JP2005170710A - グラウト用セメント組成物、グラウト用モルタル組成物、及びグラウト材料 - Google Patents

Abstract

【課題】流動性の保持性能に優れ、かつ短期強度の発現性が良好で、膨張破壊を起すことのない急硬性のグラウト材料を提供する。
【解決手段】３ＣａＯ・ＳｉＯ₂固溶体、１１ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃・ＣａＦ₂、及び無水セッコウを含有してなる超速硬性水硬性材料、アルミノケイ酸カルシウムガラスと無水セッコウを含有してなる急硬材、硝酸塩及び／又は亜硝酸塩を含有してなる促進剤、凝結調整剤、並びに、高性能減水剤を含有することを特徴とするグラウト用セメント組成物、該グラウト用セメント組成物と細骨材及び／又は水和不活性無機粉末とを配合してなるグラウト用モルタル組成物及び、該セメント組成物又はモルタル組成物と水とを混練してなるグラウト材料。
【選択図】なし

Description

本発明は、主に、土木・建築業界において使用されるグラウト用セメント組成物、グラウト用モルタル組成物、及びグラウト材料に関する。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ある。

最近では、グラウト材料に要求される性能は益々高まってきており、特に急硬性のグラウト材料のさらなる進展が望まれている。
急硬性グラウト材料の要求物性としては、流動性が良好でその保持性に優れること、短期強度の発現性に優れること、及び寸法安定性に優れ、膨張破壊等を起さないことなどが挙げられ、これら全ての要求性能を満足することが求められている。しかしながら、流動性の保持性能を満たそうとすると、短期強度の発現性が得られにくくなったり、逆に、短期強度の発現性を良好にしようとすると、流動性の保持時間が確保できなかったり、膨張破壊を起したりしていた。このようなことから、急硬性のグラウト材料の開発は未だ充分とは言えず、さらなる改良が望まれている。

例えば、ＰＣ床版を用いた床版の造成工法では、打設から短時間でプレストレスを導入することが望まれている。この場合、床版はプレキャストあるため、一定の品質をもっている。ところが、これらＰＣ床版の接合部には現場打ちのグラウト材料が使用され、この材料の強度発現性にプレストレス導入のタイミングは委ねられている。

このような背景から、ＰＣ床版の接合部に用いられるグラウト材料には急硬性のグラウト材料が必要とされている。そして、この用途における要求性能としては、流し込み可能な流動性を少なくとも２０分以上確保できること、４時間で４０Ｎ／ｍｍ²を発現すること、及びほどよい膨張性を与えることができ、その一方で長期的に寸法安定性があり、膨張破壊等を起さないことが挙げられる。しかしながら、この要求性能を満たす急硬性のグラウト材料は存在しないのが現状である。

例えば、超速硬性水硬性材料として、３ＣａＯ・ＳｉＯ₂固溶体、１１ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃・ＣａＦ₂、及び無水セッコウを含有してなるものが提案されている(特許文献１、特許文献２、及び特許文献３参照)。しかしながら、この超速硬性水硬性材料を用いてグラウト材料を調製しても、流し込み可能な流動性を２０分以上確保することができず、また４時間で４０Ｎ／ｍｍ²を発現することもできないものであった。

一方、アルミノケイ酸カルシウムガラスと無水セッコウを主体とするセメント混和材やこれを含有するセメント組成物も知られている(特許文献４参照)。また、カルシウムアルミネートとセッコウ類からなる急硬成分を５〜５０重量％含有する急硬セメントに１価及び／又は３価の金属の硫酸塩等を配合した超速硬セメント組成物も知られている(特許文献５参照)。
しかしながら、これらのセメント組成物を用いてグラウト材料を調製しても、流し込み可能な流動性を２０分以上確保することができるものの、４時間で４０Ｎ／ｍｍ²を発現するようなグラウト材料とはならないものであった。

なお、硝酸塩や亜硝酸塩がポルトランドセメントの凝結促進剤として利用できることも知られている(特許文献６、特許文献７参照)。しかしながら、これらの硝酸塩や亜硝酸塩のみでは、急硬性を付与することはできず、したがって、４時間で４０Ｎ／ｍｍ²もの高強度発現することは不可能なものであった。さらに、これらの硝酸塩や亜硝酸塩は、むしろポルトランドセメント組成物の流動性低下を早めることはあるが、流動性を保持する効果を与えるものではなかった。
特公昭４９−０３０６８３号公報 特公昭４９−０３０６８４号公報 特公昭５１−０４４１３５号公報 特開平０４−０９７９３２号公報 特開平０３−０１２３５０号公報 米国特許第３４２７１７５号明細書 特開昭５０−０８０３１５号公報

本発明は、流動性の保持性能に優れ、かつ短期強度の発現性が良好で、膨張破壊を起すことのない急硬性のグラウト材料を提供することを目的とするものである。

本発明者は、数多くの実験を通して、特定のグラウト用セメント組成物を使用することによって、はじめて、前記要求性能を満たすグラウト材料の調製が可能となることを見出し本発明を完成するに至った。本発明は以下の各発明を包含する。

（１）３ＣａＯ・ＳｉＯ₂固溶体、１１ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃・ＣａＦ₂、及び無水セッコウを含有してなる超速硬性水硬性材料、アルミノケイ酸カルシウムガラスと無水セッコウを含有してなる急硬材、硝酸塩及び／又は亜硝酸塩を含有してなる促進剤、凝結調整剤、並びに、高性能減水剤を含有することを特徴とするグラウト用セメント組成物。

（２）超速硬性水硬性材料が７５〜８５部、急硬材が１５〜２５部、促進剤が超速硬性水硬性材料と急硬材の合計１００部に対して０．５〜３部である（１）項記載のグラウト用セメント組成物。

（３）前記（１）項又は（２）項に記載のグラウト用セメント組成物と細骨材及び／又は水和不活性無機粉末とを配合してなるグラウト用モルタル組成物。

（４）前記（１）項又は（２）項に記載のグラウト用セメント組成物と水とを混練してなるグラウト材料。

（５）水／グラウト用セメント組成物比が３５〜４５％である前記（４）項記載のグラウト材料。

（６）前記（３）項記載のグラウト用モルタル組成物と水とを混練してなるグラウト材料。

本発明のグラウト用セメント組成物を用いることにより、ある一定の時間は流動性を確保することができ、極めて短期の強度発現性に優れ、しかも、寸法安定性にも優れるグラウト材料が得られる。

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明で３ＣａＯ・ＳｉＯ₂固溶体とは、ＣａＯをＣ、ＳｉＯ₂をＳとするとＣ₃Ｓ固溶体と表現されるものであり、ＣａＯやＳｉＯ₂を主成分とし、その他の成分として一般的にはＡｌ₂Ｏ₃やＭｇＯが含まれている。また、１１ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃・ＣａＦ₂(以下、Ｃ₁₁Ａ₇ＣａＦ₂という)は、カルシウムアルミネートの１種であり、１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃にフッ素が固溶した化合物を総称するものである。ただし、Ｃ₁₁Ａｌ₇ＣａＦ₂中のＦのモル比は必ずしも１ではなく、通常は０．５〜１の間の値となっている。

Ｃ₃Ｓ固溶体、Ｃ₁₁Ａｌ₇ＣａＦ₂、及び無水セッコウを含有してなる超速硬性水硬性材料(以下、水硬材料という)は、Ｃ₃Ｓ固溶体とＣ₁₁Ａｌ₇ＣａＦ₂を主体とするクリンカーを焼成し、後から無水セッコウを加えて調製される。ここで、Ｃ₃Ｓ固溶体とＣ₁₁Ａｌ₇ＣａＦ₂を主体とするクリンカーは、Ｃ₃Ｓ固溶体やＣ₁₁Ａｌ₇ＣａＦ₂のほかに、微量の２ＣａＯ・ＳｉＯ₂固溶体(Ｃ₂Ｓ固溶体)やカルシウムアルミノフェライトを含有している。なお、本発明では、Ｃ₃Ｓ固溶体とＣ₁₁Ａｌ₇ＣａＦ₂とをそれぞれ別々に合成して混合したものでは、本発明の効果、即ち、優れた短期強度発現性は得られない。

水硬材料中の無水セッコウは特に限定されるものではないが、強度発現性の面から、通常、ＩＩ型無水セッコウが使用される。

水硬材料の粉末度は、通常、ブレーン比表面積値(以下、ブレーン値という)で、４，０００〜６，０００ｃｍ²／ｇが好ましく、５，０００ｃｍ²／ｇ程度がより好ましい。ブレーン値が４，０００ｃｍ²／ｇ未満では強度発現性が充分でない場合があり、６，０００ｃｍ²／ｇを超えると流動性の経時変化が大きくなる場合がある。また、該水硬材料としては、市販の「ジェットセメント」が使用可能である。

本発明で使用するアルミノケイ酸カルシウムガラスと無水セッコウを主体とする急硬材は、水硬性材料と組み合わせることにより、短時間で驚異的な強度発現性を発揮するものである。

ここで、アルミノケイ酸カルシウムガラス(以下、ＣＡＳという)とは、ＣａＯ、Ａｌ₂Ｏ₃、及びＳｉＯ₂を主成分とする非晶質物質を総称するものであり、特に限定されるものではないが、ＣａＯ４０〜４５％、Ａｌ₂Ｏ₃３５〜４２％、及びＳｉＯ₂１０〜１５％が好ましい。また、ＣＡＳのガラス化率は、通常、９５％以上である。
ＣＡＳの粒度は、ブレーン値で、４，０００〜８，０００ｃｍ²／ｇが好ましく、５，０００〜７，０００ｃｍ²／ｇがより好ましい．４，０００ｃｍ²／ｇ未満では短期強度の発現性が充分でない場合があり、８，０００ｃｍ²／ｇを超えると流動性の保持時間が充分でなくなる場合がある。

ＣＡＳと無水セッコウを主体とする急硬材中のＣＡＳと無水セッコウの混合割合は、ＣＡＳ１００部に対して、無水セッコウ７５〜１２５部が好ましく、１００部程度がより好ましい。７５部未満では、強度発現性が充分でなくなる場合があり、１２５部を超えると寸法変化が大きくなり、長期耐久性が悪くなる場合がある。

本発明で使用する硝酸塩及び／又は亜硝酸塩を主体とする促進剤(以下、本促進剤という)とは、アルカリ金属、アルカリ土類金属、アルミニウム、及びアンモニウムなどの硝酸塩及び／又は亜硝酸塩を総称するものである。これらの中で、カルシウムの硝酸塩及び／又は亜硝酸塩を選定することが、本発明の効果の面から、また、経済性の面から好ましい。カルシウムの硝酸塩及び／又は亜硝酸塩としては、グレースケミカルズ社製商品名「アーリーセット」や同商品名「ポーラセット」が市販されており、これらを使用することも可能である。

本促進剤の使用量は重要であり、水硬材料と急硬材の合計１００部に対して、０．５〜３部で配合することが好ましい。０．５部未満では流動性の保持時間が充分でなく、また、短期の強度発現性が充分でない場合があり、３部を超えてもさらなる効果の増進が期待できない。

本発明で使用する凝結調節剤とは特に限定されるものではないが、その具体例としては、例えば、クエン酸、酒石酸、グルコン酸及びリンゴ酸等のオキシカルボン酸又はこれらのアルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、アルミニウム塩、及びアンモニウム塩、並びに、アルカリ金属の炭酸塩や重炭酸塩等の一種又は二種以上を挙げることができる。凝結調節剤の使用量は特に限定されるものではないが、通常、水硬材料と急硬材の合計１００部に対して０．１〜２部が好ましく、０．３〜１部がより好ましい。０．１部未満では流動性の保持時間が充分でない場合があり、２部を超えると強度発現性が充分でない場合がある。

本発明で使用する高性能減水剤(以下、単に減水剤という)は、高性能ＡＥ減水剤もその範疇とし、その具体例としては、例えば、ナフタレン系としては、エヌエムビー社製商品名「レオビルドＳＰ−９シリーズ」、花王社製商品名「マイティ２０００シリーズ」、及び日本製紙社製商品名「サンフローＨＳ−１００」などが挙げられ、また、メラミン系としては、日本シーカ社製商品名「シーカメント１０００シリーズ」や日本製紙社製商品名「サンフローＨＳ−４０」などが挙げられる。

さらに、アミノスルホン酸系としては、フローリック社製「フローリックＳＦ５００」シリーズなどが挙げられ、ポリカルボン酸系としては、エヌエムビー社製商品名「レオビルドＳＰ−８シリーズ」、グレースケミカルズ社製商品名「ダーレックススーパー１００ＰＨＸ」、及び竹本油脂社製商品名「チューポールＨＰ−８シリーズ」や「チューポールＨＰ−１１シリーズ」などが挙げられる。
本発明ではこれら減水剤のうちの一種又は二種以上が使用可能であるが、これらのうち、ポリカルボン酸系のものを使用することが好ましい。ポリカルボン酸系以外では、流動性の保持時間が充分でなかったり、強度発現性が悪くなる場合がある。

減水剤には粉末状のものも存在する。具体的には、ポリアルキルアリルスルホン酸塩の縮合物としては、第一工業製薬社製商品名「セルフロー１１０Ｐ」や出光石油化学社製商品名「ＩＰＣ」などが、また、ナフタレンスルホン酸塩の縮合物としては、花王社製商品名「マイティ１００」や三洋化成工業社製商品名「三洋レベロンＰ」などが、さらに、ポリカルボン酸系としては、三菱化成社製商品名「クインフロー７５０」や花王社製商品名「ＣＡＤ９０００Ｐ」などが挙げられる。

減水剤の使用量は特に限定されるものではないが、通常、水硬材料と急硬材の合計１００部に対して、固形分換算で０．１〜１．５部が好ましい。０．１部未満では流動性が充分でなく、充填されない場合があり、１部を超えると材料分離を起す場合がある。

本発明のグラウト用セメント組成物中の各材料の配合割合は重要である。本発明においては、水硬材料７５〜８５部、急硬材１５〜２５部、水硬材料と急硬材の合計１００部に対して０．５部〜３部の本促進剤を、凝結調整剤と高性能減水剤に併用することが好ましい。水硬材料が７５部未満であったり、急硬材が２５部を超えると寸法安定性が悪くなったり、膨張破壊を起す場合がある。逆に、水硬材料が８５部を超えたり、急硬材が１５部未満では短期強度発現性が充分でない場合がある。また、本促進剤が水硬材料と急硬材の合計１００部に対して、０．５部未満では、流動性の保持時間が充分でなく、また、低温時の強度発現性も充分でない場合があり、３部を超えてもさらなる効果の増進が期待できない。

本発明のグラウト材料において、水の使用量は非常に重要である。具体的には、水／グラウト用セメント組成物比で、３５〜４５％が好ましく、４０％前後で使用することがより好ましい。３５％未満では長期的な寸法変化が悪くなったり、膨張破壊を起す場合があり、４５％を超えると強度発現性の面で要求性能を満たせない場合がある。

本発明で用いる細骨材としては特に限定されるものではなく、その具体例としては、例えば、通常、ケイ石系や石灰石系の天然骨材、再生細骨材、並びに、これらの、例えば、ケイ石微分、石灰石微分、及び再生微粉末粉末等の不活性な無機粉末が使用可能である。細骨材の配合量は特に限定されるものではないが、通常、グラウト用セメント組成物１００部に対して、１５０部以下が好ましく、１００部以下がより好ましい。１５０部を超えると流動性の保持時間の確保や短期強度発現性が悪くなる場合がある。

本発明のグラウト材料はそれぞれの材料を施工時に混合してもよいし、一部あるいは全部を予め混合しておいても差し支えない。

以下、実施例及び比較例によって本発明をさらに説明するが、本発明はこれらの実施例等によって限定されるものではない。

実験例１
表１に示す水硬材料、急硬材、本促進剤Ａ、凝結調節剤、及び減水剤を配合して実施例及び比較例のグラウト用セメント組成物を調製した。
このグラウト用セメント組成物を用いて、水／グラウト用セメント組成物比(水／組成物比)40％で練混ぜて実施例及び比較例のグラウト材料を調製し、流動性、圧縮強度、及び長さ変化率を評価した。結果を表１に併記する。

＜使用材料＞
水硬材料 ：住友大阪セメント社製商品名「ジェットセメント」、比重３．０６
急硬材 ：ＣＡＳと無水セッコウを等量混合物、比重２．９０
本促進剤Ａ：亜硝酸カルシウム、試薬１級
凝結調節剤：炭酸カリウム７５部とクエン酸２５部の混合物
減水剤 ：ナフタレンスルホン酸系
水 ：水道水

＜測定方法＞
流動性 ：土木学会標準示方書(ＪＳＣＥ−Ｆ５４１)のＪ₁₄ロートによるコンシステンシーの測定に準じて流下値を測定。流下値が１０秒以内を確保できる保持時間を流動性とした。
圧縮強度 ：材齢４時間の圧縮強度をＪＩＳ Ａ １１０８に準じて測定した。
長さ変化率：ＪＩＳ Ａ ６２０２(Ｂ)に準じて測定した。

実験例２
水硬材料８０部と、急硬材２０部の合計１００部に対して、表２に示す本促進剤を使用したこと以外は実験例１と同様に行った。結果を表２に示す。

＜使用材料＞
本促進剤Ｂ：硝酸カルシウム、試薬１級
本促進剤Ｃ：本促進剤Ａと本促進剤Ｂの等量混合物

実験例３
水硬材料８０部と、急硬材２０部の合計１００部に対して、本促進剤Ｃ１部を配合したグラウト用セメント組成物を調製し、グラウト用セメント組成物100部に対して細骨材を表３に示すように配合してグラウト用モルタル組成物を調製し、水／グラウト用セメント組成物比４０％で練混ぜてグラウト材料を調製したこと以外は実験例２と同様に行った。ただし、減水剤の使用量は１．２倍に増して行った。結果を表３に示す。

＜使用材料＞
細骨材イ ：ケイ石系細骨材、７号ケイ砂、比重２．６２、粒径５ｍｍ以下
細骨材ロ ：石灰石系細骨材、新潟県青海鉱山産の石灰石の粉砕物、比重２．７１、粒径５ｍｍ以下
細骨材ハ ：ケイ石粉、細骨材イの粉砕物、ブレーン値４，０００ｃｍ²／ｇ、比重２．６２
細骨材ニ ：石灰石粉、細骨材ロの粉砕物、ブレーン値４，０００ｃｍ²／ｇ、比重２．７１

実験例４
水硬材料８０部と、急硬材２０部の合計１００部に対して、本促進剤Ｃ１部を配合したグラウト用セメント組成物を調製し、グラウト用セメント組成物１００部に対して細骨材イを１００部配合してグラウト用モルタル組成物を調製した。
調整したグラウト用モルタル組成物と表４に示すような水／組成物比で練混ぜてグラウト材料を調製したこと以外は実験例３と同様に行った。結果を表４に示す。

以上の各実験例による本発明の実施例と比較例の結果を示す表１〜表４から明らかなように、本発明のグラウト用セメント組成物を用いることにより、ある一定時間は流動性を確保することができ、極めて短期の強度発現性に優れ、しかも、寸法安定性にも優れるグラウト材料が提供される。

以上のとおり、本発明のグラウト材料は、一定時間、所望の流動性を確保することができ、また、極めて短期の強度発現性に優れ、しかも、寸法安定性にも優れていることから、ＰＣ床版の接合部に用いられるグラウト材料として、また、緊急補修用のグラウト材料等として広範な分野で利用可能である。

Claims (6)

1. ３ＣａＯ・ＳｉＯ₂固溶体、１１ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃・ＣａＦ₂、及び無水セッコウを含有してなる超速硬性水硬性材料、アルミノケイ酸カルシウムガラスと無水セッコウを含有してなる急硬材、硝酸塩及び／又は亜硝酸塩を含有してなる促進剤、凝結調整剤、並びに、高性能減水剤を含有することを特徴とするグラウト用セメント組成物。
2. 超速硬性水硬性材料が７５〜８５部、急硬材が１５〜２５部、促進剤が超速硬性水硬性材料と急硬材の合計１００部に対して０．５〜３部である請求項１記載のグラウト用セメント組成物。
3. 前記請求項１又は２に記載のグラウト用セメント組成物と細骨材及び／又は水和不活性無機粉末とを配合してなるグラウト用モルタル組成物。
4. 前記請求項１又は２に記載のグラウト用セメント組成物と水とを混練してなるグラウト材料。
5. 水／グラウト用セメント組成物比が３５〜４５％である請求項４記載のグラウト材料。
6. 前記請求項３記載のグラウト用モルタル組成物と、水とを混練してなるグラウト材料。