JPH0813700B2 - ガラス繊維で強化されたセメントベ−スの材料 - Google Patents

ガラス繊維で強化されたセメントベ−スの材料

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JPH0813700B2 JP17082687A JP17082687A JPH0813700B2 JP H0813700 B2 JPH0813700 B2 JP H0813700B2 JP 17082687 A JP17082687 A JP 17082687A JP 17082687 A JP17082687 A JP 17082687A JP H0813700 B2 JPH0813700 B2 JP H0813700B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は耐アルカリ性ガラス繊維を含有するタイプの
セメントベースの材料に係る。本発明の特に重要な用途
は、建築業界で耐老化性のよい板材又はパネル（例えば
建物の壁面外装）を製造するためのモルタル又はコンク
リートの分野にあるが、この分野に限定はされない。
耐アルカリ性のガラス繊維によってセメント又はコン
クリートタイプの無機結合材を強化することは既に公知
である。しかしながらかかるガラス繊維を使用する場
合、結合材−繊維組成物の強度及び耐久性の問題が生じ
る。即ち複合材料の経時的劣化が助長され、これは破壊
応力即ち破壊係数の低下及び破壊伸びと破壊エネルギと
の急激な経時的低下として現れる。
化学的崩壊のメカニズムは、繊維がセメントのアルカ
リ性間隙溶液によって腐食されることにあり、物理的崩
壊のメカニズムは、特にCa(OH)2の結晶と水和シリケー
トとの成長によってセメント−繊維界面の変質が生じる
ことにある。耐アルカリ性ガラスの場合には後者の現象
が主として生じる。耐久性の見地から前記タイプのガラ
ス繊維強化セメントは建築分野でない狭い用途に限定さ
れており、またかかるセメントベースの材料は組積みの
ときに慎重な配慮が必要である（柔接合、寸法変化に対
する回復力）。これらの問題を解決するために、より性
能のよいガラス組成物が追求され、特にガラス繊維の主
な妨害物となるCa(OH)2の存在を抑制するための研究が
進められてきた。
特にフランス特許第2149998号は、60℃の温水下に１
箇月維持した後に破壊係数24.5MPaに到達し得る前記の
ごとき特性をもつセメントと耐アルカリ性ガラス繊維と
を含有する材料を開示している。このためには所定量の
「ポゾラン」を所定の割合でセメント母材に混和させ
る。ポゾランなる用語は、該フランス特許第2149998号
によれば、石灰と反応し得るガラス質シリケートであり
天然材料及び人造材料の双方を示す。
上記特許の解決には以下のごとき欠点がある。
−第一に、使用すべきポゾランの組成（SiO2；Na2O；K2
O...の含量）が全く定義されていない。
また、出願人の実験及び文献によれば、全てのポゾラ
ンが耐アルカリ性ガラスで強化されたセメントの強度を
改良するとはいえない。
−第二に、前記特許は破壊係数及び衝撃強さが顕著な経
時的低下を示す場合だけを考慮している。
例えば、普通のポルトランドセメントと25％のフライ
アッシュタイプのポゾランとから成るモルタルの場合、
破壊係数は７日目に29.46MPaであるがその後60℃の温水
下に23日間維持すると30日目には16.77MPaになる。
本発明の目的は、従来公知の材料よりも実用化要件を
十分に充足させるガラス繊維強化セメントベース材料を
提供するものである。本発明の材料は特に、 −直後の破壊強さ及び経時的破壊強さの双方に関して改
良された結果を示す。
−従来の試験方法に従って50℃の温水に３箇月維持する
と材料の経時的老化中に破壊係数と衝撃強さとが殆ど変
化せず実質的に等しい値を維持する。即ち機械的特性値
の経時的変化は全く生じない。
−所望の一定強度を得るために複合材料中のガラス繊維
の割合を減少し得る（他の条件が全て同じのとき本発明
の材料で得られる結果は向上している）。
発明者等は、耐アルカリ性ガラス繊維で強化したセメ
ントベース材料はセメント100部当たり30〜40重量部の
メタカオリンを添加すると老化によって実質的な影響を
受けないという知見から出発して本発明に到達した。ま
た、メタカオリンの混和量がセメントの10重量部を超過
するとセメントベース材料の特性値が顕著に改良される
ことも観察された。メタカオリン又はメタカオリナイト
なる用語は、熱的又はその他の任意の手段によって活性
化されたカオリナイト材料を意味すると理解されたい。
メタカオリンは、セメント業界で従来から使用されてい
る記号を使用し、略号AS2（Ａ＝Al2O3及びＳ＝SiO2）で
表記できる。これを得るためには、例えばカオリナイト
を700〜900℃の範囲の温度で数時間熱処理する。
メタカオリンの使用によって強度の改良以外に以下の
利点が得られる。
−ガラス繊維間に侵入しそこに停滞して脆化の原因にな
る粒子の超微細ポゾランの欠点が除去される。
−製造のときに均質混合物を調製しこれを従来のセメン
ト同様に使用し得る。
−ヒュームドシリカ、フライアッシュのごときある種の
工業的副生物をポゾランとして使用する場合の、このよ
うな工業的副生物の量的及び質的な調達に関する従来か
らの問題が解決される。
−最後に、現行装置を特別に改良しないで材料を使用及
び製造することが可能である。例えばメタカオリンを用
いた材料を製造するために、GRC（Glass Reinforced Co
ncrete）製造装置を実質的に特別に修正しないで使用し
得る。
このために本発明は特に、前記タイプのセメントベー
ス材料において、母材がセメント100重量部当たり約10
重量部〜約40重量部のメタカオリンを含有し、メタカオ
リンが修正Chapelle試験でメタカオリン1g当たりCaO 50
0mgを上回る反応性をもつことを特徴とする材料を提供
する。
本発明の好ましい実施態様において、材料はセメント
100重量部に加えて15重量部〜35重量部、例えば30重量
部の割合のメタカオリン、好ましくは20重量部〜30重量
部例えば22.5重量部のメタカオリンを含有する。
同じく好ましい実施態様において、耐アルカリ性ガラ
スは14重量％〜20重量％好ましくは16重量％のZrO2を含
有する。
本発明はまた、メタカオリン含有耐アルカリ性ガラス
繊維強化セメントベースの材料であって、メタカオリン
が SiO2 50 〜60重量％ Al2O3 38 〜46重量％ CaO ＜１ 重量％例えば ＜0.3重量％ Na2O ＜１ 重量％例えば0.03〜0.06重量％ K2O ＜１ 重量％例えば0.25〜0.65重量％ Fe2O3 1 〜２ 重量％ MgO 0.1〜0.2重量％ を含有し、これらの成分の合計が100％未満であること
を特徴とする材料を提供する。特に好ましい材料は、メ
タカオリンが、 SiO2 56 重量％〜59 重量％ Al2O3 38 重量％〜41 重量％ CaO ＜0.1重量％ Fe2O3 1.6重量％〜 2 重量％ を含有する材料である。
この組成は単離メタカオリン、即ちカオリナイトの存
在下に通常は検出される他の鉱物（シリカ、ミクロライ
ン、リグナイト、酸化鉄）を全て除外したメタカオリン
活性部分だけを示す。
本発明の別の実施態様では、セメント100重量部当た
りメタカオリンとヒュームドシリカとを、 −メタカオリン約10重量部〜約30重量部 −ヒュームドシリカ約５重量部〜約15重量部 特に −メタカオリン約15重量部 −ヒュームドシリカ約10重量部 を含有する材料を提供する。
ヒュームドシリカは平均直径0.1μのオーダで比表面
積20m2/gのオーダのシリカ粒子から成る。
本発明材料の同じく好ましい別の実施態様では、熟成
を促進するために４％〜10％例えば５％のオーダのポリ
マーを添加する。このポリマーは例えばアクリルラテッ
クスタイプ又はスチレンブタジエンタイプのポリマーと
し得る。
以下の表及び以下の記載により本発明が更に十分に理
解されよう。
表Ｉは出願人が老化試験を行なった種々のモルタルの
組成を示す。ある種のモルタルは本発明によって調製さ
れ、その他のモルタルは前者で得られた結果を比較する
ための従来技術の公知の組成のモルタルである。モルタ
ルに１〜16の番号を付ける。縦列の数値は重量単位の相
対量である。例えば、セメントCPA55 100kg又は100重量
部当たり細砂50kg又は50重量部等の割合を示す。ガラス
繊維の量だけが湿潤モルタルの重量％で示される。ガラ
ス繊維は噴霧によってセメントに吹き付けられてもよく
又は予め母材に混入されていてモルタルよい。
３種類のメタカオリンを試験のために使用した。これ
らメタカオリンの組成を表IIに重量％で示す。番号の1,
2及び４である。また前記に示した範囲の含量のメタカ
オリン、例えば表IIに示す組成のメタカオリン３も十分
な結果を与えた。
セメントベースは従来のポルトランドセメントCPAか
らなる。試験ではCPA55を使用した。セメントの組成を
表IIIに示す。表IIIの数値は重量％の範囲全体を示して
おり、種々の成分の％の合計は100％未満でなければな
らない。
ガラス繊維強化セメント（GRC）として有効な全ての
タイプのセメントの使用が可能である。
表Ｖの試験で使用したガラス繊維の組成を表IVに詳細
に示す。一般的に耐アルカリ性ガラスは12（重量）％以
上のZrO2を含有する。より好ましくは15重量％以上を含
有し、例えば15.5％〜16.5％が最も好ましい。
最後に表Ｖは表Ｉのモルタルを50℃の温水下に種々の
老化期間維持した後に測定された破壊係数MPa（曲げ試
験）を示し、また幾つかのモルタルについては同時に破
壊伸び（初期長さの％）を示す。
破壊係数にはMOR、破壊伸びにはεの略号を使用し
た。28日間の最初の老化期間は50％相対湿度で20℃に維
持して行ない、その後の期間は50℃に維持して行なっ
た。
50℃の温水下の加速老化試験は100のオーダの老化加
速係数に対応することに留意されたい。
係数MPaの値は最低の値では約±2MPa及び最高の値で
は約±3MPaである。εの値は１％のオーダの値では±0.
1％又は±0.2％であり約0.3％未満の値では約±0.05％
である。
表Ｉ及び表Ｖの試験より以下の結果が得られる。
−セメント100部当たり表IIで定義された組成２のメタ
カオリン30重量部と耐アルカリ性ガラス繊維とを含有す
るモルタル（モルタル３）の破壊強さの特性値は経時変
化を実質的に生じない。
−セメント100部当たり表IIの組成１のメタカオリン30
重量部を含む上記同様のモルタル（モルタル６）の破壊
強さの特性値は経時的に一様に低下する。
−同様にモルタル10,11,13を比較すると、使用されるメ
タカオリンの種類が機械的特性に影響を与えることが明
らかである。
また、メタカオリンの添加量の影響は組成2,3,10及び
15のモルタルを比較すると明らかである。即ちセメント
100重量部当たり15重量部のメタカオリンは完全に十分
な機械的特性値を与えない。組成３及び10のモルタルの
試験では、メタカオリンの最適含量に対応して機械的特
性値の十分な経時的安定性が得られることが判明する。
組成15のモルタルはメタカオリンを過剰に混和したとき
の特性値の落ち込みを示す。
メタカオリンとヒュームドシリカとの併用による影響
は、組成2,7,9のモルタルの比較より明らかである。即
ちヒュームドシリカはメタカオリンでは代替できない機
能を確実に果たす。従ってこの併用によって、強度及び
耐久性の極めて優れた材料が得られる。
モルタル２と（フライアッシュ混和）モルタル１又は
混和剤を含まない耐アルカリ性ガラス含有の標準モルタ
ルであるモルタル12とを比較すると、セメント100部当
たり15重量部のメタカオリン２を混和したことによって
（モルタル２）、老化が極めて顕著に鈍化することが理
解されよう。このモルタル２では50℃の温水下に28日＋
56日間維持した後も破壊係数の低下は10％にもならな
い。これに比較してモルタル１又は12では破壊係数の低
下は40％のオーダである。
−Ｅタイプのガラス繊維で強化したセメントで得られた
結果は、耐アルカリ性ガラス繊維で強化したセメントで
得られた結果よりよくない（モルタル４及び５に関する
試験参照）。
−セメント100重量部当たり４％だけのガラス繊維と30
部のメタカオリン混和剤とを用いて試験すると（モルタ
ル８）、破壊係数は最初の28日間十分な値でありまた経
時的にも殆ど変化しないことが判明した。
他の全ての条件が等しいとき、所望の一定の強度を得
るために使用されるガラス繊維の量は従来技術で使用さ
れる量より少なくてよい。2.5％〜８％の範囲の使用
量、例えば３％の使用量で十分に許容される強度と破壊
係数とが得られる。
本発明材料は従来のGRCと同様に使用され得る。普通
のセメントと同様に使用できるメタカオリン混和特殊セ
メントに対する期待は大きい。
しかしながら、流動性及び使用の問題（水／セメント
比の低下）に関しては、試験16と３との比較で示すよう
に（表Ｖ）、スルホン酸ナフタリンのタイプの超流動化
剤が必要である。
前記各実施例は、セメント100重量部当たり細砂50部
を含有する組成のモルタルを示す。但し、モルタル14は
セメント100部当たり細砂を150部という異なる割合で含
むが同様に十分な結果を与える。
アクリル−ラテックスタイプ又はスチレン−ブタジエ
ンタイプのポリマー混和剤を用いると同じく有利な結果
が得られる。
例えばモルタルが −CPA 100重量部 −細砂 50 −水 40 −メタカオリン 15 −流動化剤 １ −ポリマー（アクリルラテックス） ５ −繊維化 モルタルの６重量％ を含有するとき、28日後の破壊係数は30MPaであり、更
に50℃の温水下に28日間維持後の破壊係数は24MPaであ
る。
一般的に、使用セメントの各々について、石灰がメタ
カオリンによってできるだけ完全に消費されるのが望ま
しい。従って各混和剤のポゾラン活性がわかると、混和
すべき量を、凝結させる石灰Ca(OH)2の関数としてより
正確に定量し得る。この測定は、R.LARGENTがBulletin
de Liaison des Laboratoires des Pont et Chaussee
s、No.93、1978年１月−２月、ページ63-64に記載した
ような修正CHAPELLE試験によって決定できる。この方法
ではポゾラン1g当たりに消費され得るCaOの量をmgで示
す。このために、ポゾラン物質と水に懸濁した石灰とを
沸騰の近くで16時間接触させる。冷却後未反応の石灰を
定量する。
試験した種々のメタカオリンのCHAPELLE反応性が表II
に示されている。メタカオリン１に比較してメタカオリ
ン２及び４の反応性が大きいことは表Ｖで確認された種
々の結果と一致する。最適比は各メタカオリンのCHAPEL
LE反応性の関数として釣り合うように決定するとよい。
例えば、22.5％のメタカオリン２の特性値は、反応性の
低い30％のメタカオリン１の特性値より高い。
注目すべきは、メタカオリンの反応性が大きいことに
よって（1984年のBS6432規格で定義されているような）
適正な比例限度に速やかに到達し得ることである。
このため（例えば型外しのときの）生産性が向上し、
本発明セメントによって製造される材料の寸法及び使用
量を低減し得る。
フライアッシュタイプの従来のポゾランは反応が極め
て遅くこれは短期特性、特にセメントベース材料の寸法
決めの基礎となる比例限度に不利な影響を与える。
更に、石灰を含まないかかる材料では風解につながる
外観上の問題を生じない。更に、白いメタカオリンと白
いセメントとを併用し得るので着色モルタルを生じる大
多数の他のポゾランと対照的に白色材料を得ることが可
能である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｃ０４Ｂ 24/26 Ｚ // Ｃ０４Ｂ 111:20

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】材料のセメント母材がセメント100重量部
    当たり約10重量部から約40重量部のメタカオリンを含有
    し、該メタカオリンが修正Chapelle試験でメタカオリン
    1g当たりCaO500mgを上回る反応性をもつことを特徴とす
    る耐アルカリ性ガラス繊維含有のセメントベース材料。
  2. 【請求項２】母材が、セメント100重量部当たり15重量
    部から35重量部、好ましくは約30重量部のメタカオリン
    を含有することを特徴とする特許請求の範囲第１項に記
    載の材料。
  3. 【請求項３】母材が、セメント100重量部当たり20重量
    部から30重量部、好ましくは約22.5重量部のメタカオリ
    ンを含有することを特徴とする特許請求の範囲第１項に
    記載の材料。
  4. 【請求項４】耐アルカリ性ガラスが、14重量％から20重
    量％、例えば16重量％のZrO2を含有することを特徴とす
    る特許請求の範囲第１項から第３項のいずれかに記載の
    材料。
  5. 【請求項５】耐アルカリ性ガラスが15.5重量％から16.5
    重量％のZrO2を含有することを特徴とする特許請求の範
    囲第１項から第４項のいずれかに記載の材料。
  6. 【請求項６】メタカオリンが、 SiO2 50 重量％〜60 重量％ Al2O3 38 重量％〜46 重量％ CaO ＜１ 重量％ Na2O ＜１ 重量％ K2O ＜１ 重量％ Fe2O3 １ 重量％〜 2 重量％ MgO 0.1重量％〜 0.2重量％ を含有し、これらの成分の合計が100％未満であること
    を特徴とする特許請求の範囲第１項から第４項のいずれ
    かに記載の材料。
  7. 【請求項７】純粋メタカオリンが、 SiO2 56 重量％〜59 重量％ Al2O3 38 重量％〜41 重量％ CaO ＜0.1重量％ Fe2O3 1.6重量％〜 2 重量％ を含有し、これらの成分の合計が100％未満であること
    を特徴とする特許請求の範囲第６項に記載の材料。
  8. 【請求項８】セメント100重量部当たりメタカオリンと
    ヒュームドシリカとを、 −メタカオリン10重量部〜30重量部 −ヒュームドシリカ５重量部〜15重量部 の割合、特に −メタカオリン15重量部と −ヒュームドシリカ10重量部と を含有することを特徴とする特許請求の範囲第１項に記
    載の材料。
  9. 【請求項９】熟成を促進するために４％〜10％のオーダ
    のポリマーを母材に添加することを特徴とする特許請求
    の範囲第１項から第８項のいずれかに記載の材料。
  10. 【請求項１０】使用ポリマーがアクリルラテックスタイ
    プ又はスチレン−ブタジエンタイプのポリマーであるこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第９項に記載の材料。
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