JP2016179921A

JP2016179921A - 無機系アンカー材料及び該アンカー材料を用いたアンカー筋の定着方法

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Publication number: JP2016179921A
Application number: JP2015060891A
Authority: JP
Inventors: 重裕安藤; Shigehiro Ando; 努田村; Tsutomu Tamura; 貴彦武藤; Takahiko Muto; 兼吉　孝征; Takamasa Kaneyoshi; 孝征兼吉
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2015-03-24
Filing date: 2015-03-24
Publication date: 2016-10-13
Anticipated expiration: 2035-03-24
Also published as: JP6358139B2; KR20160114512A; KR102535741B1

Abstract

【課題】
高温度の環境下においても超速硬セメントを用いたアンカー材料のコンクリート構造物との付着強度を良好に維持することができる、超速硬セメントを用いた無機系アンカー材料及び該材料を用いたアンカー筋の定着方法を提供する。
【解決手段】
無機系アンカー材料は、超速硬セメント、シリカフューム、リチウム塩と骨材を主成分とする粉体と水とを含有し、前記超速硬セメント１００質量部に対して、シリカフュームを０．５~５．０質量部、リチウム塩を０．５〜５．０質量部含有する無機系アンカー材料であり、２０℃及び８０℃におけるアンカー筋の付着強度が、ＪＣＡＡの「あと施工アンカー試験方法」に準拠して測定して２０Ｎ／ｍｍ^２以上の付着強度を有する。
【選択図】なし

Description

本発明は、無機系アンカー材料及び該アンカー材料を用いたアンカー筋の定着方法に関し、特に超速硬セメントを用い、例えば８０℃の高熱の環境下でも付着性能に優れた、無機系アンカー材料及び該アンカー材料を用いたアンカー筋の定着方法に関する。

建築物や舗装道路等の構造物の表面から所定の深さで形成される孔に、アンカー筋を収容し、アンカー筋と孔との間に充填材を充填することで、アンカー筋を構造物に固定する方法が知られている。
かかる建築・土木構造物であるコンクリート構造物に設けられた孔に注入するアンカーとしては、無機系アンカーと有機系アンカーとに大別することができ、また施工形態として、カプセルタイプと注入タイプとがある。

無機系アンカーは、セメントを主成分とし、水を硬化材として用いるものがほとんどである。特に、有機物は耐熱性に劣るため、耐熱性が要求される箇所に施工される、あと施工アンカーには、無機系アンカーが使用されている。
更に、火災等の影響を考慮した場合、アンカー筋の有効埋め込み長さを十分に確保しなければならない必要があり、耐熱性を有する箇所へ使用するアンカーは、埋め込み長さの大きな施工が可能な注入式アンカーが好ましく用いられている。

アンカー材料は、水と混練されて、孔とアンカー筋との間に充填された後、硬化することで硬化層を形成する。そして、該硬化層が構造物およびアンカー筋と結合することで、アンカー筋に対して孔から引き抜く方向に力が加わった際に、高い付着強度を有することで、アンカー筋が引き抜かれないように維持することが所望される。

また、トンネルのロックボルト工法等では、コンクリート構造物であるトンネルに穿孔した後、ボルトを挿入して、該穿孔内にモルタルをポンプ圧送して、あと充填して、ボルトを定着させている工法が採用されているのが一般的である。

従来では、例えば特開２００９−１１４０００号公報（特許文献１）には、セメント、アルミノケイ酸カルシウムガラス、石膏、骨材、コロイダルシリカ、水及び凝結遅延剤を、易破壊性の容器（例えば、ガラス）に含有してなる素子（例えば、鉄筋）定着用カプセルである。また、アルミノケイ酸カルシウムガラスの代わりに、カルシウムアルミネートガラスを用いた上記の素子定着用カプセルであり、さらに、これらの素子定着用カプセルには、ミクロフィブリル化した繊維状セルロースを含有させることもできることが記載されている。

また特開平１０−３１０４７７号公報（特許文献２）には、セピオライト、ウォラストナイト及び補強繊維を含む耐火物中に、アルミナセメントをＣａＯとして１１〜１５重量部、超微粉非晶質シリカを５〜１０重量部、成分中のＮａ₂Ｏ及びＫ₂Ｏの合量が９重量％以下である軽量骨材を４〜１２重量部含有する断熱性耐火物が記載されている。

また、特開２０１３−２０３６１９号公報（特許文献３）には、粉体材料と水とを、注入器に収納可能な容器内で混合して充填材を得る混合工程と、前記容器を前記注入器に収納し、前記容器内部の充填材を前記注入器の吐出口から吐出して構造物の孔に充填する充填工程とを実施する充填材の充填方法であって、前記粉体材料にはセメントと増粘剤とシリカフュームとが含まれ、前記増粘剤が前記セメント１００質量部に対して０．１以上１．０以下質量部、前記シリカフュームが前記セメント１００質量部に対して１．０以上１０．０以下質量部含まれている充填材の充填方法が記載されている。

更に、特許第４８１３８２２号公報（特許文献４）には、アルカリ金属炭酸塩１００部、アルミン酸塩５〜４０部、無機化合物２０〜８０部、カルシウムアルミネート５〜３０部、保水性物質０．１〜５部、オキシカルボン酸塩類０．０１〜２部を含有してなる急結剤を、セメント１００部に対して、固形分換算で３〜２０部、及び粒径が０．６ｍｍ以下である細骨材をセメント１００部に対して９０部までの質量割合で含有するアンカー素子定着材用急硬性セメント組成物が、また特許第４０４４８８７号公報（特許文献５）には、セメント１００質量部に、膨張材２〜１５質量部、強熱減量５％以下のアルカリ金属アルミン酸塩０．１〜５．０質量部、アルカリ金属炭酸塩０．０５〜３．０質量部及び最大寸法１．２ｍｍ以下の細骨材を配合してなるセメント組成物を水で混練してなるモルタルを、削孔した孔に注入した後、ボルトを挿入して定着することを特徴とするボルト定着工法が記載されている。

無機系アンカー材料に使用されるセメントとしては、超速硬セメントを用いた材料が
普通ポルトランドセメントを用いたアンカー材料よりも、アンカー筋の付着強度は５〜１０Ｎ／ｍｍ^２程度高いが、エトリンガイトを多量に発生する超速硬セメントを用いた場合には、高温度環境下においては、エトリンガイトの脱水・分解により、アンカー筋の付着強度が低下してしまうという問題があった。

特開２００９−１１４０００号公報特開平１０−３１０４７７号公報特開２０１３−２０３６１９号公報特許第４８１３８２２号公報特許第４０４４８８７号公報

本発明の目的は、高温度の環境下においても超速硬セメントを用いたアンカー材料とコンクリート構造物との付着強度を良好に維持することができる、超速硬セメントを用いた無機系アンカー材料を提供することである。
また、本発明の他の目的は、本発明の超速硬セメントを用いた無機系アンカー材料を用いて、アンカー筋を簡易に且つ有効に定着することができる、アンカー筋の定着方法を提供することである。

本発明は、超速硬セメントと、シリカフュームと、リチウム塩とを、特定の配合割合で含有させることにより、上記課題を見出し、本発明に到った。

請求項１記載の無機系アンカー材料は、超速硬セメント、シリカフューム、リチウム塩、骨材を主成分とする粉体と水とを含有し、前記超速硬セメント１００質量部に対して、シリカフュームを０．５〜５．０質量部、リチウム塩を０．５〜５．０質量部含有することを特徴とする、無機系アンカー材料である。

請求項２記載の無機系アンカー材料は、請求項１記載の無機系アンカー材料において、２０℃及び８０℃におけるアンカー筋の付着強度が、ＪＣＡＡの「あと施工アンカー試験方法」に準拠して測定して２０Ｎ／ｍｍ^２以上であることを特徴とする、無機系アンカー材料である。

請求項３記載の、無機系アンカー材料を用いたアンカー筋の定着方法は、上記本発明の無機系アンカー材料を、カートリッジに内包し、該カートリッジを注入ガンに取り付けて、無機系アンカー材料をコンクリート構造物の穿孔に充填し硬化させて、アンカー筋を固定することを特徴とする、アンカー筋の定着方法である。

本発明の無機系アンカー材料は、超速硬セメントを用いているため、現場での施工性に優れ、且つ２０℃及び８０℃のような高温度環境下においても、コンクリート母材構造物と優れた付着強度を保持することが可能となる。
また、本発明の無機系アンカー材料は、凝結時間が短く、現場でのアンカー筋の定着施工性に優れ、更に、高い圧縮強度を維持することができる。
また本発明のアンカー筋の定着方法は、コンクリート構造物の穿孔に充填した該無機系アンカーが垂れることなく、効率よく少量の無機系アンカーで簡単に施工することができ、定着されたアンカー筋は、耐熱性に優れることができる。
また、特に、無機系アンカー用カートリッジを用いることで、無機系アンカーの撹拌混合作業と充填作業を同一の容器で行うこともでき、撹拌混合作業中の粉塵の発生をほぼゼロに抑え、穿孔内充填、特に上向き穿孔充填を簡便に行うことができる。

本発明を次の形態により説明するが、これらに限定されるものではない。
本発明の無機系アンカー材料は、超速硬セメント、シリカフューム、リチウム塩、骨材を主成分とする粉体と水とを含有し、前記超速硬セメント１００質量部に対して、シリカフュームを０．５〜５．０質量部とリチウム塩を０．５〜５．０質量部を含有する。
本発明に用いるセメントとしては、超速硬セメントが用いられ、例えば、カルシウムフルオロアルミネート（１１ＣaＯ・７Ａｌ_２Ｏ_３・ＣａＦ_２）を主成分とする、いわゆるジェットセメント、アーウィンを含有してなるアーウィン系セメント、アルミナセメント等を例示することができる。
超速硬セメントを用いることで、現場で、アンカー筋の定着を迅速に実施することが可能となるとともに、得られる圧縮強度に優れることとなる。

従来は、ポルトランドセメントを用いているのが一般的であったが、得られるアンカー材料の凝結時間が長く、特に横向きや上向きの穿孔に充填する場合には、時間の経過とともに、アンカー材料が穿孔から垂れてきたり、施工時間が長くなったりしていたが、本発明においては、迅速に硬化することができるため、このような問題は生じない。
本発明において使用できる超速硬セメントしては、特に限定されず、任意の超速硬セメントを適用することができる。

また本発明の無機系アンカー材料には、前記超速硬セメントと組み合わせて、シリカフュームとリチウム塩を必須成分として含有する。
本発明の無機系アンカー材料に用いるシリカフュームとしては、特に限定されず、任意のシリカフュームを用いることができるが、その配合量は、上記超速硬セメント１００質量部に対して、０．５〜５．０質量部、好ましは１．０〜２．５質量部である。
リチウム塩としては、例えば、炭酸リチウムや硫酸リチウムが例示され、その粒度については特に限定されないが、その配合量は、上記超速硬セメント１００質量部に対して、０．５〜５．０質量部、好ましくは１．０〜２．５質量部である。
かかる範囲で超速硬セメントとシリカフュームとリチウム塩とを組み合わせて用いることにより、超速硬セメントを用いたアンカー材料であっても、高温環境下での付着強度を良好に保持することが可能となる。

本発明においては、骨材を含有するが、骨材としては特に限定されず、コンクリートやモルタルに用いられる一般的な細骨材を好適に用いることができる。
細骨材としては、川砂、海砂、山砂、砕砂等の天然細骨材、再生細骨材、人工細骨材を例示することができる。
細骨材の配合割合は、特に限定されず、現場での所望する要求に応じて、任意に配合することができるが、好適には、セメント１００質量部に対して、好ましくは５０〜２００質量部が望ましく、細骨材の最大寸法は１．２ｍｍであることが、充填する際のノズルの大きさへの注入適用性を考慮すると望ましい。

更に、水を配合して無機系アンカー材料を得るが、水は、水/セメント質量比で３０〜５０であることが望ましい。３０未満であると粉体と水との不均一となりノズルからの排出が困難となり、５０を越えると充填した材料が孔から流出したり、付着強度が、大きく低下するため好ましくない。

本発明の無機系アンカー材料には、必要に応じて、公知の配合剤や添加剤、例えば減水剤、遅延剤、ポリマー、防錆剤、防凍剤、凝結遅延剤等を、本発明の効果を害さない範囲で添加することができる。

本発明の無機系アンカー材料は、予め、超速硬セメントとシリカフュームとリチウム塩等の粉末体を配合し、それに細骨材や水を配合して均一に混練することで製造することもできるが、現場で、各材料を配合して、任意のミキサーを用いて混練することで製造することも可能であり、均一な材料が調製できればその方法は限定されない。

本発明の無機系アンカー材料は、例えば、既設のコンクリート構造物にアンカー筋を固定するのに用いられる。
具体的には、コンクリート構造物に表面より穿孔し、該穿孔にアンカー筋を挿入して、該アンカー筋の周囲の穿孔に、本発明の無機系アンカー材料を充填して、該材料を硬化させて、アンカー筋を定着させる。
アンカー筋を定着させるための穿孔へのアンカー材料の充填方法は、特に限定されず、公知の方法を適用することができるが、施工性の容易性より、例えば、カートリッジにアンカー材料を充填し、該カートリッジを注入ガンと称される吐出機に取り付けて、ノズルからアンカー材料を穿孔の奥に注入して硬化させる方法を好適に用いることができる。
また、本発明の無機系材料を用いているため、凝結時間が短く、注入したアンカー材料が垂れてくることがなく、迅速にアンカー筋を定着することができる。

例えば、特許５２５７３１５号公報に記載されているカートリッジと注入ガンを用いることができ、具体的には、コンクリート構造物の穿孔に無機系アンカーを施工するにあたり、一端に吐出口を有するシリンダと、該シリンダ内において、該吐出口に向かって移動可能なピストン壁と、該シリンダ内に本発明の無機アンカー材料の粉体が収容されているカートリッジに、前記該吐出口から水を導入し、該カートリッジに振動を与え、該粉体と該水とを撹拌混合して該カートリッジ内で無機系アンカー材料を調製した後、該ピストン壁を該吐出口側に移動させて該吐出口から無機系アンカー材料を、穿孔に充填し、硬化させて、アンカー筋を固定する。
特に、穿孔又は削孔は、コンクリートドリル等の乾式で削孔した場合、切りくずの粉塵を清掃して取り除くだけでよいが、コアドリル等の湿式で穿孔する場合には、付着性をより良好とするために、該孔内の水分を除去してから注入することが望ましい。

例えば、乾燥した上穿孔に無機系アンカー材料が充填されると、該孔面のコンクリートに該無機系アンカー材料の水分が吸収されて、無機系アンカー材料の流動性が低下することにより、アンカー材料が垂れ落ちず、さらにアンカー材料硬化前でも該孔内に挿入したアンカー筋が落下しない。

また、カートリッジの該シリンダ内には、粉体が該ピストン壁側に偏って充填され、該吐出口側の該シリンダの内面と、前記充填された粉体の端面との間には空洞が形成されているカートリッジを用いることが望ましい。
前記カートリッジの該空洞の容積は、前記充填された粉体と反応する水を、該吐出口を経て導入すべき容量より大きく、前記カートリッジの該ピストン壁は該シリンダの内面と密着する形状であることが好ましい。

該カートリッジの該吐出口から水を導入し、該カートリッジに振動を与え該粉体と水とを撹拌混合し、該ピストン壁を該吐出口側に移動させて該吐出口から無機系アンカー材料を押出すことができるが、該吐出口から無機系アンカーを押出す際には、該カートリッジをシーリングガンに装着して行う。

カートリッジや注入ガンは、任意の公知のものを用いることができ、例えば、シーリングガンまたはコーキングガンは、カートリッジを装着するカートリッジ用ガンとして使用することができる。

本発明の無機系アンカー材料は、凝結時間がＪＩＳＡ１１４７：２００１「コンクリートの凝結時間試験方法」に準じて測定して、２時間未満であり、また定着したアンカー筋は、２０℃及び８０℃の双方において、アンカー筋の付着強度が２０Ｎ/ｍｍ^２以上とすることが可能となる。
本発明の定着方法は、所望する急硬性を現場で得ることができるとともに、耐熱性にも優れ、高強度を保持できるとともに、アンカー筋の付着性を著しく向上させることができる。

本発明を次の実施例、比較例及び試験例に基づき説明する。
（１）原材料
アンカー材料を調製するにあたり、以下の表１に示す各原材料を用いた。

（２）実施例１〜６及び比較例１〜１０（アンカー材料の調製）
上記表１に示す各原材料を用いて、表２に示す配合比で各原材料を配合して、各アンカー材料を調製した。
具体的には、表２に示すように各セメント１００質量部に対して、シリカフューム、硬化促進剤（炭酸リチウム又はソーダ灰）、骨材及び水と、必要に応じて添加される凝結遅延剤とを配合して、ホバートミキサーを用いて均一に混練することにより、アンカー材料を調製した。なお、表１に示す、セメント、シリカフューム、珪砂、硬化促進剤及び凝結遅延剤の各材料からなる粉体１０００質量部に対して、水を２００質量部の割合で配合した。

（３）試験例
（試験例１）充填性
上記実施例及び比較例で得られた各アンカー材料を、市販のシーリングガン用のカートリッジ樹脂製注入器（３３０ｍｌタイプ：エーディーワイ株式会社）に充填し、前記カートリッジに注入用ノズル（φ１２ｍｍ）を取付け、コンクリート構造物に穿孔したφ１６ｍｍの孔（水平孔）に、カートリッジ注入器のノズルを挿入して、アンカー材料の注入の可否を試験した。
その結果を表３に示す。
なお、以下の評価基準で評価した。
○：カートリッジからの注入が可能
×：カートリッジからの注入が不可のもの

（試験例２）２０℃圧縮強度
ＪＳＣＥ−Ｇ５０５−２０１０「円柱供試体を用いたモルタルまたはセメントペーストの圧縮強度試験方法（案）」に準拠して圧縮強度試験を実施した。
具体的には、φ５０×１００ｍｍに各アンカー材料を成形し、２０℃、材齢２８日における圧縮強度を測定した、
その結果を表３に示す。

（試験例３）２０℃付着強度
鋼管に打設したコンクリートに、φ１６ｍｍの穿孔を形成し、各アンカー材料を注入して、全ねじボルトＭ１２（材質ＳＮＢ７）を定着させて、付着強度試験を実施した。
付着試験におけるアンカー筋等の条件は以下のとおりである。
・アンカー筋：Ｍ１２
・種類：ＳＮＢ７
・有効埋め込み長さ：７２ｍｍ（６da）
・穿孔径：φ１６ｍｍ
・母材コンクリート：鋼管打ち込みコンクリート（σＢ＝３０Ｎ／ｍｍ^２）

具体的には、日本建築学会大会学術会議講演概集２０１３年６月のＰ８１−８２の「超速硬セメント系注入式あと施工アンカーの付着特性その４高温下における付着強度」に記載の試験装置を用い、上記各アンカー材料をφ１６ｍｍの穿孔に注入して前記ねじボルトＭ１２で定着させたものを２０℃の恒温槽に２４時間入れて、その後付着強度試験を実施した。
アンカー筋である全ねじボルトＭ１２を穿孔内から引き抜く際の最大荷重Ａを測定した。
次いで、最大荷重Ａと付着面積Ｂとから付着強度Ｃを算出した。
その結果を表３に示す。
なお、付着面積Ｂ及び付着強度Ｃは、下記式（１）及び（２）により算出した。
付着面積Ｂ＝アンカー筋の直径Ｄ×π×定着長（埋め込み深さ）Ｌ・・・（１）
付着強度Ｃ＝最大荷重Ａ/付着面積Ｂ・・・（２）

（試験例４）８０℃付着強度
２０℃の恒温槽に２４時間入れた後、次いで８０℃の恒温槽に２４時間入れて、その後付着強度試験を実施した以外は、試験例３と同様にして付着試験を実施した。
その結果を表３に示す。

（試験例５）凝結時間
ＪＩＳＡ１１４７：２００１「コンクリートの凝結時間試験方法」に準じて、各アンカー材料の凝結時間を測定した。
その結果を表３に示す。

上記表３より、本発明の実施例の、エトリンガイトを多量に生成する超速硬セメントを用いたアンカー材料組成物は、８０℃程度の高温環境下においても、アンカー筋の引き抜き強度を良好に保持することが可能であることがわかる。
一方、シリカフュームの含まない比較例１のアンカー材料、炭酸リチウムを含まない比較例２のアンカー材料、炭酸リチウムを含まずソーダ灰を用いた比較例１０のアンカー材料は、８０℃における付着強度が、所望する２０Ｎ／ｍｍ^２となることができず付着性能に劣る。
炭酸リチウムの含有量が本発明の範囲外である比較例３のアンカー材料、シリカフュームの含有量が本発明の範囲外である比較例４のアンカー材料は、混練性が悪く均一な材料を調製することができない。

また、炭酸リチウムを含まない比較例５のアンカー材料、普通ポルトランドセメントを用い炭酸リチウムを含まない比較例６のアンカー材料、普通ポルトランドセメントを用い炭酸リチウムを含まずシリカフュームを本発明の範囲外の含有量で含む比較例７のアンカー材料、早強ポルトランドセメントを用い炭酸リチウムを含まない比較例８のアンカー材料、早強ポルトランドセメントを用い炭酸リチウムを含まずソーダ灰を含む比較例９のアンカー材料は、２０℃及び８０℃における付着強度が、所望する２０Ｎ／ｍｍ^２となることができず付着性能に劣ることがわかる。

本発明の無機系アンカー材料は、建築・土木分野におけるコンクリート構造物に設けた穿孔にアンカー筋を強固に付着させることができ、施工の作業効率が高く、特に耐熱性が要求される構造物に適用することができる。

Claims

超速硬セメント、シリカフューム、リチウム塩、骨材を主成分とする粉体と水とを含有し、前記超速硬セメント１００質量部に対して、シリカフュームを０．５~５．０質量部、リチウム塩を０．５〜５．０質量部含有することを特徴とする、無機系アンカー材料。
請求項１記載の無機系アンカー材料において、２０℃及び８０℃におけるアンカー筋の付着強度が、ＪＣＡＡの「あと施工アンカー試験方法」に準拠して測定して２０Ｎ／ｍｍ^２以上であることを特徴とする、無機系アンカー材料。
請求項１又は２記載の無機系アンカー材料を、カートリッジに内包し、該カートリッジを注入ガンに取り付けて、無機系アンカー材料をコンクリート構造物の穿孔に充填して硬化させて、アンカー筋を固定することを特徴とする、アンカー筋の定着方法。