【発明の詳細な説明】
金属繊維マット強化複合材料
本発明は、鋼長繊維の不織マットによって強化されたセメント質の部材に関す
る。ロムアルディ（Romualdi）の米国特許第３，４２９，０９４号、ランカード
（Lankard）の米国特許第３，９８６，８８５号、第４，３６６，２５５号及び
第４，５１３，０４０号、シュパク（Schupak）の米国特許第４，６１７，２１
９号、及びコンスタンチネスコ（Constantinesco）の米国特許第２，６７７，９
５５号は、金属繊維強化セメント質複合材料を開示している。
これらの複合材料は商業的には成功したが、改良が望まれる箇所がいくつかあ
る。繊維充填工程は時間がかかることがあり、従って費用がかかる。熱及び機械
的衝撃への耐性を改善するためには、大量の繊維が要求される。実際には、繊維
の強さが常に完全に利用されているとは限らない。発明の要旨
本発明によれば、金属繊維強化構造部材又は複合材料が提供されるが、この部
材は、硬化したセメント質組成物が浸透してこれに包まれた、不織の予備成形さ
れた金属繊維のマットを有する；このマットは、繊維が有効直径において０．０
１から０．１５cmであり、長さにおいて７.６２cmより大きく、そして約４００
から１０００のアスペクト比（長さ／直径）を有するかあるいはこれらが連続的
であり、そしてマットの全体積に対する繊維占有体積の百分率として表されるこ
のマットの密度が約１から１０％であることを特徴とする。
本発明のこの繊維マット強化複合材料は、いくつかの理由で有利である。まず、
同等の繊維体積で、本発明の複合材料はより高い曲げ強さを与える。その結果、
同等の曲げ強さで、複合材料中の繊維の体積を減らすことが可能である。
本発明の繊維マット強化複合材料は、不連続繊維を用いて強化された複合材料
より高いエネルギー吸収容量を示し、そのエネルギー吸収効率（繊維の単位体積
あたりのエネルギー吸収容量）は予想外に高い。不連続繊維に対するこのマット
強化の優れた性能は、複合材料中のマット繊維の結合に関係する。比較的短い埋
め込み長さ（例えば２．５４cm）を持つ不連続繊維を用いると、繊維の引き抜き
は初期破壊モード（primary failure mode）となる。例えば、米国特許第３，９
８６，８８５号、第５コラム、第２-８行、及び米国特許第３，４２９，０９４
号、第４コラム、第５-１０行を参照。曲げ荷重下の部材中に亀裂が生じると、
供試体のエネルギー吸収容量は、この単一の亀裂を伝搬し拡大するのに要するエ
ネルギーを反映する。エネルギー吸収は、繊維の引き抜き抵抗により支配される
。
本発明による金属繊維マットで強化された複合材料は、先行技術からの新発展
に相当する。曲げの際の破壊のモードは明らかに異なる。この場合には、複合材
料中に複数の亀裂を生じる。極限破壊は、一又はそれ以上の亀裂面の、高い引張
り応力域における繊維の破損を経て生じる。マット強化複合材料のエネルギー吸
収容量は、全ての亀裂を開始し拡大しそして伝搬するためと、一又はそれ以上の
亀裂の部分を破損するためとに要する合計エネルギーを反映する。本書に記載さ
れている繊維マット強化複合材料においては、鋼の降伏強さがより完全に利用さ
れる。短繊維強化複合材料に基づいて当業者が予期し得るものに反して、エネル
ギー吸収は繊維の引き抜き抵抗によって支配されない。個々の繊維を用いること
に対する、本発明による強化コンクリート複合材料の有する他の利点は、わかっ
ている費用でわかっている量の繊維を複合材料中に置くことができることである
。図面の簡単な説明
図１は本発明によって有効に用いられる鋼繊維マットの写真である。
図２は本発明による強化コンクリートの構造の斜視図である。
図３は本発明による繊維マット強化構造部材の断面図である。
図４は亀裂を生した鋼繊維強化された比較の複合材料の写真である。
図５は本発明による亀裂を生じた鋼長繊維マット複合材料の写真である。定義
金属繊維マットに関して本書で用いられる「不織」の語句は、マットを形成す
る繊維が系統的に織られていないことを意味する。このマットは、繊維の不規則
なからまりによって一緒になっている。
「有効直径」の語句は、当該技術において用いられているように本書で用いら
れている。すなわち、鋼繊維の断面積と等しい面積の円の直径を意味する。発明の詳細な説明
本発明で用いられる強化マットを形成する繊維は、長さ７．６２cmより大きく
、好ましくは長さ１５．２４cmより大きく、さらにより好ましくは長さ約１７．
８から３０．５cmである。この繊維は約４００から１０００のアスペクト比を有
する。
本発明によって有効に用いられる繊維マットはシムコン（SIMCON）の商標で、
リブテック，リボン テクノロジー コーポレーシヨン，ガハナ，オハイオ（Ribt
ec，Ribbon Technology Corporation，Gahanna，Ohio）から商業的に入手可能で
ある。このようなマットの一つが図１に示されている。
本発明において有用な金属繊維マットは、リボン テクノロジー コーポレーシ
ョンの米国特許第４，８１３，４７２号及び第４，９３０，５６５号に記載され
ている方法及び装置によって調製することができる。これらの特許は、２．５４
cm未満の大きさから半連続の繊維までの範囲にある金属フィラメント材料の製造
を開示している。金属繊維マットを調製するために、前述の方法を用いて繊維が
調製される。この繊維は、これら特許及び関連特許に記載された方法と同様の、
溶融物オーバーフロー（melt overflow）又は溶融物抽出（melt extraction）法
を用いて溶融した金属から引かれる。長繊維を調製するために、その他の方法を
用いることもできる。例えば、長繊維を調製するためにスリットシート（slit s
heet）加工及び平削り（milling）加工を用いてもよく、長繊維は順に空気にさ
らされ（air layed）、圧縮されてマットにされる。この繊維は、好ましくは長
さ約１７．８から３０．５cmであり、より好ましくは長さ約２２．８６cmである
。この繊維はシュートに吹き込まれ、そこでコンベア上で空気にさらされ、圧縮
されてマットにされる。コンベアの速度及びマットの圧縮の範囲を制御すること
により、マットの密度を制御して、密度が１．５から６．０％の範囲にあるマッ
トを製造することができる。
好ましい繊維の長さは、各特定の用途及び繊維の性質、例えばその直径、鋼の
組成、及びそれを製造する方法、によって異なる。長さは、繊維を引き抜くため
に要する力がコンクリート中に新たな亀裂を形成するために要する力を越えると
ころで選択することができる。すなわち、最小の長さでも引き抜きを防ぐのに十
分でなければならない。
典型的には、繊維は炭素鋼、ステンレス鋼、又はマンガン鋼等の、鋼繊維であ
る。耐火物の用途では、ステンレス鋼繊維が好ましい。この繊維は有効直径にお
いて通常約０．０１から０．１５cm、より好ましくは約０．０２５から０．０６
４cmの範囲にある。下記の実施例１及び２には、直径が小さい繊維ほど高いエネ
ルギー吸収容量を与えることが示されている。この繊維は典型的には、断面が円
ではないが、厚さ及び幅の寸法を有している。例えば、これら実施例においては
、幅約０．０５から０．１３cm、そして厚さ約０．０１３から０．０３８cmの範
囲にある。円形の断面を有する繊維も有効に利用されるが、円形でない繊維のほ
うがより通常に入手可能であり、多くの場合、費用がより少ない。この繊維の強
さによっては、波形をつけてもよい。しかし、最も通常に用いられる、より小さ
い直径のワイヤ（例えば０．０２５又は０．０５cm）に関しては、引張り応力が
働く場合には波形を付けることは一般に好ましくなく、ワイヤの波形は引張られ
て除かれやすい。ワイヤの波形が引張られて除かれると、ワイヤの強さでコンク
リートが強化されず、コンクリートに亀裂や破壊を生じる。
マット及び複合材料中の繊維の量は、約１から１０体積％の範囲とすることが
できる。複合材料中に約１０％より多い繊維を組み合わせるためには、セメント
質混合物が容易に浸透できない程度にマットを圧縮しなければならない。本発明
による典型的な複合材料は、約２から６体積％の繊維を含有するマットから調製
される。
この繊維は、複合材料中で不規則に配向されてもよく、あるいは複合材料の強
さを最大にするように選ばれた方向に配向されてもよい。例えば、構造部材にそ
の主要な引張り応力がかかる方向と平行に、マットの繊維を配向できる。多くの
用途においては、構造部材の幾何学的形状により、繊維はある程度配向すると考
えられる。例えば、典型的には、繊維は長さ約１７．８から３０．５cmである。
厚さ５．１cmのパネルを作製する際には、この繊維は、パネルの厚さすなわちＺ
方向にほぼ垂直で、かつパネルのＸ-Ｙ平面にほぼ平行に配向される。Ｘ-Ｙ平面
内
では、この繊維は平行あるいは不規則に配置されていると考えられる。
繊維マットに浸透されるセメント質組成物としては、水硬性セメント及びポリ
マーセメントを含むあらゆるものが本発明で使用される。モルタル及びコンクリ
ート組成物が有効に用いられる。有用なセメントの代表例には、ポルトランドセ
メント、アルミン酸カルシウムセメント、リン酸マグネシウムセメント、及びそ
の他の無機質セメントが含まれる。有用な骨材は、約３０メッシュ（０．０８４
cm）までの範囲とすることができ、それによりこれらはマットを含浸する際に組
成物からこし取られない。骨材の例としては、砂及び小さい砂利が含まれる。耐
火コンクリートは、プランジングベル（plunging bells）、吹込みランス、及び
取鍋リップリング（lip rings）等の耐火物の形材を作製する際に用いられる。
繊維の浸透及び型への充填がよりよく行えるように、超可塑性を持たせる（su
perplasticizing）助剤をセメント質材料のスラリーに加えてもよい。超可塑性
を持たせる助剤は必要ではないが、好ましい。この超可塑剤（superplasticizer
）を用いない場合、スラリーがマットに浸透するように、より多くの水を加えな
ければならない。超可塑性を持たせる助剤は公知であり、流動性コンクリート及
び水を減少させた高強度コンクリートに用いられている。例えば、"超可塑性を
持つコンクリート（Superplasticized Concrete）"，エイ・シー・アイ ジャーナ
ル（ACI Journal），１９７７年５月，Ｎ６-Ｎ１１頁、及び"流動性コンクリー
ト(Flowing Concrete)"，コンクリート Constr.，１９７９年１月（第２５-２
７頁）を参照。最も通常の超可塑剤は、スルホン化メラミンホルムアルデヒド及
びスルホン化ナフタレンホルムアルデヒドである。本発明で用いられる超可塑剤
は、水性のセメント質スラリーが、まとめられた繊維に十分に浸透できるように
するものである。商業的に入手可能な可塑剤の中では、アイ・シー・アイから入手
可能なスルホン化ナフタレンホルムアルデヒドである、マイティー１５０（Migh
ty 150）が好ましい。
本発明による複合材料は、パネル、梁、柱、舗装スラブ及び耐火物の形材を含
む種々の構造部材を作製する際に有用である。本発明による強化された構造の典
型的な態様は、図２に示されている。ここに示されている態様は、セメント質組
成物１３に完全に埋め込まれた不織金属繊維強化マット１２を備えたパネル１０
のものである。パネル１０の面１４は一般に、その中に組み合わされてはっきり
と見える、強化層の繊維を有している。この態様においては、この繊維は不規則
に配向している。マット１２を形成する繊維の端１８は、パネル１０の側面２０
及び２１から見える。
本発明の一つの態様では、マット繊維強化パネルは、一対のマット繊維強化パ
ネルが、大きい骨材コンクリートの層又は不連続金属繊維で強化されたコンクリ
ートの層を挟んでいる、サンドイッチ構造に組み合わせられていてもよい。この
ような構造部材は、繊維マットを型中に置き、そのマットに、マットに浸透しな
い骨材、例えば３５メッシュより大きい石骨材、を含有するコンクリートスラリ
ーを浸透させることによって調製できる。この大きい骨材はスラリーから「ふる
い分け」られ、マットの頂部表面上に集まる。第二のマットが、第一のマットの
上に置かれ大きい骨材の層を間に挟むように、型の中に置かれる。この第二のマ
ットに、より大きい骨材を含まないセメントスラリーを浸透させ、大面積の表面
がマットで強化され、芯部がより大きい骨材コンクリートである、スラブを生じ
る。代わりに、サンドイッチ構造を形成するために、ロムアルディ及びランカー
ドの特許に述べられているタイプの金属繊維を、１又は２％の量のコンクリート
と混合し、２つの長繊維マット強化コンクリート層の間に流し込んでもよい。
図３は、断面図であり、上述したサンドイッチ構造３０を図示している。この
構造は、骨材充填材を有する又は有しない、不織要素２２及び２５で補強された
水硬性セメントマトリックスから形成され、かつ互いにコンクリート２６の層に
よって分離された、２つの層２２及び２４を有する。この２つの補強された外部
の層２２及び２４の厚さは同じであっても異なっていてもよく、内部のモルタル
又はコンクリート層の厚さに対するこれら２つの外部の層の相対的な厚さは、得
られる構造が用いられる特定の用途によって、幅広い範囲にわたって変えること
ができる。必要であれば、本発明のサンドイッチ構造に構造的な強度を賦与する
ために、モルタル又はコンクリート２６の内部層を、不連続金属繊維等によって
強化してもよい。図３に図示された特定の態様は、コンクリート芯部を囲んだ２
つの外部強化層を有している。しかし、当業者に明らかなように、本発明により
、コンクリート層によって、隣り合う側とそれそれ隔てられている複数の不織マ
ッ
ト強化層があるようなサンドイッチ構造が与えられてもよい。
本発明の強化された構造は、簡単な方法で都合よく調製することができる。あ
る調製方法においては、図１に図示されたような強化部材がトレー又は型に置か
れる。このトレー又は型は、任意に、従来の離型剤で前もって処理されてもよい
。セメント質組成物は強化部材に完全に浸透して包み込むために必須であるが、
次に適量のセメント質組成物が後者の上に置かれる。セメント質組成物による補
強部材の完全な透過を確実にするために、振動、超音波刺激等の手段を用いるこ
とができる。次に、所望の仕上りの平坦な表面を確保するために、必要であれば
、この混合物の上部表面を定規摺りしてもよい。この後で、この含浸された強化
材料は、いかなる従来の手段であっても硬化される。
本発明は、以下の非限定的な実施例によりさらに詳細に説明される。実施例１
２枚の３０４ステンレス繊維マットを用意した。マットＡは厚さ５．１cm×幅
４５．７cm×長さ９６．５cmである。マットＡの重さは３．７kgである。これら
の寸法及び重さから、繊維体積は２．３パーセントである。このマットを構成す
る個々の繊維は、２２．３８cmの長さと、約０．１０cmの幅と、約０．０２８cm
の厚さとを有する（マットから不規則に選択ばれた１０本の繊維の測定値の平均
）。
マットＢの測定値は、厚さ６．３５から７．６２cm×幅５０．８cm×長さ９７
．８cmである。このマットの重さは１１kgである。これらの寸法及び重さから、
繊維の体積パーセントは４．５である。しかし、厚さ５．１cmに圧縮されると、
この繊維体積は５．７パーセントである。５．１cm×５０．８cm×１０１．６cm
の長いパネルを得るための合板の型に、このマットを個々に置いた。マットＢは
型の側面によって約５．１cmの最終的な厚さまで圧縮される。型の全ての接合部
は、浸透するスラリーを入れておけるように、シリコーンでシールされる。
この繊維マットに、きめの細かい耐火コンクリートスラリー（ワール リフラ
クトリーズ シフカ コンポジション（Wahl Refractories SIFCA Composition）
）を浸透させた。この型を充填するために、約８１．８kgのスラリーを、１８．
５パーセントの水含有量で用いた。
スラリー浸透工程に続いて、このスラリーを２９．４から３２．２℃で２４時
間かけて硬化した。この硬化課程に続いて、パネルを型から外し、蒸気養生室（
fogroom）内で、２６．７℃で１００パーセントの相対湿度でさらに５日間おい
た。この蒸気養生室の硬化課程に続いて、それそれのパネルをダイヤモンドソー
で切って幅１０．２cmの梁にした。次に、曲げ強さ性能を試験する前に、５．１
cm×１０．２cm×５０．８cmの供試体を１１０℃でオーブン乾燥した。
比較のために、２．５４cmのステンレス鋼長繊維を用いて、不連続繊維で強化
された複合材料を調製した。これらの供試体を、米国特許第４，３６６，２５５
に記載された手順で調製した。比較複合材料の繊維含有量は１４体積パーセント
である。この複合材料供試体を、ステンレス鋼繊維マットを用いて調製された複
合材料と同様の方法で硬化、乾燥した。
種々の複合材料から調製された２本の５．１cm×１０．２cm×５０．８cmの梁
に関し、曲げ強さ試験を行った。試験は第三点ローディング（third-pointloadi
ng）及び３０.５cmのスパンを用いて行った。曲げ強さ試験の間に、荷重-たわみ
データを記録した。ＡＳＴＭ Ｃ１Ｏ１８、繊維強化コンクリートの曲げ靭性及
び第一亀裂強さの標準試験方法（the Standard Test Hethod for Flexural Toug
hness and First-Crack Strength of Fiber-Reinforced Concrete）、に従い試
験を行った（第三点ローディングを有する梁を用いた）。この結果を表１に示す
。表１は、ここで調べられた３つの複合材料に関し、極限曲げ強さと曲げ靭性指
数の測定値とを比較している。１４体積パーセントの繊維のローデイングを有す
るこの比較複合材料は、４５０.８kg/cm2の極限曲げ強さを有していた。マット
Ｂ（繊維のローディング＝５．７体積パーセント）を用いて調製した複合材料は
、従来の繊維のローディングの４０パーセントであるが、従来の複合材料の８５
パーセントの極限曲げ強さを示した（４５０．８kg/cm2に対して３８２．９kg/c
m2）。
荷重-たわみデータは複合材料の曲げ強さ試験の間に記録した。ここで評価さ
れた複合材料どうしの比較ができるように、最大たわみ０．８９cmまでの荷重-
たわみ曲線の下の全面積を計算した。これらの結果も表１に示す。
１４体積パーセントの繊維の比較複合材料と、５．７体積パーセントの繊維の
マットＢとの間の、荷重-たわみ曲線下の面積の比較から、強化の長繊維マット
モードによって与えられたエネルギー吸収容量がより優れていることが確証され
る。マットの強化の性能が不連続の繊維より優れていることは、複合材料中での
マット長繊維の結合に関係する。比較複合材料中では繊維の埋め込み長さが比較
的短い（約２．５４cm）ので、繊維の引き抜きは初期破壊モードとなる。曲げ荷
重下で比較供試体中にいったん亀裂が形成されると、供試体のエネルギー吸収容
量はこの単一の亀裂を伝搬して拡大するために必要なエネルギーを反映する。エ
ネルギー吸収は、繊維引き抜き抵抗によって表される。この亀裂を生じたサンプ
ルを図４に示す。
ステンレス鋼繊維マットで強化された複合材料中では、曲げ荷重を受けた供試
体中で複数の亀裂を生じる。マット強化を含む供試体中では、高い引張り応力を
受けた供試体の部分で少なくとも５０の亀裂を生じた。この複合材料のエネルギ
ー吸収容量は、これらの亀裂全てを開始し、拡大し、そして伝搬して３０４ステ
ンレス鋼繊維の部分を破壊するのに必要なエネルギーを反映している。マット強
化複合材料中での極限破壊はこれらの亀裂平面の内の１又はそれ以上における繊
維の破壊である。この亀裂を生じたサンプルを図５に示す。この亀裂は、黒くし
て図解している。
エネルギー吸収容量を体積パーセント繊維ローディングで割って計算される、
エネルギー吸収効率において、本発明が提供する改善は表１Ａに示されている。
表１Ａ
エネルギー吸収効率
（Ａ） （Ｂ）マット
繊維ロード(Load) エネルギー 効率
％（ｖ／ｏ） 吸収容量 （Ｂ）／（Ａ）
Ａ 2.3 428 186
Ｂ 5.7 1326 232
比較 14.0 926 66
実施例２
パネルを調製する際に、４つの炭素鋼（マンガン）繊維マットを用いた。この
マットの測定値は、約１０１．６cm×５０．８cm×厚さ５．１から７．６cmであ
った。マットは次の様に同定される：
マットＣ − １％ ｖ／ｏ 有効直径０.０２５cm
ＭＮ鋼
マットＤ − ２％ ｖ／ｏ 有効直径０.０３３cm
ＭＮ鋼
マットＥ − ４％ ｖ／ｏ 有効直径０.０５３cm
ＭＮ鋼
マットＦ − ４％ ｖ／ｏ 有効直径０.０３３cm
ＭＮ鋼
特徴付けのために、それぞれのマットから１０本の繊維を不規則に選んだ。こ
の特徴付けには、重さ、長さ、幅及び厚さの測定が含まれる。この特徴付け測定
の結果を表２に示す。この繊維ローディングの値は、予期していた値である１．
０、２．０及び４．０体積パーセントとは異なる。上記の値は、繊維マットの重
さ及び寸法に基づいて計算されたものである。
個々の繊維の長さは約２４．１cmである。繊維の幅は０．０５６cmから０．０
９９cmまでの範囲にあり、厚さは０．０１５cmから０．０２８cmまでの範囲にあ
る。
繊維マットＣ-Ｆのそれそれを、５．１cm×１０１．６cmの寸法の開放された
面（充填口）を有する、５０．８cm×１０１．６cm×５．１cmの木製の型で囲ん
だ。これらのパネルに浸透させるために、アルミン酸カルシウムセメント基のス
ラリー（ワール リフラクトリーズ，フレモント，オハイオによって製造された
シフカ スラリー）を用いた。浸透を遂行したら、パネルを型中で１日硬化させ
、次に個々の供試体（およそ５．１cm×１０．２cm×５０．８cm）を各パネルか
ら鋸挽き（sawcut）されるまで２３．３℃／１００％ＲＨ の環境中に置いた。
比較の目的で、実施例１で調製された２.５４cmの３０４ステンレス鋼繊維を
１４体積パーセント含む比較複合材料を用いて、３つの５．１cm×１０．２cm×
３５．６cmの梁供試体を調製した。これらの供試体もパネルの鋸挽きが完了する
まで２３．３℃／１００％ＲＨ で硬化させた。
鋸挽きの工程に続いて、曲げ強さ試験の前に、全ての供試体を１１０℃でオー
ブン乾燥した。
これら複合材料の強化効率の評価に用いた規準は、曲げ強さ及び曲げ荷重-た
わみ作用である。第３点ローディング及び３０．５cmのスパンを用いて、各繊維
ローデイングについて２つの梁に関して曲げ強さ試験を行った。表３は、個々で
調べられた複合材料に関し、極限曲げ強さと曲げ靭性の測定値とを比較している
。
複合材料の曲げ強さ試験の間に、荷重-たわみデータを記録した。ここで評価
された複合材料どうしの比較ができるように、最大たわみ０.８９cmまでの荷重-
たわみ曲線の下の全面積を計算した。
湾曲部でのマット供試体の破壊のモードは、供試体中での最も高い引張り応力
の点（曲げ強さ試験において、梁供試体の底面）での繊維の破壊を経る。最も高
い引張り応力の領域から離れた領域にある繊維は、同じひずみ容量（straincapa
city）では破壊されないので、このマット複合材料は終局的には破壊されない。
梁の圧縮表面（頂部側）上の繊維は、非常に高いひずみでもそのまま残る。
２．５４cmの繊維を用いた比較複合材料の破壊のモードは主に繊維の引き抜き
である。
比較複合材料（１４体積パーセントの２．５４cm繊維）の平均極限曲げ強さは
４５３．７kg/cm2である。それそれ３．３及び３．６体積パーセントの繊維ロー
ディングのマンガン炭素鋼マットＥ及びＦは、複合材料中で３３６kg/cm2の極限
曲げ強さを与えた（比較複合材料のおよそ７５パーセント）。１．７体積パーセ
ントの繊維ローディングのマンガン鋼繊維マットＤは、２２４kg/cm2の平均極限
曲げ強さ、すなわち比較複合材料の５０パーセント、を有していた。１．２体積
パーセントの繊維ローディングのマンガン鋼マットＣは、１３６．５kg/cm2の平
均極限曲げ強さ、すなわち比較複合材料の約３０パーセント、を有していた。
これらの結果から、複合材料中での曲げ強さの達成に関するマットの概念の有
効性が明確に説明される。比較複合材料のわずか２５パーセントの強化水準のマ
ットＦは、比較の７５パーセントの極限曲げ強さを有する。比較のわずか１２パ
ーセントの強化水準のマットＤは、比較の５０パーセントの極限曲げ強さを与え
た。標準の不連続繊維のアプローチに対する強化のマットの強化の効率は、この
マットがこれら複合材料のエネルギー吸収効率を高める能力と、長繊維マットに
示されるエネルギー吸収効率の著しい向上とによってさらにより明確に説明され
る。比較のわずか２５パーセントの繊維ローディングを有するマットＦは、比較
より１５パーセント大きいエネルギー吸収容量を有する。エネルギー吸収効率を
表３Ａに示す。
表３Ａ
エネルギー吸収効率
マット 繊維ロード エネルギー吸収 効率
（％） 容量
Ｃ 1.2 204 170
Ｄ 1.7 712 419
Ｅ 3.3 718 218
Ｆ 3.6 1091 303
比較 14.0 926 66
マットＤ及びマットＥを用いて強化された複合材料のエネルギー吸収容量の比
較から、マットで強化された複合材料のこの性質に対する繊維の直径の重要な影
響が示される。マットＤはマットＥのおよそ半分の繊維ローディングを与えたが
、複合材料中では等価のエネルギー吸収容量を与えた。この２つのマットにおい
てわずかに予想される違いは、繊維の直径が、マットＥ（０.０５３cm）に比較
して、マットＤではより小さい（０.０３３cm）ことである。
繊維の直径の影響は、マットＥ及びマットＦを用いて調製された複合材料のエ
ネルギー吸収容量の比較においてもみられる。ここでは、繊維ローヂィングはほ
ぼ等価（３．３及び３．６体積パーセント）であるが、より微細な直径の鋼のマ
ットＦにおけるエネルギー吸収容量は、より粗大な繊維マットＥを含む複合材料
より、３５パーセント大きい。これら２つのマットで強化された複合材料の極限
曲げ強さは等価である（約３３６kg/cm2）。
エネルギー吸収容量に対する繊維の直径の影響に関する理由は、曲げ強さ試験
に続く、梁供試体の検査によって示された。より大きい直径の繊維を含む複合材
料（マットＥ）においては、微細繊維（等価の直径＝０．０３３cm）を含む供試
体と比較して、形成された亀裂はかなり少なかった。例えば、粗大な繊維の複合
材料（マットＥ）では、形成された亀裂の数は約５であり、一方、微細な繊維の
複合材料（マットＤ）では２０以上の亀裂が形成された。さらに、マットＦ（０
．０３cmの直径の繊維が３．６体積パーセント）を用いて調製された複合材料で
は、梁の長手方向に対してほぼ４５゜の角度の方向にある剪断面を通って極限破
壊が生じた。この斜めの亀裂の周りにも複数の亀裂が生じた。
詳細にかつ好ましい態様を示して本発明を述べたが、添付の請求の範囲に限定
された発明の範囲から外れずに変形や変更が可能であることは明らかである。Detailed Description of the Invention
Metal fiber mat reinforced composite material
The present invention relates to cementitious components reinforced by long filament non-woven mats of steel.
It Romualdi US Pat. No. 3,429,094, Rankard
(Lankard) U.S. Pat. Nos. 3,986,885, 4,366,255 and
No. 4,513,040, Schupak U.S. Pat. No. 4,617,21.
9 and Constantinesco U.S. Pat. No. 2,677,9.
No. 55 discloses a metal fiber reinforced cementitious composite material.
Although these composites have been commercially successful, there are some areas where improvements are desired.
It The fiber filling process can be time consuming and therefore expensive. Heat and machine
Large amounts of fibers are required to improve resistance to static impact. In fact, the fiber
Strength is not always fully utilized.Summary of the invention
According to the present invention, there is provided a metal fiber reinforced structural member or a composite material.
The material is a non-woven preformed piece that is impregnated with and encased by a hardened cementitious composition.
A mat of metal fibers, the fibers of which have an effective diameter of 0.0
1 to 0.15 cm, greater than 7.62 cm in length, and about 400
Have aspect ratios (length / diameter) from 1 to 1000 or they are continuous
And is expressed as a percentage of the volume occupied by the fiber with respect to the total volume of the mat.
The mat has a density of about 1 to 10%.
This fiber mat reinforced composite material of the present invention is advantageous for several reasons. First,
With comparable fiber volume, the composite material of the invention gives higher flexural strength. as a result,
It is possible to reduce the volume of fibers in a composite with comparable bending strength.
The fiber mat reinforced composite material of the present invention is a composite material reinforced with discontinuous fibers.
It shows higher energy absorption capacity and its energy absorption efficiency (unit volume of fiber
The energy absorption capacity per unit) is unexpectedly high. This mat against discontinuous fibers
The superior performance of reinforcement is related to the bonding of matte fibers in the composite. Relatively short padding
When using discontinuous fibers with an embedded length (eg 2.54 cm), pulling out the fibers
Is the primary failure mode. For example, US Pat. No. 3,9
86,885, column 5, lines 2-8, and U.S. Pat. No. 3,429,094.
See issue, column 4, lines 5-10. If a crack occurs in a member under bending load,
The energy absorption capacity of the test specimen depends on the energy required to propagate and propagate through this single crack.
Reflect the energy. Energy absorption is dominated by fiber pullout resistance
.
The metal fiber mat reinforced composite material according to the present invention is a new development from the prior art.
Is equivalent to The mode of failure during bending is clearly different. In this case, the composite
Multiple cracks in the material. Ultimate failure is the high tensile strength of one or more crack surfaces.
It occurs after the fiber breaks in the shear stress region. Energy absorption of matt reinforced composites
The carrying capacity is for starting, expanding and propagating all cracks and for one or more
It reflects the total energy required to break the crack. Described in this document
The yield strength of steel is more fully utilized in existing fiber mat reinforced composites.
Be done. Contrary to what one skilled in the art would expect based on short fiber reinforced composites,
Gee absorption is not governed by the pull-out resistance of the fiber. Using individual fibers
Other advantages of the reinforced concrete composite material according to the present invention over
Is that a known amount of fiber can be placed in the composite at the cost of
.Brief description of the drawings
FIG. 1 is a photograph of a steel fiber mat effectively used according to the present invention.
FIG. 2 is a perspective view of the structure of reinforced concrete according to the present invention.
FIG. 3 is a sectional view of a fiber mat reinforced structural member according to the present invention.
FIG. 4 is a photograph of a cracked steel fiber reinforced comparative composite material.
FIG. 5 is a photograph of a cracked steel long fiber matte composite material according to the present invention.Definition
The term "nonwoven" as used herein with respect to a metal fiber mat forms the mat.
Fibers are not systematically woven. This mat has irregular fibers
It's together because of Naramari.
The phrase "effective diameter" is used herein as it is used in the art.
Have been. That is, it means the diameter of a circle having an area equal to the cross-sectional area of the steel fiber.Detailed Description of the Invention
The fibers forming the reinforcing mat used in the present invention have a length greater than 7.62 cm.
, Preferably greater than 15.24 cm in length, and even more preferably about 17.
8 to 30.5 cm. This fiber has an aspect ratio of about 400 to 1000.
To do.
The fiber mat effectively used by the present invention is a trademark of SIMCON,
Ribtech, Ribbon Technology Corporation, Gahanna, Ohio (Ribt
ec, Ribbon Technology Corporation, Gahanna, Ohio)
is there. One such mat is shown in FIG.
Metal fiber mats useful in the present invention are available from Ribbon Technology Corporation.
U.S. Pat. Nos. 4,813,472 and 4,930,565.
Can be prepared according to the method and apparatus described above. 2.54 of these patents
Manufacture of metallic filament materials ranging from sub-cm size to semi-continuous fibers
Is disclosed. To prepare the metal fiber mat, the fibers were
Prepared. This fiber is similar to the method described in these patents and related patents,
Melt overflow or melt extraction method
Is drawn from the molten metal using. Other methods for preparing long fibers
It can also be used. For example, to prepare long fibers, slit sheets
heet) and milling processes may be used, with the long fibers in turn exposed to air.
Air laid and compressed into a mat. This fiber is preferably long
About 17.8 to 30.5 cm, more preferably about 22.86 cm in length
. This fiber is blown into a chute, where it is exposed to air on a conveyor and compressed.
It is made into a mat. Controlling conveyor speed and extent of mat compression
Control the density of the matte to control the density of the mat in the range of 1.5 to 6.0%.
Can be manufactured.
The preferred fiber length depends on each particular application and the nature of the fiber, eg its diameter, of steel.
It depends on the composition and the method of making it. Length is for pulling out fibers
When the force required to create a new crack exceeds the force required to form a new crack in the concrete
You can choose by time. That is, even the smallest length is enough to prevent pulling out.
Must be minutes.
Typically the fiber is a steel fiber, such as carbon steel, stainless steel, or manganese steel.
It For refractory applications, stainless steel fibers are preferred. This fiber has an effective diameter
And usually about 0.01 to 0.15 cm, more preferably about 0.025 to 0.06 cm.
It is in the range of 4 cm. In Examples 1 and 2 below, the smaller the fiber diameter, the higher the energy
It has been shown to provide rugie absorption capacity. This fiber is typically circular in cross section
However, it does have thickness and width dimensions. For example, in these examples
Width of about 0.05 to 0.13 cm, and thickness of about 0.013 to 0.038 cm.
Surrounded by Fibers with a circular cross-section are also effectively used, but non-circular fibers
Ginger is more commonly available and often costs less. The strength of this fiber
Depending on the size, it may be corrugated. But the most commonly used, smaller
For large diameter wires (eg 0.025 or 0.05 cm) the tensile stress
It is generally not desirable to corrugate when it works and the corrugation of the wire is
Easy to get rid of. When the wire corrugation is pulled and removed, the strength of the wire
The fleet is not strengthened, causing cracks and breaks in the concrete.
The amount of fibers in the mat and composite may range from about 1 to 10% by volume.
it can. To combine more than about 10% of fibers in a composite material, cement
The mat must be compressed to such an extent that the quality mixture cannot readily penetrate. The present invention
Typical composites according to are prepared from mats containing about 2 to 6 volume% fiber.
Is done.
The fibers may be randomly oriented in the composite, or the strength of the composite may be
It may be oriented in a direction chosen to maximize the height. For example, for structural members
The fibers of the mat can be oriented parallel to the principal tensile stress direction of the. many
In some applications, it is believed that the fibers will have some orientation due to the geometry of the structural members.
available. For example, the fibers are typically about 17.8 to 30.5 cm in length.
When making a panel with a thickness of 5.1 cm, this fiber is
Oriented substantially perpendicular to the direction and substantially parallel to the XY plane of the panel. XY plane
Within
Then, it is considered that the fibers are arranged in parallel or irregularly.
The cementitious composition that can be penetrated into the fiber mat includes hydraulic cement and poly
Anything including marcement is used in the present invention. Mortar and concrete
The sheet composition is effectively used. A representative example of a useful cement is Portland Cemetery.
Ment, calcium aluminate cement, magnesium phosphate cement, and
Other inorganic cements are included. A useful aggregate is about 30 mesh (0.084
cm), which allows these to be assembled when the mat is impregnated.
You can't squeeze it from the product. Examples of aggregate include sand and small gravel. Endurance
Fire concrete includes plunging bells, blow lances, and
Used in making refractory profiles such as ladle lip rings.
It should be superplastic so that it can better penetrate the fibers and fill the mold (su
A perplasticizing aid may be added to the slurry of cementitious material. Super plasticity
Auxiliary agents which give the are not necessary, but are preferred. This superplasticizer
), Do not add more water so that the slurry penetrates the mat.
I have to. Superplasticizer aids are known and include fluid concrete and
It is used for high-strength concrete with reduced water and water. For example, "superplasticity
Superplasticized Concrete ", ACI Eye Journal
Le (ACI Journal), May 1977, pages N6-N11, and "Liquidity Concrete.
"Flowing Concrete", Concrete Constr., January 1979 (No. 25-2
See page 7). The most common superplasticizers are sulfonated melamine formaldehyde and
And sulfonated naphthalene formaldehyde. Superplasticizer used in the present invention
To allow the aqueous cementitious slurry to fully penetrate the bundled fibers.
To do. Among commercially available plasticizers, obtained from ICI
A possible sulfonated naphthalene formaldehyde, Mighty 150 (Migh
ty 150) is preferred.
The composite material according to the invention comprises panels, beams, columns, paving slabs and refractory profiles.
It is useful when manufacturing various structural members. Source of enhanced structure according to the invention
The typological aspect is shown in FIG. The embodiment shown here is a cementitious set.
Panel 10 with a non-woven metal fiber reinforced mat 12 fully embedded in an article 13
belongs to. The surface 14 of the panel 10 is generally distinctly assembled therein.
It has the fibers of the reinforcing layer, which looks like. In this embodiment, the fibers are irregular
Oriented. The ends 18 of the fibers forming the mat 12 are connected to the sides 20 of the panel 10.
And 21.
In one aspect of the invention, the matte fiber reinforced panel comprises a pair of matte fiber reinforced panels.
The flannel is a concrete layer reinforced with a large layer of aggregate concrete or discontinuous metal fibers.
It may also be combined in a sandwich structure, sandwiching layers of sheets. this
Such structural members place the fiber mat in a mold and allow the mat to penetrate the mat.
Concrete slurry containing fine aggregate, eg stone aggregate larger than 35 mesh
Can be prepared by infiltrating the membrane. This large aggregate is "sieved" from the slurry
Are separated and gathered on the top surface of the mat. The second mat is the first mat
It is placed in a mold with a large layer of aggregate on top. This second ma
A larger area of cement slurry without the inclusion of larger aggregates
Results in a slab, which is reinforced with matte and the core is a larger aggregate concrete
It Instead, to form a sandwich structure, Rom Aldi and Ranker
Metal fibers of the type described in the De patent and concrete in an amount of 1 or 2%
May be mixed with and cast between two long fiber mat reinforced concrete layers.
FIG. 3 is a cross-sectional view and illustrates the sandwich structure 30 described above. this
Structure reinforced with non-woven elements 22 and 25, with or without aggregate filler
Formed from hydraulic cement matrix and in layers of concrete 26 to each other
It thus has two layers 22 and 24 separated. These two reinforced exteriors
The thickness of the layers 22 and 24 may be the same or different and the internal mortar
Or the relative thickness of these two outer layers to the thickness of the concrete layer is
Vary over a wide range depending on the specific application in which the structure used
Can be. If desired, impart structural strength to the sandwich structure of the present invention
For this purpose, the inner layer of mortar or concrete 26 is made of discontinuous metal fibers or the like.
May be strengthened. The particular embodiment illustrated in FIG.
It has two outer reinforcement layers. However, as will be apparent to those skilled in the art, the present invention
, A plurality of non-woven fabrics separated from each other by adjacent concrete layers.
Wh
A sandwich structure may be provided in which there is a toughening layer.
The reinforced structure of the present invention can be conveniently prepared in a simple manner. Ah
In the preparation method, a reinforcing member as shown in FIG. 1 is placed on a tray or a mold.
Be done. The tray or mold may optionally be pretreated with a conventional release agent.
. The cementitious composition is essential for completely penetrating and enclosing the reinforcing member,
Then the appropriate amount of cementitious composition is placed on top of the latter. Supplement with cementitious composition
Use means such as vibration or ultrasonic stimulation to ensure complete penetration of the strong member.
You can Then, if necessary, to ensure a flat surface with the desired finish.
The upper surface of this mixture may be ruled. After this, this impregnated reinforcement
The material is cured by any conventional means.
The invention is explained in more detail by the following non-limiting examples.Example 1
Two 304 stainless fiber mats were prepared. Mat A is 5.1 cm thick x width
It is 45.7 cm × length 96.5 cm. Mat A weighs 3.7 kg. these
Based on the size and weight of the fiber, the fiber volume is 2.3 percent. Make up this mat
Each individual fiber has a length of 22.38 cm, a width of about 0.10 cm, and a width of about 0.028 cm.
With a thickness of (average of measurements of 10 fibers randomly selected from the mat)
).
The measured value of the mat B is 6.35 to 7.62 cm in thickness × 50.8 cm in width × 97 in length
． It is 8 cm. The weight of this mat is 11 kg. From these dimensions and weight,
The fiber volume percent is 4.5. However, when compressed to a thickness of 5.1 cm,
This fiber volume is 5.7 percent. 5.1cm × 50.8cm × 101.6cm
The mats were placed individually in plywood molds to obtain long panels of. Matt B
It is compressed by the sides of the mold to a final thickness of about 5.1 cm. All joints in the mold
Is silicone-sealed so that it can hold a penetrating slurry.
This fiber mat is coated with a fine-grained refractory concrete slurry (whirl
Quatre's Sifca Composition
) Has been infiltrated. To fill the mold, about 81.8 kg of slurry was added to 18.
Used at a water content of 5 percent.
Following the slurry infiltration step, the slurry was added at 29.4 to 32.2 ° C. for 24 hours.
It hardened over time. Following this curing process, the panel was removed from the mold and the steam curing room (
in the fogroom) at 26.7 ° C and 100% relative humidity for another 5 days
It was Following the curing process in this steam curing room, it's panels are diamond sawed.
It was cut into pieces to form a beam with a width of 10.2 cm. Then, before testing the flexural strength performance, 5.1
Specimens measuring cm × 10.2 cm × 50.8 cm were oven dried at 110 ° C.
For comparison, use 2.54 cm stainless steel filaments and reinforced with discontinuous fibers
The prepared composite material was prepared. These specimens are referred to as US Pat. No. 4,366,255.
Prepared by the procedure described in. Fiber content of comparative composite material is 14 volume percent
Is. This composite material specimen was prepared using a stainless steel fiber mat.
It was cured and dried in the same manner as the composite material.
Two 5.1 cm x 10.2 cm x 50.8 cm beams prepared from various composite materials
The flexural strength test was performed. Exam is the third point loading (third-pointloadi
ng) and a span of 30.5 cm. Load-deflection during flexural strength test
The data was recorded. Bending toughness of ASTM C1O18, fiber reinforced concrete
And the Standard Test Hethod for Flexural Toug
hness and First-Crack Strength of Fiber-Reinforced Concrete),
Experiments were performed (using beams with third point loading). The results are shown in Table 1.
. Table 1 shows the ultimate flexural strength and flexural toughness index for the three composite materials investigated here.
The numbers are being compared with the measured values. Has 14 volume percent fiber loading
This comparative composite material is 450.8 kg / cm2It had an ultimate bending strength of. mat
The composite material prepared with B (fiber loading = 5.7 volume percent) is
, 40% of conventional fiber loading, but 85% of conventional composites
Showed an ultimate bending strength of 45% (450.8 kg / cm2Against 382.9 kg / c
m2).
Load-deflection data was recorded during flexural strength testing of the composite. Evaluated here
Deflection up to 0.89 cm, so that compared composite materials can be compared-
The total area under the deflection curve was calculated. These results are also shown in Table 1.
14% by volume of the comparative composite material and 5.7% by volume of the fiber
From the comparison of the area under the load-deflection curve between Mat B, the reinforced long fiber mat
It is established that the energy absorption capacity given by the mode is better
It The superior performance of matt reinforcement over discontinuous fibers means that
Relates to the binding of matte filaments. Comparative embedding length of fibers in composite materials
Since it is relatively short (about 2.54 cm), the fiber pull-out is in the initial failure mode. Bending load
Once a crack is formed in the comparative specimen under load, the energy absorption capacity of the specimen
The quantity reflects the energy required to propagate and propagate in this single crack. D
Energy absorption is represented by fiber pullout resistance. This cracked sump
Is shown in FIG.
In composites reinforced with stainless steel fiber mats, the test specimens under bending load
Causes multiple cracks throughout the body. High tensile stress is obtained in the specimen including mat reinforcement.
At least 50 cracks were formed in the part of the specimen that was received. Energy of this composite material
-The absorption capacity initiates, propagates, and propagates in all of these cracks.
It reflects the energy required to destroy a section of steel fiber. Matt strength
The ultimate fracture in the reinforced composite is the fiber at one or more of these crack planes.
It is the destruction of Wei. A sample having this crack is shown in FIG. This crack is blackened
Is illustrated.
Calculated by dividing energy absorption capacity by volume percent fiber loading,
The improvement provided by the present invention in energy absorption efficiency is shown in Table 1A.
Table 1A
Energy absorption efficiency
(A) (B)mat
Fiber load energy efficiency
% (V / o) Absorption capacity (B) / (A)
A 2.3 428 186
B 5.7 1326 232
Compare 14.0 926 66
Example 2
Four carbon steel (manganese) fiber mats were used in preparing the panels. this
The measured value of the mat is about 101.6 cm × 50.8 cm × thickness 5.1 to 7.6 cm.
It was. Matte is identified as follows:
Matte C-1% v / o Effective diameter 0.025 cm
MN steel
Matte D-2% v / o Effective diameter 0.033 cm
MN steel
Matte E-4% v / o Effective diameter 0.053 cm
MN steel
Matte F-4% v / o Effective diameter 0.033 cm
MN steel
Ten fibers were randomly chosen from each mat for characterization. This
Characterization includes weight, length, width and thickness measurements. This characterization measurement
The results are shown in Table 2. This fiber loading value is the expected value 1.
Different from 0, 2.0 and 4.0 volume percent. The above value is the weight of the fiber mat
It is calculated based on the size and size.
The length of each fiber is about 24.1 cm. Fiber width is 0.056 cm to 0.0
It has a thickness of up to 99 cm and a thickness of 0.015 cm to 0.028 cm.
It
That of the fiber mat C-F was opened to a size of 5.1 cm x 101.6 cm
Enclosed in a wooden mold measuring 50.8 cm x 101.6 cm x 5.1 cm with a surface (filling port)
It is. In order to penetrate these panels, calcium aluminate cement-based sutures
Rally (manufactured by Whirl Refractories, Fremont, Ohio
Shifka slurry) was used. Once the penetration is achieved, cure the panel in the mold for 1 day
Then, each individual test piece (approximately 5.1cm × 10.2cm × 50.8cm)
It was placed in an environment of 23.3 ° C./100% RH until it was sawcut.
For comparison purposes, 2.54 cm of 304 stainless steel fiber prepared in Example 1 was used.
Three 5.1 cm x 10.2 cm x using a comparative composite containing 14 volume percent
A 35.6 cm beam specimen was prepared. The panel sawing of these specimens is completed.
Cured at 23.3 ° C./100% RH.
Following the sawing process, all specimens were autoclaved at 110 ° C before bending strength testing.
Bun dried.
The criteria used to evaluate the strengthening efficiency of these composite materials are bending strength and bending load.
It is a flexure action. Each fiber using a third point loading and a 30.5 cm span
Bending strength tests were carried out on two beams for loading. Table 3 is individually
Comparison of ultimate bending strength and bending toughness measurements for the composite materials investigated
.
Load-deflection data was recorded during flexural strength testing of the composites. Evaluated here
Loads up to a maximum deflection of 0.89 cm for comparison of composite materials-
The total area under the deflection curve was calculated.
The mode of failure of the matte specimen at the bend is the highest tensile stress in the specimen.
At the point (in the bending strength test, the bottom surface of the beam specimen). Highest
Fibers that are far from the area of high tensile stress have the same strain capacity (straincapa).
This matte composite material is not destroyed in the end because it is not destroyed in the city).
The fibers on the compressed surface (top side) of the beam remain intact even at very high strains.
The mode of failure of comparative composites using 2.54 cm fiber is mainly fiber pull-out
Is.
The average ultimate flexural strength of the comparative composite material (14 volume percent 2.54 cm fiber) is
453.7 kg / cm2Is. It is 3.3 and 3.6 volume percent of fiber raw
Ding's manganese carbon steel mats E and F are 336 kg / cm in the composite material.2The limit of
Flexural strength was given (approximately 75 percent of the comparative composite). 1.7 volume
Manganese steel fiber mat D for fiber loading is 224 kg / cm2Average limit of
It had a flexural strength, i.e. 50 percent of the comparative composite. 1.2 volume
Manganese steel mat C with percent fiber loading is 136.5 kg / cm2Nodaira
It had an ultimate flexural strength, ie about 30 percent of the comparative composite.
These results show that Matt's concept of achieving flexural strength in composites is significant.
The effect is clearly explained. Only 25% reinforcement level of the comparative composite material
Tot F has an ultimate bending strength of 75% of the comparison. Only 12 pages for comparison
Centenn's reinforced level of Matte D gives the ultimate bending strength of 50% of the comparison.
It was The efficiency of the reinforcing mat reinforcement against the standard discontinuous fiber approach is
The ability of mats to enhance the energy absorption efficiency of these composites and
Explained even more clearly with the significant increase in energy absorption efficiency shown
It Mat F, which has a fiber loading of only 25 percent of the comparison,
It has a 15% greater energy absorption capacity. Energy absorption efficiency
Shown in Table 3A.
Table 3A
Energy absorption efficiency
mat Fiber road Energy absorption efficiency
(%) capacity
C 1.2 204 170
D 1.7 712 419
E 3.3 718 218
F 3.6 1091 303
Compare 14.0 926 66
Ratio of energy absorption capacity of composites reinforced with matte D and matte E
By comparison, the significant impact of fiber diameter on this property of mat-reinforced composites
A sound is shown. Mat D gave about half the fiber loading of Mat E,
, The equivalent energy absorption capacity was given in the composite material. The smell of these two mats
The slightest difference is that the diameter of the fiber is smaller than that of the matte E (0.053 cm).
Then, the mat D is smaller (0.033 cm).
The effect of fiber diameter is the effect of the composite material prepared with Mat E and Mat F.
Also seen in the comparison of energy absorption capacity. Here, the fiber loading is
Equivalent (3.3 and 3.6 volume percent) but finer diameter steel
The energy absorption capacity of the mat F is a composite material containing a coarser fiber mat E.
35 percent greater. The limit of composites reinforced with these two mats
Bending strength is equivalent (about 336kg / cm2).
The reason for the effect of fiber diameter on energy absorption capacity is the flexural strength test.
, Followed by inspection of the beam specimen. Composites with larger diameter fibers
Material (matte E) containing fine fibers (equivalent diameter = 0.033 cm)
Few cracks were formed compared to the body. For example, coarse fiber composites
In the material (matte E), the number of cracks formed is about 5, while for fine fibers
20 or more cracks were formed in the composite material (mat D). Furthermore, Matt F (0
． A composite material prepared using 03 cm diameter fibers (3.6 volume percent)
Is an ultimate break through a shear plane at an angle of approximately 45 ° to the longitudinal direction of the beam.
Breakage occurred. A plurality of cracks also formed around this diagonal crack.
While the invention has been described in detail and in the preferred embodiments, it is limited to the appended claims.
Obviously, modifications and changes can be made without departing from the scope of the disclosed invention.
【手続補正書】特許法第１８４条の８
【提出日】１９９４年３月２４日
【補正内容】
請求の範囲
１． 硬化したセメント質組成物が浸透してこれに包まれた強化金属繊維の不織
マットを有し、該繊維が有効直径において約０.０１から０.１５cmであり、長さ
７.６cmより大きく、かつ約４００から１０００のアスペクト比を有し、上記マ
ットが約１から１０体積％の金属繊維を含有することを特徴とする強化されたセ
メント質構造部材。
２． 上記繊維が長さ１０．２cmより大きいことを特徴とする請求の範囲第１０
項記載の構造部材。
３． 上記繊維が長さ約１５．２から３０．５cmであることを特徴とする請求の
範囲第２項記載の構造部材。
４． 上記繊維が有効直径において約０.０１３から０.０３８cmであることを特
徴とする請求の範囲第３項記載の構造部材。
５． 上記繊維が約４００から８００のアスペクト比を有することを特徴とする
請求の範囲第４項記載の構造部材。
６． 引張り応力下での上記部材の破壊の際に、上記繊維が上記部材から実質的
に引き抜かれないような上記セメント質組成物に上記繊維が結合されるように、
上記繊維が十分に長いことを特徴とする請求の範囲第１０項記載の構造部材。
７． 上記金属繊維が約２から６体積パーセントの量で上記部材中に存在するこ
とを特徴とする請求の範囲第６項記載の構造部材。
８． 上記複合材料が、同等の体積の不連続金属繊維から形成される複合材料と
比較して、より高いエネルギー吸収効率を示すことを特徴とする請求の範囲第７
項記載の構造部材。
９． 上記繊維が連続であることを特徴とする請求の範囲第８項記載の構造部材
。
10． 上記金属繊維がステンレス鋼、炭素鋼、又はマンガン鋼であることを特徴
とする請求の範囲第１９項記載の構造部材。
11． 上記金属繊維が不規則に配向されていることを特徴とする請求の範囲第１
項記載の構造部材。
12． 上記金属繊維が、上記部材中の主要な引張り応力の方向に実質的に平行に
配向されていることを特徴とする請求の範囲第１項記載の構造部材。
13． 上記セメント質組成物が、３０メッシユより小さい粒子サイズを有する骨
材を含有することを特徴とする請求の範囲第１項記載の構造部材。
14． 上記セメント質組成物が水硬性セメントであることを特徴とする請求の範
囲第１３項記載の構造部材。
15． 上記セメント質組成物がポリマーセメントであることを特徴とする請求の
範囲第１３項記載の構造部材。
16． 上記セメント質組成物か耐火コンクリートであることを特徴とする請求の
範囲第１３項記載の構造部材。
17． 上記部材がパネルであることを特徴とする請求の範囲第１項記載の構造部
材。
18． 上記パネルが、上記マットで強化された第１の面と、第２のマットで強
化された第２の面と、大きい骨材コンクリートの芯部を含むことを特徴とする請
求の範囲第１７項記載の構造部材。
19． 上記金属繊維が、溶融物オーバーフロー又は溶融物抽出によって、溶融さ
れた金属から引かれることを特徴とする請求の範囲第１項記載の構造部材。
20． 上記繊維が約０.０２５から０.０６４cmの有効直径を有することを特徴と
する請求の範囲第５項記載の構造部材。
21． 上記マットが約２から６体積％の金属繊維を含有することを特徴とする請
求の範囲第２０項記載の構造部材。
22． 硬化したセメント質組成物が浸透してこれに包まれた強化金属繊維の不織
マットを有し、該繊維が溶融された金属から引かれそして有効直径において約０
．０１から０．１５cmであり、長さ７．６２cmより大きく、かつ約４００から１
０００のアスペクト比を有するか又は連続であり、上記マットが約１から１０体
積％の金属繊維を含有することを特徴とする強化されたセメント質構造部材。
23． 上記繊維が約０．０１３から０．０３８cmの有効直径を有し、上記繊維が
長さ１０．２cmより大きいことを特徴とする請求の範囲第２３項記載の構造部材
。
24． 上記繊維が不連続繊維であり、４００から８００のアスペクト比を有する
ことを特徴とする請求の範囲第２３項記載の構造部材。
25． 上記繊維が約０．０２５から０．０６４cmの有効直径を有し、長さ約１５
．２４から３０．５cmであり、かつ上記マットが約２から６体積％の金属繊維を
含有することを特徴とする請求の範囲第２４項記載の構造部材。[Procedure Amendment] Patent Act Article 184-8
[Submission Date] March 24, 1994
[Correction content]
The scope of the claims
1. Nonwovens of reinforced metal fibers encased and encased by a hardened cementitious composition
Having a mat, the fibers having an effective diameter of about 0.01 to 0.15 cm and a length of
Larger than 7.6 cm and having an aspect ratio of about 400 to 1000,
Reinforced cell characterized in that the sheet contains about 1 to 10% by volume of metal fibers.
Mental structure member.
2. 11. The fiber according to claim 10, wherein the fiber has a length of more than 10.2 cm.
The structural member according to the item.
3. The fiber is about 15.2 to 30.5 cm in length.
Structural member according to claim 2.
4. The fibers are characterized by an effective diameter of about 0.013 to 0.038 cm.
The structural member according to claim 3, which is a characteristic.
5. Characterized in that the fibers have an aspect ratio of about 400 to 800
The structural member according to claim 4.
6. Upon failure of the member under tensile stress, the fibers are substantially separated from the member.
So that the fibers are bonded to the cementitious composition so that it is not pulled out to
The structural member according to claim 10, wherein the fibers are sufficiently long.
7. The metal fibers are present in the member in an amount of about 2 to 6 volume percent.
7. The structural member according to claim 6, wherein:
8. The above-mentioned composite material is a composite material formed from discontinuous metal fibers having an equivalent volume.
Claim 7 characterized in that it exhibits a higher energy absorption efficiency in comparison.
The structural member according to the item.
9. The structural member according to claim 8, wherein the fibers are continuous.
.
Ten. The metal fiber is stainless steel, carbon steel, or manganese steel
20. The structural member according to claim 19.
11. The first aspect of the present invention is characterized in that the metal fibers are randomly oriented.
The structural member according to the item.
12. The metal fibers are substantially parallel to the direction of the principal tensile stress in the member.
The structural member according to claim 1, wherein the structural member is oriented.
13. The cementitious composition comprises bone having a particle size of less than 30 mesh
The structural member according to claim 1, further comprising a material.
14. Claims characterized in that the cementitious composition is a hydraulic cement.
The structural member according to Item 13.
15． The cementitious composition is a polymer cement
A structural member according to claim 13.
16. Claims characterized in that the cementitious composition or refractory concrete
A structural member according to claim 13.
17． The structure according to claim 1, wherein the member is a panel.
Material.
18. The panel has a first surface reinforced by the mat and a second mat reinforced by the second mat.
A contract including a solidified second surface and a core of a large aggregate concrete.
The structural member according to claim 17 in the range of requirements.
19. The metal fibers are melted by melt overflow or melt extraction.
The structural member according to claim 1, wherein the structural member is drawn from a metal.
20. Characterized in that said fibers have an effective diameter of about 0.025 to 0.064 cm
The structural member according to claim 5, wherein
twenty one. A contract characterized in that the mat contains about 2 to 6% by volume of metal fibers.
A structural member according to claim 20 of the present invention.
twenty two. Nonwovens of reinforced metal fibers encased and encased by a hardened cementitious composition
Having a matte, the fibers being drawn from the molten metal and having an effective diameter of about 0.
． 01 to 0.15 cm, length greater than 7.62 cm, and about 400 to 1
Having an aspect ratio of 000 or continuous, wherein the mat is about 1 to 10
Reinforced cementitious structural member, characterized in that it contains a volume% of metal fibers.
twenty three. The fibers have an effective diameter of about 0.013 to 0.038 cm, and the fibers are
24. Structural member according to claim 23, characterized in that it has a length greater than 10.2 cm.
.
twenty four. The fibers are discontinuous fibers and have an aspect ratio of 400 to 800
24. The structural member according to claim 23, wherein:
twenty five. The fibers have an effective diameter of about 0.025 to 0.064 cm and a length of about 15
． 24 to 30.5 cm, and the mat contains about 2 to 6% by volume of metal fibers.
25. The structural member according to claim 24, wherein the structural member contains.
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Ｃ０８Ｊ 5/04 7310−4Ｆ
Ｅ０４Ｃ 2/06 7806−2Ｅ ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Office reference number FI C08J 5/04 7310-4F E04C 2/06 7806-2E