JP6956468B2

JP6956468B2 - 速硬性グラウト組成物

Info

Publication number: JP6956468B2
Application number: JP2016053961A
Authority: JP
Inventors: 信哉赤江
Original assignee: Taiheiyo Materials Corp
Current assignee: Taiheiyo Materials Corp
Priority date: 2016-03-17
Filing date: 2016-03-17
Publication date: 2021-11-02
Anticipated expiration: 2036-03-17
Also published as: JP2017165628A

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。
近年、土木・建築構造物に使用されるグラウト材料に要求される性能が高度化してきており、可使時間の確保、強度度発現性及び無収縮性等について検討がなされてきた。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発泡成分としてアルミニウム粉末、あるいは過炭酸ナトリウム等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１，２参照）。また、良好な短期強度発現性を得るために、特定の急硬成分にアルミン酸ナトリウム、無機炭酸塩及び凝結調整剤を混和したグラウト材が提案されている（例えば特許文献３参照）。

特許第３９１６３２６号公報特開２０１５−１２０６２４号公報特開２００７−２３０８３３号公報

しかしながら、初期強度発現性の良好な速硬性のグラウト材においても、速硬性とともに比較的長い可使時間（流動性が保持される時間）が要求されるケースがある。速硬性のグラウト材の場合、２０℃の常温では安定した可使時間を確保することができても、３０℃以上の夏場の高温時期においては充分な可使時間を設定することが困難である。一般には、２０℃環境下において、クエン酸等の遅延剤の添加等によって可使時間を調整することが可能だが、３０℃以上の高温環境下においては、遅延剤の添加量を増やしても可使時間の確保は２０℃環境下ほどの効果がなく、反ってセメントの水和が遅延して速硬性が得られなくなる恐れがある。
本発明は、夏場等の高温の環境においても、所定の可使時間を確保した上で、良好な初期強度発現性が得られ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の骨材量を調整するとともに、一定量の増粘剤及び凝結遅延剤を組み合わせて配合することにより、所定の可使時間を確保した上で、良好な初期強度発現性が有する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、凝結遅延剤、増粘剤、減水剤及び骨材を含有し、前記セメント、カルシウムアルミネート類及び石膏を含有する結合材１００質量部に対して、増粘剤の含有量が０．０１〜０．１質量部、凝結遅延剤の含有量が０．３〜１．５質量部、及び骨材の含有量が１０５〜１７５質量部である速硬性グラウト組成物。
〔２〕更に、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム及び炭酸リチウムから選ばれる一種又は二種のアルカリ金属炭酸塩を含有する〔１〕に記載の速硬性グラウト組成物。
〔３〕前記セメント、カルシウムアルミネート類及び石膏を含有する結合材１００質量部に対して、水の量が３５〜４２質量部である〔１〕又は〔２〕に記載の速硬性グラウト組成物を用いた速硬性グラウト材。

本発明によれば、グラウト材としたときに、夏場等の高温の環境においても、充分な可使時間を確保した上で、良好な初期強度発現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、凝結遅延剤、増粘剤、減水剤及び骨材を含有し、かつ、前記セメント、カルシウムアルミネート類及び石膏を含有する結合材１００質量部に対して、増粘剤の含有量が０．０１〜０．１質量部、凝結遅延剤の含有量が０．３〜１．５質量部及び骨材の含有量が１０５〜１７５質量部であることを特徴とする。

本発明で言う速硬性とは、材齢４時間において１０Ｎ／ｍｍ^２以上の圧縮強度を発現する性能を持つものを言う。

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。ここで言うセメントは、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、Ａｌ_２Ｏ_３をＡ、Ｎａ_２ＯをＮ、及びＦｅ_２Ｏ_３をＦ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フッ素等のハロゲンが固溶又は置換した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、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Ｃ_３Ａ_３・ＣａＳＯ_４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、特に非晶質を含むものを使用することが好ましい。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、特に高温での性状を考慮するとセメント１００質量部に対して５〜５０質量部が好ましく、１０〜３０質量部がより好ましい。

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・Ａｌ_２Ｏ_３・３ＣａＳＯ_４・３２Ｈ_２Ｏ）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６０００ｃｍ^２／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１５０００ｃｍ^２／ｇ以下が適当である。

本発明において石膏の含有量は、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５〜５０質量部が好ましく、１０〜３０質量部がより好ましい。

ここで本発明における結合材は、セメント、カルシウムアルミネート類及び石膏を含有するが、これらに限定されるものではない。結合材としては水硬性もしくは潜在水硬性を有し、強度発現に寄与する無機材料であればよく、上記以外に、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、生石灰、消石灰、膨張材等を使用することができる。但し、アルカリ金属炭酸塩など少量添加される無機塩は除くものとする。

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。

本発明において凝結遅延剤の含有量は、結合材１００質量部に対して、０．３〜１．５質量部である。０．３質量部未満では、可使時間の保持が困難になる恐れがある。一方、１．５質量部を超えるとブリーディングは発生したり、可使時間の保持が困難になる恐れがある。０．４〜１．０質量部がより好ましい。

本発明においては、ブリーディング発生の抑制及び可使時間確保の点から、増粘剤を含有する。本発明における増粘剤としては、水溶性のセルロース系、アクリル系、グアーガム系などが使用でき、これらの一種又は二種以上の使用が可能である。特に少量で材料分離抵抗性が高いことから水溶性セルロースが好ましい。水溶性セルロースとしては、セルロース系高分子化合物、例えば、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース等の水溶性セルロースエーテルが好ましいが、特に限定されない。

本発明において増粘剤の含有量は、結合材１００質量部に対し、０．０１〜０．１質量部である。０．０１質量部未満では、ブリーディングは発生したり、可使時間の保持が困難になる恐れがある。一方、０．１質量部を超えると凝結時間が遅延し、強度発現性が低下する恐れがある。０．０２〜０．０８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、更に減水剤を含有する。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、結合材１００質量部に対し、０．２〜０．６質量部が好ましく、０．２５〜０．５質量部がより好ましい。

本発明において、グラウト材の粘性を小さくし良好な流動性を得ること並びに発熱量を下げることで流動性の保持時間を確保できることから、骨材を含有する。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、結合材１００質量部に対し、１０５〜１７５質量部である。１０５質量部未満では、可使時間の確保が困難になる恐れがある。一方、１７５質量部を超えるとブリーディングが発生したり、強度発現性が低下する恐れがある。１０５〜１５０質量部がより好ましく、１１０〜１２５質量部が更に好ましい。

本発明においては、凝結時間を促進させるために、更に炭酸ナトリウム、炭酸カリウム及び炭酸リチウムから選ばれるアルカリ金属炭酸塩を一種又は二種以上を含有することが好ましい。アルカリ金属炭酸塩の含有量は、無収縮性および可使時間の確保の点から、結合材１００質量部に対し、０．４〜２．０質量部が好ましく、０．６〜１．０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、発泡剤を一定量含有する。本発明における発泡剤としては、アルミニウムや亜鉛等の両性金属の粉末や過炭酸塩等が挙げられ、これらの一種又は二種以上の使用が可能である。本発明において、発泡剤の含有量は、結合材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、０．０５〜０．４質量部が好ましく、０．１〜０．２質量部がより好ましい。

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、凝結遅延剤、増粘剤、減水剤、アルカリ金属炭酸塩、発泡剤及び骨材以外に、上記以外の混和材料等の添加材（剤）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、起泡剤、防水剤、防錆剤、収縮低減剤、保水剤、顔料、繊維、撥水剤等が挙げられる。

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、結合材１００質量部に対し、３５〜４２質量部であるのが好ましく、３６〜４０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。特に、夏場等の２５℃以上となる高温環境下においても、充分な可使時間（４５分以上）を確保した上で、良好な初期強度発現性を有するグラウト材が得られることから、高温用速硬性グラウト組成物として好適に用いられる。

次に実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

＜実施例１＞
（使用材料）
使用材料を以下に示す。
・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）
・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：７１００ｃｍ^２／ｇ）
・凝結遅延剤：クエン酸ナトリウム（市販品）
・増粘剤：水溶性セルロースエーテル（市販品）
・アルカリ金属炭酸塩：炭酸ナトリウム（市販品）
・発泡剤：過炭酸ナトリウム（市販品）
・減水剤：ナフタレンスルホン酸系高性能減水剤
・細骨材：石灰石骨材
・水：水道水

（配合設計）
セメント、カルシウムアルミネート類及び石膏からなる結合材１００質量部に対して、増粘剤、凝結遅延剤、細骨材、減水剤を表１となるように配合設計した。また、当該結合材１００質量部に対して、発泡剤０．１５質量部、アルカリ金属炭酸塩０．８５質量部を添加した。

（速硬性グラウト材の作製）
上記配合割合の速硬性グラウト組成物と所定の水道水をモルタルミキサで混練し、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、結合材１００質量部に対して、３７．５質量部の水道水４．４ｋｇを入れ、モルタルミキサ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２５ｋｇ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３０℃に調整し、混練、及び品質評価試験は、３０℃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３に示す。

（品質評価試験）
（１）流動性試験
ＪＩＳＲ５２０１「セメントの物理試験方法」１１．フリー試験で１５回落下運動を行わない静置フローを測定した。フロー値が２００ｍｍ以上であれば流動性が良好であるとみなした。
（２）ブリーディング率
ＪＩＳＡ１１２３「コンクリートのブリーディング試験方法」に準じて、ブリーディング率を測定した。ブリーディングがないものを良好とみなした。
（３）可使時間
ＪＩＳＡ１１４７「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４５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。
（４）圧縮強度
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（案）」に準じて、材齢４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、養生は恒温槽内で、材齢直前まで型枠のまま湿潤養生とした。１０Ｎ／ｍｍ^２以上を良好とみなした。

（試験結果）
試験結果を表２に示す。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、可使時間及び材齢４時間における圧縮強度を備えていた。（Ｎｏ．１〜３、６，７、１０、１１）
増粘剤が配合されていないＮｏ．４、凝結遅延剤、細骨材がそれぞれ所定範囲を超えて配合されているＮｏ．９、Ｎｏ．１３はブリーディングが発生する。増粘剤が所定範囲を超えて配合されているＮｏ．５は流動性が不良となる。凝結遅延剤、細骨材がそれぞれ所定範囲より少なく配合されているＮｏ．８、Ｎｏ．１２は可使時間の確保が困難となる。

＜実施例２＞
結合材１００質量部に対して、３０、３５、４２及び４７質量部となるよう調整した水道水と速硬性グラウト組成物を混練し、速硬性グラウト材を作製した。速硬性グラウト組成物の配合と水量を表３に示す。なお、速硬性グラウト組成物には、実施例１と同様に当該結合材１００質量部に対して、発泡剤０．１５質量部、アルカリ金属炭酸塩０．８５質量部を添加した。速硬性グラウトの作製方法、品質評価試験方法は、実施例１と同様に実施した。結果を表４に示す。
結合材１００質量部に対する水の量が少ない場合は、流動性が不良且つ可使時間の確保が困難になり（Ｎｏ．１４）、一方水の量が多い場合はブリーディングが発生し、圧縮強度が低下する（Ｎｏ．１７）。

＜実施例３＞
環境温度を２０、２５、３５℃と変えた試験を実施した。速硬性グラウト組成物の配合は実施例１におけるＮｏ．１と同じ配合とし、環境温度を変えた以外は、実施例１と同様の方法で速硬性グラウト材を作製、評価した。結果を表５に示す。
２０℃環境下では、ブリーディングが発生するが（Ｎｏ．１８）、２５〜３５℃の環境下においては良好な流動性、可使時間及び材齢４時間における圧縮強度が得られる（Ｎｏ．１９、２０）。

Claims

セメント、カルシウムアルミネート類、石膏、凝結遅延剤、増粘剤、減水剤及び骨材を含有し、前記セメント、カルシウムアルミネート類及び石膏を含有する結合材１００質量部に対して、増粘剤の含有量が０．０１〜０．１質量部、凝結遅延剤の含有量が０．３〜１．５質量部、及び骨材の含有量が１０５〜１７５質量部である速硬性グラウト組成物と水を含有し、前記結合材１００質量部に対して、水の量（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）が３５〜４２質量部であり、かつ前記結合材および骨材の合計１００質量部に対して、水の量（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）が１２．７〜２０．５質量部であることを特徴する速硬性グラウト材。
更に、前記速硬性グラウト組成物が、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム及び炭酸リチウムから選ばれる一種又は二種のアルカリ金属炭酸塩を含有することを特徴とする請求項１に記載の速硬性グラウト材。