JP2005067938A

JP2005067938A - 吹付け材料、吹付けセメントコンクリート、及びそれを用いた吹付け工法

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Publication number: JP2005067938A
Application number: JP2003298534A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Nakajima; 康宏中島; Minoru Morioka; 実盛岡; Isao Terajima; 寺島　　勲; Tsumoru Ishida; 積石田
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2003-08-22
Filing date: 2003-08-22
Publication date: 2005-03-17
Anticipated expiration: 2023-08-22
Also published as: JP3949091B2

Abstract

【課題】扱いが容易となり、また、急結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き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】廃棄物利用型セメントと、イオウ、アルミニウム、及びフッ素の３元素を成分として含有する液体急結剤とを含有する吹付け材料、液体急結剤が、SO₃換算のイオウ100部に対して、Al₂O₃換算で25〜110部のアルミニウムと、元素換算で2.5〜50部のフッ素とを含有する該吹付け材料、液体急結剤が、さらに、アルカリ金属及び／又はアルカノールアミンを成分として含有する該吹付け材料、廃棄物利用型セメントが、高炉スラグを、内割で５〜70％含有する該吹付け材料、並びに、廃棄物利用型セメントを配合したセメントコンクリートと、該液体急結剤とを吹付け直前に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き付ける吹付け材料、吹付けセメントコンクリート、及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き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、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、岩盤の脆い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。
そして、剥落を回避するために、薄吹きにて施工した場合や、また、厚吹きした場合にでも、充分な安全強度に達するまでの時間を確保し、次工程に進めない場合には工期の長期化によるコストアップが問題となった。
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。

一方、廃棄物を再利用する機運が高まっており、高炉スラグやフライアッシュなどの産業副産物の積極的な利用や、廃棄物を原料としたセメントの使用は、循環型社会の構築の観点から重要である。
廃棄物を原料としたセメントでは、原料として下水で発生する汚泥や廃棄物の焼却灰等の都市型廃棄物を利用している(特許文献４参照)。
そして現在は、こういった産業副産物や都市型廃棄物を積極的に利用し、かつ、より優れた性状を得ることが必要とされている。
特公昭６０−００４１４９号公報特開平０９−０１９９１０号公報特開平１０−０８７３５８号公報特開平０７−１６５４４６号公報

本発明は、前記課題を解消すべく種々検討した結果なされたもので、トンネル吹付け施工において、特定の急結剤とセメントとを使用することにより、これらの急結成分の能力を充分に引きだすことを可能とし、工期の短縮化やアルカリ量の低減が図れ、凝結性状を向上させることを目的とする。

本発明は、廃棄物利用型セメントと、イオウ、アルミニウム、及びフッ素の３元素を成分として含有する液体急結剤とを含有する吹付け材料であり、液体急結剤が、SO₃換算のイオウ100部に対して、Al₂O₃換算で25〜110部のアルミニウムと、元素換算で2.5〜50部のフッ素とを含有する該吹付け材料であり、液体急結剤が、さらに、アルカリ金属及び／又はアルカノールアミンを成分として含有する該吹付け材料であり、廃棄物利用型セメントが、高炉スラグを、内割で５〜70％含有する該吹付け材料であり、廃棄物利用型セメントを配合したセメントコンクリートと、該液体急結剤とを吹付け直前に混合して吹き付ける吹付け工法である

以下、本発明を詳細に説明する。
また、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。
なお、本発明における部や％は特に規定しない限り質量基準で示す。

本発明でいう廃棄物利用型セメント(以下、リサイクルセメントという)とは、都市型廃棄物を主原料として製造されるセメントを総称するものである。
リサイクルセメントには、大別して、普通リサイクル型セメントと速硬リサイクル型セメントがある。
普通リサイクル型セメントは塩素含有量が極めて少なく、カルシウムアルミネートの主体は3CaO・Al₂O₃であり、速硬リサイクル型セメントは塩素含有量が高く、カルシウムアルミネートの主体は11CaO・7Al₂O₃・CaClである点で相違している。
これらカルシウムアルミネートの含有量は、リサイクルセメント100部中、10部以上が好ましい。10部未満では普通ポルトランドセメントと比較して優れた急結性が得られない場合がある。
リサイクルセメントの粉末度は、ブレーン比表面積値(以下、ブレーン値という)で、3,000cm²/g以上が好ましく、4,000cm²/g以上がより好ましい。3,000cm²/g未満では優れた急結性や強度発現性が得られない場合がある。
本発明において、リサイクルセメントの使用量は、180〜600kg/m³が好ましく、200〜500kg/m³がより好ましい。180kg/m³が未満では優れた急結性や強度発現性が得られない場合があり、600kg/m³を超えると単位セメント量が多く、経済的に優れず、環境負荷の高いセメントコンクリートとなる場合がある。

本発明では、単位セメント使用量を低減することができ、より環境負荷の少ない吹付け材料とすることを目的として、リサイクルセメントと置換して高炉スラグを使用することが可能である。

本発明では、高炉スラグとして、通常の高炉スラグの他、溶銑予備処理スラグ、転炉スラグ、及び電気炉スラグなどの各種水砕スラグが使用可能である。
高炉スラグの粉末度は特に限定されるものではないが、ブレーン値で3,000cm²/g以上が好ましい。3,000cm²/g未満では初期の強度発現性が優れない場合がある。
高炉スラグの置換率はリサイクルセメント中、内割で５〜70％が好ましく、10〜50％がより好ましい。５％未満では添加効果が得られない場合があり、また、使用量が少なく環境負荷低減への効果が少なく、70％を超えると急結性や初期強度発現性が優れない場合がある。

本発明では、リサイクルセメント、又はリサイクルセメントと高炉スラグとを混合したものをセメントとして使用する。

本発明で使用する液体急結剤は、イオウ、アルミニウム、及びフッ素の３元素を元素成分として、さらには、これらと、アルカリ金属を元素成分として含有するものである。

本発明においては、例えば、硫酸アルミニウムとフッ化アルミニウムのように、イオウやアルミニウムの２元素、イオウ、アルミニウム、及びフッ素の３元素を含有する化合物を含有することが可能であり、化学構造等の相違、その相違による異性体、結晶質や非晶質、結晶水の有無や結晶水数、結晶構造の違いによる多形、微量元素による固溶、及び格子欠陥等に限定されるものではない。
また、液体急結剤において、イオウ、アルミニウム、及びフッ素の３元素を二種類以上含有する化合物を使用することも可能である。

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、硫酸又は硫酸塩、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、これらのうち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より好ましい。

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、これら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。

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等が挙げられ、これら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。

アルカリ金属の供給原料は特に限定されるものではないが、アルカリ金属元素、即ち、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、及びセシウムを含む水溶性の化合物であればよく、アルカリ金属元素の酸化物、過酸化物、塩化物、水酸化物、硝酸塩、亜硝酸塩、リン酸塩、ケイ酸塩、アルミン酸塩、硫酸塩、チオ硫酸塩、過硫酸塩、硫化塩、炭酸塩、重炭酸塩、シュウ酸塩、ホウ酸塩、フッ化物、ケイ酸塩、ケイフッ化塩、明礬、及び金属アルコキシドなどが使用可能であり、これらのうちの一種又は二種以上が使用可能である。

液体急結剤中のイオウ、アルミニウム、及びフッ素の３元素の成分の配合割合は、凝結性状、品質安定性、及びポンプ圧送性等から、SO₃換算のイオウ成分100部に対して、アルミニウムがAl₂O₃換算で25〜110部、フッ素が元素換算で2.5〜50部であることが好ましい。
上記配合において、アルミニウムやフッ素の含有量が上記の配合量未満では充分な凝結性状が得られない場合があり、アルミニウムやフッ素の含有量が上記の配合量を超えると流動性が低下し、ポンプ圧送性が低下する場合がある。
また、アルカリ金属の供給原料を使用する場合、アルカリ金属は、SO₃換算のイオウ100部に対して、２〜50部含有することが好ましい。

本発明において、液体急結剤には、さらなる急結性向上の面から、アルカノールアミンを併用させることが好ましい。

本発明で使用するアルカノールアミンとは、構造式においてＮ-Ｒ-ＯＨ構造を有する有機化合物である。
ここで、Ｒ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、Ｒは窒素原子と２箇所以上で結合していてもよく、Ｒの一部又は全部が環状構造であってもよい。
さらに、Ｒ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。
アルカノールアミンを使用する場合、アルカノールアミンの使用量は、SO₃換算のイオウ100部に対して、１〜30部が好ましい。

液体急結剤は、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、懸濁粒子の分散性から、5μｍ以下であることが好ましい。
また、液体急結剤は、弱アルカリ性〜酸性であることが好ましい。

液体急結剤成分を水に溶解又は分散して液体急結剤とする方法は特に限定されるものではなく、それぞれの供給原料を同時に混合しても良いし、あらかじめその一部、あるいは全部を混合しておいても差し支えない。

混合装置としては、既存のいかなる装置も使用可能であり、例えば、傾胴ミキサ、オムニミキサ、ヘンシェルミキサ、Ｖ型ミキサ、ナウターミキサ、及びボールミルなどが挙げられる。

液体急結剤の使用量は、セメント100部に対して、５〜15部が好ましく、７〜12部がより好ましい。５部未満では優れた凝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。

本発明の吹付け材料は、リサイクルセメントと液体急結剤とを含有してなるものであり、さらに急結性を向上させるために、アルカリ金属含有物質、石膏、並びに、水酸化カルシウム及び／又は水酸化アルミニウムなどを含有させることが可能である。

アルカリ金属含有物質(以下、アルカリ物質という)は特に限定されるものではないが、アルカリ金属元素、即ち、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、及びセシウムを含む水溶性の化合物であればよく、アルカリ金属元素の酸化物、過酸化物、塩化物、水酸化物、硝酸塩、亜硝酸塩、リン酸塩、ケイ酸塩、アルミン酸塩、硫酸塩、チオ硫酸塩、過硫酸塩、硫化塩、炭酸塩、重炭酸塩、シュウ酸塩、ホウ酸塩、フッ化物、ケイ酸塩、ケイフッ化塩、明礬、及び金属アルコキシドなどが使用可能であり、これらのうちの一種又は二種以上が使用可能である。
アルカリ物質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、0.05〜３部が好ましい。0.05部未満では優れた急結性状が得られない場合があり、３部を超えるとセメントコンクリートの流動保持性が低下する場合がある。

石膏としては、無水石膏、半水石膏、及び二水石膏等が挙げられ、これらのうちの一種又は二種以上の使用が可能である。
石膏の結晶の形態は特に限定されるものではなく、α型半水石膏、β型半水石膏、Ｉ型無水石膏、II型無水石膏、及びIII型無水石膏等が使用可能である。
また、これら石膏には、天然で産出するものや、産業副産物として得られる排脱石膏や弗酸副生無水石膏等が含まれる。
石膏の粒度は、ブレーン値で3,000cm²/g以上が強度発現性の面から好ましい。
石膏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、１〜７部が好ましく、1.5〜５部がより好ましい。１部未満では優れた強度発現性が得られない場合があり、７部を超えると異常膨張を起こす場合がある。

水酸化カルシウムは、生石灰やカーバイドが水和した際に生じる消石灰を含むものであり、セメントコンクリートが水を使用する性質上、結果として水酸化カルシウムを多量に生成させる生石灰等の単独使用、もしくは、これを水酸化カルシウムと併用することは可能である。水酸化カルシウムの結晶の形態は特に限定されるものではない。
本発明で使用する水酸化アルミニウムは、Al(OH)₃、AlO(OH)・ｎH₂Oなどの物質である。
水酸化アルミニウムには、結晶質や非晶質のものがあり、いずれも使用可能であるが、非晶質の水酸化アルミニウムを使用することが好ましい。
水酸化カルシウムや水酸化アルミニウムの粉末度は特に限定されるものではないが、ブレーン比表面積値(以下、ブレーン値という)で4,000cm²/g以上が好ましく、8,000cm²/g以上がより好ましい。4,000cm²/g未満では吹付け時の地山への優れた付着性が得られない場合がある。
水酸化カルシウム及び／又は水酸化アルミニウム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、0.5〜５部が好ましく、0.8〜３部がより好ましい。0.5部未満では吹付け時の地山への優れた付着性が得られない場合があり、５部を超えると長期強度発現性が損なわれる場合がある。

本発明において、セメントコンクリートの水の量は、水／セメント比(Ｗ／Ｃ)で、25〜70％が好ましい。25％未満では水分が不足して混練できない場合があり、70％を超えるといわゆる「シャブコン」となり、充分な強度が発現できない場合がある。
なお、本発明で使用するセメントコンクリートのスランプフローなどは特に限定されるものではない。

本発明では、必要に応じ、さらに、水溶性促進剤、ＡＥ剤、減水剤、ＡＥ減水剤、凝結遅延剤、増粘剤、繊維、及び微粉等の添加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。

本発明の法面やトンネルへ吹き付ける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や湿式吹付け工法のいずれの吹付け工法も可能であり、そのうち、粉塵の発生量が少ない湿式吹付け工法が好ましい。

液体急結剤をセメントコンクリートと混合し、本発明の吹付け材料とする方法としては、例えば、分岐管等を用いて吹付け直前に混合することが好ましい。具体的には、圧送されてきたセメントコンクリートに液体急結剤を添加し、吹付け材料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秒以内にすることがより好ましい。

また、本吹付け材料を地山の法面に、直接又は鉄筋類を配筋した個所に吹付けることも可能である。
ここで、鉄筋類とは、金網や鉄筋等からなるもので、これらを組合わせて壁面に固定してフレーム骨格を形成し、該フレームに本吹付け材料を吹付け、鉄筋類含有セメントコンクリートフレームとする。

本発明の吹付け材料およびそれを用いた吹付け工法を採用することによって、扱いが容易となり、また、急結性が優れ、吹付け後に剥落を生じないなどの効果を奏する。

セメント／砂が１／３、Ｗ／Ｃが50％の配合を用い、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。
調製したモルタル中のセメント100部に対して、表１に示した組成の液体急結剤10部を混合して型枠内に詰め込み、試験環境温度20℃で、プロクター貫入抵抗値を測定して凝結性状を確認した。結果を表１に併記する。

＜使用材料＞
原料イ：アルミニウム供給原料、水酸化アルミニウム、和光純薬工業社製、試薬１級品
原料ロ：アルミニウム供給原料、硫酸アルミニウム８水塩、和光純薬工業社製、試薬１級品
原料ハ：イオウ供給原料、硫酸、和光純薬工業社製、試薬１級品
原料ニ：フッ素供給原料、ケイフッ化マグネシウム、和光純薬工業社製、試薬１級品
原料ホ：アルカリ金属供給原料、水酸化カリウム、和光純薬工業社製、試薬１級品
原料ヘ：アルカノールアミン、N,N-ジメチルエタノールアミン、和光純薬工業社製、試薬１級品
液体急結剤：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
セメントα：普通型リサイクルセメント、市販品、3CaO・SiO₂含有量49.3％、2CaO・SiO₂含有量14.0％、3CaO・Al₂O₃含有量11.2％、及び4CaO・Al₂O₃・Fe₂O₃含有量12.9％、密度3.17g/cm³
セメントβ：普通ポルトランドセメント、市販の３種混合品、3CaO・SiO₂含有量53.9％、2CaO・SiO₂含有量20.2％、3CaO・Al₂O₃含有量7.8％、及び4CaO・Al₂O₃・Fe₂O₃含有量8.8％、密度3.16g/cm³
砂：新潟県姫川産川砂、密度2.62g/cm³
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＞
プロクター貫入抵抗値：JSCE D-102-1999に準じて測定、材齢10分

表１の実験No.1-17の液体急結剤を、セメントα100部に対して、表２に示す量使用して、プロクター貫入抵抗値を測定したこと以外は実施例１と同様に行った。結果を表２に併記する。

表１の実験No.1-17の液体急結剤を、セメントα100部に対して、10部使用して、セメント中の高炉スラグの量を表３に示すように変えて、プロクター貫入抵抗値を測定したこと以外は実施例１と同様に行った。結果を表３に併記する。

＜使用材料＞
高炉スラグ：新日本製鐵社製高炉スラグ、ブレーン4,000cm²/g

Claims

廃棄物利用型セメントと、イオウ、アルミニウム、及びフッ素の３元素を成分として含有する液体急結剤とを含有してなる吹付け材料。
液体急結剤が、SO₃換算のイオウ100部に対して、Al₂O₃換算で25〜110部のアルミニウムと、元素換算で2.5〜50部のフッ素とを含有してなる請求項１に記載の吹付け材料。
液体急結剤が、アルカリ金属及び／又はアルカノールアミンを成分として含有してなる請求項１又は請求項２に記載の吹付け材料。
廃棄物利用型セメントが、高炉スラグを、内割で５〜70％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。
廃棄物利用型セメントを配合したセメントコンクリートと、請求項１〜３のうちの一項に記載の液体急結剤とを吹付け直前に混合して吹き付けることを特徴とする吹付け工法。