JPS62226847A - モルタルまたはコンクリ−ト用補強材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、炭素繊維と水硬性無機微粉体の水和物とを
含むモルタルまたはコンクリート用補強材に関する。

〔従来の技術〕

従来の、モルタルまたはコンクリート用補強材としては
鉄筋（鉄筋、金網ラス、エキスバンドメタル等の、ステ
ンレス鋼を含む鋼材をいう。以下同じ。）が広く使用さ
れ、鉄筋が配置された領域にコンクリートを打設しこれ
が硬化することにより、コンクリートが鉄筋外周に付着
して両者が一体化されて、コンクリートの補強がなされ
ている。

また、特開昭５９−１０３７１３号公報Ｇこ記載される
ように、炭素繊維を枠状に成形してこれをコンクリート
製品の補強材として用いることも知られている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、前記鉄筋にあっては、材質が鉄であるた
めに錆の発生が問題になる場合がある。

即ち、コンクリ−１〜の打設前に鉄筋に錆が発生してい
ると、打設したコンクリートと鉄筋との結合が不完全に
なって、コンクリートへの補強効果が減退することにな
り、またコンクリートの硬化後にコンクリートに発生し
た割れ目等から水が浸入したり、中性化や塩害等により
鉄筋に錆が発生すると、結合している鉄筋とコンクリー
トとが離れて、この場合にもコンクリートへの補強効果
が減退するという問題点がある。

また、鉄とコンクリートとは相互の接着力が必ずしも充
分ではなかったために、両者を充分に結合させる目的で
鉄筋の外周に凹凸を形成して、両者の接着面積を増大さ
せたり、物理的にかみ合わせる手段をとるのが一般的で
ある。さらに、前記鉄筋は重量が大であるために、その
取扱いが不便であり且つ鉄筋で補強された薄肉のコンク
リート成形体の場合では重量増加をもたらす等の問題点
もある。

また前記公開公報記載の枠状をした炭素繊維はそれ自体
が補強材をなすものであるから、これをコンクリート打
設ｊＪｉ域に予め配置する等の現場作業においては、炭
素繊維が露出した状態にある。

このため、その破損や切断を招くおそれがあり、またコ
ンクリート打設の衝撃や骨材の押圧力によって炭素繊維
の曲げや切断のおそれがあるため、現場作業に困難が伴
うという問題点がある。

この発明は、このような従来技術の問題点に着目してな
されたものであり、コンクリートとの親和性が高くてコ
ンクリートに対して強固に結合でき、しかも耐腐食性や
耐久性が高く、不燃性で、高温でも耐力の低下が少なく
且つ軽量であり、さらに強度も高いコンクリート補強材
を得ることを目的としている。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明のモルタルまたはコンクリート用補強材は、炭
素繊維と水硬性無機微粉体の水和物とを含み、前記炭素
繊維は連続繊維であり含有量が全体に対する体積比で５
〜３０％であって、これらが一次元配向且つ分散されて
なり、また使用する水硬性無機微粉体の平均粒径は炭素
繊維の直径以下であり、各炭素繊維がその間に介在され
る前記水硬性無機微粉体の水和物により結合され、且つ
表面に前記水硬性無機微粉体の水和物の一部又は全部が
露出されてなる。

〔作用〕

炭素繊維は、組成体に体積比５％から３０％まで含まれ
ていてその上限値が高いため、多量の炭素繊維を含むこ
とが可能であるから、このコンクリート補強材は強度が
増大する。５％未満の場合は、水硬性態ａ微粉体の硬化
体の乾燥収縮が通常のものより大きく、この収縮を拘束
しきれないため硬化体内部にひびわれ等を生じ易く、期
待する効果が発蓮されない。また使用する水硬性無ＦＩ
Ａｍ粉体の平均粒径が炭素繊維の直径以下であるから、
含浸製造時に水硬性無機微粉体が各炭素繊維間に充分に
回り込み、この水硬性無機微粉体の水和物が各炭素繊維
間を確実に連結するごとになる。このことは−次元配向
された炭素繊維間に水硬性無機微粉体の水和物が均一に
分散されるため、強化材である炭素繊維の特性を充分に
生かすことができる。この意味からもこのコンクリート
補強材の強度が増大し、且つ粒径の大きい水硬性無機微
粉体を使用した時に生ずる水硬性無機微粉体による炭素
繊維自体の屈曲及び切断を防止する。なお、水硬性微粉
体は、ポルトランドセメント、アルミナセメント、耐硫
酸塩セメント、高炉セメントまたはこれらと潜在水硬性
を有する超微粒子シリカとの混合物の微粉体またはこれ
らを主成分とする微粉体である。また、局体積比で炭素
繊維を一次元配向しても、炭素繊維の微視的な直線性と
繊維１、ｔ１本の分散性が確保される。

さらにこの発明は、水硬性無機微粉体水和物がコンクリ
ート補強材の表面にも露出しているため、打設されたコ
ンクリートとの親和性に富み、補強体と打設コンクリー
トとの結合が強固になされる。

このため、コンクリートの補強効果は顕著になる同時に
、補強体の主成分が炭素繊維とこれを結合するセメント
水和物であるため耐久性に冨むことから、コンクリート
と補強材との間の結合が脆弱になることはない。なお、
この発明の補強材とコンクリートとが強固に結合される
ことの前記作用は、この発明の補強材の表面に凹凸を形
成してその結合力をさらに強固にすることを妨げるもの
ではない。

以下に本発明のコンクリート補強材について表＝１のよ
うな成分と配合例を挙げて説明する。表のような成分と
配合の配合物を基礎としており、これが充分水和し硬化
した状態にある。

表−１ ※まだ固まらない組成体に対する割合。

はじめに前記の表の配合物について説明すると、このま
だ固まらない配合物の単位容積当りの重量は、１．７７
ｋｇｆ／＃であり、ここでは、繊維補強効果を向上させ
るため、直径７μｍのＰＡＮ系（ポリアクリロニトリル
）高強度炭素繊維を用いている。しかし、炭素繊維の束
を長繊維（連続繊維）とし、これに弱い引っ張り力を加
えた状態で水硬性無機微粉体スラリー（セメントスラリ
ー）を含浸させることにより、炭素繊維の各車体の間に
水硬性無機微粉体を回り込ませることができ、また炭素
繊維の折損を防ぐことができた。前記ＰＡＮ系炭素繊維
に代えてレーヨン系、ピッチ系の炭素繊維を用いること
もでき、またその直径を、例えば６．４又は８．０μｍ
のように適宜選択することもできる。

ここでの水硬性無機微粉体は超微粉末高炉系セメントを
用いており、その平均粒径は４μｍである。水硬性無機
微粉体の粒径が炭素繊維の直径７μｍより大きいと炭素
繊維のまわりに水硬性無機微粉体スラリーがまわり込み
に＜＜、炭素繊維を損傷しやすく、炭素繊維の性能を十
分に発揮させることが難しいので好ましくない。前記炭
素繊維の直径７μｍより大きい直径の粒子は前記水硬性
熱ａ微粉体全体の１０％とし、最大粒径を１０μｍとし
ている。炭素繊維の直径より大きな粒子の含有率は、水
硬性無機微粉体全体の３０％程度までは可能であるが、
これを超えると、含有率の高い炭素繊維の間に入り込ん
だときに炭素繊維に曲げが発生して、組成体の硬化後の
部材の強度や弾性率が低下するおそれがあるので平均粒
径７μｍ以下にする必要がある。而して、炭素繊維の含
有率を向上させ、且つ各炭素繊維間に水硬性無機微粉体
を回り込ませて、各炭素繊維間での同繊維と水硬性無機
微粉体水和物との結合力を確保するためには、炭素繊維
の直径よりも大きい直径の水硬性無機微粉体は、水硬性
無機微粉体全体の３０％程度以下であることが望ましく
、この粒子は少ないほど好適となる。

前記大きな粒子が３０％程度以上存在すると、前記水硬
性無機微粉体ペーストを含浸させる段階で炭素繊維を屈
曲するような力が作用するため、炭素繊維の一部が折れ
、この折れた繊維が、配合物の含浸法である繊維東連続
浸漬法等に使用される装置のガイド類（ローラ等）に付
着して、ここを通過する炭素繊維が次々に折れることが
あり、すると最終的には炭素繊維の東全体が破断してし
まって組成体の連続生産が不可能になることもあるから
、前記大きな粒子の含有率が前記３０％程度を超えない
ように制御することが好適である。

炭素繊維含有量が５〜１０％未満場合は３０％以下、炭
素繊維含有量が１０てし２０％未満の場合は２０％以下
、炭素繊維含有量が２０〜３０％の場合には１０％以下
である。フィラメントワインディング法やプルプレッシ
ング法で水硬性硬化体内に、体積比で１０％程度の炭素
繊維を含有された例が報告されているが、調合や方法等
の詳細が明らかにされておらず、従来技術では炭素繊維
が含浸工程で折れることにより、連続的に含浸させるの
が困難であったと推測される。発明者らの調査によれば
、上記の方法含浸法でこの発明のように体積比５〜３０
％の炭素繊維を混入した硬化物が大量に製造されたとい
う事実はない。

逆に、前記水硬性無機微粉体に細かいものが多すぎると
、混純水の含有率が高くなりすぎてマトリックスとして
の力学特性が低下する。このため、前記水硬性無機微粉
体の平均粒径は前記炭素繊維の直径の２０〜１００％の
範囲にあることが好ましく、この実施例では平均粒径が
前記のように４μｍであるから、これは炭素繊維の直径
の約５７％である。

従来は細かい水硬性無機微粉体を用いてはいるが、それ
でも最大粒径が数ｌＯμｍと大きいため、前記のような
連続生産において炭素繊維の折れを防止し、且つ炭素繊
維の含有率を全体の体積比１０％以上とすることは困難
であったが、本発明では水硬性態ａ微粉体の径を前記の
条件にしたために、炭素繊維の含有率を配合物全体の体
積比３０％までで且つ、炭素繊維を全体の断面に実質的
に平均して分散させることが可能になった。

なお、この配合物に用いる前記超微粉末水硬性無機微粉
体は、水中に均一な状態で分散させることが難しいこと
から、これを改良し、また混純水を減少させることによ
り硬化後の部材の強度向上や乾燥収縮の低減等のように
諸物性を改良するために、高性能減水剤（ナフタレンス
ルホン酸／ホルムアルデヒド縮合体、精製リグニンスル
ホン酸塩又はメラミンスルホン酸塩あるいはこれらの混
合物、とりわけナフタレンスルホン酸／ホルムアルデヒ
ド縮合体のアルカリ及びアルカリ土類金属塩からなる種
類が特に硬化があり、市販製品では商品名マイティとよ
ばれている。）を添加する手段を採ってもよい。しかし
、高性能減水剤を大量に添加したスラリーは、粘稠な液
状を呈し且つ水硬性態ｍ徽粉体が分離する傾向が強いが
、この分離のおそれが高い場合には分離防止剤を用いれ
ばよい。

分離防止剤としては粒径２．０〜０．１μの超微粒子シ
リカを前記の表の通りに用いた。この超微粒子シリカに
より、含浸工程で充分な分離防止効果を出すためには水
硬性無機微粉体重量の６〜７％程度以上を用いることが
必要になるが、同３０％程度以上になると混純水の増加
などをもたらすため好ましくない。この表−１では超微
粒子シリカを超微粉末高炉系セメント重量の約１９．４
％としている。またこの超微粒子シリカの添加は、水硬
性無機微粉体間の空隙にある水の部分を部分的に超微粒
子シリカで埋めて、水硬性態ａ微粉体と炭素繊維との間
の結合力を増加する作用もあるが、主たる目的は含浸法
で炭素繊維の折れるのを防止し、連続生産を可能とする
ためである。

また、この表−１では前記のように小さい粒径の水硬性
態Ｊｌｉ　？＆粉体を使用したうえ、前記の表のように
水の含有量を比較的大にしている。このためこの配合物
を硬化させてなる部材は、マトリックスである水硬性無
機微粉体の硬化体が比較的軟らかく、引っ張り歪みを、
従来炭素繊維のマトリックスとして用いられている水／
水硬性無機微粉体比の小さい水硬性無機微粉体の硬化体
の１．５〜２倍程度許容している。その結果この発明の
補強材の力学特性が向上した。また発明者らの実験によ
れば、許容する引っ張り歪みをさらに大にするためには
、アニオン系のアクリル系ポリマーディスパージョンや
乾燥収縮低減剤および膨張材の添加等が効果的であるこ
とも分かった。

さらに、前記配合物に使用した水硬性無機微粉体以外に
は、水硬性無機微粉体の粒径が炭素繊維の直径を超える
ものを殆ど含まないようにして、高性能減水剤を添加す
ることなしに、カチオン系のアクリル系ポリマーディス
パージョンを添加しても同様に許容引っ張り歪みを大き
くすることができた。その添加量は、配合物が硬化して
なるコンクリート補強材の不燃性を損なわない程度の量
としては、全体の体積比３％程度以下である。しかしこ
れを超えた量を添加すると不燃性は失われるが、許容す
る歪みは添加量の増加に伴って増大することが分かった
が、その添加量の上限は全体の体積比で２０％程度まで
である。その結果、前記ポリマーディスパージョンの添
加量は、配合物が硬化して得られるコンクリート補強材
を用いるコンクリート成形体の用途に対応して、不燃性
を求めるか、或いはこれを無視して許容引っ張り歪、　
みの大きさを求めるか決定されるべきである。

かかる配合物は、通常、湿空養生や水中養生。

不透湿性フィルムを施して気乾状態で養生したりして、
所定の強度を得るが、目的に応じて、高圧水蒸気養生等
の手段により養生、硬化させてコンクリート補強材が形
成される場合もある。第１図は、コンクリート補強材の
一例の半断面図であり、補強材を断面円形にした例であ
る。なお、この図は説明の便宜のためのものであって、
コンクリート補強材１の直径と、炭素繊維２．水硬性無
機微粉体の水和物３．超微粒子シリカの水和物４等の直
径とは拡大率が相違している。この中で、最も直径の大
きいものの大部分が炭素繊維２であり、水硬性無機６ｆ
ｔ粉体３の径はそれより小さく、また超微粒子シリカの
水和物４も水硬性無機微粉体３の間に混入される。ここ
で、コンクリート補強材１の外面には水硬性無機微粉体
の水和物３が露出していることが理解できる。また、前
記の表における含有水分の体積比は５０．０％になって
いるが、この水分の一部は水和に利用され、一部が吸若
水として残っている。

なお、図示した前記補強材は、炭素繊維の分布が断面内
において大体均一になっているが、炭素繊維の分布は、
補強材の外周近くにあるていど集中して分布してもよい
し、また中心近（にあるていど集中して分布してもよい
。これらは、補強材が使用されるコンクリートの使用目
的に対応して決定されるものとする。さらに補強材の断
面は、中実の円形以外にも中空の円形や、また角形その
他の形状のものとすることも可能であり、また表面に凹
凸を形成することや、中途で屈曲した形状をなす等、補
強材の形状も各種に変化させることができる。さらに、
炭素繊維は補強材の長手方向に配向しているため、補強
材を切断または裂くことは比較的容易であるから、板状
に形成した前記配合物を前記のように硬化させ、これを
適宜の大きさに切断または裂くことによりこの発明の補
強材を形成することも可能である。

かくして形成されたコンクリート補強材は、水硬性無機
微粉体と炭素繊維の結合が強固であり且つ炭素繊維の含
有量を大きくすることが可能になったため高強度の部材
となり、またこの部材の性状は、軽量であり、且つ耐腐
食性、不燃性、耐アルカリ性、自己調湿性、透湿性、導
電性等に富む。

〔発明の効果〕

以上説明したように、この発明に用いられる炭素繊維は
配合物に体積比５％から３０％まで含まれていて、その
上限値が高いため多量の炭素繊維を含むことが可能であ
るから、この配合物により形成されるコンクリート補強
材は強度が増大する。

また使用する水硬性無機微粉体は平均粒径が炭素繊維の
直径以下となっているから、水硬性態１ｍ　？Ａ粉体が
各炭素繊維間に充分に回り込み、この微粒子の水和物が
各炭素繊維間を確実に連結することになるため、この意
味からもこの発明に係る補強材の強度が増大する。

特に、この発明において、水硬性無機微粉体の平均粒径
を前記のように極端に小さくしていることは、前記粒子
が炭素繊維を屈曲させることを防止することになり、且
つ炭素繊維相互の間隔を小さくすることができるから、
補強材の含有炭素繊維量の増大を可能にしている。この
ことからも、この発明の補強材では、水硬性無機微粉体
の粒径を小さくしたことが、第１に多量の炭素繊維の含
有を可能とし、且つ第２に炭素繊維間を水硬性無機微粉
体が強固に結合することを実現させたものであり、これ
らの結果価れたコンクリート補強材を作ることができる
という効果がある。

さらにこの発明によれば、水硬性無機微粉体の水和物が
コンクリート補強材の表面にも露出しているため、打設
されたコンクリートとの親和性に冨み、補強体と打設コ
ンクリートとの結合が強固になされる。このため、コン
クリートの補強効果は顕著になり、なおかつ、補強体の
主成分が炭素繊維とこれを結合する水硬性無機微粉体の
水和物であるため耐久性に冨むことから、コンクリート
と補強材との間の結合が脆弱になることはない。

また、炭素繊維は水硬性無機微粉体の水和物によって結
合されていて容易に屈曲や破損を生じないため、この補
強材をモルタルやコンクリート打設領域に配置する作業
中や、打設されたモルタルやコンクリートの骨材による
炭素繊維の破損を生じるおそれもないから、この発明に
よる補強材の補強効果は高い。また、まだ固まらない状
態の前記配合物を、恰もロープを引き回すようにして配
設し、そのままモルタルやコンクリートを打設して一体
化することも可能となる。

〔実施例〕

表−１に示した水硬性無機微粉体スラリー（母材混合物
）を調製し、ここに炭素繊維束（６０００フィラメント
束、単繊維直径７μｍ）を引張り張力２０ｍｇ／ｄにて
連続的に浸漬し、繊維間に水硬性無機微粉体スラリーを
含浸させ、水硬性無機微粉体スラリー含浸炭素繊維束と
した。この炭素繊維束５１本を内径ｉｏａｍφ長さ１ｍ
のアクリル樹脂チューブ中に導入し、２０℃にて２４時
間静置後５０℃温水中４８時間浸漬した。この段階でチ
ューブより取り出しさらに１週間室内に静置した後、１
８０℃の高圧水蒸気養生を７時間行ってほぼ完全に硬化
させた。得られた成形物は、実質的に連続繊維が一次元
配向されており、繊維間には水和物が介在していた。こ
のものの性能は表−２の通りであった。

また、この成形物の断面を走査型電子￥８８’ｌｚ鏡写
真にて示すと第３．４図の通りである。第３，４図にお
いて２は炭素繊維、５は母材を示す。

得られた棒状成形物の表面をサンドペーパーにて削り面
荒し後、Ａ３７ＭＣ２３４６２（鉄筋ボンドによるコン
クリート試験方法）に示される方法に準じて試験体を作
成した。比較のため同一直径の普通丸鋼の試験体も作成
した。使用したコンクリートの圧縮強度は２９０　ｋｇ
ｆ／Ｃｍ”で、付着応力度は３２　ｋｇｆ／ｃｍ”であ
ったが、本実施例の棒状成形物の付着応力度はこれを約
１０％大きい値を示し、良好な付着性を有していること
が確認された。なお、この棒状成形物の引張強度は１９
００ｋｇｆ／ｃｍ”である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す半断面図、第２図（
ａｌ及びＴｂｌはそれぞれこの発明の他の実施例を示す
斜視図、第３図及び第４図はそれぞれこの発明の実施例
の電子ｗ４微鏡写真（１５８０倍）である。 １・・・コンクリート補強材、２・・・炭素繊維、３・
・・水硬性態ａ微粉体の水和物、４・・・シリカヒユー
ムの水和物、５・・・母）オ（’Ｄ’） ４′＼３　ｉ、、ｉ；１ マ）今゛ 手続主車Ｊ］Ｅ書（方式） ％式％ １、事件の表示 昭和６１年特許願第６９５６７号 ２、発明の名称 モルタルまたはコンクリ−１・用補強材３、補正をする
者 事件との関係　特許出願人 名称　　　　大成建設株式会社（他１名）４、代理人 住所　東京都千代田区丸の内−丁目４番２号東銀ビルヂ
ング　６階　６２８区 日栄特許事務所 ６、補正の対象 明細書の図面の簡単な説明の欄 ７、補正の内容 （１）　　図面の簡単な説明の欄を下記の通り全文訂正
する。 「第１図はこの発明の一実施例を示す半断面図、第２図
（ａ）及び（ｂ）はそれぞれこの発明の他の実施例を示
す斜視図、第３図及び第４図はそれぞれこの発明の実施
例の繊維の形状とセメント粒子構造とを示す電子顕微鏡
写真（１５８０倍）である。 １・・・・・・コンクリート補強材、２・・・・・・炭
素繊維、３・・・・・・水硬性無機微粉体の水和物、４
・・・・・・シリカヒユームの水和物、５・・・・・・
母材」以　　上

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）炭素繊維と水硬性無機微粉体の水和物とを含み、
   前記炭素繊維は連続繊維であり含有量が全体に対する体
   積比で５〜３０％であって、これらが一次元配向且つ分
   散されてなり、また使用する水硬性無機微粉体の平均粒
   径は炭素繊維の直径以下であり、各炭素繊維がその間に
   介在される前記水硬性無機微粉体の水和物により結合さ
   れ、且つ表面に前記水硬性無機微粉体の水和物の一部又
   は全部が露出されてなるモルタルまたはコンクリート用
   補強材。
2. （２）水硬性無機微粉体の水和物は、炭素繊維の直径よ
   り大きい粒径のものが水硬性無機微粉体総量に対する体
   積比で３０％以下である特許請求の範囲第１項記載のモ
   ルタルまたはコンクリート用補強材。
3. （３）切断面で観察される、相隣接する炭素繊維間の距
   離が、該炭素繊維の半径より離れているものの割合が８
   ０％以上である特許請求の範囲第１項又は第２項記載の
   モルタルまたはコンクリート用補強材。
4. （４）水硬性無機微粉体は、炭素繊維の直径より大きい
   粒径のものが水硬性無機微粉体総量に対して体積比で３
   ０％以下であり、且つ炭素繊維の直径より大きい粒径を
   もつ水硬性無機微粉体の含有量が、炭素繊維含有量が５
   〜１０％未満の場合は３０％以下、炭素繊維含有量が１
   ０〜２０％未満の場合は２０％以下、炭素繊維含有量が
   ２０〜３０％の場合には１０％以下である特許請求の範
   囲第１項ないし第３項のいずれかに記載のモルタルまた
   はコンクリート用補強材。
5. （５）水硬性無機微粉体が、ポルトランドセメント、高
   炉セメント、アルミナセメント、耐硫酸塩セメントの少
   なくともいずれかの微粉体又はこれらを主成分とする微
   粉体である特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれ
   かに記載のモルタルまたはコンクリート用補強材。
6. （６）炭素繊維は全体の断面に実質的に平均して分散し
   ている特許請求の範囲第１項ないし同第５項のいずれか
   に記載のモルタルまたはコンクリート用補強材。
7. （７）高圧水蒸気養生により硬化されてなる特許請求の
   範囲第１項ないし同第６項のいずれかに記載のモルタル
   またはコンクリート用補強材。