【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は、セメント材の補強等に適した炭素繊維に関する。 【０００２】 【従来の技術】建築土木材料の原料として使われているセメント系マトリックスは、脆性的性質を持ち単独では構造材としての信頼性に欠ける。 これを補強、補完する目的で従来から鉄筋が用いられてきており、また、近年は補強繊維により構造材の特性（主に強度）の更なる改善が検討されてきている。 例えば、炭素繊維を適量混合することによって、これまでのセンメントコンクリートでは発現し得なかった強度特性、変形特性、弾性特性などを付与することができ、新規構造材料として大きな期待が寄せられている。 【０００３】炭素繊維では、セメント系マトリックスへの接着性や分散性を改善し、得られる炭素繊維補強コンクリートの強度を高めるための様々な工夫が行われている。 例えば、特開昭６２−１０８７５５号公報には、炭素繊維の表面に、カチオン性のスチレンブタジエン系ゴムラテックスを付着させることが開示されている。 また、特開昭６０−８１０５２号公報には、ハチェック方式抄造法で強化セメント材を製造する際に、繊維表面にポリアクリルアミドのようなノニオン性高分子凝集剤、
あるいはポリアクリルアミドマンニッヒ変性物を付着せしめる方法が開示されている。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の従来技術では炭素繊維表面の物理的、化学的状態を改善するために用いる処理剤自体はイオン性のものを使用しているが、その処理剤で処理した後の炭素繊維表面の電気的な状態、すなわちゼータ電位を直接測定して制御した例はない。 【０００５】本発明者らは、鋭意検討した結果、炭素繊維製造段階で通常行われる電解酸化等の表面処理を施した炭素繊維表面のゼータ電位は、ｐＨ２〜１２の全ｐＨ
領域で負の大きな値をとることがわかった。 このような炭素繊維表面に従来技術で開示されているようなノニオン性あるいはカチオン性の処理剤で処理を施しても、セメント混練水中のようなｐＨ１１〜１３の高ｐＨ領域では、炭素繊維表面のゼータ電位は−１０ｍＶよりはるかに小さくなることがわかった。 また、ゼータ電位の大きさは、炭素繊維製造段階で通常行われる電解酸化等の表面処理条件にも依存するが、処理剤の濃度にも依存することがわかった。 【０００６】本発明者らの検討した結果によれば、セメントを分散した水のｐＨは１１〜１３となり、その水中でのセメント粒子のゼータ電位は、−１０ｍＶ乃至−数ｍＶとなった。 したがって、炭素繊維の表面ゼータ電位が負で大きな値になると、セメントマトリックス中での炭素繊維の分散性が悪くなったり、マトリックスとの付着力が弱くなったりする。 【０００７】このような現状を鑑み、本発明者らは、従来技術では達成出来なかったセメント混練水中でのゼータ電位をコントロールし、しかも炭素繊維のマトリックス中での接着性や分散性を高め、強度に優れた炭素繊維強化コンクリートを得ることを目的として本発明を完成した。 【０００８】 【課題を解決するための手段】本発明は、流動電位法で測定される表面のゼータ電位が、セメントと同じｐＨ１
１〜１３の水溶液中で−１０ｍＶ以上であることを特徴とするセメント補強用炭素繊維及びそれを用いたコンクリートの製造方法にある。 【０００９】本発明において、ゼータ電位は、流動電位法により島津流動電位計（ＺＰ−１０Ｂ）を用いて測定を行った値を示す。 具体的には、各種処理剤で処理した炭素繊維を長繊維の状態で測定セルに装填し、イオン強度が等しくなるように調整した各ｐＨの流動液をセルに流した時に発生する流動電位を測定し、計算よりゼータ電位を求めた。 【００１０】通常の電解酸化処理のみを施した炭素繊維の各ｐＨの流動液でのゼータ電位を測定した結果を図１
に示した。 この場合低ｐＨ側から高ｐＨ側までの全ｐＨ
領域でゼータ電位は負となった。 通常のセメント混練水中のｐＨは通常１１〜１３であるので、本発明では、ｐ
Ｈ１２におけるゼータ電位を測定して行った。 【００１１】本発明で特定する流動電位法で測定されるゼータ電位が、ｐＨ１１〜１３の水溶液中で−１０ｍＶ
以上を有する炭素繊維は、通常施される電解酸化処理を施した炭素繊維を、カチオン性の重合体、カチオン性の界面活性剤で処理することによって得られる。 またシランカップリング剤で処理してもよい。 【００１２】カチオン性の重合体としては、ポリジメチルアミノエチルアクリレート−メチルクロライド４級塩、ポリジメチルアミノエチルアクリレート−メチルクロライド４級塩、ポリジメチルアミノエチルメタアクリレート硫酸塩等のポリアルキルアミノアルキルメタクリレートの４級塩、あるいはポリアルキルアミノアルキルアクリレートの４級塩、アクリルアミドとアルキルアミノアルキルメタアクリレートの４級塩、あるいはアルキルアミノアルキルアクリレートの４級塩との共重合体、
アルキルアミノアルキルアクリレートの４級塩、あるいはアルキルアミノアルキルメタアクリレートとアクリルアミドとアクリル酸の共重合体、キトサン、アミン−ハライド重縮合物、アミン−ホルマリン重縮合物、アミン−エポキシ重縮合物、ポリアミドポリアミン、ポリエステルポリアミンを挙げることができる。 【００１３】カチオン性界面活性剤としては、ラウリルトリメチルアンモニウムクロライド、ラウリルジメチルベンジルアンモニウムクロライド、セチルジメチルエチルアンモニウムブロマイド、ラウリルジメチルクロロベンジルアンモニウムクロライドのような第４級アンモニウム塩などが挙げられる。 【００１４】また、シランカップリング剤としては、アミノプロピル−トリエトキシシラン、アミノエチル−アミノプロピルトリメトキシシラン、フェニルアミノプロピルトリメトキシシランのようなものが用いられる。 【００１５】これら処理剤の中で、耐アルカリ性、イオン強度、炭素繊維への付着性の点からポリアルキルアミノアルキルアクリレート４級塩系およびポリアルキルアミノアルキルメタアクリレート系第４級塩系とアクリルアミドの共重合体系のものが特に好ましい。 【００１６】炭素繊維に対する処理剤の付着量は０．０
１〜５重量％であり、望ましくは０．１〜１重量％とするのが好ましい。 この範囲により付着量が少ないと十分なゼータ電位を付与出来ず、またその結果セメントマトリックスと炭素繊維との接着力が弱くなる。 また、この範囲より付着量が多いと炭素繊維同士の接着が生じ、セメントマトリックスへの繊維の分散性の低下を招き好ましくない。 【００１７】炭素繊維に対する前記処理剤の付着方法としては、電解酸化処理を施した炭素繊維を、処理剤の水溶液または水分散液に浸漬、または連続して通し所定量の処理剤を付着させ、常温乃至加熱下に乾燥することによって達成される。 【００１８】本発明で規定したゼータ電位は、セメント中と同じｐＨの水溶液中で−１０ｍＶ以上であり、望ましくは−１０ｍＶ乃至＋４０ｍＶとするのが好ましい。
この範囲よりゼータ電位が小さいとセメントマトリックス中での炭素繊維の分散性や接着力が弱くなり、炭素繊維補強セメント材強度の低下を招くことになる。 また、
この範囲以上では、炭素繊維とマトリックスとの相互作用が大きくなり過ぎ、炭素繊維の分散性に悪影響を与え、強度の低下を招くことになる。 【００１９】本発明で使用できる炭素繊維としては、公知の炭素繊維であれば特に限定はないが、特に本発明においては補強セメント材の高強度化が主たる目的であるため、補強材料である炭素繊維としては、より高強度であることが望ましい。 したがって、汎用的で、かつ、高い強度特性の得られ易いポリアクリロニトリル系炭素繊維が好ましい。 【００２０】また、炭素繊維の使用形態にはなんら制限もなく、長繊維であっても、短繊維であっても構わない。 更に、ストランド、シート、不織布、織物、編み物、組みひも状の形態で使用でき、ダイレクトスプレー法、プレミックス法、含浸法、ハンドレイアップ法、抄造法など各種方法で施行出来る利点を有する。 【００２１】本発明における炭素繊維を用いて補強したセメント材は、セメントマトリックス中に炭素繊維を分散させたものであれば、砂や砂利などの骨材の有無や、
その量の多少、或は、鉄筋や各種の添加剤、混和剤の量の多少を問わず、更にはセメントの種類を問わず、強度特性に優れる。 【００２２】本発明による炭素繊維補強したセメント材を用いて板状、管状、柱状など各種形状の成形物にすることが出来る。 【００２３】 【実施例】次に、実施例により本発明を更に具体的に説明する。 ［実施例１〜５］直径７μｍ、比重１．８０、引張り強度４５０ｋｇｆ／ｍｍ 2 、弾性係数２４ｔｏｎｆ／ｍｍ
2 、ｐＨ７．５の重炭酸アンモニウム５％水溶液中で１
ｇ当たり１００クーロンの電気量で電解酸化処理を施したフィラメント数１２０００本のポリアクリロニトリル系炭素繊維束を、表１に示す各処理液中を通した後、１
２０℃で２分間乾燥して付着処理を行なった。 処理液は、有効成分０．２％の水溶液あるいは水分散液となるように調製した。 処理して得られた炭素繊維の、ｐＨ１
２におけるゼータ電位を流動電位法により測定した値も表１に示す。 【００２４】 【表１】 【００２５】上記処理を施した炭素繊維束を３ｍｍの長さにカットし、表２に示す配合で炭素繊維補強コンクリート供試体を作製した。 練り混ぜは、炭素繊維は体積分率で０．５％として１０リットルのオムニミキサーを用いた。 【００２６】 【表２】 【００２７】成型後、第１次養生（湿気室で１日）し、
さらに材令１日で脱型後、第２次養生（３０℃の水中で７日）を行なった。 炭素繊維補強セメント材の曲げ強度の評価は４×４×１６ｃｍの供試体を用いＪＩＳ−Ｒ５
２０１に準拠して行った。 結果を表１に記した。 【００２８】［比較例１〜２］電解酸化処理のみで何ら他の処理を施していない炭素繊維（比較例１）および表１に示す処理剤（比較例２，３）を用いて処理し、実施例１と同様な方法でゼータ電位の測定と炭素繊維補強セメント材の曲げ強度を測定した。 その結果を併せて表１
に示した。 【００２９】 【発明の効果】本発明の炭素繊維を用いて作製した炭素繊維補強セメント材は、大きな曲げ強度を示し、高い補強効果が達成される。 したがって、各種コンクリート製品の製造において極めて有用である。 【図面の簡単な説明】 【図１】電解酸化処理炭素繊維のゼータ電位のｐＨ依存性を示す図である。 ───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 武井 吉一 東京都調布市飛田給二丁目19番１号 鹿島 建設株式会社技術研究所内 (72)発明者 小林 美亀雄 東京都調布市飛田給二丁目19番１号 鹿島 建設株式会社技術研究所内 (72)発明者 末永 龍夫 東京都調布市飛田給二丁目19番１号 鹿島 建設株式会社技術研究所内 (72)発明者 里山 公治 東京都調布市飛田給二丁目19番１号 鹿島 建設株式会社技術研究所内 |
