JP5620170B2 - 発泡状急結剤、吹付け材料及びそれを用いた吹付け工法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、道路、鉄道、及び導水路等のトンネルや法面等において露出した地山面へ吹ける、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)。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。
従来から使用されている急結剤としては、カルシウムアルミネート、アルカリ金属アルミン酸塩、及びアルカリ金属炭酸塩等との混合物、焼ミョウバン、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、カルシウムアルミネートと３ＣａＯ・ＳｉＯ_２との混合物、消石灰、アルカリ金属アルミン酸塩、及びアルカリ金属炭酸塩の混合物等が知られている（特許文献２〜５）。
これらの急結剤は、セメントの凝結を促進させる働きがあり、いずれもセメントコンクリートと混合して地山面に吹付けられる。
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、粉塵量が多くなる方法であった。そのため、作業環境が悪化する場合があり、吹付け時には保護眼鏡や防塵マスクなどを着用して作業する必要があり、粉塵量のより少ない工法が求められていた。粉塵発生量が少ない工法として、急結剤をスラリー化してセメントコンクリートに添加混合した後、さらに、アルカリ金属アルミン酸塩の溶液を別途圧送し、混合し、吹付け施工する方法が提案されている(特許文献６)。この方法は、高アルカリの液体を使用するため、取り扱いにくく、吹付け時には保護眼鏡や手袋等が必要となり、作業性が低下するという課題があった。
これに対して、急結剤をスラリー化し、かつ、セメントコンクリートにミョウバン類を配合することにより、作業環境を改善する急結施工方法が提案されている(特許文献７)。また、作業性、粉塵低減効果をさらに良くし、工期短縮の面で、急結性を向上した急結施工方法が提案されている(特許文献８)。

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、中性または弱酸性の急結剤が求められており、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９）、硫酸アルミニウムやアルカノールアミンを主成分とするもの（特許文献１０）、並びにアルミニウムの塩基性水溶液、ケイ酸リチウム、およびアルミン酸リチウムを主成分とするもの（特許文献１１）等が用いられている。この液体急結剤は、初期強度発現性が得られ難く、従来のカルシウムアルミネートを主成分とする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ことが懸念された（特許文献１２、１３）。そこで、アルミニウムやイオウを主成分とする酸性液体急結剤と粉末の硫酸アルミニウム、硫酸塩、アルミン酸塩、水酸化物からなる無機化合物の群から選ばれる何れか一種または二種以上を添加することを特徴とする吹付け材料が開発された（特許文献１４）。

粉末急結剤はセメントとの反応性が強く、高い初期強度発現性を示すが、長期強度における強度促進が低く、長期的な強度発現性を求められる箇所への適用が難しいという課題があった。

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０５−１３９８０４号公報 特開平０５−０９７４９１号公報 特開２００３−８１６６４号公報 特表２００１−５０９１２４号公報 特開平１０−０８７３５８号公報 特開２００１−１３０９３５号公報 特開２００２−０４７０４８号公報 特開２００３−２４６６５９号公報 特開２００７−０５５８３１号公報

本発明は、トンネル等の吹付け作業で発生する粉塵の発生を抑えて作業性を向上し、湧水や地山面が悪化した状況下においても、高い急結性が得られ、長期的な強度発現性を求められる箇所への適用が可能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、（１）アルカリ金属炭酸塩を含有する混和剤と硫酸及び／又は硫酸塩を含有するｐＨが１〜６の酸性を呈する酸性液を混合してなる発泡状急結剤、（２）（１）の発泡状急結剤とセメントコンクリートとを含有してなる吹付け材料、（３）（１）の発泡状急結剤がセメントコンクリート中のセメント１００部に対して４〜２１部である（２）の吹付け材料、（４）（１）の混和剤がセメントコンクリートのセメント１００部に対して２〜１０部である（２）又は（３）の吹付け材料、（５）（１）の酸性液体がセメントコンクリートのセメント１００部に対して２〜１１部である（２）〜（４）のいずれかの吹付け材料、（６）（１）の混和剤と酸性液体を合流混合して得られる発泡状急結剤を、セメントコンクリートに合流混合して得られる（２）〜（５）のいずれかの吹付け材料を吹き付けることを特徴とする吹付け工法、である。

本発明の吹付け材料及びそれを用いた吹付け工法を採用することにより、凝結時間が早く長期の強度発現性が高く、長期的な強度発現性を求められる箇所への適用が可能となる。

以下、本発明を詳細に説明する。
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。

本発明で使用するアルカリ金属炭酸塩とは、セメントの初期凝結を促進し、強度発現性を促進するものであり、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸リチウム、炭酸水素ナトリウム、及び炭酸水素カリウム等が挙げられる。これらの中で、初期凝結促進の面や保存性の面で、炭酸ナトリウムが好ましい。

本発明で使用する混和剤にアルカリ金属炭酸塩を配合しない場合、酸性液体との発泡が起きず、硫酸及び／又は硫酸塩を含有する酸性液体とセメントコンクリートが合流混合した際、酸アルカリ反応により、セメントコンクリートに著しい凝集が起こり、その他の混和剤成分がうまくセメントコンクリートへ混ざらず、強度発現性を阻害することがある。また、アルカリ土類金属炭酸塩も同様に発泡するが、発泡に時間がかかるため、反応を上げるために、酸性液体自体のｐＨを下げなければならず、酸性液体の取扱いが難しいことや、セメントコンクリートとの混合合流の際に著しい凝集が起こってしまい、うまくセメントコンクリートへ混ざらず、強度発現を阻害する場合がある。

本発明で使用する混和剤にはアルカリ金属炭酸塩以外に、カルシウムアルミネート類、硫酸カルシウム、アルミン酸ナトリウム、硫酸アルミニウム等の吹付けコンクリート用の急結剤で一般的に用いられる材料を配合しても良い。
カルシウムアルミネート類とは、カルシアを含む原料と、アルミナを含む原料等を混合して、キルンでの焼成や、電気炉での溶融等の熱処理をして得られる、ＣａＯとＡｌ_２Ｏ_３とを主たる成分とし、水和活性を有する物質の総称であり、ＣａＯやＡｌ_２Ｏ_３の一部が、アルカリ金属酸化物、アルカリ土類金属酸化物、酸化ケイ素、酸化チタン、酸化鉄、アルカリ金属ハロゲン化物、アルカリ土類金属ハロゲン化物、アルカリ金属硫酸塩、及びアルカリ土類金属硫酸塩等と置換した化合物、あるいは、ＣａＯとＡｌ_２Ｏ_３とを主成分とするものに、これらが少量固溶した物質である。鉱物形態としては、ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３（ＣＡ）、１２ＣａＯ・７Ａｌ_２Ｏ_３（Ｃ_１２Ａ_７）、３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３（Ｃ_３Ａ）等が挙げられる。
カルシウムアルミネート類の粒度は、急結性や初期強度発現性の面で、ブレーン比表面積（以下、ブレーン値という）３，０００ｃｍ^２／ｇ以上が好ましく、５，０００ｃｍ^２／ｇ以上がより好ましい。３，０００ｃｍ^２／ｇ未満では、急結剤とセメントコンクリートを混合した吹付け材料の急結性や初期強度発現性が低下する場合がある。本発明で使用するカルシウムアルミネート類のＣａＯ／Ａｌ_２Ｏ_３モル比は、１．０〜３．０の範囲であり、２．０〜２．５が好ましい。該モル比の範囲内であれば、結晶質、非晶質などの形態に関係なく使用可能である。また、混和剤の形態が液状（スラリーや懸濁液など）でも粉末状でも良い。
硫酸カルシウムには無水物、半水和物、二水和物があるが、特に限定されるものではない。硫酸カルシウムを配合する場合は、アルカリ金属炭酸塩との反応が遅く、混和剤の形態が液状（スラリーや懸濁液など）でも粉末状でも良い。
アルミン酸ナトリウムには無水物と水和物があるが、特に限定されるものではない。混和剤の形態が液状（スラリーや懸濁液など）でも粉末状でも良い。
硫酸アルミニウムには無水物と水和物があるが、特に限定されるものではない。硫酸アルミニウムを配合する場合、混和剤の形態が液状（スラリーや懸濁液など）であると、混和剤中でアルカリ金属炭酸塩と硫酸アルミニウムが反応し易いため、混和剤の形態は粉末状であることが好ましく、酸性液体との反応性を高めるためにも粉末状であることが好ましい。

本発明の混和剤の使用量は、セメント１００部に対して、２〜１０部が好ましく、４〜８部がより好ましい。混和剤の使用量が少ないと、優れた急結性や強度発現性が充分でない場合があり、混和剤の使用量が多いと、長期強度発現性が不足する場合がある。

本発明で使用する硫酸及び／又は硫酸塩を含有する酸性液とは、硫酸及び／又は硫酸塩の他に、リン酸、ホウ酸、フッ化水素酸等の無機酸、及びこれらの塩（ナトリウム、カリウム、リチウム、カルシウム、マグネシウム、アルミニウム）やモノカルボン酸、ジカルボン酸、ポリカルボン酸、オキシカルボン酸、アミノ酸等の有機酸、及びこれらの塩（ナトリウム、カリウム、リチウム）を水に希釈した溶液等を併用可能である。これらのなかでも、水への溶解性、取扱いの面から、ジカルボン酸、オキシカルボン酸、及びこれらの塩の併用が好ましい。
硫酸とは、化学式Ｈ_２ＳＯ_４で示されるものである。また、硫酸塩とは、化学式でＳＯ_４を含む無機化合物であり、特に限定しないが、ｐＨが酸性を呈する塩の使用が好ましい。

本発明の酸性液体の使用量は、セメント１００部に対して、２〜１１部が好ましく、４〜９部がより好ましい。酸性液体の使用量が少ないと、優れた急結性が充分でない場合があり、酸性液体の使用量が多いと、長期強度発現性が悪くなる場合がある。

本発明の酸性液体は、２０〜６０℃の範囲の温度で加熱してセメントコンクリートに混和させることにより急結性を向上させることが可能である。しかし、酸性液に硫酸を用いる場合、液体自体の粘度が上昇するため、２０±１０℃の範囲で使用することが更に好ましい。

本発明の酸性液体の固形分の濃度は、１０〜６０％であることが好ましく、２５〜５０％であることがより好ましい。固形分の濃度が低いと、優れた急結性状が得られない場合があり、固形分濃度が高いと、液の粘性が高く、ポンプの圧送性が悪くなる場合がある。

また、混和剤と酸性液を合わせた際に、瞬間的に発泡状急結剤とするためには、酸性液のｐＨを１〜６に調整することが好ましく、ｐＨ１〜４が更に好ましい。酸性液のｐＨが６を超えると、瞬間的に発泡せず、セメントコンクリートへ合流混合の際、うまく混合されず、強度発現性が低下するため、好ましくない。酸性液のｐＨが１以下であると、酸性液を搬送する装置の腐食や人体への取扱いの面から好ましくない。

本発明で使用する発泡状急結剤とは、アルカリ金属炭酸塩を含有する混和剤と硫酸及び／又は硫酸塩を含有する酸性液により、発泡する急結剤のことである。発泡急結剤の反応は、混和剤のアルカリ金属炭酸塩がアルカリ金属硫酸塩に変化しながら、炭酸ガスを発生し発泡するものである。炭酸ガスを発生し発泡すると、混和剤と酸性液体の混合体の形態（スラリーや懸濁液など）に関係なく、急結剤搬送装置の負荷が下がり、セメントコンクリートへの合流混合が容易となる。

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フィラーセメント、並びに都市ゴミ焼却灰や下水汚泥焼却灰を原料として製造された環境調和型セメント（エコセメント）等が挙げられ、これらを微粉末化して使用することも可能である。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で想定する以上に混合したものも使用可能である。

本発明で使用するセメントコンクリートは、セメントと骨材とを含有するものであり、骨材は吸水率が低くて、骨材強度が高いものが好ましい。
骨材は、吹付けできれば特に限定されるものではないが、細骨材としては、川砂、山砂、海砂、石灰砂、及び珪砂等が使用可能であり、粗骨材としては、川砂利、山砂利、及び石灰砂利等が使用可能であり、砕砂、砕石の使用も可能である。

また、本発明の急結剤を用いた吹付け工法としては、要求される物性、経済性、及び施工性等に応じた種々の吹付け工法が可能である。本発明の急結剤を用いた吹付け工法としては、乾式吹付け工法、湿式吹付け工法、いずれの工法も可能である。

「実験例１」
モルタルミキサーにセメント８００ｇ、細骨材２０００ｇ、水４８０ｇを投入し、練混ぜてモルタルを調製し、表１に示す種類の混和剤Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅをセメント１００部に対して６部と酸性液体αをセメント１００部に対して６．５部となるようにビニール袋に投入、手混合し（発泡状急結剤としてセメント１００部に対して１２．５部）、素早くモルタルへ投入し、練混ぜ、急結モルタルを調製した。その後、モルタルの凝結時間、圧縮強度を測定した。尚、強度低下率を確認するため、混和剤や酸性液体を加えないベースモルタルについて同様の測定を行った。

＜使用材料＞
混和剤Ａ：炭酸リチウム２０部、カルシウムアルミネート類４０部、アルミン酸ナトリウム１０部、硫酸カルシウム３０部を混合。
混和剤Ｂ：炭酸ナトリウム２０部、カルシウムアルミネート類４０部、アルミン酸ナトリウム１０部、硫酸カルシウム３０部を混合。
混和剤Ｃ：炭酸カリウム２０部、カルシウムアルミネート類４０部、アルミン酸ナトリウム１０部、硫酸カルシウム３０部を混合。
混和剤Ｄ：炭酸マグネシウム２０部、カルシウムアルミネート類４０部、アルミン酸ナトリウム１０部、硫酸カルシウム３０部を混合。（比較用）
混和剤Ｅ：炭酸カルシウム２０部、カルシウムアルミネート類４０部、アルミン酸ナトリウム１０部、硫酸カルシウム３０部を混合。（比較用）
炭酸リチウム：市販品、一級試薬、粉末状
炭酸ナトリウム：市販品、一級試薬、粉末状
炭酸カリウム：市販品、一級試薬、粉末状
炭酸マグネシウム：市販品、一級試薬、粉末状、（比較用）
炭酸カルシウム：市販品、一級試薬、粉末状、（比較用）
カルシウムアルミネート類：非晶質、ＣａＯ／Ａｌ_２Ｏ_３モル比＝２．２５、ブレーン値８，０００ｃｍ^２／ｇ
硫酸カルシウム：無水硫酸カルシウム、一級試薬、ブレーン値６，０００ｃｍ^２／ｇ、ｐＨ７．２
アルミン酸ナトリウム：無水アルミン酸ナトリウム、一級試薬、ブレーン値４，０００ｃｍ^２／ｇ、Ｎａ_２Ｏ／Ａｌ_２Ｏ_３＝０．９
酸性液体α：ｐＨ２．６、水１００部に対して無水硫酸アルミニウム２９部、無水シュウ酸２部を加えた酸性液体
セメント：普通ポルトランドセメント、市販品、ブレーン値３，２００ｃｍ^２／ｇ、比重３．１６
細骨材：新潟県糸魚川市姫川水系川砂、表乾状態、比重２．６２、最大粒径５ｍｍ

＜測定方法＞
凝結時間：土木学会基準「吹付けコンクリート用急結剤品質規格（ＪＳＣＥ Ｄ−１０２）」に準じて測定。
圧縮強度：ＪＩＳ Ｒ ５２０１に準じて測定、各種混和剤との比較をベースモルタルとの圧縮強度比により評価する。

表１より、アルカリ金属炭酸塩を配合した本願発明の混和剤Ａ、Ｂ、Ｃは、凝結、圧縮強度が良好な結果を示した。また、本願発明の混和剤を配合しない実験No.1-6の２８日強度と比較しても、本願発明の実施例の２８日強度は約９０％程度の強度比が得られており、長期強度を阻害しない結果であった。

「実験例２」
モルタルミキサーにセメント８００ｇ、細骨材２０００ｇ、水４８０ｇを投入し、練混ぜてモルタルを調整し、実験例１で使用した混和剤Ｂをセメント１００部に対して６部、表２に示す酸性液体をセメント１００部に対して６．５部となるようにビニール袋に投入、手混合し（発泡状急結剤としてセメント１００部に対して１２．５部）、素早くモルタルへ投入し、練混ぜ、急結モルタルを調製した。その後、モルタルの凝結時間、圧縮強度を測定した。尚、実験例１と同様に、強度低下率を確認するため、混和剤や酸性液体を加えないベースモルタルについて測定した。

＜使用材料＞
酸性液体β：ｐＨ３．０、水１００部に対して無水クエン酸を１５部加えた酸性液体、比較例
酸性液体γ：ｐＨ２．０、硫酸希釈液、実施例
セメント：普通ポルトランドセメント、市販品、ブレーン値３，２００ｃｍ^２／ｇ、比重３．１６
細骨材：新潟県糸魚川市姫川水系川砂、表乾状態、比重２．６２、最大粒径５ｍｍ

＜測定方法＞
凝結時間：土木学会基準「吹付けコンクリート用急結剤品質規格（ＪＳＣＥ Ｄ−１０２）」に準じて測定
圧縮強度：ＪＩＳ Ｒ ５２０１に準じて測定、各種混和剤との比較をベースモルタルとの圧縮強度比により評価する。

表２より、硫酸や硫酸塩を加えない酸性液βは凝結や圧縮強度の１日までの初期強度発現性が伸びず、実施例に対して値が低い。また、何も加えないベースモルタルよりも１日強度が低いため、酸性液体に硫酸や硫酸塩等を加えないと、吹付け時に剥落等が懸念される。

「実験例３」
実験例１と同様にモルタルを調製し、実験例１と同様に混和剤Ａ、Ｂと酸性液体αを以下に示す手順でモルタルへ添加してからの凝結時間、圧縮強度を測定した。尚、実験例１と同様に、強度低下率を確認するため、混和剤や酸性液体を加えないベースモルタルについて測定した。

＜測定方法＞
凝結時間：土木学会基準「吹付けコンクリート用急結剤品質規格（ＪＳＣＥ Ｄ−１０２）」に準じて測定。
圧縮強度：ＪＩＳ Ｒ５２０１に準じて測定。添加手順の比較をベースモルタルとの圧縮強度比により評価する。
添加手順ａ：モルタルへ混和剤を事前に添加し、酸性液体をモルタルへ添加。
添加手順ｂ：モルタルへ酸性液体を事前に添加し、混和剤をモルタルへ添加。
添加手順ｃ：混和剤と酸性液体を混合し、発泡状急結剤をモルタルへ添加。

表３より、混和剤Ａ，Ｂについてモルタル添加手順を変えて、発泡状態でモルタルへ添加する場合と発泡してない状態でモルタルへ添加した場合について比較したところ、凝結時間が異なり、特に終結時間が発泡状態は５分であるが、発泡してない状態では３０分に伸びることが分かった。また、圧縮強度値も１時間から違いが見られ、発泡状態以外の添加では、強度発現性が低下することが確認された。

本発明の吹付け材料及びそれを用いた吹付け工法を採用することによって、トンネル等の吹付け作業において、高い急結性が得られ、長期的な強度発現性を求められる箇所への適用が可能となる。

Claims (6)

1. アルカリ金属炭酸塩を含有する混和剤と硫酸及び／又は硫酸塩を含有するｐＨが１〜６の酸性を呈する酸性液を混合してなる発泡状急結剤。
2. 請求項１記載の発泡状急結剤とセメントコンクリートとを含有してなる吹付け材料。
3. 請求項１記載の発泡状急結剤がセメントコンクリート中のセメント１００質量部に対して４〜２１質量部である請求項２に記載の吹付け材料。
4. 請求項１記載の混和剤がセメントコンクリートのセメント１００質量部に対して２〜１０質量部である請求項２又は３に記載の吹付け材料。
5. 請求項１記載の酸性液体がセメントコンクリートのセメント１００質量部に対して２〜１１質量部である請求項２〜４のいずれか1項に記載の吹付け材料。
6. 請求項１記載の混和剤と酸性液体を合流混合して得られる発泡状急結剤を、セメントコンクリートに合流混合して得られる請求項２〜５のいずれか１項に記載の吹付け材料を吹き付けることを特徴とする吹付け工法。