JP4005161B2 - 中込め注入材 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、中込め注入材、特に止水性確保を目的とするトンネル二次履工用の中込め注入材料に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
シールド工法によるトンネル工事では、その機構上、掘削された地山とセグメントとの間に隙間が発生し、この隙間を埋める為に裏込め材が注入される。この裏込め材として、各種硬化材スラリーに砂、泡、繊維等を混入した、所謂「一液性材料」が従来より使用されてきたが、これらの材料は、短期強さ発現性に乏しく、さらに掘削時又は掘削後、地下水や泥水等によって希釈されやすいという問題点があった。そこで最近では、短期強さ発現性に優れ、水に希釈されにくい特性を持つ材料、即ち、硬化材スラリーと珪酸ソーダ水溶液を、注入箇所直前で混合し注入する「二液混合型材料」が検討され、この材料が、隙間を残さず完全に注入されれば、トンネル・セグメント内の漏水は無くなると期待されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし実際には、切羽から隙間に入り込んだ土砂等の影響により、空洞部に裏込め材を完全に注入することは難しく、その為、漏水が止まることは少なく、通常、止水性を目的として何らかの二次履工が行われているのが現状である。
【0004】
二次履工の方法としては、セグメントの表面にコンクリート材料を内張り、或いは防水シートを組み合わる方法が一般的であるが、より完全に漏水防止を行う方法として、施工トンネル内部に鋳鉄管等の内管を設置し、そしてトンネル内部と内管との中空部に中込め材を充填する方法も提案されている。この中込め材は、裏込め材と同様、空間部を充填する事を目的としているから、一般的には裏込め材を中込め材としてそのまま利用することも少なくない。
【0005】
しかし上記のように、充填箇所に多量の漏水があり、止水性を目的とする中込め材として、従来の裏込め材を使用しても、止水効果は少ないため利用しずらいという課題があった。即ち、一液性材料では、当然、材料が希釈され、止水性はおろか耐久性も期待できないのに対し、二液性材料でもゲル化するまでの間に材料が希釈されやすく、不均一な材料となりやすい為に、いずれにしても漏水が発生しやすくなるからである。
【0006】
本発明は、このような事情に鑑みて鋭意検討してなされたものであり、止水性に優れることは勿論のこと、注入性、耐久性に優れる中込め材料を提供することを目的としている。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上述した本発明の目的は、フライアッシュ_と、セメントとを重量混合比で、8:2〜2:8の割合で混合した硬化材と、前記セメント量に対して0.1〜2重量%の遅延剤、前記硬化材量に対して80〜600重量%の水とを混合してなる硬化材スラリーA液と、珪酸ソーダ水溶液からなるB液とを、A液:B液=99:1〜94=6、好ましくは98:2〜96:4の体積比で混合することを特徴とする一液性、又は二液混合型中込め注入材によって達成される。
【0008】
また、硬化材スラリーA液が、更に無機質粘土鉱物からなる増粘材を前記A液1m3当たり80kg以下の割合で含む中込め注入材によって達成される。
【0009】
また、硬化材スラリーA液が、更に有機質増粘剤を前記A液1m3当たり5kg以下の割合で含む中込め注入材によって達成される。
【0010】
【発明の実態の形態】
従来、裏込め材の特性としては、施工を容易とする為の流動性と、地山の沈下量を抑制する為の短期強さ発現性が特に求められている。この要求特性を達成する為に、それぞれ流動性に優れている硬化材スラリーA液と珪酸ソーダ水溶液B液を別々に圧送し、注入箇所直前で混合、注入後、可塑状態を数十分間保った後、順調に強さを発現し、1時間後には地山相当の強さとなり、地山の沈下を抑制することができる「二液混合型材料」が裏込め材として使用されている。ここで、硬化材スラリーに対する珪酸ソーダ水溶液混合量は、一般的には通常7体積%以上、最低でも5体積%以上である。これは、この混合量より少ない量では所定材令後に地山相当の強さが得られない為である。
【0011】
またゲル化時間は、珪酸ソーダ水溶液の混合量が多い程長くなるが、上記のように混合量を5体積%以上にする必要があることや、ゲル化後の混合が実質困難になること、さらに注入箇所が複数である場合にゲル化時間が短いと注入圧がばらばらとなり施工管理しにくいこと等から、裏込めの場合のゲル化時間は10秒前後に調整される場合が多かった。
【0012】
しかしこの場合の材料を、水分が多量に存在する充填箇所に注入すると、ゲル化する迄の間に硬化材スラリーが希釈されやすくなるから、止水性を第一の目的とする中込め材には適応できなかった。そこで本発明材料のB液混合量は、珪酸ソーダ水溶液を6体積%以下、好ましくは4体積%以下とした。これは、ゲル化時間をできる限り短くし、水分による希釈を極力抑制しようとしたものである。
【0013】
そして、本発明材料は、ゲル化後の強さが裏込め材と比べて非常に弱い為に、ゲル化後の混合も可能で均一となりやすく、また注入性にも優れている。さらに、数日後以降の長期強さ発現性は珪酸ソーダ水溶液が少ない為に、アルカリ溶出量が少なく、また、硬化材本来の働きがほとんど阻害されず長期耐久性にも優れている。
【0014】
また、本発明材料の珪酸ソーダ水溶液混合量は1体積%以上としているが、これは混合量が1体積%より少なくなると2液混合後でも浮き水量が生じる為である。
【0015】
ここで、珪酸ソーダ水溶液としては、JIS K1408によって規定される2号、3号は勿論のこと、SiO2量が20〜40%、Na2O量が3〜20%程度のものが好適に使用される。
【0016】
次に、本発明材料の硬化材は、フライアッシュとセメントの混合物である。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、微粉末効果でセメント粒子に入り込み、さらにセメントがゼータ電位を持つ為に、セメントと凝集しブリージング率を少なくすることができる。この効果はフライアッシュの平均粒径が10μm以下の場合に顕著になるので、平均粒径10μm以下のフライアッシュの使用が好ましい。
【0017】
ここで、セメントとしては、各種ポルトランドセメント、特に普通及び早強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可能である。
【0018】
通常、裏込め材の場合、セメントを全く配合しない場合を除いて硬化材中のフライアッシュは多い程好ましいとされている。それは、フライアッシュには溶出性Ca2+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さは弱くなり、変形係数を低下させることができ、注入性が大幅に向上するからである。
【0019】
本発明では、B液の珪酸ソーダ溶液混合量が少ない為に、A液とB液混合直後の変形係数はそれほど高くならず、硬化材申のセメントの配合比がかなり高くなっても注入は可能であるが、セメント量が多くなるすぎると、ブリージング率特性を改善する為の増粘材、可使時間を改善する為の遅延剤等をより多く配合しなければならず、経済的でなくなる。さらに、3ヵ月材令以降のフライアッシュによる緩慢なポゾラン反応を期待することができなくなるので、好ましくない。したがって、本発明では、このフライアッシュとセメントとを重量混合比で、8:2〜2:8としたものを硬化材として使用した。
【0020】
またA液には可使時間の調整の為に遅延剤がセメント量に対して0.1〜2重量%配合される。これは遅延剤0.1重量%より少なく配合すると添加効果が少ないのに対し、遅延剤を2重量%より多く配合しても可使時間が改善されず、むしろ粘性力高くなる為に好ましくないからである。この遅延剤としては、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、スルホン酸系等の遅延剤を使用することができる。
【0021】
さらに、A液にはブリージング率を改善する為に、無機質増粘材や有機質増粘剤を使用する事が好ましい。無機質増粘材としては、各種ベントナイト、酸性白土等が挙げられるが、特にベントナイトが好ましく使用され、これを1m3当たり80kg以下の範囲で使用するのが好ましい。ここで、ベントナイトを80kgより多く配合すると流動性が悪化するので好ましくない。
【0022】
また、有機質増粘剤としては、セルロース系、アミド系、バイオポリマー系等が使用される。この増粘剤を使用すると比較的流動性を悪化させずに、A液のブリージング率を改善することができるが、必要以上に配合するとやや強度の発現が阻害される。したがって、有機質増粘剤は1m3当たり5kg以下の範囲で使用するのが好ましい。
【0023】
前記硬化材、遅延剤、増粘材等を水に配合してA液は作製される。ここで、A液の水分量は、硬化材に対して80〜600重量%である。これは、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、600重量%より大きくなると強さ発現性に劣り、A液のブリージング率が大きくなるので好ましくないからである。
【0024】
以上、本発明を注入箇所直前で混合する二液混合型材料を想定して説明してきたが、本発明は、珪酸ソーダ水溶液B液を硬化材スラリーA液に事前に混合する一液性材料として使用しても良い。また、使用用途も中込め材に限定されず、例えば強さ特性よりも止水性に重点を置く裏込め材等にも適用できることはもちろんのことである。
【0025】
【実施例】
以下に、実施例と比較例に基づき本発明をさらに説明するが、本実施例は例示であり本発明の範囲を限定するものではない。
1)使用材料
早強セメント:秩父小野田(株)製 早強ポルトランドセメント
JISフライアッシュ:四国電力(株)製 JISフライアッシュ
分級フライアッシュ:秩父小野田(株)製 商品名「小野田スーパーフロー」
一般ベントナイト:(株)豊順洋行製 商品名「はるな」
メチルセルロース系増粘剤:島津メカニックス(株)製 商品名「SP−G」
グルコン酸系遅延剤:島津メカニックス(株)製 商品名「SP−R」
珪酸ソーダー水溶液:島津メカニックス(株)製 商品名「SP−90」
ここで、本実験で使用した硬化材の性状を表1に示す。
【0026】
【表1】
【0027】
2)実験方法
実験で試作した裏込め材料注入材料1m3当たりの配合表を、表2にまとめて示した。
【0028】
【表2】
【0029】
3)実験結果
まず、A液試験結果を表3にまとめて示した。(なお、表3の項目では、セメントをC、フライアッシュをFA、水をWとそれぞれ略記している。)ここで、A液試験結果におけるけるゲル化時間とは、所定配合に相当するA液とB液を混合したときに、混合直後からゲル化により流動性が失われるまでの時間であり、3秒以下が好ましい。また、フロー値とは、アクリル製の円筒形シリンダー(内径80mm、高さ80mm)にA液を満たし、円筒形シリンダーを引き上げたときに、A液がどのくらい広がるかを測定した値であり、30cm以上が好ましい。そして、ブリージング率とは、A液500ccを分取し静置したときの浮き水量の度合いを示す値であり、24時間後のブリージング率は30%以下が好ましい。さらに、可使時間はA液が流動性を失うまでに要する時間を示し、12時間以上であることが好ましい。
【0030】
【表3】
【0031】
次に、A液+B液混合試験結果を表4にまとめて示した。これは、A液とB液を混合して、一軸圧縮強さ測定用として直径5cm、高さ10cmの円柱状供試体を成形し、20°Cの水中で養生後に各々の養生供試体の変形係数(E50)と一軸圧縮強さを測定した結果である。ここで、中込め材の特性としては、60分後の変形係数が50以下、7日の一軸圧縮強度が20kgf/cm3以上であることが好ましい。
【0032】
【表4】
【0033】
表3および表4の結果から、本発明の実施例である試験番号3及び4の条件では、中込め材として良好な特性が得られることが分かった。しかし、B液/A液の混合量比が1%より少ない試験番号2の条件では浮き水が生じ、またB液/A液の混合量が7%である試験番号5の条件では、ゲル化時間が長く、1時間後の変形係数も高すぎるので、中込め材としては好ましくなかった。。
【0034】
また、試験番号6の条件では、使用するフライアッシュとして分級品を使用しているが、この場合、JIS品を使用する場合に比べて、A液のブリージング率が改善されることが分かった。
【0035】
つぎに、硬化材の混合比が、セメント:フライアッシュ=5:5と本発明の実施例である試験番号8の条件では、良好な結果が得られたが、硬化材がフライアッシュのみである試験番号7の条件ではゲル化せず、また硬化材がセメントのみである試験番号9の条件では、A液のブリージング率がやや悪化し、1時間後の変形係数も高いので中込め材としては好ましくないことが分かった。
【0036】
また、遅延剤がセメントの1%である試験番号11の条件では、良好な結果が得られているが、遅延剤を配合していない試験番号10の条件では、A液の可使時間が短く、また遅延剤がセメントの3%である試験番号12の条件では、可使時間が24時間程度となり、遅延剤が1%の場合より悪化するので、好ましくないことが分かった。
【0037】
つぎに、増粘材として普通ベントナイトを40kg/m3、及び増粘剤としてメチルセルロース系助剤を2kg/m3配合した試験番号14、16の条件では、良好な結果が得られているが、増粘材を配合していない試験番号13の条件では、A液のブリージング率が高くなりすぎ、また、普通ベントナイトを100kg/m3配合した試験番号15の条件では、A液の粘性が高すぎる為に好ましくないことが分かった。また、メチルセルロース系助剤を10kg/m3配合した試験番号17の条件では、A液のブリージング率は0%となり、比較的良好な結果が得られているが、強度発現性がやや悪化するので好ましくなかった。
【0038】
本発明の実施例である水/硬化材比(セメント+フライアッシュ)が150%である試験番号19の条件では、中込め材として良好な結果が得られている。しかし、水/硬化材比が60%である試験番号18の条件では、A液のフロー値が低く、また水/硬化材比が700%である試験番号20の条件では、7日の一軸圧縮強度が6.2kgf/cm3と強さ発現性に劣り、A液のブリージング率も高くなるので好ましくないことが分かった。
【0039】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明中込め材料は、止水性に優れることは勿論のこと、注入性、耐久性に優れている材料である。従って、本発明中込め材料は、止水性が確保を目的とする、例えばトンネル二次履工用中込め材料等に好適に使用できる。
Claims (3)
- フライアッシュと、セメントとを重量混合比で、8:2〜2:8の割合で混合した硬化材と、前記セメント量(ニ液混合型中込め注入材の単位容積あたり350kg / m3以上である)に対して0.1〜2重量%の遅延剤、前記硬化材量に対して80〜600重量%の水とを混合してなる硬化材スラリーA液と、珪酸ソーダ水溶液からなるB液とを、A液:B液=98:2〜96:4の体積比で混合することを特徴とする二液混合型中込め注入材。
- フライアッシュと、セメントとを重量混合比で、8:2〜2:8の割合で混合した硬化材と、前記セメント量(ニ液混合型中込め注入材の単位容積あたり350kg / m3以上である)に対して0.1〜2重量%の遅延剤、前記硬化材量に対して80〜600重量%の水とを混合してなる硬化材スラリー A 液と、珪酸ソーダ水溶液からなるB液とを、別々に圧送し、注入箇所直前でA 液: B 液=98:2〜96:4の体積比となるように混合することを特徴とする二液混合型中込め注入材。
- フライアッシュと、セメントとを重量混合比で、8:2〜2:8の割合で混合した硬化材と、前記セメント量に対して0.1〜2重量%の遅延剤、前記硬化材量に対して80〜600重量%の水とを混合してなる硬化材スラリー A 液が、更に無機質粘土鉱物からなる増粘材を前記A液1m3当たり80kg以下、又は更に有機質増粘材を前記A液1m3当たり5kg以下の割合で含むことを特徴とする請求項1または請求項2のいずれかに記載の二液混合型中込め注入材。
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