JP3809891B2

JP3809891B2 - 薄吹付工法

Info

Publication number: JP3809891B2
Application number: JP15191098A
Authority: JP
Inventors: 早利藤田; 和博鹿野; 寺島　　勲; 健吉平野
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK; Okumura Corp
Current assignee: Denka Co Ltd; Okumura Corp
Priority date: 1998-05-18
Filing date: 1998-05-18
Publication date: 2006-08-16
Anticipated expiration: 2018-05-18
Also published as: JPH11324587A

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、道路、鉄道、導水路等のトンネルにおいて、露出した地山面に、モルタルを２〜４ｃｍの薄さに吹付けながら、高強度の吹付面が得られる吹付工法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近時、直径が２〜５ｍの小断面の導水路等は、トンネルボーリングマシーン（ＴＢＭ）で掘削されることが多く、掘削後の岩盤の安定化にモルタル吹付工法が使用されている。しかしながら、従来の工法では施工機械が大型であって作業スペースが不足したり、使用するコンクリートを坑外から搬入しなければならないため、コンクリートのライフタイムに制約され易い問題があった。また、大量の空気で圧送、吹付けるため発生する粉塵量も多く、作業環境の悪化に問題があった。
【０００３】
特開平３−１２２０４０号公報にはセメント、砂及び繊維を含有してなるモルタルとカルシウムアルミネートを含有するスラリーを吹付ける技術が開示された。この技術は薄吹付モルタルであっても長期強度発現性に優れた急結剤を使用し、繊維を配合しているため初期、長期共に高強度が得られるが、吹付直後のダレが生じることがあり、吹付け厚さの確保に安定を欠くことや表面の仕上がりが粗雑となる場合があり、また、急結剤が少量であると初期強度発現性が充分でなかった。
特開平９−２２７１９８号公報には、セメント、砂、水等を含有してなるＡ液とアルカリ金属アルミン酸塩を含有してなるＢ液とを個別に圧送して硬化させる吹付工法が提案されているが、使用する急結剤がアルカリ金属アルミン酸塩であるため、強度の増大、長期の耐久性に問題があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、小断面のトンネルのような狭い作業空間においてもリバウンドを低減して作業環境を改善し、吹付直後及び長期の強度発現性を高め２〜４ｃｍの薄さで掘削後の地山や岩盤を安定化させることができる工法を提供するものである。更にトンネルの補修にも適用可能で、連続混練圧送装置を使用することにより作業効率を高める技術を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の構成は、薄吹付工法において、連続混練圧送装置でモルタルを混練り圧送し、急結剤を除くモルタル圧送管の吹付ノズル直前で、急結剤ノズルと合流するモルタル合流部を設けて吹付ける吹付工法において、空気圧送された液体急結剤と空気圧送されたスラリー化した粉末急結剤の２種の急結剤を使用し、該２種の急結剤を各別の圧送管により供給し、前記モルタル合流部の直前で、２種の急結剤が合流する急結剤合流部を設けて吹付けると共に、スラリー化した粉末急結剤の使用量が、モルタル中のセメントに対して３〜１５重量部であることを特徴とする。
【０００６】
すなわち、本発明はスラリー化した粉末急結剤と液体急結剤を個別に空気圧送して合流させ、直ちに圧送されている配管内のモルタルと合流させて吹付けるものである。液体急結剤の作用により吹付直後の凝結を可能にし、スラリー化した粉末急結剤の作用によりその後の凝結及び強度の増大を可能にし、それぞれの急結剤の使用量が少量であっても単独で使用するよりもはるか大きな急結力を発現する。その結果、全体の急結剤使用量が少量であるにもかかわらず初期及び長期共に高い強度を発現する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明に使用するセメントとしては、市販されている普通、早強、中庸熱及び超早強等の各種ポルトランドセメント、並びにこれらのポルトランドセメントにフライアッシュや高炉スラグ等を混合した各種混合セメントが挙げられる。吹付に要求される低リバウンド率、粉塵量の低減、圧送性、強度発現性及び施工容易性等の性能に適したセメントを選択できる。一般には普通ポルトランドセメントや早強ポルトランドセメントが好ましい。
また、フルオロカルシウムアルミネートを含有するフルオロセメントも使用できる。更に、セメント中の鉱物組成の含有量を適正な比率にして焼成したクリンカーに、硫酸カルシウム、硫酸カリウム、硫酸ナトリウム等の硫酸塩を併用した特殊セメントも使用できる。
【０００８】
本発明で使用する骨材は、天然砂、珪砂、石灰砂のいずれも使用可能であり、その最大粒径は２．５ｍｍ以下、好ましくは１．５ｍｍ以下である。最大粒径が２．５ｍｍを越えるとポンプ圧送性が低下し、吹付時の跳ね返りが多くなりがちである。特に、この傾向は連続混練圧送装置を使用する場合に顕著である。骨材の使用量は、セメント１００重量部に対して５０〜３００重量部であり、作業性、初期強度発現性及び耐久性の面から１００〜２５０重量部が好ましい。５０重量部未満では耐久性が低く、３００重量部を越えるとポンプ圧送性や初期強度発現性が低くなり、跳ね返りも多くなる。
【０００９】
本発明においては繊維を配合するとひび割れの発生を低減できる。繊維としては、セラミックファイバーや耐アルカリガラスファイバー等の無機系繊維、カーボンファイバー、ポリエチレンファイバー、ビニロンファイバー、アラミドファイバー、ポリアクリルファイバー等の有機系繊維、更にスチールファイバー等が挙げられる。中でも耐アルカリガラスファイバー、ビニロンファイバー及びポリアクリルファイバーが好ましい。
繊維の長さは特に限定がなく、施工性の面から３〜１２ｍｍ、好ましくは５〜１０ｍｍである。繊維の使用量は、混合したモルタル１００重量部に対して０．４〜１．５重量部、好ましくは０．５〜１．２重量部である。０．４重量部未満では目的とする靱性やひび割れ抵抗性、剪断強度が得られず、１．５重量部を越えるとモルタル原料の混合時の混合分散性が悪化したり、強度発現性が低下するおそれがある。
【００１０】
本発明で使用するカルシウムアルミネートとは、ＣａＯ原料やＡｌ₂Ｏ₃原料等を混合したものをキルンで焼成したり、電気炉で溶融する等の熱処理により得られるものであり、初期にセメント成分の凝結を起こさせる急結成分である。
カルシウムアルミネートとしては、ＣａＯをＣ、Ａｌ₂Ｏ₃をＡとすると、Ｃ₂Ａ、Ｃ₁₂Ａ₇、ＣＡ及びＣＡ₂等の鉱物組成で示されるカルシウムアルミネート熱処理物が挙げられ、これらの粉砕物の１種又は２種以上を使用することができる。更にその他の成分として、ナトリウム、カリウム、リチウム等のアルカリ金属を一部含有したカルシウムアルミネート等も使用できる。中でも非晶質のカルシウムアルミネートは反応活性の点で好ましく、Ｃ₁₂Ａ₇組成に対応する熱処理物を急冷した非晶質のカルシウムアルミネートが特に好ましい。
【００１１】
また、ＳｉＯ₂成分を含有するアルミノケイ酸カルシウム、Ｃ₁₂Ａ₇の１つのＣａＯをＣａＦ₂等のハロゲン化物で置き換えたＣ₁₁Ａ₇・ＣａＸ₂（Ｘはフッ素等のハロゲン）、ＳＯ₃成分を含有するＣ₄Ａ₃・ＳＯ₃やアルミナセメントも同様に使用できる。
カルシウムアルミネートの粒度はブレーン値５０００ｃｍ²／ｇ以上が好ましい。５０００ｃｍ²／ｇ未満だと急結性や初期強度発現性が低下するおそれがある。
【００１２】
カルシウムアルミネートのみでもよいが、カルシウムアルミネートに石こう等の凝結硬化を促進する混和材を配合してもよい。中でも石こうとカルシウムアルミネートの混合物は凝結開始時間や長期強度発現性の面から好ましい。
石こうとしては、無水石こう、半水石こう、二水石こう等が挙げられ、これらの１種又は２種以上を使用できる。中でもII型無水石こうが強度発現性の面から好ましい。
石こうの粒度は強度発現性の点でブレーン値で３０００ｃｍ²／ｇ以上、好ましくは５０００ｃｍ²／ｇ以上である。３０００ｃｍ²／ｇ未満だと強度発現性が低下するおそれがある。
石こうの使用量はカルシウムアルミネート１００重量部に対して５０〜２００重量部、好ましくは１００〜１５０重量部である。５０重量部未満だと強度発現性が低下するおそれがあり、２００重量部を越えると初期凝結が遅れ、地山に対する付着性が低下する。
【００１３】
スラリー化した粉末急結剤の使用量は、粉末急結剤としてモルタル中のセメントに対して３〜１５重量部、好ましくは５〜１０重量部である。粉末急結剤をスラリー化することにより、吹付中の粉塵を極めて少なくすることができる。また、粉末急結剤そのものに水硬性があり、反応生成物がエトリンガイト系のためモルタルの収縮率の低減が可能であり、ひび割れの発生を防止でき、モルタルに耐久性を付与できる。
【００１４】
本発明の凝結遅延剤は急結剤の練り置き性を２時間以上保持するために必要であり、具体的にはクエン酸、酒石酸、リンゴ酸、グルコン酸等のオキシカルボン酸やショ糖、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム等が挙げられる。凝結遅延剤の使用量は特に限定されるものではないが、例えばクエン酸と炭酸カリウムを使用したときは、粉末急結剤に対して５重量部以下、好ましくは０．３〜２重量部である。
本発明において、粉末急結剤と凝結遅延剤は水に懸濁した状態のスラリーとして使用することが好ましい。ここで使用する水の量は施工条件によって異なるが、初期強度発現性を重視した場合は粉末急結剤１００重量部に対して５０〜１００重量部が好ましい。
【００１５】
本発明で使用するアルカリ金属アルミン酸塩（以下、アルミン酸アルカリという）としては、アルミン酸ナトリウムやアルミン酸カリウムが挙げられ、溶解性の面からアルミン酸カリウムの使用が好ましい。アルミン酸アルカリは一般に液状として使用する。アルミン酸アルカリはそのＮａ₂Ｏ／Ａｌ₂Ｏ₃モル比又はＫ₂Ｏ／Ａｌ₂Ｏ₃モル比は、１．５〜２．０のものが好ましい。Ｎａ₂Ｏ／Ａｌ₂Ｏ₃モル比又はＫ₂Ｏ／Ａｌ₂Ｏ₃モル比が１．５未満の場合は１００℃において溶解し難い場合がある。
アルミン酸アルカリの水溶液は、水酸化ナトリウムと水酸化アルミニウム又は水酸化カリウムと水酸化アルミニウムを、Ｎａ₂Ｏ／Ａｌ₂Ｏ₃モル比又はＫ₂Ｏ／Ａｌ₂Ｏ₃モル比が１．５〜２．０となるように配合し、１００℃で加熱溶解し、４０〜６０重量％の濃度に調整して使用する。
【００１６】
本発明においては、アルミン酸アルカリの水溶液に炭酸ナトリウム又は炭酸カリウムの５０重量％水溶液を、アルミン酸アルカリの５０重量％水溶液１００重量部に対して２０〜１００重量部混合したものも使用できる。
アルミン酸アルカリの使用量は、セメント１００重量部に対して０．５〜５重量部、好ましくは１〜３重量部である。０．５重量部未満では目的とする凝結力が得られず、特に低温下ではこの傾向が顕著である。５重量部を越えると大きな凝結力が得られるが、長期耐久性が低下するおそれがある。
【００１７】
本発明で使用する硫酸アルミニウム水溶液は、一般に市販されている硫酸アルミニウムが使用可能である。市販品に通常含まれる不純物には影響されない。硫酸アルミニウムを溶解する水は、溶解性の面で硫酸アルミニウム１００重量部に対して１５０重量部が好ましい。硫酸アルミニウム水溶液の使用量は、セメント１００重量部に対して０．５〜５重量部、好ましくは１〜３重量部である。０．５重量部未満では目的とする凝結力が得られず、特に低温下ではこの傾向が顕著であり、５重量部を越えると大きな凝結力が得られるが、長期耐久性が低下するおそれがある。
アルミン酸アルカリの水溶液及び硫酸アルミニウムの水溶液を圧送するポンプは特に限定はないが、ピストン式ポンプ、スクイズ式ポンプ又はスネイク式ポンプを挙げることができる。
【００１８】
本発明では、セメント、最大粒径２．５ｍｍの骨材、必要に応じて配合する繊維、その他の混和剤を乾燥状態でドライ混合し、ドライ混合したモルタルと水を混合してＡ液とし、スラリー化した粉末急結剤をＢ液とし、アルミン酸アルカリ水溶液をＣ液とし、硫酸アルミニウム水溶液をＤ液とし、このＡ液にＢ液と、Ｃ液又はＤ液を圧送して吹付ける。
【００１９】
混練り圧送されたモルタルＡ液と個別に圧送されたスラリー急結剤Ｂ液とアルミン酸アルカリ水溶液Ｃ液又は硫酸アルミニウム水溶液Ｄ液とを混合する方法は特に限定はない。例えばニュー・オーストリアン・工法（ＮＡＴＭ）で使用されているように、Ｙ字管を用いてモルタルにスラリーとアルミン酸アルカリ水溶液を空気で混合する際、各液を吸引排出するポンプ出口でＹ字管等から空気を入れて搬送し、モルタルと合流させて吹付けることが可能である。このように空気搬送することにより、配管内のスラリー急結剤の水洗が容易になり、モルタルとの混合性が向上し、急結力や強度発現性が良好となる。
【００２０】
例えば、図１に示すように、配管ＡからＡ液を、先端の吹付ノズル１まで圧送する。Ｂ液の圧送方法は、空気圧送管２ａ又は３ａから空気を供給し、供給管２ｂ又は３ｂからＢ液を供給して配管Ｂ又は配管ＣよりＢ液を空気圧送する。Ｃ液又はＤ液の圧送方法は、空気圧送管３ａ又は２ａから空気を供給し、供給管３ｂ又は２ｂからＣ液又はＤ液を供給して配管Ｃ又は配管ＢよりＣ液又はＤ液を空気圧送する。配管Ｂ及び配管Ｃは急結剤合流部４で合流し、モルタル合流部５において合流した２種類の急結剤はモルタルと合流して吹付けられる。
【００２１】
モルタルの混練に使用するミキサーとしては、タライ型ミキサー、ホーバー型ミキサー、二軸ミキサー及びオムニミキサー等のバッチ練りミキサーの使用が可能である。
ここで、混練に使用する水の量は特に限定されるものでないが、ポンプで圧送可能な流動性が得られるように、例えばフロー値として１８０〜２６０ｍｍになるように水を加えることが好ましい。
混練りしたモルタルを圧送するポンプは特に限定はなく、ピストン式ポンプ、スクイズ式ポンプ又はスネイク式ポンプを使用することができる。また、供給されたドライ混合した吹付材料を混合機の先端の羽で圧入された水と混練し、それに連結しているスネイク式ポンプで連続的に圧送する連続混練圧送装置で混練り圧送する方法があり、特にこの方法は作業性がよく、小断面トンネルでは作業環境や作業能率が著しく改善される。
【００２２】
【実施例】
使用材料
セメント：普通ポルトランドセメント、電気化学工業社製
骨材：６号珪砂と７号珪砂等量混合品、最大粒径２．５ｍｍ
粉末減水剤：ナフタレンスルホン酸系、市販品
有機繊維：ビニロンファイバー６ｍｍ、クラレ社製
カルシウムアルミネート：Ｃ₁₂Ａ₇、非晶質、ブレーン値4200ｃｍ²／ｇ
石こう：II型無水石こう、ブレーン値７１００ｃｍ²／ｇ
凝結遅延剤ａ：クエン酸試薬一級
凝結遅延剤ｂ：炭酸カリウム試薬一級
アルカリアルミン酸水溶液（Ｃ液）：Ｋ₂Ｏ／Ａｌ₂Ｏ₃のモル比１．５で調製した濃度５０重量％のアルミン酸カリウム水溶液
硫酸アルミニウム水溶液（Ｄ液）：市販品１００重量部を水１５０重量部で溶解
【００２３】
測定方法
凝結試験：ＡＳＴＭＣ４０３に準拠して測定
圧縮強度：ＪＩＳＲ５２０１に準じて、２０℃、所定の材令で測定（Ｎ／ｍｍ²）
【００２４】
実施例１
セメント１００重量部に対して、骨材２２０重量部、減水剤０．５重量部、有機繊維１．５重量部を配合し、セメント１００重量部に対して水６０重量部を加え、ＪＩＳＲ５２０１に準じてモルタルミキサーで混合りしてモルタルを調製しＡ液とした。
非晶質のＣ₁₂Ａ₇とII型無水石こうとの等量混合物（真比重２．９）よりなるブレーン値５８００ｃｍ²／ｇの粉末急結剤と、クエン酸と炭酸カリウムを重量比で１：３の割合で混合した凝結遅延剤を混合物１００重量部に対して０．５重量部を混練りする水に溶解して、水７０重量部でスラリー化しＢ液とした。
Ｃ液として、水酸化ナトリウムと水酸化アルミニウムをＮａ₂Ｏ／Ａｌ₂Ｏ₃モル比が１．７となるように配合し、アルミン酸ナトリウムの５０％水溶液を調製した。
【００２５】
混練りしたモルタルにモルタル中のセメント１００重量部に対して、表１に示す量のスラリー化した急結剤Ｂ液と表１に示す量のアルカリアルミン酸水溶液Ｃ液を加えて直ちに上記モルタルに添加し、１０秒間混練りし、素早く型枠（４ｃｍ×４ｃｍ×１６ｃｍ）に充填してつき固め、２０℃でプロクター貫入抵抗値及び圧縮強度を測定した。その結果を表１に示した。
【００２６】
【表１】
【００２７】
実施例２及び比較例１
硫酸アルミニウム１００重量部を１５０重量部の水に溶解してＤ液を調製した。実施例１におけるＣ液に代えて、表２に示す量のＤ液を添加した以外は実施例１と同様にして実験を行い、その結果を表２に示した。
比較例１として、急結剤Ｂ液、Ｃ液及びＤ液を、実施例１と同様にして単独でＡ液に添加して、実施例１と同様に試験を行い、その結果を表３に示した。
【００２８】
【表２】

【００２９】
【表３】

【００３０】
実施例３
セメント１００重量部に対して、骨材２２０重量部、粉末減水剤０．５重量部、繊維１．５重量部をナウターミキサーで混合してプレミックスのドライモルタル２００ｋｇを製造した。このドライモルタルを、ドイツ国、ＰＦＴ社製Ｇ４連続混練圧送装置に投入し、フロー値２００ｍｍになるように水を加えてモルタル（Ａ液）とし、２．３ｍ³／時間の能力で連続混練り圧送した。
【００３１】
図１に示すように、実施例１と同様のスラリー化した粉末急結剤Ｂ液はＢ液供給管２ｂから供給し、空気圧送管２ａと合流して配管Ｂ内をスクイズ式ポンプで空気圧送した。Ｃ液又はＤ液はＣ液又はＤ液供給管３ｂから供給し、空気圧送管３ａと合流して配管Ｂ内をプランジャー式ポンプで吸引圧送した。ポンプ吐出口から５０ｃｍの位置において、Ｙ字管で３／４Ｂホース１０ｍを空気搬送した。モルタル（Ａ液）中のセメント１００重量部に対してＢ液中の粉末急結剤が１０重量部になるように、Ｃ液又はＤ液が２重量部になるように、モルタルに添加した。すなわち、空気搬送されたＢ液とＣ液又はＤ液を急結剤合流部４で合流させ、モルタル合流部５でモルタルを圧送している配管Ａと合流させ、吹付ノズル１から厚さ２〜４ｃｍ程度になるよう１ｍ²の広さに吹付けた。
また、４×４×１６ｃｍの三連型枠に実施例２の方法で吹付け、所定の材令ごとの圧縮強度を測定した。
【００３２】
吹付けの状況は、Ｂ液と、Ｃ液又はＤ液を併用することにより粉塵の発生も少なく、ダレもなく、跳ね返りも少なく、吹付け直後の凝結力も高く、急結剤の全使用量も少なく目的とする諸特性を満足した。圧縮強度も室内実験とほぼ同様で、Ｂ液とＣ液を使用した場合には１時間で２．１Ｎ／ｍｍ²、１日で２２．２Ｎ／ｍｍ²、２８日で５１．３Ｎ／ｍｍ²であり、Ｂ液とＤ液を使用した場合には１時間で１．６Ｎ／ｍｍ²、１日で２０．３Ｎ／ｍｍ²、２８日で４９．７Ｎ／ｍｍ²であった。
【００３３】
【発明の効果】
本発明により、小断面トンネルのような狭い作業空間においてもリバウンドを低減して作業環境を改善し、少ない急結剤使用量で吹付け後の強度発現を高め２〜４ｃｍの薄さでも掘削後の地山や岩盤を安定化させることができる。更に耐久性も有するため、トンネルの補修にも適用可能となり、連続ミキサーポンプを使用すれば作業効率を更に高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は吹付ノズルに供給される配管構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１吹付ノズル
２ａ、３ａ空気圧送管
２ｂＢ液供給管
３ｂＣ液又はＤ液供給管
４急結剤合流部
５モルタル合流部
Ａ配管Ａ
Ｂ配管Ｂ
Ｃ配管Ｃ
【表１】

【表１】

Claims

連続混練圧送装置でモルタルを混練り圧送し、急結剤を除くモルタル圧送管の吹付ノズル直前で、急結剤ノズルと合流するモルタル合流部を設けて吹付ける吹付工法において、空気圧送された液体急結剤と空気圧送されたスラリー化した粉末急結剤の２種の急結剤を使用し、該２種の急結剤を各別の圧送管により供給し、前記モルタル合流部の直前で、２種の急結剤が合流する急結剤合流部を設けて吹付けると共に、スラリー化した粉末急結剤の使用量が、モルタル中のセメントに対して３〜１５重量部であることを特徴とする薄吹付工法。
スラリー化した粉末急結剤に、遅延剤が添加されていることを特徴とする請求項１記載の薄吹付工法。
粉末急結剤が、カルシウムアルミネートと石こうを含有する急結剤であることを特徴とする請求項１又は２記載の薄吹付工法。
液体急結剤がアルカリアルミン酸塩であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載する薄吹付工法。
液体急結剤が硫酸アルミニウム水溶液であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載する薄吹付工法。
モルタルが、セメント１００重量部に対して２．５ｍｍ以下の骨材１００〜２５０重量部を含有するモルタルであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載する薄吹付工法。