JP3957672B2

JP3957672B2 - 吹付け工法

Info

Publication number: JP3957672B2
Application number: JP2003335054A
Authority: JP
Inventors: 康宏中島; 実盛岡; 昌浩岩崎; 寺島　　勲; 積石田
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2003-09-26
Filing date: 2003-09-26
Publication date: 2007-08-15
Anticipated expiration: 2023-09-26
Also published as: JP2005097060A

Description

本発明は、道路、鉄道、及び導水路等のトンネル、並びに、法面において、露出した地山面に急結性のコンクリートを吹き付ける際に使用する吹付け材料、急結性吹付けコンクリート、及びそれを用いた吹付け工法に関する。

従来、トンネルの掘削作業等において露出した地山の崩落を防止するために、粉体の急結剤をコンクリートに混合した急結性吹付けコンクリートを吹き付ける工法が用いられている（特許文献１、特許文献２、及び特許文献３参照）。
これらの吹付け工法で使用するセメントとしては、急結性や初期強度発現性の面から普通ポルトランドセメントが多用されている。
しかしながら、近年、廃棄物を再利用する廃棄物循環型社会構築の気運が高まっており、高炉スラグ微粉末の使用が環境負荷低減の一環として推奨され、高炉スラグ微粉末を混合した混合セメントにおいても、急結性や初期強度発現性の優れる材料の開発が待たれていた。

また、地域によっては、酸性の地質を有する箇所もあり、耐久性向上の面から、このような箇所では耐酸性に優れる高炉スラグ微粉末を使用することが望まれている。
しかしながら、高炉スラグ微粉末と普通ポルトランドセメントを混合した高炉セメントでは、低温時の初期強度発現性が低下するという課題があった。

そして、初期強度発現性の低下が引き起こす剥落による災害を回避するために、薄吹きにて施工した場合や、また、厚吹きした場合にでも充分な安全強度に達するまでの時間を確保する必要があり、特に、次工程に進めない場合には、工期の長期化によるコストアップが問題となった。

一方、廃棄物循環型社会の構築の面から、セメント原料として、都市型廃棄物を利用したセメントが開発された（特許文献４参照）。

都市型廃棄物を原料として製造される廃棄物利用セメントは、廃棄物中のアルミニウムの含有量が高いことから、必然的に急硬性の高いカルシウムアルミネート類の含有量が多くなり、初期強度発現性の必要な緊急工事等で使用されている。
しかしながら、廃棄物利用セメントは、普通ポルトランドセメントと比較して塩素含有量が高く、高耐久性の面から、より低い塩素含有量であることが望まれている。

また、特定の急結剤により、これらの急硬成分の能力を充分に引き出すことが可能であれば、水和活性の低い高炉スラグ微粉末を使用した混合セメントにおいても工期の短縮化が図れるものと考えられる。
特公昭６０−００４１４９号公報特開平０９−０１９９１０号公報特開平１０−０８７３５８号公報特開平０７−１６５４４６号公報

本発明者は、以上の状況を鑑み、廃棄物利用セメントと高炉スラグ微粉末を組み合わせた混合セメントを使用することで、環境循環型社会に貢献でき、かつ、セメント硬化体中の塩素量の低減が図れ、この混合セメントと、カルシウムアルミネートや石膏を含有する急結剤とを併用することで、急結性や耐酸性に優れるという知見を得て本発明を完成するに至った。

即ち、本発明は、（１）（１−１）と（１−２）を配合してなる吹付けセメントコンクリートと、（２）速硬リサイクル型セメントと高炉スラグ微粉末の合計100部に対して、（２）（２−１）（２−２）（２−３）を含有してなる急結剤２〜15部とを、吹付け直前に混合して吹き付けることを特徴とする吹付け工法であり、
（１−１）速硬リサイクル型セメント100部中、11CaO・7Al ₂ O ₃ ・CaCl ₂ 含有量が12部以上である速硬リサイクル型セメント
（１−２）速硬リサイクル型セメントと高炉スラグ微粉末の合計100部中、15〜70部の高炉スラグ微粉末（高炉スラグ微粉末のブレーン比表面積値は3,000cm ² /g以上）
（２−１）急結剤100部中、カルシウムアルミネート39〜49.5部（カルシウムアルミネートはブレーン比表面積値が4,000cm ² /g以上、12CaO・7Al ₂ O ₃ 組成でかつ非晶質のもの）
（２−２）急結剤100部中、ブレーン比表面積値が3,000cm ² /g以上の無水石膏39〜49.5部
（２−３）急結剤100部中、アルミン酸ナトリウム３〜22部
吹付けセメントコンクリートが、骨材と、水とを配合してなることを特徴とする該吹付け工法である。

以下、本発明を詳細に説明する。
また、本発明でいうセメントコンクリートとは、セメントペースト、モルタル、及びコンクリートの総称である。
なお、本発明における部や％は特に規定しない限り質量基準で示す。

本発明で使用する廃棄物利用型セメント（以下、リサイクル型セメントという）は都市型廃棄物を原料として製造されるもので、都市型廃棄物や下水汚泥を主原料として製造されるセメントを総称するものであり特に限定されるものではない。
リサイクル型セメントには、大別して、普通リサイクル型セメントと速硬リサイクル型セメントがある。
普通リサイクル型セメントはFe₂O₃含有量が多く、アルミネート系化合物の主体はカルシウムアルミノフェライトであり、速硬リサイクル型セメントは普通リサイクル型セメントよりも塩素含有量が高く、アルミネート系化合物の主体は11CaO・7Al₂O₃・CaCl₂である点で相違している。
これらカルシウムアルミノフェライトやカルシウムアルミネート化合物の含有量はリサイクル型セメント100部中、12部以上であることが好ましい。12部未満では優れた急結性が得られない場合がある。

本発明で使用する高炉スラグ微粉末（以下、スラグ粉という）は、溶鉱炉で鉄鋼石から銑鉄をつくる際に副生する溶融スラグを、粉砕又は粉砕・分級して得られるアルミノケイ酸塩を主成分とする微粉末であり、JIS A 6206に規定されるものが好ましい。
スラグ粉は、CaO、SiO₂、Al₂O₃、及びMgOなどを含有し、CaO／SiO₂が1.15〜1.25、（CaO＋MgO）／（SiO₂＋Al₂O₃）が0.90〜1.05、Al₂O₃が15部未満、及びMgOが５部未満であることが好ましい。この範囲外では強度発現性が阻害される場合がある。
スラグ粉の粒度は、強度発現性の面からブレーン比表面積値（以下、ブレーン値という）で3,000cm²/g以上が好ましい。3,000cm²/g未満では優れた強度発現性が得られない場合がある。
スラグ粉の使用量は、リサイクル型セメントとスラグ粉からなる混合セメント100部中、15〜65部が好ましく、20〜50部がより好ましい。15部未満では産業廃棄物であるスラグ粉を大量に処理することができないため、循環型社会の構築への寄与が小さく、硬化体中の塩素含有量が低減しない場合があり、65部を超えると低温時の初期強度発現性が損なわれる場合がある。

本発明で使用する急結剤は、急結剤中に少なくともカルシウムアルミネートと石膏を含有するものである。

ここで、カルシウムアルミネートは、CaO原料やAl₂O₃原料等を混合したものをキルンでの焼成、電気炉での溶融等の熱処理をし、粉砕して得られるものである。
本発明におけるカルシウムアルミネートは、CaOをC、Al₂O₃をA、及びSiO₂をSと略記すると、例えば、C₃A、C₁₂A₇、C₁₁A₇・CaF₂、C₁₁A₇・CaCl₂、C₂AS、CA、及びCA₂などと標記されるものであり、これらの一種又は二種以上を併用することが可能である。
さらに、これらにアルカリ金属が固溶したものやミネライザーとしてMgやSiを含有させることも可能である。
カルシウムアルミネートは非晶質、結晶質のものが使用可能であり、これらが混在することも可能である。
カルシウムアルミネートの粒度やその分布は特に限定されるものではないが、急結性の面からブレーン値で4,000cm²/g以上が好ましく、6,000cm²/g以上がより好ましい。
カルシウムアルミネートの使用量は特に限定されるものではないが、急結剤100部中、30〜70部が好ましい。30部未満では優れた急結性が得られない場合があり、70部を超えると長期強度発現性が損なわれる場合がある。

また、石膏としては、無水石膏、半水石膏、及び二水石膏等が挙げられ、これらの一種又は二種以上が使用可能である。
無水石膏には、弗酸副生無水石膏や天然無水石膏が含まれる。
石膏を水に浸漬させたときのｐＨは、８以下の弱アルカリから酸性のものが好ましい。ｐＨが高い場合、石膏の溶解度が高くなり、初期の強度発現性を阻害する場合がある。
ここでいうｐＨとは、石膏／イオン交換水が１ｇ／100ｇの20℃における希釈スラリーのｐＨをイオン交換電極等を用いて測定したものである。
石膏の粒度は、ブレーン値で3,000cm²/g以上が好ましく、5,000cm²/g以上が強度発現性の面から好ましい。
石膏の使用量は特に限定されるものではないが、急結剤100部中、30〜70部が好ましい。30部未満では長期強度発現性が損なわれる場合があり、70部を超えると優れた急結性が得られない場合がある。

本発明で使用するアルカリ金属アルミン酸塩(以下、アルミン酸アルカリという)は、アルミナ原料とアルカリ金属水酸化物とを混合して得られるものであり、アルカリ金属としては、リチウム、ナトリウム、及びカリウムなどが挙げられる。
アルカリ金属元素をＲと略記すると、アルミン酸アルカリ塩のR₂OとAl₂O₃のモル比は特に限定されるものではないが、0.65〜1.2が好ましい。0.65未満では優れた急結性が得られない場合があり、1.2を超えると長期強度発現性が損なわれる場合がある。
アルミン酸アルカリの粒度はカルシウムアルミネートや石膏と同等か、それ以上であることが急結性を向上させる面から好ましい。
アルミン酸アルカリの使用量は、急結剤100部中、５〜20部が好ましい。５部未満ではより優れた急結性が得られない場合があり、20部を超えると急結性状が損なわれる場合がある。

急結剤には、これらの材料以外にアルカリ金属炭酸塩、生石灰、消石灰、及び水酸化アルミニウムなどを含有させることが可能である。

さらに、本発明では、ｐＨ調整剤、分散剤、安定化剤、防凍剤、水溶性促進剤、ＡＥ剤、減水剤、ＡＥ減水剤、凝結遅延剤、増粘剤、繊維、及び微粉等の添加剤を本発明の目的を実質的に阻害しない範囲で併用することが可能である。

急結剤の使用量は、リサイクル型セメントとスラグ粉からなる混合セメント100部に対して、２〜15部が好ましい。２部未満では優れた凝結性状が発揮されない場合があり、15部を超えると長期強度発現性が悪くなる場合がある。

本発明の吹付け材料、骨材、及び水を含有してなる吹付けセメントコンクリート中の混合セメントの使用量は、330〜500kg/m³が好ましく、水セメント比は40〜65％が好ましい。この範囲外では施工性や耐久性が損なわれる場合がある。

また、吹付けセメントコンクリートのスランプやフロー値に関しては特に限定されるものではない。

吹付け工法としては、一般的に行われている湿式の吹付け工法や乾式の吹付け工法が可能である。
湿式の吹付け工法としては、吹付けセメントコンクリートに、急結剤を混合する方法等が挙げられ、乾式の吹付け工法としては、セメント、砂、及び砂利のコンクリート組成物に水や急結剤を混合する方法や、セメント、砂、砂利、及び急結剤に水を混合する方法が挙げられる。

急結剤を吹付けセメントコンクリートに混合する方法としては、Ｙ字管等を用いて吹付け直前に混合することが好ましい。具体的には、圧送されてきた吹付けセメントコンクリートに急結剤を添加して急結性吹付けセメントコンクリートを調製し、その急結性吹付けセメントコンクリートが吐出されるまでの時間を10秒以内にすることが好ましく、２秒以内にすることがより好ましい。
また、本発明の急結性吹付けセメントコンクリートをトンネルの地山の他、法面の地山に直接、又は、フレーム骨格を配置した個所に吹き付けることも可能である。
ここで、フレーム骨格とは、金網、鉄筋、及び鉄骨等を組み合わせて壁面に固定したものであり、該フレーム骨格に急結性吹付けセメントコンクリートを吹き付け、鉄筋類含有セメントコンクリートフレームとする。

本発明の吹付け材料、急結性吹付けセメントコンクリート、及びそれを用いた吹付け工法によって、産業副産物であるスラグ粉を使用しても、高い急結性を付与することが可能となり、その硬化体は耐酸性を有するなどの効果を奏する。

セメント／砂比Ｃ／Ｓ１／３、水／セメント比Ｗ／Ｃ60％とし、リサイクル型セメントとスラグ粉からなる混合セメント100部中、スラグ粉を40部使用して吹付けモルタルを調製した。
調製したモルタル中の混合セメント100部に対して、表１に示す急結剤を８部使用して急結性吹付けモルタルとし、試験環境温度は20℃で、プロクター貫入抵抗値を測定した。結果を表１に併記する。

＜使用材料＞
スラグ粉：新日鐵高炉社製、商品名エスメント、ブレーン値4,000cm²/g
リサイクル型セメント：太平洋セメント社製、商品名エコセメント（速硬型）、C₃S 44％、C₂S 10％、SO₃ 16％、C₄AF ８％、C₁₁A₇・CaCl₂ 17％
カルシウムアルミネート：C₁₂A₇組成、非晶質、ブレーン値8,000cm²/g
石膏：無水石膏、一級試薬、ブレーン値6,000cm²/g
アルミン酸アルカリ：アルミン酸ナトリウム、一級試薬、ブレーン値4,000cm²/g
砂：新潟県姫川産川砂、比重2.62
水：水道水

＜測定方法＞
プロクター貫入抵抗値：凝結性状の確認、ASTM C 403「貫入抵抗によるコンクリートの凝結時間試験方法」に準拠。モルタルと急結剤を混合後、１分と３分の凝結性状を評価

表１の実験No.1- 9で用いた急結剤を使用し、リサイクル型セメントと、表２に示す量のスラグ粉とを使用し、試験環境温度は20℃でプロクター貫入抵抗値と重量変化率を測定したこと以外は実施例１と同様に試験した。
また、比較のため、普通セメントを使用した場合についても同様に試験した。結果を表２に併記する。

＜使用材料＞
普通セメント：普通ポルトランドセメント、太平洋セメント社製、C₃S 54％、C₂S 21％、SO₃ ３％、C₄AF ９％、C₃A ９％

＜試験項目＞
重量変化率：耐酸性試験、硬化体を水中で28日間養生した後、５％の濃度の硫酸水溶液に28日間浸漬させ、浸漬前後の重量変化を測定

Claims

（１）（１−１）と（１−２）を配合してなる吹付けセメントコンクリートと、（２）速硬リサイクル型セメントと高炉スラグ微粉末の合計100部に対して、（２）（２−１）（２−２）（２−３）を含有してなる急結剤２〜15部とを、吹付け直前に混合して吹き付けることを特徴とする吹付け工法。
（１−１）速硬リサイクル型セメント100部中、11CaO・7Al ₂ O ₃ ・CaCl ₂ 含有量が12部以上である速硬リサイクル型セメント
（１−２）速硬リサイクル型セメントと高炉スラグ微粉末の合計100部中、15〜70部の高炉スラグ微粉末（高炉スラグ微粉末のブレーン比表面積値は3,000cm ² /g以上）
（２−１）急結剤100部中、カルシウムアルミネート39〜49.5部（カルシウムアルミネートはブレーン比表面積値が4,000cm ² /g以上、12CaO・7Al ₂ O ₃ 組成でかつ非晶質のもの）
（２−２）急結剤100部中、ブレーン比表面積値が3,000cm ² /g以上の無水石膏39〜49.5部
（２−３）急結剤100部中、アルミン酸ナトリウム３〜22部
吹付けセメントコンクリートが、骨材と、水とを配合してなることを特徴とする請求項１に記載の吹付け工法。