JP2881256B2

JP2881256B2 - 炭素繊維補強コンクリート又はその類似組成物の製造方法

Info

Publication number: JP2881256B2
Application number: JP17453990A
Authority: JP
Inventors: 憲衛幸村; 千博加藤; 義博本田; 博大谷; 督尚大岡; 啓介高橋; 守康中村; 明白木
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp; Tokyu Construction Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp; Tokyu Construction Co Ltd
Priority date: 1990-07-03
Filing date: 1990-07-03
Publication date: 1999-04-12
Anticipated expiration: 2014-04-12
Also published as: JPH0465338A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、セメント等の水硬性材料に炭素繊維を混練
して補強したコンクリート又はその類似組成物の製造方
法に関する。

［従来の技術］これまで、炭素繊維補強コンクリートを製造する場合
は、セメントへの炭素繊維の分散性を良くするために、
特殊ミキサー（オムニミキサー）を使用したり、或いは
強制練りミキサーを用いていた。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら、オムニミキサーは、これを保有してい
る施工業者またはPC（プレキャスト）製品製造業者が少
なく、かつこの種の特殊ミキサーは高価であるため、炭
素繊維補強コンクリート製品や構築物が普及する上で障
害になっていた。

また、強制練りミキサーは、これを保有している業者
は上記オムニミキサーほど少なくないが、特に地方の業
者には傾胴型のミキサーしか保有していない場合が多
く、炭素繊維補強コンクリートの普及が遅れている原因
になっていた。

本発明は、上記従来の問題点を解決するためになされ
たもので、その目的とするところは、炭素繊維補強コン
クリート等の組成物を特に傾胴型ミキサーにより簡易か
つ安価に製造することができるだけでなく、炭素繊維の
分散性や性状が良くて高品質の製品や構築物を製造する
ことができる炭素繊維補強コンクリート又はその類似組
成物の製造方法を提供することにある。

［課題を解決するための手段］すなわち、本発明は、水硬性材料中に炭素繊維を混合
分散させてコンクリート又はその組成物を製造する方法
において、炭素繊維として引張弾性率が15ton/mm²以上
のものであって、30〜12,000本のモノフィラメントが集
束された状態にある短繊維状の炭素繊維束を用い、外殻
が回転する混合機の中で水硬性材料、炭素繊維束および
水を混練するにあたり、まず水を投入し、次いで水硬性
材料および炭素繊維を一括して投入して混練し、かつ水
硬性材料、炭素繊維束および水の合計容量が前記混合機
の内容積の75vol％以下とすることを特徴とする。

本発明方法において使用される水硬性材料としては、
建築および土木構築物を構築するために使用される無機
系の各種水硬性材料が用いられ、例えば、ポルトランド
セメント、高炉セメント、アルミナセメント、ケイ酸カ
ルシウム、天然石こう、合成石こう等が含まれる。

また、本発明方法において使用される炭素繊維として
は、公知の炭素繊維であればいずれのものでもよく、例
えば、コールタールピッチ、石油系ピッチ、石炭液化
物、ポリアクリロニトリル、セルロース、ポリビニルア
ルコール等を原料とした炭素繊維を用いる。

特に、光学的異方性相を含むピッチから作られる炭素
繊維、即ちメソフェーズピッチ系炭素繊維は、繊維自体
の引張強度や引張弾性率が大きいことにより強度や剛性
が大きいコンクリート等の組成物が得られる。

さらに、上記メソフェーズピッチ系炭素繊維のうち、
引張強度が100Kg/mm²以上、及び／又は引張弾性率が15t
on/mm以上のものを用いると、得られる組成物の物性は
一層良くなる。

本発明で用いる集束した炭素繊維束を製造するには種
々の方法がある。

例えば、上記原料を紡糸して得られる原料繊維に集束
剤を付着して原料繊維束を得た後、これを不融化処理あ
るいは耐炎化処理して炭化し、さらに必要に応じて黒鉛
化して炭素繊維束を得る。この場合、集束剤の種類、付
着量、付着方法等を適宜選択して決定することにより、
所望の炭素繊維束を得ることができる。

尚、本発明では黒鉛化処理して得られた黒鉛化繊維束
も炭素繊維束に含めるものとする。

上記の集束剤としては、例えば、ポリジメチルシロキ
サン、アミノ変性ポリジメチルシロキサン等のポリジメ
チルシロキサン誘導体、ポリエチレングリコール、ポリ
プロピレングリコール等のポリアルキレングリコール誘
導体、機械油、タービン油、灯油などの鉱物油、脂肪酸
エステル化合物、スルフィド基含有化合物、バーフルオ
ロアルキル基含有化合物の内の１種またはそれらの２種
以上の混合物を使用する。

上記集束剤には、公知の静電防止剤、平滑剤、及び界
面活性剤等を添加して使うことができ、更に繊維への付
着を均一かつ繊維への抵抗を少なくするために、水、ケ
ロシン、ジメチルシリコンダイマー等、公知の希釈剤で
希釈してもよい。

集束剤の原料繊維に対する付着量は、通常0.1〜20重
量％の範囲であり、特に0.2〜10重量％が好ましい。

付着量が0.1重量％より少ないと、得られる炭素繊維
束がばらけ易く、水硬性材料と混合する際にモノフィラ
メント同志が絡み合ったり、毛玉状のファイバーボール
ができて、均一に混合分散できない恐れがある。

一方、20重量％以上となると、不融化処理あるいは耐
炎化処理の際に付着した集束剤の揮散が不十分となって
繊維上に残存し、不融化処理あるいは耐炎化処理の反応
を阻害する原因となったり、繊維から発生する低分子物
ガスの飛散が十分に行えないため、炭素繊維の物性を低
下させる原因となる。

集束剤を原料繊維に付着させる方法としては、スプレ
ーにより吹き付ける方法、ローラーやガイドに付けて接
触させる方法、浸漬させる方法などがある。

集束剤が付着されて、集束された原料繊維束は、周知
の方法にしたがって、不融化処理あるいは耐炎化処理お
よび炭化処理が行われる。不融化処理もしくは耐炎化処
理は、原料繊維を酸素、オゾン、空気、窒素酸化物、ハ
ロゲン、亜硫酸ガス等の酸化性雰囲気のもとで、150〜4
00℃の温度に５分〜10時間程度加熱することによって行
われる。

また、炭化処理は、上記処理によって得られた繊維を
窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気のもとで、500〜
2,000℃の温度に0.5分〜10時間程度加熱することによっ
て行われる。

さらに黒鉛化処理を行う場合には、2,000〜3,000℃の
温度に１秒〜１時間程度加熱する。

さらにまた別の方法としては、原料繊維束に集束剤を
付着し、不融化処理あるいは耐炎化処理して得られた不
融化繊維あるいは耐炎化繊維に、再度集束剤を付着して
集束し、炭化し、さらに必要に応じて黒鉛化して目的の
炭素繊維束を得ることができる。

これら不融化繊維あるいは耐炎化繊維に対する具体的
な集束剤の種類、付着量、付着方法などは、上述の原料
繊維の場合と同様に実施することができ、さらに炭化処
理および黒鉛化処理も、上記原料繊維の場合と同様に実
施することができる。

また別の方法としては、上述の原料繊維および／また
は不融化繊維あるいは耐炎化繊維の段階で集束剤を付着
して製造した炭素繊維束、あるいは通常の方法で製造し
た炭素繊維にサイジング剤を付着して目的の集束した炭
素繊維束を得ることができ、サイジング剤の種類、付着
量、付着方法などを適宜調節することにより、炭素繊維
束が得られる。

上記サイジング剤としては、例えば、ポリビニルアル
コール（PVA）系として、未ケン化のポリ酢酸ビニル、
部分ケン化PVA、完全ケン化PVA、および変性PVAとして
イタコン酸変性、フタール酸変性、アクリル酸変性PVA
等がある。

また、酢酸ビニルとエチレン、マレイン酸、クロトン
酸、またはアクリル酸との共重合物、メチルセルロー
ス、エチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、
ヒドロキシエチルセルロース等のセルロース誘導体、コ
ーンスターチ、可溶性デンプン等のデンプン誘導体、ポ
リアクリル酸ソーダ、ポリアクリルアマイド等のアクリ
ル系重合体も使用される。

さらに、ゴムラテックス、硬化剤を含まない軟化点が
40℃以上のエポキシ樹脂、ポリウレタンも使用すること
ができる。これらのポリマーの内で特にカチオン性を示
すものはセメントとの接着性を向上させるのに有効で、
例えば、カチオン変性PVA、カチオン性ポリ酢酸ビニ
ル、カチオン性ゴムラテックス、カチオン化ポリウレタ
ン等が使用される。

以上のサイジング剤は水溶液、エマルジョン、あるい
は溶剤に溶解した溶液の状態で、一種または二種以上の
混合物として炭素繊維に付着し、その後、乾燥または脱
溶剤処理して、集束した炭素繊維束を得る。

サイジング剤の炭素繊維への付着量は、通常0.1〜20
重量％である。0.1重量％未満では集束性が不足し、水
硬性材料に均一に混合分散できない。また、20重量％を
超えると集束が過度に強固になり、水硬性材料中での分
散度が劣り、コンクリート等の組成物の物性が低下した
り、サイジング処理する際に、ローラーに繊維束がとら
れたりして製造が困難となる等の難点がある。サイジン
グ剤が、ポリビニルアルコール（PVA）系の未ケン化の
ポリ酢酸ビニル、部分ケン化PVA、完全ケン化PVA、およ
びそれらのカチオン性変性物等の場合には、0.3〜10重
量％、より好ましくは0.5〜２重量％の付着量とする。

サイジング剤の付着方法としては、スプレーにより吹
き付ける方法、ローラーやガイドに付けて接触させる方
法、浸漬させる方法などがある。

さらに、本発明方法に用いられる炭素繊維としては、
前述の方法に従って炭化あるいは黒鉛化処理した後に気
相あるいは液相での酸化や電解処理などの表面処理を行
ったもの、さらにその後にサイジング剤で処理したもの
も使用することができる。

本発明では、このようにして得られる炭素繊維束を構
成するモノフィラメント数は30〜12,000本であることが
適当で、好ましくは50〜6,000本であることが望まし
い。

30本未満のものは、集束した繊維束を製造する際の生
産性が悪いなどの問題があり、一方、12,000本を越える
と一束状に集束するのが困難となり、水硬性材料中での
分散性が悪くなったりして不都合である。

上記モノフィラメントの直径は、３〜50ミクロンであ
ることが、均一に分散させる上で好ましい。

本発明方法では、炭素繊維束は短繊維状にして水硬性
材料と混合されるが、該短繊維とする方法としては、既
に集束した長繊維束を切断したもの、あるいは既に短繊
維状にしたものを集束したもののいずれもが使用でき
る。

上記切断の方法としては、通常実施される方法が可能
で、例えば、ギロチン式カッター、ロービングカッタ
ー、あるいはダイレクトスプレー機のノズルガン等を用
いて切断することが可能である。

既に集束した長繊維束を切断する時には過度の切断衝
撃などにより集束した束がばらけ過ぎないようにする。

短繊維束の長さは１〜100mmであるのが好ましい。1mm
未満では水硬性材料との混合時の分散性は良いが十分な
補強性能は得られず、一方100mmを越えると逆に補強性
は得られるものの、分散性が悪く均一な製品が得られな
い。

本発明方法で用いる混合機は、外殻が回転する混合機
として、傾胴型コンクーリートミキサー、回転ドラムミ
キサーなどがある。

本発明方法において、最も重要なことは、混合機に
は、まず水を投入することである。

続いて、上記水硬性材料と炭素繊維を一括して投入す
る。コンクリート又はその類似組成物中の炭素繊維の配
合量は、通常0.1〜20容量％であり、0.1％未満では補強
効果が乏しく、一方20％を越えると混合がしにくかった
り、均一に分散できなかったりするなど、好ましくな
い。

また、砂、ケイ砂、砂利、砕石、シラスバルーン、フ
ライアッシュ、超微粉シリカなどの骨材は、予め水硬性
材料と混合しておくのが望ましい。尚、上記炭素繊維を
入れたものは、一般に空気量が多くなる傾向にあるの
で、そのような場合には消泡剤を添加してもよい。

本発明で用いる集束した短繊維状の炭素繊維束は、水
硬性材料中で単独で用いられることは勿論、本発明以外
の炭素繊維、石綿、ガラス繊維、金属繊維、有機繊維、
鉄系補強材などの、他の補強材とも併用できる。

水硬性材料、炭素繊維束および水の合計容量は、上記
混合機の内容積の75vol％以下とする。

炭素繊維を配合したコンクリート又はその組成物は、
建築および土木構築物の構築の際に通常実施される各種
の成形法、例えば、型込成形、押出成形、遠心成形、沙
漬成形などの方法により成形し、養生、固化される。

実施例１傾胴型ミキサー（MARUI社製MIC−109−０−102型54
容量）に、まず水及び減水剤（合計で61重量部）を投入
し、次いで短繊維のピッチ系高強度・高弾性炭素繊維束
（三菱化成社製炭素繊維ダイアリード）（5.1重量
部）、早強ポルトランドセメント（100重量部）、軽量
骨材（66重量部）及びメチルセルロース（0.3重量部）
を投入し、４分30秒間混練した。混練量は13.5（ミキ
サー内容積の25vol％）とした。

混練後、板状のテストピース（長さ32cm、幅4cm、厚
み2cm）を成型し、気中養生（温度20℃、相対湿度65
％）し、炭素繊維強化コンクリート（CFRC）を得た。

そして、材令７日目の曲げ強度を一点載荷曲げ試験法
（スパン26cm）により測定し、テストピース３個の平均
値を第１表に示した。

なお第１表に混練直後のまだ固まらないCFRCのフロー
値（JIS R5201に準ずる）、空気量（JIS A1128に準ず
る）をあわせて示した。

また第２表には、使用した炭素繊維の性能を示した。

実施例２実施例１と同じミキサーを用い、混練量を実施例１の
２倍（27、ミキサー内容積の50vol％）にして、CFRC
の調整を行った。

まず水および減水剤（合計で61重量部）を上記ミキサ
ーに投入し、次いで炭素繊維束（5.1重量部）、早強ポ
ルトランドセメント（100重量部）、軽量骨材（66重量
部）、メチルセルロース（0.3重量部）及び消泡剤を投
入し、４分30秒間混練した。

引き続き、実施例１と同じくして得られたCFRCのテス
トピースの曲げ強度および混練直後のまだ固まらないCF
RCのフロー値、空気量を第１表にした。

実施例３実施例２と同様に上記ミキサーを用い、混練量を実施
例１の２倍（27、ミキサーの内容積の50vol％）にし
て、CFRCの調整を行った。

まず水および減水剤（合計で61重量部）を上記ミキサ
ーに投入し、次いで炭素繊維束（5.1重量部）、早強ポ
ルトランドセメント（100重量部）、軽量骨材（66重量
部）及びメチルセルロース（0.3重量部）を投入し、３
分間、さらに消泡剤を加え１分30秒間混練した。

引き続き、実施例１と同じくして得られたCFRCのテス
トピースの曲げ強度および混練直後のまだ固まらないCF
RCのフロー値、空気量を第１表に示した。

比較例１実施例１の上記ミキサーを用い、混練量を実施例１の
3.2倍（43.2、ミキサーの内容積の80vol％）にして、
CFRCの調整を試みた。

混合材料および投入手順は実施例３に準じて行った。
引き続き、実施例１と同じくして得られたCFRCのテスト
ピースの曲げ強度および混練直後のまだ固まらないCFRC
のフロー値、空気量を第１表に示した。

第１表に示す様に混練量をミキサーの内容積の80vol
％にすると曲げ強度は著しく小さくなった。これは混練
時のミキサーの傾斜が大きくなって混練の効率が悪くな
り、炭素繊維束の繊維が分散しなかったことによる。

比較例２実施例１の上記ミキサーを用い、混練量を実施例１の
２倍（27、ミキサーの内容積の50vol％）にして、CFR
Cの調製を特開昭63−162559号公報に記載されている方
法に準じて行った。

上記ミキサーに炭素繊維束（5.1重量部）、早強ポル
トランドセメント（100重量部）、軽量骨材（66重量
部）及びメチルセルロース（0.3重量部）を投入し、１
分間乾式混合した後、水及び減水剤（合計で61重量部）
を加え３分30秒間混練した。

実施例１と同じくして得られたCFRCのテストピースの
曲げ強度および混練直後のまだ固まらないCFRCのフロー
値、空気量を第１表に示した。

［発明の効果］（１）外殻が回転する混合機を用いて炭素繊維補強コン
クリートを製造すると、従来のオムニミキサーや強制練
りミキサーに比べて、繊維を折ったり、毛玉状になった
りすることがなく、高品質の炭素繊維補強コンクリート
を得ることができる。

（２）混合機に水を先行して投入し、繊維を投入した直
後に混練りするため、水溶性の粘着剤が良くほどけ、繊
維がバラバラになり易い。

（３）傾胴型ミキサーを有する大多数の生コン業者やPC
業者が炭素繊維補強コンクリートを製造することが可能
となった。

（４）本発明方法により、事務所ビル、ホテル等の外装
カーテンウオール、フリーアクセスフロアー、モルタル
外壁、土木構造物等の商品化が可能となる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大岡督尚神奈川県川崎市宮前区東有馬１―２―２ (72)発明者高橋啓介福岡県北九州市八幡西区大字藤田2447番地の１三菱化成株式会社黒崎工場内 (72)発明者中村守康福岡県北九州市八幡西区大字藤田2447番地の１三菱化成株式会社黒崎工場内 (72)発明者白木明神奈川県横浜市緑区鴨志田町1000番地三菱化成株式会社総合研究所内 (56)参考文献特開昭63−162559（ＪＰ，Ａ) 特開平２−217344（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B28C 7/04 - 7/12 B28C 5/40 C04B 28/02 C04B 14/38

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】水硬性材料中に炭素繊維を混合分散させて
コンクリート又はその組成物を製造する方法において、
炭素繊維として引張弾性率が15ton/mm²以上のものであ
って、30〜12,000本のモノフィラメントが集束された状
態にある短繊維状の炭素繊維束を用い、外殻が回転する
混合機の中で水硬性材料、炭素繊維束および水を混練す
るにあたり、まず水を投入し、次いで水硬性材料および
炭素繊維を一括して投入して混練し、かつ水硬性材料、
炭素繊維束および水の合計容量が前記混合機の内容積の
75vol％以下とすることを特徴とする炭素繊維補強コン
クリート又はその類似組成物の製造方法。
【請求項２】消泡剤を添加することを特徴とする請求項
１に記載の炭素繊維補強コンクリート又はその類似組成
物の製造方法。
【請求項３】炭素繊維束の長さが１〜100mmであること
を特徴とする請求項１または２に記載の炭素繊維補強コ
ンクリート又はその類似組成物の製造方法。
【請求項４】炭素繊維束を構成するモノフィラメントの
直径が３〜50ミクロンであることを特徴とする請求項１
ないし３に記載の炭素繊維補強コンクリート又はその類
似組成物の製造方法。
【請求項５】炭素繊維束が原料繊維を集束する際に集束
剤を付着させ、次いで不融化処理または耐炎化処理を行
い、さらに炭化処理して得られたものであることを特徴
とする請求項１ないし４に記載の炭素繊維補強コンクリ
ート又はその類似組成物の製造方法。
【請求項６】炭素繊維束が原料繊維を不融化処理または
耐炎化処理を行い、次いで集束剤を付着させた後、炭化
処理して得られたものであることを特徴とする請求項１
ないし５に記載の炭素繊維補強コンクリート又はその類
似組成物の製造方法。
【請求項７】炭素繊維束が原料繊維を不融化処理または
耐炎化処理した後、炭化処理を行い、次いでサイジング
剤を付着して集束して得られるものであることを特徴と
する請求項１ないし５に記載の炭素繊維補強コンクリー
ト又はその類似組成物の製造方法。