JP2015017006A - セメント組成物および空洞充填材 - Google Patents

Abstract

【課題】裏込め材や中込め材等の空洞充填材に適した、流動性、充填性、長距離圧送性を有するとともに、水が満たされた空洞部へ希釈されることなく充填できる空洞充填材の提供。【解決手段】セメント１００質量部に対して、スメクタイトを有効成分とする粘土鉱物２０〜５０質量部と水溶性セルロース誘導体０．０１〜０．１５質量部を含有してなるセメント組成物、及びこれを用いた空洞充填材。【選択図】なし

Description

本発明は、例えば構造物等で生じた空間や隙間を充填固化するのに適したセメント組成物および該セメント組成物を含む空洞充填材に関する。

構造物の空洞部を充填する空洞充填材は、シールド工法の二次施工でシールドトンネル内の上・下水管を固定したり、水平面を築くための充填物や、推進管と地山との間の隙間を充填する物、使用できなくなった水道管を埋設処分に供す為に必要な管内充填物等に用いられる。これら充填材は安価で充填性の良い材料が使用されている。具体的には、例えば流動化処理土、気泡ミルク・モルタル、セメントベントナイトグラウト（ＣＢグラウト）等が使用されている。このうち、流動化処理土は、製造に専用のプラントが必要であり、また品質の安定したものを得ることが難しい。気泡ミルク・モルタルは微細な気泡をとりこんだ混合物であり、空洞内部に水が存在する場合、気泡が分離することから使用に適さない。また、硬化後も地下水等に浸食され易く、長期耐久性に問題がある。

これに対し、ＣＢグラウトは安定した品質のものが得やすく、充填後の耐久性も良いことから広く使用されている。ＣＢグラウトは、あらかじめ水と混合した膨潤性を持つ粘土の泥水、一般的にはベントナイト泥水に、セメントを加えて混合したスラリー状のグラウトである。ベントナイトは、スメクタイトと称される膨潤性を有する粘土鉱物の中のモンモリロナイトを主成分とした粘土鉱物であり、板状結晶の積層構造で、水を吸収し層間に保持して膨張する膨潤性を呈す。この膨潤性は吸水量が多いほど高い。このＣＢグラウトの製造方法は、ベントナイトと水を計量して混合し、十分に混合撹拌して膨潤させた後、セメントを計量して混合する。このため工程が多く煩雑であり作業性が悪く、またベントナイトの膨潤に時間を要する。

また、ベントナイトはカルシウム型とナトリウム型の２種類に大別され、膨潤力はナトリウム型の方が高いが、膨潤力が高いベントナイトは、水と混合する際に凝集するため解泥が非常に困難であり、せん断力の強い強力なミキサを用いる必要がある。
この工程を簡略化するために、セメントとベントナイトをあらかじめ混合し、これに水を混合して充填材を製造する方法が挙げられる。ベントナイトとセメントを混合したセメント組成物を水に溶かして泥水を作製すると、解泥は容易になる。しかし、セメントから溶出するカルシウムイオンも結晶層間にとりこまれるため、膨潤力の低下をきたし、材料分離が起こり易くなる。そのため所望の膨潤力を得るには、あらかじめベントナイトを水に混合したものをセメントに混合する場合よりも、かなり多くの量のベントナイトが必要になる。

かような混合時の問題解決のため、水と混合してもカルシウム等のイオン溶出量が少ない粉体を混合する方法が挙げられる。ベントナイトとイオン溶出量の少ない石炭灰を混合することでベントナイトの混合解泥を促進し、混合操作を容易にできることが知られている。（例えば、特許文献１参照。）この混合泥水とセメントとを混合して充填材が製造されるが、この方策に基づいて、空洞充填材を製造する場合には、ベントナイトの膨潤に時間を要するものの、製造された空洞充填材の流動性は非常に良好で、自己充填性や長距離圧送性の特性も具備する。

しかるに、トンネル工事等では充填される空間・隙間が水で満たされている場合も往々にして存在する。この場合、充填時に充填材が水に希釈されてしまうため、成分が分離して充填や固化が十分出来ないことがあった。

特開平０９−１１８８８１号公報

本発明は、製造が容易な充填に適したセメント組成物であり、また、良好な充填性を損なうことなく、水による希釈に対する抵抗性も良好で、水が存在する対象物へ充填した後も分離し難く、満遍無く充填固化可能な空洞充填材の提供を課題とする。

そこで本発明者は、セメントとスメクタイトに加えて種々の高分子を配合して検討したところ、セメントとスメクタイトに水溶性セルロース誘導体を配合した場合に良好な流動性に加えて分離性及び水存在下での充填性も良好になることを見出した。さらに検討した結果、スメクタイト及び水溶性セルロース誘導体の配合量を一定の範囲にしたセメント組成物のスラリーが、混合に関する従来のような問題も認められず製造も容易で、圧送するのに適した性状であり、また、このスラリーを空洞の充填材として充填に用いても、水が存在する空間でも材料分離を生じることなく、隅々まで満遍無く容易に充填でき、充填後も堅牢な硬化性を有する充填物が得られることを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明は、次の［１］〜［６］を提供するものである。

［１］セメント１００質量部に対して、スメクタイトを有効成分とする粘土鉱物２０〜５０質量部と水溶性セルロース誘導体０．０１〜０．１５質量部を含有してなるセメント組成物。
［２］スメクタイトの膨潤力が２０ｍｌ／２ｇ以上である前記［１］のセメント組成物。
［３］さらに、セメント１００質量部に対して石炭灰１０〜１５０質量部を含有してなる前記［１］又は［２］のセメント組成物。
［４］空洞充填用セメント組成物である前記［１］〜［３］のいずれかのセメント組成物。
［５］前記［１］〜［４］のいずれかのセメント組成物の水性スラリーであって、ＪＨＳ ３１３−１９９９で規定されるシリンダフロー値が１１０〜３２０ｍｍであることを特徴とする空洞充填材。
［６］水が存在する空間・間隙の充填に用いられるものである前記［５］の空洞充填材。

本発明のセメント組成物の水性スラリーは、製造が容易であり、圧送性が良好であるため空洞への充填性が良好であり、かつ水による希釈に対する抵抗性が顕著に高く、水が存在する空洞へ充填した後の分離し難く、均一に充填可能である。

本発明のセメント組成物は、セメント１００質量部に対して、スメクタイトを有効成分とする粘土鉱物２０〜５０質量部及び水溶性セルロース誘導体０．０１〜０．１５質量部含有することを特徴とする。

本発明のセメント組成物に用いられる（Ａ）セメントの種類は水硬性のものなら特に限定されない。使用可能なセメントの具体例としては、普通、早強、超早強、中庸熱等の各種ポルトランドセメント、高炉スラグ、石炭灰又はシリカフューム等との混合セメント、エコセメント等の特殊セメントを挙げることができる。

本発明のセメント組成物は（Ｂ）スメクタイトを有効成分とする粘土鉱物を含有する。本発明のセメント組成物にスメクタイトを有効成分とする粘土鉱物を添加しないと、流動性確保のため混合水量を多くすると、セメントと水が分離する。
本発明においては膨潤力の高いスメクタイトを有効成分とする粘土鉱物を用いるのが好ましい。スメクタイトは水に接触すると粘性を高める作用があり、その作用の程度は膨潤力で表される。膨潤力は、水の入ったメスシリンダーに、２ｇの粘土鉱物を１０回に分けて入れて膨潤させ、その膨潤した粘土の体積を計ることによって計測される。この値が大きいほど、膨潤性能は高くなるが、本発明で使用する粘土鉱物の有効成分であるスメクタイトの膨潤力は、２０ｍｌ／２ｇ以上であることが好ましい。膨潤力が２０ｍｌ／２ｇ未満のものではセメント中のカルシウムイオンの優先的吸着によって水が吸収保持される割合が低下して膨潤が阻害され、材料分離抵抗性を高めることが困難になる場合がある。膨潤力が２０ｍｌ／２ｇ以上得られる可能性が高いスメクタイトとしては、例えば、モンモリロナイト、バイデライト、ヘクトライト、ノントライト、サポライト、ソーコナイト、スチブンサイトから選ばれる１種又は２種以上の混合物を挙げることができる。好ましくは、２０ｍｌ／２ｇ以上の高い膨潤力を安定して具備することから、スメクタイトを有効成分とする粘土鉱物としてベントナイトを使用する。さらに好ましくは、より高い膨潤力を具備するナトリウム型ベントナイトを使用する。

セメント組成物中のスメクタイトを有効成分とする粘土鉱物の含有量は、セメント１００質量部に対して２０〜５０質量部である。２０質量部未満では、流動性は得られるが、セメント成分と水が分離しやすく、充填後に上部に隙間を生じやすくなる。また、５０質量部を超えると、流動性が低下し、空洞への充填性が確保できない。この粘土鉱物の好ましい含有量は、セメント１００質量部に対して３０〜５０質量部であり、より好ましくは３２〜４８質量部であり、さらに好ましくは３３〜４７質量部であり、さらに好ましくは３５〜４５質量部である。

本発明のセメント組成物は、（Ｃ）水溶性セルロース誘導体を含有する。水溶性セルロース誘導体の含有により、材料分離抵抗性が飛躍的に向上する。特に、水で満たされた空洞中へ充填する場合、水との希釈抵抗性が増す。水溶性ポリマーであるポリビニルアルコールや水不溶性セルロースの配合では、優れた材料分離抵抗性が得られない。
水溶性セルロース誘導体としては、水溶性セルロースエーテル類、水溶性ビスコースエーテル類が挙げられる。より具体的には、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース等のヒドロキシアルキルセルロース；メチルセルロース；ヒドロキシプロピルメチルセルロース；カルボキシメチルセルロース；メチル基、ヒドロキシエチル基、ヒドロキシプロピル基等が置換したビスコース等が挙げられる。

本発明セメント組成物中の水溶性セルロース誘導体の含有量は、セメント１００質量部に対し、０．０１〜０．１５質量部である。０．０１質量部未満では材料分離抑制効果が殆ど得られず、また、０．１５質量部を超えて添加すると、水性スラリー化したときの流動性が著しく低下し、充填施工に適さないので好ましくない。好ましい含有量は、セメント１００質量部に対し、０．０２〜０．１３質量部であり、より好ましくは０．０３〜０．１２質量部であり、さらに好ましくは０．０５〜０．１２質量部である。

また、本発明のセメント組成物においては、良好な流動性、空洞への充填性、材料分離抑制及び水との希釈抵抗性の点から、（Ｂ）スメクタイトを有効成分とする粘土鉱物と（Ｃ）水溶性セルロース誘導体の含有質量比（Ｂ／Ｃ）は、２５０〜１５００が好ましく、２６０〜１２００がより好ましく、２９０〜１０００がさらに好ましい。

また、本発明のセメント組成物は、前記のセメントとスメクタイトを有効成分とする粘土鉱物と水溶性セルロース誘導体に加えて、更に石炭灰を含有するものが好ましい。石炭灰の含有により、主としてそのベアリング効果により流動性が良好となる。また比較的緩慢なポゾラン反応により長期強度が大きくなる。セメント組成物粒子中に石炭灰が均一に分散することで、粘土鉱物粒子の凝集が抑制され、セメント組成物に水を加えて水性スラリー化する際の、水との混合を容易にすることができる。使用できる石炭灰は、ＪＩＳ規格品、規格品外のいずれのものでも構わない。石炭灰を含有する際の好適量はセメント１００質量部に対し、１０〜１５０質量部であり、より好ましくは１０〜１００質量部、さらに好ましくは２０〜１００質量部である。

また、本発明のセメント組成物は、本発明の効果を実質喪失させない範囲で、上記以外の成分を含有することができる。このような成分として、例えば、ＡＥ剤、減水剤、高性能減水剤、ＡＥ減水剤、高性能ＡＥ減水剤、流動化剤、気泡剤、発泡剤、凝結調整剤、硬化促進剤、消泡剤、増量材、前記（Ｂ）成分以外の水溶性増粘剤等を挙げることができる。特に、ＡＥ減水剤等を添加すると、単位体積当たりの水の量を減らすことができ、流動性を変えずに強度を高めることができる。また、気泡剤・発泡剤としては例えばアルミニウム粉末のような金属粉や流動コークス粉が用いられ、軽量化や充填後に空洞内壁と充填材とを完全に密着することが出来る。

また、本発明の空洞充填材は、前記のセメント組成物に水を添加混合したものであって、ＪＨＳ ３１３−１９９９で規定されるシリンダフロー値が１１０〜３２０ｍｍである水性スラリーである。シリンダフロー値が１１０ｍｍ未満では、空洞細部や奥部まで満遍無く充填することが困難になり、また充填材のポンプ圧送も困難になるので好ましくない。また、シリンダフロー値が３２０ｍｍを超えると、水が存在する空間や間隙に充填すると、充填材がこの水で希釈されてしまい、材料分離や硬化不良又は固化しても強度低下を起こすことがあるため好ましくない。より好ましいシリンダフロー値は、１２０〜３１０ｍｍであり、さらに好ましくは１２０〜３００ｍｍである。

かかるシリンダフロー値にするには、空洞充填材を得るためのセメント組成物に対する水の混合量を加減することで所望のフロー値を得ることができる。水の混合量の好適範囲はセメント組成物の含有成分の組成と温度環境により影響されるので、厳密には予備試験等で決定するのが最も望ましいが、例えば常温付近なら、空洞充填性及び材料分離抑制の点から、概ねセメント組成物１００質量部に対し水を５０〜１５０質量部混合するのが推奨目安となる。

以下に、実施例に基づき具体的に本発明を説明する。なお、セメント組成物作製方法、充填剤作製方法、フロー値測定、ブリーディング率測定方法、水中希釈試験については、特記無い限り何れの実施例も次に示す通りである。また、以下の試験は２０℃の恒温室内で実施した。

〔セメント組成物作製〕
配合に示す各材料を計量し、ヘンシェルミキサで混合して作成した。
〔充填剤作製〕
セメント組成物と水を計量し、ハンドミキサで水を混合しながらセメント組成物を入れ、２分間撹拌して作製した。
〔フロー値〕
フロー値は、日本道路公団規格のＪＨＳ ３１３−１９９９、コンシステンシー試験方法のシリンダ法の規定に準ずる。
〔ブリーディング率〕
ブリーディング率は、土木学会基準ＪＳＣＥ−Ｆ５２２−１９９９で使用されるポリエチレン袋を使用し、これに充填材を標線まで入れ、２４時間後の浮き水量を測定しブリーディング率を算出した。
〔水中希釈試験〕
１０００ｍｌビーカーに水を６００ｍｌ入れ、４００ｍｌの充填材を真上から落下充填させた。充填後、充填部の容積を計測し、水中に充填した場合の希釈量を測定した。水に希釈されると、希釈された分体積が増加する。従って、水に希釈されにくいほど下部に充填された充填材の体積が少なく、耐水中希釈抵抗性に優れる。尚、無希釈時は４００ｍｌとなる。

（実施例１）
表１で表される材料（市販品）を選択使用して充填剤を作製し、フロー値、ブリーディング率、水中へ落下充填させた時の体積（水中希釈試験）を測定した。

その結果、表２に示す通り、セメントと水のみの場合はブリーディング率が３５％と非常に大きく、充填材として適さない（Ａ１５）。またセメントとベントナイトのみではブリーディング率は小さくなるが、フロー値が大きく、水中へ充填された場合には希釈される（Ａ１６）。セメントと水溶性セルロース誘導体のみの場合は、ブリーディング率が大きく、顕著な材料分離を生じる（Ａ１７）。
水溶性セルロース誘導体は、セメント１００質量部に対して０．０１質量部未満の添加では、水中へ充填した時の体積が大きく希釈されやすいが、０．０１質量部以上の添加では、水中へ充填した時の体積がほとんど変化しなかった（Ａ１）。また、０．２質量部添加すると、流動性が乏しくなる（Ａ５）。
ベントナイトは、セメント１００質量部に対し１０質量部添加では、水中へ充填した時の体積が大きく希釈されやすい（Ａ６）。また、７０質量部添加では、流動性が乏しくなる（Ａ１０）。
石炭灰は、セメント１００質量部に対して１００質量部を添加しても粉体の量が多くなるにもかかわらず、流動性や水中へ充填した時の耐希釈性は殆ど変わらない（Ａ１３）。また２００質量部の添加では、流動性が低くなり過ぎる（Ａ１４）。

（実施例２）
表３に示す配合で、セメント組成物を作製し、水中へ落下充填させた時の体積（水中希釈試験）を測定した。

その結果、表４に示す通り、セメント１００質量部に対して水の量が１００〜２００質量部、特に１００〜１５０質量部で良好であった。

（実施例３）
表５から選ばれた材料を用い、表６に示す配合で充填材を作成し、フロー値及び水中へ落下充填させた時の体積（水中希釈試験）を測定した。その結果も表６に表す。
ベントナイトＢを使用した場合はフロー値が高くなる（Ｃ２）。
また、水溶ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシメチルセルロースを使用した場合、水中へ充填した場合でも希釈され難くなった（Ｃ２、Ｃ３）。但し、ポリビニルアルコールや、水溶性でないセルロースを使用した場合は、かような効果は見られなかった（Ｃ４、Ｃ５）。

（実施例４）
両端を封じた直径２００ｍｍで長さ１０００ｍｍの塩ビ管を水平に設置し、両端面からそれぞれ約５０ｍｍの上部箇所に、直径が各３０ｍｍの注入孔と排出孔を１箇所ずつ設けたものを用いて、充填実験を行った。該塩ビ管に予め水を充満させた後、注入孔より表７で表す配合の充填材を、中の充満水が排出口より排出されて完全に置き換わるまで充填した。この塩ビ管をそのまま常温下で２８日間放置した後、排出孔付近の硬化物から、直径５０ｍｍ×高さ１００ｍｍの硬化物を刳り抜いて供試体とし、一軸圧縮強度を測定した。その結果も表７に示す。本発明品（Ｄ２）は、参考品（Ｄ１）と比較して強度が高く、水中へ充填した場合でも水に希釈され難いことがわかる。また、フロー値が１００ｍｍの参考品は充填することが出来ず（Ｄ３）、フロー値が３００ｍｍを超える参考品は強度低下が著しい（Ｄ４）。

Claims (6)

1. セメント１００質量部に対して、スメクタイトを有効成分とする粘土鉱物２０〜５０質量部と水溶性セルロース誘導体０．０１〜０．１５質量部を含有してなるセメント組成物。
2. スメクタイトの膨潤力が２０ｍｌ／２ｇ以上である請求項１記載のセメント組成物。
3. さらに、セメント１００質量部に対して石炭灰１０〜１５０質量部を含有してなる請求項１又は２記載のセメント組成物。
4. 空洞充填用セメント組成物である請求項１〜３のいずれかに記載のセメント組成物。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のセメント組成物の水性スラリーであって、ＪＨＳ ３１３−１９９９で規定されるシリンダフロー値が１１０〜３２０ｍｍであることを特徴とする空洞充填材。
6. 水が存在する空間・間隙の充填に用いられるものである請求項５記載の空洞充填材。