JP2009132808A - 注入材および硬化時間の調整方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】高い注入性を長時間保持し、注入後は速やかに凝結を開始し、短期強度の発現が良好な特性を兼備し、凝結時間を調整することのできる注入材の提供。
【解決手段】セメントクリンカーを3〜40質量%、高炉スラグを60〜97質量%、セメントクリンカー及び高炉スラグの合計を100質量部としたとき石膏をSO3換算で0.5〜3質量部含有し、その最大粒径が15μm以下の超微粒子材料に対し、前記超微粒子材料100質量部としたとき(i)カルシウムアルミネート系速硬性混和材を0.7〜7質量部、(ii)凝結調節剤を0.01〜0.13質量部、及び(iii)高性能減水剤を0.2〜1.0質量部を含有する組成物に対し、前記超微粒子材料および前記成分(i)〜(iii)の合計を100質量部としたとき、炭酸ナトリウムを0.03〜0.2質量部含有することを特徴とする注入材。
【選択図】なし

Description

本発明は土木分野において使用されるセメント系注入材の組成に関する。
ダムの基礎処理、地盤の液状化防止、トンネル掘削時の岩盤、地山の補強に加え、最近ではエネルギー関連施設、産業廃棄物処分施設及び都市土木における地下構造物の止水処理などにセメント系注入材による注入工法が利用されている。
セメント系注入材としては、難透水性の地盤や、注入効果を広範囲としたい場合に、高炉スラグを主材としたポルトランドセメントとの混合物を粉砕、分級した最大粒径10〜20μm程度の超微粒子注入材が用いられており、実績例も多い(特許文献1等)。
超微粒子注入材は、粒度が細かいことから凝集性が強く、凝集による見掛けの粒子径が粗大化することにより、所期の注入性能を発揮できないことが多い。このため、粒子の高度な分散が必要であり、その方法として遅延型の高性能減水剤を使用する方法が一般的に用いられている(特許文献2)。
超微粒子注入材の高分散化に必要な高性能減水剤量は、コンクリート、モルタルに使用される量に対し比較的多くなるため、注入後の高粘性脱水ケーキの凝結及び強度発現が著しく遅延され、20〜40時間に及ぶ場合もある。
注入された脱水ケーキは凝結開始前及び強度発現前に外力を受けたり、被圧水や流水に接触した場合、地盤の被注入範囲から逸脱、流亡することにより十分な注入効果が得られないばかりでなく、凝結時間が著しく遅延することは注入の次行程を含む施工の全般行程に支障を及ぼし、経済的損失を招くことがある。
一方、限定注入用注入材として、凝結時間の短縮を目的に、特定の高性能減水剤や無機硫酸塩を使用した注入材の組成が提案されている(特許文献3)。しかし、それらの注入材は凝結及び強度発現が不十分であったり、水和速度が速く注入性が低下する等の課題がある。
このような課題を解決するため、本出願人は、凝結及び強度発現が十分で、良好な注入性を持つ注入材の組成を提案している(特許文献4)。しかし、注入対象である地盤等は、それぞれの現場において状況が異なり、被圧水や流水の量に応じて凝結時間を短縮することが要請されることがあるものの、現場毎にその注入材組成を変更することは容易ではなく、また、各組成成分の配合割合を変更しただけでは凝結時間の短縮が可能であっても、逆に注入性が悪化するなどの問題もある。
特許第2894529号明細書 特開2003−49164号公報 特開2004−231884号公報 国際公開第2007/091629号パンフレット
注入効率、工期の短縮化に応える超微粒子注入材として、高い注入性を長時間保持し、且つ、注入後は速やかに凝結を開始し、また注入対象の状況に応じて現場での組成変更により凝結時間を容易に調節可能であり、短期強度の発現が良好な特性を兼備した注入材が望まれている。
本発明者が鋭意研究を行った結果、特許文献4に記載の注入材に炭酸ナトリウムを添加することにより、注入性を低下させることなく凝集時間を調節することが可能であること、さらに現場にて炭酸ナトリウムの添加量を調整することで注入対象に応じた適正な物性を発揮させることが可能であることを見出し、本発明を完成した。
すなわち、本発明は以下の構成からなる注入材を提供する。
[1]セメントクリンカーを3〜40質量%、高炉スラグを60〜97質量%、セメントクリンカー及び高炉スラグの合計を100質量部としたとき石膏をSO3換算で0.5〜3質量部含有し、その最大粒径が15μm以下の超微粒子材料に対し、前記超微粒子材料100質量部としたとき(i)カルシウムアルミネート系速硬性混和材を0.7〜7質量部、(ii)凝結調節剤を0.01〜0.13質量部、及び(iii)高性能減水剤を0.2〜1.0質量部を含有する組成物に対し、前記超微粒子材料および前記成分(i)〜(iii)の合計を100質量部としたとき、炭酸ナトリウムを0.03〜0.2質量部含有することを特徴とする注入材。
[2](i)カルシウムアルミネート系速硬性混和材が12CaO・7Al23を含むものである前記1に記載の注入材。
[3](i)カルシウムアルミネート系速硬性混和材がさらに無水石膏を含むものである前記2に記載の注入材。
[4](ii)凝結調節剤がオキシカルボン酸またはその塩である前記1〜3のいずれかに記載の注入材。
[5](iii)高性能減水剤がメラミンスルホン酸系縮合物である前記1〜3のいずれかに記載の注入材。
[6](i)カルシウムアルミネート系速硬性混和材が12CaO・7Al23及び無水石膏を含むものであり、(ii)凝結調節剤がグルコン酸ナトリウムであり、(iii)高性能減水剤がメラミンスルホン酸系縮合物である前記1に記載の注入材。
[7]セメントクリンカーを3〜40質量%、高炉スラグを60〜97質量%、セメントクリンカー及び高炉スラグの合計を100質量部としたとき石膏をSO3換算で0.5〜3質量部含有し、その最大粒径が15μm以下の超微粒子材料に対し、前記超微粒子材料100質量部としたとき(i)カルシウムアルミネート系速硬性混和材を0.7〜7質量部、(ii)凝結調節剤を0.01〜0.13質量部、及び(iii)高性能減水剤を0.2〜1.0質量部を含有する注入材用組成物に水を加えてスラリーにする際、前記超微粒子材料および前記成分(i)〜(iii)の合計100質量部に対し0.03〜0.2質量部の炭酸ナトリウムをそのままあるいは水溶液として添加混合することを特徴とする注入材水スラリーの製造方法。
[8]セメントクリンカーを3〜40質量%、高炉スラグを60〜97質量%、セメントクリンカー及び高炉スラグの合計を100質量部としたとき石膏をSO3換算で0.5〜3質量部含有し、その最大粒径が15μm以下の超微粒子材料に対し、前記超微粒子材料100質量部としたとき(i)カルシウムアルミネート系速硬性混和材を0.7〜7質量部、(ii)凝結調節剤を0.01〜0.13質量部、及び(iii)高性能減水剤を0.2〜1.0質量部を含有する注入材用組成物に水を加えてなる水スラリーの注入性を維持したまま硬化時間を短縮する方法であって、前記超微粒子材料および前記成分(i)〜(iii)の合計100質量部に対し0.03〜0.2質量部の炭酸ナトリウムを配合することを特徴とする方法。
[9]炭酸ナトリウムの配合が、注入材用組成物に水を加えてスラリーにする際、炭酸ナトリウム水溶液として配合する前記8に記載の硬化時間の短縮方法。
本発明の注入材は、高注入性を長時間保持し、かつ注入後は速やかに凝結及び短期強度を発現することができる。また、注入対象に応じた凝結時間の調節が、現場にて容易に行なうことが可能となる。本発明の注入材を用いることにより、従来の超微粒子注入材を使用した注入改良効果と比較し、難透水性地盤や広範囲への注入改良工事に適用でき、大幅な注入施工の効率化及び工期の短縮に貢献することが可能となる。
本発明で用いる超微粒子材料は、セメントクリンカー、高炉スラグ及び石膏を含有してなる。
セメントクリンカーとしては、JIS R5210に定めるポルトランドセメントクリンカーが利用でき、具体的には早強ポルトランドセメントクリンカー、普通ポルトランドセメントクリンカー、中庸熱ポルトランドセメントクリンカー、低熱ポルトランドセメントクリンカー等が挙げられる。これらの中では、注入性及び凝結時間制御の容易性の点で、中庸熱ポルトランドセメントクリンカーが好ましい。
高炉スラグとしては、JIS A6206に定める急冷高炉スラグが利用でき、注入材としての強度の観点からガラス化率が90%以上、塩基度が1.6以上のものが好ましい。
セメントクリンカーと高炉スラグの配合比は、セメントクリンカーが3〜40質量%、高炉スラグが97〜60質量%であり、好ましくはセメントクリンカーが8〜40質量%、高炉スラグが92〜60質量%である。セメントクリンカーの配合比が3質量%未満だと(高炉スラグの配合比が97質量%を超えると)、水和反応が弱く目的の凝結および強度発現が得られない。セメントクリンカーの配合比が40質量%を超えると(高炉スラグの配合比が60質量%未満だと)、水和反応が制御できず、注入性の保持が困難となる。
石膏はセメントクリンカーの水和調整と高炉スラグの水和促進を目的として配合する。石膏としては、無水石膏、二水石膏が利用でき、その配合量はセメントクリンカー及び高炉スラグの合計を100質量部としたときSO3換算で0.5〜3質量部であり、好ましくは0.6〜2質量部である。配合量がSO3換算で0.5質量部未満だとセメントクリンカーの水和調整が不十分となり、3質量部を超えると高炉スラグの水和促進が高くなり、注入性が低下する。
本発明で用いる超微粒子材料は、その最大粒径が15μm以下であり、好ましくは最大粒径が12μm以下である。最大粒径が15μm以下であることにより注入性が良好となる。また、最大粒径が小さくなりすぎるとスラリーとした際、凝集力が大きくなり注入性が悪化するので、最大粒径は8μm以上とすることが好ましい。
本発明では上記の超微粒子材料に対して、特定量のカルシウムアルミネート系速硬性混和材、凝結調節剤及び高性能減水剤を配合する。
本発明で用いるカルシウムアルミネート系速硬性混和材とは、CaO・Al23、CaO・2Al23、3CaO・Al23、12CaO・7Al23等のカルシウムアルミネート、さらには12CaO・7Al23の1つのCaOをCaF2などのハロゲン化物で置き換えた11CaO・7Al23・CaF2、組成成分にSiO2を多く含むアルミノケイ酸カルシウム、SO3成分を含むものなどが挙げられる。これらのカルシウムアルミネートは、結晶質もしくは非晶質のどちらを用いることができるが、注入性、強度発現性の点から非晶質であることが好ましい。
また、初期強度や長期強度をさらに向上させる観点から前記のカルシウムアルミネートに石膏を混合したものも使用できる。石膏を配合する場合、その配合量はカルシウムアルミネート1質量部に対して0.5〜1.5質量部であり、好ましくは両者をほぼ等量とする。石膏を配合することにより強度発現性が良好となる。
本発明で用いるカルシウムアルミネート系速硬性混和材として好ましくは、12CaO・7Al23または12CaO・7Al23と無水石膏の混合物である。
本発明で用いるカルシウムアルミネート系速硬性混和材は粉末度がブレーン比表面積で5000cm2/g以上のものを使用することが好ましく、ブレーン比表面積8000cm2/g以上のものを使用することがさらに好ましい。ブレーン比表面積で5000cm2/g以上のものを使用することにより、注入性に優れ、凝結時間の短縮及び短期強度の発現が良好な注入材を得ることができる。
カルシウムアルミネート系速硬性混和材は、それ単独で粉砕処理して上記粉末度に調整することもできるが、超微粒子材料やその他の添加剤と混合して粉砕処理してもよいし、ポルトランドセメントクリンカーや高炉スラグと混合して粉砕処理することもできる。
超微粒子材料とカルシウムアルミネート系速硬性混和材を混合してスラリーとした場合、カルシウムアルミネート成分がスラリーに迅速に溶解し、石膏成分との反応によりエトリンガイト及びモノサルフェートを生成すると同時に、水酸化アルミニウムを遊離生成する。更に、カルシウムアルミネートは超微粒子注入材中のポルトランドセメントクリンカー鉱物であるエーライトの水和を促進させ、エトリンガイトの生成の相乗効果により、凝結時間を早める働きをする。一方、水酸化アルミニウムは高炉スラグ粒子表面に形成し、高炉スラグの水和を促進させ、短期強度の発現に寄与する。
速硬性混和材の配合量は、超微粒子材料を100質量部としたとき0.7〜7質量部であり、好ましくは0.8〜6.5質量部である。この添加量は、コンクリート及びモルタルに使用される量に比べ遙かに少ない量にもかかわらず、所期の目的を達成することができる。0.7質量部未満では、凝結時間の短縮効果及び短期強度の発現が得られない。7質量部を超えると凝結時間が早まり、スラリーの粘性が増加するため注入性が悪化する。
本発明で用いる凝結調節剤としては、グルコン酸、クエン酸、酒石酸、リンゴ酸等のオキシカルボン酸またはそれらの塩が挙げられる。塩としてはナトリウム塩、カリウム塩などのアルカリ金属塩が好ましい。好ましい凝結調節剤は、グルコン酸のアルカリ金属塩であり、グルコン酸ナトリウムがより好ましい。グルコン酸ナトリウムは、カルシウムアルミネートの水和を効果的に遅延することができ、注入性阻害要因となるエトリンガイトの生成時間を制御し、高注入性を保持することができる。また、高性能減水剤との相互作用により、スラリーの高分散化を維持することができる。
凝結調節剤の配合量は、超微粒子材料を100質量部としたとき0.01〜0.13質量部であり、好ましくは0.02〜0.12質量部である。配合量が0.01質量部未満では、速硬性混和材の水和遅延効果が期待できなく、初期段階から注入性が低下する。0.13質量部を超えると、高注入性の保持はできるものの、凝結時間が遅れ、短期強度の発現が困難になる。
本発明に用いる高性能減水剤は、凝結遅延成分を含まない、ナフタレンスルホン酸高縮合物、メラミンスルホン酸系縮合物、ポリカルボン酸系、ポリエーテル系等が挙げられる。好ましくは、本発明の組成において特に分散性を向上できるメラミンスルホン酸系縮合物である。高性能減水剤を配合することで、高い注入性と短期強度の発現を阻害しない注入材を得ることができる。
高性能減水剤の配合量は、超微粒子材料を100質量部としたとき0.2〜1.0質量部であり、好ましくは0.3〜0.9質量部である。高性能減水剤の添加量が0.2質量部未満だとスラリー中の注入材粒子の分散が不十分となり、所要の注入性能が得られない。1.0質量部を超えて配合しても注入性は大きく向上することはなく、凝結時間が遅延し、短期強度の発現が遅れる。
本発明では、上記組成に対して、炭酸ナトリウムを配合する。その配合量は前記した超微粒子材料、カルシウムアルミネート系速硬性混和材、凝結調節剤、及び高性能減水剤の合計100質量部に対し0.03〜0.2質量部である。配合量が0.03質量部未満だと、凝結時間が効率的に短縮されない。配合量が0.2質量部を超えると、凝結時間は短縮されるが、粘性が高くなるため注入性が初期段階から低下し初期強度も低くなる。
本発明の注入材は、通常の方法により製造することができる。例えば、必要に応じて粉砕処理等により粒度等を調整した各成分を混合する方法、1種以上の成分を混合した後、必要に応じて粉砕し、次いで他の成分を混合する方法や、すべての成分を混合した後必要に応じて粉砕処理等により粒度等を調整する方法等が挙げられる。
本発明の注入材は、水性スラリー化して使用される。水の添加量は超微粒子材料とカルシウムアルミネート系速硬性混和材の合計量を100質量部としたとき70〜1000質量部が好ましい。
スラリー化の方法は特に限定されるものではなく、例えばグラウトミキサー等に本発明の注入材と水を投入し撹拌混合することにより行なうことができる。
また、超微粒子材料、カルシウムアルミネート系速硬性混和材、凝結調節剤、及び高性能減水剤からなる混合粉体に所定量の炭酸ナトリウムを含有する水溶液を添加して水スラリー化することもできる。炭酸ナトリウムを含む水は、注入材からのカルシウムイオンの溶出を抑制し、アルミニウムイオンの溶出が促進するため、より効率的にスラリーの粘性の上昇を抑え、硬化時間を短縮することができる。また、超微粒子材料、カルシウムアルミネート系速硬性混和材、凝結調節剤、及び高性能減水剤を特定比で配合した注入材用組成物を準備しておき、水スラリー化する際に、現場にて注入対象の地盤等の状況に応じ、炭酸ナトリウムの配合量を変更することで適切な凝結時間に調節するといった簡便かつ柔軟性のある方法も可能である。
以下、実施例及び比較例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明は以下の例に限定されるものではない。
実施例及び比較例で使用した超微粒子材料(日鐵セメント社製)の組成及び粒度を表1に示す。粒度の測定にはPRO7000S(セイシン製)を用いた。
ここで中庸熱ポルトランドセメントクリンカーは日鐵セメント社製、鉱物含有量C3S40%、C3A1.4%、高炉スラグは新日本製鉄社製、ガラス化率99%、石膏は天然無水石膏を使用した。
また、各添加剤は以下に示すものを用いた。
(A)カルシウムアルミネート系速硬性混和材
ビフォーム(商品名);電気化学工業社製、ブレーン比表面積5600cm2/g
(B)凝結調節剤
グルコン酸ナトリウム(アステラス製薬社製)
(C)高性能減水剤
シーカメントFF86(商品名);日本シーカ社製
(D)凝結促進剤
炭酸ナトリウム(ソーダ灰(商品名);セントラル硝子製)
実施例1〜6,比較例1〜14
これらの材料を使用し、表2に示す配合条件で各水比(水/超微粒子材料+速硬性混和材)のスラリー及びペーストを調製し、注入性、凝結時間及び短期強度の評価、及び注入材としての総合評価を行った。結果を表3に示す。
なお、各評価方法は以下の通りである。
(1)注入性
水比100質量%のスラリー500mlをハンドミキサーにて3分間混練した後、約100kPa(1kgf/cm2)の圧力条件で0.1mm×38mm×50mmのステンレス製スリット(透水係数7.6×10-2cm/s)に注入し、スラリーの通過量を測定し、その量で注入性を評価した。この評価は、初期と経時について実施し、経時の評価はスラリー調整60分後に同一条件にて注入を行い通過量を測定し行なった。なお、注入完了条件としてのスラリーの通過量は0.5ml/10secとした。
(2)凝結時間
水比40質量%でモルタルミキサーにて2分間混練したペーストを、JIS R5201に準拠して測定した始発及び終結時間で評価した。水比40質量%の設定理由は、圧力下における注入後の脱水ケーキの水比を想定し、ろ紙を用いて水比100質量%のスラリーを約300kPa(3kgf/cm2)で濾過試験を行い、脱水量から求めた脱水ケーキの水比に拠った。
(3)短期強度
凝結時間の評価と同様、水比40質量%のペーストをモルタルミキサーにて4分間混練後、φ5×10cm型枠に成形し、JIS A1108に準拠し、材齢1及び7日の圧縮強度試験により行った。なお、各材齢までは20±1℃の温度にて養生を行った。
(4)注入材の性能(総合評価)
注入性、凝結時間及び短期強度の発現性能の三特性について総合評価を行った。
炭酸ナトリウムを配合していない比較例1の組成に対して、炭酸ナトリウムを0.2質量部添加した比較例2は、注入性、凝結時間及び短期強度の発現は満足するが、比較例1の凝結時間(終結)を短縮することができない。炭酸ナトリウムを0.5質量部添加した比較例3では、凝結時間(始発)が0.2時間にまで短縮するが、注入性が混練直後から500ml未満であって注入性に劣り、短期強度発現も不十分であった。
比較例1の組成に対して速硬性混和材を増加させた比較例4〜6では、凝結時間が短縮し短期強度も優れるが、注入性は混練直後から500ml未満であって注入性に劣る。
比較例1の組成に対して凝結調整剤を減少させた比較例7〜10では、期待された凝結時間の短縮効果はそれほど現れず、逆に注入性が低下する傾向にある。
速硬性混和材を添加せず、高性能減水剤のみ添加した比較例11は、注入性は満足するが凝結時間が12時間と長時間となり、短期強度発現が不十分である。比較例11の組成に対して炭酸ナトリウムを0.05〜0.2質量部添加した比較例12〜14では、凝結時間(始発)は添加量に応じて短縮されるが、注入性は混練直後は良好なものの60分後では大きく低下する。
それに対して実施例1〜6は混練直後の注入性及び凝結時間は良好であり、かつ60分後においても300ml以上の注入性を示した。特に実施例4〜6は60分経過後においても500mlを通過し、高注入性を保持する良好な注入材であった。
凝結時間の調節に関しても、炭酸ナトリウムの添加量により、高注入性の保持にも優れ、短期強度の発現が良好なまま、凝結時間を調整することが可能である注入材であることがわかる。

Claims (9)

  1. セメントクリンカーを3〜40質量%、高炉スラグを60〜97質量%、セメントクリンカー及び高炉スラグの合計を100質量部としたとき石膏をSO3換算で0.5〜3質量部含有し、その最大粒径が15μm以下の超微粒子材料に対し、前記超微粒子材料100質量部としたとき(i)カルシウムアルミネート系速硬性混和材を0.7〜7質量部、(ii)凝結調節剤を0.01〜0.13質量部、及び(iii)高性能減水剤を0.2〜1.0質量部を含有する組成物に対し、前記超微粒子材料および前記成分(i)〜(iii)の合計を100質量部としたとき、炭酸ナトリウムを0.03〜0.2質量部含有することを特徴とする注入材。
  2. (i)カルシウムアルミネート系速硬性混和材が12CaO・7Al23を含むものである請求項1に記載の注入材。
  3. (i)カルシウムアルミネート系速硬性混和材がさらに無水石膏を含むものである請求項2に記載の注入材。
  4. (ii)凝結調節剤がオキシカルボン酸またはその塩である請求項1〜3のいずれかに記載の注入材。
  5. (iii)高性能減水剤がメラミンスルホン酸系縮合物である請求項1〜3のいずれかに記載の注入材。
  6. (i)カルシウムアルミネート系速硬性混和材が12CaO・7Al23及び無水石膏を含むものであり、(ii)凝結調節剤がグルコン酸ナトリウムであり、(iii)高性能減水剤がメラミンスルホン酸系縮合物である請求項1に記載の注入材。
  7. セメントクリンカーを3〜40質量%、高炉スラグを60〜97質量%、セメントクリンカー及び高炉スラグの合計を100質量部としたとき石膏をSO3換算で0.5〜3質量部含有し、その最大粒径が15μm以下の超微粒子材料に対し、前記超微粒子材料100質量部としたとき(i)カルシウムアルミネート系速硬性混和材を0.7〜7質量部、(ii)凝結調節剤を0.01〜0.13質量部、及び(iii)高性能減水剤を0.2〜1.0質量部を含有する注入材用組成物に水を加えてスラリーにする際、前記超微粒子材料および前記成分(i)〜(iii)の合計100質量部に対し0.03〜0.2質量部の炭酸ナトリウムをそのままあるいは水溶液として添加混合することを特徴とする注入材水スラリーの製造方法。
  8. セメントクリンカーを3〜40質量%、高炉スラグを60〜97質量%、セメントクリンカー及び高炉スラグの合計を100質量部としたとき石膏をSO3換算で0.5〜3質量部含有し、その最大粒径が15μm以下の超微粒子材料に対し、前記超微粒子材料100質量部としたとき(i)カルシウムアルミネート系速硬性混和材を0.7〜7質量部、(ii)凝結調節剤を0.01〜0.13質量部、及び(iii)高性能減水剤を0.2〜1.0質量部を含有する注入材用組成物に水を加えてなる水スラリーの注入性を維持したまま硬化時間を短縮する方法であって、前記超微粒子材料および前記成分(i)〜(iii)の合計100質量部に対し0.03〜0.2質量部の炭酸ナトリウムを配合することを特徴とする方法。
  9. 炭酸ナトリウムの配合が、注入材用組成物に水を加えてスラリーにする際、炭酸ナトリウム水溶液として配合する請求項8に記載の硬化時間の短縮方法。
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