急硬型高靭性ＦＲＣ材料ならびにその調合方法
【課題】 最小限の養生にて、所定の効を得ることができ、その結果、早期の高靭性ＦＲＣの性能発揮を可能とし、剛性補強やひびわれ抑制、ひびわれの微細化による既存構造体の耐久性の向上に効果のある打込みまたは吹付けによる補修・補強工法に関する技術の確立を可能とする。
【解決手段】 セメント系調合材料にＰＶＡの短繊維を配合し、引張試験において０．２％以上の引張ひずみを示すひびわれ分散型の高靱性ＦＲＣ材料において、使用するセメントに対して、カルシウムアルミネートと無水せっこうを主成分とする急硬剤を重量比で１／１０００〜１／３を加え、材齢１日〜５日にて引張ひずみが前記引張試験において０．２％以上という前記所要値を満たすこととした。
【解決手段】 セメント系調合材料にＰＶＡの短繊維を配合し、引張試験において０．２％以上の引張ひずみを示すひびわれ分散型の高靱性ＦＲＣ材料において、使用するセメントに対して、カルシウムアルミネートと無水せっこうを主成分とする急硬剤を重量比で１／１０００〜１／３を加え、材齢１日〜５日にて引張ひずみが前記引張試験において０．２％以上という前記所要値を満たすこととした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、土木及び建築分野において、補修・補強用材料及び構造材料として用いられる急硬型高靭性ＦＲＣ材料ならびにその調合方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
出願人は先に、短繊維を配合し、コンクリート、モルタル等を練り混ぜ、３次元ランダム配向させることにより、引張強度、曲げ強度を向上させる一般的にＨＰＦＲＣやＥＣＣと呼ばれるＰＶＡ繊維補強セメント複合材料を下記特許文献に示すように出願した。
【特許文献１】特開平２００−７３９５号公報
【０００３】
この特許文献１は、引張試験において。０．２％以上の引張ひずみを示すひびわれ分散型の高靭性ＦＲＣ材料ならびにその製造方法に関するものである。
【０００４】
前記ＦＲＣ材料は、配合するＰＶＡ繊維の強度、寸法および配合量とセメント系マトリックスの材料配合とを適切に組み合わせることにより、硬化体にひびわれが生じても、繊維により架橋された微細なひびわれが順次発生するというメカニズムによって、見かけ上は非常に大きいひずみが生じても、荷重に耐えることができる。
【０００５】
このようなひびわれ分散型のＰＶＡ繊維補強セメント複合材料を「高靱性ＦＲＣ材料」と称する。この高靱性ＦＲＣ材料はその大きな変形性能やひびわれが微細に分散する特徴を活かして、道路床版の補強や構造部材および補修材等に広く利用が見込まれている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
高靭性ＦＲＣ材料の引張性能を発揮させるためには、十分な硬化時間と養生期間が必要であることが分かっており、特に養生不足や硬化が不十分な状態においては、引張性能が発揮できないことが知られている。
【０００７】
実際、新設の実橋にて、施工を行った時は２週間の養生期間を必要とした。
【０００８】
吹付施工の高靭性ＦＲＣでは、養生剤を塗布する等の処置が必要不可欠であり、高靭性ＦＲＣ材料が性能を発揮するまでの間は外力や衝撃が加わらない様十分な配慮が必要である。
【０００９】
それに加えて、高靭性ＦＲＣ材料は繊維の補強効果を得るためや乾燥収縮を抑えるために種々の混和剤を使用している。これら種々の混和剤の影響により凝結始発時間や終結時間が一般のモルタルに比較して、遅延する傾向が認められた。このことは、硬化するために十分な養生時間が必要であることを意味している。
【００１０】
一方、高靱性ＦＲＣ材料を用いる補修・補強工法は、高靱性ＦＲＣ材料の変形能力及びひび割れの分散性能を活かした補修・補強工法であり、剛性の向上、ひびわれの抑制、ひびわれの微細化による中性化の抑制による耐久性向上の効果が考えられる。
【００１１】
高靭性ＦＲＣ材料を用いる補修・補強工法には、施工する部位により、主に床版に用いられる打込み工法と壁面等に用いられる吹付工法が考えられる。
【００１２】
しかし、現在使用中の構造物の補修・補強等に高靭性ＦＲＣ材料を適用するには、施工箇所によっては養生期間中その構造体の使用を中断する必要があるため十分な養生時間をとる事ができない場合があり、高靱性ＦＲＣの使用が効果的であっても、この事情のため補修・補強材として適用範囲が限られてしまっている。
【００１３】
なお、養生期間を短縮するために、単に従来の高靱性ＦＲＣ材料に多くの急硬材を添加したのでは、材料がすぐに硬化を初めてしまい、施工することが不可能となる。
【００１４】
また、高靱性ＦＲＣは単純に硬化が速く進行すればいいだけではなく、その引張に対する変形性能が重要であるので、引張性能を発現させる必要がある。
【００１５】
本発明の目的は前記不都合を解決し、セメント系調合材料にＰＶＡの短繊維を配合し、引張試験において０．２％以上の引張ひずみを示すひびわれ分散型の高靱性ＦＲＣ材料において、養生期間を短縮化、すなわち、１日〜５日の短時間で硬化させると同時に所要の引張性能を発揮させることができる急硬型高靭性ＦＲＣ材料ならびにその調合方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は前記目的を達成するため、急硬型高靭性ＦＲＣ材料としては、セメント系調合材料にＰＶＡの短繊維を配合し、引張試験において０．２％以上の引張ひずみを示すひびわれ分散型の高靱性ＦＲＣ材料において、使用するセメントに対して、カルシウムアルミネートと無水せっこうを主成分とする急硬材を重量比で１／１０００〜１／３を加え、材齢１日〜５日にて引張ひずみが前記引張試験において０．２％以上という前記所要値を満たすこととしたことを要旨とするものである。
【００１７】
また、急硬型高靭性ＦＲＣ材料の調合方法としては、第１に、セメント系調合材料にＰＶＡの短繊維を配合し、引張試験において０．２％以上の引張ひずみを示すひびわれ分散型の高靱性ＦＲＣ材料において、使用するセメントに対して、カルシウムアルミネートと無水せっこうを主成分とする急硬材を重量比で１／１０００〜１／３を添加するに際し、ミキサーに、まず、結合材、骨材、急硬材とともに凝結遅延剤および配合水を投入して練り混ぜること、または、ミキサーに、まず、結合材、骨材および配合水を投入して練り混ぜ、その後、練上り直前や繊維投入前に急硬材を添加とすること、第２に、セメント系調合材料にＰＶＡの短繊維を配合し、引張試験において０．２％以上の引張ひずみを示すひびわれ分散型の高靱性ＦＲＣ材料において、使用するセメントに対して、カルシウムアルミネートと無水せっこうを主成分とする急硬材を重量比で１／１０００〜１／３を添加し急硬材とともに凝結遅延剤を添加することを要旨とするものである。
【００１８】
本発明は、単に従来の高靱性ＦＲＣ材料に急硬材を添加するだけでは、材料がすぐに硬化を初めてしまい、施工することが不可能となるので、施工時間を確保するためには急硬材の種類、急硬材の割合、凝結遅延剤の選択及び製造法を総合的に検討し、工夫を凝らしたものである。
【００１９】
また、高靱性ＦＲＣはその引張に対する変形性能が重要であるので、単純に硬化が速く進行すればいいだけではなく、引張性能を発現させる必要があり、そのためには、材料の選択、製造方法、施工方法等検討に工夫を凝らしてものである。
【００２０】
請求項１記載の本発明によれば、セメント系調合材料にＰＶＡの短繊維を配合し、引張試験において０．２％以上の引張ひずみを示すひびわれ分散型の高靱性ＦＲＣ材料において、使用するセメントに対して、カルシウムアルミネートと無水せっこうを主成分とする急硬材を重量比で１／１０００〜１／３を加えることで、施工条件に応じて１日〜５日の材齢において前記引張ひずみが０．２％以上を示すものを得ることができる。
【００２１】
請求項２および請求項３記載の本発明によれば、材料がすぐに硬化を初めてしまい、施工することが不可能となることを防止できるもので、施工時間を確保することができる。施工時においては、ミキサー中にて硬化してしまわず、打込み並びに吹付けのそれぞれの施工法に対応した施工可能時間を確保できる。
【発明の効果】
【００２２】
以上述べたように本発明の急硬型高靭性ＦＲＣ材料ならびにその調合方法は、最小限の養生にて、所定の効を得ることができ、その結果、早期の高靭性ＦＲＣの性能発揮を可能とし、剛性補強やひびわれ抑制、ひびわれの微細化による既存構造体の耐久性の向上に効果のある打込みまたは吹付けによる補修・補強工法に関する技術の確立を可能とするものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。本発明において、高靭性ＦＲＣ材料を得るための材料配合は、基本的に特許文献１に記載されたものが適用されるが、これに加えて、各種の混和剤、混和材、骨材成分等を配合する。
【００２４】
基本的には、下記〔Ｍ１〕の条件を満たすセメント調合材料に下記〔Ｆ１〕の条件を満たすＰＶＡ短繊維（ビニロン繊維）を１〜３ＶＯＬ．％（重量換算で１３〜３９ｋｇ／ｍ３）の配合量で配合するが、それに対して、セメント調合材料のポルトランドセメントの重量比１から２５％を急硬材等に置き換え、すなわち、急硬材をセメント重量比で１／１０００〜１／３の範囲で添加する。
【００２５】
〔Ｍ１〕〈セメント系調合材料）
水結合材比：２５％以上８０％以下
骨材成分と結合材の重量比：１．５以下（０を含む）
シリカ分とセメントの重量比：０．５以下（０を含む）
単位水量：２５０〜４５０ｋｇ／ｍ３
高性能ＡＥ減水剤量３０ｋｇ／ｍ３以下
［急硬材］
急硬材とセメントの重量比：１／１０００〜１／３（置換比率０．１％〜２５％）
〔Ｆ１〕（ビニロン繊維）
繊維径：５０μｍ以下
繊維長：５〜２０ｍｍ
繊維引張強度：１５００〜２４００ＭＰａ
【００２６】
ここで、〔Ｍ１〕のセメント系調合材料のうち、結合材としては普通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、早強ポルトランドセメント等を使用することができる。これらポルトランドセメントに加えてシリカ系粉末（人工ポゾラン）を使用することができる。シリカ系粉末としては、シリカフューム、フライアッシュ、各スラグ粉などが適用できる。したがって、前記〔Ｍ１〕において、水結合材≧２５％、骨材成分と結合材比≦１．５と規定する「結合材」とはシリカ系微粉末を含む場合には「ポルトランドセメント＋シリカ系微粉＋急硬材」を意味する。引張り伸び性能を重視するなら、水結合材比は高い程よく、圧縮強度を重視するなら水結合材比は低い方が良い。両者のバランスをとるためには、中間値の４０％以上が良い。
【００２７】
セメントを早期に凝結させる材料には、瞬時に凝結させる吹付用途に使用する急結剤が知られているがそれより凝結開始時間の長い一般に急硬材（剤）と呼ばれる材料で、主成分がカルシウムアルミネートと無水せっこうのものが使用できる。このような急硬材としては、例えば電気化学工業株式会社の商品名「ビフォーム」が高靱性ＦＲＣ材料の早期の強度発現性に優れており、セメント重量比で１／１０００〜１／３の範囲にて配合する。
【００２８】
急硬材の量は圧縮強度の早期発現に関係し、量が増えるほど圧縮強度が大きくなる。圧縮強度が大きくなると高靱性ＦＲＣ材料の特徴である微細なひび割れが入りにくくなるため、急硬材（剤）は１／１０００〜１／３が効果的である。条件を満たす急硬材（剤）の添加量は１５０ｇ／ｍ３〜６００ｋｇ／ｍ３である。
【００２９】
骨材成分としては、最大粒径０．８ｍｍの細粒体を使用するのが好ましく、特に平均粒径が０．４ｍｍ以下のものが良い。この条件を満たす細粒体であれば硅砂や石灰石粉等の任意のものを骨材成分として使用できる。この細粒体と結合材との重量比（Ｓ／Ｃ）が１．５以下となるようにこれらを配合するのが良い。
【００３０】
混和剤としては、高性能ＡＥ減水剤、増粘剤、収縮低減剤などが使用できる。高性能ＡＥ減水剤としては、ポリカルボン酸系、ポリエーテル系、ナフタレン系、メラミン系、アミノスルホン酸系等のものが使用できる。この中でもポリカルボン酸系またはポリエーテル系のものが好ましく、実績もある。増粘剤は公知の水溶性高分子系のものが使用できる。特に微生物醗酵によるバイオサッカライド系の増粘剤の使用が好ましい。収縮低減剤や膨張剤を添加することで乾燥収縮量を小さく抑えることが可能となる。
【００３１】
〔Ｆ１〕の条件を満たすＰＶＡ短繊維としては、ポリビニールアルコール樹脂を原料として製造されたコンクリートと同等以上の弾性係数を有する短繊維であることが好ましい。ＰＶＡ短繊維の配合量が１ＶＯＬ％未満では、ひびわれ発生後の耐力が十分ではない。他方ＰＶＡ短繊維の配合量が３．０ＶＯＬ％を超えるような多量となると、施工上必要な流動性を満たすことが困難となる。単位重量でのＰＶＡ短繊維の配合量としては１３ｋｇ〜３９ｋｇの範囲とすればよい。
【００３２】
〔Ｍ１〕の条件を満たすセメント系調合材料と〔Ｆ１〕の条件を満たすＰＶＡ短繊維とを混練を行い、急硬型の高靱性ＦＲＣを製造する。
【００３３】
例えば、下記（１）〜（４）および（５）の手順を経て練り混ぜを行った場合に、材齢１日から５日間にて、目標とする引張ひずみ０．２％以上のひびわれ分散型の高靱性ＦＲＣ材料が得られることが分かった。
【００３４】
（１）結合材、急硬材、骨材および配合水を練り混ぜる。
ただし施工時間を調整するために（２）と（３）の間や（５）のタイミングで急硬材を添加する。施工条件に応じてさらに凝結遅延剤を添加することで施工時間を確保する。
（２）高性能ＡＥ減水剤を添加して練り混ぜる。
（３）増粘剤を添加して練り混ぜる。
（４）ＰＶＡ短繊維を添加して練り混ぜる。
さらに、必要に応じて
（５）ＡＥ高性能減水剤および急硬材を添加する。
【００３５】
すなわち、ミキサーにまず（１）結合材、急硬材、骨材および配合水を投入して練り混ぜる。このとき急硬材は注水後に急速に硬化が進行するため、必要に応じて凝結遅延剤を使用し施工可能時間を確保したり、急硬材の添加タイミングを練上り直前や繊維投入前に変更することにより施工可能時間を確保する。
【００３６】
手順（２）のＡＥ減水剤は、モルタルを所定の状態にするために添加する。
【００３７】
増粘剤およびＰＶＡ短繊維を添加して混練すれば、繊維が均一に分散した混練物を得ることができる。しかし、増粘剤を添加して混練した後、繊維を添加して混練を行うことがより、望ましい。これは、増粘剤の粘性が繊維の分散に寄与しているためであり、順序が逆の場合には、繊維の分散性が前者より劣るようになる。まず手順（３）により増粘剤を添加して練り混ぜ、ついで、手順（４）によりＰＶＡ繊維を練り混ぜするのがよい。手順（５）は、施工条件に応じて決定される。施工時間をできるだけ長く取るために急硬性の高い材料の急硬材の場合には、繊維を分散させた後添加し、ただちに打込みや吹付け等の施工を行う。手順（５）において投入するＡＥ減水剤は、所定のワーカビリティを得るために添加するもので、必要条件に応じて添加する
【００３８】
凝結遅延剤は施工時間を確保するために添加する。使用量はセメント＋急硬材量に対して重量比０〜５％の範囲で添加する。凝結遅延剤は使用する急硬材により所定の凝結遅延剤を使用する。炭酸カリウム、酒石酸、クエン酸を主成分としたものが使用できる。例えば電気化学工業株式会社製の「Ｄ-３００」が使用できる。凝結遅延剤は急硬材と同時に添加することを基本とする。
【００３９】
以上の手順により、急硬材の影響により、早期に引張ひずみ性能も０．２％以上を発揮する急硬型高靱性ＦＲＣ材料の製造が施工時間を確保しながら可能となる。
【００４０】
施工を行なうには、打込施工と吹付施工のいずれも可能である。施工方法により、確保すべき施工時間が異なる。
【００４１】
本発明の急硬型高靭性ＦＲＣは練上がり後ただちに打込み施工を行う。
【００４２】
吹付施工は主に柱面や壁面等の垂直面、梁底やスラブ底のような見上げ面に適用する。急硬型高靱性ＦＲＣ材料が練上り後ただちに吹付施工を行う。
【００４３】
１日から５日で引張性能を発現する急硬型高靱性ＦＲＣを使用した以上のような施工によって、既存構造物に対してわずかな養生期間にて、高靱性ＦＲＣ材料の優れた性質を活かした補修・補強工法が可能となる。
【００４４】
（試験結果例）
急硬型高靱性ＦＲＣの配合は打ち込み用にセメント量の１／３から１／９９９の量の急硬材を添加したもので下記表２にその配合を示す。製造法の（１）から（４）の手順にて製造したものである。
【００４５】
【表１】
【００４６】
図１に示したものは、表１における急硬材を添加した急硬型高靱性ＦＲＣの材齢1日の引張性能と従来型の高靱性複合材料の引張り性能を比較したものである。この表２は従来型と急硬型のＡ配合、Ｂ配合の引張り性能をの比較を表したものである
【００４７】
【表２】
【００４８】
図１は、図２に示すようなダンベル型の試験片を作製しそれを直接に引張りその時の試験片のひずみと断面にかかる応力を示したものである。
【００４９】
図１のグラフの描く図形とＸ軸とで囲まれた面積が大きいほど変形性能や靱性が高い。引張り性能は降伏点より大きなひずみとなる領域で、引張降伏強度と同じ値に達した点を終局ひずみとし、その大きさが大きいほど引張変形性能に優れていると判断し、その目標値は０．２％以上である。終局ひずみは材齢１日でＡ配合８.２％およびＢ配合７．６％であり、非常に優れた値を示した。
【００５０】
Ａ配合の凝結遅延剤の量を０．２％（対単位セメント量）増量した急硬型高靱性ＦＲＣ材料（以下Ｃ配合とする）とＡ配合の高靱性ＦＲＣ材料の練上り後の経時とその性状をまとめたものが下記表３である。
【００５１】
【表３】
【００５２】
この表３に示すように施工時間を１０分延長することが可能となり、凝結遅延剤での施工時間の確保が可能である。
【００５３】
図３は、従来型の高靱性ＦＲＣとＡ配合の急硬型高靱性ＦＲＣとの凝結始発および終結時間を示した例である。
【００５４】
この図３から知見できるように、従来の高靱性ＦＲＣは添加混和剤が多いため、硬化が遅く１日では脱型ができない場合が多い。従来型の高靱性ＦＲＣでは性能を発現するために十分な養生時間が必要である。
【００５５】
図４、図５、図６は、更に急硬材の添加量を減少させて急硬材の添加量を重量比でセメントに対して１／９９９にしたとき（Ｄ配合）の急硬型の高靱性ＦＲＣと従来型の高靱性ＦＲＣとの性状を比較したものである。
【００５６】
図４は、フレッシュ時の性状としてスランプフローの値と経時変化を示したものである。図５は、Ｄ配合の硬化後の性状として材齢1、２、３日での圧縮試験結果と引張性能の一例を示したものである。材齢1日で引張り降伏強度において大きな差異が認められないが、引張りひずみに対して効果が認められた。また、圧縮強度に対しても効果が認められた。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】急硬型高靱性ＦＲＣの材齢1日の引張性能と従来型の高靱性複合材料の引張り性能を比較したグラフである。
【図２】引張試験方法を示す説明図である。
【図３】従来型の高靱性ＦＲＣとＡ配合の急硬型高靱性ＦＲＣとの凝結始発および終結時間を示したグラフである。表１はＡ配合、Ｂ配合の練上りからの経過時間とその時の材料の性状を表したものである
【図４】急硬材の添加量を減少させて急硬材の添加量を重量比でセメントに対して１／９９９にしたとき（Ｄ配合）の急硬型の高靱性ＦＲＣと従来型の高靱性ＦＲＣとの性状を比較したもので、フレッシュ時の性状としてスランプフローの値と経時変化を示したグラフである。
【図５】急硬材の添加量を減少させて急硬材の添加量を重量比でセメントに対して１／９９９にしたとき（Ｄ配合）の急硬型の高靱性ＦＲＣと従来型の高靱性ＦＲＣとの性状を比較したもので、材齢1、２、３日での圧縮試験結果を示すグラフである。
【図６】急硬材の添加量を減少させて急硬材の添加量を重量比でセメントに対して１／９９９にしたとき（Ｄ配合）の急硬型の高靱性ＦＲＣと従来型の高靱性ＦＲＣとの性状を比較したもので、材齢１日での引張性能を示したグラフである。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、土木及び建築分野において、補修・補強用材料及び構造材料として用いられる急硬型高靭性ＦＲＣ材料ならびにその調合方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
出願人は先に、短繊維を配合し、コンクリート、モルタル等を練り混ぜ、３次元ランダム配向させることにより、引張強度、曲げ強度を向上させる一般的にＨＰＦＲＣやＥＣＣと呼ばれるＰＶＡ繊維補強セメント複合材料を下記特許文献に示すように出願した。
【特許文献１】特開平２００−７３９５号公報
【０００３】
この特許文献１は、引張試験において。０．２％以上の引張ひずみを示すひびわれ分散型の高靭性ＦＲＣ材料ならびにその製造方法に関するものである。
【０００４】
前記ＦＲＣ材料は、配合するＰＶＡ繊維の強度、寸法および配合量とセメント系マトリックスの材料配合とを適切に組み合わせることにより、硬化体にひびわれが生じても、繊維により架橋された微細なひびわれが順次発生するというメカニズムによって、見かけ上は非常に大きいひずみが生じても、荷重に耐えることができる。
【０００５】
このようなひびわれ分散型のＰＶＡ繊維補強セメント複合材料を「高靱性ＦＲＣ材料」と称する。この高靱性ＦＲＣ材料はその大きな変形性能やひびわれが微細に分散する特徴を活かして、道路床版の補強や構造部材および補修材等に広く利用が見込まれている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
高靭性ＦＲＣ材料の引張性能を発揮させるためには、十分な硬化時間と養生期間が必要であることが分かっており、特に養生不足や硬化が不十分な状態においては、引張性能が発揮できないことが知られている。
【０００７】
実際、新設の実橋にて、施工を行った時は２週間の養生期間を必要とした。
【０００８】
吹付施工の高靭性ＦＲＣでは、養生剤を塗布する等の処置が必要不可欠であり、高靭性ＦＲＣ材料が性能を発揮するまでの間は外力や衝撃が加わらない様十分な配慮が必要である。
【０００９】
それに加えて、高靭性ＦＲＣ材料は繊維の補強効果を得るためや乾燥収縮を抑えるために種々の混和剤を使用している。これら種々の混和剤の影響により凝結始発時間や終結時間が一般のモルタルに比較して、遅延する傾向が認められた。このことは、硬化するために十分な養生時間が必要であることを意味している。
【００１０】
一方、高靱性ＦＲＣ材料を用いる補修・補強工法は、高靱性ＦＲＣ材料の変形能力及びひび割れの分散性能を活かした補修・補強工法であり、剛性の向上、ひびわれの抑制、ひびわれの微細化による中性化の抑制による耐久性向上の効果が考えられる。
【００１１】
高靭性ＦＲＣ材料を用いる補修・補強工法には、施工する部位により、主に床版に用いられる打込み工法と壁面等に用いられる吹付工法が考えられる。
【００１２】
しかし、現在使用中の構造物の補修・補強等に高靭性ＦＲＣ材料を適用するには、施工箇所によっては養生期間中その構造体の使用を中断する必要があるため十分な養生時間をとる事ができない場合があり、高靱性ＦＲＣの使用が効果的であっても、この事情のため補修・補強材として適用範囲が限られてしまっている。
【００１３】
なお、養生期間を短縮するために、単に従来の高靱性ＦＲＣ材料に多くの急硬材を添加したのでは、材料がすぐに硬化を初めてしまい、施工することが不可能となる。
【００１４】
また、高靱性ＦＲＣは単純に硬化が速く進行すればいいだけではなく、その引張に対する変形性能が重要であるので、引張性能を発現させる必要がある。
【００１５】
本発明の目的は前記不都合を解決し、セメント系調合材料にＰＶＡの短繊維を配合し、引張試験において０．２％以上の引張ひずみを示すひびわれ分散型の高靱性ＦＲＣ材料において、養生期間を短縮化、すなわち、１日〜５日の短時間で硬化させると同時に所要の引張性能を発揮させることができる急硬型高靭性ＦＲＣ材料ならびにその調合方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は前記目的を達成するため、急硬型高靭性ＦＲＣ材料としては、セメント系調合材料にＰＶＡの短繊維を配合し、引張試験において０．２％以上の引張ひずみを示すひびわれ分散型の高靱性ＦＲＣ材料において、使用するセメントに対して、カルシウムアルミネートと無水せっこうを主成分とする急硬材を重量比で１／１０００〜１／３を加え、材齢１日〜５日にて引張ひずみが前記引張試験において０．２％以上という前記所要値を満たすこととしたことを要旨とするものである。
【００１７】
また、急硬型高靭性ＦＲＣ材料の調合方法としては、第１に、セメント系調合材料にＰＶＡの短繊維を配合し、引張試験において０．２％以上の引張ひずみを示すひびわれ分散型の高靱性ＦＲＣ材料において、使用するセメントに対して、カルシウムアルミネートと無水せっこうを主成分とする急硬材を重量比で１／１０００〜１／３を添加するに際し、ミキサーに、まず、結合材、骨材、急硬材とともに凝結遅延剤および配合水を投入して練り混ぜること、または、ミキサーに、まず、結合材、骨材および配合水を投入して練り混ぜ、その後、練上り直前や繊維投入前に急硬材を添加とすること、第２に、セメント系調合材料にＰＶＡの短繊維を配合し、引張試験において０．２％以上の引張ひずみを示すひびわれ分散型の高靱性ＦＲＣ材料において、使用するセメントに対して、カルシウムアルミネートと無水せっこうを主成分とする急硬材を重量比で１／１０００〜１／３を添加し急硬材とともに凝結遅延剤を添加することを要旨とするものである。
【００１８】
本発明は、単に従来の高靱性ＦＲＣ材料に急硬材を添加するだけでは、材料がすぐに硬化を初めてしまい、施工することが不可能となるので、施工時間を確保するためには急硬材の種類、急硬材の割合、凝結遅延剤の選択及び製造法を総合的に検討し、工夫を凝らしたものである。
【００１９】
また、高靱性ＦＲＣはその引張に対する変形性能が重要であるので、単純に硬化が速く進行すればいいだけではなく、引張性能を発現させる必要があり、そのためには、材料の選択、製造方法、施工方法等検討に工夫を凝らしてものである。
【００２０】
請求項１記載の本発明によれば、セメント系調合材料にＰＶＡの短繊維を配合し、引張試験において０．２％以上の引張ひずみを示すひびわれ分散型の高靱性ＦＲＣ材料において、使用するセメントに対して、カルシウムアルミネートと無水せっこうを主成分とする急硬材を重量比で１／１０００〜１／３を加えることで、施工条件に応じて１日〜５日の材齢において前記引張ひずみが０．２％以上を示すものを得ることができる。
【００２１】
請求項２および請求項３記載の本発明によれば、材料がすぐに硬化を初めてしまい、施工することが不可能となることを防止できるもので、施工時間を確保することができる。施工時においては、ミキサー中にて硬化してしまわず、打込み並びに吹付けのそれぞれの施工法に対応した施工可能時間を確保できる。
【発明の効果】
【００２２】
以上述べたように本発明の急硬型高靭性ＦＲＣ材料ならびにその調合方法は、最小限の養生にて、所定の効を得ることができ、その結果、早期の高靭性ＦＲＣの性能発揮を可能とし、剛性補強やひびわれ抑制、ひびわれの微細化による既存構造体の耐久性の向上に効果のある打込みまたは吹付けによる補修・補強工法に関する技術の確立を可能とするものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。本発明において、高靭性ＦＲＣ材料を得るための材料配合は、基本的に特許文献１に記載されたものが適用されるが、これに加えて、各種の混和剤、混和材、骨材成分等を配合する。
【００２４】
基本的には、下記〔Ｍ１〕の条件を満たすセメント調合材料に下記〔Ｆ１〕の条件を満たすＰＶＡ短繊維（ビニロン繊維）を１〜３ＶＯＬ．％（重量換算で１３〜３９ｋｇ／ｍ３）の配合量で配合するが、それに対して、セメント調合材料のポルトランドセメントの重量比１から２５％を急硬材等に置き換え、すなわち、急硬材をセメント重量比で１／１０００〜１／３の範囲で添加する。
【００２５】
〔Ｍ１〕〈セメント系調合材料）
水結合材比：２５％以上８０％以下
骨材成分と結合材の重量比：１．５以下（０を含む）
シリカ分とセメントの重量比：０．５以下（０を含む）
単位水量：２５０〜４５０ｋｇ／ｍ３
高性能ＡＥ減水剤量３０ｋｇ／ｍ３以下
［急硬材］
急硬材とセメントの重量比：１／１０００〜１／３（置換比率０．１％〜２５％）
〔Ｆ１〕（ビニロン繊維）
繊維径：５０μｍ以下
繊維長：５〜２０ｍｍ
繊維引張強度：１５００〜２４００ＭＰａ
【００２６】
ここで、〔Ｍ１〕のセメント系調合材料のうち、結合材としては普通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、早強ポルトランドセメント等を使用することができる。これらポルトランドセメントに加えてシリカ系粉末（人工ポゾラン）を使用することができる。シリカ系粉末としては、シリカフューム、フライアッシュ、各スラグ粉などが適用できる。したがって、前記〔Ｍ１〕において、水結合材≧２５％、骨材成分と結合材比≦１．５と規定する「結合材」とはシリカ系微粉末を含む場合には「ポルトランドセメント＋シリカ系微粉＋急硬材」を意味する。引張り伸び性能を重視するなら、水結合材比は高い程よく、圧縮強度を重視するなら水結合材比は低い方が良い。両者のバランスをとるためには、中間値の４０％以上が良い。
【００２７】
セメントを早期に凝結させる材料には、瞬時に凝結させる吹付用途に使用する急結剤が知られているがそれより凝結開始時間の長い一般に急硬材（剤）と呼ばれる材料で、主成分がカルシウムアルミネートと無水せっこうのものが使用できる。このような急硬材としては、例えば電気化学工業株式会社の商品名「ビフォーム」が高靱性ＦＲＣ材料の早期の強度発現性に優れており、セメント重量比で１／１０００〜１／３の範囲にて配合する。
【００２８】
急硬材の量は圧縮強度の早期発現に関係し、量が増えるほど圧縮強度が大きくなる。圧縮強度が大きくなると高靱性ＦＲＣ材料の特徴である微細なひび割れが入りにくくなるため、急硬材（剤）は１／１０００〜１／３が効果的である。条件を満たす急硬材（剤）の添加量は１５０ｇ／ｍ３〜６００ｋｇ／ｍ３である。
【００２９】
骨材成分としては、最大粒径０．８ｍｍの細粒体を使用するのが好ましく、特に平均粒径が０．４ｍｍ以下のものが良い。この条件を満たす細粒体であれば硅砂や石灰石粉等の任意のものを骨材成分として使用できる。この細粒体と結合材との重量比（Ｓ／Ｃ）が１．５以下となるようにこれらを配合するのが良い。
【００３０】
混和剤としては、高性能ＡＥ減水剤、増粘剤、収縮低減剤などが使用できる。高性能ＡＥ減水剤としては、ポリカルボン酸系、ポリエーテル系、ナフタレン系、メラミン系、アミノスルホン酸系等のものが使用できる。この中でもポリカルボン酸系またはポリエーテル系のものが好ましく、実績もある。増粘剤は公知の水溶性高分子系のものが使用できる。特に微生物醗酵によるバイオサッカライド系の増粘剤の使用が好ましい。収縮低減剤や膨張剤を添加することで乾燥収縮量を小さく抑えることが可能となる。
【００３１】
〔Ｆ１〕の条件を満たすＰＶＡ短繊維としては、ポリビニールアルコール樹脂を原料として製造されたコンクリートと同等以上の弾性係数を有する短繊維であることが好ましい。ＰＶＡ短繊維の配合量が１ＶＯＬ％未満では、ひびわれ発生後の耐力が十分ではない。他方ＰＶＡ短繊維の配合量が３．０ＶＯＬ％を超えるような多量となると、施工上必要な流動性を満たすことが困難となる。単位重量でのＰＶＡ短繊維の配合量としては１３ｋｇ〜３９ｋｇの範囲とすればよい。
【００３２】
〔Ｍ１〕の条件を満たすセメント系調合材料と〔Ｆ１〕の条件を満たすＰＶＡ短繊維とを混練を行い、急硬型の高靱性ＦＲＣを製造する。
【００３３】
例えば、下記（１）〜（４）および（５）の手順を経て練り混ぜを行った場合に、材齢１日から５日間にて、目標とする引張ひずみ０．２％以上のひびわれ分散型の高靱性ＦＲＣ材料が得られることが分かった。
【００３４】
（１）結合材、急硬材、骨材および配合水を練り混ぜる。
ただし施工時間を調整するために（２）と（３）の間や（５）のタイミングで急硬材を添加する。施工条件に応じてさらに凝結遅延剤を添加することで施工時間を確保する。
（２）高性能ＡＥ減水剤を添加して練り混ぜる。
（３）増粘剤を添加して練り混ぜる。
（４）ＰＶＡ短繊維を添加して練り混ぜる。
さらに、必要に応じて
（５）ＡＥ高性能減水剤および急硬材を添加する。
【００３５】
すなわち、ミキサーにまず（１）結合材、急硬材、骨材および配合水を投入して練り混ぜる。このとき急硬材は注水後に急速に硬化が進行するため、必要に応じて凝結遅延剤を使用し施工可能時間を確保したり、急硬材の添加タイミングを練上り直前や繊維投入前に変更することにより施工可能時間を確保する。
【００３６】
手順（２）のＡＥ減水剤は、モルタルを所定の状態にするために添加する。
【００３７】
増粘剤およびＰＶＡ短繊維を添加して混練すれば、繊維が均一に分散した混練物を得ることができる。しかし、増粘剤を添加して混練した後、繊維を添加して混練を行うことがより、望ましい。これは、増粘剤の粘性が繊維の分散に寄与しているためであり、順序が逆の場合には、繊維の分散性が前者より劣るようになる。まず手順（３）により増粘剤を添加して練り混ぜ、ついで、手順（４）によりＰＶＡ繊維を練り混ぜするのがよい。手順（５）は、施工条件に応じて決定される。施工時間をできるだけ長く取るために急硬性の高い材料の急硬材の場合には、繊維を分散させた後添加し、ただちに打込みや吹付け等の施工を行う。手順（５）において投入するＡＥ減水剤は、所定のワーカビリティを得るために添加するもので、必要条件に応じて添加する
【００３８】
凝結遅延剤は施工時間を確保するために添加する。使用量はセメント＋急硬材量に対して重量比０〜５％の範囲で添加する。凝結遅延剤は使用する急硬材により所定の凝結遅延剤を使用する。炭酸カリウム、酒石酸、クエン酸を主成分としたものが使用できる。例えば電気化学工業株式会社製の「Ｄ-３００」が使用できる。凝結遅延剤は急硬材と同時に添加することを基本とする。
【００３９】
以上の手順により、急硬材の影響により、早期に引張ひずみ性能も０．２％以上を発揮する急硬型高靱性ＦＲＣ材料の製造が施工時間を確保しながら可能となる。
【００４０】
施工を行なうには、打込施工と吹付施工のいずれも可能である。施工方法により、確保すべき施工時間が異なる。
【００４１】
本発明の急硬型高靭性ＦＲＣは練上がり後ただちに打込み施工を行う。
【００４２】
吹付施工は主に柱面や壁面等の垂直面、梁底やスラブ底のような見上げ面に適用する。急硬型高靱性ＦＲＣ材料が練上り後ただちに吹付施工を行う。
【００４３】
１日から５日で引張性能を発現する急硬型高靱性ＦＲＣを使用した以上のような施工によって、既存構造物に対してわずかな養生期間にて、高靱性ＦＲＣ材料の優れた性質を活かした補修・補強工法が可能となる。
【００４４】
（試験結果例）
急硬型高靱性ＦＲＣの配合は打ち込み用にセメント量の１／３から１／９９９の量の急硬材を添加したもので下記表２にその配合を示す。製造法の（１）から（４）の手順にて製造したものである。
【００４５】
【表１】
【００４６】
図１に示したものは、表１における急硬材を添加した急硬型高靱性ＦＲＣの材齢1日の引張性能と従来型の高靱性複合材料の引張り性能を比較したものである。この表２は従来型と急硬型のＡ配合、Ｂ配合の引張り性能をの比較を表したものである
【００４７】
【表２】
【００４８】
図１は、図２に示すようなダンベル型の試験片を作製しそれを直接に引張りその時の試験片のひずみと断面にかかる応力を示したものである。
【００４９】
図１のグラフの描く図形とＸ軸とで囲まれた面積が大きいほど変形性能や靱性が高い。引張り性能は降伏点より大きなひずみとなる領域で、引張降伏強度と同じ値に達した点を終局ひずみとし、その大きさが大きいほど引張変形性能に優れていると判断し、その目標値は０．２％以上である。終局ひずみは材齢１日でＡ配合８.２％およびＢ配合７．６％であり、非常に優れた値を示した。
【００５０】
Ａ配合の凝結遅延剤の量を０．２％（対単位セメント量）増量した急硬型高靱性ＦＲＣ材料（以下Ｃ配合とする）とＡ配合の高靱性ＦＲＣ材料の練上り後の経時とその性状をまとめたものが下記表３である。
【００５１】
【表３】
【００５２】
この表３に示すように施工時間を１０分延長することが可能となり、凝結遅延剤での施工時間の確保が可能である。
【００５３】
図３は、従来型の高靱性ＦＲＣとＡ配合の急硬型高靱性ＦＲＣとの凝結始発および終結時間を示した例である。
【００５４】
この図３から知見できるように、従来の高靱性ＦＲＣは添加混和剤が多いため、硬化が遅く１日では脱型ができない場合が多い。従来型の高靱性ＦＲＣでは性能を発現するために十分な養生時間が必要である。
【００５５】
図４、図５、図６は、更に急硬材の添加量を減少させて急硬材の添加量を重量比でセメントに対して１／９９９にしたとき（Ｄ配合）の急硬型の高靱性ＦＲＣと従来型の高靱性ＦＲＣとの性状を比較したものである。
【００５６】
図４は、フレッシュ時の性状としてスランプフローの値と経時変化を示したものである。図５は、Ｄ配合の硬化後の性状として材齢1、２、３日での圧縮試験結果と引張性能の一例を示したものである。材齢1日で引張り降伏強度において大きな差異が認められないが、引張りひずみに対して効果が認められた。また、圧縮強度に対しても効果が認められた。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】急硬型高靱性ＦＲＣの材齢1日の引張性能と従来型の高靱性複合材料の引張り性能を比較したグラフである。
【図２】引張試験方法を示す説明図である。
【図３】従来型の高靱性ＦＲＣとＡ配合の急硬型高靱性ＦＲＣとの凝結始発および終結時間を示したグラフである。表１はＡ配合、Ｂ配合の練上りからの経過時間とその時の材料の性状を表したものである
【図４】急硬材の添加量を減少させて急硬材の添加量を重量比でセメントに対して１／９９９にしたとき（Ｄ配合）の急硬型の高靱性ＦＲＣと従来型の高靱性ＦＲＣとの性状を比較したもので、フレッシュ時の性状としてスランプフローの値と経時変化を示したグラフである。
【図５】急硬材の添加量を減少させて急硬材の添加量を重量比でセメントに対して１／９９９にしたとき（Ｄ配合）の急硬型の高靱性ＦＲＣと従来型の高靱性ＦＲＣとの性状を比較したもので、材齢1、２、３日での圧縮試験結果を示すグラフである。
【図６】急硬材の添加量を減少させて急硬材の添加量を重量比でセメントに対して１／９９９にしたとき（Ｄ配合）の急硬型の高靱性ＦＲＣと従来型の高靱性ＦＲＣとの性状を比較したもので、材齢１日での引張性能を示したグラフである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セメント系調合材料にＰＶＡの短繊維を配合し、引張試験において０．２％以上の引張ひずみを示すひびわれ分散型の高靱性ＦＲＣ材料において、使用するセメントに対して、カルシウムアルミネートと無水せっこうを主成分とする急硬材を重量比で１／１０００〜１／３を加え、材齢１日〜５日にて引張ひずみが前記引張試験において０．２％以上という前記所要値を満たすこととしたことを特徴とする急硬型高靭性ＦＲＣ材料。
【請求項２】
セメント系調合材料にＰＶＡの短繊維を配合し、引張試験において０．２％以上の引張ひずみを示すひびわれ分散型の高靱性ＦＲＣ材料において、使用するセメントに対して、カルシウムアルミネートと無水せっこうを主成分とする急硬材を重量比で１／１０００〜１／３を添加するに際し、ミキサーに、まず、結合材、骨材、急硬材とともに凝結遅延剤および配合水を投入して練り混ぜること、または、ミキサーに、まず、結合材、骨材および配合水を投入して練り混ぜ、その後、練上り直前や繊維投入前に急硬材を添加とすることを特徴とする急硬型高靭性ＦＲＣ材料の製造方法。
【請求項３】
セメント系調合材料にＰＶＡの短繊維を配合し、引張試験において０．２％以上の引張ひずみを示すひびわれ分散型の高靱性ＦＲＣ材料において、使用するセメントに対して、カルシウムアルミネートと無水せっこうを主成分とする急硬材を重量比で１／１０００〜１／３を添加し急硬材とともに凝結遅延剤を添加することを特徴とする急硬型高靭性ＦＲＣ材料の調合方法。
【請求項１】
セメント系調合材料にＰＶＡの短繊維を配合し、引張試験において０．２％以上の引張ひずみを示すひびわれ分散型の高靱性ＦＲＣ材料において、使用するセメントに対して、カルシウムアルミネートと無水せっこうを主成分とする急硬材を重量比で１／１０００〜１／３を加え、材齢１日〜５日にて引張ひずみが前記引張試験において０．２％以上という前記所要値を満たすこととしたことを特徴とする急硬型高靭性ＦＲＣ材料。
【請求項２】
セメント系調合材料にＰＶＡの短繊維を配合し、引張試験において０．２％以上の引張ひずみを示すひびわれ分散型の高靱性ＦＲＣ材料において、使用するセメントに対して、カルシウムアルミネートと無水せっこうを主成分とする急硬材を重量比で１／１０００〜１／３を添加するに際し、ミキサーに、まず、結合材、骨材、急硬材とともに凝結遅延剤および配合水を投入して練り混ぜること、または、ミキサーに、まず、結合材、骨材および配合水を投入して練り混ぜ、その後、練上り直前や繊維投入前に急硬材を添加とすることを特徴とする急硬型高靭性ＦＲＣ材料の製造方法。
【請求項３】
セメント系調合材料にＰＶＡの短繊維を配合し、引張試験において０．２％以上の引張ひずみを示すひびわれ分散型の高靱性ＦＲＣ材料において、使用するセメントに対して、カルシウムアルミネートと無水せっこうを主成分とする急硬材を重量比で１／１０００〜１／３を添加し急硬材とともに凝結遅延剤を添加することを特徴とする急硬型高靭性ＦＲＣ材料の調合方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００７−６３１０３（Ｐ２００７−６３１０３Ａ）
【公開日】平成１９年３月１５日（２００７．３．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２５４８７１（Ｐ２００５−２５４８７１）
【出願日】平成１７年９月２日（２００５．９．２）
【出願人】（０００００１３７３）鹿島建設株式会社 (1,387)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年３月１５日（２００７．３．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年９月２日（２００５．９．２）
【出願人】（０００００１３７３）鹿島建設株式会社 (1,387)
【Ｆターム（参考）】
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