(57)【要約】【課題】コンクリートに形状特性の異なる２種類の繊維補強材を混入し、お互いの欠点を相互に補完し合うようにすることで、優れた数々の特性を備えた繊維補強コンクリートを提供する。【解決手段】繊維補強材を混入した繊維補強コンクリートにおいて、前記繊維補強材として、鋼製のリング状繊維と、オレフィン系樹脂（ポリプロピレンを除く）又はポリビニルアルコール樹脂からなる合成樹脂繊維、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維及びバサルト繊維の内のいずれか又は組み合わせからなるとともに、付着力増強処理がなされた棒状繊維との２種を混入する。前記リング状繊維２は、リングの外径：２０〜５０mm、リングの部材幅：１〜１０mm、リングの厚み：０．５〜３mmとし、部材端を有さず、周方向に連続し環状に閉合した部材を用いる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維補強材を混入した繊維補強コンクリートにおいて、
前記繊維補強材として、鋼製のリング状繊維と、オレフィン系樹脂（ポリプロピレンを除く）又はポリビニルアルコール樹脂からなる合成樹脂繊維、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維及びバサルト繊維の内のいずれか又は組み合わせからなるとともに、付着力増強処理がなされた棒状繊維との２種を混入したことを特徴とする繊維補強コンクリート。
【請求項２】
前記リング状繊維は、リングの外径：２０〜５０mm、リングの部材幅：１〜１０mm、リングの厚み：０．５〜３mmである請求項１記載の繊維補強コンクリート。
【請求項３】
前記リング状繊維の内径は、少なくとも最大粗骨材径以上としてある請求項１、２いずれかに記載の繊維補強コンクリート。
【請求項４】
前記リング状繊維は、部材端を有さず、周方向に連続し環状に閉合した部材を用いている請求項１〜３いずれかに記載の繊維補強コンクリート。
【請求項５】
前記リング状繊維の混入量は０．１〜０．７５Vol％、前記棒状繊維の混入量は０．３〜１．０Vol％の割合で混入してある請求項１〜４いずれかに記載の繊維補強コンクリート。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、形状特性の異なる２種の繊維補強材を混入した繊維補強コンクリートに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、繊維補強材を混入したコンクリートは、プレーンコンクリートに比較して、引張強度、曲げ強度、剪断強度が高く、じん性に優れ、ひび割れ抵抗性が高いなどの種々の特徴を有するようになるため、広く利用されるようになってきた。
【０００３】
前記繊維補強材としては、炭素鋼やステンレス鋼を素材とする鋼繊維や、オレフィン系樹脂、ポリビニルアルコール、その他の合成繊維を素材とする合成繊維などが多く利用されている。
【０００４】
前記鋼繊維としては、例えば下記特許文献１〜３に記載されるものを挙げることができる。前記特許文献１では、コンクリート中に均一に分散させて該コンクリートの強度を高める補強用鋼繊維であって、該補強用鋼繊維の中央部分は真直部であり、これに連続する両端部付近に２以上の波形状部が前記真直部と同方向に伸びる真直部を介して離間して設けられたコンクリート補強用鋼繊維と、コンクリート中に均一に分散させて該コンクリートの強度を高める補強用鋼繊維であって、該補強用鋼繊維の中央部分は真直部であり、これに連続する波形状を備え、これに続いて前記真直部と同方向に伸びる真直部を形成し、更にこの両端部にフック形状部若しくは波形状部を備えたコンクリート補強用鋼繊維が開示されている。
【０００５】
前記特許文献２では、コンクリート中に均一に分散されて該コンクリートの強度を高める補強用鋼繊維において、長手方向両端部近傍に夫々２個以上の波形部を有し、該２個以上の波形部のうち、少なくとも隣接する１組の波高が、中央寄りよりも端部側において高くなっている補強用鋼繊維が開示されている。
【０００６】
前記特許文献３では、円形閉合した鉄製リングからなるコンクリート補強材が開示されている。
【０００７】
一方、前記合成繊維としては、例えば下記特許文献４、５に記載されるものを挙げることができる。前記特許文献４では、ポリオレフィン樹脂を主成分とする延伸繊維であって、該繊維の横断面の形状が３〜６個の突起部を有する略多角形であり、かつ該突起部の先端に、該繊維の長手方向に沿って凹部又は凸部が形成されているセメント補強用ポリオレフィン短繊維が開示されている。
【０００８】
また、前記特許文献５では、ポリプロピレン樹脂を主成分とする延伸繊維であって、該繊維の断面形状が４個の突起部を有する略四角形であり、かつ該略四角形の対抗する２面に繊維の長手方向に沿って所定の間隔で付形された凹部と、該略四角形の突起部に繊維の長手方向に沿って所定の間隔で付形された凹部とを備えているセメント系成形体用補強短繊維が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０００−１１９０５２号公報
【特許文献２】特開２００４−１６８５８５号公報
【特許文献３】特開平５−３１１８０８号公報
【特許文献４】特開２００５−２２０４９８号公報
【特許文献５】特開２００９−２３４７９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前記特許文献１，２に係る鋼繊維は、直線状の鋼繊維の両端部にインデントやフック等を設け、引き抜け抵抗力を高めることにより曲げ強度やじん性を向上させるようにしているが、曲げ強度、じん性をさらに高めるために鋼繊維の混入率を増加すると、ワーカビリティが悪くなり使用できなくなったり、混入量に対する所定の性能を発揮できなくなるなどの問題があった。また、繊維端部が突き刺さるため防水シートが破損したり、繊維投入時に吹き付け作業員が怪我をすることがあるなどの問題もあった。更に、図１０に示されるように、NEXCO基準[JHS727-2001 トンネル施工管理要領](コンクリート標準示方書 JSCE-G 552-2007準拠)で所定の曲げじん性を確保するには、０．５vol％以上の混入量を必要とし、この混入量の場合、コンクリートｍ３当りの材料費が12,800円以上となりコスト的に割高であるなどの問題もあった。
【００１１】
これに対して、前記特許文献３に係るリング状の鋼繊維は、剛性は高いがリング状であるため、防水シートの破損が無くなるとともに、作業員が怪我をし難いなどの利点を有するようになる。また、ひび割れの初期段階において、繊維の引き抜けがなく、高い強度性能を維持することが可能となるなどの利点を有するが、ひび割れ幅が大きくなると、じん性が低下する問題点があった。
【００１２】
他方、前記特許文献４，５に係る合成樹脂を素材とする繊維は、前記リング状の鋼繊維と同様に、防水シートの破損が無くなるとともに、作業員が怪我をし難いなどの利点を有する。また、ひび割れ幅が大きくなっても一定のじん性を発揮するなどの利点を有するが、ファイバーボールが出来やすいという欠点があるとともに、剛性が低いため、ひび割れ初期段階での強度低下が著しいなどの問題点があった。
【００１３】
そこで本発明の主たる課題は、コンクリートに形状特性の異なる２種類の繊維補強材を混入し、お互いの欠点を相互に補完し合うようにすることで、優れた数々の特性を備えた繊維補強コンクリートを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために請求項１に係る本発明として、繊維補強材を混入した繊維補強コンクリートにおいて、
前記繊維補強材として、鋼製のリング状繊維と、オレフィン系樹脂（ポリプロピレンを除く）又はポリビニルアルコール樹脂からなる合成樹脂繊維、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維及びバサルト繊維の内のいずれか又は組み合わせからなるとともに、付着力増強処理がなされた棒状繊維との２種を混入したことを特徴とする繊維補強コンクリートが提供される。
【００１５】
上記請求項１記載の発明では、繊維補強材として、鋼製のリング状繊維と、オレフィン系樹脂（ポリプロピレンを除く）又はポリビニルアルコール樹脂からなる合成樹脂繊維、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維及びバサルト繊維の内のいずれか又は組み合わせからなとともに、付着力増強処理がなされた棒状繊維との２種を混入するようにした。従って、後述するように、それぞれ単体で使用した場合の欠点を相互に補完し合うようになり、優れた数々の特性を備えることが可能となる。
【００１６】
請求項２に係る本発明として、前記リング状繊維は、リングの外径：２０〜５０mm、リングの部材幅：１〜１０mm、リングの厚み：０．５〜３mmである請求項１記載の繊維補強コンクリートが提供される。
【００１７】
上記請求項２記載の発明は、前記リング状繊維の形状と材質を規定したものである。リング状繊維は、リングの外径は２０〜５０mm、好ましくは３０〜４０mm、リングの部材幅は１〜１０mm、好ましくは２〜５mm、リングの厚みは０．５〜３mm、好ましくは０．５〜１．５mmである。
【００１８】
請求項３に係る本発明として、前記リング状繊維の内径は、少なくとも最大粗骨材径以上としてある請求項１、２いずれかに記載の繊維補強コンクリートが提供される。
【００１９】
上記請求項３記載の発明は、前記リング状繊維の内径寸法を規定したものである。内径寸法としては、少なくとも最大粗骨材径（一般的に２０mm又は２５mm）以上とするのが望ましい。この寸法とすることによって、後述するように、棒状繊維の拘束効果がしっかりと発揮されるようになる。
【００２０】
請求項４に係る本発明として、前記リング状繊維は、部材端を有さず、周方向に連続し環状に閉合した部材を用いている請求項１〜３いずれかに記載の繊維補強コンクリートが提供される。
【００２１】
上記請求項４記載の発明は、前記リング状繊維の形状特性を規定したものである。リング状繊維としては、線材をリング状に加工した部材端を有するものは径方向に変形しやすいため拘束効果が小さい。従って、薄板を打ち抜きしたり、管材をスライス状に切断することによって、周方向に連続し環状に閉合した部材としたものは拘束効果が大きいため好適に使用することができる。
【００２２】
請求項５に係る本発明として、前記リング状繊維の混入量は０．１〜０．７５Vol％、前記棒状繊維の混入量は０．３〜１．０Vol％の割合で混入してある請求項１〜４いずれかに記載の繊維補強コンクリートが提供される。
【００２３】
上記請求項５記載の発明は、前記リング状繊維の混入量と、前記棒状繊維の混入量とを規定するものである。前記リング状繊維の混入量は０．１〜０．７５Vol％、好ましくは０．２５〜０．５Vol％、前記棒状繊維の混入量は０．３〜１．０Vol％、好ましくは０．５〜０．７Vol％の割合で混入するのが望ましい。
【発明の効果】
【００２４】
以上詳説のとおり本発明によれば、コンクリートに形状特性の異なる２種類の繊維補強材を混入し、お互いの欠点を相互に補完し合うようにすることで、優れた数々の特性を備えることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る繊維補強コンクリートの概念斜視図である。
【図２】リング状繊維２を示す、(A)は正面図、(B)は側面図である。
【図３】棒状繊維３を示す斜視図である。
【図４】リング状繊維２による拘束効果を説明するための図である。
【図５】棒状繊維３による補強効果を説明するための図である。
【図６】実施例１による曲げじん性試験結果を示す図である。
【図７】実施例２による吹付けシステムを説明するための図である。
【図８】実施例２による曲げじん性試験結果を示す図である。
【図９】実施例３による曲げじん性試験結果を示す図である。
【図１０】直線状の鋼繊維を混入した場合の曲げじん性試験結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳述する。
【００２７】
本発明に係る繊維補強コンクリート１は、繊維補強材として、リング状繊維２と棒状繊維３との２種を混入した繊維補強コンクリートである。
【００２８】
前記リング状繊維２は、図２に示されるように、リング形状を成し、周方向に連続し環状に閉合した部材である。同じリング形状であっても、例えば、線材をリング状に加工し部材端を有するものは径方向に変形し易く拘束効果が小さいため好ましくない。
【００２９】
前記リング状繊維２の製造方法としては、板を打ち抜くことによって製作したり、管材をスライス状に切断することによって製作したものが好適に使用される。
【００３０】
前記リング状繊維２は、ＳＳ鋼、ＳＭ鋼、ステンレス鋼などの鋼材からなり、図２に示されるように、リングの外径Ｄoは２０〜５０mm、好ましくは３０〜４０mm、リングの部材幅ｂは１〜１０mm、好ましくは２〜５mm、リングの厚みｔは０．５〜３mm、好ましくは０．５〜１．５mmとするのが望ましい。リングの内径Ｄiは少なくとも最大粗骨材径以上とするのが望ましい。最大粗骨材は、一般の場合は２０mm又は２５mmとされ、断面の大きい場合は４０mmとされている（コンクリート標準示方書）。
【００３１】
一方、前記棒状繊維３としては、オレフィン系樹脂又はポリビニルアルコール樹脂からなる合成樹脂繊維、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維及びバサルト繊維の内のいずれか又は組み合わせとするのが望ましい。これらの中で望ましいのはオレフィン系樹脂であり、更に望ましいのはポリプロピレン（オレフィン系樹脂）を素材とする棒状繊維である。
【００３２】
具体的な例としては、本出願人が共願人の一人として開発した特開２００４−２３４７９６号公報に開示される棒状繊維が望ましい。詳細は同公報に譲るが、簡単に説明すると、この棒状繊維３は、図３に示されるように、ポリプロピレン樹脂を主成分とする延伸繊維であって、該繊維の断面形状が４個の突起部３ａ〜３ｄを有する略Ｘ形であり、かつ該略Ｘ形の対抗する２面に繊維の長手方向に沿って所定の間隔で付形された凹部４，４…と、該略四角形の突起部３ａ〜３ｄに繊維の長手方向に沿って所定の間隔で付形された凹部５，５…とを備えているセメント系成形体用補強短繊維である。実際に商標名[シムロック]で製品化されているものであり、その特徴点を列挙すると、(1)突起部及び凹部により表面積が大きくより優れた補強効果を実現する。(2)密度(0.91mg/mm2)及び断面積(0.363mm2)が小さく、立米当りの混入量を多くできる。(3)Ｘ断面であるため、嵩があることで繊維同士の絡みが少なく、特殊界面活性剤を繊維表面に均一付着させていることでコンクリート内での分散性が向上できる。(4)ポリプロピレン100％であり、酸・アルカリに対して侵されない。(6)有機繊維であり、錆が発生しない。(7)作業機械を摩耗せず、作業員の怪我のおそれがない。(8)0.3Vol％＝2.73kgと少ない添加量で高い補強効果を実現する。
【００３３】
前記リング状繊維２の混入量は０．１〜０．７５Vol％、好ましくは０．２５〜０．５Vol％、前記棒状繊維３の混入量は０．３〜１．０Vol％、好ましくは０．５〜０．７Vol％の割合で混入するのが望ましい。前記リング状繊維２の混入量が０．１Vol％未満、前記棒状繊維３の混入量が０．３Vol％未満の場合は所望の強度増加が望めない。前記リング状繊維２の混入量が０．７５Vol％を超え、前記棒状繊維３の混入量が１．０Vol％を超える場合には、経済的効果が望めない。
【００３４】
本発明によれば、コンクリートに形状特性の異なる前記リング状繊維３と前記棒状繊維３との２種の繊維補強材を併用して添加することにより、下記に列挙するような、数々の優れた特性を備えることが可能となる。
【００３５】
(1)先ず、前記リング状繊維２は剛性は高いがリング形状であるため、防水シートの破損が無いとともに、作業員が怪我をし難い。また、前記棒状繊維３は、直線状ではあるが剛性は低く、防水シートの破損が起きにくいとともに、作業員が怪我をし難い。
【００３６】
(2)前記リング状繊維２はファイバーボールが出来ないとともに、前記棒状繊維３は添加量が抑えられているため、全体としてファイバーボールが出来にくい。
【００３７】
(3)前記リング状繊維２はひび割れの初期段階において、繊維の引き抜けが無く、高い強度性能を保持するが、ひび割れ幅が大きくなるとじん性が低下する欠点がある。一方、棒状繊維３は剛性が低いためひび割れ初期段階において強度低下が著しい欠点があるが、ひび割れ幅が大きくなっても一定のじん性を発揮する利点を有する。従って、これら２種類の繊維補強材２，３を併用して混入することにより、それぞれ単体で使用した場合の欠点を相互に補完し合うようになり、結果的にひび割れ初期段階での強度特性に優れ、かつひび割れ幅が大きくなっても一定のじん性を発揮することが可能となる。
【００３８】
(4)図４に示されるように、棒状繊維３が荷重の作用によってリング内から引き抜かれようとする場合、棒状繊維３には通常、付着力増強処理（例えば、凹及び／又は凸が加工）がされているので、引き抜きによりその周辺部分のコンクリート体積がダイレタンシーにより膨張する挙動を示す。しかし、前記リング状繊維２によりコンクリートは拘束されているので容易に引き抜けず、棒状繊維３単体以上の補強効果が期待できるようになる。なお、拘束効果の点からはコンクリートリートに膨張剤は添加しないことが望ましい。
【００３９】
(5)図５に示されるように、リング状繊維２を単体で使用した場合には、リング状繊維２，２間に破断面が形成される弱点を有する。しかし、これに棒状繊維３を混入すると、棒状繊維３が破断面の発生を抑制するようになり、リング状繊維２を単体で混入した以上の補強効果が期待できるようになる。
【００４０】
(6)後述の実施例１に示されるように、前記リング状繊維２を０．２５Vol％添加し、前記棒状繊維（ＰＰ繊維）を０．５Vol％添加したコンクリートはNEXCO基準の曲げじん性性能基準を満たすことが可能である。従来の直線状鋼繊維の場合は、０．５Vol％の添加でNEXCO基準の曲げじん性性能基準を満たす。この場合の補強繊維材のコストに比較して、前記リング状繊維２を０．２５Vol％添加し、前記棒状繊維（ＰＰ繊維）を０．５Vol％添加したコンクリートの場合は、棒状繊維（ＰＰ繊維）のコストが相対的に安価なため、リング状繊維のコストと合計しても前記従来の直線状鋼繊維を使用した場合より安価なコストで済むようになる。
【００４１】
(7)後述の実施例３の試験結果に示されるように、前記(4)及び(5)の相互的補完効果により、リング状繊維２と棒状繊維３との２種を添加したコンクリートの曲げじん性試験結果は、リング状繊維２、２…のみを添加した場合の曲げじん性試験結果と、棒状繊維３，３…のみを添加した場合の曲げじん性試験結果の合成値よりも大きくなり、合成値との差分が相乗効果として見込めることになる。
【実施例】
【００４２】
＜実施例１＞
表１に示す各繊維補強材を添加した各コンクリート供試体について、曲げじん性試験を行った。供試体寸法は、100mm×100mm×450mmとし、曲げじん性試験は、JSCE-G552-2013(コンクリート標準示方書)に準拠して行い、前記各コンクリート供試体は前記規定に従ってJSCE-F 552(コンクリート標準示方書)に準拠して製作したものを使用した。コンクリートの配合は表２のとおりである。
【００４３】
繊維補強材として、リング状繊維２は、鋼製でリングの外径Ｄo：３１mm、リングの内径Ｄi：２８mm、リングの部材幅ｂ：１．５mm、リングの厚みｔは０．６mmのもの（以下、リングサイズφ３１と表記）を使用し、添加量は０．２５Vol％とした。一方、棒状繊維３は、前述した商標名［シムロック］のＰＰ繊維(1,000dtex*20mm)を使用し、添加量は０．５Vol％とした。
【００４４】
【表１】
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【００４５】
【表２】
2019014651.tif 000004
各ケースの曲げじん性試験結果を図６に示す。ケース２及びケース３は、NEXCO基準を満たしていないが、ケース４（本発明）はケース１と同程度の曲げじん性性能を示し、NEXCO基準を上回る結果が得られた。
【００４６】
＜実施例２＞
某工場内の模擬トンネルで、吹付け施工性確認試験を実施し、本発明に係る繊維補強コンクリートの圧縮強度試験と曲げじん性試験を行った。
【００４７】
吹付けに使用した機材は、表３の通りであり、吹付けノズルシステムは図７に示す標準的なものを使用した。また、ベースコンクリートの配合は表４に示すものとした。
【００４８】
添加する繊維補強材の内、リング状繊維２は、鋼製でリングの外径Ｄo：３１mm、リングの内径Ｄi：２８mm、リングの部材幅ｂ：１．５mm、リングの厚みｔは０．６mmのもの（リングサイズφ31）と、リングの外径Ｄo：３４mm、リングの内径Ｄi：３１mm、リングの部材幅ｂ：１．５mm、リングの厚みｔは０．６mmのもの（以下、リングサイズφ34と表記）の２種類を用意し、添加量は共に０．２５Vol％とした。
【００４９】
棒状繊維３としては、前述した商標名［シムロック］のＰＰ繊維(1,000dtex*20mm)を使用し、添加量は０．５Vol％とした。
【００５０】
【表３】
2019014651.tif 000005
【００５１】
【表４】
2019014651.tif 000006
【００５２】
上記条件で吹き付けを行い、コア抜きにより供試体（100mm×100mm×450mm）を作成し、圧縮強度試験と曲げじん性試験を行った。曲げじん性試験はJSCE-G552-2013(コンクリート標準示方書)に準拠して行った。
【００５３】
圧縮強度試験の結果を表５に示し、曲げじん性試験の結果を図８に示す。その結果、コア圧縮強度試験の結果は平均値で56.2(N/mm2)となり、NEXCO基準を上回る結果が得られた。また、曲げじん性試験結果についても、図８に示すとおり、いずれのケースもNEXCO基準を上回る結果が得られた。
【００５４】
【表５】
2019014651.tif 000007
【００５５】
＜実施例３＞
実施例３では、本発明の相乗的効果を検証するための試験を行った。
【００５６】
表６に示す各繊維補強材を添加した各コンクリート供試体について、曲げじん性試験を行った。供試体寸法は、150mm×150mm×530mmとし、曲げじん性試験は、JSCE-G552-2013(コンクリート標準示方書)に準拠して行い、前記各コンクリート供試体は前記規定に従ってJSCE-F 552(コンクリート標準示方書)に準拠して製作したものを使用した。コンクリートの配合は表２のとおりである。
【００５７】
リング状繊維２は、鋼製でリングの外径Ｄo：28,31,34mm、リングの内径Ｄi：25,28,31mm、リングの部材幅ｂ：1.5mm、リングの厚みｔは0.6mmのもの（それぞれリングサイズφ28,31,34）を使用し、添加量は０．２５Vol％とした。一方、棒状繊維３としては、前述した商標名［シムロック］のＰＰ繊維(1,000dtex*20mm)を使用し、添加量は０．５Vol％とした。
【００５８】
【表６】
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各ケースの曲げじん性試験結果を図９に示すとともに、表７に示す。
【００５９】
【表７】
2019014651.tif 000009
【００６０】
リング状繊維(φ28,31,34等量混合)を単独使用した場合の荷重−たわみ曲線と棒状繊維(PP繊維)を単独使用した場合の荷重−たわみ曲線とを重ね合わせた合成曲線と、本発明に係るリング状繊維(φ28,31,34等量混合)と棒状繊維(PP繊維)とを共に混入した場合の荷重−たわみ曲線とを比較し、その差分が併用による相乗効果ということになるが、表６及び図９に示されるように、合成曲線に対して約１３％の靭性向上効果が相乗的に見込めることが判明した。
【符号の説明】
【００６１】
１…繊維補強コンクリート、２…リング状繊維、３…棒状繊維
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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