(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
立体波型の金属繊維を１０〜２０体積％含有してなるセメント質硬化体であって、前記立体波型繊維が、直径が０．１〜１．０ｍｍ、繊維長が１０〜３０ｍｍで、波の周期が繊維長の０．２〜１．５倍であり、波の振幅が、直径の１．５〜５倍であることを特徴とするセメント質硬化体。
【請求項２】
立体波型の金属繊維を１０〜２０体積％含有してなるセメント質硬化体であって、前記立体波型繊維の断面が、一辺の長さが０．１〜１．０ｍｍの四角形状であり、繊維長が１０〜３０ｍｍで、波の周期が繊維長の０．２〜１．５倍であり、波の振幅が、断面の長辺の１．５〜５倍であることを特徴とするセメント質硬化体。
【請求項３】
圧縮強度が５０Ｎ／ｍｍ２以上で、破壊エネルギーが３５Ｎ／ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のセメント質硬化体。
【請求項４】
直径が０．１〜１．０ｍｍ、繊維長が１０〜３０ｍｍで、波の周期が繊維長の０．２〜１．５倍であり、波の振幅が、直径の１．５〜５倍である立体波型金属繊維又は、断面が、一辺の長さが０．１〜１．０ｍｍの四角形状であり、繊維長が１０〜３０ｍｍで、波の周期が繊維長の０．２〜１．５倍であり、波の振幅が、断面の長辺の１．５〜５倍である立体波型金属繊維を、型枠内に、分散投入し、型枠容積の１０〜２０体積％充填した後、該型枠内の下部から、ＪＰ型ロート試験（JSCE-531-1999）に準拠した流下時間が４秒以下のペースト又はモルタルを流入して充填して得られることを特徴とするセメント質硬化体の製造方法。
【請求項５】
請求項４において、立体波型金属繊維を、型枠内に分散投入するとき、型枠をタッピングしながら又は型枠に振動を加えながら、分散投入することを特徴とするセメント質硬化体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属繊維で補強されたセメント質硬化体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、曲げや引張に対する強度の向上、および高じん性化を図ったセメント質硬化体として、長さが５〜５０ｍｍ程度の金属繊維を混入させてなる金属繊維補強セメント質硬化体が知られている。しかしながら、金属繊維を混合・混練して製造するセメント質硬化体では、その多くが繊維含有量４体積％程度以下であり、引張強度やじん性を向上させるために、より多くの金属繊維を含有することができるセメント質硬化体が求められている。
【０００３】
一方、金属繊維を、比較的多く含有できるセメント質硬化体として、ＳＩＦＣＯＮがある。これは、まず、型枠内に比較的多量の金属繊維を充填しておいて、後から金属繊維で形成する空隙にペーストやモルタル等を注入して、セメント質硬化体を得るものである。このＳＩＦＣＯＮでは、金属繊維を１０体積％程度まで混入することができる。（非特許文献１）
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】繊維高含有コンクリートＳＩＦＣＯＮの基礎性状に関する研究、コンクリート工学年次論文報告書、Ｖｏｌ．１９，Ｎｏ．１，１９９７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のＳＩＦＣＯＮでは、じん性等の破壊力学特性の向上効果が認められる。しかしながら、金属繊維量が増加すると、該金属繊維が形成する空隙の形態が細孔状、扁平状で、狭隘となり、後から空隙へ注入するペースト等の充填を妨げて、空隙の隅々まで、ペースト等を充填することが困難であった。このため、使用できる金属繊維量は、１０体積％強程度にとどまっていた。
【０００６】
そこで、本発明は、金属繊維をより多量に含有することができ、破壊力学的特性に優れたセメント質硬化体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、特定の、波型形状（ただし繊維断面が平板状のものを除く）、立体的波型形状及び／又は螺旋型形状を有する金属繊維であれば、セメント質硬化体中の含有量を多くすることができ、優れた力学的、機械的特性を有するセメント質硬化体が得られることを見出し、本発明を完成した。
【０００８】
すなわち、本発明は、以下の［１］〜［５］を提供するものである。
［１］     
波型（ただし繊維断面が平板状のものを除く）、立体波型、螺旋型から選ばれた１種以上の金属繊維を１０〜２０体積％含有してなるセメント質硬化体。
［２］     
前記波型又は立体波型繊維が、直径が０．１〜１．０ｍｍ、繊維長が１０〜３０ｍｍ、波の周期が繊維長の０．２〜１．５倍であり、波の振幅が、直径の１．５〜５倍であることを特徴とする[１]記載のセメント質硬化体。
［３］     
前記立体波型繊維の断面が、一辺の長さが０．１〜１．０ｍｍの四角形状であり、繊維長が１０〜３０ｍｍ、波の周期が繊維長の０．２〜１．５倍であり、波の振幅が、断面の長辺の１．５〜５倍であることを特徴とする[１]記載のセメント質硬化体。
［４］     
前記螺旋型繊維が、直径が０．１〜１．０ｍｍ、繊維長が１０〜３０ｍｍ、螺旋の一回転で進行する距離が繊維長の０．２〜１．５倍であり、螺旋の円の直径が、繊維直径の１．５〜５倍であることを特徴とする[１]記載のセメント質硬化体。
［５］     
圧縮強度が５０Ｎ／ｍｍ２以上で、破壊エネルギーが３５Ｎ／ｍｍ以上であることを特徴とする[１]乃至[４]記載のセメント質硬化体。
【０００９】
本発明で使用する金属繊維としては、鋼繊維やチタン繊維等が挙げられる。中でも、材料のコスト等の観点から鋼繊維が好ましい。鋼繊維としては、特に材質は限定されないが、例えば炭素鋼やステンレス鋼等からなる鋼繊維を使用することができる。
本発明では、波型（ただし繊維断面が平板状のものを除く）、立体波型、螺旋型から選ばれた１種以上の金属繊維を使用する。これらの形状の金属繊維を使用することにより、セメント質硬化体中の繊維含有量を多くすることができる。また、型枠内に分散投下するだけで、高密度充填でありながら、繊維が形成する空隙をペースト等の流動を妨げない形状・大きさとすることもできる。さらに、同一繊維含有量であっても、直線（ストレート）形状の繊維を使用した場合に比べて、破壊エネルギーを大きくすることもできる。
なお、立体波型とは、繊維を水平面状に置いたとき、平面の投影図と正面図に波型がともに表われることをいう。どちらかが、直線状であれば、立体波型ではなく、波型形状である。螺旋形とは、同様に投影して、平面図にも正面図にも螺旋が表われるものをいう。
【００１０】
本発明のセメント質硬化体は、上記金属繊維を１０〜２０体積％（好ましくは１１〜１８体積％、より好ましくは１３〜１７体積％）含有してなるものである。金属繊維の含有量が10体積％未満では、特に破壊エネルギーが小さくなり、３５Ｎ／ｍｍ以上の破壊エネルギーを発現することが困難になる。一方、金属繊維の含有量を２０体積％を超える量とすることは技術的に困難である。
【００１１】
上記波型又は立体波型繊維は、直径が０．１〜１．０ｍｍ（より好ましくは０．２〜０．８ｍｍ、特に好ましくは０．３〜０．７ｍｍ）で、繊維長が１０〜３０ｍｍ（より好ましくは１２〜２７ｍｍ、特に好ましくは１５〜２５ｍｍ）であることが好ましい。直径が０．１ｍｍ未満であると、これを型枠に充填すると単位容積あたりの繊維の本数が多くなり、空隙を小さくするおそれがある。直径が１．０ｍｍを超えると、繊維の本数が少なくなり、破壊エネルギー等の向上効果が低下する。繊維長が１０ｍｍ未満だと、破壊エネルギー等の向上効果が低下する。繊維長が３０ｍｍを越えると、繊維を型枠に充填することが困難となる。
【００１２】
上記波型繊維は、断面形状が平板状であるものについては、該繊維の型枠への充填時に、平板側面を相互に接しながら積層される傾向がつよく、充填方法に、分散を高める撹拌混合（気体ブローイング、羽撹拌等）を併用しないと、空隙を十分にたもつ充填が困難となる。一方、断面が平板状でない波型繊維については、撹拌混合等の格別の考慮が不要となる。更に、立体波型繊維については、好適に、空隙を十分に保ったうえでの高密度充填が可能である。
【００１３】
立体波型繊維に関しては、断面の一辺の長さが０．１〜１．０ｍｍ（より好ましくは０．２〜０．８ｍｍ、特に好ましくは０．３〜０．７ｍｍ）の四角形状であり、繊維長が１０〜３０ｍｍ（より好ましくは１２〜２７ｍｍ、特に好ましくは１５〜２５ｍｍ）であることが好ましい。断面の一辺の長さが０．１ｍｍ未満であると、これを型枠に充填すると単位容積あたりの繊維の本数が多く、空隙を小さくするおそれがある。断面の一辺の長さが１．０ｍｍを超えると、繊維の本数が少なくなり、破壊エネルギー等の向上効果が低下する。繊維長が１０ｍｍ未満だと、破壊エネルギー等の向上効果が低下する。繊維長が３０ｍｍを越えると、繊維を型枠に充填することが困難となる。
【００１４】
上記波型又は立体波型繊維において、波の周期は、繊維長の０．２〜１．５倍（より好ましくは０．３〜１倍）であることが好ましい。ここで、波の周期とは、波の繰り返し単位の長さ（波長）と同義である。周期が前記範囲外では、セメント質硬化体中に繊維を10体積％以上含有させるには手間がかかる。
【００１５】
上記波型又は立体波型繊維において、波の振幅は、直径の１．５〜５倍（より好ましくは２〜４倍）であることが好ましい。なお、立体波型繊維の断面が四角形状の場合は、振幅は、長辺の１．５〜５倍（より好ましくは２〜４倍）であることが好ましい。ここで、波の振幅とは、繊維の中心軸が描く波形の振幅をいう。
振幅が前記範囲外では、セメント質硬化体中に繊維を10体積％以上含有させるには手間がかかる。なお、立体波型繊維においては、振幅は平面の投影図における振幅と平面図における振幅とが異なってもよく、この無秩序が充填密度の向上に役立つ。
【００１６】
上記螺旋型繊維では、直径が０．１〜１．０ｍｍ（より好ましくは０．２〜０．８ｍｍ、特に好ましくは０．３〜０．７ｍｍ）で、繊維長が１０〜３０ｍｍ（より好ましくは１２〜２７ｍｍ、特に好ましくは１５〜２５ｍｍ）であることが好ましい。
直径が０．１ｍｍ未満であると、これを型枠に充填すると単位容積あたりの繊維の本数が多くなり、空隙を小さくするおそれがある。直径が１．０ｍｍを超えると、繊維の本数が少なくなり、破壊エネルギー等の向上効果が低下する。繊維長が１０ｍｍ未満だと、破壊エネルギー等の向上効果が低下する。繊維長が３０ｍｍを越えると、繊維を型枠に充填することが困難となる。
【００１７】
螺旋型繊維において、螺旋周期は繊維長の０．２〜１．５倍（より好ましくは０．３〜１倍）であることが好ましい。周期が前記範囲外では、セメント質硬化体中に繊維を10体積％以上含有させるには手間がかかる。
また、螺旋型繊維において、振幅（螺旋の投影図における円の半径）は、金属繊維の直径の１．５〜５倍（より好ましくは２〜４倍）であることが好ましい。振幅が前記範囲外では、セメント質硬化体中に繊維を10体積％以上含有させるには手間がかかる。
【００１８】
本発明で使用する金属繊維の引張強度は、セメント質硬化体の強度や破壊エネルギー、さらにはコスト等から、１．０〜３．５ＧＰａ（より好ましくは１．５〜３．５ＧＰａ）であることが好ましい。
なお、本発明で使用する金属繊維の具体例としては、安田工業株式会社製の商品名「スーパークラックレス」等が挙げられる。
【００１９】
金属繊維以外の材料について説明する。
金属繊維以外の材料としては、セメント（各種ポルトランドセメントや混合セメント等）、混和材（高炉スラグやフライアッシュ等）、ポゾラン質粉末（シリカフューム等）、石灰石粉末、膨張材、細骨材、水、減水剤や減水剤以外の混和剤（収縮低減剤やＡＥ剤等）等を使用することができる。
なお、本発明においては、セメント質硬化体の強度や破壊エネルギー等から、金属繊維以外の材料としては、最大粒径が０．５ｍｍ以下（より好ましくは０．４ｍｍ以下、特に好ましくは０．３ｍｍ以下の）のものを使用することが好ましい。
【００２０】
本発明のセメント質硬化体の製造方法を説明する。
本発明のセメント質硬化体は、波型、立体波型、螺旋型金属繊維から選ばれる１種以上の金属繊維を型枠内に充填した後、該型枠内にペースト又はモルタルを充填し、その後養生して製造することができる。
型枠内への金属繊維の充填は、例えば、(1)型枠をタッピングしながら金属繊維を分散投入して充填する方法、(2)型枠に振動を加えながら金属繊維を分散投入して充填する方法や、(3)タッピングや振動を加えることなしに金属繊維を分散投入して充填する方法等、で行なえば良い。
【００２１】
金属繊維を型枠内に充填した後、該型枠内にペースト又はモルタルを充填する。ペースト又はモルタルの充填は、例えば、図２に示すように、圧送パイプ又は自然流下管から、型枠の最下部から上方に向けて、ペースト又はモルタルを注入する方法等、で行なうことができる。
なお、ペースト又はモルタルの充填時に、型枠に振動を加えることは、セメント質硬化体中の気泡を低減できるので好ましいことである。
【００２２】
本発明において、上記ペースト又はモルタルは、金属繊維が形成する空隙を充填する必要があるので、ＪＰ型ロート試験（JSCE-531-1999）に準拠した流下時間が４秒以下（より好ましくは３秒以下）であることが好ましい。
また、セメント質硬化体の強度や破壊エネルギー等から、上記ペースト又はモルタルは、２０℃で２８日間水中養生した後の圧縮強度が１５Ｎ/ｍｍ２以上（より好ましくは２０Ｎ/ｍｍ２以上）であることが好ましい。
【００２３】
型枠内にペースト又はモルタルを充填した後、養生して、本発明のセメント質硬化体を製造する。養生方法は、特に限定するものではなく、水中養生、気中養生や蒸気養生等を行なうことができる。
このようにして製造された本発明のセメント質硬化体は、５０Ｎ／ｍｍ２以上の圧縮強度と３５Ｎ／ｍｍ以上の破壊エネルギーを発現することができる。なお、本発明のセメント質硬化体は、  広範な用途への適用の観点から、圧縮強度が６０Ｎ／ｍｍ２以上であることがより好ましく、６５Ｎ／ｍｍ２以上であることが特に好ましい。また、構造物等に適用した際の安全確保や製造の容易性、さらにはコスト等の観点から、破壊エネルギーは４０〜９０Ｎ／ｍｍであることが好ましく、４５〜８０Ｎ／ｍｍであることが特に好ましい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明のセメント質硬化体は、特定の形状の金属繊維を１０〜２０体積％含有するものであるので、破壊エネルギー等を飛躍的に高めることができる。その結果、本発明のセメント質硬化体を利用したセメント二次製品（舗装版、床版等）や構造物等の信頼性をたかめ、その用途を広範にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明で用いる金属繊維（立体波型）の１例を説明する図である。
【図２】本発明のセメント質硬化体の製造方法を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明を詳細に説明する。
【００２７】
図１（ａ）は、この発明で使用する立体波型金属繊維の正面図である。図１（ｂ）は、この発明で使用する立体波型金属繊維の平面図である。金属繊維１０は長さＬ２０ｍｍ、直径０．９ｍｍ、図１（ａ）に示すように正面視した波形の周期λ１は１０ｍｍ、その波形の振幅Ｗ１は４．０ｍｍ、図１（ｂ）に示すように平面視した波形の周期λ２は１０ｍｍ、その波形の振幅Ｗ２は２．０ｍｍである。ここで、波型の振幅とは、繊維の中心軸が描く波形の振幅をいう。ここで、正面図と平面図における繊維の振幅と周期は一致する必要はなく、この適度な無秩序が、繊維充填率の向上と流動性を妨げない空隙形成に関与しているとおもわれる。
【００２８】
螺旋型金属繊維の正面図は平面図と同様となる。ここで、螺旋の「振幅」とは、正投影された、螺旋が形成する円の半径に相当し、螺旋の「周期」とは、螺旋が一周して進行する中心軸方向の距離である。
【００２９】
以下、実験例を挙げて本発明をさらに、説明する。
［１］金属繊維
立体波型金属繊維として、次のａ、ｂを使用した。また、金属繊維ｃは、細長平板を波型に形成したものである。金属繊維ｄ，ｅは、従来の直線状(ストレート)繊維である。なお、金属繊維ａとｂの平面図における振幅と正面図における振幅は同じである。
ａ：  材質：鋼、  寸法：直径０．５ｍｍ、繊維長２０ｍｍ、  立体波型（周期１３ｍｍ、振幅１．５ｍｍ）
ｂ：  材質：鋼、  寸法：直径０．６ｍｍ、繊維長２５ｍｍ、  立体波型（周期９ｍｍ、振幅１．１ｍｍ）
ｃ：  材質：鋼、  寸法：幅２．５ｍｍ、繊維長５０ｍｍ、  平板波型（周期７．５ｍｍ、振幅０．７５ｍｍ）
ｄ：  材質：鋼、  寸法：直径０．２ｍｍ、繊維長１５ｍｍ、  ストレート
ｅ：  材質：ステンレス鋼、  寸法：直径０．５ｍｍ、繊維長２５ｍｍ、  ストレート
【００３０】
［２］金属繊維の評価
内寸法１００×１００×４００ｍｍの型枠へ均等に満杯になるまで、上記各金属繊維をタッピングしながら分散投入して、投入重量と、その密度から、型枠容積に占める繊維の体積充填率を測定した。その結果、金属繊維ａ〜ｅについて、それぞれ、１５．６、１５．３、１５．５、８．６、９．８（単位：体積％）であった。ここで、１０体積％以上の高い繊維充填率を実現できたのは、金属繊維ａ、ｂ、ｃであったが、金属繊維ｃについては、平板部分が密に接触するので、繊維同士の接触で、形成空隙が狭隘となり、ペースト等の充填が困難であると考えられる。
【００３１】
［３］金属繊維以外の材料
金属繊維以外の材料として、以下に示す材料を使用した。
(1)セメント：低熱ポルトランドセメント（太平洋セメント（株）製）
早強ポルトランドセメント（太平洋セメント（株）製）
(2)シリカフューム（ＢＥＴ比表面積１０．５ｍ２／ｇ）、
(３)膨張材：太平洋マテリアル（株）製商品名「Ｎ−ＥＸ」
(4)減水剤：ポリカルボン酸系高性能減水剤（ＢＡＳＦポゾリス（株）製商品名「レオビルドＳＰ8ＨＵ」）
ポリカルボン酸系高性能ＡＥ減水剤（ＢＡＳＦポゾリス（株）製商品名「レオビルドＳＰ8ＨＶ」）
(5)水道水
【００３２】
［４］セメント質硬化体の配合（実施例１〜５）
金属繊維ｂを含むセメント質硬化体の配合１、２を表１に示す。なお、金属繊維ｂの配合量は、配合１、２とも１５体積％である。また、配合２における膨張材の添加量は、１ｍ３あたり、０ｋｇ(配合2-1)１５ｋｇ(配合2-2)、３０ｋｇ(配合2-3)、４５ｋｇ(配合2-4)とした。
【００３３】
［５］ペーストの性状の測定方法と流動性
（ａ）ＪＰロートの流下時間
ＪＳＣＥ−Ｆ５３１−１９９９に準じて測定した。ただし、材料の分離状況については、目視観察によった。
（ｂ）ブリーディング率
ＪＳＣＥ−Ｆ５２２−１９９９に準じて測定した。
その結果を表２に示す。なお、ペーストの調製は、オムニミキサに金属繊維以外の材料を一括投入し、３分間混練して行なった。また、全てのペーストにおいて、目視による材料分離は認められなかった。
【００３４】
［５］セメント質硬化体の製造
下記の工程でセメント質硬化体を製造した。
（ａ）繊維投入工程
予め、型枠内に金属繊維ｂを１５体積％投入した。
（ｂ）ペーストの混練と注入工程
オムニミキサに金属繊維以外の材料を一括投入し、３分間混練して、ペーストを調製した。その後、図２に示すように、ペースト２０を底面まで挿入した圧送パイプ３２を用いて、型枠３１の最下部から、順次上方に繊維１０間の空隙中に充填した。ペースト２０が型枠３１全体にいきわたり、打ち込み面まで、注入されたのち、テーブルバイブレータによる振動締め固めと脱泡をおこなった。
（ｃ）養生工程
上記供試体を、２０℃で２４時間封かん養生した後、脱型し、材齢２８日まで、水中（２０℃）養生した。
【００３５】
【表１】
0005536549.tif 000002
【００３６】
供試体質量から算出されるペーストの見掛けの充填率は、配合１のペーストで９９．８％、配合2-1のペーストで９８．４％であり、ペーストの充填状況は良好であった。
【００３７】
［６］セメント質硬化体の評価
（ａ）圧縮強度
ＪＩＳ A
1108に準拠して、測定した。
（ｂ）曲げ強度と破壊エネルギー
ＪＣＩ−Ｓ−００２−２００３に準拠し、切り欠きはりの３点曲げ載荷試験により、荷重−ＣＭＯＤ曲線を求め、荷重−ＣＭＯＤ曲線の積分値を、供試体の断面積で除した値を、破壊エネルギーとした。
結果を表２に示す。
【００３８】
【表２】
0005536549.tif 000003
【００３９】
本発明のセメント質硬化体は、硬化後には７９Ｎ／ｍｍ２以上の圧縮強度が得られた。因みに、繊維を含有しないペーストでは、配合１、配合２−１、配合２−２、配合２−３、配合２−４で、それぞれ、圧縮強度が、１９、２２、２０、２０、３０Ｎ／ｍｍ２であり、本発明のセメント質硬化体では３〜４倍の圧縮強度となった。
【００４０】
破壊エネルギーは、全て５６Ｎ／ｍｍ以上であった。従来の鋼繊維補強コンクリート(圧縮強度３５Ｎ／ｍｍ２程度で鋼繊維含有量１体積％)が１０Ｎ／ｍｍ程度、従来の超高強度繊維補強コンクリート(圧縮強度200Ｎ／ｍｍ２程度で鋼繊維含有量２体積％)が２７Ｎ／ｍｍ程度である。このように、本発明のセメント質硬化体は、圧縮強度が低いにも係わらず、格段に大きい破壊エネルギーを発現することができる。
【００４１】
[実験例６]
金属繊維ｂを、内寸法１００×１００×４００ｍｍの型枠に、タッピングせずにそのまま分散投入して、１２体積％充填した。その後、配合１のペーストを用いて、上記と同様にセメント質硬化体を製造し、破壊エネルギーを測定した。その結果、破壊エネルギーは５０．３Ｎ／ｍｍであった。
【００４２】
[比較例１]
金属繊維ｅを、内寸法１００×１００×４００ｍｍの型枠に、型枠に振動を加えながら分散投入後、さらに加圧する工程を繰り返して、１２体積％充填した。その後、配合１のペーストを用いて、上記と同様にセメント質硬化体を製造し、破壊エネルギーを測定した。その結果、破壊エネルギーは３０．５Ｎ／ｍｍであった。
このように、本願で規定する繊維以外の繊維を使用した場合では、破壊エネルギーが小さくなる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、従来にない多量の繊維を含有するセメント質硬化体であり、硬化特性（特に破壊エネルギー）が優れている。即ち、セメント質硬化体の均質化と飛躍的なじん性の向上を実現でき、繰り返し荷重に強いので、これを利用したセメント二次製品（舗装版、床版等）や構造物等の信頼性をたかめ、その用途を広範囲とすることができる。
【符号の説明】
【００４４】
１０：金属繊維
２０：ペースト
３１：型枠
３２：圧送パイプ    
【図１】
0005536549.tif 000004
【図２】
0005536549.tif 000005