JP6961872B2

JP6961872B2 - 高強度セメント硬化体爆裂防止用繊維及びそれを含む高強度セメント硬化体

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Publication number: JP6961872B2
Application number: JP2017023174A
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Inventors: 貴恒菊田; 洋志岡屋; 駿介佐藤
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Description

本発明は、高強度セメント硬化体爆裂防止用繊維及びそれを含む高強度セメント硬化体に関する。

高層マンションや各種トンネル、橋梁といった、大型の建造物において、その構造を支える部材として、コンクリートやモルタルを始めとするセメント硬化体（水硬性材料とも称される）が使用されている。セメント硬化体を構造材料として用いている大型建造物の代表として高層マンションが挙げられる。高層マンションでは、更なる高層化が求められているだけでなく、建物内部の空間を広げたり、空間設計の自由度を高めたりすることを目的として構造部材の断面積を小さくすることが求められていることから、セメント硬化体のさらなる高強度化が課題として挙げられている。

各種セメント硬化体を得るには、普通ポルトランドセメントや早強セメント等の各種セメントに対し、砂利や砂といった骨材や、フライアッシュや珪石粉、シリカフュームといった混和材料、合成繊維や鋼繊維といった繊維、各種添加剤（減水剤など）を加えてセメント組成物とし、これに水を適量加えて練ることでセメントスラリーにする。このとき、セメントスラリー内部ではセメントと水の水和反応が開始し、水和反応が進むことでセメントスラリーが徐々に硬化し、セメント硬化体となる。一般的に、セメント組成物を練る際の水の量を減らすことで、その密度が上昇し、より高強度のセメント硬化体となることが知られている。一方でセメント硬化体の密度を高め、より密な組織にすることで爆裂現象が発生しやすくなることが知られている。

爆裂現象とは、セメント硬化体を用いた建造物において火災が起きると発生しうる現象である。火災が発生すると、建物の内部は４００℃以上、場合によっては建物の内部は８００〜１２００℃になるが、セメント硬化体がこのような高温環境下にさらされることで、セメント硬化体の内部に残存している空気や残存していた水分が気化・膨張することで内部の圧力が増加する。加えてセメント硬化体の表面と内部の熱膨張量の違いなどにより、歪みが発生し、蓄積する。セメント硬化体内部の圧力上昇、歪みの増加が続き、セメント硬化体が耐えられなくなったところで、表面に亀裂が発生し、鱗状のセメント片が次々と剥離することで爆裂現象が発生する。爆裂が進行することで、セメント硬化体の強度は急激に低下し、最悪の場合、建造物全体の崩壊の原因となる。火災の際に発生した水蒸気や膨張した気体の逃げ道がないことが原因で爆裂現象が発生すると考えられることから、爆裂現象は特にセメント組成物と水を混ぜてセメントスラリーとする際、水と反応するセメント、シリカ等の結合材の配合量を多くして圧縮強度を高めた高強度セメント硬化体において発生しやすくなると考えられている。

セメント硬化体の爆裂を防止するため、セメント硬化体に繊維を混入させ、火災時に空隙を形成することが提案されている。例えば、特許文献１には、融解エネルギーが１５０mJ/mg以下、分解終了温度が４６０℃以下のコンクリート爆裂防止用ポリオレフィン系繊維が記載されている。特許文献２には、アルカリ可溶樹脂成分を含有してなるコンクリート爆裂防止用繊維が記載されている。特許文献３及び４には、ポリアセタール樹脂を含むポリアセタール繊維を用いてセメント成形体の爆裂を防止することが提案されている。特許文献５には、ポリプロピレンやポリビニルアルコールで構成された有機繊維及び鋼繊維、ステンレスなどの無機繊維をコンクリートに含有させて耐爆裂性を付与することが記載されている。特許文献６には、モルタル組成物にポリプロピレン繊維、ポリエチレン繊維、ビニロン繊維等の有機繊維を含ませることで耐火性能を向上させることが記載されている。

特開２００２−１６０９５０号公報特開２００３−１１２９５４号公報特開２００３−１６０３６６号公報特開２００４−３２３３３０号公報特開２００３−３０６３６６号公報特開２０１１−４２５３４号公報

特許文献１〜６に記載の繊維を用いても、火災時の高強度セメント硬化体の爆裂を防止するには不十分となる可能性が指摘されている。特に、圧縮強度が８０N/mm²以上の高強度セメント硬化体において、セメント硬化体の圧縮強度を更に高めつつ、爆裂現象の発生を抑える効果をより高めた爆裂防止用繊維の開発が求められている。

本発明は、前記従来の問題を解決するため、火災時の高強度セメント硬化体の爆裂を効果的に防止することができる高強度セメント硬化体爆裂防止用繊維及びそれを含む高強度セメント硬化体を提供する。

本発明は、圧縮強度が８０N/mm²以上の高強度セメント硬化体の爆裂防止に用いる高強度セメント硬化体爆裂防止用繊維であって、前記高強度セメント硬化体爆裂防止用繊維は、ポリプロピレン系樹脂で構成されており、単繊維強度が４．０cN/dtex以上であることを特徴とする高強度セメント硬化体爆裂防止用繊維に関する。

前記高強度セメント硬化体爆裂防止用繊維は、単繊維繊度が０．３〜２０dtexであることが好ましい。また、繊維長が１〜２５mmであることが好ましい。また、単繊維伸度が５〜８０％であることが好ましい。

本発明は、また、前記の高強度セメント硬化体爆裂防止用繊維をセメント硬化体に対して０．０１〜１．０Vol％含み、圧縮強度が８０N/mm²以上であることを特徴とする高強度セメント硬化体に関する。

前記高強度セメント硬化体は、８００℃で２時間加熱した後に質量減少率が２３質量％以下であることが好ましい。

本発明は、火災時に、高強度セメント硬化体の爆裂を有効に防止することができる高強度セメント硬化体爆裂防止用繊維及びそれを含む高強度セメント硬化体を提供することができる。

[図１]図１は耐火試験で用いる目視による評価基準の説明図である。
[図２]図２は実施例１〜４及び比較例１〜４におけるセメント硬化体ブロックの耐
火試験の結果を示す図である。
[図３]図３は参考例５〜６、実施例７〜１０及び比較例５におけるセメント硬化体
ブロックの耐火試験の結果を示す図である。
[図４]図４Ａは、セメント硬化体の加熱試験において、温度計を設置する箇所のセ
メント硬化体の側面部の表面からの距離を示す模式的説明図であり、図４Ｂは、セメント硬化体の加熱試験において、温度計を設置する箇所のセメント硬化体の上面部からの距離を示す模式的説明図である。
[図５]図５は、セメント硬化体の加熱試験におけるセメント硬化体の内部温度を示
すグラフである。

本発明の高強度セメント硬化体爆裂防止用繊維は、圧縮強度が８０N/mm²以上の高強度セメント硬化体の爆裂防止に用いる。好ましくは圧縮強度が１００N/mm²以上の高強度セメント硬化体の爆裂防止に用いることができ、より好ましくは圧縮強度が１２０N/mm²以上の高強度セメント硬化体の爆裂防止に用いることができ、特に好ましくは圧縮強度が１３０N/mm²以上の高強度セメント硬化体の爆裂防止に用いることができ、最も好ましくは圧縮強度が１４０N/mm²以上の高強度セメント硬化体の爆裂防止に用いることができる。

前記高強度セメント硬化体爆裂防止用繊維は、ポリプロピレン系樹脂で構成されている。ポリプロピレン系樹脂は、特に限定されず、プロピレンの単独重合体であってもよく、プロピレンとその他の炭素数２〜２０程度のα−オレフィンとの共重合体であってもよい。その他の炭素数２〜２０程度のα−オレフィンとしては、例えばエチレン、１−ブテン、３−メチル−１−ブテン、１−ペンテン、４−メチル−１−ペンテン、１−ヘキセン、１−オクテン、１−デセン等が挙げられる。プロピレン共重合体において、プロピレンの含有量は９０mol％以上であることが好ましく、より好ましくは９５mol％以上、さらに好ましくは９８mol％以上である。立体規則性の点で高強度繊維が得られるということから、アイソタクチックペンタッド分率（ＩＰＦ：モル％）が、好ましくは９０％以上、より好ましくは９３％以上、さらに好ましくは９４％以上のポリプロピレン系樹脂を用いることができる。なおＩＰＦは、ｎ−ヘプタン不溶分成分について「マクロモレキュラーズ」（Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｒ，Ｖｏｌ．６，９２５（１９７３）及びＭａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｒ，Ｖｏｌ．８，６８７（１９７５））に準じて測定するとよい。

前記ポリプロピレン系樹脂としては、特に限定されないが、Ｑ値（Ｍｗ／Ｍｎ）が６未満であると、未延伸状態の繊維を延伸する延伸工程において、高い延伸倍率で延伸できるため高強度の繊維が得られやすく、かつ高い延伸倍率で延伸しても糸切れ等が発生しにくいため好ましい。より好ましいＱ値は、５未満であり、さらに好ましくは４未満である。

前記高強度セメント硬化体爆裂防止用繊維は、単繊維強度が、４．０cN/dtex以上であり、好ましくは４．５cN/dtex以上であり、より好ましくは４．８cN/dtex以上であり、さらに好ましくは５．２cN/dtex以上であり、最も好ましくは６．０cN/dtex以上である。単繊維強度の上限は、２０cN/dtex以下であることが好ましく、より好ましくは１５cN/dtex以下であり、さらに好ましくは１２cN/dtex以下であり、さらにより好ましくは１０cN/dtex以下である。単繊維強度がかかる範囲であると、セメント硬化体の圧縮強度や曲げ強度が向上し、火災時に、高強度セメント硬化体の爆裂を効果的に防止することができる。また、セメントなどとの攪拌時にファイバーボール（ダマ）が形成されにくい。本発明において、繊維の単繊維強度は、ＪＩＳＬ１０１５に準じて測定する。

前記高強度セメント硬化体爆裂防止用繊維の伸度は特に限定されず、単繊維伸度が５〜８０％であればよいが、１０〜６０％であることが好ましく、１５〜４５％であることがより好ましく、１５〜４０％であることが特に好ましく、１８〜３８％であることが最も好ましい。単繊維伸度がかかる範囲であると、セメント硬化体の衝撃強度が向上するとともに、セメント硬化体にクラックが発生しにくい。それゆえ、火災時に、高強度セメント硬化体の爆裂を効果的に防止することができる。本発明において、繊維の単繊維伸度は、ＪＩＳＬ１０１５に準じて測定する。

前記高強度セメント硬化体爆裂防止用繊維の繊度は特に限定されず、単繊維繊度が０．３〜２０dtexであればよいが、０．５〜１０dtexであることが好ましく、より好ましくは、０．８〜５dtexであり、特に好ましくは１〜３．５dtexであり、最も好ましくは１〜２．８dtexである。繊度がかかる範囲であると、セメント硬化体に対し、同じ割合で高強度セメント硬化体爆裂防止用繊維を添加したときに、繊度が大きい繊維を用いた場合と比較して、添加される繊維の本数が増えるため、セメント硬化体内部に繊維がより密に張り巡らされているような状態になると推測される。これにより火災時に、密に張り巡らされていたポリプロピレン繊維のネットワークが、ポリプロピレンが熱分解することで消失し、微小な空隙が密に張り巡らせたような状態となる。このようになることで膨張した空気や水蒸気が密に張り巡らされている空隙から排出されやすくなり、内圧が上昇にくくなることで高強度セメント硬化体の爆裂を防止する効果が高まると考えられる。単繊維繊度が０．３dtex未満であると、繊維をセメントスラリーに投入した際、均一に混ざりにくくファイバーボール発生の原因になりやすい。単繊維繊度が２０dtexよりも大きくなると、セメント硬化体内部に存在する繊維の本数が少なくなるため、火災時に形成される空隙部分が少なくなり、膨張した気体や水蒸気が排出されにくくなることが推測され、爆裂を防ぐ効果が低下するおそれがある。

前記高強度セメント硬化体爆裂防止用繊維の繊維長は特に限定されず、繊維長が１〜２５mmであればよいが、繊維長が２〜２０mmであることが好ましく、より好ましくは３〜１５mmであり、特に好ましくは３〜１０mmであり、４〜８mmであると最も好ましい。繊維長がかかる範囲であると、セメント硬化体に対し、同じ割合で高強度セメント硬化体爆裂防止用繊維を添加したときに、繊維長が長い繊維を用いた場合と比較して、添加される繊維の本数が増えるため、セメント硬化体内部に繊維がより密に張り巡らされているような状態になり、上述した細繊度の繊維を用いた場合と同様に、高強度セメント硬化体の爆裂を防止する効果が高まると考えられる。細く短い繊維ほど、火災時に、高強度セメント硬化体の爆裂を防止する効果が高まる。

前記高強度セメント硬化体爆裂防止用繊維は、単繊維強度、単繊維伸度、単繊維繊度及び繊維長が上述した範囲内において、単繊維強度がより強く、単繊維伸度がより小さく、単繊維繊度がより細く、繊維長がより短いほど、火災時に、高強度セメント硬化体の爆裂を防止する効果が高くなる。

圧縮強度が８０N/mm²以上である高強度セメント硬化体、特に圧縮強度が１２０N/mm²以上や１４０N/mm²以上のセメント硬化体において、爆裂防止効果の面で、添加する繊維がより細繊度、より高強度即ち低伸度であって、より繊維長が短い方が好ましい理由は以下のように推測される。

セメント硬化体の爆裂現象は、火災によってセメント硬化体内部に発生する内圧の上昇や、熱膨張の違いによって発生する歪みに対し、セメント硬化体が耐えきれなくなったときに、亀裂が発生、伝播し、鱗状の小片として剥離することで生じる。従って、内圧の上昇や歪みに耐えられるセメント硬化体、即ち曲げ強度や圧縮強度といった機械的強度の高いセメント硬化体であれば、爆裂はある程度防止できると考えられる。そこで、添加する繊維も単繊維強度が高い（言い換えるならば伸度が低い）の繊維の方が好ましい。繊維の単繊維強度が高いことで、発生した微小亀裂の進行に対し、切断したり伸びたりする（即ち亀裂の幅が広がる）ことなく抵抗し、亀裂の伝播を押さえることができると考えられるためである。

そして、高強度セメント硬化体爆裂防止用繊維は、細繊度であることが好ましい。セメント硬化体に対し、同じ体積％（Vol％）或いは同じ質量％にするなどして、高強度セメント硬化体爆裂防止用繊維を一定の添加量で混合して得られたセメント硬化体を比較すると、同じ熱可塑性樹脂からなる繊維であれば、より細繊度の繊維を混合したときのほうが、混合される繊維の本数が多くなり、セメント硬化体内部に添加した繊維が密に張り巡らされているような状態になると推測される。その結果、火災の際に、これらの繊維が熱分解すると、密に張り巡らされていた繊維のネットワークが、微小な空隙が密に張り巡らせたような状態となり、膨張した空気や水蒸気をセメント硬化体の外部に排出しやすくなると考えられる。また、繊度の大きい繊維を添加した場合、繊維が熱分解することでセメント硬化体内部に大きな空隙が発生し、セメント硬化体の強度が低下しやすくなると推測されるが、繊度の小さい繊維を添加した場合、形成される空隙の直径が小さいため、繊維が熱分解して繊維の部分が空洞部分に変化してもセメント硬化体の強度低下が小さいと推測される。

加えて、添加する繊維の繊維長は上記範囲内であれば、繊維長が短い方が好ましいと考えられる。前記のように、高強度セメント硬化体爆裂防止用繊維は細繊度であることが好ましいが、細繊度の繊維は繊維同士が絡まりやすく、セメントスラリー内部でファイバーボールを形成しやすい。繊維長を短くすることで、ファイバーボールが形成されにくくなるだけでなく、繊維のセメント硬化体内部への分散が均一になると考えられる。また、セメント硬化体に対し、同じ割合になるように繊維を添加したとき、繊維長が短い方が添加される繊維の本数が増えるため、前述の効果がより高められると考えられる。

前記高強度セメント硬化体爆裂防止用繊維は、単一繊維であってもよく、複合繊維であってよい。また、複合繊維は、芯鞘型複合繊維、偏心芯鞘型複合繊維、サイドバイサイド型複合繊維、分割型複合繊維及び海島型複合繊維のいずれであってもよい。また、断面形状は特に限定されない。

前記高強度セメント硬化体爆裂防止用繊維は、以下の手順で製造することができる。まず、前記ポリプロピレン系樹脂を１種又は２種以上用いて、所定の形状になるような単一型又は複合型ノズルを用いて、ポリプロピレン系樹脂が溶融する温度、例えば、紡糸温度２５０〜３５０℃で溶融紡糸し、引取速度１００〜２０００m/minで引き取り、繊度が３〜２０dtexの紡糸フィラメントを得ることができる。次いで、紡糸フィラメントは、単繊維強度を高くするために、延伸される。延伸温度は８０〜１６０℃、延伸倍率２．７〜８倍の条件で延伸することが好ましい。より好ましい延伸温度は、１１０〜１５５℃である。より好ましい延伸倍率は、３〜６倍である。延伸方法は、特に限定されず、高温の熱水などの高温の液体で加熱しながら延伸を行う湿式延伸、高温の気体中又は高温の金属ロールなどで加熱しながら延伸を行う乾式延伸、１００℃以上の水蒸気を常圧若しくは加圧状態にして繊維を加熱しながら延伸を行う水蒸気延伸などの公知の方法で延伸処理を行うことができ、これらの延伸方法を組みあわせ、湿式延伸後に乾式延伸をしたり、乾式延伸を複数回行ったりするなどして延伸処理を行うこともできる。延伸工程は、１段階延伸、又は複数の段階に分けて行う、いわゆる多段延伸処理のいずれで行ってもよい。本発明の高強度セメント硬化体爆裂防止用繊維を製造するには、できるだけ単繊維強度が高く、繊度の小さい繊維にしたほうが好ましいことから、乾式延伸又は水蒸気延伸を１回又は複数回行うことが好ましい。得られた延伸フィラメントは、必要に応じて界面活性剤等の繊維処理剤が付与され、必要があれば捲縮付与処理が施され、所定の繊維長に切断する。セメントスラリーへの分散を均一にし、繊維が浮いてしまうのを防ぐため、繊維の親水性を高める親水性の繊維処理剤、より好ましくは繊維から脱落しにくい耐久性の高い親水性の繊維処理剤を付与することが好ましい。また、繊維の親水性を高めるために、フッ素ガスによる親水化処理、スルホン化による親水化処理、コロナ放電処理やプラズマ放電処理といった各種親水化処理を延伸フィラメントに行ってもよい。

（高強度セメント硬化体）
本発明の高強度セメント硬化体は、上記方法で得られた高強度セメント硬化体爆裂防止用繊維を一定の割合で含むようにセメント組成物に添加し、適量の水を加えて十分に混練した後硬化させたり、既にセメント組成物と水とを混ぜ合わせたセメントスラリー中に上記方法で得られた高強度セメント硬化体爆裂防止用繊維を一定の割合で添加し、十分に混練した後硬化させたりすることで得ることができる。本発明の高強度セメント硬化体に含まれるセメント組成物には、各種セメント、細骨材、必要に応じて粗骨材、混和材料や混和剤などが含まれる。前記セメント組成物を構成するセメントとしては、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、超早強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、耐硫酸塩ポルトランドセメントなど、各種セメントを使用することができる。前記セメント組成物を構成する細骨材や粗骨材としては珪砂、川砂、海砂、浜砂、砕石の他高炉スラグ、フェロニッケルスラグ、銅スラグ、電気炉傘下スラグといった各種スラグなどを使用することができ、この中から高強度セメント硬化体の用途に応じて骨材の粒子径を選択して細骨材、粗骨材として使用することができる。前記セメント組成物に含まれる混和材料としては、フライアッシュ、珪石粉、シリカフューム、高炉スラグ微粉末、エトリンガイト等の各種膨張材を使用することができる。前記セメント組成物に含まれる混和剤としてはＡＥ剤、ＡＥ減水剤、高機能ＡＥ減水剤、流動化剤、硬化促進剤、防錆剤、凝結遅延剤、急結剤、収縮低減剤を始めとする各種混和剤を目的や用途よって適宜選択して使用することができる。

本発明の高強度セメント硬化体は、前記高強度セメント硬化体爆裂防止用繊維を０．０１〜１．０Vol％含み、好ましくは０．０３〜０．８Vol％含み、さらに好ましくは０．０５〜０．７Vol％含む。本発明の高強度セメント硬化体爆裂防止用繊維を前記の割合でセメント硬化体に添加することで、火災時の耐火性が高くなり、爆裂が抑制される。高強度セメント硬化体に含まれる本発明の爆裂防止用繊維の割合が０．０１Vol％未満であると、セメント硬化体内部に含まれる繊維の量が少ないことから火災時に膨張した空気の排出が進まず、爆裂を防ぐ効果が低下するおそれがある。高強度セメント硬化体に含まれる本発明の爆裂防止用繊維の割合が１．０Vol％を越えるとセメントスラリーを製造する際、ファイバーボールが発生しやすくなるだけでなく、セメント硬化体内部に含まれる繊維の割合が多くなりすぎることでセメント硬化体の圧縮強度や曲げ強度といった機械的強度が低下するおそれがある。

前記高強度セメント硬化体は、圧縮強度が８０N/mm²以上であり、好ましくは１００N/mm²以上であり、より好ましくは１２０N/mm²以上であり、さらに好ましくは１３０N/mm²以上であり、さらにより好ましくは１４０N/mm²以上である。高い強度が求められる高層のセメント硬化体建築物やトンネルなどに好適に用いることができる。

前記高強度セメント硬化体は、８００℃で２時間加熱後の質量減少率が２３質量％以下であることが好ましく、２０質量％以下であることが好ましく、１８質量％以下であることがより好ましく、１５質量％以下であることがさらに好ましく、１４質量％以下であることがさらにより好ましい。火災時に、効果的に爆裂防止が図れる。

以下、本発明の内容について実施例を挙げて説明する。なお、本発明は、下記の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
＜ポリプロピレン系繊維の製造＞
ポリプロピレン系樹脂（プロピレンの単独重合体、日本ポリプロ株式会社製、品名「ＳＡ０１Ａ」、Ｑ値：３．０）を円形のノズル孔形状を有する紡糸ノズルを用いて、紡糸温度を２７０℃として溶融押出し、引取速度１０００m/minで引き取り、９dtexの紡糸フィラメント（未延伸糸）を作製した。得られた紡糸フィラメントを使用し、１４０℃で、４．５倍に乾式延伸（一段延伸）し、リン酸エステルカリウム塩を主成分として含む親水性の繊維処理剤を繊維の質量に対して有効成分の割合が０．３質量％となるように付着させた後、繊維長６mmに切断した。得られたポリプロピレン系繊維（以下において、「ＰＰ繊維Ａ」とも記す。）の単繊維繊度は２．２dtex、単繊維強度は７．３４cN/dtex、単繊維伸度は２４％であった。

＜セメント硬化体の製造＞
セメント：細骨材を質量比で１：０．３５の割合で配合したセメント組成物に水結合材比（Ｗ／Ｂ）が１６質量％のとなるように水を加え、スラリー状にした後、実施例１のポリプロピレン系繊維をセメント硬化体に対して０．５Vol％になるように混入し、混練した。十分に混練した後、型に流し込み、型に入れたまま養生室内にて２４時間養生（湿空養生）し、湿空養生後、型から取り出して蒸気養生を２４時間行った。蒸気養生後、セメント硬化体を水中に入れて１週間水中養生を行い、１週間後、水中から取り出し空気中にて空気養生を１週間行い、直径が１００mm、高さが２００ｍｍの円柱状のセメント硬化体ブロック（ｎ＝３）を製造した。セメントは早強ポルトランドセメント、細骨材は７号珪砂を用いた。以下の実施例及び比較例でも同様のものを用いた。

（実施例２）
ＰＰ繊維Ａをセメント硬化体に対して０．２Vol％になるように混入して混練した以外は、実施例１と同様にして直径が１００mm、高さが２００ｍｍの円柱型のセメント硬化体ブロック（ｎ＝３）を製造した。

（実施例３）
繊維長が１２mmになるように切断した以外は、実施例１と同様にして、単繊維繊度が２．２dtexのポリプロピレン系繊維（以下において、「ＰＰ繊維Ｂ」とも記す。）を得た。得られた単繊維繊度が２．２dtexであり、繊維長１２mmのＰＰ繊維Ｂを用いた以外は、実施例１と同様にして直径が１００mm、高さが２００ｍｍの円柱状のセメント硬化体ブロック（ｎ＝３）を製造した。

（実施例４）
ＰＰ繊維Ｂをセメント硬化体に対して０．２Vol％になるように混入して混練した以外は、実施例３と同様にして直径が１００mm、高さが２００ｍｍの円柱型のセメント硬化体ブロック（ｎ＝３）を製造した。

（参考例５）
＜ポリプロピレン系繊維の製造＞
ポリプロピレン系樹脂（プロピレンの単独重合体、日本ポリプロ株式会社製、品名「ＳＡ０１Ａ」、Ｑ値：３．０）を円形のノズル孔形状を有する紡糸ノズルを用いて、紡糸温度を２７０℃として溶融押出し、引取速度４２０m/minで引き取り、４．１dtexの紡糸フィラメント（未延伸糸）を作製した。得られた紡糸フィラメントを使用し、１４０℃で２．０倍に乾式延伸（一段目延伸倍率が１．８倍、二段目延伸倍率が１．１倍であり、全体延伸倍率が２．０倍の乾式二段延伸）し、リン酸エステルカリウム塩を主成分として含む親水性の繊維処理剤を繊維の質量に対して有効成分の割合が０．３質量％となるように付着させた後、繊維長６mmに切断した。得られたポリプロピレン系繊維（以下において、「ＰＰ繊維ａ」とも記す。）の単繊維繊度は２．２dtex、単繊維強度は４．１７cN/dtex、単繊維伸度は４９．２％であった。

＜セメント硬化体の製造＞
実施例１のセメント硬化体作製時に用いたのと同じセメント及び細骨材を用い、セメント：細骨材を質量比で１：０．３５の割合で配合したセメント組成物に水結合材比（Ｗ／Ｂ）が１６質量％のとなるように水を加え、スラリー状にした後、参考例５のポリプロピレン系繊維をセメント硬化体に対して０．５Vol％になるように混入し、混練した以外は、実施例１と同様にして、直径が１００mm、高さが２００ｍｍの円柱状のセメント硬化体ブロック（ｎ＝３）を製造した。

（参考例６）
ＰＰ繊維ａをセメント硬化体に対して０．２Vol％になるように混入して混練した以外は、参考例５と同様にして直径が１００mm、高さが２００ｍｍの円柱型のセメント硬化体ブロック（ｎ＝３）を製造した。

（実施例７）
＜ポリプロピレン系繊維の製造＞
ポリプロピレン系樹脂（プロピレンの単独重合体、日本ポリプロ株式会社製、品名「ＳＡ０１Ａ」、Ｑ値：３．０）を円形のノズル孔形状を有する紡糸ノズルを用いて、紡糸温度を２７０℃として溶融押出し、引取速度８１０m/minで引き取り、５．３dtexの紡糸フィラメント（未延伸糸）を作製した。得られた紡糸フィラメントを使用し、１４０℃で、２．４倍に乾式延伸（一段目延伸倍率が２．２倍、二段目延伸倍率が１．１倍、全体延伸倍率が２．４倍の乾式二段延伸）し、リン酸エステルカリウム塩を主成分として含む親水性の繊維処理剤を繊維の質量に対して有効成分の割合が０．３質量％となるように付着させた後、繊維長６mmに切断した。得られたポリプロピレン系繊維（以下において、「ＰＰ繊維ｂ」とも記す。）の単繊維繊度は２．３dtex、単繊維強度は５．６１cN/dtex、単繊維伸度は３５．９％であった。

＜セメント硬化体の製造＞
実施例１のセメント硬化体作製時に用いたのと同じセメント及び細骨材を用い、セメント：細骨材を質量比で１：０．３５の割合で配合したセメント組成物に水結合材比（Ｗ／Ｂ）が１６質量％のとなるように水を加え、スラリー状にした後、実施例７のポリプロピレン系繊維をセメント硬化体に対して０．５Vol％になるように混入し、混練した以外は、実施例１と同様にして、直径が１００mm、高さが２００ｍｍの円柱状のセメント硬化体ブロック（ｎ＝３）を製造した。

（実施例８）
ＰＰ繊維ｂをセメント硬化体に対して０．２Vol％になるように混入して混練した以外は、実施例７と同様にして直径が１００mm、高さが２００ｍｍの円柱型のセメント硬化体ブロック（ｎ＝３）を製造した。

（実施例９）
＜ポリプロピレン系繊維の製造＞
ポリプロピレン系樹脂（プロピレンの単独重合体、日本ポリプロ株式会社製、品名「ＳＡ０１Ａ」、Ｑ値：３．０）を円形のノズル孔形状を有する紡糸ノズルを用いて、紡糸温度を２７０℃として溶融押出し、引取速度３９０m/minで引き取り、７．８dtexの紡糸フィラメント（未延伸糸）を作製した。得られた紡糸フィラメントを使用し、１４０℃で、３．５倍に乾式延伸（一段延伸）し、リン酸エステルカリウム塩を主成分として含む親水性の繊維処理剤を繊維の質量を１００としたときに有効成分の割合が０．３質量％となるように付着させた後、繊維長６mmに切断した。得られたポリプロピレン系繊維（以下において、「ＰＰ繊維ｃ」とも記す。）の単繊維繊度は２．３dtex、単繊維強度は６．９６cN/dtex、単繊維伸度は２９．６％であった。

＜セメント硬化体の製造＞
実施例１のセメント硬化体作製時に用いたのと同じセメント及び細骨材を用い、セメント：細骨材を質量比で１：０．３５の割合で配合したセメント組成物に水結合材比（Ｗ／Ｂ）が１６質量％のとなるように水を加え、スラリー状にした後、実施例９のポリプロピレン系繊維をセメント硬化体に対して０．５Vol％になるように混入し、混練した以外は、実施例１と同様にして、直径が１００mm、高さが２００ｍｍの円柱状のセメント硬化体ブロック（ｎ＝３）を製造した。

（実施例１０）
ＰＰ繊維ｃをセメント硬化体に対して０．２Vol％になるように混入して混練した以外は、実施例９と同様にして直径が１００mm、高さが２００ｍｍの円柱型のセメント硬化体ブロック（ｎ＝３）を製造した。

（参考例１１）
セメント組成物に水結合材比（Ｗ／Ｂ）が１３質量％になるように水を加えた以外は参考例５と同様にして直径が１００mm、高さが２００ｍｍの円柱型のセメント硬化体ブロック（ｎ＝３）を製造した。

（実施例１２）
セメント組成物に水結合材比（Ｗ／Ｂ）が１３質量％になるように水を加えた以外は実施例７と同様にして直径が１００mm、高さが２００ｍｍの円柱型のセメント硬化体ブロック（ｎ＝３）を製造した。

（実施例１３）
セメント組成物に水結合材比（Ｗ／Ｂ）が１３質量％になるように水を加えた以外は実施例９と同様にして直径が１００mm、高さが２００ｍｍの円柱型のセメント硬化体ブロック（ｎ＝３）を製造した。

（比較例１）
＜ポリプロピレン系繊維の製造＞
ポリプロピレン系樹脂（プロピレンの単独重合体、日本ポリプロ株式会社製、品名「ＳＡ０１Ａ」、Ｑ値：３．０）を円形のノズル孔形状を有する紡糸ノズルを用いて、紡糸温度を２７０℃として溶融押出し、引取速度１０００m/minで引き取り、繊度が５dtexの紡糸フィラメント（未延伸糸）を作製した。得られた紡糸フィラメントを使用し、１４０℃で、２．５倍に乾式延伸（乾式一段）し、実施例１で使用した親水性の繊維処理剤と同じ繊維処理剤を繊維の質量に対し０．３質量％となるように付着させた後、繊維長６mmに切断した。得られたポリプロピレン系繊維（以下において、「ＰＰ繊維Ｃ」とも記す。）の単繊維繊度は２．２dtexであった。

＜セメント硬化体の作製＞
ＰＰ繊維Ｃを用いた以外は、実施例２と同様にして直径が１００mm、高さが２００ｍｍの円柱状のセメント硬化体ブロック（ｎ＝３）を製造した。

（比較例２）
＜ポリプロピレン系繊維の製造＞
ポリプロピレン系樹脂（プロピレンの単独重合体、日本ポリプロ株式会社製、品名「ＳＡ０１Ａ」、Ｑ値：３．０）を円形のノズル孔形状を有する紡糸ノズルを用いて、紡糸温度を２７０℃として溶融押出し、引取速度５００m/minで引き取り、繊度が１５dtexの紡糸フィラメント（未延伸糸）を作製した。得られた紡糸フィラメントを使用し、１４０℃で、２．５倍に乾式延伸（一段）し、実施例１で使用した親水性の繊維処理剤を繊維の質量に対し有効成分が０．３質量％となるように付着させた後、繊維長１２mmに切断した。得られたポリプロピレン系繊維（以下において、「ＰＰ繊維Ｄ」とも記す。）の単繊維繊度は６．４dtexであった。

＜セメント硬化体の作製＞
ＰＰ繊維Ｄを用いた以外は、実施例１と同様にして直径が１００mm、高さが２００ｍｍの円柱状のセメント硬化体ブロック（ｎ＝３）を製造した。

（比較例３）
ＰＰ繊維Ｄをセメント硬化体（セメント硬化体組成物から水を除く）に対して０．２Vol％になるように混入して混練した以外は、比較例２と同様にして直径が１００mm、高さが２００ｍｍの円柱状のセメント硬化体ブロック（ｎ＝３）を製造した。

（比較例４）
＜ポリプロピレン系繊維の製造＞
ポリプロピレン系樹脂（プロピレンの単独重合体、日本ポリプロ株式会社製、品名「ＳＡ０１Ａ」、Ｑ値：３．０）を丸断面の中空紡糸ノズル（中空部分は繊維断面中心部に存在）を用いて、紡糸温度を２７０℃として溶融押出し、引取速度２００m/minで引き取り、繊度が４０dtexの紡糸フィラメント（未延伸糸）を作製した。得られた紡糸フィラメントを使用し、１４０℃で、２．５倍に乾式延伸（乾式一段）し、実施例１で使用した親水性の繊維処理剤を繊維の質量に対し有効成分が０．３質量％となるように付着させた後、繊維長１０mmに切断した。得られたポリプロピレン系繊維（以下において、「ＰＰ繊維Ｅ」とも記す。）の単繊維繊度は１７．０dtexであった。

＜セメント硬化体の作製＞
ＰＰ繊維Ｅを用いた以外は、実施例１と同様にして直径が１００mm、高さが２００ｍｍの円柱状のセメント硬化体ブロック（ｎ＝３）を製造した。

（比較例５）
＜ポリプロピレン系繊維の製造＞
ポリプロピレン系樹脂（プロピレンの単独重合体、日本ポリプロ株式会社製、品名「ＳＡ０１Ａ」、Ｑ値：３．０）を円形のノズル孔形状を有する紡糸ノズルを用いて、紡糸温度を２７０℃として溶融押出し、引取速度５５０m/minで引き取り、２．８dtexの紡糸フィラメント（未延伸糸）を作製した。得られた紡糸フィラメントを使用し、１４０℃で、１．３５倍に乾式二段延伸（一段目延伸倍率が１．２３倍、二段目延伸倍率１．１０倍、全体延伸倍率が１．３５倍の乾式二段延伸）し、延伸（二段延伸）し、リン酸エステルカリウム塩を主成分として含む親水性の繊維処理剤を繊維の質量を１００としたときに有効成分の割合が０．３質量％となるように付着させた後、繊維長６mmに切断した。得られたポリプロピレン系繊維（以下において、「ＰＰ繊維ｄ」とも記す。）の単繊維繊度は２．３dtex、単繊維強度は２．６７cN/dtex、単繊維伸度は１４１．７％であった。

＜セメント硬化体の製造＞
実施例１のセメント硬化体作製時に用いたのと同じセメント及び細骨材を用い、セメント：細骨材を質量比で１：０．３５の割合で配合したセメント組成物に水結合材比（Ｗ／Ｂ）が１６質量％のとなるように水を加え、スラリー状にした後、比較例５のポリプロピレン系繊維をセメント硬化体に対して０．２Vol％になるように混入し、混練した以外は、実施例１と同様にして、直径が１００mm、高さが２００ｍｍの円柱状のセメント硬化体ブロック（ｎ＝３）を製造した。

（参考例１）
セメント：細骨材を質量比で１：０．３５の割合で配合したセメント組成物に、水結合材比（Ｗ／Ｂ）が４５質量％となるように水を加え、スラリー状にした後、ＰＰ繊維Ａをセメント硬化体に対して０．２Vol％になるように混入し、混練した以外は、実施例１と同様にして、直径が１００mm、高さが２００ｍｍの円柱状のセメント硬化体ブロック（ｎ＝３）を製造した。

（参考例２）
セメント：細骨材を質量比で１：０．３５の割合で配合したセメント組成物に、水結合材比（Ｗ／Ｂ）が４５質量％となるように水を加え、スラリー状にした後ＰＰ繊維Ｃをセメント硬化体に対して０．２Vol％になるように混入し、混練した以外は、実施例１と同様にして、直径が１００mm、高さが２００ｍｍの円柱状のセメント硬化体ブロック（ｎ＝３）を製造した。

（参考例３）
セメント：細骨材を質量比で１：０．３５の割合で配合した、セメント組成物に、水結合材比（Ｗ／Ｂ）が１６質量％となるように水を加え、スラリー状にした後、ジュートをセメント硬化体に対して０．５Vol％になるように混入し、混練した以外は、実施例１と同様にして、直径が１００mm、高さが２００ｍｍの円柱状のセメント硬化体ブロック（ｎ＝３）を製造した。

実施例１〜４、７〜１０、１２、１３、比較例１〜５及び参考例１〜３、５、６、１１で得られたセメント硬化体ブロックの圧縮強度を下記のように測定した。また、下記の耐火試験を行い、下記のような基準で爆裂の程度を判断した。また、ＰＰ繊維Ａ〜ＰＰ繊維E、ＰＰ繊維ａ〜ＰＰ繊維ｄの単繊維強度及び単繊維伸度を測定した。これらの結果を下記表１〜表３に示した。

（単繊維強度及び単繊維伸度）
ＪＩＳＬ１０１５に基づいて測定した。

（圧縮強度）
耐火試験の前に、ＪＩＳＡ１１０８に準じて圧縮強度試験を行い、圧縮強度を測定した。

（耐火試験）
試験体をＪＩＳＡ１３０４に準じ、８００℃で２時間加熱させた。加熱後の試験体を目視で観察し、図１の評価基準に基づいて耐火性を評価した。図２に、耐火試験後の実施例１〜４及び比較例１〜４のセメント硬化体ブロックを示した。また、セメント硬化体ブロックの加熱前の質量（Ｗａ）及び加熱後の質量（Ｗｂ）を測定し、下記式（１）に基づいて、質量減少率を算出した。
質量減少率（質量％）＝[Ｗａ（ｇ）−Ｗｂ（ｇ）]／Ｗａ（ｇ）×１００

表１〜表４の結果から、単繊維強度が４．０cN/dtex以上のポリプロピレン系繊維を用いた実施例１〜４、７〜１０、１２、１３及び参考例５、６、１１のセメント硬化体ブロックは、耐火試験後の目視評価において、２．５以下の評価を得ており、爆裂が防止されていることが分かった。また、質量減少率が２３質量％以下であり、爆裂が防止されていることが分かった。実施例１と実施例３の対比、及び実施例２と実施例４の対比から分かるように、繊維長が短いほど、爆裂防止効果が高かった。

圧縮強度が８０N/mm²以上の高強度のセメント硬化体において、爆裂現象の起こりにくさ、即ち爆裂現象の抑制効果が、セメント硬化体に含まれるポリプロピレン系繊維の単繊維強度に依存していることがわかる。具体的には、表１、表２及び表４において、ポリプロピレン系繊維の繊維量がいずれも０．２Vol％である実施例２、８、１０、参考例６及び比較例５を比較するとわかる。単繊維強度が４．０cN/dtex未満であるポリプロピレン系繊維を用いた比較例５では、耐火試験後の質量減少量が２４％、目視評価も２．５となっているのに対し、単繊維強度が４．０cN/dtex以上のポリプロピレン系繊維を用いた参考例６では、耐火試験後の質量減少量が１５．２％、目視評価が２と比較例５より大きく改善しており、参考例６で使用したポリプロピレン系繊維よりも更に単繊維強度の大きいポリプロピレン系繊維を用いた実施例８及び１０では、いずれの硬化体でも質量減少量がさらに減少し、目視検査の評価も高くなっている。

単繊維強度の高いポリプロピレン系繊維を使用することで効果的に爆裂を防止することができるが、セメント硬化体への添加量を増やすことで、その効果を更に高めることができる。ポリプロピレン系繊維の添加量を０．５Vol%とした参考例１１、実施例１２〜１３では、水結合材比（Ｗ／Ｂ）を１３質量％に減らし、圧縮強度が２００N/mm²と高い圧縮強度、言い換えるならば、さらに密度が高く、爆裂が発生しやすいセメント硬化体であっても爆裂を防止することが確認できた。

セメント硬化体に含まれるポリプロピレン系繊維の単繊維強度によって、セメント硬化体の爆裂現象に差が出た原因は特定できないが、次のように考えられる。

図４Ａに示すように、セメント硬化体側面部の表面からの距離がそれぞれ50mm、40mm、30mm、20mm、１０mm、5mm、２mmであって、図４Ｂに示すように、セメント硬化体の上面部からの距離（深さ）が100mmの位置に温度計を埋め込み、前記耐火試験と同じ条件で加熱試験を行い、炉内温度の上昇の伴い、セメント硬化体内部の温度が、側面部表面からの距離によってどう変化するか測定した。その結果を図５に示すが、炉内温度が４００℃に達したときでも、セメント硬化体の側面部表面から１０mmの位置では１００℃であり、ポリプロピレン系繊維の大部分がガス化する温度（３５０℃）はおろかポリプロピレン樹脂の融点（約１６０℃）にも達していないことがわかった。

セメント硬化体を加熱すると、爆裂現象はセメント硬化体の周辺温度（具体的には、耐火試験であれば炉内の温度、実際の火災現場であれば建物内部の温度）が３５０〜４００℃に到達すると発生する可能性がある。このとき、セメント硬化体を取り巻く気体の温度は３５０〜４００℃に到達しているものの、セメント硬化体内部は十分に加熱されておらず、セメント硬化体表面から１０mm以上の深さにおいては、ポリプロピレン系繊維は、ガス化しておらず、繊維の状態を保ったままセメント硬化体内部に残存していると推定される。

加熱されたセメント硬化体の内部では、熱膨張が拘束されることで圧縮応力や引張応力といった熱応力が発生する。熱応力に対し、セメント硬化体が耐えられなくなるとセメント硬化体内部には微小なひび割れが発生する。加えて、セメント硬化体内部の温度が次第に上昇することによって水分が蒸発し、乾燥領域、蒸気領域が形成される。この蒸気領域ではコンクリート内部に存在した水分が気体として存在するため、セメント硬化体の側面部表面に向け引張応力が発生する。熱応力によりひび割れが形成され、水蒸気圧による引張応力に対しセメント硬化体が耐えられなくなった段階で爆裂が発生すると推測されるが、ポリプロピレン繊維の融点に達していないセメント硬化体内部ではポリプロピレン系繊維の架橋効果によりセメント硬化体の強度・靱性が強化され、爆裂現象が抑制される。このとき、単繊維強度が大きいポリプロピレン系繊維を使用することでセメント硬化体への補強効果、架橋効果がより強く発現するようになり、単繊維強度の高いポリプロピレン系繊維を使用した実施例において、効果的に爆裂が抑えられたと考えられる。

Claims

圧縮強度が８０N/mm²以上の高強度セメント硬化体の爆裂防止に用いる高強度セメント硬化体爆裂防止用繊維であって、
前記高強度セメント硬化体爆裂防止用繊維は、ポリプロピレン系樹脂で構成されており、単繊維強度が５．６１cN/dtex以上であることを特徴とする高強度セメント硬化体爆裂防止用繊維。
単繊維繊度が０．３〜２０dtexである請求項１に記載の高強度セメント硬化体爆裂防止用繊維。
繊維長が１〜２５mmである請求項１又は２に記載の高強度セメント硬化体爆裂防止用繊維。
単繊維伸度が５〜８０％である請求項１〜３のいずれか１項に記載の高強度セメント硬化体爆裂防止用繊維。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の高強度セメント硬化体爆裂防止用繊維をセメント硬化体に対して０．０１〜１．０Vol％含み、圧縮強度が８０N/mm²以上である高強度セメント硬化体。
８００℃で２時間加熱した後に質量減少率が２３質量％以下である請求項５に記載の高強度セメント硬化体。