(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の熱可塑性繊維からなる、コンクリートに添加する為の繊維添加物であって、前記繊維がその長手方向全体に沿って、次式により示される正弦曲線状の断面形状をもつことを特徴とし、
【数１】
0004633256.tif 000025
ここで、ｘとｙは、繊維上のいずれかの所定の位置を示す為の、繊維の長手方向に延びたｘ軸と、それと直角をなすｙ軸とをもつデカルト座標であり、０．５〜１ｍｍの直径ｄｆをもつ繊維の振幅ａ０は０．１ｄｆ〜２ｄｆであって、周期λは２ｄｆ〜１５ｄｆであり、
コンクリート中に埋め込まれた時の前記繊維の最大引き抜き応力σｐｅａｋ、及び最大変位７．５ｍｍで吸収された比引き抜きエネルギーψｐｅａｋは、両方共、次式
【数２】
0004633256.tif 000026
（式中、α＝０．８、β＝−１）により示される変形率に対応して直線的に増加し、最大引き抜き応力が次式
【数３】
0004633256.tif 000027
（式中、Ｐｐｅａｋは最大引き抜き荷重である）により示され、また比引き抜きエネルギーが次式
【数４】
0004633256.tif 000028
（式中、Ｅｐｅａｋは、引き抜き試験において最大変位７．５ｍｍで吸収された最大引き抜きエネルギーである）により示され、当該繊維添加物は、次式により示される最適変形度Ｄｏｐｔｉｍｕｍを有しており、
【数５】
0004633256.tif 000029
ここで、Ｄｃｒｉｔｉｃａｌは、繊維の極限引張強さ（ＵＴＳ）がｋ１Ｄｃｒｉｔｉｃａｌ  ＋Ｃに等しい時の、また荷重をＮの単位で、エネルギーをＮｍｍの単位で、応力をＭＰａの単位で、長さをｍｍの単位で測定した時の変形度であって、ｋ１、ｋ２、Ｃ、及びＣ１の値を繊維の極限引張強さから求め、変形を引き抜き応力に対してプロットしてＤｃｒｉｔｉｃａｌの値を求める、ものであり、
前記複数の繊維が、極限引張強さが４５０ＭＰａのポリプロピレンであって、ｋ１＝２３００、ｋ２＝１２３００、Ｃ=２７．５、及びＣ１＝１８６である、繊維添加物。
【請求項２】
前記複数の繊維の直径が０．６〜０．８ｍｍであり、振幅が０．５ｄｆ〜１ｄｆであり、また周期が４ｄｆ〜７ｄｆである、請求項１に記載の繊維添加物。
【請求項３】
前記複数の繊維の直径が０．７６ｍｍであり、振幅が０．５２ｍｍであり、また周期が３．９ｍｍである、請求項１に記載の繊維添加物。
【請求項４】
コンクリートと、０．２５〜５体積パーセントの強化繊維とからなる、耐ひび割れ性の改良されたコンクリートであって、前記繊維がその長手方向全体に沿って、次式により示される正弦曲線状の断面形状をもつことを特徴とし、
【数６】
0004633256.tif 000030
ここで、ｘとｙは、繊維上のいずれかの所定の位置を示す為の、繊維の長手方向に延びたｘ軸と、それと直角をなすｙ軸とをもつデカルト座標であり、０．５〜１ｍｍの直径ｄｆをもつ繊維の振幅ａ０は０．１ｄｆ〜２ｄｆであって、周期λは２ｄｆ〜１５ｄｆであり、
コンクリート中に埋め込まれた時の前記繊維の最大引き抜き応力σｐｅａｋ、及び最大変位７．５ｍｍで吸収された比引き抜きエネルギーψｐｅａｋは、両方共、次式
【数７】
0004633256.tif 000031
（式中、α＝０．８、β＝−１）により示される変形率に対応して直線的に増加し、最大引き抜き応力が次式
【数８】
0004633256.tif 000032
（式中、Ｐｐｅａｋは最大引き抜き荷重である）により示され、また比引き抜きエネルギーが次式
【数９】
0004633256.tif 000033
（式中、Ｅｐｅａｋは、引き抜き試験において最大変位７．５ｍｍに吸収された最大引き抜きエネルギーである）により示され、当該繊維添加物は、次式により示される最適変形度Ｄｏｐｔｉｍｕｍを有しており、
【数１０】
0004633256.tif 000034
ここで、Ｄｃｒｉｔｉｃａｌは、繊維の極限引張強さ（ＵＴＳ）がｋ１Ｄｃｒｉｔｉｃａｌ  ＋Ｃに等しい時の、また荷重をＮの単位で、エネルギーをＮｍｍの単位で、応力をＭＰａの単位で、長さをｍｍの単位で測定した時の変形度であって、ｋ１、ｋ２、Ｃ、及びＣ１の値を繊維の極限引張強さから求め、変形を引き抜き応力に対してプロットしてＤｃｒｉｔｉｃａｌの値を求める、ものであり、
前記複数の繊維が、極限引張強さが４５０ＭＰａのポリプロピレンからなるものであって、ｋ１＝２３００、ｋ２＝１２３００、Ｃ=２７．５、及びＣ１＝１８６である、コンクリート。
【請求項５】
前記複数の繊維の直径が０．６〜０．８ｍｍであり、振幅が０．５ｄｆ〜１ｄｆであり、また周期が４ｄｆ〜７ｄｆである、請求項４に記載のコンクリート。
【請求項６】
前記複数の繊維の直径が０．７６ｍｍであり、振幅が０．５２ｍｍであり、また周期が３．９ｍｍである、請求項４に記載のコンクリート。
【請求項７】
選ばれた量のコンクリートに、０．２５〜５体積パーセントの繊維を添加する工程と、
該成分を十分に混合して、該繊維を該コンクリート全体に均一に分散させ、それによりコンクリートのエネルギー吸収能力を、該形状以外の形状をもつ繊維により強化されたコンクリートに比べて良くする工程とを含む、コンクリート中の繊維の付着滑り性能を改良する為の方法であって、
前記繊維が、長手方向全体に沿って、次式により示される正弦曲線状の断面形状をもち、
【数１１】
0004633256.tif 000035
ここで、ｘとｙは、繊維上のいずれかの所定の位置を示す為の、繊維の長手方向に延びたｘ軸と、それと直角をなすｙ軸とをもつデカルト座標であり、０．５〜１ｍｍの直径ｄｆをもつ繊維の振幅ａ０は０．１ｄｆ〜２ｄｆであって、周期λは２ｄｆ〜１５ｄｆであり、
コンクリート中に埋め込まれた時の該繊維の最大引き抜き応力σｐｅａｋ、及び最大変位７．５ｍｍに吸収された比引き抜きエネルギーψｐｅａｋは、両方共、次式
【数１２】
0004633256.tif 000036
（式中、α＝０．８、β＝−１）により示される変形率に対応して直線的に増加し、最大引き抜き応力が次式
【数１３】
0004633256.tif 000037
（式中、Ｐｐｅａｋは最大引き抜き荷重である）により示され、また比引き抜きエネルギーが次式
【数１４】
0004633256.tif 000038
（式中、Ｅｐｅａｋは、引き抜き試験において最大変位７．５ｍｍに吸収された最大引き抜きエネルギーである）により示され、当該繊維添加物は、次式により示される最適変形度Ｄｏｐｔｉｍｕｍを有しており、
【数１５】
0004633256.tif 000039
ここで、Ｄｃｒｉｔｉｃａｌは、繊維の極限引張強さ（ＵＴＳ）がｋ１Ｄｃｒｉｔｉｃａｌ  ＋Ｃに等しい時の、また荷重をＮの単位で、エネルギーをＮｍｍの単位で、応力をＭＰａの単位で、長さをｍｍの単位で測定した時の変形度であって、ｋ１、ｋ２、Ｃ、及びＣ１の値を繊維の極限引張強さから求め、変形を引き抜き応力に対してプロットしてＤｃｒｉｔｉｃａｌの値を求める、ものであり、
前記複数の繊維が、極限引張強さが４５０ＭＰａのポリプロピレンであって、ｋ１＝２３００、ｋ２＝１２３００、Ｃ=２７．５、及びＣ１＝１８６である、方法。
【請求項８】
前記複数の繊維の直径が０．６〜０．８ｍｍであり、振幅が０．５ｄｆ〜１ｄｆであり、また周期が４ｄｆ〜７ｄｆである、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記複数の繊維の直径が０．７６ｍｍであり、振幅が０．５２ｍｍであり、また周期が３．９ｍｍである、請求項７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
技術分野
本発明は、コンクリートや同様の製品の、繊維を用いての強化に関するものである。コンクリートの強化においては、合成繊維やスチール繊維が金網の代替物として定着してきており、収縮によるひび割れを防止し、衝撃能力を高め、浸透性を低下させ、耐粉砕性を付与し、工期を短縮するのに成功している。特に、正弦曲線状に形作られた繊維、及びそれにより強化された改良コンクリート混合物が、本発明により提供される。
【０００２】
背景技術
コンクリートは、引張強さが弱く、しかも破壊靭性の小さい材料である。張力下ではコンクリート中にひび割れが容易に発生して成長するので、できるだけコンクリートに張力をかけないようにするのが肝要であり、やむを得ない場合には、引張応力を取り除く為に、鉄筋のような従来からの何らかの補強手段を用いなければならない。後者は、強化コンクリートとして一般的に知られており、何十年もの間、用いられている。
【０００３】
補強のもう一つの方法は、容積全体が強化されるようランダムに分散させた短繊維をコンクリートに混ぜ、全く新しい複合材を得るというものである。繊維強化コンクリートは、著しく改良されたエネルギー吸収能力（しばしば靭性と呼ばれる）、耐衝撃性、及び疲労耐久性を示すことが分かっており、しかも耐ひび割れ性が大きいので、コンクリートがより丈夫になり、見た目もよくなる。
【０００４】
米国特許第４，５６５，８４０号は、スチールの短繊維からなる混合物を１〜６体積パーセント含んでなる繊維強化コンクリートを提供するものである。
【０００５】
フィブリル化したプラスチックフィラメントをセメントモルタルに添加することが、米国特許第４，４１４，０３０号明細書に開示されている。このようなフィブリル化したフィラメントは、長さが５０ミリメートル以下のリボンからなるものであって、モルタル成分と混合している間に裂けて、分離した強化プラスチックフィラメントがモルタル全体にランダムに分散されると言われている。
【０００６】
米国特許第３，６４５，９６１号明細書には、コンクリートを強化する為に別個の繊維を用いることが記載されている。この特許明細書には、耐爆風性のあるコンクリートを作る為に、長さ１／４〜３インチ（０．６〜７．５ｃｍ）のナイロン、ポリ塩化ビニル、及び単純なポリオレフィン類を用いることが開示されている。
【０００７】
ナイロン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニリデン、及びポリエチレンから作られた繊維状物質を使用することが、米国特許第３，６４５，９６１号明細書に記載されている。長さ１／４〜３インチ（０．６〜７．５ｃｍ）のこれらの繊維を３パーセント未満コンクリートに混ぜて、耐爆風性のある構造物を作ることができる。
【０００８】
米国特許第３，５９１，３９５号明細書には、フィブリル化したポリプロピレン繊維を、水で硬化可能な無機物質からなる湿潤混合物の総重量の０．０５〜２パーセント使用することが示されている。
【０００９】
登録されている譲受人が所有する米国特許第５，４５６，７５２号、及び第５，６２８，８２２号の各明細書には、コンクリートを強化する為に、少しづつ異なる合成繊維を用いることが教示されている。それにより、複数の異なる繊維のタイプ、すなわち長さ、デニール、幅、太さ、アスペクト比、横断面、及びフィブリル化が、調和のとれたコンクリート中のモルタル塊に合うように調節した混合物にもたらされる。
【００１０】
本発明によれば、周囲のセメント状のマトリックスと適切に付着させる為には、コンクリート強化用の繊維は、形状を変えなければならないということが今回分かった。しかしながら、市販の繊維に加えられている殆どの変形は「特定の目的に対して」のものであって、実際のところ何によって最適な変形が正確に決められるのかについては殆ど知られていない。繊維を合理的に変形させる初めての試みが、米国特許第５，４４３，９１８号明細書に記載されている。この特許明細書には、セメントをベースとする材料に添加して強化する為の、実質的に真っ直ぐで長い中央部分と、正弦曲線状の形をした端部とをもつ金属の繊維、例えばスチールが開示されている。ドイツ実用新案第９０００８４６号明細書でも、端を変形させた繊維の使用が検討されている。
【００１１】
米国特許第４，５８５，４８７号明細書には、コンクリート強化用の、長手方向全体に均一に波形の付けられた鋼線でできた、繊維状の、もしくは糸のような成分（繊維）が開示されている。
【００１２】
引き抜き試験（Banthia et al., “Concrete Reinforced with Deformed Steel Fibers, Part 1: Bond-slip Mechanisms”, ACI Materials Journal, Vol. 91, No. 5, 1994年９〜１０月）により測定される繊維の付着−滑り特性は、複合材中の繊維の性能を評価する為の、一般に認められた手段である。
【００１３】
これまで高分子繊維（特にポリプロピレン）は、混合物の目減りや、蒸発による水の流出の結果として、新しく打ったコンクリートに生じる塑性収縮によるひび割れを抑制する為にだけ用いられてきた。高分子繊維を非構造用に用いる場合、これらの用途に用いられる繊維の体積分率も、相変わらず低いまま（約０．１％）である。繊維により強化されていない普通のコンクリートの許容荷重、もしくはマトリックスがひび割れしない程度の最少量（約０．１体積％）の強化ポリプロピレン繊維を含んでいるコンクリートの許容荷重は、実質的にはゼロである。しかしながら、最近では、より直径の大きいプロピレン繊維を、より高い体積分率（約１％）でコンクリートに導入する試みが幾つかなされている。これらの繊維により、塑性収縮によるひび割れを抑制するという目的だけでなく、靭性やエネルギー吸収能力を改良し、また第一のマトリックスがひび割れしないようコンクリートの許容荷重を改良するという目的をもつ「構造用」繊維の範疇に、高分子材料が入ることとなった。
【００１４】
しかしながら、これらの新しい世代の「構造用」ポリプロピレン繊維は真っ直ぐであって、変形されていない。その為、それらの繊維は、周囲のマトリックスとの付着性に乏しく、余り有効ではない。一方、今日まで分かっていないのは、ポリプロピレンのような低モジュラス材料の最適な変形は何によって決められるのか、ということである。このような最適な変形が、本発明の主題である。
【００１５】
発明の開示
従って、本発明の目的は、コンクリート用の改良された強化繊維を提供することであり、より詳しくは、流し込み法、もしくはショットクリート法により作られるセメントをベースとする複合材を強化する為の、改良された繊維形状を提供することである。
【００１６】
本発明の他の目的は、コンクリートや同様の材料を強化する為の、最適な形状の正弦曲線状に形作られた繊維を提供することである。
【００１７】
本発明の別の目的は、耐ひび割れ性、衝撃能力、及び耐粉砕性の改良されたコンクリートや同様の材料を提供することである。
【００１８】
本発明の更に別の目的は、コンクリートや同様の材料を強化する為の改良された方法を提供することである。
【００１９】
上記の少なくとも一つ、もしくはそれ以上の目的、及び以下の明細書から明らかになる、コンクリート混合物用の公知の繊維添加物よりも有利な点は、以下に説明し、また請求項に記載するように、本発明によって達成される。
【００２０】
従って、本発明によれば、複数の熱可塑性繊維からなる、コンクリートに添加する為の繊維添加物であって、前記繊維がその長手方向全体に沿って、次式により示される正弦曲線状の断面形状をもつことを特徴とする繊維添加物が提供される。
【数１６】
0004633256.tif 000002
ここで、ｘとｙは、繊維上のいずれかの所定の位置を示す為の、繊維の長手方向に延びたｘ軸と、それと直角をなすｙ軸とをもつデカルト座標であり、０．５〜１ｍｍの直径ｄｆをもつ繊維の振幅ａ０は０．１ｄｆ〜２ｄｆであって、周期λは２ｄｆ〜１５ｄｆである。
コンクリート中に埋め込まれた時の前記繊維の最大引き抜き応力σｐｅａｋ、及び最大変位７．５ｍｍで吸収された比引き抜きエネルギーψｐｅａｋは、両方共、次式
【数１７】
0004633256.tif 000003
（式中、α＝０．８、β＝−１）により示される変形率に対応して直線的に増加する。なおこのとき、最大引き抜き応力が次式
【数１８】
0004633256.tif 000004
（式中、Ｐｐｅａｋは最大引き抜き荷重である）により示され、また比引き抜きエネルギーが次式
【数１９】
0004633256.tif 000005
（式中、Ｅｐｅａｋは、引き抜き試験において最大変位７．５ｍｍで吸収された最大引き抜きエネルギーである）により示される。
当該繊維添加物は、次式により示される最適変形度Ｄｏｐｔｉｍｕｍを有している。
【数２０】
0004633256.tif 000006
ここで、Ｄｃｒｉｔｉｃａｌは、繊維の極限引張強さ（ＵＴＳ）がｋ１Ｄｃｒｉｔｉｃａｌ  ＋Ｃに等しい時の、また荷重をＮの単位で、エネルギーをＮｍｍの単位で、応力をＭＰａの単位で、長さをｍｍの単位で測定した時の変形度であって、ｋ１、ｋ２、Ｃ、及びＣ１の値を繊維の極限引張強さから求め、変形を引き抜き応力に対してプロットしてＤｃｒｉｔｉｃａｌの値を求める。
【００２１】
本発明はまた、コンクリートと、０．２５〜５体積パーセントの強化繊維とからなる、耐ひび割れ性の改良されたコンクリートであって、前記繊維がその長手方向全体に沿って、次式によって示される正弦曲線状の断面形状をもつことを特徴とするコンクリートを提供するものである。
【数２１】
0004633256.tif 000007
ここで、ｘとｙは、繊維上のいずれかの所定の位置を示す為の、繊維の長手方向に延びたｘ軸と、それと直角をなすｙ軸とをもつデカルト座標であり、０．５〜１ｍｍの直径ｄｆをもつ繊維の振幅ａ０は０．１ｄｆ〜２ｄｆであって、周期λは２ｄｆ〜１５ｄｆである。
コンクリート中に埋め込まれた時の前記繊維の最大引き抜き応力σｐｅａｋ、及び最大変位７．５ｍｍに吸収された比引き抜きエネルギーψｐｅａｋは、両方共、次式
【数２２】
0004633256.tif 000008
（式中、α＝０．８、β＝−１）により示される変形率に対応して直線的に増加する。なおこのとき、最大引き抜き応力が次式
【数２３】
0004633256.tif 000009
（式中、Ｐｐｅａｋは最大引き抜き荷重である）により示され、また比引き抜きエネルギーが次式
【数２４】
0004633256.tif 000010
（式中、Ｅｐｅａｋは、引き抜き試験において最大変位７．５ｍｍに吸収された最大引き抜きエネルギーである）により示される。
当該繊維添加物は、次式により示される最適変形度Ｄｏｐｔｉｍｕｍを有している。
【数２５】
0004633256.tif 000011
ここで、Ｄｃｒｉｔｉｃａｌは、繊維の極限引張強さ（ＵＴＳ）がｋ１Ｄｃｒｉｔｉｃａｌ  ＋Ｃに等しい時の、また荷重をＮの単位で、エネルギーをＮｍｍの単位で、応力をＭＰａの単位で、長さをｍｍの単位で測定した時の変形度であって、ｋ１、ｋ２、Ｃ、及びＣ１の値を繊維の極限引張強さから求め、変形を引き抜き応力に対してプロットしてＤｃｒｉｔｉｃａｌの値を求める。
【００２２】
本発明は更に、選ばれた量のコンクリートに、長手方向全体に沿って、次式により示される正弦曲線状の断面形状をもつことを特徴とする、０．２５〜５体積パーセントの繊維を添加する工程と、該成分を十分に混合して、該繊維を該コンクリート全体に均一に分散させ、それによりコンクリートのエネルギー吸収能力を、該形状以外の形状をもつ繊維により強化されたコンクリートに比べて良くする工程とを含む、コンクリート中の繊維の付着滑り性能を改良する為の方法を提供するものである。
【数２６】
0004633256.tif 000012
ここで、ｘとｙは、繊維上のいずれかの所定の位置を示す為の、繊維の長手方向に延びたｘ軸と、それと直角をなすｙ軸とをもつデカルト座標であり、０．５〜１ｍｍの直径ｄｆをもつ繊維の振幅ａ０は０．１ｄｆ〜２ｄｆであって、周期λは２ｄｆ〜１５ｄｆである。
コンクリート中に埋め込まれた時の前記繊維の最大引き抜き応力σｐｅａｋ、及び最大変位７．５ｍｍに吸収された比引き抜きエネルギーψｐｅａｋは、両方共、次式
【数２７】
0004633256.tif 000013
（式中、α＝０．８、β＝−１）により示される変形率に対応して直線的に増加する。なおこのとき、最大引き抜き応力が次式
【数２８】
0004633256.tif 000014
（式中、Ｐｐｅａｋは最大引き抜き荷重である）により示され、また比引き抜きエネルギーが次式
【数２９】
0004633256.tif 000015
（式中、Ｅｐｅａｋは、引き抜き試験において最大変位７．５ｍｍで吸収された最大引き抜きエネルギーである）により示される。
当該繊維添加物は、以下の等式により示される最適変形度Ｄｏｐｔｉｍｕｍを有している。
【数３０】
0004633256.tif 000016
ここで、Ｄｃｒｉｔｉｃａｌは、繊維の極限引張強さ（ＵＴＳ）がｋ１Ｄｃｒｉｔｉｃａｌ  ＋Ｃに等しい時の、また荷重をＮの単位で、エネルギーをＮｍｍの単位で、応力をＭＰａの単位で、長さをｍｍの単位で測定した時の変形度であって、ｋ１、ｋ２、Ｃ、及びＣ１の値を繊維の極限引張強さから求め、変形を引き抜き応力に対してプロットしてＤｃｒｉｔｉｃａｌの値を求める。
【００２３】
本発明を実施する為の好ましい形態
本発明を実施するにあたっての認識は、コンクリートというのは、その断面において、粗い骨材が様々なモルタル塊に取り囲まれた複合物である、というものである。これらのモルタル塊は、セメントペーストと細かい骨材とからなっている。水和過程で収縮するのは、セメントペーストである。この体積変化の結果、収縮によるひび割れが発生する。残留強度は、何らかの外力がコンクリートにかかってひび割れが生じた後にのみ評価するものであり、また測定することができるものである。これらのひび割れにより、ペースト領域の連続性が不規則に分断される。本発明は、ひび割れの入り易い部分を全て補強すれば、ひび割れの入った後の残留強度が最高になるという認識に基づくものである。最適な形状をもつ繊維で補強すると、微小なひび割れはエネルギーを吸収せず、またそれらが集まって大きなひび割れになることはない。その結果、硬化したコンクリートの特性が改良され、より高い耐衝撃性、耐摩耗性、耐粉砕性、及びより低い浸透性を示す。
【００２４】
従って、本発明は、コンクリートや同様の材料を強化するのに用いることができ、またそれらに容易に分散させることのできる強化合成繊維の特殊な形状に関するものである。より詳しくは、この合成繊維は、コンクリートを強化するのに最適に形作られた、特殊な正弦曲線状の形状をもつように設計されたものである。本発明は、プレキャスト製品、モルタル、グラウト、ショットクリート、現場打ちコンクリート、スタッコ等（これらはいずれも、通常、硬化可能なセメント様の物質からなっている）を含むがそれらに限定されない、あらゆるタイプのコンクリート混合物に、より迅速に、また十分に混ぜることのできる特殊な繊維形状を提供するものである。本明細書では、コンクリート、コンクリート材料、もしくはコンクリート混合物という語は、上記のもののようなあらゆるタイプのコンクリート製品を含むという理解のもとで用いるものとする。
【００２５】
本発明を実施するのに有用な繊維は、合成物質、すなわち、ポリエチレンやポリプロピレンのようなポリオレフィン；ポリエステル；ポリ塩化ビニル；ポリ塩化ビニリデン；ケブラー(R)のような芳香族ポリアミドを含むポリアミド；ポリアクリル酸誘導体；及びそれらの混合物を含む熱可塑性樹脂からなるものである。熱可塑性繊維は、ホモポリマー１００パーセントであっても、コポリマーやポリマーブレンドからなるものであってもよい。また、それらは官能化されていても、混紡織されていても、金属被覆を含む被覆がなされていても、その他の変性がなされていてもよい。一般的には、正弦曲線状にすることができ、しかもコンクリートに添加することができるのであれば、モノフィラメントを作るのに使用可能な実質的に全ての熱可塑性組成物を用いることができる。繊維は、その高分子名で呼ぶことができる。例えば、ポリプロピレン１００パーセントからなるものでなくても、ポリプロピレンが少なくとも主である場合には、ポリプロピレンと呼ぶことができる。言い換えれば、熱可塑性重合体の選択は、本発明を限定する条件とはならない。繊維の選択にあたって実際に考慮すべき事柄には、耐クリープ性、ポリエステルの顕著な特色、及びコンクリート混合物に対する繊維の分散性が含まれるが、これらの特性のいずれか一つが欠けているからといって、特定のポリマーが排除されるものではない。典型的には、約０．８０〜１．９６の比重を有する熱可塑性繊維が適している。
【００２６】
特にポリプロピレン繊維が好ましく、本明細書では、本発明の実施の形態を説明するのにポリプロピレン繊維を用いた。これらの繊維を用いた例を、図に示す。図１は、正弦曲線状の形状をもつ繊維１０を、大きく拡大して示したものである。この繊維は、図２に示すように、端１１からもう一方の端１２に向かう長手方向に沿って実質的に真っ直ぐであり、しかも図３に示すような正弦曲線状の形状を有している。補足であるが、図１乃至図３に描かれている正弦曲線状の形状は、好ましい長さである約３センチメートルの繊維を拡大したものである。図４に描かれた繊維１０の横断面は楕円形であるが、円形、長方形、正方形等のような他の横断面も本発明の範囲に入る。類似の形状をもつ既存の繊維とは違い、繊維１０の正弦曲線状の形状は図６に示す通りである。図６から分かるように、繊維１０は、Ｘ軸の上下に断面振幅ａ０を、また周期λを有していて、一つの完全な正弦曲線をなしている。図６では必ずしも寸法が必要とされていないが、ａ０とλの値、及び繊維の直径が変わると、繊維の断面形も同じように変化する、ということが分かるであろう。
【００２７】
この繊維は、縮れた（正弦曲線が繰り返された）形状を有している。この形状は、以下のタイプの式によって数学的に表されるものである。
【数３１】
0004633256.tif 000017
…式１
図１に描かれているように、式中のａ０は正弦曲線の断面振幅を示し、またλは正弦曲線の繰り返しの周期である。
【００２８】
コンクリート強化用の添加物としての繊維の価値は、付着している繊維をコンクリートから引き抜くのに費やされる力やエネルギーが増すという点にあるが、それはまた、繊維の極限引張強さ（ＵＴＳ）によって制限される。すなわち、引き抜き応力は、ＵＴＳよりもほんの少し低い程度に十分に高くなければならない。ＵＴＳとは、コンクリートのもともと連続している部分を引き離す際に、繊維が弱り、耐えられなくなる点である。
【００２９】
セメント中に固着された所定の繊維の付着−滑り特性を評価する為に行われる引き抜き試験では、最大引き抜き応力は次式により示される。
【数３２】
0004633256.tif 000018
…式２
式中、Ｐｐｅａｋは、引き抜き試験において到達した最大引き抜き荷重であり、ｄｆは繊維の直径である。同様に、最大変位７．５ｍｍで吸収された比引き抜きエネルギーは、以下の式により示される。
【数３３】
0004633256.tif 000019
…式３
式中、Ｅｐｅａｋは、引き抜き試験において最大変位７．５ｍｍで吸収された引き抜きエネルギーであり、ｄｆは繊維の直径である。
【００３０】
従って、最大引き抜き応力σｐｅａｋ、及び、最大変位７．５ｍｍで吸収された比引き抜きエネルギーψｐｅａｋは、両方共、次式により示される変形率に対応して直線的に増加する。
【数３４】
0004633256.tif 000020
…式４
式中、α＝０．８、及びβ＝−１である。なおこのとき、最大引き抜き応力は次式
【数３５】
0004633256.tif 000021
…式５
により示され、また比引き抜きエネルギーは次式
【数３６】
0004633256.tif 000022
…式６
により示される。
【００３１】
繊維の直径が所定の範囲にある場合、繊維の振幅や繊維の周期といった独立変数が、従属目的関数Ｐｐｅａｋ、及びＥｐｅａｋにより示される引き抜き特性に影響を与えるということは、定性的には分かっている。これまでに分かっていないのは、一つの関数、すなわち変形率Ｄ（式４）である。これは振幅と周期を組み合わせたものであって、目的関数Ｐｐｅａｋ、及びＥｐｅａｋの両方と比例関係があり、それら二つを同時に最大にすることができるものである。
【００３２】
式５及び式６は、あらゆる材料、及び式１により示されるあらゆる縮れた形状に対して有効であるが、４５０ＭＰａのＵＴＳをもつポリプロピレン繊維という特定の場合については、以下の定数が、０．５〜１ｍｍの広い直径の範囲に対して得られた。ｋ１＝２３００、ｋ２＝１２３００、Ｃ=２７．５、及びＣ１＝１８６。ここでは、荷重をＮの単位で、エネルギーをＮ−ｍｍの単位で、また全ての長さをｍｍの単位で測定する。また、定数ｋ１及びｋ２は、コンクリート中に埋め込まれた本発明による正弦曲線状に形作られた繊維についての、変形率に対してプロットした引き抜き応力、及び引き抜きエネルギーをそれぞれ表すグラフの勾配を示し、一方、定数Ｃ及びＣ１は、コンクリート中に埋め込まれた変形されていないか、もしくは真っ直ぐな繊維についての、変形率に対してプロットした引き抜き応力、及び引き抜きエネルギーをそれぞれ表すものである。これらについては、以下で更に詳しく検討する。
【００３３】
概念的には、定数Ｃ及びＣ１は、真っ直ぐな変形されていない繊維（Ｄ＝０）の、それぞれ最大応力、及び比エネルギーの値である。Ｄが増すのに比例して応力が増すということは、Ｄが或る値（Ｄｃｒｉｔｉｃａｌ）になった後、引き抜いている繊維に応力がかかって極限引張強さに近づいてゆき、極限引張強さの点で、繊維の引き抜きに抗して繊維が破断する。エネルギー吸収の観点からは、これが破壊の態様としては好ましい。これが起きると、比エネルギー吸収の値が実質的に低下する。変形度Ｄｃｒｉｔｉｃａｌの値は、
ＵＴＳ＝ｋ１Ｄｃｒｉｔｉｃａｌ＋Ｃ                                                       …式７
の場合の変形度Ｄである。本発明を実施するにあたっては、繊維は最適変形度Ｄｏｐｔｉｍｕｍを有していなければならない。これは、Ｄｃｒｉｔｉｃａｌの約０．５倍から約１倍である。すなわち、
【数３７】
0004633256.tif 000023
…式８
である。Ｄｃｒｉｔｉｃａｌが繊維破壊時の変形度の値であることを踏まえれば、Ｄｏｐｔｉｍｕｍは、Ｄｃｒｉｔｉｃａｌよりも僅かに小さい値であるのが好ましい。コンクリート二次強化用の繊維１０の効果は、ＤｏｐｔｉｍｕｍがＤｃｒｉｔｉｃａｌに近づくほど増すからである。
【００３４】
ポリオレフィン、ＰＶＣ、ポリ塩化ビニリデン、ポリアミド、ポリアクリル酸誘導体等のような他の有用な熱可塑性重合体物質については、最低限の実験を行うことによって、上記の定数の値を簡単に求めることができる。一般的に、他のいずれの熱可塑性繊維についても、上記のような方法で繊維を引き抜き試験に付し、少なくとも二つの変形率を繊維の応力に対してプロットし、それから最適な形状を外挿して定数ｋ１及びＣの値を求めることができる。これらの定数から、式７及び式８に従って、ＤｃｒｉｔｉｃａｌとＤｏｐｔｉｍｕｍを求めることができる。
【００３５】
実験による評価で、様々な直径、振幅、及び周期をもつ繊維を試験し、変形度Ｄと（式５により示される）最大引き抜き応力σｐｅａｋとの間の直接的な相関関係、及び変形度Ｄと（式６により示される）最大変位７．５ｍｍで吸収された比引き抜きエネルギーψｐｅａｋとの間の直接的な相関関係を確認した（図８、及び図９を参照のこと。それらについては、以下で詳しく検討する）。
【００３６】
上記のように、繊維１０は高分子物質であってよい。繊維の好ましい長さは、約１０〜約６０ｍｍである。同様に、繊維の直径は約０．５〜約１ｍｍである。好ましい範囲を、周期、及び振幅の範囲と共に以下に示す。
【００３７】
本発明の正弦曲線状に形作られた繊維のコンクリート混合物や同様の材料への添加は、一般的には従来の収縮抑制用繊維よりも多く、また混合中、及び流し込み前、もしくは使用前にその分量を配合するだけでよい。図５は、骨材１６も含んでいる新規な強化コンクリート製品１５をもたらす、繊維１０のコンクリート中でのランダムな分布を図式的に示すものである。一般的には、本発明の正弦曲線状に形作られた繊維を、約０．２５〜約５体積％の割合で添加するのが望ましい。この割合は繊維物質の密度によって決まるが、コンクリート１立方メートルにつきポリプロピレン約０．２２５〜４．５ｋｇに相当するものである。同様に、コンクリートやコンクリート材料の耐ひび割れ性を改良する為の本発明の方法は、本明細書で説明した正弦曲線状に形作られた繊維をコンクリートに添加する工程、及びその後でこれらの成分を十分に混合して、繊維をコンクリート材料中に十分に分散させる工程を含むものである。
【００３８】
本発明の正弦曲線状に形作られた繊維の、コンクリート用の二次強化材としての有効性を証明する為に、ポリプロピレン繊維を添加し、その後、最大引き抜き応力、及び比引き抜きエネルギーを測定することを含む試験を行った。
【００３９】
試験は、正弦曲線状に形作られた繊維１０、例えばポリプロピレンを含有するコンクリートと、そのような形状でない繊維を含有するコンクリート、及び特殊な目的用の、もしくは既存の形状の繊維を含有するコンクリートとを比較する為に行った。ＡＳＴＭの規準、及び手順を用い、コンクリートの実際的な適切な方法に従ってサンプルを準備し、試験した。この試験法については、Banthia et al., “Concrete Reinforced with Deformed Steel Fibers, Part 1: Bond-slip Mechanisms” (前掲)に詳しく記載されている。この文献の内容を、本明細書中に引用する。混合比率を表Ｉに示す。表ＩＩには、コンクリートの作りたての時の特性、及び２８日経って硬化した後の特性を示す。
0004633256.tif 000024
【００４０】
インストロン・コーポレーション（マサチューセッツ州、キャントン）製の１５０−ｋＮ床固定式試験機で、図７に示す試験片を用いて引き抜き試験を行った。試験片は、流し込みにより、二つの部分すなわちブロック２０、２１を作った。それぞれが、流し込みによってブロックを作る時に一方の端に埋め込んだアンカーリング２２を有していて、試験機に固定する為の環状のリングを提供している。試験しようとする繊維を埋め込んだ下方のブロック２０を初めに流し込みによって作り、２４時間硬化させた。図には本発明の繊維１０が描かれているが、先行技術の繊維を試験するのにも同じ手順を用いた。一旦硬化させた後、プラスチック製のセパレーター２３を第一のブロック２０の上に置き、コンクリートを注いで上方のブロック２１を作った。この組立品を、試験を行うまでの２８日間、更に硬化させた。引き抜き試験を、１５０−ｋＮ試験機を用いて行った。ブロック２０中の下方のリング２２を試験機に固定し、腕金の移動速度を０．５ｍｍ／分として、図式的に描かれているジョー２４を介してブロック２１中の上方のリング２２を、ブロック２０とブロック２１を引き離すように引っ張ることにより荷重をかけて、（かけた荷重）対（繊維の滑り）曲線を記録した。繊維の滑りは、二台のＬＶＤＴ変換器を用いて測定した（一台は総行程が２５ｍｍの精度の粗いものであり、もう一台は総行程が１ｍｍの精密なものである）。荷重と滑りのデータを、周波数１０Ｈｚで作動する１６ビットのデータ収集システムを用いて、デジタル形式で記録した。精密なＬＶＤＴは、予想される滑りが１ミリメートルの何分の一かに過ぎない、荷重−滑り曲線の初期弾性部分での正確な測定に役立った。
【００４１】
図８は、ＵＴＳが４５０ＭＰａであるポリプロピレン繊維について、ＭＰａ単位で測定した繊維の最大引き抜き応力を、前述の式４で示される変形率に対してプロットしたものである。変形率０からＵＴＳ（直線３２）までの実際のデータポイント間に描かれたグラフから、応力は一般的には直線的に増加する（直線３０）ということが、また最大変形度０．１５付近では、引き抜き応力は真っ直ぐな繊維よりも著しく大きい約４００ＭＰａであることが分かる。もっと重要なのは、ｘ軸の０．１８を僅かに越えた点で最大変形度Ｄｃｒｉｔｉｃａｌに達し、直線３０が繊維のＵＴＳ（直線３２）を越えるということである。従って、この繊維については、Ｄｏｐｔｉｍｕｍの値の範囲である約（０．５〜１）Ｄｃｒｉｔｉｃａｌは、変形率約０．０９〜約０．１８に等しい（図８）。
【００４２】
図９は、Ｎ／ｍｍの単位で測定した繊維の比引き抜きエネルギーを、前述の式４で示される変形率に対してプロットしたものである。変形率０から最大変形度０．１５までの実際のデータポイント間に描かれたグラフから、エネルギーは一般的に直線的に増加し（直線３５）、ここでもまた真っ直ぐな繊維よりも著しく大きい引き抜きエネルギー約２０００Ｎ／ｍｍが得られるということが分かる。
【００４３】
このことから、繊維の最適な性能を得る為には、平均最大引き抜き荷重が、変形率Ｄｃｒｉｔｉｃａｌによって決まる破壊時の最大引き抜き能力よりも少しだけ低くなるよう、繊維を変形率Ｄｏｐｔｉｍｕｍにまで変形させなければならない、という基準が明らかになった。従って、本特許は、繊維の広い変形特性範囲を以下のように規定するものである。
直径（ｄｆ）： ０．５〜１ｍｍ
振幅（ａ０）： ０．１ｄｆ〜２ｄｆ
周期（λ）：  ２ｄｆ〜１５ｄｆ
より具体的には、それらの範囲は以下の通りである。
直径（ｄｆ）： ０．６〜０．８ｍｍ
振幅（ａ０）： ０．５ｄｆ〜１ｄｆ
周期（λ）：  ４ｄｆ〜７ｄｆ
最も具体的には、それらの値は以下の通りである。
直径（ｄｆ）： ０．７６ｍｍ
振幅（ａ０）： ０．５２ｍｍ
周期（λ）：  ３．９ｍｍ
【００４４】
既存の捲縮繊維の直径、振幅、もしくは周期は、直径、振幅、もしくは周期についての上記の広い変形特性範囲のうちの一つに入るかもしれないが、本発明以前から存在している繊維形状のどれもが、上で検討した最適変形率Ｄｏｐｔｉｍｕｍの条件を満たすものではなかった。従って、０．７６ｍｍという所定の繊維径（ｄｆ）に対しては、振幅（ａ０）は０．５２ｍｍに、また周期（λ）は３．９ｍｍとなる。言い換えれば、０．５〜１ｍｍの広い範囲にある繊維径から選ばれたいずれの繊維にも、最適変形率Ｄｏｐｔｉｍｕｍを満たす特定の振幅と周期があるということであり、それはまた、０．１（ｄｆ）〜２（ｄｆ）の広い範囲にあるいずれかの選ばれた振幅に対しても、最適変形率Ｄｏｐｔｉｍｕｍを満たす特定の繊維径と周期があり、また２（ｄｆ）〜１５（ｄｆ）の広い範囲にあるいずれかの選ばれた周期に対しても、最適変形率Ｄｏｐｔｉｍｕｍを満たす特定の繊維径と振幅があるということである。
【００４５】
上記の特性をもつ繊維１０についての付着−滑り曲線４０を、図１０に示す。グラフ４２としてプロットした、真っ直ぐな変形されていない繊維との比較も示す。更なる比較の為に、特定の目的用の捲縮繊維の性能を、グラフ４４としてプロットした。これらの繊維も一般的には正弦曲線状に形作られているが、最適変形率を満たすのに繊維１０に必要とされる直径、振幅、及び周期の最適範囲内にはない。従って、特定の目的用の繊維の最適変形度Ｄｏｐｔｉｍｕｍは０．５Ｄｃｒｉｔｉｃａｌ未満であり、実際、たった（０．０２９）Ｄｃｒｉｔｉｃａｌであった。最大許容荷重、及びエネルギー吸収能力（曲線の下の領域）が、提案された変形によって著しく増すことも分かる。
【００４６】
図８〜図１０に示されているデータから明らかなように、式５及び式６により示される最大引き抜き応力、及び比引き抜きエネルギーを生じる正弦曲線状に形作られた繊維を用いることにより、先行技術の真っ直ぐな繊維や特定の目的用の捲縮繊維を用いるよりも良好な特性が得られた。
【００４７】
最適変形度をもつ本発明による繊維を設計する為には、本発明の範囲にある二種類の直径、振幅、及び周期を選択し、それらを用い、αとβの値の分かっている式４を用いてＤの値を求めればよい。次に、特定の組の直径、振幅、及び周期の値をもつ各繊維をコンクリートブロックの中に入れ、引き抜き試験に付して、引き抜き応力、及び引き抜きエネルギーの値を測定する。このデータが、プロットする為の二つの点となる。引き抜き応力をプロットすると、図８の直線３０と同じ様な直線が得られ、また直線がｙ軸と交叉する所（Ｄ＝０）で第一の定数Ｃの値を求めることができ、一方、ｋ１は新たな直線３０の傾きである。同様に、引き抜きエネルギーをプロットすると、図９の直線３５と同じ様な直線が得られ、直線がｙ軸と交叉する所（Ｄ＝０）で第二の定数Ｃ１の値を求めることができ、一方、ｋ２は新たな直線３５の傾きである。これらの値から四つの定数ｋ１、ｋ２、Ｃ、及びＣ１の全てが分かり、またｋ１及びＣから前述のようにして、ＤｃｒｉｔｉｃａｌとＤｏｐｔｉｍｕｍを求めることができる。これら後者の値から、式８に従ってＤｏｐｔｉｍｕｍの値の範囲を求めることができる。
【００４８】
正弦曲線状の形状をもつ特定の繊維が、本発明に用いられる最適変形度Ｄｏｐｔｉｍｕｍを有しているかどうかは、比較的簡単な手順で判断できる。繊維の直径、振幅、及び周期を先ず測定する。それらは、少なくとも前述の繊維の広い変形特性範囲の中に入っているか、そうでなければ、開示されているより好ましい範囲の一つに入っていなければならない。繊維の極限引張強さも測定しなければならない。その後、この繊維を引き抜き試験に付して、引き抜き応力、及び引き抜きエネルギーの値を測定しなければならない。その結果を、図８、及び図９のような二つの別個のグラフ上に、それぞれ引き抜き応力、及び引き抜きエネルギーのデータポイントとしてプロットすればよい。次に、繊維を真っ直ぐにしなければならない。すなわち、正弦曲線状の形状をなくさなければならない。定数Ｃ、及びＣ１は、真っ直ぐな繊維（変形度ゼロ）についての値だからである。
【００４９】
その後、この繊維を引き抜き試験に付して、引き抜き応力、及び引き抜きエネルギーの値を測定すると、図８、及び図９のようなグラフのｙ軸上に二つのデータポイントがそれぞれ加えられ、それにより直線３０、及び直線３５を引くことができる。最後に、変形度に対して引き抜き応力をプロットして作った、図８のような新たなグラフに、Ｄｃｒｉｔｉｃａｌの値を求める為に極限引張強さを加えなければならない。Ｄｃｒｉｔｉｃａｌの値から、Ｄｏｐｔｉｍｕｍを求めることができる。引き抜き応力の実際の値がＤｏｐｔｉｍｕｍの範囲に入っているのであれば、その繊維は最適変形度をもっている。
【００５０】
また、繊維は幾分細長くしてもよい。それにより、周期と振幅が変わり、またこれらの値と所定の半径を、式４を用いてＤの値を求めるのに用いることができる。細長くした繊維を、変形率に対してプロットする為のもう一つのデータポイントを得る為に、引き抜き試験に付す。このデータポイントも、新たに引いた直線（３０）の上にあるか、もしくは少なくともその実験誤差の範囲に入っていなければならない。
【００５１】
上記の開示内容から、本発明により前述の目的が達成されるということが分かるであろう。広い範囲の繊維組成物を用いることができ、またポリプロピレン繊維を用いるのが好ましいが、本発明はそれに限定されるものではなく、その他の繊維を代わりに用いることができるということも、当業者には明らかであろう。同様に、いずれかの特定の繊維のコンクリートへの具体的な添加量、もしくは体積は、本発明を限定するものではない。
【００５２】
従って、あらゆる変形例が請求項に記載された発明の範囲に入るので、具体的な繊維、正弦曲線状の形状、及び量は、本明細書に開示され、記載された本発明の精神から外れることなく選択できるということは、言うまでもないことである。また、本発明の範囲には、添付した請求の範囲に入るであろうあらゆる変形や修正が含まれるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】  正弦曲線状に形作られた本発明による繊維の拡大斜視図である。
【図２】  図１の正弦曲線状に形作られた繊維の平面図である。
【図３】  図１の正弦曲線状に形作られた繊維の側面立面図である。
【図４】  図３の線４−４に実質的に沿った断面図である。
【図５】  骨材と本発明の繊維とが描かれた断面を示す、コンクリートスラブの一部分の斜視図である。
【図６】  本発明による繊維の正弦曲線の繰り返しを描いた、各正弦曲線の振幅と周期とを示す数学的な曲線である。
【図７】  流し込みにより二つの部分に作られたコンクリートの試験片と、その中に試験を行う目的で埋め込まれた本発明による繊維を示す側面立面図である。
【図８】  コンクリート中の本発明による繊維についての、変形率に対してプロットした引き抜き応力を示すグラフである。
【図９】  コンクリート中の本発明による繊維についての、変形率に対してプロットした引き抜きエネルギーを示すグラフである。
【図１０】  本発明による繊維の引き抜き特性を、特定の目的用の捲縮繊維、及び真っ直ぐな繊維と比較したグラフである。
【図１】
0004633256.tif 000040
【図２】
0004633256.tif 000041
【図３】
0004633256.tif 000042
【図４】
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【図５】
0004633256.tif 000044
【図６】
0004633256.tif 000045
【図７】
0004633256.tif 000046
【図８】
0004633256.tif 000047
【図９】
0004633256.tif 000048
【図１０】
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