JPH07196351A

JPH07196351A - セメント用急結材及びコンクリート、モルタルの凝結、硬化を促進する方法

Info

Publication number: JPH07196351A
Application number: JP35513593A
Authority: JP
Inventors: Minoru Takehiro; 実武広; Yoshiaki Tsuchida; 良明土田; Tomonobu Ueyasu; 知伸上保; Hisashi Suzuki; 寿鈴木; Shunichiro Uchida; 俊一郎宇智田
Original assignee: Chichibu Onoda Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 1993-12-28
Filing date: 1993-12-28
Publication date: 1995-08-01

Abstract

(57)【要約】【目的】この発明は、コンクリート、モルタルの凝
結、硬化を著しく促進させるセメント用急結材及びこれ
を用いたコンクリート、モルタルの凝結、硬化を促進す
る方法を得ようとするものである。【構成】ＣａＯが６０〜３０重量％、Ａｌ_２Ｏ_３が２
０〜４０重量％、ＳｉＯ_２が５〜３０重量％、Ｎａ_２Ｏ
が５〜２０重量％の組成のＣａＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ
_２−Ｎａ_２Ｏ系の溶融急冷された組成物を含有するセメ
ント用急結材である。また、このセメント用急結材をセ
メントに対し２〜２５重量％添加する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、トンネル工事等で使
用される吹き付け用コンクリート、モルタルに使用する
セメント用急結材及びこれを用いたコンクリート、モル
タルの凝結、硬化を促進する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】非常に短時間でセメントを凝結、硬化さ
せるためには、極めて速いスピードで水和物を生成する
ように調整された混和材をセメントに混合する必要があ
る。また、凝集性のある水和生成物の生成速度を調整す
ることが可能となれば、これによりコンクリートやモル
タルの初期強度を著しく高めたり、凝結時間を極端に短
くすることができる。そして、このような特性を持つセ
メント用急結材を用いてトンネルの天井部、橋台下等の
天板にコンクリートやモルタルを吹き付ける、いわゆる
吹付け工法が広く行われている。

【０００３】この工法に適用するためのセメント用急結
材として、従来から様々なものが使用されている。吹付
工事に使用するコンクリートとして必要な特性は、付着
性が良好で跳ね返りが少ないこと、コンクリートの凝結
が早く付着後直ちに硬化すること、芯材となる鋼材を腐
食させないこと等が上げられる。

【０００４】すでに公知の多くのセメント用急結材を大
別すると、水ガラスを主体とするもの、アルミン酸塩を
主体とするもの、か焼明ばん石を主体としたもの等があ
る。しかしながら、水ガラスを主体とするものは、硬化
後のコンクリートの強度が向上せず、長期安定性が不十
分で、しかもアルカリ量も多くアルカリ公害を生じる恐
れがある。また、アルミン酸ソーダと炭酸ソーダとから
なる急結材は、その添加量の変動により凝結時間、初期
強度が大きく変化し、品質が安定しないという問題点が
指摘されている。また、これは吸湿性が高く、アルカリ
量も多く長期安定性にも問題があった。か焼明ばん石を
主体とするものは、付着性が低く初期強度発現性も低
い。また、通常では特に問題を生じないが、厳冬期に急
結性能が低下するもの、硬化後の強度発現に特に問題の
あるセメント用急結材等もある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、セメント
ペースト、モルタル、コンクリートの凝結、硬化を著し
く促進させ、しかも高い初期強度及び長期強度発現が期
待できるセメント用急結材を得ようとするものである。

【０００６】

【課願を解決するための手段】この発明の原理は、水和
活性に富んだ組成物をセメントに添加することにより、
セメントの水和を促進するとともに、添加した組成物が
セメントペースト液相中の各イオンと反応し、急速に凝
集性のある水和物を生成することによる凝結、及び硬化
を促進することにある。

【０００７】ＣａＯが６０〜３０重量％、Ａｌ_２Ｏ_３が
２０〜４０重量％、ＳｉＯ_２が５〜３０重量％、Ｎａ_２
Ｏが５〜２０重量％の組成のＣａＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｓｉ
Ｏ_２−Ｎａ_２Ｏ系の溶融急冷された組成物（ＣＡＳＮ系
組成物と呼ぶ）は、非常に水和活性に優れており，これ
を含有するセメント用急結材（請求項１）は、優れた性
能を発揮する。一般にＳｉＯ_２が５％以上含有されるＣ
ａＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系組成物は、非常に水和活
性が低く、それだけでは水硬性を持たず、アルカリや石
膏等の刺激材を添加することにより水硬性を発揮する。
しかしＣａＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系組成物にＮａ_２
Ｏを添加し、Ｎａ_２Ｏ／ＳｉＯ_２モル比を０．５〜３．
０の範囲に調整することにより非常に水和活性に優れた
組成物（ＣＡＳＮ系組成物）ができる。

【０００８】このＣＡＳＮ系組成物をモルタルやコンク
リートに添加した場合、注水直後のゲル状物質の生成、
これに続くカルシウムアルミネート水和物の生成、さら
に、モノサルフェート水和物及びエトリンガイトの生成
が短時間で大量に行われ、コンクリートの付着性が増大
するとともに凝結及び硬化を促進することができる。

【０００９】また、上記ＣＡＳＮ系組成物に対し、石
膏、石灰、炭酸アルカリ、アルミン酸ソーダ及び水酸化
アルミニウムの少なくとも１種を混合したセメント用急
結材（請求項２）を、モルタルやコンクリートに添加し
た場合も、注水直後のゲル状物質の生成、これに続くカ
ルシウムアルミネート水和物の生成、さらに、モノサル
フェート水和物及びエトリンガイトの生成が短時間で行
われ、凝結及び硬化を促進することができるが、石膏、
石灰、炭酸アルカリ、アルミン酸ソーダ及び水酸化アル
ミニウムを添加することにより、生成する水和物の量比
や生成時期を調整することができ、これにより、凝結時
間の調整等が可能になる。

【００１０】また上記ＣＡＳＮ系組成物１００重量部に
対し、石膏を５〜３５重量部、石灰を５〜４０重量部、
炭酸アルカリを５〜５０重量部、アルミン酸ソーダを１
０〜５０重量部添加したセメント用急結材（請求項３）
は、特に、超短時間で凝結することが必要な場合の配合
であり、さらに、これに加えて水酸化アルミニウムを２
５重量部以下添加したセメント用急結材（請求項４）
は、低温での物性をより良くした場合の配合である。

【００１１】そして、コンクリートまたはモルタルを混
練する際に請求項１〜４に記載したセメント用急結材の
いずれかをセメントに対して２〜２５％添加する（請求
項５）と、コンクリートまたはモルタルの凝結、硬化を
促進することができる。

【００１２】本願発明のセメント用急結材に用いるＣＡ
ＳＮ系組成物は、ＣａＯが６０〜３０重量％、Ａｌ_２Ｏ
_３が２０〜４０重量％、ＳｉＯ_２が５〜３０重量％、Ｎ
ａ_２Ｏが５〜２０重量％の組成で、１４００℃以上の温
度で溶融したものであるが、微量成分としてＫ_２Ｏ，Ｍ
ｇＯ，Ｆｅ_２Ｏ_３，ＴｉＯ_２等を５％程度含有していて
も良い。ＣＡＳＮ系組成物は、電気炉等の適切な設備に
より溶融され、その後非晶質と成るように急冷される必
要がある。

【００１３】上記の組成の溶融急冷したＣＡＳＮ系組成
物を含む急結材をセメントに添加すると、ゲルの生成→
カルシウムアルミネート水和物の生成→エトリンガイト
及びモノサルフェート水和物の生成の順で水和が進行
し、この反応の形態が非常に良好な急結性能を示すこと
が明らかになった。しかしながら、この急結反応メカニ
ズムの性能をより高くするためには、上記組成物に石
膏、石灰、炭酸アルカリ、アルミン酸ソーダ及び水酸化
アルミニウムの一種以上を混合しセメントに添加するこ
とが有効である（請求項２）。

【００１４】また、上記ＣＡＳＮ組成物に石膏、石灰、
炭酸アルカリ、アルミン酸ソーダさらに水酸化アルミニ
ウムを一定の割合で混合することにより、より優れた急
結性能を示す（請求項３及び４）。石膏は、エトリンガ
イト及びモノサルフェート水和物の生成のバランスを図
るものであり、水不溶性のＩＩ型無水石膏が最も好まし
い。その添加量は、使用温度によって異なるが、上記Ｃ
ＡＳＮ組成物１００重量部に対し５〜３５重量部の範囲
とする。使用温度が５〜１０℃では石膏の配合比は５〜
１０重量部が好ましい。低温度使用の場合、石膏が５重
量部未満あるいは１０重量部以上となると、エトリンガ
イトの生成量が低く、強度発現が低くなる恐れがあるの
で、上記範囲が好ましい。使用温度が１０〜３０℃で
は、石膏は１０〜２０重量部、使用温度が３０℃以上の
場合は２０〜３５重量部でさらに良好な急結性を示す。

【００１５】石灰は、実質上８０％以上のＣａＯまたは
Ｃａ（ＯＨ）_２となり、エトリンガイトの生成量及び生
成速度を制御する重要な役割を果たす。その配合比は、
上記ＣＡＳＮ組成物１００重量部に対し５〜４０重量部
の範囲とする。これが４０重量部を超えると強度発現性
が低下し、またこれが５重量部未満では十分な急結性を
示さない。石灰は生石灰を用いる場合は、硬焼としてＣ
ａ^２＋イオンの溶出を極力低下させたものが良好な性能
を示す。

【００１６】炭酸アルカリ金属塩は、炭酸リチウム、炭
酸ソーダ、炭酸カリウム等で急結性を付与する場合の補
完的役割を果たす副材で、ＣＡＳＮ組成物１００重量部
に対し５〜５０重量部とする。これが５重量部未満では
Ａｌ_２Ｏ_３イオンの溶出を増進することができず、十分
な急結性を示さない。またこれが５０重量部を超えると
長期強度及び耐久性が低下し好ましくない。

【００１７】さらにアルミン酸ソーダを、ＣＡＳＮ組成
物１００重量部に対し１０〜５０重量部配合する。これ
が１０重量部未満であると急結性が著しく低下し、また
これが５０重量部を超えると耐久性は低下する。

【００１８】さらに水酸化アルミニウムをＣＡＳＮ組成
物１００重量部に対し２５重量部以下配合することによ
り、より急結性能を向上させることができる。この水酸
化アルミニウムは、アルミン酸ソーダの配合比が多い場
合は、多く必要としない。アルミン酸ソーダの配合比が
１５重量部以下のときは使用すると良好な結果が得られ
る。また、水酸化アルミニウムの配合比は、使用温度が
２０℃以下のときは１０〜２５重量部、２０℃以上のと
きは１０％未満として使用すると好ましい。

【００１９】請求項５の発明は、コンクリートまたはモ
ルタルを混練する際に、請求項１、２、３、４のいずれ
かに記載のセメント用急結材をセメントに対し、２〜２
５重量％添加するものである。すなわち、請求項１、
２、３及び４記載の急結材を、セメントに予め混合して
おかないで、コンクリートまたはモルタルの混練に際し
て添加してコンクリートまたはモルタルの凝結、硬化を
促進する方法である。この方法は通常、コンクリートま
たはモルタルの吹付けで行われるものであるが、この発
明はこうした場合に用いる急結材として請求項１、２、
３及び４に記載したものを用い、かつセメントに対し、
２〜２５重量％添加するというものである。これが２重
量％未満では凝結、硬化速度が遅く吹付け工事用として
は十分でなく、またこれが２５重量％を超えると長期強
度及び耐久性が低下し好ましくない。

【００２０】本発明の構成は以上の通りであるが、この
発明の最も特徴とするところは、良好な急結性能を示し
た急結材について検討を加えた結果から、ＣａＯが６０
〜３０重量％、Ａｌ_２Ｏ_３が２０〜４０重量％、ＳｉＯ
_２が５〜３０重量％、Ｎａ_２Ｏが５〜２０重量％の組成
で、かつ溶融急冷したＣＡＳＮ系組成物を急結材に用い
ることにより、注水直後からの数分間、ゲルの生成→カ
ルシウムアルミネート水和物の生成→モノサルフェート
水和物及びエトリンガイトの生成の順で水和が進行し、
この反応の形態が非常に良好な急結性能を示すことと、
セメントの急結性を得るのに必要なＣａ^２＋、Ａｌ^３＋
イオンの溶出を、石膏、石灰、炭酸アルカリ、アルミン
酸ソーダ及び水酸化アルミニウムの添加によりコントロ
ールして、急結性をより高めたことにある。

【００２１】

【実施例】次に本発明の実施例を説明する。（ＣａＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２−Ｎａ_２Ｏ系組成物）
使用したＣａＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２−Ｎａ_２Ｏ_３系
組成物（ＣＡＳＮ系組成物）の化学組成を表１に示す。

【００２２】

【表１】

【００２３】溶融急冷後に表１の化学組成となるように
に調整した原料をアーク式溶融炉を使用して完全に溶融
させた後、非晶質とするため、圧縮空気を使用して急速
に冷却した。（急結材）上記で得られた各種のＣＡＳＮ系組成物を用
い、これに表２に示す割合で無水石膏、生石灰、水酸化
アルミニウム、炭酸ソーダ及びアルミン酸ソーダを配合
して急結材とした。

【００２４】

【表２】

【００２５】（急結材の評価方法）次の急結材の性能評
価方法によって、１、２、３、４、５及び１０分後のプ
ロクター貫入抵抗値を求めた。結果を表３に示す。プロ
クター貫入抵抗値は凝結に続く強度の増進を示す。（急結材の性能評価方法）口径１０ｃｍ、高さ１５ｃｍ
の円筒型ポリ容器にセメント（普通ポルトランドセメン
ト）４００ｇを秤取り、これに水２４０ｍｌ（水セメン
ト比０．６）を入れた後、直径５ｃｍの羽付ハンドドリ
ルで１０００ｒｐｍの回転数で１分間混合し、２８ｇの
急結材を添加後、５秒間攪拌し、セメントペーストを平
滑にした後、静置した。急結材を添加した後、１／２０
ｉｎ^２のプロクター貫入針を使用し１ｉｎ．貫入した時
の抵抗値を１、２、３、４、５及び１０分後に測定し
た。

【００２６】

【表３】

【００２７】この発明の急結材を用いたセメントペース
トでは凝結、硬化が極めて迅速なうえに、初期及び長期
（２８日）の強度発現も比較例（２０℃）と比べ格段に
良好である。さらに、５℃という厳しい条件下でも、従
来品が通常２分でも強度発現しないことと比べ、良好な
結果を示していると言うことができる。

【００２８】なお、この発明のセメント急結材の吸湿性
については以下のようにして試験したところ良好な結果
を得た。２０℃、相対湿度８０％の室内に１週間急結材
を放置した後性能試験を実施したが効果にほとんど変化
は認められなかった。

【００２９】

【発明の効果】この発明の急結材は、以上の通り優れた
急結性を示すとともに、初期及び長期の強度発現もよ
く、これまでの問題点を解消した急結材ということがで
きる。そのため、これをコンクリートまたはモルタルの
吹付けに用いると、施工が確実にできて、一層強固な構
築物を形成することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鈴木寿千葉県佐倉市大作二丁目４番２号小野田セメント株式会社中央研究所内 (72)発明者宇智田俊一郎千葉県佐倉市大作二丁目４番２号小野田セメント株式会社中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＣａＯが６０〜３０重量％、Ａｌ_２Ｏ_３
が２０〜４０重量％、ＳｉＯ_２が５〜３０重量％、Ｎａ
_２Ｏが５〜２０重量％の組成のＣａＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｓ
ｉＯ_２−Ｎａ_２Ｏ系の溶融急冷された組成物を含有する
ことを特徴とするセメント用急結材。
【請求項２】ＣａＯが６０〜３０重量％、Ａｌ_２Ｏ_３
が２０〜４０重量％、ＳｉＯ_２が５〜３０重量％、Ｎａ
_２Ｏが５〜２０重量％の組成のＣａＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｓ
ｉＯ_２−Ｎａ_２Ｏ系の溶融急冷された組成物に対し、石
膏、石灰、炭酸アルカリ、アルミン酸ソーダ及び水酸化
アルミニウムの少なくとも１種を混合したことを特徴と
するセメント用急結材。
【請求項３】ＣａＯが６０〜３０重量％、Ａｌ_２Ｏ_３
が２０〜４０重量％、ＳｉＯ_２が５〜３０重量％、Ｎａ
_２Ｏが５〜２０重量％の組成のＣａＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｓ
ｉＯ_２−Ｎａ_２Ｏ系の溶融急冷された組成物１００重量
部に対し、石膏を５〜３５重量部３石灰を５〜４０重量
部、炭酸アルカリを５〜５０重量部、アルミン酸ソーダ
を１０〜５０重量部添加したことを特徴とするセメント
用急結材。
【請求項４】ＣａＯが６０〜３０重量％、Ａｌ_２Ｏ_３
が２０〜４０重量％、ＳｉＯ_２が５〜３０重量％、Ｎａ
_２Ｏが５〜２０重量％の組成のＣａＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｓ
ｉＯ_２−Ｎａ_２Ｏ系の溶融急冷された組成物１００重量
部に対し、石膏を５〜３５重量部、石灰を５〜４０重量
部、炭酸アルカリを５〜５０重量部、アルミン酸ソーダ
を１０〜５０重量部、水酸化アルミニウムを２５重量部
以下添加したことを特徴とするセメント用急結材。
【請求項５】コンクリートまたはモルタルを混練する
際に、請求項１ないし４のいずれかに記載したセメント
用急結材をセメントに対し２〜２５重量％添加すること
を特徴とするコンクリート、モルタルの凝結、硬化を促
進する方法。