JP3931946B2 - プレライニング用急結コンクリートの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トンネル外周面を先受けするコンクリート覆工体を切羽の前方に構築するためのプレライニング工法において採用される急結コンクリートの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
プレライニング工法は、トンネル外周面を先受けするコンクリート覆工体を切羽の前方に所定長形成し、この覆工体に覆われた部分を掘削しつつトンネルをその掘削方向に順次構築していく工法である。そして、かかる覆工体は、例えばチェーンカッター等の細溝掘削機械を用いてトンネル外周に沿って所定幅の掘削溝を順次形成するとともに、当該掘削溝にコンクリート圧送管を通じてコンクリートを充填打設する工程を円周方向に繰り返して一体形成される。
【０００３】
そして、上記プレライニング工法を効率よく速やかに行うためには、覆工体を形成するコンクリートは以下のような条件を満たすことが好ましいとされている。
▲１▼掘削溝に隙間なく充填打設することが可能な流動性を備えること。
▲２▼覆工体の形成後速やかに当該覆工体によって覆われた部分の掘削作業を行うことができるよう、例えば打設後４〜６時間程度で外周地山の土圧に耐え得る強度を発現できること。
▲３▼覆工体は、掘削溝を形成し、これにコンクリートを充填打設する工程を円周方向に繰り返して一体形成されるので、かかる工程を順次連続して繰り返すことができるよう、打設したコンクリートが妻型枠（充填打設したコンクリートの切羽側の端面を押さえる型枠）を外せる程度の自立性を打設後５〜１０分程度の短時間で速やかに発現できること。
【０００４】
そして、以上の条件を満たすコンクリートに近づけるため、従来より例えば、以下のような方法が採用されていた。
【０００５】
即ち、現場プラント又は工場プラントによりコンクリートを製造する際、予め急硬材及び凝結調整剤を混合し、該急硬材及び凝結調整剤を混合したコンクリートを生コン車等により運搬し、該コンクリートをコンクリートポンプによりコンクリート圧送管を介して打設現場まで圧送し、切羽の直前においてこの圧送中のコンクリートに急結材を混合し、該急結材を混合したコンクリートを打設する方法である（特開平６−２１２８７７号参照）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記の打設方法においては、凝結時間にバラツキが見られるおそれがあった。そこで、安定した凝結時間を得ることが求められるようになった。
【０００７】
又、この打設方法によるコンクリートは、前記▲２▼及び▲３▼の効果は発揮するが、▲１▼の効果を満たすことは困難であった。そこで、スランプの保持時間を長くし、▲１▼の効果も満たすことが求められるようになった。
【０００８】
本発明者は種々検討を重ねた結果、セメントと細骨材を予め空練りした後、急硬材、液状凝結調整剤を順に投入、練り混ぜて急硬コンクリートを調製し、さらに該急硬コンクリートと液状急結材を混合してプレライニング用急結コンクリートを製造することにより、前記要求を満たす知見を得て本発明を完成するに至った。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、トンネル外周面を先受けすべく、切羽の外周に沿って形成した掘削溝に急結コンクリートを充填打設して、切羽の前方にコンクリート覆工体を構築するプレライニング工法に採用するプレライニング用急結コンクリートの製造方法であって、セメントと細骨材を予め混合した後、カルシウムアルミネート類と硫酸カルシウムを含有してなる急硬材を、セメント１００質量部に対して、５〜２５質量部投入し空練りし、その後、水１００質量部に対して、凝結調整剤２〜１０質量部の割合で配合した、アルカリ金属炭酸塩と有機酸類を含有してなる液状凝結調整剤を、セメント、カルシウムアルミネート類、及び硫酸カルシウムの合計１００質量部に対して、固形分換算で０．１〜１．８質量部投入して練り混ぜ、水／セメント比（Ｗ／Ｃ）が３５〜６５％の急硬コンクリートを製造し、次いで該急硬コンクリートをコンクリートポンプによりコンクリート圧送管を介して打設箇所に圧送し、さらに切羽手前で、固形分濃度２５〜４５質量％の液体急結材を、セメントと急硬材の合計１００質量部に対して、固形分換算で２〜５質量部混合して急結コンクリートとすることを特徴とする、プレライニング用急結コンクリートの製造方法である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をさらに詳しく説明する。
【００１１】
本発明で使用する急硬コンクリートは、セメントと細骨材を予め混合した混合物、急硬材、及び液状凝結調整剤を含有するものである。
【００１２】
本発明で使用する急硬材は、セメントの反応を促進して短時間に硬化させるために用いる混和材であり、カルシウムアルミネート類と硫酸カルシウムを含有するものである。
【００１３】
本発明で使用するカルシウムアルミネート類とは、カルシアを含む原料と、アルミナを含む原料とを混合して、キルンでの焼成や、電気炉での溶融等の熱処理をして得られる、ＣａＯとＡｌ₂Ｏ₃とを主たる成分とし、水和活性を有する物質の総称であり、ＣａＯ及び／又はＡｌ₂Ｏ₃の一部が、アルカリ金属酸化物、アルカリ土類金属酸化物、酸化ケイ素、酸化チタン、酸化鉄、アルカリ金属ハロゲン化物、アルカリ土類金属ハロゲン化物、アルカリ金属硫酸塩、及びアルカリ土類金属硫酸塩等と置換した化合物、あるいは、ＣａＯとＡｌ₂Ｏ₃とを主成分とするものに、これらが少量固溶した物質である。鉱物形態としては、結晶質、非晶質いずれであってもよい。
【００１４】
これらの中では、反応活性の点で、１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃（以下Ｃ₁₂Ａ₇という）組成に対応する熱処理物を急冷した非晶質カルシウムアルミネートが好ましい。
【００１５】
カルシウムアルミネート類の粒度は、初期強度発現性の点で、ブレーン値で４０００ｃｍ²／ｇ以上が好ましく、５０００ｃｍ²／ｇ以上がより好ましい。４０００ｃｍ²／ｇ未満だと初期強度発現性が低下するおそれがある。
【００１６】
本発明で使用する硫酸カルシウムとしては、石膏が挙げられる。石膏の中では、効果が大きい点で、ＩＩ型無水石膏や天然石膏が好ましい。
【００１７】
硫酸カルシウムの粒度は、ブレーン値で３０００ｃｍ²／ｇ以上が好ましく、４０００〜７０００ｃｍ²／ｇがより好ましい。３０００ｃｍ²／ｇ未満だと初期強度発現性が低下するおそれがある。
【００１８】
硫酸カルシウムの使用量は、カルシウムアルミネート類１００質量部に対して、７０〜１５０質量部が好ましく、９０〜１１０質量部がより好ましい。７０質量部未満だとコンクリートのスランプ保持が困難となり、初期強度発現性が低下するおそれがあり、１５０質量部を越えると長期強度発現性が低下するおそれがある。
【００１９】
急硬材の使用量は、セメント１００質量部に対して、５〜２５質量部が好ましく、１０〜２０質量部がより好ましい。５質量部未満だと凝結が遅れ、初期強度発現性が低下するおそれがあり、２５質量部を越えると凝結時間が短く、可使時間のコントロールが困難となり、初期強度発現性が低下するおそれがある。
【００２０】
本発明で使用するセメントとしては、通常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や、これら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、並びに市販の微粒子セメント等が挙げられる。又、各種ポルトランドセメントや各種混合セメントを微粉末化して使用してもよい。
【００２１】
本発明で使用する液状凝結調整剤とは、急硬コンクリートのハンドリングを調整するためのものであり、アルカリ金属炭酸塩と有機酸類を含有する凝結調整剤の水溶液又はスラリーをいう。液状凝結調整剤は、コンクリートに練り混ぜる水に凝結調整剤を添加したものを使用してもよい。
【００２２】
本発明で使用するアルカリ金属炭酸塩としては、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、及び重炭酸ナトリウム等が挙げられ、これらの１種又は２種以上が使用できる。これらの中では、急硬コンクリートのハンドリングを調整する効果が大きい点で、炭酸カリウムが好ましい。
【００２３】
アルカリ金属炭酸塩の使用量は、凝結調整剤１００質量部中、５０〜８５質量部が好ましく、６０〜８０質量部がより好ましい。５０質量部未満だと急硬コンクリートの可使時間は長くなるが、初期強度発現性が低下し、急結コンクリートが硬化しにくいおそれがあり、８５質量部を越えると急硬コンクリートのスランプ保持が困難となり、初期強度発現性が低下するおそれがある。
【００２４】
本発明で使用する有機酸類としては、グルコン酸、酒石酸、クエン酸、リンゴ酸、及び乳酸又はこれらの塩等が挙げられ、これらの１種又は２種以上が使用できる。これらの中では、急硬コンクリートのハンドリングを調整する効果が大きい点で、クエン酸、グルコン酸、又はクエン酸やグルコン酸の塩からなる群の１種又は２種以上が好ましい。
【００２５】
有機酸類の使用量は、凝結調整剤１００質量部中、１５〜５０質量部が好ましく、２０〜４０質量部がより好ましい。１５質量部未満だと急硬コンクリートのスランプ保持が困難となり、初期強度発現性が低下するおそれがあり、５０質量部を越えるとコンクリートの可使時間は長くなるが、初期強度発現性が低下し、急結コンクリートが硬化しにくいおそれがある。
【００２６】
液状凝結調整剤における、凝結調整剤と水の配合割合は、水１００質量部に対して、凝結調整剤１〜９５質量部が好ましく、２〜１０質量部がより好ましい。１質量部未満だと、コンクリートのスランプを保持するために必要とする液状凝結調整剤の使用量が著しく多くなるために、結果的に水セメント比が高くなり、強度発現性が低下するおそれがあり、９５質量部を越えると濃度は高くなるが、凝結調整剤成分が析出し、液状凝結調整剤の使用量が少なくなるために、コンクリート中での分散性が悪くなり流動性の確保ができなくなるおそれがある。
【００２７】
液状凝結調整剤の使用量は、施工温度（環境温度）により変わるので一義的には決まらないが、セメント、カルシウムアルミネート類、及び硫酸カルシウムの合計１００質量部に対して、固形分で０．１〜１．８質量部が好ましく、１．０〜１．６質量部がより好ましい。０．１質量部未満だと流動性の確保ができないおそれがあり、１．８質量部を越えると可使時間が著しく長くなり、コンクリートが硬化しにくく、初期強度発現性が低下するおそれがある。
【００２８】
本発明ではさらに、コンクリートの凝結や硬化を促進する点で、急硬コンクリートに液状急結材を添加した急結コンクリートを使用する。
【００２９】
本発明で使用する液状急結材は、急硬コンクリート中に均一に分散しやすい点で、例えば粉末状の急結材を主成分として水と予め混合したものを使用する。なお、ここで液状急結材は、水溶液又はスラリーを含むものである。
【００３０】
液状急結材の主成分としては、アルミン酸ナトリウムやアルミン酸カリウム等のアルミン酸塩、硫酸アルミニウム等のアルミニウム塩、及びケイ酸ナトリウム（水ガラス）等が挙げられる。本発明ではこれらのうちの１種又は２種以上が使用できる。これらの中では、強度発現性と流動性が確保できる点で、アルミン酸カリウムが好ましい。
【００３１】
液状急結材の濃度（スラリーの場合は固形分を含む濃度）は、２５〜４５質量％が好ましく、３０〜４０質量％がより好ましい。２５質量％未満だと強度発現性が低下するおそれがあり、４５質量％を越えると自立時間が短すぎて、流動性が確保できないおそれがある。
【００３２】
液状急結材の使用量は、セメントと急硬材の合計１００質量部に対して、固形分換算で１〜１０質量部が好ましく、２〜５質量部がより好ましい。１質量部未満だと急結性に欠け、自立性が短時間で発現できず、初期強度発現性が低下するおそれがあり、１０質量部を越えると強度発現性が低下するおそれがある。
【００３３】
本発明の骨材は、特に限定されるものではないが、できるだけ骨材強度が高いものが好ましい。骨材としては細骨材や粗骨材が挙げられる。細骨材としては、海、山、及び川から採取される天然骨材である海砂、山砂、及び川砂や、山から切り出し、粉砕し、粒度調製した砕砂（例：石灰砂等）等が挙げられ、粗骨材としては、天然骨材である川砂利や砕石である石灰砂利等が挙げられる。
【００３４】
本発明の急硬コンクリートにおける水の使用量は、強度発現性の点で、水／セメント比（Ｗ／Ｃ）で３５〜６５％が好ましく、４０〜５５％がより好ましい。３５％未満だと急硬コンクリートが十分に混合しにくいおそれがあり、６５％を越えると強度発現性が小さくなるおそれがある。ここでいうセメントは急硬材を含有し、水は液状凝結調整剤中の水を含有する。
【００３５】
本発明のプレライニング用急結コンクリートは、トンネル外周面を先受けすべく、切羽の外周に沿って形成した掘削溝に充填打設して、切羽の前方にコンクリート覆工体を構築するプレライニング工法に好ましく採用されるものである。本発明では、セメントと細骨材を予め混合した混合物、急硬材、液状凝結調整剤を順に混合して急硬コンクリートを製造し、次いで該急硬コンクリートをコンクリートポンプによりコンクリート圧送管を介して打設箇所に圧送し、さらに切羽手前で液状急結材を供給して急結コンクリートを製造する際、先端で液状急結材濃度を連続的に調整し、該急結コンクリートを打設箇所へ充填打設するものである。水は液状凝結調整剤として最後に混合してもよく、液状凝結調整剤の混合後に、別途混合してもよい。粗骨材はいつ混合してもよい。
【００３６】
なお、液状急結材を供給する際には、自立時間をコントロールするために、粉末状の急結材を予め水と混合してもよい。又、市販の液状急結材の濃度が大きい場合には、液状急結材をさらに水で予め希釈してもよい。
【００３７】
【実施例】
以下、実験例により本発明を詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されない。
【００３８】
実験例１
パン型強制ミキサを用いて、細骨材７６２ｋｇ／ｍ³とセメント３４４ｋｇ／ｍ³を１０秒間予め空練りした後、粗骨材９４２ｋｇ／ｍ³と急硬材５６ｋｇ／ｍ³を投入し、１０秒間空練りしたのち、凝結調整剤４．８ｋｇ／ｍ³と水２００ｋｇ／ｍ³からなる練混ぜ水（水溶液）を投入し、９０秒間練り混ぜて急硬コンクリートを調製した。
得られた急硬コンクリートにつき、スランプ値の経時変化を測定した。結果を表１に示す。
なお、急硬コンクリートの練混ぜ及び測定は、２０℃、相対湿度８０％の室内で行った。
【００３９】
＜使用材料＞
セメント：普通ポルトランドセメント、市販品、ブレーン値３２００ｃｍ²／ｇ、比重３．１６
急硬材：カルシウムアルミネート（主成分Ｃ₁₂Ａ₇、非晶質、ブレーン値６０００ｃｍ²／ｇ）１００質量部と無水石膏（ＩＩ型無水石膏、ブレーン値６０５０ｃｍ²／ｇ）１００質量部からなる混合物
凝結調整剤：アルカリ金属炭酸塩７０質量部（市販品、炭酸カリウム）と有機酸類（市販品、グルコン酸）３０質量部からなる混合物、粉末状
細骨材：千葉県田川産山砂、表乾状態、比重２．５６、最大直径５ｍｍ以下
粗骨材：神奈川県足柄産砕石、表乾状態、比重２．５９、最大寸法２０ｍｍ
水：水道水
【００４０】
＜測定方法＞
スランプ経時変化：練り混ぜ後、所定時間の急硬コンクリートにつき、ＪＩＳ Ａ １１０１に従い、測定した。
【００４１】
【表１】

【００４２】
実験例２
セメント、急硬材、粉末状の凝結調整剤、細骨材、及び粗骨材を空練りしたのち、凝結調整剤を混合していない練混ぜ水を投入したこと以外は、実験例１と同様に行った。結果を表１に示す。
【００４３】
実験例３
パン型強制ミキサを用いて、細骨材７６２ｋｇ／ｍ³、セメント３４４ｋｇ／ｍ³、粗骨材９４２ｋｇ／ｍ³、急硬材５６ｋｇ／ｍ³、及び、凝結調整剤４．８ｋｇ／ｍ³と水２００ｋｇ／ｍ³からなる練混ぜ水を一括投入し、９０秒間練り混ぜて急硬コンクリートを調製したこと以外は、実験例１と同様に行った。結果を表１に示す。
【００４４】
実験例４
セメント、カルシウムアルミネート類、及び硫酸カルシウムの合計１００質量部に対して凝結調整剤を表２に示す質量部添加したこと以外は、実験例１と同様に行った。結果を表２に示す。
【００４５】
【表２】

【００４６】
実験例５
パン型強制ミキサを用いて、細骨材７６２ｋｇ／ｍ³、セメント３４４ｋｇ／ｍ³を１０秒間空練りしたのち、粗骨材９４２ｋｇ／ｍ³と急硬材５６ｋｇ／ｍ³を投入し、１０秒間空練りしたのち、凝結調整剤４．８ｋｇ／ｍ³と水２００ｋｇ／ｍ³からなる練混ぜ水（水溶液）を投入し、９０秒間練り混ぜて急硬コンクリートを調製した。
さらに、急硬コンクリートに、セメントと急硬材の合計１００質量部に対して液状急結材を固形分換算で表３に示す質量部添加し、１０秒間練り混ぜて急結コンクリートを調製した。
得られた急結コンクリートにつき、自立時間と圧縮強度の測定を行った。結果を表３に示す。
なお、急結コンクリートの練混ぜ及び測定は、２０℃、相対湿度８０％の室内で行った。
【００４７】
＜使用材料＞
液状急結材：市販品、アルミン酸カリウム水溶液、濃度は３５質量％
【００４８】
＜測定方法＞
自立時間：急結コンクリートを速やかにφ１０ｃｍ×２０ｃｍの型枠に詰めてから脱型できるまでの時間で示した。
圧縮強度：所定材齢の急結コンクリートを、ＪＩＳ Ａ １１０８に従い、測定した。
【００４９】
【表３】

【００５０】
実験例６
セメント、カルシウムアルミネート類、及び硫酸カルシウムの合計１００質量部に対して凝結調整剤を表４に示す質量部添加して急硬コンクリートを調製し、この急硬コンクリートに、セメントと急硬材の合計１００質量部に対して液状急結材を固形分換算で４質量部添加して急結コンクリートを調製したこと以外は、実験例５と同様に行った。結果を表４に示す。
【００５１】
【表４】

【００５２】
【発明の効果】
本発明のように急硬材、液状凝結調整剤の順に練り混ぜることにより、急硬コンクリートのスランプ保持性能が良好になる。
液状凝結調整剤を使用した場合、急硬材が液状凝結調整剤と反応する前に水と接すると、急硬材の反応が先行して凝結調整剤の効果が低下するおそれがあり、又、その対策として、液状凝結調整剤の使用量を多くすると、経済的に好ましくないおそれがあった。
しかしながら、本発明のように急硬材、液状凝結調整剤の順に練り混ぜることにより、液状凝結調整剤の使用量が少なくても、凝結調整剤の効果が低下せず、安定したスランプ保持時間を確保できるので、経済的になり、その産業的利益は極めて大きい。

Claims (1)

1. トンネル外周面を先受けすべく、切羽の外周に沿って形成した掘削溝に急結コンクリートを充填打設して、切羽の前方にコンクリート覆工体を構築するプレライニング工法に採用するプレライニング用急結コンクリートの製造方法であって、セメントと細骨材を予め混合した後、カルシウムアルミネート類と硫酸カルシウムを含有してなる急硬材を、セメント１００質量部に対して、５〜２５質量部投入し空練りし、その後、水１００質量部に対して、凝結調整剤２〜１０質量部の割合で配合した、アルカリ金属炭酸塩と有機酸類を含有してなる液状凝結調整剤を、セメント、カルシウムアルミネート類、及び硫酸カルシウムの合計１００質量部に対して、固形分で０．１〜１．８質量部投入して練り混ぜ、水／セメント比（Ｗ／Ｃ）が３５〜６５％の急硬コンクリートを製造し、次いで該急硬コンクリートをコンクリートポンプによりコンクリート圧送管を介して打設箇所に圧送し、さらに切羽手前で、固形分濃度２５〜４５質量％の液体急結材を、セメントと急硬材の合計１００質量部に対して、固形分換算で２〜５質量部混合して急結コンクリートとすることを特徴とする、プレライニング用急結コンクリートの製造方法。