JP5603016B2

JP5603016B2 - セメント急結剤及びセメント組成物

Info

Publication number: JP5603016B2
Application number: JP2009025905A
Authority: JP
Inventors: 昭俊荒木; 寺島　　勲; 昌浩岩崎; 俊一三島; 貴光室川
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2009-02-06
Filing date: 2009-02-06
Publication date: 2014-10-08
Anticipated expiration: 2029-02-06
Also published as: JP2010180109A

Description

本発明は、主に、土木・建築業界で使用されるセメント急結材及びセメント組成物に関する。

従来、トンネル掘削等において、露出した地山の崩落を防止するために、急結剤をコンクリートに配合した急結コンクリートの吹付工法が行われている（特許文献１参照）。この工法は、通常、掘削工事現場に設置した、セメント、骨材、及び水の計量混合プラントで吹付コンクリートを調製し、アジテータ車で運搬し、コンクリートポンプで圧送し、途中に設けた合流管で、他方から圧送した急結剤と混合し、急結性吹付コンクリートとして地山面に所定の厚みになるまで吹付けるものである。
使用されている急結剤としては、カルシウムアルミネート、アルカリ金属アルミン酸塩及びアルカリ金属炭酸塩等の混合物や、カルシウムアルミネートと３ＣａＯ・ＳｉＯ_２との混合物等が知られている（特許文献２〜５参照）。
急結剤の添加方法は、通常、空気輸送による粉体混合のため、粉塵発生量が多くなる方法であった。そのため、吹付け時には保護眼鏡や防塵マスクなどを着用して作業する必要があり、粉塵量のより少ない工法が求められていた。

粉塵発生量が少ない工法として、急結剤をスラリー化してセメントコンクリートに添加混合し、吹付け施工する方法が提案されている（特許文献６参照）。急結剤のスラリーは、高アルカリの液体であるため、取り扱いにくく、吹付け時には保護眼鏡や手袋等が必要となり、作業性が低下するという課題があるため、急結剤をスラリー化し、かつ、セメントコンクリートにミョウバン類を配合することにより、作業環境を改善する急結施工方法が提案されている（特許文献７参照）が、工期短縮の面で、強度発現性をさらに向上することが求められた。

従来の急結剤は、硬化したセメントコンクリートの収縮量が大きいため、乾燥の影響を受けやすい場所ではひび割れが発生するといった課題があった。ひび割れが発生すると、遮水性が低下したり、地山の補強効果も低減するといった問題が発生する場合がある。

一方、ヘクトライトをアルミナセメントに添加することで凝結を促進するセメント組成物が知られている（特許文献８）。

特公昭６０−４１４９号公報特開昭６４−０５１３５１号公報特公昭５６−２７４５７号公報特開昭６１−０２６５３８号公報特開昭６３−２１００５０号公報特開平０５−１３９８０４号公報特開平０５−０９７４９１号公報特開２００７−２２３８７６号公報

本発明は、モルタルやコンクリートに添加することで低添加でも十分な急結力を与えるセメント急結剤、及びそれを用いたセメント組成物を提供する。

すなわち、本発明は、（１）リチウム含有ヘクトライトと、ＣaＯ３８〜６０質量％、Ａl_２Ｏ_３４０〜６２質量％の化学組成を有するカルシウムアルミネートとを含有してなり、前記ヘクトライトが前記カルシウムアルミネート１００部に対して２５〜１５０部である、吹付けモルタルや吹付けコンクリート用のセメント急結剤であり、（２）セッコウを含有することを特徴とするセメント急結剤であり、（３）アルカリ金属の炭酸塩、アルミン酸塩、ケイ酸塩から選ばれる１種又は２種以上を含有することを特徴とするセメント急結剤であり、（４）セメントと該セメント急結剤とを含有するセメント組成物である。

本発明のセメント急結剤及びセメント組成物を用いることで、低添加で従来と同等以上の急結力を付与することができ、しかも収縮も低減できる。そのため、急結剤を粉体混合しても粉塵発生量が少なく、ひび割れが発生しにくい、吹付けモルタルや吹付けコンクリートが得られる。

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。

本発明で使用するヘクトライトとは、リチウムを含有するスメクタイト類に属する粘土鉱物の一種であり、層状構造を有している。その層間には水分子を伴った種々の金属イオンが入っており、層間の金属イオンが交換性を有している。ヘクトライトのＬｉ_２Ｏ含有量は０．７〜２．５％が好ましく、０．７％未満では急結力が小さく、２．５％を超えると効果が頭打ちとなる。
ヘクトライトの使用量は、カルシウムアルミネート１００部に対して２〜１５０部が好ましく、５〜１００部がより好ましい。２部未満では急結力が小さく、１５０部を超えると効果が頭打ちとなる。

本発明で使用するカルシウムアルミネートとは、化学組成としてＣａＯ３８〜６０％、Ａｌ_２Ｏ_３４０〜６２％の範囲、より好ましくはＣａＯ４８〜５５％、Ａｌ_２Ｏ_３４５〜５２％の範囲になるように、ＣaＯ原料やＡｌ_２Ｏ_３原料の混合物をキルン焼成や電気炉溶融等の熱処理をして得られるものである。
本発明で使用するカルシウムアルミネートには、ナトリウム、カリウム及びリチウム等のアルカリ金属塩が一部固溶したカルシウムアルミネート、ＳｉＯ_２を含有するカルシウムアルミネート、ＳＯ_３を含有するカルシウムアルミネート等を含む。
これらカルシウムアルミネートの中で、反応活性の点で非晶質のカルシウムアルミネートが好ましい。

本発明で使用するカルシウムアルミネートの粒度は、ブレーン比表面積（以下、ブレーン値という）で３０００ｃｍ^２／ｇ以上が好ましい。３０００ｃｍ^２／ｇ未満だと急結力が低下する場合がある。

本発明で使用するセッコウとは、無水セッコウ、半水セッコウ及びニ水セッコウ等が挙げられ、これらの１種又は２種以上を併用することができる。強度発現性の点で無水セッコウの使用が好ましい。
セッコウの使用量は、カルシウムアルミネート１００部に対して５〜７０部の範囲が好ましい。

本発明で使用するアルカリ金属の炭酸塩とは、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素リチウム、炭酸水素ナトリウム及び炭酸水素カリウムが挙げられ、これらの１種又は２種以上を併用することができる。初期強度発現性の点で炭酸ナトリウムの使用が好ましい。
アルカリ金属炭酸塩の使用量は、カルシウムアルミネート１００部に対して５〜５０部が好ましく、１０〜２０部がより好ましい。５部未満では初期強度の向上は少なく、５０部を超えると凝結性状の点で好ましくない場合がある。

本発明で使用するアルカリ金属のアルミン酸塩とは、アルミン酸リチウム、アルミン酸ナトリウム及びアルミン酸カリウム挙げられ、これらの１種又は２種以上を併用することができる。適度なこわばりを与える点でアルミン酸ナトリウムの使用が好ましい。
アルミン酸塩のアルカリ金属とアルミの酸化物換算でのモル比（Ｒ_２Ｏ／Ａｌ_２Ｏ_３）は、０．８〜２．０の範囲が好ましい。０．８未満ではこわばり力が小さくなり、２．０を超えるとその効果が頭打ちとなる。アルカリ金属のアルミン酸塩の強熱減量は２０％以下が好ましい。２０％を超えるとこわばり力が低下する場合がある。
アルカリ金属アルミン酸塩の使用量は、カルシウムアルミネート１００部に対して０．５〜２０部が好ましく、２〜１５部がより好ましい。０．５部未満では、こわばりを付与できない場合があり、２０部を超えるとこわばりが強すぎる場合がある。

本発明で使用するアルカリ金属のケイ酸塩とは、ケイ酸リチウム、ケイ酸ナトリウム及びケイ酸カリウムが挙げられ、これらの１種又は２種以上を併用することができる。初期強度発現性の点でケイ酸ナトリウムの使用が好ましい。
アルカリ金属ケイ酸塩の使用量は、カルシウムアルミネート１００部に対して１〜３０部が好ましく、２〜２０部がより好ましい。１部未満では、初期強度の向上は少なく、３０部を超えると長期強度発現の点で好ましくない場合がある。

本発明のセメント急結剤の使用量は、セメント１００部に対して０．２〜１５部が好ましく、１〜６部がより好ましい。０．２部未満では、急結力が小さく、１５部を超えると強度発現の点で好ましくない場合がある。

セメントは、普通、早強、超早強、低熱及び中庸熱等の各種ポルトランドセメントや、これらポルトランドセメントに、高炉スラグ、フライアッシュ、またはシリカを混合した各種混合セメント、石灰石粉末や高炉徐冷スラグ微粉末などを混合したフィラーセメント、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）等のポルトランドセメントが挙げられ、これらのうちの１種又は２種以上が使用可能である。

本発明のセメント急結剤及びそれを用いたセメント組成物は、それぞれの材料を施工時に混合しても良いし、あらかじめ一部あるいは全部を混合しておいても差し支えない。

本発明では、砂等の細骨材、砂利等の粗骨材、減水剤やＡＥ減水剤や高性能減水剤や高性能ＡＥ減水剤、消泡剤、増粘剤、防錆剤、防凍剤、収縮低減剤、高分子エマルジョン、凝結促進剤、硫酸アルミニウムやアクリル酸エステルを成分とする可塑剤、ベントナイト等の粘土鉱物やハイドロタルサイト等のアニオン交換体等の各種添加剤、高炉水砕スラグ微粉末や高炉徐冷スラグ微粉末や石灰石微粉末やフライアッシュやシリカフューム等の混和材料等からなる群のうちの１種又は２種以上を、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。

「実施例１」
表１、２、３に示す各種のカルシウムアルミネート（ＣＡ）１００部と、ヘクトライトを表１に示すように混合しセメント急結剤を調製した。別途、ＪＩＳモルタルを用意し、１分間モルタルミキサーで練り混ぜた。その後、練り混ぜたモルタル中のセメント１００部に対してセメント急結剤を３部となるように加え、高速で１０秒間練り混ぜ、プロクター貫入抵抗試験、圧縮強度測定用試験体の作製と測定、乾燥収縮試験を実施した。
また、比較例として市販の急結剤を同量使用した場合についても試験を行った。結果を表１、２、３に示す。

＜使用材料＞
ヘクトライトａ：市販品、Ｌｉ_２Ｏ含有量１．２％
ヘクトライトｂ：市販品、Ｌｉ_２Ｏ含有量０．７％
ヘクトライトｃ：市販品、Ｌｉ_２Ｏ含有量２．５％
ヘクトライトｄ：市販品、Ｌｉ_２Ｏ含有量０．５％
ヘクトライトｅ：市販品、Ｌｉ_２Ｏ含有量３．１％
カルシウムアルミネートＡ：ＣａＯ：３８％、Ａｌ_２Ｏ_３：６２％となるように電気炉で焼成したもの、ブレーン値５６００ｃｍ^２／ｇ
カルシウムアルミネートＢ：ＣａＯ：４８％、Ａｌ_２Ｏ_３：５２％となるように電気炉で焼成したもの、ブレーン値５８００ｃｍ^２／ｇ
カルシウムアルミネートＣ：ＣａＯ：５５％、Ａｌ_２Ｏ_３：４５％となるように電気炉で焼成したもの、ブレーン値５７００ｃｍ^２／ｇ
カルシウムアルミネートＤ：ＣａＯ：６０％、Ａｌ_２Ｏ_３：４０％となるように電気炉で焼成したもの、ブレーン値５６００ｃｍ^２／ｇ
カルシウムアルミネートＥ：アルミナセメント１号、ＣａＯ：３６％、Ａｌ_２Ｏ_３：５５％、ブレーン値５０００ｃｍ^２／ｇ
セメント：市販普通ポルトランドセメント
砂：標準砂
水：水道水
急結剤Ａ：アルミン酸塩系液体急結剤、主成分：アルカリ金属アルミン酸塩、市販品
急結剤Ｂ：水溶性アルミニウム塩系急結剤（アルカリフリータイプ）、主成分：アルミニウムの硫酸塩、市販品
急結剤Ｃ：カルシウムアルミネート系急結剤、主成分：カルシウムアルミネート−アルカリ金属アルミン酸塩、市販品
急結剤Ｄ：カルシウムサルホアルミネート系急結剤、主成分：カルシウムアルミネート−セッコウ−アルカリ金属アルミン酸塩、市販品

（試験方法）
プロクター貫入抵抗試験：セメント急結剤を混合し１０秒間練り混ぜたモルタルを素早く厚さ５ｃｍ縦２０ｃｍ×横１５ｃｍの型枠に詰め、表面を均してプロクター貫入抵抗試験機で始発時間と終結時間を確認した。貫入抵抗値の測定時間は練混ぜから４５秒を初期値とし１２０秒まで１５秒間隔で測定し、それ以降は６０秒間隔で測定した。得られた時間と貫入抵抗値の関係より、抵抗値が３．５Ｎ／ｍｍ^２に達した時間を始発、抵抗値が２８Ｎ／ｍｍ^２に達した時間を終結とした。試験方法はＪＳＣＥＤ１０２に準拠した。
圧縮強度：セメント急結剤を混合し１０秒間練り混ぜたモルタルをテーブルバイブレーターに載せた４×４×１６ｃｍの三連型枠に素早く詰め、表面を均して作製した。測定はＪＩＳＲ５２０１に準拠した。
乾燥収縮試験：圧縮強度用試験体の作製と同様にテーブルバイブレーターに載せた専用型枠に詰めて測定した。材齢１日後脱型し基長を行い、温度２０℃、湿度６０％の室内で２８日間養生後、収縮量を測定した。測定はＪＩＳＲ１１２９−３（ダイヤルゲージ法）に準拠した。

「実施例２」
実験No.1-37のセメント急結剤のカルシウムアルミネート１００部に対してさらにセッコウを表４に示すように加えセメント急結剤としたこと以外は実施例１と同様に行った。結果を表４に示す。

（使用材料）
セッコウ：試薬１級、無水セッコウ、市販品

「実施例３」
実験No.1-37のセメント急結剤のカルシウムアルミネート１００部に対してさらに炭酸塩、アルミン酸塩、ケイ酸塩、セッコウを表５に示すように加えセメント急結剤としたこと以外は実施例１と同様に行った。結果を表５に示す。

（使用材料）
炭酸塩：試薬１級炭酸ナトリウム、市販品
アルミン酸塩：アルミン酸ナトリウム、モル比１．３、強熱減量１１％、市販品
ケイ酸塩：試薬１級品、ケイ酸ナトリウム、市販品

「実施例４」
実験No.2-3のセメント急結剤をセメント１００部に対して表６に示すように添加したこと以外は実施例１と同様に行った。結果を表６に示す。

「実施例５」
各材料の単位量、セメント４００ｋｇ／ｍ^３、細骨材１，０５８ｋｇ／ｍ^３、粗骨材７１０ｋｇ／ｍ^３、水２００ｋｇ／ｍ^３、及び高性能減水剤４ｋｇ／ｍ^３として吹付けコンクリートを調製し、この吹付けコンクリートを吹付け圧力０．４ＭＰａ、吹付け速度１０ｍ^３／ｈの条件下で、コンクリート圧送機「ＭＫＷ−２５ＳＭＴ」によりポンプ圧送した。セメント急結剤を合流するＹ字管から３ｍ後方の位置で圧縮空気を導入してコンクリート空気搬送した。一方、実験No.1-18、2-2、3-23のセメント急結剤をセメントに対して表６に示すように、圧送圧力０．５ＭＰａの条件下で、急結剤添加装置「ナトムクリート」を用いて空気圧送し、途中に設けたＹ字管で合流混合して吹き付けた。この急結性吹付けコンクリートについてコンクリート圧縮強度、リバウンド率、及び粉塵量を測定した。結果を表７に示す。
なお、比較のために、セメント急結剤として同量の市販されている急結剤での試験を行った。

（使用材料）
高性能減水剤：ポリカルボン酸系、市販品
粗骨材：新潟県糸魚川市姫川産川砂利、表乾状態、比重２．６６、最大寸法１０ｍｍ
細骨材：新潟県糸魚川市姫川産川砂利、表乾状態、比重２．６２
セメント：普通ポルトランドセメント、市販品

（測定方法）
コンクリート圧縮強度：材齢３時間、２４時間の圧縮強度は、幅２５ｃｍ×長さ２５ｃｍのプルアウト型枠に設置したピンを、プルアウト型枠表面から急結性吹付けコンクリートで被覆し、型枠の裏側よりピンを引き抜き、その時の引き抜き強度を求め、（圧縮強度）＝（引き抜き強度）×４／（供試体接触面積）の式から圧縮強度を算出した。材齢１日以降の圧縮強度は、幅５０ｃｍ×長さ５０ｃｍ×厚さ２０ｃｍの型枠に急結性吹付けコンクリートを吹付け、採取した直径５ｃｍ×長さ１０ｃｍの供試体を２０トン耐圧機で測定し、圧縮強度を求めた。
リバウンド率：急結性吹付けコンクリートを１０ｍ^３／ｈの圧送速度で１０分間、鉄板でアーチ状に作成した高さ３．５ｍ、幅２．５ｍの模擬トンネルに吹付けた。その後、（リバウンド率）＝（模擬トンネルに付着せずに落下した急結性吹付けコンクリートの量）／（模擬トンネルに吹付けた急結性吹付けコンクリートの量）×１００（％）で算出した。
粉塵量：急結性吹付けコンクリートを１０ｍ^３／ｈの圧送速度で１０分間、模擬トンネルに吹付けた。吹付け場所より５ｍの定位置で粉塵量を粉塵計（柴田化学株式会社、測定範囲０．０１〜１００ｍｇ／ｍ³、Ｐ−５Ｌ型）により測定した。

本発明のセメント急結剤及びセメント組成物を用いることで、低添加で従来と同等以上の急結力を付与することができ、しかも収縮も低減できる。そのため、粉体混合しても粉塵発生量が少なく、ひび割れが発生しにくい、環境に配慮した高品質な吹付けコンクリートやモルタルを施工できる。したがって、土木、建築分野で広範に使用することができる。

Claims

リチウム含有ヘクトライトと、ＣaＯ３８〜６０質量％、Ａl_２Ｏ_３４０〜６２質量％の化学組成を有するカルシウムアルミネートとを含有してなり、前記ヘクトライトが前記カルシウムアルミネート１００質量部に対して２５〜１５０質量部である、吹付けモルタルや吹付けコンクリート用のセメント急結剤。
セッコウを含有することを特徴とする請求項１記載のセメント急結剤。
アルカリ金属の炭酸塩、アルミン酸塩、ケイ酸塩から選ばれる１種又は２種以上を含有することを特徴とする請求項１又は２記載のセメント急結剤。
セメントと請求項１〜３のいずれか１項に記載のセメント急結剤とを含有するセメント組成物。