植物繊維は、セメント製品にさまざまな特性の組み合わせをもたらすことができます。これらは、微細なひび割れの分散を助け、密度を低下させ、一部の壁材の断熱性能を向上させる可能性があります。また、水分を吸収する性質もあり、多くの天然繊維はポルトランドセメントの高度にアルカリ性の環境下で変化します。 有効な設計を行うには、まず製品に求められる機能を明確にし、その後、実際の結合材において特定の繊維グレードを試験することから始めます。.
山東建邦化学繊維株式会社では、セメント系材料向けの「Ecocretefiber™」繊維を供給しています。当社のセルロース繊維製品群は、植物由来の繊維を求めるメーカーにとって選択肢の一つとなります。ただし、採用にあたっては、明確な用途と管理された試験が必要です。 わら、竹、菜種の茎、その他の植物繊維に関する研究を調査すると、なぜ単一の「“植物繊維コンクリート”「」のレシピ。.
コンクリートにおいて、何が植物繊維とみなされるか
植物繊維とは、わら、竹、サイザル、ジュート、ココナッツのコイア、あるいは加工セルロースなどの天然資源に由来する繊維またはその断片のことです。その主成分はセルロース、ヘミセルロース、リグニンであり、少量のワックスやその他の化合物も含まれています。これらの成分比率は、種類、収穫時期、加工方法、保管状態によって異なります。 「“セルロース繊維”したがって、「」は、セメント中において、その寸法、吸水性、および挙動が極めて異なる場合がある。.
形状は、原料の由来と同じくらい重要です。刻んだ茎、粉砕されたわらの粒子、および精製された短いセルロースフィラメントでは、同じ補強効果が得られません。 長い繊維はより大きな亀裂を架橋できる一方、微細なフィブリルは接触面積が広く、生コンの凝集性に影響を与える可能性がある。いずれの特性も、それ単体では構造的性能を証明するものではない。選定したグレードについては、長さ、アスペクト比、引張強度、接着性、配合量、および分散性を測定する必要がある。.
植物繊維は、また、 ポリプロピレン極細繊維 および可溶性セルロースエーテルから。. PPモノフィラメント 吸水特性が異なり、一方、セルロースエーテルは粉末としてのモルタルの吸水性や流動性を変化させます。当社のガイドでは、 セルロース繊維およびセルロースエーテルr なぜ重量だけでそれらを置き換えることができないのかを説明しています。.
| 物質の形態 | 評価すべき主な役割 | 主な資格に関する懸念事項 |
| 生のわらや茎を刻んだもの | 一部の製品における低密度、ひび割れの分布、または断熱性 | 成分の変動、吸水性、抽出物、および長期安定性 |
| 加工セルロース繊維 | 微細なひび割れの制御と混合物の凝集性 | グレードの一貫性、投与量、分散性、および適合性 |
| 竹やその他の長い植物の繊維 | 潜在的な クラックブリッジ マッチングされた複合材において | 結合、配向、水分の移動、およびアルカリ老化 |
| PPマイクロファイバー | 繊維の吸水率が低いことによる早期のひび割れ抑制 | 指定された等級、投与量、およびプロジェクトの性能試験 |
この比較は、設計上の役割の可能性を示すものであり、保証された結果を示すものではありません。仕様書には、植物の分類上の科名だけでなく、実際の製品名とその検証済みの性能を明記する必要があります。.
繊維が強度と亀裂挙動に与える影響
繊維は、セメントマトリックスが割れるにつれて、発生しつつある亀裂を横切り、引張力を伝達することができます。この「ブリッジ」は、梁の破壊様式や亀裂の発生数に影響を与える可能性があります。細かく、均一に分布した繊維ネットワークは、亀裂の広がりを抑えるのに役立ちます。有効な力は、繊維が損傷せずに残っているかどうか、および界面が過度なすべりや早期破断を起こさずに荷重を伝達できるかどうかに依存します。.
Bai Shiqiによる2020年の総説（掲載誌： 中国の新技術・新製品 いくつかの研究例を比較した。あるわら繊維コンクリートに関する一連の研究では、わらの含有量が増えるにつれて、圧縮強度、割引張強度、および曲げ強度が低下することが報告されている。一方、別の竹繊維を用いた実験では、割引張強度が著しく向上したことが報告されている。これらの結果が共存し得るのは、使用された繊維、配合設計、添加量範囲、および試験方法が異なっていたためである。 わら混合物の強度を予測するために、竹を用いた実験結果を用いることはしない。.
この総説では、繊維含有量が0.1%、0.2%、0.3%、および0.4%の低用量ナタネ茎を用いた実験についても記述されている。いくつかの強度指標は、まず増加した後、減少した。報告された割裂引張強度および曲げ強度のピークは、およそ 体積比で0.2% 20～30 mmの繊維を含む。これは、特定の菜種茎システムにおける結果である。それは ない Ecocretefiber™のセルロースの添加量および体積百分率は、繊維密度および配合計算を行わずに、質量ベースの生産シートに転記してはなりません。.
なぜ繊維が多すぎると問題になるのでしょうか？植物由来の材料が多すぎると、生ペーストから水分を奪い、作業性を低下させ、塊を形成する原因となります。その結果、混合物に空気が混入したり、骨材や繊維の周囲にペーストが不足する部分が生じたりする可能性があります。壁用ユニットでは密度を低くすることが有益な場合もありますが、余分な空隙が生じると圧縮強度が低下する恐れがあります。 技術者は、どの特性を優先するかを決定し、その他の特性を許容範囲内に収める必要があります。.
構造上の判断を行う際には、測定された圧縮強度と、選定した年齢における完全な曲げ応答を求めること。曲げ強度のピーク値と、亀裂発生後の残留荷重は、それぞれ異なる情報を示すものである。. ASTM C39/C39M-26 適用対象となる円筒形コンクリート試験体の圧縮強度について規定している。. ASTM C78/C78M-22 3点荷重法を用いて曲げ強度を測定する。梁の残留性能が重要な場合には、, ASTM C1609/C1609M-24 評価する 繊維補強コンクリート その荷重・たわみ曲線から。試験方法および試験片の種類は、認定対象となる製品と一致していなければならない。.
断熱のメリットを正しく理解するには、適切な比較が必要だ
一部の植物繊維複合材料は、その構造によりより多くの空気を保持し、嵩密度が低いため、熱伝導率が低い。 2020年の総説では、基準混合物よりも気孔が大きい菜種茎コンクリートについて、繊維含有量の増加に伴い熱伝導率が低下する傾向が見られると述べられている。この気孔の変化は、強度や水の移動にも影響を及ぼす可能性がある。したがって、断熱性と強度は併せて試験を行う必要がある。.
ある比較例によると、熱伝導率は 0.15 W/(m·K) ストローを オキシ塩化マグネシウムセメントブロック, 、同資料における粘土レンガの0.81 W/(m·K)や基準コンクリートの1.51 W/(m·K)と比較して。 この0.15という数値は、当該の壁用ブロックおよびその試験条件に固有のものである。これは、通常のポルトランドセメントコンクリート、あらゆる植物繊維配合、あるいはいかなるEcocretefiber™製品についても記述するものではない。.
熱流の低減と、それほど厳しくない構造上の要求が目的である場合、壁用製品は魅力的な選択肢となり得ます。一方、舗装や高荷重がかかる部材では、そのバランスは異なります。 指定された含水率および密度における熱伝導率、製品の寸法、ならびに関連する圧縮強度試験および耐久性試験の結果について確認してください。含水率は熱的特性に影響を与えるため、乾燥状態での実験室測定値は、実環境にさらされた壁の特性を必ずしも反映しない場合があります。.
製造業者が熱性能を重視する場合は、合意された単一の方法に基づき、完成品またはパネルを比較すること。. ASTM C518-21 これは、定常状態の熱伝達特性を測定するための熱流計法です。適切な試験装置を選択し、調整条件、試験片のサイズ、密度、および含水率を記録してください。.
吸水率は、配合設計における最初の課題である
植物繊維には、多くの場合、細孔や親水性基が含まれています。これらは、混合前または混合中に水分を吸収することがあります。これにより、セメントや骨材を湿潤させるために利用可能な遊離水が減少したり、スランプや流動性が変化したりし、プラントでのバッチが小規模な実験室でのバッチとは異なる挙動を示す原因となることがあります。使用中、湿潤によって繊維が膨潤し、乾燥によって収縮することがあります。 こうした繰り返しの変化により、繊維とマトリックスの界面が弱まることがあります。.
引用されたレビューでは、繊維含有量が増えるにつれて吸水率が上昇するわら繊維複合材について記述されている。ある特定の処理試験では、洗浄またはアルカリ処理を行うと、未処理のものと比べて吸水率が低下することが判明した。 報告された最低値の一つは、4%の水酸化ナトリウム溶液で処理した5%の繊維を用いた混合物を12時間浸漬した後の9.32%であった。これは限定的な実験結果に過ぎない。これは、すべての植物繊維コンクリートに対する一般的な予測でもなければ、工場向けの推奨される化学組成でもない。.
生産時には、繊維の受入時の含水率とその吸水挙動を記録してください。 予備湿潤計画、制御された水分調整、あるいは異なる繊維グレードの使用により、一貫性が向上する可能性がありますが、それぞれの変更については試験を行う必要があります。混合物が作業可能に見えるまで水を添加すると、有効な水と結合剤の比率が上昇し、強度が低下する恐れがあります。一部の混合物では、相容性を確認した上で、高性能減水剤の調整を行う方が適している場合があります。.
コンクリートへの水の浸入量は、繊維による吸水量とは別に測定してください。. ASTM C1585-20 露出面を通じた水硬性セメントコンクリートの吸水速度を測定する。特定の吸水率の比較が必要な場合に有用である。ただし、これは繊維法による含水率測定や、プロジェクトの耐久性評価プログラムに代わるものではない。.
セメントの水和がなぜ遅くなることがあるのか
植物繊維には、セルロース以外にもさまざまな成分が含まれています。一部の茎やその他の未処理繊維からは、可溶性糖やヘミセルロース、リグニン由来の化合物が混合水中に溶出することがあります。こうした抽出物は、セメントの反応を遅らせる可能性があります。 2020年の総説では、わらによって最大水和速度が低下し、最初の7日間で放出される熱量が減少したという発熱に関する研究が引用されている。この観察結果は、試験対象となったわらと結合材に当てはまるものである。洗浄または加工されたセルロースグレードでは、異なる挙動を示す可能性がある。.
硬化が遅い配合は、型抜き、仕上げ、あるいは早期積載の妨げとなる可能性があります。また、寒冷時の生産を困難にすることもあります。工場では、同じ結合材、水、混和剤、温度、養生方法を用いた無繊維配合と繊維入り配合を比較検討する必要があります。 生コンの流動性、硬化時間、初期強度、および後期強度を追跡してください。混合物にセメント系補材が使用されている場合は、セメント含有量の変更によって不適合が解消されると仮定するのではなく、そのバインダーシステム全体について適合性を確認してください。.
ASTM C403/C403M-23 対象となるコンクリート混合物やモルタルの配合について、貫入抵抗から硬化時間を測定することができます。等温熱量測定を行うことで、発熱プロファイルに関する情報を得ることができます。これらの試験により、計画された製造条件下で、繊維の調製と結合材が適切に機能するかどうかが判明します。.
アルカリ耐久性と接着性の問題
通常のポルトランドセメントの孔隙水はアルカリ性です。時間の経過とともに、その環境が一部の天然繊維の構成成分を侵食する可能性があります。また、湿気や繰り返される湿潤・乾燥も、さらなる損傷を招く恐れがあります。 セメントマトリックス中のサイザル麻に関する研究では、アルカリ性で鉱物成分が豊富な条件下での劣化が調査されており、他の実験研究では、アルカリ環境への曝露下における天然繊維の経年変化が測定されています。複合材料の耐用年数は、実際に使用される繊維とマトリックスによって異なるため、28日後の強度が良好であるという結果は、あくまで出発点に過ぎません。. セメントマトリックスの劣化に関する研究を読む そして 実験的経年変化研究.
また、繊維の表面も接着を困難にする要因となり得ます。ワックスや残留物があると、セメントペーストとの接触が妨げられる可能性があります。引き抜かれやすい繊維では、亀裂を跨いで十分な荷重を伝達することができません。一方で、脆い繊維と非常に強固に接着させると、繊維が破断してしまう恐れがあります。最適な界面は、求められる亀裂幅や荷重段階によって異なります。.
洗浄、制御されたアルカリ処理、コーティング、および機械的またはプラズマによる表面処理が考えられる手法です。これらは、コストや効果がそれぞれ異なります。 処理については、繊維への損傷、残留化学物質、吸水性、混合適合性、および長期的な性能について評価を行う必要がある。本レビューでは、表面の化学的性質を変化させる方法としてコールドプラズマについて論じているが、すべての植物繊維グレードに適用可能な普遍的なプロセスや経済的メリットを確立するものではない。.
製造業者は、耐久性設計の一環として、適切な補足セメント系材料を含む結合材の変更についても検討することができます。ただし、それによってその材料があらゆる暴露条件下で自動的に安全になるわけではありません。加速劣化試験の結果と、繊維および複合材料の保持特性を照らし合わせ、設計技術者と使用条件を確認してください。.
植物繊維の適応分野と、さらなる検証が必要な分野
壁用ボード、軽量ブロック、一部のプレキャスト製品、漆喰、および特定のモルタルについては、低密度、凝集力、あるいは断熱性能の組み合わせが重視される場合があります。ただし、各製品にはそれぞれ独自の強度および含水率に関する基準が必要です。大きな荷重がかかる構造用コンクリート部材には、特に設計が以下に依存している場合には、はるかに強固な構造が求められます。 亀裂発生後の残留荷重. すべての植物繊維を、その直接的な代替品として扱うべきではありません。 鉄筋 あるいは、人工的に製造されたマクロ合成繊維。.
弊社では、 Ecocretefiber™ セルロース繊維 カット長や等級情報が公開されているオプションです。これは加工品であり、引用された研究で使用された生のわらや竹の試料ではありません。その製品ページをきっかけに等級に関する議論が始まる可能性がありますが、選択した組み合わせについては別途検証が必要です。また、弊社では より幅広いファイバー製品ラインナップ いつ PP、PVA、鋼、またはその他の材料 パフォーマンス目標により適合している。.
有意義な試験を行うためには、まず最終製品を定義します。未処理の対照試料と、少なくとも2つの繊維含有量レベルを選択します。各セットについて、同じ結合材、骨材、養生条件、および水管理条件を使用します。繊維の含水率、分散性、生コンの流動性、空気含有量、単位重量、凝結時間、圧縮強度、および曲げ挙動を記録します。 実用上、それらの特性が重要となる場合は、吸水試験、熱試験、および経年劣化試験を追加してください。破断した試験片を撮影し、繊維が引き抜かれたか、破断したか、あるいは凝集したかを記録してください。.
次に、工場規模での混合および打設試験を実施します。繊維は安定して供給され、ダマになることなく分散し、所定の仕上がりを維持できなければなりません。作業性に問題があり、水を追加する必要がある場合は、承認済みの配合をこっそり変更するのではなく、設計を見直して再試験を行ってください。最適な配合とは、必要なすべての特性を満たし、かつコストと工程が再現可能なものです。.
よくある質問
植物繊維コンクリートは、常に通常のコンクリートよりも強度が高いのでしょうか
いいえ。繊維の種類や投与量によっては、特定の引張強度や曲げ強度が向上する場合もありますが、組み合わせによっては強度が低下することもあります。余分な水分や空気の混入、あるいは分散不良は、圧縮強度を低下させる可能性があります。選択したグレードについて、同じ試験方法に基づき、無添加の対照品と比較してください。.
すべての植物繊維は断熱性を高めるのか
いいえ。密度、気孔構造、含水率、結合剤、および製品の形状が重要となります。0.15 W/(m·K)という例は、ある特定のわら製酸化塩化マグネシウムブロックにのみ当てはまるものであり、他の製品には適用できません。.
セルロース繊維に対して、報告されている0.2％の投与量を使用することは可能でしょうか
直接的にはそうではありません。その数値は、特定の菜種茎を用いた実験における体積分率でした。単位密度を確認し、御社の製造工程で体積ベースの投与か質量ベースの投与のどちらを採用しているかを判断した上で、バインダーに試験範囲を明記してください。.
アルカリ処理は長期的な耐久性の問題を解決できるか
処理によって、ある特性は向上する一方で、別の特性が損なわれる可能性があります。明確な処理工程を選択し、その後、吸水率、繊維の健全性、硬化、強度、および所定の経時変化後の保持特性を測定してください。工場では、適切な化学物質の取り扱い手順に従ってください。.
加工セルロース繊維はセルロースエーテルと同じものですか
いいえ。セルロース繊維は、ひび割れを架橋する役割を果たす物理的な繊維のままです。一方、セルロースエーテルは、主に保水性や生コンクリートの流動性を調整するために使用される、可溶性または水和性の粉末です。これら2つの材料には、それぞれ異なる仕様が求められます。.
結論
植物繊維は、特にひび割れの分布、混合物の凝集性、重量、あるいは熱的性能が重要な場合、セメント製品において有用である。一方で、その吸水性、表面化学的性質、水和作用、およびアルカリ耐久性は、性能を制限する要因となり得る。挙げられた研究事例からは、次のような実用的な指針が導き出される。すなわち、特定の結合材において特定の繊維グレードの適合性を確認し、顧客が実際に使用する特性を測定することである。.
山東建邦化学繊維株式会社では、Ecocretefiber™セルロース繊維のサンプルをご提供できるほか、お客様の製品に適したその他の繊維素材についてもご相談を承ります。. 弊社チームまでお問い合わせください 用途、バインダー、混合方法、および必要な試験内容をお知らせいただければ、適切な試験用グレードの選定をお手伝いいたします。.
