JP6276027B2

JP6276027B2 - 速硬性埋設材

Info

Publication number: JP6276027B2
Application number: JP2013272058A
Authority: JP
Inventors: 信哉赤江; 中島　裕; 裕中島
Original assignee: Taiheiyo Materials Corp
Current assignee: Taiheiyo Materials Corp
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2013-12-27
Publication date: 2018-02-07
Anticipated expiration: 2033-12-27
Also published as: JP2015124141A

Description

本発明は、急速流動化埋戻工法に適したセメント系の速硬性埋設材に関する。

上・下水道管、ガス管、電信線管等の地下埋設物を改修等のための地盤の掘出しやその埋戻しが頻繁に行われている。地下埋設物の埋設に際しては、例えば山砂等の良質土を用い、埋設した覆土表面をランマ等で転圧し、固め均す方法が行われてきた。この旧来方法に代って、工期短縮の観点から、例えば、地盤を掘出した際の掘出された土砂（以下、掘削土壌と称す。）等に水と固化材を加えた高流動混合物を、埋戻しのための埋戻材に用いた急速流動化埋戻工法が利用され始めている。この工法に適用できる埋戻材は、例えば埋設管の下側の地盤との隙間や隣接管同士の隙間にもスムーズに充填できるような高い流動状態のものであれば、埋戻し作業時間を短縮できるが、高流動性具備に伴い材料分離抵抗性や深さ方向に強度ムラが生じないような均質性も不可欠となる。さらには作業時間短縮に加え、早期硬化性を具備することで、全体の工期短縮が可能になる。

また、使用する固化材としては、ポルトランドセメント等の水硬性物質や、カルシウムサルホアルミネートを主成分とする速硬性固化材が知られている。さらに、高含水率の埋戻材に対しては、ポルトランドセメント、アルミナセメント及び石膏からなる固化材の使用により優れた流動性と速硬性および適度な長期強度の改善がなされてきた。（例えば、特許文献１参照。）しかし、短時間で埋設箇所の隅々まで充填できる埋戻材を得ようとすると、かなり大量の量の水を配合しなければならず、アルミナセメント系の速硬成分では凝結性が不足し、初期強度が低迷することがあった。一方、セメント系の地盤注入材においては、かなり高い含水率のものが一般的あるが、そのような高含水率のセメント系のスラリーでも短時間の急硬性と強固な地盤を形成できるほどの強度発現性を具備することが知られている。（例えば、特許文献２参照。）しかるに、地下埋設物用の埋戻材に関しては、修理等のために再掘削の可能性が高いため、地盤注入材のごとく、再掘削が困難になるほどの恒久的に強固な埋設地盤を形成させるものでは適用できない。

特開平６−２９８５５３号公報特開２００６−１６５４３号公報

本発明は、このような現状に鑑みてなされたものであり、埋設箇所の細部まで短時間に満遍無く容易に充填できるような流動性を具備する高含水量の埋設材であって、埋設や埋戻しの際は短時間で硬化し、且つ埋設・埋戻し後の再掘削にも適した強度発現性を付与することのできる埋設材の提供を課題とする。

本発明者は、前記課題解決のため検討した結果、土砂、骨材及び建設スラッジの群から選ばれる１種又は２種以上と特定のカルシウムアルミネートと石膏類と凝結調整剤を含み、高い充填流動性を具備させるためセメントに対する水の配合量比を著しく高めた高含水量の埋設材が、良好な充填性と短時間に硬化できる速硬性を具備し、しかも埋設後や埋戻し後の再掘削も、例えば強力な重機等を使用せずに、さほど労力をかけずして容易に行えるような強度の埋設材であったことから本発明を完成させた。

即ち、本発明は、次の（１）〜（４）で表される速硬性埋設材である。（１）セメント１００質量部、ＣａＯとＡｌ₂Ｏ₃の含有モル比がＣａＯ／Ａｌ₂Ｏ₃＝１．２〜１．６であって、ガラス化率２５％以上のカルシウムアルミネート１５〜７５質量部、土砂、骨材及び建設スラッジの群から選ばれる１種又は２種以上７５０〜１５００質量部（固型分換算）、石膏類１５〜７５質量部および凝結調整剤２〜７．５質量部を含有し、含水量が６００〜１２００質量部であることを特徴とする速硬性埋設材。（２）凝結調整剤がアルカリ金属炭酸塩である前記（１）の速硬性埋設材。（３）流動化剤をセメント含有量１００質量部に対し、０．５〜５質量部含有する前記（１）又は（２）の速硬性埋設材。（４）ＪＨＳ３１３−１９９９によるフロー値が２２０〜３１０ｍｍである前記（１）〜（３）何れかの速硬性埋設材。

本発明によれば、急速流動化埋戻工法に適した速硬性埋設材が容易に得られ、埋設や埋め戻し工期の飛躍的な短縮をはかることができることに加え、前記速硬性埋戻材を埋戻した後、再掘削する場合には比較的容易に掘削可能な硬化状態になるため、再掘削作業時間も短縮でき、しかも地下埋設物や埋設施設を再掘削時に傷付ける虞れも低減できる。

本発明の速硬性埋設材に含有するセメントは、水硬性のセメントであれば特に限定されない。具体的には、例えば、普通、早強、超早強、中庸熱、低熱等の各種ポルトランドセメント、高炉セメントやフライアッシュセメント等の混合セメントを挙げることができる。また、使用するセメントの粒度は特に制限されない。好ましくは、適度な水和反応活性が比較的安価に得られる可能性があることから３０００ｃｍ²／ｇ〜８０００ｃｍ²／ｇとする。本発明の速硬性埋設材は、セメントを主たる結合成分とするものであり、高流動化された埋設材の埋設後の脆弱性を解消し、地盤としての安定化に寄与する。

本発明の速硬性埋設材に含有するカルシウムアルミネートは、化学成分としてＣａＯとＡｌ₂Ｏ₃からなるガラス化が進んだ構造の水和活性物質であって、ＣａＯとＡｌ₂Ｏ₃の含有モル比がＣａＯ／Ａｌ₂Ｏ₃＝１．２〜１．６のものである。また、ＣａＯとＡｌ₂Ｏ₃に加えて他の化学成分が加わった化合物、固溶体若しくはガラス質物質又はこれらの混合物等であっても、本発明の効果を実質喪失させない限り許容され、具体的には、例えば４ＣａＯ・３Ａｌ₂Ｏ₃・ＳＯ₃、１１ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃・ＣａＦ₂等を挙げることができるが、記載例に限定されるものではない。好ましくは、高含水量の条件下でも良好な速硬性を付与し易くする上で、例えばアルミナセメント以上の速硬性を付与できるものが望ましく、このような好適例としては、ＣａＯとＡｌ₂Ｏ₃の含有モル比がＣａＯ／Ａｌ₂Ｏ₃＝１．２〜１．６であって、ガラス化率２５％以上のカルシウムアルミネートを挙げられる。より好ましくは、含有モル比ＣａＯ／Ａｌ₂Ｏ₃＝１．２〜１．６であって、ガラス化率３０％以上のカルシウムアルミネートが良い。最も好ましくは、含有モル比ＣａＯ／Ａｌ₂Ｏ₃＝１．２〜１．６であって、ガラス化率４０％以上のカルシウムアルミネートである。

また、含有使用するカルシウムアルミネートの粒度は特に制限され無い。好ましくは、ブレーン比表面積が３５００〜７５００ｃｍ²／ｇのものを使用すると、所望の速硬性を付与し易くなるので良い。カルシウムアルミネートの含有量は、セメント含有量１００質量部に対し、１５〜７５質量部とする。カルシウムアルミネートが１５質量部未満であると、初期強度発現性が低くなり過ぎ、速硬性が得られないことがあるので好ましくない。また、カルシウムアルミネートが７５質量部を超えると、流動性を確保し難いので好ましくない。

また、本発明の速硬性埋設材に含有する石膏類とは、無水石膏、半水石膏、二水石膏及び硫酸カルシウムからなる群から選ばれる何れか１種または２種以上のものである。好ましくは、無水石膏を使用する。本発明で石膏類は、高含水量下での硬化不良と強度発現性の低下を抑止し、所望の高流動状態を安定して得る上で不可欠である。石膏類の含有量は、セメント含有量１００質量部に対し、１５〜７５質量部とする。

また、本発明の速硬性埋設材に含有する凝結調整剤は、モルタルやコンクリートに使用できる凝結促進剤であれば何れのものでも使用できる。凝結調整剤は初期凝結を促進し、凝結始発時間を早くすることができ、初期強度発現性向上に寄与する。好ましくは、凝結促進剤にアルカリ金属の炭酸塩を使用する。具体的には炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウムであり、このうち２種以上の併用も可能である。凝結調整剤の含有量は、セメント含有量１００質量部に対し、２〜７．５質量部とする。好ましくは３〜６質量部とする。２質量部未満では初期強度発現性が不足し、工期の遅滞等に繋がることがあるので好ましくない。また、７．５質量部を超えると、長期強度が高くなり過ぎて再掘削に支障をきたすので好ましくない。

また、本発明の速硬性埋設材は、土砂、建設スラッジ及び細骨材の群から選ばれる何れか１種又は２種以上を必須含有する。その含有量は、固型分換算で、セメント含有量１００質量部に対し、７５０〜１５００質量部とする。７５０質量部未満では材料分離の虞があるため好ましくなく、また、１５００質量部を超えると混練が困難になったり、強度の大幅低下をおこすため好ましくない。尚、前記群から２種以上併用する場合のそれぞれの含有割合は制限されない。

必須含有する前記選択群のうち、土砂は特に限定されるものではない。具体的には、例えば、土地造成目的で使用されるような土砂、地面を構成する各種の土壌等を挙げることができる。土砂の化学成分も何等限定されず、土砂中に例えば有機物等の不純物を含有するものでも良い。好ましくは、土砂として、地下施設を埋設するために、その埋設箇所の掘削で掘り出された土壌を使用すると、埋設残土の処理にも繋がるので良い。

また、必須含有する前記選択群のうち、建設スラッジは、建設関連の汚泥であり、例えば、建築や土木工事の現場や構築物の新設、改築、修理又は解体等に伴って発生する汚泥で、土壌成分が幾分含まれるものも対象となり、また建設機材の洗浄等によって生じる泥水等も該当する。かかる汚泥は通常は含水状態を呈するが、使用対象となる建設スラッジは含水状態のものでも、これを乾燥したものでも制限されない。前記土砂及び建設スラッジは、充填箇所の細部まで充填を満遍無く円滑に行う上で、最大粒径が５ｍｍ以下のものを使用するのが望ましい。

また、必須含有する前記選択群のうち、細骨材はモルタルやコンクリートに使用できる細骨材なら何れのものでも使用できる。普通細骨材の使用が望ましいが、例えば鉱物質発泡体や多孔質岩石粒等の軽量骨材の含有も可能である。

また、本発明の速硬性埋設材は、本発明の効果を喪失させない限り前記以外の成分の含有も許容される。このような成分として、例えば、何れもモルタルやコンクリートに含有することができる流動化剤（減水剤、高性能減水剤、高性能ＡＥ減水剤、ＡＥ減水剤、分散剤と称されるものも含む。）、膨張材、凝結遅延剤、ポゾラン反応性物質の他、還元剤やｐＨ調整剤を挙げることができるが、記載例に限定されない。好ましくは、流動化剤を含有したものとする。流動化剤の含有により、速硬性埋設材の含水率を著しく高めなくとも高い流動性を確保することが容易になる。尚、流動化剤の種類や有効成分は何等限定されず、例えば、アルカリアリルスルホン酸系、ナフタレンスルホン酸系、メラミンスルホン酸系又はポリカルボン酸系等を有効成分とするものが挙げられる。流動化剤を使用する場合の含有量は、前記含有作用を十分奏させる上で、セメント含有量１００質量部に対し、０．５〜５質量部が推奨される。

本発明の速硬性埋設材は含水量が６００〜１２００質量部であることを必須とする。好ましくは、速硬性埋設材の含水量は７００〜９００質量部である。例えば、建設スラッジ等の含水材料を使用した場合は、それに包含される水分量も考慮した含水量とする。また、スラッジ水だけで速硬性埋設材は含水率が適量を逸脱し過剰量になる虞があるときは、予め建設スラッジを乾燥させて含水量を適宜調整したものを使用する。速硬性埋設材の含水量が６００質量部未満では、高い流動性が得られないことがあるので好ましくなく、また含水量が１２００質量部を超えると硬化不良となり、埋設材を埋設した箇所の地盤が脆弱不安定になるので好ましくない。また、本発明の速硬性埋設材は、ＪＨＳ３１３−１９９９に規定する「シリンダー法による測定」に準拠した方法で測定した２０℃（±１℃）のフロー値が、２２０〜３１０ｍｍのものであると非常に良好な充填流動性を具備できるので好ましい。前記ＪＨＳ３１３−１９９９に規定された方法で測値されるフロー値は、測定物の広がりのうちの最大長さとそれに直交する長さの値を持って表されるが、その両者の値が共に２２０〜３１０ｍｍのフロー値であるのが好ましい。何れか一方の長さの測定値が、２２０〜３１０ｍｍから外れるものは非常に良好な充填流動性を具備するには至らないことがあるので適当ではない。かかる好適フロー値にするには、例えば、施工時の温度を考慮した上で、配合ごとに含水量を調整することで概ね対応可能である。

本発明の速硬性埋設材の製造方法や埋設方法は特に限定されない。製造方法の好適な一例を示すと、土砂、建設スラッジ及び細骨材からなる群から選ばれる１種又は２種以上の材料に、ますセメントと水を加えて混合機で１〜２分程度混合する。流動化剤を使用する場合は、セメントや水と共に添加する。次いでカルシウムアルミネートを初めとする残りの添加物を一括投入して同様に混合することで得られる。混合機は特に限定されず、例えばグラウトミキサ、ホバートミキサ、強制二軸ミキサ、ハンドミキサ等を挙げることができ、アジテーター車の回転ドラムでも良い。また、本発明の速硬性埋設材の埋設方法は、殆どの場合、所望の埋設箇所に流し込むだけで充填でき、また比較的平滑な表面が得られるので、均し施工等の埋設後の仕上げ作業も省略乃至軽微なもので済む。

以下、本発明を実施例によって具体的に説明するが、本発明は記載した実施例に限定されるものではない。尚、本実施は特記無い限り、２０℃（±１℃）の温度環境下で行った。測定対象物の温度も概ね同様の温度にせしめて測定に供した。

［カルシウムアルミネートの作製］
何れも市販粉末試薬の、ＣａＣＯ₃及びＡｌ₂Ｏ₃を用い、ヘンシェル型混合機を使用し、ＣａＯ及びＡｌ₂Ｏ₃の含有モル比（ＣａＯ／Ａｌ₂Ｏ₃）の値が以下のＡ１〜Ａ４に表す値のカルシウムアルミネートが得られるように調合した。調合物は電気炉で約１６００℃（±５０℃）に加熱し、当該温度で６０分間保持した後、直ちに炉外に取出した。取出した加熱物の表面に冷却用窒素ガスを流速約１５ｍｌ／秒で吹付けて急冷した。急冷物を全鋼製ボールミルで粉砕し、市販の分級装置にかけ、ブレーン比表面積約５０００ｃｍ²／ｇに調整することで、粉末状のカルシウムアルミネートを得た。また、カルシウムアルミネートのガラス化率を、粉末エックス線回折装置を用い、質量がＭ１のカルシウムアルミネートに含まれる各鉱物の質量を内部標準法等で定量し、定量できた含有鉱物相の総和質量（Ｍ２）を算出し、残部が純ガラス相と見なし、次式でガラス化率を算出した。
ガラス化率（％）＝（１−Ｍ２／Ｍ１）×１００

また、今回試製したのとは別に、比較のため次にＡ５で表す市販のアルミナセメントも用意した。
Ａ１；ＣａＯ及びＡｌ₂Ｏ₃の含有モル比（ＣａＯ／Ａｌ₂Ｏ₃）が１．２のカルシウムアルミネート（ガラス化率；２５％）
Ａ２；ＣａＯ及びＡｌ₂Ｏ₃の含有モル比（ＣａＯ／Ａｌ₂Ｏ₃）が１．４のカルシウムアルミネート（ガラス化率；４６％）
Ａ３；ＣａＯ及びＡｌ₂Ｏ₃の含有モル比（ＣａＯ／Ａｌ₂Ｏ₃）が１．６のカルシウムアルミネート（ガラス化率；３８％）
Ａ４；ＣａＯ及びＡｌ₂Ｏ₃の含有モル比（ＣａＯ／Ａｌ₂Ｏ₃）が２．１のカルシウムアルミネート（ガラス化率；９０％）
Ａ５；ＣａＯ及びＡｌ₂Ｏ₃の含有モル比（ＣａＯ／Ａｌ₂Ｏ₃）が１．１のカルシウムアルミネート（ガラス化率；６％）を有効成分とする市販のアルミナセメント

［埋設材の作製］
前記のように作製したカルシウムアルミネート（Ａ１〜Ａ５）と次の各材料（Ｂ１〜Ｅ４）を用い、表２に表す配合量となるよう調合した。調合は、ホバート型ミキサを使用し、先ず、Ｂ１〜Ｂ４から選定される材料とＣ１〜Ｃ２から選定される材料と水を前記ミキサに投入し、Ｅ１〜４から選定される材料を使用するときはこれも併せて投入し、約１分間混合した。次いで、この混合物に他の材料を纏めて投入し、約１分間混合して埋設材を作製した。尚、Ｂ１〜Ｂ４の材料は、市販乾燥器を使用した強制乾燥による質量減少量の計測によってその含水量を予め調べ、別添加した水の量と併せて表１で表す埋設材の含水量とした。

Ｂ１；最大粒径０．０７５ｍｍの土砂からなる土壌（含水率；約６０質量％）
Ｂ２；生コンクリートプラントで発生したモルタルスラッジ（含水率；約１５質量％、含有固型粒子の最大粒径３ｍｍ、未水和セメント含有率＜０．１質量％）
Ｂ３；生コンクリート攪拌タンクの洗浄で発生した泥水（含水率；約４０質量％、含有固型粒子の最大粒径１ｍｍ、未水和セメント含有率＜０．１質量％）
Ｂ４；石灰石系細骨材（石灰石砕砂、５０質量％篩通過時の平均粒径約３ｍｍ、含水率＜０．１質量％）
Ｃ１；普通ポルトランドセメント（市販品、ブレーン比表面積；３３５０ｃｍ²／ｇ）
Ｃ２；高炉セメントＢ種（市販品、ブレーン比表面積；３７５０ｃｍ²／ｇ）
Ｄ；ポリカルボン酸縮重合物を有効成分とする高性能ＡＥ減水剤（市販品、顆粒状）
Ｅ１；ＩＩ型無水石膏（市販品、ブレーン比表面積；４０００ｃｍ²／ｇ）
Ｅ２；炭酸リチウム（市販試薬）
Ｅ３；炭酸ナトリウム（市販試薬）
Ｅ４；クエン酸（市販試薬）

［埋設材の評価］
作製した埋設材に対し、流動性の評価として、作製直後の２０℃（±１℃）でのフロー値をＪＨＳ３１３−１９９９に規定する「シリンダー法による測定」に準拠した方法で測定した。尚、流動性が非常に乏しく、この方法ではフロー値が測定できなかったものを測定不良とし、以下の評価対象から外した。

また、作製直後の埋設材を、内径５０ｍｍで高さ１００ｍｍの円筒状成形型に充填し、大気中で１２時間静置後に脱型し、硬化質の供試体を作製した。脱型直後の供試体と、脱型後湿度５０％に保った恒湿器中で２８日間養生せしめた供試体のそれぞれにつき、ＪＩＳＡ１２１６に規定の「土の一軸圧縮試験方法」に準拠した方法で一軸圧縮強度を測定した。

さらに、主にシルト質と細砂の土壌からなる地盤に、縦横がそれぞれ約１ｍで深さ約５０ｃｍの穴を掘削した。穴底から約５ｃｍほどの高さの位置に、外径１５ｃｍ長さ１ｍの塩化ビニル製の硬質円筒管を水平に配設した。配設の際は、前記硬質円筒管の両端付近に、該硬質円筒管を穴底から下支えするための、厚さ約０．３ｃｍ、幅及び高さ約２０ｃｍで直径１５ｃｍの円形刳り貫きを施した金属製支持具を１対穴底面に垂直設置し、前記硬質円筒管をこの刳り貫きに通して据え付けた。硬質円筒管を配設した掘削穴に、前記作製した埋設材を穴の上端面まで流し込みむことで埋設した。埋設箇所の表面は特に転圧等の処理は行わずこのまま２４時間放置した。２４時間の放置経過直後に、底面が直径３０ｃｍの円柱形の５０ｋｇの重りを、重りの底面が埋設箇所上面に接するよう２４時間設置した。重り設置によって、埋設面に沈下や崩壊が目視で観察されなかったものを、埋設地盤形成が「良好」と判断し、それ以外の状況となったものは全て「不良」と判断した。尚、流動性が悪く、埋設材を流し込むだけでは埋設箇所の充填を行えなかったものについても「不良」と判断した。また、埋設地盤形成が「良好」と判断されたものは、前記重りを取り除いてさらに１月間放置した後、この埋設箇所を人力によりスコップで掘り返した。埋設した硬質円筒管を短時間（概ね３０分以内）で容易に掘り出せたものを再掘削性が「良好」と判断し、それ以外の状況であったものは全て再掘削性が「不良」と判断した。以上の結果を表２に纏めて表す。

表２の結果から、本発明の埋設材は、何れも高い流動性を具備できることと、これを埋設箇所に埋設した後の地盤も陥没や変形等を起こさなかったことから、充填性が良好であることが示唆される。また、本発明の埋設材は、高い短時間強度を示し、高い速硬性が発現できているにも拘わらず、地盤注入材のような強固な硬化物形成による長期強度発現性は具備しないため、再掘削に適した適度な堅さの埋設地盤が得られ易いことがわかる。

Claims

セメント１００質量部、ＣａＯとＡｌ₂Ｏ₃の含有モル比がＣａＯ／Ａｌ₂Ｏ₃＝１．２〜１．６であって、ガラス化率２５％以上のカルシウムアルミネート１５〜７５質量部、土砂、骨材及び建設スラッジの群から選ばれる１種又は２種以上７５０〜１５００質量部（固型分換算）、石膏類１５〜７５質量部および凝結調整剤２〜７．５質量部を含有し、含水量が６００〜１２００質量部であることを特徴とする速硬性埋設材。
凝結調整剤がアルカリ金属炭酸塩である請求項１記載の速硬性埋設材。
流動化剤をセメント含有量１００質量部に対し、０．５〜５質量部含有する請求項１又は２記載の速硬性埋設材。
ＪＨＳ３１３−１９９９によるフロー値が２２０〜３１０ｍｍである請求項１〜３何れか記載の速硬性埋設材。