(57)【要約】【課題】短繊維補強モルタルにおいて、短繊維の配向を効率よく行う方法およびこれにより得られる短繊維の配向されたモルタルを提供する。【解決手段】鋼繊維補強モルタルを打設した後、該モルタルの表面近傍において一定方向に磁石を往復動させることにより、モルタル内の鋼繊維を配向させる。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼繊維補強モルタルを打設した後、該モルタルの表面近傍において一定方向に磁石を往復動させることを特徴とする配向した鋼繊維を含む鋼繊維補強モルタルを形成する方法。
【請求項２】
前記打設は、鋼繊維モルタルの塗布、吹き付けまたは型枠への流し込みを含むことを特徴とする請求項１に記載の配向した鋼繊維を含む鋼繊維補強モルタルを形成する方法。
【請求項３】
前記磁石による磁力がモルタル表面において最大で６０ｍＴ程度であることを特徴とする請求項１または２に記載の配向した鋼繊維を含む鋼繊維補強モルタルを形成する方法。
【請求項４】
前記磁石の移動速度が５〜１０ｃｍ／ｓであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の配向した鋼繊維を含む鋼繊維補強モルタルを形成する方法。
【請求項５】
前記磁石の往復回数が４〜８であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の配向した鋼繊維を含む鋼繊維補強モルタルを形成する方法。
【請求項６】
前記鋼繊維が混入されるモルタルの粘度が０．０８５〜０．１６１Ｐａ・ｓであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の配向した鋼繊維を含む鋼繊維補強モルタルを形成する方法。
【請求項７】
前記鋼繊維の混入量が０．５〜１．５％であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の配向した鋼繊維を含む鋼繊維補強モルタルを形成する方法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかの方法により形成された、配向した鋼繊維を含む鋼繊維補強モルタル構造物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁力により繊維が配向された鋼繊維補強モルタルを形成する方法及びこの方法により形成された鋼繊維補強モルタル構造物に関する。
【背景技術】
【０００２】
脆性破壊の改善や、ひび割れ防止ならびに引張強度を高める目的で、従来から短繊維補強モルタルが使用されている。これはモルタルに短繊維を混入して練り混ぜ、短繊維を３次元ランダム配向させることにより、モルタルの曲げ強度、引張強度、曲げ靭性、耐衝撃性等の機械的特性を向上させることによっている。混入する短繊維としては、ガラス繊維、炭素繊維等の無機繊維や、ビニロン繊維、ポリプロピレン繊維、アラミド繊維等の有機繊維の短繊維や鋼繊維などの金属繊維の短繊維（例えば、特許文献１〜３参照）などが知られている。これを外殻プレキャストコンクリート製品や外壁補修用モルタル等に適用することより、コンクリート構造物の耐久性、耐震性向上が期待される。しかし、短繊維を混入させる方法は、混入された短繊維の分散状態が不均一となると機械的特性のバラツキが増大するという問題を内在している。
【０００３】
【特許文献１】特開平６−１１５９８８号公報
【特許文献２】特表平９−５００３５２号公報
【特許文献３】特開平１１−２４６２５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記したように、モルタルは外殻プレキャストコンクリート製品や外壁補修用材料などとして広く用いられているが、モルタルに発生するひび割れは建物の特定部位において特定方向に発生する傾向がある。このため、建物の構造から、モルタルのひび割れの発生しやすい個所およびその場所でのひび割れ方向はある程度予測することができる。これに対応するには、短繊維補強モルタルが壁面材料などとして用いられている場合には、ひび割れが発生すると予測される個所において、ひび割れが発生すると考えられる方向に対し短繊維を直角に配向させてやればよい。従来、モルタルなどに短繊維を混入する場合、短繊維をモルタルに均一に分散、混入させることが難しいこと、また短繊維の混入により流動性が低下するという問題があることから、これらに対応する技術は種々開発されてきているが、混入した短繊維の方向性に関する研究は少ない。これまで、短繊維を配向させる方法として、平行な仕切り板を密に設け、この間隙に短繊維補強コンクリートを流し込み振動を加えて配向させるとか遠心力をかけて配向させる方法などが試みられている。本発明者らもこのような振動や流し込み方向などを検討してみたが、十分に満足のいく結果は得られていない。短繊維の配向を任意所定の方向に行うことができれば、前記モルタルのひび割れを効率よく防ぐことができ、モルタル構造物の耐久性、耐震性向上を図ることができる。
【０００５】
したがって、本発明は、短繊維補強モルタルにおいて、短繊維の配向を効率よく行う方法およびこれにより得られる短繊維の配向されたモルタルを提供することを目的とするものである。
【０００６】
本発明者らは、これらの課題を解決するため鋭意検討を行ったところ、短繊維として鋼繊維を用い、これをモルタルに混入して練り混ぜ、この鋼繊維が混入されたモルタルを塗る、吹き付けるあるいは型に流し込んだ後、モルタル表面近傍において磁石を一定方向に往復動させることにより、モルタル内でより引張りを受ける表面近傍の鋼繊維を配向させることができ、こうして得られたモルタルは最大荷重後の強度が保持され、靭性が向上することを見出した。本発明はこのような知見に基づいてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すなわち、本発明は、鋼繊維補強モルタルを打設した後、該モルタルの表面近傍において一定方向に磁石を往復動させることを特徴とする配向した鋼繊維を含む鋼繊維補強モルタルを形成する方法に関する。
【０００８】
また、本発明は、上記方法により形成された、配向した鋼繊維を含む鋼繊維補強モルタル構造物に関する。
【０００９】
前記方法において、打設には、鋼繊維モルタルの塗布、吹き付け、型枠への流し込みが含まれる。また、本発明の配向した鋼繊維を含む鋼繊維補強モルタルを形成する方法およびこの方法により形成された鋼繊維補強モルタル構造物で用いられる鋼繊維補強モルタル材料は、従来周知あるいは公知の方法および材料を用いて形成されたものでよい。すなわち、使用されるセメント、細骨材、配合剤などは従来知られたどのようなものでもよく、またその配合量、および水の配合量も、従来知られた範囲内のものであればいずれものもでもよい。鋼繊維の長さ、幅あるいは径、形状、材質も、従来知られた範囲内のものであればいずれものもでもよい。例えば、従来鋼繊維としては、一般的には長さ２０〜８０ｍｍ、公称直径０.３〜０.８ｍｍ程度のものが使用されている。さらに、打設方法も従来と同様の方法でよい。
【００１０】
本発明においては、鋼繊維を配向させるために磁石が用いられるが、この磁石は永久磁石、電磁石などモルタル材料内の鋼繊維に磁力を付与することができるものである限り何れのものでもよい。鋼繊維にかけられる磁力は強ければ強いほど配向する傾向が強くなるが、強すぎるとモルタルの粘度にもよるが、混入された鋼繊維が磁石方向に吸引され、凝集して配向性および分散性が低下する傾向があることから、モルタル表面において最大磁束密度が６０ｍＴ程度であることが好ましい。さらに、配向の程度は磁石の移動速度および往復回数によっても影響を受ける。磁石の移動速度は遅いほど鋼繊維が配向する傾向が強いが、あまりにも遅いと混入された鋼繊維が磁石方向に吸引され、凝集して配向性が低下する傾向が顕著となってくる。またあまりにも移動速度を高めると鋼繊維が配向しなくなる。このため、通常磁石の移動速度は、磁石の磁力、すなわちモルタル表面の磁束密度、その他の条件によって異なるものの、通常５〜１０ｃｍ／ｓ程度とすることが好ましい。一方、磁石の往復回数については、少ないと配向が難しく、そうかといって回数を増やせばいくらでも配向程度が向上するというものでもない。また磁石の往復回数は、磁石の磁力などによっても影響を受けるが、一般的には４〜８回程度が好ましい。さらに、鋼繊維のモルタル中での配向は、鋼繊維が混入されるモルタルの粘度、および鋼繊維の混入量によっても影響を受ける。鋼繊維が混入されるモルタルの粘度が低いと配向傾向は高くなるが鋼繊維が磁石に吸引される傾向も高くなる。一方、粘度が高いと鋼繊維の配向が難しくなる。このことから、モルタルの粘度は通常０．０８５〜０．１６１Ｐａ・ｓ程度であることが好ましく、また鋼繊維の混入量は０．５〜１．５％程度であることが好ましい。その他、繊維長などでも幾分影響が出てくる。このように、鋼繊維の配向は、磁力の大きさ、磁石の移動速度、磁石の往復動回数、モルタル粘度、鋼繊維の混入量等が相互に影響しあうことから、好適条件はこれら各条件が総合して決められるべきであり、上記好ましい範囲を外れているからといって、他の条件によっては鋼繊維の配向が可能となる場合もあるから、本発明の配向した鋼繊維補強モルタルを形成する方法における上記諸条件の好ましい範囲が、上記の具体的条件に必ずしも限定されるものではない。
【発明の実施の形態】
【００１１】
以下本発明をさらに具体的に説明する。
本発明においては、モルタルに鋼繊維を混入し、磁石を往復動させて鋼繊維の配向を行っても、モルタル内でどのように鋼繊維が挙動、配向しているのかを直接確認することが難しい。このため、先ず、透明の擬似モルタルを使用するモデル実験により、磁力の強さ、磁石の移動速度、往復回数、モルタルの粘度、鋼繊維の混入量など諸条件が鋼繊維の配向に及ぼす影響を確認した。以下、モデル実験を、下記〔実験１〕及び〔実験２〕により具体的に説明するが、〔実験１〕では１本の鋼繊維の配向の確認を行い、この実験を踏まえ、〔実験２〕では通常の鋼繊維混入量での配向の確認を行った。
【００１２】
〔実験１〕
実験１では、下記表１に示される材料が用いられた。
【００１３】
【表１】
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【００１４】
表１において、高吸水性樹脂は、サンフレッシュＳＴ−５００ＭＰＳ（三洋化成工業（株）製）を用いた。この樹脂の水溶液の粘度は濃度におおよそ線形比例する。また磁石は、４０ｍｍ×４０ｍｍ×１０ｍｍの大きさのフェライト磁石であり、吸引力は２ｋｇ、最大磁束密度は１３０ｍＴである。
【００１５】
実験は、図１に示す装置を用いて行った。図１の装置においては、ベルトコンベア上に磁石を固定し、磁石の上端面から１０ｍｍの所に透明ケースの底表面が位置するように配置されている。図２は樹脂内に配置した鋼繊維の角度計測方法を説明する説明図であり、図３は、鋼繊維が配置された透明ケース部分の断面図であり、図４は同透明ケース部分の平面図である。
【００１６】
この実験では、先ず、透明ケースに高吸水性樹脂を入れ、これにお湯を注いで高吸水性樹脂を溶解し、液体塑性粘度：η＝０．１６の液を作成した。そして、図１に示すように、ベルトコンベア上に磁石を配置し、この磁石と一定距離（ケース内部底面と磁石間の距離：１０ｍｍ）を保った位置に高吸収性樹脂溶液を収容する透明ケースを配置した。透明ケースの樹脂内には、図３に示すように、鋼繊維（長さ３０ｍｍ、両端フック付き）を透明ケースの底面から０、１０、２０、３０ｍｍの高さに２本ずつ、底面と平行に、かつ磁石の進行方向となす角度が４５°、９０°の２水準で鋼繊維を配置した。そして、この状態で、ベルトコンベアを動かすことにより磁石を様々な速度で５往復させ、繊維の角度変化を評価した。実験は、磁石の最大磁束密度、磁石の移動速さ、磁石繊維間距離、繊維初期角度、磁石の往復回数を下記表２（水準）のように変えて行った。磁力により配向処理を行った後、磁石進行方向と鋼繊維のなす角度を測り、計測角度とした。したがって、計測角度は鋼繊維の変化角度ではない。計測角度は、同条件にある２本の鋼繊維の計測角度の平均値とした。なお、磁石の磁気付与面最大磁束密度（Ｂ＝１８３、２０３、２２４、２３２）は、使用する磁石の数を１〜４と変えることにより行った。このとき擬似モルタル表面（底面）における最大磁束密度は、各々５２ｍＴ程度であった。
【００１７】
【表２】
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【００１８】
実験の結果（磁石を５回往復した後の結果）を図５に示す。図５は、磁石の磁束密度ごとの磁石の移動速度（ｃｍ／ｓ）に対する鋼繊維の計測角度を示す図であり、計測角度がゼロとなったとき、磁石の移動方向に鋼繊維が配向したことを示すものである。図５（ａ）は、最大磁束密度が１８３ｍＴである場合の配向効果を示すが、磁石−繊維間距離が２０、３０、４０ｍｍのものには角度変化は見られなかった（即ち配向は起こらなかった）。磁石の移動速度が速くなると、１０ｍｍのものにおいても計測角度はもとの角度に近い値、あるいはもとの角度のままであり、配向効果が劣る結果となった。また、図５（ｂ）は最大磁束密度が２０３ｍＴである場合の実験結果であるが、図５（ｂ）から、初期角度９０°である場合、磁石繊維間距離が４０ｍｍである場合には磁石移動速度によらず角度変化はみられないものの、初期角度が４５°である場合は、磁石繊維間距離が３０ｍｍ以下については、磁石の移動速度によっては角度変化がみられ、磁石繊維間距離が１０ｍｍとなると、初期角度、磁石の移動速度にほとんど関係なく、鋼繊維がほぼ磁石移動方向を向いていることが分かる。さらに、図５（ｃ）および図５（ｄ）から、最大磁束密度がさらに増大するに従って、この鋼繊維の配向傾向がますます大きくなっていることが分かる。
【００１９】
この実験の結果から、磁力が強く移動速度が遅いほど、磁石の進行方向に繊維が配向しやすいことが確認された。さらに、この実験において、進行方向と繊維がほぼ平行になると擬似モルタルとの抵抗が大幅に減少し、磁気による引力でひきつけられ、角度変化だけでなく、磁石進行方向に大きく移動を始めることが確認された。磁石進行方向と鋼繊維のなす角度が大きいほど進行方向に配向する際の抵抗は大きく、特に９０°の場合は角度変化の回転方向が定まらず、抵抗がかなり大きい。そのため、初期角度４５°の方が初期角度９０°の場合に比べて配向しやすく、初期角度９０°の実験でも磁石進行方向に配向し始めると抵抗が減少し角度の変化量が大きくなる。このため、往復回数が増すとさらに配向性が向上することが理解できる。また磁石の移動速さが遅いほど配向効果が高かったが、遅すぎる場合、例えば５ｃｍ／ｓの場合は、繊維が分散性を失い凝集すると考えられる。このことから、磁力の付与速度は５ｃｍ／ｓ以上２０ｃｍ／ｓ程度が適当であり、より好ましくは１０ｃｍ／ｓ程度である。
【００２０】
〔実験２〕
上記実験１では、磁石繊維間距離１０、２０、３０，４０ｍｍの各距離において、鋼繊維を２本のみ用いた実験を行い、鋼繊維が配向できることを確認したが、実際の短繊維強化モルタルにおいては通常１、２％程度繊維が混入されることから、さらに鋼繊維を前記高吸水性樹脂に０．５％、１．０％、１．５％混入した実験を図１の装置を用いて行い、混入される鋼繊維の繊維量の影響を調べた。本実験では、液体塑性粘度は０．１６に加え、０．０６をも採用し、磁石の移動速度は１０ｃｍ／ｓおよび２０ｃｍ／ｓとした。また、磁石の往復回数による影響も観察した。さらに磁石の最大磁束密度は２３２ｍＴとした。この実験から、繊維量に関しては、１．５％の場合、繊維量が多いため１６往復目でも繊維同士が立体的に拘束してほとんど配向せず、モルタルの粘度の範囲内で作成した低粘度擬似モルタル（η＝０．０６）では繊維が沈み、凝集して配向性が低下した。なお、繊維量０．５％の場合、繊維は沈みやすいものの、１．０％、１．５％に比べると配向しやすく、４往復目程度の磁力付与でほぼ進行方向に配向した。
【実施例】
【００２１】
以上の実験１、２により鋼繊維補強モルタルにおいて、磁力により鋼繊維を配向できることが確認できたことから、さらにモルタルでの鋼繊維の配向およびその効果の確認を行った。実験３における使用材料を表３に示す。
【００２２】
【表３】
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【００２３】
〔実験３〕
下記表４に記載の調合表に示す条件で、モルタル試験体（４０ｍｍ×４０ｍｍ×１６０ｍｍ）を作製した後、図６の３点式１点載荷曲げ試験装置により基礎的力学特性を評価した。試験体は、繊維無混入の試験体、繊維量：０．５％で繊維配向性の無い試験体、及び繊維量：０．５％で繊維配向性の有る試験体を各３体計９体作製した。養生は７日間で封緘養生とした。
【００２４】
【表４】
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【００２５】
モルタルの練りは次の順序・時間で行った。
捨て練り
セメントと細骨材を入れて空練り                １分
混和剤入りの水を加え練り混ぜ              ４．５分
さらに練り混ぜ（繊維有の場合はここで混入）    ２分
【００２６】
練り混ぜ完了後打設した。また配向性有については、打設後磁気を付与した。フロー計測は打設と同時に、繊維混入の試験体は繊維混入直前に計測した。また、意図しない繊維の沈下を防ぐため、突きは繊維混入なしの試験体も含め行わず、叩きは横側面から５回ずつ、軸方向側面から１回ずつ、計１２回行った。粘度計測は打設段階の繊維混入なしのプレーンのモルタルで行った。
【００２７】
試験体型枠は厚さ１０ｍｍのアクリル型枠で作成し、下面よりベルトコンベアで速さを調整し磁石側面をアクリルに接触させ、型枠に水平に磁気を付与した。磁気付与に関する条件は、実験１、２より、移動速度は１０［ｃｍ／ｓ］、付与面最大磁束密度は２３２ｍＴ、往復回数は４回とした。移動速度は分散性の低下を防ぐため１０ｃｍ／ｓとし、往復回数は実験１で４回目程度から配向効果に大きな違いが出なくなってきたため、また練り後の磁気付与までの時間に試験体ごとに差ができるだけ出ないよう４往復とした。磁気の付与は練り後早めに行い、２０分以内を目安とした。
【００２８】
また、繊維量０．５％の実験では破断面の繊維本数の少ない試験体がみられ、切断面の繊維本数にばらつきが多かったことから、鋼繊維の影響を明確にする意味で繊維量を１．０％とした試験体も繊維量０．５％と同様の条件で製作した。繊維量１．０％の試験体の調合を表５に示す。繊維量が多いため配向しずらいことを考慮し、往復回数は８回とした。
【００２９】
【表５】
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【００３０】
フロー台を用いて、試験体のフロー特性を測定した。計測結果を表５に示す（表中の回数はフロー台振動回数である。）。また、試験体の曲げ試験を図６に示す装置を用い、３点式１点載荷で行った。その際、データロガーで荷重とたわみを計測しながら荷重が大きく低下した時などの主要なタイミング、及び５秒間隔で測定した。曲げ試験の結果を図７（繊維量０．５％）および図８（繊維量１．０％）に示す。
【００３１】
【表６】
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【００３２】
図７および８の材齢７日での曲げ試験による荷重変形曲線の測定結果から、曲げひび割れ発生前までは、繊維の有無、配向の有無による影響はみられず、荷重変形曲線の履歴はほぼ重なっているが、それ以降、繊維の有無、配向の有無による影響が出てくる。図７及び図８から、配向ありの方がなしより最大荷重移行の強度が保持されている結果となっており、磁力による繊維配向により靭性が向上することが確認された。
【００３３】
［発明の効果］
以上述べたことから明らかなように、磁石を所定方向に往復動させることにより鋼繊維補強モルタル中の鋼繊維の配向を行うことができ、これによりモルタルのひび割れに対する靭性が高められ、モルタル構造物の耐久性、耐震性向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】配向実験装置の概要図である。
【図２】鋼繊維の角度測定方法を示す図である。
【図３】図１の実験装置のケース部分の断面図である。
【図４】図１の実験装置のケース部分の平面図である。
【図５】擬似モルタルにおける磁力配向処理結果を示す図である。
【図６】試験体の曲げ試験装置の模式図である。
【図７】繊維混入量０．５％の試験体の曲げ試験の結果を示すグラフである。
【図８】繊維混入量１％の試験体の曲げ試験の結果を示すグラフである。
【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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