JP2019104645A - 軽量空洞充填材およびそれを用いた空洞充填方法 - Google Patents

Abstract

【課題】トンネル、地下空洞、ＰＣ中空床版橋等の中空に充填し、鉄筋、鋼管等を定着する充填材であって、充填性、定着性が良好で、地山や構造物に出来るだけ荷重がかからない軽量空洞充填材を提供する。【解決手段】（１）セメント、アゾジカルボンアミド及び水溶性高分子物質を含む軽量空洞充填材であり、（２）アゾジカルボンアミドが、セメント１００質量部に対して０．０５〜１０質量部である軽量空洞充填材であり、（３）水溶性高分子物質が、セメント１００質量部に対して０．０１〜１質量部である軽量空洞充填材であり、（４）水溶性高分子物質とアゾジカルボンアミドの割合が、水溶性高分子物質１質量部に対してアゾジカルボンアミド５〜１０質量部である軽量空洞充填材であり、（５）軽量空洞充填材１００質量部に対して、水を５０〜１５０質量部混合して空洞に充填する空洞充填方法であり、（６）発泡倍率が１．５倍以上である空洞充填方法である。【選択図】なし

Description

本発明は、土木・建築分野において使用される、軽量空洞充填材、およびそれを用いた空洞充填方法に関する。

トンネルと地山の間に生ずる空洞、空隙の裏込め、シールドセグメント裏面の充填、廃坑、防空壕および砕石場跡地等の地下空洞の充填、ＰＣ中空床版橋等の構造物中空部の埋め戻し、並びに、ＡＧＦ工法等のトンネル補助工法の鉄筋および鋼管等の定着に空洞充填材が用いられている。空洞充填材に求められる性能は、地山や構造物に出来るだけ荷重がかからないよう軽量であること、および充填後に材料分離が生じにくいことなどが挙げられる。

従来、セメントミルクやセメントモルタルを用いるエアモルタル工法、発泡ウレタン工法、可塑性グラウト工法等により、空洞に充填材を注入していた。

発泡ウレタン工法に関して、ポリオールと触媒と水を含有するＡ液と、イソシアネートを主成分とするＢ液とからなる高発泡で軽量な空洞充填用組成物が提案されている（特許文献１、特許文献２）。しかしながら、これらは有機物質であるため、空洞充填後に掘り起こしする場合など、完全に分別することが困難で環境に好ましくない場合がある。

注入性やコストを改善した、水、水硬性セメントおよび、軽量骨材を含有する山岳トンネル背面空洞充填材が提案されている（特許文献３、特許文献４）。しかしながら、軽量骨材の運搬に多大な費用を要する場合があり、コストダウンが望まれていた。

発泡性ポリマー、発泡剤および塩基性酸化物を含む充填発泡用組成物が提案されている（特許文献５、特許文献６、特許文献７、特許文献８）。しかしながら、これらは有機物質であるため、空洞充填後に掘り起こしする場合など、完全に分別することが困難で環境に好ましくない場合があり、また、燃焼する場合もある。

水硬セメント、ガス発生添加剤としてアゾジカルボンアミド、および場合によってはポリマー微小球を含有する、耐凍結融解損傷性を有するセメント組成物が提案されている（特許文献９、特許文献１０）。また、少なくとも１種のポリマー微小球、少なくとも部分的に分解性のポリマー粒子、ガス発生添加剤、および場合によっては粘度変性剤としてセルロース、ポリエチレングリコール、ポリサッカライドを含有する耐凍害性混和剤が提案されている（特許文献１１）。しかしながら、これらはセメント組成物の耐凍結融解性の改善に関するものであり、軽量空洞充填材に関わる記載はない。

モルタル構造物またはセメント構造物中の鋼の腐食防止のため、モルタル構造物やセメント構造物の損傷、クラック、キズ、空洞に対して、補修、充填、吹き付け、表面被覆等を行うため、収縮低減剤としてアゾジカルボンアミドを含むモルタル、セメント組成物が提案されている（特許文献１２）。しかしながら、これらは補修用の多目的セメント組成物であって、軽量空洞充填材に関わる記載はない。

特開2000-281742号公報 特開2001-158881号公報 特開2005-163526号公報 特開2007-16504号公報 特開2005-97586号公報 特開2009-91558号公報 特開2013-87130号公報 特開2017-43645号公報 特開2008-502564号公報 特開2008-502565号公報 特開2008-543707号公報 特開2015-531737号公報

本発明者は、安全性、施工性、コストの改善を鋭意検討した結果、セメント、アゾジカルボンアミドおよび水溶性高分子物質を含有する軽量空洞充填材が有効であることを知見し、本発明を完成するに至った。

本発明は、（１）セメント、アゾジカルボンアミドおよび水溶性高分子物質を含む軽量空洞充填材であり、（２）アゾジカルボンアミドが、セメント１００質量部に対して０．０５〜１０質量部である軽量空洞充填材であり、（３）水溶性高分子物質が、セメント１００質量部に対して０．０１〜１質量部である軽量空洞充填材であり、（４）水溶性高分子物質とアゾジカルボンアミドの割合が、水溶性高分子物質１質量部に対してアゾジカルボンアミドが５〜１０質量部である軽量空洞充填材であり、（５）軽量空洞充填材１００質量部に対して、水を５０〜１５０質量部混合して空洞に充填する空洞充填方法であり、（６）発泡倍率が１．５倍以上である空洞充填方法、である。

本発明の軽量空洞充填材は、エアモルタルや軽量骨材、可塑性グラウト材を用いた場合よりも充填性および施工性が良好で、充填後に材料分離が生じにくく分離抵抗性に優れる。さらに、本発明の軽量空洞充填材は、ウレタン等の有機発泡系より安全で、環境に及ぼす影響が少ない。

以下、本発明を詳細に説明する。
なお、本発明における部や％は、特に規定しない限り質量基準である。

本発明のセメントは、特に限定されるものではなく、具体的には、普通、早強、超早強、中庸熱、及び低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、又はシリカを混合した各種混合セメント、また、石灰石微粉末や高炉徐冷スラグ微粉末などを混合したフィラーセメント、廃棄物利用型セメント、いわゆるエコセメントなどが挙げられ、これらのうちの一種又は二種以上を使用可能である。材料分離抵抗性の点から、より微粉末なセメントの使用が好ましい。

本発明のアゾジカルボンアミドは特に限定されるものではなく、アゾジカルボンアミドを主成分とするものであれば良く、市販品が使用可能である。具体的には、永和化成工業社製商品名「ビニホール」、三協化成社製商品名「セルマイク」、大塚化学社製商品名「ユニフォーム」等がある。
アゾジカルボンアミドの粉末度は、平均粒子径で１μｍ〜３０μｍが好ましく、発泡性の点から粒子径が小さいほど好ましい。

セメントとアゾジカルボンアミドの比率は特に限定されるものではないが、セメント１００質量部に対して、０．０５質量部以上１０質量部以下が好ましく、０．１質量部以上５質量部以下がより好ましい。軽量性を求める場合は、１質量部以上の使用が好ましい。０．０５質量部未満では限定注入が出来ない場合があり、一方、１０質量部を超えてもさらなる軽量化の効果が得られない場合がある。

本発明の水溶性高分子物質は、特に限定されるものではなく、市販されているグアガム、アルギン酸ナトリウム等の天然高分子系、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース等のセルロース系やポリビニルアルコール、ポリアクリル酸等の合成高分子系が使用可能であり、水溶性で増粘性を有するものであれば使用できる。

セメントと水溶性高分子物質の比率は特に限定されるものではないが、セメント１００質量部に対して、０．０１質量部以上１質量部以下が好ましく、０．０２質量部以上０．５質量部以下がより好ましい。水中での材料不分離性を持たせる場合は、０．１質量部以上用いると良い。０．０１質量部未満では軽量性が安定しない場合があり、一方、１質量部を超えても作業性が悪くなったり、軽量化の効果が得られない場合がある。

本発明で使用する水溶性高分子物質とアゾジカルボンアミドの割合は、材料分離抵抗性、限定注入性、軽量性に関してより優れた効果を示すことから、水溶性高分子物質１質量部に対してアゾジカルボンアミド５質量部以上１０質量部以下が好ましい。

本発明の軽量空洞充填材は、水と練り混ぜて使用する。軽量空洞充填材に求められる強度は用途によって異なり、例えばトンネル背面や道路下部等の地山、地盤等に充填する場合は、土と同じレベルの強度が要求され、１．５N/mm²〜５．０N/mm²の範囲に制御することが望まれる。１．５N/mm2未満では強度が十分でなく、一方、５．０N/mm2を超えると過剰強度となって、事後に掘り起こすことが困難となる。
ＰＣ中空床版橋のように中空を有する構造物に対して、中空部の埋め戻し材として用いられる軽量空洞充填材に求められる性能は、出来るだけ軽量で構造物に荷重を掛けないことや充填後に材料分離が生じにくいことなどが挙げられる。強度は０．５N/mm²〜１．５N/mm²の範囲に制御することが好ましい。また、空洞への充填性も良くなければならないため、軽量空洞充填材１００質量部に対して、水を５０質量部以上１５０質量部以下の割合で混合して空洞に充填することが好ましく、６０質量部以上１２０質量部以下で混合して空洞に充填することがより好ましい。５０質量部未満では軽量空洞充填材の混練が困難になったり、空洞への充填ができなくなる場合や、軽量性が得られない場合がある。より軽量性を求める場合は、８０質量部以上がさらに好ましい。一方、１５０質量部を超えると逆に流動性（フロー）が大きくなり、限定注入が困難になる場合や強度発現性が十分でない場合がある。

軽量空洞充填材の作業性（施工性）を管理する方法として、フロー値の測定がある。例えば、内径80mm×高さ80mmのシリンダーに混練直後の軽量空洞充填材を入れ、シリンダーを引き抜いた直後の広がりを測定する方法がある。フロー値が１８０ｍｍ〜４００ｍｍに制御するのが好ましく、２４０ｍｍ〜３４０ｍｍに制御するのがさらに好ましい。
フロー値が１８０ｍｍ未満であると作業性（流動性）が悪くなり、一方、４００ｍｍを超えると材料分離抵抗性が悪くなり、限定注入性ができなくなる場合がある。

軽量空洞充填材と水の混合方法は、特に限定されるものではなく、セメントミルクやセメントモルタルが均一に練れればよい。高速練りがより好ましい。また、空洞への充填方法は、流し込みやポンプを用いる方法が挙げられる。

本発明の軽量空洞充填材は、水と混合して空洞に充填した後、体積が増えるように調整するのが好ましい。発泡倍率は、１．１倍以上、好ましくは１．５倍以上になるように調整する。本発明の軽量空洞充填材を水と混合して空洞に充填した後に、体積が増えるよう調整することにより、鉄筋や鋼管の定着を強固にすることができ、凹凸のある空洞でも完全に充填することが可能である。
発泡倍率＝（発泡後の体積）/（水と混合した直後の体積）

本発明の軽量空洞充填材は、施工性が良好で材料分離が生じにくく、空洞の限定注入や鉄筋、鋼管等の定着を安全に行うことが可能で、構造物への荷重も軽減することができる。

以下、本発明をさらに説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

セメント１００部と、表１に示すアゾジカルボンアミドと水溶性高分子物質および水をミキサーで混練して空洞充填材を調製した。調製した空洞充填材の、フロー値、水中不分離性、発泡倍率及び単位容積質量、圧縮強度を測定した。結果を表２に示す。

＜ 使用材料＞
セメント ： 普通ポルトランドセメント、市販品
Ａ：アゾジカルボンアミド、市販品、メジアン径５μｍ
Ｂ：水溶性高分子物質、メチルセルロース、市販品、分子量４０００
Ｃ：水溶性高分子物質、ヒドロキシエチルセルロース、市販品、分子量４０００

＜ 測定方法＞
フロー値：内径80mm×高さ80mmのシリンダーに混練物を入れ、シリンダーを引き抜いた後の広がりを１分後に測定。
水中不分離性：土木学会の水中不分離コンクリート設計施工指針付属書の水中分離度試験に準じて実施、水の濁りがない場合を（○）、水の濁りがわずかにあるが実用可能の場合を（△）、材料が分離して水の濁りが大きい場合を（×）とした。
発泡倍率：ＪＳＣＥ−Ｆ ５２２のチューブで測定
発泡倍率=(発泡後の容積(ml)/発泡前の容積(ml))
単位容積質量：ＪＳＣＥ−Ｆ ５２２のチューブで測定
単位容積質量＝（発泡後の質量(g)）/（発泡後の容積(ml)）
圧縮強度：ＪＳＣＥ−Ｆ ５２２のチューブ内で材齢２８日まで養生を行い、その後、試料を長さ１００ｍｍに切断して直径５０ｍｍ、高さ１００ｍｍの円柱供試体とし、強度測定を行った。なお、養生から強度測定まで、すべて２０℃の環境下で実施した。

表２より、本発明の軽量空洞充填材を使用することにより、施工性（充填性）が良く、材料分離抵抗性を有しており、高発泡倍率で単位容積質量を小さく出来ることがわかる。また、強度発現性も広範囲に調整できることがわかる。

本発明の軽量空洞充填材を用いることにより、高発泡倍率で空洞充填性に優れたが材料を安全に調製でき、構造物への負担を掛けずに空洞充填することが可能となる。さらに広範囲の強度設計が容易となり、鉄筋、鋼管等の定着も可能になる。

Claims (6)

1. セメント、アゾジカルボンアミドおよび水溶性高分子物質を含む軽量空洞充填材。
2. アゾジカルボンアミド含有量が、セメント１００質量部に対して０．０５〜１０質量部であることを特徴とする請求項１に記載の軽量空洞充填材。
3. 水溶性高分子物質含有量が、セメント１００質量部に対して０．０１〜1質量部であることを特徴とする請求項１または２に記載の軽量空洞充填材。
4. 水溶性高分子物質とアゾジカルボンアミドの割合が、水溶性高分子物質１質量部に対してアゾジカルボンアミドが５〜１０質量部であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の軽量空洞充填材。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の軽量空洞充填材１００質量部に対して、水を５０〜１５０質量部混合して空洞に充填することを特徴とする空洞充填方法。
6. 発泡倍率が１．５倍以上であることを特徴とする請求項５に記載の空洞充填方法。