JPH06166554A - コンクリート補強用炭素繊維 - Google Patents

コンクリート補強用炭素繊維

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JPH06166554A
JPH06166554A JP4318305A JP31830592A JPH06166554A JP H06166554 A JPH06166554 A JP H06166554A JP 4318305 A JP4318305 A JP 4318305A JP 31830592 A JP31830592 A JP 31830592A JP H06166554 A JPH06166554 A JP H06166554A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 セメントとの密着性に優れ、かつダイレクト
スプレーガンに対する工程通過性がよい上、集束性が良
好であって、ダイレクトスプレー工法に適したコンクリ
ート補強用メソフェーズピッチ系炭素繊維を提供するこ
と。 【構成】 メソフェーズピッチ系炭素繊維のモノフィラ
メント１００〜１０００本の集合体からなるストランド
をサイジング剤によりサイジングし、このサイジングさ
れたストランド５〜１００本を一つの集合体としてなる
コンクリート補強用炭素繊維である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はコンクリート補強用炭素
繊維、さらに詳しくは、セメントとの密着性に優れ、か
つダイレクトスプレーガンに対する工程通過性がよく、
しかも集束性が良好であって、特にダイレクトスプレー
工法に適したコンクリート補強用のメソフェーズピッチ
系炭素繊維に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、炭素繊維は高強度及び高弾性率を
有し、かつ軽量であるなど、優れた特徴を有することか
ら、例えば航空機部品、自動車部品、スポーツ用具など
の種々の分野における素材、あるいは樹脂補強材やセメ
ント補強材などとして著しく需要が伸びている。この炭
素繊維はポリアクリロニトリル系（ＰＡＮ系）炭素繊維
とピッチ系炭素繊維とに大別することができ、前者のＰ
ＡＮ系炭素繊維は、ポリアクリロニトリルを原料とする
高性能（ＨＰ）グレードのものであって、通常高強度及
び中程度の弾性率を有している。しかしながら、このＰ
ＡＮ系炭素繊維においては、アクリロニトリル繊維は原
料として高価である上に、炭素繊維収率が４５％以下と
極めて悪く、かつ湿式紡糸法で生産されるため、フィラ
メント数の少ないストランドの製造は工程が煩雑であっ
て、製造コストが高くつくのを免れないという欠点があ
る。
【０００３】一方、ピッチ系炭素繊維は石油系ピッチ又
はコールタール系ピッチなどを原料とするものであっ
て、原料ピッチが安価で、かつ豊富に入手できる上、炭
素繊維収率が高いというメリットがある。また物性を改
良するために、種々研究がなされ、最近では光学的異方
性相を含むメソフェーズ（液晶）ピッチや、ネオメソフ
ェーズピッチ，プリメソフェーズピッチ，潜在的異方性
ピッチなどから強度及び弾性率の高い高性能（ＨＰ）炭
素繊維を得ることに成功している。なお、光学的等方性
ピッチからは、通常強度及び弾性率の低い汎用（ＧＰ）
炭素繊維しか得られない。ところで、セメント類の水硬
性粉体を用いた混練物は各種の建築材料や土木材料など
に広く用いられている。このような混練物を補強し、亀
裂発生を防止するため、従来繊維材料を配合することが
行われてきた。しかしながら、補強繊維として石綿を用
いることは発がん性の点から好ましくなく、また、ガラ
ス繊維は耐アルカリ性に劣るため、セメント中において
ガラス繊維自体の強度が劣化するという欠点を有してい
る。そのため、各種の有機繊維や耐アルカリガラス繊維
などが強化材として使用されているが、有機繊維では耐
火性の点で問題があり、また、耐アルカリガラス繊維を
用いてもセメントなどのアルカリ性環境下では、長期間
使用すると強度が低下するという問題が生じる。そこ
で、耐熱性、耐薬品性に優れ、かつ高強度、高弾性率の
炭素繊維が注目されている。
【０００４】しかしながら、炭素繊維をセメントに添加
混合した場合、石綿やガラス繊維に比べてセメントへの
付着性（あるいは密着性）が劣るため、補強材として充
分な効果が発揮されないという問題がある。したがっ
て、これまで炭素繊維のセメントに対する付着性を高
め、得られる炭素繊維強化セメント材の強度を高めるべ
く種々の工夫がなされてきた。例えばエポキシ樹脂など
の疎水性液体樹脂を含浸させた炭素繊維ストランドをセ
メント中に張設し、樹脂とセメントとを同時に硬化させ
る方法（特公昭５８−１９６２０号公報）、メチルセル
ロースなどの水溶性結合剤で相互に結着した炭素繊維を
セメント中に一方向あるいは交差する二方向に配向して
配する方法（特開昭５６−１２９６５７号公報）、アク
リルエマルジョンなどの水溶性合成樹脂エマルジョンを
含ませた炭素繊維シートを介してセメントスラリー層を
重ね合わせる方法（特開昭５８−２２３６５９号公
報）、ハチエック式抄造法で強化セメント材を製造する
際に繊維表面にポリアルキルアミノアクリレートなどの
ノニオン性、あるいはカチオン性高分子凝集剤を付着さ
せる方法（特開昭６０−８１０５２号公報）、炭素繊維
の表面にカチオン性ゴムラテックスを付着させたセメン
ト補強用繊維材（特開昭６２−１０８７５５号公報）な
どが提案されている。
【０００５】しかしながら、これらの従来技術は、使用
する炭素繊維の形態に限定があったり、施工方法に限定
があったり、対象セメント種が制限されたり、あるいは
セメントに対する付着性が充分でないなどの問題を有
し、必ずしも充分に満足しうるものではない。ところ
で、最近、各種繊維を強化材とするコンクリート複合体
の製造において、より長い繊維（２５〜３０ｍｍ以上）
を用いることができ、力学的特性を充分に発揮できるダ
イレクトスプレー法が注目され、実用化されている。こ
のダイレクトスプレー法を適用する場合、補強用炭素繊
維は、セメントに対する密着性が良好であるとともに、
ダイレクトスプレーガンに対する工程通過性に優れる、
すなわち炭素繊維と金属との摩擦性が低く、滑りやすい
ことが重要である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
事情のもとで、セメントとの密着性に優れ、かつダイレ
クトスプレーガンに対する工程通過性がよく、しかも集
束性が良好であって、特にダイレクトスプレー工法に適
したコンクリート補強用のメソフェーズピッチ系炭素繊
維を提供することを目的としてなされたものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記の好
ましい性質を有するコンクリート補強用のメソフェーズ
ピッチ系炭素繊維を開発すべく鋭意研究を重ねた結果、
特定の本数のメソフェーズピッチ系炭素繊維モノフィラ
メントからなるストランドをサイジング剤によりサイジ
ングし、このサイジングされた特定の本数のストランド
を一つの集合体としたものにより、その目的を達成しう
ることを見出した。本発明は、このような知見に基づい
てなされたものである。すなわち、本発明は、メソフェ
ーズピッチ系炭素繊維のモノフィラメント１００〜１０
００本の集合体からなるストランドをサイジング剤によ
りサイジングし、このサイジングされたストランド５〜
１００本を一つの集合体としたことを特徴とするコンク
リート補強用炭素繊維を提供するものである。
【０００８】本発明において、メソフェーズピッチ系炭
素繊維として使用出来る原料ピッチ（紡糸用ピッチ）は
石油系、石炭系のいずれであってもよく、また光学的異
方性相を含むメソフェーズピッチをはじめ、ネオメソフ
ェーズピッチ，プリメソフェーズピッチ及び潜在的異方
性ピッチなどを用いることができる。また、石油系、石
炭系原料ピッチの種類については特に制限はなく、例え
ば原油蒸留残渣油、流動接触分解（ＦＣＣ）重質油，ナ
フサ分解残渣油，エチレンボトム油などの石油系ピッチ
（重質油），コールタール，石炭液化油などの石炭系ピ
ッチ（重質油）を、ろ過，蒸留，水添，接触分解などの
処理工程を経て調製されたものを用いることができる。
【０００９】本発明において用いられるメソフェーズピ
ッチ系炭素繊維は、上記紡糸用ピッチを従来公知の方
法、例えば溶融法などを用い、糸径５〜２０μｍ程度の
ピッチ繊維を紡糸したのち、酸素，酸素リッチガス，空
気などの雰囲気下２００〜４００℃程度の温度で不融化
処理し、次いで窒素やアルゴンなどの不活性ガス雰囲気
下、１０００℃以上の温度において炭素化処理、さらに
所望に応じ黒鉛化処理することにより、製造することが
できる。必要ならば、該炭素化処理に先だって、窒素や
アルゴンなどの不活性ガス雰囲気下、３５０〜８００℃
の範囲の温度において予備炭素化処理を行ってもよい。
このようにして得られたメソフェーズピッチ系炭素繊維
はセメント複合体の物性面及びダイレクトスプレー工法
の施工性から引張強度が１５０ｋｇｆ／ｍｍ2以上で引
張弾性率が１０×１０3 ｋｇｆ／ｍｍ2 以上のものが好
適である。
【００１０】本発明においては、上記メソフェーズピッ
チ系炭素繊維のモノフィラメント１００〜５００本の集
合体からなるストランドをサイジング剤により、サイジ
ングすることが必要である。該サイジング剤としては、
セメントに対する密着性に優れ、かつダイレクトスプレ
ーガンに対する工程通過性がよく、しかも集束性が良好
なコンクリート補強用炭素繊維を与える点で、エステル
オイル系、ポリエチレングリコール系及びポリエーテル
エステル系のものが好適である。
【００１１】該エステルオイル系サイジング剤として
は、例えばオレイルオレート，ステアリルオレート，ラ
ウリルオレート，オクチルオレート，２−エチルヘキシ
ルオレート，イソトリデシルオレートなどのオレイン酸
の脂肪族一価アルコールエステル，オレイルステアレー
ト，オレイルパルミテート，オレイルラウレート，オレ
イルイソステアレート，オレイルオクタノエートなどの
オレイルアルコールの一価脂肪酸エステルなどが好まし
く挙げられる。また、ポリエチレングリコール系サイジ
ング剤としては、例えばポリオキシアルキレンビスフェ
ノールエーテルなどを好ましく挙げることができる。こ
のポリオキシアルキレンビスフェノールエーテルの代表
例としては、一般式
【００１２】
【化１】
【００１３】〔式中、ｍ及びｎはそれぞれ１〜２９の整
数であり、かつｍ＋ｎ＝３０である。〕で表されるポリ
オキシエチレンビスフェノールエーテルを挙げることが
できる。一方、ポリエーテルエステル系サイジング剤と
しては、ジカルボン酸成分とグリコール成分を触媒の存
在下で重縮合反応させたものを好ましく挙げることがで
きる。このポリエーテルエステルは、ジメチルテレフタ
レートとアジピン酸エチレングリコールエステルとエチ
レングリコールとを重縮合させたものが例示される。こ
れらのサイジング剤は一種用いてもよいし、二種以上を
組み合わせて用いてもよい。上記サイジング剤の塗布方
法については特に制限はなく、適当な溶剤に溶解した溶
液又は水性媒体に乳化させたエマルジョンを調製し、こ
れに、炭素繊維のモノフィラメント１００〜１０００本
の集合体からなるストランドを接触若しくは浸漬させた
のち、従来公知の方法、例えば熱風乾燥、赤外線乾燥，
マイクロウエーブ乾燥などの手段により、脱溶媒して炭
素繊維の表面をサイジング剤で被覆する。ストランド１
本当りのモノフィラメント数は、１００本未満では、炭
素繊維としての製造コストが極端に高くなり、また１０
００本を超えると製造が困難であり、かつセメントマト
リックスの含浸性が劣り、補強効果が低下するので好ま
しくない。なお、製造の容易さからは５００本以下が好
ましい。サイジング剤の塗布量は炭素繊維に対して0.５
〜１０重量％の範囲にあるのが望ましい。この量が0.５
重量％未満では本発明の効果が充分に発揮されないし、
１０重量％を超えると集束が過度に強固になりセメント
中の分散度が劣り、コンクリート複合体の物性が低下す
る傾向がみられる。
【００１４】本発明においては、このようにしてサイジ
ングされたストランド５〜１００本を一つの集合体（ロ
ービング）として巻取ることにより、所望のコンクリー
ト補強用炭素繊維が得られる。ストランドの集合体は、
５本未満ではセメント複合体の生産が悪くコストが高く
なり、また１００本を超えるとダイレクトスプレー法に
おけるスプレーガンの通過性が悪くなり好ましくない。
このようにして得られたコンクリート補強用のメソフェ
ーズピッチ系炭素繊維は、セメントとの密着性に優れ、
かつ金属との摩擦性が低く、滑りやすいため、ダイレク
トスプレーガンに対する工程通過性がよい上、集束性が
良好であって、特にダイレクトスプレー工法に適してい
る。
【００１５】上記コンクリート補強用炭素繊維を含有さ
せてなるコンクリート複合体を成形する場合、ダイレク
トスプレー工法が好ましく用いられる。このダイレクト
スプレー工法は、炭素繊維のロービングを連続的に切断
しながら圧縮空気ガンのノズルより吹き出し、同時に他
のノズルより吹き出すセメントスラリーと一緒に吹きつ
けて成形する方法である。
【００１６】この際用いられるセメントスラリーについ
ては特に制限はなく、従来炭素繊維強化コンクリート複
合体の製造において慣用されているものを使用すること
ができる。該セメントスラリーとしては、例えばポルト
ランドセメント，高炉セメント，アルミナセメントなど
の水硬性セメントに、砂，ケイ砂，パーライト，ひる
石，シラスバルーン，フライアッシュ，超微粉シリカな
どの骨材と、分散剤，減水剤，膨張剤，消泡剤などの混
和剤などを配合し、水を加えて混合スラリー化したもの
を挙げることができる。スラリー中の水／セメント比
や、骨材／セメント比などの配合比率は、使用する炭素
繊維の形態や製造するコンクリート複合体の成形性、施
工性に応じて適宜選ばれる。このようにして得られた未
硬化の成形体は、その後周知の水中養生，気中養生，蒸
気養生，高温高圧養生などの方法により養生し、固化し
て炭素繊維強化コンクリート複合体を製造することがで
きる。このようにして得られたコンクリート複合体は、
その曲げ強度が通常３００ｋｇｆ／ｃｍ2 以上と高いも
のであって、建築・土木分野における種々の用途に好適
に用いられる。
【００１７】
【実施例】次に実施例により本発明をさらに詳細に説明
する。 実施例１ ステアリルオレート濃度４ｗｔ％のエマルジョン水溶液
を調製し、この溶液中に、ストランド引張弾性率２１×
１０3 ｋｇｆ／ｍｍ2 及び引張強度２１６ｋｇｆ／ｍｍ
2 を有するモノフィラメント数２５０のメソフェーズピ
ッチ系炭素繊維を浸漬したのち乾燥し、さらにこのスト
ランドを３０本合糸することにより、サイジング剤が1.
０ｗｔ％塗布されたコンクリート補強用の炭素繊維束を
作成した。一方、セメント／砂重量比1.３３、水／セメ
ント重量比0.３５及びセメント混和剤／セメント重量比
0.００８のセメントモルタルを調製した。ダイレクトス
プレー法で用いられるスプレーガンにより、上記のコン
クリート補強用の炭素繊維束を長さ２５ｍｍに切断しな
がら、上記セメントモルタルと同時に吹き付け、炭素繊
維強化セメントコンクリート成形体を得た。この際、炭
素繊維の供給量が３ｖｏｌ％になるように調整した。こ
の成形体を室温材齢７日で長さ２５０ｍｍ、幅５０ｍ
ｍ、厚さ１０ｍｍの曲げ試験用の供試体に切出し、支点
間距離２００ｍｍで３点曲げ試験を行なった。その結
果、曲げ強度は３４５ｋｇｆ／ｃｍ2 であった。また、
同じ成形体を室温材齢２８日で同様に試験したところ、
曲げ強度は３６５ｋｇｆ／ｃｍ2 であった。
【００１８】実施例２ 分子量１５００のビスフェノールＡのエチレンオキシド
付加物の濃度が４ｗｔ％のエマルジョン水溶液を調製
し、この溶液中に、実施例１と同様のストランド引張弾
性率２１×１０3 ｋｇｆ／ｍｍ2 及び引張強度２１６ｋ
ｇｆ／ｍｍ2 を有するメソフェーズピッチ系炭素繊維の
ストランド（モノフィラメント数１５０本）を浸漬した
のち、乾燥し、さらにこのストランドを３０本合糸する
ことにより、サイジング剤が1.０ｗｔ％塗布されたコン
クリート補強用炭素繊維束を作成した。一方、セメント
／砂重量比1.３３，水／セメント重量比0.３５及びセメ
ント混和剤／セメント重量比0.００８のセメントモルタ
ルを調製した。以下、実施例１と同様にして実施した。
その結果、室温材齢７日のものの曲げ強度は３２５ｋｇ
ｆ／ｃｍ2 であった。
【００１９】実施例３ ジメチルテレフタレート（0.２０モル比），アジピン酸
エチレングリコールエステル（0.７８モル比），５−ス
ルフォンソーダイソフタルジメチル（0.０２モル比），
ポリエチレングリコール（0.１５モル比）と過剰のエチ
レングリコールとを触媒の存在下で重縮合反応させて得
た分子量8,０００〜１2,０００のポリエーテルエステル
を２ｗｔ％含むエマルジョン水溶液を調製し、この溶液
中に、実施例１と同様のストランド引張弾性率２１×１
０3 ｋｇｆ／ｍｍ2 及び引張強度２１６ｋｇｆ／ｍｍ2
を有するメソフェーズピッチ系炭素繊維のストランド
（モノフィラメント数１５０本）を浸漬したのち、乾燥
し、さらにこのストランドを３０本合糸することによ
り、サイジング剤が1.０ｗｔ％塗布されたコンクリート
補強用炭素繊維束を作成した。一方、セメント／砂重量
比1.３３，水／セメント重量比0.３５及びセメント混和
剤／セメント重量比0.００８のセメントモルタルを調製
した。以下、実施例１と同様にして実施した。その結
果、室温材齢７日のものの曲げ強度は３１５ｋｇｆ／ｃ
ｍ2 であり、室温材齢２８日のものの曲げ強度は３３０
ｋｇｆ／ｃｍ2 であった。
【００２０】
【発明の効果】本発明のコンクリート補強用のメソフェ
ーズピッチ系炭素繊維は、セメントとの密着性に優れ、
かつダイレクトスプレーガンに対する工程通過性がよ
く、しかも集束性が良好であって、特にダイレクトスプ
レー工法に適している。また、このコンクリート補強用
炭素繊維を含有するコンクリート複合体は曲げ強度が高
く、建築・土木分野における種々の用途に好適に用いら
れる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｄ０６Ｍ 15/507 15/53 // Ｄ０６Ｍ 101:40 Ｄ０６Ｍ 15/507 (72)発明者 高野 勝美 茨城県鹿島郡神栖町東和田４番地 株式会 社ペトカ内 (72)発明者 大野 定俊 大阪府南河内郡美原町木材通３−１−８ 株式会社竹中工務店技術研究所大阪支所内 (72)発明者 米澤 敏男 東京都江東区南砂２−５−14 株式会社竹 中工務店技術研究所内 (72)発明者 位田 淳一 愛知県名古屋市天白区原５丁目2101番地 (72)発明者 岩田 正樹 愛知県名古屋市港区辰巳町29−11

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 メソフェーズピッチ系炭素繊維のモノフ
    ィラメント１００〜１０００本の集合体からなるストラ
    ンドをサイジング剤によりサイジングし、このサイジン
    グされたストランド５〜１００本を一つの集合体とした
    ことを特徴とするコンクリート補強用炭素繊維。
  2. 【請求項２】 サイジング剤がエステルオイル系，ポリ
    エチレングリコール系及びポリエーテルエステル系の中
    から選ばれた少なくとも１種である請求項１記載のコン
    クリート補強用炭素繊維。
  3. 【請求項３】 サイジング剤の塗布量が、炭素繊維に対
    して0.５〜１０重量％である請求項１又は２記載のコン
    クリート補強用炭素繊維。
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