JP2012121763A - 吹付け用急結剤及びそれを用いた吹付けコンクリート並びに吹付け工法 - Google Patents

Abstract

【課題】吹き付けコンクリートの付着性と強度発現性が向上する、吹付け用急結剤及びそれを用いた吹付けコンクリート並びに吹付け工法を提供する。
【解決手段】（１）カルシウムアルミネートと、粒径１μｍ以下の粒子が５質量％以下で、かつ１０μｍ以下の粒子が８０質量％以上であり、平均粒径が２〜６μｍである石膏と、アルカリ金属アルミン酸塩及び／又はアルカリ金属炭酸塩とを含有する吹付け用急結剤、（２）（１）の吹付け用急結剤をセメント１００質量部に対して５〜１５質量部含有する吹付けコンクリート、（３）（２）の吹付けコンクリートを用いた吹付け工法、である。
【選択図】なし

Description

本発明は、コンクリートの吹き付けに使用する吹付け用急結剤、及びそれを用いた吹付けコンクリート、並びに吹付け工法に関する。

トンネル掘削等露出した地山の崩落を防止するためなどに急結剤をコンクリートに配合した急結性吹き付けコンクリートの吹付け工法が行われている。（特許文献１参照）
この工法は、通常、掘削工事現場に設置した、セメント、骨材、及び水の計量混合プラントで吹付けコンクリートを作り、それをアジテータ車で運搬し、コンクリートポンプで圧送し、途中に設けた合流管で、他方から圧送した急結剤と混合し、急結性吹付けコンクリートとして地山面に所定の厚みになるまで吹き付ける工法である。

この工法では、地山に付着せずに落下する量と吹き付ける量との割合であるリバウンド（跳ね返り）率が１５〜３０重量％と大きく、リバウンドの少ない工法が求められているが、充分満足できる吹き付け材料や吹き付け工法がなく、その改良が強く望まれている。

近年、経済性への配慮や施工機械の性能向上により、単位時間あたりの吹き付け速度が以前に比べて増加している。特に大断面トンネルの掘削施工においては、経済性や作業効率性を考慮し、施工時間や掘削サイクルを短縮することが、重要なポイントとなっている。

しかし、吹付け速度の増加で、吹付けコンクリートには短時間に大きな自重がかかることになり、以前の初期強度発現性能では、自重を支えきれず剥離剥落する場合があり、リバウンドが増加し、危険性が高まることから、初期強度発現性の改善が望まれている。

これまでに、吹付けコンクリートの強度発現性を改善する方法として、セメントにセッコウを予め混合した吹付材料を使用し、カルシウムアルミネートと無水セッコウ等を混合してなる急結剤を用いる湿式吹付工法が提案されている。（特許文献２参照）。

特許第１３１２６００号公報 特許第４２４８４５５号公報

カルシウムアルミネートと無水セッコウ等を混合してなる急結剤を用いる湿式吹付工法では、強度発現性は改善できるが、セメントにセッコウを混合させなければならず、工事現場で生コンクリートを製造するバッチャープラントでは、セッコウを保管し計量添加する設備が必要となる。このように経済性と強度発現性を両立した吹き付けコンクリートが望まれていた。
本発明者らは、前記課題を解決すべく検討を重ねた結果、吹付け用急結剤に粒度を調整した特定の石膏を用いることで、吹き付けコンクリートの付着性と強度発現性が向上することを確認して本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、（１）カルシウムアルミネートと、粒径１μｍ以下の粒子が５％以下で、かつ１０μｍ以下の粒子が８０％以上であり、平均粒径が２〜６μｍである石膏と、アルカリ金属アルミン酸塩及び／又はアルカリ金属炭酸塩とを含有する吹付け用急結剤、（２）（１）の吹付け用急結剤をセメント１００部に対して５〜１５部含有する吹付けコンクリート、（３）（２）の吹付けコンクリートを用いた吹付け工法、である。

本発明の吹付け用急結剤を使用することにより、吹付けコンクリートの凝結硬化性能が高まり、地山や岩盤への付着性が向上し、吹き付け直後の材料のリバウンドが減少する。また、初期強度発現性も大幅に向上することから、短時間に大きな自重がかかるような吹き付け条件下においても、剥離剥落する現象が少なくなり、リバウンドの減少とともに、作業の安全確保が可能となる。

以下、本発明を詳細に説明する。
なお、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。
本発明でいうコンクリートとは、セメントペースト、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、普通、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高炉スラグやフライアッシュ等を混合した各種混合セメントが使用でき、必要とされる要求事項により使い分けることができる。
本発明で使用するコンクリートのセメント量は、作業性や、粘性、経済性の面から、３６０から６００ｋｇ／ｍ^３であることが好ましい。

本発明で使用するカルシウムアルミネートとは、初期の凝結や強度発現性が向上するものであり、ＣａＯ原料やＡｌ_２Ｏ_３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を起こさせる急結成分である。
カルシウムアルミネートの鉱物成分としては、ＣａＯをＣ、Ａｌ_２Ｏ_３をＡとすると、Ｃ_３Ａ、Ｃ_１２Ａ_７、ＣＡ、及びＣＡ_２などで示されるカルシウムアルミネート熱処理物を粉砕したものなどが挙げられる。さらに、その他の成分として、ＳｉＯ_２を含有するアルミノ珪酸カルシウム、Ｃ_１２Ａ_７の１つのＣａＯをＣａＦ_２などのハロゲン化物で置き換えたＣ_１１Ａ_７・ＣａＸ_２（Ｘはフッ素等のハロゲン）、ＳＯ_３成分を含むＣ_４Ａ_３・ＳＯ_３、並びに、ナトリウム、カリウム、及びリチウム等のアルカリ金属が一部固溶したカルシウムアルミネートなどが挙げられ、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、反応活性の面でＣ_１２Ａ_７組成に対応する熱処理物を急冷した非晶質カルシウムアルミネートが好ましい。
カルシウムアルミネートの粒度は、急結性や強度発現性の面から、ブレーン値で３０００ｃｍ^２／ｇ以上が好ましく、４０００ｃｍ^２／ｇ以上がより好ましい。

本発明で使用する石膏は、無水石膏、半水石膏、及び二水石膏が挙げられ、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、強度発現性等の面から無水石膏の使用が好ましい。
本発明では、石膏の粒度は、粒径１μｍ以下の粒子が５％以下で、かつ１０μｍ以下の粒子が８０％以上であり、平均粒径が２〜６μｍに粒度調整したものを用いる。粒度調整の方法は特に限定されるものではないが、例えば、粉砕と分級により行う。
粒径１μｍ以下の粒子が５％を越えて含まれると、付着性と強度発現性の向上効果が得難く、粉体急結剤自体の保存性が低下する場合があり、１０μｍ以下の粒子が８０％未満では、付着性と強度発現性の向上効果が得られない。
石膏の使用量は、カルシウムアルミネート１００部に対して、１０〜１５０部が好ましく、４０〜１２０部がより好ましい。１０部未満では付着性や強度発現性を高めることが難しく、１５０部を超えると付着性や強度発現性を高めることが難しく、また長期に膨張する場合がある。

本発明の吹付け用急結剤には、初期凝結の促進を補助させるものとして、アルカリ金属アルミン酸塩及び／又はアルカリ金属炭酸塩を使用する。

本発明で使用するアルカリ金属アルミン酸塩は、例えば、水酸化アルミニウムとアルカリ金属水酸化物を混合溶融し、乾燥して粉末状として得られるものであり、極初期の凝結を促すものであり、アルミン酸リチウム、アルミン酸ナトリウム、及びアルミン酸カリウム等が挙げられ、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、凝結性の面で、アルミン酸ナトリウムが好ましい。
アルカリ金属アルミン酸塩の使用量は、極初期の凝結性や、長期強度発現性の面から、カルシウムアルミネート１００部に対して、１〜２０部が好ましく、２〜１５部がより好ましい。

本発明で使用するアルカリ金属炭酸塩とは、初期強度の増加を補助するものであり、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、及び重炭酸ナトリウム等が挙げられ、これらの１種又は２種以上が使用可能である。アルカリ金属炭酸塩の使用量は、カルシウムアルミネート１００部に対して、１〜５０部が好ましく、３〜２０部がより好ましい。１部未満では効果がなく、５０部を越えると凝結性能が低下する場合がある。

本発明の吹付け用急結剤の使用量は、初期凝結性、初期強度発現性や、施工性の面から、セメント１００部に対して、５〜１５部が好ましい。５部未満では、適正な急結性能が得られず、１５部を越えて添加すると配管が閉塞する場合があり、また経済的でない。

本発明では必要に応じて吹付けコンクリートに減水剤を使用することが可能である。減水剤とは、コンクリートの流動性を改善するために使用するものをいい、液状や粉状のものいずれも使用でき、高性能減水剤が好ましい。アルキルアリルスルホン酸塩、ナフタレンスルホン酸塩、及びメラミンスルホン酸塩のホルマリン縮合物、並びに、ポリカルボン酸系高分子化合物等が挙げられ、これらの一種又は二種以上が使用可能である。
減水剤の使用量は、必要とする流動性や、強度発現性の面で設定すれば良い。

さらに、本発明では、吹付けコンクリートの耐衝撃性や靭性を向上させるために、繊維物質を併用することが可能である。

本発明では、無機質繊維や有機質繊維いずれも使用でき、吹付けコンクリートの耐衝撃性や靭性を向上させる効果を有する。
繊維物質の長さは、圧送性の面から、コンクリート圧送性や混合性の面で７０ｍｍ以下が好ましく、０．５〜６０ｍｍがより好ましい。
無機質繊維としては、ガラス繊維、炭素繊維、及び金属繊維等が挙げられ、有機質繊維としては、ビニロン繊維、ＰＥＴ再生繊維、及びポリプロピレン繊維等が挙げられ、これらの一種又は二種以上が使用できる。これらの中では、経済性の面で、金属繊維やポリプロピレン繊維が好ましい。
繊維物質の使用量は、耐衝撃性、靱性や、流動性、圧送性の面から、吹付けコンクリートの０．１から２容積％が好ましく、０．３から１．５容積％がより好ましい。

吹付けコンクリート製造時の水の使用量は、経済性、圧送性や、強度発現性の面から、セメント１００部に対して、３０〜６５部が好ましく、４０〜６０部がより好ましい。

本発明の吹付けコンクリートで使用される細骨材や粗骨材等の骨材は、吸水率が低く、骨材自体の強度が高いものが好ましいが、特に制限されるものではない。
細骨材は、最大寸法５ｍｍ以下のものか好ましく、川砂、山砂、及び石灰砂等が挙げられる。粗骨材としては、最大寸法１５ｍｍ以下のものが好ましい。

本発明で使用する吹付けコンクリートの流動性は特に制限はなく、適正な施工性と付着性等が得られる値で良い。

本発明において、吹付けコンクリートの製造方法は、特に制限されるものではなく。所定の配合で所定の練上り性状が得られる方法であれば良い。

本発明の吹付け工法では、要求される物性、経済性、及び施工性等から、セメントを含有するドライセメントモルタル、セメントと水を含有するセメントモルタル、又はこれらのペーストやコンクリートとして吹付作業を行うことができ、乾式吹付け法や湿式吹付け法いずれもが使用できる。
乾式吹き付け法としては、セメント、急結剤、及び骨材等を混合し、空気圧送し、途中添加管から水を添加して、湿潤状態で吹き付ける方法や、セメントと骨材等を混合して空気圧送し、途中で急結剤、水の順に添加し、湿潤状態で吹き付ける方法等が挙げられる。
湿式吹き付け法としては、セメント、水、及び骨材等を混合して混練し、空気圧送し、途中で、Ｙ字管の一方から本発明の急結剤を添加して吹き付ける方法等が挙げられる。

本発明においては、従来使用の吹付け設備等が使用可能であり、吹き付け圧力は特に限定されるものではなく、吹付けコンクリートの吐出量は、通常、１．５から２０ｍ^３／ｈであり、吹付け空気量は特に限定されるものではない。
吹き付け設備は、吹付けが充分に行われれば特に限定されるものではなく、例えば、吹付けコンクリートの圧送にはアリバー社商品名「アリバー２８０」、シンテック社「ＭＫＷ−２５ ＳＭＴ」、ＰＥＴ社「Ｇ４ポンプ」、及びスクイズポンプなどが使用可能である。また、粉体急結剤の圧送には、急結剤圧送装置「ナトムクリート」が使用可能である。

以下、実験例に基づいて、本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

「実験例１」
各材料の単位量をセメント３６０ｋｇ／ｍ^３、細骨材１０５３ｋｇ／ｍ^３、粗骨材７１７ｋｇ／ｍ^３、及び水２１６ｋｇ／ｍ^３とし、吹付けコンクリートとした。
これをコンクリートポンプ「シンテック社ＭＫＷ−２５ＳＭＴ」を用いて途中に２つのＹ字管を設けたホースを圧送した。２つのＹ字管のうちポンプ側のＹ字管からエアーを差し込み、ホース先端側のもう一つのＹ字管より、カルシウムアルミネート１００部、アルカリ金属アルミン酸塩を５部、アルカリ炭酸塩を１０部と表１に示す量の石膏を混合した吹付け用急結剤を、急結剤添加機「デンカナトムクリート」により、セメント１００部に対して７部となるようにエアーと共に圧送、合流混合して吹付けコンクリートとした。
この吹付けコンクリート１ｍ^３を吹付速度１０ｍ^３／ｈの条件で吹き付けて、リバウンド率の測定と各材令の圧縮強度を測定した。結果を表１に示す。

＜使用材料＞
セメント：普通ポルトランドセメント、市販品
細骨材：新潟県糸魚川産姫川水系砂、表乾密度２．６２
粗骨材：新潟県糸魚川産６号砕石、最大寸法１５ｍｍ、表乾密度２．６８
カルシウムアルミネート：Ｃ_１２Ａ_７組成に対応する熱処理物を急冷した非晶質で、ブレーン値５，９００ｃｍ^２／ｇ
石膏：無水石膏（天然品）、粒径１μｍ以下の粒子が２％で、かつ１０μｍ以下の粒子が９９％であり、平均粒径を３μｍに粉砕と分級により粒度調整したもの
アルカリ金属アルミン酸塩：アルミン酸ナトリウム、市販品
アルカリ金属炭酸塩：炭酸ナトリウム、市販品

＜測定方法＞
圧縮強度：調製した吹付けコンクリートを、幅２５ｃｍ×長さ２５ｃｍのプルアウト型枠と幅５０ｃｍ×長さ５０ｃｍ×厚さ２０ｃｍの型枠に吹き付けした。材齢１日以内はプルアウト型枠の供試体を使用して測定した。プルアウト型枠表面からピンを吹付けコンクリートで被覆し、型枠の裏側よりピンを引き抜き、その時の引き抜き強度を求め、（圧縮強度）＝（引き抜き強度）×４／（供試体表面積）の式から圧縮強度を算出した。
材齢１日以降は幅５０ｃｍ×長さ５０ｃｍ×厚さ２０ｃｍの型枠から採取した直径５．５ｃｍ×長さ１１ｃｍの供試体を２００ＫＮ耐圧機により圧縮強度を求めた。
リバウンド率：吹付けコンクリートを１ｍ^３吹き付けし、吹き付け終了後、付着せずに床面に敷いたビニールシートに落下した吹付けコンクリートの量を測定し、リバウンド率＝（吹き付けの際に付着せずに落下した吹付けコンクリートの質量）／（吹き付けに使用した吹付けコンクリートの総量）×１００（％）の式から算出。

表１の結果から、本発明による実施例では、付着性に優れ、かつ、良好な強度発現性が得られることが分かる。比較例として実施した実験No.1-1は、リバウンド率が大きく、強度発現性は実施例より低い。

「実験例２」
吹付け用急結剤の組成を、カルシウムアルミネート１００部に対して、石膏を６０部、アルカリ金属アルミン酸塩を５部、アルカリ金属炭酸塩を１０部として、急結剤に使用する石膏の粒度や平均粒径を変えて、実験例１と同様に試験を行った。

表２の結果から、本発明による急結剤を用いることで、急結性に優れ、かつ、良好な強度発現性が得られることが分かる。

「実験例３」
吹付け用急結剤の組成を、カルシウムアルミネート１００部に対して、石膏を６０部と、表３に示したアルカリ金属アルミン酸塩とアルカリ金属炭酸塩を混合した吹付け用急結剤を用いて、実験例１と同様に試験を実施した。結果を表３に記す。

表３の結果から、本発明の吹付け用急結剤を用いることで、急結性に優れ、かつ、良好な強度発現性が得られることが分かる。

「実験例４」
吹付け用急結剤として、カルシウムアルミネート１００部に対して、石膏を６０部、アルカリ金属アルミン酸塩を５部、アルカリ金属炭酸塩を１０部混合したものを用いて、表４に示すように吹付け用急結剤のセメント１００部に対する量を変えて、実験例１と同様に試験を実施した。結果を表４に記す。

表４の結果から、吹付け用急結剤の添加量が少ないと付着性と初期強度発現性の改善効果が少なく、添加量が多いと強度発現性は良好だがリバウンド率が大きいことが分かる。

「実験例５」
吹付け用急結剤として、カルシウムアルミネート１００部に対して、石膏を６０部、アルカリ金属アルミン酸塩を５部、アルカリ金属炭酸塩を１０部混合したものを、セメント１００部に対して７部用い、表５に示すコンクリート配合を用いて、実験例１と同様に試験を実施した。セメント量の多い配合については、減水剤をコンクリート製造時に使用した。結果を表５に記す。

＜使用材料＞
減水剤：高性能減水剤、ポリカルボン酸系高分子化合物、液状減水剤、市販品

表５の結果から、Ｗ／Ｃが大きいほど付着性と強度発現性が低下する。Ｗ／Ｃの小さい配合（実験No.5-1と5-2）で減水剤を使用してコンクリート配合製造することで状態の良いコンクリートを得ることが出来た。

「実験例６」
単位セメント量４５０ｋｇ／ｍ^３、単位水量２０３ｋｇ／ｍ^３（単位減水剤量５．４ｋｇを含む）、及び細骨材率６０％とした吹付けコンクリートに対して、表６に示す繊維物質を配合して混練りし、吹付けコンクリートを調製した。吹付け用急結剤は、カルシウムアルミネート１００部に対して、石膏を６０部、アルカリ金属アルミン酸塩を５部、アルカリ金属炭酸塩を１０部混合したものを、セメント１００部に対して７部になるように添加したこと以外は実験例１と同様に行った。結果を表６に併記する。

＜使用材料＞
繊維物質：鋼繊維、繊維長さ３０ｍｍ、市販品

表６に結果から、繊維物質を混入しても本発明の吹付け用急結剤を用いることで、付着性に優れ、良好な強度発現性が得られることが分かる。

「実験例７」
水を除いたコンクリート材料の単位量は実験例１と同様な量として混合したドライコンクリートを、コンクリートポンプ（アリバー社商品名「アリバー２８０」）で圧送した。
コンクリート圧送配管の途中に２つのＹ字管を設け、ポンプ側のＹ字管から急結剤とエアーを差し込み、ホース先端側のもう一つのＹ字管から水をセメント１００部に対して４５部となるように添加し、乾式吹き付け施工を実施した。
吹付け用急結剤は、カルシウムアルミネート１００部に対して、石膏を６０部、アルカリ金属アルミン酸塩を５部、アルカリ金属炭酸塩を１０部混合したものを、セメント１００部に対して７部になるように添加した。
その結果、配管の閉塞等のトラブルもなく吹き付け施工を実施することができた。その時の材齢１０分と２８日の圧縮強度は、それぞれ２．０Ｎ／ｍｍ² 、５０．６Ｎ／ｍｍ² であった。

本発明の吹付け用急結剤及びそれを用いた吹付けコンクリート並びに吹付け工法は、例えば、道路、鉄道、及び導水路等のトンネル工事において露出した地山面へ吹き付ける時に使用できるものであり、これらの他に、深礎杭の掘削時に露出する地山や、法面吹き付けの用途にも適用可能である。

Claims (3)

1. カルシウムアルミネートと、粒径１μｍ以下の粒子が５質量％以下で、かつ１０μｍ以下の粒子が８０質量％以上であり、平均粒径が２〜６μｍである石膏と、アルカリ金属アルミン酸塩及び／又はアルカリ金属炭酸塩とを含有する吹付け用急結剤。
2. 請求項１に記載の吹付け用急結剤をセメント１００質量部に対して５〜１５質量部含有することを特徴とする吹付けコンクリート。
3. 請求項２記載の吹付けコンクリートを用いた吹付け工法。