JP2018111631A - セメント補強用繊維材料 - Google Patents

Abstract

【課題】集束性が高く、補強効果に優れたセメント補強用繊維材料を提供することを目的とし、特に粘性の高いコンクリートまたはモルタルに対し補強効果に優れるセメント補強用繊維材料を提供すること。【解決手段】樹脂に被覆された繊維材料であって、繊維材料を構成する繊維が複数の繊維ストランドから構成されていることを特徴とするセメント補強用繊維材料。さらには、繊維材料が複数の繊維ストランドを逆方向に諸撚りしたものであることや、下撚の撚り係数０．３以上であり、上撚の撚り係数０．３〜３であることが好ましい。また樹脂がイソシアネート化合物を構成成分とする樹脂であることや、さらに加えて、ポリオールまたはエポキシ化合物を構成成分とする樹脂であることが好ましい。また本発明は、上記材料を含有するコンクリートまたはモルタル成形体を包含する。【選択図】なし

Description

本発明は、セメント補強用に適した繊維材料に関し、さらに詳しくはコンクリートやモルタル等の製造に最適なセメント補強用繊維材料に関する。

コンクリートまたはモルタル成形物は、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、これらの成形物は脆性物質であり、引張り、曲げ、屈曲などの応力が加わると容易にクラックが入ったり、破損するなどの欠点がある。
この欠点を補うために、アラミド繊維等の有機高分子重合体を用いた補強が有効である。これらの繊維で補強することにより、セメントペースト、モルタルまたはコンクリート等のセメント成形体の曲げ強度、曲げ靱性等の機械的特性を向上させることが可能になる。

しかし補強用繊維を短繊維形態で使用する場合、繊維長が短く、補強効果が不十分であった。短繊維の繊維長を長くすると、分散性の低下や、繊維同士の絡みあいの問題があったのである。分散性を得るために、繊維径の太いモノフィラメントタイプの繊維を使用することも考えられるが、繊維太さ当たりの強度が低下するため、補強物性を十分に発現できない。

これらの問題を解決するために、特許文献１では、多数の細いフィラメントからなる繊維（マルチフィラメント）を樹脂で集束し、集束された繊維に不揮発性の油を付着させ、集束性を高める方法が開示されている。しかし、繊維表面に油が付着しているために、高い集束性を示す一方でセメントモルタルまたはコンクリートと繊維の界面付着力は低下するという問題があった。

特開２００７−１３１４６４号公報 特開２０１２−２５６０３号公報

本発明は、集束性が高く、補強効果に優れたセメント補強用繊維材料を提供することを目的とし、特に粘性の高いコンクリートまたはモルタルに対し補強効果に優れるセメント補強用繊維材料を提供することにある。

本発明のセメント補強用繊維材料は、樹脂に被覆された繊維材料であって、繊維材料を構成する繊維が複数の繊維ストランドから構成されていることを特徴とする。
さらには、繊維材料が複数の繊維ストランドを逆方向に諸撚りしたものであることや、下撚の撚り係数０．３以上であり、上撚の撚り係数０．３〜３であることが好ましい。また樹脂がイソシアネート化合物を構成成分とする樹脂であることや、さらには樹脂がイソシアネート化合物に加えて、ポリオールまたはエポキシ化合物を構成成分とする樹脂であることが好ましい。
また本発明は、上記の本発明のセメント補強用繊維材料を含有するコンクリートまたはモルタル成形体を包含する。

本発明によれば、集束性が高く、補強効果に優れたセメント補強用繊維材料、特には粘性の高いコンクリートまたはモルタルに対し補強効果に優れるセメント補強用繊維材料が提供される。

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明のセメント補強用繊維材料は、樹脂に被覆された繊維材料であって、繊維材料を構成する繊維が複数の繊維ストランドから構成されている繊維材料である。

本発明の補強用繊維材料に用いられる繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、鋼繊維、セラミック繊維、アスベスト繊維等の無機繊維、アラミド繊維、ビニロン繊維、ポリプロピレン繊維、ポリエチレン繊維、ポリアリレート繊維、ポリベンズオキサゾール（ＰＢＯ）繊維、ナイロン繊維、ポリエステル繊維、アクリル繊維、塩化ビニル繊維、ポリケトン繊維、セルロース繊維、パルプ繊維等の有機繊維等を挙げることができ、これらの一種を、又は二種以上を組み合わせて、使用することができる。なかでもポリパラフェニレンテレフタラミドやコポリパラフェニレン・３，４’オキシジフェニレン・テレフタラミド等のパラ型アラミドからなる繊維が他の繊維に比べて補強効果が大きいので好ましく、特にコポリパラフェニレン・３，４’オキシジフェニレン・テレフタラミド繊維は、高温高圧下強アルカリ性の雰囲気中に長時間保持してもその機械的特性の劣化が小さいので、高温高圧下での蒸気養生、例えば１８０℃、圧力約１０Ｋｇ／ｃｍ^２の飽和水蒸気による条件下においても高い強力保持率を有するので好ましい。

上記繊維の単糸繊度は０．５〜１００ｄｔｅｘであることが望ましい。その単糸の繊度が０．５ｄｔｅｘ未満であると、単糸を引き揃えることが困難になり、引き揃えが不十分であると繊維の有する機械的性能が十分に活用できなくなる。また、単糸間で集束剤となる樹脂の付着斑が生じやすく、所定の集束性が得られないことがあり、特に、単糸の本数を多くすると、この傾向は顕著になる。一方、単糸繊度が１００ｄｔｅｘを超える場合は、単糸同士の接着面積が少なくなり、集束剤による集束が維持しにくくなり、本発明の目的が達成されなくなる。より好ましくは、集束された繊維の単糸繊度は、０．６〜８０ｄｔｅｘ、さらに好ましくは０．７〜６０ｄｔｅｘであることが好ましい。

本発明に用いられる繊維材料は、上記のような単糸が集合した繊維ストランドからなるものであり、さらに複数の繊維ストランドを用いるものである。この繊維ストランドの構成単糸数としては、５０本〜３０００本の単繊維から構成されたものであることが好ましい。さらには繊維ストランドが１００本〜１５００本の単繊維から構成されたものであることが好ましい。また最終的に本発明の繊維材料は複数の繊維ストランドからなるものであるが、２〜８本、さらに好ましくは２本から４本の繊維ストランドからなるものであることが好ましい。

また、本発明のセメント補強用繊維材料は、繊維材料が複数の繊維ストランドを逆方向に諸撚りしたものであることが好ましい。そしてその撚り係数としては、下撚で撚係数０．３以上、上撚で無撚もしくは撚り係数０．３〜３の範囲内で撚り掛けされていることが好ましい。さらには下撚りは０．５〜３の範囲であることが、上撚りは下撚りと同じかそれ以上の撚り係数であることが好ましい。さらには下撚り、上撚り共に２以下の撚り係数であることが好ましい。撚り係数が大きくなりすぎると、引張ったときに単糸同士による繊維軸方向に垂直な力がよりかかるようになり、屈曲に弱い繊維では強度が低下する傾向にある。また、集束剤となる樹脂の均一な含浸性が損なわれたり、撚り縮みによって伸度が増加し、セメントモルタルまたはコンクリートの補強性が損なわれる傾向にある。適切な撚り係数の範囲内で撚り掛けされていることにより、樹脂で集束されたとき補強材としての一体化が高まり、セメントモルタルまたはコンクリート中で混練されても集束を維持し、材料の流動性、施工性を確保することができる。

また、本発明においては、このように繊維を適切な撚係数の範囲で諸撚りにすることで、本発明の補強材料（セメント補強用繊維材料）をセメントモルタルまたはコンクリートなどに混入し硬化させた時、補強材のセメントモルタルまたはコンクリートが諸撚りで束ねられた補強材料表面の凸凹に入り込み、補強材料とセメントモルタルコンクリートとの接着力が向上する効果がある。加えて、繊維束と樹脂との界面接着力も、繊維材料の表面の凸凹が増大することに伴って増大し、コンクリート補強性能が向上する。

また撚りの方向としては、下撚（Ｓ撚りまたはＺ撚り）をかけた複数本の撚糸を、上撚では下糸と逆方向になるように撚りをかけることが好ましく、繊維が解けにくくなり、補強用繊維材料の集束性が向上する傾向にある。
なおここで、本発明における撚り係数とは、単位長さ当りの撚り数と繊維繊度の平方根の積で示されるものであり、ＡＳＴＭ Ｄ８８５に記載されている次式；撚り係数＝｛撚り数（回／ｍ）×√繊維繊度（ｔｅｘ）｝／１０５５で規定された値である。

また本発明の複数の繊維ストランドから構成されているセメント補強用繊維材料は、その直径が０．０５〜５．０ｍｍの範囲であることが好ましい。また短繊維であることが好ましく、その長さは１〜５０ｍｍの範囲であることが好ましい。特にこのような範囲であることにより、繊維混入による補強効果、即ちヒビ割れ抑制、高曲げ強度・高曲げ靱性付与の観点から好ましい。集束された繊維補強材料の直径が小さすぎたり、繊維長が長すぎたりすると、セメントモルタルまたはコンクリート中で混練された際に、繊維材料に剪断力がかかりやすくなり、樹脂による集束を維持できず、集束が解けて単繊維にばらけてしまい材料の流動性を損ってしまう傾向にある。一方、集束された繊維の繊維長が短すぎると、繊維とセメントモルタルまたはコンクリートとの接触面積が小さく、または直径が大きすぎると繊維と単位体積当たりのセメントモルタルまたはコンクリートとの接触総表面積が小さくなり、十分な補強効果が得られない傾向にある。より好ましい形状としては、集束された繊維補強材料の直径は０．１〜３ｍｍであることが好ましい。また繊維長としては５〜４０ｍｍであることが好ましい。

また本発明に用いる繊維は高強度であることが好ましく、より具体的には、繊維の引張強度が７ｃＮ／ｄｔｅｘ以上であることが好ましい。さらには１０〜４０ｃＮ／ｄｔｅｘの範囲であることが好ましい。ここで繊維の引張強度が低すぎる場合には、セメントモルタルまたはコンクリートに荷重がかかった場合に、その成形物の曲げ強度が小さかったり、繊維が破断してその衝撃を十分に吸収できない傾向にある。
そして本発明の繊維材料を被覆する樹脂としては、繊維束内部に浸透しやすく、且つ繊維束内で単糸と単糸を接着させやすく、高靱性を有する樹脂が好ましい。例えばイソシアネート化合物を構成成分とする樹脂であることが好ましいい。具体的には、イソシアネート樹脂、ポリウレタン樹脂、イソシアネートとエポキシの架橋体等が挙げられる。

より具体的にはイソシアネート化合物としては、芳香族系のジフェニルメタンジイソシアネートや、トルエンジイソシアネート、脂肪族系のヘキサメチレンジイソシアネート等から選択すれば良い。好ましくは、繊維束内部への浸透性に優れる脂肪族系のイソシアネートの使用が好ましい。さらにはブロックイソシアネートとエポキシ化合物から構成された剤であることが好ましい。

このような樹脂の付着量は全繊維重量に対して３〜１５重量％付与されていることが好ましい。付着量が少なすぎる場合には、集束が解けて単繊維がばらけて材料の流動性を損ってしまう傾向にある。コンクリートまたはモルタルとの混練で、繊維に剪断力がかかったときに、集束剤による繊維の集束を維持できないためである。一方、付着量が多すぎる場合には、繊維の強度が十分に利用されない傾向にある。付着量を増やしすぎた場合には、その集束性自体もあまり向上しない。また樹脂の付着量が多くなると、繊維集束体の見掛け繊度の増大により、重量当たりの集束繊維の引張強度も低下するからである。
また、上記のイソシアネート化合物等の樹脂は繊維の集束に寄与するものであるが、その表面にコンクリートやセメントモルタルとの付着性能を向上させる目的でその他の樹脂でさらに被覆してもよい。

より具体的には、本発明のセメント補強用繊維材料としては上記のような樹脂に加えて、さらにその繊維の表面に、エポキシ基を構成成分とする樹脂が存在することも好ましい。さらには、凝集力や、界面接着力の観点からは、アクリル変性エポキシ樹脂やビスフェノールＡ型エポキシ樹脂が好ましく、高い性能が発揮される。特には、アクリル変性のビスフェノールＡ型エポキシ樹脂からなる樹脂であることが好ましい。エポキシ樹脂の付着量としては、全繊維重量に対して０．１〜１０重量％付与されていることが望ましい。

そしてこのような本発明のセメント補強用繊維材料は、次のような製造方法により得ることができる。
まず複数の繊維ストランドから構成されている繊維材料としては、単繊維が集まったマルチフィラメント長繊維、さらにはそれを複数本に引き揃えた形状のものやトウ状の長繊維を用いることが好ましい。そして本発明で集束剤として用いられる樹脂を付着させる方法としては、そのような繊維材料をボビンやビームクリールから連続的に送繊されるようにして、該集束剤の入った漕の中で含浸させる方法やローラータッチ法によって付着させる方法、スプレー方式により該集束剤を噴霧して付着させる方法などが挙げられる。中でも繊維に均一に付着させるためには樹脂の入った漕の中で含浸させる方法が好ましく、絞りロールで一定の付着量に調整することが容易である。また、集束剤となる樹脂をより繊維束内部に含浸、浸透させるためには、集束剤を水系マルション、または有機溶剤に分散、または溶解させ、希釈して使用することも好ましい。また、安全性や作業環境負荷の問題から水系の剤を用いることが好ましい。さらに繊維束内部への浸透性を確保するために、水溶性を高めた比較的低分子量の化合物を使用することが好ましい。

このように集束剤となる樹脂を付与した後には引き続き熱処理を施し、集束剤の分散媒を乾燥、時には熱処理により架橋させることが好ましい。処理装置としては特に限定されるものではなく、接触型のホットローラー等を用いることができ、さらには非接触型の熱風乾燥炉を用いると該集束剤による装置への付着や汚れがなく作業しやすい。また、この時の処理温度としては１０５〜３００℃程度、特に１２０〜２５０℃程度で乾燥することが好ましい。次いで、得られた繊維材料を公知の切断機によって所定の繊維長になるように切断することが好ましい。
この本発明の補強用繊維材料を構成する繊維のセメントモルタルまたはコンクリートへの混入率は目的に応じて選定することができるが、通常は０．０１〜１０．０容積％の範囲で使用することが好ましい。

本発明の補強用繊維材料はコンクリートやモルタル用の結合材であるセメントに対し特に有効であって、コンクリート補強用やモルタル補強用に好ましく用いられる。このコンクリートまたはモルタル用の結合材となるセメントは、現場の施工条件等を考慮して選定されるものであるが、本発明のセメント補強用繊維材料は各種セメントと組み合わせることが可能である。より具体的には、例えば普通、早強、超早強、低熱、及び中庸熱等の各種ポルトランドセメントや、これらの各種ポルトランドセメントにフライアッシュや高炉スラグなどを混合した高炉セメント等の各種混合セメント、速硬セメント等を、単独または２種以上混合して用いることができる。

さて本発明のセメント補強用繊維材料は、上記のようなセメント（結合材）と共に、コンクリートやモルタルの材料として好ましく用いられ、セメント補強用繊維材料を含有するコンクリートまたはモルタル成形体となる。
この時、本発明の補強用繊維材料と共に、被補強物のセメントには、高炉スラグ粉末、フライアッシュ、シリカヒューム、石灰石粉末、石英粉末、二水石膏、半水石膏、無水石膏、生石灰系膨張材、カルシウムサルフォアルミネート系膨張材などの公知の混和材（結合材）を添加することが好ましい。その配合割合は特に限定されず、様々な設計を行うことが可能である。

特に本発明のセメント補強用繊維材料は、セメントの混練等の工程においても、繊維の集束性が高く、例え水／結合材比率の低いコンクリートまたはモルタル等の高せん断力を生じる混練においても折損が生じにくく、材料の流動性、施工性を阻害しないものであった。さらに本発明のセメント補強用繊維材料で補強されたコンクリートまたはモルタル成形物は、作用応力が増加しても急激な繊維の破断が生じないために、成形物の曲げ破壊エネルギーを大きく向上させるものであった。
このような本発明のセメント補強用繊維材料を含有するコンクリートまたはモルタル成形体の用途は特に限定されるものではなく、一般の土木、建築用途に広く適用できる。

以下に実施例および比較例を挙げて本発明をより具体的に説明する。なお、実施例における各種の評価は、次のようにして測定した。

（１）繊維長、繊度
ＪＩＳ−Ｌ−１０１５に準拠して測定した。
（２）繊維引張強度
ＡＳＴＭ Ｄ８８５に準拠して測定した。
（３）集束された繊維束の繊維束径と繊維束長
樹脂で処理した後、切断した処理繊維束（処理糸）をデジタルノギス（エー・アンド・ディー株式会社製）でその繊維束径と繊維束長を測定した。

（４）セメント混練後の集束性
下記の実施例及び比較例において、セメント混練後、セメントモルタルまたはコンクリート中の補強材料の撚り解けを目視で確認し、以下のように評価した。特に短繊維の中央で撚が解けやすいが、中央部分で撚が解けることにより、短繊維の端から中央にかけてふくらみが生じることを、撚り解けと定義した。
○：１０本中、解けた繊維束が２本以下。
△：１０本中、解けた繊維束が３本以上８本以下。
×：１０本中、解けた繊維束が９本以上。

（５）生セメントの流動性
下記の実施例及び比較例において、上記（４）の混練工程に引き続き、水平に配置した５０ｃｍ角のアルミ板にスランプコーン（高さ１５ｃｍ、下面内径１０ｃｍ、上面内径５ｃｍの内側がくり貫かれた円錐柱）に生セメントを摺り切りで注ぎ入れ、スランプコーンをゆっくり垂直に引き上げた。このとき生セメントはアルミ板上に円形に広がる。このときの広がった円形の直径、また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。このフロー値は生セメントの流動性を反映している。

（６）モルタル成形物の圧縮強度および曲げ破壊エネルギー
下記の実施例及び比較例において得られたセメントを用い、幅４０ｍｍ×高さ４０ｍｍ×長さ１６０ｍｍの型枠に、生セメントを打設し、２０℃、９０％ＲＨで材齢２８日まで養生して、供試体を製造した。上記供試体を、「ＪＩＳ−Ｒ−５２０１」に準拠して３点曲げ測定した。より詳しくは、１０トン用引張圧縮試験機（ＴＯＹＯ ＢＡＬＤＷＩＮ社製、ＵＮＩＶＥＲＳＡＬ ＴＥＳＴＩＮＧ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴ ＭＯＤＥＬ ＵＴＭ １０ｔ）を用い、支点間距離１０ｃｍの中心を２ｍｍ／分の速度で圧縮し、曲げ応力−歪みの関係から供試体が破壊する際の２次降伏点応力を算出した。

［実施例１］
補強材料となる繊維として、共重合型アラミド繊維ストランド（共重合型芳香族ポリアミド繊維、帝人株式会社製「テクノーラ」１６７０ｄｔｅｘ、１０００フィラメント、引張強度２４．５ｃＮ／ｄｔｅｘ）を用い、撚糸機を用いて該繊維に撚り係数が２となるように下撚り（Ｓ方向）をかけ、さらに表の合計繊度となるように２本の繊維ストランドを合わせ、撚り係数が１となるように逆方向に上撚り（Ｚ方向）をかけ、集束剤樹脂成分としてソルビトールポリグリシジルエーテル系エポキシ化合物（ナガセケムテックス株式会社社製、「ＥＸ６１４Ｂ」）、ジメチルピラゾールブロックヘキサメチレンジイソシアネート（Ｂａｘｅｎｄｅｎ社製、「Ｔｒｉｘｅｎｅ ａｑｕａ２０１」、ジメチルピラゾールブロック−ＨＤＩトリマー）をそれぞれ固形分で５０重量％、５０重量％の割合で混合した、総固形分量：１０重量％の配合液に浸漬した後、温度２００℃で乾燥させ、集束剤を１０重量％付与した繊維束を得た。その後、仕上げ用のコーティング剤樹脂成分としてカルボキシル基含有アクリル変性ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（ＤＩＣ株式会社製、「ディックファインＥＮ」）を含む固形分重量１０％の水分散液中に浸漬した後、温度２００℃で乾燥させ、繊維に対するコーティング剤付着量が３重量％となるように剤処理し、該繊維材料を３０ｍｍに切断し補強用材料とした。得られた処理繊維束の直径は０．７ｍｍであった。

得られたセメント補強用繊維材料１３．９ｇを、低熱ポルトランドセメント（太平洋セメント株式会社製）９５１ｇ、シリカフューム（エルケムＡＳ社製）２２０ｇ、細骨材（三栄シリカ株式会社製、「６号珪砂」）５４１ｇ、細骨材（三栄シリカ株式会社製、「珪砂ＳＰ８０」）４３７ｇ、水１９３ｇ、と共に、モルタルミキサー（マルイ製、ＭＩＣ−３６２型、容量：５Ｌ）を用いて１４０ｒｐｍの撹拌速度で約３分間混練し、生セメント（モルタル）を得た。その生セメントを養生して得たモルタル成形体を評価した結果を表１に示す。

［実施例２、比較例１、２］
実施例１の撚り構成、撚り係数や使用繊維を表１記載のものに変更した以外は実施例１と同様に実施し、評価した。結果を表１に併せて示す。

Claims (6)

1. 樹脂に被覆された繊維材料であって、繊維材料を構成する繊維が複数の繊維ストランドから構成されていることを特徴とするセメント補強用繊維材料。
2. 繊維材料が複数の繊維ストランドを逆方向に諸撚りしたものである請求項１記載のセメント補強用繊維材料。
3. 下撚の撚り係数０．３以上であり、上撚の撚り係数０．３〜３である請求項１または２記載のセメント補強用繊維材料。
4. 樹脂がイソシアネート化合物を構成成分とする樹脂である請求項１〜３のいずれか１項記載のセメント補強用繊維材料。
5. 樹脂がイソシアネート化合物に加えて、ポリオールまたはエポキシ化合物を構成成分とする樹脂である請求項４記載のセメント補強用繊維材料。
6. 請求項１〜５のいずれか１項記載のセメント補強用繊維材料を含有するコンクリートまたはモルタル成形体。