(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
モノフィラメント繊度が２０ｄｔｅｘ以下である複数の高強度ポリエチレン繊維モノフィラメントが部分的に融着しており、短手方向の断面の空隙率が１６％以上２９％以下であり、直径が０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であり、且つ引張強度が１２ｃＮ／ｄｔｅｘ以上であるロッド状を形成していることを特徴とする、セメント系構造物補強用繊維材料。
【請求項２】
請求項１に記載のセメント系構造物補強用繊維材料を含有することを特徴とする、モルタル成形物またはコンクリート成形物。
【請求項３】
引張強度が１２ｃＮ／ｄｔｅｘ以上の複数の高強度ポリエチレン繊維モノフィラメントに、１４６℃以上１５２℃以下の温度で、１０秒以上４００秒以内の時間、部分的に熱融着させる工程を行い、ロッド状に形成させることを特徴とする、セメント系構造物補強用繊維材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モルタルあるいはコンクリートの打設時の施工性と、高耐性を付与することができるセメント系構造物補強用繊維材料に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、コンクリートの補強について数々の検討がなされている。近年では、特に強度の向上並びにコンクリートひび割れ後の耐性（以降、靭性と称する）の向上のため、ガラス繊維、ポリプロピレン繊維、ポリビニルアルコール、アラミドなどを切断した短繊維をモルタルあるいはコンクリートに混入する方法が用いられている。
【０００３】
しかしながら、これらの繊維は繊維の径が細く柔軟なため、モルタルあるいはコンクリートに混入する際に繊維だけが固まってできるファイバーボールが発生しやすく、十分に強度を発揮できない。また、混入により、モルタルあるいはコンクリートの流動性を著しく低下させるため、施工しにくいという問題が発生する。よって、流動性を必要としないひび割れ防止や剥落防止といった用途に限られている。
【０００４】
そこで、鋼線を用いたり、あるいは、例えば引用文献１に開示されているように、繊維を束ねて樹脂を含浸させて硬化することで太径のロッド状にした成形した材料で補強したりする、試みもなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−１０８８９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、鋼線を用いる場合、引張曲げ強度や靭性は向上するが、水や大気中の酸素などによって腐食するという問題がある。他方、樹脂を含浸させて硬化させる場合には、モルタルあるいはコンクリートに添加した繊維の総表面積が小さくなるため、モルタルあるいはコンクリートとの接着面積が小さくなることから、十分に補強効果が発揮できない。
【０００７】
そこで、本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、その目的は、モルタルあるいはコンクリートの打設時の施工性と、高靭性を付与することができるセメント系構造物用繊維材料を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記課題を解決するため鋭意検討した結果、ついに本発明を完成するに到った。即ち本発明は、以下の通りである。
１．複数の高強度ポリエチレン繊維モノフィラメント同士が部分的に融着してロッド状に形成されていることを特徴とする、セメント系構造物補強用繊維材料。
２．短手方向の断面の空隙率が１６％以上２９％以下であることを特徴とする、上記１に記載のセメント系構造物補強用繊維材料。
３．引張強度が１２ｃＮ／ｄｔｅｘ以上であることを特徴とする、上記１または２に記載のセメント系構造物補強用繊維材料。
４．上記１から３のいずれか１つに記載のセメント系構造物補強用繊維材料を含有することを特徴とする、モルタル成形物またはコンクリート成形物。
５．複数の高強度ポリエチレン繊維モノフィラメント同士を部分的に融着してロッド状に形成する工程を含むことを特徴とする、セメント系構造物補強用繊維材料の製造方法
６．前記融着は、熱融着または溶剤融着であることを特徴とする、上記５に記載のセメント系構造物補強用繊維材料の製造方法。
【発明の効果】
【０００９】
上記構成によれば、本発明の繊維材料は、複数の高強度ポリエチレン繊維モノフィラメント同士が部分的に融着してロッド状に形成されているため、モルタルあるいはコンクリートの練り混ぜ時のせん断によって、かかる繊維材料の空隙（融着していない箇所）を利用して繊維材料の端部の少なくとも一部を開繊させることで、繊維材料とセメントあるいはコンクリートとの接着面積を高め、補強効果を高めることができる。
【００１０】
また、本発明の繊維材料は、空隙率をコントロールすることで、練り混ぜ時の流動性と補強効果をコントロールすることが可能である。具体的には、空隙率を高めると、練り混ぜ中の流動性は低下するが、補強効果は大きくなる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の補強用繊維材料の短手方向の断面の写真である。
【図２】実施例のモルタル成形物（供試体）を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照して詳細に説明する。
本発明のセメント系構造物補強用繊維材料（以下、補強用繊維材料と称する）は、高強度ポリエチレン繊維から成り、複数の高強度ポリエチレン繊維モノフィラメント同士が部分的に融着してロッド状に形成されているものである。
【００１３】
本発明の補強用繊維材料は、その引張強度が１２ｃＮ／ｄｔｅｘ以上、好ましくは１５ｃＮ／ｄｔｅｘ以上、さらに好ましくは２６ｃＮ／ｄｔｅｘ以上である。また、本発明の繊維材料に含まれるモノフィラメントの繊度は、２０ｄｔｅｘ以下が好ましい。ここでモノフィラメントが２０ｄｔｅｘより大きいとモルタルあるいはコンクリートの練り混ぜによって部分的に開繊する繊維の総表面積が小さいため、十分に補強効果が発現しない恐れかある。
【００１４】
本発明の補強用繊維材料において、繊維は、無撚、もしくは撚り係数が０〜５の範囲で撚り掛けされているのが好ましい。撚り係数が５を超えて撚り掛けすると、最終的に得られるロッド状の補強用繊維材料の強度が低下してしまい、十分に機能が発揮されない恐れがある。特に、０〜２．８の範囲で撚り掛けされているのがより好ましい。ここで、本明細書では撚り係数は、以下の式で示される。
撚り係数＝撚り数（回／ｍ）／３０２５×√｛繊度(ｄｔｅｘ)／比重（ｇ／ｃｍ３）｝
【００１５】
本発明の補強用繊維材料では、熱処理によりモノフィラメント同士を部分的に融着させる。熱処理よりモノフィラメント同士を部分的に融着させる場合には、温度は１５５℃以下、好ましくは１４６℃以上１５２℃以下の範囲が好ましい。１５２℃を超えるとモノフィラメント同士の融着度合が高くなり、補強用繊維材料断面の空隙率が低くなり、モルタルあるいはコンクリート練混ぜ中に端部が開繊せず、補強効果が得られない。
【００１６】
他方、１４５℃以下であると融着度合が小さく、補強用繊維材料断面の空隙率が高くなるが、モルタルあるいはコンクリート練混ぜ中にロッド状の補強用繊維材料が完全にモノフィラメントに分解してしまうため、施工性が低下する。さらに、１４０℃以下であるとモノフィラメント同士が融着しないためロッド状の補強用繊維材料が得られない。
【００１７】
なお、溶剤を用いてモノフィラメント同士を部分的に融着させても構わない。溶剤を用いてモノフィラメント同士を部分的に融着させる場合には、例えば、デカリンやパラフィンなどを用いることができるが、これに限定されず、モノフィラメントの特性に応じて適宜決定すればよい。
【００１８】
ここで、本明細書中では、空隙率とは、図１に示すような補強用繊維材料の短手方向の断面において、断面全体の面積に対する繊維（モノフィラメント）が存在する面積の比を表したものである。つまり、以下の式で表される。
空隙率（％）＝繊維部以外の面積／（繊維部の面積＋繊維部以外の面積）
【００１９】
本発明の補強用繊維材料において、空隙率は１６％〜２９％の範囲が好ましい。空隙率が１６％未満であると、融着度合が高いためモルタルの練り混ぜによる開繊しないため、補強効果が得られない。他方、空隙率が３０％を超えると、モルタルあるいはコンクリート練混ぜ中にロッド状の補強用繊維材料が完全にモノフィラメントに分解してしまうため、施工性が低下する。
【００２０】
熱処理によりモノフィラメント同士を融着させる場合、熱処理の時間は特に規定しないが、好ましくは１０秒以上４００秒以内である。熱処理の時間がこの範囲外であると、空隙率が上記の好ましい範囲に入らない場合がある。このように、熱処理の温度および／あるいは時間をコントロールすることで、本発明の補強用繊維材料における空隙率をコントロールすることができる。空隙率をコントロールすることで、練り混ぜ時の流動性と補強効果をコントロールすることが可能である。
【００２１】
モノフィラメントが束となって部分的に融着している補強用繊維材料は、直径が０．０５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲、長さが１ｍｍ以上５０ｍｍ以下の範囲であるのが好ましい。直径が０．０５ｍｍ未満であると、あるいは長さが５０ｍｍを越えると、モルタルあるいはコンクリートの練混ぜ中のせん断力が高くなる。このことにより、ロッド状の補強用繊維材料が完全にモノフィラメントに分解してしまい、施工性が低下する。他方、直径が１．０ｍｍを超える場合、あるいは長さが１ｍｍ未満の場合、モルタルあるいはコンクリートとの接触面積が小さくなり、補強効果が見られない恐れがある。より好ましくは補強用繊維材料の直径は０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の範囲、長さは１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下の範囲である。
【００２２】
本発明のモルタルあるいはコンクリート成形物は、本発明の補強用繊維材料を含有させたものである。公知のモルタルあるいはコンクリート組成物に、本発明の補強用繊維材料を常法に従って混合することによって得られる。このようなモルタルあるいはコンクリート成形物は、各種モルタルあるいはコンクリートの強度、曲げ強度、特に靭性を向上させるために使用することがでる。コンクリート成形物のうち、補強用繊維材料以外に含まれるものとしては、例えば細骨材、粗骨剤、混和剤等が挙げられるが、これらには限定されない。
【００２３】
モルタルまたはコンクリート成形物中のポリエチレン繊維の含有量は、通常、体積比０．１％から１０％程度とすることができる。これにより得られるセメント系構造物（コンクリート構造物）は、高い耐性を有する。
【実施例】
【００２４】
以下、本発明について、実施例を用いてさらに詳細に説明する。しかしながら、下記実施例は本発明を限定する性質するものではなく、前／後記の趣旨に徹して設計変更することはいずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【００２５】
初めに、後述の実施例および比較例で作製した補強用繊維材料（試料）に対して行った特性値の測定及び評価、また、使用材料について説明する。
【００２６】
（１）繊維径
補強用繊維材料の短手方向の断面における直径（繊維径）は、次のようにして測定した。補強用繊維材料（試料）を金属刃を用いて切断し、短手方向の繊維断面を作製した。次にオリンパス社製の光学顕微鏡「ＢＨ２」を用い、対物レンズ２０倍の条件で上記繊維断面の画像を取得した。イメージ解析ソフトウェアＮｉｋｏｎ社製「ＮＩＳ−Ｅｌｅｍｅｎｔｓ」を用いて繊維断面における直径を算出した。これをｎ＝８にて平均値を取り、試料の直径（繊維径）とした。
【００２７】
（２）引張強度
オリエンテック社製「テンシロン」を用い、試料長２００ｍｍ（チャック間距離）、伸張速度１００％／分の条件にて、歪−応力曲線を、雰囲気温度２０℃、相対湿度６５％の環境下で測定し、曲線の破断点での応力から引張強度(ｃＮ／ｄｔｅｘ)を算出した。
【００２８】
（３）補強用繊維材料中の空隙率
補強用繊維材料（試料）をアクリル樹脂に包埋し、ミクロトームを用いて短手方向の断面を作製した。工業用顕微鏡（Ｎｉｋｏｎ製  ＥＣＬＩＰＳＥＬＶ１５０ＮＡ）を対物レンズ２０倍の条件で使用し、顕微鏡用デジタルカメラ(Ｎｉｋｏｎ製  ＤＸＭ１２００)を用いて画像取得を行った。
【００２９】
次に画像解析ソフト「ＩｍａｇｅＪ」用いて、繊維断面から１００μｍ×１００μｍのサイズに異なる箇所５点を切り出した。切り出したそれぞれの画像において、繊維部と繊維部以外の面積を求め、以下の式にしたがって空隙率を算出した。それぞれの画像の空隙率の平均値を、そのサンプルの空隙率とした。
空隙率（％）＝繊維部以外の面積／（繊維部の面積＋繊維部以外の面積）
【００３０】
（４）使用材料
実施例および比較例では、以下の材料を使用した。
（ａ）補強用繊維材料：高強度ポリエチレン繊維  東洋紡株式会社製「イザナス（登録商標）」、密度０．９７ｇ／ｃｍ３、単糸繊度１．１ｄｔｅｘ、引張強度３０ｃＮ／ｄｔｅｘ
（ｂ）セメント：中庸熱ポルトランドセメント 
（ｃ）微粉末：シリカフューム（ＢＥＴ比表面積：１８ｍ２／ｇ）
（ｄ）細骨材：珪砂(粒径：０．１５〜０．６ｍｍ)
（ｅ）減水剤：高性能減水剤
（ｆ）水：水道水
（ｇ）無機粉末：石英粉末（ブレーン比表面積：７０００ｃｍ２／ｇ）
【００３１】
（５）繊維材料の開繊状態
表１に記載の配合のモルタルを１５分間、ホバートミキサー（株式会社愛工舎製作所  ＡＭ−２０、廻転速度：最高速）を用いて混練りした後、補強用繊維材料１ｖｏｌ％を投入し、さらに２分間練混ぜ、ペーストを得た。このペーストを少量掬い取り、水洗して抜き取った補強用繊維材料を目視で観察した。このときの繊維の状態を確認した。
【００３２】
【表１】
0006794661.tif 000002
【００３３】
（６）モルタルの流動性
水平に配置した５０ｃｍ角のステンレス板の中央にスランプコーン（下面内径１００ｍｍ、上面内径７０ｍｍ、高さ６０ｍｍの円錐状）を置き、そのスランプコーンに摺り切りいっぱいに、上記ペーストを流し込んだ。次に、スランプコーンをゆっくり垂直に引き上げると、ペーストはステンレス板上に円形に広がった。９０秒後、この広がった円形の直径の長さを計測した。
【００３４】
（７）モルタル成形物の切り欠き梁３点曲げ試験
上記ペーストを、幅４０ｍｍ、高さ４０ｍｍ、長差１６０ｍｍの型枠に打設し、２０℃の水中、９０ＲＨ％で２日間養生後、脱型後、９０℃の温水中で２日間養生した。モルタルの強度が十分に発現した時点でコンクリートカッターを用いて、図２の様に中央部に高さ１２ｍｍの切欠きを入れ、モルタル成形物（供試体）を得た。手動メカニカルジャッキを使用し、荷重の検出には容量１０ｋのロードセル、開口変位の検出には精度１／２０００ｍｍのクリップゲージを用いた。試験は「切かきはりを用いた繊維補強コンクリートの荷重−変位曲線試験方法」（ＪＣＩ−Ｓ−００２−２００３）に準じて実施した。ただし供試体数は１条件につき３体とした。
【００３５】
（８）モルタル成形物の物性
破壊エネルギーの算出方法（靭性の代替指標）は次の通りである。
上記切り欠き梁３点曲げ試験によって得られた歪−応力の曲線より、開口変位０．０〜４．０ｍｍまでの曲げ荷重の積分値Ｗ（４ｍｍ）を算出し、以下の式１を用いて、供試体の破壊に必要な破壊エネルギーを算出した。
（式１）    破壊エネルギー（Ｎ/ｍｍ）＝０．７５×Ｗ（４ｍｍ）／供試体の面積
【００３６】
（実施例１）
補強用繊維材料となる繊維として、高強度ポリエチレン繊維（東洋紡株式会社製  イザナス（登録商標）：密度０．９７ｇ／ｃｍ３、単糸繊度１．１ｄｔｅｘ、フィラメント数３９０本、引張強度３０ｃＮ／ｄｔｅｘ）を用い、公知の撚糸機を用いて撚り係数が２．５３となるように撚り掛けた。この繊維を温度１５０℃で３４０秒間熱処理（融着）を行ない、熱処理糸を得た。
【００３７】
次に、上記熱処理糸を１５ｍｍの長さにカットし、実施例１の補強用繊維材料を得た。実施例１の補強用繊維材料について、短手方向の断面の空隙率を算出した。実施例１の補強用繊維材を質量比１．０％の割合で表１に記載のモルタルに投入して混練を行い、繊維の開繊状態、流動性およびモルタル成形物体の切り欠き梁３点曲げ強度を評価した。この評価について、後段の表２に示す。
【００３８】
（比較例１）
実施例１と同じ繊維を用いて、公知の撚糸機を用いて撚り係数が２．５３となるように撚り掛けた。この繊維を温度１５３℃で３４０秒間熱処理を行ない、熱処理糸を得た。
【００３９】
次に、上記熱処理糸を１５ｍｍの長さにカットし、比較例１の補強用繊維材料を得た。比較例１の補強用繊維材料について、短手方向の断面の空隙率を算出した。比較例１の補強用繊維材料を質量比１．０％の割合で表１に記載のモルタルに投入して混練を行い、繊維の開繊状態、流動性およびモルタル成形物の切り欠き梁３点曲げ強度を評価した。この評価について、後段の表２に示す。
【００４０】
（比較例２）
実施例１と同じ繊維を用いて、公知の撚糸機を用いて撚り係数が２．５３となるように撚り掛けた。この繊維を温度１４５℃で３４０秒間熱処理を行ない、熱処理糸を得た。
【００４１】
次に、上記熱処理糸を１５ｍｍの長さにカットし、比較例２の補強用繊維材料を得た。比較例２の補強用繊維材料について、短手方向の断面の空隙率を算出した。比較例２の補強用繊維材料を質量比１．０％の割合で表１に記載のモルタルに投入して混練を行い、繊維の開繊状態、流動性およびモルタル成形物の切り欠き梁３点曲げ強度を評価した。この評価について、後段の表２に示す。
【００４２】
（比較例３）
実施例１と同じ繊維を用いて、公知の撚糸機を用いて撚り係数が２．５３となるように撚り掛けた。次のこの撚糸を１５ｍｍの長さにカットし、比較例３の補強用繊維材料を得た。比較例３の補強用繊維材料について、短手方向の断面の空隙率を算出した。比較例３の補強用繊維材料を質量比１．０％の割合で表１に記載のモルタルに投入して混練を行い、繊維の開繊状態、流動性およびモルタル成形物の切り欠き梁３点曲げ強度を評価した。この評価について、後段の表２に示す。
【００４３】
【表２】
0006794661.tif 000003
【００４４】
表２から分かるように、実施例１の補強用繊維材料では、モルタルの流動性の大幅の低下を回避しながら、かつ該繊維材料で補強されたモルタル成形体の補強効果が認められた。他方、比較例１では補強用繊維材料断面の空隙率が低くなり、混練中に端部が開繊しないため、補強効果が得られなかった。また、比較例２、３に関しては、混練中にロッド状の補強用繊維材料が完全にモノフィラメントに分解したため、モルタルの流動性が大幅に低下した。
【００４５】
なお、今回開示した実施の形態および実施例は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲によって画定され、また特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明のセメント系構造物補強用繊維材料は、混入により流動性の低下が小さいため施工性が高く、また優れた靭性を有するモルタル成形物またはコンクリート成形物を得ることができる。よって、各種セメント系構造物の補強用途に好適に使用でき、産業界に大いに貢献することができる。
【図１】
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【図２】
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