JP2006335586A - アンカー素子定着材用急硬性セメント組成物、アンカー素子定着材及びアンカー素子の定着方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 穿孔によって形成された空洞部等へのアンカー素子打ち込み時は良好な流動性を保ち、穿孔内からの定着材組成物の逸流を防止でき、道路、鉄道、及び導水路等のトンネルにおけるロックボルト工法、及び法面のアンカー工法等の用途において優れた作業性を有しているアンカー素子定着材、該定着材用急硬性セメント組成物、及び該定着材によるアンカー素子定着方法を提供する。
【解決手段】 アルカリ金属炭酸塩１００部、アルミン酸塩５〜４０部、無機化合物２０〜８０部、カルシウムアルミネート５〜３０部、保水性物質０．１〜５部、オキシカルボン酸塩類０．０１〜２部を含有してなる急結剤を、セメント１００部に対して、固形分換算で３〜２０部、及び粒径が０．６ｍｍ以下である細骨材をセメント１００部に対して９０部までの量で含有するアンカー素子定着材用急硬性セメント組成物。該組成物よりなるアンカー素子定着材。該定着材によるアンカー素子定着方法。
【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、道路、鉄道、及び導水路
等のトンネルにおいて、ロックボルト工法や法面のアンカー工法にアンカー素子として使用されるボルトの定着材及び該定着材用の急硬性セメント組成物並びに該定着材によるボルト等のアンカー素子の穿孔内への定着方法に関する。

トンネルのロックボルト工法や法面のアンカー工法では、紙などの吸水材で構成してなる容器にセメントと急結剤を収納してなるカプセル型定着材を、保水性物質を溶解または分散してなる水に浸してから穿孔に入れ、ボルトを挿入する方法、該カプセルを穿孔に入れてから水注入してボルトを挿入する方法や、紙などの吸水性容器のかわりに、内容器を防水材、外容器を吸水材で構成してなるボルト定着用カプセル内に急硬性セメント封入して使用する方法が採用されていた（特許文献１、特許文献２）。
特開平３−２２５０００号公報 特開昭５８−１５６６９８号公報

近年、大断面トンネルの施工において、地山の露出面積が大きくなり、それに伴うアンカー素子としてのボルトの長さが必要になった。このため、ボルト挿入時に適度な粘性を保持しているボルト定着材が求められていた。
しかし、従来のカプセル型のボルト定着材の場合、カプセル内に充填されているセメントと急結剤からなる急硬性組成物が吸水と同時に急激な急結性を示してボルト挿入作業中に硬化してしまう場合があるため、ボルトの長さによっては施工が確実に行えず、そのため所要の定着力が得られない場合があった。

また、作業性を向上させるためにカプセル内の急硬性セメント組成物の吸水時間を長く設計するとボルト定着が完了する前に穿孔内で破壊されたカプセルから急硬性セメント材料が逸流してしまうという問題があった。また、カプセル外殻に予め充分な水を吸収させることができるカプセルを使用する場合は、内殻部分を防水性材料で形成する必要があるため、施行時に急硬性セメント組成物自体に水が浸透し難くなって硬化が不均一となり、所望の定着強度が得られ難くいという難点があった。

本発明は、ボルト挿入作業中は硬化せずに適度な粘性を保ち、ボルト挿入後は急激な粘度上昇を示し、定着剤の逸流がなく、ボルトの長さによる施工の変動が少なく、所要定着力が得られるようなロックボルト工法やアンカーボルト工法用のボルト（以下、「アンカー素子」ともいう）用の定着材（以下、該ボルト定着材を総称して「アンカー素子定着材」ともいう）と該定着材に使用できる急硬性セメント組成物及び該定着材を利用したロックボルト工法及びアンカー工法（以下、両工法を総称して「アンカー素子定着工法」ともいう）を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決することができる本発明は以下の各発明を包含する。なお、本発明における部や％は、特に断わらない限り質量基準で示している。

（１）アルカリ金属炭酸塩１００部、アルミン酸塩５〜４０部、無機化合物２０〜８０部、カルシウムアルミネート５〜３０部、保水性物質０．１〜５部、オキシカルボン酸塩類０．０１〜２部を含有してなる急結剤を、セメント１００部に対して、固形分換算で３〜２０部、及び粒径が０．６ｍｍ以下である細骨材をセメント１００部に対して９０部までの量で含有するアンカー素子定着材用急硬性セメント組成物。

（２）前記アルカリ金属炭酸塩が炭酸ナトリウムである（１）記載のアンカー素子定着材用急硬性セメント組成物。

（３）前記アルミン酸塩がアルミン酸ナトリウムである（１）又は（２）に記載のアンカー素子定着材用急硬性セメント組成物。

（４）前記無機化合物が水酸化カルシウムである（１）〜（３）のいずれかに記載のアンカー素子定着材用急硬性セメント組成物。

（５）前記（１）〜（４）のいずれかに記載の急硬性セメント組成物を易破壊性のカプセルに封入してなるアンカー素子定着材。

（６）前記易破壊性のカプセルが、紙製の吸水性カプセルである（５）記載のアンカー素子定着材。

（７）前記易破壊性のカプセルが、保水性の外殻と防水性の内殻からなるカプセルである（５）又は（６）記載のアンカー素子定着材。

（８）前記アンカー素子定着材は、１．５分〜１０分の間、好ましくは２．０分〜１０分の間水に浸漬して急硬性モルタルが調製され、使用されるものであることを特徴とする（５）〜（７）のいずれかに記載のアンカー素子定着材。

（９）前記（５）〜（８）のいずれかに記載のアンカー素子定着材を水に浸漬して穿孔内に充填し、次いでアンカー素子を挿入することを特徴とするアンカー素子定着方法。

（１０）前記（５）〜（８）のいずれかに記載のアンカー素子定着材を１．５分〜１０分の間、好ましくは２．０分〜１０分の間水に浸漬して急硬性モルタルを形成し、穿孔内に充填し、アンカー素子を圧入することを特徴とするアンカー素子定着方法。

（１１）前記（５）〜（８）のいずれかに記載のアンカー素子定着材を１．５分〜１０分の間、好ましくは２．０分〜１０分の間水に浸漬して急硬性モルタルを形成し、穿孔内に挿入し、アンカー素子圧入してカプセルを破壊することを特徴とするアンカー素子定着方法。

上記本発明のアンカー素子定着材は、穿孔によって形成された空洞部等へのアンカー素子打ち込み時は良好な流動性を保ち、かつ、穿孔内からの定着材組成物の逸流を防止できる等の効果があリ、道路、鉄道、及び導水路等のトンネルにおけるロックボルト工法、及び法面のアンカー工法等の用途において優れた作業性を有している。

本発明のアンカー素子定着材に使用される急硬性セメント組成物におけるセメントとしては、通常市販されている普通、早強、中庸熱、及び超早強等の各種ポルトランドセメント、これらのポルトランドセメントにフライアッシュや高炉スラグ等を混合した各種混合セメント等が挙げられる。

本発明のアンカー素子定着材に使用される急硬性セメント組成物における急結剤に使用するアルカリ金属炭酸塩(以下、炭酸塩という)とは、セメントの初期凝結を促進するもので、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素ナトリウム及び炭酸水素カリウムが挙げられる。これらの中では、急硬性セメント組成物の急硬性やアンカーの所要定着力を得ることができる点で炭酸ナトリウムが好ましい。

上記急結剤に使用するアルカリ金属アルミン酸塩(以下、アルミン酸塩という)とは、セメントの初期凝結を促進するものであり、水酸化アルミニウムとアルカリ金属水酸化物を混合溶解し、乾燥し、粉末状として得られるものである。アルミン酸塩としては、アルミン酸ナトリウム、アルミン酸カリウム、及びアルミン酸リチウムなどが挙げられ、これらのものは一種又は二種以上を使用することが可能である。これらの中では、急結性が十分に得られ、急硬性セメント組成物によるアンカー定着が確実である点で、アルミン酸ナトリウムの使用が好ましい。

アルミン酸塩の使用量は、アルカリ金属炭酸塩１００部に対して５〜４０部が好ましく、１０〜３５部がより好ましい。５部未満では急硬性セメント組成物の急硬性が十分に得られず、アンカー素子挿入後に逸流してしまう場合があるし、４０部を超えると急硬時間が早まってしまい、アンカー素子を挿入するための作業時間が十分に得られない場合がある。

これらのアルミン酸塩は、製造条件により無水物又はこれらに結晶水を持つもの等が調整でき、いずれも使用できるが、セメントと混合した時の貯蔵安定性が向上する点で、アルミン酸塩の強熱減量が１０重量％以下であることが好ましく、５重量％以下がより好ましい。強熱減量が１０重量％を越えるとカルシウムアルミネートと混合した場合に貯蔵安定性が低下し、品質が低下する場合がある。

上記急硬性セメント組成物における急結剤に使用する無機化合物とは、例えば、硝酸ナトリウム、硝酸カリウム、硝酸カルシウム、亜硝酸ナトリウム、亜硝酸カリウム、及び亜硝酸カルシウム等の硝酸塩類、硫酸ナトリウム、硫酸カリウム、硫酸アルミニウム、ミョウバン類、及び無水セッコウ、半水セッコウ、二水セッコウ等のセッコウ類の硫酸塩、並びに、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化カルシウム、及び水酸化マグネシウム等の水酸化物等が挙げられ、使用する目的に応じて、これらのうちの一種又は二種以上の併用することが可能である。これらの中では、急硬性セメント組成物の硬化強度が十分であることやアンカー素子定着時間が現場施工に適している急硬性セメント組成物を設計し易い点で、水酸化カルシウムの使用が好ましい。
無機化合物の使用量は、アルカリ金属炭酸塩１００部に対して、２０〜８０部が好ましく、３０〜７０部が更に好ましい。２０部未満では、急硬性が十分に得られない場合があり、８０部を超えてしまうと、急硬性セメント組成物の急硬時間が早まってしまい、アンカー素子定着のための作業時間が十分に得られない場合がある。

無機化合物の粒度は特に限定されるものでないが、ブレーン値で２０００〜８０００ｃｍ²／ｇが好ましい。２０００ｃｍ²未満では増粘効果が得られなくなる場合があり、８０００ｃｍ²を超えても増粘効果やアンカー素子の定着力のさらなる向上効果が期待できない場合がある。

本発明の急硬性セメント組成物における急結剤に使用するカルシウムアルミネート類とは、カルシアを含む原料と、アルミナを含む原料等を混合して、キルンでの焼成や、電気炉での溶融等の熱処理をして得られる、ＣａＯとＡｌ₂Ｏ₃とを主たる成分とし、水和活性を有する物質の総称であり、ＣａＯやＡｌ₂Ｏ₃の一部が、アルカリ金属酸化物、アルカリ土類金属酸化物、酸化ケイ素、酸化チタン、酸化鉄、アルカリ金属ハロゲン化物、アルカリ土類金属ハロゲン化物、アルカリ金属硫酸塩、及びアルカリ土類金属硫酸塩等と置換した化合物、あるいは、ＣａＯとＡｌ₂Ｏ₃とを主成分とするものに、これらが少量固溶した物質である。鉱物形態としては、結晶質、非晶質いずれであっても使用可能である。これらの中では、反応活性の面で、非晶質のカルシウムアルミネート類が好ましく、１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃（以下、Ｃ１２Ａ７という）組成に対応する熱処理物を急冷した非晶質のカルシウムアルミネートがより好ましい。

カルシウムアルミネートの使用量は、アルカリ金属炭酸塩１００部に対して、５〜３０部が好ましく、１０〜２５部がより好ましい。５部未満になると、急硬性セメント組成物の急硬性が十分に得られなくなる場合があり、３０部を超えると、急硬時間が早まってしまい、アンカー素子定着時間が十分に得られない場合がある。

本発明の急硬性セメント組成物における急結材に使用する保水性物質としては、ベントナイト、エトリンガイト及びシリカゲル等の無機物、水ガラスと塩化ナトリウムやアルミン酸ナトリウムなどの水ガラスのゲル化剤、さらには、デン粉、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、エチルセルロース、ポリビニルアルコール、ポリエチレンオキサイド、ポリアクリルアマイド、ビニルアルコール−アクリル酸塩共重合体、ポリアクリロ二トリル加水分解物及び一般式ＲＯ（ＡＯ）ｎＨ（式中、Ｒはアルキル基、Ａは一種又は二種以上のアルキル基、ｎは整数）で示される高分子物質等が挙げられる。

これらの中でも、保水能力の大きいもの程、例えば、自重に対して１００倍以上、特に、２００倍以上の水分をゲル化できるものは、アンカー素子定着時の逸流が避けられるため、より強固にアンカー素子定着効果が期待できるので好ましい。
保水性物質の使用量は、アルカリ金属炭酸塩１００部に対して、０．１〜５部が好ましく、０．５〜４．５部がより好ましい。０．１部未満になると、増粘効果によるアンカー定着時の逸流防止効果が得られなくなる場合があり、５部を超えると、アンカー素子の所要定着力が十分に得られない場合がある。

また、特に充分な粘度を発揮させるためには、メチルセルロース、ポリエチレンオキサイド、ビニルアルコール−アクリル酸塩共重合体、ポリアクリロ二トリル加水分解物及び一般式ＲＯ（ＡＯ）ｎＨ（式中、Ｒはアルキル基、Ａは一種又は二種以上のアルキル基、ｎは整数）で示される高分子物質の使用が好ましい。

本発明の急硬性セメント組成物における急結材に使用するオキシカルボン酸類（以下、オキシ酸類ともいう）としては、グルコン酸、酒石酸、クエン酸、リンゴ酸、サリチル酸、及び乳酸又はこれらの塩等が挙げられる。塩としては、ナトリウムやカリウムなどのアルカリ金属塩等が挙げられる。これらの中では、急硬時間の調整がし易い点で、クエン酸が好ましい。オキシ酸類の使用量は、アルカリ金属炭酸塩類１００部に対して、０．０１〜２部が好ましく、０．１〜１部がより好ましい。０．０１部未満では急硬時間の遅延効果が見られず、充分な作業時間が得られない場合があるし、２部を超えると急硬性が不充分となって、アンカー素子の定着力を低下させる場合がある。

本発明の急硬性セメント組成物では、必要に応じて、さらに、減水剤等を使用しても良い。減水剤とは、セメントコンクリートの流動性を改善するために使用するものをいい、液状や粉状のもののいずれも使用できる。減水剤としてはポリオール誘導体、リグニンスルホン酸塩やその誘導体、及び高性能減水剤等が挙げられ、これらの一種又は二種以上を併用しても良い。これらの中では、強度発現性や流動性改善効果が大きい点で高性能減水剤が好ましい。

高性能減水剤としては、アルキルアリルスルホン酸塩のホルマリン縮合物、ナフタレンスルホン酸塩のホルマリン縮合物、メラミンスルホン酸塩のホルマリン縮合物、及びポリカルボン酸系高分子化合物等が挙げられ、これらの一種又は二種以上を併用しても良い。これらの中では、流動性改善効果が大きい点で、ナフタレンスルホン酸塩のホルマリン縮合物、メラミンスルホン酸塩のホルマリン縮合物、及びポリカルボン酸系高分子化合物が好ましい。

減水剤の使用量はセメント１００部に対して０．１〜５部が好ましく、１〜３部がより
好ましい。０．１部未満だと十分な流動性改善効果が得られない場合があり、５部を越えると流動性が大きくなり過ぎ、充填後の増粘効果を阻害する場合や、材料分離を起こし強度発現性が低下する場合がある。
減水剤は、液状や粉状のものいずれも使用できるが、現場施工時の作業性や物性の変動が少ない点から、粉状の減水剤を急硬性セメント組成物にあらかじめ混合して用いるのが好ましい。

本発明における急硬性セメント組成物に使用する急結剤のセメントに対する使用量は、例えば、代表的な普通ポルトランドセメントの場合、セメント１００部に対して２〜２５部が好ましく、３〜２０部がさらに好ましい。２部未満では急硬性セメント組成物の急硬性が十分に得られない場合があり、２５部を超えると急硬時間が早まり、アンカー素子が十分に定着できない場合やアンカー素子の所要定着強度が十分に得られない場合がある。

本発明の急硬性セメント組成物に使用する細骨材は、特に限定するものではなく、川砂、山砂、海砂、砕砂、石灰砂、及び硅砂等、いずれも使用できる。細骨材の粒径としては、０．３ｍｍ以下が好ましく、０．２ｍｍ以下が更に好ましい。０．３ｍｍを超えるとアンカー素子定着時の作業性が低下する場合がある。
細骨材の使用量は、セメント１００部に対して２００部以下が好ましく、１６０部以下が更に好ましい。２００部を超えてしまうと急硬性セメント組成物によるアンカー素子定着時の作業性が低下する場合がある。

本発明のアンカー素子定着材としては、前記急硬性セメント組成物をそのまま使用することもできるが、通水性容器に急硬性セメント組成物を事前に入れてカプセル化したものを使用することも可能である。使用する通水性容器としては、ヒートロン紙が好ましく、和紙などの通水性に優れ、破れにくいものが更に好ましい。

カプセル化したアンカー素子定着材の大きさとしては、長さ８００ｍｍ以下、外経４０ｍｍ以下が好ましい。長さ８００ｍｍを超え、外経４０ｍｍを超えるものでは、該定着材に充分な水量を吸収させるのに時間がかかってしまい、作業性が低下する場合がある。

カプセル化したアンカー素子定着材は、水に事前に浸漬した後、窃孔形成した空洞部に該定着材を挿入してアンカー素子を定着する方法や、窃孔形成した空洞部にカプセル化したアンカー素子定着材を挿入し、水を吸収させてアンカー素子を定着する方法で使用することが可能である。

カプセル化したアンカー素子用定着材に事前に水を充分に吸収させるための時間は、１．５分〜１２分、特に２．０分〜１０分の間が好ましい。１．５分未満ではアンカー素子を空洞内に挿入する作業時間を充分にとることができない。また、１２分を超えると、吸水量が多くなり過ぎて、所定定着力が得られない場合がある。

以下、本発明を実施例に基いてより具体的に説明するが、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。
実施例１
アルカリ金属炭酸塩１００部、並びにアルカリ金属炭酸塩１００部に対して表１に示す配合でアルミン酸塩、無機化合物、カルシウムアルミネート、及びオキシカルボン酸を含有する急結剤を調製した。また、細骨材／セメント比＝１、及び水６０％のモルタルを調製し、該モルタル中のセメント１００部に対して、上記急結剤を固形分換算で７部添加し、急硬性セメントモルタルを調製し、凝結時間、圧縮強度を測定した。使用材料は以下の通りである。結果を表１に示す。

＜使用材料＞
セメント：普通ポルトランドセメント、市販品
アルカリ金属炭酸塩：炭酸ナトリウム、市販品
アルカリ金属アルミン酸塩Ａ：アルミン酸ナトリウム、市販品、強熱減量２．０％
無機化合物：水酸化カルシウム、市販品
オキシカルボン酸：無水クエン酸、市販品
カルシウムアルミネート：Ｃ１２Ａ７組成に対応するもの。非晶質、ブレーン値６，５００ｃｍ²／Ｇ
細骨材（１）：砕砂、市販品
水：上水道水

＜試験方法＞
凝結時間：急硬性セメントモルタルを土木学会基準「吹付けコンクリート用急結剤品質規（ＪＳＣＥＤ−１０２）」に準じて測定し、測定時間を急結剤添加からの時間で測定した。始発はプロクター貫入抵抗値で３．５Ｎ／ｍｍ²以上として、終結時間は２８．０Ｎ／ｍｍ²以上で測定した。
圧縮強度：急硬性モルタルをＪＩＳ Ｒ ５２０１に準じて測定。測定を１日、２８日とした。

アルミン酸塩、無機化合物、及びカルシウムアルミネート類は、アルカリ炭酸塩１００部に対する（部）、凝結時間は（分）、圧縮強度は（Ｎ／ｍｍ²）

実施例２
表１中の実験Ｎｏ．１−５と同様の組成の急結剤を調製し、セメント１００部及び細骨材１００部から調製したドライモルタルに、そのセメント１００部中固形分換算で表２に示す配合量で急結剤を添加し、急硬性モルタル（水６０％）を調製し、凝結時間及び圧縮強度を測定した。結果を表２に示す。

実施例３
表２中の実験Ｎｏ．２−４と同様の急結剤を調製し、セメント１００部、細骨材１００部のドライモルタルを調整し、そのセメント１００部中固形分換算で急結剤３部添加した急硬性ドライモルタルを外径２３．５ｍｍ×長さ３００ｍｍのヒートロン紙２１２５ｃｍ³詰めてカプセルを調製し、該カプセルを表３に示す時間吸水させて孔径３０ｍｍ、深さ３５０ｍｍの上向き穿孔内に入れて、アンカー筋を回転打ち込みした。この時のアンカー打ち込み時の作業性、穿孔内からの逸流及びアンカー引き抜き強度を測定した。結果を表３に示す。

＜試験方法＞
アンカー打ち込み作業性測定：アンカーを手で押し込む際、奥までアンカー打ち込めるかを確認した。
窃孔内からのセメントペースト逸流の確認：アンカーを打ち込み、養生中の窃孔内からのセメントペーストの逸流の確認を行った。
アンカー引き抜き試験：打ち込んだアンカーに反力座を取り付け、油圧ジャッキを用いて、油圧ポンプでアンカーを引き抜いた際の荷重を読み込んだ。

表３から明らかなように、本発明の急硬性セメント組成物を使用したアンカー素子用定着材によれば、作業性に優れ、充分な定着強度を達成することが可能なアンカー素子定着工法を実施することが可能である。

本発明のアンカー素子定着材は、空洞部等へのアンカー打ち込み時は良好な流動性を保ち、かつ、穿孔内からの逸流を防止できる等の効果があるため、道路、鉄道、及び導水路等のトンネルにおけるロックボルト工法、及び法面のアンカー工法等の用途に適する。

Claims (10)

1. アルカリ金属炭酸塩１００部、アルミン酸塩５〜４０部、無機化合物２０〜８０部、カルシウムアルミネート５〜３０部、保水性物質０．１〜５部、オキシカルボン酸塩類０．０１〜２部を含有してなる急結剤を、セメント１００部に対して、固形分換算で３〜２０部、及び粒径が０．６ｍｍ以下である細骨材をセメント１００部に対して９０部までの質量割合で含有するアンカー素子定着材用急硬性セメント組成物。
2. 前記アルカリ金属炭酸塩が炭酸ナトリウムである請求項１記載のアンカー素子定着材用急硬性セメント組成物。
3. 前記アルミン酸塩がアルミン酸ナトリウムである請求項１又は２に記載のアンカー素子定着材用急硬性セメント組成物。
4. 前記無機化合物が水酸化カルシウムである請求項１〜３のいずれかに記載のアンカー素子定着材用急硬性セメント組成物。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の急硬性セメント組成物を易破壊性のカプセルに封入してなるアンカー素子定着材。
6. 前記易破壊性のカプセルが、紙製の吸水性カプセルである請求項５記載のアンカー素子定着材。
7. 前記易破壊性のカプセルが、保水性の外殻と防水性の内殻からなるカプセルである請求項５又は６記載のアンカー素子定着材。
8. 前記アンカー素子定着材は、１．５分〜１０分の間水に浸漬して急硬性モルタルが調製され、使用されるものであることを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載のアンカー素子定着材。
9. 請求項５〜８のいずれかに記載のアンカー素子定着材を水に浸漬して急硬性モルタルを形成し、穿孔内に充填し、次いでアンカー素子を挿入することを特徴とするアンカー素子定着方法。
10. 請求項５〜８のいずれかに記載のアンカー素子定着材を１．５分〜１０分の間水に浸漬して急硬性モルタルを形成し、穿孔内に充填し、アンカー素子を圧入してカプセルを破壊することを特徴とするアンカー素子定着方法。