JPS5819620B2 - 炭素繊維のマルチフイラメントストランドを編入することにより優れた曲げ強さを有する強化構造体を製造する方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、炭素繊維のマルチフィラメントストランドを
水性の水硬セメント質マトリックス内へ編入しく入れ込
み）、そのマトリックスを硬化させることによって、高
い曲げ強さを有する補強炭素繊維入りセメント質構造体
を得る方法に関し、特には、予め疎水性樹脂系で処理し
た炭素繊維のマルチフィラメントストランドを含有した
水性の水硬性セメント質マトリックスから改良された曲
げ強さを有する補強炭素繊維入り構造体を形成すること
に関する。

炭素繊維のマルチフィラメントストラントラ、セメント
の曲げ強さを増大させるための補強材として使用するこ
とは従来から試みられているが、ストランドのフィラメ
ントとフィラメントの間の結合およびストランドのフィ
ラメントとセメントの間の結合が弱いために、そのよう
な繊維ストランドを加入することによってはセメントの
強度の改良はほとんど、あるいは全く実現されていなか
った。

本発明によれば、予め疎水性樹脂で処理した炭素繊維の
マルチフィラメントストランドを混入させた水性の水硬
セメント質マｌ−１）ツクスから改良された曲げ強さを
有する炭素繊維強化セメント質構造体が得られることが
見出された。

このようにして形成された繊維強化構造体は、疎水性樹
脂系で処理されていない繊維ストランドを編入して形成
された構造体の曲げ強さに比べて５０係以上の曲げ強さ
の増大を示すことが認められた。

本発明によるセメントコンパウンドには水硬セメントを
使用することができ、水硬セメントに慣１用的に使用さ
れている量の充填骨材を添加することができる。

ただし、填材を使用する場合は、例えばフライアッシュ
のような微細な非摩剥性の骨材を使用し、その量は、セ
メントと骨材の総重量の２０重量部を越えないようにす
ることが好ましい。

本発明に使用するのに適する高モジュラス、高強度の炭
素繊維は、例えば米国特許第３，４５４，３６２号、３
，４１２，０６２号および４，００５，１８３号に記載
されている方法に従って形成することができる。

この明細書において用いられる［炭素］という用語は、
黒鉛繊維および非黒鉛繊維の両方を含むものとする。

使用すべき繊維の量は、所望の強度特性を得るように定
める。

通常は、セメントコンパウンドの１乾燥成分」１００重
量部に対して１〜６重量部の繊維を使用する。

ここで、「乾燥成分」とは、セメントコンパウンドを構
成するセメントとその他の固形充填骨材（使用された場
合）を意味し、炭素繊維自体は含まない。

乾燥成分１００重量部に対して２．５〜５重量部の繊維
を編入するのが最も一般的である。

もちろん、セメントを水和させるのに十分な量の水を使
用しなければならないが、最終セメント質構造体の強度
をできるだけ大きくするためには、水の量を水和に必要
な最少限にとどめるべきである。

通常は、セメントコンパウンドの乾燥成分１００重量部
につき約２５〜鞄５５重量部、好ましくは約３０〜４５
重量部の水を使用する。

炭素繊維ストランドを水性水硬セメント質マトリックス
内へ編入する前に、該ストランドに適当な低粘度の疎水
性樹脂系を含浸させる。

そのような含浸は、単に該ストランドの繊維を完全に湿
潤させるのに十分な時間液体樹脂系内に浸漬させること
によって行うことができる。

この目的に使用される疎水性樹脂系は、水に対して不溶
性であり、かつ、セメントと共に室温で硬化することが
できるものでなければならない。

多くの樹脂は疎水性ではないが、硬化剤を添加された場
合疎水性になるものであれば本発明に使用することがで
きる。

分離したセメント粒子の表面上に水が存在していると、
そのような水は樹脂の硬化および個々のセメント粒子に
対する樹脂の結合を阻害するが、樹脂系が疎水性であれ
ば、樹脂の周りの個々のセメント粒子の表面上に存在す
る水をはじく働きをする。

その結果として、セメント粒子と樹脂系を含浸させた繊
維との間に強固な結合が得られる。

この樹脂系は、また、フィラメント間の結合も強固にし
、ストランド内の構造的な保全性を向上させる。

炭素繊維をセメント質マトリックス内へ編入する前に処
理するための樹脂系としては、エポキシ樹脂系が、取扱
い易く、室温で硬化するので好ましい。

エポキシ樹脂系は、エポキシ樹脂と、それを硬化させる
のに慣用的に使用される量の反応性のエポキシ樹脂硬化
剤とから成る。

炭素繊維をセメント質マトリックス内へ組入れる前に処
理するための好ましいエポキシ樹脂としては、多価フェ
ノールの液体ポリグリシジルエーテル、特にビス（４−
ヒドロキシフェニル）メタンの液体ジグリシジルエーテ
ルおよびビス（４−ヒドロキシフェニル）ジメチルメタ
ンの液体ジグ。

リシジルエーテルが挙げられる。

そのような樹脂は、通常、塩基の存在下でエピクロルヒ
ドリンを多価フェノールと反応させることによって生成
される。

周知のように、エポキシ樹脂を生成する際、使用する各
反応体の割合を変えることによって粘度、分子量および
ヒドロキシル含有量の異る製品を生成することができる
。

本発明に使用される樹脂は、好ましくは主成分にヒドロ
キシル基が含まれておらず、低分子量、低粘度の液体エ
ポキシ、例えば４２モルのエピクロルヒドリンと１モル
の二価フェノールの反応生成物を主成分または優勢成分
とする液体エポキシである。

ヒドロキシル基は市販されているほとんどすべてのエポ
キシ樹脂に通常は含まれているが、ヒドロキシル基の含
有量の低い１ものも多数市販されており、本発明に使用
するためのものとしてはそのようなヒドロキシル基含有
量の低いエポキシ樹脂が極めて好ましい。

この種の樹脂のうちで特に好ましいものは、ビス（４−
ヒドロキシフェニル）メタンのジグリシジルニー；チル
およびビス（４−ヒドロキシフェニル）ジメチルメタン
のジグリシジルエーテルである。

エポキシ樹脂に添加する硬化剤は、樹脂と協同して疎水
系を形成し、樹脂を室温で硬化させるものでなければな
らない。

室温硬化は、樹脂を七メ。ントと同時に硬化させるのに
必要であり、疎水系の形成は、樹脂の周りの個別セメン
ト粒子の表面上に存在する水を排除するのに必要である
。

そのような水が存在すると、樹脂の硬化およびセメント
粒子に対する樹脂の結合を阻害するからである、このよ
うにして、樹脂系を含浸させた繊維とセメント粒子との
間に良好な結合が得られる。

この樹脂系は、また、フィラメント間の結合を強固にし
、ストランド内の構造的な保全性を向上させる。

本発明に使用することのできるエポキシ樹脂硬化剤とし
ては、「アンカミン」という登録商標名で販売されてい
るアンカー・ケミカル社製の硬化剤や、「サーウエット
」という登録商標名で販売されているパシフィック・ア
ンカー社製の硬化剤がある。

これらの硬化剤は、いずれも、１７０〜１８０のアミン
数を有する疎水性の脂肪アミンである。

そのような硬化剤のエポキシ樹脂と混合させると、その
硬化剤の疎水性が全体の樹脂系に付与される。

本発明の好ましい実施例においては、ロービング、ヤー
ンまたはトウの形の炭素繊維のマルチフィラメントスト
ランドを平行な列に配列してセメント質マトリックスの
中へ編入即ち埋設する。

セメント質マトリックス内への繊維のこのような態様で
の編入は、一定の高さの両側側部パネルと、該側部パネ
ルの高さにまでいろいろな高さに調節することのできる
両端の端パネルを有するモールド（型）によって行うこ
とができる。

代表的な例としては、そのようなモールドは、両側パネ
ルの両端部の近くの内壁面に垂直スロットを形成し、そ
のスロット内に側パネルより高さの低い幾つかの端パネ
ルを上下に順次に積み重ねて嵌めていくことによって形
成することができる。

そのような一方の端部の端パネルの第１番目即ち最下位
の端パネルを両側パネルの一端に形成した上記スロット
に嵌合させ、他端の第１番目の端パネルを両側パネルの
他端の上記スラントに嵌合させる。

次いで、セメントと水から成るセメントコンパウンドを
モールド内へ両端の該第１番目の端パネルの高さにまで
注ぎ、モールドの両端にそれぞれ設けた１列の直立支柱
を用いて炭素繊維の連続ストランドをモールドの長手方
向に前後に折返しながらセメントの表面上に張りめぐら
す。

水平な繊維ストランドとストランドの間に等間隔を繊維
するのを助成するｈめに、各端の端パネルとそれに対応
する１組の支柱との間にねじ付スペーサバーを該端パネ
ルの高さと同じか、あるいは僅かに低い高さに配置する
ことができる。

このようにして繊維ストランドをモールドの長手に沿っ
て完全に張りめぐらせた後、次の、即ち第２番目の端パ
ネルを第１番目の端パネルの上に重ねてモールドの両端
のスロットに挿入し、モールドの両端に設けた第２組の
直立支柱を用いて上述の操作を繰返し、繊維ストランド
を張設する。

この場合にもやはり、ねじ付スペーサバーを対応する端
パネルの高さと同じか、あるいはそれより僅かに低い高
さのところに配置する。

上記操作は、セメントの全体の高さを所望の高さにする
まで必要なだけ何度も繰返すことができる。

所要量の繊維をセメント内に編入した後、該セメントを
適当な条件のもとで硬化させれば、本発明の補強炭素繊
維入りセメント質構造体が得られる。

添付図を参照すると、第１図には炭素繊維のストランド
１１で補強したセメントビーム（梁）１０が示されてい
る。

ストランド１１は、ビーム１０内に２つの水平な列とし
て埋設されている。

第１図のセメントビーム１０は、第２〜３図に示される
モールド（型）１２の３つの画室のうち−の１つによっ
て形成される。

このモールドは、２つの側部パネル１３，１３と、それ
らのパネルの間に等間隔を置いて配置し、モールドを３
つの画室に分割する２つの仕切パネル１４．１５を有す
る。

両側側部パネル１３の両端近くには垂直スロ：ット１６
を形成し、仕切パネル１４，１５の両端にもスロット１
９を形成する。

これらのスロットは端パネル１９，１９を受容するため
のものである。

側部パネル１３，１３および仕切パネル１４１５は、い
ずれも同じ高さであるが、端パネル 。

１９は、側部パネルおよび仕切パネルの高さの何分の１
かの高さである。

各端パネル１９の外側に配置した支持台２１にモールド
の横断方向に１列に並ぶ直立支柱２２を互いに等間隔に
固定し、該各支持台２１とそれに対応する端パネル１９
の間。

にスペーサバー２０を配設する。

スペーサバー２０にはその横断方向に延びるねじ溝を刻
設し、該バーの頂面は端パネル１９の高さより僅かに低
い位置に位置づけする。

モールド内に端パネル１９の高さのところにまでセメン
トを充填する。

次いで、炭素繊維の連続ストランド２３を、スプール２
４から疎水性樹脂系２６を包含した浴２５を通して引出
す。

浴２６にはバー２７を設けてあり、炭素繊維ストランド
２３を該バー２７の下を通すことによって完全に疎水性
樹脂系２６内に浸漬させるようにする。

炭素繊維ストランド２３を浴２５に浸漬させて通過させ
た後一方の支持台２１の一端の１番目の支柱２２にくく
りつけ、その後モールド１０の両端の各支柱２２を用い
て該ストランドをセメントの上表面上にモールドの長手
に沿って前後に順次折返しながら張りめぐらす。

その際、スペーサバー２０のねじ溝が第２図に示される
ように水平なストランドとストランドの間に等間隔を維
持する役割を果す。

繊維ストランド２３をモールド１０の全幅に亘って完全
に張設した後、追加の第２端パネルを両側パネル１３の
各端のスロット１６内に最初の第１端パネルの上に重ね
て挿入し、第２組のスペーサバー２８と支持台２９に固
定した第２組の直立支柱３０を用いて上述の工程を繰返
してストランドを張設する。

スペーサバー２８は、スペーサバー２０の場合と同様に
、その長手に対して横断方向に延びるねじ溝を有してお
り、その上面は第２端パネルの高さと同じか、あるいは
それより僅かに低い高さに位置づけする。

上述の工程は、もちろん、セメントの上面を所望の高さ
にするのに必要な回数だけ繰返すことができる。

所望量の繊維をセメント内に編入した後、該セメントを
適当な条件のもとで硬化させれば、本発明の炭素繊維強
化セメント質構造体を得ることができる。

以下に本発明の詳細な説明するが、これは本発明を理解
するための例示にすぎず、本発明はそれに限定されるも
のではない。

実施例 １ ３画室から成る組立式木製モールドを用いて炭素繊維の
ストランドで補強された３つのセメントビームを形成し
た。

このモールドは、２つの側部パネルと、それらの間に等
間隔に配置され、モールドを３つの画室に分割する２つ
の仕切パネルを有するものであった。

側部パネルおよび仕切パネルは２インチ（５０，８ｍｇ
）の高さとし、それらのパネルの端部近くにスロットを
形成し、それらのスロット内に側部パネルおよび仕切パ
ネルよりは高さの低い幾つかの端パネルを上下に重ねて
挿入することができるようにした。

この実施例では１つの端パネルを１．４インチ（３５，
６ｍｍ）の高さと２し、それを側部パネルおよび仕切パ
ネルの一端のスロットに挿入し、同様な端パネルを他端
のスロットに挿入した。

次いで、このようにして組立てたモールドの各画室に両
端パネルの高さと同一の面にまでセメントコンパウンド
を充填する。

セメントコンパウンドを各画室の縁および隅へ固く詰め
込むためにコンパウンドの充填の初期段階において小さ
なブラシを用いてコンパウンドを隅の方へ押しつけるよ
うにした。

セメントコンパウンドが所望の高さに達した後、真直ぐ
なへらを用いてセメントの上面をならし平滑にした。

最後に、モールドを振動テーブルの上に載せて５分間振
動させた。

この実施例に使用したセメントコンパウンドは。

１００重量部のセメントと３０重量部の水を動力ミキサ
ー内でドウ・フック付属装置を用いて完全に混合したも
のであった。

使用したセメントは英国規格１２に相当するポルトラン
ドセメントであった。

単一ブライの炭素繊維ヤーンを疎水性の液体エポキシ樹
脂系に浸漬して通過させた後、モールドの一端の端パネ
ルの外側に、それに平行に配置した１列の直立釘の一番
端の釘に結びつけた。

ここで使用したヤーンは、［ソーネルＪ ３００という
登録商標名で販売されているユニオン・カーバイド社の
３０００本のフィラメントを有する１７１７デニールの
単一ブライ炭素繊維ヤーンであり、それらのフィラメン
トは３４Ｘ１０６ｐｓｉの平均ヤング率と、３６０×１
０３ｐｓｉの平均引張強度を有するものであった。

また、上記エポキシ樹脂系はエピクロルヒドリンと２，
２−ビス（４−ヒドロキシフェニル）プロパン（シェル
・ケミカルＵ、Ｋ。

社製の１工ピコー日８２８）との反応によって得られた
市販されている液体エポキシ樹脂１ｏ。

重量部と、「アンカミンＪ Ｒ，即ち１７０〜１８０の
アミン数を有する疎水性脂肪アミン（エポキシ樹脂硬化
剤）１００重量部とから成るものであった。

この樹脂系は、水に不溶性であり、かつ、セメントと同
時に室温で硬化することのできるものであった。

モールドの他端の外側にも同様な１列の直立釘を配置し
た。

モールドの一端の上記−各端の釘から炭素繊維ヤーンを
セメントの表面上にモールドの長手方向に通し、モール
ドの他端の直立釘列の一番端の釘を周回して折返し、そ
の後順次モールドの両端の釘の間でヤーンを折返して張
設し、モールドの各画室の全幅に亘ってヤーンを張りめ
ぐらした。

ヤーンは、弛みがない程度に常に引張っておく。

ヤーンの自由端を最後の釘にくくりつけた。

水平な繊維ストランド（ヤーン）の間の間隔を等間隔に
維持するのを助成するために、１インチ（２５，４ｍｍ
）当り２０のねじ溝を有するねじ付スペーサバーをモー
ルドの各端の端パネルと釘列の間に配置し、・該バーの
上面を端パネルの高さより僅かに低い高さのところに位
置づけした。

炭素繊維ヤーンはこれらのスペーサバーの上面の１つ置
きのねじ溝に通して延長させ、モールドの両端の釘を周
回して折返す。

このようにして、モールドの各画室の全幅に亘ってその
長さ方向に０．１インチ（２，５４ｍｍ）の間隔で延長
させた繊維ヤーンの層を張設した。

次に、０．５インチ（１２，７ｍｍ）の高さの追加の、
即ち第２の端パネルをモールドの各端のスロットに挿入
し、モールドの各画室に第２端パネルの高さにまで第２
セメント層を充填した。

先に張設した繊維との良好な接触を確保し、第１層のセ
メントに確実に結合させるために第２層のセメントの最
初の部分は、ブラシを用いて該繊維の上に塗布した。

次いで、すでに硬化し始めているかもしれない第１層の
セメントまたは繊維を歪曲させることのないように、振
動によらないで真直ぐなへらでたたくことによって突固
めた。

次いで、樹脂液浴を空にして、新しく混合した樹脂系を
入れ、第１層の繊維の場合と同様にして第２組のスペー
サバーおよび第２組の釘を用いて第２層の繊維を張設し
た。

第２組のスペーサバーにも、やはり第１組のバーと同様
に、その全長に亘ってインチ（２５，４ｍｍ）当り２０
のねじ溝を刻設し、それらのバーの頂面は第２の端パネ
ルの高さより僅かに低い高さに位置づけした。

最後に、高さ０．１インチ（２，５４ｍｍ）の第３の端
パネルをモールドの各端のスロットに第２端パネルの上
に重ねて挿入し、モールドの各画室に同様の態様で第３
のセメント層を第３端パネルの高さにまで充填した。

かくして３画室内に形成された、それぞれ２５“×３“
×２“（６３５Ｘ７６．２Ｘ５０．８龍）の寸法の３つ
のセメント検体をモールド内で１８〜２０時間に亘って
硬化させた後、それらをモールドから取出し、更に室温
で水中において２８日間硬化させた。

２８日間の硬化期間が終了したとき、それらのセメント
検体を水中から取出し、１２．ＯＯｏｌｂ（５４４３ｋ
ｇ）のエベリ万能試験機で１０“（２５４ｍｍ）のスパ
ンにおいて３点曲げ試験にかけることによって曲げ強さ
をテストした。

セメント検体の両端を直径０．７５インチ（１９ｍｍ’
）の支持ローラによって支持し、セメント内の繊維が支
持ローラによって支持されている引張側に位置するよう
にし、直径１インチ（２５，４ｍｍ）の負荷ローラによ
って検体の中央部に圧力を加えた。

負荷圧力をほぼ１０００ｐｓｉ／分（７０，３ｋｇ／ｃ
ｒＡ／分）の割合で検体が折れるまで増大させていった
。

どちらの検体もそれを硬化させた水中から取出してから
３０分以内に試験した。

これらの検体（セメントビーム）の平均曲げ強さは２２
１０ｐＳ ｉ （１５５，４ｋｇ／ｆｆｌ ）であった
。

炭素繊維補強材を編入せずに同様の態様で３つのセメン
トビームを形成し、それらを試験したところ、それらの
平均曲げ強さは１３９０ｐｓｉ（９１，７ｋｇ／ａｎｔ
）であった。

また、疎水性樹脂で前処理しない炭素繊維補強材を編入
して同様の態様で形成したビームの平均曲げ強さも、や
はり１３９０ ｐｓｉ（９１，７ｋｇ／ｆｆ１） Ｌ／
かなかった。

【図面の簡単な説明】

第１図は２つの水平な列として配列した炭素繊維のマル
チフィラメントストランドで補強した本発明のセメント
ビームの端部分を示す透視図、第２図は第１図の炭素繊
維強化セメントビームを製造するのに適したモールドの
上面図であり、第１水平列の繊維ストランドをモールド
内に張設しているところを示す。 第３図は２つの水平列の繊維ストランドを張設した後第
２図のモールドの画室の１つの概略側面図である。 １０・・・・・・セメントビーム、１１・・・・・・炭
素繊維のストランド、１２・・・・・・モールド、１３
・・・・・・側部パネル、１４，１５・・・・・・仕切
パネル、１６・・・・・・スロット、１７，１８・・・
・・・スロット、１９・・・・・・端パネル、２０・・
・・・・スペーサバー、２２・・・・・・支柱、２３・
・・・・・炭素繊維のストランド、２６・・・・・・疎
水性樹脂系。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 補強用炭素繊維のマルチフィラメントストランドを
   編入したセメント質構造体から成る強化セメント構造体
   において、 予め疎水性の液体樹脂系を含浸させた補強用炭素繊維の
   マルチフィラメントストランドを水性のセメント質マト
   リックス内へ編入し、該疎水性樹脂系を該水性のセメン
   ト質マトリックスと同時に硬化させ、該樹脂系により前
   記繊維を互いに、かつ、セメント質マトリックスのセメ
   ント粒子に結合させて成る、改良された曲げ強さを有す
   る炭素繊維強化セメント構造体。 ２ 前記炭素繊維のストランドを複数の平行な列として
   前記マトリックス内に配列したことを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載のセメント構造体。 ３ 前記疎水性樹脂系は、エポキシ樹脂と反応性のエポ
   キシ樹脂硬化剤とから成るエポキシ樹脂系であることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項記載のセ
   メント構造体。 ４ 前記エポキシ樹脂硬化剤は疎水性脂肪アミンである
   ことを特徴とする特許請求の範囲第３項記載のセメント
   構造体。 ５ 前記疎水性脂肪アミンは「アンカミン」Ｒであるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第４項記載のセメント構
   造体。 ６ 改良された曲げ強さを有する炭素繊維強化セメント
   構造体を形成するための方法において、モールド内に所
   望の高さにまで水性の第１セメントコンパウンド層を充
   填し、炭素繊維の連続ストランドに疎水性の液体樹脂系
   を含浸させ、該ストランドを前記セメントコンパウンド
   層の表面上に前記モールドの長手方向に沿って前後に折
   返しながら張りめぐらし、第１セメントコンパウンド層
   の上に水性の第２セメントコンパウンド層を追加し、前
   記疎水性樹脂系と第１および第２セメントコンパウンド
   層を同時に硬化させて炭素繊維入りセメント構造体を形
   成することから成るセメント構造体形成方法。 ７ 前記疎水性樹脂系として、エポキシ樹脂と反応性の
   エポキシ樹脂硬化剤とから成るエポキシ樹脂系を使用す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第６項記載のセメン
   ト構造体形成方法。 ８ 前記エポキシ樹脂硬化剤として疎水性脂肪アミンを
   使用することを特徴とする特許請求の範囲第７項記載の
   セメント構造体形成方法。 ９ 前記疎水性脂肪アミンとして「アンカミン」Ｒを使
   用することを特徴とする特許請求の範囲第８項記載のセ
   メント構造体形成方法。