JP2016117630A

JP2016117630A - 急結剤

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Publication number: JP2016117630A
Application number: JP2014259760A
Authority: JP
Inventors: 洋朗高橋; Hiroo Takahashi; 誉久羽根井; Yoshihisa Hanei; 裕憲高見; Hironori Takami
Original assignee: Taiheiyo Materials Corp
Current assignee: Taiheiyo Materials Corp
Priority date: 2014-12-24
Filing date: 2014-12-24
Publication date: 2016-06-30

Abstract

【課題】本発明は、急結性に優れたアルミン酸ナトリウムを含有する急結剤を提供することを目的とする。【解決手段】Ｎａ２ＯとＡｌ２Ｏ３の含有モル比（Ｎａ２Ｏ／Ａｌ２Ｏ３モル比）が０．７〜１．５のアルミン酸ナトリウムであって、Ｘ線回折分析で、２θ＝５１〜５３度の領域にある（０４０）結晶面による回折ピークの半値幅（２θ／度）が０．３００以上であるアルミン酸ナトリウムを含有することを特徴とする急結剤。また、カルシウムアルミネート１００質量部と、前記アルミン酸ナトリウムが１〜２５質量部を含有することを特徴とする急結剤。【選択図】なし

Description

本発明は、吹付けコンクリートなどに使用する急結剤に関する。

掘削したトンネルの地山補強や地下空間の天井・壁面の崩壊防止するために、急結剤をモルタルやコンクリートに添加して吹付ける吹付工法が行われている。急結剤がモルタルやコンクリートに添加されると、セメントが急速に凝結し、短時間で高い強度が発現できる硬化物が得られる。急結剤としては、カルシウムアルミネートを主成分とするものが知られており、さらにアルミン酸ナトリウム、アルカリ金属の炭酸塩、石膏などが配合されたものが知られている。

このうちアルミン酸ナトリウムは急結性を発現するための有効な成分の一つであることから、その組成や粒度について検討されている（特許文献１、２）。一般的傾向として、アルミン酸ナトリウムのＮａ_２ＯとＡｌ_２Ｏ_３の含有モル比（Ｎａ_２Ｏ／Ａｌ_２Ｏ_３モル比）が大きくなるにしたがい吸湿性が高くなり、流動性が低下し付着性が大きくなる。一方、Ｎａ_２Ｏ／Ａｌ_２Ｏ_３モル比が小さくなるにしたがい急結性が低下する、という性質がある。特許文献１では、アルミン酸ナトリウムのＮａ_２Ｏ／Ａｌ_２Ｏ_３モル比を１．０〜１．３にするとともに、アルミン酸ナトリウムの最大粒径を０．３ｍｍ以下とすることによって、長期間の貯蔵においても物性の低下を示さない急結剤が得られることが開示されている。特許文献２では、付着性、急結性などを勘案して好ましいＮａ_２Ｏ／Ａｌ_２Ｏ_３モル比の範囲として、０．６５〜０．９５とすることが開示されている。

一方、コンクリートへの急結剤の通常の添加量としては、コンクリート中のセメント量に対して、７〜１２質量％であるが、吹付施工の現場においては、急結剤の添加量の低減が求められている。添加量が低減できれば、急結剤タンクの小型化、急結剤の手投入等の作業負担の軽減、輸送費や空袋の削減等の経済的・環境的に優れた吹付けコンクリートの施工を行うことができる。

特開平１１−１３０４９８号公報特開２００３−１２３５６号公報

しかしながら、Ｎａ_２ＯとＡｌ_２Ｏ_３の含有モル比や粒度等を限定したアルミン酸ナトリウムを用いても、急結性能にばらつきが生じる場合があり課題となっていた。このような課題に対して、本発明者らは、今般、アルミン酸ナトリウムを含む急結剤において、Ｎａ_２Ｏ／Ａｌ_２Ｏ_３モル比の如何にかかわらず、Ｘ線回折分析における回折ピークの半値幅が大きいアルミン酸ナトリウムを使用した場合、急結性に優れるとの予想外の知見を得た。本発明は、係る知見に基づいてなされたものである。従って、本発明は、急結性に優れたアルミン酸ナトリウムを含有する急結剤を提供することを目的とする。

本発明者は、前記課題解決のため鋭意検討した結果、特定の性質を有するアルミン酸ナトリウムに着目することによって、急結性が良好な急結剤が得られることを見出し、本発明を完成した。
即ち、本発明は次の〔１〕、〔２〕で表される急結剤である。また、その急結剤を用いた〔３〕吹付けコンクリートの施工方法である。
〔１〕Ｎａ_２ＯとＡｌ_２Ｏ_３の含有モル比（Ｎａ_２Ｏ／Ａｌ_２Ｏ_３モル比）が０．７〜１．５のアルミン酸ナトリウムであって、Ｘ線回折分析で、２θ＝５１〜５３度の領域にある（０４０）結晶面による回折ピークの半値幅（２θ／度）が０．３００以上であるアルミン酸ナトリウムを含有する急結剤。
〔２〕カルシウムアルミネート１００質量部と、前記アルミン酸ナトリウムが１〜２５質量部を含有する〔１〕に記載の急結剤。
〔３〕〔１〕又は〔２〕に記載の急結剤を用いる吹付けコンクリートの施工方法であって、該急結剤の添加量が吹付けコンクリート中のセメントに対して３〜１２質量％である吹付けコンクリートの施工方法。

本発明によれば、急結性が良好な急結剤が得られる。特に、急結剤添加量を低減した場合でも良好な急結性が得られる。このため、急結剤の使用量を低減することができ、急結剤のタンク投入などの作業負担や輸送費、空袋を減らすことができるなど従来より経済的・環境的な負荷が低減可能な吹付けコンクリートを施工することができる。

本発明の急結剤で用いるアルミン酸ナトリウムは、化学成分としてＮａ_２ＯとＡｌ_２Ｏ_３を含有するもので、Ｎａ_２ＯとＡｌ_２Ｏ_３の含有モル比（Ｎａ_２Ｏ／Ａｌ_２Ｏ_３モル比）が０．７〜１．５のアルミン酸ナトリウムである。Ｎａ_２Ｏ／Ａｌ_２Ｏ_３モル比が０．７未満では急結性が得られ難く好ましくない。Ｎａ_２Ｏ／Ａｌ_２Ｏ_３モル比が１．５を超えると、耐風化性が低下するため好ましくない。

さらに本発明の急結剤で用いるアルミン酸ナトリウムは、Ｘ線回折分析で、２θ＝５１〜５３度の領域にある（０４０）結晶面による回折ピークの半値幅（２θ／度）が０．３００以上であるアルミン酸ナトリウムである。ここで半値幅とは、Ｘ線回折分析で測定されたＸ線回折ピークにおける、１／２のピーク強度のピーク幅を度（２θ）で表したものである。一般に化合物の結晶子径が小さいものほど半値幅は大きくなる。前記回折ピークの半値幅が０．３００未満のアルミン酸ナトリウムを用いた急結剤の急結性は劣る傾向が認められた。

急結剤で用いられるアルミン酸ナトリウムについては、これまでＮａ_２ＯとＡｌ_２Ｏ_３モル比や粒度等について検討がなされ、急結性あるいは保管期間中の劣化等にかかわる品質安定性について検討されてきたが、結晶性に関する知見はほとんど知られていなかった。本発明においては、アルミン酸ナトリウムの結晶性と急結性との関係性に着目した結果、その結晶性の特性と急結性との相関性が強いことを見出したものである。つまり、一般的傾向として、Ｎａ_２Ｏ／Ａｌ_２Ｏ_３モル比が小さい場合は急結性が劣る傾向があるが、Ｎａ_２Ｏ／Ａｌ_２Ｏ_３モル比の如何にかかわらず、結晶子径が小さいアルミン酸ナトリウムを使用した場合、急結性が高いことを見出したものである。アルミン酸ナトリウムの結晶子径の評価については、Ｘ線回折分析で、２θ＝５１〜５３度の領域にある（０４０）結晶面による回折ピークの半値幅（２θ／度）を用いることが、アルミン酸ナトリウム中の不純物のピークによる影響をほとんど受けないため有効であった。

また、本発明の急結剤は、好ましくは、カルシウムアルミネート１００質量部と、前記アルミン酸ナトリウム１〜２５質量部とを含有するものである。これらの成分を含むことで急結性の優れた急結剤を得ることができる。アルミン酸ナトリウムが１質量部未満では急結性が得難くなるため好ましくなく、２５質量部を超えると長期強度が低下する可能性があるため好ましくない。アルミン酸ナトリウムの更に好ましい量は２〜２０質量部である。

本発明の急結剤に用いる前記のカルシウムアルミネートは、含有化学成分がＣａＯとＡｌ_２Ｏ_３からなる結晶質あるいは非晶質（ガラス質）の化合物であって、ＣａＯとＡｌ_２Ｏ_３の含有モル比（ＣａＯ／Ａｌ_２Ｏ_３モル比）が１．９〜２．６のカルシウムアルミネートであれば何れのものでも良い。具体的には、例えば１２ＣａＯ・７Ａｌ_２Ｏ_３、ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３、３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３等が挙げられるが、例示物に限定されるものではない。ＣａＯ／Ａｌ_２Ｏ_３モル比が１．９未満の場合、また、ＣａＯ／Ａｌ_２Ｏ_３モル比が２．６を超えた場合は、いずれの場合も水和反応活性が低下した構造のカルシウムアルミネートしか得られないことから急結性が発現し難くなるので好ましくない。好ましくは、水和反応活性がより高いものが得られることから、ガラス化率が９０質量％以上で、ＣａＯ／Ａｌ_２Ｏ_３モル比が１．９〜２．６のカルシウムアルミネートを使用する。

また、本発明のカルシウムアルミネートは、ＣａＯとＡｌ_２Ｏ_３に加えて他の化学成分が加わった化合物、固溶体又はこれらの混合物等であっても、本発明の効果を実質喪失させない限り許容される。具体的には、例えば４ＣａＯ・３Ａｌ_２Ｏ_３・ＳＯ_３、１１ＣａＯ・７Ａｌ_２Ｏ_３・ＣａＦ_２、Ｎａ_２Ｏ・８ＣａＯ・３Ａｌ_２Ｏ_３等を挙げられるが、例示物に限定されるものではない。

また、使用するカルシウムアルミネートの粉末度は特に制限されるものではないが、好ましくはブレーン値で４，０００〜１０，０００ｃｍ^２／ｇにすると、アルミン酸ナトリウムとの混合性が高まり、アルミン酸ナトリウムとの混合粒子において材料分離や偏析する虞がさらに低減される。

本発明における急結剤は、この他の成分として、アルカリ金属炭酸塩、石膏類、消石灰、水酸化アルミニウム、硫酸アルミニウム、アルカリ金属硫酸塩など１種以上を含有してもよい。このうち、アルカリ金属炭酸塩の添加が好ましい。さらに石膏類の添加が好ましい。

アルカリ金属炭酸塩としては、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸リチウムなどが挙げられる。アルカリ金属炭酸塩の添加は、瞬結後の効果促進に有効である。アルカリ金属炭酸塩の配合量としてはカルシウムアルミネート１００質量部に対して、０〜３０質量部が好ましい。３０質量を超えた場合は急結性の低下を招くため好ましくない。

石膏類としては、無水石膏、二水石膏、半水石膏などが挙げられる。石膏類の添加は、時間材齢強度の発現に有効である。石膏類の配合量としては、カルシウムアルミネート１００質量部に対して、０〜３０質量部が好ましい。３０質量部を超えた場合は急結性の低下を招くため好ましくない。

本発明における急結剤は吹付けコンクリートの施工に用いることが好適である。急結剤の添加量としては、吹付けコンクリート中のセメントに対して３〜１２質量％が好ましい。経済面・環境面から３〜１０質量％がより好ましい。３〜９質量％が更に好ましい。本発明による急結剤は急結性に優れており、急結剤の添加量が少ない場合であっても良好な急結性を有する。

本発明でいうコンクリートとは、少なくともセメント、水及び骨材を混合したものをいい、一般のコンクリート、高強度型コンクリート等のコンクリートのほかにモルタルを含むものである。また、通常コンクリートに用いられている、減水剤、高性能減水剤、ＡＥ減水剤、流動化剤等の分散剤、炭素繊維、アラミド繊維、有機繊維、金属ファイバー等の繊維（ファイバー）、収縮低減剤、急硬材や遅延剤等の凝結時間調整剤、膨張材、防錆剤、防凍剤、着色材、水和熱抑制剤、増粘剤、保水剤、防水剤、発泡剤、起泡剤、消泡剤、アルカリ骨材反応抑制剤、フィラー、ＡＥ剤、水中不分離性混和剤等の混和剤や混和材等を１種又は２種以上を用いることもできる。

セメントとしては、普通、早強、中庸熱、低熱ポルトランドセメント等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等の混合セメントを使用することができる。また、前記セメントの一部を石灰石粉末やシリカフュームで置換したセメントや、前記セメントに石膏、凝結時間調整剤等の各種混和材（剤）を添加したセメントも使用することができる。

高性能減水剤としては、アルキルアリルスルホン酸系、ナフタレンスルホン酸系、メラミンスルホン酸系、ポリカルボン酸系等の高性能減水剤（高性能ＡＥ減水剤も含む）を用いることができる。高性能減水剤（高性能ＡＥ減水剤）としては、液状又は粉末状どちらでも使用可能である。

骨材としては、川砂、海砂、山砂、砕砂、川砂利、海砂利、山砂利、砕石、スラグ骨材等が挙げられ、これらの混合物を用いてもよい。

ベースコンクリートの調製方法は、特に限定するものではなく、生コン工場や工事現場に設置した慣用のミキサーで混合すれば良い。

また、吹付けコンクリートの施工方法については、従来より行われている湿式工法、乾式工法、ＳＥＣ工法を任意に適用することができる。吹付け装置、及び、急結剤添加装置も、粉体急結剤用として従来より用いられている装置を任意に適用することができる。

以下、本発明を実施例によって具体的に説明するが、本発明は記載された実施例に限定されるものではない。

＜アルミン酸ナトリウム＞
Ｎａ_２Ｏ／Ａｌ_２Ｏ_３モル比、半値幅の異なるアルミン酸ナトリウムの中から５種類を選定し、試験に供した。選定したアルミン酸ナトリウムを表１に示す。

＜半値幅の測定＞
測定にはリガク社製ＸＲＤ測定装置（ＭｉｎｉＦｌｅｘ）を用い、半値幅の測定はアルミン酸ナトリウムの（０４０）結晶面に基づくＸＲＤのピークに対して、同装置内の基本データ処理ソフトウェアを用いてピーク位置Ｐ°を中心に２θ＝Ｐ±１°の領域で平滑化処理、バックグラウンド処理などを行い求めた。

＜測定条件＞
測定条件を下記に示す。
・Ｘ線源：Ｃｕ−Ｋα線
・出力設定：３０ｋＶ・１５ｍＡ
・測定時光学条件：
・発散スリット：θ軸連動可変スリット
・散乱スリット：４．２°
・受光スリット：０．３ｍｍ
・測定範囲：２θ＝５〜６０°
・スキャン速度：２．０°（２θ／ｍｉｎ）、連続スキャン
・サンプリング幅：０．０２°（２θ）

＜使用材料＞
（１）アルミン酸ナトリウム：表１に示す５種類。
（２）カルシウムアルミネート：ＣａＯ／Ａｌ_２Ｏ_３モル比＝２．２、ガラス化率：９６％、ブレーン比表面積５，１００ｃｍ^２／ｇ
（３）アルカリ金属炭酸塩：炭酸ナトリウム；市販品
（４）石膏類：無水石膏、市販品、ブレーン比表面積４，０００ｃｍ^２／ｇ
（５）セメント（Ｃ）：普通ポルトランドセメント（太平洋セメント社製、密度；３．１６ｇ／ｃｍ^３）
（６）細骨材（Ｓ）：セメント強さ試験用標準砂
（７）水（Ｗ）：水道水

＜急結剤の調製＞
アルミン酸ナトリウム、カルシウムアルミネート、炭酸ナトリウム及び石膏をヘイシェルミキサーで５分間混合し、急結剤を調製した。急結剤の配合（質量部）を表２に示す。

＜急結性評価試験＞
急結性評価はモルタルによるプロクター貫入抵抗試験で行った。
砂とセメントの質量比（Ｓ／Ｃ）を３、水とセメントの質量比（Ｗ／Ｃ）を０．６としたモルタルを、モルタルミキサーで１分間混練した。このモルタルに、セメント（Ｃ）に対して５，７，９質量％の急結剤を添加し、モルタルミキサーを用いて５秒間撹拌した後、プロクター貫入抵抗値を測定した。測定は、急結剤添加直後を０秒とし、３０秒、６０秒、１２０秒後の各材齢で行った。結果を表３に示す。

表３から明らかなように、半値幅が０．３００以上のアルミン酸ナトリウムを含有した急結剤を使用した場合、３０秒から１２０秒におけるプロクター貫入抵抗値が高く、急結性に優れていることがわかる。また、急結剤添加量が５質量％と低い場合においても、良好な急結性が得られることがわかる。

Claims

Ｎａ_２ＯとＡｌ_２Ｏ_３の含有モル比（Ｎａ_２Ｏ／Ａｌ_２Ｏ_３モル比）が０．７〜１．５のアルミン酸ナトリウムであって、Ｘ線回折分析で、２θ＝５１〜５３度の領域にある（０４０）結晶面による回折ピークの半値幅（２θ／度）が０．３００以上であるアルミン酸ナトリウムを含有することを特徴とする急結剤。
カルシウムアルミネート１００質量部と、前記アルミン酸ナトリウムが１〜２５質量部を含有することを特徴とする請求項１に記載の急結剤。
請求項１又は請求項２に記載の急結剤を用いる吹付けコンクリートの施工方法であって、該急結剤の添加量が吹付けコンクリート中のセメントに対して３〜１２質量％であることを特徴とする吹付けコンクリートの施工方法。