JP6729875B2 - 支保構造物の構築方法 - Google Patents

Description

本発明は、吹き付け材を用いて支保構造物を構築する方法に関する。

崖面、法面、トンネルの掘削面等に吹き付け材を吹き付け、それらを支保する支保構造物を構築する方法において、吹き付け材として吹き付けコンクリートが使用されている。吹き付けコンクリートとしては、セメントを材料としたコンクリートに急結剤を添加したものが用いられ、その急結剤により初期強度を確保している。

吹き付けコンクリートではないが、コンクリートの分野では、フライアッシュや水ガラス等を材料とし、セメントを用いない技術が提案されている（例えば、非特許文献１、２参照）。この材料は、常温では強度発現が遅いために、蒸気養生（加熱）が必要とされている。

原田 耕司、外３名、「ジオポリマーモルタルの耐久性に関する基礎的研究」、日本コンクリート工学会、平成２３年７月、コンクリート工学年次論文集、Vol.33、No.1、pp.1937-1942 一宮 一夫、他３名、「活性フィラーにフライアッシュと高炉スラグ微粉末を用いたジオポリマーの耐酸性と高温特性」、日本コンクリート工学会、平成２５年７月、コンクリート工学年次論文集、Vol.35、No.1、pp.2005-2010

従来の吹き付けコンクリートでは、アルカリ性の急結剤を添加するため、酸に対する抵抗性が低いという問題があった。また、従来の急結剤は、アルカリ性が高いため、アルカリ骨材反応が発生するという問題もあった。さらに、セメントを材料とするコンクリートは、高温度（耐火性）に対する抵抗性が低いという問題があった。

また、上記非特許文献１、２に記載された材料は、強度発現が遅いことから、蒸気養生が必要で、蒸気養生して形成されるコンクリート二次製品の原材料として用いることを想定している。このため、吹き付け材や現場打設用の材料として用いることは全く想定されていない。

本発明の発明者らは、鋭意検討の結果、フライアッシュや高炉スラグといった酸化珪素と酸化アルミニウムとを主成分とする２種類の粉末を添加した材料が、固化時間が短いことから、現場打設用の材料として用いることは困難であるが、蒸気養生せずに用いても、充分な付着性を有し、配合を変える等すれば、要求する初期強度を得ることができることから、吹き付け材として用いることができることを見出した。本発明は、このことを見出すことによりなされたものであり、上記課題は、本発明の支保構造物の構築方法を提供することにより解決することができる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、吹き付け材を用いて支保構造物を構築する方法であって、吹き付け材に使用する酸化珪素と酸化アルミニウムを主成分とする２種類の粉末の配合割合、もしくは粉末の粒子の大きさを表す粒度、またはその両方が決められた範囲内の値になるように該吹き付け材を調製する工程と、調製された吹き付け材を、支保構造物を構築する対象の表面に吹き付け、該支保構造物を構築する工程とを含み、対象の表面に吹き付けられた吹き付け材に対して蒸気養生を行わないことを特徴とする、支保構造物の構築方法が提供される。

本発明によれば、酸に対する抵抗性、耐火性、耐アルカリ性、付着性能に優れ、要求する初期強度を得ることができる。

従来のコンクリートに用いられるセメントの化学成分を示した図。 本発明に用いられる吹き付け材のフライアッシュの主成分を例示した図。 本発明に用いられる吹き付け材の高炉スラグ微粉末の主成分を例示した図。 吹き付け材の配合を例示した図。 BFS置換率と材齢３時間の圧縮強度との関係を例示した図。 BFS置換率と材齢２４時間の圧縮強度との関係を例示した図。 吹き付けコンクリートの初期強度の設定値を示した図。 ブレーン値毎のBFS置換率と材齢３時間の圧縮強度との関係を例示した図。 ブレーン値毎のBFS置換率と材齢２４時間の圧縮強度との関係を例示した図。 トンネルの掘削面の一次覆工の流れを示したフローチャート。

本発明の支保構造物の構築方法およびその方法で用いられる吹き付け材について説明する前に、従来の吹き付け材としての吹き付けコンクリートについて簡単に説明しておく。従来の吹き付けコンクリートは、セメント、水、骨材を主要な材料としている。セメントは、コンクリートを作るための結合材で、水との化学反応（水和反応）により凝結して硬化する。セメントの化学成分を、図１に例示する。

セメントは、酸化カルシウム（CaO）と酸化珪素（SiO₂）を主成分として含み、これらの酸化物が水と反応し、水和物を生成して硬化する。このとき、水和物の生成と同時に、水酸化カルシウム等のアルカリ成分も生成される。

骨材は、砂利や砂等とされ、水和反応による発熱を抑制し、硬化した後の収縮を抑制し、コンクリートのコストを安価にするために用いられる。ちなみに、上記の発熱や収縮は、コンクリートにひび割れ等の不具合を生じさせるものである。骨材は、その粒径によって粗骨材と細骨材とに分類される。粗骨材は、粒径が５mm以上のものが８５重量%以上含まれる骨材で、細骨材は、１０mm篩を全て通過し、５mm以下のものが８５重量%以上含まれる骨材である。骨材は、石英、オパール、クリストバライト、トリジマイト、火山ガラス、雲母、粘土鉱物等の反応性シリカ鉱物を反応性シリカ成分として含む。

吹き付けコンクリートは、上記の材料のほか、急結剤が含まれる。急結剤は、支保構造物を構築する対象の表面に吹き付けられたコンクリートの流下や落下を防止するために、セメントの凝結を早めるための添加剤である。急結剤は、アルミン酸三カルシウム（3CaO・Al₂O₃）、アルカリ金属炭酸塩等のアルカリ成分を含む。そのほか、添加剤として、セメント粒子を分散させ、単位水量や単位セメント量を低減することを可能にする減水剤を含むことができる。

このような従来の吹き付けコンクリートは、酸性の地下水が流れている環境下に施工された場合、その酸と、コンクリート中のカルシウムを含む水和物とが反応し、水溶性の塩に変わり、その塩が溶出して、コンクリートに空洞を発生させる。このため、コンクリートの強度が低下し、コンクリートが落下する等の危険性が生じる。

また、従来の吹き付けコンクリートは、コンクリート中のアルカリ成分と、骨材に含まれる反応性シリカ成分とが反応し、水を吸収して膨張するゲルを生成する。この反応は、アルカリ骨材反応と呼ばれる。このゲルは、骨材の周りに生成され、水を吸収して膨張するため、コンクリートに設計以上の外力が加わり、構造的な問題が発生する可能性がある。

さらに、従来の吹き付けコンクリートは、水和反応により生成する水和物の６００℃〜７００℃における分解が強度低下の主因として知られており、高温度（耐火性）に対する抵抗性が低い。このため、火災が発生した場合、その熱でコンクリートが脆くなり、高温の温泉水が長期にわたり接触することで劣化する可能性がある。

次に、本発明で使用される吹き付け材について説明する。この吹き付け材は、珪酸アルカリ溶液に、酸化珪素と酸化アルミニウムとを主成分とする粉末と、骨材とを添加し、混合することにより調製される。珪酸アルカリ溶液としては、珪酸ナトリウムの濃い水溶液である水ガラスを一例として挙げることができる。

酸化珪素（SiO₂）と酸化アルミニウム（Al₂O₃）とを主成分とする粉末としては、フライアッシュや高炉スラグ微粉末を一例として挙げることができる。図２に、フライアッシュの主成分の一例を示す。フライアッシュは、石炭を燃焼する際に生じる灰の一種で、CaOの含有率が大幅に少なくなっている。図３に、高炉スラグ微粉末の主成分の一例を示す。高炉スラグ微粉末は、フライアッシュほど少なくないが、セメントに比較してCaOの含有率が少なくなっている。いずれも、主な成分のみを示しているため、その合計は１００%にはなっていな い。ちなみに、その他の成分としては、酸化チタン（TiO₂）、酸化カリウム（K₂O）等が含まれる。

この吹き付け材は、図２および図３に示す低カルシウムの粉末を使用して製造されるため、従来の吹き付けコンクリートのような酸とカルシウムが反応して劣化することを抑制することができる。また、カルシウム成分が少なく、アルカリ性を有する急結剤を使用しないため、アルカリ骨材反応の発生も抑制することができる。さらに、従来の吹き付けコンクリートのような水和物を生成しないため、その水和物の分解による強度低下も発生しない。このため、耐酸性、耐火性、耐アルカリ性に優れた吹き付けコンクリートを構築することができる。

また、この吹き付け材は、水ガラス等の粘性の高い珪酸アルカリ溶液を使用するため、吹き付け材自体が、粘性が高い。このことから、施工時の粉じん発生が少なく、また、岩盤等に対する付着性能が良い。

粉末は、フライアッシュのみ、あるいは高炉スラグ微粉末のみであってもよいが、その両方を添加することが初期強度を調整することができるので望ましい。フライアッシュと高炉スラグ微粉末の両方を使用する場合、フライアッシュと高炉スラグ微粉末の配合割合を変えることで、初期強度を調整することができる。

図４に、吹き付け材の配合例を示す。この例では、珪酸アルカリ溶液として、水ガラスを用い、骨材として、海砂を用いている。これらの量は、容積１m³当たり、３０３．８kg、約１３００kgとし、フライアッシュと高炉スラグ微粉末の配合割合を変えている。その配合割合を、フライアッシュ（FA）の一部を高炉スラグ微粉末（BFS）に置換する内割り置換率（BFS置換率）で表している。すなわち、容積１m³当たりのフライアッシュと高炉スラグ微粉末の全体の重量に対する高炉スラグ微粉末の重量を百分率で表したものを、BFS置換率（%）としている。

図５および図６は、各BFS置換率に対する打設して３時間経過後（材齢３時間）の圧縮強度および２４時間経過後（材齢２４時間）の圧縮強度を示した図である。この例では、蒸気養生はしていない。いずれも、BFS置換率が高くなるにつれて、圧縮強度が高くなっている。ここで、図７に、吹き付けコンクリートの初期強度の設定値を例示する。各機関が設定している材齢３時間、材齢２４時間の設定値が示され、最も高い値を参照すると、材齢３時間では２MPa、材齢２４時間では１０MPaとなっている。

図５に示す材齢３時間の圧縮強度は、BFS置換率が２０%〜５０%のいずれも上記の２MPaに達していないが、図６に示す材齢２４時間の圧縮強度は、BFS置換率が約２９%以上で、上記の１０MPaを超えており、充分な圧縮強度を得ることができている。

高炉スラグ微粉末は、高炉で銑鉄を作る際に発生する高炉スラグを急冷し、非晶質を粉砕した乾燥微粉末で、日本工業規格（JIS）では、高炉スラグ微粉末の粒子の大きさを表す粒度に依存して変化する比表面積により４種類の品種が存在する。その品種は、３０００、４０００、６０００、８０００というブレーン値で表される。ブレーン値３０００のものは、比表面積が７５０cm²/g以上３５００cm²/g未満、４０００は、３５００cm²/g以上５０００cm²/g未満、６０００は、５０００cm²/g以上７０００cm²/g未満、８０００は、７０００cm²/g以上１００００cm²/g未満である。

本発明では、高炉スラグ微粉末のブレーン値を変えることで、初期強度が変わることを見出した。図８および図９は、各BFS置換率に対する材齢３時間および材齢２４時間の圧縮強度を、各ブレーン値につき示した図である。この例でも、蒸気養生はしていない。BFS置換率が高くなるにつれて、圧縮強度が高くなるとともに、ブレーン値が大きくなるにつれて、圧縮強度が高くなっている。

ブレーン値８０００では、BFS置換率が約３８%以上で、材齢３時間でも、図７に示す初期強度の最も高い設定値（２MPa）を超えている。材齢２４時間では、ブレーン値８０００ではBFS置換率が（ここでは２０%以上のデータしかないため）２０%以上で、ブレーン値６０００では約２２%以上で、ブレーン値４０００では約２９%以上で、図７に示す初期強度の最も高い設定値（１０MPa）を超えている。

材齢３時間で圧縮強度を２MPa以上としたい場合、例えば、BFS置換率を４０%とし、ブレーン値が８０００のものを使用することができる。また、材齢２４時間で圧縮強度が１０MPaを超える範囲とした場合、ブレーン値を４０００以上のものを使用することができる。この範囲では、ブレーン値が高いほど好ましく、ブレーン値は、６０００以上のものが好ましく、８０００以上のものが更に好ましい。これにより、要求する初期強度を得ることができる。

この吹き付け材を吹き付けて構築される支保構造物は、崩落しそうな崖面や法面、トンネル掘削時における掘削面等のいかなる面に隣接して構築されてもよい。ここでは、掘削したトンネルの掘削面に吹き付け、一次覆工を行う場合を一例として挙げ、図１０を参照して、その一次覆工により支保構造物を構築する方法について説明する。

ステップ１０００から開始し、ステップ１０１０では、吹き付け材に使用する２種類の粉末であるフライアッシュと高炉スラグ微粉末の配合割合を表すBFS置換率、もしくは使用する高炉スラグ微粉末のブレーン値、またはその両方の範囲を決定する。これらは、図５、図６、図８、図９を参照し、要求される初期強度に基づき決定することができる。ステップ１０２０では、決定された範囲内の値になるように、水ガラスやフライアッシュ等の使用する各材料を計量する。

ステップ１０３０では、各材料を混合することにより、吹き付け材を調製する。例えば、ホバート型ミキサを用い、骨材、フライアッシュ、高炉スラグ微粉末を入れ、空練りを行い、その後、水ガラスを入れて練混ぜ、必要に応じて掻き落とし、さらに練混ぜることにより、各材料を混合する。

ステップ１０４０では、吹き付け機を使用して、吹き付け材を吹き付けノズルから噴射して、トンネルの掘削面に吹き付け、支保構造物を構築する。吹き付け機は、例えば圧縮空気を使用して吹き付け材を圧送し、圧縮空気とともに吹き付け材を噴射させることができる。吹き付け後、蒸気養生は実施しない。この支保構造物は、トンネルを掘削する毎に構築され、掘削面の崩壊を防止する。トンネルの掘削が終了し、掘削面の全面にわたって支保構造物が構築されたところで、ステップ１０５０へ進み、一次覆工を終了する。なお、一次覆工した箇所は、即座に二次覆工を行うことができる。

これまで本発明の支保構造物の構築方法について図面に示した実施形態を参照しながら詳細に説明してきたが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態や、追加、変更、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。

Claims (5)

1. 吹き付け材を用いて支保構造物を構築する方法であって、
   前記吹き付け材に使用する酸化珪素と酸化アルミニウムを主成分とする２種類の粉末の配合割合、もしくは前記粉末の粒子の大きさを表す粒度、またはその両方が決められた範囲内の値になるように該吹き付け材を調製する工程と、
   調製された前記吹き付け材を、前記支保構造物を構築する対象の表面に吹き付け、該支保構造物を構築する工程とを含み、
   前記対象の表面に吹き付けられた前記吹き付け材に対して蒸気養生を行わないことを特徴とする、支保構造物の構築方法。
2. 前記２種類の粉末は、フライアッシュと高炉スラグ微粉末であり、前記粒度は、前記高炉スラグ微粉末の粒度である、請求項１に記載の構築方法。
3. 前記調製する工程では、前記高炉スラグ微粉末の粒度に代えて、該高炉スラグ微粉末の粒度に依存する比表面積に応じたブレーン値が前記決められた範囲内の値になるように前記吹き付け材を調製する、請求項２に記載の構築方法。
4. 前記高炉スラグ微粉末は、前記決められた範囲に応じて、前記ブレーン値を４０００以上とする、請求項３に記載の構築方法。
5. 前記調製する工程では、前記２種類の粉末と、骨材と、珪酸アルカリ溶液とを用いて、前記吹き付け材を調製する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の構築方法。