JP2016124741A - 高強度吹付コンクリート - Google Patents

Abstract

【課題】 施工に関して支障をきたすほどの瞬結化を抑制でき、一方で、吹付の際に優れた付着性を付与でき、吹付後は著しく早く強度が増加し、短時間材齢での強度が格段に高い吹付物を形成できるという特性を全て具備した高強度吹付コンクリートを提供する。【解決手段】 セメント１００質量部及び無水石膏５〜１２質量部を含有するセメント組成物に、ガラス化率９０％以上でＣａＯとＡｌ2Ｏ3の含有モル比（ＣａＯ／Ａｌ2Ｏ3）が１．８〜２．５のカルシウムアルミネートのクリンカであって、珪素、マグネシウム及びチタンを酸化物換算で、ＳｉＯ2；４〜６質量％、ＭｇＯ；０．７５〜０．９５質量％及びＴｉＯ2；０．８〜１．３質量％含有するクリンカの粉砕物、アルミン酸ナトリウム及び無水石膏を含有する粉体混和剤を、前記セメント組成物中のセメント含有量１００質量部に対する添加量が５〜１５質量部となるよう添加添加してなる高強度吹付コンクリート。【選択図】 なし

Description

本発明は、壁面等へ吹付ける高強度の吹付コンクリートに関する。

トンネル、地下空間、法面等の建設工事に対し、地山や構築物補強のために、壁面、天井面又は傾斜面にスラリー状のモルタルやコンクリート（以下、総称して「コンクリート」という。）を吹付けることが行われている。一般的な吹付施工では、注水後のベースコンクリートに急結剤を添加して急結性を付与し、接水から短時間にセメントの凝結を完了させることで付着性の担保としている。吹付コンクリートは付着性に優れることが絶対条件となるが、例えば掘削現場など掘削後できるだけ早く補強を必要とする施工対象では、特に高い初期強度の発現性も要求される。急結性に優れる粉末状の急結剤としてカルシウムアルミネートが広く普及している。カルシウムアルミネートを急結成分とした吹付コンクリートの付着性を高める方策として、次のようなものが知られている。（１）カルシウムアルミネートのガラス化率を高める。（２）カルシウムアルミネートのＣａＯとＡｌ₂Ｏ₃の含有モル比（ＣａＯ／Ａｌ₂Ｏ₃）の値を大きくする（例えば、特許文献１参照。）。（３）カルシウムアルミネートにＭｇＯを含有させる。（例えば、特許文献２参照。）（４）アルカリ金属のアルミン酸塩を併用する。（例えば、特許文献３参照。）（５）アルカリ金属の炭酸塩を併用する。（例えば、特許文献４参照。）また、吹付装置の目詰まり防止など施工作業性の改善・向上策として、１〜４質量％のＳｉＯ₂を含有させたカルシウムアルミネートを急結成分として使用することが知られている。（例えば、特許文献５参照。）また、カルシウムアルミネートを急結成分とした吹付コンクリートの初期強度を高める方策として、次のようなものが知られている。（６）吹付コンクリート中の水とセメントの質量比（セメント／水）を高める。

しかるに、カルシウムアルミネートを急結成分とした吹付コンクリートの付着性と初期強度を共に向上させる有用な方策は知られていない。特に、強度発現性については、従来の吹付コンクリートでの具備特性として知られている高い初期或いは早期強度発現性は、急結剤配合によってセメントの凝結が早く進展するために、急結成分を含まないコンクリートと比べ必然的に早期の強度が高い値を呈しているに過ぎず、従来の急結成分を含む吹付コンクリートの初期強度発現レベルを大きく超える強度上昇速度と初期強度値の大幅向上を得るための有用な方策は、少なくとも付着性や施工作業性を阻害しない範囲においては、知られていない。

特開２００５−２４７６１８号公報 特開２０１４−８８２９６号公報 特開平１１−７１１４５号公報 特開平１０−１３４２号公報 特開２０１３−１７７２７９号公報

本発明は、吹付施工の作業に支障をきたすほどの瞬結化を抑制して良好な作業性を確保できる吹付コンクリートであって、吹付の際にリバウンドや吹付物の垂れ落ちも無く強い付着力で変形もなく保持できるといった優れた付着性を具備し、しかも吹付後は著しく早く強度が増加し、短時間材齢での強度が格段に高い吹付物を形成できるという特性を全て具備した高強度吹付コンクリートの提供を課題とする。

本発明者は、前記課題解決のため検討した結果、特定の成分を特定量含有するガラス化が進んだカルシウムアルミネートのクリンカ粉末、アルミン酸ナトリウム及び無水石膏等を含む混合物を、セメント及び無水石膏を含む組成物に特定の割合で配合せしめた吹付コンクリートが、前記課題を総じて解決するものであるとの知見を得、本発明を完成した。

即ち、本発明は、次の（１）〜（４）で表す高強度吹付コンクリートである。（１）セメント１００質量部及び無水石膏５〜１２質量部を含有するセメント組成物に、ガラス化率９０％以上でＣａＯとＡｌ₂Ｏ₃の含有モル比（ＣａＯ／Ａｌ₂Ｏ₃）が１．８〜２．５のカルシウムアルミネートのクリンカであって、珪素、マグネシウム及びチタンを酸化物換算で、ＳｉＯ₂；４〜６質量％、ＭｇＯ；０．７５〜０．９５質量％及びＴｉＯ₂；０．８〜１．３質量％含有するクリンカの粉砕物、アルミン酸ナトリウム及び無水石膏を含有する粉体混和剤を、前記セメント組成物中のセメント含有量１００質量部に対する添加量が５〜１５質量部となるよう添加してなる高強度吹付コンクリート。（２）粉体混和剤がガラス化率９０％以上でＣａＯとＡｌ₂Ｏ₃の含有モル比（ＣａＯ／Ａｌ₂Ｏ₃）が１．８〜２．５のカルシウムアルミネートのクリンカであって、珪素、マグネシウム及びチタンを酸化物換算で、ＳｉＯ₂；４〜６質量％、ＭｇＯ；０．７５〜０．９５質量％及びＴｉＯ₂；０．８〜１．３質量％含有するクリンカの粉砕物１００質量部、アルミン酸ナトリウム２．４〜１２．８質量部及び無水石膏１．２〜２４．７質量部を含有することを特徴とする前記（１）の高強度吹付コンクリート。（３）粉体混和剤が、さらに、アルカリ金属の炭酸塩を含有する前記（１）又は（２）の高強度吹付コンクリート。（４）セメント組成物がセメント含有量１００質量部に対し水４０〜５５質量部を含有することを特徴とする前記（１）〜（３）何れかの高強度吹付コンクリート。

本発明によれば、良好な施工作業性と強力な付着性を具備し、吹付後は短時間で非常に高い強度を発現できる吹付コンクリートを得ることができる。

本発明の高強度吹付コンクリートを構成するセメント組成物は、特定の量比でセメントと無水石膏を含有する。このセメント組成物は、実施工では一般に、ベースコンクリート又はベースモルタルと称される。含有するセメントは水硬性のものであれば特に限定されず、例えば普通、早強、超早強、中庸熱、低熱、耐硫酸塩等のポルトランドセメントが挙げられる。また、ポルトランドセメントと高炉スラグなどの鉱滓や石炭灰などの微粉を混合させた混合セメントも例示できる。

前記セメント組成物に含有する無水石膏は、何れのものでも使用でき、特に限定されない。無水石膏の含有により、硬化が促進され、高い強度発現性が得易くなる。前記セメント組成物中の無水石膏の含有量はセメント１００質量部に対し、５〜１２質量部とする。５質量部未満では、持続性のある高い強度発現性が得難くなるので好ましくなく、１２質量部を超える含有量では凝結が遅延し、付着性や初期強度発現性が低下する虞があるので好ましくない。

前記セメント組成物に含有する水は、水和反応性物質の水和に供され、その含有量は特に制限されるものではなく、施工状況や他の配合成分等に応じて適宜定めれば良い。好ましくは、セメント１００質量部に対し、４０〜５５質量部とする。この範囲であれば高い強度発現性が得易くなる。

前記セメント組成物は、セメント、無水石膏及び水以外の成分も、本発明の効果を阻害しない限り、含有することができる。このような成分として、例えば、各種減水剤類、増粘剤、ポゾラン反応性物質、細骨材などのモルタルやコンクリートに使用できる混和剤・材を挙げることができるが、記載例に限定されるものではない。

また、本発明の高強度吹付コンクリートの前記水性組成物に配合する粉体混和剤は、特定のカルシウムアルミネートのクリンカ粉砕物、アルミン酸ナトリウム及び無水石膏を含有する。前記粉体混和剤に含有する特定のカルシウムアルミネートのクリンカ粉砕物は、ＣａＯとＡｌ₂Ｏ₃を主要化学成分として含む物質であり、ガラス化が進んだ構造の水和活性物質であり、通常はＣａＯ源となる原料とＡｌ₂Ｏ₃源となる原料を配合した原料配合物を溶融するまで焼成し、これを急冷させた焼成塊（クリンカ）として得られるものである。本発明では、ガラス化率９０％以上のカルシウムアルミネートのクリンカを使用することで高い急結性付与に寄与する。ガラス化率９０％未満のものでは反応活性が低く、吹付施工に適した急結性を付与できないことがあるので好ましくない。また、前記カルシウムアルミネートは化学成分としてＣａＯとＡｌ₂Ｏ₃をモル比（ＣａＯ／Ａｌ₂Ｏ₃）で１．８〜２．５の割合で含有するものとする。含有モル比（ＣａＯ／Ａｌ₂Ｏ₃）が１．８未満では付着性が低下するため好ましくなく、２．５を超えると瞬結性が強まり、吹付対象面に到達する前に固結が起こるため好ましくない。

また、前記カルシウムアルミネートのクリンカは、少なくとも珪素、マグネシウム及びチタンを所定量含有するものである。具体的には、それぞれ酸化物換算で、ＳｉＯ₂；４〜６質量％、ＭｇＯ；０．７５〜０．９５質量％及びＴｉＯ₂；０．８〜１．３質量％含有するものとする。珪素の含有量が、酸化物（ＳｉＯ₂）換算で４〜６質量％の範囲から外れたものでは、瞬結化が強まったり付着性低下が起こる可能性が高くなることがあるので好ましくない。また、マグネシウムの含有量が、酸化物（ＭｇＯ）換算で０．７５〜０．９５質量％の範囲から外れたものでは、付着性が低下する虞があるので好ましくない。また、チタンの含有量が、酸化物（ＴｉＯ₂）換算で０．８〜１．３質量％の範囲から外れたものでは、急結性や初期強度発現性が低下する虞があるので好ましくない。また、これら以外の他の成分のクリンカ粉末中への含有は、本発明の効果を阻害しない限り、許容される。また、カルシウムアルミネートのクリンカ粉砕物は、カルシウムアルミネートのクリンカを、例えば全鋼性のボールミルやディスクミル等の破砕機で粉砕し、また市販の分級機や篩なども適宜使用して粉末化したものである。その粉末度は特に制限されないが、好ましくはブレーン比表面積で凡そ２５００〜９０００ｃｍ²／ｇとする。２５００ｃｍ²／ｇ未満では反応活性が弱くなって高い急結性が得難くなることがあるため適当ではなく、また９０００ｃｍ²／ｇを超えると粉砕等に関る製造コストが高騰するので適当ではない。

また、前記粉体混和剤に含有するアルミン酸ナトリウムは接水直後からモルタルやコンクリートの凝結を急速に促進する作用を具備し、高い初期強度発現性を得るのに寄与する。使用するアルミン酸ナトリウムは粉体状のものであれば特に制限されない。また、前記粉体混和剤中のアルミン酸ナトリウムの含有量も限定されない。好ましくは、前記カルシウムアルミネートのクリンカの粉砕物の含有量１００質量部に対し、アルミン酸ナトリウムを２．４〜１２．３質量部含有したものとする。アルカリ金属のアルミン酸塩としては、アルミン酸ナトリウム、アルミン酸カリウム及びアルミン酸リチウムの群から選ばれる１種又は２種以上が挙げられる。アルカリ金属のアルミン酸塩を含有させることで、接水直後からモルタルやコンクリートの凝結を急速に促進することに貢献する。

また、前記粉体混和剤に含有する無水石膏は、強度発現性を向上することに寄与し、吹付物の硬化を促進する。無水石膏は何れのものでも使用できる。また、前記粉体混和剤の無水石膏の含有量は限定されるものではないが、好適な含有量としては、前記カルシウムアルミネートのクリンカの粉砕物含有量１００質量部に対し、１．２〜２４．７質量部である。

また、前記粉体混和剤には、前記の特定のカルシウムアルミネートのクリンカ粉砕物、アルミン酸ナトリウム及び無水石膏以外の成分の含有も本発明の効果を阻害するものでない限り、含有することができる。このような成分の好適例として、炭酸ナトリウムを挙げることができる。炭酸ナトリウムを含有することによって凝結が促進され、初期の強度発現性も向上し易くなる。炭酸ナトリウムの前記粉体混和剤中の含有量は制限されるものではないが、前記カルシウムアルミネートのクリンカの粉砕物含有量１００質量部に対し、例えば１〜１０質量部とする。また、炭酸ナトリウム以外のアルカリ金属炭酸塩なども好適に使用できる。

本発明の高強度吹付コンクリートは、このような粉体混和剤を、前記セメント組成物に、前記セメント組成物中のセメント含有量１００質量部に対する添加量が、５〜１５質量部となるように添加してなるものである。

また、本発明の高強度吹付コンクリートを製造する方法は限定されない。推奨される一例を示すと、例えば、前記カルシウムアルミネートのクリンカの粉砕物、アルミン酸ナトリウム及び無水石膏等を、例えばヘンシェルミキサ等の混合装置に所望量投入して乾式混合し、粉体混和剤を作製する。別に、前記所定の配合になるようセメント、無水石膏及び水等を、例えば２軸強制コンクリートミキサ等の混合装置で混練し、セメント組成物（ベースコンクリート）を作製する、このセメント組成物を吹付装置に例えばポンプ圧送し、該吹付装置で前記作製された粉体混和剤をセメント組成物に添加混合することで高強度吹付コンクリートを製造することができる。

以下、本発明を実施例によって具体的に説明するが、本発明は記載した実施例に限定されるものではない。 尚、以下の実施例は、特記無い限り、２０℃（±２℃）の温度環境で行った。

［カルシウムアルミネートクリンカの作製］
何れも市販粉末試薬のＣａＣＯ₃とＡｌ₂Ｏ₃、市販特急試薬のＳｉＯ₂、ＭｇＣＯ₃、ＴｉＯ₂を用い、ＣａＯ及びＡｌ₂Ｏ₃の含有モル比（ＣａＯ／Ａｌ₂Ｏ₃）の値並びに珪素、マグネシウム及びチタンを酸化物換算の含有質量が表１に表すクリンカが得られるように批評量配合し、ヘンシェル型混合機を使用して原料調合物を作製した。この原料調合物を電気炉を用いて約１６００℃（±５０℃）で６０分間焼成し、焼成時間経過後は直ちに炉外に取出した。取出した焼成塊（クリンカ）表面に冷却用の窒素ガスを流速約３０ｍｌ／秒で吹付て急冷し、クリンカの冷却物を得た。尚、クリンカのガラス化率調整のため、一部のクリンカについては冷却用の窒素ガスの吹付は行わないかガス流速を落として吹付けた。次いで、このクリンカを全鋼製のボールミルで粉砕し、分級装置にかけてブレーン比表面積約５０００ｃｍ²／ｇのカルシウムアルミネートのクリンカ粉末を得た。また、このカルシウムアルミネートのガラス化率を、粉末エックス線回折装置を用い、質量がＭ１のカルシウムアルミネートクリンカに含まれる各鉱物の質量を内部標準法等で定量し、定量できた含有鉱物相の総和質量；Ｍ２を算出し、残部が純ガラス相と見なし、次式でガラス化率を算出した。
ガラス化率（％）＝（１−Ｍ２／Ｍ１）×１００

［粉体混和剤の作製］
前記作製のカルシウムアルミネートのクリンカ粉末、アルミン酸ナトリウム（市販粉末試薬）、ＩＩ型無水石膏（市販品）および炭酸ナトリウム（市販粉末試薬）から選定される材料を表２の配合となるようヘンシェルミキサに一括投入し、約２分間混合して粉体混和剤を作製した。

［急結性の評価］
普通ポルトランドセメント（市販品）１０００ｇ及び水５００ｇを底付円筒容器に入れ、ハンドミキサで１分間混合した後、屋内に３０分静置した。この静置後、ハンドミキサで１分間再混合し、前記作製の粉体混和剤を７０ｇ添加し、さらに５秒間攪拌してセメントペーストを作製した。粉体混和剤添加３０秒経過後、６０秒経過後、１２０秒及び５分経過後のセメントペーストに対し、プロクター貫入抵抗値を測定することで急結性の評価を行った。プロクター貫入抵抗値の測定方法は、土木学会コンクリート標準指方書「吹付コンクリート用急結剤品質規格」付属書「貫入抵抗によるモルタルの瞬結時間測定方法」に準拠し、断面積０．１２５ｃｍ²のプロクター針を使用して行った。この測定結果を表３に表す。

［ベースコンクリート（セメント組成物）の作製］
普通ポルトランドセメント（市販品）、ＩＩ型無水石膏（市販品）、細骨材及び水を、表４で表す配合となるようコンクリートミキサに投入し、１分間混練してセメント組成物（ベースコンクリート）を作製した。ここでは細骨材に掛川市産山砂（Ｆ．Ｍ．＝２．７３）を使用した。

［吹付コンクリートの作製］
混練されたベースコンクリートを、市販のコンクリート用吹付装置にポンプ圧送し、該吹付装置内で送流中のベースコンクリートに前記の粉体混和剤を連続的に添加した。前記吹付装置では粉体混和剤は添加時にベースコンクリートと実質的な混合がなされ、吹付コンクリートが形成される。粉体混和剤の添加量は、ベースコンクリート作製に使用した普通ポルトランドセメント１００質量部に対し、表５に表す量にした。

［吹付コンクリートの吹付特性等の評価］
この吹付コンクリートを、前記コンクリート用吹付装置の噴射用ノズルから約１００ｃｍ離れた地点に垂直に設置した３ｍ四方のコンクリート製平滑壁面に向かって、前記コンクリート吹付装置の噴射用ノズルから１６０ｍｌ／分の流量で吹付けた。吹付性の評価として、何れも目視観察で、前記壁面からの吹付コンクリートの跳ね返り（リバウンド）を調べ、跳ね返りが見られなかったものをリバウンド「無」と判断し、跳ね返りが見られたものをリバウンド「有」と判断した。また、壁面に吹付けたコンクリートに垂れが見られたり剥落が起こったりすることなく、付着し続けたものを付着性が「良好」と判断し、それ以外の状態になったものは全て付着性が「不良」と判断した。また、このような吹付けを３分間連続して行った直後に、吹付装置のノズル孔に固結物による閉塞が部分的にでも見られたものを閉塞発生「有」と判断し、このような閉塞が見られなかったものを閉塞発生「無」と判断した。以上の結果を表６に表す。

［吹付コンクリートの長期強度発現性の評価］
前記でコンクリート製平滑壁面に吹き付けられた吹付コンクリートの吹付時から２８日経過した時点の吹付物に対し、コアドリルを使用して直径５×長さ約１０ｃｍ円筒形のコアを刳り抜いた。次いで、ＪＩＳ Ａ１１０７ 「コンクリートからのコアの採取方法および圧縮強度試験方法」で規定する方法でこのコアの一軸圧縮強度を測定し、材齢２８日の吹付コンクリートの一軸圧縮強度とした。この結果を表６に表す。

［吹付コンクリートの初期強度発現性の評価］
また、前記ベースコンクリートに前記作製の粉体混和剤をベースコンクリート中の普通ボルトランドセメント含有量１００質量部に対し、前記表６に表す量を添加し、更に１０秒間混練して混練物を作製した。混練物は作製後直ちに、内寸４０×４０×１６０ｍｍの成形用型枠に充填し、これを屋内で所定時間静置し、静置後に脱型して材齢３時間及び１日の供試体を得た。この供試体の一軸圧縮強度をアムスラー式圧縮強度試験機で測定した。この結果も表６に表す。

表３の結果から、本発明の吹付コンクリートは、粉体混和剤の添加から少なくとも３０秒経過時まではプロクター貫入抵抗値が低く、概ね６０秒経過時から急速に増大することから、急結性は具備するものの、瞬結性は抑制されることがわかる。また、表５の結果から、本発明品は強力な付着性を有し、リバウンド等の吹付ロスも殆ど起こらないことがわかり、付着語も中長期に渡って強度の増加傾向が見られることがわかる。さらに、表６の結果から、本発明品に関る材齢半日及び材齢１日の一軸圧縮強度が、従来技術の範疇の比較品と比べて、格段に高いものであることがわかる。

Claims (4)

1. セメント１００質量部及び無水石膏５〜１２質量部を含有するセメント組成物に、ガラス化率９０％以上でＣａＯとＡｌ₂Ｏ₃の含有モル比（ＣａＯ／Ａｌ₂Ｏ₃）が１．８〜２．５のカルシウムアルミネートのクリンカであって、珪素、マグネシウム及びチタンを酸化物換算で、ＳｉＯ₂；４〜６質量％、ＭｇＯ；０．７５〜０．９５質量％及びＴｉＯ₂；０．８〜１．３質量％含有するクリンカの粉砕物、アルミン酸ナトリウム及び無水石膏を含有する粉体混和剤を、前記セメント組成物中のセメント含有量１００質量部に対する添加量が５〜１５質量部となるよう添加添加してなる高強度吹付コンクリート。
2. 粉体混和剤がガラス化率９０％以上でＣａＯとＡｌ₂Ｏ₃の含有モル比（ＣａＯ／Ａｌ₂Ｏ₃）が１．８〜２．５のカルシウムアルミネートのクリンカであって、珪素、マグネシウム及びチタンを酸化物換算で、ＳｉＯ₂；４〜６質量％、ＭｇＯ；０．７５〜０．９５質量％及びＴｉＯ₂；０．８〜１．３質量％含有するクリンカの粉砕物１００質量部、アルミン酸ナトリウム２．４〜１２．３質量部及び無水石膏１．２〜２４．７質量部を含有することを特徴とする請求項１記載の高強度吹付コンクリート。
3. 粉体混和剤が、さらに、アルカリ金属の炭酸塩を含有する請求項１又は２記載の吹付コンクリート。
4. セメント組成物がセメント含有量１００質量部に対し水４０〜５５質量部を含有することを特徴とする請求項１〜３何れか記載の高強度吹付コンクリート。