JP6258697B2 - 速硬性グラウト組成物 - Google Patents

Description

本発明は、速硬性グラウト組成物に関する。

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は、グラウト材の充填後速やかに強度発現するグラウト材の使用が望まれていることもあり、速硬性のグラウト材が提案されている。従来のグラウト材は既設構造物との一体化を図る為に、初期の膨張性、即ち無収縮性が付与されているものが多い。初期の膨張性を付与するためにアルミニウム粉末を配合したグラウト材が提案されている（例えば特許文献１参照）。しかし、速硬性のグラウト材においては安定して初期の膨張が得られない場合があるという課題があった。この課題に対して、過酸化物質を使用することで速硬性のグラウト材においても安定して初期の膨張が得られる超速硬セメント組成物が提案されている（例えば特許文献２参照）。

特許第３９１６３２６号公報 特開２００６−１０４０１３号公報

しかしながら、過酸化物質を使用しても場合によっては、発泡反応が早すぎて施工後に初期の膨張が充分に発揮されない場合がある、即ち、既設構造物との一体化が図れない可能性があることが、本発明者らの検討により分かってきた。
速硬性グラウト材は、実施工おいて、石油缶などの数Ｌ〜２０Ｌ程度の金属製缶に所要の水とともに投入されハンドミキサで混練され製造されることが多く、混練後、充填完了まで５分程度要することも多い。本発明者らの検討によって、過酸化物質を使用した速硬性グラウト材において、材齢５分における膨張量に対し、材齢２４時間における膨張量がマイナス、即ち収縮することがあることが分かった。
本発明は、速硬性のグラウト材としたときに、材齢５分の初期膨張量に対し材齢２４時間の初期膨張量が大きい、即ち、材齢２４時間においても充分な膨張性（無収縮性）が付与できる速硬性グラウト組成物を提供することを課題とする。

そこで、本発明者は、前記課題を解決すべく種々の検討を重ねた結果、速硬性グラウト材料に過炭酸ナトリウム及び炭酸ナトリウムを一定量組み合わせて配合することにより、材齢５分の初期膨張量に対し材齢２４時間の初期膨張量が大きい速硬性グラウト組成物が得られることを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明は、次の〔１〕〜〔４〕を提供するものである。
〔１〕セメント、カルシウムアルミネート類、石膏、過炭酸ナトリウム、炭酸ナトリウム及び凝結遅延剤を含有し、前記セメント、カルシウムアルミネート類及び石膏の合計量１００質量部に対し、炭酸ナトリウムの含有量が０．３〜１．２質量部、過炭酸ナトリウムの含有量が０．０３〜０．２質量部であり、炭酸ナトリウム以外の炭酸アルカリ金属塩の含有量が、炭酸ナトリウム１質量部に対して０〜０．６質量部である速硬性グラウト組成物。
〔２〕更に、減水剤及び骨材から選ばれる１種又は２種以上を含有する〔１〕記載の速硬性グラウト組成物。
〔３〕凝結遅延剤の含有量が、セメント、カルシウムアルミネート類及び石膏の合計量１００質量部に対し、０．０５〜０．３質量部である〔１〕又は〔２〕記載の速硬性グラウト組成物。
〔４〕更に、炭酸カリウム及び炭酸リチウムから選ばれる１種又は２種の炭酸アルカリ金属塩を含有する〔１〕〜〔３〕のいずれかに記載の速硬性グラウト組成物。

本発明によれば、グラウト材としたときに、材齢５分の初期膨張量に対し材齢２４時間の初期膨張量が大きい、即ち、充分な膨張性（無収縮性）が付与できる速硬性グラウト組成物が得られる。
本発明によれば、グラウト材としたときに、充分な無収縮性、流動性、速硬性を備える速硬性グラウト組成物が得られる。

本発明の速硬性グラウト組成物は、セメント、カルシウムアルミネート類、石膏、過炭酸ナトリウム、炭酸ナトリウム及び凝結遅延剤を含有し、前記セメント、カルシウムアルミネート類及び石膏の合計量１００質量部に対し、炭酸ナトリウムの含有量が０．３〜１．２質量部、過炭酸ナトリウムの含有量が０．０３〜０．２質量部であることを特徴とする。

本発明で云う速硬性とは、材齢３時間において１０Ｎ／ｍｍ²以上の圧縮強度を発現する性能を持つものを云う。

本発明で用いるセメントとしては、普通、早強、超早強、低熱及び中庸熱等の各種ポルトランドセメント、エコセメント、並びにこれらポルトランドセメント又はエコセメントに、フライアッシュ、高炉スラグ、シリカフューム又は石灰石微粉末等を混合した各種混合セメント等が挙げられ、これらを一種単独で又は二種以上併用して用いることができる。ここで云うセメントは、カルシウムアルミネート類等の急硬成分を主体とするセメント、例えばアルミナセメント並びに太平洋セメント社製「スーパージェットセメント」（商品名）や住友大阪セメント社製「ジェットセメント」（商品名）等の超速硬セメントは含まれず、これらはカルシウムアルミネート類に含まれる。可使時間が長く且つ初期の強度発現が高いことから、セメントとして普通ポルトランドセメント又は早強ポルトランドセメント或いは普通ポルトランドセメント及び早強ポルトランドセメントを混合したものが好ましい。

本発明で用いるカルシウムアルミネート類としては、ＣａＯをＣ、Ａｌ₂Ｏ₃をＡ、Ｎａ₂ＯをＮ、及びＦｅ₂Ｏ₃をＦとして表したとき、Ｃ₃Ａ、Ｃ₂Ａ、Ｃ₁₂Ａ₇、Ｃ₅Ａ₃、ＣＡ、Ｃ₃Ａ₅、又はＣＡ₂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、Ｃ₂ＡＦ及びＣ₄ＡＦ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Ｃ₃Ａ₃・ＣａＦ₂やＣ₁₁Ａ₇・ＣａＦ₂等と表示され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、Ｃ₈ＮＡ₃やＣ₃Ｎ₂Ａ₅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、アルミナセメント、太平洋セメント社製「スーパージェットセメント」（商品名）や住友大阪セメント社製「ジェットセメント」（商品名）等の超速硬セメント、並びにＣ₃Ａ₃・ＣａＳＯ₄等と表示されるカルシウムサルホアルミネートを総称するものである。このカルシウムアルミネート類は、結晶質のもの、非結晶質のもの及び非晶質と結晶質が混在したもののいずれも使用可能であり、前記カルシウムアルミネート類のうち一種又は二種以上を使用することが可能である。本発明で使用するカルシウムアルミネート類としては、カルシウムアルミネートが好ましく、アルミナセメントがより好ましい。
本発明においてカルシウムアルミネート類の含有量は、速硬性及び可使時間との両立の点から、特に低温での性状を考慮するとセメント１００質量部に対して１５〜８５質量部が好ましく、より好ましくは、２０〜８０質量部とする。

本発明で用いる石膏としては、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及びカルシウムアルミネート類等と反応しエトリンガイト（３ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃・３ＣａＳＯ₄・３２Ｈ₂Ｏ）を生成させ、これにより速硬性が得られるとともに、グラウト硬化体の収縮を抑制することができる。使用する石膏の粉末度はブレーン法による比表面積で３０００ｃｍ²／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６０００ｃｍ²／ｇ以上の石膏類が良い。粉末度の上限は特に制限されないが、粉末度を高めるコストが嵩む割にはその効果が鈍化することから概ね１５０００ｃｍ²／ｇ以下が適当である。

本発明の速硬性グラウト組成物中における石膏の含有量は、流動性及び可使時間を確保し易く且つ初期強度が高いことから、セメント１００質量部に対し１５〜４５質量部が好ましく、１５〜４０質量部がより好ましい。

本発明で使用する凝結遅延剤は、速硬性グラウト材の適切な可使時間を得るために用いるものであり、セメント等の水硬性物質の凝結に遅延作用を及ぼすものであれば特に限定されるものではなく、例えば、クエン酸、グルコン酸、リンゴ酸および酒石酸等の有機酸またはその塩；ホウ酸ナトリウム等の無機酸塩；糖類等が挙げられ、これらのうちの一種又は二種以上が使用可能である。特にクエン酸、クエン酸塩、酒石酸及び酒石酸塩から選ばれる一種又は二種以上を用いると、速硬性グラウト材が流動性を有する時間が長く且つ初期の強度発現が高いことから好ましい。
本発明の速硬性グラウト組成物中の凝結遅延剤の含有量は、セメント、カルシウムアルミネート類及び石膏の合計量１００質量部に対して、初期強度発現性及び可使時間確保の点から、０．０５〜０．３質量部が好ましく、０．１０〜０．２質量部がより好ましい。

本発明においては、充分な無収縮性を得る点から、過炭酸ナトリウム及び炭酸ナトリウムを一定量含有する。本発明において、過炭酸ナトリウムの含有量は、セメント、カルシウムアルミネート類及び石膏の合計量１００質量部に対し、充分な無収縮性を得ながら流動性を得やすいことから、０．０３〜０．２質量部とする。０．０３質量部未満では、材齢２４時間の膨張率が材齢５分の膨張率よりも低くなり、充分な無収縮性が得られない。一方、０．２質量部を超えると、可使時間が短く、充填作業がし難い虞れがある。更に充分な無収縮性と流動性を得やすいことから０．０４〜０．１５重量部とすることが好ましく、０．０４〜０．１２重量部とすることがより好ましい。

本発明では、炭酸ナトリウムを使用する。炭酸ナトリウムに代えて炭酸カリウムや炭酸リチウムを使用した場合は、材齢２４時間の膨張率が材齢５分の膨張率よりも低くなり、充分な無収縮性が得られない。
本発明において、炭酸ナトリウムの含有量は、セメント、カルシウムアルミネート類及び石膏の合計量１００質量部に対し、０．３〜１．２質量部である。０．３質量部未満では、初期膨張量即ち無収縮性が不充分となる虞があり、１．２質量部を超えると可使時間が短く、充填作業がし難い虞がある。より好ましくは、０．３〜１．０質量部であり、最も好ましくは０．３〜０．６質量部である。

本発明の速硬性グラウト組成物においては、炭酸ナトリウムを上記の量含有する限り、他の炭酸アルカリ金属塩、例えば炭酸カリウム及び炭酸リチウムから選ばれる１種又は２種以上を含有していてもよい。当該炭酸ナトリウム以外の炭酸アルカリ金属塩の含有量は、炭酸ナトリウム１質量部に対して０〜０．６質量部が好ましく、０〜０．５質量部がより好ましい。

本発明においては、流動性を得易いことから、減水剤を含有することが好ましい。本発明における減水剤とは、減水剤、高性能減水剤、ＡＥ減水剤、高性能ＡＥ減水剤及び流動化剤等のセメント分散剤のことであり、これらの一種又は二種以上を用いることができる。具体的には、ナフタレンスルホン酸系減水剤、リグニンスルホン酸塩系減水剤、ポリカルボン酸系減水剤、メラミンスルホン酸塩系減水剤が挙げられる。
本発明において、減水剤の含有量は、流動性の確保及び材料分離又は強度低下防止の点から、セメント、カルシウムアルミネート類及び石膏の合計量１００質量部に対し、０．０１〜１質量部が好ましく、０．１〜０．５質量部がより好ましい。

本発明において、充填量が多い場合に発熱量を下げることができることから、骨材を含有することが好ましい。本発明における骨材とは粗骨材及び細骨材のことであり、例えば、川砂、海砂、山砂、砕砂、人工細骨材、スラグ細骨材、再生細骨材、川砂利、海砂利、山砂利、砕石、人工粗骨材、スラグ粗骨材、再生粗骨材等が挙げられ、これらの一種又は二種以上の使用が可能であるが、充填性が高いことから骨材として細骨材を用いることが好ましい。
本発明において、骨材の含有量は、発熱量を下げる効果及び流動性の確保の点から、セメント、カルシウムアルミネート類及び石膏の合計量１００質量部に対し、５０〜２５０質量部が好ましく、より好ましくは、１００〜２００質量部である。

本発明の速硬性グラウト組成物には、セメント、カルシウムアルミネート類、石膏、過炭酸ナトリウム、炭酸ナトリウム、凝結遅延剤、減水剤及び骨材以外に、上記以外の混和材料等の添加材の一種又は二種以上を本発明の効果を損なわない範囲で併用することができる。この添加材としては、例えばセメント用ポリマー、過炭酸ナトリウム以外の発泡剤、起泡剤、防水剤、防錆剤、収縮低減剤、膨張材、増粘剤、保水剤、顔料、繊維、撥水剤、高炉スラグ微粉末、フライアッシュやシリカフューム等のポゾラン、石粉等が挙げられる。

本発明の速硬性グラウト組成物は、水を添加して使用する。添加する水の量は、流動性及び速硬性の点から、セメント、カルシウムアルミネート類及び石膏の合計量１００質量部に対し、３０〜４５質量部であるのが好ましく、３０〜４０質量部がより好ましい。尚、本発明において使用する水の量は、水溶液やエマルション等の液状の混和材料に含まれる水量も考慮したものとする。

本発明の速硬性グラウト組成物は、水を加えて混練り後、土木構造物や建築構造物の構築、補修等において、空洞、空隙、隙間、くぼみ等に注入してグラウト材として使用される。

次に実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれに限定されない。

実施例１
セメントとカルシウムアルミネート類と石膏（結合材）の合計量１００質量部に対し、過炭酸ナトリウム０．０８質量部、アルカリ金属炭酸塩０．６質量部、遅延剤０．１６質量部、減水剤０．３５質量部、消泡剤０．０２質量部、細骨材１００質量部を乾式混合することで、速硬性グラウト組成物を作製した。このときのカルシウムアルミネート類の含有量はセメント１００質量部に対し２６質量部とし、石膏の含有量はセメント１００質量部に対し２０質量部とした。使用材料を以下に示した。
＜使用材料＞
・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）
・石膏：ＩＩ型無水石膏（ブレーン比表面積：７１００ｃｍ²／ｇ）
・カルシウムアルミネート類：アルミナセメント（主成分：ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃）
・過炭酸ナトリウム：過炭酸ナトリウム（市販品）
・アルカリ金属炭酸塩ａ：炭酸ナトリウム（試薬 関東化学社製）
・アルカリ金属炭酸塩ｂ：炭酸リチウム（試薬 関東化学社製）
・アルカリ金属炭酸塩ｃ：炭酸カリウム（試薬 関東化学社製）
・遅延剤：クエン酸（試薬 関東化学社製）
・減水剤：ナフタレンスルホン酸系高性能減水剤（市販品）
・消泡剤：サンノプコ社製消泡剤（市販品）
・細骨材：珪砂（最大粒度：２．５ｍｍ、Ｆ．Ｍ．：２．８０）

作製した速硬性グラウト組成物１００質量部と水１７．６質量部をハンドミキサで混練し、速硬性グラウト材を作製した。まず、金属製円筒容器（直径：２４ｃｍ、深さ：２５ｃｍ）に、水道水１０５６ｇ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、及び品質評価試験は、２０℃の恒温室内で行った。作製したグラウト材の品質試験として、以下に示す試験を行った。結果を表１に示す。

＜品質評価試験＞
・流動性試験
土木学会基準ＪＳＣＥ−Ｆ ５４１−２０１０「充てんモルタルの流動性試験方法（案）」に従い、Ｊ₁₄漏斗を用いて、混練直後の流下時間を測定した。
・初期膨張率試験
混練後直ちに直径５０ｍｍ、高さ１００ｍｍの型枠に成型し、上部表面に直径４０ｍｍ、高さ１．５ｍｍのプラスチック板を置き、非接触センサーにて成型直後から２４時間までの長さ変化測定を行い、材齢５分と材齢２４時間の測定値を読み取り、材齢５分の初期膨張量に対し材齢２４時間の初期膨張量が大きいものを良好（○）、小さいものを不良（×）と評価した。
・可使時間
速硬性グラウト材は多くは緊急工事等のグラウト工事に用いられることから、充填作業が可能な時間、つまり可使時間として、長時間は必要ないが５分間以上は必要である。そこで、ＪＩＳ Ａ １１４７「コンクリートの凝結試験方法」に準じて、作製した速硬性グラウト材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為、始発時間の直前まで充填作業が可能であることから、始発時間を可使時間として評価し、始発時間で５分以上であるものを良好（○）、この範囲から外れるものを不良（×）と評価した。
・圧縮強度
土木学会基準ＪＳＣＥ−Ｇ ５０５−２０１０「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（案）」に準じて、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、材齢直前まで型枠のまま湿潤養生とした。

実施例２
炭酸ナトリウムを使用し、表２に示す量の過炭酸ナトリウムを使用したこと以外は実施例１と同様に品質評価試験を行った。

実施例３
表３に示す量のアルカリ金属炭酸塩を使用したこと以外は実施例１と同様に品質評価試験を行った。

本発明の実施例に当たる速硬性グラウト材は、何れもグラウト材としての充分な流動性、無収縮性、可使時間及び材齢３時間における圧縮強度を備えていた。
炭酸ナトリウムを含んでいないアルカリ金属炭酸塩を用いた配合Ｎｏ．２およびＮｏ．３の速硬性グラウト材は、初期膨張性（無収縮性）が不良（×）の評価であった。

Claims (4)

1. セメント、カルシウムアルミネート類、石膏、過炭酸ナトリウム、炭酸ナトリウム及び凝結遅延剤を含有し、前記セメント、カルシウムアルミネート類及び石膏の合計量１００質量部に対し、炭酸ナトリウムの含有量が０．３〜１．２質量部、過炭酸ナトリウムの含有量が０．０３〜０．２質量部であり、炭酸ナトリウム以外の炭酸アルカリ金属塩の含有量が、炭酸ナトリウム１質量部に対して０〜０．６質量部である速硬性グラウト組成物。
2. 更に、減水剤及び骨材から選ばれる１種又は２種以上を含有する請求項１記載の速硬性グラウト組成物。
3. 凝結遅延剤の含有量が、セメント、カルシウムアルミネート類及び石膏の合計量１００質量部に対し、０．０５〜０．３質量部である請求項１又は２記載の速硬性グラウト組成物。
4. 更に、炭酸カリウム及び炭酸リチウムから選ばれる１種又は２種の炭酸アルカリ金属塩を含有する請求項１〜３のいずれかに記載の速硬性グラウト組成物。