JP6133598B2

JP6133598B2 - 速硬性グラウト組成物及び速硬性グラウト材

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Publication number: JP6133598B2
Application number: JP2012289187A
Authority: JP
Inventors: 中原　和彦; 和彦中原; 昌範柴垣
Original assignee: Taiheiyo Materials Corp
Current assignee: Taiheiyo Materials Corp
Priority date: 2012-12-29
Filing date: 2012-12-29
Publication date: 2017-05-24
Anticipated expiration: 2032-12-29
Also published as: JP2014129213A

Description

本発明は、速硬性グラウト組成物及び速硬性グラウト材に関する。詳しくは、高い流動性があり且つ短時間で高い静弾性係数が得られる速硬性グラウト組成物及び速硬性グラウト材に関する。

土木構造物や建築構造物の構築又は補修、或いは機械の設置等において、流動性の高いセメント系グラウト材が用いられている。道路や鉄道等の構造物の補修工事等のように工事できる時間が限られている場合のように、グラウト材の充填後速やかに強度発現する速硬性グラウト材が使用されることもあり、速硬性グラウト材が提案されている（例えば特許文献１〜３参照）。

しかし、補修工事における部材同士の接合部分の定着やボルトの固定等グラウト材の使用箇所によっては、速やかに高い強度が必要なだけではなく、速やかに硬くなる、即ち、速やかに静弾性係数が高くなるグラウト材が必要な場合がある。

特開平１０−１１０１６７号公報特開２００７−１９１３３２号公報特開平０７−３０９６５８号公報

本発明は、混練後の流動性が高く且つ硬化後速やかに高い静弾性係数が得られる速硬性グラウト組成物及び速硬性グラウト材を提供することを目的とする。

本発明者は、前記課題解決のため鋭意検討した結果、特定のセメントと、特定の混和材料と、特定の細骨材を含有することにより、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させた。即ち、本発明は、以下の（１）〜（４）で表す速硬性グラウト組成物、及び（５）で表す速硬性グラウト材である。
（１）珪酸カルシウムを主成分とするセメントと、エトリンガイト系速硬材と、細骨材を含有し、前記細骨材中における重量骨材の含有率が５０質量％以上であり、結合材１００質量部に対し、２３０〜３００質量部となる量の細骨材を含む速硬性グラウト組成物。
（２）結合材１００質量部に対し、２３０〜２５０質量部となる量の細骨材を含む上記（１）の速硬性グラウト組成物。
（３）上記エトリンガイト系速硬材がカルシウムアルミネート類と石膏を主成分とする上記（１）又は（２）の速硬性グラウト組成物。
（４）上記重量骨材の硬度が６．０以上である上記（１）〜（３）何れかの速硬性グラウト組成物。
（５）上記（１）〜（４）何れかの速硬性グラウト組成物と、該速硬性グラウト組成物１００質量部に対し１０〜２０質量部の水とを混練してなる速硬性グラウト材。

本発明によれば、混練後の流動性が高く且つ硬化後速やかに高い静弾性係数が得られる速硬グラウト組成物が得られる。また、本発明によれば、流動性が高く且つ硬化後速やかに高い静弾性係数が得られる速硬性グラウト材が得られる。本発明によれば、Ｊ_１４漏斗流下時間が８±４秒以内と流動性が高く、且つ材齢１時間における静弾性係数が１５ｋＮ／ｍｍ^２以上と高い速硬性グラウト組成物及び速硬性グラウト材が得られる。

本発明の速硬性グラウト組成物は、珪酸カルシウムを主成分とするセメントと、エトリンガイト系速硬材と、細骨材を含有し、前記細骨材中における重量骨材の含有率が２５質量％以上である。なお、％は特に示す場合および単位固有の場合を除き質量％である。

珪酸カルシウムを主成分とするセメントとしては、各種ポルトランドセメント、フライアッシュ・高炉スラグ・シリカフュームなどが任意の割合で混和された混合セメント、エコセメントなどが使用可能である。ここで珪酸カルシウムを主成分とするとは、含まれるセメントクリンカ粉砕物中において珪酸カルシウム鉱物（Ｃ_３Ｓ、Ｃ_２Ｓ）を５０質量％以上含むことをいい、好ましくは６０質量％以上含むことをいい、より好ましくは７０質量％以上含むことをいう。

本発明におけるエトリンガイト系速硬材とは、水和反応或いは水及びセメントとの反応によりエトリンガイト（３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・３ＣａＳＯ_４・３２Ｈ_２Ｏ）を生成する急硬材を云い、カルシウムアルミネート類と石膏を含有する急硬材が好ましい。

本発明におけるカルシウムアルミネート類とは、ＣａＯをＣ、Ａｌ_２Ｏ_３をＡ、及びＦｅ_２Ｏ_３をＦ、Ｎａ_２ＯをＮとして表したとき、Ｃ_３Ａ、Ｃ_２Ａ、Ｃ_１２Ａ_７、Ｃ_５Ａ_３、ＣＡ、Ｃ_３Ａ_５、又はＣＡ_２等と表示される鉱物組成を有するカルシウムアルミネート、Ｃ_２ＡＦ及びＣ_４ＡＦ等と表示されるカルシウムアルミノフェライト、カルシウムアルミネートにハロゲンが固溶又は置換したＣ_３Ａ_３・ＣａＦ_２やＣ_１１Ａ_７・ＣａＦ_２等と表示される（但し、ここにおけるＦはＦｅ_２Ｏ_３ではなくフッ素元素を意味する。）カルシウムフロロアルミネートを含むカルシウムハロアルミネート、Ｃ_８ＮＡ_３やＣ_３Ｎ_２Ａ_５等と表示されるカルシウムナトリウムアルミネート、カルシウムリチウムアルミネートや、一般的に市販されているアルミナセメントや超速硬セメント、並びにこれらにＳｉＯ_２、Ｋ_２Ｏ、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２等が固溶又は化合したものを総称するものである。

カルシウムアルミネート類を得る方法としては、ＣａＯ原料とＡｌ_２Ｏ_３原料等をロータリーキルンや電気炉等によって熱処理して得る方法が挙げられる。カルシウムアルミネート類を製造する際のＣａＯ原料としては、例えば、石灰石や貝殻等の炭酸カルシウム、消石灰等の水酸化カルシウム、あるいは、生石灰等の酸化カルシウムを挙げることができる。また、Ａｌ２Ｏ３原料としては、ボーキサイト、石油化学工業等より排出される廃アルミナ触媒等のアルミナ廃棄物、アルミ鉱滓（アルミドロス）やその精錬過程で発生するアルミ残灰、アルミニウム切削屑等の廃金属アルミニウム、アルミニウム粉末等が挙げられる。

カルシウムアルミネート類の粉末度は、ブレーン比表面積で３５００cm^２／ｇ以上とすると、添加量が少ない場合においても急硬性が得られやすいことから好ましい。より好ましい粉末度はブレーン比表面積で４０００cm^２／ｇ以上とする。また、カルシウムアルミネート類の粉末度はあまり高くすると経済的でなく流動性も低下することから、好ましくはブレーン比表面積で１００００cm^２／ｇ以下、更に好ましくは８０００cm^２／ｇ以下とする。

本発明における石膏とは、無水石膏、二水石膏又は半水石膏を主成分とする粉末であれば特に限定されないが、強度増進作用の観点からII型無水石膏を主成分とするものが好ましい。石膏は、セメント中のアルミネート相やカルシウムアルミネート類等と反応しエトリンガイトを生成させ、これにより硬化体の収縮を抑制することができるとともに、初期強度を高める。使用する石膏の粉末度はブレーン比表面積で３０００ｃｍ^２／ｇ以上のものが、反応活性が得られるので好ましい。より好ましくは粉末度が４０００ｃｍ^２／ｇ以上のものがよい。粉末度の上限は特に限定されないが、粉末度を高めるとコストが嵩む割にはその効果が鈍化することから概ねブレーン比表面積で１００００ｃｍ^２／ｇ以下とすることが適当である。

石膏の含有量はカルシウムアルミネート類１００質量部に対し２５〜５０質量部が好ましい。２５質量部未満では強度が不足する虞がある。５０質量部を超えると、流動性が低下し、必要な流動性を確保するために水量を増加させると強度が不足する。強度が高く且つ流動性が得易いことから、石膏の含有量をカルシウムアルミネート類１００質量部に対し、３０〜４０質量部とすることがより好ましい。

エトリンガイト系速硬材の含有量は、珪酸カルシウムを主成分とするセメント１００質量部に対し９０〜１５０質量部が好ましく、１１０〜１３０質量部がより好ましい。９０質量部未満では低温環境下において初期強度が不足する虞があり、１５０質量部を超えると充填可能な流動性が得られる時間、即ち可使時間が短くなる。

本発明に用いる細骨材は、重量骨材を２５質量％以上含有する細骨材を用いる。細骨材全てが重量骨材でもよい。本発明に用いる重量骨材としては、密度３．０〜６．５ｇ／ｃｍ^３のものが好ましい。密度３．０ｇ／ｃｍ^３未満では、短時間で高い静弾性係数が得られ難く、密度６．５ｇ／ｃｍ^３を超えると重量骨材が沈降し易くなる。また、用いる重量骨材が、モース硬度６以上のものが短時間に高い静弾性係数を得易いことから好ましく、モース硬度７以上のものがより好ましい。本発明で用いる重量骨材としては、例えば、橄欖岩、柘榴石、重晶石、針鉄鉱、褐鉄鉱、バリウム方解石、銅スラグ、フェロニッケルスラグ、フェロクロムスラグ、クロマイト、電気炉酸化スラグ骨材等が好ましい例として挙げられ、これらの一種又は二種以上を使用できる。本発明で用いる細骨材には、重量骨材以外の細骨材を７５質量％まで含有することができる。重量骨材以外の細骨材（普通骨材からなる細骨材）の含有率が７５質量％を超える、即ち重量骨材の含有率が２５質量％未満では、短時間に高い静弾性係数が得られない。重量骨材以外の細骨材としては、モース硬度５以上のものが短時間に高い静弾性係数が得られ易いことから好ましく、モース硬度６以上のものがより好ましい。重量骨材以外の細骨材としては、例えば、川砂、陸砂、海砂、砕砂、珪砂、高炉スラグ細骨材等のうち密度３．０ｇ／ｃｍ^３未満のものを用いることができる。好ましくは、モース硬度５以上のものが短時間に高い静弾性係数が得られ易いことから好ましく、モース硬度６以上のものがより好ましい。

本発明に用いる細骨材の含有量は、結合材１００質量部に対し１６０〜３００質量部とすることが好ましい。１６０質量部未満では短時間の静弾性係数が不足する虞があり、３００質量部を超えると材料分離を起こし易い。より高い静弾性係数が得られ且つ材料分離を起こし難いことから、細骨材の含有量は、結合材１００質量部に対し１８０〜２８０質量部とすることがより好ましく、２００〜２５０質量部とすることが最も好ましい。ここで、結合材とは、セメント、エトリンガイト系速硬材、高炉スラグ粉末等の潜在水硬性物質及びシリカフューム等のポゾランをいう。

本発明の速硬性グラウト組成物には、珪酸カルシウムを主成分とするセメント、細骨材材及びエトリンガイト系速硬材以外に、他の混和材料及び粗骨材から選ばれる一種又は二種以上を本発明の効果を実質損なわない範囲で併用することができる。この混和材料としては、例えばセメント分散剤（減水剤、高性能減水剤、ＡＥ減水剤、高性能ＡＥ減水剤、流動化剤等を含む。）、セメント用ポリマー、増粘剤、膨張材、防水材、防錆剤、収縮低減剤、保水剤、顔料、繊維、撥水剤、白華防止剤、急結剤（材）、上記以外の急硬剤（材）、凝結遅延剤、発泡剤、消泡剤、高炉スラグ微粉末、シリカフュームやフライアッシュ等のポゾラン、石粉、撥水剤、表面硬化剤等が挙げられる。また、粗骨材としては、例えば、川砂利、陸砂利、砕石、高炉スラグ細骨材、電気炉酸化スラグ粗骨材等のスラグ粗骨材及び人工軽量粗骨材等が挙げられる。また、本発明で使用される混和材料は、粉末状でも水溶液状でも使用可能であるが、施工現場で複雑な計量操作等を必要とせずに、所定量の水を計量し混練するだけですぐに使用できるように、本発明のセメント組成物が配合成分の全てが予め混合され粉末状である所謂「プレミックス製品」であるほうが施工現場での作業性が良い為、使用する混和材料自体も全て粉末状であることが好ましい。

本発明の速硬性グラウト組成物には、アルカリ金属炭酸塩を含有することが好ましい。上記成分とアルカリ金属炭酸塩を併用することで、流動性を確保し易くなり、可使時間を長くできる。アルカリ金属炭酸塩としては、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸リチウム、重炭酸ナトリウム、重炭酸カリウム及び重炭酸リチウム等が挙げられ、炭酸リチウムと炭酸リチウム以外のアルカリ金属炭酸塩を併用することが好ましく、炭酸リチウムと炭酸ナトリウムを併用することが最も好ましい。本発明においてアルカリ金属炭酸塩の含有量は、結合材１００質量部に対し、流動性を得易く且つ可使時間を長くできることから、０．４〜１質量部とすることが好ましく、より好ましくは０．６〜０．８質量部とする。

また、本発明の速硬性グラウト組成物には、流動性を確保し易くなり且つ可使時間を長くできることから、遅延剤を含有することが好ましい。本発明に使用する遅延剤としては、珪酸カルシウム鉱物の水和を遅延するものであれば使用できるが、可使時間を長く確保した上で短時間の静弾性係数を高くすることができることから、オキシカルボン酸及びオキシカルボン酸塩から選ばれる一種又は二種以上を用いることが好ましく、オキシカルボン酸及びオキシカルボン酸塩としては、例えばクエン酸、グルコン酸、酒石酸、ヘプトン酸、並びにこれらの塩等が挙げられる。オキシカルボン酸塩としては、アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩等が好適な例として挙げられる。本発明において遅延剤の含有量は、結合材１００質量部に対し、流動性を得易く、可使時間を長く且つ短時間の静弾性係数を高くすることができることから、０．０５〜０．６質量部とすることが好ましく、より好ましくは０．１〜０．４質量部とする。

また、本発明の速硬性グラウト組成物には、流動性を確保し易くなり且つ短時間の静弾性係数を高くすることができることから、セメント分散剤を含有することが好ましい。本発明に使用するセメント分散剤としては、流動性を確保した上で短時間の静弾性係数をより高くすることができることから、高性能減水剤及び高性能ＡＥ減水剤から選ばれる一種又は二種以上を用いることが好ましい。セメント分散剤としては、例えば、ポリカルボン酸塩系、ナフタレンスルホン酸塩系、メラミンスルホン酸塩系、リグニンスルホン酸塩系などのセメント分散剤を用いることができる。本発明においてセメント分散剤の含有量は、結合材１００質量部に対し、流動性を得易く且つ短時間の静弾性係数を高くすることができることから、０．１〜１質量部とすることが好ましく、より好ましくは０．２〜０８質量部とする。

本発明の速硬性グラウト組成物を製造する方法は、特に限定されず、例えば、重力式コンクリートミキサ、ヘンシェル式ミキサ、ナウターミキサ、レーディゲミキサ、Ｖ型混合器、リボンミキサ、パドルミキサ等のミキサを使用し、所定量の本発明の速硬性グラウト組成物の各材料を混合することで好適に製造することができる。このとき用いるミキサは、連続式ミキサでもバッチ式ミキサでも良い。各材料のミキサ内への投入順序は特に限定されない。一種ずつ添加してもよく、一部又は全部を同時添加してもよい。また、袋やポリエチレン製容器等の容器に各材料を計り取り投入する方法により、本発明の速硬性グラウト組成物を製造することもできる。

本発明の速硬性グラウト組成物は、水を混練に用いる。混練する方法は特に限定されず、例えば水に本発明の速硬性グラウト組成物を全量加え混練する方法、水に速硬性グラウト組成物を混練しながら加えさらに混練する方法、本発明の速硬性グラウト組成物に水を混練しながら加えさらに混練する方法、水及び本発明の速硬性グラウト組成物のそれぞれ一部ずつを２つ以上に分けて混練し、混練したものを合わせてさらに混練する方法等がある。また、混練に用いる器具や混練装置も特に限定されないが、ミキサを用いることが量を多く混練できるので好ましい。用いることのできるミキサとしては連続式ミキサでもバッチ式ミキサでも良く、例えばパン型コンクリートミキサ、パグミル型コンクリートミキサ、重力式コンクリートミキサ、グラウトミキサ、オムニミキサ、ハンドミキサ、左官ミキサ等が挙げられる。また、本発明の速硬性グラウト組成物の混練に用いる水量は、流動性を確保し易くなり且つ短時間の静弾性係数を高くすることができることから、速硬性グラウト組成物１００質量部に対し１０〜２０質量部とすることが好ましく、流動性を得易く且つ短時間の静弾性係数を高くすることができることから、１２〜１５質量部とすることがより好ましい。

本発明の速硬性グラウト材は、上記速硬性グラウト組成物１００質量部に対し１０〜２０質量部の水とを混練してなる速硬性グラウト材である。

［実施例１］
重量骨材からなる細骨材２種類と普通骨材からなる細骨材１種類を、表１に示す配合割合で混合することで、５種類の細骨材を作製した。珪酸カルシウムを主成分とするセメントとエトリンガイト系速硬材の合計（結合材）１００質量部に対し、作製した細骨材２３０質量部、アルカリ金属炭酸塩０．７５質量部、セメント分散剤０．４０質量部、消泡剤０．０３質量部及び遅延剤０．２０質量部を乾式混合することで、速硬性グラウト組成物を５種類（配合Ｎｏ．１〜５）作製した。このときのエトリンガイト系速硬材の含有量は、珪酸カルシウムを主成分とするセメント１００質量部に対し１２０質量部とした。また、エトリンガイト系速硬材は、カルシウムアルミネート類１００質量部に対し３５質量部とした。また、アルカリ金属炭酸塩は、炭酸リチウム１００質量部に対し、炭酸ナトリウム１００質量部とした。使用材料を以下に示した。
＜使用材料＞
・重量骨材ａ：橄欖岩からなる細骨材（密度；３．２５ｇ／ｃｍ^３、モース硬度；７．０）
・重量骨材ｂ：電気炉酸化スラグ細骨材（密度；４．００ｇ／ｃｍ^３、モース硬度；８．０）
・普通骨材：珪砂（密度；２．６０ｇ／ｃｍ^３、モース硬度；７．０）
・珪酸カルシウムを主成分とするセメント：普通ポルトランドセメント（太平洋セメント社製、珪酸カルシウム鉱物を７０質量％以上含有）
・カルシウムアルミネート類：アルミナセメント（主成分；ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３）
・石膏： II型無水石膏(ブレーン比表面積；７５００ｃｍ^２／ｇ）
・炭酸リチウム：無水炭酸リチウム（試薬、関東化学社製）
・炭酸ナトリウム：無水炭酸ナトリウム（試薬、関東化学社製）
・セメント分散剤：ナフタレンスルホン酸系高性能減水剤（商品名「マイティ１００」、粉末状、花王社製）
・消泡剤：サンノプコ社製消泡剤（商品名「ＳＮディフォーマーＡＨＰ」、粉末状）
・遅延剤：クエン酸ナトリウム（試薬、関東化学社製）

作製した速硬性グラウト組成物１００質量部と水道水１３質量部をハンドミキサで混練し、速硬性グラウト材を５種類作製した。まず、金属性円筒容器（直径：２４ｃｍ、深さ：２５ｃｍ）に、水道水７８０ｇを入れ、ハンドミキサ（回転数：１０００ｒ．ｐ．ｍ．、攪拌羽根：直径１００ｍｍ円盤）の攪拌羽根が水に接する状態で該羽根を回転させながら、速硬性グラウト組成物６０００ｇを投入し、その後９０秒間混練した。混練前の各材料の温度は２０℃に調整し、混練、供試体作製及び流動性試験は、２０℃の恒温室内で行った。作製したグラウト材（グラウトモルタル）の品質試験として、以下に示す試験を行い、Ｊ_１４漏斗による流下時間、可使時間、短時間材齢（材齢１時間及び材齢３時間）の圧縮強度、静弾性係数を求めた。試験結果を、表２に示した。
＜品質評価試験＞
・流動性試験
土木学会基準ＪＳＣＥ−Ｆ５４１−１９９９「充填モルタルの流動性試験方法」に従い、Ｊ_１４漏斗を用いて、混練直後の流下時間を測定した。
・凝結試験
ＪＩＳＡ１１４７「コンクリートの凝結時間試験方法」に準じて、作製した速硬性グラウト材（モルタル）の始発時間を測定した。作製した速硬性グラウト材は速硬性のため、始発時間の直前まで充填作業が可能な流動性を有していることから、始発時間を可使時間として評価した。
・圧縮強度試験
土木学会基準ＪＳＣＥ−Ｇ５０５−２０１０「円柱供試体を用いたモルタルまたはセメントペーストの圧縮強度試験方法」に準じ、材齢１時間及び材齢３時間における圧縮強度を測定した。供試体の寸法は、直径５０ｍｍ、高さ１００ｍｍとした。また、養生は２０℃の恒温槽内で、材齢の直前まで型枠のまま湿潤養生とした。
・静弾性係数試験
。ＪＩＳＡ１１４９「コンクリートの静弾性係数試験方法」に準じて、作製した作製した速硬性グラウト材（モルタル）の材齢１時間と材齢３時間の静弾性係数を求めた。

本発明の実施例に当たる速硬性グラウト組成物（配合Ｎｏ．１〜４）は、流動性に優れ、可使時間も充分であり、材齢１時間及び３時間における圧縮強度、静弾性係数ともに高かった。特に、細骨材中の重量骨材の含有率が５０〜１００質量％である速硬性グラウト組成物（配合Ｎｏ．１，２及び４）は、材齢１時間及び３時間における静弾性係数が高く優れていた。それに比べ、普通骨材のみ用いた配合Ｎｏ．５の速硬性グラウト組成物は、材齢１時間及び３時間における静弾性係数が、実施例に当たるものに比べて低かった。

［実施例２］
実施例１で用いた細骨材１を用いて、結合材に対する細骨材の配合割合を変えた以外は実施例１と同様に速硬性グラウト組成物を３種類（配合Ｎｏ．６〜８）作製し、その品質評価試験も実施例１と同様に行った。品質評価試験の結果を、結合材に対する細骨材の配合割合とともに表３に示した。実施例１の配合Ｎｏ．１の速硬性グラウト組成物についても、試験結果を表３に合わせて示した。

４配合速硬性グラウト組成物とも、流動性に優れ、可使時間も充分であり、材齢１時間及び３時間における圧縮強度、静弾性係数ともに高かった。結合材１００に対する細骨材の配合割合が１８０質量以上である速硬性グラウト組成物（配合Ｎｏ．１，７，８）は、材齢１時間及び３時間における静弾性係数が特に高く優れていた。

本発明は、土木構造物や建築構造物の構築又は補修、或いは機械の設置等に用いることができる。特に道路や鉄道等の構造物の補修工事等のように工事できる時間が限られ、且つグラウト材の充填後速やかな強度発現が必要とされている箇所に好適に用いることができる。とりわけ、速やかに高い静弾性係数が必要な箇所の充填工事に好適に用いることができる。

Claims

珪酸カルシウムを主成分とするセメントと、エトリンガイト系速硬材と、細骨材を含有し、前記細骨材中における重量骨材の含有率が５０質量％以上であり、結合材１００質量部に対し、２３０〜３００質量部となる量の細骨材を含む速硬性グラウト組成物。
結合材１００質量部に対し、２３０〜２５０質量部となる量の細骨材を含む請求項１に記載の速硬性グラウト組成物。
上記エトリンガイト系速硬材がカルシウムアルミネート類と石膏を主成分とする請求項１又は請求項２に記載の速硬性グラウト組成物。
上記重量骨材の硬度が６．０以上である請求項１〜請求項３の何れかに記載の速硬性グラウト組成物。
請求項１〜請求項４の何れかに記載の速硬性グラウト組成物と、該速硬性グラウト組成物１００質量部に対し１０〜２０質量部の水とを混練してなる速硬性グラウト材。