JP2005035856A - 吹付け材料およびそれを用いた吹付け工法 - Google Patents

Abstract

【課題】 酸性急結剤中に含まれるアルカリ含有量が少なく、初期強度発現性が優れるなどの効果を奏する、法面、又は、道路、鉄道、及び導水路等のトンネルにおいて、露出した地山面に吹付ける吹付け材料およびそれを用いた吹付け工法を提供すること。
【解決手段】 酸性急結剤と、アルカリ金属炭酸塩及び／又はアルカリ金属リン酸塩含有のセメントコンクリートとを含有してなる吹付け材料、酸性急結剤が、アルミニウムとイオウを含有してなる該吹付け材料、酸性急結剤が、さらに、フッ素を含有してなる該吹付け材料、アルカリ金属炭酸塩及び／又はアルカリ金属リン酸塩含有のセメントコンクリートが、さらに、遅延剤を含有してなる該吹付け材料、並びに、該酸性急結剤と、アルカリ金属炭酸塩及び／又はアルカリ金属リン酸塩含有のセメントコンクリートとを個別に圧送し、混合して吹き付ける吹付け工法を構成とする。
【選択図】 なし

Description

本発明は、法面、又は、道路、鉄道、及び導水路等のトンネルにおいて、露出した地山面に吹付ける吹付け材料およびそれを用いた吹付け工法に関する。

従来、トンネルの掘削作業等において露出した地山の崩落を防止するために、粉体の急結剤をコンクリートに混合した急結性コンクリートを吹付ける工法が用いられている(特許文献１、特許文献２参照)。

これらの吹付け工法で使用する急結剤としては、急結性能が優れることからカルシウムアルミネートに、アルカリ金属アルミン酸塩又はアルカリ金属炭酸塩等を混合したものが使用されていた。
しかしながら、医学的な安全性の面から、カルシウムアルミネートにアルカリ金属アルミン酸塩やアルカリ金属炭酸塩等を混合した急結剤よりも低ｐＨ値のもので、弱アルカリ性、好ましくは、中性又は弱酸性の急結剤が求められていた。

この問題を解決するため液体急結剤として硫酸アルミニウムや、アルカノールアミンを主成分とするものが用いられている(特許文献３参照)。
しかしながら、この液体急結剤は、初期強度発現が得にくく、従来の粉体系急結剤と比較して、トンネル坑内で厚吹きした場合には剥落する危険性があった。
近年では、人体への影響が従来の塩基性の急結剤と比較して少なく、初期強度発現性が優れる液体急結剤の開発が待たれていた。
特公昭６０−００４１４９号公報 特開平０９−０１９９１０号公報 特開平１０−０８７３５８号公報

本発明者は、以上の状況を鑑み、前記課題を解消すべく種々検討した結果、特定の吹付け材料を使用することで、アルカリ量が少なく、初期強度発現性が優れる吹付け材料が得られるとの知見を得て本発明を完成するに至った。

本発明は、酸性急結剤と、アルカリ金属炭酸塩及び／又はアルカリ金属リン酸塩含有のセメントコンクリートとを含有してなる吹付け材料であり、酸性急結剤が、アルミニウムとイオウを含有してなることを特徴とする該吹付け材料であり、酸性急結剤が、フッ素を含有してなることを特徴とする該吹付け材料であり、アルカリ金属炭酸塩及び／又はアルカリ金属リン酸塩含有のセメントコンクリートが、さらに、遅延剤を含有してなることを特徴とする該吹付け材料であり、該酸性急結剤と、アルカリ金属炭酸塩及び／又はアルカリ金属リン酸塩含有のセメントコンクリートとを個別に圧送し、混合して吹き付ける吹付け工法である。

本発明の吹付け材料及び吹付け工法を使用することで、酸性急結剤中に含まれるアルカリ含有量が少ないことから、皮膚に付着した場合のアルカリ薬傷の危険性が少なく、また、初期強度発現性が優れるなどの効果を奏する。

本発明でいうセメントコンクリートとは、セメントペースト、モルタル、及びコンクリートを総称するものである。
また、本発明における部や％は特に規定しない限り質量基準である。

本発明で使用する酸性急結剤は、ｐHが５未満の液体急結剤を総称するものであり、組成は特に限定されるものではないが、アルミニウムとイオウを含有するものが急結性の面で好ましい。さらに、酸性急結剤にフッ素を含有させることで急結性の向上が期待できる。
酸性急結剤の原料は特に限定されるものではないが、アルミニウムとイオウを供給できるものであり、さらに、フッ素を供給できる物質であることが好ましい。

本発明でのアルミニウムの供給原料は特に限定されるものではないが、アルミニウムの硫酸塩、アルミン酸塩、及びその他の無機アルミニウム化合物、有機アルミニウム化合物、並びに、アルミニウム錯体等の化合物が挙げられる。
これらのアルミニウム化合物のうちの一種又は二種以上が使用可能であり、本発明では、イオウの供給原料ともなるアルミニウムの硫酸塩の使用が好ましい。

また、イオウの供給原料は特に限定されるものではないが、硫黄や硫黄華のような元素状態の硫黄の他に、硫化物、硫酸、硫酸塩、亜硫酸又は亜硫酸塩、チオ硫酸又はチオ硫酸塩、並びに、有機硫黄化合物等が挙げられる。
本発明では、これらの硫黄化合物の一種又は二種以上が使用可能である。これらのうち、水への溶解性が高く、製造コストが安く、かつ、急結性状が優れる面から硫酸又は硫酸塩がより好ましく、硫酸塩のうち明礬類で、かつ、アルミニウムとアルカリ金属元素を含有する化合物が最も好ましい。

また、フッ素の供給原料は、溶剤又は水に、溶解又は分散するものであれば特に限定されるものではなく、有機フッ素化合物、フッ化塩、ケイフッ化塩、及びフッ化ホウ素塩などが挙げられる。
これらフッ素化合物のうちの一種又は二種以上が使用可能であり、毒性や爆発性等の危険性がなく、製造コストが安く、かつ、急結性状が優れる面から、フッ化塩、ケイフッ化塩、及びホウフッ化塩が好ましい。

酸性急結剤の形態は液状で、懸濁液も含むものであり、懸濁液中の懸濁粒子のサイズは特に限定されるものではないが、分散性が良好なことから粒子径で５μｍ以下であることが好ましい。懸濁物と液相の割合、溶解濃度等は特に限定されるものではない。

本発明において、さらなる急結性向上の面から、酸性急結剤中に含有可能な物質としては、アルカノールアミンや蟻酸塩類等が挙げられ、これらの含有率は特に限定されるものではない。

アルカノールアミンとは、構造式においてＮ−Ｃ−ＯＨ構造を有する有機化合物である。
ここで、Ｃは、通常、アルキル基又はアリル基と呼ばれる原子団であり、例えば、メチレン基、エチレン基、及びｎ−プロピレン基等の直鎖型のアルキル基、イソプロピル基等の枝分かれ構造を有するアルキル基、並びに、フェニル基やベンジル基等の芳香族環を有するアリル基等が挙げられる。
また、Ｃは窒素原子と２箇所以上で結合していてもよく、Ｃの一部又は全部が環状構造であってもよい。
さらに、Ｃは複数の水酸基と結合していてもよく、アルキル基の一部に炭素や水素以外の元素、例えば、イオウ、フッ素、塩素、及び酸素等が含まれていてもよい。
このようなアルカノールアミンの例としては、エタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、N-メチルジエタノールアミン、N,N-ジメチルエタノールアミン、N,N-ジブチルエタノールアミン、N-(2-アミノエチル)エタノールアミン、三フッ化ホウ素トリエタノールアミン、及びこれらの誘導体等が挙げられ、本発明ではこれらのうちの一種又は二種以上を使用することができ、そのうち、ジエタノールアミン、N,N-ジメチルエタノールアミン、及びそれらの混合物が好ましく、ジエタノールアミンとN,N-ジメチルエタノールアミンの混合物がより好ましい。

本発明の酸性急結剤の使用量は、セメント100部に対して、３〜15部が好ましく、５〜10部がより好ましい。３部未満では優れた急結性状が発揮されない場合があり、15部を超えると長期強度発現性が悪くなる場合がある。

ここでセメントとは特に限定されるものではなく、普通、早強、超早強、中庸熱、及び低熱等の各種ポルトランドセメントや、これらポルトランドセメントに、高炉スラグ、フライアッシュ、シリカ、又は石灰石微粉末の混和材を混合した各種混合セメントなどのいずれも使用可能であり、さらにこれら混和材をJISで規定する以上に混合したものも使用可能である。
セメントの使用量は特に限定されるものではないが、強度発現性が優れることから、その単位量が350kg/m3以上であることが好ましい。

本発明は、セメントコンクリートにアルカリ金属炭酸塩及び／又はアルカリ金属リン酸塩(以下、炭酸塩等という)を含有させることにより、急結性を向上するものである。

本発明でセメントコンクリートに含有するアルカリ金属炭酸塩としては、アルカリ金属を含有する炭酸塩や重炭酸塩等が挙げられ、具体的には、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、及び炭酸カリウムなどが挙げられ、これらの一種又は二種以上が使用可能である。

本発明で使用するアルカリ金属リン酸塩とは、アルカリ金属を含有するリン酸塩の総称であり、Rをアルカリ金属とすると、第一リン酸塩であるRH2PO4、第二リン酸塩であるR2HPO4、及び第三リン酸塩であるR3PO4などが挙げられる。

炭酸塩等の使用量は特に限定されるものではないが、セメント100部に対して、0.1〜５部が好ましく、0.2〜１部がより好ましい。0.1部未満では充分な急結性状が得られない場合があり、５部を超えると長期の強度発現性が損なわれる場合がある。

本発明の吹付け材料は、必要に応じ、石膏、水酸化カルシウム、及び水酸化アルミニウムなどの急結助剤を併用することが可能であり、これらの急結助剤を併用させることで酸性急結剤の急結性を向上させることが可能となる。
急結助剤はあらかじめベースとなる吹付け用セメントコンクリートに含有させることが好ましい。また、急結助剤がコンクリートの流動保持を困難にする場合、遅延剤や流動化剤を本発明の効果を損なわない範囲で使用可能である。

ここで遅延剤は、セメントと混和することで水和を抑制するものであり、有機物系遅延剤と無機物系遅延剤が使用可能である。
有機物系遅延剤の具体例としては、リグニンスルホン酸、フミン酸、及びタンニン酸等の高分子有機酸又はその塩、クエン酸、リンゴ酸、酒石酸、アラボン酸、グルコヘプトン酸、及びグルコン酸等のオキシカルボン酸又はその塩、２ケトカルボン酸や尿素等のケト酸又はその塩、グルタミン酸等のアミノカルボン酸又はその塩、ポリアルコール類、グルコース、フラクトース、グルコノラクトン、ガラクトース、サッカロース、キシロース、キシリトール、アビトース、リポーズ、及び異性化糖等の単類糖類、２〜３糖のオリゴ糖等の糖類、デキストリン、ヘミセルロース、イヌリン、アルギン酸、キシラン、及びデキストランなどの多糖類等、並びに、ソルビトールなどの糖アルコール類が挙げられる。
無機物系遅延剤の具体例としては、リン酸やフッ化水素酸等の無機酸、リン酸塩、酸化亜鉛、酸化鉛、ホウ酸、珪フッ化マグネシウムやケイフッ化ナトリウムなどの珪フッ化物、並びに、氷晶石やカルシウムフロロアルミネートなどのフッ素含有鉱物等が挙げられ、これらのうちの一種又は二種以上を本発明の目的を阻害しない範囲で使用することが可能である。
本発明の遅延剤の使用量は特に限定されるものではないが、セメント100部に対して、0.05〜５部が好ましく、0.1〜２部がより好ましい。0.05未満では、コンクリートの充分な流動保持性が得られない場合があり、５部を超えると急結性が損なわれる場合がある。

本発明では、前記各材料や、砂や砂利等の骨材の他に、減水剤、ＡＥ剤、増粘剤、繊維、及びシリカ質粉末などの混和材又は混和剤を本発明の目的を実質的に阻害しない範囲で併用することが可能である。

減水剤は、例えば、リグニンスルホン酸系、ナフタレンスルホン酸系、及びポリカルボン酸系等が使用可能である。

ＡＥ剤は、セメントコンクリートの凍害を防止するものである。

増粘剤は、骨材、セメントペースト、及びその他添加剤の材料分離抵抗性を向上させるものであり、例えば、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、セルロースエーテルなどのセルロース系、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリブチレンオキサイドなどのポリマーや、アクリル酸及びメタクリル酸及びエステルのコポリマーが主成分であるアクリル系ポリマーなどが使用可能である。

本発明では、急硬性セメントコンクリートの耐衝撃性や弾性の向上の面から繊維を併用することは好ましく、無機質や有機質いずれも使用可能である。
無機質の繊維としては、ガラス繊維、炭素繊維、ロックウール、石綿、セラミック繊維、及び金属繊維等が挙げられる。
また、有機質の繊維としては、ビニロン繊維、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維、ポリアクリル繊維、セルロース繊維、ポリビニルアルコール繊維、ポリアミド繊維、パルプ、麻、木毛、及び木片等が挙げられ、これらのうち、経済性の面で、金属繊維やビニロン繊維が好ましい。
繊維の長さは、圧送性や混合性等の面から、50mm以下が好ましく、５〜30mmがより好ましい。
繊維のアスペクト比は特に限定されるものではない。

本発明の法面やトンネルへの吹付け工法としては、一般的に行われている乾式吹付け工法、湿式吹付け工法のいずれの吹付け工法も可能である。そのうち、粉塵の発生量が少ない面で湿式吹付け工法が好ましい。

本発明の酸性急結剤をセメントコンクリートに混合する場合、吹付け直前に混合することが好ましい。具体的には、圧送されてきたコンクリートに酸性急結剤を添加し、その急結性コンクリートが吐出されるまでの時間を10秒以内にすることが好ましく、2秒以内がより好ましい。

本発明の酸性急結剤は、40℃以上に加熱してコンクリートに混和させることで、より急結性を向上させることが可能である。

本発明の吹付け用セメントコンクリートのスランプ値やフロー値は特に限定されるものではなく、公知の施工システムの組み合わせの範疇で問題なく施工可能ならばいずれの値のものでも使用可能である。

セメント／砂比が１／2.5、Ｗ／Ｃ(水／セメント比)が45％の配合を用い、セメント100部中、炭酸塩等Ａ0.3部と遅延剤ａ0.3部を混合し、減水剤を使用して、スランプ(SL)を15cm程度に調整したモルタルを調製した。
さらに、モルタル中の結合材100部に対して、表１に示す酸性急結剤10部を混合して型枠内へ詰め込み、環境温度20℃にてプロクター貫入抵抗値を測定した。結果を表１に併記する。

＜使用材料＞
セメント ：普通ポルトランドセメント、市販品、比重3.16
炭酸塩等Ａ：炭酸ナトリウム、和光純薬工業社製、試薬１級品
遅延剤ａ ：クエン酸、和光純薬工業社製、試薬１級品
原料イ ：アルミニウム原料、硫酸アルミニウム８水塩、大明化学社製、試薬１級品
原料ロ ：アルミニウム原料、水酸化アルミニウム、和光純薬工業社製、試薬１級品
原料ハ ：イオウ原料、硫酸、和光純薬工業社製、試薬１級品
原料ニ ：フッ素原料、フッ化ナトリウム、和光純薬工業社製、試薬１級品
原料ホ ：アルカノールアミン、和光純薬工業社製、試薬１級品、N,N-ジメチルエタノールアミンとジエタノールアミンの等量混合物
酸性急結剤：各原料を表１に示す元素組成になるよう計算して混合し、得られた混合物50部と水50部をボールミルで混合し、80℃で３時間攪拌
砂 ：新潟県姫川産川砂、比重2.62
減水剤 ：ポリカルボン酸系高性能減水剤、市販品
水：水道水

＜測定方法＞
凝結試験 ：JSCE D-102-1999に準じて、プロクター抵抗値を測定

表１の実験No.1- 5の組成の酸性急結剤をセメント100部に対して、10部使用し、セメント100部中、表２に示す炭酸塩等と遅延剤0.3部を使用したこと以外は実験例１と同様に試験した。結果を表２に併記する。

＜使用材料＞
炭酸塩等Ｂ：炭酸リチウム、和光純薬工業社製、試薬１級品
炭酸塩等Ｃ：炭酸カリウム、和光純薬工業社製、試薬１級品
炭酸塩等Ｄ：第三リン酸ナトリウム、和光純薬工業社製、試薬１級品
炭酸塩等Ｅ：炭酸塩等Ａと炭酸塩等Ｄの等量混合物
遅延剤ｂ ：グルコン酸ナトリウム、和光純薬工業社製、試薬１級品
遅延剤ｃ ：遅延剤ａと遅延剤ｂの等量混合物

セメント／砂比が１／2.5、Ｗ／Ｃが45％の配合を用い、セメント100部中、炭酸塩等Ａ0.3部と表３に示す遅延剤ｂを混合し、減水剤を使用して、初期のモルタルフロー値を200mmに調整してフローの経時変化を測定した。結果を表３に併記する。

＜測定方法＞
モルタルフロー：JIS R 5201に準拠。練り混ぜから30分後、60分後に測定

Claims (5)

1. 酸性急結剤と、アルカリ金属炭酸塩及び／又はアルカリ金属リン酸塩含有のセメントコンクリートとを含有してなる吹付け材料。
2. 酸性急結剤が、アルミニウムとイオウを含有してなることを特徴とする請求項１に記載の吹付け材料。
3. 酸性急結剤が、フッ素を含有してなることを特徴とする請求項２に記載の吹付け材料。
4. アルカリ金属炭酸塩及び／又はアルカリ金属リン酸塩含有のセメントコンクリートが、さらに、遅延剤を含有してなることを特徴とする請求項１〜３のうちの一項に記載の吹付け材料。
5. 請求項１〜４のうちの一項に記載の酸性急結剤と、アルカリ金属炭酸塩及び／又はアルカリ金属リン酸塩含有のセメントコンクリートとを個別に圧送し、混合して吹き付けることを特徴とする吹付け工法。