チップ状に製造されたセルロース繊維のコンクリートへの適用に関する研究
A study on application of cellulose fiber processed in chip form to concrete
北海道大学工学部 ○学 生 員 豊田 大（Dai Toyoda）
北海道大学大学院工学研究科 フェロー 上田多門（Tamon Ueda）
Buckeye Technologies Inc. Ellen A. Grimes
1. はじめに 表－1 本研究に用いるセルロース繊維の物性
平均繊維長(mm) 2.1 平均繊維密度(g/cm3) 1.1 平均繊維直径(μm) 18 平均引張力(MPa) 750 アメリカで新たなコンクリート補強用繊維が開発され
た。チップ状に製造されたセルロース繊維である。
近年、地球温暖化対策の一環として、バイオマスを含め た再生可能エネルギーに係る技術開発、産業化の推進等が 位置づけられ、バイオマスの総合的な利活用が国際的な合 意事項となっている1)。セルロースはこのようなバイオマ スに含まれ、近年、セルロース素材の研究および開発は 様々な研究機関で実施されている2)。
2.2 CFCの分散方法
CFC を分散し、DCFとしてコンクリート中に散りばめ る方法は、現在、次の2通りの方法が考案されている。
(1) 粗骨材による分散
粗骨材、水およびCFCを事前に空練りする。粗骨材の 空練りにより生じる摩擦力がCFCを分散させる力となる。
セルロース繊維はコストパフォーマンスに優れる。また、
単に天然由来の繊維というだけでなく、優れた引張強度・
弾性率をもつ3)。すなわち、セルロース繊維は、環境に優 しく、かつ安価な繊維として将来的な期待が示唆される4)。 そこで、本研究はアメリカで新たに開発されたセルロース 繊維を研究対象とした。このセルロース繊維の最大の特徴 はチップ状に凝集されている点である。輸送コストが激減 でき、よりコストパフォーマンス性が向上するためである。
(2) ハンドミキサーによる分散
CFCを練混ぜ水に浸け、回転数1000rpm以上のハンド ミキサーで攪拌しても、CFCはDCFの状態に分散する。
チップ状に凝集したセルロース繊維（以下、CFC： Cellulose Fiber Chip）は何らかの外力が加わることで容易 に分散する。そのため、CFC はチップのままコンクリー ト中に混入するのではなく、凝集したセルロース繊維が 個々のセルロース繊維に分散した状態（以下、DCF：
Dispersed Cellulose Fiber）でコンクリート中に散らばる。
しかし、CFCの分散の度合いは練混ぜ方法やCFCの初期 形状（CFC のままで添加するのか、あらかじめ強制的に 繊維を分散させDCFの状態で添加するのか）により大き く異なる。そこで本研究は、練混ぜ方法およびCFC の初 期形状が、CFC の分散性およびコンクリートのワーカビ リティーおよび強度特性に与える影響を調査した。
(a) チップ状の繊維（CFC） (b) 分散後の繊維（DCF）
写真－1 本研究に用いるセルロース繊維
3. 実験概要 3.1 実験条件
調査対象を表－2に示す。繊維なしを[1]~[7]の7パター ン、繊維ありを[1-CFC]、[3-CFC]、[6-CFC]、[1-DCF]の4 パターン、計11パターンを実験的に調査した。
(1) 配合
配合を表－3に示す。繊維混入量はメーカー推奨量であ る0.082%とした。
なお、CFC・DCFはどちらも同じセルロース繊維である が、チップ状態のとき（CFC）と個々の繊維に分散した状 態のとき（DCF）を明確に区分するために、本報では、こ のように分けて表記することを追記しておく。
(2) 練混ぜ方法
練混ぜ方法およびセルロース繊維の添加時期を表－4 に示す。練混ぜ時間は粗骨材、水およびCFCの空練りに かける時間（5分）を除き、合計4分に統一する。
2. 本研究に用いるセルロース繊維 (3) ミキサー
2.1 物性 ミキサーはオムニミキサーを使用した。
実験に使用したセルロース繊維の物性を表－1 に示す。
本 報 で 論 じ る CFC は 、 こ の セ ル ロ ー ス 繊 維 が 、 約
5mm×6mm×1.5mm のチップに凝集して製造されたもので
ある。1つのチップには約33000の繊維が凝集されている。
3.2 測定項目
測定項目および試験方法を表－5に示す。スランプ試験、
圧縮強度試験を全11パターンについて、繊維の分散性の 調査を繊維ありの4パターンについて行った。
平成19年度 土木学会北海道支部 論文報告集 第64号
Ｅ－１３
表－2 調査対象 3.4 実験フローおよびその概要 繊維の有無
あり あり なし
本研究は調査1、2、3の流れで進められた。各調査の調 査対象を表－6に示す。
(CFC) (DCF) CS [1] [1-CFC] [1-DCF]
ALL [2] － －
GW0 [3] [3-CFC] －
GW25 [4] － －
GW50 [5] － －
GW75 [6] [6-CFC] － 練
混 ぜ 方 法
（記号）
GW100 [7] － －
表－6 各調査の調査対象
表－3 配合
W/C s/a 単位量(kg/m3) 繊維の
有無 (%) (%) W C S G F
なし 60 48 175 292 875 983 0 あり 60 48 175 292 874 982 0.9
表－4 練混ぜ方法およびセルロース繊維の添加時期
記号 練混ぜ方法
CS [C+S]Æ 1 Æ[G]Æ 1 Æ[W]Æ 2 Æ ALL [C+S+G+W]Æ 4 Æ
GWseries [G+W1]Æ 5 Æ[S+C]Æ 2 Æ[W2]Æ 2 Æ GW(x) W1=(x)%、 W2=(100－x)%
記号 セルロース繊維の添加時期 CS(CFC） [C+S+CFC]Æ 1 Æ[G]Æ 1 Æ[W]Æ 2 Æ CS(DCF） [C+S]Æ 1 Æ[G]Æ 1 Æ[W+DCF]Æ 2 Æ
GWseries [G+W1+CFC]Æ 5Æ[S+C]Æ 2Æ[W2]Æ 2Æ GW(x) W1=(x)%、 W2=(100－x)%
（表中の数値は練混ぜ時間[分]を示す。）
表－5 測定項目および試験方法
測定項目 試験方法
スランプ スランプ試験：JIS A 1101に準拠 圧縮強度 圧縮強度試験：JIS A 1108に準拠 繊維の分散性 繊維の分散性の調査：3.3に示す
調査対象番号（表－2参照）
調査1 [1]、[6-CFC]
調査2 [1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]
調査3 [1-CFC]、[3-CFC]、[6-CFC]、[1-DCF]
(1) 調査 1
アメリカでの現在のCFC補強コンクリートの推奨練混 ぜ方法は[6-CFC]である。CFC をチップのまま使用でき、
前処理の必要がないためである。そこで、まず[6-CFC]の 練混ぜ方法によるCFCの分散性を調査した。
一方、粗骨材と水のみを先に空練りし、次いで細骨材と セメントを投入する順序は我が国において一般的な練混 ぜ順序でないため、CFC 補強コンクリートとの比較対象 にするプレーンコンクリートは練混ぜ方法[1]により作成 した。当初は[1]と[6-CFC]とで耐久性の比較を行う予定で あったが、これらのフレッシュコンクリートの性質に予定 外の差が生じた（詳細は4.1に記す）。そのため、今年度 は、調査2および調査3を本研究の主体とした。
(2) 調査 2
調査2は、CFCを分散させるための練混ぜ順序がコン クリートのワーカビリティーおよび強度特性に与える影 響を明らかにすることを目的とする。
セメントと細骨材を空練りし、後から水を投入するCS、
全材料を同時に投入するALL、およびCFCの分散法とし て推奨されている方法であるGWseriesを比較し、練混ぜ 順序の影響を評価した。なお、GWseries は粗骨材ととも に投入する一次投入水W1による影響を明らかにするため、
W1の割合をパラメーターとし0%、25%、50%、75%、100%
と変化させた。この割合xをGW(x)として表記した。
(3) 調査 3
調査3は、練混ぜ順序とCFCの初期形状の違いがCFC の分散性に与える影響およびCFCの分散性の違いがワー カビリティーと強度特性に与える影響を明らかにするこ とを目的とする。
粗骨材、水およびCFCを先に空練りする[6-CFC]、粗骨 材とCFCのみを先に空練りする[3-CFC]、セメント、細骨 材およびCFCを先に空練りする[1-CFC]、CFCをあらかじ めDCFに分散し、練混ぜ水とともに添加する[1-DCF]の4 パターンを比較した。
3.3 繊維の分散性の調査方法
練り混ぜられたコンクリートをバッチに満遍なく広げ、
全体から均等にコンクリートピースを30体採取する。そ れらの試料を割裂する。割裂断面をマイクロスコープ観察 し、断面画像を撮影する。撮影した断面画像から繊維を画
像処理により際立てる。 4. 実験結果および考察
全11パターンのスランプを図－2に、圧縮強度を図－3 に示す。横軸は練混ぜ方法を示す。実験が調査 1、2、3 の順に行われた経緯も含め、順に結果および考察を論じる。
4.1 調査 1
(1) CFCの分散性 画 像
処理 試 料
採取
割裂 [6-CFC]の練混ぜ方法によりCFCはDCFの状態に分散
した。詳細は調査3で論じるためここでは割愛する。
マイクロスコープ観察 図－1 繊維の分散性の調査方法
平成19年度 土木学会北海道支部 論文報告集 第64号
0 5 10 15 20
CS ALL GW0 GW25 GW50 GW75 GW100
スランプ（cm） 繊維なし
繊維あり（CFC） 繊維あり（DCF）
図－2 スランプ試験結果
0 10 20 30 40 50
CS ALL GW0 GW25 GW50 GW75 GW100
圧縮強度（MPa） 繊維なし繊維あり（CFC）
繊維あり（DCF）
図－3 圧縮強度試験結果
2) ワーカビリティー
ンプが大きく減少した。スラン プ
の面から、特に単位水 量
.2 調査 2
リティー
練混ぜ順序の違いによりワーカ
は、セメント、細骨材、粗骨材 な
流動性は、セメント粒子 の
ト粒 子
ンション中の粒子の凝集 10)
強度特性
りワーカビリティーは大きく変化した
.3 調査 3 散性
をマイクロスコープ撮影し画像処理
ト中に 分
[6-CFC]と[3-CFC]はほぼ同じ分散結果となった。
一次フロック
二次フロック
(
[6-CFC]は[1]に比べスラ
が大きく減じた要因は(a)セルロース繊維の影響、(b)練 混ぜ順序の影響の二つが考えられる。(a)に関しては、ア メリカでの調査（[6]と[6-CFC]の比較）では、推奨混入量 であればスランプが大きく減じることはないと報告され ている。一方、(b)に関しては、材料投入順序は一見軽視 されがちであるが、フレッシュコンクリートの性質に大き な影響を及ぼすといわれる5), 6)。
近年、コンクリートの耐久性向上
が重要視されている。コンクリートにとって水は重大な 要素であり、水量が最小となるような施工方法を選ぶのが コンクリート造りの原点である7)。一方、流動性を高める 目的で水を多く入れたいと考えている施工関係者も少な くない8)。そのため、ワーカビリティーの激減は加水問題 にも発展しかねない。すなわち、CFC 補強コンクリート の耐久性を論じるには、第一にCFCを分散させるための 練混ぜ順序がコンクリートの品質に与える影響を明らか にしなければならない。そのため、調査2を行った。
4
(1) ワーカビ
同一配合にも関わらず、
ビリティーは大きく変化した。CSのスランプが最も大き く、GWseries は一次投入水量が多いほど、スランプが減 少する傾向が見られた。
コンクリートの練混ぜと
ど数μm～数cmという極めて広範囲に分布する粒子群 である固体群と、液層の水を均一に混合することである。
そのため、材料投入順序が異なることによって、フレッシ ュコンクリート中の各構成材料どうしの接触状態やその 分散状態が大きく変化する9)。
セメント粒子サスペンジョンの
分散状態に支配される。それぞれのセメント粒子の間に
強い引力が生じ、強固に凝集したフロックが形成されると、
粒子間に吸蔵される水が増大する 10)。フロックの中に取 り込まれた水（吸蔵水）は流動に寄与できないため、流動 性に関与する自由水が減少し、流動性は低下する。
CSはセメントと細骨材を空練りするため、セメン は水と接触する前に固体群に分散する。そのため、フロ ックの形成が生じにくくなる。一方、GWseries は先に水 と粗骨材が投入されているところに、後からセメントと細 骨材が投入されるため、セメント粒子が固体群に分散する 前に水と接触する。そのため、セメント粒子がフロックを 形成しやすくなり、一次投入水量が多いほど、スランプが 減少する傾向となったと考えられる。
吸蔵水 自由水
図－4 サスペ 状態
(2)
練混ぜ順序によ
が、強度特性はあまり変わらなかった。セメントの水和に 必要な水の量は、セメント重量のわずか25%に過ぎず、そ のほかに、およそ15%の水がゲル水として粒子相互の結合 に役立っている8)。すなわち、セメントが硬化する際に必 要な水の量は、セメント重量の40%程度に過ぎず、それ以 外の水は流動に寄与する自由水であるためと考えられる。
4
(1) 繊維の分 図－5 は割裂断面
を施し繊維を際立たせたものである。30 体採取した試料 のうち一例としてそれぞれ1体ずつを掲載する。
[1-CFC]以外は、CFC がDCFとしてコンクリー 散した。一方、[1-CFC]は試料30体のうち15体で図－5 (a)のようにチップ状に凝集したままの繊維が観察された。
これより、CFC をチップのまま使用するならば先に粗骨 材とCFCを空練りしなければCFCは十分に分散せず、チ ップ状に凝集したまま残留することが明らかとなった。ま た、紙面の都合上実験概要に掲載していないが、細骨材と CFC を先に空練りし、次いでセメント、水を投入する順 序でモルタルを作成した際もCFCは十分に分散せず、チ ップ状のまま残留する結果となったことを追記しておく。
粗骨材の空練りによる摩擦力でCFCを分散させる方法
（[6-CFC]および[3-CFC]）ではCFCはほぼ十分に分散し たが、局所的にチップ状に凝集したまま残留する繊維も見 られた。空練りにより発生する摩擦力の分布がミキサー内 で均一でないため、摩擦力が十分に伝達しない箇所では CFC はチップ状に凝集したまま残留すると考えられる。
一方、[1-DCF]はあらかじめCFCを強制的にDCFの状態 にして使用しているので、当り前ではあるが、チップ状に 凝集したままの繊維は見られなかった。また、一次投入水 の有無による CFC の分散性の違いはあまり見られず、
平成19年度 土木学会北海道支部 論文報告集 第64号
(a) [1-CFC] (C+S+CFC)* (b) [3-CFC] (G+CFC)*
(c) [6-CFC] (G+W(75%)+CFC)* (d) [1-DCF]
（*括弧内はCFCとともに空練りした材料を示す）
(2) ワーカビ
短繊維はセメント、砂などの無機粒子に比べて著しくア からフレッシュ状態での流動性
が強度自体に与える影響は 壊形状には違いが見られた。繊維ありは
.1 結論
論を以下にまとめる。
分散には練混ぜ順序が大きく影響する。
合は、先に粗骨材と
部
るい
両立することができた。
CFC の分散性の違いが各種の耐久性や変形性能に及ぼ ることが今後の課題である。
本研究の実施にあたり小倉貿易（株）の協力を頂きまし こに付記し、深謝の意を表します。
CFC Cellulose Fiber Chip
はセメント、細骨材および粗骨材を先に空練りし、その後 水を加える練混ぜ順序に比べ、フレッシュコンクリートの ワーカビリティーが低下する。
(4) 事前にCFCをDCFに分散して使用することでワーカ ビリティーの確保と繊維の分散を
5.2 今後の課題
す影響を明らかにす
謝辞
た。こ
記号
チップ状に凝集したセルロース繊維で、チップ状態で ロ
のセル ース繊維を指す DCF Dispersed Cellulose Fiber CFC が個々のセルロース
図－5 繊維の分散性の結果 繊維に分散した状態、もしく
散 維を指す
は、分 した個々のセルロース繊 リティー
参
) 東レテクノ：セルロース、TORAY TECHNO 技術資 No. 0302
ームページ
協会講演資料、2006
,
会大会学術講演梗概集、
社、p.3、2004
社，pp.63～66，2004
、コンクリート工学年次論
roperties of 考文献
スペクト比が大きいこと 1
の低下を引き起こしやすい 11)。実際、いずれのパターン でも繊維ありは繊維なしに比べスランプが小さい結果と なった。しかし、本セルロース繊維は、繊維径が細く、単 位容積当たりの繊維本数が増えるので、一般の繊維に比べ 少ない添加量で補強効果が発揮される。そのため、大幅な 流動性の低下は避けられる。一方、[1-CFC]のみ繊維なし の場合とほぼ同じ値となった。これは、[1-CFC]では、CFC が十分に分散せずチップ状に凝集したまま残留したため であると考えられる。
(3) 強度特性
セルロース繊維の混入
料 、
2) バイオポリマー（セルロース）の研究：関西学院大 学尾崎研究室ホ
3) ダイセルポリマー：セルロース繊維強化樹脂の開発、
西日本プラスチック製品工業
4) J. R. Rapoport, S. P. Shah: Cast-in-Place Cellulose Fiber-Reinforced Cement Paste, Mortar, and Concrete ACI Materials Journal/Vol. 102/No.5, pp.299～306, 2005 5) 福沢公夫他：セメント量低減のための練りまぜ方法 の研究、第5回コンクリート工学年次講演会講演論 見ら 文集、pp.157~160、1983
6) 金森信和他：コンクリートの品質に及ぼす練り混ぜ 順序の影響、日本建築学
れなかったが、破
繊維なしに比べ、最大荷重記録後の破片の剥落が少なく、
特に[1-DCF]にその傾向が大きかった。セルロース繊維が 変形性能を高め 12)、急激な破壊をせずに剥落を緩和した ためであると考えられる。[1-DCF]の剥落が最も緩和され たことから、CFC が良好に分散し、DCFとして全体に均 一に散らばるほど補強効果は向上すると考えられる。
5. まとめ
pp.263~264、1983
7) 吉兼亨：良いコンクリートの原点 単位水量の管理、
セメントジャーナル
8) 岩瀬文夫：ひび割れのないコンクリートのつくり方、
日経BP社、pp.23~24、2005
9) 谷川恭雄：フレッシュコンクリートの流動特性とそ の予測；セメントジャーナル
5 10) 日本材料学会コンクリート混和材料部門委員会編：
コンクリート混和材料ハンドブック、エヌ・ティー・
本研究の結
(1) CFC の CFC エス、pp.63~66、2004
11) 小川敦久他：ビニロン繊維を用いた高靱性FRCの流 動性に関する実験的研究
をチップのままミキサーに投入する場
CFCを空練りしなければCFCは十分に分散しない。
(2) 粗骨材の空練りにより生じる摩擦力がCFCに十分に 伝達しなければ、先に粗骨材とCFCを空練りしても、
文集、Vol.23、No.1、pp.73~78、2001
12) P. Soroushian, S. Marikunte, J. P. Won: Statistical Evaluation of Mechanical and Physical P
分的にCFCはチップ状に凝集したまま残留する。
(3) 粗骨材と水のみを先に空練りし、その後セメントと 細骨材を投入する練混ぜ順序は、セメントと細骨材あ
Cellulose Fiber Reinforced Cement Composites, ACI Materials Journal /Vol. 92/No.2, pp.172~180, 1995
