JP2007217212A

JP2007217212A - 急硬性組成物、急硬スラリー、急硬性セメントコンクリート、及びその施工法

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Publication number: JP2007217212A
Application number: JP2006037815A
Authority: JP
Inventors: Kazuyuki Mizushima; 一行水島; Akitoshi Araki; 昭俊荒木
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2006-02-15
Filing date: 2006-02-15
Publication date: 2007-08-30

Abstract

【課題】急硬セメントコンクリート打設後のスランプドロップが起き、型枠にかかる圧力が低下することにより、型枠からの漏れ防止や、型枠の変形や破壊を防ぐことができ、作業性の向上と経済性の向上が見込まれるばかりか、強度発現性も良好となる急硬性組成物、急硬スラリー、急硬性セメントコンクリート、及びその施工法を提供する。
【解決手段】カルシウムアルミネート、石膏、凝結調整剤、及びアクリル酸エステル共重合体エマルジョンからなる急硬性組成物、セメントと該急硬性組成物とを含有してなる急硬性セメント組成物、該急硬性セメント組成物を含有してなる急硬性セメントコンクリート、該急硬性組成物を含有してなる急硬スラリー、セメントコンクリートと該急硬スラリーとからなる急硬性セメントコンクリート、並びに、セメントコンクリートと該急硬スラリーとを混合して、型枠内に連続して流し込む急硬性セメントコンクリートの施工を構成とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、例えば、道路、鉄道、及び導水路等のトンネル覆工時や、露出した地山面、港湾護岸工事、及び道路舗装やトンネルコンクリートの補修等の覆工時に使用する急硬性組成物、急硬スラリー、急硬性セメントコンクリート、及びその施工法に関する。

従来、トンネル掘削等露出した地山の崩落を防止するために、急結材をコンクリートに配合した急結性吹付コンクリートの吹付工法が行われている（特許文献１参照）。
この吹付工法は、通常、吹付コンクリートをコンクリートポンプで圧送し、その途中に設けた合流管で、他方から圧送した急結材と混合し、急結性吹付コンクリートとして地山面に所定の厚みになるまで吹付ける工法である。
この急結性吹付コンクリートは、高圧なエアーでコンクリートを地山面に吹き付けるため、トンネル内での粉塵発生等、作業員の健康面での課題があった。
また、吹付けコンクリートの20〜30％程度が地山に付着しないで下に落ちる、いわゆるリバウンドとなってしまうため経済的で無いという課題があった。

一方、露出した地山面、港湾護岸工事、及び道路舗装やトンネルコンクリートの補修等の覆工時には、型枠を組んでコンクリートを流し込む方法が行われている（非特許文献１参照）。
しかしながら、流し込みのコンクリートの流動性が高い場合は、コンクリートの圧力により型枠が破壊する危険があり、充分な補強が必要である、脱型までに日数がかかるという課題があった。

また、急硬成分と遅延剤の組み合わせからなる従来の急硬材を含有したコンクリートや超速硬セメントを含有したコンクリートを用いた場合は、強度発現性が充分であっても、硬化時間が短いために、一定時間流動性を保持することが難しく、コンクリートポンプ内で硬化してしまう場合があるという課題があった。

一方、アクリル酸エステル共重合体エマルジョンは、通常、塗料の保水剤や、粘弾性を向上させ、インクが紙に付き易くするために使用されるもので、その他、法面の吹付けコンクリートに使用することも提案されている（特許文献２参照）。

特開平１１−１９９２８７号公報コンクリート標準示方書［施工編］、10.7 型枠及び支保工、p135〜146 特開２００２−３３８３１６号公報

近年、トンネルの施工においては、人体の安全面や経済的な面から、粉塵発生とリバウンドの無いトンネルのコンクリート覆工が求められるようになった。
また、港湾工事においては、打設したコンクリートが型枠から漏洩したり、型枠が破壊したりして海洋汚染することを防止する面から、型枠にかかる側圧が短時間で低減する方法が求められている。

本発明者は、鋭意検討を重ねた結果、ある特定の急硬性組成物を使用した急硬性セメントコンクリートをトンネル内の型枠に流し込む、又は、一般的な構造物の型枠に流し込むことにより、上記課題を解決できる知見を得て本発明を完成するに至った。

即ち、本発明は、カルシウムアルミネート、石膏、凝結調整剤、及びアクリル酸エステル共重合体エマルジョンからなる急硬性組成物であり、セメントと該急硬性組成物とを含有してなる急硬性セメント組成物であり、急硬性組成物が、セメント100部に対して、５〜30部である該急硬性セメント組成物であり、セメント、カルシウムアルミネート、石膏、凝結調整剤、及びアクリル酸エステル共重合体エマルジョンを含有してなる急硬性セメント組成物であり、該急硬性セメント組成物を含有してなる急硬性セメントコンクリートであり、カルシウムアルミネート、石膏、凝結調整剤、及びアクリル酸エステル共重合体エマルジョンを含有してなる急硬スラリーであり、セメントコンクリートと該急硬スラリーとからなる急硬性セメントコンクリートであり、カルシウムアルミネート、石膏、凝結調整剤、及びアクリル酸エステル共重合体エマルジョンの合計が、セメント100部に対して、５〜30部である該急硬性セメントコンクリートであり、該急硬性セメントコンクリートを用いてなる急硬性セメントコンクリートの施工法であり、セメントコンクリートと該急硬スラリーとを混合して、型枠内に連続して流し込む急硬性セメントコンクリートの施工法である。

本発明の急硬性組成物を使用することにより、急硬性セメントコンクリート打設後のスランプドロップが起き、型枠にかかる圧力が低下することにより、型枠からの漏れ防止や、型枠の変形や破壊を防ぐことができ、作業性の向上と経済性の向上が見込まれるばかりか、強度発現性も良好となる。

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。
また、本発明におけるセメントコンクリートとは、セメントペースト、セメントモルタル、及びコンクリートを総称するものである。

本発明で使用す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、並びに、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などを混合した各種混合セメント、さらには、エコセメントなどが挙げられ、これらを微粉末化して使用してもよいが、一般的に使用できる普通ポルトランドセメントや早強ポルトランドセメントが好ましい。
また、フルオロカルシウムアルミネートを含有するフルオロセメントも使用可能であり、さらに、CaOをＣ、Al₂O₃をＡ、SiO₂をＳ、及びFe₂O₃をＦとすると、Ｃ₂Ｓ、Ｃ₃Ｓ、Ｃ₃Ａ、及びＣ₄ＡＦと示されるセメント中の鉱物組成の含有量を変更して焼成したクリンカーに、硫酸カルシウム、硫酸カリウム、及び硫酸ナトリウムなどの硫酸塩を併用した特殊セメントも使用可能である。

本発明で使用するカルシウムアルミネートとは、CaO原料やAl₂O₃原料等を混合したものを、キルンで焼成したり、電気炉で溶融したりするなどの熱処理をして得られるものをいい、初期にセメントコンクリートの凝結硬化を起こさせる急硬成分である。
カルシウムアルミネートとしては、Ｃ₃Ａ、Ｃ₁₂Ａ₇、ＣＡ、及びＣＡ₂などの鉱物組成で示される熱処理物が挙げられ、これらの一種又は二種以上を使用することが可能である。また、これらを粉砕したものであってもよく、さらに、その他の成分として、リチウム、ナトリウム、及びカリウムなどのアルカリ金属を一部含有したカルシウムアルミネートなども使用できる。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が好ましく、Ｃ₁₂Ａ₇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。
また、本発明では、SiO₂成分を含有するアルミノケイ酸カルシウム、Ｃ₁₂Ａ₇の１つのCaOをCaF₂などのハロゲン化物で置き換えたＣ₁₁Ａ₇・CaX₂（Ｘはフッ素等のハロゲン）、SO₃成分を含有するＣ₄Ａ₃・SO₃も同様に使用可能である。さらに、アルミナセメントも同様に使用できる。
カルシウムアルミネートの粒度は、ブレーン比表面積値（以下、ブレーン値という）で4,000cm²/g以上が好ましい。4,000cm²/g未満では急結性や初期強度発現性が低下する場合がある。
カルシウムアルミネートの使用量は、カルシウムアルミネート、石膏、凝結調整剤、及びアクリル酸エステル共重合体エマルジョンからなる急硬性組成物100部中、25〜85部が好ましく、30〜70部がより好ましい。25部未満では強度発現性が小さい場合があり、85部を超えると硬化時間の制御が難しく、強度発現性が小さい場合がある。

本発明では、強度発現性を向上するために石膏を使用する。
石膏としては、無水石膏、半水石膏、二水石膏、及び天然石膏等が挙げられ、これらの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、強度発現性の面で、無水石膏が好ましい。
石膏の粒度は、強度発現性の面で、ブレーン値で3,000cm²/g以上が好ましく、5,000cm²/g以上がより好ましい。3,000cm²/g未満では強度発現性が低下する場合がある。
石膏の使用量は、カルシウムアルミネート100部に対して、20〜250部が好ましく、50〜200部がより好ましい。20部未満では強度発現性が小さい場合があり、250部を超えると初期強度発現性が遅れる場合がある。

本発明で使用する凝結調整剤は、急硬性セメントコンクリートの凝結硬化を調整するもので、有機酸類やアルカリ金属炭酸塩を含有してなるもので、これらの一種又は二種以上が使用可能である。

有機酸類としては、クエン酸、酒石酸、リンゴ酸、及びグルコン酸等のオキシカルボン酸類又はこれらの塩等が挙げられる。

アルカリ金属炭酸塩としては、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、及び炭酸カリウムなどの炭酸塩や、炭酸水素ナトリウムや炭酸水素カリウムなどの重炭酸塩が挙げられる。

凝結調整剤の使用量は、カルシウムアルミネートと石膏からなる急硬材100部に対し、0.5〜30部が好ましく、２〜20部がより好ましい。0.5部未満では硬化時間の制御が効かずホースなどの閉塞の問題が発生したり、硬化後の強度発現性を促す効果が期待できなくなる場合があり、30部を超えると初期強度発現が低下する場合がある。

本発明では、セメントモルタルとの混合により、短時間にスランプ低下を起こし、型枠流し込み時の型枠にかかる側圧を短時間に低減し、型枠からの漏洩を防止するために、アクリル酸エステル共重合体エマルジョンを使用する。

アクリル酸エステル共重合体エマルジョン（以下、本エマルジョンという）は、不飽和カルボン酸と、不飽和カルボン酸と共重合可能なエチレン性不飽和化合物とを、乳化重合、懸濁重合、溶液重合、又は塊状重合等の方法を用いて共重合することにより得られるポリマーエマルジョンである。

不飽和カルボン酸としては、アクリル酸、メタクリル酸、及びマレイ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、マレイン酸モノエチルなどの不飽和カルボン酸半エステルなどが挙げられ、これらの中では、凝結性状が大きい面で、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。

不飽和カルボン酸と共重合可能なエチレン性不飽和化合物としては、エチレン、アクリルニトリルなどのシアノビニルモノマー、メチルアクリレート、エチルアクリレート、及びブチルアクリレートなどのアクリル酸エステルモノマーや、メチルメタクリレート、エチルメタクリレート、及びブチルメタクリレートなどのメタクリル酸エステルモノマーや、脂肪族カルボン酸ビニルエステルやビニルエーテルモノマーなどの多官能性ビニルモノマーなどが挙げられる。これらの中では、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。

不飽和カルボン酸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：エチレン性不飽和化合物質量比が20：１〜１：20が好ましく、５：１〜１：５がより好ましい。この範囲外では凝結効果が悪くなる場合がある。
本エマルジョンの使用量は、通常、急硬材100部に対して、固形分換算で0.05〜５部が好ましく、0.1〜２部がより好ましい。0.05部未満ではセメントコンクリートの打設後の凝結が弱く、スランプ低下促進の効果が期待できない場合があり、５部を超えるとその効果の向上が期待できないばかりか、短・長期強度が悪くなる場合がある。

カルシウムアルミネート、石膏、凝結調整剤、及びアクリル酸エステル共重合体エマルジョンからなる急硬性組成物の使用量は、セメント100部に対して、５〜30部が好ましく、７〜20部がより好ましい。５部未満では初期凝結が充分に得られない場合があり、30部を超えても、初期強度発現性は変わらず経済的でないばかりか、長期強度発現性が低下する場合がある。

急硬スラリーの製造方法は、あらかじめ、カルシウムアルミネート、石膏、及び凝結調整剤を混合したものに、水と本エマルジョンを混合してスラリーとするか、水に遅延剤と本エマルジョンを混合した後、カルシウムアルミネートと石膏を混合してスラリーとするか、いずれの方法も可能である。
なお、本エマルジョンを乾燥して微粉末として、急硬材に混合することも可能である。

急硬性組成物に対する水の量は、急硬性組成物100部に対して、40〜200部が好ましく、50〜100部がより好ましい。40部未満では粘性が高すぎてポンプ圧送ができない場合があり、200部を超えると急硬性セメントコンクリートの水比が上がり、短・長期強度が低下する場合がある。

本発明では、セメントコンクリートや急硬スラリーの混合前の特性や凝結硬化後の強度特性等を改善するために、減水剤、増粘剤、超微粉、及び繊維状物質からなる群より選ばれる一種又は二種以上の混和剤を使用することが好ましい。

本発明のセメントコンクリートとしては、通常、生コンクリートプラントで製造されるコンクリートを用いるが、好ましくは、Ｗ／Ｃ＝35〜65％、Ｓ／ａ＝40〜100％、粗骨材の最大寸法＝10〜25mm、コンクリートスランプとしては、型枠内の充填性を考慮し15〜25cmのコンクリートを使用することが好ましい。

こうして調製したセメントコンクリートと急硬スラリーを、混合して圧送することも可能であるが、ポンプで別々に圧送し、コンクリートホースの途中に混合管を設け、コンクリートに、急硬スラリーを圧入し、混合管で混合し、急硬性セメントコンクリートとして、トンネル内に設けたセントル型枠や構造物用型枠に流し込み、充填混合することが好ましい。

混合管としては、セメントコンクリートと急硬スラリーを充分に混合できる機能があれば邪魔板等の形式等いずれでも構わないが、攪拌羽を持つ強制混合管が最も好ましい。

本発明における急硬性セメントコンクリートの凝結時間や硬化時間は、混合管で混合された時点から開始となるが、凝結時間は0.5〜５分程度である。0.5分未満では混合後のホースの閉塞や型枠内に急硬性セメントコンクリートが充分に行きわたらない場合があり、５分を超えると、型枠に圧力がかかり、セメントコンクリートの漏洩や型枠の破壊等の問題が発生する場合がある。
また、硬化時間は２〜120分が好ましく、５〜60分程度がより好ましい。２分未満では、ホース内での閉塞や、セントル型枠充填後に、型枠内に急硬性セメントコンクリートが充分に行きわたらない場合があり、120分を超えるとその後の圧縮強度発現が遅くなり型枠脱枠が遅くなり、作業性が悪くなる場合がある。

以下、実施例、比較例を挙げてさらに詳細に内容を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

実験例１
Ｗ／Ｃ＝50％、Ｓ／ｓ＝52％、及びセメント380kg/m³のコンクリート配合を用いてコンクリートを調製した。
一方、カルシウムアルミネート100部、無水石膏100部、カルシウムアルミネートと石膏からなる急硬材100部に対して、表１に示す凝結調整剤と本エマルジョン（固形分換算）、並びに、カルシウムアルミネート、石膏、凝結調整剤、及びアクリル酸エステル共重合体エマルジョンからなる急硬性組成物100部に対して、70部の水を配合して急硬スラリーを調製した。
調製したコンクリートと急硬スラリーを、コンクリート中のセメント100部に対して、急硬性組成物が13部となるように混合して急硬性コンクリートを調製した。
調製した急硬性コンクリートのスランプ、硬化時間、及び圧縮強度を評価した。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、ブレーン値3,350cm²/g、密度3.16g/cm³
細骨材：新潟県青海産石灰砂、密度2.64g/cm³、ＦＭ＝2.82
粗骨材：新潟県糸魚川市姫川産川砂利、密度2.65g/cm³、最大骨材寸法15mm
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6,050cm²/g、密度2.90g/cm³
石膏：市販無水セッコウの粉砕品、ブレーン値5,900cm²/g、密度2.94g/cm³
凝結調整剤：炭酸カリウム：クエン酸ナトリウム質量比＝７：３
本エマルジョン：エチルアクリレート／メタクリル酸をモル比45／55で共重合したポリマーエマルジョン、固形分30％

＜測定方法＞）
スランプ：JIS A 1101「コンクリートのスランプ試験方法」による。
硬化時間：急硬性コンクリートの温度が１℃上昇した時点を硬化とする。
圧縮強度：φ５×10cmの型枠で材齢３、24時間の圧縮強度を測定。

実験例２
カルシウムアルミネート100部と、石膏100部と、急硬材100部に対して10部の凝結調整剤と２部の本エマルジョンと、急硬性組成物100部に対して70部の水を混合して調製し、急硬スラリーを調製した。
調製した急硬スラリーを表２に示すようにコンクリートに混合したこと以外は実験例１と同様に行った。結果を表２に併記する。

本発明は、道路、鉄道、及び導水路等のトンネル覆工時や、露出した地山面、港湾護岸工事、及び道路舗装やトンネルコンクリートの補修等の覆工時に使用できるばかりか、コンクリートと急硬スラリーを別々に混練圧送し、使用直前に混合することにより、硬化による配管等の閉塞をなくし、経済性のある施工が可能となる。

Claims

カルシウムアルミネート、石膏、凝結調整剤、及びアクリル酸エステル共重合体エマルジョンからなる急硬性組成物。
セメントと、請求項１記載の急硬性組成物とを含有してなる急硬性セメント組成物。
急硬性組成物が、セメント100部に対して、５〜30部である請求項２に記載の急硬性セメント組成物。
セメント、カルシウムアルミネート、石膏、凝結調整剤、及びアクリル酸エステル共重合体エマルジョンを含有してなる急硬性セメント組成物。
請求項２〜請求項４のうちのいずれか一項に記載の急硬性セメント組成物を含有してなる急硬性セメントコンクリート。
カルシウムアルミネート、石膏、凝結調整剤、及びアクリル酸エステル共重合体エマルジョンを含有してなる急硬スラリー。
セメントコンクリートと、請求項６に記載の急硬スラリーとからなる急硬性セメントコンクリート。
カルシウムアルミネート、石膏、凝結調整剤、及びアクリル酸エステル共重合体エマルジョンの合計が、セメント100部に対して、５〜30部である請求項７に記載の急硬性セメントコンクリート。
請求項５、請求項７、及び請求項８のうちのいずれか一項に記載の急硬性セメントコンクリートを用いてなる急硬性セメントコンクリートの施工法。
セメントコンクリートと請求項６に記載の急硬スラリーとを混合して、型枠内に連続して流し込む急硬性セメントコンクリートの施工法。