JP2005194145A - セメント組成物およびその使用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 産業廃棄物である、焼却灰を有効に利用することが可能となり、強度発現性により優れる、土木・建築分野で使用するセメント組成物、特に、各種注入材として使用されるセメント組成物およびその使用方法を提供すること。
【解決手段】 セメント、焼却灰、及びアルカリ増粘型ポリマーエマルジョンを含有するセメント組成物、焼却灰が、セメント100部に対して、30部以上である該セメント組成物、アルカリ増粘型ポリマーエマルジョンが、不飽和カルボン酸類とエチレン性不飽和化合物の共重合により得られるポリマーエマルジョンである該セメント組成物、該セメント組成物を用いてなる硬化体、並びに、セメント、焼却灰、及び水をあらかじめ混合してＡ剤とし、使用直前に、アルカリ増粘型ポリマーエマルジョンを含有するＢ剤と該Ａ剤とを混合する該セメント組成物の使用方法を構成とする。
【選択図】 なし

Description

本発明は、土木・建築分野で使用するセメント組成物、特に、焼却灰の有効利用の方法に関するものであり、焼却灰を使用して、地山の空洞や空隙部分の裏込め材として、また、シールドセグメントの充填材として、また、二重管単相又は複相の注入工法での瞬結性注入材として、さらに、二重管ダブルパッカー工法でのシール材や一次注入材として使用されるセメント組成物およびその使用方法に関する。

近年施工件数が増加しているトンネル補修工事の中に、覆工コンクリート背面の空洞に注入材を充填する裏込め注入工法がある。
トンネルの覆工において、施工時や施工後に、覆工コンクリート背面に空洞が発生する場合がある。
この空洞をそのまま放置すると、空洞部への地山の崩落に伴う地表面が沈下する、また、地山崩落が激しい場合には、覆工コンクリートの変形や破壊、特に、トンネルの崩落が発生する、さらに、空洞への地下水の流入による覆工コンクリートが劣化する、そして、それに伴う劣化コンクリート片の走行車線への落下やクラック部からの漏水による冬季走行車線が凍結するなどの課題があった。
裏込め注入工法は、この空洞部へ注入材を充填しトンネルの安定化を図るもので、ここで、使用される注入材を裏込め材という。
従来、この裏込め材として、通常、セメント−ベントナイトが用いられてきたが、流動性が大きすぎ、裏込め材が遠方まで不必要に逸流したり、湧水があると裏込め材が流出したり、希釈され物性が低下したりするなどの課題があった。

そこで、セメントとベントナイトの主材に、高吸水性樹脂を添加してその粘度を大きくする方法や水ガラスを添加して硬化促進する方法が提案された(特許文献１、特許文献２参照)。
しかしながら、いずれの方法も、粘度が上昇するまでに時間がかかるうえ、高吸水性樹脂を添加する方法は高吸水性樹脂自体が高価であり、また、初めから注入材に投入し混練するため、主材の粘度が高く、圧送距離が短くせざるを得ず、施工が限定されるという課題があり、一方、水ガラスを添加する方法は、水ガラスのｐＨ値が13以上と強アルカリであるため、作業が相当制限される、硬化体からの溶出水が環境に負荷を与える、及び硬化体の長期強度が低下するなどの課題があった。

また、最近では裏込め材の持つ課題を解決する方法として、セメント−ベントナイトやセメント−石炭灰（フライアッシュ）の主材に、可塑化材としてポリマーを添加することにより瞬時に可塑化して、水中不分離性や安全性を改善したものが提案されている。

一方、焼却灰はその成分中に塩素を含有しているため、現状では、塩素の規定があるコンクリートに使用できず、その大部分が埋め立て等の産業廃棄物として処理されており、そのため有効な活用方法が望まれていた。
特開平１０−２３７４４６号公報 特開平１１−０６１１２３号公報

本発明は、ベントナイトや高吸水性樹脂使用の注入材より、長距離圧送性に優れ、また、可塑化材添加後は速やかに増粘し、裏込め材が遠方まで不必要に逸流したり、湧水があっても裏込め材が流出したり、希釈されて物性が低下したりすることなく、さらに、水ガラスのように溶出水が強アルカリ性となるものでもないセメント組成物を提供することを目的とする。

本発明者は、種々検討を重ねた結果、特定のセメント組成物を用いることにより、急激な粘度上昇を示す、強度の発現性に優れる、水中不分離性がある、ｐＨ値が水ガラスを用いた場合に比べ低くできるなどの知見を得て本発明を完成するに至った。

即ち、本発明は、セメント、焼却灰、及びアルカリ増粘型ポリマーエマルジョンを含有してなるセメント組成物であり、焼却灰が、セメント100部に対して、30部以上である該セメント組成物であり、アルカリ増粘型ポリマーエマルジョンが、不飽和カルボン酸類とエチレン性不飽和化合物の共重合により得られるポリマーエマルジョンである該セメント組成物であり、該セメント組成物を用いてなる硬化体であり、セメント、焼却灰、及び水をあらかじめ混合してＡ剤とし、使用直前に、アルカリ増粘型ポリマーエマルジョンを含有するＢ剤と該Ａ剤とを混合する該セメント組成物の使用方法である。

以下、本発明を詳細に説明する。
なお、本発明で言う部や％は特に規定のない限り質量基準である。

本発明で使用するセメントは特に限定されるものではなく、通常のセメントが使用可能であり、具体的には、普通、早強、及び超早強等の各種ポルトランドセメントやエコセメントなどが挙げられる。

本発明で使用する焼却灰とは、製紙工場で発生するパルプスラッジや、下水道中に蓄積した汚泥等を、回収し、加熱処理した灰であり、例えば、篩等を通して分級処理するなど化工する前の原粉や集塵して得られたヒュームなどが使用可能である。
焼却灰は細かければ細かいほど可塑性の面で好ましい。具体的には、200メッシュなどの篩を通した微粉や、集塵機で得られた超微粉が好ましく、ブレーン比表面積値に換算すると3,000cm³/g以上となる。
焼却灰の使用量は、焼却灰の種類や品質により変わるため一義的に規定することはできないが、一般的には、セメント100部に対して、30〜500部が好ましく、100〜300部がより好ましい。30部未満では粘度が上昇せず、フローが大きくなり、水中不分離性が悪くなる場合があり、500部を超えると粘性が高くなり過ぎ、セメント組成物を混合できない場合がある。

本発明で使用するアルカリ増粘型ポリマーエマルジョン(以下、本エマルジョンという)とは、アルカリにより増粘するポリマーエマルジョンをいう。

本エマルジョンとしては、例えば、不飽和カルボン酸類、エチレン性不飽和化合物、不飽和カルボン酸類とエチレン性不飽和化合物の共重合物等、種々挙げられるが、より優れた効果を示す面で、不飽和カルボン酸類とエチレン性不飽和化合物の共重合により得られるポリマーエマルジョンが好ましい。
不飽和カルボン酸類とエチレン性不飽和化合物の重合方法としては、乳化重合、懸濁重合、溶液重合、又は塊状重合等の方法により、共重合する方法等が挙げられる。

不飽和カルボン酸類としては、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、マレイン酸、フマル酸、シトラコン酸、アコニット酸、及びクロトン酸等の不飽和カルボン酸、無水マレイン酸や無水シトラコン酸等の不飽和カルボン酸無水物、並びに、イタコン酸モノメチル、イタコン酸モノブチル、及びマレイン酸モノエチルなどの不飽和カルボン半エステルが挙げられ、これらの中では、より優れた効果を示す面で、不飽和カルボン酸が好ましく、アクリル酸及び／又はメタクリル酸がより好ましい。

エチレン性不飽和化合物としては特に限定されるものではないが、より優れた効果を示す面で、アクリル酸エステルモノマー及び／又はメタクリル酸エステルモノマーが好ましい。アクリル酸エステルとしては、メチルアクリレート、エチルアクリレート、ブチルアクリレート、ヘキシルアクリレート、シクロヘキシルアクリレート、オクチルアクリレート、ヒドロキシエチルアクリレート、２−エチルヘキシルアクリレート、及びグリシジルアクリレートなどが挙げられ、メタクリル酸エステルとしては、メチルメタクリレート、エチルメタクリレート、ブチルメタクリレート、ヒドロキシエチルメタクリレート、及びグリシジルメタクリレートなどが挙げられる。

本エマルジョンの不飽和カルボン酸類とエチレン性不飽和化合物の共重合比は、より優れた効果を示す面で、不飽和カルボン酸類：エチレン性不飽和化合物＝20：１〜１：20が好ましく、５：１〜１：５がより好ましい。この範囲外では良好なアルカリ増粘性が得られない場合がある。

本エマルジョンの使用量は、セメント100部に対して、固形分換算で0.1〜２部が好ましく、0.2〜１部がより好ましい。0.1部未満では増粘効果が少なくなり、フローが大きくなり、水中不分離性が悪くなる場合があり、２部を超えると初期強度発現性が悪くなる場合がある。

本発明のセメント組成物に、砂や砂利等の骨材、減水剤、及び防凍剤等を併用することも可能である。

本発明で使用する水の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、100〜350部が好ましく、150〜200部がより好ましい。100部未満ではセメント組成物の混練が困難になる場合があり、350部を超えるとフローが大きくなり、水中不分離性が悪くなる場合がある。

本発明のセメント組成物は、セメント、焼却灰、及び本エマルジョンを混合して得られる。
その混合方法は特に限定されるものではないが、セメントと焼却灰をあらかじめ水と混合したセメント−焼却灰液をＡ剤とし、使用直前に、本エマルジョンを含有するＢ剤と、該Ａ剤とを混合することにより粘度を急激に上昇させる方法が好ましい。
なお、本エマルジョンをあらかじめ水と混合して溶液又は懸濁液とすることは、混合性が良好となり、増粘性の面から好ましい。

実際の使用にあたって本エマルジョンは、添加混合がしやすい面から、水と混合して使用することが好ましい。
その場合の水の使用量は特に限定されるものではないが、本エマルジョンの固形分の５〜20倍の水で希釈することが好ましく、硬化促進剤を使用する場合は、その１〜３倍に希釈することが好ましい。水の量がこれより少ないと粘性が高くなり混合性が悪くなる場合があり、水の量が多くなると、その希釈水の希釈効果が多くなり、水中不分離性が悪くなる場合がある。
残りの水は、セメントと焼却灰に混合し、セメント−焼却灰液のＡ剤と、本エマルジョンのＢ剤を別々に圧送し、ノズル先端で合流混合しながら使用することも可能であるが、セメント−焼却灰液のＡ剤、本エマルジョンと水とを混合して２倍量にした本エマルジョン液のＢ剤を別々に圧送し、ノズル先端で合流混合しながら使用することがより好ましい。

セメント組成物の合流混合の方法としては、Ｙ字管等の混合管を使用する方法、二重管を使用する方法、及び本エマルジョン液のＢ剤をシャワー状にセメント−焼却灰液のＡ剤に合流混合させるためにインレットピースを使用する方法等が挙げられる。
また、セメント組成物をより均一に混合するため、合流混合後の管中にスパイラル状のミキサをセットし、さらにセメント組成物を混合する方法も挙げられる。

本発明のセメント組成物は、産業廃棄物である、焼却灰を有効に利用することが可能となり、強度発現性により優れるものである。

以下、本発明の実施例を示し、本発明をさらに説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

セメント100部に対して、表１に示す量の焼却灰と水とをミキサーで混練してＡ剤を調製した。
次に、セメント100部に対して、固形分換算で0.5部の本エマルジョンαと水５部を混合してＢ剤とした。
Ａ剤にＢ剤を投入し、５秒間混練し、混練物を調製し、そのフロー、水中不分離性、及び圧縮強度を測定した。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
本エマルジョンα：固形分濃度30％、エチルアクリレート：メタクリル酸＝45：55のエチルアクリレート／メタクリル酸共重合ポリマーエマルジョン
焼却灰ア ：パルプスラッジ焼却灰、市販品
焼却灰イ ：下水汚泥焼却灰、市販品

＜測定方法＞
フロー ：内径80mm、高さ80mmのシリンダーに混練物を入れ、シリンダーを引き抜いた後の広がりを２分後に測定
水中不分離性：土木学会の水中不分離コンクリート設計施工指針付属書の水中分離度試験に準じて実施、水の濁りが全くない場合を優、水の濁りがわずかにある場合を良、水の濁りはあるが実用可能の場合を可、及び材料が分離し、水の濁りが大の場合を不可とした。
圧縮強度 ：JIS R 5201に準じて測定

セメント100部、焼却灰200部、及び水180部をミキサーで混練してＡ剤を調製し、セメント100部に対して、表２に示す本エマルジョンと、本エマルジョンの10倍量の水とを混合してＢ剤としたこと実施例１と同様に行った。
なお、比較のため、本エマルジョンの代わりにアルカリ増粘性を有さない非本エマルジョンを用いて同様な実験を行った。結果を表３に併記する。

＜使用材料＞
本エマルジョンβ：固形分濃度30％、エチルアクリレート：メタクリル酸＝45：55のエチレン／酢酸ビニル共重合ポリマーエマルジョン70部と、エチレン：酢酸ビニル＝18：82のエチルアクリレート／アクリル酸共重合ポリマーエマルジョン30部の混合物
非本エマルジョンγ：固形分濃度30％、スチレン：2-エチルヘキシルアクリレート＝45：55のスチレン／2-エチルヘキシルアクリレート共重合ポリマーエマルジョン
焼却灰ア：パルプスラッジ焼却灰
焼却灰イ：下水汚泥焼却灰

Claims (5)

1. セメント、焼却灰、及びアルカリ増粘型ポリマーエマルジョンを含有してなるセメント組成物。
2. 焼却灰が、セメント100部に対して、30部以上であることを特徴とする請求項１に記載のセメント組成物。
3. アルカリ増粘型ポリマーエマルジョンが、不飽和カルボン酸類とエチレン性不飽和化合物との共重合により得られるポリマーエマルジョンであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のセメント組成物。
4. 請求項１〜３の１項に記載のセメント組成物を用いてなる硬化体。
5. セメント、焼却灰、及び水をあらかじめ混合してＡ剤とし、使用直前に、アルカリ増粘型ポリマーエマルジョンを含有するＢ剤と該Ａ剤とを混合することを特徴とする請求項１〜３のうちの１項に記載のセメント組成物の使用方法。