JP3566359B2

JP3566359B2 - 裏込め注入材料

Info

Publication number: JP3566359B2
Application number: JP29790494A
Authority: JP
Inventors: 優白坂; 宣明森下; 雅朗野口
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 1994-11-07
Filing date: 1994-11-07
Publication date: 2004-09-15
Anticipated expiration: 2019-09-15
Also published as: JPH08133797A

Description

【０００１】
この発明は、シールド工法でトンネル等を掘削する場合の裏込め注入材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シールド工法による各種トンネル工事では、掘削された地山とライニングの外径の隙間を埋める為、裏込め材料を注入しなければならない。この裏込め材料として、従来は、豆砂利、コンクリート、セメントモルタル、セメントエアーモルタル、或いはセメントミルク等が使用されてきた。しかし、これらの材料は、長距離圧送性に劣る事や、初期強度が小さく、裏込め材料注入後の地山の沈下量が大きくなる等の欠点があった。そこで、最近では、流動性に優れるセメントスラリー液（Ａ液）と珪酸ソーダ水溶液（Ｂ液）を注入直前に混合し、直ちに、ゲル化させて裏込め注入し、初期強度発現性に優れる、２液混合型の裏込め材料が多く使用されている。
【０００３】
ここで、使用されるＡ液は、硬化材の各種セメント、水、各種増粘材、及び各種遅延剤等から構成される場合が多い。Ａ液を注入性、流動性に優れた材料とする為には、水分量をより増加させる必要があるが、一般にブリージング率が高くなり、Ａ液圧送管内で固結しやすくなったりして、均一な裏込め材料となりにくい。従って、増粘材が材料分離を低減させる為に配合されている。しかし、増粘材を使用すると、遅延剤を可使時間を調整する為に配合しているにも係わらず、セメント量に対して遅延剤を十分に添加しても、Ａ液可使時間が比較的短くなり、流動性も劣化する。
【０００４】
又、裏込め材料の要求強度は、近年、益々高く設定されるようになってきているが、要求強度達成する為に、１）硬化材量を増加させると、Ａ液流動性が悪化し、又、Ａ液とＢ液混合後の注入性が劣る。２）Ｂ液混合量を増加させると、アルカリ溶出量が高くなり環境衛生上好ましくなく、長期強度発現性にも不安が残る。３）増粘材を増加させても、大きな強度増進は期待できず、流動性にも劣る等、強度発現性は、何らかの裏込め特性を犠牲にしない限り、いずれの方法でも解決できない。
【０００５】
このように、従来のセメント系２液混合裏込め材料では、Ａ液特性（流動性、可使時間特性、材料分離性）や、強度発現性等の、すべての要求裏込め特性を同時に達成することは非常に難しい。したがって、従来の裏込め材料は、各施工状況毎に、優先すべき裏込め要求特性を決定し、この特性のみを満足する配合で使用されているのが現状である。
【０００６】
又、硬化材として、一部セメントと置き換えてフライアッシュやスラグ等を混入する裏込め材も使用されているが、この場合は、１ヵ月材令までの各特性が、セメント系と同等になるように、セメントへの混入量を少なくして使用することが多く、裏込め材の要求特性が改善されているとはとても言い難い。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
この発明の目的は、従来の裏込め材料の欠点を解消し、Ａ液が十分な流動性を有し、可使時間特性に優れている事は勿論、Ａ液とＢ液混合後の、強度発現性（短期、長期強度）、注入性に優れた裏込め注入材料を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、フライアッシュとセメントの混合硬化材を、水に混合したスラリー液（Ａ液）と珪酸ソーダ水溶液（Ｂ液）の２液混合型裏込め注入材に関して、種々の実験を積み重ねて本発明を完成させるに至った。即ち、この発明の裏込め注入材料は、平均粒径１０μｍ以下のフライアッシュ、セメント、水、及び遅延剤を含み、フライアッシュとセメントとの重量比を８：２〜５：５、水をフライアッシュとセメントとの合量に対して８０重量％以上、遅延剤をセメント量に対して０．５重量％以下配合したＡ液と、５〜２０体積％珪酸ソーダ水溶液からなるＢ液とを、Ａ液：Ｂ液＝９５：５〜８０：２０の体積比で混合してなることを特徴とする。以下、この発明を詳細に説明する。
【０００９】
請求項１の発明では、石炭火力発電所から発生するフライアッシュを空気分級機等により分級処理した平均粒径１０μｍ以下のフライアッシュを使用する。これは、平均粒径が１０μｍより大きくなると、Ａ液のブリージング率が大きくなり、Ａ液とＢ液混合後、均一な裏込め材にならない為である。
【００１０】
次に、セメントとしては、ポルトランドセメントが好適に使用されるが、高炉セメント等の混合セメントを使用することもできる。硬化材のフライアッシュとセメントの混合比は、重量比で８：２〜５：５の割合とすることが好ましい。これは、セメントの混合比をフライアッシュより多くすると、Ａ液とＢ液混合後、１時間以内でのゲル化強度が高くなり、著しく注入性に劣る為に好ましくなく、又、フライアッシュとセメントの混合比で、８：２よりフライアッシュを増加させると、強度発現性が少ない為に、それぞれ好ましくない。
【００１１】
また、Ａ液の水分量は、フライアッシュとセメント（以下、硬化材）の合量に対して８０重量％以上とする。これが８０重量％より小さいと、流動性が悪化するため好ましくなく、８０重量％以上とすることにより、前述した硬化材混合比のいずれの場合でも、十分なフロー値が得られる。従って、裏込め要求特性に応じて、８０重量％以上の適宜な量で水分を混合すれば良い。
【００１２】
遅延剤は、セメント量に対して０．５重量％以下の割合で配合する。遅延剤を配合することにより可使時間は大幅に改善され、例えば、遅延剤を０．５重量％配合すると、可使時間が、増粘材を使用しない場合で７日、増粘材を使用する場合で３日程度になる。したがって、可使時間要求特性に応じて、遅延剤を０．５重量％以内で配合する事が好ましい。遅延剤としては、グルコン酸系、クエン酸系、オキシカルボン酸系、有機リン酸系、スルホン酸系等各種公知の遅延剤を使用することができる。
【００１３】
Ｂ液としての珪酸ソーダ水溶液は、水溶液濃度を５〜２０体積％、混合量をＡ液：Ｂ液＝９５：５〜８０：２０（体積比）として用いる。この範囲より濃度や混合量が少ない場合には、ゲル化強度が著しく低い為、逆に、この範囲より濃度や混合量を多くしても、長期強度も向上しないばかりか、アルカリ溶出量を著しく増加させる為、それぞれ好ましくない。
【００１４】
【作用】
この発明の裏込め材料では、硬化材の主構成材料がフライアッシュであり、その為、増粘材を配合しないか、あるいは、配合しても僅かにしか用いない。増粘材は、１液型裏込め材料の場合、ブリージング率が、そのまま裏込め材料の材料分離を示すものであるから、その挙動を防止する為に必要不可欠な材料として使用される。しかし、２液混合型裏込め材料の場合は、Ｂ液と混合することにより、直ちにゲル化してブリージングは全く無くなる。したがって、Ａ液自体のブリージングは、あまり問題にする必要はなく、この場合の増粘材は、Ａ液のポンプ圧送中における材料分離や、Ａ液とＢ液混合直後のゲル化強度が弱い時点に発生する材料偏り、或いは、可使時間特性の悪化等を防止する役割のみを果たせばよい。即ち、２液混合型裏込め材料での増粘材は、従来の増粘材より、弱い作用を及ぼせばよいが、この発明では、フライアッシュを使用することにより、この作用を十分果たすことができ、前述したように、増粘材を配合しないか、あるいは、配合しても僅かにしか用いなくてよい。
【００１５】
フライアッシュは、セメント粒子よりも形状が細かく、その殆どが球状粒子であり、微粉末効果によりセメント粒子に入り込み、また、さらに、セメントがζ電位を持つ為に、セメントと凝集し、ブリージング率を少なくする。この効果は、フライアッシュの平均粒径１０μｍ以下の場合に顕著であり、このフライアッシュを使用する場合には、増粘材を全く使用する必要がない。
【００１６】
また、平均粒径が１０μｍ以上のフライアッシュを使用する場合、例えば、石炭火力発電所から発生するフライアッシュを特に前処理すること無く原粉のまま使用する場合も、増粘材を僅かに配合する事により、可使時間特性、流動性を使用上問題の無い範囲のままで、ブリージング率を低下させることができる。
【００１７】
又、フライアッシュは、溶出性Ｃａ^２＋イオンがほとんど無く、Ｂ液の珪酸ソーダ溶液と直接反応しない為、Ａ液中にフライアッシュが多くなると、Ａ液とＢ液混合直後のゲル化強度は弱くなり、変形係数を低下させる事ができる。したがって、硬化材中のフライアッシュが多くなるほど、注入性は大幅に向上する。但し、上記理由から、硬化材中にセメントを配合しない場合には、２液混合後に全く強度発現しない為、前述したように所定量のセメントを混合することにより強度発現性を高めることができる。
【００１８】
さらに、フライアッシュは、緩慢なポゾラン反応を有する代表的な物質であるから、３ヵ月材令以降の長期材令の強度発現に寄与する事は言うまでもない。
【００１９】
このように、この発明の裏込め材料を構成しているフライアッシュは、１）微粉末効果があり、材料分離性を防止し、均一で、短期強度性に優れた材料とする事、２）緩慢なポゾラン反応を有し、長期強度性を有する材料とする事、３）珪酸ソーダ水溶液と直接反応しないので、注入性に優れた材料とする事等、従来の裏込め材料特性を改善する為に、必要不可欠な材料として作用する。
【００２０】
【実施例】
以下、実験例に基づき更に本発明を説明する。実験に使用したフライアッシュは、分級機（秩父小野田社製分級機；商品名クラッシール）を用いて分級処理したフライアッシュＡ、Ｂ及び分級処理しない一般品の原粉Ｃであり、その性状を表１に示す。
【００２１】
【表１】

【００２２】
表２に示す配合で２液混合型の裏込め材料注入材を試作し、Ａ液とＢ液を混合して、直径５ｃｍ、高さ１０ｃｍの円柱供試体を成形し、２０°Ｃの水中で養生した。各々の養生供試体について、各材令毎の変形係数、一軸圧縮強度を測定した。又、表２に示した注入材のＡ液に関し、フロー値、ブリージング率、可使時間を、又、Ａ液とＢ液の混合液のゲル化時間をそれぞれ測定した。尚、変形係数、一軸圧縮強度の測定は、土質工学会、ＪＳＦＴ５１１の試験方法によった。測定結果を図１及び表３に示す。
【００２３】
【表２】

【００２４】
【表３】

【００２５】
図１は、セメントとフライアッシュとの重量比を変えた時の水（Ｗ）／〔セメント（Ｃ）＋フライアッシュ（ＦＡ）〕比とフロー値との関係を示したものである。この結果によれば、Ｗ／（Ｃ＋ＦＡ）比が８０％以上なら、セメント＋フライアッシュ比に関係無く、すべて４０ｃｍを越えたフロー値となり、流動性に優れることがわかる。
【００２６】
次に、表３の結果について説明する。
試験ＮＯ１〜８において、硬化材の混合比が、セメント：フライアッシュ＝２：８〜５：５であるＮＯ２、３、４の条件では、良好な結果が得られている。しかし、硬化材がフライアッシュのみであるＮＯ１の条件では、Ａ液とＢ液混合後ゲル化しない為、又、硬化材の混合比が、セメント：フライアッシュ＝７：３〜１０：０であるＮＯ５、６の条件では、変形係数が高く、注入性に著しく劣る為、好ましくないのがわかる。
【００２７】
試験ＮＯ７、８では、硬化材をセメントのみとして、変形係数が低くなるように、水分量を増加させた例を示しているが、増粘材を使用しないＮＯ７の条件では、Ａ液ブリージングが著しく高い為、増粘材を使用するＮＯ８の条件では、Ａ液可使時間が著しく短く、強度発現を小さい為、それぞれ好ましくないのがわかる。また、ＮＯ９では、遅延材を配合しない場合の例を示しているが、Ａ液可使時間が著しく短くなり好ましくないのがわかる。
【００２８】
試験ＮＯ１０〜１１の結果によれば、硬化材のフライアッシュが分級品で平均粒径が１０μｍ以下であるＮＯ１０の条件では、良好な結果が得られている。しかし、一般のフライアッシュを使用するＮＯ１１の条件では、Ａ液のブリージング率が比較的大きく、一軸圧縮強度の値も小さく、均一な裏込め材となっていないと推定される為、好ましくないのがわかる。
【００２９】
そこで、試験ＮＯ１２〜１５では、粘土鉱物としてベントナイトを使用した例を示しているが、ベントナイトを１ｍ^３中に５０ｋｇ配合したＮＯ１２の条件では、Ａ液のフロー値が比較的悪化する為に好ましくなく、また、１ｍ^３中に３ｋｇ配合したＮＯ１５の条件では、添加効果があまり無い。これに対して、ベトナイトを１ｍ^３中に２０ｋｇ、及び１０ｋｇ配合したＮＯ１３、ＮＯ１４の条件では、良好な結果が得られている。
【００３０】
試験ＮＯ１６〜２０の結果によれば、Ｂ液珪酸ソーダ濃度１０％、Ｂ／Ａ混合量１５％であるＮＯ１７の条件では、良好な結果が得られている。しかし、Ｂ／Ａ混合量３％であるＮＯ１６の条件ではゲル化しない為、Ｂ／Ａ混合量３０％であるＮＯ１８の条件では、変形係数が比較的高い為、更に、Ｂ液珪酸ソーダ濃度３％であるＮＯ１９の条件では、はっきりゲル化しない為、好ましくない。
【００３１】
Ｂ液珪酸ソーダ濃度３０％であるＮＯ２０の条件では、ＮＯ１６の条件の場合と比較して、一軸圧縮強度がやや低い値を示しているので、Ｂ液珪酸ソーダ濃度は、３０％までする必要はない事がわかる。
【００３２】
以上、セメントに早強セメントを使用した場合の例を示してきたが、試験ＮＯ２１に示すように、セメントとして普通セメントを使用した場合も、良好な結果が得られている。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明裏込め材料は、Ａ液が十分な流動性を有し、可使時間特性に優れている事は勿論であるが、Ａ液とＢ液混合後の、強度発現性（短期、長期強度）、注入性に優れている材料である。従って、本発明裏込め材料の諸特性は、従来の裏込め材料に比べて、大幅に改善されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】セメントとフライアッシュとの重量比を変えた時の〔水（Ｗ）〕／〔セメント（Ｃ）＋フライアッシュ（ＦＡ）〕比とフロー値との関係を示す。

Claims

平均粒径１０μｍ以下のフライアッシュ、セメント、水、及び遅延剤を含み、フライアッシュとセメントとの重量比を８：２〜５：５、水をフライアッシュとセメントとの合量に対して８０重量％以上、遅延剤をセメント量に対して０．５重量％以下配合したＡ液と、５〜２０体積％珪酸ソーダ水溶液からなるＢ液とを、Ａ液：Ｂ液＝９５：５〜８０：２０の体積比で混合してなることを特徴とする裏込め注入材料。