JPWO2020008794A1

JPWO2020008794A1 - ボルト定着用セメント組成物及びボルト定着工法

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Publication number: JPWO2020008794A1
Application number: JP2020528740A
Authority: JP
Inventors: 佐々木　崇; 崇佐々木; 聖一寺崎; 荒木　昭俊; 昭俊荒木
Original assignee: Denka Co Ltd; Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2018-07-06
Filing date: 2019-06-06
Publication date: 2021-08-05
Anticipated expiration: 2039-06-06
Also published as: JP7198281B2; WO2020008794A1

Abstract

セメントと、膨張材と、珪酸ソーダと、さらに、ミョウバンおよび／またはアルカリ金属炭酸塩とを含有してなるボルト定着用セメント組成物である。

Description

本発明は、土木・建築分野で使用するセメント組成物、特に、道路、鉄道及び導水路等のトンネルにおいて、ロックボルト工法のボルト定着材や掘削時の注入材、及び法面のアンカー工法のボルト定着材等に使用できるセメント組成物及びこれを用いたボルト定着工法に関する。

トンネルのロックボルト工法や法面のアンカー工法では、削孔した後、セメント、細骨材、水を混合してモルタルを調製し、ポンプ圧送により孔にモルタルを充填し、ボルトを挿入するボルト定着工法が行われている。

この工法において、モルタルの水／セメント比を小さくすると、モルタルの強度、ボルトの定着力は増大するが、流動性が低下するため、ポンプ圧送、孔への充填が困難になる。逆に、モルタルの水／セメント比を大きくすると、ポンプ圧送、孔への充填は容易となるが、充填後に逸流したり、材料分離したりすることにより、確実なボルト定着ができなくなるという問題があった。

特に近年、ロックボルト工法では、削孔した後にボルトを挿入し、ボルト中心部の孔から、又はボルト側面の隙間からモルタルを充填してボルトを定着する、後充填式工法が多くなり、この工法では水／セメント比を大きくしないと充填が非常に困難で、前述の課題が顕著になった。さらに、湧水箇所への充填後にひび割れが発生した際に、その修復が不要あるいは容易であれば、メンテナンスの観点から非常に有意である。
そこで、特許文献１に示すセメントに、膨張材、アルカリ金属アルミン酸塩及びアルカリ金属炭酸塩を配合してなるセメント組成物や、特許文献２に示すセメント、細骨材及び分離防止剤を含有してなるボルト定着用セメント組成物が提案されている。

特開２００５−１１２６４８号公報特開２００８−８８０４０号公報

特許文献１及び特許文献２では、孔への充填後、粘度や初期強度発現性が低く、高湧水下では当該セメント組成物が流出してしまう課題があった。
以上から、本発明は、孔への充填時は良好な流動性を保ち、充填後静置すると急激な粘度上昇を示し、初期強度発現性が高いボルト定着用モルタルを作製することが可能で、ボルト定着後に形成されるひび割れに対して優れた修復作用を発揮できるボルト定着用セメント組成物を提供することを目的とする。

本発明者らは、種々検討を行った結果、孔への充填時は良好な流動性を保ち、充填後静置すると急激な粘度上昇を示し、初期強度発現性が高いモルタルを得るための特定のセメント組成物を見出し、さらにひび割れ箇所に対して優れた修復作用を発揮できることを見出し、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明は下記のとおりである。

［１］セメントと、膨張材と、珪酸ソーダと、さらに、ミョウバンおよび／またはアルカリ金属炭酸塩とを含有してなるボルト定着用セメント組成物。
［２］前記珪酸ソーダにおけるＳｉＯ_２とＮａ_２Ｏとのモル比（ＳｉＯ_２／Ｎａ_２Ｏ）が０．５〜１．５である［１］に記載のボルト定着用セメント組成物。
［３］前記珪酸ソーダにおける水和水の数が９以下である［１］または［２］に記載のボルト定着用セメント組成物。
［４］さらに細骨材を含む［１］〜［３］のいずれかに記載のボルト定着用セメント組成物。
［５］［１］〜［４］のいずれかに記載のボルト定着用セメント組成物を水で混練してなるボルト定着用モルタルを削孔した孔に注入した後、ボルトを前記削孔した孔に挿入して定着するボルト定着工法。
［６］削孔した孔にボルトが挿入された状態で、［１］〜［４］のいずれかに記載のボルト定着用セメント組成物を水で混練してなるボルト定着用モルタルを前記削孔した孔に注入して前記ボルトを定着するボルト定着工法。

本発明によれば、孔への充填時は良好な流動性を保ち、充填後静置すると急激な粘度上昇を示し、初期強度発現性が高いボルト定着用モルタルを作製することが可能で、ボルト定着後に形成されるひび割れに対して優れた修復作用を発揮できるボルト定着用セメント組成物を提供するができる。

以下、本発明について詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、本明細書における部や％は特に規定しない限り質量基準で示す。

［ボルト定着用セメント組成物］
本発明のボルト定着用セメント組成物に係る一態様（本実施形態）は、セメントと、膨張材と、珪酸ソーダと、さらに、ミョウバンおよび／またはアルカリ金属炭酸塩とを含有してなる。また、細骨材をさらに含有してなることが好ましい。
本実施形態のボルト定着用セメント組成物と水とを混練することにより、ボルト定着用モルタルが得られる。

（セメント）
本実施形態で使用するセメントとしては、特に限定されるものではなく、普通、早強、超早強、低熱および中庸熱等の各種セメント、これらのセメントに、高炉スラグやフライアッシュやシリカフュームなどを混合した各種混合セメント、都市ゴミ焼却灰や下水汚泥焼却灰を原料として製造された環境調和型セメント（エコセメント）、市販されている微粒子セメントなどが挙げられ、各種セメントや各種混合セメントを微粉末化して使用することも可能である。また、通常セメントに使用されている成分（例えば石膏等）量を増減して調整されたものも使用可能である。

（膨張材）
本実施形態で使用する膨張材としては、特に限定されるものではなく、膨張性水和物を生成させ、ブリーディングを抑制するものであれば、いかなるものでも使用可能である。膨張材として遊離石灰、遊離マグネシア、カルシウムフェライト、エトリンガイト系、石灰系、エトリンガイト−石灰複合系、アウイン系を含むものが知られ、特に限定されるものではない。

膨張材の粒度はブレーン比表面積で２０００〜９０００ｃｍ^２／ｇであることが好ましく、３０００〜８０００ｃｍ^２／ｇであることがより好ましい。２０００ｃｍ^２／ｇ以上であることで水和反応が良好に進行し、９０００ｃｍ^２／ｇ以下であることで水和反応が早くなり過ぎず、所定の膨張が得られやすくなる。
なお、本明細書において、ブレーン比表面積はＪＩＳＲ５２０１準拠して求めることができる。

膨張材の使用量はセメント１００部に対して１〜２０部であることが好ましく、２〜１５部であることがより好ましく、３〜７部であることがさらに好ましい。特に、１部以上（特に２部以上）であることで収縮低減効果が得られやすくなり、２０部以下（特に１５部以下）であることで膨張量が大きくなり過ぎて強度が低下するのを防ぐことができる。

（珪酸ソーダ）
本発明で使用する珪酸ソーダは、主に極初期の流動性消失の促進効果を発揮するもので、また、例えば、ボルト定着施工した際のボルト定着材料が長い年月によりひび割れを生じた際に、例えば０．１ｍｍひび割れに対しては流水条件下であれば、修復することができる。これは水によりゲル化した珪酸ソーダが、そのひび割れ自体を修復するように働きその幅を小さくするためと考えられる。なお、上記効果を効率よく発現させる観点から、珪酸ソーダは粉末状であることが好ましい。

ボルト定着用セメント組成物として、例えば極初期の流動性消失を促進するものとして、珪酸ソーダにおけるＳｉＯ_２とＮａ_２Ｏとのモル比（ＳｉＯ_２／Ｎａ_２Ｏ）は、０．５〜１．５であることが好ましく、０．９〜１．３であることがより好ましい。
モル比が０．５以上であると、粉末として取り扱い性が良好であり、１．５以下であると、モルタルに対して添加直後からの著しい流動性消失や初期強度発現性が得られやすくなる。

珪酸ソーダとしては、オルソ珪酸ソーダ、メタ珪酸ソーダ、セスキ珪酸ソーダ等が挙げられるが、なかでもメタ珪酸ソーダが好ましい。また、珪酸ソーダとしては、珪酸ソーダ１号［Ｎａ_２Ｓｉ_２Ｏ_５（Ｎａ_２Ｏ・２ＳｉＯ_２：ｎ＝２）］、珪酸ナトリウム２号［Ｎａ_４Ｓｉ_５Ｏ_１２（Ｎａ_２Ｏ・２．５ＳｉＯ_２：ｎ＝２．５）］、珪酸ソーダ３号［Ｎａ_２Ｓｉ_３Ｏ_７（Ｎａ_２Ｏ・３ＳｉＯ_２：ｎ＝３）］、及び珪酸ソーダ４号［Ｎａ_２Ｓｉ_４Ｏ_９（Ｎａ_２Ｏ・４ＳｉＯ_２：ｎ＝４）］等も挙げられる。

珪酸ソーダとしては、水和物であっても無水物であっても特に限定はされないが、水和水の数は９以下が好ましく、５以下がより好ましく、無水和物の使用がさらに好ましい。

珪酸ソーダのブレーン比表面積は、３００〜１０００ｃｍ^２／ｇであることが好ましく、５００〜８００ｃｍ^２／ｇであることがより好ましい。３００〜１０００ｃｍ^２／ｇであることで、初期強度発現性が得られやすい。

珪酸ソーダの使用量は、セメント１００部に対して０．０５〜８部であることが好ましく、０．１〜５部であることがより好ましく、０．２〜１部であることがさらに好ましい。０．０５部以上（特に０．１部以上）であることで充填後の増粘効果が充分となりやすく、８部以下（特に５部以下）であると増粘効果が大き過ぎてポンプ圧送が困難になるのを防ぎ、長期強度発現性が良好にすることができる。

（アルカリ金属炭酸塩）
本実施形態で使用するアルカリ金属炭酸塩（以下、炭酸塩という）としては、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸リチウム、重炭酸ナトリウム、重炭酸カリウム、セスキ炭酸ナトリウム等が挙げられ、これらの１種又は２種以上を使用してもよい。これらの中では、充填後の増粘効果が大きい点で炭酸カリウムが好ましい。

アルカリ金属炭酸塩の使用量は、セメント１００部に対して０．０３〜４部であることが好ましく、０．０５〜３部であることがより好ましく、０．１〜１．０部であることがさらに好ましい。０．０３部以上（特に０．０５部以上）であることで充填後の増粘効果が充分に得られやすくなり、４部以下（３部以下）であることで増粘効果が大きくなり過ぎるのを防ぎポンプ圧送を良好な状態にすることができる。

（ミョウバン）
ミョウバンは、ボルト定着用セメント組成物の流動性消失を促進することや、１日程度の強度発現性を促進するために有効である。ミョウバンとしては特に限定されないが、例えば、カリミョウバン、クロムミョウバン、鉄ミョウバン、アンモニウムミョウバン、ナトリウムミョウバン、天然ミョウバン等いずれのミョウバンも使用、併用が可能である。特にセメントモルタルやセメントコンクリート流動性を消失するものとして、カリミョウバン、ナトリウムミョウバン、アンモニウムミョウバンからなる群から選択される少なくとも１種を含むことが好ましい。

ミョウバンの使用量は、セメント１００部に対して、０．０５〜１８部であることが好ましく、０．１〜１５部であることがより好ましく、０．２〜１０部であることがさらに好ましい。使用量を０．０５〜１８部（特に０．１〜１５部）とすることで、流動性消失が遅延せず、材齢１日における強度発現性を良好にすることができる。

アルカリ金属炭酸塩とミョウバンは併用してもよく、その場合のこれらの合計使用量は、セメント１００部に対して、０．０３〜２５部であることが好ましく、０．０５〜２０部であることがより好ましく、０．１〜１８部であることがさらに好ましい。使用量を０．０３〜２５部とすることで、流動性消失が遅延せず、材齢１日における強度発現性を良好にすることができる。
また、流動性消失又は強度発現性の観点から、ミョウバンのブレーン比表面積は、４００〜１０００ｃｍ^２／ｇであることが好ましい。

（細骨材）
本実施形態で使用する細骨材は特に限定するものではなく、川砂、山砂、石灰砂、硅砂等、何れも使用できる。
細骨材の最大寸法は１．２ｍｍ以下であることが好ましく、０．６ｍｍ以下であることがより好ましい。１．２ｍｍ以下であることで、現場施工時、特にロックボルト工法の後充填工法で、充填口が細い場合でも、閉塞せずに良好に充填することができる。
細骨材は、現場施工時の作業性や物性の変動が少ない点から、石灰砂又は硅砂等の乾燥砂を予め本セメント組成物に混合して用いるのが好ましい。
細骨材の使用量は、セメント１００部に対して、１０〜３００部であることが好ましく、５０〜２００部であることがより好ましい。１０〜３００部であることで、閉塞せずに良好に充填することができる。

本実施形態では必要に応じて、減水剤や増粘剤等を更に使用してもよい。
本実施形態で使用する減水剤は、セメントコンクリートの流動性を改良するために使用する薬剤であり、液状でも粉状でも使用できる。減水剤としては、ポリオール誘導体、リグニンスルホン酸塩やその誘導体、高性能減水剤等が挙げられ、これらの１種又は２種以上を併用してもよい。これらの中では、強度発現性や流動性改良効果の大きい点で高性能減水剤が好ましい。

高性能減水剤としては、アルキルアリルスルホン酸塩のホルマリン縮合物、ナフタレンスルホン酸塩のホルマリン縮合物、メラミンスルホン酸塩のホルマリン縮合物及びポリカルボン酸系高分子化合物等が挙げられ、これらの１種又は２種以上を併用してもよい。これらの中では、流動性改善効果が大きい点でメタクリル酸ナトリウム−メトキシポリオキシエチレンメタクリレート共重合物が好ましい。

高性能減水剤の使用量は、セメント１００部に対して０．０５〜３部であることが好ましく、０．１〜２部であることがより好ましい。０．０５部以上であると充分な流動性改良効果が得られやすくなり、３部以下であると流動性が大きくなり過ぎず、充填後の増粘効果を阻害されたり、材料分離を起こし強度発現性が低下したりするのを防ぐことができる。
高性能減水剤は液状や粉状のものが使用できるが、現場使用時の作業性や物性の変動が少ない点から、粉状の減水剤を本発明セメント組成物に予め混合して用いることが好ましい。

本実施形態で使用する増粘剤とは、セメントコンクリートに粘性を付与する薬剤であり、充填後の増粘効果を更に高めるものである。増粘剤としては、メチルセルロース、エチルセルロース、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、ヒドロキシエチルメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース及びヒドロキシエチルエチルセルロース等のセルロース類；アルギン酸、アルギン酸ナトリウム、β−１，３グルカン、プルラン、グアーガム、カゼイン及びデュータンガム、ウェランガム等の多糖類；酢酸ビニル、エチレン、塩化ビニル、メタクリル酸、アクリル酸、アクリル酸ナトリウム及び不飽和カルボン酸等のビニル重合体やこれらの共重合体、並びに、酢酸ビニル重合体やその共重合体をケン化したポリビニルアルコール骨格に変性したもの等のエマルジョン類が挙げられ、これらの１種又は２種以上を併用してもよい。これらの中では充填後の増粘効果が大きい点でセルロース類が好ましい。

増粘剤の使用量は、セメント１００部に対して、０．００５〜０．１部であることが好ましく、０．００８〜０．０５であることがより好ましい。０．００５部以上であると充分な増粘効果が得られやすく、０．１部以下であると増粘効果が大きくなり過ぎず、ポンプ圧送が困難になったり、強度発現性が低下したりするのを防ぐことができる。

更に、本実施形態では、高温時の本発明セメント組成物の粘度上昇時間及び凝結時間を遅延させるために、有機酸又はその塩、有機酸又はその塩と炭酸塩の混合物、リン酸塩、ホウ酸塩又はその塩及びアルコール類等の凝結遅延剤を使用してもよい。

以上のような本実施形態のセメント組成物によれば、道路、鉄道、導水路等のトンネルにおけるロックボルト工法や掘削時の注入工法、及び法面のアンカー工法等において、ポンプでの圧送時は良好な流動性を保ち、圧送停止後静置すると急激に粘度が上昇し、急激な粘度上昇や初期強度発現性が高く、逸流や材料分離を防止でき、さらにひび割れ箇所に対して優れた修復作用を発揮できるため、確実なボルト定着が可能となる。

［ボルト定着工法］
本実施形態の第１のボルト定着工法は、本実施形態のボルト定着用セメント組成物を水で混練してなるボルト定着用モルタルを削孔した孔に注入した後、ボルトを削孔した孔に挿入して定着する工法である。

また、本実施形態の第２のボルト定着工法は、削孔した孔にボルトが挿入された状態で、本実施形態のボルト定着用セメント組成物を水で混練してなるボルト定着用モルタルを削孔した孔に注入してボルトを定着する工法である。

本実施形態のセメント組成物に対する水の使用量は、水／セメント比で４５〜７５％であることが好ましく、５０〜７０％であることがより好ましい。４５％以上であると良好な流動性が得られやすくなり、ポンプ圧送も良好となる。７５％以下であることで材料分離を起こし強度発現性が低下するのを防ぐことができる。

脆弱な地盤を補強する工法としては、ロックボルト工法やアンカー工法等が知られているが、本発明はこれらの工法におけるボルトの定着に非常に有効である。

アンカー工法とは、活動しようとするすべり土塊に対する処理で、例えばテンドンという引張り部材の一端をボーリング孔の安定した地盤（アンカー定着部）へ設置して反力を取り、引張り部材のもう一端を地表のコンクリート構造物や受圧盤に固定し、すべり活動を抑止するものである。上記引張り部材の設置の際に本実施形態のボルト定着工法が適用できる。
なお、ボーリング孔の自立が困難な地盤では、地面からアンカー定着部までの間にシース管を挿入する場合もある。

ロックボルト工法とは、斜面（法面）等に掘削機を利用して円柱状の孔を掘削し、その掘削孔の内部に長尺な円柱状のロックボルト（異形鋼等）を挿入し、その後、掘削孔の内部にロックボルトを固定化（定着）するが、この固定化の際に本実施形態のボルト定着工法が適用できる。

以下、実施例により本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（実験例１）
セメントＡ１００部と、表１に示す量の膨張材、珪酸ソーダ、ミョウバン、及びアルカリ金属炭酸塩と、メタクリル酸ナトリウム−メトキシポリオキシエチレンメタクリレート共重合物０．１部とを配合してボルト定着用セメント組成物を得た。さらに、細骨材αを５０部及び水を６５部混合してボルト定着用モルタルを作製し、経時時間毎の粘度、膨張率、圧縮強度、ひび割れ修復率を測定した。結果を下記表２に示す。

＜使用材料＞
（１）セメント
セメントＡ：普通ポルトランドセメント、ブレーン比表面積値３３４０ｃｍ^２／ｇ
（２）膨張材
膨張材ａ：アウイン系、ブレーン比表面積６１１０ｃｍ^２／ｇ
膨張材ｂ：デンカ社製「デンカパワーＣＳＡタイプＳ」、エトリンガイト−石灰複合型、ブレーン比表面積３０００ｃｍ^２／ｇ
（３）珪酸ソーダ
珪酸ソーダ：ＳｉＯ_２／Ｎａ_２Ｏモル比１．０、ブレーン比表面積値６００ｃｍ^２／ｇ、市販品、無水塩

（４）ミョウバン
ミョウバンａ：カリウムミョウバン１２水和物、市販品、ブレーン比表面積値６００ｃｍ^２／ｇ
ミョウバンｂ：硫酸ナトリウムアルミニウム１２水和物、市販品、ブレーン比表面積値７００ｃｍ^２／ｇ
ミョウバンｃ：アンモニウムミョウバン１２水和物、市販品、ブレーン比表面積値６００ｃｍ^２／ｇ
（５）アルカリ金属炭酸塩
アルカリ金属炭酸塩ａ：炭酸カリウム、市販品
アルカリ金属炭酸塩ｂ：炭酸ナトリウム、市販品

（６）細骨材
細骨材α：硅砂、市販品、最大寸法０．５ｍｍ

＜試験方法＞
（１）粘度：各例で得られたモルタルをカップに入れ、Ｂ型粘度計により測定した。測定時間は練り上がり直後（０分）と１５分後とした。なお、練り上がり直後の粘度は、７５００ｍＰａ・ｓ以下が好ましく、６５００ｍＰａ・ｓ以下がより好ましく、１５分後の粘度は、１００００ｍＰａ・ｓ以上が好ましい。
当該粘度の測定により、孔への充填時の流動性、充填後静置した際の粘度上昇を評価できる。

（２）膨張率：各例で得られたモルタルを土木学会標準のφ５０ｍｍポリエチレン袋に採取し、ＪＳＣＥ−Ｆ５２２−１９９９に準じて材齢２０時間に測定した。膨張率は、−３．０％以上が好ましい。

（３）圧縮強度：各例で得られたモルタルを４０×４０×１６０ｍｍの型枠に採取し、ＪＩＳＲ５２０１に準じて材齢１日と２８日に測定した。材齢１日の強度（初期強度）は、５Ｎ／ｍｍ^２以上が好ましい。

（４）ひび割れ修復率：ＪＩＳＡ６２０２−１９９７に準じて一軸拘束の条件で１０ｃｍ×１０ｃｍ×４０ｃｍの型枠に各例で得られたモルタルを流し込み試験体を作製した。材齢７日後、曲げ試験を行いひび割れ幅が０．１ｍｍとなるようにした後、２０℃で水中養生を６ヶ月間実施し、マイクロスコープで観察し、０．１ｍｍ幅の隙間に対する修復率を求めた。なお、ひび割れ修復率は、５０％以上であることが好ましい。

本発明のボルト定着用セメント組成物を用いることで、初期の粘度は低く、その後粘度が上昇することで定着効果が向上し、強度発現性、さらにひび割れ修復率が優れることがわかる。

（実験例２）
珪酸ソーダとして、ＳｉＯ_２／Ｎａ_２Ｏモル比が下記表３に示すものを用いたこと以外は、実験Ｎｏ．１−３と同様にしてボルト定着用モルタルを作製した。その後、実験例１と同様にして各種試験を行った。その結果を表３に示す。

本実施形態のボルト定着用セメント組成物を用いることで、初期の粘度は低く、その後粘度が上昇することで定着効果が向上し、強度発現性、さらにひび割れ修復率が優れることがわかる。

本発明は、土木・建築分野で使用するセメント組成物、特に、道路、鉄道及び導水路等のトンネルにおいて、ロックボルト工法のボルト定着材や掘削時の注入材、及び法面のアンカー工法のボルト定着材等に好適に使用できる。

Claims

セメントと、膨張材と、珪酸ソーダと、さらに、ミョウバンおよび／またはアルカリ金属炭酸塩とを含有してなるボルト定着用セメント組成物。
前記珪酸ソーダにおけるＳｉＯ_２とＮａ_２Ｏとのモル比（ＳｉＯ_２／Ｎａ_２Ｏ）が０．５〜１．５である請求項１に記載のボルト定着用セメント組成物。
前記珪酸ソーダにおける水和水の数が９以下である請求項１または２に記載のボルト定着用セメント組成物。
さらに細骨材を含む請求項１〜３のいずれか１項に記載のボルト定着用セメント組成物。
請求項１〜４のいずれか１項に記載のボルト定着用セメント組成物を水で混練してなるボルト定着用モルタルを削孔した孔に注入した後、ボルトを前記削孔した孔に挿入して定着するボルト定着工法。
削孔した孔にボルトが挿入された状態で、請求項１〜４のいずれか１項に記載のボルト定着用セメント組成物を水で混練してなるボルト定着用モルタルを前記削孔した孔に注入して前記ボルトを定着するボルト定着工法。