Fiber cement, which is inter-grind

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は、コンクリート、モルタル、およびグラウト等の繊維強化されたセメント状組成物に関する。 特に、
本発明は、優れた繊維強化コンクリート、モルタル、およびグラウトをもたらす、相互粉砕された繊維とセメントとの組成物と製造に関する。

発明の背景 コンクリート、モルタル、およびグラウトの物理的特性は、混合物中に有機繊維を含有させることによって改良されてきた。 種々の有機ポリマー繊維は、モノフィラメント、フィブリル化されたシート材料、およびフィブリルの形状で、コンクリート混合物中に導入されてきた。 最適なポリマーは、化学的に不活性であって、初期の湿った混合物中および最終的に“硬化した”組成物中で加水分解する基を有していないポリマーである。 特に、ポリオレフィンおよびスチール繊維は、優れた引張り歪み容量と安定性とを有すること、および、それらが加えられるコンクリートおよびモルタルを改良することが立証されてきた。

繊維は、水和および重合反応の間に、部分的には硬化反応中におけるセメント状成分の収縮から、セメント状の生成物にマイクロメカニカルに接合する。 それらは、
衝撃、破砕、および摩耗に対する抵抗；塑性収縮クラックの制御；改善された後クラック特性；および引き伸ばされた疲れ寿命を与える。 しかしながら、これらの特性およびその他の改良された特性を与えるためには、初期混合物中に繊維が均一に分散していることが必須である。

本発明がなされる以前、セメント状組成物中に用いられる繊維は、フィブリル化されたもしくはモノフィラメントの繊維、またはフィブリルが包装された固まりとして市販されていた。 繊維は、典型的には、セメント、
砂、骨材、その他の添加剤、および水とともにミキサー中に投入された。 より長い繊維は、特に高濃度の場合に、凝集してボール状になる傾向を有し、ミキサーと組成物成分との剪断作用は、繊維を分離し、分散させることができた。 セメント状混合物の不透明性および表面組織のために、混合を目視により検知することは不可能である。 しかしながら、硬化したセメント状組成物の検査から、繊維を最適に単一にほぐすこと、および繊維の効果的な均一分散が、必ずしもいつも達成されていないことが明らかになる。

発明の概要および目的 水和性セメント粉末中に、0.0001〜10体積％の相互に粉砕された繊維が均一に分散された分散物を含む水和性混合物は、繊維前駆体とセメントクリンカーとをグラインドミルに投入し、クリンカーが微細な粉末になるまで混合物を粉砕することによって製造される。 繊維は、スチール、耐アルカリ性ガラス、カーボン、セラミックまたは有機ポリマー繊維、またはそれらの混合物とすることができる。 好ましい繊維前駆体は、スチール繊維、および、20,000デニールまでの直径と１〜75mmの長さとを有し、押し出されたモノフィラメント、またはフィブリル化されたシート状繊維の形状のポリオレフィンである。 最適な繊維は、スチール、ポリプロピレン、およびこれらの混合物である。

本発明の目的は、繊維の表面接合、引張り歪み容量、
後クラック挙動、靭性、衝撃強度、疲れ抵抗、耐火性、
スチールへの接合性、耐食性、および耐久性が改善された繊維強化水和生成物を製造可能な、水和性セメント状混合物を提供することにある。 これらの目的は、繊維前躯体とセメントクリンカーとが相互に粉砕されて作られる、繊維−セメント組成物を製造することによって達成される。

本発明者らは、ミル内で繊維がクリンカーと相互に粉砕（inter−grinding）された際に、分散の均一性が高められることを見出だした。 繊維が相互に粉砕されて分散する間に、セメント粒子は、繊維の表面に取り込まれ、表面の親水性を増加させる。 水と接触した場合、繊維は迅速にぬれ、混合されている間に分散し続ける。 このことは、硬化したセメント状組成物中で、繊維がボール状になったり凝集することを避ける。 結果として、繊維のセメントに対する比容積によって達成される機械的靭性、および耐クラック性が向上し、特定の繊維または繊維混合物で得られる最大コンクリート靭性が増大する。

発明の詳細な説明 粉砕した石灰石、鉄鉱石、砂および粘土の混合物をクリンカーが形成されるまで高温で仮焼することによって、ポルトランドセメントが得られる。 クリンカーを冷却し、ボールミルのようなグラインドミルに適合するサイズを有する均一な粒子になるまで粗粉砕する。 その後、クリンカー粒子を微細な粉末になるまで微粉砕する。 その粉末状は、通常市販されており、消費者によく知られている。 粉末をその他の成分および水と混合し、
モルタル、グラウト、ショットクリートまたはコンクリートのような所望の生成物を得る。 コンクリートは、例えば、ポルトランドセメント、砂、骨材、混和剤および水の混合物を水和することによって得られる。 繊維添加物は、典型的に、その他の添加物と同時に添加され、ミキサー中で成分が混合されるように分散する。 繊維添加物は、硬化反応におけるコンクリートの収縮に起因するクラック成長および幅を減少させることが知られている。 しかしながら、通常の混合中に繊維を分散させることは困難であるので、100/1より大きいアスペクト比を有する繊維は避けられる。 さらに、100/1より小さいアスペクト比を有する繊維を用いても、コンクリート中で観測される繊維の分散の変動傾向は避けられないので、
繊維は、主要な応力負荷を支持することができない。

本発明の方法において、改善された均一に分散した繊維強化生成物は、クリンカー粒子とともに繊維前駆体を、セメントグラインダー中に投入することによって得られる。 繊維前駆体は、繊維上におけるクリンカー粒子と粉砕要素との作用によって、縮径化され、表面が粗くなり摩耗される。 コンクリートを製造する際の成分を加えるときに、ボール状になったり凝集することなく、繊維は迅速かつ均一に分散する。 縮径化され、表面が粗くなり最終的に摩耗された繊維は、水和する間にセメントとの間により強い機械的結合を形成するので、繊維強化を評価するための全ての特性に向上が得られる。 100/1
より大きいアスペクト比（長さ／直径）を有する繊維を使用することができ、繊維分布の均一性は、応力負荷のより大きな部分を支持できるレベルまで増加する。

従来の分散方法を用いると、比較的低い真体積比または濃度を越える繊維濃度は、コンクリートの物理的特性を損なう。 本発明の方法では、繊維のより高い真体積比または濃度は、強度、耐クラック性、およびその他の所望の特性の増加を与えることができる。 より低い真体積比においても、所望の特性に効果的な向上が得られ、繊維の“繊維強化効率”は増加する。

以下、説明を明確にするための成分を含有するポルトランドセメントに関して本発明を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。 本発明の方法および組成物は、水和性組成物を粉砕して微細な粉末にすることによって得られた組成物であり、粉砕要素と、繊維を伴う鉱物粒子との間の粉砕の相互作用によって、改良され相互粉砕された繊維が提供され得る任意のセメント状組成物について、同等に適している。

本発明に使用され得る繊維は、所望の耐アルカリ性、
強度および安定性を有する任意の無機または有機ポリマー繊維を含む。 “耐アルカリ性”の用語は、おもに、ポルトランドセメント環境における耐アルカリ性を意味する。

適切な無機繊維は、スチール、耐アルカリ性ガラス、
カーボン（グラファイト）、およびセラミックス繊維を含む。 スチール繊維は、好ましい無機繊維である。 それらは、重いストリップまたはワイヤ、あるいは“スチールウール”のような微細な繊維の形状にすることができる。

適切な有機繊維は、レーヨン、ナイロンおよびその他のポリアミド、ポリアクリロニトリル、ポリビニルアセテート、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン；ダクロン、マイラー、オーロンのようなポリエステル；ポリエチレンおよびポリプロピレンのようなポリオレフィンが挙げられる。 化学的に不活性で安定性がよく、分解しにくい表面特性、縮径化の間のそれらの挙動のために、ポリオレフィンが最も好ましい。
粉砕作用中の縮径化の間に、分子は一列に並び、繊維の引張り歪み容量は増加する。 繊維表面は、粗面化されてフィブリル化され、セメント状組成物が硬化する間に、
セメントとの機械的接合特性は向上する。 最適なポリオレフィン繊維は、ポリプロピレンモノフィラメントおよびフィブリル化されたポリプロピレンフィルムである。

相互粉砕された繊維混合物もまた、本発明の範囲内に含まれる。 最適な混合物は、ポリオレフィンとスチール繊維とを含み、コンクリート混合物中でのそれぞれの特性は、耐クラック性および靭性に補足的な改良を与える。

相互粉砕された無機繊維前駆体としては、任意の金属、耐アルカリ性ガラス、合成セラミックスまたはカーボン繊維が挙げられる。 これらの材料は市販されており、セメント状および重合性構造物を強化するために広く使用されている。 スチール繊維の適切な入手先は、No
vocon International,Inc.（Chicago,IL）である。

相互粉砕された有機繊維前駆体としては、例えば、米国特許第3,591,395号、同第4,297,409号、同4,414,030
号等に記載されているコンクリート混和剤中で使用されているような、通常のポリオレフィンモノフィラメントおよびフィブリル化されたプラスチックフィルムが挙げられる。 それらは、20,000デニールまでの直径、または相当直径を有し、好ましくは１〜4000デニールである。

ここで用いられる“相当直径”の用語は、繊維の断面積と等しい断面積を有する円の直径で定義される。 特に、この用語は、フィルムを延伸し切断することによって得られた前駆体繊維の相対的な寸法を表わすのに適用し得る。

前駆体繊維は、１〜75mmの長さを有し、好ましくは５
〜50mmである。 繊維状の成分は、0.0001〜10体積％、好ましくは0.1〜5.0体積％で繊維が含有された、相互粉砕された繊維−粉砕セメント組成物が得られる量でクリンカーに加えられる。

加えられる繊維のサイズおよび量は、ポルトランドセメントが製造されるための最終生成物に依存する。 例えば、グラウトおよびモルタルのためには、前駆体繊維の直径または相当直径は、１〜1000デニールが好ましく、
前駆体繊維長は５〜15mmが好ましく、繊維濃度は0.1〜
５体積％が好ましい。 等級の高いコンクリート厚板のためには、前駆体繊維の直径または相当直径は、１〜2000
デニールが好ましく、前駆体繊維長は、５〜25mmが好ましく、繊維濃度は0.1〜２体積％が好ましい。 高い応力に供される耐重量構造を形成するためのロッドとともに、角柱状のスチールと組み合わされるコンクリートが用いられる、橋またはその他の構造物のためには、前駆体繊維の直径または相当直径は、６〜5000デニールが好ましく、前駆体繊維長は、10〜50mmが好ましく、繊維濃度は0.1〜５体積％が好ましい。 繊維−水和性セメント状粉末混合物は、包装され、貯蔵され、通常の繊維強化セメント状生成物を製造するために通常使用されるのと同様の方法、および同様の割合で、グラウト、モルタル、ショートクリート、またはコンクリートを製造するための他の成分と混合される。 相互に粉砕された繊維強化セメント状生成物は、改良された繊維表面接合、引張り歪み容量、後クラック挙動、靭性、衝撃強さ、疲れ疲労、耐火性、スチールへの接合性、耐食性、および耐久性を有する。 これらの目的は、繊維前駆体をセメントクリンカーと相互に粉砕することによって、繊維−セメント混合物を形成することにより達成される。