JP5085497B2

JP5085497B2 - 注入用セメント組成物

Info

Publication number: JP5085497B2
Application number: JP2008264137A
Authority: JP
Inventors: 一行水島; 崇佐々木; 克明入内島
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2008-10-10
Filing date: 2008-10-10
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2028-10-10
Also published as: JP2010090019A

Description

本発明は、注入材に関する。

従来、道路や鉄道トンネルの床版に、地盤を締め固めた後にプレキャストコンクリート床版を敷き、締め固めた地盤とプレキャストコンクリート床版の隙間にセメントモルタルやセメントミルクを流し込む工法が用いられていた。又、前記床版下や場所打ちコンクリート床版が振動等で隙間ができた場合に、セメントミルクを流し込む工法が用いられていた（特許文献１、２、３参照）。

しかしながら、従来の注入材は凝結が非常に遅く、セメントミルクが地下水に流され、所定の注入位置から流れて逸脱することが多々あった。又、付着性や弾性が悪く、補修を繰り返すか、工事をやり直すか等の課題があった。

又、注入の際、ポンプ圧送性の向上や、地盤とプレキャストコンクリート床版の隙間への浸透性を増す目的で水量を増す場合があるが、その結果、硬化が遅れ、強度が低くなる等の課題があった。

このような隙間にセメントモルタルやセメントミルクにセメント用ポリマーを流し込むことが知られていた。セメント用ポリマーとしては、エチレン酢酸ビニル樹脂系ポリマーが知られていた。

しかしながら、エチレン酢酸ビニル樹脂系ポリマーを用いると、該ポリマー自体が耐水性に劣り、水に接触するとポリマーが再溶解するという課題があった。更に、エチレン酢酸ビニル樹脂系ポリマーは、セメントの水和反応を遅延させる官能基が存在するので、セメントの硬化及び強度発現が阻害されるという課題があった。

特開２００３−０５５０１８号公報特開２００８−０５７３１８号公報特開２００５−３４４７５号公報

本発明者は、上記課題を解決すべく種々検討した結果、特定の材料を使用することにより、従来、問題の多かったセメントミルクが地下水に流されたり、所定の注入位置から流れて逸脱したりすることを防ぐという耐水性、付着性、強度発現性か得られるという知見を得て本発明を完成するに至った。

即ち、本発明は、セメント、カルシウムアルミネート、石膏、酢酸ビニル・バーサティック酸ビニル・アクリル共重合体、凝結調整剤及びセルロース誘導体を含有してなる注入用セメント組成物であり、更に、減水剤を含有してなる該注入用セメント組成物であり、該注入用セメント組成物と水を含有してなるセメントミルクであり、該セメントミルクを注入してなる注入工法である。

本発明の注入用セメント組成物を用いることにより、セメントミルクが地下水に流されたり、所定の注入位置から流れて逸脱したりすることを防ぐという耐水性、付着性、強度発現性か得られるという効果が得られる。

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、早強及び中庸熱等の各種ポルトランドセメント、及びこれらポルトランドセメントに高炉スラグ又はフライアッシュ等を混合した各種混合セメント、並びに、通常市販されている各種微粒子セメント、エコセメント等が挙げられる。これらの中では、経済性や作業性が良く、スランプロスが少ない点で、普通ポルトランドセメントを使用することが好ましい。

本発明で使用するカルシウムアルミネート（以下、ＣＡという）は、ＣａＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、及びＳｉＯ_２を含有するものであり、石膏との併用により主として短期強度の発現に寄与するものである。ＣＡの組成は、ＣａＯ含有率２０〜８０質量％、Ａｌ_２Ｏ_３含有率２０〜８０質量％が好ましく、ＣａＯ含有率３０〜５５質量％、Ａｌ_２Ｏ_３含有率３０〜６０質量％、及びＳｉＯ_２含有率０〜２０質量％がより好ましい。この範囲外では短期強度が小さくなる場合がある。

ＣＡは、石灰石等のカルシア原料、アルミナ、ボーキサイト、長石、及び粘土等のアルミナ原料に、更には、ケイ石、ケイ砂、石英、及びケイ藻土等のシリカ原料等を配合した後、ロータリーキルン等で焼成、又は、電気炉や高周波炉等で溶融することにより製造される。

ＣＡとしては、Ｃ_１２Ａ_７、ＣＡ、Ｃ_３Ａ、２ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・ＳｉＯ_２やＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２等の結晶性化合物を使用することも可能であるが、短期強度が大きい点で、溶融物を急冷して得られるガラス質のものが好ましい。

ＣＡのガラス化率は、ＣＡを１，０００℃で２時間加熱後、５℃／分の冷却速度で徐冷し、粉末Ｘ線回折法により結晶鉱物のメインピークの面積Ｓ_０を求め、ＣＡの結晶のメインピークＳから、Ｘ（％）＝１００×（１−Ｓ／Ｓ_０）として求められるもので、短期強度の点から５０％以上が好ましく、８０％以上がより好ましく、９０％以上が最も好ましい。５０％未満では短期強度が小さい場合がある。

使用するＣＡの粉末度は、ブレーン値で３０００ｃｍ^２／ｇ以上が好ましく、４０００〜７０００ｍ^２／ｇがより好ましい。３０００ｃｍ^２／ｇ未満では初期の強度発現性の向上を十分示さない場合がある。

本発明で使用する石膏は、無水石膏、半水石膏、及び二水石膏が挙げられ、さらに天然石膏や、リン酸副生石膏、排脱石膏、及びフッ酸副生石膏等の化学石膏、又はこれらを熱処理して得られる石膏等が含まれる。これらの中で強度発現性が大きい点で無水石膏が好ましい。

使用する石膏の粉末度は、ブレーン値で３０００ｃｍ^２／ｇ以上が好ましく、４０００〜７０００ｍ^２／ｇがより好ましい。３０００ｃｍ^２／ｇ未満では初期の強度発現性の向上を十分示さない場合がある。

石膏の使用量は、ＣＡ１００質量部に対して、５０〜２００質量部が好ましく、７０〜１５０質量部がより好ましい。５０質量部未満では短期強度が小さい場合があり、２００部を超えても短期強度が小さい場合がある。

ＣＡと石膏の混合品（以下急硬材という）の使用量は、セメントと急硬材の合計１００質量部中、７〜２５質量部が好ましく、１０〜２０質量部がより好ましい。７質量部未満では短期強度の発現が不良の場合がある。２５質量部を超えると硬化時間の制御が難しく、ミキサやポンプを固めてしまう場合がある。又、長期強度発現に問題が生ずる可能性があり経済的で無い場合がある。

本発明で使用する酢酸ビニル・バーサティック酸ビニル・アクリル共重合体（以下ポリマーという）は、締め固めた地盤とプレキャストコンクリート床版の隙間に流し込むセメントモルタルやセメントミルクが弾性体となるので、前記床版が繰り返し振動を受けた場合、コンクリート床版の振動緩和に有効に働く。又、セメントミルクの長期耐久性が得られ、付着強度が向上する。酢酸ビニル・バーサティック酸ビニル・アクリル共重合体の中では、酢酸ビニル・バーサティック酸ビニル・アクリル共重合体粉末樹脂（以下粉末ポリマーという）が好ましい。

酢酸ビニル・バーサティック酸ビニル・アクリル共重合体は、例えば、アルカリ触媒等で酢酸ビニルをけん化することによって得られる変性ポリビニールアルコールを分散質として、酢酸ビニル、バーサティック酸ビニル、アクリルを共重合して得られる。さらに、前記以外の共重合可能な不飽和単量体を共重合してもよい。ここで、アクリルとは、アクリル酸やアクリル酸エステルを含むものである。

アクリル酸エステルとしては、アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸プロピル、アクリル酸ブチル、アクリル酸２−エチルヘキシル、アクリル酸２−メトキシエチル、アクリル酸グリシジル、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸プロピル、メタクリル酸ブチル、メタクリル酸２−エチルヘキシル、メタクリル酸２−メトキシエチル、メタクリル酸グリシジル等が挙げられる。

ポリマーを用いたセメントミルクは、耐水性に優れ且つポリマーの分子構造によってセメントの強度発現が阻害されることがない。

ポリマーの使用量は、セメント、急硬材及びポリマーの合計１００質量部中、２〜２０質量部が好ましく、５〜１５質量部がより好ましい。２質量部未満では、硬化時間を確保できず、付着強度が小さい場合があり、２０質量部を超えると硬化不良の原因となり、短期強度の発現が不良の場合がある。又、長期強度発現に問題が生ずる場合があり経済的で無い場合がある。

本発明では、所要の硬化時間が得られるように、凝結調整剤を使用する。

凝結調整剤としては、アルミン酸ナトリウムやアルミン酸カリウム等のアルミン酸塩、炭酸ナトリウムや炭酸カリウム等の炭酸塩、水酸化ナトリウムや水酸化カリウム等の水酸化物、硫酸アルミニウム、硫酸鉄、及びミョウバン等の硫酸塩、ケイ酸ナトリウムやケイ酸カリウム等のケイ酸塩、リン酸ナトリウム、リン酸カルシウム、及びリン酸マグネシウム等のリン酸塩、並びに、ホウ酸リチウムやホウ酸ナトリウム等のホウ酸塩等の無機塩、クエン酸グルコン酸、酒石酸、及びリンゴ酸又はこれらのナトリウム塩、カリウム塩及びカルシウム塩等の有機酸、並びに、糖類が挙げられ、これらのうちの一種又は二種以上を併用することが可能である。これらの中では、所要の硬化時間を確保する上で、炭酸塩と有機酸を併用することが好ましい。

炭酸塩と有機酸を併用した場合、有機酸の使用量は、炭酸塩１００質量部に対して５〜２００質量部が好ましく、２〜１００質量部がより好ましい。５質量部未満では、硬化時間のコントロールが難しい場合があり、１００質量部を超えると短期強度が悪くなる場合がある。

凝結調整剤の使用量は、硬化時間に応じて調整するため特に限定されるものではないが、セメントと急硬材の合計１００質量部に対して０．１〜２質量部が好ましく、０．３〜１質量部がより好ましい。０．１質量部未満では、硬化時間が確保しにくい場合があり、２質量部を超えると硬化時間が異常に長くなり、不均一な固化状態となる場合がある。

本発明で使用するセルロース誘導体としては、セメントミルクの粘度を調整し耐水性を付与し、地下水に流され、所定の注入位置から流れて逸脱することを防ぐという、耐水性を有するもので、特に限定されるものではない。セルロース誘導体は、一般に水溶性高分子物質と呼ばれている。セルロース誘導体としては、メチルセルロース（ＭＣ）、カルボキシルメチルセルロース（ＣＭＣ）等が挙げられる。セルロース誘導体は、隙間への注入後のプレキャストコンクリート床版との付着性向上、及びセメントミルクの分離低減や圧送性の向上を目的に使用される。

セルロース誘導体の使用量は、セメントと急硬材の合計１００質量部に対して０．０５〜１．５質量部が好ましく、０．１〜１質量部がより好ましい。０．０５質量部未満では、耐水性が確保しにくい場合があり、１．５質量部を超えるとセメントミルクの粘度が上がり、圧送性が悪くなる場合がある。又、短期強度が悪くなる場合がある。

セルロース誘導体の混合方法は、特に限定されるものではないが、予めセメントと混合、若しくは水に溶解して使用することができる。

地盤とプレキャストコンクリート床版の隙間の充填性及びトンネル裏込め注入性を向上させるため、本セメント組成物に、更に、減水剤を使用することが好ましい。

減水剤としては、ナフタレンスルフォン酸ホルマリン縮合物塩系、リグニンスルフォン酸系、メラミンスルフォン酸ホルマリン縮合物塩系、ポリカルボン酸塩系、及びポリエ−テル系の高性能減水剤が挙げられる。

減水剤の使用量は、セメントと急硬材の合計１００質量部に対して、固形分概算で３質量部以下が好ましく、０．３〜２質量部がより好ましい。３質量部を超えても効果の改善が変わらず、経済的でない場合がある。

セメント組成物を混練りする場合の水量はポンプで圧送できれば特に限定されるものではないが、セメント、急硬材、セルロース誘導体、凝結調整剤及びポリマーの合計１００質量部に対して、４０〜１００質量部が好ましく、５０〜８０質量部がより好ましい。４０質量部未満ではセメントミルクの粘度が高くなり注入性が小さくなる場合があり、１００質量部を超えると耐水性が悪くなり、初期の硬化不良の原因となる場合がある。

以下実験例により本発明を詳細に説明する。

実験例１
セメント８４質量部、急硬材１６質量部、セメントと急硬材の合計１００質量部に対して、セルロース誘導体０．５質量部、凝結調整剤０．６質量部、セメント、急硬材及び粉末ポリマーの合計１００質量部中、表１に示す質量部の粉末ポリマーからなるセメント組成物１００質量部を調製した。セメント組成物１００質量部と水６０質量部を混合し、セメントミルクを混練りした。急硬材は、ＣＡ１００質量部と石膏１００質量部からなるものである。
セメントミルクを作製後、耐水性、付着性、３時間曲げ、圧縮強度の測定を行った。結果を表１に示す。

＜使用材料＞セメント：普通セメント
ＣＡ：ＣａＯ４５質量％、Ａｌ_２Ｏ_３質量４０％、及びＳｉＯ_２質量１５％の組成のガラス質、ガラス化率９５％、粉末度５５００ｍ^２／ｇ
石膏：天然無水石膏、粉末度５７５０ｃｍ^２／ｇ
粉末ポリマー：酢酸ビニル・バーサティック酸ビニル・アクリル共重合体粉末状樹脂、商品名「ＢＮＡＰ３００Ｓ」（ＥＬＯＴＥＸ社製）
セルロース誘導体：メチルセルロース、商品名「ＳＭ１００００」（信越化学社製）
凝結調整剤：クエン酸と炭酸カリウムの質量比が１：３の混合品
水：水道水

＜試験方法＞
硬化時間：セメントミルク温度により測定（５℃上昇時硬化）
耐水性：縦３０ｃｍ×横３０ｃｍ×厚さ３ｃｍの密閉した箱の隅角部に、注入孔を１個設けた。反対側の隅角部に排水孔を１個設けた。水道水を注入し、箱の内部を水道水で充填した。その後、セメントミルクの注水を４リットル／分注入した。排水孔から５００ｍｌ排水した。５００ｍｌ排水した後の排水を採取し、排水の濁りを透過率で確認した。
透過率はＪＩＳＫ０１１５吸光光度分析通則に従い、紫外可視分光度計で測定した。但し水の透過率は９９％である。透過率は高い方が、セメントミルクが地下水に流されたり、所定の注入位置から流れて逸脱したりすることを防ぐという耐水性が大きい点で、好ましい。
付着強度；７日材齢でＪＨＳ４１６「コンクリートとの付着試験」による。
３時間曲げ圧縮強度：ＪＩＳＲ５２０１「セメントの物理試験方法」による。

実験例２
表２に示すセメント、急硬材を混合し、セメント、急硬材及び粉末ポリマーの合計１００質量部中、１０質量部の粉末ポリマーを使用した以外は、実験例１と同様にセメントミルクを作製し、試験を実施した。結果を表２に示す。

実験例３
表３に示す凝結調整剤を変え、セメント、急硬材及び粉末ポリマーの合計１００質量部中、１０質量部の粉末ポリマーを使用した以外は、実験例１と同様にセメントミルクを作製し、試験を実施した。結果を表３に示す。

実験例４
表４に示すセルロース誘導体を変え、セメント、急硬材及び粉末ポリマーの合計１００質量部中、１０質量部の粉末ポリマーを使用した以外は、実験例１と同様にセメントミルクを作製し、試験を実施した。結果を表４に示す。

実験例５
表５に示す減水剤を変え、セメント、急硬材及び粉末ポリマーの合計１００質量部中、１０質量部の粉末ポリマーを使用した以外は、実験例１と同様にセメントミルクを作製し、試験を実施した。結果を表５に示す。

＜使用材料＞
減水剤：メラミンスルフォン酸ホルマリン縮合物塩系、商品名「メルメント」（昭和電工社製）

＜試験方法＞
モルタルフロー（流動性）：ＪＩＳＲ５２０１に準じ、モルタルフローを静置状態で測定。

実験例６
表６に示す粉末ポリマーの種類を変えた以外は、実験例１の実験Ｎｏ．１−４と同様にセメントミルクを作製し、試験を実施した。結果を表６に示す。

＜使用材料＞
ＥＶＡ：商品名「１０８０」（ＥＬＯＴＥＸ社製）
スチレン−アクリル：商品名「ＢＮ０１０７」（ＥＬＯＴＥＸ社製）
アクリル：商品名「ＦＬＥＸ８３００」（ＥＬＯＴＥＸ社製）

本発明の注入用セメント組成物を用いることにより、セメントミルクが地下水に流されたり、所定の注入位置から流れて逸脱したりすることを防ぐという耐水性、コンクリートとの高い付着性、良好な強度発現性か得られるという効果が得られる。

本発明の注入用セメント組成物は、締め固めた地盤とプレキャストコンクリート床版の隙間の充填性が良好である。本発明の注入用セメント組成物は、一定の作業時間を有し、かつ、充填後速やかに硬化する。その硬化体はプレキャストコンクリート床版と高い付着性を有し、強度発現性が良好である。

本注入用セメント組成物は、ポンプ圧送性の向上に優れる。本注入用セメント組成物は、注入後の硬化が速やかである。本注入用セメント組成物は、注入個所の移動が速やかであって、施工性を大幅に改善し、長期耐久性に優れる。

本発明の注入用セメント組成物は、例えば、道路、道路トンネル、鉄道トンネルといった、締め固めた地盤とプレキャストコンクリート床版の隙間に、セメントモルタルやセメントミルクを流し込む注入、トンネル裏込め注入、地盤改良工事や止水工事に用いられる。

Claims

セメント、カルシウムアルミネート、石膏、酢酸ビニル・バーサティック酸ビニル・アクリル共重合体、凝結調整剤及びセルロース誘導体を含有してなる注入用セメント組成物。
更に、減水剤を含有してなる請求項１記載の注入用セメント組成物。
請求項１又は２項記載の注入用セメント組成物と水を含有してなるセメントミルク。
請求項３記載のセメントミルクを注入してなる注入工法。