(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直径が0.1〜0.25mm、引張強度が1.5〜3.5GPaの断面が円形の形状の鋼繊維からなり、該鋼繊維の表面に、当該鋼繊維のヤング係数よりも小さなヤング係数を有する金属層が設けられており、180MPaの圧縮強度を有するセメント質硬化体に対する界面付着強度が3MPa以上であり、螺旋形の形状に加工されており、該螺旋形の形状が、繊維長さの0.25〜1倍の周期、及び、繊維直径の4倍以下の振幅を有し、かつ、アスペクト比が40〜150であることを特徴とするセメント質硬化体補強用金属繊維。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、100MPa以上の圧縮強度を有するセメント質硬化体を補強するのに好適なセメント質硬化体補強用金属繊維に関する。
【０００２】
【従来の技術】
セメント質硬化体（例えば、コンクリート等）の補強用としての従来の鋼繊維は、一般に、引張強度の大きさと比べて、母材（セメント質硬化体中の鋼繊維以外の部分）に対する付着強度が小さい。そのため、鋼繊維による補強効果は、母材との付着強度を反映して、小さいものとなり、必ずしも満足すべきものではなかった。また、従来の鋼繊維は、直径が0.5〜1.0mm程度、長さが30mm程度と大き過ぎるため、高強度のセメント質硬化体（例えば、100MPa以上の圧縮強度を有するコンクリート）中に混入された時に、母材から分離し易いという欠点があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて、高強度のセメント質硬化体（典型的には、100MPa以上の圧縮強度を有するセメント質硬化体）中の母材に対する付着性が良好で、セメント質硬化体を補強するのに好適に用いられるセメント質硬化体補強用金属繊維を提供せんとする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本願請求項１に記載のセメント質硬化体補強用金属繊維は、直径が0.1〜0.25mm、引張強度が1.5〜3.5GPaの断面が円形の形状の鋼繊維からなり、該鋼繊維の表面に、当該鋼繊維のヤング係数よりも小さなヤング係数を有する金属層が設けられており、180MPaの圧縮強度を有するセメント質硬化体に対する界面付着強度（付着面の単位面積当たりの最大引張力）が3MPa以上であり、螺旋形の形状に加工されており、該螺旋形の形状が、繊維長さの0.25〜1倍の周期、及び、繊維直径の4倍以下の振幅を有し、かつ、アスペクト比が40〜150であることを特徴とする。
このように構成した本発明の金属繊維は、母材に対する付着強度が大きいため、母材から容易に分離することがなく、セメント質硬化体を効果的に補強することができる。
また、このように、特定の物性を有する金属層を鋼繊維の表面上に設けることによって、セメント質硬化体の曲げ及び引張の破断強度や靭性を高めることができる。
さらに、このように特定の形状に加工することによって、繊維補強したセメント質硬化体の靭性をより一層高めることができる。
【０００８】
上記螺旋形の形状が、上記条件から外れた形状である場合には、セメント質硬化体を構成する他の材料との混練時に、金属繊維が絡み合う等の不都合が生じるおそれがある。
【０００９】
上記アスペクト比を上記範囲内とすることによって、良好な作業性（セメント質硬化体の硬化前の流動性）等を確保しつつ、大きな補強効果を得ることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明のセメント質硬化体補強用金属繊維は、鋼繊維の表面（周面）に特定の金属層を形成させたものからなる。
本発明で用いる鋼繊維としては、特に材質が限定されず、例えば、炭素鋼、ステンレス鋼等からなる鋼繊維が挙げられる。中でも、炭素鋼は、低価格で入手できる点で、好ましい。
【００１１】
本発明で用いる鋼繊維の引張強度は、1.5〜3.5GPaである。
引張強度が1GPa未満では、金属繊維が破断し易く、十分な補強効果が得られない。すなわち、補強の対象となるセメント質硬化体が、極めて高い強度とヤング係数を持つ場合には、ひび割れる時に解放される弾性エネルギーが大きいため、金属繊維の引張強度は、破断の防止のために1.5GPa以上にする必要がある。
一方、鋼繊維の引張強度が3.5GPaを超えても、補強効果がほとんど向上しないばかりか、鋼繊維のコストが高くなるので、鋼繊維の引張強度は、3.5GPa以下とするのが好ましい。
【００１２】
本発明で用いる鋼繊維の直径は、0.1〜0.25mmである。直径が0.5mmを超えると、セメント質硬化体が硬化するまでの間に金属繊維（鋼繊維）が沈降し易く、セメント質硬化体中の金属繊維の分散が均一にならないばかりでなく、繊維の強度に比べ界面付着強度が相対的に低下するので、十分な補強効果が得られず、好ましくない。
【００１３】
本発明で用いる鋼繊維の長さは、繊維のアスペクト比（繊維長／繊維直径）で40〜150である。アスペクト比が20未満では、亀裂の開口量が増加していく際に、亀裂を橋渡ししている金属繊維が引き抜け易く、金属繊維による補強効果が低下するので、好ましくない。アスペクト比が200を超えると、混練時に流動性が低下して、型枠内への混練物の流し込み時等における作業性が劣るばかりでなく、気泡が抜け難くなって、繊維補強されたセメント質硬化体の強度が低下するので、好ましくない。また、アスペクト比が200を超える場合、金属繊維の混入量を少なくすれば、流動性の低下を比較的抑えることができるのであるが、この場合、金属繊維量が少ないために、金属繊維全体が負担することのできる荷重の大きさが小さくなり、繊維補強されたセメント質硬化体の強度が低下してしまう。
繊維のアスペクト比が40〜150の範囲内であれば、混練時の流動性の低下もほとんどなく、しかも、金属繊維の混入量を比較的大きくすることができるので、十分な補強効果を得ることができる。
【００１４】
本発明の金属繊維（鋼繊維に特定の金属層を被覆したもの）としては、鋼繊維に関する上記の条件に加えて、更に、180MPaの圧縮強度を有するセメント質硬化体に対する界面付着強度が3MPa以上、好ましくは3.5MPa以上、特に好ましくは4MPa以上であることが必要である。界面付着強度が3MPa未満では、亀裂の開口量（開口の度合または程度）が増加していく際に、亀裂を橋渡ししている金属繊維が引き抜け易くなり、金属繊維による補強効果が低下するので、好ましくない。
界面付着強度の数値を表す際に、セメント質硬化体（母材）の圧縮強度の大きさ（180MPa）を一緒に表示する理由は、セメント質硬化体の圧縮強度が変化すれば、それに伴って金属繊維の界面付着強度も変化するため、同一の圧縮強度を有する母材を基準にして、界面付着強度を示す必要があるからである。
なお、界面付着強度の測定に用いるセメント質硬化体は、圧縮強度が180MPaのものであればよく、その使用材料等が限定されるものではない。
【００１５】
金属繊維の表面状態は、特に限定されず、用途や要求される性能によって適宜定めればよい。
金属繊維の表面が粗面であれば、セメント質硬化体との付着強度を高くすることができるので、繊維補強したセメント質硬化体の曲げ強度や引張強度を高めることができる。
一方、金属繊維の表面が平滑面であれば、セメント質硬化体と金属繊維との界面において、金属繊維が引き抜ける時にセメント質硬化体を損傷することが少なくなるので、比較的長い引抜け長さになるまで金属繊維に大きな引張力（付着力）を作用させることができ、その結果、繊維補強したセメント質硬化体の曲げや引張の破断までの歪みを大きくすることができるなど、靭性を高めることができる。
【００１６】
本発明においては、図１に示すように、鋼繊維の表面（周面）に、鋼繊維のヤング係数よりも小さなヤング係数を有する金属層が設けられる。図１中、金属繊維１は、鋼繊維２の表面に金属層３が被覆されてなる。
金属層を設ける理由は、次の通りである。セメント質硬化体の亀裂を橋渡ししている鋼繊維には、引張力が作用するので、鋼繊維と、鋼繊維に付着しているセメント質硬化体（母材）との界面には、剪断力が生じる。鋼繊維の表面に、鋼繊維よりも小さなヤング係数を有する金属層を設けると、金属繊維と、金属繊維に付着しているセメント質硬化体（母材）との界面に作用する剪断力は、セメント質硬化体（母材）中に比較的広く分散するようになる。そのため、金属繊維に作用する引張力によって受けるセメント質硬化体の損傷が軽減され、繊維補強したセメント質硬化体の曲げや引張の破断強度や靭性が高まるものと考えられる。
【００１７】
更に、鋼繊維の表面の金属層が、セメント質硬化体（母材）との付着面において剥離し、該付着面が相対運動する場合においても、金属層は、鋼繊維に比べてヤング係数が小さいので、セメント質硬化体（母材）との接触面での応力集中を緩和させる作用を有するとともに、金属層自身の比較的弾塑性変形し易い性質から、金属繊維の引き抜け時においても付着力を増大させるように作用する。これらの作用は、繊維補強されたセメント質硬化体の曲げや引張の破断強度や靭性が高くなることと等価である。
金属層を構成する金属の種類としては、例えば、亜鉛、錫、銅、アルミニウム、それらの合金等が挙げられる。
金属層の厚みは、通常、鋼繊維の直径の5％以下である。
【００１８】
本発明においては、金属繊維の表面に、インデント加工と称する塑性加工等によって凹凸を形成させると、セメント質硬化体（母材）に対する金属繊維の付着力を高めることができ、その結果、繊維補強されたセメント質硬化体の曲げ強度や引張強度が高まるので、好ましい。
なお、本明細書中で、「インデント加工」とは、セメント質硬化体に対して金属繊維が相対運動する際の抵抗が大きくなるように、金属繊維の外周面上に溝（凹部）または突起（凸部）を設けることをいう。溝または突起は、例えば、金属繊維の軸線に対して垂直な方向に延びる円環状（全周またはその一部）の溝または突起として、金属繊維の長手方向に適宜の間隔で複数形成してもよいし、あるいは、金属繊維の両端部を加圧して押し潰し、各端部にて扁平状のもの（突起を２つ有する。）として形成してもよい。
インデント加工の例を図２及び図３に示す。図２は、金属繊維４の周面上に円環状の溝５を所定の間隔で複数形成させた状態を示す正面図である。図３中の（ａ）は、金属繊維６の両端部を押し潰して扁平状にし、各端部に２つの突起７を形成させた状態を示す正面図（一端部）であり、（ｂ）は、その側面図である。（ｃ）は、金属繊維８の両端部を片側に押し潰して、先端部に突起９を形成させた状態を示す正面図（一端部）である。
【００１９】
インデント加工で、金属繊維の周面上に円環状に形成される溝の深さまたは突起の高さ（インデント加工されない周面を基準とした深さまたは高さ）は、金属繊維の直径の0.1倍以下とするのが好ましい。
円環状に形成される溝の深さまたは突起の高さが、金属繊維の直径の0.1倍を超えると、金属繊維と母材の間の付着力が大きなピーク値を示す反面、金属繊維と母材の間の滑りが抑制されるため、金属繊維が破断したり、あるいは母材が破壊されたりして、亀裂が生じた後の金属繊維の付着力が急減するおそれがあり、好ましくない。
【００２０】
インデント加工で、金属繊維の両端を押し潰して扁平状に形成される突起の高さ（インデント加工されない周面を基準とした高さ）は、金属繊維の直径以下とするのが好ましく、0.7倍以下とするのがより好ましい。
扁平状に形成される突起の高さが、金属繊維の直径を超えると、金属繊維と母材の間の付着力が大きなピーク値を示す反面、金属繊維と母材の間の滑りが抑制されるため、金属繊維が破断したり、あるいは母材が破壊されたりして、亀裂が生じた後の金属繊維の付着力が急減するおそれがあり、好ましくない。
インデント加工は、金属繊維１本当たり、金属繊維の長手方向の少なくとも２箇所以上に施すことが好ましい。長手方向に１箇所施しただけでは、インデント加工による十分な効果を期待できない。
【００２１】
金属繊維の形状は、螺旋形である。この形状に形成すれば、亀裂を橋渡ししている金属繊維が母材から剥離した後に、金属繊維と母材の相対運動時に界面上に適当な摩擦力が生じ、繊維補強されたセメント質硬化体が高靭化される。
上記螺旋形の形状における振幅は、金属繊維の直径の４倍以下である。振幅が金属繊維の直径の４倍を超えると、混練時に金属繊維同士が絡み合い、金属繊維が均一に分散し難くなるおそれがある。
【００２２】
上記螺旋形の形状における周期は、金属繊維の長さの0.25〜1倍である。周期が金属繊維の長さの0.25倍未満では、金属繊維同士が干渉し、混練が困難になる。周期が金属繊維の長さの1倍を超えると、金属繊維と母材の相対運動時に、金属繊維が母材に対して十分な付着力を有さず、金属繊維と母材の界面に生じる摩擦力が低減するので、金属繊維による十分な補強効果が得られず、繊維補強されたセメント質硬化体が、脆性的な破壊を示すようになる。なお、本明細書中において、「振幅」とは、金属繊維の軸線（中心線）が形成する波形に対するものである。
螺旋形の金属繊維を作製するには、例えば、芯棒の周囲に５本の金属繊維を環状に平行に配置させた状態で、芯棒の軸線を中心として全体を回転させればよい。
【００２３】
本発明の金属繊維を含むセメント質硬化体は、一般的には、100MPa以上の圧縮強度と、30MPa以上の曲げ強度と、15kJ/m2以上の破壊エネルギーとを有するものであり、好ましくは、150MPa以上の圧縮強度と、35MPa以上の曲げ強度と、18kJ/m2以上の破壊エネルギーとを有するものであり、特に好ましくは、170MPa以上の圧縮強度と、38MPa以上の曲げ強度と、20kJ/m2以上の破壊エネルギーとを有するものである。
【００２４】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明を説明する。
（１）使用した金属繊維
金属繊維として、次の▲１▼〜▲５▼を使用した。なお、金属繊維▲１▼〜▲４▼は、本発明の金属繊維であり、金属繊維▲５▼は、本発明に該当しない金属繊維である。
▲１▼  引張強度2.7GPa、直径0.2mmの鋼繊維（材質：炭素鋼）；
▲２▼  ▲１▼の鋼繊維の表面に0.2μmの厚さで黄銅を被覆（コート）したもの；
▲３▼  ▲１▼の鋼繊維の表面に0.2μmの厚さで黄銅を被覆した後、鋼繊維の両端を潰すように塑性加工して、突起高さ0.1mmのインデント加工を施したもの；
▲４▼  ▲１▼の鋼繊維の表面に0.2μmの厚さで黄銅を被覆した後、周期7.5mm、振幅0.35mmの螺旋加工を施したもの；
▲５▼  引張強度0.8GPa、直径0.2mmの鋼繊維（材質：炭素鋼）
【００２５】
（２）金属繊維の界面付着強度の測定
上記▲１▼〜▲５▼の各金属繊維について、セメント質硬化体（圧縮強度：180MPa）に対する界面付着強度を測定した。用いたセメント質硬化体の成分の配合割合、及び試験方法は、次の通りである。
［セメント質硬化体の配合条件］
表１に示す配合条件で、配合１及び配合２のセメント質硬化体を作製した。なお、これらのセメント質硬化体の圧縮強度は、いずれも180MPaであった。
【００２６】
【表１】
0004799729.tif 000002
【００２７】
［試験方法］
縦4cm、横4cm、高さ1cmの型枠の底板の中心に穿設された孔の中に、１本の金属繊維（長さ：約10cm）の下端部を貫通させた状態で垂直に立設した後、型枠内に、上記配合割合で各成分を混練した試料を流し込み、成型した。湿気箱（20℃）中で24時間養生後、材齢28日まで20℃で水中養生した。養生後、インストロン型試験機で金属繊維を引っ張り、得られた最大荷重を付着界面の面積で除し、界面付着強度とした。
［結果］
界面付着強度の測定結果を表２に示す。
【００２８】
【表２】
0004799729.tif 000003
【００２９】
表２に示すように、各々の金属繊維（▲１▼〜▲５▼）は、同一の圧縮強度（180MPa）を有し成分組成が異なる２種のセメント質硬化体（配合１、配合２）に対して、一定の界面付着強度を示す。
【００３０】
（３）金属繊維を含むセメント質硬化体の作製
金属繊維を含むセメント質硬化体として、表３に示すセメント質硬化体Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６を作製した。なお、混練方法及び養生条件は、次の通りである。
［混練方法］
ホバートミキサに金属繊維以外の材料を一括投入し、混練して流動性が現れた後に金属繊維を投入し、更に混練を行なった。
［養生条件］
湿気箱（20℃）中で24時間養生した後、材齢28日まで20℃で水中養生した。
【００３１】
【表３】
0004799729.tif 000004
【００３２】
（４）金属繊維を含むセメント質硬化体の評価
表３に示すセメント質硬化体Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６について、フロー値等の物性を測定した。
［物性の測定方法］
フロー値は、ＪＩＳ  Ｒ５２０１（セメントの物理試験方法）に準じて測定した。ただし、１５回の落下運動は行なわずに測定した。
圧縮強度は、ＪＩＳ  Ａ１１０８（コンクリートの圧縮試験方法）を参考にして求めた。供試体の形状は、直径5cm、高さ10cmとした。
曲げ強度は、ＪＩＳ  Ｒ５２０１（セメントの物理試験方法）を参考にして求めた。供試体の形状は、縦4cm、横4cm、長さ16cmとした。載荷条件は、下支点間距離12cm、上支点間距離4cmの４点曲げとした。
破壊エネルギーは、曲げ試験において、荷重が最大荷重に達したのち、最大荷重の１／３まで低下するまでの荷重−荷重点変位の積分値を供試体断面積で除した値とした。
［結果］
結果を表４〜表９に示す。
【００３３】
【表４】
0004799729.tif 000005
【００３４】
【表５】
0004799729.tif 000006
【００３５】
【表６】
0004799729.tif 000007
【００３６】
【表７】
0004799729.tif 000008
【００３７】
【表８】
0004799729.tif 000009
【００３８】
【表９】
0004799729.tif 000010
【００３９】
表２〜表９に示すように、本発明の金属繊維（丸数字の４）で繊維補強したセメント質硬化体（実施例１〜６）では、いずれも高い曲げ強度と破壊エネルギーを得ている。一方、界面付着強度が低い金属繊維（丸数字の５）を配合したセメント質硬化体（比較例１〜６）では、曲げ強度及び破壊エネルギーがいずれも低く、金属繊維による補強の効果が不十分である。
【００４０】
【発明の効果】
本発明の金属繊維を配合することによって、大きな曲げ強度と大きな破壊エネルギーを有する高強度のセメント質硬化体を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の金属繊維の一例（部分）を示す斜視図である。
【図２】インデント加工の一例を示す正面図である。
【図３】インデント加工の他の例を示す正面図（ａ）、側面図（ｂ）、及び更に他の例を示す正面図（ｃ）である。
【符号の説明】
１，４，６，８  金属繊維
２  鋼繊維
３  金属層
５  溝
７，９  突起
【図１】
0004799729.tif 000011
【図２】
0004799729.tif 000012
【図３】
0004799729.tif 000013