JP5833859B2 - 気泡モルタル混練物および中詰め工法 - Google Patents

Description

本発明はシールド工事やずい道トンネルに於いて、コンクリート覆工背面の裏込め注入工や、一次覆工と二次覆工（鋼管、ＦＲＰＭ管等）との間隙を中詰め充填する場合、注入工法にて透気性、透水性に優れ長距離圧送性に優れた充填材として用いる気泡モルタル混練物およびその注入工法に係わる。

従来から、シールド工事やずい道トンネルのコンクリート覆工背面の裏込め注入工法や中詰め充填工法においては、セメントスラリー及び微粒子スラリーやモルタル混練物に気泡群を混入させた気泡モルタル混練物が用いられている。気泡モルタル混練物は使用する材料の内、固化材や混和材及び混入する気泡群の量を調整することにより、目的に応じた比重や圧縮強度が設定され、所定のエアモルタルを得ることができる。そのため、軽量盛土やトンネルの覆工コンクリート背面の裏込め注入、二次覆工材周囲間隙の中詰め注入や廃棄管の閉塞及び旧鉱道や防空壕等の空洞充填など土木工事によく利用されている。しかしながら、トンネル等の工事においては、気泡モルタル混練物の注入施工に際しては、坑口付近広場にて混練製造後に圧送管にて長距離のポンプ圧送が要求され、圧送途中において、気泡の減少や混練材料の分離（ブリーディング）などトラブルにて圧送管の閉塞、気泡モルタル固結体の物性不良や充填不良など品質上問題が発生しやすく、不安定であり、成果品は作業員の熟練度に左右されることが多い。

このようなトラブルを解消するために、本発明者は特許文献１に示すように、炭酸カルシウムを３０重量％以上含有する混和材を使用した気泡モルタル混練物による充填固結工法を提案した。一方、特許文献２には、微粉末骨材（例えば石灰石微粉末）と特殊な界面活性剤(アミンオキサイド型ノニオン界面活性剤)とを組み合わせて、気泡モルタル硬化体の透気係数、強度および比重をコントロールする方法が示されている。

また、特許文献３には、流動性がよく、圧送しても骨材が分離しにくい気泡モルタル組成物として、細骨材にフェロニッケルスラグの微粒砂を用い、安定作用材として粘性向上の為、ベントナイトを加えた組成物が示されている。そして、特許文献４には、セメント・ベントナイトを主材とする中詰め材料に、ポリカルボン酸塩、リグニンスルホン酸カルシウムを加え、流動性と充分な作業時間（可使時間）を確保し、発泡剤として事後発泡型である金属アルミニウムを添加した中詰め材が示されている。

上記のように、流動性がよく圧送管路中において分離がなく、長距離のポンプ圧送が可能で、シールド工事やトンネル工事などに好ましく適用される気泡モルタル混練物を得るために、混和材として、炭酸カルシウムが成分である石灰石微粉末や膨潤性が高いベントナイトを使用することは知られている。しかしながらシールド工やずい道トンネル等の坑内にガス導管用の鋼管を設置し、鋼管背面間隙を充填する中詰め注入用の場合等に、一つの方法として炭酸カルシウム微粉末を使用した気泡モルタル混練物の空気量（気泡量）をより多く確保するために、特殊なノニオン系界面活性剤を使用している（特許文献２参照）。そして、膨潤性が高くセメントスラリーが懸濁液として安定する粘土鉱物のベントナイトを好適に用いて、フェロニッケルスラグと併用したり（特許文献３）、特殊な添加剤と併用したり（特許文献４）している。

特開平７−３７７１号公報（特許第２５１４５７６号公報） 特開２００９−１１４０２４号公報（特許第４５５０１０３号公報） 特開平９−２４９４４１号公報（特許第３７０６６７０号公報） 特開２００７−１６９９７４号公報

本発明の課題は、起泡剤として特殊な界面活性剤を用いることなく、一般的な界面活性剤や動物タンパク系の起泡剤を使用しても、長距離圧送に於いての流動性、安定性に優れ、含有する空気量の範囲も幅広く設定でき、連続気泡が得られ、透気性や透水性を有する気泡モルタル混練物を提供することである。

本発明の気泡モルタル混練物は、普通ポルトランドセメント、微粒子混和材、水を混練して製造されたセメント微粒子スラリーに、起泡剤希釈液と圧縮空気にて作成した泡沫を加えた混練物であって、微粒子混和材は石灰石粉末とセルロース粉末を使用し、石灰石粉末とセルロース粉末との重量比は１：０．０００５〜０．００２であり、セメントと微粒子混和材との重量比は１：０．３〜２．５であり、空気量は４０体積％〜７５体積％である。この混練物は、セメントとして普通ポルトランドセメントを用い、微粒子混和材として石灰石粉末とセルロース系粉末とを併用することを特徴としている。

また、上記の気泡モルタル混練物に、添加剤として、ポリカルボン酸系高性能減水剤、メラミンスルホン酸系遅延剤および金属アルミニウム粉末を加えることが好ましい。

さらに、上記の気泡モルタル混練物をシールド工事やずい道トンネル内の所定箇所に圧送注入充填することを特徴とするトンネル内の中詰め工法も提供する。

本発明の気泡モルタル混練物は、空気量を４０体積％以上としても、流動性、安定性に優れており、トンネルの中詰め工法などにおける長距離の圧送に際して、気泡の減少や混練材料の分離がなく、安定して充填固結することができる。そして、気泡モルタル固結体は連続気泡となり、透気性や透水性を有しており、透気係数として１×１０^-1ｃｍ／ｓｅｃ以上の値が得られ、ガス導管周囲の中詰め材として使用した場合には、もしガス漏れが生じたとしても、洩れたガスを素早く検知することができる。

本発明は、微粒子混和材として石灰石粉末とセルロース粉末とを併用することで、気泡モルタル混練物の混和材として優れた特性を持つ石灰石粉末の特性を一層発揮させることができることを見出したものである。すなわち、起泡剤として特別な界面活性剤を用いることなく、汎用の起泡剤を用いても、石灰石粉末とセルロース粉末との相互作用により、水と混練された際に適度の親水親和性と混練物の粘性を発揮した懸濁液となり、気泡群導入による混練物の状態では適度の気泡の安定性を維持し、セメントが水和して固結した後では、連続気泡を有する気泡モルタル固結体となり、且つ良好な透気性や透水性も得ることができる。

また本開発は固化材に普通ポルトランドセメントを使用することで鋼管の塗装に悪影響を与えるエレクトロコーティング作用が発生し難い特徴も提供できる。

以上のように、石灰石粉末とセルロース系粉末を併用することで、混練物の流動性、安定性が確保できるため、空気量や水粉体比などの設定も幅広い範囲で調整可能であり、モルタル固結体の物性も幅広く設定できる。そのため、固結体の比重を小さくして、軽量モルタル固結体としたり、固結体の強度を調整して、エアモルタルにて充填固結されたシールドやずい道トンネルの再掘削が容易に施工することができる。

さらに、添加剤としてポリカルボン酸系高性能減水剤、メラミンスルホン酸系遅延剤、金属アルミニウム粉末を加えることで、混練物の流動性調節や可使時間の調整及び事後発泡剤として作用する金属アルミニウム粉末の存在により安定した流動性と気泡の補填が出来、ワーカビリティを維持することができ、より長距離の圧送が可能となり、混練物の充填固結後の品質が安定する。

また本発明の気泡モルタル混練物の固結体は、高い透水性も有するため、既設水路構造物の背面間隙や地下空洞等をこのエアモルタルにて充填閉塞した場合、地下水位が異常に上昇する場合でも、透水性エアモルタル層であれば侵入水を通過させ背面水圧の軽減を図ることができる。この場合、このモルタル混練物に、ゼオライトなどの天然多孔質鉱物、活性炭、多孔質焼結セラミックスなどを吸着剤として混和させておくことにより、モルタル固結体の気泡内を通過する水の不純含有物を吸着除去し、水の浄化も図ることもできる。

気泡モルタル混練物の製造プラントである。 気泡モルタル混練物の長距離圧送試験における圧送圧力と注入速度の記録チャートである。

本発明の気泡モルタル混練物の製造は、通常の気泡モルタル混練物の製造と同様な工程で行うことができる。すなわち、セメント、微粒子混和材、セルロース粉末、水および添加剤をミキサーで混練してスラリーとし、水で希釈した起泡剤と圧縮空気を合流して起泡させた気泡沫を、ブレンダーを介してスラリーに混合混流して気泡モルタル混練物とする。また、起泡させた気泡沫に、セメント、混和材、セルロース粉末、水および添加剤を投入し、グラウトミキサーで混練攪拌して製造してもよい。

このようにして製造した気泡モルタル混練物はシールド工やずい道トンネル内などの場合、注入箇所までパイプラインにて圧送し目的箇所を充填する。本発明の気泡モルタル混練物は、流動性、安定性に優れているために、混練物の製造場所と注入箇所との距離が延長３０００ｍ以上と長い場合でも安定して圧送し、注入充填することができる。圧送距離がＬ＝３０００ｍ以上となるような長距離の場合に、スラリー混練工程と気泡沫の混練工程とを分けて、予めスラリーを製造圧送し、注入箇所に近い場所で気泡群を導入するプロセスを採用し、さらに気泡量の減少や混練材料の分離をより少なくすることを行ってもよい。

混練物に用いられる起泡剤はアニオン系界面活性剤、例えばアルキルサルフェート、アルキルエーテル硫酸エステル、高級脂肪酸など、ノニオン系界面活性剤、例えばポリオキシエチレンアルキルエーテルなど、およびアニオンノニオン混合系界面活性剤などの合成界面活性剤系起泡剤、ロジンなどの天然樹脂系起泡剤、動物性蛋白質系起泡剤など通常用いられる起泡剤を用いることができ、特に限定されることはない。

セメントとしては、石灰石粉末とセルロース粉末とからなる微粒子混和材と組み合わせてシールドやずい道トンネルなどの中詰め材として普通ポルトランドセメントを用いた場合、モルタル固結体の化学的耐性がよく、鋼管に塗装された塗膜に悪影響を与えるエレクトロコーティング作用が生じ難い為、鋼管の耐性上好ましいものとなる。

本発明において微粒子混和材として用いられる石灰石粉末は、天然鉱物である石灰石を乾燥粉砕後、粒度を調整して、比表面積を３０００〜８０００ｃｍ²／ｇとしたものである。
セルロース粉末は、同様に天然素材のパルプより製造されたメチルセルロースやエチルセルロース等が好ましく用いられる。

微粒子混和材は石灰石粉末とセルロース粉末とを、石灰石粉末1に対してセルロース粉末０．０００５〜０．００２の重量比で混練物に加えられる。加えられる微粒子混和材の総量はセメント１に対して０．３〜２．５の重量比で加えられる。石灰石粉末に対するセルロース粉末の量が前記の範囲より少ない場合はセルロース粉末添加の効果が見られず、逆に多すぎる場合には、セルロースのだまが発生し、モルタル固結体の欠陥となったり、気泡の消泡作用が発生する場合がある。そして、混和材のセメントに対する量が前記の範囲より多い場合には、モルタル固結体の強度が確保できず、少ない場合は本願発明の効果が見られない。

また、混練に使用される水の量は特に限定はされないが、一般の起泡モルタル混練物と同様に、水1に対して微粒子混和材が０．３５〜０．９０の重量比となるように設定することが好ましい。空気量は４０体積％〜７５体積％の範囲に設定され、空気量が４０体積％未満では、モルタル固結体の気泡のうち連続気泡の割合が少なく、必要な透気係数が確保できず、空気量が７５体積％を超える場合には、気泡モルタル混練物の圧送中に、気泡の減少が発生し、混練物の流動性に変化を生じることがある。そのため、本発明の気泡モルタル混練物においては、空気量はこの範囲に設定することが必要である。

さらに、気泡モルタル混練物には必要に応じて、その他の添加剤を加えることができる。添加剤としては高性能減水剤、分離低減剤、事後発泡剤などである。本発明では高性能減水剤としては側鎖にカルボキシル基を有する高分子化合物からなるポリカルボン酸系高性能減水剤が好ましく用いられる。この高分子化合物は、セメント粒子表面に吸着し、セメント粒子を分散させる効果を示し、減水性を発揮するものである。

発泡剤としては、金属アルミニウム粉末も加えることができる。この金属アルミニウム粉末は、モルタル中の水酸化カルシウムなどのアルカリ反応によって水素を発生し、発泡するものであり、混練物の気泡の補充に寄与し、モルタル固結物の透気性、透水性の改善効果を示す。

以下本発明をさらに具体的に説明するために、実施例を示す。これらの実施例においては、次に示す材料を用いて、気泡モルタル混練物を作成し、流動性などを試験すると共に、混練物を固結して、モルタル固結体の特性を調べた。

使用材料
セメント
普通ポルトランドセメント
微粒子混和材
石灰石粉末 「ＭＰグラウト」（キザイテクト社製）
比重 ２．７ 比表面積 ５０００ｃｍ²／ｇ
セルロース粉末 非イオン性 水溶性セルロースエーテル

起泡剤
界面活性剤系 「ＫＦフォーム」（キザイテクト社製）
比重 ０．９８〜１．０２ ｐＨ＝７．０

実施例１、２の配合例および特性値を表１に示す。

図１に示した気泡モルタル混練物プラントにおいて、表１に示した各実施例の配合に基づいて各々軽量された１バッチ当たりの水、セルロース粉末、微粒子混和材（ＭＰグラウト）、普通ポルトランドセメント、を順次グラウトミキサー１に投入し撹拌混練してスラリーを製造すると同時に起泡剤（ＫＦフォーム）の２５倍希釈液を発泡システム２のプランジャーポンプにて発泡ノズル３に給液し、別途コンプレッサー４より圧縮空気を発泡ノズル３に給気して気泡沫を作成しグラウトミキサー１内に投入して、スラリーとよく混練して気泡モルタル混練物を製造する。製造された気泡モルタル混練物を油圧ピストン式グラウトポンプ５にて圧送し、シールド工やずい道トンネル内に布設されている配管周囲間隙を充填閉塞して、固結させ中詰め注入を行う。

表１には、上記にて製造した気泡モルタル混練物およびその固結体の特性値を配合と共に示す。これらの特性値から示されるように、本発明の配合の気泡モルタル混練物は流動性に優れ、圧送管途中での分離沈降現象などもなく、中詰め材として鋼管塗膜に悪影響を与えず、好適な透気性を有するモルタル固結体となっている。

また図２には、本発明の気泡モルタル混練物の圧送試験における、圧送圧力と注入速度の記録チャートを示す。この圧送試験は３，７００ｍに及ぶ圧送試験であり、３，５００ｍ地点まではスラリーとして圧送し、この地点でブレンダーにて気泡沫を導入して気泡モルタル混練物とし、この混練物を圧送開始し、さらに２００ｍ配管を延長し、３，７００ｍの地点にて気泡沫を導入して、さらに圧送を継続し、最終的には気泡モルタル混練物を３，７００ｍの地点まで圧送した。気泡モルタル混練物としての配合は実施例1と同様の配合組成である。

図２の記録チャートに示されるように、時点１００から時点１０５の時間で、スラリーを３，５００ｍ圧送し、１０５時点で気泡沫を導入し気泡モルタル混練物とした後も０．８〜１．０５ＭＰａ程度の圧力で、注入速度７５リットル／ｍｉｎを維持し、さらに圧送配管を２００ｍ延長後も、１．５〜１．９ＭＰａ程度の圧力で、注入速度７５リットル／ｍｉｎを維持し、流動性にも優れていることが確認できた。

実施例１の気泡モルタル組成物の固結物の透気係数と透水係数の測定を行った。透気係数の測定は、試験用に円柱状に固結した供試体の側面にエポキシ接着剤を塗布して、円柱の軸方向のみに透気させるようにして、送気圧が０．２、０．５、１、１．５ｋＰａの各圧力で透気量を測定し、透気係数を求めた。供試体の寸法および得られた透気係数は次の通りであった。
透水係数の測定は、内径４．９９ｃｍ、長さ９．８３ｃｍの透水円筒を用いて定水位法により、水位差９．０ｃｍ、測定時間２７０分にて透水量を５回測定し、透水係数を求めた。
試験試料 気泡モルタル組成（配合組成 実施例１）
供試体寸法等
直径 ４．９９ｃｍ
断面積 １９．５６ｃｍ²
長さ ９．８３ｃｍ
体積 １９２．２４ｃｍ³
質量 ６９．１９ｇ
湿潤密度 ０．３６０ｇ／ｃｍ³
試験結果
透気係数 ２．８３ｃｍ／ｓｅｃ
透水係数 ２．１３×１０^-2ｃｍ／ｓｅｃ

透気係数はガス洩れ検知に必要な透気係数１×１０^-1ｃｍ／ｓｅｃを充分にクリアーした値が得られた。また、透水係数も侵入水を通過させ背面水圧の軽減を図ることができるものであった。

１ グラウトミキサー
２ 発泡システム
３ 発泡ノズル
４ コンプレッサー
５ グラウトポンプ
６ 原料サイロ
７ モルタルホッパー
８ 油圧ユニット
９ 水量計

Ａ 注入速度曲線
Ｂ 圧送圧力曲線

１００ スラリー圧送開始時点
１０１ ３，５００ｍ配管接続圧送開始時点
１０２ 注入速度 １５０リットル／ｍｉｎ 調整時点
１０３ 圧送圧力 ０．６５ＭＰa
１０４ 注入速度 １２０リットル／ｍｉｎ 調整時点
１０５ スラリー３，５００ｍ地点に到着、気泡沫導入開始時点
１０６ 圧送配管 ２００ｍ追加時点
１０７ スラリー３，７００ｍ地点に到着、気泡沫再導入開始時点
１０８ 圧送試験終了時点

Claims (3)

1. 少なくとも普通ポルトランドセメント、混和材、水および起泡剤を混錬した気泡モルタル混練物であって、混和材は石灰石粉末とセルロース粉末とを重量比１：０．０００５〜０．００２の割合で含有し、セメントと混和材の重量比は１：０．３〜２．５であり、空気量は４０体積％〜７５体積％であり、固結した後では連続気泡となり、透気性や透水性を有する固結体となる気泡モルタル混練物。
2. ポリカルボン酸系高性能減水剤、メラミンスルホン酸系遅延剤および事後発泡剤としての金属アルミニウム粉末を添加した請求項１に記載の気泡モルタル混練物。
3. 混練製造した請求項１または２に記載の気泡モルタル混練物を、シールド工及びずい道トンネル内の所定箇所に圧送し注入充填することを特徴とするシールド工やずい道トンネル内の中詰め注入充填工法。

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