(57)【要約】  極めて延性の繊維強化脆性マトリックス複合材は、動的及び／又は衝撃荷重を受ける恐れがある保護構造物にとって高価値である。家屋、ビルディング及び橋梁などのインフラストラクチャは、ハリケーンによって持ち上げられた物体、爆弾及び他の発射体のためにこうした荷重を経験する恐れがある。普通コンクリート及び繊維強化コンクリートに比較して、本発明の複合材は、衝撃荷重を受けた場合でも、従来のコンクリート及び繊維強化コンクリートより数百倍大きい、歪み硬化挙動を伴う大幅に改良された引張歪み容量を有する。脆性マトリックスは、水硬性セメントであっても無機ポリマーであってもよい。本教示の例示的実施形態では、複合材は、ポゾラン性添加材、軽量フィラー及び細骨材を工学的セメント系複合材の新鮮な混合物に組み込むことによって生成混合物を形成し、次いで、生成混合物を型内に投入し、生成混合物を硬化させることによって調製される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
体積分率が１％〜４％である均一に分布した不連続短繊維と、
水硬性セメントを含むセメント系マトリックスである結合剤と、
水と
の混合物を含み、
前記混合物が、静荷重から衝撃荷重までを受けた場合に、引張下で少なくとも１％の歪み容量と同時に歪み硬化挙動を示す、構造体の耐衝撃性を改良するための延性の繊維強化脆性マトリックス複合材。
【請求項２】
前記均一に分布した不連続短繊維が、アラミド、ポリビニルアルコール、高弾性ポリエチレン及び強力ポリプロピレンからなる群から選択される、請求項１に記載の延性の繊維強化脆性マトリックス複合材。
【請求項３】
前記均一に分布した不連続短繊維が、１０〜１００マイクロメートルの平均直径及び４〜４０ｍｍの平均長さを有する、請求項１に記載の延性の繊維強化脆性マトリックス複合材。
【請求項４】
前記結合剤が、ポルトランドセメントである、請求項１に記載の延性の繊維強化脆性マトリックス複合材。
【請求項５】
前記水と前記結合剤の重量比が、０．２〜０．６の範囲である、請求項１に記載の延性の繊維強化脆性マトリックス複合材。
【請求項６】
減水剤と前記結合剤の重量比が最大０．０５の前記混合物中に配置された前記減水剤
をさらに含む、請求項１に記載の延性の繊維強化脆性マトリックス複合材。
【請求項７】
細骨材と前記結合剤の重量比が最大２．０で存在する前記混合物中に配置された前記細骨材
をさらに含む、請求項１に記載の延性の繊維強化脆性マトリックス複合材。
【請求項８】
前記細骨材が、砂を含む、請求項７に記載の延性の繊維強化脆性マトリックス複合材。
【請求項９】
１０〜１０００マイクロメートルの範囲に粒度分布が制御された前記混合物中に配置された軽量フィラー
をさらに含む、請求項１に記載の延性の繊維強化脆性マトリックス複合材。
【請求項１０】
１０〜２００マイクロメートルの範囲に粒度分布が制御された前記混合物中に配置された軽量フィラー
をさらに含む、請求項１に記載の延性の繊維強化脆性マトリックス複合材。
【請求項１１】
前記混合物中に配置されたポゾラン性添加材
をさらに含む、請求項１に記載の延性の繊維強化脆性マトリックス複合材。
【請求項１２】
前記ポゾラン性添加材が、フライアッシュ及びシリカフュームのうちの少なくとも１つを含む、請求項１１に記載の延性の繊維強化脆性マトリックス複合材。
【請求項１３】
前記混合物中に配置された粘度調整剤
をさらに含む、請求項１に記載の延性の繊維強化脆性マトリックス複合材。
【請求項１４】
体積分率が１％〜４％である均一に分布した不連続短繊維と、
無機ポリマーを含むセメント系マトリックスである結合剤と、
水と
の混合物を含み、
前記混合物が、静荷重から衝撃荷重までを受けた場合に、引張下で少なくとも１％の歪み容量と同時に歪み硬化挙動を示す、構造体の耐衝撃性を改良するための延性の繊維強化脆性マトリックス複合材。
【請求項１５】
前記均一に分布した不連続短繊維が、アラミド、ポリビニルアルコール、高弾性ポリエチレン及び強力ポリプロピレンからなる群から選択される、請求項１４に記載の延性の繊維強化脆性マトリックス複合材。
【請求項１６】
前記均一に分布した不連続短繊維が、１０〜１００マイクロメートルの平均直径及び４〜４０ｍｍの平均長さを有する、請求項１４に記載の延性の繊維強化脆性マトリックス複合材。
【請求項１７】
前記水と前記結合剤の重量比が、０．２〜０．６の範囲である、請求項１４に記載の延性の繊維強化脆性マトリックス複合材。
【請求項１８】
減水剤と前記結合剤の重量比が最大０．０５の前記混合物中に配置された前記減水剤
をさらに含む、請求項１４に記載の延性の繊維強化脆性マトリックス複合材。
【請求項１９】
細骨材と前記結合剤の重量比が最大２．０で存在する前記混合物中に配置された前記細骨材
をさらに含む、請求項１４に記載の延性の繊維強化脆性マトリックス複合材。
【請求項２０】
１０〜１０００マイクロメートルの範囲に粒度分布が制御された前記混合物中に配置された軽量フィラー
をさらに含む、請求項１４に記載の延性の繊維強化脆性マトリックス複合材。
【請求項２１】
前記混合物中に配置されたポゾラン性添加材
をさらに含む、請求項１４に記載の延性の繊維強化脆性マトリックス複合材。
【請求項２２】
前記混合物中に配置された粘度調整剤
をさらに含む、請求項１４に記載の延性の繊維強化脆性マトリックス複合材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００８年９月１１日出願の米国特許出願（Ｕｔｉｌｉｔｙ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ）第１２／２０８７１４号及び２００７年９月１３日出願の米国仮出願第６０／９７２０３０号の利益を主張するものである。上記出願の全体の開示は参照により本明細書に組み込まれている。
【０００２】
本教示は、繊維強化脆性マトリックス複合材に関し、より詳細には、衝撃荷重を受けた場合でも、引張下で歪み硬化挙動を示し、少なくとも１％の引張延性を保持する繊維強化脆性マトリックス複合材に関する。
【背景技術】
【０００３】
本セクションの内容は、本開示に関連する背景情報を提供するのみであり、従来技術を構成しない場合がある。
【０００４】
テロリストによる攻撃及び自然災害は、爆弾の爆発及び飛行物体による衝撃など極端な荷重下で大構造物における人の安全性を確保する必要性を浮き彫りにする。コンクリートは、多年にわたり極めて有用な建設材料としてその役割を果たしてきたが、鉄筋コンクリート構造物は、激烈な動荷重下では脆弱である恐れがある。例えば、１９９６年におけるオクラホマ市のＡｌｆｒｅｄ  Ｐ．Ｍｕｒｒａｈ  Ｆｅｄｅｒａｌ  Ｂｕｉｌｄｉｎｇの大部分が崩壊したことは、爆弾の爆発にさらされた場合の鉄筋コンクリート構造物の脆弱性を実際に示すものである。
【０００５】
爆発／衝撃を受けた鉄筋コンクリート構造物の多数の壊滅的な破壊は、引張下のコンクリート材料の脆性と関係している。圧縮応力波は、衝撃／爆発によって構造物の荷重側に発生するが、構造要素の裏側の自由境界に衝突した後に引張応力波として反射する。加えて、コンクリートの引張強度は、通常、その圧縮強度よりはるかに小さい（約一桁分）。したがって、Ｍａｌｖａｒ及びＲｏｓｓによって示唆されているように、コンクリートの引張特性は、一般に、衝撃／爆発下のコンクリート破壊を支配する。クラック発生、スポーリング及び崩壊などコンクリートの脆性破壊は、爆発／衝撃を受けた場合に鉄筋コンクリート構造物で観察される場合が多く、構造物の一体性が大きく失われる原因になる恐れがある。これとは別に、構造要素の裏面から噴出する高速スポーリングの破片は、構造要素の背後の人員に重大な傷害を引き起こす恐れがある。
【０００６】
鉄筋コンクリート構造要素の衝撃／爆発応答及び衝撃／爆発荷重に対する鉄筋コンクリート構造の緩和設計に関して膨大な研究が実施されている。構造部材の寸法を厚くすること、鉄筋量を増加すること、特別の補強ディテール、追加のせん断壁の設置など現状の実務は、構造設計及びディテール及び／又は攻撃後の崩壊の進行の機会を低減するための余剰機能の追加を強調している。上記の挑戦の一部を解決するための代替の解決策は、コンクリート材料内に本質的に引張延性体を埋め込むことである。延性コンクリートは、脆性破壊モードを抑制し、現在の設計手法の効率及び性能を強化するのに非常に望ましいと思われる。コンクリートに延性を賦与する最も効果的な手段は、繊維強化によるものである。
【０００７】
コンクリートの破壊じん性は、繊維強化によって大幅に改善されるが、大部分の繊維強化コンクリートは、クラック開口の増加とともに荷重が減少する引張荷重下で擬似脆性ピーク後引張軟化挙動を依然として示す。したがって、引張歪み容量は、依然として低く、普通コンクリートとほぼ同じ、すなわち、約０．０１％である。この繊維強化コンクリートの擬似脆性挙動を、延性金属に類似の延性歪み硬化挙動に変換しようとする努力が精力的に行われてきた。大部分の例では、この手法は、繊維の体積分率を可能な限り増加させることである。繊維含量が、繊維の種類及び界面特性で決まるある値、通常は４〜１０％を超えると、従来の繊維強化コンクリートは、中程度の歪み硬化挙動を示す場合がある。例えば、譲受人、Ｂｏｕｙｇｕｅｓ、Ｌａｆａｒｇｅ及びＲｈｏｄｉａ  Ｃｈｉｍｉｅに授与された仏国特許ＷＯ９９／５８４６８は、セメントマトリックス中に分散した有機繊維を含む高性能コンクリートであって、該マトリックスが、非常に硬くて小さい直径のフィラーを使用して強く圧密されることによって高強度を実現する高性能コンクリートを開示する。体積分率４％のポリビニルアルコール繊維を添加した場合、０．５％未満の歪み容量を備えた中程度の歪み硬化挙動が実現される。
【０００８】
しかし、繊維の高体積分率は、大きな加工上の課題をもたらす。ハンドリング及び打ち込みが困難であると同時に、繊維の高表面積及び繊維間の相互作用が存在するためにミックスの粘度が高くなるので繊維の分散が難しくなる。ワーカビリティーの課題を克服するために、多様な加工技法が提案されている。例えば、Ｓｈａｈらへの米国特許第５８９１３７４号は、引張下で歪み硬化挙動を有する繊維強化セメント系複合材であって、体積分率が４％を超える繊維を使用する繊維強化セメント系複合材を製造するための押出し法を使用することを開示する。かかる押出し複合材の引張歪み容量は、依然として１％未満である。
【０００９】
本教示は、新規なクラスの歪み硬化セメント系複合材：すなわち、通常、３体積％未満である低繊維含量及び通常３％を超える高歪み容量を特徴とする工学的セメント系複合材（Ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ  Ｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）を提供する。工学的セメント系複合材の設計は、ランダム分布の短繊維で強化したセメント系複合材における歪み硬化のマイクロ工学の理解に基づく。繊維、マトリックス及び界面は、マイクロ工学モデルに基づいて注意深く選択し、注文通りに調整することによって、複合材が、擬似静荷重を受けた場合、低繊維含量で引張下の歪み硬化を示すように挙動するのを確実にする。ミックスは、好ましい加工性を保持し、普通コンクリートのようにハンドリング及び打ち込みができる。
【００１０】
コンクリート及び多数の他の工学材料と同様に、工学的セメント系複合材は、速度依存性を示す機械的特性を有する。図１ａは、多様な歪み速度にさらされた、本工学演習において最も広く調査したバージョンの工学的セメント系複合材である工学的セメント系複合材Ｍ４５の引張応力−歪み曲線のプロットである。歪み速度は、低速衝撃に対する擬似静荷重に対応して、１０−５〜１０−１ｓ−１の範囲である。図１ｂに示したように、Ｍ４５では、歪み速度が上昇すると引張延性が下降する傾向にあることが分かった。引張延性は、最大歪み速度で３％から０．５％まで減少する。第１のクラック強度と最終引張強度の双方が、歪み速度の増加とともに増加することが分かった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、本教示は、衝撃荷重を受けた場合でも、歪み硬化挙動と同時に大幅に改良された引張歪み容量を有する繊維強化脆性マトリックス複合材を作製する方法を提供する。複合材で使用する繊維は、モルタルマトリックスとともに機能することによって分散マイクロクラック損傷の方を選んで局所脆性破壊を抑制するように調整される。複合材は、水硬性セメント又は無機ポリマー結合剤と、水と、減水剤とを含み、不連続短繊維は、混合することによって、強化繊維を均一に分散させ、好ましい流動性を有する混合物が形成される。細骨材、ポゾラン添加材、及び軽量フィラーを含めての任意選択の成分も一部のミックス設計で使用される。次いで、混合物を所望の形状を有する型内に流し込み、硬化することによって複合材が形成される。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
一部の実施形態では、本教示は、繊維、マトリックス及び界面間の相乗的相互作用を制御することによって、静荷重から最大で衝撃荷重までを受けた場合に繊維強化脆性マトリックス複合材において高引張歪み容量を実現する手段を提供することができる。本教示の特徴は、繊維、マトリックス及び界面特性を記述するマイクロ工学パラメーターを使用することによって許容される繊維セメント系と許容できない繊維セメント系とを差別化することである。
【００１３】
一部の実施形態では、本教示は、低繊維含量において引張下で歪み硬化する繊維強化脆性マトリックス複合材の製造に使用する繊維、マトリックス及び界面を選択する基準を提供することができる。
【００１４】
一部の実施形態では、本教示は、他の繊維強化コンクリートのそれぞれの特性と比較され、炭素、セルロース又はポリプロピレン繊維によって補強されて、衝撃荷重を受けた場合でも、歪み硬化挙動と同時に大幅に改良された引張歪み容量を有する繊維強化脆性マトリックス製品を提供することができる。
【００１５】
一部の実施形態では、本教示は、建設用途での保護構造物用の延性材料を提供することができる。
【００１６】
本教示の一部の実施形態を実施する際に、結合剤は、好ましくは、Ｉ型ポルトランドセメントなどの水硬性セメントを含む。細骨材は、最大２５０μｍまでの粒度分布を有するシリカ砂であり、ポゾラン性添加材は、Ｆ級フライアッシュである。水と結合剤の重量比は、０．２〜０．６の範囲内である。不連続強化繊維は、３０〜６０マイクロメートルの範囲の直径を有するポリビニルアルコールであり、複合材の約１．５体積％〜３．０体積％で存在する。
【００１７】
一部の実施形態では、本教示は、静荷重から最大で衝撃荷重までを受け、少なくとも１％の引張歪みによって引張応力を受けた場合、非常に多数のクラックが発生する延性の繊維強化脆性マトリックス複合材を提供することができる。
【００１８】
応用のさらなる領域は、本明細書で提供する説明から明らかになろう。説明及び特定の実施例は、例示のためのみのものであり、本開示の範囲を限定するものではないことを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
本明細書に記載の図面は、例示のためのみのものであり、いかなる面においても本開示の範囲を限定するものではない。
【００２０】
【図１】工学的セメント系複合材Ｍ４５の速度依存性、すなわち、４つの異なる歪み速度における（ａ）引張応力−歪み曲線、及び（ｂ）引張延性を示す図である。
【図２】引張歪み硬化複合材に対する典型的なσ（δ）曲線を示す図である。  斜線領域は、補足エネルギーＪ’ｂを表す。灰色領域は、クラックチップじん性Ｊｔｉｐを表す。
【図３】３つの異なる歪み速度にさらされたミックス１の引張応力−歪み曲線を示す図である。
【図４】３つの異なる歪み速度にさらされたミックス２の引張応力−歪み曲線を示す図である。
【図５】２つの異なる歪み速度にさらされたミックス３の引張応力−歪み曲線を示す図である。
【図６】２つの異なる歪み速度にさらされたミックス４の引張応力−歪み曲線を示す図である。
【図７】３つの異なる歪み速度にさらされたミックス５の引張応力−歪み曲線を示す図である。
【図８】（ａ）２回目の衝撃後のモルタルプレートを示す図である（クラック及び崩壊）。（ｂ）１０回の衝撃後のミックス１プレートの裏側を示す図である（微細クラックのみ）。
【図９】コンクリート、ミックス１、鉄筋コンクリート及びＲ／ミックス１梁の荷重−変形曲線を示す図である。
【図１０】衝撃試験後の鉄筋コンクリート及びＲ／ミックス１の損傷を示す図である。
【図１１】それぞれの衝撃における鉄筋コンクリート及びＲ／ミックス１梁の荷重容量をまとめた図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下の説明は、本質的に単に例示であり、本発明の開示、応用又は使用を限定するものではない。図面全体を通して、対応する参照番号は、類似の又は対応する部材及び特徴を示すことを理解されたい。
【００２２】
本教示の実施には、構造物の耐衝撃性を改良するための延性の繊維強化脆性マトリックス複合材を製造するのに適した選択成分を含むセメント系又は無機ポリマー混合物を提供するステップが必要である。生成複合材は、加工性が良好であるために、普通コンクリートのようにポンプ輸送、スプレー及び流し込みが可能である。適切なマトリックス成分及び不連続短繊維を選択するためのマイクロ工学的な検討に基づくガイドラインも提供され、選択基準が、数種のマイクロ工学的な特性によって定量化されている。歪み容量及びエネルギー吸収能が大きいので、この材料は、動及び／又は衝撃荷重が大きな課題である場合に土木及び軍事の保護構造物又は他の用途で使用するのに適している。
【００２３】
混合物は、通常、水硬性セメントと、水と、不連続短繊維とをある割合で含む。細骨材、ポゾラン添加材及び軽量フィラーなど他の任意選択の成分も一部のミックス設計で使用される。減水剤及び／又は粘度調整剤は、繊維が均一に分散するようにレオロジー性を調整することが必要である場合が多い。混合物成分の選択は、特定の用途、及び使用材料の所望の加工方法にとって望ましい機械的性能によって決まることになる。
【００２４】
前記の利点を有する複合材の設計は、繊維、マトリックス及び界面相間の機械的相互作用の理解に基づくものであり、この相互作用は、マイクロ工学モデルによって定量化することができる。基本的要件は、定常状態にある平面クラック伝播が、引張下で支配的であることであり、このためには、クラックチップのじん性Ｊｔｉｐが、図２に示す架橋応力σ対クラック開口δ曲線から計算した補足エネルギーＪ’ｂ未満であることが必要である。
【数１】
2010538958.tif 000003
式中、σ０は、開口δ０に対応する最大架橋応力であり、Ｋｍは、マトリックス破壊じん性であり、Ｅｍは、マトリックスのヤング率である。
【００２５】
応力−クラック開口の関係σ（δ）は、繊維架橋挙動の構成則としてみることができ、破壊工学、マイクロ工学及び確率論の解析手法を使用することによって誘導される。結果として、σ（δ）曲線は、界面化学結合Ｇｄ、界面摩擦結合τ０、及び繊維引抜き中のスリップ硬化を説明するスリップ硬化係数βを含めてのマイクロ工学パラメーターの関数として表現することができる。加えて、繊維とマトリックス間の相互作用、及び傾斜角で引っ張られた場合の繊維強度の減少を説明するために、急止係数ｆ及び強度低減因子ｆ’が導入される。界面特性の他に、σ（δ）曲線はまた、マトリックス弾性率Ｅｍ、繊維含量Ｖｆ、並びに繊維の直径ｄｆ、長さＬｆ、強度σｆ及び弾性率Ｅｆによっても支配される。
【００２６】
工学的セメント系複合材の歪み硬化のための別の条件は、マトリックスの引張クラック強度σｃｓが、繊維架橋の最大強度σ０を超えてはならないことである。
σｃｓ＜σ０      （３）
式中、σｃｓは、マトリックス破壊じん性Ｋｍ及び前から存在する内部欠陥の大きさａ０によって求められる。エネルギー判定基準（式１）が、クラック伝播モードを支配するが、式３が表す強度に基づく判定基準が、クラックの開始を制御する。式１と３の双方を満足することが、工学的セメント系複合材挙動を実現するのに必要であり；そうでないと、普通の引張軟化繊維強化挙動がもたらされる。これらのマイクロ工学的解析の詳細は、これまでの研究から知ることができる。
【００２７】
前から存在する欠陥の大きさ及び工学的セメント系複合材中の繊維分布がランダム性であるために、Ｊ’ｂとＪｔｉｐ間の大きな差（つまり、大きなＪ’ｂ／Ｊｔｉｐ比）及びσ０とσｃｓ間の大きな差（つまり、大きなσ０／σｃｓ比）が好ましい。より大きなＪ’ｂ／Ｊｔｉｐ及びσ０／σｃｓを有する材料は、飽和した複数のクラックの機会がより大きくなるはずである。複数のクラックの飽和は、マイクロクラックが、多少とも均一であり、接近して配置され（ほぼ１〜２ｍｍで）、一軸引張供試体の追加の引張荷重下でさらに低減できない場合に、実現される。
【００２８】
前記のモデルに基づくパラメーター調査によって、１組のマイクロ工学的特性の標的値範囲がもたらされ、これが、歪み硬化挙動を実現するための混合物成分の選択に対する基準を提供する。繊維、マトリックス及び界面特性の以下の範囲が好ましい：すなわち、少なくとも８００ＭＰａの繊維強度、２０〜１００μｍ、より好ましくは、３０〜６０μｍの繊維直径、１０〜３００ＧＰａ、より好ましくは、４０〜２００ＧＰａの繊維弾性率、及びプロセス上の制約によって部分的に束縛される４〜４０ｍｍの繊維長；５Ｊ／ｍ２未満、より好ましくは、２Ｊ／ｍ２未満のマトリックスじん性；２．０Ｊ／ｍ２未満、より好ましくは、０．５Ｊ／ｍ２未満の界面化学結合、０．５〜３．０ＭＰａ、より好ましくは、０．８〜２．０ＭＰａの界面摩擦応力、及び３．０未満、より好ましくは、１．５未満の界面スリップ硬化係数。
【００２９】
これらの繊維及び界面の特性はすべて、複合材を形成する前に求めることができる。界面特性は、単繊維引抜き試験によって特性を求めることができ、繊維特性は、通常、繊維の製造会社の規格書で分かる。
【００３０】
多様な市販不連続短繊維は、前記基準に従って、本教示を実施する際に使用することができる。限定ではなく、例示のために、強化繊維は、芳香族ポリアミド（つまり、アラミド）繊維、高弾性率ポリエチレン、ポリビニルアルコール、及び強力ポリプロピレンからなる群から選択することができる。こうした基準を満足しない他の繊維として、炭素繊維、セルロース繊維、低密度ポリエチレン繊維、ある種のポリプロピレン繊維、及び鋼繊維が挙げられる。
【００３１】
繊維強化複合材の歪み硬化を実現するための従来の手法は、通常４〜２０％の高含量の繊維を使用することであるが、本教示は、通常１〜３％のかなり低い体積分率を特徴とする。例示のために、実施例では、体積分率２％の繊維が使用される。繊維含量が低いほど、限定されないが、流し込み、押出し、又はスプレーを含めての多種類の加工法を使用することが可能になる。また、繊維含量が低いほど、インフラストラクチャの建設用途において経済的な実現可能性の範囲が増大する。
【００３２】
複合材のマトリックスは、水硬性セメントからなる結合材からなる。水硬性セメントは、水の存在下で凝結及び硬化するセメントを指すが、かかるセメントとして、限定されないが、ポルトランドセメント、ブレンド型ポルトランドセメント、膨張セメント、急結及び早強型セメント、アルミン酸カルシウムセメント、リン酸マグネシウム及びそれらの混合物からなる群が挙げられる。本教示の実施で使用するセメントの１つの例示的な型は、Ｉ型ポルトランドセメントである。フライアッシュ及びシリカフュームなどのポゾラン性添加材も混合物中に含ませることができる。
【００３３】
適切なレオロジー特性を実現するために、水は、粘度調整剤及び減水剤と共同してフレッシュな混合物中に存在する。水と結合材の好ましい重量比は、０．２〜０．６である。粘度調整剤を使用することによって、分離を防止し、繊維をより良好に分散させる助けとすることができる。減水剤を使用することによって、複合材中の水含量を決定した後の加工性を調整し、その必要量は、水セメント比、軽量フィラーの種類及び減水剤の種類で変わる。例示的な減水剤は、ＡＤＶＡ  Ｃａｓｔ  ５３０としてＷ．Ｒ．Ｇｒａｃｅ＆Ｃｏ．、イリノイ州、米国から入手可能な高性能減水剤を含み、本教示を実施するのに使用する典型的な量は、減水剤とセメントの重量比で約０．００１〜０．００２である。
【００３４】
本教示のミックスの調製は、従来の繊維強化コンクリートの混合手順に従って、任意の種類のコンクリート又はモルタルミキサーで実施することができる。繊維は、コンシステントなマトリックスペーストになったその最後に添加しても、又は乾燥粉末とプレミックスすることによってプレパッケージモルタルを形成してもよい。加工性及びレオロジー性は、広範囲に調整することができるので、フレッシュな混合物は、建設時の要件に従って、ポンプ輸送、流し込み又はスプレーすることができる。
【００３５】
得られた複合材は、静荷重から最大で衝撃荷重までを受けた場合に、従来のコンクリート及び繊維強化コンクリートより数百倍も大きい歪み硬化挙動を示し、延性が大幅に改良されている。普通コンクリートに類似の強度を有するので、得られた複合材は、動荷重及び衝撃荷重を受けた場合、エネルギー吸収能が高く、変形が大きいことが要求されるような保護構造用途又は他の用途に適している。本発明材料の高引張延性は、通常見られるコンクリート崩壊をさらに抑制し、発射体荷重下の家庭及びビルの住人に安全を提供することになる。
【００３６】
本教示の実施形態を以下の実施例を介して、例示するが、この実施例は、決して本教示を限定するものではない。
【実施例】
【００３７】
延性の繊維強化脆性マトリックス複合材を調製するための以下の例示的ミックスは、セメント、細骨材、ポゾラン性添加材、軽量フィラー、水、減水剤及び不連続短繊維を含む。ミックスの割合は表１にまとめる。使用するセメントは、Ｈｏｌｃｉｍ  Ｃｅｍｅｎｔ  Ｃｏ．、ミシガン州、米国からのＩ型ポルトランドセメントである。使用する減水剤は、ＡＤＶＡ  Ｃａｓｔ  ５３０としてＷ．Ｒ．Ｇｒａｃｅ＆Ｃｏ．、イリノイ州、米国から入手可能な高性能減水剤である。２種類の不連続ポリマー繊維、Ｋｕｒａｒａｙ  Ｃｏ．Ｌｔｄ、大阪、日本国からのＫ−ＩＩ  ＲＥＣ（商標）ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、及びＨｏｎｅｙｗｅｌｌ  Ｉｎｃ．、米国からのＳｐｅｃｔｒａ９００高強度高弾性率ポリエチレン（ＰＥ）繊維が、体積分率２％で使用される。ＰＶＡ及びＰＥ繊維の特性は、表２で知ることができる。使用するポゾラン性添加材は、Ｂｏｒａｌ、テキサス州、米国からの低カルシウムＦ級フライアッシュである。２種類の細骨材、シリカ砂及び再生コルビッツ砂が使用される。一部のミックスでは、Ｆ１１０としてＵＳ  Ｓｉｌｉｃａ  Ｃｏ．、ＭＶ、米国から入手可能な、粒度分布が５０〜２５０μｍのシリカ砂が使用される。コルビッツは、化学結合したロストフォーム砂鋳物技法からの副生物であり、大量の炭素粒子を含む場合が多い。使用する軽量フィラーは、３Ｍ  Ｃｏ．、ミネソタ州、米国からの市販のガラス泡であるＳｃｏｔｃｈｌｉｔｅ（商標）Ｓ６０である。
【表１】
2010538958.tif 000004
【表２】
2010538958.tif 000005
【００３８】
混合物は、遊星回転ブレードを備えたホバートミキサーで調製した。繊維を除く固体成分は、約１〜２分間乾燥混合し、次いで、水及び高性能減水剤を添加してさらに２分間混合した。次いで、繊維をゆっくりと添加し、繊維はすべて、セメント系マトリックス内に分散させた。新鮮な混合物をプレキシガラス型内に流し込んだ。供試体を２４時間後に脱型し、室温で７日間密封バッグで硬化させた。次いで、供試体を所定の試験材令２８日まで空気中で硬化させた。
【００３９】
一軸引張試験を実施して、複合材の引張挙動の特性を調べた。一部の擬似脆性繊維強化コンクリートは、曲げ荷重下で見かけの歪み硬化挙動を示すので、直接一軸引張試験が、複合材の歪み硬化挙動を確認するための最も信頼性のある方法であると考えられている。ここで使用したクーポン供試体の寸法は、３０４．８ｍｍ×７６．２ｍｍ×１２．７ｍｍである。アルミニウム板をクーポン供試体の端部に膠付けすることによってつかみを容易にした。試験は、変位制御下で容量２５ＫＮのＭＴＳ機で実施した。試験の歪み速度は、低速衝撃に対する擬似静荷重に対応して、１０−５〜１０−１ｓ−１の範囲である。２つの外部ＬＶＤＴ（線形可変変位変換器）を、ゲージ長１００ｍｍを有する供試体表面に付けて変位を測定した。
【００４０】
各実施例のミックスに対しての最大試験速度における引張歪み容量及び強度、並びに擬似静荷重における圧縮強度を含めての試験結果を表３に要約する。これらの複合材の完全な引張応力対歪み曲線を図３〜７に例示し、それらすべてが、１０−５〜１０−１ｓ−１の範囲の歪み速度にさらされた場合に顕著な歪み硬化挙動を示す。
【表３】
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【００４１】
耐衝撃性を実際に示すために、ミックス１を使用することによって簡単な構造要素を建築した。次いで、落重衝撃試験を実施することによって、円形プレート、梁及び鉄筋強化梁の形態の簡単な構造要素の耐衝撃性を評価した。すべての試験では、対照として、コンクリート又はモルタル供試体を使用した。
【００４２】
円形プレート供試体を落重衝撃下で試験することによってそれらの耐衝撃性を評価した。円形プレート調製用の材料として、ミックス１及びモルタル（ｆｃｕｂｅ＝３５ＭＰａ）を使用した。プレート（直径＝３５０ｍｍ、厚さ＝１３ｍｍ）をスパン３３０ｍｍで周辺に沿って支持した。打撃物は、３５ｍｍ、９７７グラムの鋼製円柱であった。各試験で、打撃物は、最高１．４ｍまでの多様な高さから落下した。落下高は、５０、７５、１００、１２５及び１４０ｃｍであり、対応する歪み速度は、０．２３、１．１１、２．０５、３．５３及び４．２８ｓ−１（打撃速度は、１．２〜５ｍ／ｓｅｃの範囲であった）であった。各落下後、プレートは、目視で検査することによって次回の落下の可否を決定した。
【００４３】
対照モルタルプレートは、最初の５０ｃｍ落下に耐えたが、２回目の７５ｃｍ落下衝撃（２回目の衝撃）には耐えず、重度のクラック及び崩壊が生じたが（図８ａ）、ミックス１プレートの試験は、一連の落下後（５０、７５、１００、１２５及び１４０ｃｍの２回の落下シリーズ、全部で１０回の衝撃）、打ち切られ、微小な損傷が生じたのみであった。ここでも、モルタル供試体と比較すると、ミックス１プレートは、優れた耐衝撃性を示した。対照モルタルプレートは、一回の衝撃に耐えたのみであるが、ミックス１プレートは、すべての衝撃水準（つまり、すべての落下高からの）に耐え、最初の試験シリーズ（５回の落下）後、顕著な損傷は見られなかった。ミックス１の供試体は、大きな損傷なく残存し、表３に示すように、２回目の落下シリーズで顕著な荷重支持能を示した。図８ｂに示すように、プレートの裏側に微細な複数のマイクロクラックが見られたのみであった。
【表４】
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【００４４】
寸法３０５ｍｍ×７６ｍｍ×５１ｍｍ（長さ×高さ×深さ）の梁及び鉄筋強化梁を三点曲げ落重衝撃下で試験することによってそれらの耐衝撃性を評価した。梁及び鉄筋強化梁の調製用の材料としてミックス１及びコンクリート（ｆ’ｃ＝４０ＭＰａ）を使用した。鉄筋強化梁の場合、鉄筋としてリブなしの１本の直径５ｍｍの鉄筋を使用した。１８ｍｍの透明なカバーを備えた底側に近接して鉄筋を置いた。鉄筋強化ミックス１（Ｒ／ミックス１）梁と鉄筋強化コンクリート梁双方の強化比は０．５％であった。
【００４５】
平滑な衝撃表面を備えた５０ｋｇ衝撃打ちがねを５０ｃｍの高さまで持ち上げ、供試体の中心上にその自由重量下で自由落下させた。供試体が１回の衝撃で壊れるように質量及び高さを選んだ。供試体をスパン２５４ｍｍで支持した。打ちがねがローラーに接触した場合に、均一な線荷重が供試体にかかるように、供試体のスパンの中間及びトップ表面に鋼製ローラーを膠付けした。供試体、ローラー及び打ちがねの間に厚さ１ｍｍの硬質ゴムパッドを置いた。ゴムパッドは、衝撃中の潜在的な慣性効果を排除するためのものであった。図９は、コンクリート、ミックス１、鉄筋コンクリート及びＲ／ミックス１梁の荷重−変形曲線を示し、表４は、これらの荷重支持及びエネルギー吸収容量を要約する。強化なしの梁のエネルギー吸収は、荷重がゼロになるまで、全荷重−変形曲線の下方の領域であった。鉄筋梁の場合、破壊状態は、クラックが供試体の深さ方向に貫通した時として定義され、これは、鉄筋棒（すなわち、図９ｂの緑色点）の引抜きによる一定荷重容量（約５ｋＮ）を特徴とした。したがって、鉄筋コンクリート及びＲ／ミックス１梁のエネルギー容量は、緑色点までの荷重−変形曲線の下方の領域であった。理解することができるように、ミックス１及びＲ／ミックス１梁は、それぞれコンクリート及び鉄筋コンクリート梁より、荷重及びエネルギー容量が改良されたことを示す。興味深いことに、ミックス１供試体の強化のための荷重及びエネルギー容量の改良は、コンクリート供試体よりはるかに大幅である。これは、ミックス１材料の超引張延性に起因すると考えることができ、そのために、Ｒ／ミックス１梁中の鉄筋とミックス１とが匹敵する状態で変形することができ、したがって、鋼の降伏セグメントがより長くなる。鉄筋と超延性ミックス１材料の間の相乗的な相互作用によって、Ｒ／ミックス１梁の荷重及びエネルギー容量の顕著な増加がもたらされる。
【表５】
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【００４６】
複数回衝撃下における鉄筋コンクリート及びＲ／ミックス１梁の抵抗性を評価するために、１２ｋｇ衝撃打ちがねが選ばれ、落下高さが２０ｃｍであることを除いて、同じ試験配置が採用された。ここでも、Ｒ／ミックス１梁は、鉄筋コンクリート梁より耐衝撃性がはるかに改良されたことが分かった。図１０は、衝撃試験後の鉄筋コンクリート及びＲ／ミックス１の損傷を示す。理解することができるように、最初の衝撃後に、クラック幅の大きい単一のクラックが、鉄筋コンクリート梁に現れた。クラックは、梁を貫通し、そのために、構造の一体性及び荷重支持能が極度に損なわれた。逆に、１０回の衝撃後でさえ、Ｒ／ミックス１供試体には非常に微細なクラックしか見られなかった。図１１は、それぞれの衝撃における鉄筋コンクリート及びＲ／ミックス１梁の荷重容量を要約する。鉄筋コンクリートは、約９ｋＮ（２回目の衝撃における荷重容量約５ｋＮを示すデータ点は、補強棒の引抜きによることを示す）の最初の衝撃後破壊することが分かった。しかし、Ｒ／ミックス１の荷重容量は、１０回の衝撃にわたり、約２０ｋＮでほぼ一定に維持される。
【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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【図１１】
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【国際調査報告】
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