(57)【要約】【課題】  少量の添加でもセメント系成型体中にて減容化しやすく、また低温環境下において容易に分解しガス化することで、火災時のセメント系成型体の爆裂を効果的に防止し得るセメント系成型体用有機繊維および爆裂防止性セメント系成型体を提供する。【解決手段】  脂肪族ポリエステル樹脂を素材とし、かつアルカリ雰囲気下において加水分解性を有するセメント系成型体用有機繊維および該有機繊維、結合材、骨材、混和剤および水を含む爆裂防止性セメント系成型体である。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
脂肪族ポリエステル樹脂を素材とし、かつアルカリ雰囲気下において加水分解性を有することを特徴とするセメント系成型体用有機繊維。
【請求項２】
脂肪族ポリエステル樹脂が、自己縮重合および／または開環重合により得られた単独重合脂肪族ポリエステル樹脂である請求項１に記載のセメント系成型体用有機繊維。
【請求項３】
単独重合脂肪族ポリエステル樹脂が、ポリ乳酸、ポリグリコール酸、ポリ３−ヒドロキシブチレートおよびポリカプロラクトンの中から選ばれる少なくとも１種である請求項２に記載のセメント系成型体用有機繊維。
【請求項４】
形状が、直径５〜１００μｍ、長さ５〜５００ｍｍである請求項１、２または３に記載のセメント系成型体用有機繊維。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の有機繊維、セメント又はセメントと微粉末混和材料から成る結合材、骨材、混和剤および水を含むセメント系成型体であって、水／結合材比が３５％以下であり，前記有機繊維のセメント成型体に対する含有量が０．０２〜５容積％であることを特徴とする爆裂防止性セメント系成型体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セメント系成型体用有機繊維およびそれを含む爆裂防止性セメント系成型体に関する。さらに詳しくは、本発明は、アルカリ加水分解性を有し、少ない添加量でもセメント系成型体中にて減容化しやすく、また低温環境下において容易に分解しガス化することで、火災時のセメント系成型体の爆裂を効果的に防止し得るセメント系成型体用有機繊維およびこの有機繊維を含む爆裂防止性セメント系成型体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、高強度セメント系成型体は、水／結合材比を小さくすることで得られることが知られている。しかしながら、このように水の含有量を低下させたセメント系成型体、例えばコンクリート建築物やトンネルなどにおいては、緻密なセメンント構造になるため、火災時などの高温環境下では、その際に発生するコンクリート内の水蒸気圧や熱応力などによって、コンクリート構造体の表面のコンクリートが爆発的な剥離、即ち爆裂しやすくなり、種々の問題を生じるおそれがある。
【０００３】
このようなコンクリートの爆裂を防止する技術としては、セメント、水および骨材などを含むセメント配合物に、予め熱溶融性の繊維を混入させておいて、コンクリート構造体を形成することにより、火災時に発生する高温によって該繊維を溶融させ、その後にできた空隙から内部に発生する水蒸気を放出し、内部圧力の増大を回避して爆裂を防止する技術が、主として用いられている。
【０００４】
そして、前記熱溶融性の繊維として、例えば、所定の温度に加熱した際の質量残存率がある値以下の有機繊維あるいは合成繊維からなるコンクリートの爆裂制御用繊維（例えば、特許文献１参照）や、熱重量分析により測定される分解開始温度、分解終了温度および熱重量分析時の昇温速度が、ある関係式を満たすセメント成形体爆裂防止用合成繊維（例えば、特許文献２参照）などが開示されている。
【０００５】
そして、前記特許文献１においては、有効な繊維として、ポリプロピレン繊維およびポリビニルアルコール（ビニロン）繊維が挙げられており、特許文献２においては、有効な繊維として、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維、ビニロン繊維およびポリアセタール繊維が挙げられている。
【０００６】
しかしながら、本発明者らの検討によると、これらの有機繊維は、分解温度が高かったり、添加量を増やさなければ、十分な機能が発現せず、必ずしも満足し得るものではなかった。分解温度が高い場合には、爆裂を防止する空隙の形成が遅くて、機能が十分に発揮されないし、有機繊維の添加量を増やした場合には、混練しにくくなり、かつセメント配合物の粘度が上昇し、作業性が悪化する上、高強度コンクリートが得られない場合があるなどの問題が生じる。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−１７９４４４号公報
【特許文献２】特開２００３−１６０３６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、このような事情のもとで、少量の添加でもセメント系成型体中にて減容化しやすく、また低温環境下において容易に分解し、ガス化することで、火災時のセメント系成型体の爆裂を効果的に防止し得るセメント系成型体用有機繊維およびこの有機繊維を含む爆裂防止性セメント系成型体を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、前記目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、セメント配合物がアルカリ雰囲気であることに着目し、下記の知見を得た。
脂肪族ポリエステルは、セメント配合物に混入する前は、繊維強度が十分に高く、良好な取扱い性を有しているが、セメント配合物に混入させて、セメント系成型体を形成した場合、アルカリ雰囲気に曝されることで、繊維を構成する樹脂が加水分解して低分子化することで減容化しやすく、また低い分解温度が得られること、そして芳香族ポリエステルとは異なり、加熱時にほとんど炭化を起こさずにガス化することから、火災時にセメント系成型体中で良好な空隙を形成する能力を有し、爆裂防止性のセメント系成型体用有機繊維として、極めて有効であることを見出した。
【００１０】
本発明は、かかる知見に基づいて完成したものである。
すなわち、本発明は、
（１）脂肪族ポリエステル樹脂を素材とし、かつアルカリ雰囲気下において加水分解性を有することを特徴とするセメント系成型体用有機繊維、
（２）脂肪族ポリエステル樹脂が、自己縮重合および／または開環重合により得られた単独重合脂肪族ポリエステル樹脂である上記（１）項に記載のセメント系成型体用有機繊維、
（３）単独重合脂肪族ポリエステル樹脂が、ポリ乳酸、ポリグリコール酸、ポリ３−ヒドロキシブチレートおよびポリカプロラクトンの中から選ばれる少なくとも１種である上記（２）項に記載のセメント系成型体用有機繊維、
（４）形状が、直径５〜１００μｍ、長さ５〜５００ｍｍである上記（１）、（２）または（３）項に記載のセメント系成型体用有機繊維、
（５）上記（１）ないし（４）項のいずれか１項に記載の有機繊維、セメント又はセメントと微粉末混和材料から成る結合材、骨材、混和剤および水を含むセメント系成型体であって、水／結合材比が３５％以下であり、前記有機繊維のセメント成型体に対する含有量が０．０２〜５容積％であることを特徴とする爆裂防止性セメント系成型体を提供するものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、アルカリ加水分解性を有し、少ない添加量でもセメント系成型体中にて減容化しやすく、また低温環境下において容易に分解しガス化することで、火災時のセメント系成型体の爆裂を効果的に防止し得るセメント系成型体用有機繊維およびこの有機繊維を含む爆裂防止性セメント系成型体を提供することができる。  
また、本発明によれば、該有機繊維は少量の添加で効果が得られることから、流動性を阻害しないため水／結合材比をより少なくすることができ、したがって、高強度のセメント系成型体を得ることに適している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明のセメント系成型体用有機繊維は、素材として、脂肪族ポリエステル樹脂を用いた繊維であって、アルカリ雰囲気において加水分解性を有している。
本発明において用いられる脂肪族ポリエステル樹脂は、単独重合、共重合樹脂のいずれであってもよいが、自己縮重合および／または開環重合によって得られる単独重合樹脂が好ましい。この単独重合樹脂の種類については特に制限はなく、様々なものを用いることができるが、例えばポリ乳酸、ポリグリコール酸、ポリ３−ヒドロキシブチレートおよびポリカプロラクトンを好ましく挙げることができる。
【００１３】
以下、各単独重合脂肪族ポリエステル樹脂について説明する。
〈ポリ乳酸〉
ポリ乳酸は、乳酸の単独重合体であって、原料の乳酸としては、Ｌ形、Ｄ形、ラセミ形のいずれであってもよいし、また、発酵法および合成法のいずれで得られたものであってもよいが、トウモロコシなどの植物原料を用いる発酵法が、たとえ燃焼しても、地球上の二酸化炭素の量に悪影響しない、いわゆるカーボンニュートラルという観点から有利である。
このポリ乳酸の製造方法としては、（１）乳酸を直接重合させてポリマーを形成させる一段階法と、（２）乳酸の環化反応で得られたラクチドを開環重合させてポリマーを形成させる二段階法があるが、高分子量のポリ乳酸を得るには、以下の反応式で示される二段階法が好ましい。
【００１４】
【化１】
2005320200.tif 000002
まず、乳酸（Ｉ）を自己縮重合反応させて、低分子量ポリ乳酸（ＩＩ）を得たのち、これを解重合して、環状ジエステルのラクチド（ＩＩＩ）を形成させる。次いで、このラクチド（ＩＩＩ）を開環重合させて、高分子量ポリ乳酸（ＩＶ）を得る。なお、ｍおよびｎは、それぞれ重合度を示す。
このようにして得られたポリ乳酸は、通常重量平均分子量が１０万〜３０万程度であり、融点が１３０〜１８０℃程度である。
【００１５】
〈ポリグリコール酸〉
ポリグリコール酸は、グリコール酸の単独重合体であって、高分子量のポリグリコール酸を得るには、以下の反応式で示される二段階法が好ましい。
【００１６】
【化２】
2005320200.tif 000003
まず、グリコール酸（Ｖ）を自己縮重合反応させて、低分子量ポリグリコール酸（ＶＩ）を得たのち、これを解重合して、環状ジエステルのグリコリド（ＶＩＩ）を形成させる。次いで、このグリコリド（ＶＩＩ）を開環重合させて、高分子量ポリグリコール酸（ＶＩＩＩ）を得る。なお、ａ及びｂは、それぞれ重合度を示す。
このようにして得られたポリグリコール酸は、融点が２２０〜２４０℃程度である。
【００１７】
〈ポリ３−ヒドロキシブチレート〉
ポリ３−ヒドロキシブチレートは、３−ヒドロキシ酪酸の単独重合体であって、水素細菌、らん藻、窒素固定菌、枯草菌、シュードモナス属菌、光合成細菌などの微生物が、炭素源としての糖、有機酸、アルコール、二酸化炭素などを資化して産生する、式（ＩＸ）で示される構造を有するＤ形のポリエステルである。
【００１８】
【化３】
2005320200.tif 000004
（式中、ｐは重合度を示し、＊Ｃは不斉炭素を示す。）
このポリ３−ヒドロキシブチレートは、Ｄ形の３−ヒドロキシブチレート単位が１万以上結合した高分子量のポリエステルであり、融点は１３０〜１８０℃程度であって、結晶性が高く、極めてもろいため、それ単独では使用が困難であるが、共重合体とすることにより、あるいは他の単独重合脂肪族ポリエステルと組み合わせることにより、繊維素材として用いることができる。
【００１９】
〈ポリカプロラクトン〉
ポリカプロラクトンは、下記の反応式
【００２０】
【化４】
2005320200.tif 000005
で示されるように、ε−カプロラクトン（Ｘ）の開環重合によって得られる直鎖状の単独重合脂肪族ポリエステル（ＸＩ）である。なお、ｑは重合度を示す。
開環重合様式は、活性水素を有する触媒による重合、カチオン重合、アニオン重合などがあり、活性水素を有する触媒による重合は、低分子量ポリマーの重合に適しており、アニオン重合およびカチオン重合は、高分子量ポリマーの重合に適している。
このポリカプロラクトンは、繊維素材として用いる場合には、結晶性であるが、融点は６０℃前後と低く、溶融紡糸により、容易に繊維となる。
以上、単独重合脂肪族ポリエステル樹脂について説明したが、本発明においては、ポリマー分子内に、前記各樹脂の構成単位を２種以上有する共重合脂肪族ポリエステル樹脂、あるいは前記各樹脂の構成単位とその他の構成単位を有する共重合脂肪族ポリエステル樹脂も用いることができる。
【００２１】
本発明においては、繊維素材として、これらの脂肪族ポリエステル樹脂を、１種単独で用いてもよく、２種以上組み合わせて用いてもよいが、これらの樹脂の中で、経済性や、カーボンニュートラル、効果などの点から、特に発酵法による乳酸を原料とするポリ乳酸が好ましい。
なお、前記で例示した単独重合脂肪族ポリエステル樹脂は、いずれも生分解性樹脂として知られている樹脂であり、また、アルカリ雰囲気下で加水分解して容易に低分子量化する。
【００２２】
本発明のセメント系成型体用有機繊維は、前記の脂肪族ポリエステル樹脂の中から選ばれる少なくとも１種を素材とする繊維であり、その紡糸方法については特に制限はなく、従来、熱可塑性樹脂の紡糸において慣用されている公知の方法の中から、任意の方法を適宜選択して用いることができる。また、紡糸繊維を、必要に応じ公知の方法で延伸処理してもよい。
【００２３】
また、前記の脂肪族ポリエステル樹脂には、紡糸性や、繊維にした場合のアルカリ加水分解性以外の物性を向上させるなどのために、本発明の目的が損なわれない範囲で、他の熱可塑性樹脂、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリビニールアルコール、ポリアセタール、芳香族ポリエステル、ポリスチレン、ポリアミドなど、あるいは可塑剤等を適宜添加することができる。
【００２４】
このような素材からなる本発明のセメント系成型体用有機繊維は、アルカリ雰囲気下において加水分解性を有しており、したがって、セメント配合物に混入させて、セメント系成型体を形成した場合、アルカリ雰囲気に曝されることで、該繊維を構成する樹脂が加水分解して低分子化することで減容化しやすく、また分解温度が低下すると共に、芳香族ポリエステルとは異なり、加熱時にほとんど炭化を起こさずガス化する。その結果、少ない添加量でも、火災時にセメント系成型体中で良好な空隙を形成して、爆裂を抑制する効果を発揮する。
【００２５】
本発明のセメント系成型体用有機繊維の形状としては、前記効果を有効に発揮させる上から、直径５〜１００μｍ、長さ５〜５００ｍｍが好ましく、より好ましくは直径１０〜８５μｍ、長さ５〜１５ｍｍであり、さらに好ましくは直径１５〜７０μｍ、長さ５〜１０ｍｍである。
【００２６】
次に、本発明の爆裂防止性セメント系成型体は、前述の本発明のセメント系成型体混合用有機繊維、セメント又はセメントと微粉末混和材料から成る結合材、骨材、混和剤および水を含むものであって、コンクリート、モルタル、セメントに本発明の有機繊維を配合し、養生硬化した成型体であることを示し、該有機繊維が加水分解によって低分子量化し、火災以前に減溶化し、繊維形態が消失した状態であっても、また火災時の温度上昇にともない、加水分解と熱分解によって消失した状態であってもよい。また、前記セメント系成型体の水／結合材比は、３５％以下であり、さらには１０〜３０％が好適である。ここに水／結合材比は、硬化養成前の水と結合材の比率を示す。前記比率が小さいほど、前記セメント系成型体が緻密になり、火災時などに爆裂を起こしやすくなる。
前記有機繊維の含有量は、セメント成型体に対して０．０２〜５容積％の範囲である。０．０２容積％未満では爆裂防止効果が発揮できず、また５容積％を越える量を配合してもそれ以上の爆裂防止効果の向上は認められなくなる。一方、爆裂防止性能と構造体の強度なども考慮すると、組成物全量に基づき、０．０２〜０．５容積％が好ましく、より好ましくは０．０５〜０．５容積％、さらに好ましくは０．１〜０．３５容積％である。
前記結合材としては特に制限はなく、形成されるセメント系成型体の用途に応じて、各種セメント類の中から、適宜選択することができる。また、骨材の種類や配合割合としては特に制限はなく、形成されるセメント系成型体の用途に応じて、骨材の種類及び結合材に対する配合割合を適宜選択することができる。そして、混和剤の種類や配合割合としては特に制限がなく、一般に使用されている減水剤、ＡＥ減水剤、高性能ＡＥ減水剤、高性能減水剤，消泡剤などが施工性、物性を損なわない範囲で使用することができる。
本発明の爆裂防止性セメント系成型体には、通常セメント系成型体に配合されている各種添加剤、例えば減水剤、消泡剤などを、適宜配合することができる。
【実施例】
【００２７】
次に、本発明を実施例により、さらに詳細に説明するが、本発明は、これらの例によってなんら限定されるものではない。
実施例１
（１）メルトフローレート（温度１８０℃、荷重２１．１８Ｎ）が７ｇ／１０分である高結晶ポリ乳酸樹脂（三井化学社製、商品名「ＬＡＣＥＡ  Ｈ−１００」）を、２１０℃の温度で溶融紡糸機にて、ホール径０．８ｍｍのノズルより押し出し、引き取り速度３６０ｍ／分の条件で紡糸して、単糸繊度が５５ｄＴｅｘである未延伸糸を得た。次いで、未延伸糸を常圧水蒸気雰囲気下で延伸処理し、Ｃ１２アルキルフォスフェートアミン系界面活性剤を０．１５％付与後１０ｍｍにカットし、単糸繊度２２ｄＴｅｘ（平均直径４８μｍ）の短カット繊維を得た。
この短カット繊維について、熱重量分析装置（島津製作所製、商品名「ＤＴＧ−６０Ａ」）により、試料９ｍｇ、昇温速度２０℃／分、窒素ガス５０ｍＬ／分の条件下で熱重量分析試験を行い、分解温度を求めた。なお、分解温度はＪＩＳ  Ｋ  ７１２０に準じて求めた。
その結果、分解開始温度３５９℃、分解終了温度３９３℃であった（表１，実験Ｎｏ．１）。
【００２８】
（２）表１に示す濃度の水酸化ナトリウム水溶液を、上記（１）と同様の短カット繊維に、５０質量％（ウエットベース）になるように付与した。このサンプルを水分率が変化しないように密閉容器内で３日間放置したのち、上記（１）と同じ条件で熱重量分析試験を行った。結果を表１に示す（表１，実験Ｎｏ．２、３、４、５）。
【００２９】
【表１】
2005320200.tif 000006
表１から明らかなように、ポリ乳酸繊維をアルカリ雰囲気下に曝すことで、分解温度が低下することが分かる。また、アルカリ濃度が高くなるほど、分解温度がより低下し、アルカリ加水分解によって低分子量化され分解しやすくなっていることがわかる。
【００３０】
実施例２
実施例１のＮｏ．４実験と同じ０．２５モル／Ｌ濃度の水酸化ナトリウム水溶液を、実施例１と同様の短カット繊維に、５０質量％付与したサンプルを、２０℃の室温中に２４時間放置することで、乾燥サンプルを得た。このサンプルについて、実施例１に示す条件で、熱重量分析試験を行ったところ、分析開始温度３０３℃、分析終了温度３５８℃であり、実施例１の実験Ｎｏ．４とほぼ同様の結果が得られた（表１，実験Ｎｏ．６）。
このことから、ポリ乳酸繊維は、コンクリート養生中の雰囲気下で加水分解し、火災発生時に十分な水分がなくても、低い分解温度が得られることが分かる。
【００３１】
比較例１
メルトフローレート（温度２３０℃、荷重２１．１８Ｎ）が２０ｇ／分の高結晶ポリプロピレン（出光石油化学社製、商品名「Ｙ２００５ＧＰ」）を２３０℃の温度で溶融紡糸機にて、ホール径０．８ｍｍのノズルより押し出し、引き取り速度３６０ｍ／分の条件で紡糸して、単糸繊度が４４ｄＴｅｘである未延伸糸を得た。次いで、この未延伸糸を常圧水蒸気雰囲気下で延伸処理し、油剤付与後１０ｍｍにカットし、単糸繊度１７ｄＴｅｘ（平均直径４８μｍ）の短カット繊維を得た。
この短カット繊維について、実施例１の実験Ｎｏ．４と同じ操作を行い、熱重量分析試験を行ったところ、分解開始温度４１６℃、分解終了温度４５２℃であった（表１，実験Ｎｏ．７）。
【００３２】
実施例３〜６
（１）セメント系成型体用組成物の調製
１００リットル強制二軸ミキサーを使用し、表２に示す種類の細骨材６６９ｋｇ／ｍ３、シリカフュームセメント８８２ｋｇ／ｍ３を１５秒間空練りした。その後、水道水１５０ｋｇ／ｍ３と表２に示す混和剤（ＳＳＰ−1０４をセメント比：３．０重量％、ＡＦＫ−２をセメント比：０．０３重量％）を投入し、６０秒間混練し、モルタル状を呈した時点で、実施例１で得た１０ｍｍにカットしたポリ乳酸繊維を、組成物全量に基づき、０．０５容積％、０．１０容積％、０．２０容積％、０．３０容積％になるようにそれぞれ添加したのち、表２に示す種類の粗骨材７５８ｋｇ／ｍ３を投入し、２分間混練して、セメント系成型体用組成物を調製した。この際、水／結合材（シリカフュームセメント）比は１７％であった。
【００３３】
（２）耐火試験
上記（２）で得られたセメント系成型体用組成物を用いて、ＪＩＳ Ａ１１３２に準じて、長軸方向中央にＤ１３異型鉄筋を埋設した直径１５ｃｍ、長さ３０ｃｍのコンクリート試験体を作製し、封緘状態で５６日間養生した。耐火試験前日に鉄筋両端面に断熱材を接着し、耐火試験に供した。
耐火試験はＩＳＯ−８３４標準炉内加熱温度曲線に基づき、６０分間加熱した。
試験体の爆裂度合いを目視観察により、以下の判定規準で評価するとともに、爆裂の大きさを試験前後の試験体の質量変化率として，以下のように表し評価した。耐火試験による試験体の質量変化は，試験体中の水分の蒸発および爆裂により表層のコンクリートが剥離・飛散することによる質量損失を含む。試験体の含水率はほぼ等しいことから，水分の蒸発による質量変化は各試験体ともほぼ同一であり，質量変化が大きいほど，爆裂の程度が大きいことになる。
〔目視による爆裂程度の評価〕
○：爆裂なし
△：軽微な爆裂あり
×：激しい爆裂あり
〔試験体の質量変化による爆裂程度の評価〕
質量変化率（％）＝{耐火試験前の試験体質量(kg)−耐火試験後の試験体質量(kg)}／耐火試験前の試験体質量(kg)×100
耐火試験結果を表３に示す。
【００３４】
比較例２〜５
実施例３〜６において、繊維として、比較例１で得た１０ｍｍにカットしたポリプロピレン繊維をそれぞれ用いた以外は、実施例３〜６と同様な操作を行った。結果を表３に示す。
【００３５】
【表２】
2005320200.tif 000007
【００３６】
【表３】
2005320200.tif 000008
表３から分かるように、実施例３〜６では、いずれも爆裂が認められなかった。これに対し、比較例では、比較例４、５を除いて爆裂が認められた。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明のセメント系成型体用有機繊維は、アルカリ加水分解性を有し、少ない添加量でもセメント系成型体中にて減容化しやすく、また低温環境下において容易に分解しガス化することで、火災時のセメント系成型体の爆裂を効果的に防止することができる。