JP7231465B2

JP7231465B2 - モルタル

Info

Publication number: JP7231465B2
Application number: JP2019075654A
Authority: JP
Inventors: 誠古城; 泰徳岩本; 修治松本; 悠小泉; 侑子岡田; 紗季黒川; 健介伊達; 泰宏横田; 一彦升元; 祐介田中; 正岡部
Original assignee: Kajima Corp; Tokuyama Corp
Current assignee: Kajima Corp; Tokuyama Corp
Priority date: 2019-04-11
Filing date: 2019-04-11
Publication date: 2023-03-01
Anticipated expiration: 2039-04-11
Also published as: JP2020172409A

Description

本発明はモルタルに関する。さらに詳しくは、地山の変形と荷重を制御するための変形制御型ロックボルトの定着に好適なモルタルに関する。

大土被りによる高地圧や膨張性地山においてトンネルを施工する場合に、従来は剛性の高い支保を二重・三重に建てこんで、剛な力で地圧に抵抗する方法が多く用いられて来たが、近年、海外では支保に作用する地圧を低減させるため、地山の変形を許容し、制御しながら掘削する事例が見られるようになった。国内でも、今後大土被りトンネルで予想以上の大変形が生じた場合の対策として、変形制御型支保の検討がされるようになってきた。その一例として、出願人らの一部は、非特許文献１において、変形制御型ロックボルトの開発に関わる研究背景とその成果を報告している。また、同ロックボルトの構造については、特許文献１に詳述されている。同ロックボルトの構造の概略を、非特許文献１から引用し、図１に示す。また、地山に埋設されたこの構造のロックボルトに対し、地山から引き抜かれようとする荷重が加えられた際の挙動を図２に、荷重－変位関係を図３に示す。（１）ネジ部～モルタル間の付着による初期抵抗部、（２）スリーブがモルタルを圧壊しながら移動する中間抵抗部、（３）スリーブがリングに当たり、両者一体となってモルタルを圧壊する最終抵抗部という、トリリニアな荷重－変位関係を示すことが確認された。そして、ネジ部の長さや、スリーブとリングの距離を調整することで、地山の変形と支保が負担する荷重を任意に制御できる点で、変形制御型ロックボルトと称されるべきものである。このうち、特に（２）の中間抵抗部の挙動は、定着材の強度特性により決まるため、変形制御型ロックボルトに好適なセメント系定着材が望まれていた。当該定着材に要求される性能は、圧縮強度が（１）ロックボルト付着抵抗の観点から、施工後早期（２４時間）に５Ｎ／ｍｍ^２を超え（２）変形制御の観点から材齢（２８日）が経過しても２０Ｎ／ｍｍ^２前後に留まり、さらに（３）既存の連続練り圧送装置で練り混ぜ・圧送・充填が可能なモルタルであることである。セメントモルタルの場合、長期強度を低減しようとすれば水セメント比を高くすれば良いが、その場合ブリーディングや材料分離が生じ充填性や施工性（ポンプ圧送できない、ロックボルトが固定できない）が悪くなり、また、若材齢での強度不足が生じる。そこで初期強度の増進を図るため急結剤や急硬剤等が用いると、練り混ぜ直後に流動性が著しく低下したりして不具合を生じる結果となる。

従来、定着材に関する発明は下記特許文献２～６が提案されているが、これらは短期強度を増進させるものであって、変形制御に対応して長期の強度抑制を目的としたものではない。

特許第６２４０３６０号公報特開２００９－１０７８９４号公報特開２００６－３３５５８６号公報特開平１１－３０３５９６号公報特開平０１－１０００４６号公報特開昭６３－２２６４９９号公報

土木学会第７２回年次学術講演会ＩＩＩ－３７０平成２９年７月

本発明の目的は、モルタル特に地山の変形と荷重を制御するための変形制御型ロックボルトの定着に好適なモルタルを提供することにある。

本発明の他の目的は、ロックボルト付着抵抗の観点から施工後早期の２４時間時に圧縮強度が５Ｎ／ｍｍ^２を超え且つ変形追従の観点から材齢２８日時の圧縮強度が２０Ｎ／ｍｍ^２前後に留まり、そして既存の連続練り圧送装置で混練・圧送・充填が可能なモルタルを提供することにある。

本発明のさらに他の目的および利点は以下の説明から明らかになろう。

本発明によれば、本発明の上記目的は、セメント、結晶性層状珪酸ナトリウムおよび消石灰を含有することを特徴とするモルタルによって達成される。

本発明によれば、本発明の上記モルタルの好ましい態様として下記（１）～（８）のモルタルが提供される。
（１）セメント、結晶性層状珪酸ナトリウムおよび消石灰を含有することを特徴とするモルタル。
（２）石灰石粉末、珪砂および分散剤よりなる群から選ばれる少なくとも一種をさらに含有する上記（１）に記載のモルタル。
（３）セメント１００重量部、石灰石粉末１７８～２４０重量部、６号珪砂３００～４００重量部、結晶性層状珪酸ナトリウム９～２４重量部、消石灰９～３６重量部および分散剤０．１～１．０重量部を含有する上記（１）～（２）のいずれかに記載のモルタル。
（４）セメント、結晶性層状珪酸ナトリウム、消石灰、石灰石粉末および珪砂の合計１００重量部に対し水を１９～２１重量部含有する上記（２）に記載のモルタル。
（５）ＪＩＳＲ５２０１に従うテーブルフロー値が１５０～１８０ｍｍを示す上記（１）～（４）のいずれかに記載のモルタル。
（６）施工後２４時間時および２８日時の圧縮強度が、それぞれ、５Ｎ／ｍｍ^２超えおよび２３Ｎ／ｍｍ^２を超えない値を示す上記（１）～（３）のいずれかに記載のモルタル。
（７）施工後２４時間時の静弾性係数が２ＫＮ／ｍｍ^２以上を示す上記（１）～（６）のいずれかに記載のモルタル。
（８）地山の変形を支えるための変形制御型ボルトを定着させるための上記（１）～（４）のいずれかに記載のモルタル。

本発明のモルタルは、地山の変形と荷重を制御するための変形制御型ロックボルトの定着に好適に使用することができる。すなわち、本発明のモルタルを用いて上記ロックボルトを定着すると、施工後２４時間時に圧縮強度５Ｎ／ｍｍ^２超えが得られ、材齢２８日時の圧縮強度は２０Ｎ／ｍｍ^２前後に留まりしかも従来の連続練り圧送装置により混練・圧送・充填等を行うことができ、その使用の利便性も大きい。

変形制御型ロックボルトの説明図変形制御型ロックボルトの各ステップの作用荷重の説明図変形制御型ロックボルトの荷重－変位曲線の概念図

本発明のモルタルは、セメントと共に結晶性層状珪酸ナトリウムおよび消石灰を含むことを特徴とする。本発明の好ましい態様によれば、本発明のモルタルはさらに石灰石粉末、珪砂および分散剤よりなる群から選ばれる少なくとも１種を含有する。本発明のモルタルは、上記セメント、結晶性層状珪酸ナトリウムおよび消石灰からなる粉体の合計１００重量部に対し、あるいは好ましい態様によれば、さらに石灰石粉末および／または珪砂を加えた粉体の合計１００重量部に対し、水を１９～２１重量部含有するのが好ましい。

＜セメント＞
本発明のモルタルに用いるセメントには、ポルトランドセメントが好適である。中でも早強セメント超早強セメントなどの早期強度発現性に富むものが好ましい。早強性を示すセメントには、アルミナセメントやジェットセメントと呼ばれる超速硬セメントを用いることも可能であるが、練り混ぜ後の流動性を確保するため遅延剤を用いる必要があり、施工温度によって添加量を細かく調整する必要がある。

＜結晶性層状珪酸ナトリウム＞
本発明において用いる結晶性層状珪酸ナトリウムとは、斜方晶または単斜晶を呈し、層状の構造を有する珪酸ナトリウムである。
このような結晶性層状珪酸ナトリウムは、具体的には、Ｎａ_２Ｓｉ_２Ｏ_５・ｘＨ_２Ｏで示されるケニヤイト、Ｎａ_２Ｓｉ_１４Ｏ_２９・ｘＨ_２Ｏで示されるマガディアイトＮａ_２Ｓｉ_８Ｏ_１７・ｘＨ_２Ｏで示されるアイラアイト、Ｎａ_２Ｓｉ_２Ｏ_５等の組成式を持つものが挙げられる。これらの中でも水との反応によって層間距離の増加効果が高く、アルカリ捕捉能が高いという点で、ＮａｘＨ_{（２－ｘ）ｙ}Ｓｉ_２ｙＯ_５・ｚＨ_２Ｏ（ここでｘは０～２、ｙは１±０．１、ｚは０～５の数）の組成式で示される結晶性層状珪酸ナトリウムが好適に用いられる。なお、上記組成式の結晶性層状珪酸ナトリウムにおいて、本発明の効果に影響しない範囲で、Ｎａ、Ｋ、Ｍｇ、Ｃａ、Ａｌ等の元素が含まれていても良い。これら元素の混入量としては、Ｎａ１モルに対し、０．００５モル以下が好ましい。

結晶性層状ケイ酸ナトリウムは、水と反応してカネマイト（ＮａＨＳｉ_２Ｏ_５・３Ｈ_２Ｏ）に変化する。このカネマイト自体も結晶性であるため、上記陰イオン群との反応が低く、ゲル化が抑制されているものと推測される。さらに、カネマイトは結晶水を有し、この結晶水は層間に捕捉されており、結晶の層間距離が増加する。この時カネマイトへの変化に伴ってアルカリ分であるＮａＯＨが放出されるが、このＮａＯＨ及び陰イオン群が結晶水に捕捉されることによって、モルタル中での急激なゲル化による流動性の低下を抑制しているものと推測される。

珪酸塩としては、一般に珪酸ナトリウム（水ガラス）が広く知られているが、一般的な水ガラスではセメントと急激に反応しゲル化してしまい好適でない。また、急激にゲル化に至らない量であっても増粘効果によりポンプ圧送性が悪かったり、初期強度の発現性が不十分となったりする。本発明では、特殊な珪酸塩である結晶性層状珪酸ナトリウムと水酸化カルシウム（消石灰）を組み合わせることで施工性を確保しながら硬化特性を満足する定着材として好適なモルタルを得ることができた。
このような結晶性層状珪酸ナトリウムは、工業的に入手可能であり、具体的には、株式会社トクヤマシルテック製製品名「プリフィード」（Ｎａ_２Ｓｉ_２Ｏ_５）などが挙げられる。

＜消石灰＞
本発明のモルタルには、上記結晶性層状珪酸ナトリウムと共に、ゲル化時間や早期強度発現の調節の目的で消石灰すなわち水酸化カルシウムが用いられる。

＜石灰石粉末＞
本発明のモルタルには、好ましくはフィラーとして石灰石粉末が用いられる。一般に、セメントに用いる混合材料としては、フライアッシュや高炉スラグ粉末、シリカフューム等が知られているがこれらはセメントの水和反応に影響を与え、長期的には強度増進効果があるため好ましくない。水和に影響しない微粉末であれば良いが岩石粉末でも粘土鉱物ように吸水性の大きいものは練り混ぜ後に吸水による影響でモルタル粘性に変化が生じ易くポンプ圧送性に悪影響を及ぼす懸念があるのでやはり好ましくない。

＜珪砂＞
本発明のモルタルには、好ましくは、水と混練する前のプレミックス粉体の流動性を確保しさらに性能向上のために珪砂好ましくは６号珪砂が用いられる。

＜分散剤＞
分散剤はモルタル調整時に一定量の水の添加量で所定のモルタル軟度を得るために用いられる。ナフタレンスルホン酸系、メラミン系、ポリカルボン酸系等の粉末分散剤を挙げることができるが、ナフタレンスルホン酸系分散剤が好ましく用いられる。分散剤は、セメント１００質量部に対し０．１５～０．５質量部となる量で好ましく用いられる。
使用量が０．１５重量部未満の場合、モルタルの軟度が低下するため、ポンプ圧送性や地山内への充填性、ロックボルトを挿入する際の作業性低下となる。他方、０．５重量部を超えると地山内充填したモルタルがダレを生じたりする。

本発明の好ましい態様によれば、本発明のモルタルは、セメント１００重量部、石灰石粉末１７８～２４０重量部、６号珪砂３００～４００重量部、結晶性層状珪酸ナトリウム９～２４重量部、消石灰９～３６重量部および分散剤０．１～１．０重量部を含有する。
前記したとおり、本発明のモルタルは、比較的水含量を大きくして長期材齢下での強度発現を抑制している。そのため、若材齢下での強度発現は著しく阻害されるので強度促進効果のある促進剤を用いている。一般には、塩化物、炭酸塩、硫酸塩、アルミン酸塩、珪酸塩、カルシウムサルフォアルミネート等を適宜混合するが、鉄筋を腐食させたり、劇物で安全性に懸念が生じたり、効果が不十分であったりする。本発明では、上記のとおり、結晶性層状珪酸ナトリウムと消石灰との組み合わせにより、施工に必要な流動性を確保しつつ、要求強度を満足できるモルタルの提供に至ったものである。

本発明のモルタルは、好ましくはフレッシュ性状で、ＪＩＳＲ５２０１で行ったテーブルフロー値が１５０～１８０ｍｍを示し、硬化後材齢２４時間（２０℃）での圧縮強度が５Ｎ／ｍｍ^２を超え、かつ静弾性係数が２ＫＮ／ｍｍ^２以上である。また、好ましくは、材齢２８日強度が２０Ｎ／ｍｍ^２前後に留まる。
これは、定着材に求められる好ましい性能を満足するものである。

＜モルタルの施工＞
本発明のモルタルの施工は、特に定着材として施工する際には、紛体（定着材モルタル組成物）を定量で切り出しながら配管中に設けた混合部に一定量の水を練り混ぜた後、配管中に設けたポンプ部により練り混ぜたモルタルが地山中に送り出される連続混合圧送装置（ＭＡＩポンプ）が用いられる。すなわち、ＭＡＩポンプは、粉体を挿入するホッパーを備え、ミキサー部で一定量の水と混練した後、装置下部に設けられた配管下流中のポンプ部からモルタルが連続的に所定の圧力で導出される機能を有している。

材齢２８日強度を２０Ｎ／ｍｍ^２前後に留まるモルタルを得るのには、水／セメント比（Ｗ／Ｃ）を１２０より大きくすれば得ることができるが、２４時間強度の要求性能を満たすことはできず、そのため材料分離（ブリーディング）を生じ体積変化を引き起こすためロックボルトを地山に固定できない。本発明では、セメントの粒子径と同様な石灰石粉末を用いることによりモルタル中のセメント量を変動させることが出来る。それによりＭＡＩポンプのような連続混合圧送装置を用いてモルタル中の粉体に対する水の量を一定にしつつ、セメントに対する水の量を変動させて流動性を確保しつつ材齢２８日強度を２０Ｎ／ｍｍ^２前後に留まるものとすることを可能としたものである。

以下、実施例により本発明をさらに詳述する。本発明は本実施例に限定されるものではない。尚、以下の実施例および比較例で使用した成分の詳細は以下のとおりである。

使用材料
セメント：早強セメント（株）トクヤマ製
石灰石粉末：Ｋ４００旭鉱末（株）社製
結晶性層状珪酸ナトリウム：プリフィード（株）トクヤマ社製
消石灰：工業用特号吉澤石灰工業（株）社製
減水剤：マイティ１００（株）花王社製
シリカフューム：ＳＫＷイーストアジア（株）社製
ベントナイト：榛名（株）ホージュン社製
硫酸バン土：試薬富士フィルム和光純薬（株）社製
ＣＳＨ系促進剤：（株）ＢＡＳＦジャパン社製

実施例１～６および比較例１～５
（１）紛体の調製
表１に示す割合で使用材料を秤取り混合した。
（２）モルタルの調製
表２に示す割合で紛体と水とを練り混ぜた。練り混ぜは、連続混合を想定してＪＳＣＥＤ１０２に準拠して行った。ホバートミキサーを用い、練り混ぜ容器に紛体２ｋｇを秤取り、低速で空練りを１０秒間行った後水を１０秒間で加えた。一旦、ミキサーを止め速度を高速に切り替え、続けて１５秒間練り混ぜた。
（３）フロー値の測定
練り混ぜたモルタルを、ＪＩＳＲ５２０１セメントの物理試験方法１２．フロー試験に準拠してフロー値を計測した。結果を表２に示した。
（４）圧縮強度、静弾性係数の測定
５φ×１０ｃｍのモールドにモルタルを充填所定材齢まで２０±３℃、６０±５％ＲＨにて養生した。
養生後、脱型し上端部を研磨して平滑にした後、ＪＩＳＡ１１０８コンクリートの圧縮強度試験方法及びＪＩＳＡ１１４９コンクリートの弾性係数試験方法に準拠してモルタルの圧縮強度および静弾性係数を計測した。結果を表２に示した。

Claims

セメント１００重量部、石灰石粉末１７８～２４０重量部、６号珪砂３００～４００重
量部、結晶性層状珪酸ナトリウム９～２４重量部、消石灰９～３６重量部および分散剤０
．１～１．０重量部を含有するモルタルであって、セメント、結晶性層状珪酸ナトリウム、消石灰、石灰石粉末および珪砂の合計１００重量部に対し水を１９～２１重量部含有することを特徴とするモルタル。
ＪＩＳＲ５２０１に従うテーブルフロー値が１５０～１８０ｍｍを示す請求項１
に記載のモルタル。
施工後２４時間時および２８日時の圧縮強度が、それぞれ、５Ｎ／ｍｍ^２超えおよび２
３Ｎ／ｍｍ^２を超えない値を示す請求項１～２のいずれかに記載のモルタル。
施工後２４時間時の静弾性係数が２ＫＮ／ｍｍ^２以上を示す請求項１～３のいずれかに
記載のモルタル。
地山の変形と荷重を制御するための変形制御型ロックボルトを定着させるための請求項
１～４のいずれかに記載のモルタル。