JP6204060B2 - 吹付け材料及び吹付け工法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、道路、鉄道、導水路等のトンネル及び石油、ＬＮＧ備蓄施設や地下空洞建設において露出した地山に適応する、セメントコンクリート用の吹付材料及び吹付け工法に関する。

吹付材料には、カルシウムアルミネート、セッコウ、さらに、アルカリ金属アルミン酸塩を用いた急結剤などが使用され、セメントコンクリートと混合後に初期の付着力や凝結特性を向上させている（特許文献１、２）。

特許第３５４７３２６号公報 特許第３９７９６９６号公報

しかしながら、急結剤の添加により、セメントコンクリートの凝結特性や短時間強度は向上するものの長期強度が低下するといった課題があった。

本発明は、特定の急結剤を用いることにより、急結剤由来のセメントコンクリートの長期強度の低下を改善し、凝結特性や短時間強度発現に優れる吹付け材料及び吹付け工法を提供する。

すなわち、本発明は、（１）カルシウムアルミネートと、アルカリ土類金属硫酸塩と、アルカリ金属アルミン酸と、ブレーン比表面積が８０００〜１５０００ｃｍ^２／ｇで１２μｍを超える粒径の粒子の含有量が５体積％以下である微粉セメントとを含有した急結剤を、水、セメント、細骨材、粗骨材を含有するセメントコンクリートに混合してなる吹付け材料、（２）急結剤が、非晶質のカルシウムアルミネート１００部に対して、アルカリ土類金属硫酸塩が８０〜１２０質量部、Ｒ_２Ｏ／Ａｌ_２Ｏ_３が０．８〜２．０のアルカリ金属アルミン酸塩が４〜１５質量部、微粉セメントが４〜１５質量部である（１）の吹付け材料、（３）急結剤が、セメントコンクリートのセメント１００質量部に対し、５〜１５質量部である（１）又は（２）の吹付け材料、（４）セメントコンクリートの単位セメント量が３６０〜５５０ｋｇ／ｍ^３である（１）〜（３）のいずれかの吹付け材料、（５）（１）〜（４）のいずれかの吹付材料を使用してなる吹付け工法、である。

本発明の吹付け材料及び吹付け工法により、セメントコンクリートの凝結特性や短時間強度発現性を損なわずに長期強度発現性を向上させ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。
また、本発明のセメントモルタルやコンクリートを総称してセメントコンクリートという。

本発明に使用するカルシウムアルミネートは、初期にセメントコンクリートの凝結を起こさせる急結成分である。
カルシウムアルミネートは、カルシアを含む原料、アルミナを含む原料、シリカを含む原料を混合して、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、１〜５％程度のＳｉＯ_２を含有するカルシウムアルミネートである。
他に、前記カルシウムアルミネートの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、酸化チタン、酸化鉄、アルカリ金属ハロゲン化合物、アルカリ土類金属ハロゲン化合物、アルカリ金属硫酸塩、又は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とを主たる成分とするものに、これらが少量固溶した物質である。鉱物形態としては、結晶質、非晶質いずれであってもよい。
これらの中では、反応活性と急結剤圧送性の点で、非晶質のカルシウムアルミネートが好ましく、１２ＣａＯ・７Ａｌ_２Ｏ_３（Ｃ_１２Ａ_７）組成に酸化ケイ素が一部固溶した熱処理物を急冷した非晶質のカルシウムアルミネートがより好ましい。
カルシウムアルミネートに含有するＳｉＯ_２は、酸化物換算で１〜５％が好ましく、２〜４％がより好ましい。１％未満であると、凝結特性損なう場合があり、５％を超えると初期強度を損なう場合がある。
カルシウムアルミネートの粒度は、ブレーン比表面積で５，０００ｃｍ^２／ｇ以上が好ましい。５，０００ｃｍ^２／ｇ未満だと急結性や初期強度が低下する場合がある。

本発明に使用するアルカリ土類金属硫酸塩は、吹付け後２時間程度からカルシウムアルミネートと反応し、強度発現を促す成分である。
アルカリ金属土類硫酸塩としては、無水石膏、半水石膏、及び二水石膏等が挙げられ、これらのうち一種又は二種以上の使用が可能である。
アルカリ土類金属硫酸塩の結晶の形態は特に限定されるものではなく、α型半水石膏、β型半水石膏、Ｉ型無水石膏、ＩＩ型無水石膏、及びＩＩＩ型無水石膏等がある。
また、これらの石膏には、天然で産出するものや、産業副産物として得られる排脱石膏や弗酸副生無水石膏が含まれる。
アルカリ土類金属硫酸塩の粒度は、ブレーン値で、２，０００ｃｍ^２／ｇ以上が好ましく、３，０００ｃｍ^２／ｇ以上が強度発現性の観点からより好ましい。
アルカリ土類金属硫酸塩の使用量は、カルシウムアルミネート１００部に対して８０〜１２０部が好ましく、９０〜１１０部がより好ましい。８０部未満であると１日強度が低下する恐れがあり、１２０部を超すと圧縮強度低下が生じる可能性がある。

本発明に使用するアルカリ金属アルミン酸塩は、例えば、初期凝結を促す目的で使用する。アルカリ金属アルミン酸塩としては、アルミン酸リチウム、アルミン酸ナトリウム、及びアルミン酸カリウム等が挙げられ、これら１種又は２種以上が使用可能である。
アルミン酸塩のアルカリ金属（Ｒ）とアルミ（Ａｌ）の酸化物換算でのモル比（Ｒ_２Ｏ／Ａｌ_２Ｏ_３）は、０．８〜２．０の範囲が好ましい。０．８未満では凝結特性が小さくなり、２．０を超えると凝結特性が頭打ちとなる。
アルカリ金属アルミン酸塩の使用量は、カルシウムアルミネート１００部に対して４〜１５部が好ましく、６〜１２部がより好ましい。４部未満では、凝結特性を損なう場合があり、１５部を超えると凝結特性が強く実用的ではない。

本発明で使用する微粉セメントとは、凝結性状の向上及び長期強度を促す目的で使用するものであり、特に限定されるものではないが、例えば、普通、早強、超早強等の各種ポルトランドセメントを、ブレーン比表面積が８０００〜１５０００ｃｍ^２／ｇで１２μｍを超える粒径の粒子の含有量が５体積％％以下となるように分級したセメントである。
微粉セメントのブレーン比表面積は、より好ましくは９０００〜１２０００ｃｍ^２／ｇである。微粉セメントのブレーン比表面積が８０００ｃｍ^２／ｇ未満であると、凝結性状を損なう場合があり、１５０００ｃｍ^２／ｇ超えると物性の改善が頭打ちになり製造効率も悪く不経済である。
本発明で使用する微粉セメントの使用量は、カルシウムアルミネートに対して４〜１５部が好ましく、６〜１０部がより好ましい。４部未満では、長期強度が低下し、１５部を超えると、凝結性状を損なう場合がある。

本発明の急結剤の使用量は、作業性、初期強度発現性、及び耐久性の点で、セメントコンクリートのセメント１００部に対して、５〜１５部が好ましく、６〜１０部がより好ましい。５部未満だと凝結力や強度発現性が低下する場合があり、１５部を超えると吹付け中に閉塞する場合がある。

本発明で使用するセメントコンクリートのセメント単位量は、３６０ｋｇ／ｍ^３〜５５０ｋｇ／ｍ^３が好ましく、４００〜５００ｋｇ／ｍ^３がより好ましい。３６０ｋｇ／ｍ^３であると、初期強度が発現しない場合があり、５５０ｋｇ／ｍ^３であると吹付け中に閉塞する場合がある。

本発明では、必要に応じて、さらに減水剤、空気連行剤、ポリマーエマルジョン、増粘剤、収縮低減剤、防錆剤、防凍剤、粘土鉱物、シリカフュームなどの一般に市販されているセメント混和剤（材）を性能に支障のない範囲で使用してもよい。
本発明で使用される細骨材や粗骨材等の骨材は、吸水率が低く、骨材自体の強度が高いものが好ましいが、特に限定されるものではない。
細骨材は、最大寸法５ｍｍ以下のものが好ましく、川砂、山砂、及び砕石等が挙げられる。粗骨材としては、最大寸法１５ｍｍ以下のものが好ましい。

セメントコンクリートの混合装置としては、既存の如何なる装置も使用可能であり、例えば、傾動ミキサ、オムニミキサ、ヘンシェルミキサ、Ｖ型ミキサ、及びナウタミキサ等の使用が可能である。

本発明の吹付け方法は、一般に適応される湿式吹付け工法等により施工でき、所定の材料で混練り製造したコンクリートをコンクリート圧送機で吹付けコンクリート圧送管を介して圧送し、吹付けコンクリート圧送の途中の吹付けノズル手前に、Ｙ字管等の混合管を設置して、別途圧送した粉体急結剤と合流して急結性吹付けコンクリートとして、地山に吹付ける方法である。

吹付けコンクリート圧送管としては、耐圧性の金属メッシュ入りホース（耐圧ホース）や金属製の配管が使用可能である。通常は、耐圧ホースが使用され、その前後は金属管を使用することが好ましい。
耐圧ホースの長さは特に限定されるものではなく、施工状況により使用される長さは変わってくるが、通常、５〜３０ｍのものが使用される。
耐圧ホースの直径は、圧送性や、耐圧ホースの取り扱いなどの作業性の面から。２．５〜３．５インチのものが通常使用される。
本発明で使用するノズルとしては、連続的に縮径しているものや、縮径後に急結性吹付けコンクリートを整流する直管をつけたものが使用可能である。
ノズルの長さは、吹付けコンクリートと急結剤との混合性、付着性、及び圧送性の面から、２００ｃｍ程度が好ましく、１５０〜１００ｃｍがより好ましい。
ノズルは、金属製のものやセラミック製のものが使用可能であり、ゴム素材でできたノズルの配管内面にセラミックスや金属でライニングされたものやこれらをチップ状のものを埋め込んだものが使用可能である。

本発明においては、従来使用の吹付け方法が使用可能であり、吹付け圧力は特に限定されるものではなく、吹付けコンクリートの吐出量は、通常、１．５〜２０ｍ^３／ｈであり、吹付け空気量は特に限定されるものではない。
吹付け設備は、吹付けが十分に行われれば特に限定されるものではなく、例えば、吹付けコンクリートの圧送にはアリバ社商品名「アリバ２８０」、シンテック社「ＭＫＷ−２５ＳＭＴ」、ＰＥＴ社「Ｇ４ポンプ」、及びスクイズポンプ、プランジャーポンプ、ダイヤフラムポンプ、スクリューポンプ、及びギヤポンプなどが使用可能である。

以下、実験例に基づいて、本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

「実験例１」
凝結特性と長期強度を評価するため、急結剤組成に着目してモルタル試験を行った。
カルシウムアルミネート、アルカリ土類金属硫酸塩、アルカリ金属アルミン酸塩、及び微粉セメントを混合して急結剤とした。
用いたモルタルは、セメント１００部に対し、細骨材を２５０部、水を４５部、各々を計量後に練混ぜ、練上がったモルタルに急結剤をセメント１００部に対し１０部添加し、添加した１０秒後に型詰めを行い、材齢１日まで気中養生を行い、その後脱型し、所定の材齢まで水中養生を行った。
また、微粉セメントの粒度測定は、（株）堀場製作所製ＬＡ−９２０レーザー回折装置を用いて測定を行った。エタノールを分散液として用い、凝集した粉体を分散させるため超音波を用いた分散を５分間行った。相対屈折率は１３０ａ０００ｉとし、粒子径基準は体積基準とした。また、ブレーン比表面積は、ＪＩＳＲ ５２０１ 「セメントの物理試験方法」に基づき測定した。

＜使用材料＞
セメント：普通ポルトランドセメント、市販品
カルシウムアルミネート：Ｃ_１２Ａ_７組成に対応する熱処理物を急冷した非晶質でブレーン比表面積５，９００ｃｍ^２／ｇ、酸化物換算でＳｉＯ_２が３％、試作品
アルカリ金属アルミン酸塩Ａ：アルミン酸ナトリウム、Ｒ_２Ｏ／Ａｌ_２Ｏ_２モル比１．１、強熱減量３％、試作品
アルカリ土類金属硫酸塩：ＩＩ型無水石膏、ブレーン比表面積５，０００ｃｍ^２／ｇ
微粉セメントＡ：普通ポルトランドセメントを分級したもの。ブレーン比表面積１００００ｃｍ^２／ｇ １２μｍを超える粒径の粒子の含有量１．５体積％
細骨材：新潟県糸魚川市姫川水系砂、最大寸法５ｍｍ、密度２．６２

＜試験方法＞
凝結試験：ＪＩＳ Ｒ ５２０１−１９９７「セメントの物理試験方法」に準拠し、モルタルに急結剤を添加混合した材料の凝結時間を測定した。
圧縮強度：ＪＩＳ Ｒ ５２０１−１９９７「セメントの物理試験方法」に準拠し、モルタルに急結剤を添加混合したモルタルの圧縮強度を、急結剤を添加してから１日、７日、２８日をそれぞれ測定した。

表１の結果より、本発明の急結剤を用いることで優れた凝結特性と長期圧縮強度発現性を得ることが確認された。また、比較例として実施した実験No.1-1では長期強度の向上が図れず、実験No.1-2は凝結特性が劣る結果であった。

「実験例２」
凝結特性と長期強度を評価するため、アルカリ金属アルミン酸塩に着目してモルタル試験を行った。急結剤組成は表１の実験No.1-16を用い、実験例１と同様に行った。

＜使用材料＞
アルカリ金属アルミン酸塩Ｂ：Ｒ_２Ｏ／Ａｌ_２Ｏ_３モル比 ０．７、試作品
アルカリ金属アルミン酸塩Ｃ：Ｒ_２Ｏ／Ａｌ_２Ｏ_３モル比 ０．８、試作品
アルカリ金属アルミン酸塩Ｄ：Ｒ_２Ｏ／Ａｌ_２Ｏ_３モル比 １．５、試作品
アルカリ金属アルミン酸塩Ｅ：Ｒ_２Ｏ／Ａｌ_２Ｏ_３モル比 ２．０、試作品
アルカリ金属アルミン酸塩Ｆ：Ｒ_２Ｏ／Ａｌ_２Ｏ_３モル比 ２．１、試作品

表２の結果より、本発明のアルカリ金属アルミン酸塩と微粉セメントを組合わせることで、優れた凝結特性と長期圧縮強度特性を有することが確認された。

「実験例３」
微粉セメントに着目してモルタル試験を行った。急結剤組成は表１の実験No.1-16を用い、実験例１と同様に行った。

＜使用材料＞
微粉セメントＢ：普通ポルトランドセメントを分級したもの。ブレーン比表面積７０００ｃｍ^２／ｇ、１２μｍを超える粒径の粒子の含有量５８．０体積％、試作品
微粉セメントＣ：普通ポルトランドセメントを分級したもの。ブレーン比表面積８０００ｃｍ^２／ｇ、１２μｍを超える粒径の粒子の含有量６．０体積％、試作品
微粉セメントＤ：普通ポルトランドセメントを分級したもの。ブレーン比表面積８５００ｃｍ^２／ｇ、１２μｍを超える粒径の粒子の含有量５．０体積％、試作品
微粉セメントＥ：普通ポルトランドセメントを分級したもの。ブレーン比表面積８５００ｃｍ^２／ｇ、１２μｍを超える粒径の粒子の含有量１．５体積％、試作品
微粉セメントＦ：普通ポルトランドセメントを分級したもの。ブレーン比表面積９０００ｃｍ^２／ｇ、１２μｍを超える粒径の粒子の含有量１．５体積％ 、試作品
微粉セメントＧ：普通ポルトランドセメントを分級したもの。ブレーン比表面積１２０００ｃｍ^２／ｇ、１２μｍを超える粒径の粒子の含有量１．５体積％、試作品
微粉セメントＨ：普通ポルトランドセメントを分級したもの。ブレーン比表面積１５０００ｃｍ^２／ｇ、１２μｍを超える粒径の粒子の含有量０体積％、試作品

表３の結果より、本発明の微粉セメントを用いることで優れた凝結特性と長期強度発現性を有することが確認された。また、比較として用いた実験No.3-1の結果から、１２μｍを超える粒径の粒子の含有量が増加すると、凝結特性と長期強度発現性が劣る傾向を示すことが分かる。

「実験例４」
吹付けコンクリートの長期強度を評価するため、吹付試験を行った。用いたコンクリートは、セメント４５０ｋｇ／ｍ^３、水２０３ｋｇ／ｍ^３、細骨材比率が６０％である吹付材料を用い、高性能減水剤を４．５ｋｇ／ｍ^３を加えて練混ぜを行い、スランプを１８．０ｃｍとし吹付け試験用のコンクリートとして調製し、コンクリートポンプ「シンテックＭＫＷ−２５ＭＴ」を使用して圧送した。
圧送配管途中にＹ字管を設け、混合区間を１００ｃｍとした。粉体急結剤添加装置「デンカナトムクリートＰＡＣ２５０Ｖ」で空気圧送した実験No.1-16の急結剤をセメント１００部に対し、表４に示す量を添加して吹付けコンクリートとし、配管の閉塞の有無、短時間強度である材齢３時間、１日、長期強度である７日、２８日強度を測定した。
また、比較として実験例１で用いた急結剤成分が実験No.1-1の試験も行った。

＜使用材料＞
粗骨材：新潟県糸魚川６号砕石 最大寸法１５ｍｍ、密度２．６４
高性能減水剤：ポリエチレングリコール系、市販品

＜測定方法＞
配管の閉塞の有無：圧送配管のコンクリートによる閉塞の有無を確認した。
短時間強度：プルアウト試験により材齢３時間、１日強度を求めた。プルアウト型枠表面からピンまで急結性吹付けセメントコンクリートで被覆し、型枠の裏側からピンを引抜き、そのときの引抜き強度を求め、圧縮強度＝引抜き強度×４／（供試体の接触面積）の式で換算圧縮強度を算出。
長期強度試験：コア箱吹付けたコンクリートをφ５５×１１０ｍｍの寸法に調整したものを圧縮強度試験した。

表４の結果より、比較例で用いた実験No.4-6、No.4-7、No.4-8に比べ、本発明では、初期強度発現性に優れ、閉塞もない結果が得られた。

「実験例５」
吹付けコンクリート中の単位セメント量が圧縮強度に及ぼす影響を評価した。用いた単位量は表５に示す通りであり、高性能減水剤を適宜用いることでスランプを１８．０ｃｍに調整し、吹付け試験用のコンクリートとして調製した。その後、実験例４と同様に吹付け試験を行った。実験例４の実験No.4-3と同様に、セメント１００部に対し急結剤１０部とした。
また、比較として実験例１で用いた急結剤成分が実験No.1-1の試験も同様に行った。

表５の結果より、比較例で用いた実験No.5-8、No.5-9に比べ、本発明では、短時間強度と長期強度に優れ、吹付け作業中に圧送ホースの閉塞のない吹付材料が得られることが分かった。

本発明の吹付け材料及び吹付け工法により、セメントコンクリートの凝結特性や短時間強度発現性を損なわずに長期強度発現性を向上させることが可能となるので、土木分野で広範に使用できる。

Claims (5)

1. カルシウムアルミネート１００質量部と、アルカリ土類金属硫酸塩７０〜１３０質量部と、アルカリ金属アルミン酸塩３〜１６質量部と、ブレーン比表面積が８０００〜１５０００ｃｍ²／ｇで１２μｍを超える粒径の粒子の含有量が５体積％以下である微粉セメント３〜１６質量部とを含有した急結剤を、水、ポルトランドセメント、細骨材、粗骨材を含有するセメントコンクリートに混合してなり、
   前記急結剤の量が、前記ポルトランドセメント１００質量部に対し、５〜１５質量部である
   ことを特徴とする、吹付け材料。
2. 前記カルシウムアルミネートが、非晶質のカルシウムアルミネートである、請求項１に記載の吹付け材料。
3. 前記アルカリ金属アルミン酸塩のＲ ₂ Ｏ／Ａｌ ₂ Ｏ ₃ モル比が、０．８〜２．０の範囲である、請求項１又は２に記載の吹付け材料。
4. セメントコンクリートの単位ポルトランドセメント量が３６０〜５５０ｋｇ／ｍ³である請求項１〜３のいずれか１項に記載の吹付け材料。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の吹付け材料を使用してなる吹付け工法。