JP2008169055A - セメント組成物、それを用いた注入材、及びその使用方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 セメント、高炉徐冷スラグ、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、硬化促進剤を含有してなる該セメント組成物である。セメントと高炉徐冷スラグの質量比が1:99〜50:50であるセメント組成物、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、硬化促進剤が、アルミン酸塩及び/又は硫酸塩を含有してなる該セメント組成物である。また、該セメント組成物を用いてなる注入材である。さらに、該セメント組成物の使用方法である。
【選択図】なし
Description
この空洞をそのまま放置すると、(1)空洞部への地山の崩落に伴い、地表面が沈下する、(2)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、(3)空洞への地下水の流入により、覆工コンクリートが劣化する、(4)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り、冬期に走行車線が凍結する、などの課題があった。
従来、この裏込め材として、通常、セメントとベントナイトを主材とするセメント−ベントナイト系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、希釈されて物性が低下したりするなどの課題があった。
なお、本発明でいう部は特に規定のない限り質量基準である。
高炉徐冷スラグの粒度は、ブレーン比表面積で3000〜8000cm2/g程度が好ましい。3000cm2/g以下では流動性が高くなりすぎて、可塑化材添加後の粘度の増加が少なく水中不分離性が低くなり、8000cm2/gを超えるとA液の粘度、及びその経時変化が大きくなってポンプ圧送性が悪くなる場合がある。
また、高炉徐冷スラグのガラス化率は、特に限定されるものではないが、通常、30%以下であり、10%以下が好ましい。ガラス化率が30%を超えるとA液の粘度、及びその経時変化が大きくなってポンプ圧送性が悪くなる場合がある。本発明でいうガラス化率(X)は、X(%)=(1−S/S0)×100として求められる。ここで、Sは粉末X線回折法により求められる徐冷スラグ中の主要な結晶性化合物であるメリライト(ゲーレナイト2CaO・Al2O3・SiO2とアケルマナイト2CaO・MgO・2SiO2の固溶体)のメインピークの面積であり、S0は徐冷スラグを1000℃で3時間加熱し、その後、5℃/分の冷却速度で冷却したもののメリライトのメインピークの面積を表す。
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、及び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、より優れた増粘効果を示す面で、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、又は塊状重合等により共重合する方法等が挙げられる。
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等が挙げられ、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等が挙げられる。
本発明で使用する硬化促進剤は、セメント組成物の硬化を促進してブリーディングを低減し、空隙の生成を抑制するとともに、強度発現性に寄与する。
アルミン酸カルシウム(以下、CAという)は、カルシアを含む原料と、アルミナを含む原料等とを混合して、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を主成分とする化合物を総称するものである。具体例としては、CaO・2Al2O3、CaO・Al2O3、12CaO・7Al2O3、12CaO・7Al2O3・CaF2、3CaO・Al2O3、及び3CaO・3Al2O3・CaSO4等で表される結晶性のカルシウムアルミネート類や、CaOとAl2O3を主成分とする非晶質の化合物が挙げられ、いずれも使用可能である。これらの中では、強度発現性の面で非晶質の12CaO・7Al2O3組成のものがより好ましい。
CA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3000cm2/g以上が好ましく、5000cm2/g以上がより好ましい。3000cm2/g未満では初期強度発現性が低い場合がある。
硫酸カルシウムとしては、無水石膏、半水石膏、又は二水石膏等が挙げられ、これらの中では、硬化促進と強度発現性の面で、無水石膏が好ましい。
硫酸塩の粉末度は、ブレーン値で3000cm2/g以上が好ましく、5000cm2/g以上がより好ましい。3000cm2/g未満では強度発現性が低い場合がある。
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、高炉徐冷スラグ、及び水を含有してなる混合物をA液とし、本エマルジョンと水とを含有してなる混合物をB液とし、使用直前に、A液とB液とを混合する方法、硬化促進剤と水とを含有してなる混合物をC液とし、使用直前に、A液、C液、及びB液を混合する方法、さらに、本エマルジョン、硬化促進剤、及び水を含有してなる混合物をD液とし、使用直前に、A液とD液を混合する方法により、粘度を急激に上昇させることが好ましい。
この場合の水の使用量は、特に限定されるものではないが、本エマルジョンをあらかじめ水と混合する場合は、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、硬化促進剤をあらかじめ水と混合する場合は、その1〜3倍の水で希釈することが好ましい。水の量がこれより少なくなると、粘度が高くなって混合性が低くなる場合があり、水の量が多くなると、流動性が高くなって水中不分離性が低くなる場合がある。
本発明において、本エマルジョンと硬化促進剤を共に使用する場合には、セメント−高炉徐冷スラグ液のA液と、本エマルジョン、硬化促進剤、及び水との混合物のD液を別々に圧送し、ノズル先端で合流混合させて使用することも可能であるが、セメント−高炉徐冷スラグ液のA液、本エマルジョン液のB液、硬化促進剤液のC液の三種類の液を別々に圧送し、ノズル先端で合流混合させて使用する方法がより好ましい。
遅延剤としては、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それらのナトリウム塩やカリウム塩等の金属塩、ホウ酸、トリポリリン酸塩、並びにピロリン酸塩等が挙げられ、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。これらの中では遅延効果が大きい面で、オキシカルボン酸及び/又はオキシカルボン酸塩が好ましく、クエン酸及び/又はクエン酸ナトリウムがより好ましい。
遅延剤の使用量は、セメントと高炉徐冷スラグの合計100部に対して、0.01〜10部が好ましく、0.05〜5部がより好ましい。0.01部未満では遅延効果が小さい場合があり、10部を超えると強度発現性が低くなる場合がある。
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ーをセットし、さらにセメント組成物を混合する方法も挙げられる。
表1に示す質量比のセメントと高炉徐冷スラグの合計100部と水60部をミキサーで練混ぜてA液を調製し、調製直後、及び60分後の粘度を測定した。セメントと高炉徐冷スラグの合計100部に対して、固形分換算で0.2部のエマルジョンαと水2部を混合してB液を調製し、硬化促進剤a2部と水4部を混合してC液を調製した。そして、A液、C液、及びB液をミキサーに続けて投入して5秒間練混ぜた後、フロー値、水中不分離性、pH値及び圧縮強度を測定した。なお、比較例として、高炉徐冷スラグの代わりに、セメント30部と高炉水砕スラグ70部の合計100部とした場合について同様に実験を行った。さらに、セメント100部と水60部を練混ぜてA液を調製し、水ガラス注入材を20部を用いた場合について同様の実験を行った。結果を表1に併記する。
セメント:普通ポルトランドセメント、市販品
高炉徐冷スラグ(A):SiO233.1%、Al2O313.9%、CaO42.3%、MgO6.9%、密度3.00g/cm3、ブレーン比表面積4000cm2/g、ガラス化率2.0%
高炉徐冷スラグ(B):SiO233.1%、Al2O313.9%、CaO42.3%、MgO6.9%、密度3.00g/cm3、ブレーン比表面積4000cm2/g、ガラス化率30%
高炉徐冷スラグ(C):SiO233.1%、Al2O313.9%、CaO42.3%、MgO6.9%、密度3.00g/cm3、ブレーン比表面積4000cm2/g、ガラス化率10%
高炉水砕スラグ:SiO233.6%、Al2O313.4%、CaO42.5%、MgO6.7%、密度2.90g/cm3、ブレーン比表面積4100cm2/g、ガラス化率98.5%
エマルジョンα:本エマルジョン、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
硬化促進剤a:12CaO・7Al2O3組成、ガラス化率95%、ブレーン値6000cm2/gのCAであるアルミン酸塩と、ブレーン値5400cm2/gの無水石膏である硫酸塩の等量混合物
水ガラス注入材:3号水ガラス、市販品
A液の粘度:A液を調製した直後と60分後の粘度をB型粘度計で測定
フロー値:内径80mm×高さ80mmのシリンダーに練混ぜ後のセメント組成物を入れ、シリンダーを引き抜いた後の広がりを1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、材料が分離し、水の濁りが大の場合を不可とした。
pH値:pHメーターで測定
圧縮強度:JIS R 5201に準じて材齢28日の圧縮強度を測定
セメント10部、高炉徐冷スラグ(A)70部、水60部をミキサーで練混ぜてA液を調製し、硬化促進剤a2部と水4部を混合してC液を調製し、表2に示すエマルジョンと、エマルジョンの10倍量の水とを混合してB液を調製したこと以外は実験例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エマルジョンを用いて同様に行った。また、B液を用いない場合は、A液、C液の順にミキサーに続けて投入して5秒間練混ぜた。結果を表2に併記する。
エマルジョンβ:本エマルジョン、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70部と、エチレン:酢酸ビニル=18:82のエチレン/酢酸ビニル共重合ポリマーエマルジョン30部の混合物
エマルジョンγ:比較例のエマルジョン、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
セメント10部、高炉徐冷スラグ(A)70部、水60部をミキサーで練混ぜてA液を調製し、固形分換算で0.2部のエマルジョンαと水2部を混合してB液を調製し、表3に示す種類と量の硬化促進剤と、その2倍量の水、及び遅延剤0.02部を混合してC液を調製したこと以外は実験例1と同様に行った。なお、C液を用いない場合は、A液、B液の順にミキサーに続けて投入して5秒間練混ぜた。結果を表3に併記する。
硬化促進剤b:硫酸塩、硫酸アルミニウム、市販品
硬化促進剤c:炭酸塩、炭酸ナトリウム、市販品
硬化促進剤d:アルミン酸塩、アルミン酸ナトリウム、市販品
硬化促進剤e:コロイド、シリカゾル、市販品
遅延剤:クエン酸、市販品
セメント10部、高炉徐冷スラグ(A)70部、水60部をミキサーで練混ぜてA液を調製し、固形分換算で0.2部のエマルジョンα、硬化促進剤a2部、遅延剤0.02部、水6部を混合してD液を調製し、A液、D液の順にミキサーに続けて投入して5秒間練混ぜたたこと以外は実験例3と同様に行った。その結果、フロー値は「82mm」、水中不分離性は「優」、圧縮強度は「3.8N/mm2」であった。
Claims (9)
- セメント、高炉徐冷スラグ、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。
- セメント、高炉徐冷スラグ、アルカリ増粘型ポリマーエマルジョン、及び硬化促進剤を含有してなるセメント組成物。
- セメントと高炉徐冷スラグの質量比が10:90〜80:20である請求項1又は2に記載のセメント組成物。
- 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請求項1〜3のうちのいずれか一項に記載のセメント組成物。
- 硬化促進剤が、アルミン酸塩及び/又は硫酸塩を含有してなる請求項2〜4のうちのいずれか一項に記載のセメント組成物。
- 請求項1〜5のいずれか一項に記載のセメント組成物を用いてなる注入材。
- セメント、高炉徐冷スラグ、及び水を含有してなる混合物をA液とし、アルカリ増粘型ポリマーエマルジョンと水とを含有してなる混合物をB液とし、使用直前に、A液とB液とを混合してなるセメント組成物の使用方法。
- セメント、高炉徐冷スラグ、及び水を含有してなる混合物をA液とし、アルカリ増粘型ポリマーエマルジョンと水とを含有してなる混合物をB液とし、硬化促進剤と水とを含有してなる混合物をC液とし、使用直前に、A液、C液、及びB液を混合してなるセメント組成物の使用方法。
- セメント、高炉徐冷スラグ、及び水を含有してなる混合物をA液とし、アルカリ増粘型ポリマーエマルジョン、硬化促進剤、及び水を含有してなる混合物をD液とし、使用直前に、A液とD液を混合してなるセメント組成物の使用方法。
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