JP4157318B2 - 吹付けコンクリート用粉体急結剤及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、吹付けコンクリートに使用する急結剤、とりわけ吹付け時の発生粉塵量を低減できる粉体状の急結剤とそれに関わる吹付けコンクリート用粉体急結剤の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術とその問題点】
掘削したトンネルや地下空間などの建設工事では、掘削露出面にコンクリートを吹付けてライニングし、該露出面の崩落を防止することが広く行なわれている。
【０００３】
コンクリートの吹付け工法としては、湿式工法と乾式工法が知られている。湿式工法では、未硬化のコンクリート混練物を輸送パイプを通して圧送し、先端の吹付けノズルから吹出し、露出面にコンクリートを吹付けてライニングする。ここでベースコンクリートだけでは付着性が悪く、吹付け物の垂れが見られたり、特に吹付け厚さが厚い場合には吹付け物が自重で落下する虞れがある等の理由から、急結剤をベースコンクリートの圧送途中で加え、コンクリートに急結性を付与させることが行なわれている。
同様にコンクリートに急結性を付与させることに配慮した乾式工法では、骨材、セメント及び急結剤の混合粉を吹付けノズルから露出面に吹付け、別に圧送された水と共に掘削露出面に吹付けて、ライニングすることが行なわれている。
【０００４】
従来から、湿式吹付けコンクリートに用いる急結剤としては、カルシウムアルミネート系鉱物を主成分とした粉体急結剤と、アルミン酸塩や炭酸アルカリや硫酸アルミニウム等の水溶液を主成分とした液体急結剤があることが知られている。粉体急結剤を使用した吹付け工法では、液体急結剤を使用した場合に比べて、急結性に優れている、という利点がある。一方で、急結剤が粉体であるため、急結剤粉末が粉塵として発生するという欠点がある。また、一般に乾式工法は湿式工法に比べて吹きつけの際、粉塵発生量が多くみられるため、今日では湿式工法がコンクリート吹付けの主流になっている。しかるに、湿式工法でも、一般に高速度で圧送中のベースコンクリートに急結剤が加えられるため、両者の混合状態は必ずしも十分とは言い難く、混合されずに残った急結剤粉末がそのまま吹き出されて粉塵として発生することが見られ、発生量は乾式工法よりは少ないもののトンネル等の閉塞された作業現場では長時間粉塵が浮遊している状態になりやすい。
【０００５】
このため、増粘剤などをベースコンクリートに加え、粉末状の急結剤をベースコンクリート中に取り込み易くする方法が知られているが、発生浮遊粉塵の大半を占める急結剤微粉分は十分取り込まれずにそのまま吹き出されるものが多い。一方、急結剤自体に増粘剤や結合剤の類を添加し、粉塵となる微粉分を凝集接着させた塊粒にし、単独粒子として存在する微粒子を極力低減させると浮遊粉塵発生を抑制できる可能性がある。しかるに、当該結合性成分を添加した急結剤は、微粉分低減に有効な添加量にすると、造粒化が進み易くなり、その結果、従来の急結剤供給装置を使用すると圧送負荷の増大をもたらし、供給量が制約されたり、更には供給装置内や吹付け装置内に急結剤が付着し易く、そのまま固結すると供給・輸送管内が閉塞する虞れも生じる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記問題点の解決、即ち供給・輸送時の圧送性に支障が無く、浮遊粉塵発生の少ない吹付けコンクリート用粉体急結剤並びに該吹付けコンクリート用粉体急結剤に関する比較的簡易な製造方法を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは前記課題の解決策を得るべく鋭意検討した結果、結合性成分が加えられた急結剤の急結剤供給装置での圧送負荷の増大や供給装置内や吹付け装置内の付着は、主に急結剤粉粒物の表面に残存する結合性成分によるものであることをつきとめ、以下の（１）〜（２）の手段を講じた吹付けコンクリート用粉体急結剤並びに（３）〜（４）の手段を講じた吹付けコンクリート用粉体急結剤の製造方法によって、この課題を解決するに至った。
【０００８】
即ち、本発明は、（１）急結性粒子が結合性成分を介して結合形成された粒状集合体を含有してなる吹付けコンクリート用粉体急結剤であって、粒状集合体の表面に該結合性成分が実質存在しないことを特徴とする吹付けコンクリート用粉体急結剤。（２）粒状集合体を形成せず且つ結合性成分が表面に実質存在しない急結性の単粒子を含むことを特徴とする前記（１）の吹付けコンクリート用粉体急結剤。（３）液状結合性成分を急結性粒子に噴霧添加した後、急結性粉末、粉末状減水剤、シラスバルーン、シリカフューム、活性粘土鉱物粉末の何れか１種又は２種以上を添加混合することを特徴とする吹付けコンクリート用粉体急結剤の製造方法。（４）前記（３）の急結性粉末、粉末状減水剤、シラスバルーン、シリカフューム、活性粘土鉱物粉末の何れか１種又は２種以上の添加量が、急結性粒子１００重量部に対し１〜２０重量部である吹付けコンクリート用粉体急結剤の製造方法。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の吹付けコンクリート用粉体急結剤を構成する急結性粒子とは、モルタルやコンクリートに急結性を付与できる急結成分を主成分とする粒子であればその化学組成、構造状態等は限定されない。例を挙げれば、カルシウムアルミネート系組成物、カルシウムサルホアルミネート系組成物、カルシウム−ナトリウム−アルミネート系組成物、カルシウム−フロロ−アルミネート系組成物、≡焼明礬石等があり、その状態も化合物、固溶体、非晶質体又はこのうち２種以上が共存するものであっても良い。また該急結性粒子は急結成分以外の成分、例えば急結促進成分など、が含まれていても良い。
【００１０】
本発明の吹付けコンクリート用粉体急結剤は、複数の前記急結性粒子が結合性成分を介して結合形成された粒状集合体を含むものである。この結合性成分とは急結性粒子自体とは化学成分的に異なる化学物質であり、この化学物質の介在のもとに急結性粒子同士を互いに結合若しくは接着させることができる能力を有するものであれば、特に限定されない。具体例を挙げれば、アクリル酸又はその塩、ポリアクリル酸塩、メタクリル酸、アクリル酸−アクリル酸エステル共重合体、アクリル酸−アクリル酸エステル−メタクリル酸エステル共重合体、メタクリル酸−アクリル酸エステル−メタクリル酸エステル共重合体、アクリル酸−メタクリル酸−アクリル酸エステル共重合体、アクリル酸−メタクリル酸−メタクリル酸エステル共重合体、アクリル酸−メタクリル酸−アクリル酸エステル−メタクリル酸エステル共重合体、アクリル酸塩−アクリルアミド共重合体、エチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシエチルメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ヒドロキシブチルメチルセルロース、ヒドロキシエチルエチルセルロース、ジメチルアミノエチルメタクリレート、カルボキシメチルセルロース、カルボキシメチルセルロースナトリウム塩、ポリジメチルジアリルアンモニウム塩、澱粉−アクリル酸−アクリル酸ナトリウム共重合体、酢酸ビニル、酢酸ビニル−マレイン酸ナトリウム共重合体、酢酸ビニル−エチレン共重合体、酢酸ビニル−エチレン−塩化ビニル共重合体、酢酸ビニル−エチレン−アクリル酸エステル共重合体、酢酸ビニル−エチレン−メタクリル酸共重合体、ポリアクリルアミド、ポリアクリルアミドのマンニッヒ変性物、ポリエチレンオキサイド、ポリビニルアルコール、ホリメタクリル酸メチル、グアーガム又はその変性体、ガゼイン、アルギン酸ナトリウム、澱粉、グルコマンナン、アラビナン、アラビノガラクタン、ナフタレンスルホン酸塩、リグニンスルホン酸塩、ポリカルボン酸塩、アルキルアリルスルホン酸塩、メラミンスルホン酸塩、ナフタレンスルホン酸−ホルマリン縮合物、アルキルナフタレンスルホン酸−ホルマリン縮合物、フェノールスルフォネート−ホルムアルデヒド縮合物、ビニルスルフォネート−ホルムアルデヒド縮合物、ジブチルフタノール、トリブチルホスフェート、アルキルフェノール、ポリグリコール、ポリオキシエチレン、ポリオキシプロピレン、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ポリエチレングリコール、低級アルコールのアルキレンオキサイド付加物、ポリテトラフルオロエチレン、ジメチルシリコーン、変性シリコーン、グリセリン、プロピレングリコール、ポリプロピレングリコール、エポキシ樹脂、流動パラフィン、パラフィン系炭化水素を主成分とする油脂又は該油脂とドデシルポリオキシエチレンエーテル等の乳化剤との混合物、ナフテン系炭化水素を主成分とする油脂又は該油脂とドデシルポリオキシエチレンエーテル等の乳化剤との混合物、等がある。尚、急結性成分と結合性成分との水和反応を避ける上で、該結合性成分中の混合水の量は極力少ない方が良く、該結合性成分中の構造水を除いた水の含水率は０．５重量％以下であることが好ましい。
【００１１】
本発明の吹付けコンクリート用粉体急結剤は、該結合性成分が粒状集合体表面にできるだけ存在しない方が望ましい。結合性成分が粒状集合体表面に存在すると、当該粒状集合体同士が接着して粗大化が過度に進み、粉体性状が失われて急結剤圧送時の流動性が低下したり、ベースコンクリートへの分散性が低下する他、急結剤供給装置内で付着する可能性が生じる。しかるに、本発明では粒状集合体表面へ露呈残存する当該結合性成分を完全無にまでする必要は無く、かかる現象の発生に繋がる可能性がほぼ皆無となる微少量の存在は許容される。この微少量の目安としては、粒状集合体表面に露呈している結合性成分の表面積が粒状集合体表面積の概ね１％以下の値であれば良い。又、製造過程において粒状集合体表面へ大量の結合性成分が残存しても、構造状態の変化、化学組成の変化や揮発成分の揮発等に伴って、常温で極短時間に表面での結合性や接着性をほぼ完全に喪失するものであれば、表面残存物は結合性の成分ではなくなるので、急結性状に影響を及ぼさない限り、量の多少を問わずその存在は許容される。本発明おいて、粒状集合体の表面に該結合性成分が実質存在しないものとは、これらの点を含むものを意味する。
【００１２】
また、吹付け施工時に発生する浮遊性の粉塵は主に急結剤の微粉分に由来することを鑑み、急結剤の粗粒分、即ち概ね７μｍ以上の単粒子は粒状集合体を形成せずに単粒子のまま存在しても良い。これは、吹付け時にベースコンクリートなどに取り込まれない粒子であっても粗大粒子は浮遊性の粉塵とはなることは無く、極短時間に落下するためである。このような粗粒分粒子についても前記粒状集合体と同様の理由から、粒状集合体形成に関わった結合性成分と同様の成分が、急結性単粒子表面にできるだけ存在しない方が望ましい。従って、本発明の吹付けコンクリート用粉体急結剤は、前記粒状集合体を含むと共に、粒状集合体を形成せずに且つ結合性成分が表面に実質存在しない急結性の単粒子を含むものであっても良い。ここで、結合性成分が表面に実質存在しない急結性の単粒子とは、前述した粒状集合体での場合と同様の意味である。また、単粒子と共存する粒状集合体は、微粉同士の結合物からなることが好ましいが、粒度分布が広範囲な場合、微粉分のみを選択的に結合させることは容易でないため、浮遊性粉塵に繋がる微粉分が極力低減できれば、微粒子が粗粒子に付着した粒状集合体を含むものであっても良い。
【００１３】
結合性成分が粒状集合体表面や粗粒子表面に残存させないための手法は特に限定されないが、粒子間結合部のみに選択的に存在させることは製造上必ずしも容易ではない。このため、粒状集合体や粗大単粒子の表面に結合能力を有する成分が残存する場合、表面に残存する該成分を物理的に剥ぎ取る、化学的処理により残存する当該成分の露呈表面を変質させる、又は当該成分の露呈表面に結合能力を有さない物質を結合させて覆う、などの手法を適宜条件を定めて行使すれば良い。或いは、粒子間の結合介在部では結合状態を維持させつつ、露呈表面において結合能力を比較的短時間に喪失するような成分を選定しても良い。好ましい具体例として、以下の吹付けコンクリート用急結剤の製造方法の中で開示する方法が、比較的簡易であって、しかも量産にも適する。
【００１４】
本発明の吹付けコンクリート用粉体急結剤の製造方法は、任意の急結成分を主成分とする急結性粒子を慣用のミキサーや粉体撹拌器等に投入して混合若しくは撹拌しながら、前記結合性成分の液状物を急結性粒子に噴霧添加する。尚、該急結性粒子として市販の吹付けコンクリート用粉体急結剤をそのまま使用することもできる。結合性成分は必ずしも常温で液体のものに限る必要はない。水以外の任意の溶媒に、例えば、溶媒単位重量あたり約１０重量％以上の比較的高濃度で溶解可能なものは当該溶媒に溶解させた液状物として使用できる。また、常温を超えて３００℃程度までの融点を有する結合性成分は、噴霧装置に通じる噴霧液貯蔵器をこの融点を幾分超える温度に加熱することで液状物として噴霧できる。この場合は貯蔵タンクから噴霧装置迄の経路や噴霧口周辺まで当該温度に加熱保温されると一層好ましい。常温で使用溶媒に対する溶解度が低い結合性成分は、該溶媒の沸点以下の温度に適宜加熱してその溶解量を高めて得た液状物として噴霧使用することもできる。噴霧は急結性粒子の作製段階で急結性粒子の構成材料混合時に行なっても良い。液状結合性成分の噴霧量は、急結性粒子１００重量部に対し、０．５〜２０重量部とし、噴霧時間は、被噴霧物の量に応じて概ね斑無く噴霧できるよう適宜定めれば良く、例えば被噴霧物に対する液状結合性成分１重量％あたり概ね１０〜６００秒で行なうのが望ましい。尚、噴霧添加に使用する装置は特に限定されないが、一例を挙げればレーディゲミキサーが使用できる。噴霧完了後は、１〜５分程度混合又は撹拌する。これ以上の混合・撹拌は粒子結合による造粒肥大化が過度に進むことがあるので好ましくない。次いで、噴霧が行なわれた急結性粒子１００重量部に対し、１〜２０重量部の量の、急結性粉末、粉末状減水剤、シラスバルーン、シリカフューム、活性粘土鉱物粉末の何れか１種又は２種以上の粉末を噴霧済急結性粒子に添加し、十分混合する。１重量部未満の添加量では急結性粒子表面に残存する結合性成分表面を十分覆うことが困難になることがあるので好ましくない。また２０重量部を超える量の添加では結合性成分に付着されない添加粉末が増大し、新たな粉塵源に繋がることがあるので好ましくない。
【００１５】
ここで粉末状減水剤とは、粉末状のものであれば通常の減水剤の他、高性能減水剤、ＡＥ減水剤、高性能ＡＥ減水剤の何れであっても良い。また、急結性粉末とは、モルタルやコンクリートに急結性を付与できる急結成分を主成分とする粉末であればその化学組成、構造状態等は限定されず、例を挙げれば、カルシウムアルミネート系組成物、カルシウムサルホアルミネート系組成物、カルシウム−ナトリウム−アルミネート系組成物、カルシウム−フロロ−アルミネート系組成物、≡焼明礬石等があり、その状態も化合物、固溶体、非晶質体又はこのうち２種以上が共存するものであっても良い。また該急結性粉末は急結成分の他に急結成分以外の成分、例えば急結促進成分など、が含まれていても良く、また、噴霧処理される急結性粒子と同成分の粉末であっても良い。活性粘土鉱物粉末とは、公知の含水粘土鉱物から構造水を一部又は殆ど除去した活性状態の粉末をいい、含水粘土鉱物の種類は限定されない。シラスバルーンやシリカフュームは、公知の粉体状のものであれば何れのものでも使用できる。このような粉末を噴霧済急結性粒子に添加・混合することにより、噴霧済急結性粒子（単粒子及びその粒状集合体を含む）に表面残存する結合性成分に添加粉末が付着または結合性成分が添加粉末内に含浸吸収されるため、形成された急結性粒子表面に露呈残存する結合性成分は殆ど見られなくなる。
【００１６】
本発明における吹付けコンクリート用粉体急結剤を使用した施工方法は、従来より行なわれている湿式工法又は乾式工法の何れの方法によっても良いが、粉塵発生量が少ないことから湿式工法が推奨される。湿式工法で行なう場合の一例を示すと、少なくともセメントと骨材と水からなる公知配合のコンクリート混練物（ベースコンクリート）の圧送途中で、急結剤供給装置から本粉体急結剤を連続供給し、これを吹付け機で吹付ける。吹付け装置及び急結剤供給装置も、粉体急結剤用として従来より用いられている装置を任意に適用することができる。尚、何れの工法でも、硬化前のコンクリート混練物又は水添加前のコンクリート配合物への本吹付けコンクリート用急結剤の添加量は、コンクリート中のセメント１００重量部につき概ね５〜１５重量部とする。
【００１７】
【実施例】
以下、実施例により本発明を説明する。
［使用材料］
（１）セメント：普通ポルトランドセメント（太平洋セメント(株)製）
（２）細骨材：北九州市門司区産砕砂（比重；２．６９）３０重量部と長崎県壱岐郡郷ノ浦沖合海砂（比重；２．５９）７０重量部の混合物
（３）粗骨材：北九州市門司区鹿喰産砕石（比重；２．８０）
（４）急結性粒子：市販吹付けコンクリート用粉末状急結剤（品名；ショットマスター、太平洋セメント(株)製）
（５）液状噴霧剤：次のＡ〜Ｇ。但し、Ａ〜Ｄは常温（約２０℃）での液状噴霧剤。Ｅ〜Ｇは高温環境での液状噴霧剤。
Ａ：ジエチレングリコール
Ｂ：低級アルコールのアルキレンオキサイド付加物（平均分子量２００）
Ｃ：４０℃での粘度約７０ｍｍ²／ｓの流動パラフィン
Ｄ：ナフタレンスルホン酸アンモニウム塩溶解のメタノール（メタノール１００重量部に、ナフタレンスルホン酸アンモニウム塩３０重量部が溶解してなる液）Ｅ：エチレン−酢酸ビニル共重合体
Ｆ：エチルセルロース
Ｇ：ポリメタクリル酸メチル
（６）粉末添加剤：次のＨ〜Ｋ。
Ｈ：上記（４）と同一の粉末急結剤
Ｉ：ポリカルボン酸系粉末状高性能減水剤（品名；コアフローＮＦ−１００、太平洋セメント(株)製）
Ｊ：シラスバルーン粉末（品名；サンキライト、三洋化成工業(株)製）
Ｋ：ブレーン比表面積約２０万ｃｍ²／ｇのシリカフューム（ＳＫＷイーストアジア(株)製）
【００１８】
［粉体急結剤の調整］
前記（４）の吹付けコンクリート用粉末状急結剤１０００Ｋｇを常温（約２０℃）下に設置したミキサーに投入し、混合しながら前記（５）のＡ〜Ｇの液状噴霧剤を、それぞれ(株)丸山製作所製の噴霧装置を用い、該噴霧装置の噴霧剤貯留器を表１に記した温度に加熱し、表１に示す量を毎分１０Ｋｇで定量噴霧添加した。噴霧終了後は更に約３分間混合を続けた。次いで、（６）のＨ〜Ｋの粉末添加剤を急結剤１００重量部に対してそれぞれ表１に示す添加量となるように、噴霧処理された急結剤に添加し、約１分間常温混合を行なった。
【００１９】
【表１】

【００２０】
［ベースコンクリートの作製］
前記（１）〜（３）の材料及び水を用い、（１）；３６０Ｋｇ／ｍ³、（２）；９８３Ｋｇ／ｍ³、（３）；７００Ｋｇ／ｍ³
、水；２１６Ｋｇ／ｍ³の配合となるよう市販の二軸強制練りミキサー（内容積２．５ｍ³）に一括投入し、約４５秒混練してベースコンクリートを作製した。
【００２１】
［吹付けコンクリートの作製とその吹付け試験］
湿式工法により、前記のベースコンクリートに急結剤の供給装置としてスギウエエンジニアリング(株)製Ｔ−クリートを使用し、添加剤を配合調整した各粉体急結剤を表１に記す配合量（ベースコンクリート中のセメント単位重量あたりの重量％）となるよう常温で加えた。吹付け装置としてスギウエエンジニアリング(株)製スイングエースを使用し、シートで閉鎖し無風状態となった気温約２０℃の模擬トンネル内で急結剤が加えられたコンクリートの吹付けを行い、トンネル吹付け面の正面で距離７ｍ地点での粉塵量を測定した。尚、吹付け速度及び１回の吹付け時間は、１０ｍ³／時×１０分間とした。粉塵濃度計を用いて測定した粉塵量を表１に記す。
【００２２】
また、同一の急結剤供給装置を用いて、シリンダー回転数６０Ｈｚで運転することにより、前記表面処理済みの各粉体急結剤の最大圧送量を測定することにより、各粉体急結剤の圧送性を評価した。この結果も表１に併せて記す。尚、吹付けコンクリートの急結性を、吹付け後約１分経過の状態を指触により調べた結果、何れの実施例、比較例とも握り潰せない状態となっており、良好な急結性が得られていることを確認した。
【００２３】
【発明の効果】
本発明による吹付けコンクリート用粉体急結剤はコンクリート吹付け時の急結剤粉体に由来する浮遊粉塵発生量が著しく少なく、また急結剤供給装置内での急結剤の圧送性に何ら支障を及ぼすことなく、所望の急結性状を吹付けコンクリートに付与することができる。また、このような吹付けコンクリート用粉体急結剤は、特殊な設備や複雑な工程操作を用いることなく容易に製造することができる。

Claims (4)

1. 急結性粒子が結合性成分を介して結合形成された粒状集合体を含有してなる吹付けコンクリート用粉体急結剤であって、粒状集合体の表面に該結合性成分が実質存在しないことを特徴とする吹付けコンクリート用粉体急結剤。
2. 粒状集合体を形成せず且つ結合性成分が表面に実質存在しない急結性の単粒子を含むことを特徴とする請求項１記載の吹付けコンクリート用粉体急結剤。
3. 液状結合性成分を急結性粒子に噴霧添加した後、急結性粉末、粉末状減水剤、シラスバルーン、シリカフューム、活性粘土鉱物粉末の何れか１種又は２種以上を添加混合することを特徴とする吹付けコンクリート用粉体急結剤の製造方法。
4. 請求項３の急結性粉末、粉末状減水剤、シラスバルーン、シリカフューム、活性粘土鉱物粉末の何れか１種又は２種以上の添加量が、急結性粒子１００重量部に対し１〜２０重量部である吹付けコンクリート用粉体急結剤の製造方法。