭素成分は、通常、再生炭素繊維を製造する際に原料として用いた炭素繊維含有プラスチック製品に含まれていた樹脂に由来する。一般に、炭素繊維含有プラスチック製品を熱処理する過程で、プラスチック成分が熱分解され、炭素繊維成分の表面に残留炭素が残存する。
　本開示では、好ましくは、残留炭素成分が、再生炭素繊維に対して、０重量％超５．０重量％以下である。この場合には、補強効率が向上した集合体を得ることができることがある。
　理論によって限定する意図はないが、残留炭素成分が０重量％超５．０重量％以下である場合には、紡錘形の炭素繊維集合体を製造する際に、単繊維が一定の方向に沿って配列しながら集束されることを阻害する異物となりうる炭素成分（特には炭）が比較的少ないと考えられる。したがって、バインダにより強固に固定化された集合体を得ることができるため、コンクリート組成物などとの練り混ぜ時に集束が解け難く、単繊維に分散することを抑制できると考えられる。
　好ましくは、残留炭素成分は、再生炭素繊維に対して、４．０重量％以下、３．０重量％以下、又は２．０重量％以下である。残留炭素成分は、できるだけ低減されていることが好ましいが、炭素繊維に対して、０．１重量％以上、０．２重量％以上、０．４重量％以上、０．６重量％、０．８重量％以上、１．０重量％以上、若しくは１．２重量％以上であってもよい。
　再生炭素繊維中の残留炭素成分の含有量は、熱重量分析法（ＴＧＡ法）によって計測することができる。
　熱重量分析法による残留炭素成分は、下記の手順で計測することができる：
（ｉ）再生炭素繊維を粉砕して得た１～４ｍｇのサンプル片に対して、熱重量分析計において、０．２Ｌ／ｍｉｎの空気供給速度、５℃／ｍｉｎの加熱上昇率、及び１／６ｓの記録速度で、
　室温から１００℃への昇温、
　３０分間にわたる１００℃での保持、
　１００℃から４００℃への昇温、及び、
　４８０分間にわたる４００℃での保持
の工程を有し合計約６００分間にわたる熱重量分析を行い、
（ｉｉ）重量減少率を時間に対してプロットしたグラフにおいて、傾きの変曲点を特定し、当該変曲点における重量減少率の値から、１００℃での保持期間における重量減少率を差し引くことによって、残留炭素量を算出する。
　なお、上記の条件で傾きの変曲点を特定できない場合には、４００℃で４８０分間にわたって保持する代わりに、４００℃超５００℃以下の範囲内の特定の温度で、４８０分間にわたって保持してもよい。
　また、再生炭素繊維がサイジング剤などに由来する樹脂を有している場合には、当該樹脂を除去した後で、上記の計測を行うことができる。
（炭素繊維の平均長さ）
　炭素繊維は、１ｍｍ以上３０ｍｍ未満の平均長さを有することができる。この範囲の長さを有する繊維は、例えば、比較的長い寸法を有する繊維を切断処理することによって得ることができる。炭素繊維の平均長さは、それぞれ、２ｍｍ以上、３ｍｍ以上、若しくは４ｍｍ以上であってよく、かつ／又は、２９ｍｍ以下、２８ｍｍ以下、２７ｍｍ以下、２６ｍｍ以下、２５ｍｍ以下、２４ｍｍ以下、２３ｍｍ以下、２２ｍｍ以下、２１ｍｍ以下、若しくは２０ｍｍ以下であってよい。特には、炭素繊維の平均長さが、８ｍｍ～２５ｍｍ、又は９ｍｍ～２０ｍｍであってもよい。
　炭素繊維の平均長さが１ｍｍ以上３０ｍｍ未満である場合には、単繊維が一定の方向に沿って配列しながら集束されることが促進され、コンクリート組成物などとの練り混ぜ時に集束が解け難く、単繊維に分散することを抑制できると考えられる。理論によって限定する意図はないが、原料となる繊維の平均長さが十分に長いことによって、繊維同士が一方向に沿って配向しやすくなっており、紡錘形の形状の集合体を得ることができると考えられる。また、繊維の平均長さが十分に短いことによって、繊維同士が絡み合ってしまうことが防止され、結果として、繊維の均一な配向が促進されると考えられる。
　炭素繊維の平均長さは、目視でノギスなどを用いて、又はデジタルカメラ若しくは光学顕微鏡などで取得された画像において、５０本の炭素繊維の長さを計測し、計測値を平均することによって、算出することができる。
≪紡錘形の炭素繊維集合体の製造方法≫
　本開示に係る紡錘形の炭素繊維集合体の製造方法は、下記を含む：
　炭素繊維及びバインダ含有液から少なくとも構成される混合物を提供すること（提供工程）、
　混合物を、容器中で転動させることによって、紡錘形の前駆体を製造すること（造粒工程）、並びに
　前駆体を乾燥させること（乾燥工程）。
　上記の製造方法に係る各構成要素に関しては、本開示に係る集合体についての上記の記載を参照することができる。
＜提供工程＞
　本開示に係る方法では、炭素繊維及びバインダ含有液から少なくとも構成される混合物を提供する。混合物は、特には、炭素繊維及びバインダ含有溶液からなる。
　混合物中のバインダ含有液の量は、好ましくは１０重量％～７０重量％であり、特に好ましくは、１５重量％～６０重量％、又は２０重量％～５０重量％である。この場合には、バインダに含有される液体に起因して、繊維が特に良好に集束する。また、この場合には、バインダに含有される液体の量が過度にならないことに起因して、乾燥処理の負荷を低減することができる。
（バインダ含有液）
　バインダ含有液は、バインダ分散液又はバインダ溶液であり、バインダ、及び溶媒又は分散媒を含有する。
（バインダ）
　バインダは、集合体中で炭素繊維を集束させ、集合体の形状を保持する役割を有する。バインダは、特に限定されないが、好ましくは、熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂である。より具体的には、バインダとしては、エポキシ樹脂、ウレタン変性エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ポリアミド樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂、ビスマレイミド樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、エポキシ変性ウレタン樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、ポリビニルピロリドン樹脂が挙げられる。これらの樹脂は、単独で又は２種以上を組み合わせて用いることができる。
　また、バインダとして、ベントナイト、リグニンスルホン酸塩、糖蜜、カルボキシメチルセルロース、コンニャク飛粉、アルギン酸ナトリウム、ポリアクリルアミド、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、でんぷんを挙げることもできる。これらは、単独で又は２種以上を組み合わせて用いることができ、また、上記の樹脂と併用することもできる。
（溶媒、分散媒）
　溶媒又は分散媒は、バインダを溶解又は分散することができる液体であれば、特に制限されない。溶媒又は分散媒としては、水、アルコール（例えばメタノール又はエタノール）、ケトン（例えばメチルエチルケトン又はアセトン）、炭化水素（例えばシクロヘキサン、トルエン又はキシレン）、ハロゲン化炭化水素（例えばジクロロメタン）、アミド（例えばＮ－メチルピロリドン又はジメチルホルムアミド）、エーテル（例えばテトラヒドロフラン）が挙げられる。溶媒又は分散媒は、特に好ましくは、水である。
　本開示で用いるバインダ含有液は、例えば、バインダ及び溶媒又は分散媒から構成される比較的濃度の高い市販のサイジング剤に、溶媒又は分散媒をさらに添加することによって、調製することができる。特には、バインダ及び分散媒（特には水）を有するサイジング剤に、分散媒（特には水）を添加することによって、バインダ含有液を調製することができる。
　サイジング剤（及びサイジング剤に溶媒又は分散媒を添加したバインダ含有液）は、例えば、バインダが水に分散した水エマルジョンの形態であってよく、特には、水系ポリウレタンであってよい。
　サイジング剤中のバインダの濃度は、特に限定されないが、例えば、１０～８０重量％、２０～６０重量％、又は３０～５０重量％であってよい。
　バインダの量は、バインダ含有液に対して、０．５重量％以上、１重量％以上、１．５重量％以上、２．０重量％以上、若しくは３．０重量％であってよく、かつ／又は、２０重量％以下、１８重量％以下、１６重量％以下、１４重量％以下、若しくは１２重量％以下であってよい。バインダの量は、特に好ましくは、バインダ含有液に対して、１重量％～１６重量％、又は２重量％～１２重量％である。
　また、バインダの量は、炭素繊維集合体に対して、０．１重量％～１０重量％であることが好ましく、特に好ましくは、０．５重量％～８重量％、又は１重量％～６重量％である。
（開繊）
　繊維成分、特には炭素繊維に対して、あらかじめ開繊処理を行うことができる。開繊処理を行うことによって、繊維同士の絡まり合いを解消し、造粒工程において繊維同士が一方向に配向することを促進できる場合がある。
　紡錘形の炭素繊維集合体の製造に用いることができる炭素繊維に対して、あらかじめ開繊処理を行うことができる。開繊処理を行うことによって、造粒工程において単繊維が一定の方向に沿って配列しながら集束することを促進できる場合がある。
　開繊処理の方法は、特に限定されないが、例えば回転ブレードによって行うことができる。開繊のための回転ブレードは、造粒器中に備え付けられた補助ブレードであってよい。
　また、開繊処理は、高速攪拌によって行うこともできる。
（混合）
　紡錘形の炭素繊維集合体の製造方法において、炭素繊維及びバインダ含有液から混合物を得る方法は、特に限定されない。炭素繊維及びバインダ含有液は、混合物の形態で、造粒工程で用いる容器に投入することができる。例えば、炭素繊維の塊にバインダ含有液を注ぎ、随意に攪拌することによって混合物を得、この混合物を容器に投入してよい。あるいは、容器内に、炭素繊維及びバインダ含有液を別個に投入し、当該容器内で混合して混合物とすることもできる。混合と造粒を同時に行ってもよい。
　混合物中の炭素繊維及びバインダ含有液は、混合物内で均一に分布している必要は必ずしもない。造粒工程の間に混合物を攪拌し、均一性を向上させることができる。
＜造粒工程＞
　本開示に係る紡錘形の炭素繊維集合体の製造方法では、混合物を、容器中で転動させること（以下で、この処理を「造粒処理」と呼ぶこともある。）によって、紡錘形の前駆体を製造する。
　混合物を容器中において転動させる方法は、特に限定されず、公知の方法（特には公知の造粒方法）を用いることができる。
　特には、混合物を、容器中において、容器の内壁と容器内の回転体との間のクリアランスで転動させることによって、紡錘形の前駆体を製造する。理論によって限定する意図はないが、炭素繊維及びバインダ含有液を含む混合物を、容器の内壁と容器内の回転体との間のクリアランスで転動させることによって、繊維が特定の方向に配向しつつバインダを介して互いに結合し、結果として、紡錘形の形状を有する前駆体を特に効率的に得ることができると考えられる。
　混合物を容器の内壁と容器内の回転体との間のクリアランスで転動させるための方法は、特に限定されない。このための例示的な方法について、図１を参照して下記に説明する。
　図１は、本開示で用いることができる攪拌造粒器の１つの実施態様の概略図である。図１の攪拌造粒器１０は、容器としての円筒状の容器部１２、及び、回転体としての攪拌ブレード１４を有する。図１の攪拌造粒器１０は、横型であり、通常の使用状態において、容器部１２の開口部が、側方に向かって開口している。図１は、容器部の内部をのぞき込む視点で見た図である。容器部１２の、開口部に対向する内壁（上記視点での奥側の壁）に、軸部１６が取り付けられている。軸部１６は、水平方向に延在している。この軸部１６を中心にして、攪拌ブレード１４が回転できるようになっている（図１の例では反時計回り（「Ａ」）だが、時計回りであってもよい）。すなわち、図１の攪拌ブレード１４は、重力方向に平行な面内で回転するように構成されている。なお、図１には示されていないが、容器部１２内に、繊維を開繊するための補助ブレードを設置することもできる。
　造粒処理では、容器部１２中で回転する攪拌ブレード１４によって、炭素繊維及びバインダ含有液を含む混合物が、随意に混合・攪拌され、容器部１２の内壁と容器部１２内の攪拌ブレード１４との間の（図１で符号「Ｃ」で示される）クリアランスで転動される。
　造粒処理は、周囲雰囲気温度で、又は加熱して行うことができる。造粒処理は、例えば、１分～１時間、５分～２０分、又は８分～１５分にわたって行うことができる。
（容器）
　本開示の容器は、その中に混合物を保持し、かつ混合物に対して上記の造粒処理を行うことに適していれば、特に限定されない。容器は、剛性及び耐久性に優れる材料でできていることが好ましい。特に、容器の内壁は、混合物の転動の間に摩耗などを生じない材料でできていること、又はそのための表面処理をされていることが好ましい。
　本開示に係る１つの実施態様では、容器は、傾斜しておらず、実質的に水平方向に対して平行である。例えば、容器の内壁のうち重力方向で下方に位置する部分が、傾斜しておらず、実質的に水平方向に対して平行であってよい。
（回転体）
　回転体は、容器内で回転することによって、それ自体と容器の内壁との間で、炭素繊維及びバインダ含有液を含む混合物を転動することができるように構成されている。回転体は、例えば、容器内に設置された軸部に取り付けられ、当該軸部を中心として回転することができるように構成されている。
　回転体は、好ましくはブレード（羽根）の形態を有している。回転体は、特に好ましくは、攪拌ブレード（攪拌羽根）である。攪拌ブレードは、剛性及び耐久性に優れる材料でできていることが好ましく、特に、混合物の転動の間に摩耗などを生じない材料でできていること、又はそのための表面処理をされていることが好ましい。
（クリアランス）
　容器の内壁と回転体との間のクリアランスの大きさ、すなわち、容器の内壁と回転体との間の距離は、一定であってもよく、又は、連続的若しくは不連続的に種々の値であってもよい。
　容器の内壁と容器内の回転体との間のクリアランスの大きさ、すなわち、容器の内壁と回転体との間の距離は、炭素繊維集合体の所望のサイズなどに応じて適宜設定することができ、例えば１～１０ｍｍであってよい。
（攪拌造粒器）
　上記の容器及び回転体を有する装置として、公知の攪拌造粒器を用いることができる。攪拌造粒器は、特に限定されないが、例えばヘンシェル型の造粒器（ヘンシェルミキサー）、バグミル型の造粒器、又はアイリッヒ型の攪拌造粒器を用いることができる。攪拌造粒器は、縦型及び横型のいずれも用いることができる。
（紡錘形の前駆体）
　紡錘形の前駆体は、炭素繊維及びバインダを含有し、かつ、バインダ含有液に由来する液体（特には水）を含んでいる。下記の乾燥工程で、前駆体中の液体（特には水分）を除去することができる。
＜乾燥工程＞
　本開示に係る紡錘形の炭素繊維集合体の製造方法では、得られた紡錘形の前駆体を乾燥させる。
　前駆体を乾燥させる方法は、特に限定されず、得られた前駆体の水分率などに応じて、適宜、温度条件及び時間条件などを決定することができる。
≪炭素繊維含有コンクリート若しくはモルタル組成物≫
　本開示に係るモルタル組成物は、紡錘形の炭素繊維集合体、セメント、砂などの細骨材、混和材に水を加えて練り混ぜることで得られる。コンクリート組成物は、これらの原材料に加えて、砂利などの粗骨材を練り混ぜることで得られる。このようなコンクリート若しくはモルタル組成物には、用途に応じた物性を向上させる目的で、各種添加剤、その他の原材料などを配合してもよい。
＜炭素繊維の添加率＞
　本開示に係る紡錘形の炭素繊維集合体を構成する炭素繊維の添加率（含有率）は用途に応じて選定することができるが、好ましくは、コンクリート若しくはモルタル組成物との全量に対して、０．０１～１０容積％であり、特には、０．０５～５容積％、０．１～３容積％、又は０．２～１．５容積％であってよい。さらに本開示に係る紡錘形の炭素繊維集合体と、既存の補強繊維材料とを組み合わせて用いることができる。炭素繊維の添加率が０．０１容積％未満では、良好な補強効率を得ることができないので好ましくない。
　また、炭素繊維の添加率が１０容積％超では、集合体をコンクリート組成物などに均一に混ぜることが難しくなることがある。また、練り混ぜ時に集合体が絡まり合うことで、さらにコンクリート組成物などに均一に分散させることが難しくなることがある。そしてコンクリート組成物などの粘度が上昇して取扱い性が低下することがあるので好ましくない。
＜炭素繊維集合体の添加方法＞
　本開示に係る紡錘形の炭素繊維集合体をコンクリート組成物などへ添加する方法としては、例えば、予めセメントと細骨材、粗骨材等と集合体をドライプレミックスとした後に水を加えて練り混ぜる方法、又はセメントと細骨材、粗骨材等と水を十分撹拌した後に集合体を加えて練り混ぜる方法などがある。
　練り混ぜるミキサーとしては、パン型ミキサー、可傾式ミキサー、オムニミキサー、ホバートミキサー、トラックミキサーなどを用いることができる。
≪炭素繊維強化コンクリート若しくはモルタル構造物≫
　本開示に係るコンクリート若しくはモルタル構造物は、前記のようにして得られた上記コンクリート若しくはモルタル組成物を硬化させることにより製造することができる。これらの構造物中では、炭素繊維が本開示に係る紡錘形の炭素繊維集合体の状態で存在してよく、集合体の一部又は全部の集束が解けて、単繊維や繊維束に分散していてもよい。これらの構造物の製造方法において、炭素繊維集合体をコンクリート組成物などとの練り混ぜに用いることにより、製造中に単繊維もしくは繊維束に分散した場合でも、炭素繊維を比較的に折損が少なく均一に分散させた構造物を得ることができる。
　コンクリート若しくはモルタル組成物を硬化させる方法は、特に限定されず、構造物の種類、施工条件、立地条件、環境条件などに応じて、適宜、養生方法及びその条件を決定することができる。例えば、３Ｄプリンティング、被覆、注入、充填、左官、吹付などの建設工法や補修工法に用いてもよい。
　以下で実施例を用いて本発明をさらに具体的に説明する。なお、実施例は例示的なものであり、本願はこれに限定されない。
≪実施例１≫
＜材料の調製＞
（炭素繊維）
　炭素繊維としては、半導体熱活性法によって得た平均単繊維直径６．７μｍ、単繊維引張強度５．３ＧＰａ、ワイブル形状係数７．６、残留炭素量１．４重量％の再生炭素繊維を用いた。
（単繊維引張強度）
　単繊維引張強度は、ＪＩＳ　Ｒ７６０６に準拠して、下記のとおりにして計測した：
　繊維束から少なくとも３０本の単繊維を採取し、
　デジタルマイクロスコープによって撮影した単繊維の側面画像において単繊維の直径を計測して、断面積を算出し、
　サンプリングした単繊維を、穴あき台紙に接着剤を用いて固定し、
　単繊維を固定した台紙を、引張試験機に取り付け、試長１０ｍｍ、歪速度１ｍｍ／分で引張試験を行って引張破断応力を測定し、
　単繊維の断面積及び引張破断応力から引張強度を算出し、
　少なくとも３０本の単繊維の引張強度の平均を、単繊維引張強度とした。
（ワイブル形状係数）
　ワイブル形状係数は、下記の式に従って算出した：
　ｌｎｌｎ｛１／（１－Ｆ）｝＝ｍ×ｌｎσ＋Ｃ
（式中、Ｆは、対称試料累積分布法により求められる破壊確率、σは、単繊維引張強度（ＭＰａ）、ｍは、ワイブル形状係数、Ｃは、定数である。）
　ｌｎｌｎ｛１／（１－Ｆ）｝とｌｎσとでワイブルプロットし、１次近似した傾きから、ワイブル形状係数ｍを求めた。
（残留炭素量）
　再生炭素繊維における残留炭素成分の量は、熱重量分析（ＴＧＡ法）によって、下記のとおりにして決定した：
（ｉ）再生炭素繊維を粉砕して得た４ｍｇのサンプル片に対して、熱重量分析計において、０．２Ｌ／ｍｉｎの空気供給速度、５℃／ｍｉｎの加熱上昇率、及び１／６ｓの記録速度で、室温から１００℃への昇温、３０分間にわたる１００℃での保持、１００℃から４００℃への昇温、及び４８０分間にわたる４００℃での保持からなる工程を有する熱重量分析を、合計約６００分間にわたって行い、
（ｉｉ）重量減少率を時間に対してプロットしたグラフにおいて、傾きの変曲点を特定し、当該変曲点における重量減少率の値から、１００℃での保持期間における重量減少率を差し引くことによって、残留炭素の量を算出した。
（炭素繊維の平均長さ）
　１５ｍｍの平均長さにカットされた再生炭素繊維を用いた。
（バインダ含有液）
　バインダとしてのウレタン系樹脂１０．２ｇに対して分散媒としての水２５５ｇを有するバインダ含有液（水エマルジョンサイジング剤）を準備した。
（造粒処理）
　造粒処理のために、竪型攪拌造粒器（３０Ｌ　ＭＴＩミキサー、月島機械社製）を使用した。
　攪拌造粒器は、攪拌ブレードを有しており、繊維の開繊を促進するための補助ブレードも有していた。
　攪拌ブレードの回転の開始と同時に、攪拌造粒器の容器部に、５００ｇの上記再生炭素繊維及び２６５ｇの上記バインダ含有液を投入し、周囲雰囲気温度で、１０分間にわたって、混合、及び造粒処理を行い、紡錘形の前駆体を得た。
　混合物中の水分率は、３３．３重量％であった。攪拌ブレードの回転数は、２９０ｒｐｍであり、補助ブレードの回転数は、５，０００ｒｐｍであった。
（乾燥処理）
　得られた前駆体を、乾燥器中で乾燥して、実施例１に係る炭素繊維集合体を得た。
（集合体）
　図２及び図３は、実施例１に係る炭素繊維集合体の写真である。これらの図で見られるとおり、実施例１に係る炭素繊維集合体は、紡錘形の形状を有していた。
（バインダ含有量）
　実施例１の集合体に対するバインダの含有量は、２．０重量％であった。
（平均長さ及び平均最大幅）
　ノギスを用いて検体数５０（Ｎ＝５０）で計測したところ、実施例１に係る炭素繊維集合体の平均長さは３２．８ｍｍ、平均最大幅は０．９ｍｍであった。再生炭素繊維の平均長さは１５ｍｍであったので、炭素繊維集合体の平均長さは、再生炭素繊維の平均長さの２．２倍であった。
（アスペクト比）
　実施例１の集合体のアスペクト比（長径／短径）を算出した。長径は集合体の長さであり、短径は集合体の最大幅である。上記の計測値から、検体数５０（Ｎ＝５０）について平均値を算出した結果、アスペクト比は３６であった。
＜炭素繊維含有モルタル組成物の製造＞
（生モルタル組成物の作製）
　実施例１に係る炭素繊維集合体９．０ｇを、低熱ポルトランドセメント（太平洋セメント社製）１２６５ｇ、細骨材（６号珪砂、三栄シリカ社製）５６９ｇ、混和剤（減水剤マスターグレニウムＳＰ８ＨＵ、ＢＡＳＦ社製）４．５ｇ及び水３８０ｇと共に、モルタルミキサー（５Ｌ　ＭＩＣ－３６２型、マルイ社製）を用いて１４０ｒｐｍの攪拌速度で約３分間混錬した。
　得られた生モルタル組成物中の炭素繊維の添加率は、０．５容積％であった。水／セメント比率は、３０．０重量％であり、細骨材／セメント比率は４５．０重量％であった。
（混錬後の炭素繊維の集束性）
　生モルタル組成物を少量すくい取り、水洗して抜き取った炭素繊維集合体を目視で観察した。紡錘形の炭素繊維集合体が維持されており、単糸間へのセメントの浸入は観察されない時は集束性良好とした。一方、集束が解けて単糸間へのセメントの浸入が観察される集合体が全体の１０重量％以上ある時は集束性不良とした。結果を、下記の表１に示す。
（生モルタル組成物の流動性）
　水平に配置した５０ｃｍ角のアルミ板にフローコーン（高さ６ｃｍ、下面内径１０ｃｍ、上面内径７ｃｍの内側がくり貫かれた円錐柱）を配置し、生モルタル組成物を摺り切りで注ぎ入れ、フローコーンをゆっくり垂直に引き上げた。アルミ板上に円形に広がった生モルタル組成物の直径、又は円形が歪んでいる場合は最短径と最長径の相加平均をフロー値として計測した。フロー値は生モルタル組成物の流動性を反映しており、フロー値が高い生モルタル組成物は、良好な成形施工性が得られる傾向にある。結果を、下記の表１に示す。
＜炭素繊維強化モルタル構造物の製造＞
　幅４０ｍｍ×高さ４０ｍｍ×長さ１６０ｍｍの型枠に、実施例１に係る生モルタル組成物を打設し、２０℃の空気中で２日間養生し、続いて２０℃の水中で４日間養生して、曲げ破壊エネルギー測定用のモルタル構造物供試体（硬化物）を製造した。
　得られた供試体について、ＪＩＳ　Ｒ　５２０１に準拠して３点曲げ測定を行った。より詳しくは、万能材料試験機（株式会社エー・アンド・デイ製、テンシロン万能材料試験機　ＲＴＦ２４１０）を用い、支点間距離１０ｃｍの中心を２ｍｍ／分の速度で圧縮した。そして得られた最大曲げ応力から曲げ強度を算出した。また、載荷点変位が４ｍｍまでの得られた曲げ応力－載荷点変位曲線下の面積を算出し、曲げ破壊エネルギーとした。結果を、下記の表１に示す。
≪実施例２≫
＜材料の調製＞
（炭素繊維）
　炭素繊維としては、１０ｍｍの平均長さにカットされたこと以外は、実施例１と同じ再生炭素繊維を用いた。
（バインダ含有液）
　バインダとしてのウレタン系樹脂１０．２ｇに対して分散媒としての水２９１ｇを有するバインダ含有液（水エマルジョンサイジング剤）を準備した。
＜造粒処理＞
　造粒処理のために、横型攪拌造粒器（２０Ｌレーディゲミキサー、マツボー社製）を使用した。
　攪拌造粒器は、攪拌ブレードを有しており、繊維の開繊を促進するための補助ブレードも有していた。
　攪拌ブレードの回転の開始と同時に、攪拌造粒器の容器部に、５００ｇの上記再生炭素繊維及び３０１ｇの上記バインダ含有液を投入し、周囲雰囲気温度で、１０分間にわたって、混合、及び造粒処理を行い、紡錘形の前駆体を得た。
　混合物中の水分率は、３６．３重量％であった。攪拌ブレードの回転数は、３２０ｒｐｍであり、補助ブレードの回転数は、３，０００ｒｐｍであった。
（乾燥処理）
　得られた前駆体を、乾燥器中で乾燥して、実施例２に係る炭素繊維集合体を得た。
（集合体）
　図４は、実施例２に係る炭素繊維集合体の写真である。得られた炭素繊維集合体は、紡錘形の形状を有していた。
（バインダ含有量）
　実施例２の集合体に対するバインダの含有量は、２．０重量％であった。
（平均長さ及び平均最大幅）
　実施例１と同様に評価した炭素繊維集合体の平均長さは１８．９ｍｍ、平均最大幅は１．６ｍｍであった。再生炭素繊維の平均長さは１０ｍｍであったので、炭素繊維集合体の平均長さは、再生炭素繊維の平均長さの１．９倍であった。
（アスペクト比）
　上記の計測値から、実施例１と同様に評価したアスペクト比は１２であった。
＜炭素繊維含有モルタル組成物及び炭素繊維強化モルタル構造物の製造＞
　実施例１に係る炭素繊維集合体に代えて、実施例２に係る炭素繊維集合体を用いたこと以外は、実施例１と同様に生モルタル組成物及びモルタル構造物を作製し、評価を行った。結果を、下記の表１に示す。
≪比較例１≫
　比較例１では、再生炭素繊維の集合体の代わりに、１０ｍｍの平均長さにカットされたヴァージン炭素繊維束（１束２４，０００本の単繊維、平均単繊維直径６．８μｍ、単繊維引張強度５．４ＧＰａ、ワイブル形状係数４．９）を用いたこと以外は実施例１と同様にして、生モルタル組成物及びモルタル構造物の製造及び評価を行った。結果を、下記の表１に示す。
≪参考例１≫
　炭素繊維の添加をせず、繊維補強なしとしたこと以外は、実施例１と同様に生モルタル組成物及びモルタル構造物を作製し、評価を行った。結果を、下記の表１に示す。
　実施例１及び実施例２に係る生モルタル組成物は、参考例１に係る繊維補強なしの生モルタル組成物と同等の流動性を示し、比較例１に係る生モルタル組成物よりも優れた流動性を示した。この理由としては、実施例１及び実施例２の炭素繊維集合体は比較例１のカットされたヴァージン炭素繊維束よりも集束力が高く、単繊維への分散が抑制されたため、生モルタル組成物の粘度が上昇しなかったことが挙げられる。また、実施例１及び実施例２に係るモルタル構造物は、参考例１に係る繊維補強なしのモルタル構造物よりも高い曲げ強度及び曲げ破壊エネルギーを有していた。よって、実施例１及び実施例２に係る生モルタル組成物を用いることにより、優れた成形施工性及び補強効率を同時に得ることができる。
　また、実施例１に係るモルタル構造物は、実施例２に係るモルタル構造物よりも曲げ強度及び曲げ破壊エネルギーがさらに増大し、再生炭素繊維を含有しているにもかかわらず、比較例１に係るモルタル構造物よりも高い曲げ強度及び曲げ破壊エネルギーを示した。理論によって限定する意図はないが、この理由としては、実施例１の炭素繊維集合体は実施例２の集合体よりも平均長さが長く、モルタルとの定着力がさらに増したため、引張応力に対して、集合体がモルタルからさらに引き抜け難くなり、特に補強効率が良好であったことが挙げられる。
　１０　攪拌造粒器
　１２　容器部
　１４　攪拌ブレード
　１６　軸部
　Ａ　　　　　回転方向
　Ｃ　　　　クリアランス

Claims (14)

  1. 　炭素繊維及びバインダから少なくとも構成される炭素繊維集合体を含む炭素繊維含有コンクリートまたはモルタル組成物であって、
    　前記炭素繊維集合体が、紡錘形の形状を有すること、
    を特徴とする炭素繊維含有コンクリートまたはモルタル組成物。
  2. 　前記炭素繊維集合体の平均長さが、１．５ｍｍ～６０ｍｍである、請求項１に記載の炭素繊維含有コンクリートまたはモルタル組成物。
  3. 　前記炭素繊維集合体の平均最大幅が、０．１ｍｍ～３．０ｍｍである、請求項１又は２に記載の炭素繊維含有コンクリートまたはモルタル組成物。
  4. 　前記炭素繊維の平均長さが、１ｍｍ以上３０ｍｍ未満である、請求項１又は２に記載の炭素繊維含有コンクリートまたはモルタル組成物。
  5. 　前記炭素繊維集合体の平均長さが、前記炭素繊維集合体に含有される前記炭素繊維の平均長さの１．２倍～５．０倍である、請求項４に記載の炭素繊維含有コンクリートまたはモルタル組成物。
  6. 　前記バインダの含有量が、前記紡錘形の炭素繊維集合体に対して、０．１重量～１０重量％である、請求項１又は２に記載の炭素繊維含有コンクリートまたはモルタル組成物。
  7. 　前記炭素繊維が、再生炭素繊維を含む、請求項１又は２に記載の炭素繊維含有コンクリートまたはモルタル組成物。
  8. 　前記炭素繊維が、再生炭素繊維である、請求項７に記載の炭素繊維含有コンクリートまたはモルタル組成物。
  9. 　前記再生炭素繊維が、残留炭素成分を含み、前記残留炭素成分が、前記再生炭素繊維に対して０重量％超５．０重量％以下である、請求項７に記載の炭素繊維含有コンクリートまたはモルタル組成物。
  10. 　請求項１又は２に記載の組成物が硬化された炭素繊維強化コンクリートまたはモルタル構造物。
  11. 　炭素繊維及びバインダから少なくとも構成される紡錘形の炭素繊維集合体を製造すること、
    を含む、炭素繊維強化コンクリートまたはモルタル構造物の製造方法。
  12. 　前記炭素繊維が、再生炭素繊維を含む、請求項１１に記載の方法。
  13. 　前記炭素繊維が、再生炭素繊維である、請求項１２に記載の方法。
  14. 　炭素繊維含有プラスチック製品に含有されるプラスチック成分を半導体熱活性法によって分解して、前記再生炭素繊維を製造することを含む、請求項１２又は１３に記載の方法。
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