JP3986480B2

JP3986480B2 - 吹付け工法

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Publication number: JP3986480B2
Application number: JP2003295996A
Authority: JP
Inventors: 康宏中島; 昌浩岩崎; 寺島　　勲; 積石田; 哲也安藤
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2003-08-20
Filing date: 2003-08-20
Publication date: 2007-10-03
Anticipated expiration: 2023-08-20
Also published as: JP2005060201A

Description

本発明は、法面、又は、道路、鉄道、及び導水路等のトンネルにおいて、露出した地山面に急結性コンクリートを吹付ける吹付け工法に関する。

従来、トンネルの掘削作業等において露出した地山の崩落を防止するために、粉体の急結剤をコンクリートに混合した急結性コンクリートを吹き付ける工法が用いられている(特許文献１、特許文献２参照)。

これらの吹付け工法で使用する急結剤としては、急結性能が優れることからカルシウムアルミネートに、アルカリ金属アルミン酸塩又はアルカリ金属炭酸塩等を混合したものが使用されていた。
しかしながら、カルシウムアルミネートにアルカリ金属アルミン酸塩やアルカリ金属炭酸塩等を混合した急結剤よりも低ｐＨ値のもので、弱アルカリ性、好ましくは、中性又は弱酸性の急結剤が求められていた。

この問題を解決するため液体急結剤として硫酸アルミニウムや、アルカノールアミンを主成分とするものが用いられている(特許文献３参照)。
しかしながら、この液体急結剤は、初期強度発現が得にくく、従来の粉体系急結剤と比較して、トンネル坑内で厚吹きした場合には剥落する危険性があった。
近年では、人体への影響が従来の塩基性の急結剤と比較して少なく、初期強度発現性が優れる液体急結剤の開発が待たれていた。
特公昭６０−００４１４９号公報特開平０９−０１９９１０号公報特開平１０−０８７３５８号公報

本発明者は、以上の状況を鑑み、前記課題を解消すべく種々検討した結果、特定の吹付け工法を使用することで、アルカリ量が少なく、初期強度発現性が優れるとの知見を得て本発明を完成するに至った。

本発明は、セメント100部と生石灰−アウイン−石膏系膨張材１〜10部を混合してセメントコンクリートを調製した後、アルミニウム、イオウ、及びフッ素を含有してなる液体急結剤（SO₃ 100部に対して、アルミニウムをAl₂O₃換算で60〜110部、フッ素をF換算で15〜50部含有、固形分の濃度は25〜50％）をセメント100部に対して５〜15部を混合して急結性セメントコンクリートとし、この急結性セメントコンクリートを吹付けることを特徴とする吹付け工法であり、さらに、吹付け材料が水酸化カルシウム及び／又は水酸化アルミニウムを含有してなることを特徴とする該吹付け工法である。

本発明の吹付け材料および吹付け工法を採用することによって、液体急結剤中に含まれるアルカリ含有量が少ないことから、扱いが容易となり、また、初期強度発現性に優れるなどの効果を奏する。

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明でいうセメントコンクリートとは、セメントペースト、モルタル、及びコンクリートの総称である。
また、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。

本発明の液体急結剤は、アルミニウム、イオウ、及びフッ素を含有するものである。

本発明でのアルミニウムの供給原料は特に限定されるものではないが、アルミニウムの硫酸塩、アルミン酸塩、及びその他の無機アルミニウム化合物、有機アルミニウム化合物、並びに、アルミニウム錯体等の化合物が挙げられ、これらのうちの一種又は二種以上が使用可能であり、本発明では、イオウの供給原料ともなるアルミニウムの硫酸塩の使用が好ましい。

また、イオウの供給原料は特に限定されるものではないが、硫黄や硫黄華のような元素状態の硫黄の他に、硫化物、硫酸又は硫酸塩、亜硫酸又は亜硫酸塩、チオ硫酸又はチオ硫酸塩、並びに、有機硫黄化合物等が挙げられ、これらのうちの一種又は二種以上が使用可能である。これらのうち、水への溶解性が高く、製造コストが安く、かつ、急結性状が優れる面から硫酸又は硫酸塩が好ましく、硫酸塩のうち明礬類で、かつ、アルミニウムとアルカリ金属元素を含有する化合物がより好ましい。

また、フッ素の供給原料は、溶剤又は水に、溶解又は分散するものであれば特に限定されるものではなく、有機フッ素化合物、フッ化塩、ケイフッ化塩、及びフッ化ホウ素塩等が挙げられ、これらのうちの一種又は二種以上が使用可能であり、毒性や爆発性等の危険性がなく、製造コストが安く、かつ、急結性状が優れる面から、フッ化塩、ケイフッ化塩、及びホウフッ化塩が好ましい。

本発明の液体急結剤は、アルミニウム、イオウ、及びフッ素の元素以外に、アルカノールアミンを含有させることも可能である。

本発明で使用するアルカノールアミンとは、構造式においてＮ-Ｒ-ＯＨ構造を有する有機化合物である。
ここで、Ｒはアルキル基又はアリル基と呼ばれる原子団であり、例えば、メチレン基、エチレン基、及びｎ-プロピレン基等の直鎖型のアルキル基、イソプロピル基等の枝分かれ構造を有するアルキル基、並びに、フェニル基やベンジル基等の芳香族環を有するアリル基等が挙げられる。
また、Ｒは窒素原子と２箇所以上で結合していてもよく、Ｒの一部又は全部が環状構造であってもよい。
さらに、Ｒは複数の水酸基と結合していてもよく、アルキル基の一部に炭素や水素以外の元素、例えば、イオウ、フッ素、塩素、及び酸素等が含まれていてもよい。
このようなアルカノールアミンの例としては、エタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、N-メチルジエタノールアミン、N,N-ジメチルエタノールアミン、N,N-ジブチルエタノールアミン、N-(2-アミノエチル)エタノールアミン、三フッ化ホウ素トリエタノールアミン、及びこれらの誘導体等が挙げられ、本発明ではこれらのうちの一種又は二種以上を使用することができ、そのうち、ジエタノールアミン、N,N-ジメチルエタノールアミン、及びそれらの混合物が好ましく、ジエタノールアミンとN,N-ジメチルエタノールアミンの混合物がより好ましい。

アルミニウムの供給原料、イオウの供給原料、及びフッ素の供給原料、さらに、これらにアルカノールアミンを混合する方法は特に限定されるものではない。

液体急結剤中のアルミニウム、イオウ、及びフッ素の含有量は特に限定されるものではないが、含有量が多いほど急結性状は向上し、SO₃換算のイオウ100部に対して、アルミニウムをAl₂O₃換算で25〜110部、フッ素を２〜50部含有することが好ましい。含有割合の上限が設けられる理由は、液の粘性が高くなる、もしくは長期安定性が悪くなるなどの理由からであり、急結性状に悪影響を及ぼす理由からではない。
また、アルカノールアミンを使用する場合、アルカノールアミンは、SO₃換算のイオウ100部に対して、１〜30部含有することが好ましい。含有割合の上限が設けられる理由は、液の粘性が高くなる、もしくは長期安定性が悪くなるなどの理由からであり、急結性状に悪影響を及ぼす理由からではない。

本発明の液体急結剤は、多種材料を複合して使用する性質上、本発明の元素や成分以外のものも、本発明の効果を著しく低下させない範囲で含有させることも可能である。

また、本発明の液体急結剤と併用して既知の水溶性の水和促進剤を使用することは可能である。
水和促進剤としては、例えば、ギ酸又はその塩、酢酸又はその塩、及び乳酸又はその塩等の有機系の水和促進剤や、水ガラス、硝酸塩、亜硝酸塩、チオ硫酸塩、及びチオシアン酸塩等の無機系の水和促進剤を使用することが可能である。

液体急結剤中の固形分の濃度は、20〜60％であることが好ましく、25〜50％であることがより好ましい。20％未満では優れた急結性状が得られない場合があり、60％を超えるものでは、液の粘性が高く、ポンプでの圧送性が悪くなる場合がある。

本発明の液体急結剤は、弱酸性〜酸性であることが好ましく、ｐＨで２〜５程度が好ましい。

本発明の液体急結剤の形態は液状であり、懸濁液も含むものであり、懸濁液中の懸濁粒子のサイズは特に限定されるものではないが、懸濁粒子の分散性から、５μｍ以下であることが好ましい。

本発明の液体急結剤の使用量は、セメント100部に対して、３〜15部が好ましく、５〜10部がより好ましい。３部未満では、優れた急結性状が発揮されない場合があり、15部を超えると長期強度発現性が悪くなる場合がある。

本発明で使用するセメントは特に限定されるものではなく、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や、これらポルトランドセメントに高炉スラグ、フライアッシュ、及び石灰石微粉末を混合した各種混合セメントなどのいずれも使用可能である。混合セメントにおける混合物とセメントの割合は特に限定されるものではなく、これら混和材をJISで規定する以上に混合したものも使用可能である。
セメントの使用量は特に限定されるものではないが強度発現性が優れることから350kg/m³以上の使用量が好ましい。

本発明の吹付け材料は、液体急結剤と併用して、膨張材、水酸化カルシウム、及び水酸化アルミニウムなどの急結助剤を使用するものであり、これらの急結助剤を併用させることで液体急結剤の急結性を最大限に引き出すことが可能となる。
また、これらの急結助剤を使用することで、ベースとなるセメントコンクリートの流動保持性が悪くなる場合があり、その場合には、さらに、遅延剤を併用することが好ましい。急結助剤や遅延剤はあらかじめベースとなる吹付け用セメントコンクリートに含有させることが好ましい。

本発明で使用する膨張材は、膨張材中に含まれる鉱物と液体急結剤とが反応することにより初期強度発現性を高めるもので、遊離石灰と、石膏、カルシウムアルミノフェライト、カルシウムフェライト、アウイン、及びカルシウムシリケートから選ばれる一種又は二種以上とを含有するものである。
これらは同一焼成物でも、別々に合成されたものを混合したものでも使用可能であり、これらの鉱物の配合割合は特に限定されるものではない。

ここで、遊離石灰とは、CaOである。
また、石膏としては、無水、半水、及び二水石膏が使用可能である。
また、カルシウムアルミノフェライトとは、CaO-Al₂O₃-Fe₂O₃系鉱物の総称であり、代表的な鉱物としては、4CaO・Al₂O₃・Fe₂O₃が挙げられる。
カルシウムフェライトとは、CaO-Fe₂O₃系鉱物の総称であり、代表的な鉱物として2CaO・Fe₂O₃が挙げられる。
また、アウインとは、CaO-Al₂O₃-CaSO₄系鉱物の総称であり、代表的な鉱物として3CaO・3Al₂O₃・CaSO₄が挙げられる。
さらに、カルシウムシリケートとは、CaO-SiO2系鉱物の総称であり、代表的な鉱物として3CaO・SiO₂が挙げられる。

膨張材の粒度は特に限定されるものではないが、ブレーン比表面積値(以下、ブレーン値という)で2,000cm²/g以上が好ましい。2,000cm²/g未満では膨張破壊を生じる場合がある。
本発明の膨張材は、遊離石灰と、石膏、カルシウムアルミノフェライト、カルシウムフェライト、アウイン、及びカルシウムシリケートから選ばれる一種又は二種以上(以下、石膏類という)とを含有するものであり、各々の配合割合は、遊離石灰CaO100部に対して、石膏類が10〜400部が好ましく、20〜300部がより好ましい。10部未満では膨張材が風化しやすい場合があり、400部を超えると吹付け時の地山への付着性が愛知かする場合がある。

膨張材の使用量は特に限定されるものではないが、セメント100部に対して、１〜10部が好ましく、２〜５部がより好ましい。１部未満では優れた急結性が得られない場合があり、10部を超えると膨張破壊を生じる場合がある。

水酸化カルシウムや水酸化アルミニウムは、液体急結剤と反応することで初期の急結性を高めることが可能となるものである。
水酸化カルシウムは、生石灰や、カーバイドが水和した際に生じる消石灰を含むものであり、セメントコンクリートが水を使用する性質上、結果として水酸化カルシウムを多量に生成させる生石灰等の使用、もしくはこれを水酸化カルシウムと併用することは可能である。水酸化カルシウムの結晶の形態は特に限定されるものではない。

水酸化アルミニウムは、Al(OH)₃やAlO(OH)・ｎH₂Oなどの物質である。
水酸化アルミニウムには、結晶質や非晶質のものがあり、いずれも使用可能であるが、非晶質の水酸化アルミニウムを使用することが好ましい。

水酸化カルシウムや水酸化アルミニウムの粉末度は特に限定されるものではないが、ブレーン値で4,000cm²/g以上が好ましく、8,000cm²/g以上がより好ましい。4,000cm²/g未満では吹付け時の地山への優れた付着性が得られない場合がある。

水酸化カルシウム及び／又は水酸化アルミニウムの使用量は特に限定されるものではないが、セメント100部に対して、0.5〜５部が好ましく、0.8〜３部がより好ましい。0.5部未満では吹付け時の地山への優れた付着性が得られない場合があり、５部を超えると長期強度発現性が損なわれる場合がある。

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、ＡＥ剤、凝結遅延剤、増粘剤、及び繊維等の混和材又は混和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。

減水剤は、例えばリグニンスルホン酸系、ナフタレンスルホン酸系、及びポリカルボン酸系等の公知の減水剤すべてのものが使用可能である。

ＡＥ剤は、セメントコンクリートの凍害を防止するものである。

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。

増粘剤は、骨材、セメントペースト、及びその他添加剤の材料分離抵抗性を向上させるものであり、例えば、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、及びセルロースエーテルなどのセルロース系、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、及びポリブチレンオキサイドなどのポリマー、並びに、アクリル酸、メタクリル酸、及びエステルのコポリマーが主成分であるアクリル系ポリマーなどが使用可能である。

繊維は、セメントコンクリートの耐衝撃性や弾性の向上の面から使用するもので、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る。
また、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、これらのうち、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点で、50mm以下が好ましく、５〜30mmがより好ましい。繊維のアスペクト比は特に限定されるものではない。

本発明の法面やトンネルへの吹付け工法としては、一般的に行われている乾式、湿式のいずれの吹付け工法も可能である。そのうち、粉塵の発生量が少ない面で湿式吹付け工法が好ましい。

本発明の液体急結剤をセメントコンクリートに混合する場合、吹付け直前に混合することが好ましい。具体的には、圧送されてきたセメントコンクリートに液体急結剤を添加し、その急結性セメントコンクリートが吐出されるまでの時間を10秒以内にすることが好ましく、２秒以内がより好ましい。

本発明の液体急結剤は、40℃以上に加熱してセメントコンクリートに混和させることでより急結性を向上させることが可能である。

本発明の吹付け用セメントコンクリートのスランプ値やフロー値は特に限定されず、公知の施工システムの組み合わせの範疇で問題なく施工可能ならばいずれの値のものでも使用可能である。

セメント／砂が1/2.5、Ｗ／Ｃが45％の配合を用い、セメント100部に対して、膨張材５部を配合し、減水剤を使用してスランプ(SL)を15cm程度に調整したモルタルを調製した。
調製したモルタル中のセメント100部に対して、表１に示す液体急結剤10部を混合して型枠内に詰め込み、試験環境温度20℃で、プロクター貫入抵抗値を測定した。結果を表１に併記する。
なお、比較のため、膨張材を使用しない系でも同様に試験した。

＜使用材料＞
原料イ：アルミニウム供給原料、硫酸アルミニウム８水塩、和光純薬工業社製、試薬１級品
原料ロ：アルミニウム供給原料、水酸化アルミニウム、和光純薬工業社製、試薬１級品
原料ハ：イオウ供給原料、硫酸、和光純薬工業社製、試薬１級品
原料ニ：フッ素供給原料、フッ化ナトリウム、和光純薬工業社製、試薬１級品
原料ホ：アルカノールアミン、ジエタノールアミン、和光純薬工業社製、試薬１級品
液体急結剤：各原料を表１に示す元素組成になるよう計算して混合し、得られた混合物50部と水50部をボールミルで混合し、80℃で３時間攪拌
セメント：普通ポルトランドセメント、市販品、比重3.16
膨張材：生石灰−アウイン−石膏系膨張材、市販品
砂：新潟県姫川産川砂、比重2.62
減水剤：ポリカルボン酸系高性能減水剤、市販品
水：水道水

＜測定方法＞
プロクター貫入抵抗値：JSCE D102-1999に準じて測定、材齢10分

表１の実験No.1-10の液体急結剤を、セメント100部に対して、表２に示す量使用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。

セメント100部に対して、遅延剤0.15部、表３に示す量の膨張材と水酸化カルシウム及び／又は水酸化アルミニウムを使用し、表１の実験No.1-10の液体急結剤を、セメント100部に対して、10部使用してモルタルを調製したこと以外は実施例１と同様に行った。結果を表３に併記する。

＜使用材料＞
膨張材Ｂ：CaOとアウインの等量混合物の焼成物、炭酸カルシウムとアルミナと無水石膏を所定割合で混合粉砕して1,350℃で３時間合成したもの、ブレーン値3,000cm²/g
膨張材Ｃ：CaOと無水石膏の等量混合物、ブレーン値3,000cm²/g
遅延剤：クエン酸、和光純薬工業製、試薬１級品
水酸化カルシウム：和光純薬工業製、試薬１級品
水酸化アルミニウム：和光純薬工業製、試薬１級品

Claims

セメント100部と生石灰−アウイン−石膏系膨張材１〜10部を混合してセメントコンクリートを調製した後、アルミニウム、イオウ、及びフッ素を含有してなる液体急結剤（SO₃ 100部に対して、アルミニウムをAl₂O₃換算で60〜110部、フッ素をF換算で15〜50部含有、固形分の濃度は25〜50％）をセメント100部に対して５〜15部を混合して急結性セメントコンクリートとし、この急結性セメントコンクリートを吹付けることを特徴とする吹付け工法。
さらに、吹付け材料が水酸化カルシウム及び／又は水酸化アルミニウムを含有してなることを特徴とする請求項１に記載の吹付け材料の吹付け工法。