JP5368852B2

JP5368852B2 - 吹付け材料及びそれを用いた吹付け工法

Info

Publication number: JP5368852B2
Application number: JP2009085651A
Authority: JP
Inventors: 昭俊荒木; 寺島　　勲; 昌浩岩崎; 俊一三島; 貴光室川
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2029-03-31
Also published as: JP2010235400A

Description

本発明は、主に、土木・建築業界で使用される吹付け材料及びそれを用いた吹付け工法に関する。

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配合した急結コンクリートの吹付工法が行われている（特許文献１参照）。
この工法は、通常、掘削工事現場に設置した、セメント、骨材、及び水の計量混合プラントで吹付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、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、急結性吹付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。
また、急結剤としては、カルシウムアルミネート、アルカリ金属アルミン酸塩とアルカリ金属炭酸塩等との混合物、並びに、カルシウムアルミネート、アルカリ金属アルミン酸塩、及びアルカリ金属炭酸塩等の混合物や、カルシウムアルミネートと３ＣａＯ・ＳｉＯ_２との混合物等が知られている（特許文献２〜５参照）。
急結剤の添加方法は、通常、空気輸送による粉体混合のために、セメントに対する添加量としては通常５〜１２％の範囲で実施されている。
近年では、吹付けコンクリートをより高強度化して支保部材の厚みを低減し施工スピードの短縮化やコストダウンを図る検討や、永久構造物として考え二次覆工をしないケースや、高い水密性や物質遮蔽性が要求されるケースが増加している。このような場合、通常は、低水セメント比で高セメント量（セメント量４００ｋｇ／ｍ^３以上、水セメント比３０〜４５％）の吹付けコンクリートを製造してベースコンクリートの高強度化を図りつつ、急結剤も吹付け性状に大きな影響がでない範囲で低減するか、専用の急結剤（例えば、特許文献６）を使用することで対応している。
材料コストを考慮すれば、一般的に行われているセメント量３６０ｋｇ／ｍ^３、水セメント比５５〜６５％程度の吹付けコンクリート配合で高強度化及び高耐久化を実現できれば有効な対策方法となり得る。しかし、このようなコンクリート配合にて高強度化や高耐久化を図る方法は実現していない。

フォーステライトを含有する材料は、例えば、スピネルとフォーステライトを含有する骨材を使用したセメント系材料が知られている。（特許文献７〜８参照）これらは、高強度化を目的として骨材として使用するものである。また、スピネル構造を有する成分を含有することからＡｌ_２Ｏ_３分を１０％を超える量含有するものである。（特許文献９参照）また、左官モルタル用の混和材として利用されている（特許文献１０参照）。

特公昭６０−４１４９号公報特開昭６４−０５１３５１号公報特公昭５６−２７４５７号公報特開昭６１−０２６５３８号公報特開昭６３−２１００５０号公報特開平０９−１６９５５７号公報特開２０００−２６１５０号公報特開２００５−２３９４９１号公報特開２００８−１９０９９号公報特開２００４−７５５２６号公報

本発明は、従来の急結剤を用いて、一般的なコンクリート配合を用いても、高強度、高耐久性、かつ、付着状態、粉じん発生量、リバウンドなどの吹付け性状が良好な吹付け材料及びそれを用いた吹付け工法を提供する。

すなわち、本発明は、（１）セメント、石綿又は石綿を含む蛇紋岩を９００〜１３００℃の温度で焼成した、化学成分がＭｇＯ４０〜６０％、ＳｉＯ _２３０〜５０％、Ａｌ _２Ｏ _３１０％以下で、最大粒子径１０００μｍ以下のフォーステライトの含有率が７５％以上のフォーステライト粉末、及び急結剤を含有してなり、フォーステライト粉末がセメント１００部に対して０．２〜５０部、急結剤がセメント１００部に対して２〜１５部である吹付け材料、（２）急結剤が、カルシウムアルミネートを含有するものである（１）の吹付け材料、（３）急結剤が、アルカリ金属アルミン酸塩を含有するものである（１）又は（２）の吹付け材料、（４）急結剤が、硫酸ルミニウムを含有するものである（１）〜（３）のうちの吹付け材料、（５）（１）〜（４）のうちの吹付け材料を用いてなる吹付け工法、である。

本発明の吹付け材料を用いることで、高い強度発現性及び高い耐久性を示す吹付けコンクリートを得ることが可能となる。また、付着状態、粉じん発生量、リバウンドなどの吹付け性状も向上できる。従って、より高性能で低コストの吹付け部材を得ることが可能となる。

以下、本発明を詳細に説明する。
なお、本発明における部や％は特に規定しない限り質量基準で示す。

本発明で使用するフォーステライト（２ＭｇＯ・ＳiＯ_２）粉末とは、特に限定されるものではないが、例えば、石綿又は石綿を含有する蛇紋岩を、石綿の有害性を消失させるために９００〜１３００℃で焼成し、適宜粒度を調整したものである。その化学成分は、ＭｇＯが４０〜６０％、ＳｉＯ_２が３０〜５０％、Ａｌ_２Ｏ_３が１０％以下を示す物質である。フォーステライトの含有率としては７５％以上が好ましい。
フォーステライト粉末の最大粒子径としては、物質遮蔽効果と吹付けコンクリートの付着性の観点から、１０００μｍ以下が好ましく、より好ましくは３００μｍ以下である。
本発明のフォーステライトの使用量は、チクソ性や物質遮蔽性を付与する効果、ポンプ圧送性の観点から、セメント１００部に対して０．２〜５０部が好ましく、１〜３０部がより好ましい。

本発明では、必要に応じて、例えば、チクソ性が不足する場合は、セピオライト、アタパルジャイト、ベントナイト、ヘクトライト等の粘土鉱物を併用し、更に性能向上を図ることも可能である。

本発明で使用するセメントとは、普通、早強、中庸熱、低熱、耐硫酸塩性、及び白色などの各種ポルトランドセメント、高炉スラグや通常のフライアッシュをポルトランドセメントに混合した混合セメント、エコセメント、超早強セメントや急硬セメントなどである。また、これらのセメントの複数を任意量混合したセメントも使用できる。

本発明で使用する急結剤とは、瞬時にセメントの凝結を促進する作用を示すものである。一般的に市販されている急結剤が使用可能である。例えば、ＣaＯ原料やＡｌ_２Ｏ_３原料を混合したものをキルンで焼成したり、電気炉等で溶融したり等の熱処理をして得られるカルシウムアルミネートを含有する急結剤や、リチウム、ナトリウム、カリウムなどのアルミン酸塩を含有する急結剤や、硫酸アルミニウムを含有する急結剤である。
カルシウムアルミネートのその他成分としては、ナトリウム、カリウム、及びリチウムなどのアルカリ金属塩が一部固溶したカルシウムアルミネート、ＳｉＯ_２を含有するカルシウムアルミネート、ＳＯ_３を含有するカルシウムアルミネートが挙げられる。
本発明では、上記カルシウムアルミネート、アルカリ金属アルミン酸塩、硫酸アルミニウムをいずれか含有する急結剤であれば使用できる。
本発明の急結剤の使用量は、急結力、強度発現の観点から、セメント１００部に対して、２〜１５部が好ましく、３〜１０部がより好ましい。

本発明の吹付け方法は、特に限定するものではないが、圧送されてくるセメントコンクリートに急結剤を合流混合して吹き付ける方法であればよい。コンクリートの圧送方式は、例えば、練り混ぜたコンクリートをホッパーに詰め空気搬送する方式や、練り混ぜたコンクリートをホッパーに詰めピストンポンプでコンクリート圧送し、途中で圧縮空気を導入して空気搬送する方式など何れでもよい。急結剤は、粉状及び液状いずれも使用可能であり、粉状の場合は空気圧送する添加システムを用いればよく、液状の場合はプランジャー方式やピストン方式の液体圧送ポンプを使用すればよい。液状急結剤を添加する場合はセメントコンクリートと合流する手前で圧縮空気を導入してミスト状にしてセメントコンクリートと混合してもよい。なお、液状急結剤には、コンクリートと合流する前に粉状急結剤を液体でスラリー状としたスラリー急結剤も含む。

本発明では、砂などの細骨材、砂利などの粗骨材、減水剤やＡＥ減水剤や高性能減水剤や高性能ＡＥ減水剤、消泡剤、増粘剤、防錆剤、防凍剤、収縮低減剤、高分子エマルジョン、凝結促進剤、凝結遅延剤、アクリル酸エステルを成分とする可塑剤、ハイドロタルサイトなどのアニオン交換体などの各種添加剤、高炉水砕スラグ微粉末や高炉徐冷スラグ微粉末や石灰石微粉末やフライアッシュやシリカフュームなどの混和材料などからなる群のうちの１種又は２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。

「実験例１」
表１に示す配合の吹付けコンクリートを０．９ｍ^３製造した。この吹付けコンクリートを吹付け圧力０．４ＭＰａ、設定吐出量１０ｍ^３／ｈの条件下で、コンクリート圧送機「ＭＫＷ−２５ＳＭＴ」によりポンプ圧送した。急結剤を合流するＹ字管から３ｍ後方の位置で圧縮空気を導入して吹付けコンクリートを空気搬送した。Ｙ字管の一方より、セメント１００部に対して５部となるように急結剤Ａを空気圧送し吹付けコンクリートに合流混合させ吹き付けた。急結剤を添加する前の吹付けコンクリートについては、コンクリートの吐出効率を測定し、急結剤を添加した後の吹付けコンクリートについては、厚付け性、リバウンド率、コンクリート圧縮強度、中性化抵抗性、塩分浸透抵抗性、長さ変化を測定した。結果を表１に示す。
なお、フォーステライト粉末は、セメント１００部に対して表２に示す量となるように、骨材（砂＋砂利の混合物）と体積で等量置換として吹付けコンクリートに添加した。
また、比較の無機粉末として、コージライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ_２Ｏ_３・５ＳｉＯ_２）、ステアタイト（ＭｇＯ・ＳｉＯ_２）を用いた同じ試験を行なった。

（使用材料）
粗骨材（Ｇ）：新潟県糸魚川市姫川産川砂利、表乾状態、比重２．６６、最大寸法１０ｍｍ
細骨材（Ｓ）：新潟県糸魚川市姫川産川砂利、表乾状態、比重２．６２
水（Ｗ）：水道水
セメント（Ｃ）：普通ポルトランドセメント、市販品
高性能減水剤（ＳＰ）：ポリカルボン酸塩系、市販品
急結剤Ａ：カルシウムサルホアルミネート系、市販品
フォーステライト粉末：最大粒子径２００μｍ、ＭｇＯ：５６．１％、ＳｉＯ_２：３５．０％、Ａｌ_２Ｏ_３：２．９％、Ｆｅ_２Ｏ_３：４．２％、ＣａＯ：０．９％、ｉｇ−ｌｏｓｓ：０．８％、比重３．０、フォーステライト含有率８２％
コージライト粉末：最大粒子径１００μｍ、ＭｇＯ：１２．４％、ＳｉＯ_２：５０．５％、Ａｌ_２Ｏ_３：３２．７％、Ｆｅ_２Ｏ_３：２．２％、ＣａＯ：０．６％、ｉｇ−ｌｏｓｓ：１．４％、比重２．６、コージライト含有率９８％
ステアタイト粉末：最大粒子径１００μｍ、ＭｇＯ：３８．２％、ＳｉＯ_２：５７．１％、Ａｌ_２Ｏ_３：１．０％、Ｆｅ_２Ｏ_３：２．０％、ＣａＯ：０．４％、ｉｇ−ｌｏｓｓ：１．１％、比重２．７、ステアタイト含有率９９％

（測定方法）
コンクリートの吐出効率：コンクリート０．９ｍ^３を吹き付けた時間を計測し１時間あたりのコンクリート吐出量を算出する。得られた時間あたりの実吐出量を設定吐出量で割って、１００をかけた値を吐出効率とした。吐出効率が小さいほど、コンクリートの粘性が大きくなる。
厚付け性：吹付けコンクリートを模擬トンネル壁面（垂直面）の幅６０ｃｍ×高さ１００ｃｍの領域吹き付け、ダレが発生するようであれば×、厚み１５ｃｍ吹き付けた時点でズレやはく落があれば△、１５ｃｍ以上吹付けても変状がない場合は○とした。
リバウンド率：急結性吹付けコンクリートを１０ｍ^３／ｈの圧送速度で１０分間、鉄板でアーチ状に作製した高さ３．５ｍ、幅２．５ｍの模擬トンネルに吹付けた。その後、（リバウンド率）＝（模擬トンネルに付着せずに落下した急結性吹付けコンクリートの量）／（模擬トンネルに吹付けた急結性吹付けコンクリートの量）×１００（％）で算出した。
コンクリート圧縮強度：材齢２４時間の圧縮強度は、幅２５ｃｍ×長さ２５ｃｍのプルアウト型枠に設置したピンを、プルアウト型枠表面から急結性吹付けコンクリートで被覆し、型枠の裏側よりピンを引き抜き、その時の引き抜き強度を求め、（圧縮強度）＝（引き抜き強度）×４／（供試体接触面積）の式から圧縮強度を算出した。材齢２８日の圧縮強度は、幅５０ｃｍ×長さ５０ｃｍ×厚さ２０ｃｍの型枠に急結性吹付けコンクリートを吹付け、採取した直径５ｃｍ×長さ１０ｃｍの供試体を２０トン耐圧機で測定し、圧縮強度を求めた。
中性化抵抗性：材齢２８日の圧縮強度用供試体と同様な円柱形状とし、吹付け面を残し、その他の面をすべてエポキシ樹脂でシールした。２８日間気中養生後、炭酸ガス濃度５％、温度３０℃、湿度６０％の促進中性化試験槽で２８日間養生後、供試体を耐圧機で縦方向に割裂しフェノールフタレインを噴霧して中性化深さを測定した。
塩化物イオン浸透抵抗性：中性化抵抗性試験と同様に供試体を２８日間気中養生し、１０％の塩化ナトリウム水溶液に６ヶ月間浸漬した。その後、供試体を耐圧機で縦方向に割裂して、ＪＩＳＡ１１７１に示すフルオレッセンナトリウム水溶液、硝酸銀水溶液を噴霧して塩化物イオン浸透深さを測定した。
長さ変化率試験：専用型枠（１０×１０×３６ｃｍ）に吹付けて供試体を作製した。材齢１日後脱型し基長を行い、温度２０℃、湿度６０％の室内で２８日間養生後、変化率を測定した。測定はＪＩＳＲ１１２９−３（ダイヤルゲージ法）に準拠した。

表２より、フォーステライト粉末を適用することで、水セメント比が高い一般吹付けコンクリートにチクソ性を付与し、付着性を向上することが分かる。また、圧縮強度の発現性を良好にするので高強度化が可能であり、中性化深さ、塩化物イオン浸透深さ、長さ変化率が小さくなることから、各種物質遮蔽性能も向上することが分かる。

「実験例２」
コンクリート配合No.1を使用し、フォーステライトをセメント１００部に対して１０部とし、急結剤の種類と使用量を表３に示すように変えた以外は実施例１と同様に行った。結果を表３に示す。
なお、液体の急結剤の使用量は固形分換算である。

（使用材料）
急結剤Ｂ：カルシウムアルミネート系、市販品
急結剤Ｃ：アルカリ金属アルミン酸塩系（液体）、市販品
急結剤Ｄ：硫酸アルミニウム系（液体）、市販品

表３より、急結剤の種類が変わっても付着性の向上、強度発現性の向上、及び各種物質遮蔽性の向上効果が認められる。また、急結剤の添加率を下げても付着性が向上することも分かる。

本発明の吹付け材料を使用することで、十分な付着性と高強度化が可能となり、支保部材厚を低減することができる。さらに、急結剤の使用量も低減できるので、施工スピードの短縮化や材料コストの削減に大きな効果を発揮する。また、物質遮蔽効果も付与されるので高耐久化を実現できる。したがって、主に土木分野でのトンネル工事などにおいて広範に使用することができる。

Claims

セメント、石綿又は石綿を含む蛇紋岩を９００〜１３００℃の温度で焼成した、化学成分がＭｇＯ４０〜６０％、ＳｉＯ _２３０〜５０％、Ａｌ _２Ｏ _３１０％以下で、最大粒子径１０００μｍ以下のフォーステライトの含有率が７５％以上のフォーステライト粉末、及び急結剤を含有してなり、フォーステライト粉末がセメント１００部に対して０．２〜５０部、急結剤がセメント１００部に対して２〜１５部であることを特徴とする吹付け材料。
急結剤が、カルシウムアルミネートを含有するものである請求項１記載の吹付け材料。
急結剤が、アルカリ金属アルミン酸塩を含有するものである請求項１又は２記載の吹付け材料。
急結剤が、硫酸アルミニウムを含有するものである請求項１〜３のうちの１項記載の吹付け材料。
請求項１〜４のうちの１項記載の吹付け材料を用いてなる吹付け工法。