(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軽量コンクリートに短繊維を混入してなる繊維混入軽量コンクリートであって，前記の短繊維が，山と谷が交互に繰り返す波形を有し且つ或る山の傾斜角をθ1，隣りあう谷の傾斜角をθ2，山と山とのピッチ幅をＤ1，谷と谷のピッチ幅をＤ2としたとき，θ1≒θ2で，Ｄ1≒Ｄ2の波が同一方向に繰り返される波形を有する波形ポリプロピレン短繊維であることを特徴とする繊維混入軽量コンクリート。
【請求項２】
波形ポリプロピレン短繊維は，親水性処理が施されたものである請求項１に記載の繊維混入軽量コンクリート。
【請求項３】
波形ポリプロピレン短繊維の配合量が０.１〜２.０容積％である請求項１または２に記載の繊維混入軽量コンクリート。
【請求項４】
混和剤として高性能ＡＥ減水剤を混和した請求項１，２または３に記載の繊維混入軽量コンクリート。
【請求項５】
単位容積質量が２.０Ｋｇ／Ｌ以下である請求項１，２３または４に記載の繊維混入軽量コンクリート。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，軽量コンクリートの特徴である軽量性を損なわずして，そのフレッシュ性状と硬化性状を改善した繊維混入軽量コンクリートに関する。
【０００２】
【従来の技術】
軽量骨材を用いた軽量コンクリートでは，通常の骨材を用いた構造用コンクリートとは次のような特性上の相違がある。
(1) 軽量骨材とモルタル或いはペーストとの比重差が大きいので，とくに振動締固め或いは流動に際して軽量骨材が浮き上がる現象が発生しやすく，フレッシュ性状では材料分離抵抗性に劣る。
(2) 硬化性状では破壊が軽量骨材の界面で発生したり，軽量骨材自身の破壊によって脆性的破壊が発生しやすいこと。
(3) 特に高強度コンクリートの配合とした場合には，前記(2) の性状が顕著となること。
(4) 衝撃荷重に脆く，また耐摩耗性や耐疲労性にも劣ること。
【０００３】
軽量コンクリートに用いる骨材については例えばＪＩＳＡ５００２において，使用する骨材の種類や品質等について種々規定しているが，このような軽量骨材を用いたコンクリートでも，軽量である故に前記(1) 〜(4) のような性質を有することは避けられない面があり，このため，構造用部材にはほとんど使用されていないのが現状である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来より，鋼繊維や化学繊維の短繊維を軽量コンクリートに配合することも試みられている。しかし，鋼繊維は比重が７.８程度と高く，多量に混入する場合には軽量骨材コンクリートの特徴である軽量性が損なわれるばかりでなく，混入にさいして分散性が悪いので，投入および練混ぜに多大の手間を要するという問題がある。また，軽量な化学繊維を用いて軽量性を確保することも試みられたが，コンクリートへの分散性が悪く，したがって，単位水量を増加しなければならなくなってコンクリートの耐久性が劣化したり，また従来の一般的な化学繊維の配合では曲げやせん断に対しての補強効果が十分得られないと言った問題があった。
【０００５】
本発明はこのような問題を解決しようとするものであり，繊維を配合しても軽量コンクリートのフレッシュ性状を劣化させることなく，しかも軽量コンクリートの軽量性を損なわないで軽量コンクリートの硬化性状を改善することを課題としたものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは，繊維補強コンクリートに普通に使用されている形状が直線的な（ストレートな）短繊維とは異なり，波形に成形（加工）された短繊維，特に波形ポリプロピレン短繊維を使用すると，軽量コンクリートのフレッシュ性状にそれほど影響を与えずに，優れた強度を発現できることを知見し，これによって前記の課題が解決できることを知った。
【０００７】
すなわち本発明は，軽量コンクリートに短繊維を混入してなる繊維混入軽量コンクリートであって，該短繊維が，山と谷が交互に繰り返す波形を有し且つ或る山の傾斜角をθ1，隣りあう谷の傾斜角をθ2，山と山とのピッチ幅をＤ1，谷と谷のピッチ幅をＤ2としたとき，θ1≒θ2で，Ｄ1≒Ｄ2の波が同一方向に繰り返される波形を有する波形ポリプロピレン短繊維であることを特徴とする繊維混入軽量コンクリートを提供するものである。ここで，波形ポリプロピレン短繊維は親水性処理が施されたものであるのが好ましく，その配合量は０.１〜２.０容積％であるのがよい。これによって，短繊維を配合しないベース軽量コンクリートに比べて，他の繊維のようにスランプをそれほど低下させることなく，各種強度を向上させることができ，とくに軽量コンクリートで問題となる脆性的な破壊（曲げタフネス）を改善することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明は，軽量コンクリートに波形ポリプロピレン短繊維を配合することに特徴がある。本発明で使用する波形ポリプロピレン短繊維は，波形に成形されている点で直線状（ストレート形）のポリプロピレン短繊維とは異なる。
【０００９】
ここで，ストレート形ポリプロピレン短繊維とは，モルタルまたはコンクリートへの配合に適するような繊維径と繊維長さ，例えば繊維径１０００〜９０００デニールと，繊維長さ５〜６０ｍｍをもつ自己支持性形状（一端支持でも曲がらないような自己支持性形状）の直線状（ストレート形）のポリプロピレン短繊維を意味するが，本発明で使用する波形ポリプロピレン短繊維は，このようなストレート形ポリプロピレン短繊維を波形に成形したものであり，成形後の繊維径と繊維長さについてはストレート形のものと変わりはない（ただし繊維長さは，波形状態での一端から他端までの直線距離を図った長さを言う）。
【００１０】
ここで，繊維が波形であるとは，図１のストレート形とは異なり，図２のように山と谷が理想的には同ピッチで交互に繰り返すように，成形または加工されたものを言い，外部より応力が加わっていない状態ではその波形の形状を維持しているものを言う。例えば，一定ピッチの波が形成された波板（コルゲート板）を波の方向に沿って線状に裁断した場合に得られるような波線を理想形としており，図２のように，或る山の傾斜角をθ1，隣りあう谷の傾斜角をθ2，山と山とのピッチ幅をＤ1，谷と谷のピッチ幅をＤ2としたとき，θ1≒θ2で，Ｄ1≒Ｄ2の波が同一方向に繰り返されるものを理想形としている。したがって，山と谷はあるけれど，短繊維の長手方向に全体として一方向性をもっている。これはあくまで理想形であり，この理想的な形状から若干離れていても，例えばピッチ幅がある程度乱れていたり，途中で長手方向の方向を若干変えていても（途中で全体として折れ曲がったような状態になっていても），或いは，山と谷が同一平面内になく捩じれたような状態になっていたとしても，山と谷が繰り返されて波形に成形されているものを本発明に従う波形ポリプロピレン短繊維と呼ぶ。θ1とθ2は９０〜１６０oの範囲，Ｄ1とＤ2は５〜１０ｍｍの範囲であるのがよい。
【００１１】
このような波形ポリプロピレン短繊維を軽量骨材配合のベースコンクリートに混入した場合には，そのベースコンクリートのスランプをそれほど低下させることなく，強度を向上させることができる点で，鋼繊維やビニロン繊維にはない有利な効果が得られ，ストレート形のポリプロピレン短繊維の場合よりも更に優れた硬化性状を得ることができる。その理由は必ずしも明確ではないが，ポリプロピレン短繊維は軽量コンクリートになじみやすく，とくに親水性処理を施したポリプロピレン短繊維は軽量コンクリート中に良好に分散すること，また波形であると，ストレート形よりもコンクリートとの付着強度が高くなってクラックの発生を抑制し，さらに微細なクラックが発生してもそのクラックの進展を抑制し，クラックを分散して発生させるためであると考えられる。
【００１２】
波形ポリプロピレン短繊維を配合するベースコンクリートとしては，軽量骨材を用いた通常の軽量コンクリートが適用できる。すなわち，ＪＩＳＡ５００２に規定するような，人工軽量骨材（膨張けつ岩，膨張粘土，膨張スレート，焼成フライアッシュなど），天然軽量骨材（火山れき及びその加工品），副産軽量骨材（膨張スラグなどの副産軽量骨材及びそれらの加工品），その他の軽量骨材を細骨材および／または粗骨材として配合することにより，単位容積質量を２.５Ｋｇ／Ｌ以下，好ましくは２.０Ｋｇ／Ｌ以下，更に好ましくは１.５Ｋｇ／Ｌ以下にまで低減したもの（ベースコンクリート）に対し，波形ポリプロピレン短繊維を外数で０.１〜２.０容積％の量で配合するのがよい。なお，軽量コンクリートとしては，骨材の全てに軽量骨材を使用する場合のほか，骨材の一部に軽量骨材を使用し他部は通常の天然骨材を使用するものであってもよい。
【００１３】
このような軽量コンクリートを得るには混和剤として，通常，高性能減水剤や高性能ＡＥ減水剤を使用することにより，軽量骨材とセメントペーストまたはモルタルとの材料分離抵抗を高め且つポリプロピレン短繊維の分散を良好にすることができる。使用できる高性能ＡＥ減水剤としては，ナフタリンスルホン酸塩系，アミノスルホン酸系，メラミンスルホン酸系，ポリカルボン酸系（ポリカルボン酸エーテル）などの各種のものが適用できるが，ポリカルボン酸系のものが好ましい。高性能ＡＥ減水剤の添加量としては，その種類にもよるが，セメントに対して０.１〜５重量％の範囲で配合すればよい。
【００１４】
【実施例】
〔実施例１〕
スランプ値２１ｃｍで空気量５％，単位容積重量１.７５ｔ／ｍ3（計算値）を目標としたベースコンクリートを表２に示した配合で製造し，これに，外数で１.０容積％となるように表１に示した特性値をもつ４種類の短繊維Ａ〜Ｄを配合した。表２に，ベースコンクリートおよび各繊維混入コンクリートの配合を示した。練り混ぜは強制パン型ミキサ（容量６０Ｌ）を用いて行った。
【００１５】
表１におけるＣとＤの短繊維は，径，長さ，引張強度および比重が同じポリプロピレン短繊維であるが，Ｃはストレート（直線的）な形状であるのに対し，Ｄは波形に成形してある点で相違する。Ｄ繊維の波形成形は，山と谷の高低差をほぼ２ｍｍ，ピッチ幅を約６ｍｍのほぼ等間隔に形成したものであり，各山と谷はほぼ同じ平面内で高低を繰り返している。したがって，山と谷はあるけれど，短繊維の長手方向に全体として一方向性をもち，途中で折れ曲がっているようなものはない。なお，表１におけるＤ繊維の長さ３０ｍｍとは，波型の形状の一端から他端までの直線距離を図った長さである。またポリプロピレン短繊維ＣとＤはいずれも親水性を示すように表面処理が施されたものである。
【００１６】
表２の配合に使用した材料は次のとおりである。
Ｃ（セメント）：普通ポルトランドセメント
Ｓ（川砂）：天然細骨材（新潟産川砂）
Ｇ（軽量粗骨材）：人工軽量粗骨材（太平洋セメント株式会社製のアサノスーパライト）
高性能ＡＥ減水剤：株式会社エヌエムビーの商品名ポゾリスＳＰ８Ｓ（ポリカルボン酸エーテル系標準形）
【００１７】
表３に各軽量コンクリートのフレッシュ性状を示した。また表４に各軽量コンクリートの硬化性状（材齢２８日，２０℃水中養生）を示した。
【００１８】
【表１】
0003778755.tif 000002
【００１９】
【表２】
0003778755.tif 000003
【００２０】
【表３】
0003778755.tif 000004
【００２１】
【表４】
0003778755.tif 000005
【００２２】
表３の結果から，ベースの軽量コンクリートに鋼繊維またはビニロン繊維を混入したＡ系統とＢ系統の繊維混入軽量コンクリートは，スランプの低下が大きいのに対し，ポリプロピレン短繊維を混入したＣ系統とＤ系統の繊維混入軽量コンクリートはスランプの低下が前者ほど大きくはないことがわかる。また，ＡとＢ系統では，鋼繊維またはビニロン繊維をほぐしながら少量づつ混入しないとフアイバーボールが生じたのに対し，ＣとＤ系統ではポリプロピレン繊維を無造作に投入しても投入後にすぐにマトリックス中に拡散し均一な分散が得られた。したがって，表面に親水処理を施したポリプロピレン短繊維は，軽量コンクリートに対して，鋼繊維やビニロン繊維では得られないような良好な分散性を示すことが明らかであり，しかも，ポリプロピレン短繊維は波形に成形されていても，ストレート形より分散性が悪くなることもない。
【００２３】
また，表３に示した材料分離指数は，図３に示したように，φ１５０×３００ｍｍの鋼製モールドを垂直に二段に重ね（両モールドの間には仕切はなく，したがって重ねた状態では内径１５０ｍｍ×高さ６００ｍｍの円筒形となる），この試験体内に各軽量コンクリートを打ち込み，棒状バイブレータを挿入して１分間振動締固めを行い（締固め時間としては過剰），その後，５分間静置したあと，上層のＡ室と下層のＢ室からそれぞれの材料を分けて取り出し，両者を５ｍｍふるい上で水洗いして軽量粗骨材を採取し，両室の軽量粗骨材の絶乾重量を求め，下式に従い，その比を材料分離指数としたものである。
材料分離指数＝Ａ室の粗骨材絶乾重量／Ｂ室の粗骨材絶乾重量
【００２４】
軽量コンクリートでは振動締固めにより軽量骨材が浮き上がる現象が生ずるので，材料分離指数が一般に高くなり，表３の結果に見られるように，ベースコンクリートの材料分離指数は１.１８を示している。これに対して，Ａ〜Ｄの短繊維を配合したものは材料分離指数はいずれも低下しているが，ポリプロピレン短繊維を配合したものはその指数が低く，特に波形ポリプロピレン短繊維を配合したＤ系統では材料分離指数１.０２となり，振動締固めによっても殆んど材料分離が生じないことがわかる。
【００２５】
また，この材料分離抵抗性試験において，Ａ系統では鋼繊維がＢ室に沈降したのに対し，Ｂ系統ではビニロン繊維がＡ室に浮き上がる傾向が見られた。最も比重が小さいポリプロピレン（表１参照）では，これよりもさらにＡ室に浮き上がる傾向が起きる筈であるが，実際には浮き上がる傾向は顕著ではなかった。これは親水処理したポリプロピレン繊維を用いたことにより，セメントペーストとの接着力が強くなっているからであろうと考えられる。
【００２６】
他方，表４の結果に見られるように，硬化コンクリートの性状（強度特性）については，波形ポリプロピレン短繊維を混入したＤ系の高流動コンクリートは良好な強度特性を示しており，特に曲げ強度が向上している点が特徴的である。鋼繊維入りのＡ系コンクリートでは鋼繊維自身の強度により曲げ強度および曲げ靭性が向上しているが，ビニロン繊維入りのＢ系およびストレート形ポリプロピレン繊維入りのＣ系のものと対比すると，Ｄ系の波形ポリプロピレン短繊維入りのものは圧縮強度，静弾性係数，割裂引張強度，曲げ強度，曲げタフネス，せん断強度がいずれも高い。とくに，ストレート系のＣ系のものに比べて波形のＤ系のものが，その形状の違いだけで強度特性が向上し，曲げ強度や曲げ靭性が高くなっている。
【００２７】
〔実施例２〕
波形ポリプロピレン短繊維の混入量を，０容積％，０.２容積％，０.４容積％および０.６容積％に変えた以外は，表２のＤ系の配合と同じ軽量コンクリートを作製し，いずれも３０ｃｍ×３０ｃｍ×５.５ｃｍの方形板に成形した。その硬化品（材齢２８日，２０℃水中養生）を水平にセットし，その中心部に，高さ２ｍの位置から重さ１.０４５Ｋｇの鉄球を自然落下させ，硬化品に１ｍｍ幅クラックが発生するまでの落下回数と，貫通クラックが発生するまでの落下回数を測定した。その結果を図４に示した。
【００２８】
図４の結果から，繊維を混入しないベースの軽量コンクリートでは落下回数が３〜４回で１ｍｍ幅クラックと貫通クラックが発生して脆性的な破壊形態を示したのに対し，波形ポリプロピレン短繊維を混入したものでは，その混入率の増加につれて対数軸上でほぼ直線的に落下回数が増加し，またひび割れが発生してもすぐにはひび割れが進展しないことがわかる。このことは，該繊維混入によって軽量骨材コンクリートの耐衝撃性が向上したことを示しており，またこの現象から耐摩耗性や耐疲労特性の向上も推察できる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように，本発明によると，短繊維を混入しても，軽量コンクリートの最大の特性である軽量性をそれほど損なうことなくフレッシュ性状ではスランプ低下を低くしながら締固めによる骨材の浮き上がりを抑制し，硬化性状では強度特性を改善し且つねばり強い破壊形態に改変すると共に耐衝撃性および耐疲労性・耐摩耗性を具備した軽量コンクリートを得ることができ，軽量コンクリートの品質改善に大きく貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ストレート形ポリプロピレン短繊維の形状例を示す平面図である。
【図２】波形ポリプロピレン短繊維の形状例を示す平面図である。
【図３】材料分離抵抗性試験に用いたモールドの外形を示す斜視図である。
【図４】波形ポリプロピレン短繊維の混入率とクラック発生状況との関係を示す図である。
【図１】
0003778755.tif 000006
【図２】
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【図３】
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【図４】
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