JP2009114000A - 急硬成分を含有してなる素子定着用カプセル - Google Patents

Abstract

【課題】容器に収納された無機系定着材を使用して素子を削孔内に固定する場合に、水と急硬セメント類とが均一に混合され、所定の引張力が得られるような無機系定着材（素子定着用カプセル）を提供する。
【解決手段】セメント、アルミノケイ酸カルシウムガラス、石膏、骨材、コロイダルシリカ、水及び凝結遅延剤を、易破壊性の容器（例えば、ガラス）に含有してなる素子（例えば、鉄筋）定着用カプセルである。また、アルミノケイ酸カルシウムガラスの代わりに、カルシウムアルミネートガラスを用いた上記の素子定着用カプセルである。さらに、これらの素子定着用カプセルには、ミクロフィブリル化した繊維状セルロースを含有させることもできる。
【選択図】なし

Description

本発明は、異形鉄筋、ＰＣストランド、炭素繊維やアラミド繊維製の棒状体、アンカーボルトやロックボルトなどの素子を削孔内に固定する素子定着用カプセルに関する。

従来から、建築、土木分野のコンクリート、石材、レンガ、ブロック、岩盤等の硬質部材に削孔し、鉄筋、アンカーボルトやロックボルトを固定する定着材が使用されている。
定着材には、金属系アンカーのように、アンカー埋設時にその先端部分が拡張し固定するものと素子の周りを接着系の材料で固定するものに分かれる。
接着系の材料には、有機系と無機系がある（非特許文献１参照）。エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂等の合成樹脂である有機系定着材は、高層建築、高温炉、煙突等の不燃耐熱を要求される場所や削孔内に水がある場合は使用が制限される場合がある。
広沢雅也・松崎育弘編「あと施工アンカー設計・施工読本」（１９９１年１２月１日）株式会社建築技術 第６頁、第６１頁

無機系定着材としては、セメント質物質と、カルシウムアルミネートと、アルカリ硝酸塩類とを主成分とするセメント組成物を昜破壊性の容器に収納してなる素子の定着材が公知である（特許文献１参照）。
また、容器内に収納されたポルトランドセメント、アルミナセント、ジェットセメント等のセメントと該セメントとは隔離された水、水ガラス等の硬化剤とからなるボルト固定用無機カプセル（特許文献２参照）が公知である。
建築、土木分野では、例えば、カルシウムフロロアルミネートと反応性シリカ質物質を主成分とする水硬性組成物を、耐磨耗性の向上のために用いることは公知である（特許文献３）。
特許第２５５５２８１号公報 特開平０４−０５５６００号公報 特開平０３−２３２７５２号公報

上記特許文献１及び２に記載されているような容器に収納された無機系定着材を削孔に施工する場合、急硬セメントを用いた場合に硬化するまでの時間が長いと、ブリーデングの発生、定着用素子の移動、硬化強度が低いことなどから、所定の引張力が得られないという課題があった。
本発明は、容器に収納された無機系定着材を使用して素子を削孔内に固定する場合に、水と急硬セメント類とが均一に混合され、所定の引張力が得られるような無機系定着材（素子定着用カプセル）を提供することを課題とする。

本発明者は、鋭意検討を重ねた結果、特定の急硬成分を含有してなるセメント質（以下、「急硬セメント」という）カプセルを使用することにより、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。

本発明は、上記課題を解決するために、以下の手段を採用する。
（１）セメント、アルミノケイ酸カルシウムガラス、石膏、骨材、コロイダルシリカ、水及び凝結遅延剤を、易破壊性の容器に含有してなる素子定着用カプセルである。
（２）コロイダルシリカを、セメント、アルミノケイ酸カルシウムガラス、及び石膏の合計100部に対して、固形分濃度で0.1〜5部含有してなる前記（１）の素子定着用カプセルである。
（３）セメント、カルシウムアルミネートガラス、石膏、骨材、コロイダルシリカ、水及び凝結遅延剤を、易破壊性の容器に含有してなる素子定着用カプセルである。
（４）コロイダルシリカを、セメント、カルシウムアルミネートガラス、及び石膏の合計100部に対して、固形分濃度で0.1〜5部含有してなる前記（３）の素子定着用カプセルである。
（５）ミクロフィブリル化した繊維状セルロースを水100部に、固形分濃度0.1〜5部の割合で分散させたものを、さらに含有してなる前記（１）〜（４）のいずれか一項の素子定着用カプセルである。
（６）前記容器が、ガラスであることを特徴とする前記（１）〜（５）のいずれか一項の素子定着用カプセルである。
（７）前記素子が、鉄筋であることを特徴とする前記（１）〜（６）のいずれか一項の素子定着用カプセルである。
なお、本発明で使用する部は特に規定のない限り質量基準である。

本発明の急硬セメントカプセルを使用することにより、素子を削孔内に定着する場合に、削孔の、垂直からのずれ角度が特に90度から180度の範囲にあるときの施工が容易になり、所定の引張力が得られる。

以下、本発明を詳しく説明する。
本発明で使用するセメントは、通常市販されている普通、早強、中庸熱、低熱、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などを混合した各種混合セメント、並びに、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することも可能である。

本発明で使用するアルミノケイ酸カルシウムガラス（以下、「ＣＡＳガラス」という）は、カルシア（CaO）を含む原料と、アルミナ（Al₂O₃）を含む原料、及びケイ酸（SiO₂）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、Al₂O₃、及びSiO₂を主たる成分とし、水和活性を有する物質の総称である。
また、CaO及び／又は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物質、あるいは、CaO、Al₂O₃、及びSiO₂を主成分とするものに、これらが少量固溶した物質を含むものである。
そして、鉱物形態としては、溶融体を圧縮空気や高圧水等により急冷することによって得られるガラス質である。
ＣＡＳガラスの成分割合は、CaO30〜60部、Al₂O₃20〜60部、及びSiO₂5〜25部が好ましく、CaO30〜55部、Al₂O₃30〜60部、及びSiO₂10〜20部がより好ましい。CaOが30部未満、あるいは、Al₂O₃が60部を超えると急硬性が劣る場合があり、CaOが60部を超えるか、あるいは、Al₂O₃が20部未満では凝結遅延剤を多量に併用しても瞬結してしまい、作業性の面から好ましくない。また、SiO₂が5部未満では長期的な強度の伸びが期待できず、25部を超えると初期強度が小さい場合がある。
また、ＣＡＳガラス中のガラス質は80％以上が強度発現上好ましい。
ＣＡＳガラスの粒度は、ブレーン値で3,000cm²/g以上が好ましく、4,000cm²/g以上がより好ましい。3,000cm²/g未満では急硬性や初期強度発現性が低下する場合がある。

本発明で使用するカルシウムアルミネートガラス（以下、「ＣＡガラス」という）は、カルシア（CaO）を含む原料と、アルミナ（Al₂O₃）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、Al₂O₃を主たる成分とし、水和活性を有する物質の総称である。
ＣＡガラスは、例えば、溶融体を圧縮空気や高圧水等により急冷することによって得られるガラス質である。
ＣＡガラス中のCaO、Al₂O₃の割合は特に限定されるものではないが、CaO 30〜70部、Al₂O₃30〜70部、CaO 30〜60部、Al₂O₃ 40〜70部がより好ましい。CaOが30部未満、あるいは、Al₂O₃が70部を超えると急硬性が劣る場合があり、CaOが60部を超えるか、あるいは、Al₂O₃が30部未満では凝結遅延剤を多量に併用しても瞬結する場合がある。
また、ＣＡガラス中のガラス質は80％以上が、強度発現性が良好であることから好ましい。
ＣＡ、ＣＡＳガラスの粒度は、ブレーン比表面積値（以下、ブレーン値という）で3,000cm²/g以上が好ましく、4,000cm²/g以上がより好ましい。3,000cm²/g未満では急硬性や初期強度発現性が低下する場合がある。

本発明で使用する石膏は市販のいずれの石膏も使用できるが、強度発現性の面で、II型無水石膏及び／又は天然無水石膏の使用が好ましい。
石膏の粒度は、ブレーン値で3,000cm²/g以上が好ましく、4,000〜7,000cm²/gがより好ましい。3,000cm²/g未満では初期強度発現性が低下する場合がある。
石膏の使用量は、ＣＡガラス及び又はＣＡＳガラスと石膏からなる急硬成分100部中、30〜80部が好ましく、35〜70部がより好ましい。30部未満では長期強度発現性が小さい場合があり、80部を超えると初期強度発現性が小さい場合がある。

急硬成分の使用量は、セメントと急硬成分からなる急硬セメント100部中、5〜30部が好ましく、10〜25部がより好ましい。5部未満では初期強度発現性が小さい場合があり、30部を超えると長期強度が小さい場合がある。

本発明で使用する凝結遅延剤は、アンカー施工時の作業性保持を可能とするものである。 凝結遅延剤は、粉状で使用可能である。
凝結遅延剤としては、オキシカルボン酸類やアルカリ金属炭酸塩類等が挙げられる。これらの中では、硬化時間をコントロールでき、硬化後の強度発現性が良好な点で、オキシカルボン酸類とアルカリ金属炭酸塩類を併用することが好ましい。

オキシカルボン酸類は、オキシカルボン酸又はその塩であり、具体的には、クエン酸、グルコン酸、酒石酸、及びリンゴ酸等のオキシカルボン酸又はこれらの塩の一種又は二種以上の使用が可能であり、その塩としては、ナトリウム塩やカリウム塩が好ましい。これらの中では、使用量と正比例して凝結時間が長くなり、コントロールがしやすく、凝結遅延剤をスラリー化した場合にカルシウム成分と錯塩を形成し析出しにくいオキシカルボン酸塩が好ましい。

アルカリ金属炭酸塩類（以下、「炭酸アルカリ」という）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、これらのうち、硬化後の強度発現性が良好な面で、アルカリ金属炭酸塩が好ましく、炭酸カリウムがより好ましい。
有機酸類と炭酸アルカリを併用した場合の両者の混合割合は、炭酸アルカリ100部に対して、有機酸類5〜200部が好ましく、10〜100部がより好ましい。5部未満では硬化時間をコントロールできず、施工ができない場合があり、200部を超えると強度発現性が低下する場合がある。

凝結遅延剤の使用量は、アンカー施工の作業時間、及び温度等により変動する、一義的に決定することは難しい。通常、セメント、ＣＡガラス若しくはＣＡＳガラス、並びに石膏の合計（以下、「結合材」という）100部に対して、0.1〜5部が好ましく、0.3〜3部がより好ましい。0.1部未満では硬化時間をコントロールできず、施工ができない場合があり、7部を超えると強度発現性が低下する場合がある。

本発明で使用する骨材は、削孔径と定着材素子のクリアランスによるが、通常は5ｍｍ以下の細骨材が使用される。
骨材としては、天然砂、珪砂、及び石灰砂等が挙げられるが、モース硬度4以上の硬質陶器、硬質磁器、金属、天然及び人工のコランダム（鋼玉）、たとえばエメリー、正長石、溶融石英、黄玉、溶融アルミナ、溶融ジルコニア等が挙げられる。
骨材の使用量は、結合材100部に対して、5〜200部が好ましく、10〜100部がより好ましい。5部未満では素子引張力が得られない場合があり、200部を超えると施工ができない場合がある。

コロイダルシリカは、ＩＣ平坦化用研磨材、シリコンウエハー研磨材、各種コーティング用充填材、合成ガラスの原料や、断熱性耐火物の吹付け施工にも使用されている。
本発明で使用するコロイダルシリカとは、粒径が10〜20ｍμ程度の微粒子である。ケイ酸化合物から独特の方法で不純物を除去して無水ケイ酸化合物のゾルとし、安定性を保持するために、ｐＨ9〜11、20％〜40％水溶液濃度に調整されたものである。
本発明でコロイダルシリカは、通常、水に分散して使用する。

コロイダルシリカは、急硬セメント（結合材）100部に対して、固形分濃度で0.1〜5部使用することが好ましい。固形分濃度が0.1部未満では硬化反応を早める効果が得られない場合があり、5部を超えると硬化反応が早すぎ、急硬セメントと水の混合が不充分となる場合がある。

本発明で使用するミクロフィブリル化した繊維状セルロースとは、パルプ繊維を、例えば、超高圧ホモジナイザー処理による強力な機械的せん断力を加え、分繊し、繊維太さ0.01〜0.1μｍまで細かく、ミクロフィブリル化したものである。
ミクロフィブリル化した繊維の絡み合いにより三次元網目構造が形成され、増粘性により安定が得られる。水100部に、ミクロフィブリル化した繊維状セルロースを固形分濃度0.1〜5部の割合で水に均一に分散させたものが好ましく、固形分濃度0.2〜2部がより好ましい。水に分散させるのにホモデイスパーなどを用いて強力に撹拌する必要がある。
ミクロフィブリル化した繊維状セルロースが固形分濃度0.1部未満では、増粘性が得られず、施工性が得られない場合があり、5部を超えると粘性が高すぎ粉体と水の混合がされない場合がある。

本発明で使用する水は、セメント、ＣＡガラス若しくはＣＡＳガラス、並びに石膏からなる急硬セメント（結合材）の水和を阻害しなければ良く、通常は、水道水が使用される。
本発明において、水結合材比（Ｗ／Ｐ）は、30〜55％が好ましく、35〜50％がより好ましい。30％未満ではセメントの粘性が大きくなり、作業性や施工性が低下する場合があり、55％を超えると所定の引抜き強度が得られない場合がある。

本発明では、さらに、減水剤を使用することが可能である。
減水剤とは、流動性を得るものであり、液体や粉体いずれも使用でき、具体的には、リグニンスルホン酸塩やその誘導体、また、高性能減水剤等が挙げられ、これらの一種又は二種以上が使用可能である。これらの中では、流動性が大きい面で、高性能減水剤が好ましい。
高性能減水剤としては、ポリエチレングリコールなどのポリオール誘導体、芳香族スルホン酸系高性能減水剤、ポリカルボン酸系高性能減水剤、エチレングリコール鎖及びスルホン酸基を含有するポリエーテル系高性能減水剤、メラミン系高性能減水剤、及びこれらの混合物等が挙げられる。これらの中では、凝結遅延効果、流動性、及び練り混ぜ性能が大きい点で、芳香族スルホン酸系、ポリカルボン酸系、及びポリエーテル系高性能減水剤が好ましい。
減水剤固形分の使用量は、結合材100部に対して、0.01〜3部が好ましく、0.1〜2部がより好ましい。0.01部未満ではモルタルのワーカビリティーが得られず、3部を超えるとモルタルの凝結が不良となり、初期強度発現性が小さい場合がある。

本発明の容器は、易破壊性のものであり、ガラス、陶器、磁器、プラスチック、紙等が挙げられる。水を含有する容器は、シールが完全で保存が確実なガラス、陶器、磁器、プラスチックが望ましい。セメント、アルミノケイ酸カルシウムガラス、石膏、骨材等の粉体はガラス、陶器、磁器、プラスチック、紙が使用可能である。
ガラスは、硼珪酸ガラスがアルカリ溶出が少なく、肉厚が薄く、耐久性に優れるので望ましい。硼珪酸ガラスの化学成分のNa₂Oが少ないものが、カプセル施工後の安定性にとって、より望ましい。

以下、本発明を実施例にて詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限られるものではない。

内管径φ10ｍｍ×長さ135ｍｍのガラス管Ａに、コロイダルシリカの量を、急硬セメント100部に対して、固形分濃度で表１に示す割合となるように変化させ水39.6部に均一に分散させたものを封入した。
ガラス管Ａを、外径φ16.7ｍｍ×長さ138ｍｍのガラス管Ｂ内に装填し、ガラス管Ａ、Ｂ間の隙間に、セメント80部、ＣＡガラス10部、石膏10部からなる急硬セメント100部、凝結遅延剤0.5部、及び骨材50部を充填し、封入したガラス管カプセルを作製した。
コンクリート壁に、孔径20ｍｍ、深さ130ｍｍの水平孔を開けた。その削孔に、ガラス管カプセルを削孔に挿入後、先端45℃にカットしたＤ16ｍｍ鉄筋をハンマードリルを用いて10秒で深さ130ｍｍを打ち込んだ。
24時間後、鉄筋の引き抜き試験を実施した。
比較例は、ガラス管Ａに、コロイダルシリカ無添加のものを封入した以外は、実施例と同様に行った。結果を表１に併記する。

＜使用材料＞
セメント ：早強ポルトランドセメント、３種混合品、ブレーン値4,420cm²/g、密度3.14g/cm³
ＣＡガラス ：CaO／Al₂O₃＝49／51、ガラス化率100％、ブレーン値4,540cm²/g
石膏 ：無水セッコウの粉砕品、ブレーン値4,630cm²/g
凝結遅延剤 ：グルコン酸／炭酸カリウム重量比3／7の混合物
骨材 ：珪石4号、5号、6号混合品
水 ：水道水
コロイダルシリカ：スノーテックス30％濃度、ＰＨ10.0、密度1.21g/cm³、日産化学社製

＜測定方法＞
鉄筋引張荷重（KN）：ロードセルとデータロガーを用い測定

表１より、急硬材としてのＣＡガラスと、コロイダルシリカを含有する実施例のカプセルを使用して鉄筋を定着した場合、硬化時間を早くすることができ、引張荷重が大きくなり、所定の引張力が得られていることが分かる（実験No.1-2〜No.1-7）。
これに対して、コロイダルシリカを含有しない比較例のカプセルを使用して鉄筋を定着した場合、硬化時間が長く、引張荷重は小さく、所定の引張力が得られない（実験No.1-1）。 なお、コロイダルシリカが多すぎた場合には、硬化が早過ぎ、練り混ぜができず、鉄筋が打ち込めなかった。

ＣＡガラスの代わりにＣＡＳガラスを用いたこと以外は、実施例1と同様に行った。結果を表２に併記する。

＜使用材料＞
ＣＡＳガラス ：CaO／Al₂O₃／SiO₂＝50／45／10、ガラス化率100％、ブレーン値4,650cm²/g

表２より、急硬材としてのＣＡガラスと、コロイダルシリカを含有する実施例のカプセルを使用して鉄筋を定着した場合、硬化時間を早くすることができ、引張荷重が大きくなり、所定の引張力が得られていることが分かる（実験No.2-2〜No.2-7）。
これに対して、コロイダルシリカを含有しない比較例のカプセルを使用して鉄筋を定着した場合、硬化時間が長く、引張荷重は小さく、所定の引張力が得られない（実験No.2-1）。
なお、コロイダルシリカが多すぎた場合には、硬化が早過ぎ、練り混ぜができず、鉄筋が打ち込めなかった。

コロイダルシリカを急硬セメント100部に対して表３に示す割合とし、さらに、ミクロフィブリル化した繊維状セルロースを水100部に表３に示す固形分濃度で分散させたものを用いたこと以外は、実施例1と同様に行った。結果を表３に併記する。

＜使用材料＞
ミクロフィブリル化した繊維状セルロース：平均繊維太さ0.02μｍ

表３より、セルロース繊維、コロイダルシリカを含有する実施例のカプセルを使用して鉄筋を定着させた場合、さらに硬化時間は早く、引張荷重は大きくなり、それぞれを単独で使用する場合を上回る引張力が得られていることが分かる（実験No.3-2〜No.3-10）。

Claims (7)

1. セメント、アルミノケイ酸カルシウムガラス、石膏、骨材、コロイダルシリカ、水及び凝結遅延剤を、易破壊性の容器に含有してなる素子定着用カプセル。
2. コロイダルシリカを、セメント、アルミノケイ酸カルシウムガラス、及び石膏の合計100質量部に対して、固形分濃度で0.1〜5質量部含有してなる請求項１に記載の素子定着用カプセル。
3. セメント、カルシウムアルミネートガラス、石膏、骨材、コロイダルシリカ、水及び凝結遅延剤を、易破壊性の容器に含有してなる素子定着用カプセル。
4. コロイダルシリカを、セメント、カルシウムアルミネートガラス、及び石膏の合計100質量部に対して、固形分濃度で0.1〜5質量部含有してなる請求項３に記載の素子定着用カプセル。
5. ミクロフィブリル化した繊維状セルロースを水100質量部に、固形分濃度0.1〜5質量部の割合で分散させたものを、さらに含有してなる請求項１〜４のいずれか一項に記載の素子定着用カプセル。
6. 前記容器が、ガラスであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の素子定着用カプセル。
7. 前記素子が、鉄筋であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の素子定着用カプセル。