JP2008266029A - セメント系空洞充填材とその混練方法 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた非収縮性、材料分離抵抗性、水中不分離性、及び、充填性を有するとともに、練り上げ直後には適度な流動性を有しながら非漏出性にも優れたセメント系空洞充填材とその混練方法を提供する。
【解決手段】セメントと水とフライアッシュとを含み、単位水量が３８０〜４８０ｋｇ/ｍ³で、水セメント比が１５０〜３５０％であるセメント系空洞充填材に、カチオン性界面活性剤から選ばれる第１の水溶性低分子化合物とアニオン性芳香族化合物から選ばれる第２の水溶性低分子化合物とを組合わせた増粘性混和剤を、上記第１及び第２の水溶性低分子化合物が単位水量に対して、それぞれ１．０〜２．５重量％の割合になるように配合するとともに、アルミン酸ソーダから成る凝集剤を１０〜２０ｋｇ/ｍ³配合した。
【選択図】なし

Description

本発明は、トンネルの覆工背面空洞充填材などに使用されるセメント系空洞充填材とその混練方法に関するものである。

コンクリートによる支保工が採用される以前の矢板工法で建設された既存のトンネルでは、鋼アーチや矢板が支障となり、二次覆工コンクリートが十分に回り込まない場合がある。そのため、図１に示すように、アーチ構造の覆工コンクリート５１と地山５２との間に空洞５３ができてしまうことが多い。この空洞５３は、特に、アーチ天井部に多く見られるが、このような空洞５３が存在すると地盤反力が均等に作用しない。その結果、上記覆工コンクリート５１に局部的に不均等な荷重や曲げ応力が作用するので、上記覆工コンクリート５１にひび割れや剥離等が発生することがあった。そこで、上記トンネルの耐久性向上を目的に、上記空洞５３内に、エアモルタルなどの上記地山５２の強度とほぼ同等の強度を有するセメント系空洞充填材を注入して補修する空洞充填注入工法が一般に採用されている。
ところで、従来、空洞充填に使用されてきたエアモルタルは流動性が大きいため、覆工のひび割れや目地から漏れ出しやすいだけでなく、地盤条件、特に地下水に対する材料分離抵抗性が低いといった欠点があったが、近年は、この欠点を解消するために、エアモルタルにベントナイトあるいはフライアッシュ等を加えた可塑性注入材の開発が行われてきている(例えば、特許文献１参照)。
一方、セメントと水と骨材とに、カチオン性界面活性剤から選ばれる化合物とアニオン性芳香族化合物から選ばれる化合物とを組み合わせた増粘性混和材を配合した、流動性に優れるとともに、材料分離抵抗性や水中不分離性にも優れたコンクリート組成物とその混練方法が提案されている(例えば、特許文献２参照)。
特開平１１−３１０７７９号公報 特開２００５−２８１０８８号公報

しかしながら、従来の可塑性注入材は材料分離抵抗性や非漏出性については従来のエアモルタルよりも優れてはいるが、打設後の収縮が大きいといった問題点があった。
そこで、上記可塑性注入材に、上記コンクリート組成物に用いられた増粘性混和材を添加することも考えられるが、上記増粘性混和材を添加すると非収縮性、材料分離抵抗性、水中不分離性、及び、充填性については向上するものの、練り上げ直後と所定時間（例えば、６０分）後のフロー値の差が小さくなってしまうため、初期フローを確保すると所定時間後のフロー値も大きくなり、その結果、十分な非漏出性を得ることが困難であった。

本発明は、従来の問題点に鑑みてなされたもので、優れた非収縮性、材料分離抵抗性、水中不分離性、及び、充填性を有するとともに、練り上げ直後には適度な流動性を有しながら非漏出性にも優れたセメント系空洞充填材とその混練方法を提供することを目的とする。

本願の請求項１に記載の発明は、セメントと水とフライアッシュとを混練して成るセメント系空洞充填材であって、カチオン性界面活性剤から選ばれる第１の水溶性低分子化合物とアニオン性芳香族化合物から選ばれる第２の水溶性低分子化合物とを組合わせた増粘性混和剤と、凝集剤とが配合されていることを特徴とするものである。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のセメント系空洞充填材であって、単位水量が３８０〜４８０ｋｇ/ｍ³であり、水セメント比が１５０〜３５０％であり、上記第１及び第２の水溶性低分子化合物が単位水量に対して、それぞれ１．０〜２．５重量％の割合で配合されており、かつ、上記凝集剤が１０〜２０ｋｇ/ｍ³配合されていることを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載のセメント系空洞充填材において、上記凝集剤をアルミン酸ソーダとしたものである。
また、請求項４に記載の発明は、セメントとフライアッシュとカチオン性界面活性剤から選ばれる第１の水溶性低分子化合物とアニオン性芳香族化合物から選ばれる第２の水溶性低分子化合物とを組合わせた増粘性混和剤と凝集剤と水とを混練して成るセメント系空洞充填材の混練方法であって、セメント、水、フライアッシュに上記第１の水溶性低分子化合物を添加して混練した後、上記混練物に上記第２の水溶性低分子化合と上記凝集剤とを添加して再度混練することを特徴とする。

本発明によれば、セメントと水とフライアッシュとを混練して成るセメント系空洞充填材に、カチオン性界面活性剤から選ばれる第１の水溶性低分子化合物とアニオン性芳香族化合物から選ばれる第２の水溶性低分子化合物とを組合わせた増粘性混和剤と、凝集剤とを配合したので、優れた非収縮性、材料分離抵抗性、水中不分離性、及び、充填性に加えて、優れた初期流動性と非漏出性とを備えたセメント系空洞充填材を得ることができる。
また、上記セメント系空洞充填材において、単位水量を３８０〜４８０ｋｇ/ｍ³とし、水セメント比を１５０〜３５０％とし、上記第１及び第２の水溶性低分子化合物が単位水量に対して、それぞれ１．０〜２．５重量％の割合で配合するとともに、更に、上記凝集剤を１０〜２０ｋｇ/ｍ³配合すれば、上記特性を確実に発揮させることができる。
また、上記凝集剤を上記増粘性混和剤との相溶性に優れたアルミン酸ソーダとすれば、上記増粘性混和剤の効果による初期流動性と上記凝集剤による非漏出性とを適度に発揮させることができる。
また、上記セメント系空洞充填材を混練する際に、セメント、水、フライアッシュに上記第１の水溶性低分子化合物を添加して混練した後、上記混練物に上記第２の水溶性低分子化合と上記凝集剤とを添加して再度混練するようにすれば、最初の混練時に泡が発生してこれが混練物中に取り込まれるので、起泡剤を用いることなく充填材中の空気量を確保することができる。

以下、本発明の最良の形態について説明する。
本発明の最良の形態に係るセメント系空洞充填材は、セメント、水、フライアッシュに、カチオン性界面活性剤から選ばれる第１の水溶性低分子化合物と、アニオン性芳香族化合物から選ばれる第２の水溶性低分子化合物とを含有する増粘性混和剤を配合するとともに、更に、凝集剤を配合したものである。
上記セメントとしては、石灰石・粘土・酸化鉄などを原料とした普通ポルトランドセメント，早強ポルトランドセメント，中庸熱ポルトランドセメント，白色ポルトランドセメントなどのポルトランドセメントや、高炉セメント，フライアッシュセメント，シリカセメントなどの混合セメントを用いることができる。
また、本発明の増粘性混和剤に用いられる第１の水溶性低分子化合物としては、４級アンモニウム塩型カチオン性界面活性剤が好ましく、特に、アルキルアンモニウム塩を主成分とする添加剤が好ましい。また、第２の水溶性低分子化合物としては、芳香環を有するスルホン酸塩が好ましく、特に、アルキルアリルスルホン酸塩を主成分とする添加剤が好ましい。
一方、凝集剤としては硫酸アルミニウムや硫酸鉄、アルミン酸ソーダ、消石灰などの他、高分子凝集剤が挙げられるが、上記増粘性混和剤との相溶性に優れたアルミン酸ソーダを用いることが好ましい。

ところで、セメント系空洞充填材を図１に示したような、矢板工法で建設された既存のトンネルの空洞５３を充填するための充填材として使用するためには、以下のような性能が要求される。
（１）不均質な空洞の隅々まで充填できること（流動性・充填性）
（２）充填中や充填後に覆工コンクリートのひび割れや目地（コンクリートの継ぎ目）から充填材が漏れないこと
（３）硬化後も地山と充填材が密着している状態を保つこと（非収縮性）
（４）覆工コンクリートに荷重負担を与えないこと（地山と同等の比重）
（５）地盤反力を均等に覆工コンクリートに伝達できること（地山と同等の強度）
（６）地山に湧水があった場合でも各種性能を発揮できること（水中分離抵抗性）

本例のセメント系空洞充填材では、単位水量を３８０〜４８０ｋｇ/ｍ³とし、水セメント比を１５０〜３５０％とするとともに、上記増粘性混和剤を構成する上記第１の水溶性低分子化合物と上記第２の水溶性低分子化合物とを単位水量に対して、それぞれ１．０〜２．５重量％の割合で配合することにより、初期流動性を高めるとともに、材料分離抵抗性、水中不分離性、充填性、及び、非収縮性を向上させるようにしている。
上記単位水量及び水セメント比の範囲は、流動性と充填性とをともに確保するのに必要な範囲である。このとき、上記第１及び第２の水溶性低分子化合物とを単位水量に対して、それぞれ１．０〜２．５重量％の割合で配合することが肝要で、配合の割合が１．０重量％未満である場合には、粘性が得られず、ブリーディングが増大するため材料分離抵抗性、水中不分離性が低下する。一方、２．５重量％を超えた場合には粘性が大きくなり、十分な初期流動性が得られないだけでなく、充填性も低下する。
一方、凝集剤としては、アルミン酸ソーダを１０〜２０ｋｇ/ｍ³配合することが好ましく、これにより、上記増粘性混和剤の添加により得られた初期流動性を保持しつつ、練り上げ後の所定時間後にはそのフロー値が所定のフロー値以下になるように調整するようにしている。これにより、初期フロー値と所定時間後のフロー値との差が大きくなるので、優れた初期流動性と非漏出性とを備えたセメント系空洞充填材を得ることができる。上記凝集剤の配合量が１０ｋｇ/ｍ³に満たない場合には、所定時間後のフロー値の低下が十分でなく、覆工コンクリートのひび割れや目地から充填材が漏れる恐れがある。また、上記凝集剤の配合量が２０ｋｇ/ｍ³を超えた場合には、早期にフロー値が低下してしまうため、空洞を十分に充填できなくなるので、上記凝集剤の配合量としては１０〜２０ｋｇ/ｍ³とすることが好ましい。
なお、強度についてセメントとフライアッシュの比により調整する。地山と同等の強度を確保するためには、セメントの単位粉体重量（セメントとフライアッシュとの総量に対するセメントの比；重量比）を１０〜３０重量％とすることが好ましい。
このように、セメント系空洞充填材の単位水量、水セメント比、セメントをフライアッシュとの配合比、第１及び第２の水溶性低分子化合物の単位水量に対する割合配合、及び、アルミン酸ソーダの配合量を調整することにより、上記セメント系空洞充填材を矢板工法で建設された既存のトンネルの空洞を充填するための充填材として好適に用いることができる。

上記セメント系空洞充填材を製造する際には、最初にセメント、水、フライアッシュに上記第１の水溶性低分子化合物を添加して混練した後、上記混練物に上記第２の水溶性低分子化合と上記凝集剤とを添加して再度混練する。コンクリート組成物を製造する際には、最初の混練に第１の水溶性低分子化合物を添加すると泡が発生してこれが問題になるが、セメント系空洞充填材ではある程度（約２０％）の空気量を充填材内に取り込む必要があるので、最初の混練に第１の水溶性低分子化合物を添加する。これにより、起泡剤を用いることなく充填材中の空気量を確保することができる。

このように、本実施の形態によれば、セメントと水とフライアッシュとを含み、単位水量が３８０〜４８０ｋｇ/ｍ³で、かつ、水セメント比が１５０〜３５０％であるセメント系空洞充填材に、カチオン性界面活性剤から選ばれる第１の水溶性低分子化合物とアニオン性芳香族化合物から選ばれる第２の水溶性低分子化合物とを組合わせた増粘性混和剤を、上記第１及び第２の水溶性低分子化合物が単位水量に対して、それぞれ１．０〜２．５重量％の割合になるように配合するとともに、アルミン酸ソーダから成る凝集剤を１０〜２０ｋｇ/ｍ³配合したので、優れた非収縮性、材料分離抵抗性、水中不分離性、及び、充填性に加えて、練り上げ直後には適度な流動性を有しながら所定時間後には所定のフロー値以下になるような優れた初期流動性と非漏出性とを備えたセメント系空洞充填材を得ることができる。
また、上記セメント系空洞充填材を混練する際に、セメント、水、可塑化材に上記第１の水溶性低分子化合物を添加して混練した後、上記混練物に上記第２の水溶性低分子化合と上記凝集剤とを添加して再度混練するようにすれば、最初の混練時に泡が発生してこれが混練物中に取り込まれるので、起泡剤を用いることなく充填材中の空気量を確保することができる。
［実施例］

以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明は何ら実施例に限定されるものではない。
実施例１
普通ポルトランドセメント１６３ｋｇ/ｍ³とフライアッシュ６５１ｋｇ/ｍ³ と水４８８ｋｇ/ｍ³に、アルキルアンモニウム塩を主成分とする添加剤（花王株式会社製、商品名「ビスコトップ１００ＦＢ」；登録商標）７．３２ｋｇ/ｍ³を添加して練り混ぜた後、アルキルアリルスルホン酸塩を主成分とする添加剤（花王株式会社製、商品名「ビスコトップ１００ＦＡ」；登録商標）と凝集剤（アルミン酸ソーダ）７．３２ｋｇ/ｍ³と凝集剤（アルミン酸ソーダ）１０ｋｇ/ｍ³を添加して再度混練して、セメント系空洞充填材を作製した。
このセメント系空洞充填材の水粉体比は６０％、水セメント比は３００％である。また、第１及び第２の水溶性低分子化合物（「ビスコトップ１００ＦＢ」、「ビスコトップ１００ＦＡ」）の添加率は単位水量に対してそれぞれ１．５％である。

上記作製されたセメント系空洞充填材について以下の試験を行って、流動性、強度、水中分離抵抗性、充填性、非漏出性、及び、非収縮性を評価した。
なお、評価基準としては、矢板工法で建設された既存のトンネルの空洞を充填するための充填材として好適に用いる要求性能とした。
流動性については、フロー試験により評価する。
フロー試験は、内径８０ｍｍ、高さ８０ｍｍの塩ビ管フローコーンに充填材を注入した後、上記コーンを取り除き、上記充填材の広がったときの縦横の広がりの平均をフロー値とする。なお、フロー試験は静置フローと１５打フローの両方を行う。そして、静置フロー値が練り上げ直後で８０〜１５５ｍｍ、６０分後で１００ｍｍ以下であることと、打撃フロー値が練り上げ直後で１３０〜２０５ｍｍ、６０分後で１７０ｍｍ以下であることが要求されている。
また、強度については、材齢２８日での一軸圧縮強度が１．５Ｎ/ｍｍ²以上、比重については、１１〜１５ｋＮ/ｍ³であることが要求されている。
充填性については、図２に示すような、注入口１１から吐出口１２に向かって高さが高くなるモルタル製の床１３が設けられた箱状の容器１４に透明アクリル板１５の蓋をし、この容器１４内に上記注入口１１から充填材を充填した場合、上記充填材が上記容器１４内だけでなく、上記容器１４内に予め設置された障害物であるコンクリートブロック１６ａ、角材１６ｂ、及び、Ｈ型鋼１６ｃの周囲にも隙間なく密着充填されていることが要求されている。
非漏出性については、図３に示すような、複数の幅（１，３，５，７，１０ｍｍ）の隙間２１〜２５が設けられた試験容器２０に充填材を注入して、上記充填材が流出した最小の隙間の幅で評価する。６０分経過後において５ｍｍ以下の隙間（同図の隙間２１〜２３）に完全に流出があってはならないことが要求されている。
水中分離抵抗性については、透明水槽内に充填材を投入し、上記水槽内の水の濁度もしくはｐＨを測定して評価する。濁度の場合、分光光度計で水面から１０ｃｍの位置での上記水の光透過率を測定し、充填材投入後６０分経過後の水の光透過率測定値増減率が±２％であることが要求されている。一方、ｐＨの場合には、水面から１０ｃｍの位置にｐＨメータを取付けて水のｐＨを測定し、注入直後から６０分経過後のｐＨ測定比率が±１０％であることが要求されている。
非収縮性については、３００φ×１０００ｍｍの容器に充填材を充填してその収縮量を測定し評価する。２８日後の収縮量が２０ｍｍ以下であることが要求されている。
なお、試験の詳細については、ＪＨＳ３１３、ＪＩＳ Ａ１１３２等を参照されたい。

以下に試験結果を示す。
フロー試験結果
静置フローは、練り上がり直後が１２４ｍｍ、６０分経過後が９０ｍｍであった。
また、打撃フロー（１５打）は、練り上がり直後が１９７ｍｍ、６０分経過後が１３９ｍｍであった。これらの結果から、本発明によるセメント系空洞充填材は優れた初期流動性を示すとともに、６０分経過後にはフロー値が下がって広がりにくくなることが確認された。したがって、覆工のひび割れや目地から漏れ出しを確実に防止することができる。なお、上記セメント系空洞充填材については、後述するように非漏出性の試験も行い、非漏出性にも優れていることを再度確認している。
水中分離抵抗性試験結果
濁度：光透過率の変化率を求めたところ、６０分後で９９．６％と規格（±２％）の約１/５であった。
ｐＨ；ｐＨの変化率は−１．７％で、これも規格（±１０％）の１/５以下であった。
充填性試験結果
容器内だけでなく、障害部分（角材やＨ型）にも隙間なく密着充填されていることが確認された。
非漏出試験結果
６０分経過後において５ｍｍ以下の隙間の通過はなかった。
非収縮性試験験結果
材齢２８日での収縮量は約０．５ｍｍ以下で、殆ど収縮していなかった。
以上の試験結果ら、本発明のセメント系空洞充填材は、既存のトンネルの空洞を充填するための充填材として好適に用いることができることが確認された。

実施例２
図４の表に示すような、凝集剤の配合量が２０ｋｇ/ｍ³であるセメント系空洞充填材（試料Ｎｏ．１，２）と、１０ｋｇ/ｍ³であるセメント系空洞充填材（試料Ｎｏ．３，４）と、凝集剤を配合しなかったセメント系空洞充填材（試料Ｎｏ．５，６，７）を作製し、凝集剤の添加量による流動性の変化を調べた。
なお、表のＷは水、Ｃはセメント、ＦＡはフライアッシュ、ＶＴＡは第２の水溶性低分子化合物、ＶＴＢは第１の水溶性低分子化合物で、Ｗ/Ｃは水セメント比、Ｗ/Ｐは水粉体比である。ここで、粉体とは、セメントとフライアッシュとを指す。ここでは、上記実施例１と同様に、セメントとして普通ポルトランドセメントを用いた。
同図の表に示すように、凝集剤を配合したセメント系空洞充填材は全て、静置フローにおいても打撃フローにおいても、適度な初期流動性を確保することができるとともに、６０分経過後のフロー値の減少が大きく、かつ、既存のトンネルの空洞を充填するための充填材の流動性の規格を十分に満足している。
これに対して、凝集剤が配合されていないセメント系空洞充填材は全て、静置フローにおいても打撃フローにおいても、６０分経過後のフロー値が上記規格を満たしていないことがわかる。
なお、水中不分離性については、全ての試料が規格を満足している。
このように、凝集剤を１０〜２０ｋｇ/ｍ³配合することにより、優れた材料分離抵抗性、水中不分離性に加えて、優れた初期流動性と非漏出性とを備えたセメント系空洞充填材を得ることができることが確認された。

実施例３
図５の表及び図６の表に示すように、凝集剤の配合量を１５ｋｇ/ｍ³、第１及び第２の水溶性低分子化合物それぞれの水に対する配合量を１．５重量％と一定とし、水セメント比を変化させたセメント系空洞充填材（試料Ｎｏ．１１〜１７及び試料Ｎｏ．２１〜２７）を作製し、流動性の変化を調べた。ここで、セメントは、試料Ｎｏ．１１〜１７では上記実施例１，２と同様に、普通ポルトランドセメントを用い、試料Ｎｏ．２１〜２７では高炉セメントＢ種を用いた。
上記各表に示すように、上記セメント系空洞充填材は、水セメント比が１６０〜４１０％の広い範囲で、適度な初期流動性を確保することができるとともに、６０分経過後のフロー値の減少が大きく、かつ、既存のトンネルの空洞を充填するための充填材の流動性の規格を十分に満足していることが確認された。なお、図６の表の強度は材齢１４日（２ｗｅｅｋ）での強度である。
なお、中には強度が低いものもあるが、これは水粉体比が大きいためと考えられる。

以上説明したように、本発明によれば、優れた非収縮性、材料分離抵抗性、水中不分離性、及び、充填性に加えて、優れた初期流動性と非漏出性とを備えたセメント系空洞充填材を得ることができる。したがって、これを矢板工法で建設された既存のトンネルの空洞を充填するための充填材に適用すれば、覆工コンクリートに作用する荷重や曲げ応力を均等にできるので、トンネルの安定性を確保することができる。

矢板工法で建設された既存のトンネルの空洞の状態を説明するための模式図である。 充填性の試験方法を説明するための模式図である。 非漏出性の試験方法を説明するための模式図である。 凝集剤の添加量と流動性との関係を調べた結果を示す表である。 水セメント比と流動性との関係を調べた結果を示す表である。 水セメント比と流動性との関係を調べた結果を示す表である。

符号の説明

１１ 注入口、１２ 吐出口、１３ 床、１４ 箱状の容器、１５ 透明アクリル板、
１６ａ コンクリートブロック、１６ｂ 角材、１６ｃ Ｈ型鋼、
２０ 試験容器、２１〜２５ 隙間。

Claims (4)

1. セメントと水とフライアッシュとを混練して成るセメント系空洞充填材であって、カチオン性界面活性剤から選ばれる第１の水溶性低分子化合物とアニオン性芳香族化合物から選ばれる第２の水溶性低分子化合物とを組合わせた増粘性混和剤と、凝集剤とが配合されていることを特徴とするセメント系空洞充填材。
2. 上記セメント系空洞充填材は単位水量が３８０〜４８０ｋｇ/ｍ³であり、水セメント比が１５０〜３５０％であり、上記第１及び第２の水溶性低分子化合物とが単位水量に対して、それぞれ１．０〜２．５重量％の割合で配合されており、かつ、上記凝集剤が１０〜２０ｋｇ/ｍ³配合されていることを特徴とする請求項１に記載のセメント系空洞充填材。
3. 上記凝集剤がアルミン酸ソーダであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセメント系空洞充填材。
4. セメントとフライアッシュとカチオン性界面活性剤から選ばれる第１の水溶性低分子化合物とアニオン性芳香族化合物から選ばれる第２の水溶性低分子化合物とを組合わせた増粘性混和剤と凝集剤と水とを混練して成るセメント系空洞充填材の混練方法であって、セメント、水、フライアッシュに上記第１の水溶性低分子化合物を添加して混練した後、上記混練物に上記第２の水溶性低分子化合と上記凝集剤とを添加して再度混練することを特徴とするセメント系空洞充填材の混練方法。

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