JP5205833B2

JP5205833B2 - 再生微粉を用いた可塑性グラウト材の製造方法

Info

Publication number: JP5205833B2
Application number: JP2007166146A
Authority: JP
Inventors: 茂青木; 律彦三浦; 桂史郎入矢
Original assignee: Obayashi Corp
Current assignee: Obayashi Corp
Priority date: 2007-06-25
Filing date: 2007-06-25
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2027-06-25
Also published as: JP2009001466A

Description

本発明は、主として裏込め材として利用する可塑性グラウト材を製造する方法に関する。

山岳トンネル工法でトンネルを掘削する際、覆工コンクリートの背面に生じた空洞をそのまま放置すると、覆工コンクリートに作用する地山からの圧力が偏る原因となり、地山の崩落を招くおそれもある。

そのため、覆工コンクリートの背面に生じた空洞に裏込め材を充填することにより、地山崩落といった事態を未然に防止しなければならない。

かかる裏込め材としては、地山への散逸がなく湧水下でも分離せずに確実な充填が可能であることが要求されるが、本出願人は、スペースパック（登録商標）の名称であらたな可塑性グラウト材を開発した。

かかる可塑性グラウト材は、モルタルに特殊増粘材スラリーを混合したものであって、１液性ゆえ、品質確保が容易で長距離ポンプ圧送が可能であるのみならず、高い水中不分離性とチキソトロピー性（チクソトロピー性ともいう）とを有しているため、覆工コンクリートの背面に限定注入する裏込め材としてきわめて有用である。

特開２００２−９６３１７号公報特開２００２−１４７１７９号公報

しかしながら、トンネルに使用される可塑性グラウト材の量は膨大であり、そのコストダウンを図ることが急務とされている。

一方、環境負荷の低減あるいは資源リサイクルという社会的要請の下、構造物を解体して発生したコンクリートガラから骨材を再生する技術が進展しており、今では、道路路盤材、埋戻し材、地盤改良材といったさまざまな用途で再生骨材が使用されるようになってきたが、再生骨材を製造する際に大量に発生する微粉末（以下、再生微粉）については、その活用が未だ手探りの段階であるという問題を生じていた。

本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、再生微粉を可塑性グラウト材の材料として使用可能な再生微粉を用いた可塑性グラウト材の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る再生微粉を用いた可塑性グラウト材の製造方法は請求項１に記載したように、水、細骨材及びセメント等の水硬性材料を含む混練物に水及び無機系増粘材を含む増粘材スラリーを混合して可塑性グラウト材を製造する方法において、前記混練物と前記増粘材スラリーとを混合する工程に先立って、前記混練物に再生微粉が含まれるように該混練物を作製する可塑性グラウト材の製造方法であって、前記水硬性材料の一部を前記再生微粉に置換するとともに、前記再生微粉の含水比を３〜１０％としたものである。

また、本発明に係る再生微粉を用いた可塑性グラウト材の製造方法は、前記無機系増粘材をベントナイトとしたものである。

本出願人は、環境負荷の低減あるいは資源リサイクルという社会的要請に応えるべく、再生微粉を用いて可塑性グラウト材を製造することはできないかという点に着眼して研究開発を行ってきたが、可塑性グラウト材には、覆工コンクリートの背面側に生じている空洞を所定の強度（品質）で充填することが可能でかつ地山に逸散することがないよう、一定の流動性と材料分離抵抗性とを併せ持つことが必要となる。加えて、可塑性グラウト材には、地山への逸散を防止しながら背面空洞という狭隘部への確実な充填、いわば限定注入を可能ならしめるためのチキソトロピー性という性能が要求される。

ちなみに、一定の流動性と材料分離抵抗性とを併せ持つことが要求される土木建築材料として例えば高流動コンクリートがあるが、再生微粉が添加された高流動コンクリートは、単位水量や混和剤量が増加してフレッシュ性状や硬化後の品質が低下することが本出願人の実験によって明らかになっており、再生微粉の添加量はごく少量に限られているとともに、そもそも高流動コンクリートは、自己充填性が要求されるという点で可塑性グラウト材とは本質的に異なる。

本出願人は、このような点を踏まえながら、さまざまな実験を積み重ねた結果、一定の流動性と材料分離抵抗性とを併せ持つとともに、高いチキソトロピー性を備えた可塑性グラウト材の開発に成功したものである。

すなわち、本発明に係る再生微粉を用いた可塑性グラウト材の製造方法においては、水、細骨材及びセメント等の水硬性材料を含む混練物に水及び無機系増粘材を含む増粘材スラリーを混合して可塑性グラウト材を製造するにあたり、混練物と増粘材スラリーとを混合する工程に先立って、混練物に再生微粉が含まれるように該混練物を作製する。

このようにすると、製造された可塑性グラウト材は、再生微粉によって粘性が増加し材料分離抵抗性が確保されるとともに、流動性はわずかに低下する程度にとどまることが本出願人の実験によって明らかとなった。加えて、可塑性グラウト材として重要な指標であるチキソトロピー性は、フロー増分で従前の可塑性グラウト材の場合（再生微粉の添加割合がゼロの場合）よりも２０％近く高めることができることも明らかとなった。

水硬性材料には、各種セメントのほか、フライアッシュ、膨張材、高炉スラグ微粉末、シリカフューム等の水硬性又は潜在水硬性を持つ無機質粉末が含まれる。

無機系増粘材には、主としてベントナイトが含まれるが、ベントナイトと同様にチキソトロピー性を高める作用を有する無機材料であれば、どのような材料でもかまわない。

再生微粉とは上述したように、構造物や建築物を解体したときに生じるコンクリートやモルタルを用いて再生骨材を製造する際、再生プロセスにおいて大量に発生する微粉末をいうものとする。

再生微粉は、混練物の作製が終了した時点で添加されていれば足り、水、細骨材及び水硬性材料と同時に混練してもよいし、それらを混練した後で添加し、さらに攪拌混合して作製するようにしてもかまわない。

再生微粉は、水硬性材料の一部を再生微粉に置換するものとする。

このようにすると、水硬性材料の使用量を低減することが可能となり、可塑性グラウト材の製造コストを下げることができるのみならず、産業廃棄物として処理しなければならなかった大量の再生微粉を有効利用することが可能となる。

以下、本発明に係る再生微粉を用いた可塑性グラウト材の製造方法の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。なお、従来技術と実質的に同一の部品等については同一の符号を付してその説明を省略する。

図１は、本実施形態に係る再生微粉を用いた可塑性グラウト材の製造方法を示したフローチャートである。同図でわかるように、本実施形態に係る製造方法に沿って可塑性グラウト材を製造するには、まず、水、細骨材としての砂（一部置換の場合）、水硬性材料としてのセメント、遅延剤及び再生微粉を攪拌混合して混練物（以下、水硬性混練物）を作製する（ステップ１０１）。

再生微粉は、例えば２０〜４０Ｎ／ｍｍ²程度の強度を有するコンクリートを原材料とし、密度が２．３〜２．５ｇ／ｃm³、含水比が３〜１０％、粉末度（比表面積）が２，２００〜３，０００ｃｍ²／ｇ程度のものを使用することができる。

ここで、再生微粉は、砂と合わせて、１ｍ³当たり、２５０ｋｇ程度を混合することが考えられるが、置換量は全量までの範囲で任意に選択することが可能である。例えば砂５０ｋｇ、再生微粉を２００ｋｇとしてもよいし、砂を全量置換して再生微粉を２５０ｋｇとすることも可能である。その場合には砂が不要となり、水硬性混練物は、水、セメント、遅延剤及び再生微粉を攪拌混合して作製することになる。

セメントと置換する場合には、再生微粉をセメントと合わせて、１/ｍ³当たり、２６０ｋｇ程度を混合することが考えられるが、圧縮強度を確保する関係上、再生微粉の置換割合を３０重量％程度以下に設定するのが望ましい。

このような再生微粉の砂との置換あるいはセメントとの置換は、いずれか一方を選択してもよいし、両方を置換するようにしてもかまわない。

一方、水と無機系増粘材であるベントナイトとを混練して増粘材スラリーを作製する（ステップ１０２）。ベントナイトと水の配合については、例えば水増粘材比（Ｗ／Ｂ）で540％程度とすることが考えられる。

次に、水硬性混練物と増粘材スラリーとを混合し、可塑性グラウト材を製造する（ステップ１０３）。水硬性混練物と増粘剤スラリーとは、例えば容積比で３：７程度の割合で混合することが考えられる。

以上説明したように、本実施形態に係る再生微粉を用いた可塑性グラウト材の製造方法によれば、水、細骨材、セメント及び再生微粉を含む水硬性混練物に水及びベントナイトを含む増粘材スラリーを混合して可塑性グラウト材を製造するようにしたので、製造された可塑性グラウト材は、後述する実験でもわかる通り、再生微粉によって粘性が増加し材料分離抵抗性が確保されるとともに、流動性はわずかに低下する程度にとどまる。

加えて、可塑性グラウト材として重要な指標であるチキソトロピー性は、フロー増分で従前の可塑性グラウト材の場合（再生微粉の添加割合がゼロの場合）よりも２０％近く高めることも可能となる。

また、本実施形態に係る再生微粉を用いた可塑性グラウト材の製造方法によれば、再生微粉を砂やセメントと置換するようにしたので、それらの使用量を低減することが可能となり、可塑性グラウト材の製造コストを下げることができるのみならず、産業廃棄物として処理しなければならなかった大量の再生微粉を有効利用することが可能となる。

また、本実施形態に係る再生微粉を用いた可塑性グラウト材の製造方法によれば、可塑性グラウト材全体を軽量化することも可能となる。すなわち、セメントの密度が３．０〜３．２ｇ／ｃｍ³程度、細骨材の密度が２．５５〜２．６５ｇ／ｃｍ³程度であるのに対し、再生微粉の密度は２．３〜２．５ｇ／ｃｍ³程度と軽いため、セメント置換の場合には、可塑性グラウト材全体として１〜２％程度の軽量化を図ることが可能となる。

次に、水硬性材料であるセメントや細骨材である砂を再生微粉に置換できるかどうか、強度やチキソトロピー性といった物性変化に着目して評価検討を行ったので、以下にその概要と結果を説明する。

まず、実証試験に用いた可塑性グラウト材のうち、再生微粉を添加しない可塑性グラウト材の配合（基準配合）を表１に示す。

同表でわかるように基準となる従来の可塑性グラウト材は、モルタル混練物を、水セメント比（Ｗ／Ｃ）３５．４％、砂比（Ｓ／Ｃ）９６％とし、ベントナイトスラリーを、水増粘材比（Ｗ／Ｂ）５４０％とした。なお、セメントは高炉Ｂ種セメントを用いた。

次に、モルタル混練物とベントナイトスラリーとを容量比で２７５：７２５となるように混合することで、標準の可塑性グラウト材を得た。

次に、再生微粉をセメントと置換した配合を２種類、再生微粉を細骨材と置換した配合を３種類、計５つの試験配合を準備した。ここで、セメントとの置換割合は、セメントの内割で３０％置換（７８ｋｇ／ｍ³）、５０％置換（１３０ｋｇ／ｍ³）とし、細骨材との置換割合は、細骨材の内割で３０％置換（７５ｋｇ／ｍ³）、５０％置換（１２５ｋｇ／ｍ³）、１００％置換（全量置換、２５０ｋｇ／ｍ³）とした。

次に、製造された６つの可塑性グラウト材につき、練り上がり時においては、モルタルフロー、ブリージング率及び単位容積質量を計測し、硬化後には圧縮強度を計測した。

図２〜図５に練り上がり時の計測結果を示す。

まず、図２でわかるように、細骨材やセメントを再生微粉に置換した場合、流動性は若干の低下を示している。しかしながら、可塑性グラウト材の単位水量は、標準配合で７００ｋｇ／ｍ³を越えており、シリンダーフロー値の低下量も再生微粉の置換量が０の場合と比べて±２５ｍｍの範囲に収まっているため、図２に示した程度の低下は、施工上、何ら問題とはならない。

一方、チキソトロピー性の指標であるフロー増分（０→１５打）は図３でわかるように、再生微粉の置換量が増えるにつれて増加している。ここで、フロー増分は、静止フロー値に対する15打フロー値の増分として示した。

また、図４でわかるように、細骨材置換の場合には再生微粉の置換量が増加しても、練り上がり時の密度はほとんど変わらず、セメント置換の場合にはやや低下しており、２％程度の軽量化が可能であることがわかる。

また、図５でわかるように、再生微粉の置換量が増加するにつれて、ブリージング率が低下しており、材料分離抵抗性の改善が可能であることがわかる。

図６に硬化後に行った圧縮強度試験の結果を示す。

同図でわかるように、細骨材置換の場合には、再生微粉の置換量が増えるにつれて圧縮強度は若干増加傾向にあり、セメント置換の場合にも、７８ｋｇ／ｍ³（重量で３０％以下）であれば、２８日強度で１Ｎ／ｍｍ²の圧縮強度を確保することができる。

すなわち、本発明に係る可塑性グラウト材は、砂やセメントといった資材量を低減しながら大量の再生微粉を再利用することができるという作用効果を奏するにとどまるものではなく、従来の可塑性グラウト材（置換量が０）よりも、材料分離抵抗性が高くなるとともにチキソトロピー性が大幅に改善され、なおかつ覆工コンクリートへの荷重負担を増やすおそれもないという顕著な作用効果や、それらに加えて硬化後の強度特性も改善されるという顕著な作用効果を奏する。

特に、細骨材に置換される再生微粉の置換量を増やすにつれて、ブリージング率、チキソトロピー性及び圧縮強度はますます改善され、細骨材を再生微粉で全量置換することができるという点は、まさに注目に値すると言えよう。

本実施形態に係る可塑性グラウト材の製造方法を示したフローチャート。再生微粉の添加に伴う流動性の変化を示したグラフ。再生微粉の添加に伴うチキソトロピー性の変化を示したグラフ。再生微粉の添加に伴う練り上がり密度の変化を示したグラフ。再生微粉の添加に伴うブリージング率の変化を示したグラフ。再生微粉の添加に伴う圧縮強度の変化を示したグラフ。

Claims

水、細骨材及びセメント等の水硬性材料を含む混練物に水及び無機系増粘材を含む増粘材スラリーを混合して可塑性グラウト材を製造する方法において、
前記混練物と前記増粘材スラリーとを混合する工程に先立って、前記混練物に再生微粉が含まれるように該混練物を作製する可塑性グラウト材の製造方法であって、前記水硬性材料の一部を前記再生微粉に置換するとともに、前記再生微粉の含水比を３〜１０％としたことを特徴とする再生微粉を用いた可塑性グラウト材の製造方法。
前記無機系増粘材をベントナイトとした請求項１記載の再生微粉を用いた可塑性グラウト材の製造方法。