TWI778211B - 高強度灌漿材料組成物和使用其的高強度灌漿砂漿、以及高強度灌漿砂漿的製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明為一種高強度灌漿材料組成物，其含有5μm以下的粒子的含量為5質量%以下且中值粒徑為15μm以上的水泥、火山灰微粉末、水溶性鈣鹽、減水劑、發泡劑、消泡劑、及細骨材。

Description

高強度灌漿材料組成物和使用其的高強度灌漿 砂漿、以及高強度灌漿砂漿的製造方法
本發明是有關於一種主要於土木．建築領域中使用的高強度灌漿材料組成物和使用其的高強度灌漿砂漿。
自先前以來，作為於土木．建築領域中使用的水泥砂漿(cement mortar)的灌漿(grout)，通常為於水泥中加入減水劑而成者。進而向其中添加硫鋁酸鈣(calcium sulphoaluminate)系膨脹材或石灰系膨脹材、或者鋁粉等發泡劑而製成無收縮材料，於該些中調配河沙或矽砂等，並被廣泛用於填充至混凝土結構物的微細空隙或逆作施工(reverse construction)中的空隙中、結構物的修補或增強位置、機械裝置的底板(base plate)下或軌道地板下等。
通常，於土木．建築工程中進行填充施工的水泥砂漿被稱為灌漿。於灌漿中，有預力混凝土(prestressed concrete，PC)灌漿、預壘混凝土(prepacked concrete)用灌漿、隧道或盾構(shield)的回填灌漿、預鑄(precast)用灌漿、結構物的修補．增強灌漿、鋼筋接頭灌漿、橋樑的支撐下灌漿、鋪裝板下灌漿、軌道下灌漿、以及核電站儲藏容器下灌漿等。
近年來，土木．建築結構物中使用的混凝土的品質發生高性能化，對作為灌漿而使用的水泥砂漿所要求的性能亦根據用途而要求高流動、高強度等。
為了獲得高流動性或高的強度表現性，已知使用含有水泥、鐵鋁酸鈣(calcium aluminoferrite)系膨脹材、二氧化矽(SiO2)含量為90%以上且氫離子濃度處於酸性區域的二氧化矽質微粉末、多羧酸系減水劑、以及細骨材而成的高強度灌漿砂漿(參照專利文獻1)。
另外，為了進一步獲得高流動性或高的強度表現性，亦已知使用不利用膨脹材而併用水溶性鈣鹽，藉此賦予高流動性的高強度灌漿砂漿(參照專利文獻2)。
但是，該些高強度灌漿砂漿的壓縮強度最大只表現出180N/mm2左右，不存在表現出200N/mm2以上的強度的高強度灌漿砂漿。
即便欲降低高強度灌漿砂漿的水/水泥比並提升強度表現性，亦需要使用大量減水劑來確保砂漿的流動性，因此存在如下情況：不僅經濟上的負擔變大，而且產生許多氣泡，細骨材沈降，反而阻礙強度表現性。
另一方面，為了減少高強度混凝土的裂紋，亦提出了使用布蘭氏(Blaine)比表面積為1000cm2/g~2400cm2/g的粗粒水泥(專利文獻3)。但是，關於僅以布蘭氏比表面積變小的方式進行了粉碎處理的水泥，並未切割(cut)微粒子，於製備混凝土時， 未能降低水/水泥比。
為了製備高強度混凝土，提出有一種含有包含粗粒水泥的黏合材、β-1,3葡聚糖(glucan)、及高性能減水劑的水硬性組成物(專利文獻4)。該水硬性組成物應用40μm~100μm的範圍的粗粒水泥，但有如下課題：由於水泥的粒度構成歪斜，因此無法進行粒子的最密填充，難以製備超過100N/mm2般的高強度混凝土。另外，亦有如下課題：容易發生材料分離，並阻礙耐久性。
[現有技術文獻]
[專利文獻]
專利文獻1：日本專利特開2008-094675號公報
專利文獻2：日本專利特開2010-150072號公報
專利文獻3：日本專利特開2006-117439號公報
專利文獻4：日本專利特開平06-263506號公報
根據以上，本發明的目的在於提供一種高強度灌漿材料組成物，其可提供一種即便以低的水/水泥比進行混煉亦可確保流動性、例如表現出200N/mm2以上的壓縮強度的高強度灌漿砂漿。
本發明者等人為了解決所述課題而進行了各種研究，結果發現，藉由將對水泥進行分級並去除了微粉的水泥、與特定的原材料組合，可獲得即便明顯減小水/水泥比亦可確保流動性、例如表現出壓縮強度為200N/mm2以上的強度的高強度灌漿砂漿， 從而完成了本發明。
即，本發明為(1)一種高強度灌漿材料組成物，其是含有5μm以下的粒子的含量為5質量%以下且中值粒徑為15μm以上的水泥、火山灰(pozzolan)微粉末、水溶性鈣鹽、減水劑、發泡劑、消泡劑、及細骨材而成，(2)一種高強度灌漿材料組成物，其中所述水泥的5μm~40μm的粒子的含量為75質量%以上，(3)一種高強度灌漿材料組成物，其中所述火山灰微粉末是SiO2含量為90質量%以上、含有氧化鋯、且氫離子濃度為酸性區域的二氧化矽質微粉末，(4)一種高強度灌漿材料組成物，其中所述火山灰微粉末於水泥與火山灰微粉末的合計100質量份中為20質量份~30質量份，(5)一種高強度灌漿材料組成物，其中所述水溶性鈣鹽相對於水泥與火山灰微粉末的合計100質量份而為0.2質量份~1質量份，(6)一種高強度灌漿材料組成物，其中所述細骨材為密度3g/cm3以上的重質骨材，(7)一種高強度灌漿材料組成物，其中所述細骨材相對於水泥與火山灰微粉末的合計100質量份而為60質量份~100質量份，(8)一種高強度灌漿砂漿，其是將所述高強度灌漿材料組成 物與水混煉而成，(9)一種高強度灌漿砂漿的製造方法，其相對於所述高強度灌漿材料組成物100質量份而添加15質量份~18質量份的水並進行混煉。
藉由使用本發明的高強度灌漿材料組成物，可提供一種即便以低的水/水泥比進行混煉亦可確保流動性、例如表現出200N/mm2以上的壓縮強度的高強度灌漿砂漿。
以下，對本發明進行詳細說明。
本發明中使用的份或%只要無特別規定，則為質量基準。
作為本發明的水泥，可列舉：普通、早強、超早強、低熱、及中熱等各種波特蘭水泥(portland cement)；或向該些水泥中混合高爐礦渣、飛灰(fly ash)或二氧化矽而得的各種混合水泥；將石灰石粉末或高爐緩冷礦渣微粉末等混合而成的填充水泥(filler cement)；以及以城市垃圾灰燼或污水污泥灰燼為原料製造的環境協調型水泥(環保水泥)。
本發明的水泥中，5μm以下的粒子的含量為5質量%以下、且中值粒徑為15μm以上。進而，5μm~40μm的粒子的含量較佳為75質量%以上。若5μm以下的粒子的含量超過5質量%，則除了無法降低水/水泥比以外，砂漿混煉時的黏性亦變高，負荷變大。若5μm~40μm的粒子的含量未滿75質量%，則初期 的強度表現性變差，容易發生泌水(bleeding)。
再者，5μm以下的粒子的含量、中值粒徑、5μm~40μm的粒子的含量可藉由實施例中記載的方法進行測定。
5μm的粒子的含量為5質量%以下、且中值粒徑為15μm以上的水泥通常包括50質量份~70質量份的C3S固溶體、10質量份~30質量份的C2S固溶體、5質量份~20質量份的C3A、2質量份~20質量份的C4AF、0.1質量份~5質量份的石膏。
布蘭氏比表面積較佳為處於1500cm2/g~3500cm2/g的範圍，更佳為處於1600cm2/g~3000cm2/g的範圍。
作為本發明的火山灰微粉末，可列舉選自高爐礦渣微粉末、飛灰、矽灰(silica fume)中的一種或兩種以上。
本發明中，為了以低的水/水泥比確保良好的流動性，較佳為使用SiO2含量為90質量%以上、含有氧化鋯、且氫離子濃度為酸性區域的源於氧化鋯(zirconia)的矽灰。
此處提及的所謂氫離子濃度，是將矽灰20g放入至純水100g中，利用磁力攪拌器攪拌5分鐘後，藉由pH計來測量懸浮液的氫離子濃度(PH)而得的值。
如日本工業標準(Japanese Industrial Standards，JIS)A 6207所規定般，所謂矽灰，是以非晶質的二氧化矽為主成分的球狀的超微粒子，且自於電弧爐中製造金屬矽或矽鐵時所產生的廢氣中捕集。此外，亦可藉由在使金屬矽微粉末於火焰中氧化的方法、或於高溫火焰中將二氧化矽質原料微粉末熔融的方法中調整 原料的熱處理條件，並將捕集溫度設為550℃以上而製造。另外，亦存在所謂的被稱為源於氧化鋯的矽灰者，所述源於氧化鋯的矽灰是於電爐中對鋯砂進行電熔時，利用旋風器(cyclone)等進行捕集並加以分級而製造。
本發明中，較佳為使用源於氧化鋯的矽灰。源於氧化鋯的矽灰為製造於耐火材料、研磨．研削材、電子材料、及陶瓷顏料等中使用的電熔氧化鋯(氧化鋯ZrO2)時所副產生者，且為將例如於2,200℃下對鋯砂(ZrSiO4)進行電熔時產生的廢氣集塵而得者。
其平均粒徑為1μm左右，較自於電弧爐中製造金屬矽或矽鐵時所產生的廢氣中捕集的平均粒徑0.1μm~0.3μm的矽灰大。
火山灰微粉末的使用量於水泥與火山灰微粉末的合計100份中較佳為20份~30份。若未滿20份，則存在強度表現不充分、或混煉時的負荷變大的情況，另一方面，即便超過30份，混煉時的負荷亦變大，存在無法以規定的水量獲得流動性的情況。
本發明的水溶性鈣鹽是為了獲得優異的流動性而使用。一般而言，水溶性鈣鹽中可列舉乙酸鈣、甲酸鈣、及硝酸鈣等，本發明中較佳為使用乙酸鈣。
為了以低的水/水泥比獲得優異的流動性，亦能夠藉由使用SiO2含量為90%以上、含有氧化鋯、且氫離子濃度處於酸性區域的矽灰、與多羧酸系減水劑而實現，但存在根據水泥的種類而必須大量添加減水劑的情況。減水劑的大量添加對初期強度表現 性造成不良影響，因此，為了將減水劑的添加量抑制於一定範圍內，併用水溶性鈣鹽。
水溶性鈣鹽的使用量相對於水泥與火山灰微粉末的合計100份，較佳為0.2份~1份，更佳為0.4份~0.6份。若未滿0.2份，則存在流動性不充分的情況，另一方面，若超過1份，則亦存在流動性反而下降的情況。
本發明的所謂減水劑，為具有對水泥的分散作用或空氣夾裹作用，且改善流動性或增加強度者的總稱，一般而言，可列舉：萘磺酸系減水劑、三聚氰胺磺酸系減水劑、木質素磺酸系減水劑、及多羧酸系減水劑等。
關於減水劑的使用形態，粉體、液體均可使用，但於作為預混料(premix)製品使用時，較佳為粉體。
減水劑的使用量相對於水泥與火山灰微粉末的合計100份，較佳為0.2份~1份，更佳為0.4份~0.6份。若未滿0.2份，則存在流動性變得不充分的情況，另一方面，若超過1份，則存在產生氣泡而強度表現變得不充分的情況、或引起明顯的凝結延遲的情況。
本發明的所謂發泡劑，是為了使砂漿成為無收縮性，而與水混煉時產生氣體並獲得初期膨脹者。
作為發泡劑，並無特別限定，例如可列舉金屬粉末或過氧化物等。其中，就添加量與效果的方面而言，較佳為鋁粉末。鋁粉末的表面容易被氧化，若利用氧化皮膜覆蓋，則反應性下降，因 此，更佳為使用利用植物油、礦物油、或硬脂酸等進行了表面處理的鋁粉末。
發泡劑的使用量相對於水泥與火山灰微粉末的合計100份，較佳為0.0003份~0.002份，更佳為0.0005份~0.0009份。若未滿0.0003份，則存在發泡效果變得不十分的情況，另一方面，若超過0.002份，則存在發泡過大而強度下降的情況。
本發明的所謂消泡劑，起到減少砂漿混煉時的捲入空氣量、並提升強度表現性的作用。
作為消泡劑，並無特別限定，可列舉聚氧乙烯烷基醚系消泡劑或普羅尼克(Pluronic)系化合物消泡劑等。
消泡劑的使用量相對於水泥與火山灰微粉末的合計100份，較佳為0.02份~0.2份，更佳為0.04份~0.15份。若未滿0.02份，則存在消泡效果不充分，且對強度表現性造成不良影響的情況，另一方面，即便超過0.2份，效果亦達到極限，存在經濟上的負擔變大的情況。
作為本發明中所使用的細骨材，較佳為使用重質骨材。
重質骨材若可獲得流動性的保持性能、強度表現性等，密度為3g/cm3以上、且為碎砂，則並無特別限定。例如可列舉：磁鐵礦石、赤鐵礦石、橄欖岩、鉻鐵礦渣、鎳鐵(ferronickel)礦渣、銅礦渣、及電爐氧化礦渣等碎砂。本發明中，能夠使用該些中的一種或併用兩種以上。作為預混料製品使用時，較佳為使用乾燥砂。
細骨材的使用量相對於水泥與火山灰微粉末的合計100份，較佳為60份~100份，更佳為70份~90份。若未滿60份，則存在砂漿的自收縮或乾燥收縮量變大、且容易產生裂紋的情況，另一方面，若超過100份，則存在流動性或強度表現性下降的情況。
本發明的高強度灌漿砂漿是將上文所述的本發明的高強度灌漿材料組成物與水混煉而成。該高強度灌漿砂漿例如是藉由相對於本發明的高強度灌漿材料組成物100質量份而添加15質量份~18質量份的水並進行混煉而製造。
本發明的混煉水量相對於高強度灌漿材料組成物100份，較佳為15份~18份。若為該範圍外，則存在流動性大大下降、或強度下降的情況。
本發明中，高強度灌漿材料組成物與水的混煉方法並無特別限定，較佳為使用轉速為900rpm以上的手搖攪拌機(hand mixer)、通常的高速灌漿攪拌機、或雙軸型的強制攪拌機。
關於利用手搖攪拌機或高速灌漿攪拌機進行的混煉，例如較佳為預先將規定的水放入至桶罐等容器或攪拌機中，然後一面使攪拌機旋轉一面投入高強度灌漿材料組成物，並混煉3分鐘以上。另外，關於利用強制攪拌機進行的混煉，例如較佳為預先將高強度灌漿材料組成物投入至攪拌機中，一面使攪拌機旋轉一面投入規定的水，至少混煉4分鐘以上。若混煉時間未滿規定時間，則存在因攪拌不足而無法獲得適當的高強度灌漿砂漿的流動 性的情況。
經混煉的高強度灌漿砂漿通常藉由手動式注入槍、膜片(diaphragm)式手壓泵、或擠壓(squeeze)式等的砂漿泵而被壓送至施工位置並進行填充施工。
[實施例]
以下，藉由實施例對本發明進行詳細說明，但本發明並不限定於該些。
(實驗例1)
使用水泥(A)~水泥(H)來製作高強度灌漿材料組成物。調配時，於水泥與火山灰微粉末的合計100份中，火山灰微粉末(一)為20份、以及相對於水泥與火山灰微粉末的合計100份而為水溶性鈣鹽0.5份、減水劑0.5份、發泡劑0.0007份、消泡劑0.09份、及細骨材(I)80份。相對於該高強度灌漿材料組成物100份而添加16份的水並進行混煉，製作高強度灌漿砂漿，測定流動性與壓縮強度。混煉中使用手搖攪拌機，於溫度20℃、濕度60%的實驗室內混煉5分鐘。將結果示於表1。
(使用材料)
水泥(A)：普通波特蘭水泥、電化(Denka)股份有限公司製造的市售品、布蘭氏比表面積3,200cm2/g、5μm以下的粒子含量28%、中值粒徑12μm、5μm~40μm的粒子含量61%
水泥(B)：對水泥A進行分級處理所得者、布蘭氏比表面積2,400cm2/g、5μm以下的粒子含量5%、中值粒徑15μm、5μm~ 40μm的粒子含量75%
水泥(C)：對水泥A進行分級處理所得者、布蘭氏比表面積1,700cm2/g、5μm以下的粒子含量3%、中值粒徑19μm、5μm~40μm的粒子含量82%
水泥(D)：使用與水泥A相同的水泥熟料(cement clinker)並使石膏添加量相同而製備的普通波特蘭水泥。布蘭氏比表面積1,700cm2/g、5μm以下的粒子含量6%、中值粒徑14μm、5μm~40μm的粒子含量70%
水泥(E)：早強波特蘭水泥、電化(Denka)股份有限公司製造的市售品、布蘭氏比表面積4,500cm2/g。5μm以下的粒子含量37%、中值粒徑7μm、5μm~40μm的粒子含量61%
水泥(F)：對水泥E進行分級處理所得者、布蘭氏比表面積2,300cm2/g、5μm以下的粒子含量4%、中值粒徑15μm、5μm~40μm的粒子含量85%
水泥(G)：高爐水泥B種、電化(Denka)股份有限公司製造的市售品、布蘭氏比表面積3,800cm2/g、5μm以下的粒子含量30%、中值粒徑8μm、5μm~40μm的粒子含量78%
水泥(H)：對水泥G進行分級處理所得者、布蘭氏比表面積2,300cm2/g、5μm以下的粒子含量4%、中值粒徑17μm、5μm~40μm的粒子含量84%
火山灰微粉末(一)：矽灰、SiO2含量95.2%、pH(氫離子濃度)=2.90、含氧化鋯、市售品
水溶性鈣鹽：乙酸鈣
減水劑：多羧酸系減水劑、市售品(巴斯夫(BASF)公司製造、商品名：麥爾弗萊科思(Melflux)AP101F)
發泡劑：鋁粉末、市售品(穿過100目篩的產品)
消泡劑：聚氧乙烯烷基醚系消泡劑、市售品(艾迪科(ADEKA)公司製造、商品名：艾迪科奈特(ADEKA NATE)B115F)
細骨材(I)：鎳鐵礦渣、密度3.15g/cm3、1.5mm以下的產品、市售品
水：自來水
(試驗方法)
粒度分佈測定：使用雷射繞射裝置(新帕泰克(Sympatec)公司製造HELOS&RODOS)，將試樣乾式分散並測定粒度分佈。藉此，求出5μm以下的粒子的含量、中值粒徑、5μm~40μm的粒子的含量。再者，中值粒徑為頻度的累積成為50%的粒徑。
流動性：依據日本標準協會JIS R 5201「水泥的物理試驗方法」來測定靜置流動。
壓縮強度：依據日本土木工程學會(Japan Society of Civil Engineering，JSCE)-G 505「使用圓柱供試體的砂漿或水泥漿(cement paste)的壓縮強度試驗方法」進行測定。於材齡1天時脫模後，於20℃水中進行保養，於材齡28天及56天時進行測定。
[表1]
Figure 108101691-A0305-02-0015-1
(實驗例2)
使用水泥(F)，並變更相對於水泥與火山灰微粉末的合計100份而言的火山灰微粉末的種類與添加量，除此以外，與實驗例1同樣地進行。將結果示於表2。
(使用材料)
火山灰微粉末(二)：高爐礦渣、密度2.92g/cm3、比表面積11,090cm2/g、市售品
火山灰微粉末(三)：飛灰、密度2.27g/cm3、比表面積3,526cm2/g、市售品
Figure 108101691-A0305-02-0015-2
Figure 108101691-A0305-02-0016-3
(實驗例3)
使用水泥(F)，並變更相對於水泥與火山灰微粉末的合計100份而言的水溶性鈣鹽的添加量，除此以外，與實驗例1同樣地進行。將結果示於表3。
Figure 108101691-A0305-02-0016-4
(實驗例4)
使用水泥(F)，並變更相對於水泥與火山灰微粉末的合計100份而言的減水劑的添加量，除此以外，與實驗例1同樣地進行。將結果示於表4。
Figure 108101691-A0305-02-0016-5
Figure 108101691-A0305-02-0017-6
(實驗例5)
使用水泥(F)，變更相對於水泥與火山灰微粉末的合計100份而言的發泡劑的添加量，並測定膨脹收縮率，除此以外，與實驗例1同樣地進行。將結果示於表5。
(試驗方法)
膨脹收縮率：依據日本土木工程學會JSCE-F 533「PC灌漿的泌水率以及壓縮強度試驗方法」進行測定。材齡1天的測定值。
[表5]
Figure 108101691-A0305-02-0018-7
(實驗例6)
使用水泥(F)，並變更相對於水泥與火山灰微粉末的合計100份而言的消泡劑的添加量，除此以外，與實驗例1同樣地進行。將結果示於表6。
Figure 108101691-A0305-02-0018-8
(實驗例7)
使用水泥(F)，變更相對於水泥與火山灰微粉末的合計100份而言的細骨材的添加量與種類，並測定長度變化，除此以外， 與實驗例1同樣地進行。將結果示於表7。
(使用材料)
細骨材(II)：矽砂、密度2.60g/cm3、1.5mm以下的產品、市售品
(試驗方法)
長度變化：依據JIS A 1129-3「砂漿及混凝土的長度變化試驗方法-第3部：度盤規(dial gauge)方法」進行測定。於溫度20℃、濕度60%的條件下保養至材齡28天，測定長度變化。
Figure 108101691-A0305-02-0019-9
(實驗例8)
相對於實驗例1-6的高強度灌漿材料組成物100份而變更水的添加量來製作高強度灌漿砂漿，除此以外，與實驗例1同樣地進行。將結果示於表8。
[表8]
Figure 108101691-A0305-02-0020-10
[產業上之可利用性]
藉由使用本發明的高強度灌漿材料組成物，可獲得即便以低的水/水泥比進行混煉亦可確保流動性、且表現出200N/mm2以上的壓縮強度的高強度灌漿砂漿。

Claims (5)

  1. 一種高強度灌漿材料組成物，其是含有5μm以下的粒子的含量為5質量%以下、中值粒徑為15μm以上且5μm~40μm的粒子的含量為75質量%以上的水泥、火山灰微粉末、水溶性鈣鹽、減水劑、發泡劑、消泡劑、及細骨材而成，其中相對於所述水泥與火山灰微粉末的合計100質量份，所述火山灰微粉末為20質量份~30質量份；所述水溶性鈣鹽為0.2質量份~1質量份；所述減水劑為0.2質量份~1質量份；所述發泡劑為0.0003質量份~0.002質量份；所述消泡劑為0.02質量份~0.2質量份；以及所述細骨材為60質量份~100質量份。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的高強度灌漿材料組成物，其中所述火山灰微粉末是SiO2含量為90質量%以上、含有氧化鋯、且氫離子濃度為酸性區域的二氧化矽質微粉末。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的高強度灌漿材料組成物，其中所述細骨材為密度3g/cm3以上的重質骨材。
  4. 一種高強度灌漿砂漿，其是將如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述的高強度灌漿材料組成物與水混煉而成。
  5. 一種高強度灌漿砂漿的製造方法，其相對於如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述的高強度灌漿材料組成物100質量份而添加15質量份~18質量份的水並進行混煉。
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