JP4158151B2 - 速硬性軽量充填モルタル - Google Patents

Description

この発明は速硬性軽量充填モルタル、例えば構築物と地山との空隙部、特に水流が存在する空隙部などに充填される気泡を含んだモルタルまたはコンクリート中に添加される速硬材を含んだ速硬性軽量充填モルタルに関する。

一般にトンネル、橋梁および擁壁などは、施工される地山との間に空隙部が存在する。この空隙部を埋める従前の技術として、硬化後の強度が小さく、低コストで、しかも現場での製造が可能な、気泡を含む気泡モルタルを裏込め材として利用することが提案されている（特許文献１）。
しかしながら、上記空隙部に多量の水が存在する場合、この気泡モルタルでは水との接触により材料分離が発生しやすく、気泡の消滅、体積減少が起きて安定した気泡モルタル硬化体が得にくかった。
そこで、これを解消する従来技術として、例えば特許文献２に記載された速硬性軽量充填モルタルが知られている。この速硬性軽量充填モルタルとは、起泡剤の添加によってエアを含む気泡モルタルの中に、硫酸アルミニウム、ミョウバン、塩化アルミニウムなどの水溶性のアルミニウム塩を、アルミナ換算で０．８〜４．５重量％程度添加したものである。

特開平５−１１２９１１号公報 特開平７−９０８３７号公報

このような従来のアルミニウム塩およびアルミン酸塩（ここで使用するアルミン酸塩は強アルカリで、アルミニウム塩よりも速硬性を有している）を含有した速硬材は、粉体の状態で現場に運び込まれ、空隙部に注入される直前に気泡モルタル中に混入されていた。
このように、速硬性軽量充填モルタルが使用される現場は高湿度の環境となる。そのため、粉体のアルミン酸塩が潮解して固結物となりやすく、速硬材がハンドリングしにくかった。そこで、アルミン酸塩をスラリー（水溶物）化して取り扱うことが考えられる。しかしながら、スラリー状のアルミン酸塩は長時間放置するとゲル化し、スラリーを安定的に供給することがむずかしくなるという別の問題が発生することになった。

そこで、この発明者は、鋭意研究の結果、潮解による速硬材のハンドリング性の低下は、炭酸カルシウム／アルミン酸塩のモル比が１．５〜６となる量だけ炭酸カルシウムをアルミン酸塩に混合することで解消し、またスラリー状の速硬材のゲル化は、アルミン酸塩／炭酸ナトリウムのモル比が１〜１３となる分量だけ炭酸ナトリウムを混合すれば解消することを知見し、この発明を完成させた。

この発明は、粉体状態でのハンドリングが容易で、しかもスラリー状態で長時間放置してもゲル化が起きにくい速硬性軽量充填モルタルを提供することを、その目的としている。

この発明に係る速硬材は、アルミン酸塩、炭酸カルシウムおよび炭酸ナトリウムを有し、前記炭酸カルシウム／アルミン酸塩のモル比が１．５〜６、前記アルミン酸塩／炭酸ナトリウムのモル比が１〜１３である。
この速硬材は、主にアルミン酸塩を主原料とし、気泡を含む気泡モルタルまたはコンクリートなどに混入されて使用される。
炭酸カルシウム／アルミン酸塩のモル比は１．５〜６である。モル比１．５未満では速硬性が強すぎて速硬材の量を減らす必要がある。しかしながら、そうすると気泡モルタルとの混合がうまくいかない。また、モル比６を超えると速硬性が弱まり、速硬性軽量充填モルタルが水に接触したときに分離する。
粉体としての炭酸カルシウムの粉末度としては、ブレーン比表面積で２５００ｃｍ²／ｇ以上、または、８０％通過粒径で５〜５０μｍ程度が好ましい。炭酸カルシウムの粉末の添加は、セメントによる強度増加を抑制するとともに、吸湿による固結を防止し、速硬材のハンドリングを容易にする。また、炭酸カルシウムの添加によって、速硬材の溶液量を気泡モルタルの４％（容積）程度まで増量し、混合後の速硬性軽量充填モルタルの均一化が図れる。

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などを採用することができる。Ｒ₂Ｏ／Ａｌ₂Ｏ₃のモル比は、通常、０．８〜２．６であり、１〜２が好ましい。
アルミン酸塩／炭酸ナトリウムのモル比は１〜１３である。モル比１未満では水との接触により材料分離が生じる。また、モル比１３を超えると速硬材スラリーを１時間放置するだけでゲル化が発生する。
粉体としての炭酸ナトリウムは、Ｎａ₂ＣＯ₃が９９．０％以上で、性状は白色の粉末または粒である。

この速硬材は、通常、気泡モルタルに対して、注入を行う直前にスラリー状態で混入される。気泡モルタルには、粘結剤を添加した方が好ましい。こうして得られた速硬性軽量充填モルタルは、混合後、所定の時間内は流動性を有している。そのため、空隙部への注入（充填）作業が容易であり、しかも粘結剤の影響でモルタル自体が粘性を有しており、水中でも材料分離が少なく、かつ所定時間が経過した後は速やかに硬化する性質を有する。

請求項１の発明は、気泡を含む気泡モルタルと、アルミン酸塩、炭酸カルシウムおよび炭酸ナトリウムを有し、前記炭酸カルシウム／アルミン酸塩のモル比が１．５〜６で、前記アルミン酸塩／炭酸ナトリウムのモル比が１〜１３である速硬材とを混合した速硬性軽量充填モルタルである。
気泡モルタルとは、起泡剤の添加によりエアを含ませたモルタルである。気泡を含ませる方法としては、例えばミキサ内でモルタルと起泡剤とを激しく攪拌する方法、水溶液の起泡剤を空気とともに発泡機の内部で攪拌し、生クリーム状の泡として連続的に製造する方法などが採用される。

起泡剤としては、市販されている界面活性剤や動物性蛋白質などの起泡剤を採用することができる。その使用量は、気泡モルタル中の空気量（気泡量）が２０〜７０％程度となる分量である。この気泡量が２０％以下では、気泡モルタルが重くなり、強度も大きくなりすぎて不経済である。また、７０％を超えると水中で充填材が不安定となり好ましくない。気泡量の好ましい値は３０〜６０％である。
気泡モルタルを製造する際の混練水量は、水／セメント比で７０〜１２０％である。７０％未満では流動性が不足し、所定の作業時間が得られない。１２０％を超えると、材料分離、脱気泡が生じ、気泡モルタルの品質が不安定となり好ましくない。好ましい範囲としては、７０〜１００％である。
この気泡モルタルは、間隙部に充填する際、モルタル自体に粘性を有しているので、気泡が抜けにくく、体積収縮が小さい充填材料となる。

上記速硬材は、一般的に水を加えた速硬材スラリーとして使用される。この速硬材スラリーには、粘結剤を添加してもよい。粘結剤を添加することで、速硬材スラリーの粘性が増加し、材料分離が起きにくく、取り扱いも容易となる。しかも、気泡モルタルとの混合が容易になり、モルタル中の気泡が混練時に減少するのを防げる。
粘結剤としては、セルロース系およびアクリル系などの市販の有機性粘結剤を採用することができる。例えばセルロースエーテル、メチルセルロースなどである。粘結剤の添加量は、速硬材に対して外割で０．０２〜０．５重量％である。０．０２重量％未満では、添加量が不足し、所定の粘性が得られない。０．５重量％を超えると、粘性が大きすぎて混合の効果が得られない。好ましい添加量としては０．０５〜０．２５重量％程度である。

速硬材スラリー中の水量は、水／速硬材比で５０〜２００％である。５０％未満では、水が少なすぎて速硬材スラリーの量が減り、気泡モルタルとうまく混合できない。２００％を超えると、水量が多すぎてゲル化が遅れる。好ましい水／速硬材比は、１００％程度である。
セメントに対する速硬材の混合量は、外割で５〜２０重量％である。５重量％未満では硬化（凝結）が遅く、注入時に材料分離が起こりやすい。２０重量％を超えると、硬化が速すぎて所定の作業時間を確保できない。好ましい混合量は５〜１５重量％である。
速硬材スラリーは、速硬材と所定量の水とをミキサーで混合することで製造される。得られた所定量の速硬材スラリーを気泡モルタルに添加し、ミキサーにより混合することで、速硬性軽量充填モルタルが製造される。

請求項２の発明は、前記アルミン酸塩が、アルミン酸ナトリウムである請求項１に記載の速硬性軽量充填モルタルである。

請求項３の発明は、前記気泡を含む気泡モルタルが、セメント、細骨材および粘結剤を有し、これらに、起泡剤を発泡させたフォーミング状物を混合させたものである請求項１または請求項２に記載の速硬性軽量充填モルタルである。
セメントとしては、「ＪＩＳ Ｒ ５２０１」に規定する各種ポルトランドセメント、高炉セメント、シリカセメント、フライアッシュセメント、特殊セメント、および高炉スラグ（水砕高炉スラグ）にアルカリ性物質を混合したものなどを採用することができる。
細骨材としては、コンクリート用であれば限定されない。細骨材の使用量は、例えばセメント１００重量部に対して１００〜４００重量部である。１００重量部未満では、セメントの使用量が若干増加し、充填材の価格が若干高価となる。４００重量部を超えると、細骨材の使用量が若干多くなりすぎ、所定の発泡量が得にくい。

粘結剤としては、上記セルロース系およびアクリル系などの市販の有機性粘結剤を採用することができる。粘結剤の使用量は、セメント１００重量部に対して０．５〜２．０重量部が好ましい。０．５重量部未満では若干粘性が不足し、材料分離が発生しやすく、施工時に気泡が抜けやすい。２．０重量部を超えると、若干粘性が大きすぎて流動性が悪くなる上、充填材の価格も高くなるので経済的でない。
この粘結剤の種類によっては、水との接触時に粒子の表面のみが溶解し、ゲルを形成して粒子内への水の浸透を妨げ、完全に溶解するまでに長時間を要する現象、いわゆる「ままこ」が発生する。そのため、これを防ぐ処置を施しておく方が好ましい。

また、「ままこ」防止処置の有無にかかわらず、セメントなどの粉体とプレミックスしておけば、それを防げる。
気泡モルタルの製造にあっては、まずセメントと細骨材と粘結剤と水とをミキサで混練し、粘性を有するモルタルを製造する。一方、起泡剤を発泡機により発泡させ、フォーミング状物を作製する。その後、これらのモルタルとフォーミング状物とを混合して、気泡モルタルを製造する。

この発明の速硬性軽量充填モルタルは、炭酸カルシウムを炭酸カルシウム／アルミン酸塩のモル比で１．５〜６だけ混合するので、粉体状態での速硬材のハンドリングが容易となる。また、炭酸ナトリウムをアルミン酸塩／炭酸ナトリウムのモル比で１〜１３だけ添加するので、スラリー状態で速硬材を長時間放置してもゲル化がしにくいという効果が得られる。

以下、実施例に基づき、この発明を詳細に説明する。ただし、本発明はこの実施例に限定されない。

図１は、この発明の速硬性軽量充填モルタルの製造方法の概念を示す模式図である。
この実施例で使用する材料の一覧を表１に示す。また、セメント、速硬材に添加される炭酸カルシウムの物性を表２に示す。だだし、各粒径の測定は、シーラス社製レーザー粒度分析装置（ＨＲ８５０型）を使用した。
この表１に示す材料を、表３および表４に示す割合で配合する。次いで、生コンクリート工場内で、可傾式ミキサーによりセメントと細骨材とに所定量の水を加えて３分間だけ練り混ぜた。次に、これを図１に示す生コンクリート車１０で現場に運び込み、荷台に搭載されたドラム１１を使用して、水で１０倍に希釈した粘結剤をモルタルに添加し、さらに高速度で５分間だけ練り混ぜて粘結剤混入モルタルを製造した。

また、水で１０倍に希釈した起泡剤を発泡機で発泡させ、これと前記粘結剤混入モルタルとを生コンクリート車１０に投入しながら高速攪拌し、さらに１分間だけ高速攪拌し、気泡モルタルを製造した。このときの水／セメント比は、表３に示す気泡モルタルの水／セメント比である。したがって、起泡剤を希釈する際には、セメントとの練り混ぜ水量をあらかじめ調整する必要がある。
一方、マキタ電機製作所製のハンドミキサー（１３００ｒｐｍ）を使用し、表４に示す水／速硬材比になるように水と速硬材とを攪拌しながら粘結剤を供給する。その後、さらに２分間練り混ぜ、速硬材スラリーを製造した。
次に、生コンクリート車１０から排出された気泡モルタルを第１のスラリーポンプ１２により吐出する一方、前記速硬材スラリーを第２のスラリーポンプ１３により吐出する。これらの気泡モルタルと速硬材スラリーとは、各吐出管の先端が連結されたＹ字管１４によって合流し、直後、スタティックミキサ１５により無動力で混合される。こうして、速硬性軽量充填モルタルを製造した。
得られた速硬性軽量充填モルタルを、水が内容積の半分だけ貯液された直径３００ｍｍ、高さ２ｍの透明なアクリル管１６にホースで注入し、表５に示す試験方法によって試験した。その結果を表６に示す。

表６から明らかなように、この試験例１〜４の速硬性軽量充填モルタルにあっては、炭酸カルシウム／アルミン酸塩のモル比が１．５〜６となるまで炭酸カルシウムとアルミン酸塩とを混合したので、潮解による速硬材のハンドリング性の低下を炭酸カルシウムによって解消することができた。しかも、炭酸ナトリウムをアルミン酸塩／炭酸ナトリウムのモル比が１〜１３となる分量だけ混合したので、速硬材スラリーを長時間放置してもゲル化が起きなかった。

この発明の速硬性軽量充填モルタルの製造方法の概念を示す模式図である。

符号の説明

１０ 生コンクリート車、
１１ ドラム、
１２ 第１のスラリーポンプ、
１３ 第２のスラリーポンプ、
１４ Ｙ字管、
１５ スタティックミキサ、
１６ アクリル管。

Claims (3)

1. 気泡を含む気泡モルタルと、
   アルミン酸塩、炭酸カルシウムおよび炭酸ナトリウムを有し、前記炭酸カルシウム／アルミン酸塩のモル比が１．５〜６で、前記アルミン酸塩／炭酸ナトリウムのモル比が１〜１３である速硬材とを混合した速硬性軽量充填モルタル。
2. 前記アルミン酸塩が、アルミン酸ナトリウムである請求項１に記載の速硬性軽量充填モルタル。
3. 前記気泡を含む気泡モルタルが、セメント、細骨材および粘結剤を有し、これらに、起泡剤を発泡させたフォーミング状物を混合させたものである請求項１または請求項２に記載の速硬性軽量充填モルタル。

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