JPH0123428B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明はセメントモルタル及びコンクリート中
にポリビニルアルコール（PVAと略記）繊維を
混入してなる繊維補強セメントモルタル及びコン
クリートに関するものである。セメントモルタル
及びコンクリートは耐久性、耐火性があり、その
成型性と成型物の圧縮強度の大きいこと等種々の
特徴がある。しかし構造物として用いる場合脆性
物であること、耐折性、耐引張性が悪いという欠
点を有している。更にその歪が小さくすぐにひび
割が入りその後破壊に至ること、耐衝撃性に欠け
ること、更にマトリツクスの膨張収縮によつてひ
び割が発生し構造物が破壊状態に陥つたり、水洩
れ、剥落欠落による外観損傷等安全上、管理上の
欠点を有している。更につけ加えるならば自重が
大きいことも問題点の一つである。 これらの改善策としては鉄筋で補強することが
なされているのが常法である。しかしこれとして
も材料部材、施工、使用、経済性の面から十分と
は言えず、コンクリート及びモルタルに関し近年
鋼繊維を用いたり、耐アルカリガラス繊維を用い
ることによつて鋼繊維補強コンクリート又はモル
タル、耐アルカリガラス繊維コンクリート又はモ
ルタルが、コンクリート及びモルタルの欠点を改
善することで実用化がすすめられている。 鋼繊維は断面積当りの強度及びヤング率が高
く、セメントとの接着性がよい等の特徴はあるも
のの、欠点としては発錆による強度低下、接着力
の低下から補強性の低下を招来する。又錆による
表面外観の損傷をきたす。更に高比重であるため
効果を発揮するための容積％を添加するためには
重量当りの添加率は膨大なものとなり、自重が大
きくなり経済性に欠ける点をもつている。更につ
け加えるならば鋼繊維を生産する上でも断面を異
形化したり長さ方向にはフツク型やドツグボーン
型にするとか生産面、コスト面でも問題がある。
一方施工の面からは分散性向上のためのデイスペ
ンサーが必要であるとか、安全性から素手でのハ
ンドリングができないとか、混練時に時間がかか
り生産性が低下する等問題もある。 次に耐アルカリガラス繊維は耐アルカリガラス
繊維と言えどもそのアルカリ耐久性に問題が残
り、末だ耐力構造部材として利用できるまでに至
つていない。更に基本的なこととして、コンクリ
ート及びモルタルに耐アルカリガラス繊維のチヨ
ツプドストランドを配合添加してもコンクリート
ミキサー、又はモルタルミキサーで撹拌すること
により、繊維は折損され繊維長は短くなり、表面
は損傷をうけ十分な補強効果を発揮することはで
きない。そのために乾式の吹付け成型等に依らざ
るを得なくなり取扱い性、施工性の面からも問題
を残している。 さて有機合成繊維を用いる繊維補強コンクリー
ト及びモルタルも検討されている。中でもポリオ
レフイン系のポリエチレン、ポリプロピレン、ビ
ニル系のポリ塩化ビニリデン、又はポリ塩化ビニ
ル、ポリビニルアルコール、ポリアクリロニナリ
ル、ポリアミド系としては６及び６、６ナイロン
を代表とする各種ナイロン、アラミド系としては
ケブラー、その他ポリエステル系、ポリカーボネ
ート系の種々の有機合成繊維がある。しかしポレ
オレフイン系、PVA系以外のビニル系、ポリア
ミド系、ポリエステル系の繊維は疎水性でセメン
トマトリツクスとの接着は悪く、破断時に繊維が
マトリツクスから引き抜けるために補強効果は少
い。引抜け防止をするために繊維の断面を異形化
したり長さ方向に突起や節をつけて摺り抜けない
ような工夫をしている。一例を示すと特公昭49−
37407の両端にコブをつけるとか、特開昭55−
67559、85457に示されるように繊維周面に突起を
つけることによつてマトリツクスからの摺り抜け
を防止しようとしたものである。成型物に関して
「生産研究」31巻４号23頁（1979、４月号）に詳
細な研究報告もなされているがここで用いられて
いるポリエチレン繊維はマトリツクスとの接着性
が悪いために表面に突起をつくることでマトリツ
クスのアンカー効果により物理的な接着性を高め
引抜けを防止することによりひび割発生後の強度
を保持しようというものである。反面ひび割時の
強度は繊維の添加率が増加するにつれ減少すると
いう矛盾した欠点を有している。その他施工性の
面経済性の面から改良されねばならない。 又ポリエステル系の有機合成繊維は耐アルカリ
性が弱く、コンクリート及びモルタル等の耐久部
材に使用することはできない。 PVA繊維については「セメントコンクリート」
（1966、５月号２頁）にPVA繊維を用いたセメン
トモルタルの性質が報告されている。この報告に
は、界面活性剤を用いて繊維を分散させねばなら
ないこと、完全破断時の強度とひび割発生後の強
度の差は25、100デニールがよいこと、曲げ強度
は繊度が大きい方が高くなり、繊維の添加率が多
い方が強度は低下するなどの報告がある。 本発明者らは有機合成繊維であるPVA繊維を
用いることにより鋼繊維、耐アルカリガラス繊維
及び有機合成繊維での繊維補強コンクリートの欠
点を改良すべく鋭意研究の結果本発明に到つた。 本発明の主旨は単繊維強度が60Kg／mm²以上、ヤ
ング率が1.5×10³Kg／mm²以上の基本的繊維物性を
有し、かつ100℃の煮沸水中での収縮率が８％以
下という形態安定性を有するものである。又該る
単繊維の繊度が100デニール以上であり、かつそ
のAR値（一般にアスペクト比と言われ、繊維の
長さをその繊維の直径で除した値である。）が30
〜150の切断長を有するPVA繊維で、仕込全固型
分中に0.2〜４重量％含まれるPVA繊維補強コン
クリート及びセメントモルタル組成物からなるも
のである。 それらについて更に詳細に説明する。 まずPVA繊維はポリ酢酸ビニルをケン化する
ことによりポリビニルアルコールという側鎖に−
OH基を有する親水性の高い水溶性の高分子物で
ある。これを紡糸、延伸、熱処理することにより
高結晶性のPVA繊維を得ることが出来る。該繊
維は親水性が高く水溶性であるが、繊維性能を発
揮するためには水に不溶性となるように高延伸、
高熱処理を行つたり、又はアセタール化、又は架
橋処理によりその形態の安定性を得て水不溶性を
特徴づけている。本発明に述べている100℃の煮
沸水中の収縮率が８％以下であるということは、
PVA繊維の形態安定性を示す尺度で、100℃の熱
水では溶解せず、この温度での膨潤性即ち
3000rpmで遠心脱水後の含水率が20％以下という
極めて厳しい条件下の形態安定性を規定すること
が必須条件である。先に述べた「セメントコンク
リート」（1966.5月号２頁）には500デニールでは
完全破断時とひび割発生時の強度の差のないこと
から補強性がないこと、及び繊維の添加量が増加
すると曲げ強度が低下することを述べている。こ
れは前者において曲げ破断時添加したPVA繊維
が膨張収縮することによりマトリツクスから容易
に摺り抜けてしまつていることであり、後者は成
型物中にPVA繊維があたかも空胴をつくつて存
在していることになつており補強効果は出ず、欠
点が多くなつたにすぎないのである。モノフイラ
メントの繊度が100デニール以上と大きくなるに
従い繊維軸方向及び半径方向の膨張、収縮の量が
大きくなることからセメントマトリツクスと
PVA繊維の固着性は悪化する方向である。即ち
繊維の形態安定性を悪くさせないためには理由は
判らないが100℃煮沸水中の収縮率を８％以下に
保つことが必須条件である。該るPVA繊維を得
るためには、熱処理工程で低温で繊維に十分な収
縮処理をするとか、切断した繊維を熱風空気中で
100〜250℃で熱処理することで達成することがで
きる。更に高延伸処理、アセタール化、チタン酸
等架橋剤処理によつても達成することができる。
かかる処理によりセメントモルタル及びコンクリ
ート中に存在するPVA繊維は寸法変化がなく、
よい形態安定性を保つことによりセメントマトリ
ツクスとPVA繊維がしつかりと結合した状態を
保持することが可能となつた。更にPVA繊維は
本来もつている親水性の−OH基とマトリツクス
のセメント成分と親和性を有している。それ故に
ポリオレフイン系のポリエチレン、ポリプロピレ
ン、ビニル系のポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリ
デン、ポリアミド系の６及び６、６ナイロン、ポ
リエステル系の疎水性有機合成繊維と異なり、
PVA繊維は繊維表面に突起をつけたり異形断面
としたりせずともセメントマトリツクスとの結合
性は高く、繊維形態の変更は不要である。固着性
を高めんとして表面に突起をつけたり節をつけた
り異形断面とすることはその固着性を高めるため
には有用であるが、生産性、繊維物性、経済性か
らみて無意味である。 次に単繊維の強度及びヤング率が各々60Kg／mm²
以上、1.5×10³Kg／mm²以上必要であることは、複
合材料の引張り及び曲げ強度が複合則及び繊維間
隔説で説明することができる。まず複合則から複
合材料の曲げ強度を向上させるにはクラツク発生
後の強度向上に役立たねばならず、その効果を発
揮するのは繊維の強度であるから繊維の強度は高
ければ高い程その補強性の向上につながる。又繊
維のヤング率も高い方が複合材料のひび割抵抗性
を大きくすることにつながる。そのために単繊維
強度は60Kg／mm²以上が必要で、60Kg／mm²より小で
はひび割後の補強性が少くなる。又ヤング率は
1.5×10³Kg／mm²以上高ければ高い程よいが、1.5×
10³Kg／mm²より小ではひび割抵抗性が低下し好ま
しくない。 繊維間隔説から言えば細い繊維が多本数混入さ
れた方がひび割伝播を狙止するが、セメントモル
タル及びコンクリートのような濃厚スラリーに細
繊度の繊維を均一に分散させることは大変困難
で、100デニール以上の範囲が均一分散、混入の
面から好適である。ただし1000デニールより大と
なるとその添加効果は添加繊維本数が減少しそれ
に比例しひび割伝播防止効果が徐々に低下する。
又100デニールより小では均一な分散が得られず、
均一な分散を得ようと切断長を短かくすると補強
効果が得られないことになる。 このようにして単繊維の繊度を100〜1000デニ
ールでかつAR値が30〜150になるように切断す
る理由の１つは、セメントモルタル及びコンクリ
ートの空練り状態の中へ又は水添加後のスラリー
の中へ該PVA繊維をあらゆる順序、方法で添加
混合されてもフアイバーボール等の末分散状態が
発生しないためである。鋼繊維ではAR値は60程
度が最高とされているが、PVA繊維ではAR値が
150までとれるところに施工面での利点を見い出
すことができた。AR値は60〜120がより好適で
ある。当然のことながらPVA繊維は鋼繊維が体
に突き刺つたりするようなハンドリング上各別安
全上注意をする必要もなく安全である。又鋼繊維
の分散機を利用することも可能であり、更に従来
からのバツチヤープラント及びコンクリートミキ
サー車も従来通り利用できることは当然のことで
ある。 次にPVA繊維の添加率であるが、添加率は使
用部材、使用方法によつて異るので、次の(1)〜(3)
で説明する。 (1) セメントモルタルのひび割れ防止を目的とす
るならば砂／セメント比が１〜３、水／セメン
ト比が0.4〜0.8程度ならばPVA繊維は全仕込固
型分中に0.2〜0.5％で満足される。 (2) セメントモルタルを建築構造部材として利用
する時ひび割発生強度及びひび割後の最高破壊
強度、高タフネス性を得ようとするならば仕込
全固型分中に0.2〜４重量％が必要である。望
ましくは１〜２重量％が好適である。0.2重量
％より小では添加したPVA繊維の補強性は発
揮されず、４重量％より大ではモルタル中で繊
維の分散性が悪化し、かつフロー値が低下し施
工性が得られない。 このようにして得た組成物はその曲げ強度に
おいてひび割発生後の耐折力の増加を示し、ひ
び割発生後の最高荷重時の曲げたわみ量は大き
な値を示し、プレーンに比べそのタフネスは数
十倍という値を示し、靭性にとんだ性質を示し
た。又ひび割発生時の強度も若干向上する。 これらから高エネルギー吸収部材として利用
することができ、地震の際の保型性を含め耐震
部材として利用することが可能である。 (3) コンクリート部材として粗骨材の大きなもの
を利用する場合、繊維のAR値の大きいもの程
よく、PVA繊維の仕込全固型分中に0.5〜４重
量％含まれるのが望ましい。この理由は(2)で述
べたと同じである。 ひび割発生後の最高荷重時の歪の大きさの増加
がタフネスを向上させ靭性の向上につながること
は曲げ強度の向上と高エネルギー吸収能があるこ
ととなり、例えば橋梁、道路舗装、吹付け工法に
よるトンネルライニング、法面保護等の土木部材
に利用でき、建築部材としては梁、壁などの耐力
部材に利用することができる。又地震や重交通道
路、重交通橋梁に対するエネルギー吸収とひび割
発生後の保型性という面から安全性の点から特徴
のあるものと考えられる。 施工性の点からみて混合性の悪化、著しいスラ
ンプの低下などはなく、PVA繊維の比重1.26と
小さく、ポンプクリートとしても容易に使用可能
であり、吹付加工用としてシヨツトクリートとし
て用いても問題はない。鋼繊維のように機械設備
及び器具の損傷や摩耗もなくハンドリング性も従
来のコンクリート及びモルタルとして同様に扱う
ことができる。 圧縮強度は有機高分子物が入るからと言つて低
下することはなく、ほぼPVA繊維を添加しない
ものと同じである。 次に配合材料として用いられるものの説明をす
る。 PVA繊維は通常のPVAを乾式、又は湿式で紡
糸して延伸熱処理して得た円型又は楕円型の繊維
でよい。又PVA樹脂から繊維状に切り出すこと
によつて得た繊維状物又はフレーク状のものでも
よい。又フラツシユ紡糸などでパルプ状になつて
いるものでもよい。紡糸時ノズルの形を変え異形
断面としたものでもよいし、後加工によつて凹凸
をつけたものでもよい。更にこれらは熱処理をし
てもよいし、アセタール化をしたり、架橋処理に
よつて形態安定性を向上したものでもよい。 PVA繊維は単独又は鋼繊維、耐アルカリガラ
ス繊維、カーボン繊維、アスベスト、パルプ、及
びポリエチレン、ナイロン等の他の有機合成繊維
とも混合使用することもできる。 セメントは通常の水硬性セメントで通常のポル
トランドセメントで普通ポルトランドセメント、
早強ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランド
セメント、耐硫酸塩ポルトランドセメント、白色
ポルトランドセメントが用いられる。混合セメン
トも限定するものでなく、高炉セメント、シリカ
セメント、フライアツシユセメント、も利用で
き、その他アルミナセメント、膨張セメント、超
早強セメントも用いることができる。 骨材としては細骨材とし、川海陸の各砂、砕石
粉が用いられる。粗骨材としては橋脚及び基礎、
厚い壁、庄板、アーチ、梁、厚い板、柱、等に最
大長径５〜100mmのものが選ばれる。又人工軽量
骨材を使用することもできる。 混和剤としてAE剤、流動化剤、減水剤、増粘
剤、保水剤、撥水剤も混合利用することも可能で
ある。 硬化促進剤として従来から使われている芒硝、
石こう、炭酸ナトリウム、炭酸カルシウム、トリ
エタノールアミン、及び塩化カルシウムも併用す
ることができる。 急結剤としてケイ酸ソーダ、重クロム酸カリウ
ム、ケイフツ化ソーダを用いることができ、吹付
工法ひび割補修等に炭酸ソーダ、アルミン酸ソー
ダ、のような粉末急結剤を主成分とする混和剤を
用いることも可能である。 凝結遅延剤であるリグニンスルフオン酸塩系、
オキシカルボン酸系、又は無機系のケイフツ化マ
グネシウム、リタール等を用いることができる。 施工の面から高架橋等の大型不静定構造物への
施工のような分割打設が可能であり、コールドジ
ヨイントの防止をしたり、スライデイング工法に
用いることができる。 本発明によるPVA繊維補強セメントモルタル
及びコンクリートは曲げ強度の向上を図ることが
出来、そのタフネスはプレーンに比べPVA繊維
２重量％仕込みで30〜40倍と 性に富んだ部材を
提出することにある。更にこの性能は形態保持性
の面から土木分野をはじめ建築分野に応用するこ
とができる。 第１の土木分野への応用面では一般道路及び飛
行場滑走路を含めコンクリート道路舗装である。
この分野は繊維補強による曲げ強度向上を目的と
し、鉄筋量の減少が可能となり、かつコンクリー
ト版の厚さも減少することができ、工期の短縮、
原材料費の節減等に有効である。更に、吹付工法
としては法面保護が有効で、薄く吹きつけるだけ
でその曲げ強度の効果を示し、繊維が親水性であ
るからリバウンドも少い。同様にトンネル内の吹
付け施工も可能で繊維が柔軟なこと、弾性がある
こと、親水性、軽い等から骨材及び繊維のハネ返
りも少く、コンクリートの落下も少く収率、安全
面で有効である。又橋梁へ施工する時のコンクリ
ート部材としても耐震部材として利用することが
できる。 第２にコンクリート製品としては型枠成型によ
る矢板、中空円筒形製品のパイプ、パイル、ポー
ル等にも用いることができる。 道路用コンクリート製品としては歩道用コンク
リート平板、鉄筋コンクリートＵ形、コンクリー
ト及び鉄筋コンクリートＬ形、コンクリート境界
ブロツク、鉄筋ガードレールに用いることができ
る。 管類には遠心成型による遠心力鉄筋コンクリー
ト管があり、その他ソケツト付スパンパイプ、鉄
筋コンクリート管、ロール転圧鉄筋コンクリート
管、無筋コンクリート管、コアー式プレストレス
トコンクリート管、水道用石綿セメント管があ
り、その他下水道、及び潅漑排水用製品にも用い
ることができる。 土止め製品としては鉄筋コンクリート矢板、プ
レストレストコンクリート矢板に用いることがで
きる。 ポール及び杭では遠心力プレストレストコンク
リートポール及び遠心力鉄筋コンクリートポール
及び遠心力鉄筋コンクリート杭に用いることもで
きる。スラブおよびけた用製品にも用いることが
でき、スラブ橋用プレストレストコンクリート橋
げた、けた橋用プレストレストコンクリート橋げ
た、軽荷重スラブ橋用プレストレストコンクリー
ト橋げた、プレストレストコンクリートダブルＴ
スラブにと広範囲に応用することができる。 第３に特殊成形としてはセメントモルタルの押
出し成型材料に添加して利用することもでき、曲
げ強度、衝撃強度を向上することができる。又吹
付けモルタル及び壁塗りモルタルとしてPVA繊
維を添加するとによりひび割防止は当然のことな
がら耐衝撃性、附折強度の向上に用いることがで
きる。 又左官用モルタルとして利用することもでき
る。その他高速道路、滑走路、オーパレイ、歩道
橋の舗装、橋床の舗装、それらの補修材又は歩道
用板等に利用できる。又成形型枠として用いる型
枠、捨型枠にも利用できる。パイプ類としては下
水管、電らん管、ケーブルダクト等がある。又道
路部材としては防音材、道路標識、舗装補強材、
側溝、トンネル内装物、パイル等に利用できる。
建築関係部材としては外装材料があり、それらは
シエル構造物、カーテンウオール外壁パネル、成
型瓦等の屋根材、パラペツト、スパンドレル、外
装レリーフに用いることができる。又内装材料と
しては壁材、レリーフ、床材、天井材に利用する
ことができる。その他、床板、はり、機械台基
礎、原子炉圧力容器、液化石油ガスの容器、建築
物内の間仕切り、階段材料があげられる。海洋又
は漁業部材としては船舶用機材、ボート等フエロ
セメント用セメント材料とすべく薄いシエル構造
組成物に用いるもの、浮子、浮桟橋、漁礁、テト
ラポツト等消波ブロツク、護岸ブロツク、に利用
できる。農業畜産関係部材としてはタンク、サイ
ロ、苗床、フエンスポツト、鉢、フラワーポツ
ト、側溝等の矢板等に利用できる。その他放射性
物質等廃棄物処理用の容器等の材料に使用するこ
とができる。その他材料の使用に関しては限定さ
れるものではない。 次に実施例及び比較例で説明する。 実施例１と比較例１ 重合度1705、ケン化度99.9モル％のPVAを用
いて乾式紡糸することにより繊度500デニール、
強度77Kg／mm²ヤング率1.7×10³Kg／mm²、かつ100
℃の煮沸水中の収縮率が６％のPVA繊維を得た。
その繊維を６、12、20、26mmに切断し、仕込み全
固型分中の１重量％となるように添加し、JISR
−5201により混練及び成型を行い曲げ強度を測定
した。 配合にセメントは普通ポルトランドセメントを
用い砂は豊浦標準砂を用いた。水／セメント比は
0.4とし、砂／セメント比は１とした撹拌はホバ
ートミキサーを用いフロー値を測定し、更に４×
４×16の型枠へ打ち込んで一夜成型後脱型して28
日水中養生した。 曲げ強度の測定はインストロンTT−CMを用
いた。比較のためにカツト長６mmのもの、及び繊
維を添加しないプレーンをつくつた。その結果を
表−１に示した。

【表】 施行性の目安であるフロー値はプレーンと差は
なかつた。又AR値の大きいNo.１〜３まではひび
割発生強度の若干の増加とひび割発生後の最高強
度がプレーンに比べ18〜62％にも増加し、タフネ
スは18〜40倍という大きさを示し靭性の増大した
ことを認めた。しかし比較例１のNo.４の６mmカツ
ト長のものはAR値も小さく分散性は良くてもタ
フネスは若干上つているものの曲げ強度の点から
プレーンと差がなかつた。 実施例２及び比較例２ 実施例１で製造したPVA繊維を20mm（AR値
84）に切断し、該繊維の添加率を仕込全固型分中
に0.1、1.5、２、４、６重量％添加し、他は実施
例１とまつたく同様の配合方法で混合性、及びフ
ロー値、曲げ強度、タフネスを検討した。その結
果を表−２に示した。

【表】 分散性の判定は肉眼観察によつた。繊維の添加
率の多いNo.10ではフアイバーボールになり成型が
できなかつた。その他繊維添加率を変更すること
によつてタフネスの急増、ひび割発生後の最高強
度も2.8倍まで増加し、ひび割発生強度も増加し
た。添加率の少いNo.９はその効果がなく、プレー
ンと同一であつた。 実施例３及び比較例３ 実施例１で製造したPVA繊維を用い26mm（AR
値110）に切断したものを仕込み固型分中に１重
量％含有する量を含むコンクリートをつくつた。
粗骨材の寸法は15〜20mmの砕石を選びベースにな
るスランプ値を18cm目標とした。又目標空気量を
５％とし水／セメント比を0.6、細骨材料を0.7と
した。単位水量207Kg、単位セメント量345Kg、細
骨材1107Kgとし混和剤は用いず、傾同式ミキサー
にて撹拌し10×10×40の型枠へ流し込み
JISA1132、によつた。翌日脱型後20℃水中で28
日養生後島津万能試験機RH−200型を用い曲げ
強度はJISA−1106、圧縮強度はJISA1114によつ
て測定した。その結果を表−３に示した。

【表】 実施例３は３点載荷でマイクロラツクが発生し
ても破断には到らず形態保持をしながら最高強度
となつた。その後繊維はひき抜けながら強度を減
少してきたが容易に破断にはいたらず、コンクリ
ートの破片などが飛散するようなこともなかつ
た。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 単繊維強度が60Kg／mm²以上、かつそのヤング
   率が1.5×10³Kg／mm²以上で、100℃の煮沸水中で
   の収縮率が８％以下の繊維物性をもち、モノフイ
   ラメントの繊度が100デニール以上で、AR値が
   30〜150に切断されたポリビニルアルコール繊維
   を仕込全固型分中に0.2〜４重量％含むことを特
   徴とするポリビニルアルコール繊維補強セメント
   モルタル及びコンクリート組成物。