JP3957671B2 - 吹付け材料、及びそれを用いた吹付け工法 - Google Patents

Description

本発明は、吹付け用セメント混和剤、吹付け材料、及びそれを用いた吹付け工法、特に、吹付けセメントコンクリートの耐凍結融解性を向上するための吹付け用セメント混和剤、吹付け材料、及びこれらの材料を使用して、崩れやすい法面や美観を有する法面に格子状に配置したフレームに吹き付けるセメントコンクリートの吹付け工法に関する。

セメントコンクリートの吹付け工法は、その施工の簡便さや進行の速さを理由に広く使用されている工法の１つである。
この工法の採用箇所は、トンネルの掘削によって生じた地山や、高速道路、ダム、及び急傾斜地を中心に、切り土や盛土によってできた傾斜面である法面が中心である。
とりわけ法面はそのままでは、自然風化や強雨等により、浸食や地滑りなどの法面崩壊が起こるので、法面を保護する必要がある。

従来、法面の崩壊を防止するため、法面に直接セメントコンクリートを吹き付ける方法が主流であり、法面の補強効果を増すために、法面に型枠を配置する方法が用いられている(特許文献１参照)。

法面に型枠を配置する方法としては、金網や複数本の鉄筋を法面に格子状（井桁状）に配置して法面型枠を作成し、格子状の法面型枠の各交点部にアンカーを打ち込んだ後に、法面型枠にコンクリートを吹き付けて鉄筋コンクリート構造物たるコンクリート枠を作って法面の安定を図る方法が用いられている。
これらの中では、法面を整形・カットすることなく、法面に直接配置できるフリーフレーム工法が用いられている。
このフリーフレーム工法は、変形可能な金網や鉄筋を法面に直に配置するものであり、形成されたフレームにセメントコンクリートを吹き付けて施工されている。

耐久性を向上させたフリーフレーム工法においても、吹付けでセメントコンクリート躯体を構築した場合、冬期の凍結融解による破壊が深刻化している。
耐凍結融解性を向上させるには、微細なエアをセメントコンクリート躯体に導入し、セメントコンクリート内部の水が凍結した際に、膨張した水の体積分をエアスペースに導入させることが有効となる。

しかしながら、吹付け施工した場合、ＡＥ剤等を使用してセメントコンクリート混練時に導入したエアは、圧送ホース中で消滅する傾向にあり、耐凍結融解性に必要なエア量を確保できない場合が多い。

法面の施工は冷え込みの激しい山間部が多いことから、冬期では凍結融解による劣化が顕著となる。そして、フリーフレーム工法はもとより、広く吹き付けたものは耐用年数が著しく低下し、数年で崩壊する場合もある。

また、吹付けにおいては、単位時間あたり吹き付ける量を高めるためにコンクリートのスランプを大きくする必要があるが、スランプが大きいと吹き付けたときにコンクリートが斜面から流れ落ちるという課題があった。
このため吹き付け直後にコンクリートのスランプを低下させ、コンクリートのずり落ちを防止する必要があった。
特公昭５８−０５８４９３号公報

本発明は、冬期でも劣化が顕著となる凍結融解に対する耐凍結融解性を向上すること、吹き付け直後にセメントコンクリートの凝結を促進し、セメントコンクリートのずり落ちを防止することを目的とする。

即ち、本発明は、下記（１）セメントコンクリートと下記（２）アルカリ増粘型エマルジョンを含有してなり、かつ、耐凍結融解性が72.7％以上の法面吹付け材料であり、
（１）セメントコンクリート100容量部中、0.3〜10容量部の有機中空微粒子（有機中空微粒子は粒子中に内包された空洞を有するものであって、アクリロニトリル、塩化ビニリデン、メチルメタクリレート、及びメタクリロニトリルの一種又は二種以上の重合体又は共重合体を主成分とし、平均粒径は3〜100μｍである）を含有してなり、かつ、単位セメント量が270〜600kg/m ³ で、Ｗ／Ｃが35〜65％であるセメントコンクリート
（２）セメント100部に対して、固形分換算で0.01〜３部のアルカリ増粘型エマルジョン
有機中空微粒子の組成が、アクリロニトリル共重合体であることを特徴とする該法面吹付け材料であり、アルカリ増粘型エマルジョンが（メタ）アクリル酸（エステル）共重合ポリマーエマルジョンであることを特徴とする該法面吹付け材料であり、下記（１）セメントコンクリートを圧送し、途中で、下記（２）アルカリ増粘型エマルジョンを混合し、耐凍結融解性が72.7％以上の法面吹付け材料とし、この法面吹付け材料を吹き付けることを特徴とする法面吹付け工法であり、
（１）セメントコンクリート100容量部中、0.3〜10容量部の有機中空微粒子（有機中空微粒子は粒子中に内包された空洞を有するものであって、アクリロニトリル、塩化ビニリデン、メチルメタクリレート、及びメタクリロニトリルの一種又は二種以上の重合体又は共重合体を主成分とし、平均粒径は3〜100μｍである）を含有してなり、かつ、単位セメント量が270〜600kg/m ³ で、Ｗ／Ｃが35〜65％であるセメントコンクリート
（２）セメント100部に対して、固形分換算で0.01〜３部のアルカリ増粘型エマルジョン
有機中空微粒子の組成が、アクリロニトリル共重合体であることを特徴とする該法面吹付け工法であり、アルカリ増粘型エマルジョンが（メタ）アクリル酸（エステル）共重合ポリマーエマルジョンであることを特徴とする該法面吹付け工法である。

以下、本発明を詳細に説明する。
なお、本発明でいう(部)は特に規定のないかぎり質量基準である。
また、本発明ではセメントペースト、モルタル、及びコンクリートを総称してセメントコンクリートという。

本発明における、有機中空微粒子(以下、中空粒子という)は、粒子中に内包された空洞を有するものであり、吹付け時においても、内包された空洞はセメントコンクリート硬化体中へ導入され、耐凍結融解性に寄与するものであり、ＡＥ剤等によって導入された、吹付け時に消失するエアとは効果を異にするものである。

中空粒子の組成としては、アクリロニトリル、塩化ビニリデン、メチルメタクリレート、メタクリロニトリル、アクリル酸エステル、メタクリル酸エステル、スチレン、及び酢酸ビニルの共重合体を主成分とするものであり、アクリロニトリル、塩化ビニリデン、メチルメタクリレート、及びメタクリロニトリルの共重合体を主成分とすることが好ましい。
中空粒子の平均粒子径としては、３〜100μｍが好ましく、10〜60μｍがより好ましい。３μｍ未満では充分な耐凍結融解性が得られない場合があり、100μｍを超えると耐凍結融解性が低下する場合がある。
中空粒子中に内包された空洞の割合は特に限定されるものではないが、中空粒子の20容量％以上が好ましく、40容量％以上が耐凍結融解性の面から好ましい。
中空粒子の内部には、n-ブタン、イソブタン、イソペンタン、及びネオペンタンなどの液やガスを内包させることが可能である。
中空粒子の使用量は特に限定されるものではないが、セメントコンクリート100容量部中、0.3〜10容量部が好ましく、0.5〜７容量部がより好ましい。0.3容量部未満では優れた耐凍結融解性が得られない場合があり、10容量部を超えると長期強度が低下する場合がある。

本発明における、アルカリ増粘型ポリマーエマルジョン（以下、本エマルジョンという）は、アルカリ雰囲気下で増粘する物質であって、セメントコンクリートと混合することにより、瞬時にセメントコンクリートを増粘させ、吹付け時のセメントコンクリートのダレを防止するものである。
本エマルジョンは、以下の化合物の一種又は二種以上を共重合して得られるポリマーエマルジョンである。
使用する化合物としては、例えば（メタ）アクリル酸〔（メタ）アクリル酸はアクリル酸またはメタアクリル酸を意味する。以下同様である。〕、イタコン酸、マレイン酸、フマル酸、シトラコン酸、アコニット酸、及びクロトン酸等の不飽和カルボン酸、無水マレイン酸や無水シトラコン酸等の不飽和カルボン酸無水物、並びに、これらのエステルが挙げられる。また、これらのアルカリ金属塩、アンモニウム塩、及びアミン塩等の水溶性塩を含有するものも使用可能である。
また、これらの他に、エチレンや、スチレンや、（メタ）アリルアルコールなどのエチレン性不飽和アルコールや、ヒドロキシエチル（メタ）アクリレート、ヒドロキシプロピル（メタ）アクリレート、ジエチレングリコール（メタ）アクリレート、ジプロピレングリコール（メタ）アクリレート、ポリエチレングリコールジメタクリレート、ポリプロピレングリコールジメタクリレート、エチレングリコールジアクリレート、及びポリエチレングリコールジアクリレートなどのポリオール類のエチレン性不飽和エステルが使用可能である。これらの配合割合については特に限定されるものではない。これらの中では、より優れた効果を示す面で、メタクリル酸（エステル）と（メタ）アクリル酸エステルの共重合物が好ましい。

ポリマーの重合方法としては公知の方法が使用でき特に限定されるものではないが、乳化重合、懸濁重合、溶液重合、及び塊状重合するなどの方法が挙げられる。

本エマルジョン中の固形分濃度は特に限定されるものではないが、0.5〜50％が好ましく、２〜20％がより好ましい。0.5％未満では増粘させる効果が少なく、50％を超えると本エマルジョンの製造が技術的に難しく、安定性が損なわれる恐れがある。
本エマルジョンの使用量は、セメント100部に対して、固形分換算で0.01〜３部が好ましく、0.05〜1.5部がより好ましい。0.01部未満では増粘させる効果が認められない場合があり、３部を超えるとセメントコンクリートの耐凍結融解性が低下する場合がある。

本発明で使用するセメントとしては、JIS R 5210に規定される各種ポルトランドセメント、JIS R 5211、JIS R 5212、及びJIS R 5213に規定される各種混合セメント、JISに規定された以上の混和材混合率で作製した高炉セメント、フライアッシュセメント、及びシリカセメント、並びに、石灰石粉末等を混合したフィラーセメントが挙げられる。

本発明では、セメントの凝結を促進する促進剤を使用することが可能である。
促進剤は、セメントの凝結を促進するものであれば特に限定されるものでなく、例えば、カルシウムアルミネートを含有する自硬性を有する粉体急結剤、アルカリ金属を含有する物質、硝酸塩、亜硝酸塩、硫酸塩、亜硫酸塩、及びケイ酸塩等が挙げられ、これらのうちの一種又は二種以上が使用可能である。
促進剤の使用量は、セメント100部に対して、２〜10部が好ましく、３〜８部がより好ましい。２部未満では優れた急結性や強度発現性が得られない場合があり、10部を超えると強度発現性が阻害される場合がある。

本発明では、前記各材料や、砂や砂利等の骨材の他に、減水剤や凝結遅延剤を本発明の目的を実質的に阻害しない範囲で併用することが可能である。

減水剤としては、ナフタレンスルホン酸ホルマリン縮合物、メラミンスルホン酸ホルマリン縮合物、及びポリカルボン酸系高分子化合物等が使用可能である。

凝結遅延剤は、セメントコンクリートの凝結を調整するものであり、その具体例としては、オキシカルボン酸又はその塩類、リン酸塩、及び糖類等が挙げられる。

本発明で使用する骨材は、吸水率が低くて、骨材強度が高いものが好ましく、細骨材率や骨材の最大寸法は吹付けできれば特に制限されるものではない。
細骨材としては、川砂、山砂、石灰砂、及び珪砂等が使用でき、粗骨材としては、川砂利、山砂利、及び石灰砂利等が使用できる。

さらに、本発明では、吹付けセメントコンクリートの硬化体の耐衝撃性や弾性の向上の面で、繊維を使用することが好ましい。
繊維としては、無機質や有機質いずれも使用可能である。無機質の繊維としては、ガラス繊維、炭素繊維、ロックウール、石綿、セラミック繊維、及び金属繊維等が挙げられ、有機質の繊維としては、ビニロン繊維、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維、ポリアクリル繊維、セルロース繊維、ポリビニルアルコール繊維、ポリアミド繊維、パルプ、麻、木毛、及び木片等が挙げられ、これらの中では経済性の面で、金属繊維やビニロン繊維が好ましい。
繊維の長さは、圧送性や混合性等の面で、50mm以下が好ましく、５〜30mmがより好ましい。50mmを超えると圧送中に吹付けセメントコンクリートが閉塞する場合がある。また、繊維のアスペクト比は特に限定されるものではない。
繊維の使用量は、吹付けセメントコンクリート100容量部中、0.1〜３容量部が好ましく、0.4〜1.5容量部がより好ましい。0.1容量部未満だと耐衝撃性や弾性の向上の効果が小さい場合があり、３容量部を超えると圧送性が低下し、経済的でない場合がある。

本発明の吹付け工法においては、従来から使用されている吹付け設備等が使用可能である。
本発明の吹付け工法としては、要求される物性、経済性、及び施工性等に応じた種々の吹付け工法が可能である。例えば、湿式吹付け工法として、セメント、細骨材や粗骨材、及び水等を加えて混練したものを、空気で圧送し、その途中に設けたＹ字管の一方から、吹付け用セメント混和剤供給装置により吹付け用セメント混和剤を空気圧送し、セメントコンクリートと合流・混合したものを吹き付ける方法等が挙げられる。
吹付け用セメント混和剤のセメントコンクリートへの混合は、吹付け用セメント混和剤が均一に強制的に入るようなシャワーリングや吹付け圧送エアーと同時混合によりセメントコンクリートに混合して吹き付けることが好ましい。

圧送ホース中のＹ字管の取付け位置は、吐出口より手前に0.1〜100ｍが好ましく、３〜20ｍが混合性や圧送性等を考慮するとより好ましい。100ｍ以上ではホースが閉塞する場合がある。

本発明で使用する吹付け材料を使用した法面吹付け工法としては、吹付け材料を直に法面へ吹き付けてもよいが、補強効果を増すために、鉄筋類等を配置してフレーム骨格を形成しその上に吹き付ける工法が好ましく、そのうち、フリーフレーム工法がより好ましい。

ここで、鉄筋類とは、金網や鉄筋等からなるもので、これらを組み合わせてフレーム骨格を形成して、それに、セメントコンクリートを吹き付け、鉄筋類含有セメントコンクリートフレームとするものである。

フリーフレーム工法に使用する鉄筋類の配置方法としては特に制限されるものではないが、通常、幅30〜60cm、長さ１〜３ｍ程度の金網(波形鉄筋φ１〜３mm)を２枚平行に金網の幅と同程度の間隔で、長手方向を法面に沿って配置し、継ぎ足してゆく。平行に立てた２枚の金網に鉄筋等のスペーサーを用いて、フレーム骨格を形成する。
このフレーム骨格を縦横に延長する際、この交点部にアンカーを打ち込むことが好ましい。また、このフレーム骨格の交点部に交点部用フレーム骨格を用いることも可能である。
このように配置したフレーム骨格に吹付け材料を用いて吹付けを行い、フレーム骨格の鉄筋類からはみ出した部分をコテ仕上げすることで、フレームの美観を保つ。

法面で使用する吹付け用のセメントコンクリートは、モルタルの場合には、単位セメント量270〜600kg/m³で、Ｗ／Ｃ35〜65％が好ましく、コンクリートの場合には、さらにｓ／ａ50〜100％が好ましく、材齢４週の圧縮強度が15N/mm²以上であることが好ましい。

本発明の吹付け用セメント混和剤を用いると、吹付けセメントコンクリート硬化体の耐凍結融解性が向上し、吹付け直後のセメントコンクリートのダレや斜面からのずり落ちを防止できるなどの効果を奏する。

単位セメント量430kg/m³ 、Ｗ／Ｃ50％、及びｓ／ａ70％のコンクリート配合を用い、スランプが20cm程度になるように減水剤の使用量を調整してコンクリートを調製し、平均粒子径を変化させた中空粒子Ａを、ベースコンクリート100容量部中、３容量部混合してベースコンクリートを作製した。
吐出量４m³/hのベースコンクリートと７m³/minの圧送空気を、２インチで40ｍの圧送ホースを介して送給した。
一方、吐出口から手前10ｍに取付けた分岐管に圧送空気とともに、セメント100部に対して、固形分換算で0.1部の本エマルジョンａを圧送し、ベースコンクリートに合流混合し、
50×50×30cmの木枠の中へ吹き付けを行った。得られたコンクリート硬化体からサンプルを切り出して、耐凍結融解性を評価した。結果を表１に併記する。

＜使用材料＞
中空粒子Ａ：アクリロニトリル／メチルメタクリレート／塩化ビニリデンが55／36／９の共重合体
本エマルジョンａ：エチルアクリレート／メタクリル酸重合ポリマーエマルジョンが45／55
セメント ：普通ポルトランドセメント、比重3.16
砂 ：新潟県姫川産、比重2.62、FM値2.86
砂利 ：新潟県姫川産、比重2.63、12mm以下
減水剤 ：ポリカルボン酸系高性能減水剤、市販品

＜測定方法＞
耐凍結融解性：JIS A 1148 「コンクリートの凍結融解試験方法」に準じてＡ法水中凍結水中融解試験方法に準じて凍結融解300サイクル後の相対動弾性係数を測定。なお、300サイクルに達する前に破壊したものは×とした。

表２に示す平均粒子径40μｍの中空粒子を使用して、エア量を測定し、耐凍結融解性を評価したこと以外は実施例１と同様に行った。結果を表２に併記する。
比較のため、中空粒子を混和しないでＡＥ剤でエアを５容量％含有させたコンクリートも同様に吹き付けた。

＜使用材料＞
中空粒子Ｂ：メタアクリレート／アクリロニトリルが26／74の共重合体

＜測定方法＞
エア量 ：JIS A 1128 「フレッシュコンクリートの空気量の圧力による試験方法」に準じて、吹付け用セメント混和剤混入前に測定

表３に示す本エマルジョンの種類と量を使用し、粒子の平均サイズ40μｍの中空粒子Ａをベースコンクリート100容量部中、３容量部使用して吹付け時の状態を確認し、耐凍結融解性を評価したこと以外は、実施例１と同様に試験した。結果を表３に併記する。

＜使用材料＞
本エマルジョンａ：エチルアクリレート／メタクリル酸重合ポリマーエマルジョンが45／55、固形分濃度10％
本エマルジョンｂ：エチルアクリレート／メタクリル酸／マレイン酸ジエチルを共重合したポリマーエマルジョンが40／40／20、固形分濃度10％

＜測定方法＞
吹付け時の状態：吹付けコンクリートを斜度70°の斜面に20cmの厚みで吹き付けたときの状態を観察。ダレや肌落ちが多く見られた場合は×、少し見られた場合は△、全く見られない場合は○。

Claims (6)

1. 下記（１）セメントコンクリートと下記（２）アルカリ増粘型エマルジョンを含有してなり、かつ、耐凍結融解性が72.7％以上の法面吹付け材料。
   （１）セメントコンクリート100容量部中、0.3〜10容量部の有機中空微粒子（有機中空微粒子は粒子中に内包された空洞を有するものであって、アクリロニトリル、塩化ビニリデン、メチルメタクリレート、及びメタクリロニトリルの一種又は二種以上の重合体又は共重合体を主成分とし、平均粒径は3〜100μｍである）を含有してなり、かつ、単位セメント量が270〜600kg/m ³ で、Ｗ／Ｃが35〜65％であるセメントコンクリート
   （２）セメント100部に対して、固形分換算で0.01〜３部のアルカリ増粘型エマルジョン
2. 有機中空微粒子の組成が、アクリロニトリル共重合体であることを特徴とする請求項１に記載の法面吹付け材料。
3. アルカリ増粘型エマルジョンが（メタ）アクリル酸（エステル）共重合ポリマーエマルジョンであることを特徴とする請求項１に記載の法面吹付け材料。
4. 下記（１）セメントコンクリートを圧送し、途中で、下記（２）アルカリ増粘型エマルジョンを混合し、耐凍結融解性が72.7％以上の法面吹付け材料とし、この法面吹付け材料を吹き付けることを特徴とする法面吹付け工法。
   （１）セメントコンクリート100容量部中、0.3〜10容量部の有機中空微粒子（有機中空微粒子は粒子中に内包された空洞を有するものであって、アクリロニトリル、塩化ビニリデン、メチルメタクリレート、及びメタクリロニトリルの一種又は二種以上の重合体又は共重合体を主成分とし、平均粒径は3〜100μｍである）を含有してなり、かつ、単位セメント量が270〜600kg/m ³ で、Ｗ／Ｃが35〜65％であるセメントコンクリート
   （２）セメント100部に対して、固形分換算で0.01〜３部のアルカリ増粘型エマルジョン
5. 有機中空微粒子の組成が、アクリロニトリル共重合体であることを特徴とする請求項４に記載の法面吹付け工法。
6. アルカリ増粘型エマルジョンが（メタ）アクリル酸（エステル）共重合ポリマーエマルジョンであることを特徴とする請求項４に記載の法面吹付け工法。