(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
曲げ載荷に際して多重亀裂を生じて破壊するセメント系押出成形材料であって、水硬性セメント１００重量部、シリカ質原料５０〜８０重量部、パルプ１〜８０重量部および水溶性セルロース０.１〜１０重量部を含んでなるマトリックスに、繊維長６〜１２ｍｍ、繊維径５〜２００μｍ、アスペクト比１５０〜１０００のＰＶＡ短繊維が硬化後の成形体における体積混入率２〜１０％となるように配合されてなる水硬性セメント組成物を押出成形したのち硬化してなるセメント系押出成形材料。
【請求項２】
マトリックス中に軽量骨材１〜１００重量部を更に含む請求項１に記載のセメント系押出成形材料。
【請求項３】
マトリックス中に鉱物繊維１〜４０重量部を更に含む請求項１または２に記載のセメント系押出成形材料。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、繊維補強セメント系押出成形材料に関する。詳しくは、軽量で且つ多重亀裂を生成して曲げ破断する高靭性のＰＶＡ短繊維補強セメント系押出成形材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、石綿を初めとして、またこれに代わる合成繊維を混合してセメント硬化体の性能を向上する試みが広く行われてきた。しかし、これらの繊維補強による従来の改良は、脆性材料であるセメント硬化体の比例変形内での破断強度および弾性率を向上することに向けられてきたものであり、比例変形を超えてセメント硬化体の物性を改良しようという思想もなければ、その手段も知られていなかった。
【０００３】
最近、セメントに最初の亀裂が生じた時、セメントに補強材として配合された短繊維によって亀裂に橋架けを生じさせて応力を分担させることにより、最初の亀裂発生後も直ちに破断に至らず、多重亀裂を発生させることによって応力を分散して、大きい変形と破断応力を付与することによって高い靭性を持たせる技術が研究されつつある。
この技術はマトリックスと補強繊維との接着力を調整することによって、セメントに最初の亀裂が生じたときに、亀裂部に存在する補強繊維が同時に破断するのを防止することによって、最初の亀裂発生後にも繊維によって応力を分担させ、硬化体が直ちに破断するのを防止するものである。
【０００４】
このために使用されている補強用繊維としては、高強度高弾性ポリエチレン繊維、ＰＶＡ繊維が用いられてきた。例えば、特開２０００-２６４７０８号公報には、引張強度が２０ｇ／デニール以上、弾性率が５００ｇ／デニール以上のポリオレフィン繊維を分散配合した高靭性繊維補強セメント製品が記載されている。特開２０００-７３９５号公報にはＰＶＡ短繊維を３次元方向にランダムに分散配合してなる高靭性ＦＲＣ材料が開示されている。しかし、軽量で且つ押出成形された高い破壊靭性と多重亀裂破断型の大きい変形能を有するセメント系繊維複合材料は知られていない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、多重亀裂を生成する破断機構を呈する軽量で高靭性の繊維補強セメント系押出成形材料を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、曲げ載荷に際して多重亀裂を生じて破壊するセメント系押出成形材料であって、水硬性セメント１００重量部、シリカ質原料５０〜８０重量部、パルプ１〜８０重量部および水溶性セルロース０.１〜１０重量部を含んでなるマトリックスに、繊維長６〜１２ｍｍ、繊維径５〜２００μｍ、アスペクト比１５０〜１０００のＰＶＡ短繊維が硬化後の成形体における体積混入率２〜１０％となるように配合されてなる水硬性セメント組成物を押出成形したのち硬化してなるセメント系押出成形材料に関する。
更に、本発明はマトリックス中に軽量骨材１〜１００重量部を更に含む上記セメント系押出成形材料に関する。
更にまた、本発明は、マトリックス中に鉱物繊維１〜４０重量部を更に含む上記いずれかに記載のセメント系押出成形材料に関する。
【０００７】
本発明において、「多重亀裂」とは次のことを意味する。応力が印加されてセメント硬化体に最初の亀裂が入った段階で、その亀裂部に応力が集中して、通常のセメント硬化体ではそのまま破断に至る。すなわち応力−歪曲線が直線となる弾性変形の段階で破断に至る。そのためエネルギー吸収能が低く脆性破壊を呈する。これに対して最初の亀裂が入ったのちも、直ちに材料全体の破断に至らず、最初の亀裂に続いて複数の亀裂が発生する現象が存在する。これを多重亀裂という。多重亀裂が発生すると、応力が分散されるため、最初の亀裂発生後も増加する荷重に耐えて大きな歪に至るまで破壊せず、高いエネルギー吸収能と高い靭性を示す。
【０００８】
本発明において、「ＰＶＡ繊維」とはポリビニルアルコール系繊維、通称ビニロン繊維と呼ばれているものである。
本発明において、ＰＶＡ短繊維の「アスペクト比」とは、繊維長を繊維断面の面積と同面積を有する相当円の直径で除した値である。
【０００９】
また、本発明で規定する水硬性セメントマトリックスに対するＰＶＡ短繊維の「体積混入率」とは、セメント硬化体を押出方向に対して直角方向に裁断し、その裁断面を走査電子顕微鏡を用いて、加速電圧２５ｋＶで反射電子像を観察した。セメント硬化体中の繊維混入率Ｖｆは、顕微鏡の視野にある観察面のＰＶＡ短繊維の断面積の合計を、電子顕微鏡の視野の面積で除した値として求めた。繊維混入率Ｖｆは、試験片の裁断面中の異なる３つの視野について測定した値の平均値を採用した。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明のセメント系押出成形材料は、特定の形状のＰＶＡ短繊維を特定の処方のセメントマトリックス中に特定の体積混入率で配合したものであり、軽量にして且つ曲げ載荷に際して多重亀裂を生成し高い破断エネルギーと大きい変形能を持つところに特徴がある。
【００１１】
上記の特性を有する本発明のセメント系押出成形材料は、水硬性セメント１００重量部に対して、シリカ質原料４０〜１００重量部、パルプ１〜８０重量部、水溶性セルロース０.１〜１０重量部配合されてなる水硬性セメントマトリックス、またはこれに更に軽量骨材１〜１００重量部と鉱物繊維１〜４０重量部の少なくともいずれかが配合されたマトリックスにＰＶＡ短繊維が配合されることによって得られる。
本発明で用いられるＰＶＡ短繊維は、繊維長が３〜１５ｍｍ、好ましくは６〜１２ｍｍ、繊維径が５〜２００μｍ、好ましくは１０〜４０μｍ、アスペクト比が１５０〜１０００であり、硬化後の成形体における体積混入率が２〜１０％となるように配合さる。
本発明で使用されるＰＶＡ短繊維は、上記繊維長、繊維径およびアスペクト比に該当すれば特に制限はない。
【００１２】
このようにして得られた本発明のセメント系成形材料は比重０.８〜１.８の軽量の押出成形材料である。
【００１３】
本発明のＰＶＡ短繊維に求められる要件に対して、繊維長がより短い、繊維径がより大きい、またはアスペクト比がより小さい場合は、曲げ応力が負荷された状態において、最初に亀裂が生じたときに、繊維が架橋しても応力を負担することができず、すぐに引き抜け、多重亀裂を発生する前に破壊してしまう。
一方、本発明のＰＶＡ短繊維に求められる要件に対して、繊維長がより長い、繊維径がより小さい、またはアスペクト比がより大きい場合は、曲げ応力が負荷された状態において、繊維の引き抜けよりも先に、繊維自体が破断してしまうために多重亀裂が発生しない。
【００１４】
ＰＶＡ短繊維の体積混入率が２％より小さいと亀裂が入ったときにそこに集中する応力を支えることができないで架橋作用を発揮できず、また１０％より大きいと繊維同士の接触部分が増加してセメントとの一体化を妨害するため十分な補強効果が得られなくなる。
【００１５】
本発明において、「水硬性セメント」とは水との反応により硬化体を形成することのできるセメントまたはこのようなセメントが硬化した硬化体をいう。
本発明で使用する水硬性セメントは特に限定されず、各種ポルトランドセメント、高炉セメント、フライアッシュセメント、アルミナセメント、シリカセメント、マグネシアセメント、硫酸塩セメント等をすべて含む。
【００１６】
本発明のセメント系押出成形材料に用いることのできるシリカ質原料としては、珪石粉、高炉スラグ、珪砂、フライアッシュ、珪藻土、シリカヒューム、非晶質シリカ等を使用することができる。好ましくは、成形体の強度向上および寸法安定性に寄与する点から、珪石粉、珪砂である。これらのシリカ質原料として好ましくは比表面積（ＪＩＳ Ｒ ５２０１に記載の方法による）が３０００〜１５０００ｃｍ２／ｇのものを使用する。シリカ質原料は水硬性セメント１００重量部に対して４０〜１００重量部、好ましくは５０〜８０重量部の割合で配合される。シリカ質原料が４０重量部より少ないと成形体の強度が低下する上に、エフロレッセンスが発生し易くなり、１００重量部より多くても成形体の強度が低下する。より好ましくは５０〜８０重量部である。
【００１７】
本発明で配合されるパルプは、綿パルプまたは木材パルプ等の天然パルプが好ましい。天然パルプであれば特に限定されず、バージンパルプのみならず古紙からの再生パルプも使用できる。また木材パルプの場合、木材の組織からリグニンを化学的に取り除いた化学パルプ、木材を機械的に処理した機械パルプのいずれも使用できる。パルプは繊維長が０.０５〜１０ｍｍのものが好ましい。パルプは水硬性セメント１００重量部に対して１〜８０重量部、好ましくは２〜３０重量部の割合で配合される。１重量部より少ないと補強効果を発揮できず、また８０重量部より多いと分散不良となり、成形体の表面平滑性が悪化したりする。
【００１８】
本発明で配合される水溶性セルロースとしては、メチルセルロース、エチルセルロース等のアルキルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシエシルメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース等のヒドロキシアルキルセルロース、ヒドロキシアルキルアルキルセルロース、カルボキシメチルセルロース等を例示することができる。水溶性セルロースは押出組成物の各成分を混合、押出成形する場合に、混練物に粘性を付与し、成形性を向上させるものである。水溶性セルロースは水硬性セメント１００重量部に対して０.１〜１０重量部、好ましくは２〜７重量部の割合で配合される。０.１重量部より少ないと可塑性がなく成形できない。一方１０重量部より多い場合にはコストの上昇を招くだけであり、これ以上の効果の向上は期待できない。
【００１９】
本発明で配合される鉱物繊維としては、セピオライト、ウォラストナイト、タルク、アタパルジャイト、ロックウール等を例示することができる。鉱物繊維は水硬性セメント１００重量部に対して０〜４０重量部、好ましくは３〜２５重量部の割合で配合される。鉱物繊維が４０重量部より多いと成形体の強度が低下する。
【００２０】
本発明で使用する軽量骨材としては、火山れきなどの天然軽量骨材、焼成フライアッシュなどの人工軽量骨材、真珠岩パーライト、黒曜石パーライト、バーミキュライトなどの超軽量骨材、膨張スラグなどの副産物軽量骨材を使用することができる。好ましくは、比重を０.０６〜０.５に設定できる真珠岩パーライト、黒曜石パーライト、バーミキュライトである。例えば、特許第３０４０１４４号の特許公報に記載されているようなパーライトが例示できる。
【００２１】
本発明のセメント系押出成形材料には、上記以外の添加剤として、必要に応じて、マイカ、アルミナ、炭酸カルシウム等のシリカ以外の無機質材料、ポリプロピレン繊維、ポリエチレン繊維、炭素繊維等の他の補強繊維、減水剤、界面活性剤、増粘剤等を配合することもできる。
【００２２】
本発明のセメント系成形材料は押出成形によって形成された成形体である。押出成形することにより、一般により緻密な硬化体が得られ、更に補強繊維が押出方向により支配的に配向するため、押出方向に対する引張応力、または押出方向に直角な方向からの曲げ応力に対して繊維の架橋作用による補強効果をより効果的に発揮することができる。
【００２３】
【実施例】
以下、実施例により本発明をより具体的、且つより詳細に説明する。
実施例 １
普通ポルトランドセメント１００重量部に、長さ６ｍｍ、繊維径４０μｍ（アスペクト比１５０）のＰＶＡ短繊維（クラレ社製、商品名「クラレビニロンＲＫＷ１５０２」）５.１重量部、珪石粉（比表面積４０００ｃｍ２／ｇ）６３.５重量部、パルプ（広葉樹系パルプ）５重量部、セピオライト５重量部およびメチルセルロース（信越化学工業社製）６重量部を加えて、ミキサーにより３分間粉体混合した。粉体混合を続けながらこれに水７７.５重量部を少しずつ加えつつ２分間混合したのちニーダーに移して３分間混練してセメントペーストを練り上げた。
得られたセメントペーストをシリンダー式真空押出成形機から金型を通して押出成形した。金型の吐出口寸法は幅８０ｍｍ、高さ１５ｍｍの長方形のものを用いた。金型から吐出された押出物はトレーに受けた。
押出成形体はトレーごとプラスチックフィルムで包み、恒温恒湿器中で蒸気養生した。蒸気養生は、湿度９８％の条件下で、７０℃で５時間保持した。
【００２４】
得られたＰＶＡ短繊維補強セメント硬化体（セメント系押出成形材料）の曲げ特性（最大応力、ピーク時撓み、破壊エネルギー、亀裂数）、比重および比重当たりの曲げ応力を表１に記載した。表１に示すようにセメント硬化体は曲げ試験において多重亀裂破壊を起し、高い物性値を示現した。また硬化体中のＰＶＡ繊維の体積混入率は３.０％であった。成形体の曲げ特性、亀裂の数およびＰＶＡ短繊維の体積混入率は次のようにして評価した。
【００２５】
（１）曲げ特性の評価法
幅約８０ｍｍ、厚さ約１５ｍｍのセメント硬化体から幅４０ｍｍ、長さ２００ｍｍ、厚さ１５ｍｍの２点載荷の単純曲げ試験用の試験体を切り出した。
載荷点間距離は５０ｍｍ、支点間距離は１５０ｍｍ、クロスヘッド速度は０.５ｍｍ／ｍｉｎで行った。測定した荷重Ｐをもとに、下記式（１）により曲げ応力σｂを評価した：
σｂ＝ＰＬ／ｂｔ２                        （１）
式中、ｂは試験片の幅、ｔは試験片の厚さ、Ｌは支点間距離を表す。
図１に２点載荷の単純曲げ試験の状況を示した。
【００２６】
（２）発生した亀裂数の測定
曲げ試験により発生した亀裂の数は、破断後の試験片について目視により計数した。亀裂数は３個の試験体の平均値で表した。
【００２７】
（３）ＰＶＡ短繊維の体積混入率の測定
セメント硬化体を、押出方向に対して直角方向に裁断し、その裁断面を走査電子顕微鏡を用いて、加速電圧２５ｋＶで反射電子像を観察した。セメント硬化体中の繊維混入率Ｖｆは、顕微鏡の視野にある観察面のＰＶＡ短繊維の断面積の合計を、電子顕微鏡の視野の面積で除した値として求めた。繊維混入率Ｖｆは、試験片の裁断面中の異なる３つの視野について測定した値の平均値を採用した。
【００２８】
実施例 ２〜３
配合成分に更にパーライトを加えた以外は、表１に記載の配合比率で実施例１と同様にしてセメント硬化体（セメント系押出成形材料）を作製し、曲げ特性、発生亀裂数およびＰＶＡ短繊維の体積混入率を測定した。測定結果を表１に示した。実施例２および３の硬化体も多重亀裂破壊を起こし、優れた曲げ特性を発現した。
また、図２には実施例１〜３の曲げ試験の応力−撓み曲線を示した。
【００２９】
比較例 １
表１に示すようにＰＶＡ短繊維の混合量を体積混入率が１.５％となる量とした以外は実施例１と同様にしてセメント硬化体（セメント系押出成形材料）を作製した。曲げ試験を行ったところ単一亀裂で破断し、実施例のセメント硬化体に較べて高比重であるにもかかわらず、曲げ特性は実施例のものよりも低いものであった。
【００３０】
比較例 ２
表１に示すようにＰＶＡ短繊維の体積混入率は３.０％と同じであるが、軽量骨材の量を多量とした以外は実施例１と同様にしてセメント硬化体（セメント系押出成形材料）を作製した。曲げ試験を行ったところ単一亀裂で破断し、実施例のセメント硬化体に較べて曲げ特性は著しく低く、比重当たりの曲げ特性でも性能はかなり低いものであった。
比較例１および２の曲げ試験の応力−撓み曲線を図３に示した。
【００３１】
【表１】
0004372379.tif 000002
【００３２】
【発明の効果】
特定の形態を有するＰＶＡ短繊維をセメントマトリックスに対して特定の範囲の体積混入率で配合した本発明のセメント系押出成形材料は、応力が加わった場合に多重亀裂を生成して破断し、高い破壊エネルギーを発現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  セメント硬化体の２点載荷単純曲げ試験状況を示す説明図。
【図２】  実施例１〜３のセメント硬化体の曲げ応力−撓み関係図。
【図３】  比較例１、２のセメント硬化体の曲げ応力−撓み関係図。
【符号の説明】
１：実施例１、
２：実施例２、
３：実施例３、
４：比較例１、
５：比較例２、
１１：セメント硬化体、
１２：支点、
１３：載荷点。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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