(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セメント、ポゾラン質微粉末、粒径２ｍｍ以下の骨材、水、減水剤及びビッカース硬度１６００以上の物質を含む配合物の硬化体からなる耐摩耗材であって、
前記材料の配合割合が、セメント１００重量部に対し、ポゾラン質微粉末５〜５０重量部、骨材５０〜２５０重量部、水２０〜３５重量部、減水剤（固形分換算）０．５〜４．０重量部、ビッカース硬度１６００以上の物質０．１〜２０重量部であることを特徴とする耐摩耗材。
【請求項２】
配合物が、金属繊維、有機繊維、炭素繊維の何れか１種又は２種以上を含み、金属繊維の配合量が凝結後の硬化体体積の４％未満であり、有機繊維及び／又は炭素繊維の配合量が凝結後の硬化体体積の１０％未満であることを特徴とする請求項１記載の耐摩耗材。
【請求項３】
金属繊維が、径０．０１〜１．０ｍｍ、長さ２〜３０ｍｍの鋼繊維である請求項２記載の耐摩耗材。
【請求項４】
有機繊維が、径０．００５〜１．０ｍｍ、長さ２〜３０ｍｍのビニロン繊維、ポリプロピレン繊維、ポリエチレン繊維、アラミド繊維から選ばれる一種以上の繊維である請求項２記載の耐摩耗材。
【請求項５】
炭素繊維が、径０．００５〜１．０ｍｍ、長さ２〜３０ｍｍである請求項２記載の耐摩耗材。
【請求項６】
配合物に、平均粒径３〜２０μｍの無機粉末を、セメント１００重量部に対して５０重量部以下含む請求項１〜５の何れか記載の耐摩耗材。
【請求項７】
配合物に、平均粒径１ｍｍ以下の針状粒子及び／又は板状粒子を、セメント１００重量部に対して３５重量部以下含む請求項１〜６の何れか記載の耐摩耗材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セメント系組成物を基体とする耐摩耗材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
衝撃摩耗、すべり摩耗、転がり摩耗といった摩耗に対する材料の耐力・抵抗力に最も強い影響を及ぼす因子として、材料の硬度が挙げられる。このため、一般に、耐摩耗材と称されているものは、高硬度の硬質物質から選定されている。高硬度の硬質材料は、金属系や無機系の物質、或いはそれらの複合体などからなるものが種々知られているが、粉末や単結晶ではなく所定の形状物で得ようとすると、通常は、何れも溶融や焼結といった構成成分の融点又はそれに近い温度での高温加熱を行わなければならない。このため、溶接や接合などを行うことなく、一体ものとして大型形状の耐摩耗材を得ることは甚だ困難であり、敢えて大型形状の耐摩耗材を得ようとしても、製造のための設備コストが膨大なものになり、製造工程や作業負担も増大し、工期もかなり要する反面、均一な性状で寸法精度も良いものは殆ど得られなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記問題点を解決するものであって、高温加熱処理を行わずして常温で容易に任意の大きさの一体ものの形状物品として得ることができ、その性状も高硬度で且つ比較的高い強度と靱性を備えた耐摩耗材を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、前記課題解決のため鋭意検討した結果、高い強度と靱性を発現できる特定の水硬性組成物を基材とし、該基材に公知の硬質物質を分散することで、形状物品の製造時に高温処理を必要とせず、また接合や溶接を行わずして一体ものの大型物品が極めて容易に得られ、高い耐摩耗特性が付与できたことから本発明を完成するに至った。
【０００５】
即ち、本発明は、以下の（１）〜（７）で表される耐摩耗材である。（１）セメント、ポゾラン質微粉末、粒径２ｍｍ以下の骨材、水、減水剤及びビッカース硬度１６００以上の物質を含む配合物の硬化体からなる耐摩耗材であって、前記材料の配合割合が、セメント１００重量部に対し、ポゾラン質微粉末５〜５０重量部、骨材５０〜２５０重量部、水２０〜３５重量部、減水剤（固形分換算）０．５〜４．０重量部、ビッカース硬度１６００以上の物質０．１〜２０重量部であることを特徴とする耐摩耗材。（２）配合物が、金属繊維、有機繊維、炭素繊維の何れか１種又は２種以上を含み、金属繊維の配合量が凝結後の硬化体体積の４％未満であり、有機繊維及び／又は炭素繊維の配合量が凝結後の硬化体体積の１０％未満であることを特徴とする前記（１）の耐摩耗材。（３）金属繊維が、径０．０１〜１．０ｍｍ、長さ２〜３０ｍｍの鋼繊維である前記（２）の耐摩耗材。（４）有機繊維が、径０．００５〜１．０ｍｍ、長さ２〜３０ｍｍのビニロン繊維、ポリプロピレン繊維、ポリエチレン繊維、アラミド繊維から選ばれる一種以上の繊維である前記（２）の耐摩耗材。（５）炭素繊維が、径０．００５〜１．０ｍｍ、長さ２〜３０ｍｍである前記（２）の耐摩耗材。（６）配合物に、平均粒径３〜２０μｍの無機粉末を、セメント１００重量部に対して５０重量部以下含む請求項１〜５の何れか記載の耐摩耗材。
（７）配合物に、平均粒径１ｍｍ以下の針状粒子及び／又は板状粒子を、セメント１００重量部に対して３５重量部以下含む前記（１）〜（６）の何れかの耐摩耗材。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明に於いて、配合物に必須含有されるセメントは、特に限定されず何れのセメントでも使用でき、例えば、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメント、低熱ポルトランドセメント等の各種ポルトセンドセメント、高炉セメント、フライアッシュセメント等の混合セメントを挙げることができる。
【０００７】
また、本発明に於いて、配合物に必須含有されるポゾラン質微粉末は、シリカフューム、シリカダスト、フライアッシュ、スラグ、火山灰、シリカゾル、沈降シリカ等が挙げられる。一般に、シリカフュームやシリカダストでは、その平均粒径は、１．０μｍ以下であり、粉砕により微粉化する必要がないので好適である。比較的粒径の大きいポゾラン物質を用いる場合は予め粉砕を行い、平均粒径１．０μｍ以下に調整したものを配合使用するのが望ましい。
【０００８】
ポゾラン質微粉末が配合されることにより、そのマイクロフィラー効果及びセメント分散効果により硬化体が緻密化し、圧縮強度が向上する。一方、ポゾラン質微粉末の添加量が多くなると単位水量を増加する必要があるので、ポゾラン質微粉末の添加量はセメント１００重量部に対して５〜５０重量部が好ましい。
【０００９】
また、配合物には粒径２ｍｍ以下の骨材、好ましくは粒径１．５ｍｍ以下の骨材、が必須含有される。この場合、骨材の粒径とは８５％（重量）累積粒径であり、従って粒径２ｍｍを超える骨材が多少含まれても良い。全骨材量に対する粒径２ｍｍ以下の骨材量が少なくなると、強度が低下するため、粒径２ｍｍ以下の骨材量は、全骨材量の５０重量％以上が好ましい。
【００１０】
本発明では、川砂、陸砂、海砂、砕砂、珪砂の何れか１種又は２種以上からなる混合砂が粒径２ｍｍ以下の骨材として使用できる。この骨材の配合量は、強度や耐久性を高める上で、セメント１００重量部に対して５０〜２５０重量部が好ましく、８０〜１８０重量部がより好ましい。
【００１１】
また、本発明に於ける配合物は、減水剤を必須含有する。減水剤は、減水効果の大きい高性能減水剤又は高性能ＡＥ減水剤が好ましく、リグニン系、ナフタレンスルホン酸系、メラミン系、ポリカルボン酸系の何れかの成分系のものを使用することができる。減水剤の添加量は、配合物の流動性や分離抵抗性、硬化後の強度、更にはコスト等から、セメントに対して固型分換算で０．５〜４．０重量％が好ましい。尚、減水剤は粉末状又は液状の何れであっても良い。
【００１２】
また、本発明に於いて、配合物に必須配合される水の量は、含水配合物の流動性や分離抵抗性、また硬化後の強度や形状安定性等からセメント１００重量部に対し１５〜４０重量部が好ましく、２０〜３５重量部がより好ましい。水の配合量が１５重量部未満では流動性が低下して配合物の混練が困難になり、また４０重量部を超えると硬化体収縮が顕著になり、硬化性も低下するので何れも好ましくない。
【００１３】
また、本発明では、配合物の硬化体にはビッカース硬度１６００以上の物質が少なくともその表層に分散されていることを必須とする。これはビッカース硬度１６００以上の物質が硬化体全体に分散されたものであっても良く、この場合硬化前の配合物に予めビッカース硬度１６００以上の物質を含ませる事が望ましい。本発明で用いるビッカース硬度１６００以上の物質は、当該硬度の物質である限り何れのものであっても良い。ビッカース硬度を１６００以上とするのは、少なくともこの程度の硬度を有する金属、セラミックス、サーメット、金属間化合物、ダイヤモンド結合を有する無機物などが、耐摩耗部材、研削材、切削工具などの素材として活用されていることによる。ビッカース硬度１６００以上の物質の一例を示すと、α−アルミナ、窒化珪素、各種金属炭化物、各種金属硼化物、ダイヤモンド、窒化硼素、ハイス鋼などを挙げることができ、二種以上のビッカース硬度１６００以上の物質を混合したものを使用しても良い。配合時のビッカース硬度１６００以上の物質は単結晶、多結晶、固溶体、非晶質体など何れの状態でも良いが、粒径は平均粒径で概ね５０μｍ以上となるものを使用することが好ましく、また、分散性を確保する上で最大径は概ね１ｍｍ程度とするのが望ましい。その形状は、粒状、繊維状、小板状、針状など何れでも良く、更に、これらの凝集物、焼結塊又は溶融塊であっても最大径が概ね１ｍｍ以下であれば良い。配合物にビッカース硬度１６００以上の物質を加え、該物質が全体に均一に分散した硬化体にする場合の配合量は、セメント１００重量部に対し、０．１〜２０重量部とする。０．１重量部未満では耐摩耗性の向上硬化が発現されず、２０重量部を超える配合量では他の機械的性状が低下したりするので好ましくない。また、本発明では硬化体表面がビッカース硬度１６００以上の物質で被覆されているものであっても良い。この場合、被覆層をビッカース硬度１６００以上の物質が配合されたセメント系配合物としても良く、またビッカース硬度１６００以上の物質のみで硬化体表面を全て覆ったものでも、或いは全表面にならずとも硬化体表面に適度に散布した状態のものでも良い。尚、ビッカース硬度１６００以上の物質を含む被覆層や表層の厚さは特に規定されない。本発明の耐摩耗材は少なくとも硬化体表層にビッカース硬度１６００以上の物質が含まれていれば良く、従って硬化体内部にはビッカース硬度１６００以上の物質が含まれないものであっても良い。
【００１４】
また、本発明では、硬化体の曲げ強度を高め、とりわけ靱性を向上させて衝撃や動的摩耗時の欠損抵抗性や亀裂抵抗性を高める観点から、金属繊維、有機繊維、炭素繊維の何れか１種以上を含んだ配合物を用いるのが好ましい。金属繊維は鋼繊維やアモルファス繊維等が挙げられるが、特に鋼繊維が高強度であって入手し易く、又コスト的にも比較的安価であることから推奨される。金属繊維は、直径０．０１〜１．０ｍｍ、長さ２〜３０ｍｍのものが好ましい。直径０．０１ｍｍ未満では張力によって切断され易くなり、また直径１．０ｍｍを超えると同一配合量では硬化体に含まれる繊維の数が激減することになるため、強度や靱性の低下が顕著となるので何れも好ましくない。また、繊維長さが３０ｍｍを超えると、混練時にファイバーボールが生じ易くなるので、好ましくない。繊維長さが２ｍｍ未満ではマトリックスとの付着力が低下するため曲げ強度が低下し好ましくない。金属繊維の配合量は、凝結後の硬化体体積の４％未満に相当する量が好ましく、より好ましくは３．５％未満に相当する量とする。配合量が４％以上では、流動性が低下し、作業性低下をきたしやすく、また均一分散も行い難くなるので好ましくない。
【００１５】
また、有機繊維は、ビニロン繊維、ポリプロピレン繊維、ポリエチレン繊維、アラミド繊維などを挙げることができる。有機繊維と炭素繊維の形状寸法は、直径０．００５〜１．０ｍｍ、長さ２〜３０ｍｍのものが好ましい。有機繊維及び／又は炭素繊維の配合量は、凝結後の硬化体体積の１０％未満に相当する量が好ましく、より好ましくは７％未満に相当する量とする。配合量が１０％以上では繊維分散性及び強度が低下するので好ましくない。
【００１６】
また、配合物には、硬化後の充填密度を高め、収縮を抑制し、耐久性を高める観点から、平均粒径３〜２０μｍ、より好ましくは平均粒径４〜１０μｍの無機粉末を含むことが好ましい。無機粉末としては石英粉末がコスト的に安価であり、所望の効果を十分発現できることなどから特に推奨される。石英粉末は天然鉱物源とする晶質又は非晶質の石英の他、シリカを主成分とする無機粉末であれば限定されない。該無機粉末の配合量は、セメント１００重量部に対し、５０重量部以下が好ましく、２０〜３５重量部がより好ましい。配合量が５０重量部を超えると配合物の流動性が低下したり、硬化後の強度が低くなるので好ましくない。
【００１７】
また、本配合物は、硬化後の靱性を高めるため、平均長軸径が１ｍｍ以下の針状及び／又は板状の粒子を含むものが好ましい。針状粒子としては、ウォラストナイト、ボーキサイト、ムライト等の天然若しくは合成の鉱石類からなるものを挙げることができ、板状粒子としては、マイカフレーク、タルクフレーク、バーミキュライトフレーク、アルミナフレーク等を挙げることができる。針状及び／又は板状の粒子の配合量は、セメント１００重量部に対し、最大３５重量部とするのが好ましく、１０〜２５重量部がより好ましい。配合量が３５重量部を超えると、配合物の流動性が低下したり、硬化性が低下することがあるので好ましくない。尚、針状粒子の形状寸法は、針状度、即ち（長軸径／短軸径）の値が３以上のものが望ましい。尚、配合物に針状又は板状の前記ビッカース硬度１６００以上の物質を配合する場合は、針状及び／又は板状の無機粉末を、ビッカース硬度１６００以上の粒子の配合量に相当する量だけ減じて配合しても良い。
【００１８】
本発明に於いては、配合物が上記成分以外の他の成分、例えば収縮低減剤や消泡剤、また特に下記の膨張剤などを、必要に応じて適宜含むものであっても良い。
【００１９】
即ち、配合物に膨張剤を含ませると、塗装物がほぼ完全に収縮しなくなるので、硬化後の形状寸法安定性を保ち、罅割れ等の防止をより確実に行うことができるので良い。膨張剤は一般にモルタルやコンクリート用に使用されているものであれば、何れのものでも使用することができる。好ましくは酸化カルシウム系膨張剤材が良い。このような膨張剤の配合量は、セメント１００重量部に対し、３〜１５重量部が好ましく、５〜１２重量部がより好ましい。配合量が３重量部未満では収縮量を補償するほどの効果が殆ど見られず、また１５重量部を超える配合量では過大膨張し、強度低下又は膨張破壊することもあるので何れも好ましくない。
【００２０】
本耐摩耗材を製造する上で、配合物を構成する各成分の配合順序は特に限定されない。一例を挙げれば、各成分を混練機に一括投入して混練する方法や、水と減水剤以外の成分を予混合し、混合物に水と減水剤を加えて混練する、但し粉末状減水剤使用の場合は減水剤もプレミックスしておく、などの方法がある。混練は、一般にコンクリート製造で使用されている混練機なら何れのものを用いて行っても良く、例えば揺動型ミキサ、パン型ミキサ、二軸練りミキサ、傾胴ミキサ等を使用することができる。混練物の硬化体をもって本発明の耐摩耗材とすることができる。尚、ビッカース硬度１６００以上の物質を予め配合物に加えず、被覆する場合は例えば、ビッカース硬度１６００以上の物質とセメントと水などを混練してなるスラリーを前記硬化体表面に吹き付け又は塗布するか、該スラリーに硬化体を一定時間浸漬させても良い。尚、スラリー成分は硬化体を得るための配合物とできるだけ同様の成分にするのが望ましい。更に前記硬化体が十分硬化する前にビッカース硬度１６００以上の物質をその表面に散布し、硬化させる等の方法によって行うことができる。
【００２１】
【実施例】
［実施例１］  低熱ポルトランドセメント（太平洋セメント（株）製）１０Ｋｇ、平均粒径０．７μｍのシリカフューム３．２Ｋｇ、珪砂４号と５号の重量比２：１からなる混合砂１２Ｋｇ、市販のポリカルボン酸系高性能ＡＥ減水剤（液剤）を固形分換算で１００ｇ、平均粒径７０μｍでビッカース硬度９５００のダイヤモンド粉末２００ｇ並びに水２．４Ｋｇを、二軸練りミキサに一括投入し、混練を行った。
【００２２】
混練物の流動性をＪＩＳ  Ｒ  ５２０１の「フロー試験」に準じた方法でフロー値を測定した結果、混練直後で２６０ｍｍであった。また、該混練物を、内寸で縦及び横共１０ｃｍで高さ４０ｃｍの正四角柱の型枠に流し込み、硬化後脱型して２８日間常温常圧下で養生した。養生後の硬化体の圧縮強度並びに曲げ強度をＪＩＳ  Ｒ  ５２０１に準じた方法で測定した結果、圧縮強度は１８０ＭＰａ、曲げ強度は２２ＭＰａとなった。
【００２３】
更に、該硬化体を３×４×２０ｍｍで一方の先端を半球状に加工してピンを作製し、厚さ１０ｍｍで直径６０ｍｍの円板状の高純度（９９．６％）アルミナディスクに、１Ｋｇｆの荷重でピンの半球状先端を垂直に押し付け、該ディスクを２０ｃｍ／秒の摺動速度で回転させた。温度２０±１℃、湿度１０±２％の環境下でピン先端の摺動距離が２０Ｋｍになるまで回転した後、ピンの重量減少量（Ａ）を測定した。ピン材として、普通ポルトランドセメント１００重量部と珪砂４号と５号の重量比２：１からなる混合砂１２０重量部並びに水２５重量部よりなるモルタルの硬化体を用い、同様の条件で摺動を行った場合のモルタル硬化体ピンの重量減少量（Ｓ）とした時の（Ａ／Ｓ）値は０．０９であった。
【００２４】
［実施例２］  低熱ポルトランドセメント（太平洋セメント（株）製）１０Ｋｇ、平均粒径０．７μｍのシリカフューム３Ｋｇ、珪砂４号と５号の重量比２：１からなる混合砂１３Ｋｇ、直径０．０５ｍｍで長さ２ｍｍの鋼繊維２５０ｇ、市販のポリカルボン酸系高性能ＡＥ減水剤（液剤）を固形分換算で１００ｇ、平均粒径７μｍの天然石英粉末１．５Ｋｇ、長軸径０．３ｍｍで長軸径／短軸径＝約４の針状ウォラストナイト１Ｋｇ、酸化カルシウム系膨張剤（商品名：エクスパン、太平洋セメント株式会社製）２００ｇ、平均粒径７０μｍでビッカース硬度９５００のダイヤモンド粉末２００ｇ並びに水２．５Ｋｇを、二軸練りミキサに一括投入し、混練を行った。
【００２５】
混練物の流動性をＪＩＳ  Ｒ  ５２０１の「フロー試験」に準じた方法でフロー値を測定した結果、混練直後で２４０ｍｍであった。また、該混練物を、内寸で縦及び横共１０ｃｍで高さ４０ｃｍの正四角柱の型枠に流し込み、硬化後脱型して２８日間常温常圧下で養生した。養生後の硬化体の圧縮強度並びに曲げ強度をＪＩＳ  Ｒ  ５２０１に準じた方法で測定した結果、圧縮強度は２０９ＭＰａ、曲げ強度は４５ＭＰａとなった。
【００２６】
更に、該硬化体を３×４×２０ｍｍで一方の先端を半球状に加工してピンを作製し、厚さ１０ｍｍで直径６０ｍｍの円板状の高純度（９９．６％）アルミナディスクに、１Ｋｇｆの荷重でピンの半球状先端を垂直に押し付け、該ディスクを２０ｃｍ／秒の摺動速度で回転させた。温度２０±１℃、湿度１０±２％の環境下でピン先端の摺動距離が２０Ｋｍになるまで回転した後、ピンの重量減少量（Ｂ）を測定した。ピン材として、普通ポルトランドセメント１００重量部と珪砂４号と５号の重量比２：１からなる混合砂１２０重量部並びに水２５重量部よりなるモルタルの硬化体を用い、同様の条件で摺動を行った場合のモルタル硬化体ピンの重量減少量（Ｓ）とした時の（Ｂ／Ｓ）値は０．０６であった。
【００３０】
［比較例１］  普通ポルトランドセメント１００重量部、珪砂４号と５号の重量比２：１からなる混合砂１３０ｇ、市販のポリカルボン酸系高性能ＡＥ減水剤（液剤）を固形分換算で１００ｇ、平均粒径７μｍの天然石英粉末１．５Ｋｇ、並びに水２．２Ｋｇを二軸練りミキサに一括投入し、混練を行った。混練物を、内寸で縦及び横共１０ｃｍで高さ４０ｃｍの正四角柱の型枠に流し込み、硬化後脱型して２８日間常温常圧下で養生した。養生後の硬化体の圧縮強度並びに曲げ強度をＪＩＳ  Ｒ  ５２０１に準じた方法で測定した結果、圧縮強度は４０ＭＰａ、曲げ強度は８ＭＰａとなった。
【００３１】
該硬化体を加工し、３×４×２０ｍｍで一方の先端が半球状にしたピンを作製し、厚さ１０ｍｍで直径６０ｍｍの円板状の高純度（９９．６％）アルミナディスクに、１Ｋｇｆの荷重でこのピンの半球状先端を垂直に押し付け、該ディスクを２０ｃｍ／秒の摺動速度で回転させた。温度２０±１℃、湿度１０±２％の環境下でピン先端の摺動距離が２０Ｋｍになるまで回転した後、ピンの重量減少量（Ｄ）を測定した。ピン材として、普通ポルトランドセメント１００重量部と珪砂４号と５号の重量比２：１からなる混合砂１２０重量部並びに水２５重量部よりなるモルタルの硬化体を用い、同様の条件で摺動を行った場合のモルタル硬化体ピンの重量減少量（Ｓ）とした時の（Ｄ／Ｓ）値は０．９３であった。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の耐摩耗材は、優れた耐摺動摩耗性を示す他、高い強度を有するため粒間結合力も強く粒子集合体の脱落に因る摩耗欠損も起こり難く、また高い靱性を有するため衝撃衝撃等に因る亀裂も進行し難い。更に、本耐摩耗材は水和反応によって硬化体が形成されるため、焼結や溶融といった加熱工程が不要で、更に硬化前の配合物は高い流動性を有するため任意の形状物を容易に得ることができ、硬化後の収縮も殆ど無いため寸法安定性にも優れる。特に、他の素材では装置や作業上の制約から製造困難であった大型形状の一体物を得るには好適である。