JP4545304B2

JP4545304B2 - 吹付ノズル、急結性セメントコンクリート及び吹付方法

Info

Publication number: JP4545304B2
Application number: JP2000324764A
Authority: JP
Inventors: 積石田; 昭俊荒木; 悟寺村
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2000-10-24
Filing date: 2000-10-24
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2020-10-24
Also published as: JP2002129896A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばトンネル掘削工事における地山の補強や掘削面の安定化のために行われる吹付ノズル、急結性セメントコンクリート、及び吹付方法に関する。
なお、本発明ではペースト、モルタル、及びコンクリートを総称してセメントコンクリートと言う。
【０００２】
【従来の技術】
従来からトンネルの掘削時に掘削面の剥落や湧水による崩壊を防ぐために、セメントコンクリートと急結剤を混合した急結性セメントコンクリートを吹付ける吹付方法が行われている。
【０００３】
急結性セメントコンクリートの吹付方法は、乾式法と湿式法に大別される。乾式法は例えば、セメント、骨材、及び急結剤等を含有した混合物を圧縮空気と共に配管内を輸送し、吹付ノズル手前で別の配管から水を添加、混合し、急結性セメントコンクリートを調製し、吹付ける方法である。湿式法は例えば、急結剤以外の材料と水を混合したセメントコンクリートを圧縮空気あるいはピストンポンプ等で配管内を輸送し、吹付ノズル手前で別の配管から急結剤を添加し、急結性セメントコンクリートを調製し、吹付ける方法である。
【０００４】
いずれの方法も吹付ノズル手前に合流管を設けて二つの配管を繋げ、該合流管で各材料を合流、混合して急結性セメントコンクリートを調製し、吹付けることを特徴としている。即ち、乾式法は、合流管の一方からセメント、骨材、及び急結剤等を含有し、かつ、水を含有しない混合物を輸送し、合流管の他方から水を合流管へ輸送し、両者を合流、混合して急結性セメントコンクリートを調製する方法である。湿式法は、合流管の一方から急結剤以外の水を含有する材料からなるセメントコンクリートを輸送し、合流管の他方から急結剤を合流管へ輸送し、両者を合流、混合して急結性セメントコンクリートを調製する方法である。
【０００５】
通常は急結性セメントコンクリートを吹付けて、目的とする地山に急結性セメントコンクリートを定着させる。その時、一部の急結性セメントコンクリートは粉塵となって周囲に浮遊し、作業環境を悪くする。又、一部の急結性セメントコンクリートは地山に到達しても定着せずに跳ね返り、リバウンドと称する損失が生じる。これらの粉塵やリバウンドは、急結性セメントコンクリートが均一に混合されていないか、あるいは吹付に使用する圧縮空気量が最適化されていないために生じると考えられる。
【０００６】
即ち、粉塵やリバウンドは、合流管の先でセメント、骨材、急結剤、及び水が十分に混ざらないか、あるいはセメントコンクリートと急結剤が十分に混ざらないために発生すると考えられる。
【０００７】
これらの粉塵やリバウンドを減らすためには、合流管から先の位置で急結剤とセメントコンクリートを均一に混合させる必要があり、従来から合流管の先に数メートルの配管を繋ぎ、合流管の先で急結剤とセメントコンクリートを混合する方法が実施されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、合流管の先にさらに数メートルの配管を繋いた場合、配管内で急結性セメントコンクリートが硬化して配管が詰まるおそれがあるという課題があった。又、急結性セメントコンクリートを長時間吹付けると、配管や吹付ノズルの内部に急結性セメントコンクリートが徐々に付着し、配管や吹付ノズルが詰まりやすくなるおそれがあるという課題があった。
【０００９】
本発明者は上記課題を解決するために種々検討した結果、従来のように合流管を用いず、特定の構造からなる吹付ノズルを使用することにより上記課題を解決できる知見を得て本発明を完成するに至った。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、（１）セメントコンクリートを輸送してなる内管と、（２）（２−１）水を輸送してなる配管とを接続する水接続口と（２−２）粉体急結剤を輸送してなる配管を接続する急結剤接続口を設けて急結剤を輸送する外管を有してなり、内管を内側に、外管を外側に配置してなる二重管構造からなる吹付ノズルであり、（１）セメントコンクリートを輸送してなる内管と、（２）（２−１）水を輸送してなる配管を接続する水接続口を（２−２）粉体急結剤を輸送してなる配管を接続する急結剤接続口より吹付ノズル先端側に設けてなる、粉体急結剤を輸送する外管とを、有してなり、内管を内側に、外管を外側に配置してなる二重管構造からなり、（３）急結剤接続口と水接続口のうち、吹付ノズル先端側にある接続口の取り付け位置を、吹付ノズル先端から、内管と外管の間隔の距離ｈ以上に設け、かつ、吹付ノズル先端から距離ｈの２０倍を越える手前側に設けず、（４）外管の先端が内管の先端と同一面上にあることを特徴とする吹付ノズルであり、該吹付ノズルを用いて、（１）セメントコンクリートと、（２’）（２−１）粉体急結剤１００質量部及び（２−２）水３０〜６００質量部を混合してなる急結剤スラリーを吐出後に合流、混合してなることを特徴とする吹付方法であり、（１）セメントコンクリートの輸送に圧縮空気を用いることを特徴とする該湿式吹付方法であり、（１）セメントコンクリートの輸送にポンプを用いることを特徴とする該湿式吹付方法であり、（１）セメントコンクリートの輸送速度が１〜２０ｍ ^３／ｈｒであり、内管の内径が２５〜１００ｍｍであり、外管の内径が、内管の外径１００に対して１１０〜３００であることを特徴とする該湿式吹付方法であり、粉体急結剤がカルシウムアルミネート類を含有してなる該湿式吹付方法である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する（図１参照）。
【００１２】
本発明はセメントコンクリートを輸送する内管１と、急結剤を輸送する外管２からなり、内管１を内側に、外管２を外側に配置した二重管構造を有する急結性セメントコンクリートの吹付ノズルであり、セメントコンクリートと急結剤は、内管１と外管２から吐出された後に合流、混合され、急結性セメントコンクリートとして吹付けられることを特徴とする。
【００１３】
内管１と外管２の材質や形状は特に限定されないが、セメントコンクリートと急結剤は内管１と外管２から吐出後に混合して吹付面まで到達する必要がある。
吹付面までの距離により異なるが、吹付材料をある速度以上で吐出させるために、内管１や外管２の吐出口を絞り込む形状にしたり、圧縮空気量を増やしたりしてもよい。
【００１４】
内管１の内径は骨材の種類により決まるが、モルタルを使用する場合は１０〜１００ｍｍが好ましく、最大寸法１５ｍｍ以下の粗骨材を含むコンクリートを使用する場合は２５〜１００ｍｍが好ましい。モルタルを使用した場合、１０ｍｍ未満だと吹付ノズルが閉塞するおそれがある。コンクリートを使用した場合、２５ｍｍ未満だと吹付ノズルが閉塞するおそれがある。１００ｍｍを越えると吹付時に多量の圧縮空気が必要となるので、粉塵やリバウンドが多くなり、大きい機械が必要になるおそれがある。
【００１５】
外管２の内径は、内管１の外径１００に対して１１０〜３００が好ましく、１２０〜２００がより好ましい。１１０未満だと吹付ノズルが閉塞するおそれがあり、３００を越えると吹付時に多量の圧縮空気が必要となるので、粉塵やリバウンドが多くなるおそれがある。
【００１６】
内管１には、セメントコンクリートを輸送するセメントコンクリート配管１１を接続するセメントコンクリート接続口２１を設ける。
【００１７】
外管２には、急結剤を輸送する急結剤配管１２を接続する急結剤接続口２２と水を輸送する水配管１３を接続する水接続口２３を設ける。
【００１８】
急結剤として粉体急結剤を用いた場合、急結剤配管１２に粉体急結剤を輸送し、水配管１３に粉体急結剤と混合する水を輸送することにより、水接続口２３と外管２との合流点で、粉体急結剤と水が合流混合され、急結剤スラリーとして外管２から吹付けられる。粉体急結剤をスラリー化することにより、リバウンドや粉塵を減らすことができる。
【００１９】
急結剤接続口２２と水接続口２３の位置については、いずれかが吹付ノズル先端側でもよいが、急結剤接続口２２と水接続口２３のうち、吹付ノズル先端側にある接続口の取り付け位置は、吹付ノズル先端から、内管１と外管２の間隔の距離ｈ以上吹付ノズル手前側（セメントコンクリート接続口２１側）に設けることが好ましく、かつ、吹付ノズル先端から距離ｈの２０倍を越える手前側に設けないことが好ましい。急結剤接続口２２と水接続口２３のうち、吹付ノズル先端側にある接続口が、吹付ノズル先端から距離ｈ以上吹付ノズル手前側に設けない場合には、粉体急結剤と水が十分に混合しないために急結性セメントコンクリートの性状が不均一になるおそれがある。吹付ノズル先端から距離ｈの２０倍を越える手前側に設けると、粉体急結剤と水の反応が進み、吹付ノズル内部に急結性セメントコンクリートが付着し、吹付ノズルが閉塞するおそれがある。
【００２０】
本発明の吹付ノズルでは、セメントコンクリートと急結剤が混合後に配管内に付着、閉塞するのを防ぐために、外管２の先端が内管１の先端と同一面上にあることが好ましい。
【００２１】
本発明で使用する急結剤としては、粉体急結剤が好ましい。
【００２２】
粉体急結剤としては、カルシウムアルミネート類、アルミン酸ナトリウム、硫酸アルミニウム、カルシウムアルミネート類と硫酸カルシウムを併用したもの、及びこれらに炭酸ナトリウム等の各種炭酸塩を併用したもの等が挙げられる。
【００２３】
ここで、カルシウムアルミネート類とは、カルシアを含む原料と、アルミナを含む原料とを混合して、キルンでの焼成や、電気炉での溶融等の熱処理をして得られる、ＣａＯとＡｌ₂Ｏ₃とを主たる成分とする、水和活性を有する物質の総称であり、ＣａＯ及び／又はＡｌ₂Ｏ₃の一部が、アルカリ金属酸化物、アルカリ土類金属酸化物、酸化ケイ素、酸化チタン、酸化鉄、アルカリ金属ハロゲン化物、アルカリ土類金属ハロゲン化物、アルカリ金属硫酸塩、及びアルカリ土類金属硫酸塩等と置換した化合物、あるいは、ＣａＯとＡｌ₂Ｏ₃とを主成分とするものに、これらが少量固溶した物質である。鉱物形態としては、結晶質、非晶質いずれであってもよい。
【００２４】
本発明では水を使用する。セメントコンクリートの特性向上の点で、水に、粉塵低減剤や凝集剤を溶解させてもよく、凝結遅延剤、増粘剤、及び超微粉を混合してもよい。
【００２５】
粉体急結剤を使用する場合、水の使用量は粉体急結剤１００質量部に対して３０〜６００質量部が好ましい。３０質量部未満だと吹付に際して粉体急結剤と水との混合が不十分となり、粉体急結剤が粉塵となって作業環境を悪くするおそれがあり、６００質量部を越えると急結性が低下するおそれがある。
【００２６】
本発明の吹付ノズルは湿式及び乾式のいずれの吹付方法でも使用できる。
【００２７】
湿式で吹付を行う場合、セメントコンクリートの輸送に圧縮空気を用いる方法とポンプを用いる方法のいずれも使用できる。圧縮空気を用いてセメントコンクリートを輸送する場合、輸送距離が長くなると多量の空気を必要とし、セメントコンクリートの粉塵やリバウンドが増えるおそれがあるものの、吹付機のメンテナンスや吹付後の掃除が簡単になる。ポンプを用いてセメントコンクリートを輸送する場合、吹付機のメンテナンスや吹付後の掃除が煩雑になるおそれはあるものの、圧縮空気を用いる場合に比べて粉塵やリバウンドが減る傾向がある。ポンプとしては、主にピストンポンプが使用できる。
【００２８】
乾式で吹付を行う場合、セメントと骨材を輸送することが多いので、通常圧縮空気を用いて輸送する。
【００２９】
本発明では、主に空気圧送により使用材料を輸送する。セメントコンクリートの輸送速度に関して特に制限はないが、１〜２０ｍ³／ｈｒが好ましい。１ｍ³／ｈｒ未満だと吹付に時間がかかり、作業効率が低下するおそれがあり、２０ｍ³／ｈｒを越えると吹付面が均一になるように仕上げることが難しいおそれがある。急結剤の輸送速度はセメントコンクリートの配合や、急結剤の種類や使用量により決定する。
【００３０】
本発明のセメントコンクリートに使用する材料は特に限定されるものではない。
【００３１】
セメントとしては、通常のセメント、例えば普通、早強等の各種ポルトランドセメント、及びこれらのポルトランドセメントにフライアッシュ等を混合した各種混合セメント等を使用できる。
【００３２】
又、必要に応じて骨材を使用できる。骨材はセメントコンクリート分野で使用されるものであるならば特に制限されず、ケイ砂や天然砂等の細骨材や、砂利等の粗骨材が使用できる。
【００３３】
本発明では必要に応じて、ガラス繊維、カーボン繊維、及び鋼繊維等の繊維状物質、メチルセルロース等の水中不分離性混和剤、凝結調整剤、ＡＥ剤、減水剤、ＡＥ減水剤、流動化剤、増粘剤、保水剤、防水剤、発泡剤、起泡剤、防錆剤、着色剤、高分子ポリマーエマルジョン、高炉スラグ、フライアッシュ、並びにシリカフューム等を本発明の目的を阻害しない範囲で併用できる。
【００３４】
【実施例】
以下、実施例により本発明を詳細に説明する。
【００３５】
（実施例１）
図１に示すように、内径６５ｍｍ、外径７１ｍｍの内管１と、内径８０ｍｍ、外径８６ｍｍの外管２とからなる、二重管構造を有する吹付ノズルを作製した。
この吹付ノズルの外管には急結剤接続口２２（内径２５ｍｍ）と水接続口２３（内径１３ｍｍ）を設けた。なお、水接続口２３は外管の端部（吹付ノズル先端部）から１０ｃｍ手前の位置に設け、急結剤接続口２２は外管の端部から２０ｃｍ手前の位置に設けた。
次いで、内管のセメントコンクリート接続口２１には、長さ２０ｍの耐圧ゴム製のセメントコンクリート配管１１を、外管の急結剤接続口２２には、長さ２０ｍの耐圧ゴム製からなる急結剤配管１２を、外管の水接続口２３には、長さ２０ｍの耐圧ゴム製からなる水配管１３をそれぞれ接続した。
そして、セメントコンクリート配管１１にはコンクリートを、急結剤配管１２には粉体急結剤を、水配管１３には水を圧送した。粉体急結剤の使用量を、コンクリート中のセメント１００質量部に対して１０質量部とした。水の使用量を、粉体急結剤１００質量部に対して６０質量部とした。
吹付に使用したコンクリートとしては、各材料の単位量をセメント４５０ｋｇ／ｍ³、水２０３ｋｇ／ｍ³、細骨材１１６４ｋｇ／ｍ³、及び粗骨材５０３ｋｇ／ｍ³とし、さらに高性能減水剤をセメント１００質量部に対して１質量部添加したものを用いた。コンクリート輸送にはピストンタイプのコンクリート用ポンプ「ＢＳＡ１００２」（丸矢工業製）を用い、１０ｍ³／ｈｒの速度でコンクリート輸送した。
粉体急結剤の輸送には急結剤添加装置「ナトムクリートＰＡＣ２５０」（ちよだ製作所製）にコンプレッサー「ＰＤＳ３９０Ｓ」（北越工業製、吐出量１０ｍ³）２台並列に繋げたものを用い、４ｍ³／ｍｉｎの圧縮空気により輸送した。
粉体急結剤と混合する水はプランジャポンプ「ＴＡ−３ＤＸ」（有光工業社製、最大能力２１ｌ／ｍｉｎ）により輸送した。
上記吹付設備と吹付材料を用いて急結性コンクリート１ｍ³を６分間、模擬トンネルの壁面に吹付け、リバウンド率と強度を評価した。
その結果、急結性コンクリートのリバウンド率は８％、強度は、材齢３時間で２．５Ｎ／ｍｍ²、材齢１日で２０．１Ｎ／ｍｍ²、材齢２８日で４５．３Ｎ／ｍｍ²であった。又、粉塵は少なかった。
【００３６】
（使用材料）
セメント：市販品、普通ポルトランドセメント、比重３．１５
細骨材：新潟県姫川産川砂、比重２．６２、ＦＭ２．８２
粗骨材：新潟県姫川産砕石、比重２．６４、ＦＭ６．８９
高性能減水剤：市販品、ポリエチレングリコール系高分子化合物
粉体急結剤：市販品、カルシウムアルミネート類を主成分としたもの
【００３７】
(評価方法）
リバウンド率：急結性コンクリート１ｍ³を高さ４．５ｍ、幅５．５ｍ、長さ２０ｍの模擬トンネル内に吹付けた。地面に落ちたコンクリートの質量を計量し、その質量を吹付けた急結性コンクリート質量で割って求めた。
強度：材齢３時間と１日の強度は土木学会基準ＪＳＣＥ−Ｇ５６１記載の引き抜き方法で評価した。材齢２８日の強度は土木学会基準ＪＳＣＥ−Ｆ５６１記載の、幅５０ｃｍ、長さ５０ｃｍ、深さ２０ｃｍの型枠に急結性コンクリートを吹付けた後、直径５ｃｍ、高さ１０ｃｍの供試体を切り出し、ＪＩＳＡ１１０８に記載されている方法で圧縮強度を測定した。
【００３８】
（実施例２）
コンクリートがコンクリート用ポンプから圧送された後、吹付ノズルの内管１に圧送される前の位置にＹ字管を設置し、Ｙ字管の一方からコンクリートを輸送し、Ｙ字管の一方から１０ｍ³／ｍｉｎの圧縮空気を輸送し、圧縮空気によりコンクリートを輸送したこと以外は、実施例１と同様に行った。
その結果、急結性付コンクリートのリバウンド率は１４％、強度は、材齢３時間で２．８Ｎ／ｍｍ²、材齢１日で２５．４Ｎ／ｍｍ²、材齢２８日で５０．３Ｎ／ｍｍ²であった。又、粉塵は少なかった。
【００３９】
（実施例３）
実施例３は乾式法で行った。各材料の単位量をセメント４００ｋｇ／ｍ³、細骨材１１８１ｋｇ／ｍ³、及び粗骨材６４１ｋｇ／ｍ³からなるコンクリートを用い、コンクリート輸送には「ＢＳＡ１００２」の代わりに空気圧送式の吹付機「アリバー２８０」（アリバー社製）を用い、１０ｍ³／ｍｉｎの圧縮空気によりコンクリート輸送し、粉体急結剤１００質量部に対して水５００質量部を用いたこと以外は、実施例１と同様に行った。
その結果、急結性コンクリートのリバウンド率は２０％、強度は、材齢３時間で２．３Ｎ／ｍｍ²、材齢１日で１４．３Ｎ／ｍｍ²、材齢２８日で３７．７Ｎ／ｍｍ²であった。又、粉塵は少なかった。
【００４０】
【発明の効果】
本発明の吹付ノズルは、粉体急結剤をスラリー化できるのでリバウンドや粉塵を減らすことができる。
そして、本発明の吹付ノズルを用いると急結性セメントコンクリートの硬化により配管が詰まることがないので、長時間安定した吹付ができ、しかも均一に混合された急結性セメントコンクリートが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の吹付ノズルの正面図と断面図である。
【符号の説明】
１内管
２外管
１１セメントコンクリート配管
１２急結剤配管
１３水配管
２１セメントコンクリート接続口
２２急結剤接続口
２３水接続口
ｈ内管１と外管２の間隔の距離

Claims

（１）セメントコンクリートを輸送してなる内管と、（２）（２−１）水を輸送してなる配管とを接続する水接続口と（２−２）粉体急結剤を輸送してなる配管を接続する急結剤接続口を設けて急結剤を輸送する外管を有してなり、内管を内側に、外管を外側に配置してなる二重管構造からなる吹付ノズル。
（１）セメントコンクリートを輸送してなる内管と、（２）（２−１）水を輸送してなる配管を接続する水接続口を（２−２）粉体急結剤を輸送してなる配管を接続する急結剤接続口より吹付ノズル先端側に設けてなる、粉体急結剤を輸送する外管とを、有してなり、内管を内側に、外管を外側に配置してなる二重管構造からなり、（３）急結剤接続口と水接続口のうち、吹付ノズル先端側にある接続口の取り付け位置を、吹付ノズル先端から、内管と外管の間隔の距離ｈ以上に設け、かつ、吹付ノズル先端から距離ｈの２０倍を越える手前側に設けず、（４）外管の先端が内管の先端と同一面上にあることを特徴とする吹付ノズル。
請求項１又は２記載の吹付ノズルを用いて、（１）セメントコンクリートと、（２’）（２−１）粉体急結剤１００質量部及び（２−２）水３０〜６００質量部を混合してなる急結剤スラリーを吐出後に合流、混合してなることを特徴とする吹付方法。
（１）セメントコンクリートの輸送に圧縮空気を用いることを特徴とする請求項３記載の湿式吹付方法。
（１）セメントコンクリートの輸送にポンプを用いることを特徴とする請求項３記載の湿式吹付方法。
（１）セメントコンクリートの輸送速度が１〜２０ｍ ^３／ｈｒであり、内管の内径が２５〜１００ｍｍであり、外管の内径が、内管の外径１００に対して１１０〜３００であることを特徴とする請求項３〜５のうちの１項記載の湿式吹付方法。
粉体急結剤がカルシウムアルミネート類を含有してなる請求項３〜６のうちの１項記載の湿式吹付方法。