JP4944734B2 - セメント系定着材 - Google Patents

Description

本発明は、セメント系定着材に関し、特に、掘削面の崩壊を防ぐために地山に挿入されるロックボルトを早期に定着させるために用いるセメント系定着材に関する。

一般に、山岳トンネル工事に際して、鋼製支保工、吹付けコンクリート、ロックボルトを主要な支保部材とする工法が標準的に採用されている。ロックボルトに関しては、地山補強効果が得られるため、山岳トンネル工事においては主に切羽補強工に用いられる（例えば特許文献１および特許文献２参照）。本明細書において、ロックボルトとは、鋼製、ガラス製もしくは樹脂製等の棒、単線、縒線、管又はこれらを組み合わせたものを含み、長尺ボルト、自穿孔型ロックボルト及びケーブルボルトも含む。
ロックボルトの定着方式は、ロックボルトの先端だけを定着させる先端定着方式と、ロックボルトと孔壁との間を全長にわたって定着させる全面定着方式がある。我が国では全面定着方式が一般的であり、全面定着方式はモルタルやセメントミルク、発泡樹脂などを使用する定着材方式とロックボルトを地山に密着させることによって生じる摩擦力を利用する摩擦方式に大別される。更に、定着材方式では、モルタルやセメントミルクなどの定着材を孔内に充填してからロックボルトを挿入・定着させる先充填方式と、先にロックボルトを挿入した後、定着材を注入して定着させる後注入方式に分けられる。

ロックボルトの芯材をモルタルやセメントミルクなどのセメント系定着材で定着させる一般的な定着材方式の場合、ロックボルト全体としての耐荷性能は、用いる定着材の強度発現特性に支配され、一般に若材齢時の耐荷力は小さい。セメント系定着材は強度発現に時間を要することが一般的であるため（例えば特許文献３及び特許文献４参照）、トンネルの切羽面等の掘削面が崩壊することを防ぐために、地山の掘削面にロックボルトを挿入しセメント系定着材で定着しても、掘削作業を行うことができるのは、セメント系定着材を穿孔に充填した翌日以降である。セメント系定着材を穿孔に充填した当日に掘削作業を行うと、ロックボルトが引抜けることがあった。
一方、セメント系定着材の硬化を早めるために、単に急硬材を添加しただけでは、定着材の注入時に目詰まりや充填不良等を起こしてしまうといった問題が起こる。
特開２００３−３２１９９２号公報 特開２００５−２９９６４号公報 特開２００３−６３８５３号公報 特開２００１−２７９４３号公報

本発明は、セメント系定着材の注入時に目詰まりや充填不良を起こさずにロックボルトを穿孔に定着させることができ、且つセメント系定着材を穿孔に充填した当日に掘削作業を行った場合においてもロックボルトが引抜けることのないセメント系定着材を提供することを目的とする。

本発明者は、前記課題解決のため鋭意検討した結果、特定のセメント系定着材を用いることにより、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させた。
すなわち、本発明は、可使時間が５０分〜１５０分且つ材齢３時間の圧縮強度が６Ｎ／ｍｍ²以上である、セメント系定着材を提供するものである。

本発明のセメント系定着材を用いれば、セメント系定着材を穿孔に充填した当日に掘削作業を行った場合においてもロックボルトが引抜けることがないので、地盤の状態の悪い地山も、短期間に且つ安全に掘削することができる。また、セメント系定着材を注入する際に内径６ｍｍ程度の注入管を用いた場合においても、目詰まりや充填不良を起こさずに注入できるので、確実に且つ効率よくロックボルトを定着させることができる。

本発明のセメント系定着材は、可使時間が５０分〜１５０分且つ材齢３時間の圧縮強度が６Ｎ／ｍｍ²以上である。
ここで、「可使時間」とは、水和開始から流動性がなくなる前までの時間を云い、流動性の有無はセメント系定着材を容器に入れこの容器を傾けることでセメント系定着材を別な容器に排出できるか否かで判断し、容器を傾けることで該容器内のセメント系定着材を別な容器に排出できる場合を「流動性あり」、できない場合を「流動性なし」と判断する。
また、「材齢３時間の圧縮強度」とは、土木学会基準 ＪＳＣＥ−Ｇ ５４１「充てんモルタルの圧縮強度試験方法」に準じて求める、水和開始から材齢３時間の圧縮強度を云う。なお、本発明において、特に断らない限り、材齢とは水和開始からの時間を云う。

本発明において、セメント系定着材の可使時間が５０分未満であると、注入時に定着材がミキサ、圧送ポンプ、圧送管、継手、バルブ及び注入管等の定着材の経路内での目詰まりが起こる及び／又は穿孔内での定着材の充填不良を起こし易い。また、可使時間が１５０分を超えると、材齢３時間において掘削作業を行う場合にロックボルトが定着材から抜けたり、定着材ごと穿孔から抜けてしまう。従って、可使時間を５０分〜１５０分にすることにより、注入時における定着材の経路内での目詰まり及び穿孔内での定着材の充填不良を防ぐことができ、また良好な付着力が得られる。可使時間は、好ましくは６０分〜９０分である。

また、定着材のＪＩＳ Ｒ ５２０１「セメントの物理試験方法」のフロー試験に準じて測定した、フローコーン引き抜き直後のフロー値（１５回の落下運動前のフロー値）が、２５０〜４３０ｍｍであると、定着材のポンプ圧送性が良好であることから好ましい。

一方、セメント系定着材の材齢３時間の圧縮強度が６Ｎ／ｍｍ²未満であると、定着材の耐荷力が小さいため、掘削作業を行うのが難しいが、材齢３時間の圧縮強度が６Ｎ／ｍｍ²以上であれば定着材の充填３時間後には掘削が可能となる。また、材齢２時間の圧縮強度が６Ｎ／ｍｍ²以上であれば、定着材の充填の２時間後には掘削が可能となるのでより好ましい。

また、本発明において、セメント系定着材のＰ漏斗流下時間が、練り混ぜ直後から４０分間、１０〜２５秒であると、内径６ｍｍ程度の注入管を用いた場合においても注入時における定着材の経路内での目詰まりや、穿孔内での定着材の充填不良が起きずにセメント系定着材を穿孔に充填することができるため好ましい。Ｐ漏斗流下時間は、好ましくは練り混ぜ直後から４０分間、１０〜２０秒である。なお、Ｐ漏斗流下時間は、土木学会基準 ＪＳＣＥ−Ｆ ５２１「プレパクドコンクリートの注入モルタルの流動性試験方法（Ｐ漏斗による方法）」に準じて求められる。

本発明のセメント系定着材は、水硬性セメント、硬化促進剤、遅延剤及び増粘剤を含有する。
水硬性セメントとしては、例えば普通、早強、超早強、中庸熱、低熱ポルトランドセメント等のポルトランドセメントや、高炉セメント、アルミナセメント、或いは、都市ゴミ焼却灰や下水汚泥焼却灰等の廃棄物を原料として利用したエコセメント等が挙げられ、これらの一種又は二種以上を使用することができる。これらのうち、高い初期強度を得る観点から、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、超早強ポルトランドセメント及びエコセメントから選ばれる一種又は二種以上を使用することが好ましい。特に、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、超早強ポルトランドセメント及びエコセメントから選ばれる一種又は二種以上と、アルミナセメントとを併用することが、高い初期強度を得る観点からより好ましい。

硬化促進剤としては、例えば石膏、アルカリ金属硫酸塩、炭酸リチウム等が挙げられる。
遅延剤としては、例えば酒石酸やクエン酸等のオキシカルボン酸又はその塩を主成分として含むもの、或いは炭酸ナトリウム等が挙げられる。
増粘剤としては、例えばヒドロキシメチルセルロースやヒドロキシプロピルセルロース等の水溶性セルロース；アルギン酸、β-１，３グルカン、プルラン、ウェランガム等の多糖類；アクリル樹脂やポリビニルアルコール等のポリビニル等が挙げられる。

前記セメント系定着材には、上記の他に、流動性、付着力及び強度発現性の観点から、膨張材、消泡剤及び骨材から選ばれる一種又は二種以上を配合するのが好ましい。
膨張材としては、例えば石灰系膨張材、カルシウムサルホアルミネート系膨張材（アウイン系膨張材）等が好ましい。消泡剤としては、例えばポリエーテル系消泡剤、シリコーン系消泡剤等が好ましい。

骨材としては、例えば川砂、陸砂、海砂、砕砂、珪砂、石粉、川砂利、陸砂利、砕石及び人工骨材等が挙げられ、これらの一種又は二種以上を使用することができる。これらのうち、定着材の流動性を確保するために、川砂、陸砂、海砂、砕砂、珪砂及び人工軽量細骨材等の細骨材を使用することが好ましく、内径６ｍｍ程度の注入管を用いた場合においても、注入時に定着材の経路内での目詰まり及び穿孔内での定着材の充填不良を起こさずにセメント系定着材を穿孔に充填するために、０．６ｍｍの篩に留まる粒子が１重量％未満であることがより好ましい。

また、セメント系定着材には上記以外の混和材料を配合してもよい。この混和材料としては、例えば高性能減水剤、高性能ＡＥ減水剤、ＡＥ減水剤及び流動化剤を含むセメント分散剤、シリカフューム、高炉スラグ等の潜在水硬性物質、樹脂エマルション、起泡剤、発泡剤、防錆剤、顔料、繊維、撥水剤、防水材、急硬剤（材）、急結剤（材）、粉塵低減剤、収縮低減剤、水中不分離性混和剤等が挙げられ、これらの一種又は二種以上を本発明による効果を阻害しない範囲で使用することができる。

本発明のセメント系定着材において、強度発現性及び所望のゲルタイムを確保する観点から、水硬性セメントの含有量は、水硬性セメント、骨材及び固形の混和材料の合計（以下単に「固形分」と云う）１００質量部に対して、３５〜７０質量部、硬化促進剤の含有量は５〜２０質量部、遅延剤の含有量は０．１〜０．５質量部、増粘剤の含有量は０．０３〜０．１質量部とするのが好ましい。
また、膨張材、消泡剤及び細骨材を配合する場合は、前記「固形分」１００質量部に対して、膨張剤の含有量を１〜３質量部、消泡剤の含有量を０．０５〜０．１５質量部、細骨材の含有量を１５〜５５質量部とするのが好ましい。

本発明のセメント系定着材は、水と混合して用いられるが、混合する水の量は、前記固形分１００重量部に対し、３０〜４５質量部とするのが好ましい。この水としては、液体セメント分散剤や樹脂エマルション等の液状の混和材料に含まれる水分も考慮し、これらの水分も合わせた量とする。

本発明のセメント系定着材を製造する方法は、特に限定されず、例えば、水硬性セメント等の材料を、モルタルミキサやコンクリートミキサ等のミキサにより混練して製造できる。このとき用いるミキサは、連続式ミキサでもバッチ式ミキサでも良い。各材料の添加順序は特に限定されない。一種ずつ添加してもよく、一部又は全部を同時に添加してもよい。

本発明のセメント系定着材を使用する方法は、特に限定されず、先充填方式及び後注入方式のどちらを用いても良い。また、用いるロックボルトの種類や材質、形状も特に限定されない。本発明のセメント系定着材は、例えばセメントペースト、セメントモルタル、ポリマーセメントモルタル、セメントコンクリート、ポリマーセメントコンクリート等として用いることができる。
定着材には１液型と２液型があり、２液型は強度発現が早いものの、定着材の調整や注入装置の取扱、操作に手間がかかり使用性が悪い。本発明のセメント系定着材は１液型の定着材であり、混練が容易で作業性に優れる。

以下、本発明について実施例をあげて具体的に説明する。
［使用材料］
水硬性セメント１：太平洋セメント社製普通ポルトランドセメント（記号；ＯＰＣ）
水硬性セメント２：ラファージュアルミネート社製アルミナセメント（記号；ＡＣ）
硬化促進剤１：II型無水石膏（ブレーン比表面積：８０００ｃｍ²／ｇ）
硬化促進剤２：炭酸リチウム（試薬）
膨張材：太平洋マテリアル社製石灰系膨張材（商品名「太平洋Ｎ−ＥＸ」）
遅延剤１：クエン酸（工業用）
遅延剤２：ソーダ灰（工業用、主成分：炭酸ナトリウム）
増粘剤：信越化学工業社製ヒドロキシプロピルメチルセルロース（商品名「メトローズ９０ＳＨ３００００」）
細骨材１：珪砂（密度：２．６０ｇ／ｃｍ³，０．６ｍｍの篩を全通し且つ０．０７ｍｍの篩に留まる粒子が９５重量％）
細骨材２：石灰石微粉末（０．６ｍｍの篩を全通）
消泡剤：サンノプコ社製ＳＮディフォーマＡＨＰ
高性能減水剤：ＢＡＳＦポゾリス社販売商品名「メルメントＦ１０」

表１に示す配合の各種セメント系定着材を作製した。この作製した各セメント系定着材について、可使時間、Ｐ漏斗流下時間、モルタルフロー及び圧縮強度を測定し、模擬孔への充填性・引抜き試験を行った。

［可使時間］
可使時間は、セメント系定着材をポリビーカーに入れこのポリビーカーを傾けることでセメント系定着材を別なポリビーカーに排出できる、即ち「流動性あり」の状態である、水和開始からの時間とした。
［Ｐ漏斗流下時間］
Ｐ漏斗流下時間は、土木学会基準 ＪＳＣＥ−Ｆ ５２１「プレパクドコンクリートの注入モルタルの流動性試験方法（Ｐ漏斗による方法）」に従って測定した。
［モルタルフロー］
モルタルフローは、ＪＩＳ Ｒ ５２０１「セメントの物理試験方法」のフロー試験に準じて、フローコーン引き抜き直後のフロー値（１５回の落下運動前のフロー値）を測定した。
［圧縮強度］
土木学会基準 ＪＳＣＥ−Ｇ ５４１「充てんモルタルの圧縮強度試験方法」に準じて、材齢２時間及び材齢３時間の圧縮強度を求めた。

［模擬孔への充填性・引抜き試験］
内径１００ｍｍ、長さ２００ｍｍの鋼管を模擬孔として、その内部に模擬ロックボルトとして外径７６ｍｍ、溝加工付きの鋼管（定着長さ２００ｍｍ）を挿入し、注入ポンプを用いてセメント系定着材を充填することで、引抜き試験体を作製した。このとき、内径６ｍｍの注入管を用いセメント系定着材を充填した。引抜き試験体を所定の材齢まで静置養生し、その後、万能試験機によって、付着強度０．３Ｎ／ｍｍ²となる引抜き荷重（１４ｋＮ）を引抜き試験体に掛け、模擬ロックボルトが模擬孔から抜けるか否かを確認した。

表３に示すとおり、本発明のセメント系定着材（Ｎｏ．１〜３）は、何れも注入時に目詰まりや充填不良を起こさず、材齢２時間でロックボルトが抜けることがない程度の優れた付着力を示した。

Claims (3)

1. 水硬性セメント、骨材及び固形の混和材料の合計１００質量部に対して、
   普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、超早強ポルトランドセメント及びエコセメントから選ばれる一種又は二種以上とアルミナセメントとを併用する水硬性セメント３５〜７０質量部、
   石膏、アルカリ金属硫酸塩、炭酸リチウムから選ばれる一種又は二種以上の硬化促進剤４．２５〜２０質量部、
   オキシカルボン酸又はその塩を主成分として含むもの、或いは炭酸ナトリウムから選ばれる一種又は二種以上の遅延剤０．１〜０．５質量部、
   水溶性セルロース、多糖類、アクリル樹脂、ポリビニルから選ばれる一種又は二種以上の増粘剤０．０３〜０．１質量部、
   膨張材１〜３質量部、
   消泡剤０．０５〜０．１５質量部、
   及び細骨材１５〜５５質量部を含有し、可使時間が５０分〜１５０分且つ材齢３時間の圧縮強度が６Ｎ／ｍｍ²以上であるセメント系定着材。
2. Ｐ漏斗流下時間が、練り混ぜ直後から４０分間、１０〜２５秒である請求項１記載のセメント系定着材。
3. 硬化促進剤を５〜２０質量部含有する請求項１又は２記載のセメント系定着材。