JP5941299B2 - 吹付材料およびそれを用いた吹付け工法 - Google Patents
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Description
しかしながら、これらの方法を用いて吹付けたコンクリートは、低pHを有することが技術的に困難であった。
その理由としては、短時間で強度発現性を示すことは、セメント系材料の硬化後に発生する水酸化カルシウムの量によって決まり、短時間強度を発現させる場合には、水酸化カルシウム生成量が多い普通セメントや早強セメントなどが用いられている。
しかしながら、特許文献5は放射性廃棄物処分場用セメント系材料に関するもので、吹付材料および吹付方法については記載がない。また、これらを用いて吹付けた場合には、10分以内に3N/mm2以上の圧縮強度を有することができなかった。
放射性廃棄物処分場の建設における支保部材として、このような吹付材料を使用した場合、高いpHの地下水の浸入が課題となる。
現在、放射性廃棄物処分方法は、原子力発電に伴って排出されるであろう放射性廃棄物の処分施設として、地下空洞を形成し、長期保存をするといった方法がある。その際に放射性廃棄物をそのまま保存するのではなく、岩盤と放射性廃棄物が入った容器の間を充填することが計画されている。
この充填材としては、鉱物系で膨潤性があるベントナイトなどの粘土鉱物が検討されている(非特許文献1)。
しかし、岩盤と廃棄物容器の間をベントナイト系粘土鉱物で充填したとしても、接する水のpHによって変質し、透水係数が変化し、pH12以上を示す地下水と接触した場合には透水係数が増大し、止水効果が薄れるといった報告があり、吹付けコンクリートの低pHが課題であった。
しかしながら、この混合セメントでは、用いられるシリカヒュームの刺激成分が少ないためポゾラン反応が進まず、湧水や静水中に浸漬した際にシリカヒューム起因のSiイオンが溶出して空隙となるといった課題があった。
(1)高炉スラグ含有セメントとフライアッシュからなるセメント物質、高強度混和材、急結剤、細骨材、粗骨材、及び水を含有してなる吹付材料であって、前記フライアッシュが、高炉スラグ含有セメント100質量部に対して30〜400質量部であり、前記高強度混和材が、石膏と、CaSO4換算の石膏100質量部に対して0.5〜5質量部のアルカリ金属炭酸塩と0.2〜5質量部のオキシカルボン酸類とを含有してなり、前記セメント物質100質量部に対して6〜20質量部である高強度混和材であり、前記急結剤が、酸化物換算で1〜4質量部のSiO2を含有するカルシウムアルミネートと、該カルシウムアルミネート100質量部に対して1〜50質量部のアルカリ金属アルミン酸塩と1〜20質量部の水酸化カルシウムとを含有してなり、前記セメント物質100質量部に対して6〜20質量部である急結剤であり、水が、前記セメント物質100質量部に対して30〜55質量部であることを特徴とする吹付材料である。
(2)前記高炉スラグが、セメント100質量部に対して5〜250質量部であることを特徴とする前記(1)の吹付材料である。
(3)前記高炉スラグ含有セメントとフライアッシュからなるセメント物質、高強度混和材、急結剤、細骨材、粗骨材、及び水を配合してなるセメント硬化体から溶出する可溶性Siイオンが7mg/L未満であることを特徴とする前記(1)又は(2)の吹付材料である。
(4)前記(1)〜(3)のうちのいずれか1の吹付材料を使用することを特徴とする吹付工法である。
(5)高炉スラグ含有セメントとフライアッシュからなるセメント物質、細骨材、及び粗骨材をドライ混合し、その後、水を配合して混練りし、次いで、前記高強度混和材を添加し、さらに、前記急結剤を添加して急結性吹付けコンクリートを調製し、吹付けることを特徴とする前記(4)の吹付工法である。
なお、本発明における部や%は、特に断らない限り質量規準で示す。
また、本発明の吹付材料とは、骨材を含まない材料や骨材を含む材料を示すものである。
本発明で使用する高炉スラグ含有セメントとしては、通常用いられる、JIS R 5211に記載のある高炉セメントA種、B種、C種が好ましいが、特に限定されるものではない。普通ポルトランドセメントと高炉スラグを配合しても使用可能である。
高炉スラグ含有セメントのブレーン比表面積値(以下、ブレーン値という)は、2,500〜10,000cm2/gが好ましく、3,500〜6,500cm2/gがより好ましい。2,500cm2/g未満では、吹付けコンクリートの初期強度を損なう恐れがあり、10,000cm2/gを超えると、コンクリートに粘性が生じ、圧送性を損なう可能性がある。
高炉スラグのブレーン値は、2,500〜10,000cm2/gが好ましく、3,500〜6,500cm2/gがより好ましい。2,500cm2/g未満では、吹付けコンクリートの初期強度を損なう恐れがあり、10,000cm2/gを超えると、コンクリートに粘性が生じ、圧送性を損なう可能性がある。
高炉スラグの使用量は、セメント100部に対して、5〜250部が好ましく、50〜150部がより好ましい。5部未満では、得られるセメント硬化体のpHが11以上となる恐れがあり、250部を超えると、初期強度を損なう恐れがある。
また、フライアッシュは、急結剤に含有する水酸化カルシウムとも反応するため、急結剤の反応で消費されない水酸化カルシウムも消費する。
本発明で使用するフライアッシュは、JIS A 6201に記載のあるコンクリート用フライアッシュI種、II種、III種、及びIV種が好ましいが、特に限定されるわけではない。
フライアッシュのブレーン値は、2,500〜10,000cm2/gが好ましく、3,500〜6,500cm2/gがより好ましい。2,500cm2/g未満では、吹付けコンクリートの初期強度を損なう恐れがあり、10,000cm2/gを超えると、コンクリートに粘性が生じ、圧送性を損なう可能性がある。
本発明で使用するフライアッシュは、高炉スラグ含有セメント100部に対して、30〜400部が好ましく、80〜300部がより好ましい。30部未満では、硬化後のpHが下がらない恐れがあり、400部を超えると、吹付けコンクリートの初期強度の発現を損なう恐れがある。
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、これらのうち一種又は二種以上の使用が可能である。
石膏の結晶の形態は特に限定されるものではなく、α型半水石膏、β型半水石膏、I型無水石膏、II型無水石膏、及びIII型無水石膏等が使用可能である。
また、これらの石膏には、天然で産出するものや、産業副産物として得られる排脱石膏や弗酸副生無水石膏が含まれる。
石膏の粒度は、ブレーン値で、2,000cm2/g以上が好ましく、3,000cm2/g以上が強度発現性の観点からより好ましい。
アルカリ金属炭酸塩の使用量は、CaSO4換算の石膏100部に対して、0.5〜5部が好ましく、1〜4部がより好ましい。0.5部未満では効果がなく、5部を超えると、コンクリートのスランプ保持性が低下し、施工性が悪化しやすくなる。
オキシカルボン酸類としては、例えば、グルコン酸、酒石酸、クエン酸、リンゴ酸、サリチル酸、及び乳酸又はこれらの塩が挙げられる。これらの中では、クエン酸が好ましい。
オキシカルボン酸類の使用量は、CaSO4換算の石膏100部に対して、0.2〜5部が好ましく、1〜4部がより好ましい。0.2部未満では、吹付材料の凝結性や初期強度発現性を阻害し、5部を超えると、凝結性や強度発現性を阻害する恐れがある。
カルシウムアルミネートとは、カルシアを含む原料、アルミナを含む原料、シリカを含む原料等を混合して、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とを主たる成分とし、酸化物換算で1〜4部でSiO2を含有するカルシウムアルミネートである。また、前記カルシウムアルミネートの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、酸化チタン、酸化鉄、アルカリ金属ハロゲン化合物、アルカリ土類金属ハロゲン化合物、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とを主たる成分とするものに、これらが少量固溶した物質でも使用可能である。鉱物形態としては、結晶質、非晶質いずれであってもよい。
これらの中では、反応活性とポンプ圧送性の点で、非晶質のカルシウムアルミネートが好ましく、C12A7組成に酸化ケイ素が一部含有した熱処理物を急冷した非晶質のカルシウムアルミネートがより好ましい。
カルシウムアルミネートに含有するSiO2は、カルシウムアルミネート100部中、酸化物換算で1〜4部が好ましく、2〜4部がより好ましい。1部未満では、凝結特性を損なう恐れがあり、4部を超えると、初期強度を損なう恐れがある。
カルシウムアルミネートの粒度は、ブレーン値で5,000cm2/g以上が好ましい。5,000cm2/g未満では、急結性や初期強度発現性が低下する恐れがある。
アルカリ金属アルミン酸塩としては、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などが挙げられ、これらの一種又は二種以上が使用可能である。
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、1〜50部が好ましく、2〜25部がより好ましい。1部未満では、初期凝結を起こすことが困難である恐れがあり、50部を超えると、凝結性の低下や長期強度発現性を阻害する恐れがある。
水酸化カルシウムとしては、市販の消石灰や、カルシウムカーバイドからアセチレンを発生させる際に副生するカーバイド滓等が挙げられる。
水酸化カルシウムの使用量は、カルシウムアルミネート100部に対して、1〜20部が好ましく、2〜10部がより好ましい。1部未満では、初期凝結を阻害する恐れがあり、20部を超えると、凝結性の低下や長期強度発現性を阻害しやすくなる。
細骨材は、最大寸法5mm以下のものが好ましく、川砂、山砂、及び砕石等が挙げられる。粗骨材としては、最大寸法15mm以下のものが好ましい。
細骨材と粗骨材の割合は、細骨材の容積(s)と骨材容積(a)の比で表すことができ、s/aは60〜70容積%が好ましい。
耐圧ホースの直径は、圧送性や、耐圧ホースの取り扱いなどの作業性の面から2.5〜3.5インチのものが通常使用される。
急結剤混合区間の長さは、吹付けコンクリートと急結剤との混合性、付着性、及び圧送性の面から、15〜145cm程度が好ましく、25〜75cmがより好ましい。
ノズルは、金属製のものやセラミック製のものが使用可能であり、ゴム素材でできたノズルの配管内面に、セラミックスや金属でライニングされたものやこれらをチップ状のものを埋め込んだものが使用可能である。
10分強度発現性、pHを評価するため、吹付けコンクリートの粉体組成に着目して、吹付け試験を行った。
下記に示した材料を用いて高炉スラグ含有セメントとフライアッシュからなるセメント物質の単位量を500kg/m3とし、細骨材比率(s/a)を65%とした配合を用い、水は、セメント物質100部に対し、45部とし、CaSO4換算の石膏100部に対し、オキシカルボン酸3部、アルカリ金属炭酸塩3部とした高強度混和材を、セメント物質100部に対し、12部添加したベースコンクリートを練混ぜ、吹付けコンクリートとして調製し、コンクリートポンプ「シンテックMKW-25MT」を使用して圧送した。
カルシウムアルミネート100部、アルカリ金属アルミン酸塩6部、及び水酸化カルシウム3部を混合し、急結剤Aとして調製し、圧送配管途中にY字管を設け、混合区間を100cmとした。
粉体急結剤添加装置「デンカナトムクリートPAC250V」で空気圧送した粉体急結剤を、セメント物質100部に対し、12部添加して急結性吹付けセメントコンクリートとし、材齢10分と3時間の圧縮強度を測定した。
また、各試験時に急結性吹付けコンクリートをコア箱に吹付けてpH試験用試験体を採取し、pH試験を行った。結果を表1に示す。
普通セメント:市販品、ブレーン値3,200cm2/g
高炉スラグ含有セメントβ:高炉セメントB種、高炉スラグ含有率45%、ブレーン値3,600cm2/g
フライアッシュb:JIS品、II種、ブレーン値4,500cm2/g
高炉スラグ微粉末:高炉スラグの粉砕分級品、平均粒径10μm以下
フライアッシュd:フライアッシュ微粉末、分級フライアッシュ、平均粒径10μm以下
石膏 :無水石膏、ブレーン値5,000cm2/g
オキシカルボン酸:クエン酸、市販品
アルカリ金属炭酸塩:炭酸ナトリウム、市販品
カルシウムアルミネート:C12A7に相当する熱処理物を急冷した非晶質、ブレーン値5,900cm2/g、酸化物換算でSiO23部含有
アルカリ金属アルミン酸塩:アルミン酸ナトリウム、市販品
水酸化カルシウム:市販品
急結剤A :酸化物換算で3部のSiO2を含有するカルシウムアルミネート100部、アルカリ金属アルミン酸塩6部、及び水酸化カルシム3部の混合品
細骨材 :新潟県糸魚川市姫川水系砂、、最大寸法5mm以下、密度2.62
粗骨材 :新潟県糸魚川6号砕石、最大寸法15mm、密度2.64
配管閉塞の有無::吹付け試験終了後、吹付けノズルを取り外し、配管内の目視観察を行った。
圧縮強度 :プルアウト試験により10分後の圧縮強度を求めた。プルアウト型枠表面からピンまで急結性吹付けセメントコンクリートで被覆し、型枠の裏側からピンを引抜き、そのときの引抜き強度を求め、圧縮強度=引抜き強度×4/(供試体の接触面積)の式で換算し、圧縮強度を算出。
水酸化カルシウム量:コア箱に吹付けたコンクリートを粉砕し、74μmの篩を通過したものを用い、示差熱分析計で測定した。
pH :水酸化カルシウムと同じく、粉砕した試料と純水を1:20の比率でポリ容器の中に入れ、沈降しないようスターラーを回転させて試験を行った。24時間を1試験とし、上澄みのpHを測定した後に、試料を濾紙で濾過して再度試料と純水が1:20になるよう調整し試験を50回繰返し後、測定した。
Siイオン量:pH測定と同様に試料と純水を1:20の比率でポリ容器の中に入れ、沈降しないようスターラーを回転させて試験を行った。24時間を1試験とし、上澄みのSiイオン量を測定する試験を10回繰返し後、測定した。
実験例1と同様の材料を用い、実験No.1- 5と同様のコンクリートを用い、高炉スラグ含有セメント、高炉スラグ、及びフライアッシュの品種を変えて吹付け試験を行った。結果を表2に示す。
高炉スラグ含有セメントα:高炉セメントA種、スラグ含有率20%、ブレーン値3,500cm2/g
高炉スラグ含有セメントγ:高炉セメントC種、スラグ含有率65%、ブレーン値4,300cm2/g
高炉スラグA:粉砕品、ブレーン値3,000cm2/g
高炉スラグB:粉砕品、ブレーン値4,500cm2/g
高炉スラグC:粉砕品、ブレーン値7,500cm2/g
フライアッシュa:ブレーン値3,000cm2/g
フライアッシュc:ブレーン値7,500cm2/g
実験例1と同様の材料を用い、実験No.1- 5と同様のコンクリートを用い、高強度混和材の添加量および組成を変えて吹付け試験を行った。結果を表3に示す。
スランプ試験:コンクリートの調製直後と90分経過後のスランプを測定
強度試験 :コア箱に吹付けたコンクリートをφ55×110mmの寸法に調整した供試体の圧縮強度試験を行った。
急結剤の添加量を、高炉スラグ含有セメントとフライアッシュからなるセメント物質100部に対して12部とし、含有するSiO2の量が異なるカルシウムアルミネートを使用してモルタル試験を行った。
カルシウムアルミネート100部に対して、アルカリ金属アルミン酸塩6部と水酸化カルシウム3部を混合し、各急結剤とした。
砂をセメント物質100部に対して200部、高炉スラグ含有セメントβ:フライアッシュbを100部:100部とし、実験例1と同様に、セメント物質100部に対し、高強度混和材を12部、水を45部をいれてモルタルを調製した。結果を表4に示す。
急結剤A-1:C12A7に対応する熱処理物を急冷した非晶質、ブレーン値5,900cm2/g、酸化物換算でSiO20.5部含有
急結剤A-2:C12A7に対応する熱処理物を急冷した非晶質、ブレーン値5,900cm2/g、酸化物換算でSiO21.0部含有
急結剤A-3:C12A7に対応する熱処理物を急冷した非晶質、ブレーン値5,900cm2/g、酸化物換算でSiO22.0部含有
急結剤A-4:C12A7に対応する熱処理物を急冷した非晶質、ブレーン値5,900cm2/g、酸化物換算でSiO24.0部含有
急結剤A-5:C12A7に対応する熱処理物を急冷した非晶質、ブレーン値5,900cm2/g、酸化物換算でSiO25.0部含有
凝結試験 :JIS R 5201-1997「セメントの物理試験方法」に準拠し、モルタルに急結剤を添加混合した材料の凝結時間を測定した。
圧縮強度 :JIS R 5201-1997「セメントの物理試験方法」に準拠し、モルタルに急結剤を添加混合したモルタルの圧縮強度を、急結剤を添加してから10分、3時間の圧縮強度をそれぞれ測定した。
急結剤Aの配合および添加量を変えてモルタル試験を行った。
砂を、高炉スラグ含有セメントβとフライアッシュbからなるセメント物質100部に対し200部、高炉スラグ含有セメントβ:フライアッシュbを100部:100部とし、実験例1と同様に高強度混和材をセメント物質100部に対して12部とし、水を45部としてモルタルを調製し、その後、急結剤を添加した。
また、比較例として、急結剤Bと急結剤Cを用いて同様に行った。結果を表5に示す。
急結剤B :酸化物換算で3部のSiO2を含有するカルシウムアルミネート100部、アルカリ金属アルミン酸塩5部、アルカリ金属炭酸塩1部、及び石膏100部の混合品
急結剤C :カルシウムアルミネート系急結剤、市販品
比較のため、急結剤Bを使用した実験No.5-25では初期強度が低く、また、急結剤Cを使用した実験No.5-26は初期強度は非常に低く、28日強度も低いものであった。
実験例1と同様の材料用い、同様にコンクリートとして調製し、高炉スラグ含有セメントとフライアッシュからなるセメント物質の単位量を360〜600kg/m3とし、吹付け試験を行った。
比較例として行った実験No.6-24の混合セメントの配合比率、急結剤添加量も実験例1で行ったものと同様とした。結果を表6に示す。
セメントA:高炉スラグ含有セメントβとフライアッシュbを質量比100:100で混合したセメント
セメントB:普通セメント、高炉スラグC、及びフライアッシュbを質量比で75:25:100で混合したセメント
セメントC:普通セメント、高炉スラグC、及びフライアッシュbを質量比で25:75:100で混合したセメント
セメントD:普通セメントと高炉スラグ微粉末を質量比100:30で混合したセメント
セメントE:普通セメントとフライアッシュ微粉末を質量比100:30で混合したセメント
材料分離の有無:スランプ試験を行った後、スランプ板をつき棒で15回叩き、モルタル分と骨材が分離したかで判断した。
急結剤添加後の混合区間の長さを変化させたこと以外は、実験例1の実験No.1-5と同様の材料、配合の吹付けコンクリートを調製し、急結剤AをY字管から調製した吹付けコンクリートへ添加した。混合区間を変えたほかは、変えずに10分間、急結性吹付けコンクリートを吹付けした後の配管を確認した。また、急結剤とコンクリートとの混合性を確認するためプルアウト試験も併せて行った。測定結果を表7に示す。
Claims (5)
- 高炉スラグ含有セメントとフライアッシュからなるセメント物質、高強度混和材、急結剤、細骨材、粗骨材、及び水を含有してなる吹付材料であって、前記フライアッシュが、高炉スラグ含有セメント100質量部に対して30〜400質量部であり、前記高強度混和材が、石膏と、CaSO4換算の石膏100質量部に対して0.5〜5質量部のアルカリ金属炭酸塩と0.2〜5質量部のオキシカルボン酸類とを含有し、前記セメント物質100質量部に対して6〜20質量部である高強度混和材であり、前記急結剤が、酸化物換算で1〜4質量部のSiO2を含有するカルシウムアルミネートと、該カルシウムアルミネート100質量部に対して1〜50質量部のアルカリ金属アルミン酸塩と1〜20質量部の水酸化カルシウムとを含有し、前記セメント物質100質量部に対して6〜20質量部である急結剤であり、水が、前記セメント物質100質量部に対して30〜55質量部であることを特徴とする吹付材料。
- 前記高炉スラグが、セメント100質量部に対して5〜250質量部であることを特徴とする請求項1に記載の吹付材料。
- 前記高炉スラグ含有セメントとフライアッシュからなるセメント物質、高強度混和材、急結剤、細骨材、粗骨材、及び水を配合してなるセメント硬化体から溶出する可溶性Siイオンが7mg/L未満であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の吹付材料。
- 前記請求項1〜請求項3のうちのいずれか1項に記載の吹付材料を使用することを特徴とする吹付工法。
- 高炉スラグ含有セメントとフライアッシュからなるセメント物質、細骨材、及び粗骨材をドライ混合し、その後、水を配合して混練りし、次いで、前記高強度混和材を添加し、さらに、前記急結剤を添加して急結性吹付けコンクリートを調製し、吹付けることを特徴とする請求項4に記載の吹付工法。
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