JP5623037B2 - 吹付け材料及びそれを用いた吹付け工法 - Google Patents
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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。
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。
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・ＳｉＯ２との混合物等が知られている（特許文献２〜５参照）。
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・ＳｉＯ２との混合物等が知られている（特許文献２〜５参照）。
急結剤は、地山の緩みを早期に抑えるために吹付けコンクリートに必要な混和剤であるが、急結剤を添加しないコンクリートに比べて、収縮量が大きくなる傾向があり、水セメント比が大きいほど大きな差として現れるのが一般的である。
本発明は、特定の粒度の炭酸カルシウムと急結剤をセメントコンクリートに適用することで、温度応力および乾燥による収縮量の低減によるひび割れ抑制などが可能な吹付け材料およ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）ブレーン比表面積５００〜１８００ｃｍ２／ｇの炭酸カルシウム、急結剤、セメント、および骨材を含有してなり、前記急結剤が硫酸アルミニウムを含有し、セメント１００質量部に対して前記炭酸カルシウム２〜５０質量部である、吹付け材料であり、（２）（１）の吹付け材料を用いる吹付け工法、である。
本発明の吹付け材料を用いることで、温度応力および乾燥による収縮量の低減によるひび割れ抑制が可能となり、耐久性に優れた吹付けコンクリートを得ることが可能となる。
なお、本発明で使用する部、％は、特に規定しない限り質量基準である。
本発明で使用するセメントとは、普通、早強、超早強、低熱、及び中庸熱など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、またはシリカを混合した各種混合セメント、ブレーン比表面積で２０００ｃｍ２/ｇを越える石灰石粉末や高炉徐冷スラグ微粉末などを混合したフィラーセメント、ならびに、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）などのポルトランドセメントが挙げられ、これらのうちの１種又は２種以上が使用可能である。
本発明で使用するブレーン比表面積で５００〜２０００ｃｍ２／ｇの炭酸カルシウムは、特に限定するものではないが、石灰岩を原料とし粉砕し調整したものが挙げられる。
石灰岩中の炭酸カルシウムの純度は、特に限定するものではないが、９５％以上が好ましい。
石灰岩中の炭酸カルシウムの純度は、特に限定するものではないが、９５％以上が好ましい。
ブレーン比表面積で５００〜２０００ｃｍ２／ｇの炭酸カルシウムの使用量は、施工性や硬化後の物性に影響を与えない範囲であれば特に限定するものではないが、セメント１００部に対して２〜５０部が好ましく、５〜３０部がより好ましい。２部未満では、ひび割れ抵抗性の向上効果が発揮できない可能性があり、５０部を越えると強度発現性に影響を与える可能性がある。
ブレーン比表面積で５００〜２０００ｃｍ２／ｇの炭酸カルシウムは、コンクリートを吹付けるとき、コンクリート側と急結剤側のどちらか一方または双方に加えても構わない。
本発明で使用する急結剤とは、カルシウムアルミネート、アルカリ金属アルミン酸塩、アルカリ金属ケイ酸塩、硫酸アルミニウムから選ばれるいずれかの成分を含有するものであり、市販されているものが使用可能であり、上記成分を含有するものが好ましい。
例えば、カルシウムアルミネートを含有するものとしては、カルシウムアルミネート系粉体急結剤、カルシウムサルホアルミネート系粉体急結剤、それらに水や液体急結剤を混合しスラリー化した急結剤が挙げられる。アルカリ金属のアルミン酸塩を含有するものとしては、無機塩系粉体急結剤、無機塩系液体急結剤が挙げられる。アルカリ金属のケイ酸塩を含有するものとしては、ケイ酸ナトリウム、リチウム、カリウムの水溶液が挙げられる。硫酸アルミニウムを含有するものとしては、硫酸アルミニウムを含有する粉体急結剤、硫酸アルミニウムを含有する液体急結剤が挙げられる。
急結剤の使用量は、特に限定されるものではなく、製造元のカタログ、技術資料、施工要領書などに記載されたとおりに使用できる。
例えば、カルシウムアルミネートを含有するものとしては、カルシウムアルミネート系粉体急結剤、カルシウムサルホアルミネート系粉体急結剤、それらに水や液体急結剤を混合しスラリー化した急結剤が挙げられる。アルカリ金属のアルミン酸塩を含有するものとしては、無機塩系粉体急結剤、無機塩系液体急結剤が挙げられる。アルカリ金属のケイ酸塩を含有するものとしては、ケイ酸ナトリウム、リチウム、カリウムの水溶液が挙げられる。硫酸アルミニウムを含有するものとしては、硫酸アルミニウムを含有する粉体急結剤、硫酸アルミニウムを含有する液体急結剤が挙げられる。
急結剤の使用量は、特に限定されるものではなく、製造元のカタログ、技術資料、施工要領書などに記載されたとおりに使用できる。
本発明のセメントコンクリートは、吹付けが可能であれば特に配合は限定されるものではない。一般的な配合としては、例えば、スランプ１０ｃｍ程度、Ｗ／Ｃ=６０％程度、ｓ／ａ=６０％程度、セメント量３６０ｋｇ／ｍ３程度、砂利の最大寸法１３ｍｍで実施されている場合が多い。高強度タイプでは、スランプ２０ｃｍ程度、スランプフローで２５〜３５ｃｍ、Ｗ／Ｃ=４０〜５０％程度、ｓ／ａ=６０％程度、セメント量４００〜５００ｋｇ／ｍ３程度、砂利の最大寸法１３ｍｍで実施されている場合が多い。
本発明で使用する骨材は、特に限定されるものではなく、市販されている骨材が使用可能であり、吹付け施工に支障をきたさないものであればよい。
本発明では、吹付け施工に支障をきたさない範囲で、減水剤、ＡＥ減水剤、高性能減水剤、高性能ＡＥ減水剤、セルロースエーテル類、ポリエチレンオキサイド類、多糖類などの増粘剤、消泡剤、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、高分子凝集剤、ベントナイトなどの粘土鉱物や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、フライアッシュやシリカフュームなどの混和材料、無水セッコウなどのセッコウ類からなる群のうちの１種又は２種以上を併用することが可能である。
本発明の吹付け方法は、特に限定されるものではないが、圧送されてくる水を加えて練り混ぜたセメントコンクリートに急結剤を合流させて吹き付ける湿式吹付け工法や、ドライな状態でコンクリートと急結剤を圧送し、ノズル手前で水を合流させて吹き付ける乾式吹付け工法が適用される。
「実験例１」
各材料の単位量として、セメント４００ｋｇ／ｍ３、細骨材１０５８ｋｇ／ｍ３、粗骨材７１０ｋｇ／ｍ３、水２００ｋｇ／ｍ３、炭酸カルシウム（１）をセメント１００部に対して表に示す量を細骨材と置換し、さらに、高性能減水剤４ｋｇ／ｍ３として吹付けコンクリートを調製した。この吹付けコンクリートを吹付け圧力０．４ＭＰａ、吹付け速度１０ｍ３／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コンクリート空気搬送した。Ｙ字管の一方より、急結剤を圧送しセメントコンクリートに合流混合して、吹き付けた。この急結性吹付けコンクリートについて、コンクリートの圧縮強度、リバウンド率、長さ変化率、硬化体の最大温度を測定した。結果を表１および表２に示す。
各材料の単位量として、セメント４００ｋｇ／ｍ３、細骨材１０５８ｋｇ／ｍ３、粗骨材７１０ｋｇ／ｍ３、水２００ｋｇ／ｍ３、炭酸カルシウム（１）をセメント１００部に対して表に示す量を細骨材と置換し、さらに、高性能減水剤４ｋｇ／ｍ３として吹付けコンクリートを調製した。この吹付けコンクリートを吹付け圧力０．４ＭＰａ、吹付け速度１０ｍ３／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コンクリート空気搬送した。Ｙ字管の一方より、急結剤を圧送しセメントコンクリートに合流混合して、吹き付けた。この急結性吹付けコンクリートについて、コンクリートの圧縮強度、リバウンド率、長さ変化率、硬化体の最大温度を測定した。結果を表１および表２に示す。
（使用材料）
高性能減水剤：ポリカルボン酸系、市販品
粗骨材：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１３ｍｍ
細骨材：新潟県糸魚川市姫川産川砂、表乾状態、比重２．６２、最大寸法５ｍｍ
セメント：普通ポルトランドセメント、市販品
炭酸カルシウム（１）：採掘した石灰岩を粉砕し粒度調整したもの。ブレーン比表面積１５５０ｃｍ２/ｇ、純度９９．２％
急結剤Ａ：カルシムアルミネート含有、電気化学工業社製、商品名「ナトミックＴＹＰＥ−５」（粉体）、添加率：セメント１００部に対して７％
急結剤Ｂ：カルシムアルミネート含有、電気化学工業社製、商品名「ナトミックＴＹＰＥ−１０」（粉体）、添加率：セメント１００部に対して１０％
急結剤Ｃ：アルカリ金属ケイ酸塩含有、市販品、３号水ガラス（液体）、添加率：セメント１００部に対して液体として８％
急結剤Ｄ：アルカリ金属アルミン酸塩含有、電気化学工業社製、商品名「ナトミックＴＹＰＥ−Ｌ」（液体）、添加率：セメント１００部に対して液体として８％
急結剤Ｅ：硫酸アルミニウム含有、電気化学工業社製、商品名「ナトミックＬＳＡ」（液体）、添加率：セメント１００部に対して液体として９％
高性能減水剤：ポリカルボン酸系、市販品
粗骨材：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１３ｍｍ
細骨材：新潟県糸魚川市姫川産川砂、表乾状態、比重２．６２、最大寸法５ｍｍ
セメント：普通ポルトランドセメント、市販品
炭酸カルシウム（１）：採掘した石灰岩を粉砕し粒度調整したもの。ブレーン比表面積１５５０ｃｍ２/ｇ、純度９９．２％
急結剤Ａ：カルシムアルミネート含有、電気化学工業社製、商品名「ナトミックＴＹＰＥ−５」（粉体）、添加率：セメント１００部に対して７％
急結剤Ｂ：カルシムアルミネート含有、電気化学工業社製、商品名「ナトミックＴＹＰＥ−１０」（粉体）、添加率：セメント１００部に対して１０％
急結剤Ｃ：アルカリ金属ケイ酸塩含有、市販品、３号水ガラス（液体）、添加率：セメント１００部に対して液体として８％
急結剤Ｄ：アルカリ金属アルミン酸塩含有、電気化学工業社製、商品名「ナトミックＴＹＰＥ−Ｌ」（液体）、添加率：セメント１００部に対して液体として８％
急結剤Ｅ：硫酸アルミニウム含有、電気化学工業社製、商品名「ナトミックＬＳＡ」（液体）、添加率：セメント１００部に対して液体として９％
（測定方法）
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。
リバウンド率：吹付けコンクリートを１０ｍ３／ｈの圧送速度で１０分間、鉄板でアーチ状に作成した高さ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。
長さ変化率：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、収縮量を測定した。測定はＪＩＳ Ｒ １１２９−３（ダイヤルゲージ法）に準拠した。
最大温度上昇率：幅５０ｃｍ×長さ５０ｃｍ×厚さ２０ｃｍの型枠の中心部に温度センサーを取り付け、吹付けコンクリートを吹き付けた。吹き付ける前のフレッシュコンクリートの温度に対して、吹き付けたコンクリート硬化体中心部の最大温度を測定しその比を最大温度上昇率とした。なお、比較のために急結剤を加えないベースコンクリートの最大温度上昇率も測定した。
測定場所は屋内とし測定時期の外気の温度変化は最低が１６℃、最高が２２℃であった。
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。
リバウンド率：吹付けコンクリートを１０ｍ３／ｈの圧送速度で１０分間、鉄板でアーチ状に作成した高さ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。
長さ変化率：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、収縮量を測定した。測定はＪＩＳ Ｒ １１２９−３（ダイヤルゲージ法）に準拠した。
最大温度上昇率：幅５０ｃｍ×長さ５０ｃｍ×厚さ２０ｃｍの型枠の中心部に温度センサーを取り付け、吹付けコンクリートを吹き付けた。吹き付ける前のフレッシュコンクリートの温度に対して、吹き付けたコンクリート硬化体中心部の最大温度を測定しその比を最大温度上昇率とした。なお、比較のために急結剤を加えないベースコンクリートの最大温度上昇率も測定した。
測定場所は屋内とし測定時期の外気の温度変化は最低が１６℃、最高が２２℃であった。
「実験例２」
実験例１の実験No.1-15の配合を基に、炭酸カルシウムの種類を変えて実験例１と同様に行った。結果を表３に示す。なお、比較のために、ブレーン比表面積が５００ｃｍ２/ｇを下回る炭酸カルシウムと２０００ｃｍ２/ｇを越える炭酸カルシウムも評価した。
実験例１の実験No.1-15の配合を基に、炭酸カルシウムの種類を変えて実験例１と同様に行った。結果を表３に示す。なお、比較のために、ブレーン比表面積が５００ｃｍ２/ｇを下回る炭酸カルシウムと２０００ｃｍ２/ｇを越える炭酸カルシウムも評価した。
（使用材料）
炭酸カルシウム（２）：採掘した石灰岩を粉砕し粒度調整したもの。ブレーン比表面積４５０ｃｍ２/ｇ、純度９９．２％
炭酸カルシウム（３）：採掘した石灰岩を粉砕し粒度調整したもの。ブレーン比表面積５００ｃｍ２/ｇ、純度９９．２％
炭酸カルシウム（４）：採掘した石灰岩を粉砕し粒度調整したもの。ブレーン比表面積７２０ｃｍ２/ｇ、純度９９．２％
炭酸カルシウム（５）：採掘した石灰岩を粉砕し粒度調整したもの。ブレーン比表面積１０５０ｃｍ２/ｇ、純度９９．２％
炭酸カルシウム（６）：採掘した石灰岩を粉砕し粒度調整したもの。ブレーン比表面積１８００ｃｍ２/ｇ、純度９９．２％
炭酸カルシウム（７）：採掘した石灰岩を粉砕し粒度調整したもの。ブレーン比表面積２０００ｃｍ２/ｇ、純度９９．２％
炭酸カルシウム（８）：採掘した石灰岩を粉砕し粒度調整したもの。ブレーン比表面積２１５０ｃｍ２/ｇ、純度９９．２％
炭酸カルシウム（２）：採掘した石灰岩を粉砕し粒度調整したもの。ブレーン比表面積４５０ｃｍ２/ｇ、純度９９．２％
炭酸カルシウム（３）：採掘した石灰岩を粉砕し粒度調整したもの。ブレーン比表面積５００ｃｍ２/ｇ、純度９９．２％
炭酸カルシウム（４）：採掘した石灰岩を粉砕し粒度調整したもの。ブレーン比表面積７２０ｃｍ２/ｇ、純度９９．２％
炭酸カルシウム（５）：採掘した石灰岩を粉砕し粒度調整したもの。ブレーン比表面積１０５０ｃｍ２/ｇ、純度９９．２％
炭酸カルシウム（６）：採掘した石灰岩を粉砕し粒度調整したもの。ブレーン比表面積１８００ｃｍ２/ｇ、純度９９．２％
炭酸カルシウム（７）：採掘した石灰岩を粉砕し粒度調整したもの。ブレーン比表面積２０００ｃｍ２/ｇ、純度９９．２％
炭酸カルシウム（８）：採掘した石灰岩を粉砕し粒度調整したもの。ブレーン比表面積２１５０ｃｍ２/ｇ、純度９９．２％
本発明の吹付け材料を用いることで、温度応力および乾燥による収縮量の低減によるひび割れ抑制が可能となり、耐久性に優れた吹付けコンクリートを得ることが可能となるので、例えば、吹付けコンクリートのみで覆工を行うようなトンネル工事の吹付け材料として好適である。
Claims (2)
- ブレーン比表面積５００〜１８００ｃｍ２／ｇの炭酸カルシウム、急結剤、セメント、および骨材を含有してなり、前記急結剤が硫酸アルミニウムを含有し、セメント１００質量部に対して前記炭酸カルシウム２〜５０質量部である、吹付け材料。
- 請求項１記載の吹付け材料を用いる吹付け工法。
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