JP4044887B2 - ボルト定着工法 - Google Patents

Description

本発明は、土木・建築分野で使用するセメント組成物、特に、道路、鉄道及び導水路等のトンネルにおいて、ロックボルト工法のボルト定着材や掘削時の注入材、及び法面のアンカー工法のボルト定着材等に使用できるセメント組成物及びこれを用いたボルト定着工法に関する。
なお、本発明における部や％は特に規定しない限り質量基準で示す。

トンネルのロックボルト工法や法面のアンカー工法では、削孔した後、セメント、細骨材、水を混合してモルタルを調製し、ポンプ圧送により孔にモルタルを充填し、ボルトを挿入するボルト定着工法が行われている。

この工法において、モルタルの水／セメント比を低減するとモルタルの強度、ボルトの定着力は増大するが、流動性が悪くなるためポンプ圧送、孔への充填が困難になる。逆に、モルタルの水／セメント比を増大するとポンプ圧送、孔への充填は容易となるが、充填後、逸流したり材料分離することにより、確実にボルトを定着できなくなるという問題があった。
特に、近年ロックボルト工法では、削孔した後にボルトを挿入し、ボルト中心部の孔から、又はボルト側面の隙間からモルタルを充填してボルトを定着する、後充填式工法が多くなり、この工法では水／セメント比を増大しないと充填が非常に困難であり、前述の課題が顕著であった。

本発明者は、種々検討を行った結果、孔への充填時は良好な流動性を保ち、充填後静置すると急激な粘度上昇を示し、逸流や材料分離を防止できるモルタルを得るための特定ののセメント組成物を見出し、本発明を完成するに至った。

本発明の構成は、セメント１００質量部に、膨張材２〜１５質量部、強熱減量５％以下のアルカリ金属アルミン酸塩０．１〜５．０質量部、アルカリ金属炭酸塩０．０５〜３．０質量部及び最大寸法１．２ｍｍ以下の細骨材を配合してなるセメント組成物を水で混練してなるモルタルを、削孔した孔に注入した後、ボルトを挿入して定着し、或いは削孔した孔にボルトを挿入した後、上記セメント組成物を水で混練してなるモルタルを、削孔した孔とボルトの隙間から充填してボルトを定着することを特徴とする。

すなわち、本発明はセメントに予め適正量の膨張材、アルカリ金属アルミン酸塩、アルカリ金属炭酸塩を添加したセメント組成物であり、このセメント組成物に適正量の細骨材を配合することによって得られたセメント組成物であり、このセメント組成物を水と混練したモルタルを削孔した孔に注入し、しかる後ボルトを挿入してボルトを定位置に定着する工法、或いは予め削孔した孔にボルトを挿入し、しかる後削孔した孔内のボルトとの空隙に、本発明モルタルを充填してボルトを定着する工法である。

本発明のセメント組成物やモルタルは道路、鉄道、導水路等のトンネルにおけるロックボルト工法や掘削時の注入工法、及び法面のアンカー工法等において、ポンプでの圧送時は良好な流動性を保ち、圧送停止後静置すると急激に粘度が上昇し、孔からの逸流や材料分離を防止できるため、確実なボルト定着が可能となる。

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、これらの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が挙げられる。
本発明のセメント組成物とは、上記セメントに膨張材、アルカリ金属アルミン酸塩、アルカリ金属炭酸塩等の配合物を、更には、細骨材を混合したものであり、細骨材を配合したセメント組成物を水と混練するとモルタルが得られる。

本発明で使用する膨張材としては、カルシウムサルホアルミネート系膨張材や石灰系膨張材が挙げられる。
膨張材の粒度はブレーン比表面積４０００〜９０００ｃｍ² ／ｇ、好ましくは５０００〜８０００ｃｍ² ／ｇである。４０００ｃｍ² ／ｇ未満では水和反応が遅く、９０００ｃｍ² ／ｇを越えると水和反応が早くなり過ぎ、所定の膨張が得られない場合がある。
膨張材の使用量はセメント１００部に対して２〜１５部であり、好ましくは３〜７部である。２部未満では収縮低減効果が少なく、１５部を越えると膨張量が大き過ぎて強度が低下するおそれがある。

本発明で使用するアルカリ金属アルミン酸塩（以下、アルミン酸塩という）は、セメントの初期凝結を促進するもので、水酸化アルミニウムとアルカリ金属水酸化物を混合溶解し、乾燥して粉末状として得られるものである。アルミン酸塩としては、アルミン酸ナトリウム、アルミン酸カリウム、アルミン酸リチウム等が挙げられ、これらの１種又は２種以上を使用してもよい。これらの中では充填後の増粘効果が大きい点でアルミン酸ナトリウムが好ましい。

アルミン酸塩の最大粒径は０．３ｍｍ以下であり、好ましくは０．０５〜０．２ｍｍである。０．０５ｍｍ未満だと吸湿して貯蔵安定性が悪くなるおそれがあり、０．３ｍｍを越えると充填後の増粘効果が充分に得られないおそれがある。
これらのアルミン酸塩は、製造条件により、無水物及び結晶水を有するものがあり、いずれも使用できる。アルミン酸塩の強熱減量は、セメントと混合した場合の貯蔵安定性が向上する点で１０％以下が好ましく、５％以下がより好ましい。１０％を越えるとセメントと混合した場合に貯蔵安定性が低下し、品質が低下するおそれがある。

アルミン酸塩の使用量は、セメント１００部に対して０．１〜５部であり、好ましくは０．２〜１部である。０．１部未満では充填後の増粘効果が充分でなく、５部を越えると増粘効果が大き過ぎてポンプ圧送が困難になりがちであり、長期強度発現性が低下するおそれがある。

本発明で使用するアルカリ金属炭酸塩（以下、炭酸塩という）としては、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、重炭酸ナトリウム等が挙げられ、これらの１種又は２種以上を使用してもよい。これらの中では、充填後の増粘効果が大きい点で炭酸カリウムが好ましい。
炭酸塩の使用量は、セメント１００部に対して０．０５〜３部、好ましくは０．１〜１．０部である。０．０５部未満では充填後の増粘効果が充分に得られない場合があり、５部を越えると増粘効果が大き過ぎてポンプ圧送が困難になりがちである。

本発明で使用する細骨材は特に限定するものではなく、川砂、山砂、石灰砂、硅砂等、何れも使用できる。
細骨材の最大寸法は１．２ｍｍ以下であり、０．６ｍｍ以下が好ましい。１．２ｍｍを越えると、現場施工時、特にロックボルト工法の後充填工法の場合、充填口が細いため、閉塞して良好に充填できない場合がある。
細骨材は、現場施工時の作業性や物性の変動が少ない点から、石灰砂又は硅砂等の乾燥砂を予め本セメント組成物に混合して用いるのが好ましい。

本発明では必要に応じて、減水剤や増粘剤等を更に使用してもよい。
本発明で使用する減水剤は、セメントコンクリートの流動性を改良するために使用する薬剤であり、液状でも粉状でも使用できる。減水剤としては、ポリオール誘導体、リグニンスルホン酸塩やその誘導体、高性能減水剤等が挙げられ、これらの１種又は２種以上を併用してもよい。これらの中では、強度発現性や流動性改良効果の大きい点で高性能減水剤が好ましい。

高性能減水剤としては、アルキルアリルスルホン酸塩のホルマリン縮合物、ナフタレンスルホン酸塩のホルマリン縮合物、メラミンスルホン酸塩の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挙げられ、これらの１種又は２種以上を併用してもよい。これらの中では、流動性改善効果が大きい点でナフタレンスルホン酸塩のホルマリン縮合物、メラミンスルホン酸塩のホルマリン縮合物及びポリカルボン酸系高分子化合物が好ましい。

減水剤の使用量は、セメント１００部に対して０．０５〜３部、好ましくは０．１〜２部である。０．０５部未満だと充分な流動性改良効果が得られ難く、３部を越えると流動性が大きくなり過ぎ、充填後の増粘効果を阻害したり、材料分離を起こし強度発現性が低下するおそれがある。
減水剤は液状や粉状のものが使用できるが、現場使用時の作業性や物性の変動が少ない点から、粉状の減水剤を本発明セメント組成物に予め混合して用いることが好ましい。

本発明で使用する増粘剤とは、セメントコンクリートに粘性を付与する薬剤であり、充填後の増粘効果を更に高めるものである。増粘剤としては、メチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシエチルメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース及びヒドロキシエチルエチルセルロース等のセルロース類；アルギン酸、アルギン酸ナトリウム、β−１，３グルカン、プルラン、グアーガム、カゼイン及びウェランガム等の多糖類；酢酸ビニル、エチレン、塩化ビニル、メタクリル酸、アクリル酸、アクリル酸ナトリウム及び不飽和カルボン酸等のビニル重合体やこれらの共重合体、並びに、酢酸ビニル重合体やその共重合体をケン化したポリビニルアルコール骨格に変性したもの等のエマルジョン類が挙げられ、これらの１種又は２種以上を併用してもよい。これらの中では充填後の増粘効果が大きい点でセルロース類が好ましい。

増粘剤の使用量は、セメント１００部に対して、０．００５〜０．１部であり、好ましくは０．００８〜０．０５である。０．００５部未満だと充分な増粘効果が得られ難く、０．１部を越えると増粘効果が大きくなり過ぎ、ポンプ圧送が困難になったり、強度発現性が低下する場合がある。

更に、本発明では、高温時の本発明セメント組成物の粘度上昇時間及び凝結時間を遅延させるために、有機酸又はその塩、有機酸又はその塩と炭酸塩の混合物、リン酸塩、ホウ酸塩又はその塩及びアルコール類等の凝結遅延剤を使用してもよい。

本発明セメント組成物に対する水の使用量は、水／セメント比で４５〜７５％、好ましくは５０〜７０％である。４５％未満だと流動性が不足し、ポンプ圧送が困難になりがちであり、７５％を越えると材料分離を起こし強度発現性が低下するおそれがある。

セメントＡ１００部、表１に示す量の膨張材ａ、アルカリ金属アルミン酸塩及びアルカリ金属炭酸塩を配合した。細骨材α５０部及び水６５部を混合して本発明モルタルを作成し、経時時間毎の粘度、膨張率及び圧縮強度を測定し、表１に併記した。
＜使用材料＞
セメントＡ： 普通ポルトランドセメント、市販品
膨張材ａ：石灰系膨張材、市販品
アルカリ金属アルミン酸塩： アルミン酸ナトリウム、市販品、強熱減量２．０％
アルカリ金属炭酸塩： 炭酸カリウム、市販品
細骨材α： 硅砂、市販品、最大寸法０．５ｍｍ

＜試験方法＞
粘度： 本発明モルタルをカップに入れ、Ｂ型粘度計により測定した。測定時間は練り上がり直後から５分毎とした。
膨張率： 本発明モルタルを土木学会標準のφ５０ｍｍポリエチレン袋に採取し、ＪＳＣＥ−Ｆ ５２２−１９９９に準じて材齢３時間と２０時間に測定した。
圧縮強度： 本発明モルタルを４０×４０×１６０ｍｍの型枠に採取し、ＪＩＳ Ｒ ５２０１に準じて材齢１日と２８日に測定した。

セメントＢ１００部、膨張材ｂ５部、アルカリ金属アルミン酸塩０．６部、アルカリ金属炭酸塩０．５部及び細骨材β５０部を、表２に示す量の減水剤及び増粘剤と、水５５部とを混合して本発明モルタルを作成したこと以外は実施例１と同様にして試験を行った。その結果を表２に併記した。

＜使用材料＞
セメントＢ： 早強ポルトランドセメント、市販品
膨張剤ｂ： カルシウムサルホアルミネート系膨張剤、市販品
細骨材β： 新潟県青海産石灰砂、最大寸法０．６ｍｍ
減水剤： 高性能減水剤、ナフタレンスルホン酸塩のホルマリン縮合物、粉状
増粘剤： メチルセルロース、市販品

セメントＢ１００部、膨張材ｂ５部、アルカリ金属アルミン酸塩０．６部、アルカリ金属炭酸塩０．５部、細骨材β５０部、減水剤１部及び増粘材０．０２部と、表３に示す量の水を混合して本発明のモルタルを作成した以外は、実施例１と同様に試験を行い、その結果を表３に併記した。

Claims (2)

1. セメント１００質量部に、膨張材２〜１５質量部、強熱減量５％以下のアルカリ金属アルミン酸塩０．１〜５．０質量部、アルカリ金属炭酸塩０．０５〜３．０質量部及び最大寸法１．２ｍｍ以下の細骨材を配合してなるセメント組成物を水で混練してなるモルタルを、削孔した孔に注入した後、ボルトを挿入して定着することを特徴とするボルト定着工法。
2. 削孔した孔にボルトを挿入した後、セメント１００質量部に、膨張材２〜１５質量部、強熱減量５％以下のアルカリ金属アルミン酸塩０．１〜５．０質量部、アルカリ金属炭酸塩０．０５〜３．０質量部及び最大寸法１．２ｍｍ以下の細骨材を配合してなるセメント組成物を水で混練してなるモルタルを、削孔した孔とボルトの隙間から充填してボルトを定着することを特徴とするボルト定着工法。