JP2019059632A - 充填材及び充填材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】十分な強度を有し、かつ取扱いが容易な発泡性を有する充填材及びその製造方法にする。【解決手段】この充填材は、セメント及びスラグの少なくともいずれか一方、並びに水が配合されたＡ液と、過炭酸ナトリウム及び過酸化水素の少なくともいずれか一方が配合されたＢ液とが混合されてなる。また、セメント及びスラグの少なくともいずれか一方、酸化マンガン及びカタラーゼの少なくともいずれか一方、並びに水を配合したＡ液と、過炭酸ナトリウム及び過酸化水素の少なくともいずれか一方、並びにアルミナセメント及びカルシウムサルフォアルミネートの少なくともいずれか一方を配合したＢ液とを混合して充填材を製造する。【選択図】なし

Description

本発明は、トンネル覆工体や擁壁、護岸、モルタル吹付け面等の背面空洞や、栗石層などを充填するために使用することができる充填材及び充填材の製造方法に関するものである。

トンネル覆工体の背面空洞充填（裏込め）等に使用する充填材としては、モルタルを有効成分とするもの、発砲ウレタンを有効成分とするもの等がある。しかしながら、モルタルを有効成分とする充填材は、強度の点では優れるが、充填前の充填材が重くなる、容量が大きくなる等の欠点を有している。他方、発砲ウレタンを有効成分とする充填材は、重さや容量の点では優れるが、強度が不十分になる、高価になる等の欠点を有している。

そこで、近年では、モルタルに発泡剤たるアルミニウム粉を混合してなる充填材が提案されている（例えば、特許文献１等参照。）。アルミニウム粉は、セメントと反応して発泡する性質を有する。したがって、アルミニウム粉を使用することで、充填する前の充填材を軽くすることができ、また、容量を小さくすることができる。

しかしながら、アルミニウム粉は、危険物第２類に指定されている材料であり、取扱いに危険が伴う。また、アルミニウム粉は、水に溶けない材料である。したがって、反応させるためには細かい粉体状にする必要がある。結果、空気中に舞い易くなり、取扱いが難しくなる。さらに、アルミニウム粉から発生するガスは、水素ガスである。したがって、燃焼の危険を伴う。

特開２００７−０５１２３２号公報

本発明が解決しようとする主たる課題は、十分な強度を有し、かつ取扱いが容易な発泡性を有する充填材及び充填材の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するための手段は、次のとおりである。
（請求項１に記載の手段）
セメント及びスラグの少なくともいずれか一方、並びに水が配合されたＡ液と、
過炭酸ナトリウム及び過酸化水素の少なくともいずれか一方が配合されたＢ液と、
が混合されてなることを特徴とする充填材。

（請求項２に記載の手段）
前記Ｂ液に、アルミナセメント及びカルシウムサルフォアルミネートの少なくともいずれか一方が配合されている、
請求項１に記載の充填材。

（請求項３に記載の手段）
前記Ａ液に、酸化マンガン及びカタラーゼの少なくともいずれか一方が配合されている、
請求項１又は請求項２に記載の充填材。

（請求項４に記載の手段）
前記Ａ液に、非イオン系界面活性剤及び陰イオン系界面活性剤の少なくともいずれか一方が配合されている、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の充填材。

（請求項５に記載の手段）
セメント及びスラグの少なくともいずれか一方、酸化マンガン及びカタラーゼの少なくともいずれか一方、並びに水を配合したＡ液と、
過炭酸ナトリウム及び過酸化水素の少なくともいずれか一方、並びにアルミナセメント及びカルシウムサルフォアルミネートの少なくともいずれか一方を配合したＢ液と、
を混合することを特徴とする充填材の製造方法。

本発明によると、十分な強度を有し、かつ取扱いが容易な発泡性を有する充填材及び充填材の製造方法になる。

次に、本発明を実施するための形態を説明する。なお、この実施の形態は、本発明の一例である。本発明の範囲は、この実施の形態の範囲に限定されない。

本形態の充填材は、セメント及びスラグの少なくともいずれか一方、並びに水が配合されたＡ液と、過炭酸ナトリウム及び過酸化水素の少なくともいずれか一方が配合されたＢ液とを混合してなる。

（セメント）
セメントは、水硬性を有する物質である。セメントは、通常、粉体である。

セメントとしては、例えば、普通、早強、超早強、低熱、中庸熱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、フライアッシュ、シリカ等を混合した各種混合セメント、石灰石粉末や高炉徐冷スラグ微粉末等を混合したフィラーセメント、各種産業廃棄物を主原料として製造される環境調和型セメント（いわゆるエコセメント）等の中から１種又は２種以上を選択して使用することができる。

（スラグ）
スラグは、鉱石から金属を製錬する際に、当該金属から溶融によって分離した鉱物成分を含む物質等である。スラグは、自然界に存在するものであり、その化学組成は、普通ポルトランドセメントに類似する。スラグは、アルカリ刺激があると硬化する性質を有する。

スラグとしては、鉄鋼スラグ、製鋼スラグ等の水硬スラグを使用するのが好ましい。鉄鋼スラグは、酸化カルシウム（ＣａＯ，石灰）及びシリカ（ＳｉＯ₂）を主成分とする。特に高炉スラグは、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、硫黄（Ｓ）等も成分とする。高炉スラグの中でも、高炉水砕スラグは、アルカリ刺激により硬化する潜在水硬性を有し、土木用途で広く用いられているので、好適に使用することができる。一方、製鋼スラグは、酸化鉄（ＦｅＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等を成分とする。

セメントとスラグ（合計量）の配合割合は、配合薬液（Ａ液＋Ｂ液）１ｍ³あたり、例えば５０ｋｇ〜８００ｋｇ、好ましくは１００ｋｇ〜７００ｋｇ、特に好ましくは２００ｋｇ〜６００ｋｇである。

（過炭酸ナトリウム、過酸化水素）
過炭酸ナトリウム（炭酸ナトリウム過酸化水素付加物、過炭酸ソーダ）は、炭酸ナトリウム（炭酸ソーダ）及び過酸化水素が２：３の割合で混合された化合物である。過炭酸ナトリウムの化学式は、２Ｎａ₂ＣＯ₃・３Ｈ₂Ｏ₂又はＮａ₂ＣＯ₃・１．５Ｈ₂Ｏ₂である。

Ａ液及びＢ液を混合すると、過炭酸ナトリウムが分解して過酸化水素が生成される。また、この過酸化水素が分解して酸素が生成される。したがって、過炭酸ナトリウムや過酸化水素は、発泡剤として機能する。また、発泡剤として過炭酸ナトリウムや過酸化水素を使用すると、発泡ガスとして酸素が生成されることになるため、安全性に優れる。さらに、過炭酸ナトリウムは水溶性であるため、反応させるためには細かい粉体状にする必要がない。したがって、取扱いが容易である。

ただし、過炭酸ナトリウム中の炭酸ナトリウムは、セメントやスラグと反応し、炭酸カルシウムを生成する。したがって、過炭酸ナトリウムをＡ液に配合するとゲルタイムが長くなる。したがって、過炭酸ナトリウムは、Ｂ液に配合するのが好ましい。

過炭酸ナトリウムの配合量は、配合薬液（Ａ液＋Ｂ液）１ｍ³あたり、好ましくは０．５〜２０ｋｇ、より好ましくは０．８〜１５ｋｇ、特に好ましくは１〜１０ｋｇである。

また、過酸化水素の配合量は、配合薬液（Ａ液＋Ｂ液）１ｍ³あたり、Ｈ₂Ｏ₂として好ましくは０．０１〜５ｋｇ、より好ましくは０．１〜４ｋｇ、特に好ましくは１〜３ｋｇである。

（瞬結材）
Ｂ液には、瞬結材としてアルミナセメント及びカルシウムサルフォアルミネートの少なくともいずれか一方を配合するのが好ましい。アルミナセメントやカルシウムサルフォアルミネートを配合すると、ゲル化が促進される。したがって、アルミナセメントやカルシウムサルフォアルミネートを配合すると、充填材が水で流されてしまう可能性等が低くなる。ただし、アルミナセメントやカルシウムサルフォアルミネートは、セメントやスラグと反応することで、ゲル化を促進する。したがって、アルミナセメントやカルシウムサルフォアルミネートは、Ｂ液に配合するのが好ましい。

充填材のゲルタイムは、３〜１０秒に調節するのが好ましく、３０秒〜５分に調節するのがより好ましい。ゲルタイムが短すぎると背面空洞に充填材が行きわたらなくなる可能性がある。他方、ゲルタイムが長過ぎると、充填材が動沈降して流されてしまう可能性がある。

アルミナセメントの配合量は、配合薬液（Ａ液＋Ｂ液）１ｍ³あたり、好ましくは５０〜５００ｋｇ、より好ましくは１００〜４００ｋｇ、特に好ましくは１５０〜３００ｋｇである。

カルシウムサルフォアルミネートの配合量は、配合薬液（Ａ液＋Ｂ液）１ｍ³あたり、好ましくは５０〜５００ｋｇ、より好ましくは１００〜４００ｋｇ、特に好ましくは１５０〜３００ｋｇである。カルシウムサルフォアルミネートとしては、例えば、電気化学工業（株）製のデンカＥＳ等を使用することができる。

（カタラーゼ）
Ａ液には、カタラーゼを配合するのが好ましい。カタラーゼは、過炭酸ナトリウムから生成される過酸化水素を分解する酵素として機能する。したがって、カタラーゼを配合すると、発泡が促進される。この点、充填材がゲル化した後に発泡すると、固結部の縁切れにより硬化体の強度が低下する可能性がある。したがって、カタラーゼを配合することで、充填材がゲル化する前に一気に発泡させるのが好ましい。

カタラーゼの配合量は、過炭酸ナトリウム１００質量部に対して、好ましくは１０〜８００容量部、より好ましくは５０〜５００容量部、特に好ましく２００〜４００容量部である（カタラーゼ溶液酵素活性 ５００００ｕ／ｇ）。

（酸化マンガン）
Ａ液には、酸化マンガンを配合するのが好ましい。酸化マンガンは、過炭酸ナトリウムから生成される過酸化水素を分解する触媒として機能する。したがって、酸化マンガンを配合すると、発泡が促進される。発泡を促進すると好ましいとするのは、上記カタラーゼの場合と同様である。

酸化マンガンの配合量は、過炭酸ナトリウム１００質量部に対して、好ましくは１０〜１０００質量部、より好ましくは１００〜８００質量部、特に好ましくは２５０〜５００質量部である。

（整泡剤）
Ａ液には、整泡剤として非イオン系界面活性剤及び陰イオン系界面活性剤の少なくともいずれか一方を配合するのが好ましい。これらの整泡剤を配合することで、泡（酸素）が充填材内に留められ、また、細かくなる。

非イオン系界面活性剤としては、ツイン２０を使用するのが好ましい。ツイン２０は、アルカリ性での界面活性効果、流出した場合の環境影響の点において優れる。なお、ツイン２０の英名は、Ｐｏｌｙｏｘｙｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｓｏｒｂｉｔａｎ Ｍｏｎｏｌａｕｒａｔｅ（ポリオキシエチレンソルビタンモノラウラート）である。また、ツイン２０は、モノラウリン酸ポリオキシエチレンソルビタンとも言われる。

陰イオン界面活性剤としては、αオレフィンスルフォン酸ナトリウムを使用するのが好ましい。

ツイン２０やαオレフィンスルフォン酸ナトリウムを使用する場合、その配合量は、配合薬液（Ａ液＋Ｂ液）１ｍ³あたり、好ましくは０．０１〜１０ｋｇ、より好ましくは０．１〜３ｋｇ、特に好ましくは０．５〜３ｋｇである。

（混合方法）
Ａ液及びＢ液は、トンネル覆工体の背面空洞等に充填する際に混合する。つまり、本形態の充填材は、２液混合型である。

次に、本発明の実施例を説明し、本発明による効果を明らかにする。
表１に示す配合のＡ液及びＢ液を混合して充填材を得た。得られた硬化体（充填材）のゲルタイム、発泡経時変化、一軸圧縮強度を調べた。結果は、表２に示した。

なお、発泡経時変化とは、Ａ液及びＢ液を混合してからの発泡率の変化を示す。また、発泡率とは、φ５２ｍｍ塩ビ管内に２５０ｍｌの薬液（充填材）を充填し、薬液が充填された長さを、２５０ｍｌ体積が充填された場合の長さ（１１８ｍｍ）と比較したものである。例えば、長さが１３０ｍｍであった場合は、「（（１３０−１１８）÷１１８）×１００＝１０％」となる。

（考察）
炭酸ナトリウムを配合セメント量の１〜２％程度添加すると、強度増強効果が得られることが知見された（試験例５，６）。もっとも、炭酸ナトリウムを過剰に添加すると、過酸化水素（Ｈ₂Ｏ₂）及び炭酸ナトリウム（Ｎａ₂ＣＯ₃）が結合して発泡が阻害されることも知見された。しかも、この際にカタラーゼをも添加すると、高アルカリにより失活してしまい、触媒効果が失われることも知見された（試験例１３）。

なお、水酸化カルシウム（Ｃａ(ＯＨ)₂）を添加することでゲルタイムを短縮することができるが、過剰に添加すると水酸化カルシウムのアルカリに過酸化水素が結合してしまい、発泡が阻害されることも知見された（試験例９）。

本発明は、トンネル覆工体や擁壁、護岸、モルタル吹付け面等の背面空洞や、栗石層などを充填するために使用することができる充填材及び充填材の製造方法として利用可能である。

Claims (5)

1. セメント及びスラグの少なくともいずれか一方、並びに水が配合されたＡ液と、
   過炭酸ナトリウム及び過酸化水素の少なくともいずれか一方が配合されたＢ液と、
   が混合されてなることを特徴とする充填材。
2. 前記Ｂ液に、アルミナセメント及びカルシウムサルフォアルミネートの少なくともいずれか一方が配合されている、
   請求項１に記載の充填材。
3. 前記Ａ液に、酸化マンガン及びカタラーゼの少なくともいずれか一方が配合されている、
   請求項１又は請求項２に記載の充填材。
4. 前記Ａ液に、非イオン系界面活性剤及び陰イオン系界面活性剤の少なくともいずれか一方が配合されている、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の充填材。
5. セメント及びスラグの少なくともいずれか一方、酸化マンガン及びカタラーゼの少なくともいずれか一方、並びに水を配合したＡ液と、
   過炭酸ナトリウム及び過酸化水素の少なくともいずれか一方、並びにアルミナセメント及びカルシウムサルフォアルミネートの少なくともいずれか一方を配合したＢ液と、
   を混合することを特徴とする充填材の製造方法。