JP7254418B2

JP7254418B2 - セメント組成物用急結剤

Info

Publication number: JP7254418B2
Application number: JP2019044370A
Authority: JP
Inventors: 裕中島
Original assignee: Taiheiyo Materials Corp
Current assignee: Taiheiyo Materials Corp
Priority date: 2019-03-12
Filing date: 2019-03-12
Publication date: 2023-04-10
Anticipated expiration: 2039-03-12
Also published as: JP2020147451A

Description

本発明はセメント組成物用急結剤に関する。

掘削したトンネルの地山補強や地下空間の天井・壁面の崩壊防止用に、湿式吹付工法などで施工するモルタルやコンクリートでは、瞬時に凝結し、極短時間で高い強度発現が要求される。セメント組成物にカルシウムアルミネート、アルミン酸ナトリウム等で構成される急結剤を添加すると、セメントが急速に凝結し、注水から短時間で高い強度が発現できる硬化物が得られることが知られている。特にアルミン酸ナトリウムを含む急結剤は瞬結性や短時間での高い強度発現性に特に優れるが、アルミン酸ナトリウムは潮解性が高いため風化し易く、風化が進むとかような瞬結性や早期強度発現性が急激に失われるという課題がある。

このような課題を解決する方法として、アルミン酸ナトリウムのＮａ_２ＯとＡｌ_２Ｏ_３のモル組成品比（Ｎａ_２Ｏ／Ａｌ_２Ｏ_３）を１．３以下と低く抑えるものにする手段が特許文献１に提案されているが、このような低モル比のアルミン酸ナトリウムは、特に低温環境下における瞬結性や極短時間での高強度発現に適しているものとは言い難い。また、特許文献１には、アルミン酸ナトリウムの形状面で粒径を大きくすると、表面積が減少し、風化し難くなることも開示されているが、粗大粒にするとアルミン酸ナトリウムの溶解速度が低下するため、瞬結性が得難くなることに加え、適用性強化のためカルシウムアルミネート粒子等と混合した急結剤を得ようとすると、混合時に均一混合が行い難く、成分的に偏りが見られて、安定した急結・急硬性が得難くなる。

一方、アルミン酸ナトリウムの代替成分として、同じアルミン酸アルカリ金属塩であるアルミン酸カリウムを使用することが提案されている（特許文献２）。しかしながら、凝結性、強度発現性の点では、アルミン酸ナトリウムの方が好ましいとされており、アルミン酸カリウムの性状について詳細な検討はなされていない。

特開平１１－１３０４９８号公報特開平１１－７１１４５号公報

本発明は、アルミン酸カリウムを含むセメント組成物用急結剤について鋭意検討を行った結果、有効な知見を得たものである。特に低温環境下において高い急結性を確保することができ、かつ貯蔵安定性も良好なセメント組成物用急結剤を提供することを課題とする。

すなわち、本発明は、次の〔１〕～〔４〕を提供するものである。
〔１〕非晶質カルシウムアルミネートとアルミン酸カリウムを含むことを特徴とする粉末状急結剤であって、該非晶質カルシウムアルミネートのＣａＯ／Ａｌ_２Ｏ_３モル比が１．９～２．５であり、前記アルミン酸カリウムの含有量が前記非晶質カルシウムアルミネート１００質量部に対して、無水物換算で１～２０質量部であることを特徴とするセメント組成物用粉末状急結剤。
〔２〕前記アルミン酸カリウムの強熱減量が、１０～３０質量％であることを特徴とする、〔１〕のセメント組成物用粉末状急結剤。
〔３〕前記アルミン酸カリウムが、アルミン酸カリウム三水和物を含むことを特徴とする、〔１〕又は〔２〕のセメント組成物用粉末状急結剤。
〔４〕〔１〕～〔３〕のいずれかのセメント組成物用粉末状急結剤を含有する吹付けコンクリート。

本発明によれば、低温環境下においても高い急結性を有する吹付コンクリートが得られる。

本発明のセメント組成物用急結剤における非晶質カルシウムアルミネートは、含有化学成分がＣａＯとＡｌ_２Ｏ_３からなる非晶質（ガラス質）の水和活性物質であって、ＣａＯとＡｌ_２Ｏ_３の含有モル比（ＣａＯ／Ａｌ_２Ｏ_３モル比）が１．９～２．５のカルシウムアルミネートである。ＣａＯ／Ａｌ_２Ｏ_３モル比が１．９未満の場合は、低温における急結性が大きく低下し、一方、ＣａＯ／Ａｌ_２Ｏ_３モル比が２．５を超える場合は、非晶質成分含有率の高いカルシウムアルミネートを得ることができなくなり、十分な急結性を付与できなくなる。非晶質カルシウムアルミネートとしては、実質的に非晶質であれば良いが、具体的には非晶質成分含有率（ガラス化率）が９０質量％以上であることが好ましい。非晶質構造を有することは粉末Ｘ線回折チャートから確認することができ、また粉末Ｘ線回折による内部標準法によって非晶質成分の含有率を算定することができる。

使用する非晶質カルシウムアルミネートの粉末度は特に制限されるものではないが、好ましくはブレーン値で４０００～１００００ｃｍ^２／ｇにすると、アルミン酸カリウムとの混合性が高まり、アルミン酸カリウムとの混合粒子において材料分離や偏析する虞がさらに低減される。

非晶質カルシウムアルミネートの製造方法としては、生石灰、炭酸カルシウム、石灰石等のカルシウム原料と、アルミナ、仮焼ボーキサイト等のアルミニウム原料を所定の比率で混合し、電気炉等を用いて、１３００℃以上の温度で溶融し、その後急冷することで得られる。得られた溶融物をボールミル等の粉砕装置で粉砕し、粉末物を得る。なお、工業原料を使用して製造される場合は、原料から混入する微量の不純物成分が含まれることが許容される。具体的な不純物成分としては、例えばＳｉＯ_２、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＳＯ_３、ＣａＦ_２、Ｎａ_２Ｏ、Ｌｉ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ、ＭｇＯ、ＴｉＯ_２等が挙げられる。

本発明のセメント組成物用急結剤におけるアルミン酸カリウムとしては、無水物又は水和物のいずれも使用できるが、水への溶解性や貯蔵安定性の点で、水和物を含み、所定の強熱減量の範囲にあるものが好ましい。具体的には、強熱減量として、１０～３０質量％であることが好ましい。さらに、水和物としてアルミン酸カリウム三水和物を含むものが好ましい。このようなアルミン酸カリウムを使用することによって、低温でも急結性が良好であり、かつ貯蔵安定性も良好な急結剤を得ることができる。

アルミン酸カリウムの粒度としては、特に限定されるものではないが、貯蔵安定性ならびに非晶質カルシウムアルミネートの均一混合性の点で、粒径として１ｍｍ以下が好ましく、０．５ｍｍ以下がより好ましい。

アルミン酸カリウムの含有量は、低温環境下での急結性及び長期強度発現性の観点から、非晶質カルシウムアルミネート１００質量部に対して、無水物換算で１～２０質量部であることが好ましい。２～１５質量部がより好ましく、３～１２質量部がさらに好ましく、５～１０質量部が特に好ましい。

さらに本発明におけるセメント組成物用急結剤には、必要に応じて、アルカリ土類金属硫酸塩、アルカリ金属硫酸塩、アルカリ金属炭酸塩、アルカリ金属珪酸塩、硫酸アルミニウム、ミョウバン等を含有することができる。

本発明のセメント組成物用急結剤は、吹付コンクリート（吹付モルタルを含む）に添加して使用される。セメント組成物用急結剤の使用量としては、吹付コンクリート中のセメント１００質量部に対して、５～１５質量部が好ましい。

吹付コンクリートに使用されるセメントは、特に限定されるものではなく、各種ポルトランドセメントあるいは混合セメントを使用することができる。また、骨材は一般のモルタル、コンクリートに用いられる細骨材、粗骨材を使用することができる。この他、本発明の効果を損ねない範囲で、各種混和材（剤）を使用することができる。例えば減水剤、ＡＥ減水剤、高性能減水剤、高性能ＡＥ減水剤、流動化剤等のセメント分散剤、粉塵低減剤、収縮低減剤、増粘剤、消泡剤、防水剤、防錆剤、保水剤、撥水剤、白華防止剤、顔料、繊維、高炉スラグ微粉末、フライアッシュ、石粉、シリカフューム等が挙げられる。

セメント組成物用急結剤の吹付コンクリートへの添加は、従来使用の吹付装置を使用して行うことができる。例えば、コンクリートをポンプ圧送し、一方急結剤供給装置によりセメント組成物用急結剤を空気圧送して、吹付ノズルの手間のY字管にて合流させて吹付コンクリートとしたものを吹付ける方法等が挙げられる。

本発明におけるセメント組成物用急結剤を用いた吹付コンクリートは、低温環境下（１５℃以下、特に１０℃以下）でも高い急結性を有し、良好な吹付施工を行うことができる。

以下、実施例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明は何らこれらに限定されるものではない。

［カルシウムアルミネート］
本発明では、以下の原料を用い、クリンカの化学組成が表１の組成となるよう配合し、配合物を電気炉にて溶融し、液体窒素中に流して急冷し、非晶質カルシウムアルミネートクリンカを作製した。
更には、ディスクミルを用いて前記クリンカ試料を粉砕し、試料バッチ量と粉砕時間の調整により、ブレーン比表面積５０００±２００ｃｍ^２／gの粉末試料を作成した。
表１に、作製したクリンカ試料（ＣＡ１～ＣＡ６）のＣａＯ／Ａｌ_２Ｏ_３モル比、非晶質成分含有率、ブレーン比表面積を示す。尚、クリンカ試料ＣＡ６は、溶融物量と液体窒素量の比率を調整しても、非晶質成分含有率の高いサンプルを得ることができなかった。

（１）原料
・カルシウム原料；市販石灰石（ＣａＯ；５４％）
・アルミニウム原料；市販仮焼ボーキサイト（Ａｌ_２Ｏ_３；８７％、ＳｉＯ_２；５％、Ｆｅ_２Ｏ_３；２％）

［アルミン酸塩］
次に、市販のアルミン酸カリウム試薬（強熱減量２２質量％）を乾燥させ、各種の強熱減量（付着水分量）の異なるアルミン酸カリウム試料を得た。尚、比較用に市販のアルミン酸ナトリウム試薬を用いて試験を行った。
表２にアルミン酸カリウム（ＫＡ）、アルミン酸ナトリウム（ＮＡ）試料のキャラクターをまとめて示す。尚、鉱物組成は、Ｘ線回折装置を用いて定量した。

［セメント組成物用急結剤の製造］
次に、表３の配合で、レーディゲミキサを用いて、８０～８８ｋｇ／バッチでカルシウムアルミネートとアルミン酸塩を１０分間混合して、急結剤試料とした。

［急結性の評価］
ベースモルタルを練り混ぜた後に、セメント組成物用急結剤をセメントに対して添加し、ハンドミキサで５秒間混ぜた後に、ＪＩＳＡ１１４７「コンクリートの凝結時間試験方法」の手法に準じて急結剤添加３０秒後のモルタルのプロクター貫入抵抗値を測定し、急結性の指標とした。尚、本試験は、１０℃恒温度試験室内で行った。
ベースモルタルの材料を下記に、モルタル配合、並びに、急結剤添加量を、表４にまとめて示す。
（２）ベースモルタル用材料
・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）
・水；水道水

セメント組成物用急結剤の使用材料・配合、並びに、急結性の評価結果を、表５にまとめて示す。本発明のセメント組成物用急結剤は、低温においても、高い急結性を有していることが確認された。

Claims

非晶質カルシウムアルミネートとアルミン酸カリウムを含むことを特徴とする粉末状急結剤であって、該非晶質カルシウムアルミネートのＣａＯ／Ａｌ_２Ｏ_３モル比が１．９～２．５であり、前記アルミン酸カリウムの含有量が前記非晶質カルシウムアルミネート１００質量部に対して、無水物換算で１～２０質量部であることを特徴とするセメント組成物用粉末状急結剤。
前記アルミン酸カリウムの強熱減量が、１０～３０質量％であることを特徴とする、請求項１記載のセメント組成物用粉末状急結剤。
前記アルミン酸カリウムが、アルミン酸カリウム三水和物を含むことを特徴とする、請求
項１又は２記載のセメント組成物用粉末状急結剤。
請求項１～３のいずれか１項に記載のセメント組成物用粉末状急結剤を含有する吹付けコンクリート。