JP4538438B2 - グラウト組成物およびそれを用いたグラウト材料 - Google Patents

グラウト組成物およびそれを用いたグラウト材料 Download PDF

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Description

本発明は、土木・建築業界において使用されるグラウト組成物およびそれを用いたグラウト材料に関する。
従来から、グラウト材料としては、セメントに減水剤を加えたものが一般的であり、さらに、膨張材、例えば、カルシウムサルフォアルミネート系膨張材又は石灰系膨張材を配合し、ペーストやモルタルとして、土木、建築工事等に広く使用されている。
近年、コンクリートの品質が、高性能化、高品質化し、構造物そのものが複雑化するにつれグラウト材料に要求される性能が多様化するとともに高度化している。
グラウト材料、特に、無収縮グラウト材料は、PCグラウト、プレパックドコンクリート用グラウト、トンネルやシールド裏込めグラウト、プレキャスト用グラウト、構造物の補修や補強注入グラウト、橋梁の支承下グラウト、軌道下グラウト、耐震鉄骨ブレース周辺枠グラウト、増設壁逆打ちグラウト、鋼板巻き立て工法用グラウト、及び原子力発電所格納容器下グラウトなど多岐にわたって使用されている。
この他、コンクリート構造物のひび割れ補修においても、微細な形状のひび割れ部分への良好な充填性を示すグラウト材料が必要で、コンクリートの高強度化に伴って充填性のほかに高強度発現性が望まれている。
グラウト材料に高強度発現性を付与するには、従来から、高性能減水剤とシリカフュームを併用することが知られている(非特許文献1参照)。
しかしながら、特定のSiO2含有率やpH範囲のシリカフュームを使用することは記載がなく、示唆もされていない。
最新・コンクリート混和剤の技術と応用、2001年9月10日、シーエムシー社発行、P174
また、特定の骨材やシリカフュームを併用することによって、高強度を有するモルタル・コンクリートを製造する方法が知られている(特許文献1参照)。
しかしながら、併用するシリカフュームのpH範囲の記載はなく、また、流動性向上を意図するものでもない。
特開平05−058701号公報
さらに、減水性能が高い水溶性ビニル共重合体を主成分とする減水剤とシリカフュームを使用して圧縮強度が120MPa以上のコンクリートを製造する技術も提案されている(特許文献2参照)。
しかしながら、特定のSiO2含有率やpH範囲のシリカフュームを使用することは記載がなく、示唆もされていない。
特開平06−191918号公報
この従来技術のように水結合材比が極めて小さいセメント組成物とすると、所定の流動性を確保するために、高性能減水剤の多量添加が必要となる。高性能減水剤を多量に添加したグラウト材料は、練上りモルタルに多量の泡が発生したり、凝結遅延が発生する場合があり、さらに、水結合材比を小さくすると、高性能減水剤の添加量を上げてもハンドタイプのミキサでは練混ぜが不可能となり、また、シリカフュームのようなポゾラン超微粉末を配合すると、硬化収縮が増大するため無収縮性を確保することが困難であった。
また、製造作業中の取り扱いが簡便で、少ない減水剤の使用で高強度及び高ワーカビリティを有するモルタル・コンクリートを製造するために、二酸化ケイ素(SiO2)を主成分とし酸化ジルコニウムを一成分として含む微粒子からなる粉体を使用することが知られている(特許文献3参照)。
特開2004−203733号公報
特許文献3には、「セメントと、細骨材と、二酸化ケイ素(SiO2)を主成分とし酸化ジルコニウムを一成分として含む微粒子からなる粉体とを練り混ぜた混合物を用いて調合することを特徴とするモルタル・コンクリートの製造方法。」(請求項2)の発明が記載されており、該微粒子(特殊シリカ質微粉末)として、「SiO2:92.74重量%、ZrO2:4.76重量%、Fe2O3:0.35重量%、Al2O3:0.01重量%未満、TiO2:0.05重量%、H2O:0.18重量%、Na2O:0.02重量%、pH:4.2、及びBET法で測定した比表面積:9.22m/g。」、「密度:2.45g/cm、SiO2:94.5重量%、ZrO2:4.0重量%、pH:3乃至4、平均粒径:1μm、及びBET法で測定した比表面積:8.7m/g」のものを使用すること(段落[0025]及び[0055])が示されているが、「本実施の形態におけるコンクリートの製造方法においては、混和材としての特殊シリカ質微粉末の粒径が大きいことにより、粒径の小さいシリカフュームを使用する従来の場合に比べて混和材の飛散が少ないために、正確な調合比が得られるとともに作業が簡便となる。」(段落[0038])と記載されているように、シリカ質微粉末の粒径が重要なものとして示されているだけで、モルタルの混練性を改善し、減水剤の多量添加による凝結遅延を防止するために、「SiO2含有率が90%以上であり、pHが2〜7であるシリカフューム」を使用するという技術的思想の開示はない。また、特許文献3に記載された発明は、膨張材の使用を避けるものである(段落[0006])から、上記特定のシリカ質微粉末を膨張材と併用することを当業者が容易に想到し得るとはいえない。
さらに、水セメント比が低い場合においても流動性が高く、且つその硬化体の材齢28日における圧縮強度が80N/mm以上という高い強度を有し、骨材等の材料分離を起こさないで、さらに、膨張材を併用すると、高強度の無収縮グラウトモルタルとして好適に使用することができるモルタルの発明も知られている(特許文献4参照)。
特開2005−119885号公報
特許文献4には、「(A)セメント、(B)粒状セメントクリンカー、並びに(C)減水剤、超微粉及び比重2.7以上の骨材から選ばれる1種又は2種以上を含有することを特徴とするモルタル組成物。」(請求項1)が記載され、カルシウムアルミノフェライト系膨張材を併用すること(段落[0020])、超微粉としてシリカフュームを使用すること(段落[0015])が示されているが、シリカフュームについては、その二酸化珪素含有率、pHについての記載はなく、モルタルの混練性を改善し、減水剤の多量添加による凝結遅延を防止するために、特定のシリカフュームを使用することは示されていない。また、上記のように、特許文献3に記載された発明は、膨張材の使用を避けるものであるから、膨張材を併用する特許文献4に記載された発明の超微粉として、特許文献3に記載された特殊シリカ質微粉末を使用することを、当業者が容易に想到し得るとはいえない。
本発明は、前記従来技術には示されていない課題を解決しようとするものであり、練混ぜが容易で、モルタルの硬化時に生ずる硬化収縮が抑制でき、高強度発現性が付与されたグラウト組成物およびそれを用いたグラウト材料を提供することを課題とする。
本発明者は、前記課題を解決すべく種々検討を重ねた結果、特定のシリカフュームを膨張材及び減水剤と併用してグラウト組成物を採用することにより、前記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。
本発明は、前記課題を解決するために、以下の手段を採用する。
(1)セメント、膨張材、ポゾラン微粉末、及び減水剤を含有してなるグラウト組成物において、前記膨張材が、カルシウムアルミノフェライト系膨張材であり、前記ポゾラン微粉末が、SiO2含有率が90%以上であり、シリカフュームを水に懸濁させた混合物のpHが2〜7であるシリカフュームであり、減水剤がポリカルボン酸塩系減水剤であることを特徴とするグラウト組成物である。
(2)さらに、消泡剤を含有してなる前記(1)のグラウト組成物である。
)前記膨張材が、セメント、膨張材、及びシリカフュームからなる結合材100部中、1〜4部である前記(1)又は(2)のグラウト組成物である。
)前記シリカフュームが、セメント、膨張材、及びシリカフュームからなる結合材100部中、3〜20部である前記(1)〜()のいずれか一項のグラウト組成物である。
)前記(1)〜()のいずれか一項のグラウト組成物と水とを含有してなるグラウト材料である。
)水が、水/結合材比で15〜25%である前記()のグラウト材料である。
本発明で使用する部や%は特に限定のない限り質量基準で示す。
また、本発明のグラウト材料とは、グラウトモルタル、グラウトペーストを示す。
本発明のグラウト組成物を使用することにより、水/結合材比が低くても、練混ぜが容易で、モルタルの硬化時に生ずる硬化収縮が抑制でき、さらには、高強度発現性が付与された無収縮性グラウト材料を提供することができる。
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明で使用するセメントとしては、普通、早強、中庸熱、及び低熱等の各種ポルトランドセメントが挙げられ、いずれのポルトランドセメントも使用可能であるが、良好な流動性を確保することと低収縮性から、低熱ポルトランドセメントがより好ましい。なお、本発明では、エコセメントもセメントとして使用可能である。
本発明で使用する膨張材としては、カルシウムサルフォアルミネート系膨張材、カルシウムアルミノフェライト系膨張材、石灰系膨張材、及び石膏系膨張材等のうち、流動性保持性能の面からカルシウムアルミノフェライト系膨張材を使用する
ルシウムアルミノフェライト系膨張材は、CaO原料、Al2O3原料、Fe2O3原料、及びCaSO4原料を所定の割合になるように配合し、電気炉やロータリーキルンなどを用いて、一般的には、1,100〜1,600℃で熱処理をして製造される。熱処理温度が1,100℃未満では得られた膨張材の膨張性能が充分でない場合があり、1,600℃を超えると無水石膏が分解する場合がある。
CaO原料としては、石灰石や消石灰等が、Al2O3原料としてはボーキサイトやアルミ残灰等が、Fe2O3原料としては銅カラミや市販の酸化鉄等が、そしてCaSO4原料としては二水石膏、半水石膏、及び無水石膏等が挙げられる。
カルシウムアルミノフェライト系膨張材とは、CaO原料、Al2O3原料、Fe2O3原料、及びCaSO4原料を熱処理して得られる物質であって、遊離石灰、カルシウムアルミノフェライト、及び無水石膏を含有する膨張物質であり、その割合について特に限定されるものではないが、膨張物質100部中、遊離石灰は、30〜60部が好ましく、15〜35部がより好ましい。また、カルシウムアルミノフェライトは、10〜40部が好ましく、15〜35部がより好ましい。そして、無水石膏は、10〜40部が好ましく、20〜35部がより好ましい。遊離石灰、カルシウムアルミノフェライト、及び無水石膏がこの範囲外では、所定の膨張量が得られなかったり、異常膨張により強度低下を起こす場合がある。
膨張材の粉末度は、ブレーン比表面積値(以下、「ブレーン値」という)で2,000〜6,000cm2/gが好ましい。2,000cm2/g未満では膨張量が大きすぎる場合があり、6,000cm2/gを超えると適正な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、膨張材、及びシリカフュームからなる結合材100部中、1〜4部が好ましく、1.5〜3部がより好ましい。。1部未満では膨張性状が得られにくい場合があり、4部を超えると膨張量が大きくなり、セメント硬化体の破壊に繋がる場合がある。
本発明では、流動性の確保と保持が良好となる面から、減水剤を併用する。
減水剤としては、ポリカルボン酸塩系減水剤、ナフタレンスルホン酸塩系減水剤、メラミンスルフォン酸塩系減水剤、及びリグニンスルフォン酸塩系減水剤があるが、本発明では、硬化収縮が小さいことからポリカルボン酸塩系減水剤を使用する。
ポリカルボン酸塩系減水剤の使用量は、結合材100部に対して、固形分換算で0.05〜0.5部が好ましく、0.1〜0.3部がより好ましい。0.05部未満では流動性が不充分な場合があり、0.5部を超えると泡が発生したり、凝結遅延が生じる場合がある。
本発明で使用するシリカフュームのSiO2含有率は90%以上であり、pHは2〜7である。
シリカフュームは、非晶質のSiO2を主成分とする平均粒子径1μm以下の超微粒子であり、金属シリコンやフェロシリコンを電気炉で製造する際に発生する廃ガス中のダストを集塵機で回収したものや、電気炉にてジルコンサンドを電融した際にサイクロンなどで捕集した後分級して製造されるものが使用可能である。
本発明では、SiO2含有率が90%以上で、pHが2〜7のシリカフュームを使用する。
シリカフュームのSiO2含有率が90%未満では、所定の流動性を得るための減水剤量が多くなり、モルタル表面に多量の泡の発生があったり、凝結遅延を起こしたり、強度不足を生じたり、練混ぜ時の負荷が大きくなり過ぎる場合がある。
また、本発明で使用するシリカフュームのpHは2〜7である。pHが2未満では、貯蔵容器や計量設備類が腐食する場合があり、pHがアルカリ性側にあると、所定の流動性を得るための減水剤の使用量が多くなる場合があり、凝結遅延を起こしたり、練混ぜ時の負荷が大きくなり過ぎる場合がある。
ここでpHとは、シリカフュームを水に懸濁させた混合物のpHであって、例えば、シリカフューム2gを純水98gに入れ、マグネティックスタラーにて5分間攪拌した後、懸濁液中の水素イオン濃度をpHメータにより計測した値である。
本発明で使用するシリカフュームのBET比表面積は、5m2/g以上が好ましい。
シリカフュームの使用量は、結合材100部中、3〜20部が好ましく、5〜15部がより好ましい。3部未満では強度発現性が不充分であったり、ボールベアリング効果がなくなり、練混ぜ時の負荷が大きくなりすぎて練混ぜができない場合があり、20部を超えると充分な強度が得られない場合がある。
本発明では、練上げたグラウト材料中のエアを消泡させ、強度を増進させるために、消泡剤を使用することが好ましい。
消泡剤は特に限定されるものではないが、ポリオキシエチレンアルキルエーテル系消泡剤やプルロニック系消泡剤等が挙げられる。
消泡剤の使用量は、結合材100部に対して、0.005〜0.05部が好ましい。0.005部未満では消泡効果が不充分で、エントラップエアや減水剤のエントレンドエアが抜け切れず、強度が不充分な場合があり、0.05部を超えると、消泡(脱泡)された泡がグラウト材料表面に多量にあがってくる場合があり、上部との一体化が不充分となる場合がある。
本発明において、上記グラウト組成物の各材料を練混ぜる水量は、水/結合材比で15〜25%が好ましく、16〜20%がより好ましい。この範囲外では流動性が大きく低下したり、強度低下が起きる場合がある。
本発明では増粘剤を併用することも可能である。
増粘剤としては、ポリビニールアルコール系増粘剤、アクリル系増粘剤、及び水溶性セルロース系増粘剤等が挙げらる。
また、本発明では、さらにオキシカルボン酸又はその塩、デキストリンやショ糖等の糖類、及び無機塩等の遅延性を有するものを併用することが可能である。
本発明では、さらに細骨材や、防錆剤、防凍剤、収縮低減剤、ガス発泡物質、ポリマーなど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使用することが可能である。
本発明のグラウト組成物において、各材料の混合方法は特に限定されるものではなく、それぞれの材料を施工時に混合しても良いし、あらかじめ一部を、あるいは全部を混合しておいても差し支えない。
混合装置としては、既存のいかなる装置、例えば、傾胴ミキサ、オムニミキサ、ヘンシェルミキサ、V型ミキサ、及びナウタミキサなどの使用が可能である。
また本発明のグラウト材料の混練方法も特に限定されるものではなく、ハンドミキサ、パン型ミキサ、及び二軸ミキサなど汎用のミキサが使用可能である。
以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものでない。
セメント87部、膨張材α3部と、表1に示す、シリカフューム(SF)と減水剤Aを混合しグラウト組成物を調製し、水/結合材比が17%となるように水を添加して、高速ハンドミキサを用いて180秒間練混ぜ、グラウト材料を作製した。
作製したグラウト材料の練混ぜ時の混練性と流動性を評価し、凝結時間と圧縮強度を測定した。結果を表1に併記する。
<使用材料>
セメント :低熱ポルトランドセメント、市販品
膨張材α :カルシウムアルミノフェライト系膨張材、ブレーン値3,000cm2/g、市販品
SFイ :SiO2含有率87.1%、pH6.5、BET比表面積17.32m2/g
SFロ :SiO2含有率90.2%、pH6.8、BET比表面積22.5m2/g
SFハ :SiO2含有率91.8%、pH6.7、BET比表面積21.7m2/g
SFニ :SiO2含有率95.2%、pH6.3、BET比表面積9.06m2/g
SFホ :SiO2含有率99.9%、pH6.5、BET比表面積13.45m2/g
SFヘ :SiO2含有率87.1%、pH9.5、BET比表面積17.32m2/g、市販品
SFト :SiO2含有率95.2%、pH1.6、BET比表面積9.06m2/g
SFチ :SiO2含有率90.2%、pH2.2、BET比表面積22.5m2/g
SFリ :SiO2含有率91.8%、pH2.4、BET比表面積21.7m2/g
SFヌ :SiO2含有率95.2%、pH3.5、BET比表面積9.06m2/g、市販品
SFル :SiO2含有率91.8%、pH8.9、BET比表面積21.7m2/g、市販品
減水剤A :ポリカルボン酸塩系減水剤、市販品
<測定方法>
混練性 :ハンドミキサでの練混ぜ開始後60秒間の練混ぜ抵抗を4段階で評価した。判定基準は、練混ぜができない場合を不可、練混ぜができるが、極めて重い場合を可、重い場合を良、練混ぜが容易な場合を優とした。
流動性 :JIS R 5201-1997「セメントの物理試験方法」11.フロー試験で15回の落下運動を行わない静置フロー
凝結時間 :JIS A 6204-2000 コンクリート用化学混和材 附属書1(規定)コンクリートの凝結時間試験方法により測定した終結時間
圧縮強度 :JSCE-G 505-1999「円柱供試体を用いたモルタルまたはセメントペーストの圧縮強度試験方法」に準じ、封緘養生の材齢7日で測定
表1より、SiO2含有率が90%以上で、pHが2〜7にあるSFロ〜ホ、チ〜ヌを配合した本発明のグラウト組成物は、良好な混練が可能で、凝結遅延が無いことが分かる(実験No.1-2〜No.1-5、No.1-8〜No.1-10)。
これに対して、SiO2含有率が90%未満のSFイを配合した比較例のグラウト組成物は、凝結時間が長く、圧縮強度が低下し(実験No.1-1)、SiO2含有率が90%未満で、pHが7を超えるSFヘ、SiO2含有率が90%以上であるが、pHが7を超えるSFルを配合した比較例のグラウト組成物は、同程度の量の減水剤を使用した場合には、混練することができなかった(実験No.1-6、1-11)。
表2に示すセメントとSFヌを使用し、減水剤Aを結合材100部に対して、固形分換算で0.20部使用したこと以外は実施例1と同様に行った。結果を表2に併記する。
表2より、SFを3〜20部配合すると、良好な混練が可能で、凝結遅延が無いことが分かる。
実施例1で使用したSFを鉄製容器に2週間貯蔵したときの、容器内壁の発錆の状態について評価した。結果を表3に示す。
<測定方法>
発錆状態 :SFを鉄製缶に2週間入れた時の、容器内壁の発錆の有無、目視確認
表3より、pHが2以上のSFイ〜ヘ、チ〜ルは、容器への発錆がないことが分かる(実験No.3-1〜No.3-6、No.3-8〜No.3-11)。
SFヌ10部と、表4に示す、セメント、膨張材、及び減水剤を配合してグラウト材料を調製し、混練性、流動性、凝結時間、圧縮強度、及び長さ変化率を測定したこと以外は実施例1と同様に行った。その結果を表4に併記する。
<使用材料>
膨張材β :カルシウムサルフォアルミネート系膨張材、ブレーン2,800cm2/g、市販品
膨張材γ :石灰系膨張材、ブレーン3,500cm2/g、市販品
減水剤B :ナフタレンスルホン酸塩系減水剤、市販品
<測定方法>
長さ変化率:JIS A6202「コンクリート用膨張材 附属書1(規定)膨張材のモルタルによる膨張性試験」に準じ測定。養生は20℃封緘養生、測定材齢1日、7日
表4より、膨張材を配合した本発明のグラウト材料は、良好な混練が可能で、凝結遅延が無く、圧縮強度も充分であり、かつ硬化収縮が無いか、少ないことが分かる(実験No.4-2〜No.4-8、No.1-10)。特に、膨張材として、カルシウムアルミノフェライト系膨張材を使用し、減水剤として、ポリカルボン酸塩系減水剤を使用すると、流動性の保持性能が良好であり、硬化収縮が無いから、好ましい(実験No.4-2〜No.4-5、No.1-10)。
これに対して、膨張材を配合しない比較例のグラウト材料は、硬化収縮が極めて大きい(実験No.4-1)。
セメント87部と、膨張材α3部、SFヌ10部、及び表5に示す減水剤Aと消泡剤を配合し、表5に示す水/結合材比(W/G)でグラウト材料を作製し、混練性、流動性、凝結時間、圧縮強度、及び長さ変化率を測定し、泡の状態を評価したこと以外は実施例1と同様に行った。結果を表5に併記する。
<使用材料>
消泡剤 :ポリオキシエチレンアルキルエーテル系消泡剤、市販品
<測定方法>
泡の状態 :練混ぜ終了後のグラウト表面の状態の目視判定、泡が全て消滅した場合は良、泡が少々あるが実用上問題ない場合は可、泡が多い場合は不可とした。
表5より、W/Gが15〜25%の範囲では、練混ぜ可能であり、充分な圧縮強度を示し、かつ、硬化収縮が無いことが分かる。
また、消泡剤を併用することにより、さらなる高強度発現が望めることがわかる(実験No.5-3〜No.5-6)。
本発明のグラウト材料は、PCグラウト、プレパックドコンクリート用グラウト、トンネルやシールド裏込めグラウト、プレキャスト用グラウト、構造物の補修や補強注入グラウト、橋梁の支承下グラウト、軌道下グラウト、耐震鉄骨ブレース周辺枠グラウト、増設壁逆打ちグラウト、鋼板巻き立て工法用グラウト、及び原子力発電所格納容器下グラウトなど土木および建築用途に広範に利用できる。

Claims (6)

  1. セメント、膨張材、ポゾラン微粉末、及び減水剤を含有してなるグラウト組成物において、前記膨張材が、カルシウムアルミノフェライト系膨張材であり、前記ポゾラン微粉末が、SiO2含有率が90%以上であり、シリカフュームを水に懸濁させた混合物のpHが2〜7であるシリカフュームであり、減水剤がポリカルボン酸塩系減水剤であることを特徴とするグラウト組成物。
  2. さらに、消泡剤を含有してなる請求項1に記載のグラウト組成物。
  3. 前記膨張材が、セメント、膨張材、及びシリカフュームからなる結合材100部中、1〜4部である請求項1又は2に記載のグラウト組成物。
  4. 前記シリカフュームが、セメント、膨張材、及びシリカフュームからなる結合材100部中、3〜20部である請求項1〜のいずれか一項に記載のグラウト組成物。
  5. 請求項1〜のいずれか一項に記載のグラウト組成物と水とを含有してなるグラウト材料。
  6. 水が、水/結合材比で15〜25%である請求項に記載のグラウト材料。
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