JP4883917B2 - 吹付け材料の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、法面、又は、道路、鉄道、及び導水路等のトンネルにおいて、露出した地山面に吹き付ける吹付け材料の製造方法に関する。
従来、トンネルの掘削作業等において露出した地山の崩落を防止するために、粉体の急結剤をコンクリートに混合した急結性コンクリートを吹き付ける工法が用いられている(特許文献１、特許文献２参照)。
これらの吹付け工法で使用する急結剤としては、急結性能が優れることからカルシウムアルミネートに、アルカリ金属アルミン酸塩又はアルカリ金属炭酸塩等を混合したものが使用されていた。
しかしながら、カルシウムアルミネートにアルカリ金属アルミン酸塩やアルカリ金属炭酸塩等を混合した急結剤よりも低ｐＨ値のもので、弱アルカリ性、好ましくは、中性又は弱酸性の急結剤が求められていた。
しかしながら、カルシウムアルミネートにアルカリ金属アルミン酸塩やアルカリ金属炭酸塩等を混合した急結剤よりも低ｐＨ値のもので、弱アルカリ性、好ましくは、中性又は弱酸性の急結剤が求められていた。
この問題を解決するため液体急結剤として、塩基性アルミニウム塩や有機カルボン酸を主成分とするもの（特許文献３参照）、硫酸アルミニウムやアルカノールアミンを主成分(特許文献４参照)とするもの、並びに、アルミニウムの塩基性水溶液と、ケイ酸リチウム、及びアルミン酸リチウムを主成分（特許文献５）とするもの等が用いられている。
しかしながら、この液体急結剤は、初期強度発現が得にくく、従来の粉体系急結剤と比較して、トンネル坑内で厚吹きした場合には剥落する危険性があった。
近年では、人体への影響が従来の塩基性の急結剤と比較して少なく、初期強度発現性が優れる液体急結剤の開発が待たれていた。
特公昭６０−００４１４９号公報
特開平０９−０１９９１０号公報
特表２００１−５０９１２４
特開平１０−０８７３５８号公報
特開２００１−１３０９３５号公報
しかしながら、この液体急結剤は、初期強度発現が得にくく、従来の粉体系急結剤と比較して、トンネル坑内で厚吹きした場合には剥落する危険性があった。
近年では、人体への影響が従来の塩基性の急結剤と比較して少なく、初期強度発現性が優れる液体急結剤の開発が待たれていた。
本発明者は、以上の状況を鑑み、前記課題を解消すべく種々検討した結果、特定の吹付け材料を使用することで、アルカリ量が少なく、初期強度発現性が優れる吹付け材料が得られるとの知見を得て本発明を完成するに至った。
本発明は、液体急結剤とセメントコンクリートを含有する吹付け材料において、アルカリ金属を液体急結剤１００部中、Ｒ2Ｏ換算で１〜１０部含有する酸性の液体急結剤と粉末硫酸アルミニウムを併用することを特徴とする吹付け材料である。また、前記液体急結剤のｐＨが６以下であること、前記液体急結剤の主成分がＡｌ2Ｏ3とＳＯ3であること、Ａｌ2Ｏ3を前記液体急結剤１００部中、７％以上含有することを特徴とする該吹付け材料であり、前記液体急結剤の使用量が、前記セメントコンクリート中のセメント１００部に対して、５〜１５部であることを特徴とする該吹付け材料である。前記粉末硫酸アルミニウムが、前記セメントコンクリート中のセメント１００部に対して、１〜１０部であること、前記粉末硫酸アルミニウムは、Ａｌ2（ＳＯ4）3・ｎＨ2Ｏのｎが５〜２０であることを特徴とする該吹付け材料である。さらに、該吹付け材料を用いて地山に吹付けることを特徴とする吹付け工法を構成とする。
本発明の吹付け材料およびそれを用いた吹付け工法を採用することによって、液体急結剤を使用した場合でも急結性に優れ、吹付け後に剥落を生じない効果を奏する。
本発明は、上記の課題を解決するために、以下の手段を採用する。
（１）液体急結剤とセメントコンクリートを含有する吹付け材料の製造方法において、アルカリ金属を液体急結剤１００部中、Ｒ2Ｏ換算で１〜１０部含有する酸性の液体急結剤と、Ａｌ 2 (ＳＯ 4 ) 3 ・ｎＨ 2 Ｏのｎが１４〜１８である粉末硫酸アルミニウムを併用することを特徴とする吹付け材料の製造方法である。
（２）前記液体急結剤のｐＨが６以下であることを特徴とする前記（１）の吹付け材料の製造方法である。
（３）前記液体急結剤の主成分がＡｌ2Ｏ3とＳＯ3であることを特徴とする前記（１）又は（２）の吹付け材料の製造方法である。
（４）Ａｌ2Ｏ3を前記液体急結剤１００部中、７部以上含有することを特徴とする前記（１）〜（３）のうちのいずれかの吹付け材料の製造方法である。
（５）前記液体急結剤の使用量が、前記セメントコンクリート中のセメント１００部に対して、５〜１５部であることを特徴とする前記（１）〜（４）のうちのいずれかの吹付け材料の製造方法である。
（６）前記粉末硫酸アルミニウムが、前記セメントコンクリート中のセメント１００部に対して、１〜１０部であることを特徴とする前記（１）〜（５）のうちのいずれかの吹付け材料の製造方法である。
（１）液体急結剤とセメントコンクリートを含有する吹付け材料の製造方法において、アルカリ金属を液体急結剤１００部中、Ｒ2Ｏ換算で１〜１０部含有する酸性の液体急結剤と、Ａｌ 2 (ＳＯ 4 ) 3 ・ｎＨ 2 Ｏのｎが１４〜１８である粉末硫酸アルミニウムを併用することを特徴とする吹付け材料の製造方法である。
（２）前記液体急結剤のｐＨが６以下であることを特徴とする前記（１）の吹付け材料の製造方法である。
（３）前記液体急結剤の主成分がＡｌ2Ｏ3とＳＯ3であることを特徴とする前記（１）又は（２）の吹付け材料の製造方法である。
（４）Ａｌ2Ｏ3を前記液体急結剤１００部中、７部以上含有することを特徴とする前記（１）〜（３）のうちのいずれかの吹付け材料の製造方法である。
（５）前記液体急結剤の使用量が、前記セメントコンクリート中のセメント１００部に対して、５〜１５部であることを特徴とする前記（１）〜（４）のうちのいずれかの吹付け材料の製造方法である。
（６）前記粉末硫酸アルミニウムが、前記セメントコンクリート中のセメント１００部に対して、１〜１０部であることを特徴とする前記（１）〜（５）のうちのいずれかの吹付け材料の製造方法である。
本発明の液体急結剤は、酸性の液体急結剤であり、ｐＨで６以下が好ましい。また、アルカリ金属の含有量は、液体急結剤１００部中、Ｒ2Ｏ換算で１〜１０部であり、好ましくは２〜５部である。アルカリ金属が、Ｒ2Ｏ換算で１部未満では、優れた急結性が発揮されず、１０部を超えると、液体急結剤の貯蔵安定性が損なわれる場合があるので、上記のように含有量を限定した。
液体急結剤の主成分は、Ａｌ2Ｏ3とＳＯ3であり、液体急結剤１００部中、Ａｌ2Ｏ3を７部以上含有することが好ましい。７部以上含有させることにより優れた急結性を発揮させることができる。このような主成分のものとして硫酸アルミニウムを使用することが好ましい。
アルカリ金属の供給原料は特に限定されるものではないが、アルカリ金属元素、即ち、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、及びセシウムを含む水溶性の化合物であればよく、アルカリ金属元素の酸化物、過酸化物、塩化物、水酸化物、硝酸塩、亜硝酸塩、リン酸塩、ケイ酸塩、アルミン酸塩、硫酸塩、チオ硫酸塩、過硫酸塩、硫化塩、炭酸塩、重炭酸塩、シュウ酸塩、ホウ酸塩、フッ化塩、ケイ酸塩、ケイフッ化塩、明礬、及び金属アルコキシドなどが使用可能であり、これらのうちの一種又は二種以上が使用可能である。これらの中でも、硫酸塩、炭酸塩、シュウ酸塩、フッ化塩、ケイフッ化塩、明礬等が好ましい。
また、本発明の液体急結剤と併用して既知の水溶性の水和促進剤を使用することは可能である。
水和促進剤としては、例えば、ギ酸又はその塩、酢酸又はその塩、及び乳酸又はその塩等の有機系の水和促進剤や、水ガラス、硝酸塩、亜硝酸塩、チオ硫酸塩、及びチオシアン酸塩等の無機系の水和促進剤を使用することが可能である。
水和促進剤としては、例えば、ギ酸又はその塩、酢酸又はその塩、及び乳酸又はその塩等の有機系の水和促進剤や、水ガラス、硝酸塩、亜硝酸塩、チオ硫酸塩、及びチオシアン酸塩等の無機系の水和促進剤を使用することが可能である。
液体急結剤中の固形分の濃度は、２０〜６０％であることが好ましく、２５〜５０％であることがより好ましい。２０％未満では優れた急結性状が得られない場合があり、６０％を超えるものでは、液の粘性が高く、ポンプでの圧送性が悪くなる場合がある。
本発明の液体急結剤の形態は液状であり、懸濁液も含むものであり、懸濁液中の懸濁粒子のサイズは特に限定されるものではないが、懸濁粒子の分散性から、５μｍ以下であることが好ましい。
本発明の液体急結剤の使用量は、セメント１００部に対して、５〜１５部が好ましく、７〜１０部がより好ましい。液体急結剤の使用量が５部未満では、優れた急結性が発揮されない場合があり、１５部を超えると長期強度発現性が悪くなる場合がある。
本発明の吹付け材料は、上記のような液体急結剤と粉末硫酸アルミニウムを併用するものである。粉末硫酸アルミニウムは、予めベースとなる吹付け用コンクリートに含有させることも可能であるが、吹付け用コンクリートが地山に吹付けされる直前に水、もしくは本液体急結剤と混合してスラリー化したものを、コンクリートの吐出直前に混合させることも可能であり、粉塵低減の観点から後者の方法が好ましい。
本発明で使用する粉末硫酸アルミニウムは、Ａｌ2(ＳＯ4)3・ｎＨ2Ｏの化学式を持ち、Ａｌ2(ＳＯ4)3・１４〜１８Ｈ2ＯやＡｌ2(ＳＯ4)3・８Ｈ2Ｏ、無水硫酸アルミニウム等が使用可能であるが、初期の付着性が良好なことからｎは５〜２０であることが好ましい。
本発明の粉末硫酸アルミニウムの使用量は、セメント１００部に対して、１〜１０部が好ましく、１．５〜５部がより好ましい。粉末硫酸アルミニウムの使用量が１部未満では、優れた急結性が発揮されない場合があり、１０部を超えると長期強度発現性が悪くなる場合がある。
本発明で使用するセメントは特に限定されるものではなく、普通、早強、超早強、中庸熱、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、及び石灰石微粉末を混合した各種混合セメントなどのいずれも使用可能である。混合セメントにおける混合物とセメントの割合は特に限定されるものではなく、これら混和材をＪＩＳで規定する以上に混合したものも使用可能である。
本発明では、前記各材料や、砂や砂利等の骨材の他に、減水剤、ＡＥ剤、増粘剤、及び繊維等の混和材又は混和剤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。
減水剤は、例えばリグニンスルホン酸系、ナフタレンスルホン酸系、及びポリカルボン酸系等の公知の減水剤すべてのものが使用可能である。
ＡＥ剤は、コンクリートの凍害を防止するものである。
増粘剤は、骨材、セメントペースト、及びその他添加剤の材料分離抵抗性を向上させるものであり、例えば、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、セルロースエーテルなどのセルロース系、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリブチレンオキサイドなどのポリマーや、アクリル酸、メタクリル酸、及びエステルのコポリマーが主成分であるアクリル系ポリマーなどが使用可能である。
繊維は、セメントコンクリートの耐衝撃性や弾性の向上の面から使用するもので、無機質や有機質いずれも使用可能である。
無機質の繊維としては、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る。
また、有機質の繊維としては、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、麻、木毛、及び木片等が挙げられ、これらのうち、経済性の面で、金属繊維やビニロン繊維が好ましい。
繊維の長さは圧送性や混合性等の点で、５０ｍｍ以下が好ましく、５〜３０ｍｍがより好ましい。繊維のアスペクト比は特に限定されるものではない。
無機質の繊維としては、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る。
また、有機質の繊維としては、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、麻、木毛、及び木片等が挙げられ、これらのうち、経済性の面で、金属繊維やビニロン繊維が好ましい。
繊維の長さは圧送性や混合性等の点で、５０ｍｍ以下が好ましく、５〜３０ｍｍがより好ましい。繊維のアスペクト比は特に限定されるものではない。
本発明の法面やトンネルへの吹付け工法としては、一般的に行われている乾式、湿式のいずれの吹付け工法も可能である。そのうち、粉塵の発生量が少ない面で湿式吹付け工法が好ましい。
本発明の液体急結剤は、２０℃以上、９０℃以下の範囲で加熱してセメントコンクリートに混和させることでより急結性を向上させることが可能である。
本発明の吹付け用セメントコンクリートのスランプ値やフロー値は特に限定されず、公知の施工システムの組み合わせの範疇で問題なく施工可能ならばいずれの値のものでも使用可能である。
セメント／砂が１／３、Ｗ／Ｃが５０％の配合を用い、減水剤を使用してスランプ（ＳＬ）を１５ｃｍ程度に調整したモルタルを調製した。
調製したモルタル中のセメント１００部に対して、粉末硫酸アルミニウム（ア）５部を配合し、さらにセメント１００部に対して、表１に示す液体急結剤１０部を混合して型枠内に詰め込み、試験環境温度２０℃で、プロクター貫入抵抗値を測定した。結果を表１に併記する。
なお、比較のため、粉末硫酸アルミニウムを使用しない系でも同様に試験した。
調製したモルタル中のセメント１００部に対して、粉末硫酸アルミニウム（ア）５部を配合し、さらにセメント１００部に対して、表１に示す液体急結剤１０部を混合して型枠内に詰め込み、試験環境温度２０℃で、プロクター貫入抵抗値を測定した。結果を表１に併記する。
なお、比較のため、粉末硫酸アルミニウムを使用しない系でも同様に試験した。
＜使用材料＞
粉末硫酸アルミニウム（ア）：硫酸アルミニウム１４〜１８水塩、キシダ化学社製、試薬１級品
原料イ ：硫酸アルミニウム１４〜１８水塩、キシダ化学社製、試薬１級品
原料ロ ：アルカリ金属原料、無水硫酸ナトリウム、キシダ化学社製、試薬１級品
原料ハ ：アルカリ金属原料、炭酸ナトリウム、キシダ化学社製、試薬１級品
液体急結剤：各原料を表１に示す組成になるよう計算して混合し、８０℃で３０分間溶解させたものを使用。
セメント ：普通ポルトランドセメント、市販品、密度３．１５ｇ／ｃｍ3
砂 ：新潟県姫川産川砂、密度２．６２ｇ／ｃｍ3
減水剤 ：ポリカルボン酸系高性能減水剤、市販品
水 ：水道水
粉末硫酸アルミニウム（ア）：硫酸アルミニウム１４〜１８水塩、キシダ化学社製、試薬１級品
原料イ ：硫酸アルミニウム１４〜１８水塩、キシダ化学社製、試薬１級品
原料ロ ：アルカリ金属原料、無水硫酸ナトリウム、キシダ化学社製、試薬１級品
原料ハ ：アルカリ金属原料、炭酸ナトリウム、キシダ化学社製、試薬１級品
液体急結剤：各原料を表１に示す組成になるよう計算して混合し、８０℃で３０分間溶解させたものを使用。
セメント ：普通ポルトランドセメント、市販品、密度３．１５ｇ／ｃｍ3
砂 ：新潟県姫川産川砂、密度２．６２ｇ／ｃｍ3
減水剤 ：ポリカルボン酸系高性能減水剤、市販品
水 ：水道水
＜測定方法＞
プロクター貫入抵抗値：JSCE D-102-1999に準じて測定、材齢１５分
プロクター貫入抵抗値：JSCE D-102-1999に準じて測定、材齢１５分
表１より、アルカリ金属を液体急結剤１００部中、Ｒ2Ｏ換算で１〜１０部含有する液体急結剤と粉末硫酸アルミニウムを併用した実験No.1-2、1-4、1-5、1-7、1-9、1-10、1-12、1-14、1-15、1-16の実施例の材料は、材齢１５分のプロクター貫入抵抗値が大きく、急結性に優れていることが分かる。また、液体急結剤のＡｌ2Ｏ3の含有量が多くなるにしたがって、急結性が向上するのが示されているから、Ａｌ2Ｏ3の含有量を液体急結剤１００部中、７部以上とすることが好ましい。
これに対して、液体急結剤にアルカリ金属を含有しない実験No.1-1、1-6、1-11の比較例の材料、粉末硫酸アルミニウムを併用しない実験No.1-3、1-8、1-13の比較例の材料は、材齢１５分のプロクター貫入抵抗値が小さく、優れた急結性が発揮されなかった。
これに対して、液体急結剤にアルカリ金属を含有しない実験No.1-1、1-6、1-11の比較例の材料、粉末硫酸アルミニウムを併用しない実験No.1-3、1-8、1-13の比較例の材料は、材齢１５分のプロクター貫入抵抗値が小さく、優れた急結性が発揮されなかった。
表１の実験No.1-14の液体急結剤を、セメント１００部に対して、表２に示す量使用し、粉末硫酸アルミニウム（ア）をセメント１００部に対して５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、液体急結剤の使用量が多くなるにしたがって、材齢１５分のプロクター貫入抵抗値が大きくなり、急結性の向上するのが分かるから、液体急結剤の使用量は、セメント１００部に対して、５部以上が好ましい。しかし、１５部を超えて使用しても、実験No.2-4のように急結性状は飽和し、また、長期強度発現性が悪くなる場合があるから、５〜１５部とすることが好ましい。
セメント１００部に対して表３に示す種類と量の粉末硫酸アルミニウムを使用し、さらに表１の実験No.1-14の液体急結剤を、セメント１００部に対して１０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３に併記する。
＜使用材料＞
粉末硫酸アルミニウム（ア）：硫酸アルミニウム１４〜１８水塩、キシダ化学社製、試薬１級品
粉末硫酸アルミニウム（イ）：硫酸アルミニウム８水塩、キシダ化学社製、試薬１級品
粉末硫酸アルミニウム（ウ）：無水硫酸アルミニウム、キシダ化学社製、試薬１級品
＜使用材料＞
粉末硫酸アルミニウム（ア）：硫酸アルミニウム１４〜１８水塩、キシダ化学社製、試薬１級品
粉末硫酸アルミニウム（イ）：硫酸アルミニウム８水塩、キシダ化学社製、試薬１級品
粉末硫酸アルミニウム（ウ）：無水硫酸アルミニウム、キシダ化学社製、試薬１級品
表３より、粉末硫酸アルミニウムの使用量は、セメント１００部に対して、１部以上で、材齢１５分のプロクター貫入抵抗値が大きくなり、急結性の向上するのが分かる。しかし、１０部を超えて使用しても、実験No.3-4のように急結性状は飽和し、また、長期強度発現性が悪くなる場合があるから、１〜１０部とすることが好ましい。
また、実験No.1-14、No.3-2、No.3-5を比較すると、結晶水を持った粉末硫酸アルミニウム（ア）、（イ）を使用した方が、急結性状に優れるのが分かる。
また、実験No.1-14、No.3-2、No.3-5を比較すると、結晶水を持った粉末硫酸アルミニウム（ア）、（イ）を使用した方が、急結性状に優れるのが分かる。
Claims (6)
- 液体急結剤とセメントコンクリートを含有する吹付け材料の製造方法において、アルカリ金属を液体急結剤１００部中、Ｒ2Ｏ換算で１〜１０部含有する酸性の液体急結剤と、Ａｌ 2 (ＳＯ 4 ) 3 ・ｎＨ 2 Ｏのｎが１４〜１８である粉末硫酸アルミニウムを併用することを特徴とする吹付け材料の製造方法。
- 前記液体急結剤のｐＨが６以下であることを特徴とする請求項１に記載の吹付け材料の製造方法。
- 前記液体急結剤の主成分がＡｌ2Ｏ3とＳＯ3であることを特徴とする請求項１又は２に記載の吹付け材料の製造方法。
- Ａｌ2Ｏ3を前記液体急結剤１００部中、７部以上含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の吹付け材料の製造方法。
- 前記液体急結剤の使用量が、前記セメントコンクリート中のセメント１００部に対して、５〜１５部であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の吹付け材料の製造方法。
- 前記粉末硫酸アルミニウムが、前記セメントコンクリート中のセメント１００部に対して、１〜１０部であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の吹付け材料の製造方法。
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