JP2506365B2 - セメントモルタル又はコンクリ−ト補強用繊維及び該繊維を使用した組成物 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は、セメント等水硬性物質と補強繊維を配合す
ることにより、施工性、補強性に優れた建築用又は土木
用建築資材に関する。

＜従来技術とその問題点＞ セメントモルタル及びコンクリート等の水硬性物質よ
りなる成形物は脆性物質であるため耐曲性が著しく低
く、引張りや曲げの力が作用すると容易に破損したり、
亀裂が入ったり、又耐衝撃性に劣る欠点を有している。

このような欠点を補うために鉄筋や鉄骨との併用が採
られ、更には種々の繊維を添加する方法で補強する方法
も知られている。

本発明者等は、かかるセメントモルタル及びコンクリ
ート（以下モルタル等と略記）の欠点を改良すべく特開
昭59−8664号公報に記載の技術を提案したが、その後の
検討により該特開昭59−8664号公報に記載の技術に用い
る100〜1000デニール（以下Drと略す）のポリビニルア
ルコール（以下PVAと略す）系モノフィラメントは補強
性は優れているものの、分散性が悪く、モルタル等の流
動性を低下させるために施工性に問題があることが判明
した。この問題を改善すべく種々検討の結果、繊度は10
00Dr以上にすることが不可欠であるという結論に到達し
た。当時1000Dr以上であって補強に必要な高強力を有す
るモノフィラメントの製造技術はなかった。

1000Drのモノフィラメントとしての、ポリエチレン繊
維（ボンフィックス 平均直径0.9mm）が市販されてい
たが、施工性等は良好なるも繊維の強度が低いために補
強効果が小さい。一方PVA系でも1000Dr以上の高強力モ
ノフィラメントの製造技術開発を鋭意検討したが目標を
達成することができなかった。

従って本発明者等は止むなく高強力が得やすいマルチ
フィラメントを集束し、その改善を試みた。即ち特開昭
60−21559号として提案の如く、高強力マルチフィラメ
ントを撚糸し、更に疏水性樹脂でがっちりと集束した50
00Drまでの集束糸をモルタル等に配合する技術である。
該る集束糸はモルタル等混練する際も、細Drのモノフィ
ラメントには分繊しないために分散性がよく、施工性の
問題は解消することができた。しかしながら、本来モル
タル等との接着性のよいPVA系繊維ではあるが、集束性
を高めるためにその表面を疎水性樹脂で覆わざるを得な
かったために接着性が低下し、従って該集束糸はそれ自
体は高強力であるにも拘らず補強性があまりよくない結
果となった。加えて該る集束糸はマルチフィラメントを
撚糸し、更に集束剤で処理し、乾燥、キュアリングを行
わなければならず、従って工程数が増加し、生産性も低
いのでかなりのコスト高となる。このことが実用上は特
に大きな障害となっている。

以上の如く、モルタル等の補強繊維として、その補強
性、施工性ともに満足すべき繊維はなく当該業界におい
てはその出現が切望されていた。

＜問題を解決するための手段＞ 本発明者等はこれまでの経緯から明らかな如く、上記
問題を解決するには、1000Drを越える高強力PVA系モノ
フィラメントの開発が不可欠と考え、鋭意研究の結果、
本発明に到達したものである。

問題を解決するための手段、即ち本発明の構成上のポ
イントは太Dr高強力PVA系モノフィラメントにあり、本
発明の該モノフィラメントは以下の特性を有するもので
ある。

（１）繊維断面が短径と長径の比（以下扁平度と略記）
として1:2〜1:10である。扁平状のもの （２）繊度1000〜9000Dr （３）強度80kg/mm²以上、ヤング率2300kg/mm²以上 （４）アスペクト比20〜150 かかる特性を有するPVA系モノフィラメントを通常の
モルタル等に0.1〜４容量％（以下vol％と略記）混練す
るだけで従来技術の問題点を一挙に解消することが可能
となった。即ち本発明は分散性を含む施工性、補強性に
優れている上に、実用上最も問題となる経済性にも優れ
た画期的技術である。

以下本発明の構成を詳細に述べる。

1000Dr以上の太繊度で引張り強度80kg/mm²以上ヤング
率2300kg/mm²以上の高強力モノフィラメントを製造する
ことが本発明の最大の課題であったが、驚くべきことに
繊維の扁平度を1:2〜1:10の扁平状にすることによって
解決が可能となった。

該太Dr扁平状PVA系モノフィラメントの製造例につい
て述べる。重合度1000〜6000、ケン化度99.8％以上のPV
Aを濃度40〜60重量％含水チップ状となし、押出し機に
て溶解し、扁平度が1:2〜1:10になるような扁平状ノズ
ル孔から空気中に乾式紡糸する。しかる後、ほぼ絶乾状
態まで乾燥し、200〜250℃の熱風式加熱炉で８倍以上、
好ましくは10倍以上延伸し、必要に応じ定長又は収縮を
入れて熱処理すればいい。繊度は1000〜9000Drが紡糸し
やすいような断面積を選びDr及び延伸倍率に応じてPVA
紡糸原液の吐出量で調整すればよい。かくして得られる
太Dr扁平状PVAモノフィラメントはモルタル等の補強に
必要な80kg/mm²以上の引張り強度と2300kg/mm²以上のヤ
ング率を有している。通常のPVAモノフィラメントは丸
断面の紡糸ノズル孔より得られるものであって、ほぼ丸
断面であり、扁平度としてみるなら大きくとも1:1.8ど
まりである。かかる断面においては1000Dr以上では80kg
/mm²以上の高強度の繊維はどうしても得られず、扁平度
を1:2以上にすることによってはじめて可能となった。
その理由は現時点では明確ではないが、太Drになるが故
に扁平化することにより、紡糸時の乾燥凝固、紡糸後の
乾燥、延伸熱処理等で均一化できるとも考え得るが、そ
れだけでは説明ができない程扁平化の強力に及ぼす影響
は大きい。

扁平度は少なくとも1:2は必要であり、1:10以上は好
ましくない。断面の扁平化は繊維の高強力化のみなら
ず、単位体積当りの表面積を増大させる意味においてモ
ルタル等との接着性を良くし、補強効果を高めるという
一石二鳥の効果を有する。扁平度が1:2以下では太DrPVA
系モノフィラメント強力向上に寄与せず、また丸断面と
比較してもモルタル等の接着性は向上しない。また1:10
以上では、延伸時あるいは巻取時、更にモルタル等と混
練する時に割れを生じて細Dr化し好ましくない。より好
ましくは扁平度1:3〜1:5であり、また繊度に関しては15
00〜4000Drである。

なお扁平度の定義は既述の如く、短径と長径の比であ
って、その形はその扁平度が本発明の範囲ならいづれで
もよく、例えば矩形、楕円形、まゆ形等がある。

このような太DrPVA系モノフィラメントをモルタル等
に混練し、施工性、補強性の双方を満足させるためには
適切なアスペクト比を選択する必要がある。好適な範囲
は20〜150である。アスペクト比20以下の場合、モルタ
ル等と混練する際分散性がよく、スランプロスも少ない
ので施工性は良好なるも硬化したモルタル等から繊維の
引抜けが起こり補強効果が小さい。逆に150以上では施
工性が悪くなり好ましくない。より好ましくは40〜100
である。

このような繊維をセメント等水硬性物質をバインダー
とする脆性物に添加して利用する時、使用するバインダ
ーは通常のポルトランドセメントで普通ポルトランドセ
メント、早強ポルトランドセメント、中庸熱ポルトラン
ドセメント、耐硫酸塩ポルトランドセメント、白色ポル
トランドセメントが用いられる。混合セメントも限定さ
れるものではなく、高炉セメント、シリカセメント、フ
ライアッシュセメントも利用でき、その他アルミナセメ
ント、膨張セメント、超早強セメントも用いることがで
きる。その他セッコウスラグ系、マグネシア等のバイン
ダーも利用することができる。

骨材としては細骨材として川、海、陸の各砂、砕砂、
砕石が用いられる。粗骨材としてぐり石や砕石を用い
る。また人工の軽量骨材あるいは充填材としての鉱滓、
石灰石、その他発泡パーライト、発泡黒よう石、発泡負
岩、炭カルバーミキュライト、シラスバルーン等の使用
も可能である。

混和剤として空気連行剤（AE剤）、流動化剤、減水
剤、増粘剤、保水剤、撥水剤、膨張剤も混合利用するこ
とも可能である。

効果促進剤として従来から使っている芒硝、石こう、
炭酸ナトリウム、炭酸カルシウム、トリエタノールアミ
ン、塩化カルシウムも併用することができる。

急結剤賭してケイ酸ソーダ、重クロム酸カルシウム、
ケイフッ化ソーダを用いることができ、吹付工法、ひび
割補修等に炭酸ソーダ、アルミン酸ソーダのような粉末
もしくは液体の急結剤を主成分とする混和剤を用いるこ
とも可能である。

凝結遅延剤であるリグニンスルフォン酸塩系、オキシ
カルボン酸系、あるいは無機系のケイフッ化マグネシウ
ム、リタール等を用いることができた。

このような繊維を前述のセメント等水硬性物質へ添加
する時、その添加率は0.1〜4vol％が適当である。添加
率0.1vol％以下では繊維の添加率が少ないため施工性は
良いものの補強効果は得られず無意味である。また4vol
％以上では繊維容積が多過ぎ、モルタル等の混練性が悪
化し、更には骨材又はモルタルと繊維の分離やブリージ
ングを起こしたりして施工に耐えられなくなる。モルタ
ル等で施工性を損なわず、補強性も得ようとする条件は
0.1〜4vol％である。より好ましくは0.5〜3vol％であ
る。

本発明による繊維をセメントモルタル中に混練する
と、施工時の経時的なフロー値の変化及びスランプの低
下が少なく、施工面での利点があること、更に補強性の
面では該繊維の少量添加にてプレーンと比較して曲げ強
度は２〜３倍に向上し、そのタフネスは曲げ応力〜たわ
み曲線からみて数十倍の靭性を有することが判った。

この性能は建築分野及び土木分野の建築資材として広
く応用することができる。

第１に建築関係部材としてはセメントモルタルや軽量
骨材又は気泡を混入した軽量モルタル等の配合での外装
材料があり、それらは屋根材のシングル等シェル構造
物、カーテンウォール、外装パネル、成型瓦等の屋根
材、パラペット、スパンドレル、外装レリーフに用いる
ことができる。また内装材料としては間仕切材、壁材、
レリーフ、床材、フリーアクセスフロアー材、天井材に
利用することができる。その他型枠、捨て型枠又は永久
型枠、床板、はり、機材台基礎、個人住宅基礎、原子炉
容器、液化石油ガス容器、石油又は重油等の容器、階段
材料として利用することができる。

第２にコンクリート二次製品としては型枠に成型よる
矢板、中空円筒型製品のパイプ、パイル、ポール等にも
用いることができる。道路甲コンクリート製品としては
歩道用コンクリート平板、鉄筋コンクリートＵ形、コン
クリート及び鉄筋コンクリートＬ形、コンクリート境界
ブロック、鉄筋ガードレールに用いることができる。管
類には遠心成型による遠心力鉄筋コンクリート管があ
り、その他ソケット付スパンパイプ、鉄筋コンクリート
管、ロール転圧鉄筋コンクリート管、無筋コンクリート
管、コアー式プレスコンクリート管、水道用石綿セメン
ト管、電らん管、ケーブルダクト、下水道管及び潅漑排
水用製品にも用いることができる。道路部材としては防
音壁等への部材、道路標識、舗装補強材、側溝、トンネ
ル内装物、パイル等に利用できる。海洋部材には鉄筋や
スチールファイバーは海水による侵食で錆が発生し長期
使用に問題があるが、本発明の繊維は発錆がないので海
中海岸の構築部材に有効である。また船舶用機材、ボー
ト等フェロセメント用セメント材料とすべく薄いシェル
構造組成物に用いるもの、浮子、浮桟橋、漁礁、テトラ
ポット等消波ブロック、護岸ブロックに利用できる。農
業育産関係部材としては、タンクサイロ、苗床、フェン
スポット、鉢、フラワーポット、側溝等の矢板等に利用
できる。その他放射性物質等の廃棄物処理用の客器等の
材料に使用することができる。

第３に土木分野への応用面では一般道路、及び飛行場
滑走路を含めコンクリート道路舗装である。この分野は
繊維補強による曲げ、衝撃強度向上、更に耐摩耗性を向
上し、鉄筋をなくすことが可能あるいは鉄筋量の減少が
可能となり、かつコンクリート床板の厚さも減少するこ
とができ、更には工期の短縮、原材料量の節減に有効で
ある。

鉄道用建設資材として、鉄道用枕木、踏切り用渡り板
に用いる鉄筋、鉄骨やスチールファイバーによる通信時
のノイズの発生、短絡、漏電等による通信障害やニリア
モーターカー等の枕木に利用する場合、鉄による磁性障
害排除に本発明繊維を利用することができる。また吹付
け工法としての法面保護やトンネル内吹付に利用するこ
とができる。橋梁用部材としての耐震部材、耐水部材と
して橋却、スラブ、および桁用製品として用いることが
でき、スラブ橋用プレストコンクリート橋桁、桁橋用プ
レストコンクリート橋桁、軽荷重スラブ橋用プレストコ
ンクリート橋桁、プレストレスコンクリートダブルＴス
ラブにと広範囲に応用することができる。その他オーバ
レイ、歩道橋の舗装、橋床の舗装、それらの補修材又は
歩道用板等に利用できる。

第４に特殊成型としてはセメントモルタルの押出し成
型材料に添加し、利用することもでき曲げ強度、衝撃強
度を向上することができる。また吹付モルタル及び壁塗
りモルタルとして該繊維を添加することによりひび割防
止は当然のことながら耐衝撃性、耐折強度の向上に用い
ることができる。その他材料の使用に関しては限定され
るものではない。次に実施例及び比較例で説明する。

実施例１及び比較例１〜４ ケン化度99.9モル％、粘度平均重合度1700を有するPV
Aを濃度52％の含水チップ状に調整し、表−１に示す所
定の吐出形状を有するノズルより空気中に吐出し、絶乾
後235℃の熱風式延伸炉で延伸し、230℃の熱処理炉で定
長下で熱処理を行ない、表−１に示す繊維物性、及び断
面形状とその扁平度を有する繊維を得た。比較例として
比較例１〜４に示すノズル形状を変更し、所定の延伸倍
率及びDrを変更して他は実施例１をまったく同一条件に
て繊維を作った。

実施例１は本発明によるもので、所定の扁平断面ゆえ
紡糸、乾燥、延伸が安定に行うことができ、高い繊維物
性のものが得られた。比較例１は延伸倍率が低く繊維の
強度、ヤング率の低いものである。比較例２は扁平度の
低い楕円形断面を有するものであるが、繊維乾燥時の発
泡が激しく起こることもあって延伸時の断糸が多く繊維
製造が困難で、高い繊維物性は得られなかった。比較例
３は矩形で扁平度の大きな繊維を製造したが、延伸時及
び巻取時更には繊維の切断時にもモノフィラメントが割
れて安定生産ができなかった。また繊維は割れた箇所が
ささくれだち取り扱い時点でファイバーボールとなりセ
メントを混練できないものであった。比較例４は細デニ
ールの扁平度の低い楕円形断面を有する繊維である。

実例２〜４及び比較例５〜９ 実施例１及び比較例1,2,4の各々の繊維を表−２に示
すアスペクト比の繊維長に切断し補強用繊維とした。繊
維の添加率及び配合組成、及び混練成形、養生は下記の
通り実施した。比較のために繊維は全く添加しないプレ
ーンを比較例５として実施例とまったく同一方法によっ
て実施した。

（１）配合組成：セメント：小野田社製 早強セメン
ト:3.0kg 細骨材：石見硅石 6.5号:3.0kg 添加剤：マイティ150:30g 水：岡山水道:1.11kg 繊維 1vol％時:42g 2vol％時:84g （２）混練：上記配合の粉体をオムニミキサーにて２分
間よく混合し、更に水とマイティ150を加え２分間混合
後所定量の繊維を添加し、３分間混合した。

（３）成形：暑さ5cm、中及び長さ24cmの型枠へ流し込
み成形を行った。

（４）脱型、養成：型枠成形後25℃×65％RHの部屋へ一
昼夜放置後脱型し、更に２週間気中養生を行った。

施工性に係る混練時の繊維の分散性の観察、流動性を
示すフロー値の測定、及び補強効果は曲げ強度の測定を
下記に示す方法で行ないその結果を表−２に示した。

（１）分散性：繊維の分散性を観察するためJISA1103に
準拠してモルタルを20メッシュの金網に採り水中にてセ
メント、砂を洗い落とし、金網上の繊維の分散状態を肉
眼観察した。

分散性の大変よいもの ◎ 分散性のよいもの ○ 繊維同志が若干絡んでいるもの △ 繊維塊（ファイバーボール）が見られるもの × として分散性を判定した。

（２）フロー値：フロー値はJISR−5201の試験方法にて
測定した。

（３）曲げ強度：養生後厚さ5cm、中5cm、長さ24cmに切
り出したものをテストピースとし、スパン10cm、中央載
荷方式にてインストロンTTCMを用い荷重〜たわみ曲線か
らひび割強度、いわゆる比例限界強度（LOP）及びその
後の補強繊維によるピーク値を破壊強度（MOR）として
求めた。

実施例２〜４は本発明によるもので繊維の分散性、フ
ロー値等の施工性に優れ曲げ強度においてはLOP及びMOR
の補強効果が大きく、優れている。

一方、比較例６は実施例１のアスペクト比が大きい即
ち繊維長の長いものであり繊維の分散性が悪く、ファイ
バーボールが生成し満足な成形体は得られなかった。比
較例７は比較例１の繊維を用いたものであるが繊維強度
が低く補強効果は得られない。比較例８は比較例２の繊
維を用いたものであるが楕円断面を有し、繊維強度も低
く、補強効果も得られない。比較例９は比較例４の細Dr
を用いたもので繊維の分散性も悪く、フロー値の低下が
大きく施工性も悪く、補強効果も得られない。

実施例5,6及び比較例10〜15 コンクリート配合での施工性を補強効果をみるために
粗骨材寸法がその最大径20mmの砕石を用い、細骨材には
石見硅石５号を用い、細骨材率0.6とし次のような配合
で傾胴式ミキサーにて10分間混練した。W/C＝0.55、単
位水量210kg、単位セメント量383kg、細骨材900kg、砕
石600kg、AE剤として花王社製マイティ150をセメントに
対し1.0％添加し、目標空気量を５％になるようにし
た。かかるフレッシュコンクリートに実施例１で製造し
たPVA繊維を表−３に示す繊維長のものを添加した。実
施例5,6は本発明による実施例１の繊維を用い、比較例1
1,12は各々比較例2,4の繊維を用い、比較例13〜15は各
々RMS182×30p（クラレ社製集束糸）、ポリエチレン繊
維（三井石油化学製ボンフィックス）及び鋼繊維（神戸
製鋼所製シンコーファイバー）を1vol％添加したもので
あり、比較例10は繊維を全く添加しないものである。こ
のようなフレッシュコンクリートを10×10×40cmの型枠
へ流し込み、一昼夜20℃の湿空中で硬化させ、20℃の水
中に28日間養生後、島津社製の万能試験機RH−200型を
用い曲げ強度、圧縮強度を測定した。曲げ強度はJISA11
06法に準拠してスパン30cmとし、二等分載荷方式とし曲
げ応力〜たわみ曲線からLOP.MORを実施例２と同様の方
法で求めた。なおスランプ値はJISA1101、空気量はJISA
−1128の方法で求めた。分散性は実施例２と同一の方法
で実施した。

実施例5,6は繊維の分散性、スランプ値から、施工製
も良好で曲げ強度においてはひび割強度（LOP）及びひ
び割後の破壊強度（MOR）も高い値を示し、補強効果も
優れたものである。

比較例11は施工性はよいものの補強効果は得られな
い。比較例12は繊維の分散性が悪く、フレッシュコンク
リート内にファイバーボールが生成し、施工性、補強効
果にも満足するものは得られず、比較例13は補強効果が
不充分である。比較例14はポリエチレン繊維で、繊維の
分散性は良く、スランプの低下は少なく施工性は良いも
のの繊維の強度が低いため補強効果は劣るものである。
比較例15は鋼繊維であり施工性、補強効果ともそこそこ
であるが水中に長期間放置により、表面から錆が発生し
てきた。

実施例７及び比較例16,17 単位重量当り、普通ポルトランドセメント193kg、細
骨材として木更津山砂1113kg、粗骨材として最大径13mm
の八王子産６号砕石を611kg、水を350kg（W/C＝0.55）
および減水剤としてポゾリス＃70を0.88kg用い、これを
２軸式強制練りミキサーに投入混練してプレーンコンク
リート（比較例16）を練り上げた。このプレーンコンク
リートに実施例１で製造した本発明の繊維を30mmに切断
したものを1vol％添加した（実施例７）。比較のために
一辺0.5mmの正方形の断面を有する長さ25mmの鋼繊維を1
vol％添加した（比較例17）。繊維添加後約30秒練り混
ぜ、スランプ値及び空気量を測定した。そして硬化コン
クリートの曲げ強度及び曲げタフネス、圧縮強度及び圧
縮タフネスを測定した。曲げ試験および圧縮試験はアム
スラー試験機を使用した。曲げ強度および曲げタフネス
はスパン長30cmとし、三等分点載荷方式により曲げ応力
／たわみ曲線から曲げ強度とスパン中央のたわみ量が1/
150まで変化した時の面積より曲げタフネスを求めた。
圧縮強度および圧縮タフネスは荷重／変形曲線から圧縮
強度と変位量がひずみ換算0.75％まで変化したときの面
積より圧縮タフネスを求めた。供試体は曲げ強度測定用
には10cm×10cm×40cmの直方体状に、また圧縮強度測定
用にはφ10cm×20cmの円柱状にそれぞれ成形し、試験材
令は７日とした。その結果を表−４に示す。

実施例７の本発明のPVA繊維を用いたものの曲げ及び
圧縮の各々の強度及びタフネスは比較例17の鋼繊維を用
いたものよりも優れ、比較例16のプレーンコンクリート
に比べるとはるかに優れた補強性を示した。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉中 準一 岡山市海岸通１丁目２番１号 株式会社 クラレ内 審査官 鈴木 紀子

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】繊維の引張り強度が80kg/mm²以上、ヤング
   率が2300kg/mm²以上、かつその断面の短径と長径の比が
   1:2〜1:10である偏平断面で、繊度が1000〜9000デニー
   ルのモノフィラメントであり、アスペクト比（繊維長さ
   を繊度の円相当直径で除した値）20〜150の繊維長を有
   するセメントモルタル又はコンクリート補強用ポリビニ
   ルアルコール系繊維。
2. 【請求項２】引張り強度80kg/mm²以上、ヤング率2300kg
   /mm²以上、アスペクト比20〜150、断面の短径と長径の
   比が1:2〜1:10の偏平断面であって、繊度が1000〜9000
   デニールのポリビニルアルコール系モノフィラメントを
   0.1〜４容積％含むことを特徴とするポリビニルアルコ
   ール系繊維強化セメントモルタル及びコンクリート組成
   物。