JPH0768740B2 - 繊維補強セメント系部材 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は繊維補強材をセメント系マトリツクス中に配
列、埋設してなる繊維補強セメント系部材に関するもの
である。

＜従来技術＞ 一般に、繊維補強セメント系部材は板、筒、中空板、ブ
ロツクなどの形状で土木・建築用部材として広く用いら
れる。

従来繊維補強セメント系部材としてはいわゆる石綿スレ
ートが代表的な例であつたが、最近では石綿による環境
公害防止の観点から、各種の有機、無機、金属繊維が補
強繊維として用いられるようになつて来た。

＜発明が解決しようとする問題点＞ しかしながら、これらのほとんどは短繊維を２次元又は
３次元ランダムにセメント系マトリックス中に分散させ
る方法にて製造されるため、高強度高靭性成形体を得る
には大量の繊維を要し、無駄が多い。

特に高性能繊維を用いる場合には、繊維の強度や弾性が
十分に引き出せずコスト高になりやすいという欠点があ
つた。

このため長繊維を予め直線状又は格子状に成形し、セメ
ント系マトリツクス断面に一次元又は二次元に重点的に
配向させて成形体の物性を改善させる方法が考えられて
いる。

この方法によれば、繊維が二次元又は三次元ランダム配
向の成形体に比べて同一曲げ又は引張強度を得るのに少
量ですみ、材料設計ができるうえ、高性能繊維になるほ
どその力学的性能を有効に利用できるという利点があ
る。

一方、炭素繊維、アラミド繊維、耐アルカリガラス繊
維、高強度ビニロン繊維などの高特性繊維は引張強度が
セメント系材料自体に較べ著しく大きいことから、これ
らの繊維を配設したセメント系部材の引張或いは曲げの
最大応力度が高められる効果がある。

ところが、これらの高特性繊維は引張強度が大きいこと
に加え、引張破断伸びがわずか数％以下程度の引張弾性
率が大きい繊維である。

なかでもセメントのアルカリ性による劣化の問題がなく
耐久性に優れ、該部材製造時の高温蒸気養生にも耐える
などの利点を有する炭素繊維は引張破断伸びが２％以下
程度の引張弾性率が極めて大きい繊維である。

従つて、これらの引張破断伸びの小さな高特性繊維を用
いた繊維補強セメント系部材では、引張或いは曲げの最
大応力に達した時点で繊維が破断してしまい、引張歪み
或いは曲げたわみが小さな変形能や靭性に乏しいという
欠点を有している。

そこで、かかる応力度や靭性を改良しようとする従来技
術としては、 板厚下半部の繊維量を上半部より多量とし、板厚下
半部の骨材量を上半部より少量とした繊維補強セメント
板（特開昭54−150420号公報）、 繊維を多量に混合した下層の繊維補強層と、必要に
応じて繊維を少量混合した上層とが一体化され、下層の
厚さが、上下層の総計厚さに対して0.4〜0.7倍とされて
いる繊維補強セメント板（特開昭54−80324号公報）、 表面から3mm以内の表層部に集中して繊維を分散配
向せしめた繊維強化セメント硬化体（特開昭57−11861
号公報）、あるいは スチールメツシユを応力材として積層配筋し、該ス
チールメツシユ間に耐アルカリガラス繊維、アラミド繊
維、炭素繊維のメツシユを介装してなる高靭性フエロセ
メント板（特開昭60−125606号公報）等が知られてい
る。

しかしながら、これらの従来技術にも未だつぎのような
問題点がある。

即ち〜の場合においては、曲げ部材の引張応力が作
用する領域に繊維補強層を配設することにより曲げ応力
度を高める効果はあるものの、最大曲げ応力度に達し、
繊維が破断すると急激に応力度も低下し、最大曲げ応力
度を越える曲げたわみの範囲において、なお充分に大き
な応力度を保持するような優れた靭性のある部材は得が
たい問題がある。

又の場合においては、配筋するスチールメツシユが苛
酷な使用条件或いは長期間経過などにより腐食し、耐久
性が悪くなるという欠点を有している。

＜問題点を解決するための手段＞ そこで本発明者らはかかる問題点に鑑み鋭意検討した結
果、長繊維をセメント系曲げ部材の引張応力が作用する
領域に少なくとも二層以上配設するに際し、引張強力の
異なる長繊維を用い、かつより引張強力の大きな長繊維
を該部材の曲げ中立軸に近い位置に配設することによ
り、これら問題点が解決出来ることを見い出し、本発明
に到達した。

すなわち、本発明の目的は補強繊維を少量でかつ補強効
果が優れるように配設する工夫により、高強度かつ高靭
性の繊維補強セメント系部材を提供することにある。

そして、その目的は曲げ応力を受ける繊維補強セグメン
ト系部材であって、該部材の曲げ応力の中立軸に対し、
引張応力が作用する領域に、用いる長繊維の単位断面積
当りの引張強度とセメントマトリックス中に配設される
該繊維の断面積との積の値として表わされる、引張強力
の異なる長繊維を該部材の引張応力を負担するよう少な
くとも実質的に二層以上配設し、かつ引張強力のより大
きな長繊維を長繊維配設位置のうち中立軸により近い位
置に配設したことにより容易に達成される。

以下、本発明を詳細に説明する。

本発明に用いるセメントは、普通ポルトランドセメン
ト、早強ポルトランドセメント、高炉セメント、アルミ
ナセメントのほか、セメント製品を通常製造するのに用
いるような水硬性セメントであれば特に限定するもので
はない。

用いる長繊維は、有機、無機等いかなる材質のものでも
よいが、特に炭素繊維、アラミド繊維、耐アルカリガラ
ス繊維、高強度ビニロン繊維などの高特性繊維が好まし
い。

本発明におけるセメントマトリツクス中への長繊維の配
設方法の一例を第１図に示す。

第１図中１は中央一点載荷曲げ試験により曲げ応力を受
ける繊維補強セメント系部材である。２は該部材の曲げ
応力の中立軸（第１図中のＮ−Ｎ′線）に対し、引張応
力が作用する領域（第１図中のＮ−Ｎ′線より下方部
分）に、部材の引張応力を負担出来るように配列し、か
つ中立軸に対し、より近くの位置（第１図中の中立軸か
らの距離L₁で表わされる）に配設された、より引張強力
の大きな長繊維である。

ここで長繊維の長手方向が部材の引張応力の方向と同じ
方向である場合が最も引張応力の負担効果がすぐれてい
るので好ましい。しかし長繊維の長手方向が部材の引張
応力の方向と全く同じ方向でなくても実質的に引張応力
を負担出来る場合には多少夫々の方向が異なつていても
よい。

３はより引張協力が小さくかつ、中立軸に対しより遠く
に位置（第１図中の中立軸からの距離L₂で表わされる）
する以外は２と同じ長手方向に配列し、配設された長繊
維である。

ここで、本発明で云う繊維の引張強力は用いる長繊維の
単位断面積当りの引張強度とセメントマトリツクス中に
配設される該繊維の断面積との積の値として表わされ
る。

そして、引張強度及び断面積は例えば炭素繊維の場合は
JIS規格R7601の方法により測定することが出来、その他
の繊維の場合も同方法に準じて測定することが出来る。

本発明で重要なのは、セメントマトリツクス中に長繊維
を二層以上配設し、かつ部材の引張応力の中立軸に近い
位置に配設される長繊維の引張強力が中立軸に遠い位置
に配設される長繊維の引張強力よりも大きくなるよう配
設することである。本発明のように長繊維を配設した繊
維補強セメント系部材の曲げにおける荷重−たわみ曲線
を第２図ａに示す。

すなわち、たわみが増すと中立軸からより遠し位置にあ
る、より大きな引張歪みを受ける引張強力の小さな長繊
維がまず破断し、荷重が一旦若干低下するが、中立軸に
より近い位置にある、小さな引張歪みを受けている未だ
破断していない引張強力の大きな長繊維の補強能力によ
り、再び荷重が増大する。そして最終的には、引張強力
の大きな長繊維自体が破断し、荷重が漸減し零となる。

これに対して、中立軸から遠い位置と近い位置とに同じ
引張強力の長繊維を配設した場合には、第２図ｂのよう
に遠い位置の長繊維が破断した時点の荷重はａの場合よ
りも大きいものの、近い位置の繊維の強力がａの場合に
較べ小さいため、荷重の落ち込みが大きく、さらにたわ
みを加えると大した荷重増大もなく、最終的に近い位置
の繊維も破断し、そのたわみ量はａの場合よりも小さく
なる。

さらに、ａの場合とは逆に、遠い位置に配設する長繊維
の方が引張強力が大きい場合には第２図ｃのように遠い
位置の繊維が破断した時点の荷重は最も大きいが、近い
位置の繊維の強力が小さいため荷重の落ち込みが最も大
きく、さらにたわみを加えると、殆んど荷重増大なしに
近い位置の繊維が破断し、たわみ量はａの場合より小さ
くなる。

このように、３つの引張強力が異なる場合の比較から最
大曲げ応力度を越えて、たわみを加えた場合に、なお充
分に大きな応力度を保持し靭性の優れた曲げ部材を得る
には、本発明にようにより引張強力の大きな繊維を中立
軸により近く位置するように配設するのが好ましいこと
が明らかである。

本発明において、具体的に配設位置に応じて長繊維の引
張強力がちがえて配設する方法としては、同種の引張強
度の長繊維を用い、中立軸により近い位置に量的に多く
配設することにより、断面積を多くし、引張強度と断面
積との積として求められる引張強力を大きくするか、あ
るいは二種類以上の引張強度の異なる繊維を用い、中立
軸から近い位置及び遠い位置の夫々に配設する繊維の引
張強度と断面積との積として、夫々の引張強力を求め、
中立軸に近い位置の繊維強力が大きくなるように配設す
る、などの方法がある。さらにくわしくは、夫々の繊維
強力の値は用いる繊維の引張強度と配設断面積、中立軸
からの夫々の繊維の配設位置の距離及び繊維補強曲げ部
材の寸法などの要因に応じて、該部材に必要とされる曲
げ応力度やたわみ量が得られるように、適宜設定すれば
良く、中立軸に近い位置の繊維強力が遠い位置の繊維強
力の1.2倍以上、好ましくは1.5〜４倍、さらに好ましく
は２〜3.5倍になるように配設する。

また、本発明でより優れる曲げ靭性を得るためには、用
いる長繊維の破断伸びが異なるものを２種類以上組合せ
て使用するのが好ましい。

例えあば、破断伸びが異なる２種類の繊維を用い、本発
明の如く配設した場合には、繊維補強部材の曲げにおけ
る荷重−たわみ曲線は第３図ａに示すようにたわみが増
すと中立軸から遠い位置にある破断伸びの小さな繊維が
まず破断し、荷重が若干低下し、ついで近い位置にある
破断の伸びの小さな繊維が破断し、さらに中立軸に遠い
位置にある破断伸びの大きな繊維が破断し、最終的に近
い位置ある破断伸びの大きな繊維が破断するとの曲げモ
ードとなる。

これに対して、第３図ｂは破断伸びが同じ一種類の繊維
を用い、本発明の如く配設した場合である。両者の比較
から判るように、破断伸びが異なる繊維を組合わせて使
用することにより、たわみ途中での荷重低下がすくな
く、大きな荷重を維持しつつ、たわみも大きく出来、靭
性の大きな極めて優れた部材が得られる。

このような２種類の破断伸びが異なる繊維を用いる場合
の曲げモードからして、さらに多くの種類の破断伸びが
異なる繊維を組合せて使用すれば、大きな荷重を維持し
つつ、より大きなたわみが実用出来、より靭性の優れる
部材を得られる。

さらに本発明において、大きな曲げ応力度を得るには、
用いる繊維の引張弾性率が異なるものを２種類以上組合
せ、しかも引張弾性率の大きい繊維を中立軸からより遠
い位置に配設するのが好ましい。例えば、引張弾性率の
大きな繊維を中立軸から遠い位置に、弾性率の小さな繊
維を近い位置に配設した場合の荷重−たわみ曲線は第４
図ａに示すように、同じ弾性率の繊維のみを二層に配設
した第４図ｂの曲線に較べ、同じたわみ量での荷重が大
きく、高曲げ強度の部材が得られ好ましい。

尚、本発明において、長繊維は少なくとも実質的に二層
以上配設されるが、ここで実質的に層状に配設すると
は、部材の引張応力の中立軸に対してほぼ同様の引張応
力が加わる領域に中立軸からの距離がほ同様となるよう
配設することを意味するものである。層状に配設される
長繊維の数は特に限定されるものではなく、部材に付加
したい補強効果に応じて適宜決定されるものである。

づぎに、本発明においては、長繊維は通常直径が数ミク
ロン乃至数十ミクロンの単系が数百本乃至数万本束状に
なつたものを用いる。

そしてセメントマトリックス中に配設する際の束として
の引張強度を確保し、取扱時の損傷を防ぐなどのため、
各種の高分子物質を含浸し、付着させ単系どうしを結着
しし用いるのが好ましい。

具体的な高分子物質としてはエポキシ樹脂、ウレタン樹
脂、フエノール樹脂、ポリビニルアルコールなどが用い
られる。

又、セメントマトリツクスとの接着性を高めるために、
該繊維は表面酸化処理などの表面処理をしたり、付着す
る高分子物質として軟化点が40℃以上の未硬化状態のエ
ポキシ樹脂や、エポキシ樹脂層の上にさらに、カルボキ
シル変性ゴムポリマーを付着させる方法などを用いても
よい。

セメントマトリツクスとの付着をさらに向上させるため
には、高分子物質を含浸付着させた表面にさらに樹脂に
て細砂などを付着し、セメントマトリツクスへの投錨効
果を持たせてもよい。

これまでの説明では引張強力の異なる２種類の繊維を中
立軸に対して位置を変えて配設する方法を述べて来た
が、本発明においては、引張強力が２種類以上異なる繊
維であれば、それ以上の多種類を使用するのに何ら支障
なく、その際にはより引張強力の大きな繊維をより中立
軸に近く位置するよう配設すれば良い。

又、本発明で用いる長繊維の形状としては直線状の一次
元のみならず、格子状、網状或いは織物状にして、二次
元的に積層配設することも出来る。特に網状の場合に、
それが絡み織りにて構成され、絡み繊維が本発明で云う
繊維の長手方向に配置されていると、より高強度、高靭
性の繊維補強部材が得られ好ましい。

本発明の長繊維のセメントマトリックスへの埋込みは常
法によつて行えばよい。

例えば従来の積層・埋設法によつてもよいし、予め立体
的に型枠内に組込んだ後、マトリツクス材料を注入して
硬化させてもよい。

この際、バイブレーター等により振動をかけ脱泡してや
れば、セメントマトリツクスと補強用繊維集合体との付
着はさらに緊密になり、良好な機械的物性を得ることが
できる。

また、本発明の部材は板状、筒状、あるいは中空板、ブ
ロツク等の曲げ部材であればよく、その形状は特に限定
されるものではない。

＜発明の効果＞ 以上のように本発明によれば、補強繊維の配設位置に応
じて、その引張強力を調節すると云う極めて簡易な方法
により、少量の繊維量で効果的かつ合理的な補強性能が
発揮出来、曲げ靭性及び強度のすぐれたセメント系部材
を得ることが出来る。

又、鉄筋コンクリート構造と同じように、用途や荷重条
件に応じた断面設計が効果的かつ容易に可能となり、実
用性にも富む。

以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発
明はその要旨をこえない限り下記の実施例に限定される
ものではない。

実施例１ コールタールピツチから作られたメンフエーズ系高伸度
炭素繊維（直系約11ミクロンの単系約4000本から成る）
をアセトンで希釈した硬化剤をエポキシ樹脂溶液にて含
浸し、加熱硬化して、樹脂含有率47％の直線状長繊維を
得、その物性を第１表中に示した。

この長繊維３本をその長手方向にエポキシ系接着剤で接
合し１束にしたものを、幅;40×高さ;20×長さ;320mmの
セメント系曲げ部材の曲げ中立軸から2mmの距離（第１
図中L₁で表わす）に、該繊維の長手方向が引張応力方向
と同じになるようにして、５束を等間隔に配設した。

５束を合計した繊維断面積及び引張強力を第１表中に示
した。

一方、同じ長繊維各１本を同じく中立軸から7mmの距離
（第１図中L₂で表わす）に、その長手方向が該部材の引
張応力方向と同じになるようにして、５本を等間隔を配
設し、その断面積及び引張強力を第１表中に示した。

セメントは早強ポルトランドセメント、骨材は川砂（最
大2.5mm粒径）を用い、水／セメント比は0.4/1、骨材／
セメント比は0.67/1とした。

１週間養生後の繊維補強セメント系供試体をスパン260m
mで中央一点載荷曲げ試験し、得られた曲げ応力度−た
わみ曲線を第５図ａに示した。尚、繊維補強のないセメ
ント系単味の供試体の曲げ強度は81kg/cm²であった。

比較例１ 実施例１と同じ長繊維２本を同じく接合して１束にした
ものを、実施例１と同じくして中立軸から2mmの距離と7
mmの距離とに、夫々５束ずつを配設した。

これらの断面積及び引張強力を第１表中に示し、得られ
た曲げ応力度−たわみ曲線を第５図ｂに示した。

比較例２ 実施例１と同じ長繊維５本を中立軸から2mmの距離に、
同じ長繊維３本を１束に接合した５束を中立軸から7mm
の距離に配設した。

これらの断面積及び引張強力を第１表に示し、得られた
曲げ応力度−たわみ曲線を第５図ｃに示した。

実施例２ コールタールピツチから作られたメソフエーズ系低伸度
炭素繊維（直系約10ミクロンの単系約2000本から成る）
を用い実施例１と同様にして、樹脂含有率45％の直線状
長繊維を得、その物性を第１表中に示した。

この低伸度長繊維３本を接合し１束にしたものを２束と
実施例１の高伸度長繊維３束とを、中立軸から5mmの距
離に等間隔に配設した。

一方中立軸から7mmの距離に実施例１の高伸度長繊維４
本と上記の低伸度長繊維１本との計５本を等間隔に配設
した。

これらの断面積及び引張強力を第１表中に示し、得られ
た曲げ応力度−たわみ曲線を第６図に示した。

実施例３ 耐アルカリ性ガラス繊維（旭硝子社製、商標「アルフア
イバー」AR R2400TB）を用い、実施例１と同様にして直
線状長繊維を得、その物性を第１表中に示した。

このガラス長繊維２本を接合し１束にしたものを３束
と、実施例１の高伸度炭素長繊維２本を接合し１束にし
たもの２束とを、中立軸から4mmの距離に等間隔に配設
した。

一方、中立軸から7mmの距離に同じガラス長繊維１本と
高伸度炭素長繊維２本とを等間隔に配設した。

これらの断面積及び引張強力を第１表中に示し、得られ
た曲げ応力度−たわみ曲線を第７図に示した。

実施例４ アラミド繊維（米国デユポン社製、商標「ケブラー49」
1420デニール）を用い、実施例１と同様にして直線状長
繊維を得、その物性を第１表中に示した。

このアラミド長繊維４本を接合し１束にしたものを４束
と、実施例３で用いたガラス長繊維２本とを、中立軸か
ら3mmの距離に等間隔に配設した。

一方、中立軸から7mmの距離に同等のアラミド長繊維４
本と、ガラス長繊維１本とを等間隔に配設した。

これらの断面積及び引張強力を第１表中に示し、得られ
た曲げ応力度−たわみ曲線を第８図に示した。

【図面の簡単な説明】

第１図は繊維補強セメント系部材の平面図及びその断
面。 第２〜４図は本発明における繊維補強セメント系部材の
曲げ試験における荷重−たわみ曲線を説明するための
図。 第５〜８図は本発明の実施例及び比較例における繊維補
強セメント系部材の曲げ試験時の曲げ応力度−たわみ曲
線を表わす。 １……繊維補強セメント系部材 ２……引張強力のより大きな長繊維 ３……引張強力のより小さな長繊維 L₁……引張強力のより大きな長繊維の中立軸からの距離 L₂……引張強力のより小さな長繊維の中立軸からの距離

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−133240（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−151749（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−87541（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−34518（ＪＰ，Ａ) 実公 昭51−53071（ＪＰ，Ｙ２)

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】曲げ応力を受ける繊維補強セメント系部材
   であって、該部材の曲げ応力の中立軸に対し、引張応力
   が作用する領域に、用いる長繊維の単位断面積当りの引
   張強度とセメントマトリックス中に配設される該繊維の
   断面積との積の値として表わされる、引張強力の異なる
   長繊維を該部材の引張応力を負担するよう少なくとも実
   質的に二層以上配設し、かつ引張強力のより大きな長繊
   維を、長繊維配設位置のうち中立軸により近い位置に配
   設したことを特徴とする長繊維補強セメント系部材。
2. 【請求項２】該部材の中立軸により近い位置に配設され
   る長繊維の引張強力が該中立軸により遠い位置に配設さ
   れる長繊維の引張強力の1.2倍以上であることを特徴と
   した特許請求の範囲第１項記載の繊維補強セメント系部
   材。
3. 【請求項３】長繊維の破断伸びが異なることを特徴とし
   た特許請求の範囲第１項もしくは第２項記載の繊維補強
   セメント系部材。
4. 【請求項４】長繊維が炭素繊維、アラミド繊維、耐アル
   カリガラス繊維またはビニロン繊維であることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の繊維補強セメント系部
   材。