繊維コンクリートその1
まえがき
繊維補強コンクリートとは、セメントモルタル或いはコンクリートとバラバラな繊維とからなるコンクリートである。
使用する繊維はアスベスト、合成繊維、ガラス、金属及びカーボン等であり、現在セメント複合材としてはコンクリート脆性の改善に役立てる数多くの研究が続けられている。
これらの繊維の中から、ガラス繊維が仕様されるようになったのは、ガラス繊維の強度がその直径が小さくなるに付け何倍も増加されるというGriffth（1920年）の研究から始まる。
図1
（Montore より）
上図でみられるように直径がすくなくなると引張強さも高くなるが、同時に、脆くて折れ易い性質も加わるので、通常は直径を約１２μの単繊維を２００本程度に撚ったStrandとしてマトリックス（matrix）と結合させその高強度を応用すると共に折れ、
繊維補強の力学的特性については応力及び弾性率の複合則（Low of mixture）とか繊維が応力方向に何％有効に作用するかを示す配列有効係数とか、RomualdiやMckeeの繊維間隔の理論、アスペクト比を加えた終局強度理論、破壊まで供試体が吸収するエネルギー量を取り扱うタフネス理論等々の可なりの研究成果が発表され種々の製品開発への道を開きつつある現状である。
ここでは、繊維と複合体の補強効果についての概略と製品開発及び製品応用事項について
１．繊維、
2．繊維を混入したセメント複合体の補強効果、
3．成型方法、
4．製造導入法、
5．開発将来性
について報告する。
1．繊維
現在実験若しくは利用されている繊維は金属、化学有機,無機物及び植物繊維等があり、それらの物性的性質は下記のとおりである。
表１
|
名 称 |
引張り強さkg/㎠ |
ヤング係数×10⁴ |
比重 |
終局伸び率 |
軟化熔融点 |
|
スチール |
2,800～4,200 |
210 |
7,8 |
3~4 |
(500)1,400 |
|
ガラス |
14,000～35,000 |
80～120 |
2,7 |
2～3 |
（838） |
|
炭素繊維 |
19,000～26,600 |
195～245 |
1,7 |
0,4～1 |
|
|
アスベスト |
5,600～9,800 |
84～140 |
2,9 |
2～3 |
|
|
ポリプロピレン |
5,600～7,700 |
2～5 |
0,9 |
25～60 |
(140） |
|
ナイロン |
7,700～8,400 |
2～9,5 |
1,1 |
28～45 |
（180） |
|
セメントペースト |
40～140 |
21 |
2,5 |
0,04～0,06 |
|
※：FPは参考 引張り強さは線径によりことなるも
（１）アスベスト
アスベストはセメントペーストと旨く結びつけられるので、アスベストセメントと呼ばれる製品が作られていた。
成形は一般に抄造法が主でアスベストを8～16％容積比で含み曲げ強度はマトリックスのセメントが2～4倍に達している。 アスベストは天然資源で世界的に減少する方向にあり、アスベストの埃はアスベスト症と呼ばれる職業病の原因となると現在では世界的にその使用は禁じられている。
（2）有機物
綿、レーヨン及び、ポリエステル党派アルカリによって劣化されるが、ナイロン、ポリプ浸食は受けない。
一般にこれらの繊維は男性係数が低いため、使用するマトリックスの複合体として強度の減少を来す。 また、付着力がスチールの1/10にも達しにもないものもあるし、セメントペーストとの分散性も悪い。
しかし、安価であること、衝撃抵抗の向上などの特色があるので研究の必要はある。
（３）金属
金属繊維は一般には安価でヤング係数も大きく付着力、破断時の伸び率も大きく、コンクリートの分散性もよいので、複合体の曲げ強度を著しく改善させている。
図2
（Shas－より）
図2はスチールファイバーの混入量と曲げ強度との関係図である。 ある範囲での繊維量は曲げ強度との関連として、直線的に捉えられていることを示している。
但し、鋼繊維とモルタルまたは、コンクリートのPremixの場合繊維のボウリングやフロー値（スランプ）の低下など、繊維の分散性の悪化をきたし、繊維量の問題以上に、複合体の強度増加効果を減少することが多い。
(4) 炭素繊維
炭素繊維は高級炭素と石油ピッチから生産される中級炭素とがあり、何れも優れた物性を持つ代わりに高価である。（大洋化研製でクレハチョップ―CFで、1kg:@7,000円 昭和50年当時価格）。
前期に示した以外の物性で、同製品の物性は、次の通りである。
|
名 称 |
摘 要 |
|
直 径 |
10μ |
|
炭素含有量 |
99,5% |
|
電気比抵抗 |
10×10⁻5 Ω-cm |
|
吸着水分量 |
10％ |
|
熱伝導率 |
15Kcal/mhr℃ |
|
酸化開始温度 |
310℃ （吸気中） |
炭素繊維はセメント中のアルカリには全く侵されず、対候性,耐薬品,耐水性に優れ、比重が小さい割には引張り強度が強く摩擦係数も低い。
（5）ガラス繊維
ガラス繊維を複合体に使用すると優れた面が多いことは従来から知られ、FRP, FW材としてなくてはならない存在になっている。
これ等は、マトリックスとしてレジンを使用してきたが、比較的取り扱いが簡単なセメントに代えて見るという転換が試みられた。
元来、ガラスはアルカリに侵され易いため、ガラス繊維をアルカリから防ぐためのコーテングとか、酸化ジルコニュームを含むガラス繊維の開発が進み、現在ではアメリカのOwennce-Corninnglas 社とイギリスのPilkinngton Fiberglas 社の2社によって商品化するに至っている。
ガラス繊維は前項で述べたように、その表面に割れ目を持たず、特別な内部構造を持つため、比強度を著しくます。 また、微細な割れ目が水分に覆われると更に強さが増す実験もされたが、同時に極めて大きな単位重量当りの表面積を持ち、その表面の水分に早く浸食されるという欠点もある。
２．繊維補強効果
プレーンモルタルまたは、コンクリートは外圧によって引張側に亀裂が入るとすぐに破壊に至る。 このモルタルの脆性を改善するためにアスベスト混入するとか、古くは赤土に藁屑を混ぜたり、石灰にすさを混ぜて漆喰にして、壁塗りの材料として使用していた。
繊維混入よって、複合体の引1963年張強度を増す要因はマトリックスよりも引張強度が高く、伸び能力大きく剛性の高い繊維がマトリクスとの付着強度によって、ひび割れの増加を防ぐことにある。
また、繊維の混入量と引張または曲げ強度との関係は、1963年に特許を採った Romualdi とRatson の繊維間隔の理論（Spacing）に始まる。
S=13,8ｄ√1/p
------------------------------------------------(1)
ここに:S=繊維の中心間隔
ｄ＝繊維の直径
ｐ＝繊維の体積率 （°/vol）
Romualdira らはGriffithのクラックの概念からこれに抵抗して引張強度を増大させる応力と繊維間隔との関係をマトリックスの応力係数を媒介として理論的に求めた。 その理論的な亀裂発生引張強度のグラフを示す。
図3
(ACI Commmittee 544)
Mckee は（１）式と異なる次式を提案した。
S=3√V/P
（１） 式と（２）式の比較を図に示すと次の通りである。
ここで、A= Mckee
S=３√ｖ/p
B= Romualdi S=13,8d√1/p
(ACI Commmittee )
Snyder やLankard は「亀裂発生強度は繊維の平均間隔のみならず繊維の長さも関係する」として実験結果やアスペスト比（L/d L=繊維の長さ ｄ＝徑） で示した。
強度比（縦軸）と繊維の間隔（横軸）関係図
図5
|
◎ （96,2） |
◎ （43,2） ◎ |
|
|
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（28,8） ◎ （21,6） |
◎ （32） |
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|
|
◎ （21,6） |
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|
2，0
1，5
1，0
0，5
０ 0,2 0,4 0,6 0,8
図5は繊維の容積比2,1%の補強における鋼の間隔のかんすうとしての強度比を示す。
（）の数字はアスベスト比であり、図５で見る限り強度にかんけいするのは鋼繊維間隔より、寧ろ、アスベスト比のほうが大きいものと考えられる。
Swanmy とMangat は実験結果より複合体の引張強度の方程式を次のように提案した。
Sc=0,97Sm（1ーVf）+3,41VfL/d----------------------(３)
ここに Sc= 複合体の強度
SM= 複合体のマトリックスの強度
Vf= 繊維の有責含有量
L＝ 繊維の長さ
ｄ＝ 繊維の径 （L/d= アスペクト比）
定数 0,97 及び3,41 は各々繊維の付着力や繊維の分散（配列の方向性）状態よっておこるもの。
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