高強度組成物補強用鋼繊維
【課題】高強度組成物に配合した場合、飛躍的に高い曲げ強度や引張強度を付与することができる鋼繊維を提供する。
【解決手段】繊維直径が０.０５mm〜０.５mm、繊維長さが繊維のアスペクト比(繊維長／繊維直径)で３０〜１５０であり、表面に繊維直径の０.１倍以上の突起ないし窪みを有しない螺旋形状であって、螺旋形状の振幅が繊維直径の０.３〜３倍であり、螺旋形状の周期が繊維長さの０.１〜０.５倍であり、ヤング率１５０GPa以上、引張強度１GPa以上であることを特徴とする高強度組成物補強用鋼繊維。
【解決手段】繊維直径が０.０５mm〜０.５mm、繊維長さが繊維のアスペクト比(繊維長／繊維直径)で３０〜１５０であり、表面に繊維直径の０.１倍以上の突起ないし窪みを有しない螺旋形状であって、螺旋形状の振幅が繊維直径の０.３〜３倍であり、螺旋形状の周期が繊維長さの０.１〜０.５倍であり、ヤング率１５０GPa以上、引張強度１GPa以上であることを特徴とする高強度組成物補強用鋼繊維。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高強度のコンクリートやモルタルなどに混合され、これを補強する鋼繊維に関する。より詳細には、圧縮強度１５０MPa以上の高強度コンクリートや高強度モルタルを補強する鋼繊維に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
コンクリートの曲げや引張に対する強度、およびこれらに対する粘り強さを高める目的で、コンクリートに繊維を混入させた繊維補強コンクリートが知られている。この補強用繊維には鋼や合成樹脂あるいはガラスなどの繊維を短く切断したものが一般に用いられている。この場合、コンクリートのひび割れに対する強度を高めるには、補強用繊維のヤング率がコンクリートマトリックスのヤング率よりも大きいものが効果的であるので、補強用繊維としてはヤング率の大きい炭素繊維、鋼繊維、ガラス繊維、などが適する。これらの繊維のうち鋼繊維は比較的安価であり、普通強度のコンクリートの強化用繊維として実用化しつつある。
【０００３】
繊維によるコンクリートの補強効果は、繊維とコンクリートマトリックスの付着強度に大きく影響を受ける。鋼繊維を補強用繊維として用いた場合、繊維の引張強度よりも付着強度が小さいため、付着強度を向上させるべく、繊維断面を一定の間隔で変形させたインデントや、繊維全体あるいは端部を折り曲げた形状にするなどの工夫が従来なされている。
【０００４】
しかし、高強度のコンクリートやモルタル、例えば圧縮強度が１５０MPa以上のコンクリートやモルタルでは、既存の鋼繊維を使用すると十分な補強効果が得られない問題がある。すなわち、未硬化の高強度組成物マトリックスの流動性が高い場合には、既存の鋼繊維は一般に繊維径が太く、繊維長さも比較的長いので鋼繊維がマトリックス中で沈降しやすい。また、繊維に大きく折り曲げなどの加工が施されているものは混練時に繊維どうしが絡みあうためマトリックス中に均一に分散し難い。さらに、硬化した高強度組成物はマトリックスが密実堅牢なので、従来のインデントや折り曲げ加工が施された鋼繊維は大きな負荷が加わったときに繊維表面とマトリックスとの界面の滑りが抑制されるために鋼繊維が破断してしまうなどの問題がある。このように、既存の鋼繊維を配合した高強度組成物は、繊維の補強効果が十分ではないため、曲げ強度や引張強度は必ずしも飛躍的には向上しない。
【０００５】
なお、従来、下記特許文献１〜５に記載された補強材が知られているが、特許文献１の補強繊維は波形であり、螺旋形繊維とは異なる。特許文献２には螺旋形の補強繊維が記載されているが、この螺旋形は繊維直径および螺旋の振幅が本発明とは大きく異なる。特許文献３には、補強材として螺旋状の金属切子が例示されているが、螺旋形状のものではない。特許文献４の補強繊維は波形であり、螺旋形繊維とは異なる。特許文献５には補強繊維としてステンレススチールファイバーが記載されているが、螺旋形ではない。従って、特許文献１〜５に記載されている補強材は何れも本発明のような効果を得ることができない。
【特許文献１】特公平０４−０４２３４７号公報
【特許文献２】特開平０１−１２２９４２号公報
【特許文献３】特開昭５２−０３３９１９号公報
【特許文献４】特開平０７−０５３２４７号公報
【特許文献５】特開昭６３−２９５４５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、高強度組成物に用いる補強用繊維について、このような従来の問題を解決したものであり、高強度組成物に配合した場合、飛躍的に高い曲げ強度や引張強度を付与することができる鋼繊維を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、繊維直径が０.０５mm〜０.５mm、繊維長さが繊維のアスペクト比(繊維長／繊維直径)で３０〜１５０であり、表面に繊維直径の０.１倍以上の突起ないし窪みを有しない螺旋形状であって、螺旋形状の振幅が繊維直径の０.３〜３倍であり、螺旋形状の周期が繊維長さの０.１〜０.５倍であり、ヤング率１５０GPa以上、引張強度１GPa以上であることを特徴とする高強度組成物補強用鋼繊維である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の補強用鋼繊維は、高強度コンクリート等の高強度組成物に対して優れた補強効果を発揮するものであり、その組成物の高い圧縮強度に加えて飛躍的に高い曲げ強度や引張強度を付与することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明を実施形態に即して詳細に説明する。
コンクリートに短繊維を混入して曲げや引張に対する強度を補強する場合、混入する補強用繊維の形状や混入量、補強用繊維のヤング率や引張強度などの機械的特性、およびマトリックスの機械的特性はもとより、補強用繊維とマトリックスとの付着強度などの界面特性の制御が重要である。
【００１０】
これは、マトリックスに亀裂が生じていない場合でも補強用繊維が荷重を負担し、その負担の割合は、マトリックスと補強用繊維のヤング率の比に支配されるからである。この時、補強用繊維の強度や補強用繊維とマトリックスとの付着強度に関連して補強用繊維の荷重負担の限界が決定される。すなわち、補強用繊維の強度が付着強度に比べて小さいと補強用繊維が破断し、また付着強度が小さいと補強用繊維とマトリックスとの界面が剥離や滑りを生じ、何れの場合も結果的に補強用繊維の荷重負担が減少するからである。
【００１１】
一方、マトリックスに亀裂が生じた場合には、荷重は亀裂部分を橋渡ししている繊維のみが負担することになるため、同様に、繊維強度やマトリックスとの付着強度に関連して補強用繊維の荷重負担の限界が決定される。
【００１２】
従って、コンクリートやモルタルなどの流動性に富む高強度組成物を補強し、その高い圧縮強度に加えて飛躍的に高い曲げ強度や引張強度を得るには、マトリックスの機械的特性とよく合致する機械的特性の補強用繊維を選定すると共にその補強用繊維とマトリックスとの界面特性の最適化を図ることが不可欠である。
【００１３】
このためには、補強用繊維としては炭素鋼製あるいはステンレス鋼製の鋼繊維が適している。鋼繊維のヤング率は１５０GPa以上のものが望ましい。また鋼繊維の引張強度は１GPa以上のものが望ましく、１.５GPa以上のものがさらに望ましい。鋼繊維のヤング率が１５０GPa未満ではコンクリートマトリックスのヤング率に近づくため、繊維の荷重分担が減り、高強度組成物のひび割れ荷重を高めることができない。
【００１４】
鋼繊維の直径は０.０５mm〜０.５mmが望ましい。この直径が０.０５mm未満では混練時に繊維どうしが干渉して塊状になりやすい。また、鋼繊維の直径が０.５mmより大きいと、高強度組成物が硬化するまでの間に繊維が沈降しやすい。このため何れの場合も高強度組成物中に配合した鋼繊維の分散が均一にならないので、十分な補強効果が得られない。
【００１５】
鋼繊維の長さは、そのアスペクト比（繊維長／繊維直径）が３０〜２００のものが望ましい。なお、アスベクト比が５０〜１５０であれば、混練時の流動性の低下も殆ど無く、繊維混入量を比較的大きくでき、その結果、十分な補強効果が得られるのでさらに望ましい。一方、鋼繊維のアスペクト比が３０未満では、亀裂の開口が広がる際に、亀裂箇所を橋渡ししている鋼繊維が引抜けやすく、繊維の補強効果が低下するので望ましくない。また、鋼繊維のアスペクト比が２００を越えると混練時に流動性が低下するので、型枠に流し込むなどの作業性が劣るばかりでなく、気泡も抜け難くなる。因みに、繊維混入量を減少すれば流動性の低下は抑えられるが、繊維量が少ないので繊維が負担する荷重が小さくなり、やはり繊維補強した高強度組成物の強度は低下するので望ましくない。
【００１６】
鋼繊維の表面は繊維直径の０.１倍以上の突起や窪みが無く、滑らかであることが望ましい。繊維直径の０.１倍以上の突起や窪みが無ければ、コンクリートの亀裂箇所を橋渡ししている鋼繊維とコンクリートマトリックスとの界面が剥離した後も、鋼繊維とマトリックスとの相対的な移動が拘束されないため鋼繊維が破断し難くなり、高強度組成物を高靭化できる。一方、繊維直径の０.１倍を越える突起や窪みがあると、鋼繊維とマトリックスとの付着強度のピーク値は大きくなるが、鋼繊維とマトリックスとの滑りが抑制されるため、繊維の破断やマトリックスの破壊を生じやすくなり、従って、コンクリートに亀裂が生じると直ちに亀裂箇所を橋渡ししている鋼繊維の付着力が急減する。この結果、高強度組成物の脆性的な破壊を生じるようになる。
【００１７】
本発明の鋼繊維は螺旋形状のものである。螺旋形状のものは、亀裂を橋渡ししている鋼繊維とマトリックスとの界面が剥離した場合にも、鋼繊維とマトリックスとの相対的な移動時に適切な摩擦力を鋼繊維とマトリックスとの界面に生じ、結果として繊維補強した高強度組成物の靱性を高めることができる。
【００１８】
本発明に係る螺旋形状の鋼繊維について、螺旋の振幅は繊維直径の０.３〜３倍であることが望ましい。螺旋の振幅が繊維直径の０.３倍未満では繊維とマトリックスとの相対移動時に発生する摩擦力が小さくなるので好ましくない。一方、この振幅が繊維直径の３倍を越えると高強度組成物の混練時に繊維が絡み合うので、繊維を均一に分散し難い。
【００１９】
また、本発明に係る螺旋形状の鋼繊維について、螺旋の周期は繊維長さの０.１〜０.５倍であることが望ましい。この周期が繊維長さの０.５倍を越えると、繊維とマトリックスとの相対移動時に繊維に十分な抗力が作用せず、繊維とマトリックスとの界面に発生する摩擦力は急減する。また、この周期が繊維長さの０.１倍未満であると摩擦力が大きくなり過ぎて繊維とマトリックスとの相対的な移動を拘束するようになる。これらの結果として、鋼繊維による十分な補強効果が得られず、繊維補強した高強度組成物は脆性的な破壊をするようになるので、何れも望ましくない。なお、螺旋の振幅または周期は繊維中心を基準としたものである。
【実施例】
【００２０】
以下、本発明を実施例によって具体的に示す。なお、本発明はこれらの実施例に限定されない。
【００２１】
〔実施例１〕
マトリックスとなる高強度組成物(高強度コンクリート)の原料として、中庸熱セメント２２４６ｇ、シリカフューム２５０ｇ、砂(山形県産の珪砂:４号)１８８０ｇ、および混和剤(ポリカルボン酸系高性能減水剤６２.４ｇおよび消泡剤０.６ｇ)を含む水４５０gを秤量した。また、鋼製の繊維を用意した。この鋼繊維は直径０.０５mm、アスペクト比１２０(長さ６mm)、顕微鏡で評価した表面凹凸は０.００５mmの螺旋状のものであり、螺旋の形状は振幅０.１mm(繊維直径の２倍)および周期２.４mm(繊維長さの０.４倍)であって、繊維の引張強度およびヤング率はそれぞれ２GPaおよび２００GPaである。この繊維３１６ｇを秤量した。なお、このコンクリートに対する繊維混入率は２体積％である。
【００２２】
秤量した原料をホバート型ミキサを用いて混練した。水、セメントとシリカフュームを予め混合させたものを混練し、次ぎに砂、繊維を投入して試料を作製した。この試料は、曲げ強度測定用の供試体を作製するため、縦１６０mm×横４０mm×深さ４０mmの型枠に流し込んで成型した。また、引張強度測定用の供試体を作製するため、縦３００mm×横５０mm×深さ１０mmの型枠に試料を流し込みんで成型した。この成型２４時間後、脱型し、引き続き、８０℃、４８時間の蒸気養生を行い、供試体を得た。
【００２３】
この供試体について、曲げ強度の測定は、インストロン型試験機を用い、下部支点間距離120mmとして三点曲げ試験を行い、その荷重の最大値から算出した。また引張強度の測定は、供誠体の両端にアルミニウム板(５０mm角、１.５mm厚)をエポキシ樹脂で固着した後、インストロン型試験機を用いて一軸引張試験を行い、その荷重の最大値から引張強度を算出した。何れの試験においても、試験速度はクロスヘッド速度０.５mm/minとした。
【００２４】
また、混練直後の試料の流動性を評価するフロー値は、水平な３５０mm角のガラス板上に置いたJISモルタル用のリングに試料を流し込み、リング上端を擦り切り後、リングを静かに引き上げ、流れ出た試料が静止した時の長径とそれに直交する径を測定し、両者の平均値をフロー値とした。その結果、フロー値は２３０mmと良好な流動性を示し、また三点曲げ強度は５０MPa、一軸引張強度は２０MPaと極めて高い値であった。
【００２５】
〔実施例２〕
使用した鋼繊維が直径０.５mm、アスペクト比５０(長さ２５mm)の螺旋形繊維であり、螺旋の振幅１mm(直径の２倍)、螺旋の周期５mm(長さの０.２倍)、繊維の混合量５５４g(繊維混入率３.５体積％)、砂の配合量１８０２ｇとした以外は実施例１と同様にして、そのフロー値、三点曲げ強度および一軸引張強度を測定した。これらの結果、フロー値２５０mm、三点曲げ強度４５MPa、一軸引張強度２０MPaであり、何れも良好な値を示した。
【００２６】
〔参考例１〕
使用した鋼繊維が直径０.１mm、アスペクト比２００(長さ２０mm)の波形繊維であり、波形の振幅０.２mm(直径の２倍)、波形の周期６mm(長さの０.３倍)、繊維の混合量１５８g(繊維混入率１体積％)、砂の配合量１９３５ｇとした以外は実施例１と同様にしてそのフロー値、三点曲げ強度および一軸引張強度を測定した。これらの結果、フロー値２４０mm、三点曲げ強度４５MPa、一軸引張強度２０MPaであり、何れも良好な値を示した。
【００２７】
〔実施例３〕
使用した鋼繊維が直径０.３mm、アスペクト比３０(長さ９mm)の螺旋形繊維であり、螺旋の振幅０.６mm(直径の２倍)、螺旋の周期１.８mm(長さの０.２倍)、繊維の混合量１２６４g(繊維混入率８体積％)、砂の配合量１５６４ｇとした以外は実施例１と同様にして、そのフロー値、三点曲げ強度および一軸引張強度を測定した。これらの結果、フロー値２３０mm、三点曲げ強度４２MPa、一軸引張強度１８MPaであり、何れも良好な値を示した。
【００２８】
〔参考例２〕
使用した鋼繊維が直径０.４mm、アスペクト比５０(長さ20mm)の波形繊維であり、波形の振幅０.４mm(直径の１倍)、波形の周期５mm(長さの０.２５倍)、繊維の表面凹凸０.０４mm、繊維の混合量７９０g(繊維混入率５体積％)、砂の配合量１７２２ｇとした以外は実施例１と同様にして、そのフロー値、三点曲げ強度および一軸引張強度を測定した。これらの結果、フロー値２３５mm、三点曲げ強度４０MPa、一軸引張強度１８MPaであり、何れも良好な値を示した。
【００２９】
〔実施例４〕
使用した鋼繊維が直径０.１mm、アスペクト比１５０(長さ15mm)の螺旋形繊維であり、螺旋の振幅０.０３mm(直径の０.３倍)、螺旋の周期３mm(長さの０.２倍)とした以外は実施例１と同様にして、そのフロー値、三点曲げ強度および一軸引張強度を測定した。これらの結果、フロー値２３０mm、三点曲げ強度４５MPa、一軸引張強度１７MPaであり、何れも良好な値を示した。
【００３０】
〔実施例５〕
使用した鋼繊維が直径０.３mm、アスペクト比４０(長さ１２mm)の螺旋形繊維であり、螺旋の振幅０.９mm（直径の３倍）、螺旋の周期１.８mm（長さの０.１５倍）、繊維の混合量７９０g(繊維混入率５体積％)、砂の配合量１７２２ｇとした以外は実施例１と同様にして、そのフロー値、三点曲げ強度および一軸引張強度を測定した。これらの結果、フロー値２３０mm、三点曲げ強度４１MPa、一軸引張強度１９MPaであり、何れも良好な値を示した。
【００３１】
〔実施例６〕
使用した鋼繊維が直径０.１mm、アスペクト比８０(長さ８mm)の螺旋形繊維であり、螺旋の振幅０.１mm(直径の１倍)、螺旋の周期０.８mm(長さの0.1倍)、繊維の表面凹凸０.０１mm、繊維の混合量５５４g(繊維混入率3.5体積％)、砂の配合量１８０２ｇとした以外は実施例１と同様にして、そのフロー値、三点曲げ強度および一軸引張強度を測定した。これらの結果、フロー値２４０mm、三点曲げ強度５８MPa、一軸引張強度２３MPaであり、何れも良好な値を示した。
【００３２】
〔実施例７〕
使用した鋼繊維が直径０.２mm、アスペクト比８０(長さ１６mm)の螺旋形繊維であり、螺旋の振幅０.２mm(直径の１倍)、螺旋の周期８mm(長さの０.５倍)、繊維の表面凹凸０.０１mm、繊維の混合量５５４g(繊維混入率3.5体積％)、砂の配合量１８０２ｇとした以外は実施例１と同様にして、そのフロー値、三点曲げ強度および一軸引張強度を測定した。これらの結果、フロー値２５０mm、三点曲げ強度４５MPa、一軸引張強度２０MPaであり、何れも良好な値を示した。
【００３３】
〔比較例１〕
使用した鋼繊維が直径０.０２mmの螺旋形繊維であり、螺旋の振幅０.０４mm（直径の２倍）、螺旋の周期０.９６mm（長さの０.４倍）、表面の凹凸が０.００２mmとした以外は実施例１と同様にしてそのフロー値、三点曲げ強度および一軸引張強度を測定した。この結果、繊維が細すぎたので、実施例１と比較すると脆性的な破断を示し、三点曲げ強度は１６MPa、一軸引張強度は７.２MPaと劣り、フロー値も１８０mmと流動性が低くかった。
【００３４】
〔比較例２〕
使用した鋼繊維が直径０.６mmの螺旋形繊維であり、螺旋の振幅１.２mm(直径の２倍)、螺旋の周期６mm(長さの０.２倍)とした以外は実施例２と同様にしてそのフロー値、三点曲げ強度および一軸引張強度を測定した。この結果、フロー値は２４０mmであり、流動性は低下しなかったが、繊維が太すぎたので、実施例２と比較すると脆性的な破断を示し、三点曲げ強度は２１MPa、一軸引張強度は８.３MPaと劣った。
【００３５】
〔比較例３〕
使用した繊維をアスペクト比２４０(長さ２４mm)とし、それに伴い波形の周期７.２mm(長さの０.３倍)とした以外は参考例１と同様にしてそのフロー値、三点曲げ強度および一軸引張強度を測定した。この結果、繊維が長すぎたためフロー値は１７０mmとなり流動性が低下し、成型時の作業性にも劣った。また、三点曲げ強度は２０MPa、一軸引張強度は９.３MPaであり、実施例３と比較すると劣るものとなった。
【００３６】
〔比較例４〕
使用した繊維をアスペクト比２０(長さ６mm)とし、それに伴い螺旋の周期１.２mm(長さの０.２倍)とした以外は、実施例３と同様にして、そのフロー値、三点曲げ強度および一軸引張強度を測定した。この結果、フロー値は２３５mmであり、流動性は低下しないが、繊維が短すぎるので供試体が脆性的な破断を示した。この供試体の三点曲げ強度は２２MPa、一軸引張強度は８.５MPaであり、実施例４と比較すると劣るものとなった。
【００３７】
〔比較例５〕
使用した繊維が表面凹凸０.１mmのインデント加工したものを用いた以外は参考例２と同様にしてフロー値、三点曲げ強度および一軸引張強度を測定した。この結果、繊維どうしの絡みが顕著であるためフロー値は２００mmとなり、流動性が低下した。また強度試験中、繊維が引き抜ける時にマトリクスを破壊する傾向があるため供試体は脆性的な破断を示した。この供試体の三点曲げ強度は２２MPa、一軸引張強度は８.８MPaであり、実施例５と比較すると劣るものとなった。
【００３８】
〔比較例６〕
使用した繊維を螺旋や波形のない直線状のものにした以外は実施例４と同様にして、そのフロー値、三点曲げ強度および一軸引張強度を測定した。この結果、フロー値は２２０mmとなり、混練後の試料の流動性は低下しなかったが、強度試験においては、繊維の付着強度が不足するためか、三点曲げ強度は２１MPa、一軸引張強度は９.１MPaであり、実施例６と比較して低かった。
【００３９】
〔比較例７〕
使用した繊維を螺旋の振幅１.２mm(直径の４倍)とした以外は実施例５と同様にして、そのフロー値、三点曲げ強度および一軸引張強度を測定した。この結果、繊維どうしの絡みが顕著なためフロー値は１７０mmとなり、流動性の低下が顕著であった。また強度試験中、繊維が引き抜ける際にマトリクスを破壊する傾向があるため供試体の強度は低く脆性的な破断を示した。強度の測定結果は、三点曲げ強度２０MPa、一軸引張強度８.４MPaであり、実施例７と比較すると劣るものとなった。
【００４０】
〔比較例８〕
使用した繊維を螺旋の周期０.６４mm(長さの0.08倍)とした以外は実施例６と同様にして、そのフロー値、三点曲げ強度および一軸引張強度を測定した。この結果、繊維どうしの絡みが顕著なため、混練作業もやや困難であり、フロー値は１７０mmとなり流動性の低下が顕著であった。また、強度試験では、繊維が引き抜ける際にマトリクスを破壊する傾向があるため供試体の強度は低く、脆性的な破断を示した。強度の測定結果は、三点曲げ強度１６MPa、一軸引張強度６.９MPaであり、実施例８と比較すると劣るものとなった。
【００４１】
〔比較例９〕
使用した繊維を螺旋の周期９.６mm（長さの０.６倍）とした以外は実施例７と同様にして、フロー値、三点曲げ強度および一軸引張強度を測定した。この結果、フロー値は２５０mmであり試料の流動性は低下しないが、強度試験においては、繊維の付着強度が不足するためか、三点曲げ強度２１MPa、一軸引張強度８.７MPaであり、実施例９と比較して低かった。
【００４２】
上記実施例１〜７、参考例１、２、および比較例１〜９の結果を表１に示した。
【００４３】
【表１】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高強度のコンクリートやモルタルなどに混合され、これを補強する鋼繊維に関する。より詳細には、圧縮強度１５０MPa以上の高強度コンクリートや高強度モルタルを補強する鋼繊維に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
コンクリートの曲げや引張に対する強度、およびこれらに対する粘り強さを高める目的で、コンクリートに繊維を混入させた繊維補強コンクリートが知られている。この補強用繊維には鋼や合成樹脂あるいはガラスなどの繊維を短く切断したものが一般に用いられている。この場合、コンクリートのひび割れに対する強度を高めるには、補強用繊維のヤング率がコンクリートマトリックスのヤング率よりも大きいものが効果的であるので、補強用繊維としてはヤング率の大きい炭素繊維、鋼繊維、ガラス繊維、などが適する。これらの繊維のうち鋼繊維は比較的安価であり、普通強度のコンクリートの強化用繊維として実用化しつつある。
【０００３】
繊維によるコンクリートの補強効果は、繊維とコンクリートマトリックスの付着強度に大きく影響を受ける。鋼繊維を補強用繊維として用いた場合、繊維の引張強度よりも付着強度が小さいため、付着強度を向上させるべく、繊維断面を一定の間隔で変形させたインデントや、繊維全体あるいは端部を折り曲げた形状にするなどの工夫が従来なされている。
【０００４】
しかし、高強度のコンクリートやモルタル、例えば圧縮強度が１５０MPa以上のコンクリートやモルタルでは、既存の鋼繊維を使用すると十分な補強効果が得られない問題がある。すなわち、未硬化の高強度組成物マトリックスの流動性が高い場合には、既存の鋼繊維は一般に繊維径が太く、繊維長さも比較的長いので鋼繊維がマトリックス中で沈降しやすい。また、繊維に大きく折り曲げなどの加工が施されているものは混練時に繊維どうしが絡みあうためマトリックス中に均一に分散し難い。さらに、硬化した高強度組成物はマトリックスが密実堅牢なので、従来のインデントや折り曲げ加工が施された鋼繊維は大きな負荷が加わったときに繊維表面とマトリックスとの界面の滑りが抑制されるために鋼繊維が破断してしまうなどの問題がある。このように、既存の鋼繊維を配合した高強度組成物は、繊維の補強効果が十分ではないため、曲げ強度や引張強度は必ずしも飛躍的には向上しない。
【０００５】
なお、従来、下記特許文献１〜５に記載された補強材が知られているが、特許文献１の補強繊維は波形であり、螺旋形繊維とは異なる。特許文献２には螺旋形の補強繊維が記載されているが、この螺旋形は繊維直径および螺旋の振幅が本発明とは大きく異なる。特許文献３には、補強材として螺旋状の金属切子が例示されているが、螺旋形状のものではない。特許文献４の補強繊維は波形であり、螺旋形繊維とは異なる。特許文献５には補強繊維としてステンレススチールファイバーが記載されているが、螺旋形ではない。従って、特許文献１〜５に記載されている補強材は何れも本発明のような効果を得ることができない。
【特許文献１】特公平０４−０４２３４７号公報
【特許文献２】特開平０１−１２２９４２号公報
【特許文献３】特開昭５２−０３３９１９号公報
【特許文献４】特開平０７−０５３２４７号公報
【特許文献５】特開昭６３−２９５４５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、高強度組成物に用いる補強用繊維について、このような従来の問題を解決したものであり、高強度組成物に配合した場合、飛躍的に高い曲げ強度や引張強度を付与することができる鋼繊維を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、繊維直径が０.０５mm〜０.５mm、繊維長さが繊維のアスペクト比(繊維長／繊維直径)で３０〜１５０であり、表面に繊維直径の０.１倍以上の突起ないし窪みを有しない螺旋形状であって、螺旋形状の振幅が繊維直径の０.３〜３倍であり、螺旋形状の周期が繊維長さの０.１〜０.５倍であり、ヤング率１５０GPa以上、引張強度１GPa以上であることを特徴とする高強度組成物補強用鋼繊維である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の補強用鋼繊維は、高強度コンクリート等の高強度組成物に対して優れた補強効果を発揮するものであり、その組成物の高い圧縮強度に加えて飛躍的に高い曲げ強度や引張強度を付与することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明を実施形態に即して詳細に説明する。
コンクリートに短繊維を混入して曲げや引張に対する強度を補強する場合、混入する補強用繊維の形状や混入量、補強用繊維のヤング率や引張強度などの機械的特性、およびマトリックスの機械的特性はもとより、補強用繊維とマトリックスとの付着強度などの界面特性の制御が重要である。
【００１０】
これは、マトリックスに亀裂が生じていない場合でも補強用繊維が荷重を負担し、その負担の割合は、マトリックスと補強用繊維のヤング率の比に支配されるからである。この時、補強用繊維の強度や補強用繊維とマトリックスとの付着強度に関連して補強用繊維の荷重負担の限界が決定される。すなわち、補強用繊維の強度が付着強度に比べて小さいと補強用繊維が破断し、また付着強度が小さいと補強用繊維とマトリックスとの界面が剥離や滑りを生じ、何れの場合も結果的に補強用繊維の荷重負担が減少するからである。
【００１１】
一方、マトリックスに亀裂が生じた場合には、荷重は亀裂部分を橋渡ししている繊維のみが負担することになるため、同様に、繊維強度やマトリックスとの付着強度に関連して補強用繊維の荷重負担の限界が決定される。
【００１２】
従って、コンクリートやモルタルなどの流動性に富む高強度組成物を補強し、その高い圧縮強度に加えて飛躍的に高い曲げ強度や引張強度を得るには、マトリックスの機械的特性とよく合致する機械的特性の補強用繊維を選定すると共にその補強用繊維とマトリックスとの界面特性の最適化を図ることが不可欠である。
【００１３】
このためには、補強用繊維としては炭素鋼製あるいはステンレス鋼製の鋼繊維が適している。鋼繊維のヤング率は１５０GPa以上のものが望ましい。また鋼繊維の引張強度は１GPa以上のものが望ましく、１.５GPa以上のものがさらに望ましい。鋼繊維のヤング率が１５０GPa未満ではコンクリートマトリックスのヤング率に近づくため、繊維の荷重分担が減り、高強度組成物のひび割れ荷重を高めることができない。
【００１４】
鋼繊維の直径は０.０５mm〜０.５mmが望ましい。この直径が０.０５mm未満では混練時に繊維どうしが干渉して塊状になりやすい。また、鋼繊維の直径が０.５mmより大きいと、高強度組成物が硬化するまでの間に繊維が沈降しやすい。このため何れの場合も高強度組成物中に配合した鋼繊維の分散が均一にならないので、十分な補強効果が得られない。
【００１５】
鋼繊維の長さは、そのアスペクト比（繊維長／繊維直径）が３０〜２００のものが望ましい。なお、アスベクト比が５０〜１５０であれば、混練時の流動性の低下も殆ど無く、繊維混入量を比較的大きくでき、その結果、十分な補強効果が得られるのでさらに望ましい。一方、鋼繊維のアスペクト比が３０未満では、亀裂の開口が広がる際に、亀裂箇所を橋渡ししている鋼繊維が引抜けやすく、繊維の補強効果が低下するので望ましくない。また、鋼繊維のアスペクト比が２００を越えると混練時に流動性が低下するので、型枠に流し込むなどの作業性が劣るばかりでなく、気泡も抜け難くなる。因みに、繊維混入量を減少すれば流動性の低下は抑えられるが、繊維量が少ないので繊維が負担する荷重が小さくなり、やはり繊維補強した高強度組成物の強度は低下するので望ましくない。
【００１６】
鋼繊維の表面は繊維直径の０.１倍以上の突起や窪みが無く、滑らかであることが望ましい。繊維直径の０.１倍以上の突起や窪みが無ければ、コンクリートの亀裂箇所を橋渡ししている鋼繊維とコンクリートマトリックスとの界面が剥離した後も、鋼繊維とマトリックスとの相対的な移動が拘束されないため鋼繊維が破断し難くなり、高強度組成物を高靭化できる。一方、繊維直径の０.１倍を越える突起や窪みがあると、鋼繊維とマトリックスとの付着強度のピーク値は大きくなるが、鋼繊維とマトリックスとの滑りが抑制されるため、繊維の破断やマトリックスの破壊を生じやすくなり、従って、コンクリートに亀裂が生じると直ちに亀裂箇所を橋渡ししている鋼繊維の付着力が急減する。この結果、高強度組成物の脆性的な破壊を生じるようになる。
【００１７】
本発明の鋼繊維は螺旋形状のものである。螺旋形状のものは、亀裂を橋渡ししている鋼繊維とマトリックスとの界面が剥離した場合にも、鋼繊維とマトリックスとの相対的な移動時に適切な摩擦力を鋼繊維とマトリックスとの界面に生じ、結果として繊維補強した高強度組成物の靱性を高めることができる。
【００１８】
本発明に係る螺旋形状の鋼繊維について、螺旋の振幅は繊維直径の０.３〜３倍であることが望ましい。螺旋の振幅が繊維直径の０.３倍未満では繊維とマトリックスとの相対移動時に発生する摩擦力が小さくなるので好ましくない。一方、この振幅が繊維直径の３倍を越えると高強度組成物の混練時に繊維が絡み合うので、繊維を均一に分散し難い。
【００１９】
また、本発明に係る螺旋形状の鋼繊維について、螺旋の周期は繊維長さの０.１〜０.５倍であることが望ましい。この周期が繊維長さの０.５倍を越えると、繊維とマトリックスとの相対移動時に繊維に十分な抗力が作用せず、繊維とマトリックスとの界面に発生する摩擦力は急減する。また、この周期が繊維長さの０.１倍未満であると摩擦力が大きくなり過ぎて繊維とマトリックスとの相対的な移動を拘束するようになる。これらの結果として、鋼繊維による十分な補強効果が得られず、繊維補強した高強度組成物は脆性的な破壊をするようになるので、何れも望ましくない。なお、螺旋の振幅または周期は繊維中心を基準としたものである。
【実施例】
【００２０】
以下、本発明を実施例によって具体的に示す。なお、本発明はこれらの実施例に限定されない。
【００２１】
〔実施例１〕
マトリックスとなる高強度組成物(高強度コンクリート)の原料として、中庸熱セメント２２４６ｇ、シリカフューム２５０ｇ、砂(山形県産の珪砂:４号)１８８０ｇ、および混和剤(ポリカルボン酸系高性能減水剤６２.４ｇおよび消泡剤０.６ｇ)を含む水４５０gを秤量した。また、鋼製の繊維を用意した。この鋼繊維は直径０.０５mm、アスペクト比１２０(長さ６mm)、顕微鏡で評価した表面凹凸は０.００５mmの螺旋状のものであり、螺旋の形状は振幅０.１mm(繊維直径の２倍)および周期２.４mm(繊維長さの０.４倍)であって、繊維の引張強度およびヤング率はそれぞれ２GPaおよび２００GPaである。この繊維３１６ｇを秤量した。なお、このコンクリートに対する繊維混入率は２体積％である。
【００２２】
秤量した原料をホバート型ミキサを用いて混練した。水、セメントとシリカフュームを予め混合させたものを混練し、次ぎに砂、繊維を投入して試料を作製した。この試料は、曲げ強度測定用の供試体を作製するため、縦１６０mm×横４０mm×深さ４０mmの型枠に流し込んで成型した。また、引張強度測定用の供試体を作製するため、縦３００mm×横５０mm×深さ１０mmの型枠に試料を流し込みんで成型した。この成型２４時間後、脱型し、引き続き、８０℃、４８時間の蒸気養生を行い、供試体を得た。
【００２３】
この供試体について、曲げ強度の測定は、インストロン型試験機を用い、下部支点間距離120mmとして三点曲げ試験を行い、その荷重の最大値から算出した。また引張強度の測定は、供誠体の両端にアルミニウム板(５０mm角、１.５mm厚)をエポキシ樹脂で固着した後、インストロン型試験機を用いて一軸引張試験を行い、その荷重の最大値から引張強度を算出した。何れの試験においても、試験速度はクロスヘッド速度０.５mm/minとした。
【００２４】
また、混練直後の試料の流動性を評価するフロー値は、水平な３５０mm角のガラス板上に置いたJISモルタル用のリングに試料を流し込み、リング上端を擦り切り後、リングを静かに引き上げ、流れ出た試料が静止した時の長径とそれに直交する径を測定し、両者の平均値をフロー値とした。その結果、フロー値は２３０mmと良好な流動性を示し、また三点曲げ強度は５０MPa、一軸引張強度は２０MPaと極めて高い値であった。
【００２５】
〔実施例２〕
使用した鋼繊維が直径０.５mm、アスペクト比５０(長さ２５mm)の螺旋形繊維であり、螺旋の振幅１mm(直径の２倍)、螺旋の周期５mm(長さの０.２倍)、繊維の混合量５５４g(繊維混入率３.５体積％)、砂の配合量１８０２ｇとした以外は実施例１と同様にして、そのフロー値、三点曲げ強度および一軸引張強度を測定した。これらの結果、フロー値２５０mm、三点曲げ強度４５MPa、一軸引張強度２０MPaであり、何れも良好な値を示した。
【００２６】
〔参考例１〕
使用した鋼繊維が直径０.１mm、アスペクト比２００(長さ２０mm)の波形繊維であり、波形の振幅０.２mm(直径の２倍)、波形の周期６mm(長さの０.３倍)、繊維の混合量１５８g(繊維混入率１体積％)、砂の配合量１９３５ｇとした以外は実施例１と同様にしてそのフロー値、三点曲げ強度および一軸引張強度を測定した。これらの結果、フロー値２４０mm、三点曲げ強度４５MPa、一軸引張強度２０MPaであり、何れも良好な値を示した。
【００２７】
〔実施例３〕
使用した鋼繊維が直径０.３mm、アスペクト比３０(長さ９mm)の螺旋形繊維であり、螺旋の振幅０.６mm(直径の２倍)、螺旋の周期１.８mm(長さの０.２倍)、繊維の混合量１２６４g(繊維混入率８体積％)、砂の配合量１５６４ｇとした以外は実施例１と同様にして、そのフロー値、三点曲げ強度および一軸引張強度を測定した。これらの結果、フロー値２３０mm、三点曲げ強度４２MPa、一軸引張強度１８MPaであり、何れも良好な値を示した。
【００２８】
〔参考例２〕
使用した鋼繊維が直径０.４mm、アスペクト比５０(長さ20mm)の波形繊維であり、波形の振幅０.４mm(直径の１倍)、波形の周期５mm(長さの０.２５倍)、繊維の表面凹凸０.０４mm、繊維の混合量７９０g(繊維混入率５体積％)、砂の配合量１７２２ｇとした以外は実施例１と同様にして、そのフロー値、三点曲げ強度および一軸引張強度を測定した。これらの結果、フロー値２３５mm、三点曲げ強度４０MPa、一軸引張強度１８MPaであり、何れも良好な値を示した。
【００２９】
〔実施例４〕
使用した鋼繊維が直径０.１mm、アスペクト比１５０(長さ15mm)の螺旋形繊維であり、螺旋の振幅０.０３mm(直径の０.３倍)、螺旋の周期３mm(長さの０.２倍)とした以外は実施例１と同様にして、そのフロー値、三点曲げ強度および一軸引張強度を測定した。これらの結果、フロー値２３０mm、三点曲げ強度４５MPa、一軸引張強度１７MPaであり、何れも良好な値を示した。
【００３０】
〔実施例５〕
使用した鋼繊維が直径０.３mm、アスペクト比４０(長さ１２mm)の螺旋形繊維であり、螺旋の振幅０.９mm（直径の３倍）、螺旋の周期１.８mm（長さの０.１５倍）、繊維の混合量７９０g(繊維混入率５体積％)、砂の配合量１７２２ｇとした以外は実施例１と同様にして、そのフロー値、三点曲げ強度および一軸引張強度を測定した。これらの結果、フロー値２３０mm、三点曲げ強度４１MPa、一軸引張強度１９MPaであり、何れも良好な値を示した。
【００３１】
〔実施例６〕
使用した鋼繊維が直径０.１mm、アスペクト比８０(長さ８mm)の螺旋形繊維であり、螺旋の振幅０.１mm(直径の１倍)、螺旋の周期０.８mm(長さの0.1倍)、繊維の表面凹凸０.０１mm、繊維の混合量５５４g(繊維混入率3.5体積％)、砂の配合量１８０２ｇとした以外は実施例１と同様にして、そのフロー値、三点曲げ強度および一軸引張強度を測定した。これらの結果、フロー値２４０mm、三点曲げ強度５８MPa、一軸引張強度２３MPaであり、何れも良好な値を示した。
【００３２】
〔実施例７〕
使用した鋼繊維が直径０.２mm、アスペクト比８０(長さ１６mm)の螺旋形繊維であり、螺旋の振幅０.２mm(直径の１倍)、螺旋の周期８mm(長さの０.５倍)、繊維の表面凹凸０.０１mm、繊維の混合量５５４g(繊維混入率3.5体積％)、砂の配合量１８０２ｇとした以外は実施例１と同様にして、そのフロー値、三点曲げ強度および一軸引張強度を測定した。これらの結果、フロー値２５０mm、三点曲げ強度４５MPa、一軸引張強度２０MPaであり、何れも良好な値を示した。
【００３３】
〔比較例１〕
使用した鋼繊維が直径０.０２mmの螺旋形繊維であり、螺旋の振幅０.０４mm（直径の２倍）、螺旋の周期０.９６mm（長さの０.４倍）、表面の凹凸が０.００２mmとした以外は実施例１と同様にしてそのフロー値、三点曲げ強度および一軸引張強度を測定した。この結果、繊維が細すぎたので、実施例１と比較すると脆性的な破断を示し、三点曲げ強度は１６MPa、一軸引張強度は７.２MPaと劣り、フロー値も１８０mmと流動性が低くかった。
【００３４】
〔比較例２〕
使用した鋼繊維が直径０.６mmの螺旋形繊維であり、螺旋の振幅１.２mm(直径の２倍)、螺旋の周期６mm(長さの０.２倍)とした以外は実施例２と同様にしてそのフロー値、三点曲げ強度および一軸引張強度を測定した。この結果、フロー値は２４０mmであり、流動性は低下しなかったが、繊維が太すぎたので、実施例２と比較すると脆性的な破断を示し、三点曲げ強度は２１MPa、一軸引張強度は８.３MPaと劣った。
【００３５】
〔比較例３〕
使用した繊維をアスペクト比２４０(長さ２４mm)とし、それに伴い波形の周期７.２mm(長さの０.３倍)とした以外は参考例１と同様にしてそのフロー値、三点曲げ強度および一軸引張強度を測定した。この結果、繊維が長すぎたためフロー値は１７０mmとなり流動性が低下し、成型時の作業性にも劣った。また、三点曲げ強度は２０MPa、一軸引張強度は９.３MPaであり、実施例３と比較すると劣るものとなった。
【００３６】
〔比較例４〕
使用した繊維をアスペクト比２０(長さ６mm)とし、それに伴い螺旋の周期１.２mm(長さの０.２倍)とした以外は、実施例３と同様にして、そのフロー値、三点曲げ強度および一軸引張強度を測定した。この結果、フロー値は２３５mmであり、流動性は低下しないが、繊維が短すぎるので供試体が脆性的な破断を示した。この供試体の三点曲げ強度は２２MPa、一軸引張強度は８.５MPaであり、実施例４と比較すると劣るものとなった。
【００３７】
〔比較例５〕
使用した繊維が表面凹凸０.１mmのインデント加工したものを用いた以外は参考例２と同様にしてフロー値、三点曲げ強度および一軸引張強度を測定した。この結果、繊維どうしの絡みが顕著であるためフロー値は２００mmとなり、流動性が低下した。また強度試験中、繊維が引き抜ける時にマトリクスを破壊する傾向があるため供試体は脆性的な破断を示した。この供試体の三点曲げ強度は２２MPa、一軸引張強度は８.８MPaであり、実施例５と比較すると劣るものとなった。
【００３８】
〔比較例６〕
使用した繊維を螺旋や波形のない直線状のものにした以外は実施例４と同様にして、そのフロー値、三点曲げ強度および一軸引張強度を測定した。この結果、フロー値は２２０mmとなり、混練後の試料の流動性は低下しなかったが、強度試験においては、繊維の付着強度が不足するためか、三点曲げ強度は２１MPa、一軸引張強度は９.１MPaであり、実施例６と比較して低かった。
【００３９】
〔比較例７〕
使用した繊維を螺旋の振幅１.２mm(直径の４倍)とした以外は実施例５と同様にして、そのフロー値、三点曲げ強度および一軸引張強度を測定した。この結果、繊維どうしの絡みが顕著なためフロー値は１７０mmとなり、流動性の低下が顕著であった。また強度試験中、繊維が引き抜ける際にマトリクスを破壊する傾向があるため供試体の強度は低く脆性的な破断を示した。強度の測定結果は、三点曲げ強度２０MPa、一軸引張強度８.４MPaであり、実施例７と比較すると劣るものとなった。
【００４０】
〔比較例８〕
使用した繊維を螺旋の周期０.６４mm(長さの0.08倍)とした以外は実施例６と同様にして、そのフロー値、三点曲げ強度および一軸引張強度を測定した。この結果、繊維どうしの絡みが顕著なため、混練作業もやや困難であり、フロー値は１７０mmとなり流動性の低下が顕著であった。また、強度試験では、繊維が引き抜ける際にマトリクスを破壊する傾向があるため供試体の強度は低く、脆性的な破断を示した。強度の測定結果は、三点曲げ強度１６MPa、一軸引張強度６.９MPaであり、実施例８と比較すると劣るものとなった。
【００４１】
〔比較例９〕
使用した繊維を螺旋の周期９.６mm（長さの０.６倍）とした以外は実施例７と同様にして、フロー値、三点曲げ強度および一軸引張強度を測定した。この結果、フロー値は２５０mmであり試料の流動性は低下しないが、強度試験においては、繊維の付着強度が不足するためか、三点曲げ強度２１MPa、一軸引張強度８.７MPaであり、実施例９と比較して低かった。
【００４２】
上記実施例１〜７、参考例１、２、および比較例１〜９の結果を表１に示した。
【００４３】
【表１】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維直径が０.０５mm〜０.５mm、繊維長さが繊維のアスペクト比(繊維長／繊維直径)で３０〜１５０であり、表面に繊維直径の０.１倍以上の突起ないし窪みを有しない螺旋形状であって、螺旋形状の振幅が繊維直径の０.３〜３倍であり、螺旋形状の周期が繊維長さの０.１〜０.５倍であり、ヤング率１５０GPa以上、引張強度１GPa以上であることを特徴とする高強度組成物補強用鋼繊維。
【請求項１】
繊維直径が０.０５mm〜０.５mm、繊維長さが繊維のアスペクト比(繊維長／繊維直径)で３０〜１５０であり、表面に繊維直径の０.１倍以上の突起ないし窪みを有しない螺旋形状であって、螺旋形状の振幅が繊維直径の０.３〜３倍であり、螺旋形状の周期が繊維長さの０.１〜０.５倍であり、ヤング率１５０GPa以上、引張強度１GPa以上であることを特徴とする高強度組成物補強用鋼繊維。
【公開番号】特開２００８−３７７５０（Ｐ２００８−３７７５０Ａ）
【公開日】平成２０年２月２１日（２００８．２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２３７５０６（Ｐ２００７−２３７５０６）
【出願日】平成１９年９月１３日（２００７．９．１３）
【分割の表示】特願平１１−９３３１１の分割
【原出願日】平成１１年３月３１日（１９９９．３．３１）
【出願人】（００００００２４０）太平洋セメント株式会社 (1,449)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年２月２１日（２００８．２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月１３日（２００７．９．１３）
【分割の表示】特願平１１−９３３１１の分割
【原出願日】平成１１年３月３１日（１９９９．３．３１）
【出願人】（００００００２４０）太平洋セメント株式会社 (1,449)
【Ｆターム（参考）】
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