JPS63552A - 繊維補強セメント系部材 - 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〉 本発明は空維補強材をセメント系マトリックス中に配列
、埋設してなる伊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、中窒板、ブ
ロッ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ったが、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（ρ維が
補強低給として用いられるようになって来た。

〈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勿９キ１トを−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シやずいという欠点があ
った。

このため長繊維を予め直線状又は格子状に成形し、セメ
ント系マトリッ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−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
。

−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線、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チ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一チ以下
程度の引張弾性率が極めて大きい繊維である。

従って、これらの引張破断伸びの小さな高特性繊維を用
いた＊、ｍ補強セメント系部材では、引張或いは曲げの
最大応力度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ｉを上半部よシ少量とし九伊維補強セメント
板（特開昭５≠−／５０４ｔ、２０号公報）、 ■　繊維を多量に混合した下層の檀絣補強層と、必要に
応じて繊維を少を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．≠〜０．７倍と
されている繊維補強セメント板（特開昭ｊ弘−１０３２
弘号公報）、 ■　表面からＪｆ＋Ｉ！ｎ以内の表層部に集中して繊維
ヲ分散配向せしめたｌ＃維強化セメント硬化体（特開昭
ｊ７−／／ｒ＆／号公報）、あるいは ■　スチールメツシュを応力材として攪層配ツシュを介
装してなる高靭性フェロセメント板（特開昭６０−／、
２！６０６号公報）等が知られている。

しかし力から、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Ｋ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
九い問題がある。

又■の場合においては、配筋するスチールメツシュが苛
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υ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ｐ１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竣に引張強力の異なる長依維を該部
材の引張応力を負担するように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使、
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、本発明の詳細な説明する。

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ブし
い。

本発明におけるセメントマトリッ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／は中央−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。

コは該部材の曲げ応力の中立軸（第１図中のＮｙｌ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相出来るよ
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＊Ｔ−１で表わされる）に配設さ
れ次、よυ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凡てい
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っていても
よい。

３はより引張強力が小さくかつ、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Ｆｉコ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り横紐の
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
配設される該線維の断面積との情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翠低給の場合は
、ＴＩ８規格Ｒ７６０／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、セメントマトリックス中に！、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Ｆの引張強力が中立軸に遠い位
置に配設される多繊維の引張強力よシも犬きくなるよう
配設することである。本発明のように長伊維を配設した
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図已に示す。

すなわち、たわみが増すと中立軸からよフ遠い位置にあ
る、よシ大きな引張歪みを受ける引張強力の小さな多繊
維がまず破断じ、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、少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４ｍ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
の大きな是繊紺自体が破断し、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
引張強力の長仲惟を配設した場合には、第２図すのよう
に遠い位置の長続゛維が破断した時点の荷重ばａの場合
よυ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、荷重の落ち込みが太きく、さらに之
わみを加えると大した荷重増大もなく、全路的に近い位
置の繊維も破断し、そのたわみｇばａの場合よりも小さ
くなる。

プらに、巳の場合とは逆に、遠い位置に配役する長繊維
の方が引張強力が大きい場合には第一図Ｃのように遠い
位置の繊維が破断し次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
Ｋは、本発明のようにより引張強力の大きな繊＃＃全中
立軸によｐ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
張強力を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９、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Ｒ＃
＃強力の７、コ倍以上、好ましくは７．５〜４ｃ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１本発明でより優れる曲げ靭性を得るためＫ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。

例えば、破断伸びが異なる。２ｖ４類の繊維を用い、本
発明の如く配設した場合には、＃２維補強部材の曲げに
おける荷重−次わみ曲線は第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＄１！雄が破断し、最終
的に近い位置ある破断伸びの大きな伊維が破断するとの
曲げモードとなる。

これに対して、第３図すは破断伸びが同じ一種類の＃１
！ｍ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
異方る繊維を組合せて使用すれば、大きな荷重を維持し
つつ、よシ大きなたわみが実現出来、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＃３２維を中立軸からよ
シ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Ｍを近い位置に配設しｆｃ場合の荷重−たわみ曲線
は第≠図ａに示すように、同じ弾性率の繊維のみを二層
に配設した第弘図すの曲線に較べ、同じたわみ景での荷
重が犬きく、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ＫＪｄ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ぼ同様となるよ
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
加したい袖強効果に応じて適宜決定されるものである。

つぎに１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糸が数百本乃至数百本束状に
なったものを用いる。

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、付着させ単糸どうしを結着
して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、フェノール樹脂、ポリビニルアルコールなどが用い
られる。

又、セメントマトリッ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４ＡＯ℃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全付着させる方法々どを用い
てもよい。

セメントマトリッ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、セメントマトリックスへの投錨効
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、引張強力がコｆ−ＩＩ類以上異
なる檀維であれば、それ以上の多種類を使用するのに伺
ら支障なく、その際にはより引張強力の大きな繊維量よ
り中立軸に近く位置するよう配設すれば良い。

又、本発明で用いる長紗Ｗ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、
それが絡み織シにて構成され、絡み繊維が本発明で云う
債Ｑ（Ｉの長手方向に配置されていると、より高強度、
高靭性の繊組補強部材が得られ好ましい。

本発明の長偉維のセメントマトリックスへのｔ６ｔ＝ 埋込みは常法によって行えｊよい。

例えば従来のＭ層・埋股沫によってもよいし、予め立体
的に型枠内に組込んだ後、マトリックス材料を注入して
硬化させてもよい。

この際、ハ議ズレ−ター等により振動をかけて脱ｉ２し
てやれば、セメントマトリックスと補強用＋ａ　４Ｍ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
ロッ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、神強却維の配設位置に応
じて、その引張強力ｔＸ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、用途や荷重や
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／ コールタールピッチから作られたメソフェーズ系高伸度
炭素繊維（直径約７７ミクロンの単糸約４ｃｏｏｏ本か
ら成る）をアセトンで希釈した硬化剤を含むエポキシ樹
脂溶液にて含浸し、加熱硬化して、樹脂含有率ＩＡ７％
の直線状長繊維を得、その物性を第１表中に示した。

この８ＮＮｌ２をその張子方向にエポキシ系接着剤で接
合し７束にしたものを、幅；弘Ｏ×高さ：、２０Ｘ長さ
；Ｊ２０ｆＭｎのセメント系曲げ部材の曲げ中立軸から
ツーの距離（第１図中駒で表わす）に、核繊維の長手方
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束を合計した掃絹断面櫃及び引張強力を第１表中に示
した。

一方、同じ長轢維各／本を同じく中立軸から７℃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本を等間隔に
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．ｊ　ｔｒａｒ＋粒径）を用い、水／セメント比は
θ、４Ｌ／ハ骨材／セメント比はθ、４７／／　　とし
た。

／週間養生後の繊維補強セメント系供試体をスパン７！
ｔ　Ｏｔｖｎで中央−点載荷曲げ試験し、得られた曲げ
応力度−たわみ曲線を第ｊ図已に示した。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？　／　ｋ
Ｖ／ａｄであった。

比較例／ 実施例／と同じ長繊維−本を同じく接合して７束にした
ものを、実施例／と同じくして中立軸から２能の距離と
２闘の距離とに、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図すに示した。

比較例コ 実施例／と同じ長９維ｊ本を中立軸からコサの距離に、
同じ長繊維３本を７束に接合した５束を中立軸から７ｍ
の距離に配設した。

これらの断面積及び引張強力を第１表中に示し、得られ
た曲げ応力度−たわみ曲Ｍ４を第ｊ図Ｃに示した。

実施例λ コールタールピッチから作られたメソフェーズ系低伸度
炭素繊維（直径約７０ミクロンの単糸約−２０００本か
ら成る）を用い実施例／と同様にして、樹脂含有率弘！
矛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＃３本を接合し７束にしたものを２束と
実施例／の高伸度長繊維３束とを、中立軸から５ｔｔｒ
ｔｎの距離に等間隔に配設した。

−方中立軸から２配の距離に実施例／の高伸度長線＃≠
本と上記の低伸度長繊帷／本との計ｊ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−次わみ曲線を第６図に示した。

「アルファイバーＪ　ＡＲＲ２１ＡＯ’０ＴＦ３　）を
用い、実施例／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Ｒ１？維２本を接合し７束にしたものを３
束と、実施例／の高伸度炭素長線＃λ本を接合し７束に
したものコ束−と金、中立軸から参朋の距離に等間隔に
配設した。

一方、中立軸から７１ａｎの距離に同じガラス長＃！維
／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。

実施例弘 ミ アラｌドＬｖ維（米国デュポン社製、商標「ケブラー≠
２」／弘、２０デニール）を用い、実施例／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、７ξド長ｍａ１本を接合し７束にしたものを弘
束と、実施例３で用い之ガラヌ長生維λ本とを、中立軸
から３配の距離に等間隔に配設した。

一方、中立軸から２門の距離に同様のアラミド長繊維≠
本と、ガラス長繊維７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２図に示した。

【図面の簡単な説明】

第１図はｌｉＲ，補強強セメント系部材の平面図及びそ
の断面。 第２〜を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ｊ−１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。 ／　繊維補強セメント系部材 ２　引張強力のより大きな長縁、維 ３　引張強力のよシ小さな長繊維 Ｌｌ　　引張強力のよシ大きな長繊維の中立軸からの距
離 Ｌ２　　引張強力のよシ小さな長繊維の中立軸からの距
離 出　願　人　　三菱化成工業株式会社 代　理　人　　弁理士　要否用　　　−Ｎ斉一〜ｌ／＋
） 昂１　図 第２回 天　３　巳 ｔ−旬と 第４図 たり呼 遁す図 曲け゛友Ｂ力皮（ｋ５／ｃｍ）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）曲げ応力を受ける繊維補強セメント系部材であつ
   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、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
   繊維補強セメント系部材。
2. （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項の部材。
3. （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項の部材。
4. （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項記載の部材。