JP4428595B2

JP4428595B2 - 吹付け材料及びそれを用いた吹付け工法

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Publication number: JP4428595B2
Application number: JP2000013664A
Authority: JP
Inventors: 賢司山本; 実盛岡
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2000-01-24
Filing date: 2000-01-24
Publication date: 2010-03-10
Anticipated expiration: 2020-01-24
Also published as: JP2001206749A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、道路、鉄道、及び導水路等のトンネルにおいて、露出した地山面へ急結性コンクリートを吹付ける際に使用する吹付け材料、セメント組成物、及びそれを用いた吹付け工法に関する。
なお、本発明でいう部や％は特に規定のないかぎり質量基準である。
また、本発明でいうコンクリートとは、セメントモルタルやセメントコンクリートを総称するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
従来、トンネル掘削等、露出した地山の崩落を防止するために、急結剤をコンクリートに混合した急結性のコンクリートの吹付け工法が用いられている（特公昭60−004149号公報）。
この吹付け工法は、通常、掘削工事現場に設置した計量混合プラントで、セメント、骨材、及び水を混合してコンクリートを調製し、アジテータ車で運搬し、コンクリートポンプで圧送して、途中に設けた合流管で、他方から圧送した急結剤と混合し、急結性のコンクリートとして地山面に所定の厚みになるまで吹付ける工法である。
しかしながら、この吹付け工法では［（跳返り落ちた急結性のコンクリートの量）／（急結性のコンクリート全体の吹付け量）×100（％）］で示されるリバウンド（跳返り）率が大きく、経済的に好ましくないという課題があった。
【０００３】
また、トンネル掘削等では、吹付けコンクリートを用いた一次覆工を行い、この状態で地山が安定した後、内側に場所打ちの通常のコンクリートで二次覆工をすることが行われている。
一方、岩盤の亀裂などが少ない比較的堅硬な地山において、二次覆工コンクリートを施工せず、吹付けコンクリートを永久覆工とする場合がある。こうして仕上げられたものをシングルシェルライニングといい、北欧で多く用いられており、我が国においても近年、多く検討されるようになってきているが、適用にあたっては、吹付けコンクリートに高い耐久性や水密性が要求されている。
【０００４】
一般に吹付けコンクリートは単位セメント量が多く、アルカリ総量が大きい。また、砂／骨材比（s/a）も大きいため、アルカリ骨材反応によるコンクリートの劣化が問題となることがある。
アルカリ骨材反応において無害でない反応性骨材が使用された場合には、コンクリートにひび割れが生じ、耐久性が損なわれる恐れがある。
また、地山から湧水がある場合には、ひび割れによってコンクリートの水密性が低下するため、トンネルの内側に漏水する恐れがある。
このため、アルカリ骨材反応を抑制する吹付け材料が求められている。
【０００５】
本発明者は、前記課題を解消すべく種々検討を重ねた結果、特定の吹付け材料を使用することにより、これらの課題が解決できるとの知見を得て、本発明を完成するに至った。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、セメントと、セメント１００部に対して、リチウムベントナイト１００部中のＬｉ_２Ｏ含有量が２〜１０部であるリチウムベントナイトを３〜５部、硫酸塩として硫酸アルミニウム、硫酸ナトリウム、硫酸カリウムのうちの何れか一種又は二種以上を３〜５部、セメント１００部に対して、カルシウムアルミネート系急結剤を１０〜１５部含有してなる急結性吹付け材料であり、該急結性吹付け材料を使用して吹付けることを特徴とする吹付け工法である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
【０００８】
本発明の吹付け材料を使用することでコンクリートの粘性が増加し、吹付け時における付着性を向上させ、リバウンド率を低減できるとともに、アルカリ骨材反応を抑制することが可能となる。
【０００９】
本発明で使用するリチウムベントナイト（以下、Liベントという）とは、特に限定されるものではないが、カオリナイト、モンモリロナイト、及びマイカ等の層状構造を有するアルミノシリケートであり、その層間にリチウムを含有するものを総称するものである。
通常、その構造はSi⁴⁺を中心とする酸素四面体の二次元シートとAl³⁺を中心とする酸素八面体のシートの組合わせで層状構造を形成している。
この四面体のSi⁴⁺をAl³⁺と置換することによって生じた層電荷により、層間にイオン交換可能なリチウムを担持することが可能となる。層間に担持されたリチウムイオンは、イオン交換反応によりNaイオンやＫイオンと交換される。
本発明では、Liベントを用いることで、NaイオンやＫイオンを捕集でき、アルカリ骨材反応の主要因であるナトリウムやカリウムの量を低減することが可能となる。
Liベント中のリチウム量は特に限定されるものではないが、Liベント100部中、Li₂O量で2.0部以上が好ましく、3.0部以上がより好ましい。2.0部未満では充分なアルカリ骨材反応の抑制効果が得られない場合がある。
Liベントの合成方法は特に限定されるものではないが、まず、Na、Ｋ、又はCaのベントナイトを合成しておき、これらをリチウム塩の水溶液に分散させ、イオン交換してLiベントとする方法や、合成時にあらかじめリチウムフッ化物等を混合しておき、直接的に合成する方法などがある。
Liベントの比表面積は、特に限定されるものではないが、通常、ＢＥＴ比表面積で１〜800ｍ²／ｇが好ましく、50〜200ｍ²／ｇがより好ましい。１ｍ²／ｇ未満では充分なアルカリ骨材反応の抑制効果が得られない場合があり、800ｍ²／ｇを越えるとコンクリートの粘性が高くなり過ぎ、圧送中に脈動が生じて吹付け作業が困難となる場合がある。
Liベントの使用量は特に限定されるものではないが、セメント100部に対して、１〜20部が好ましく、２〜10部がより好ましい。１部未満では、充分なアルカリ骨材反応の抑制効果が得られない場合があり、20部を越えるとコンクリートの粘性が高くなり、圧送が困難になる場合がある。
【００１０】
本発明で使用する硫酸塩は、コンクリートの付着性を一層向上させ、リバウンド率を低減するために使用するものである。
硫酸塩としては、硫酸ナトリウムや硫酸カリウムなどのアルカリ金属硫酸塩、硫酸マグネシウムや石膏などのアルカリ土類金属硫酸塩、並びに、硫酸アルミニウム等が挙げられ、これらの一種又は二種以上を併用することも可能である。これらの中では、付着性を向上させる面で硫酸アルミニウムがより好ましい。
硫酸塩の使用量は、セメント100部に対して、２〜20部が好ましく、３〜10部がより好ましい。２部未満では付着性を向上する効果が小さい場合があり、20部を越えて使用してもさらなる効果の増大は望めず、経済的にも好ましくない場合がある。
【００１１】
本発明で使用するセメントは特に制限されるものではなく、通常使用されている普通、早強、超早強、及び低熱等の各種ポルトランドセメントや、これらポルトランドセメントに、高炉スラグ、フライアッシュ、石灰石微粉末、又はシリカ等を混合した各種混合セメント、さらには、膨張セメントやコロイドセメントなど、いずれも使用可能である。
【００１２】
本発明で使用する急結剤は特に制限されるものではなく、無機塩系としては、アルカリ金属アルミン酸塩、アルカリ金属炭酸塩、及び珪酸塩等が、セメント鉱物系としては、カルシウムアルミネート類やカルシウムサルホアルミネート類などが、並びに、有機質系としては、トリエタノールアミンやグリセリンなどが挙げられ、粉末状、スラリー状、あるいは、液状のいずれの状態でも使用可能である。なかでも、凝結性状や強度発現性などが良好な面で、カルシウムアルミネート類が好ましい。
急結剤の使用量は、使用材料により適宜決定されるものであるが、使用量の少ないものとしては、無機塩系でセメント100部に対して、３〜５部程度が好ましく、使用量の多いものとしては、セメント鉱物系のカルシウムアルミネート類で、セメント100部に対して、５〜15部程度が好ましい。急結剤の使用量がこれより少ないと初期凝結が充分に得られず、リバウンドが多くなる場合があり、急結剤の使用量をこれより多くすると長期強度発現性が低下し、経済的にも好ましくない場合がある。
【００１３】
本発明では、セメントコンクリート硬化体の耐衝撃性や弾性を向上させるため、繊維質を使用することが好ましい。
繊維質としては、無機質や有機質、いずれも使用可能である。
無機質の繊維質としては、ガラス繊維、炭素繊維、ロックウール、石綿、セラミック繊維、及び金属繊維等が挙げられ、有機質の繊維質としては、ビニロン繊維、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維、ポリアクリル繊維、セルロース繊維、ポリビニルアルコール繊維、ポリアミド繊維、パルプ、及び麻等が挙げられる。これらの中では経済性や効果の面から、金属繊維やビニロン繊維が好ましい。
繊維質の長さは圧送性や混合性などの面から、50mm以下が好ましく、30mm以下がより好ましい。50mmを越えると圧送管が閉塞する場合がある。
繊維質の使用量は、セメントコンクリート100容量部に対して、0.5〜３容量部が好ましい。0.5容量部未満では耐衝撃性や弾性の向上が見られない場合があり、３容量部を越えるとセメントコンクリートの流動性を著しく損なう場合がある。
【００１４】
本発明では、前記各材料の他に、砂や砂利などの骨材、ＡＥ剤、減水剤、ＡＥ減水剤、高性能減水剤、高性能ＡＥ減水剤、流動化剤、消泡剤、増粘剤、防錆剤、防凍剤、収縮低減剤、ＳＢＲやポリアクリレートなどの高分子エマルジョン、凝結調整剤、膨張材、ゼオライト、ハイドロタルサイト、及びハイドロカルマイト等のイオン交換体、無機リン酸塩、並びに、ホウ酸等のうちの一種又は二種以上を本発明の目的を実質的に阻害しない範囲で併用することが可能である。
【００１５】
本発明の吹付け材料は、Liベントを含有する吹付け材料をあらかじめコンクリートと混合しておき、急結剤を吹付けノズル手前の混合管でコンクリートと混合することが好ましい。急結性吹付け材料をコンクリートに混合すると急激に増粘・凝集が起こり、圧送性が低下するため、それ以外の箇所で添加した場合には、閉塞や脈動を生じる場合がある。
本発明において、セメント、骨材、及び水等を混合する装置としては、既存の撹拌装置が使用可能であり、例えば、傾胴ミキサ、オムニミキサ、Ｖ型ミキサ、ヘンシェルミキサ、及びナウタミキサ等が使用可能である。
【００１６】
急結剤の混合方法としては、粉末急結剤を空気圧送してコンクリートに合流混合する方法や、急結剤に加水してスラリ化させ、急結剤スラリとし、コンクリートに合流混合する方法があり、いずれも使用可能であるが、粉塵量低減の面からスラリ化する方法が好ましい。
粉末状急結剤に加水するには一般的な水ポンプが使用でき、圧送空気と一緒に加水する方法が可能である。
さらに、急結剤とコンクリートとの合流点は、混合性を良くするために、管の形状や内壁をらせん状や乱流状態になりやすい構造とすることが可能である。
【００１７】
本発明の吹付け工法としては、乾式吹付け工法や湿式吹付け工法が使用可能である。乾式吹付け工法とは、例えば、セメントや骨材を混合して空気圧送し、水と急結剤を合流混合して湿潤状態で吹付ける方法であり、また、湿式吹付け工法とは、例えば、あらかじめ、セメント、骨材、及び水を混合してコンクリートとし、これを空気圧送して急結剤を合流混合して吹付ける方法である。このうち、乾式吹付け工法では粉塵量が多くなる場合があるため、湿式吹付け工法を用いることが好ましい。
本発明の吹付け工法においては、従来の吹付け設備等の使用が可能である。吹付け設備は吹付けが充分に行われれば特に限定されるものではなく、例えば、コンクリートの圧送にはアリバ社製商品名「アリバ２８０」等が、また、粉末急結剤の圧送にはちよだ製作所製商品名「ナトムクリート」等が、さらに、急結剤スラリーの圧送にはプツマイスター社製商品名「アンコマットポンプ」等が使用可能である。
また、急結剤を圧送する圧縮空気の圧力は、コンクリートが急結剤の圧送管内に侵入して圧送管内を閉塞しないように、コンクリートの圧送圧力より0.01〜0.3ＭPa程度大きいことが好ましい。
また、コンクリートの圧送速度は４〜20m³/hが好ましい。
【００１８】
【実施例】
以下、実験例に基づき本発明を詳細に説明する。
【００１９】
実験例１
天然カオリナイト、硝酸マグネシウム、及びフッ化リチウムを主原料とし、Si／Alモル比を調整するため、硝酸アルミニウムと、酸化ケイ素を副原料として使用し、Li₂O量を変えた種々の組成のLiベントを合成した。
天然カオリナイトを700℃、18時間焼成してメタカオリナイトとし、これに硝酸マグネシウムを混合した。メタカオリナイトのSi／Alモル比が１の場合は、メタカオリナイトと硝酸マグネシウムをモル比で１：３になるように混合し、メタカオリナイトのSi／Alモル比が１を越える場合は、硝酸アルミニウムと酸化ケイ素を混合して調整した。これら混合物とフッ化リチウムを重量比１：１で混合し、大気中で800℃、24時間焼成した。
得られた焼成物に含まれる未反応のフッ化リチウムを蒸留水で洗浄除去した後に遠心分離した。さらに、フッ化物不純物を除去するため、飽和ホウ酸で洗浄し、再度蒸留水で洗浄後遠心分離し、60℃の恒温室で乾燥した。合成したリチウムベントナイトは、粉末Ｘ線回折法で同定し、層状化合物に特有の底面反射型の回折パターンを示すことを確認した。また、JIS R 5201に準じてLi₂O量を測定した。
水セメント比50％、細骨材率60％、単位セメント量450kg/m³の配合を用い、コンクリートのスランプが同程度になるように減水剤で調整し、表１に示すLiベント配合し、コンクリートを作製し、アリバー社製吹付け機「アリバー２８０」により圧送速度15ｍ³／ｈ、圧送圧力0.4ＭPaで圧送した。
これとは別に急結剤圧送装置「ナトムクリート」により、急結剤がセメント100部に対して、10部になるように急結剤を圧送し、吹付け直前に設置したＹ字管で吹付けコンクリートと混合し、その100リットル分を鉄板により作製した模擬トンネルの側壁に吹付け、リバウンド率と吹付けコンクリート圧送中におけるホースの脈動性を評価した。結果を表１に併記する。
【００２０】
＜使用材料＞
天然カオリナイト：ジョージア産カオリナイト
硝酸マグネシウム：市販試薬１級
硝酸アルミニウム：市販試薬１級
酸化ケイ素：市販試薬１級
フッ化リチウム：市販試薬１級
セメント：市販普通ポルトランドセメント、比重3.16
細骨材：新潟県姫川産川砂、比重2.62
粗骨材：新潟県姫川産川砂利、比重2.64、最大骨材寸法10mm
水：水道水
減水剤：市販高性能ＡＥ減水剤、ポリカルボン酸系
急結剤：カルシウムアルミネート系、カルシウムアルミネート／石膏／アルミン酸塩の質量比100／100／14からなる混合物。ただし、カルシウムアルミネートは12CaO・７Al₂O₃組成に対応し、ブレーン比表面積6,100cm²/gで非晶質のものを使用し、石膏はII型無水石膏で、ブレーン比表面積5,100cm²/gのもの、アルミン酸塩はアルミン酸ナトリウムを使用した。
【００２１】
＜測定方法＞
リバウンド率：急結性吹付けコンクリートを１分間側壁に吹付けた時の、（跳ね返り落下した急結性吹付けコンクリートの量）／（吹付けに使用した急結性吹付けコンクリートの全体量）×100（％）で示した。
脈動性：吹付けコンクリートの圧送中におけるホースの脈動性を目視により評価した。圧送ホースが脈動しない場合を○、脈動が発生しても吹付けコンクリートが途切れずに吐出した場合を△、脈動が激しく吐出が途切れた場合を×とした。
【００２２】
【表１】

【００２３】
表１より明らかなように、Liベントを配合することにより、吹付け時における付着性を向上させ、リバウンド率を低減することが可能である。
【００２４】
実験例２
Li₂Oの量が5.0部のLiベントを、セメント100部に対して、３重量部配合し、表２に示す硫酸塩を添加したこと以外は実験例１と同様に行った。結果を表２に示す。
【００２５】
＜使用材料＞
硫酸塩ａ：市販硫酸アルミニウムの粉砕品、ブレーン比表面積5,500ｃｍ²／ｇ
硫酸塩ｂ：市販硫酸ナトリウムの粉砕品、ブレーン比表面積5,200ｃｍ²／ｇ
硫酸塩ｃ：市販硫酸カリウムの粉砕品、ブレーン比表面積5,200ｃｍ²／ｇ
【００２６】
【表２】

【００２７】
表２より明らかなように、硫酸塩を配合することで付着性がさらに向上し、リバウンド率を低減することが可能である。
【００２８】
実験例３Ｌｉ_２Ｏの量が５．０部のＬｉベントを、セメント１００部に対して、３部配合し、表３に示す急結剤を配合したこと以外は実験例２と同様に行った。結果を表３に併記する。
【００２９】
【表３】

【００３０】
実験例４
セメント100部、砂200部、水50部、急結剤10部、及び表４に示すLiベントを配合してモルタルを作製し、アルカリシリカ反応性試験を実施した。
なお、供試体の作製に当たって、成型しやすくするためにあらかじめ各材料を冷却しておき、テーブルバイブレータを用いて振動成型した。結果を表４に併記する。
【００３１】
＜使用材料＞
砂：サヌカイト質輝石安山岩、JIS A 5308付属書７（化学法）により、溶解シリカ量が750mmol/l、アルカリ濃度減少量が200mmol/lで、無害でないと判定されたもの。
【００３２】
＜測定方法＞
アルカリシリカ反応性試験（モルタルバー法）：JIS A 5308付属書８に準じて測定した。0.1％以上の膨張を示したものは、無害でないと判定。
【００３３】
【表４】

【００３４】
表４より明らかなように、本発明の吹付け材料を使用していないモルタルの膨張率は0.1％を越え、無害でないと判定されたのに対し、本発明の吹付け材料を配合した場合には、0.1％を下回り、無害と判定され、アルカリ骨材反応の抑制効果を示した。
【００３５】
【発明の効果】
本発明の吹付け材料を使用することにより、吹付け時における付着性を向上させ、リバウンド率を低減することが可能であるとともに、アルカリ骨材反応を抑制し、耐久性に優れた吹付けコンクリートが得られる。

Claims

セメントと、セメント１００部に対して、リチウムベントナイト１００部中のＬｉ_２Ｏ含有量が２〜１０部であるリチウムベントナイトを３〜５部、硫酸塩として硫酸アルミニウム、硫酸ナトリウム、硫酸カリウムのうちの何れか一種又は二種以上を３〜５部、セメント１００部に対して、カルシウムアルミネート系急結剤を１０〜１５部含有してなる急結性吹付け材料。
請求項１記載の急結性吹付け材料を使用して吹付けることを特徴とする吹付け工法。