JP4006496B2 - 急結剤 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、吹付けコンクリ−ト用の急結剤に関する。
【０００２】
【従来の技術】
掘削されたトンネルや地下空間の建設工事では、露出面にコンクリ−トを吹き付けてライニングし、該露出面の崩落を防止する方法が広く実施されている。
コンクリ−ト吹付け工法としては、乾式工法と湿式工法が知られているが、湿式工法は、乾式工法に比べて、粉塵の発生が少ないという利点を有するため、吹付け工法の主流となっている。
【０００３】
近年、大断面のトンネルやより大型の地下空間の建設が益々増加している。
それらの工事に使用される吹付けコンクリ−トは、その長期強度を向上させることにより、コンクリ−トの肉厚を小さくすることができる。その結果、吹付け工事のサイクルの短縮、ひいては工期全体を短縮できるうえに、材料費を低減できるので経済的である、という点から長期強度の改良は、建設増加に対処するための重要な課題である。
【０００４】
その長期強度を改良する方法として、本発明者らは、［カルシウムアルミネ−ト］−［硫酸塩］−［Ｎａ₂Ｏ／Ａｌ₂Ｏ₃のモル比が１．０未満であるアルミン酸ナトリウム］の３成分系急結剤であって、「Ｎａ₂Ｏ量が２．０〜１０．０質量％」に限定した急結剤について、特許出願した（特願２００１−１９６１７４号）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
その後、上記３成分系急結剤を多数の吹付け工事に実施した。
該急結剤を用いた吹付け工事では、ほとんどの場合、急結剤をベ−スコンクリ−ト混練物へスム−スに定量供給できた。しかも、吹付けたコンクリ−トは、
・急結性が優れ、
・長期強度の発現がよいうえ、変動が小さい
という安定かつ良好な品質のものであった。
【０００６】
しかしながら、前記３成分系急結剤を使用した吹付け工事において、該急結剤を、特定の普通ポルトランドセメント（フリ−ライムが少ない）を配合したベ−スコンクリ−ト混練物に添加した場合、混合直後に可塑性がなくなり、こわばりが生じた（試験例参照）。
そのために、
・ベ−スコンクリ−トと急結剤との混合部で閉塞が生じたり、
・吹き付けられたコンクリ−トが緻密化せず、急結性や強度発現が低下する、
という欠点のあることが判明した。
【０００７】
本発明は、上記欠点に鑑みなされたものであって、その目的は、
前記した３成分系急結剤について再研究し、
「ベ−スコンクリ−ト混練物に急結剤を添加した吹付けコンクリ−トに可塑性を保持させ、こわばりを生じさせないようにすること」
にあり、
それによって、吹き付けられたコンクリ−トを緻密化し、長期強度発現（材齢：２８日）を維持しつつ、
・急結性、
を改良した急結剤を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記目的を達成すべく３成分［カルシウムアルミネ−ト、硫酸塩およびアルミン酸ナトリウム］を主体にして鋭意研究した結果、それらに特定量のポルトランドセメントを混合し４成分として、ベ−スコンクリ−ト混練物に添加した場合、前記欠点を解消することを知見して本発明を完成した。
【０００９】
すなわち、本願の発明（急結剤）は、
「・カルシウムアルミネ−ト、
・硫酸塩、
・Ｎａ₂Ｏ／Ａｌ₂Ｏ₃のモル比が１．０未満であるアルミン酸ナトリウム、および
・ポルトランドセメント
を含有する急結剤であって、
該急結剤中の
▲１▼Ｎａ₂Ｏ量が１．５〜１０．０質量％であり、かつ、
▲２▼カルシウムアルミネ−ト、硫酸塩およびアルミン酸ナトリウムの合計量１００質量部に対して、ポルトランドセメントの量が１．０質量部以上であるこ
と」（請求項１）
を要旨とする。
【００１０】
また、上記において、
・アルミン酸ナトリウムのＮａ₂Ｏ／Ａｌ₂Ｏ₃のモル比が０．６５〜０．９５であること（請求項２）、および／または
・硫酸塩が石膏であること（請求項３）
をも発明とするものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の急結剤について詳細に説明する。
急結剤は、カルシウムアルミネ−ト、硫酸塩、アルミン酸ナトリウム（Ｎａ₂Ｏ／Ａｌ₂Ｏ₃（モル比）：１．０未満）およびポルトランドセメントの４成分を含有する。
該急結剤は、４成分とも粉末であり、それらの混合物である。
【００１２】
最初に、４成分について説明する。
カルシウムアルミネ−トは、ＣａＯ原料（例；生石灰、消石灰、石灰石）とＡｌ₂Ｏ₃原料（例；水酸化アルミニウム、アルミナ）を混合し、該混合物を電気炉などの加熱炉で焼成または溶融し、冷却したのち、粉砕して製造されたものであり、結晶質、非晶質のいずれであってもよい。
なお、前記原料には、ＳｉＯ₂、Ｆｅ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、ＭｇＯなどの不純物が含まれており、工業的に製造されたカルシウムアルミネ−トには、それら不純物が不可避的に含まれる。その不純物合計量が１０質量％以下ならば、本発明の目的を妨げることはない。
【００１３】
カルシウムアルミネ−トは、急結性の点から、ＣａＯ／Ａｌ₂Ｏ₃（モル比）が１．６〜２．５の範囲の非晶質のものが好ましい。
【００１４】
カルシウムアルミネ−トは、ブレ−ン比表面積が４５００ｃｍ²／ｇ以上であるのが好ましい。
４５００ｃｍ²／ｇ未満では、良好な急結性が得られない場合がある。また、ブレ−ン比表面積は、それを大きくするほど、粉砕時間を要し生産性が低下しコスト高になるので、好ましいのは５０００〜７０００ｃｍ²／ｇである。
なお、ブレ−ン比表面積は、大きいほど急結性は良好である反面、吸湿性も大きくなる。そのために、急結剤は、貯蔵期間が長ければ長いほど急結性が低下する、という好ましくない現象が生じるので、前記４成分を急結剤として混合したのち、できるだけ早く吹付け工事に使用するのが良い。
【００１５】
硫酸塩は、具体的に、硫酸ナトリウム、硫酸カリウムなどのアルカリ金属硫酸塩、硫酸マグネシウム、石こうなどのアルカリ土類金属硫酸塩、硫酸アルミニウムなどが挙げられる。強度発現性から、石こうの使用が好ましい。
石こうとしては、無水石こう、半水石こう、２水石こう、またはこれらの混合物が挙げられる。中でも、急結性および強度発現性から、無水石こうを使用するのが最も好ましい。
【００１６】
硫酸塩の細かさは、特に限定するものではないが、好ましくは３０００ｃｍ²／ｇ以上である。強度発現性およびコストを考慮した場合、より好ましいのは４０００〜１００００ｃｍ²／ｇの細かさのものである。
【００１７】
アルミン酸ナトリウムは、Ｎａ₂Ｏ／Ａｌ₂Ｏ₃のモル比が１．０未満のものであることが重要である。急結性の観点からすれば、該モル比が０．６５〜０．９５のものを使用するのが好ましい。
Ｎａ₂Ｏ／Ａｌ₂Ｏ₃（モル比）が１．０以上のアルミン酸ナトリウムを混合した急結剤は、吸湿性が大きくなり種々のトラブルの原因となり好ましくない。例えば、吹付け工事において、急結剤を急結剤供給装置にフィ−ドしたとき、該供給装置内のスリット板を閉塞したり、ギヤの上方にア−チを形成したりして、ベ−スコンクリ−トへの急結剤の定量供給ができなくなることがある。
なお、Ｎａ₂Ｏ／Ａｌ₂Ｏ₃（モル比）が０．６５未満のアルミン酸ナトリウムを用いた急結剤は、急結性が小さく好ましくない。
【００１８】
急結剤の１成分として混合されるポルトランドセメントは、普通・早強・中庸熱・低熱・耐硫酸塩ポルトランドセメント各種のものが使用できる。
急結性の点から、普通ポルトランドセメントまたは早強ポルトランドセメントが好ましい。
【００１９】
なお、上記ポルトランドセメントの品種は、ベ−スコンクリ−トに配合されるポルトランドセメントの品種と一致していなくても良い。
例えば、普通ポルトランドセメントが配合されたベ−スコンクリ−トに、早強ポルトランドセメントを混合された急結剤を添加して吹付け工事を行なっても、吹付けコンクリ−トは、適当な可塑性を保持しこわばりもなく、かつ、急結性、長期圧縮強度などへ悪影響を及ぼすことはない。
【００２０】
急結剤を構成するカルシウムアルミネ−ト、硫酸塩およびアルミン酸ナトリウムの３成分の割合は、
・カルシウムアルミネ−ト：３０〜８０質量％、
・硫酸塩 ：１０〜６０質量％、
・アルミン酸ナトリウム ：１０〜３０質量％
が好ましい。
急結性および強度発現性の点から、カルシウムアルミネ−ト：４０〜６０質量％、硫酸塩：２０〜４８質量％およびアルミン酸ナトリウム：１２〜２０質量％がより好ましい。
【００２１】
上記割合において、
・カルシウムアルミネ−トが３０質量％未満では、急結性が小さくなり、８０質量％を超えると強度発現性が小さくなり、いずれも好ましくない。
・硫酸塩が１０質量％未満では、強度発現性が小さくなり、６０質量％を超えると、急結性が小さくなり、いずれも好ましくない。
・アルミン酸ナトリウムが１０質量％未満では、急結性が小さくなり、３０質量％を超えると強度発現性が小さくなり、いずれも好ましくない。
【００２２】
急結剤が上記４成分の構成をとると共に、重要なことは、
▲１▼急結剤のＮａ₂Ｏ量が１．５〜１０．０質量％の範囲にあること、および
▲２▼添加されるポルトランドセメントの量は、カルシウムアルミネ−ト、硫酸塩およびアルミン酸ナトリウムの３成分の合計量１００質量部に対して１．０質量部以上であること、
を同時に充足していなければならない。
【００２３】
上記▲１▼急結剤中のＮａ₂Ｏ量の限界について説明する。
Ｎａ₂Ｏ量が１．５質量％未満では、急結性が小さくなり、逆に、１０．０質量％を超えると長期強度の発現性が低下するので、好ましくない。
急結性および強度発現性の点から２．０〜７．５質量％が好ましいＮａ₂Ｏ量である。
【００２４】
上記▲２▼のポルトランドセメントの量が、１．０質量部未満では、特定の普通ポルトランドセメントを使用したベ−スコンクリ−ト混練物に添加した場合、可塑性、こわばりなどが改良されず目的が達成できないので、好ましくない。
好ましい添加量は、急結性、コストなどの観点から３〜１０質量部である。
【００２５】
カルシウムアルミネ−ト、硫酸塩、アルミン酸ナトリウムおよびポルトランドセメントの混合方法は、特に限定するものではなく、上述した数値範囲内の割合に配合したのち、慣用の混合装置を用いて混合すれば良い。
【００２６】
本発明の急結剤の添加量は、ベ−スコンクリ−トに配合されているセメントに対し４〜１０質量％（外割）が好ましい。
添加量が４質量％（外割）未満では、急結性が小さくなり、１０質量％（外割）を超えると長期強度（材齢：２８日）の低下率（％）が大きく、コスト高にもなり、いずれも好ましくない。
【００２７】
本発明の急結剤を添加する吹付け用ベ−スコンクリ−トは、特に限定するものではなく、スランプ：５〜２４ｃｍのコンクリ−ト、スランプフロ−：４００〜７５０ｍｍの高流動コンクリ〜トなどが挙げられる。
【００２８】
ベ−スコンクリ−トの製造に使用される材料は、常套のものが用いられ、以下にまとめて説明する。
使用されるセメントは、普通・早強・中庸熱・低熱ポルトランドセメント、高炉セメント、フライアッシュセメントなどの混合セメント、都市ゴミ焼却灰、下水汚泥焼却灰などの廃棄物を原料としたエコセメントなどが挙げられる。
また、それらのセメントの一部が石灰石粉末、シリカフュ−ムなどで置換されたセメント、該セメントに石こうを添加したセメントも使用できる。
減水剤は、アルキルアリルスルホン酸系、ナフタレンスルホン酸系、メラミンスルホン酸系、ポリカルボン酸系などの減水剤（ＡＥ減水剤、高性能減水剤、高性能ＡＥ減水剤も含む）が挙げられ、液状または粉末状どちらでも使用できる。
細骨材は、川砂、海砂、山砂、砕砂およびこれらの混合物が挙げられる。
粗骨材は、川砂利、海砂利、砕石およびこれらの混合物が挙げられる。
【００２９】
上記原料を用いたベ−スコンクリ−トの製造方法は、特に限定するものではなく、慣用のミキサ−で混合すれば良い。
【００３０】
本発明の急結剤は、湿式吹付け工法に適用することができる。吹付け装置なども、従来より用いられている装置をそのまま利用することができる。
【００３１】
［試験例１〜１１］
全国各地から入手した普通ポルトランドセメントを用いて製造したベ−スコンクリ−ト混練物に、従来の３成分系急結剤を添加した吹き付けコンクリ−トについての試験を行なった。
【００３２】
使用した各材料は、次のとおりである。
１）ベ−スコンクリ−ト
（１）セメント；表１に示すフリ−ライムを有する市販の普通ポルトランドセメント１０種（Ａ〜Ｊ）
（２）高性能減水剤；ポリカルボン酸系（注１）
（３）細骨材；北九州市小倉南区産の砕砂および長崎県壱岐郡郷ノ浦沖合の海砂の混合砂（重量比３：７）
（４）粗骨材；北九州市門司区鹿喰産砕石６号
（５）水；水道水
（注１）エヌエムビ−（株）社製「ＮＴ−１０００Ｓ」
【００３３】
２）３成分系急結剤
（１）カルシウムアルミネ−ト；生石灰および純アルミナ（注１）をＣａＯ／Ａｌ₂Ｏ₃（モル比）が１．８になるように混合し、得られた混合物を１６００℃で溶融し冷却したのち、ブレ−ン比表面積５０００ｃｍ²／ｇに粉砕して調製した。カルシウムアルミネ−トは、非晶質であった。不純物としてＳｉＯ₂：２．７質量％、Ｆｅ₂Ｏ₃：０．８質量％、ＴｉＯ₂：１．２質量％、ＭｇＯ：０．４質量％を含有していた。
（２）硫酸塩；無水石こう（ブレ−ン比表面積４０００ｃｍ²／ｇ）（注２）
（３）アルミン酸ナトリウム；Ｎａ₂Ｏ／Ａｌ₂Ｏ₃（モル比）が０．８５のアルミン酸ナトリウム（注３）
（注１）日本軽金属（株）社製
（注２）第一セメント（株）社製
（注３）昭和電工（株）社製
【００３４】
表１に示すＡ〜Ｊの普通ポルトランドセメントを用い、表２に示す配合にしたがって各材料を２軸強制練りミキサ（１．０ｍ³）に一括投入し、９０秒間混練してベ−スコンクリ−ト混練物を製造した。その場合、該混練物は、高性能減水剤を３．１５〜４．５０ｋｇ／ｍ³の範囲で変動させ、スランプ：２０ｃｍに調整した。
一方、従来の３成分系急結剤［２］は、表３に示す成分の割合で、混合装置（注１）に投入し製造した。
（注１）宝工機（株）社製「マイクロスピ−ドミキサ」
【００３５】
前記の各ベ−スコンクリ−ト混練物を吹付け装置（注１）を用いてポンプ圧送し、その途中で上記３成分系急結剤［２］を急結剤供給装置（注２）によって添加し、模擬トンネル内壁に１．０ｍ³吹き付けた。
なお、ベ−スコンクリ−ト混練物の圧送圧力は約０．２５ＭＰａ、急結剤［２］の添加時の圧力は約０．３ＭＰａであった。
（注１）ＭＥＹＣＯ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ（株）社製「ＭＥＹＣＯＳｕｐｒｅｍａ」
（注２）日本プライブリコ（株）社製「Ｑガン」
【００３６】
【表１】

【００３７】
【表２】

【００３８】
【表３】

【００３９】
吹付けコンクリ−トについて、次に示す測定を行なった。
１）急結性；吹付け直後のコンクリ−トをサンプリングし掌に採り、握り潰せない場合を「○」、若干潰せる場合を「△」、握り潰せる場合を「×」として評価した。
２）圧縮強度；３０×４０×２０ｃｍの寸法の木箱にコンクリ−トを吹付け、φ５×１０ｃｍの供試体を採取し、２０℃湿空中で養生したのち、「ＪＩＳ Ａ１１０８（コンクリ−トの圧縮強度試験方法）」に準じて材齢；２８日の圧縮強度を測定した。
それらの結果を、表１に併記した。
【００４０】
試験の結果、一部の普通ポルトランドセメント［Ｇ］および［Ｊ］を用いたベ−スコンクリ−トに３成分系急結剤を添加して吹き付けた場合、こわばりが生じ急結性を低下させた（試験例７および１０）。
［Ｇ］および［Ｊ］のセメントは、他のセメントに比べてフリ−ライムが少なく、急結性低下の一要因と思われる。
なお、急結剤を添加しない吹付けコンクリ−トは、長期圧縮強度は良好であるが、急結性が著しく悪い（試験例１１）。
【００４１】
【実施例】
（実施例１〜１０）
以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
前記３成分系急結剤［２］を用いた試験例において、表３に示す４成分系急結剤［１］を使用した以外は、全て試験例に準じ、表１に示すＡ〜Ｊの普通ポルトランドセメントを用い、表２に示す配合にしたがってベ−スコンクリ−トを製造し、吹付けコンクリ−トについて急結性および圧縮強度を測定し、得られた結果を表１に併記した。
該急結剤［１］に用いたセメントは、早強ポルトランドセメント（注１）であった。
（注１）太平洋セメント（株）社製
【００４２】
上記測定の結果、本発明に基づく４成分系急結剤［１］を用いた吹付けコンクリ−トは、全ての場合において、急結性も圧縮強度（材齢；２８日）も共に、良好であった（実施例１〜１０）。
すなわち、４成分系急結剤［１］を用いた場合、ベ−スコンクリ−トに配合される普通ポルトランドセメントが、どのセメントであっても、たとえ、フリ−ライムの少ないセメントであっても、本発明の目的を達成できることが判明した。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、
本発明は、カルシウムアルミネ−ト、硫酸塩、特定のアルミン酸ナトリウムおよびポルトランドセメントを含有する４成分系急結剤であって、Ｎａ₂Ｏ量が特定され、かつ、ポルトランドセメントの割合が他の３材料に対して特定された急結剤であることを特徴とし、これにより、
ベ−スコンクリ−トに急結剤を添加した吹付けコンクリ−トに可塑性を保持させこわばりを無くし、もって、そのコンクリ−トの長期圧縮強度を維持しつつ、急結性を改良できる、という効果を奏する。
【００４４】
本発明の急結剤は、単純な構成でありながら、全国各地で製造されるベ−スコンクリ−トに適用できるようにした点、その経済的メリットは大きく、かつ、急結剤の製造は、容易であり経済的負担が小さいので、当業界への寄与は大きい。

Claims (3)

1. カルシウムアルミネ−ト、硫酸塩、Ｎａ₂Ｏ／Ａｌ₂Ｏ₃のモル比が１．０未満であるアルミン酸ナトリウムおよびポルトランドセメントを含有する急結剤であって、該急結剤中のＮａ₂Ｏ量が１．５〜１０．０質量％であり、かつ、カルシウムアルミネ−ト、硫酸塩およびアルミン酸ナトリウムの合計量１００質量部に対して、ポルトランドセメントの量が１．０質量部以上であることを特徴とする急結剤。
2. アルミン酸ナトリウムのＮａ₂Ｏ／Ａｌ₂Ｏ₃のモル比が０．６５〜０．９５であることを特徴とする請求項１記載の急結剤。
3. 硫酸塩が石膏であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の急結剤。