JP3957665B2

JP3957665B2 - 吹付け工法

Info

Publication number: JP3957665B2
Application number: JP2003306332A
Authority: JP
Inventors: 康宏中島; 実盛岡; 寺島　　勲; 積石田
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2003-08-29
Filing date: 2003-08-29
Publication date: 2007-08-15
Anticipated expiration: 2023-08-29
Also published as: JP2005075668A

Description

本発明は、道路、鉄道、及び導水路等のトンネルにおいて、露出した地山面へセメントコンクリートを吹き付ける際に使用する吹付け材料およびそれを用いた吹付け工法に関する。

従来から、トンネル掘削等では、吹付けコンクリートを用いた一次覆工を行い、この状態で地山が安定した後、内側に場所打ちの、通常のコンクリートで二次覆工をすることが行われている。
一方、岩盤の亀裂等が少ない比較的堅硬な地山において、二次覆工コンクリートを施工せず、吹付けコンクリートを永久覆工とする場合がある。
こうして仕上げられたものをシングルシェルライニングといい、北欧で多く用いられており、我が国においても近年、多く検討されるようになってきているが、適用にあたっては、吹付けコンクリートに高い耐久性や水密性が要求されている。

一般に吹付けコンクリートは、単位セメント量が多く、アルカリ総量が大きい。
また、砂／骨材比（s/a）も大きいため、アルカリ骨材反応によるコンクリートの劣化が問題となることがある。
アルカリ骨材反応において無害でない反応性骨材が使用された場合には、コンクリートにひび割れが生じ、耐久性が損なわれる恐れがある。
また、地山から湧水がある場合には、ひび割れによってコンクリートの水密性が低下するため、トンネルの内側に漏水する恐れがある。このため、アルカリ骨材反応を抑制する吹付け材料が求められている。

本発明者は、前記課題を解消すべく種々検討を重ねた結果、特定の吹付け材料を使用することにより、これらの課題が解決できるとの知見を得て、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明は、（１）セメント100部とブレーン比表面積で500cm ² /g以上のシラス２〜50部とアルカリ骨材反応において無害でない反応性骨材を混合してなるセメントコンクリートと、（２）セメント100部に対して、急結剤８〜20部（急結剤100部中、アルカリ金属含有物質２〜30部、カルシウムアルミネート30〜60部、石膏30〜60部を含有）とを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、セメントコンクリートが水を混合してなることを特徴とする該吹付け工法であり、アルカリ金属含有物質が、アルミン酸ナトリウム、アルミン酸カリウム及び硫酸ナトリウムからなる群のうちの１種以上からなり、カルシウムアルミネートが、12CaO・7Al ₂ O ₃ 、3CaO・Al ₂ O ₃ 、11CaO・Al ₂ O ₃ ・CaCl ₂ からなる群のうちの１種以上からなり、石膏が無水石膏であることを特徴とする該吹付け工法である。

本発明の吹付け材料を使用することで、初期強度発現性に優れ、アルカリ骨材反応(以下、ＡＳＲという)を抑制することが可能となる。

以下、本発明を詳細に説明する。
なお、本発明でいう部や％は特に規定のないかぎり質量基準である。
また、本発明でいうセメントコンクリートとは、セメントモルタルやコンクリートを総称するものである。

本発明で急結剤に含有するアルカリ金属含有物質(以下、アルカリ物質という)とは、アルカリ金属元素を含有するものであれば特に限定されるものではないが、例えば、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、及びセシウムを含む化合物であればよく、フッ化塩、ケイフッ化塩、及び明礬等のようなアルカリ金属元素を含有するもの他に、アルカリ金属元素の酸化物、塩化物、水酸化物、硝酸塩、亜硝酸塩、リン酸塩、リン酸１水素塩、リン酸２水素塩、ケイ酸塩、アルミン酸塩、硫酸塩、チオ硫酸塩、硫化塩、炭酸塩、重炭酸塩、シュウ酸塩、及びホウ酸塩等が使用可能であり、これら化合物のうちの一種又は二種以上が使用可能であり、入手が容易であるリチウム、ナトリウム、又はカリウムの化合物が好ましく、ナトリウム又はカリウムの化合物がより好ましい。
アルカリ物質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、２〜30部が好ましく、３〜20部がより好ましい。２部未満では優れた急結性が得られない場合があり、30部を超えるとＡＳＲの抑制効果が得られない場合がある。

本発明で使用するカルシウムアルミネート(以下、ＣＡという)とは、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り、CaOをC、Al₂O₃をAとすると、例えば、C₃A、C₁₂A₇、C₁₁A₇・CaF₂、C₁₁A₇・CaCl₂、C₂A・SiO₂、CA、及びCA₂などと示されるものであり、これらのうち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。
ＣＡ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問題ない。
ＣＡの粒度やその分布は特に限定されるものではないが、ブレーン比表面積(以下、ブレーン値という)で2,000cm²/g以上が初期強度発現性の面から好ましく、3,000cm²/g以上がより好ましい。

本発明で使用する石膏は、コンクリートの強度発現性を一層向上させるために使用するものであり、具体的には、無水石膏、半水石膏、及び二水石膏が挙げられ、これらうちの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。
これら石膏には、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等が含まれ、セメントやＣＡとの反応性から無水石膏が最も好ましい。
石膏の粒度は、ブレーン値で3,000cm²/g以上が強度発現性の面から好ましい。

本発明の急結剤中のアルカリ物質、ＣＡ、及び石膏の含有割合は特に限定されるものではないが、急結剤100部中、アルカリ物質は２〜30部が好ましく、３〜20部がより好ましい。また、ＣＡは30〜60部が好ましく、35〜55部がより好ましい。さらに、石膏は30〜60部が好ましく、35〜55部がより好ましい。
急結剤中のアルカリ物質、ＣＡ、及び石膏の含有割合が、この範囲未満では、優れた急結性が得られない場合があり、この範囲を超えると長期強度発現性が損なわれる場合がある。

本発明では、上記急結剤の成分以外に、例えば、生石灰、消石灰、水酸化アルミニウム、シリカ質微粉末、潜在水硬性を有する微粉末等の公知の急結助剤を一種又は二種以上含有させることも可能である。

急結剤の使用量は特に限定されるものではないが、急結性の面から、セメント100部に対して、６〜20部が好ましく、８〜12部がより好ましい。６部未満では優れた急結性が得られない場合があり、20部を超えても使用効果の向上が期待できない。

本発明で使用するセメントは特に制限されるものではなく、通常使用されている普通、早強、超早強、及び低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、石灰石微粉末、又はシリカなどを混合した各種混合セメント、さらには、膨張セメントやコロイドセメントなど、いずれも使用可能である。

本発明で使用するシラスとは、火山の噴火時に火山ガラスを主成分とする発泡状物質である。
シラスの化学組成は特に限定されるものではないが、主成分として、SiO₂を40〜80％、Al₂O₃を５〜25％含有することが好ましく、これらの成分以外に、Na、K、Ca、Mg、Fe、及びTiなどを含有することも可能である。
アルカリとの反応性の高いシラスを含有することにより、シラスと、急結剤中のアルカリが初期に反応するため、アルカリ骨材の反応性の高い骨材を使用した場合でも、長期にわたるＡＳＲに起因した膨張を低減することが可能となる。
シラスの粒度はＡＳＲ抑制の面から、ブレーン値で500cm²/g以上が好ましく、1,000cm²/g以上がより好ましい。500cm²/g未満では優れたＡＳＲ抑制効果が得られない場合がある。
シラスの使用量は特に限定されるものではないが、骨材と置換して使用することが好ましく、セメント100部に対して、２〜50部が好ましく、３〜10部がより好ましい。２部未満では優れたＡＳＲ抑制効果が得られない場合があり、50部を超えると強度発現性が低下する場合がある。

本発明では、本発明の吹付け材料を用いて形成したセメントコンクリート硬化体の耐衝撃性や弾性を向上させるため、繊維を使用することが好ましい。
繊維としては、無機質や有機質、いずれも使用可能である。
無機質の繊維としては、ガラス繊維、炭素繊維、ロックウール、石綿、セラミック繊維、及び金属繊維等が挙げられ、有機質の繊維としては、ビニロン繊維、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維、ポリアクリル繊維、セルロース繊維、ポリビニルアルコール繊維、ポリアミド繊維、パルプ、及び麻等が挙げられ、これらの中では経済性や効果の面から、金属繊維やビニロン繊維が好ましい。
繊維の長さは圧送性や混合性等の面から、50mm以下が好ましく、30mm以下がより好ましい。50mmを超えると圧送管が閉塞する場合がある。
繊維の使用量は、セメントコンクリート100容量部に対して、0.5〜３容量部が好ましい。0.5容量部未満では耐衝撃性や弾性の向上が見られない場合があり、３容量部を超えるとセメントコンクリートの流動性を著しく損なう場合がある。

本発明では、前記各材料の他に、砂や砂利等の骨材、ＡＥ剤、減水剤、ＡＥ減水剤、高性能減水剤、高性能ＡＥ減水剤、流動化剤、消泡剤、増粘剤、防錆剤、防凍剤、収縮低減剤、ＳＢＲやポリアクリレートなどの高分子エマルジョン、凝結調整剤、及び膨張材等のうちの一種又は二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。

本発明の吹付け材料は、シラスをあらかじめセメントコンクリートと混合しておき、急結剤を吹付けノズル手前の混合管でセメントコンクリートと混合することが好ましい。

本発明において、セメント、骨材、及び水等を混合する装置としては、既存の攪拌装置が使用可能であり、例えば、傾胴ミキサ、オムニミキサ、Ｖ型ミキサ、ヘンシェルミキサ、及びナウタミキサなどが使用可能である。

急結剤の混合方法としては、粉末急結剤を空気圧送してセメントコンクリートに合流混合する方法や、急結剤に加水してスラリ化させ、急結剤スラリとし、セメントコンクリートに合流混合する方法があり、いずれも使用可能であるが、粉塵量低減の面からスラリ化する方法が好ましい。スラリ化する場合には、公知の遅延剤類を併用することが急結剤スラリと吹付け用セメントコンクリートの混合性を向上させる面で好ましい。
粉末状急結剤に加水するには一般的な水ポンプが使用でき、圧送空気と一緒に加水する方法が可能である。さらに、急結剤とセメントコンクリートとの合流点は、混合性を良くするために、管の形状や内壁をらせん状や乱流状態になりやすい構造とすることが可能である。

本発明の吹付け工法としては、乾式吹付け工法や湿式吹付け工法が使用可能である。
乾式吹付け工法としては、例えば、セメントや骨材を混合して空気圧送し、水と急結剤を合流混合して湿潤状態で吹付ける方法があり、また、湿式吹付け工法としては、例えば、あらかじめ、セメント、骨材、及び水を混合してセメントコンクリートとし、これを空気圧送して急結剤を合流混合して吹付ける方法がある。このうち、乾式吹付け工法では粉塵量が多くなる場合があるため、湿式吹付け工法を用いることが好ましい。
本発明の吹付け工法においては、従来の吹付け設備等の使用が可能である。吹付け設備は吹付けが充分に行なわれれば特に限定されるものではなく、例えば、セメントコンクリートの圧送にはアリバ社製商品名「アリバ２８０」などが、また、粉末急結剤の圧送にはちよだ製作所製商品名「ナトムクリート」などが、さらに、急結剤スラリーの圧送にはプツマイスター社製商品名「アンコマットポンプ」などが使用可能である。
また、急結剤を圧送する圧縮空気の圧力は、セメントコンクリートが急結剤の圧送管内に侵入して圧送管内を閉塞しないように、コンクリートの圧送圧力より0.01〜0.3ＭPa程度大きいことが好ましい。また、コンクリートの圧送速度は４〜20m³/hが好ましい。

本発明で使用する吹付け用セメントコンクリートのセメント量は特に限定されるものではないが、300kg/m³以上が好ましく、材齢28日の圧縮強度で18N/mm²以上になることが好ましい。吹付け用コンクリートのスランプ値は特に限定されないが、５cm以上が好ましく、スランプコーンを引き抜いた際のフロー値で220mm以上であることが好ましい。

水・セメント比が60％、セメント／砂比が1/3の配合を用い、セメント100部に対して、表１に示す量のシラスを、骨材に置換して使用し、セメント100部に対して、表１に示すアルカリ物質、ＣＡイ、及び石膏からなる急結剤を10部添加してモルタルを調製した。
調製したモルタルを、試験環境温度20℃で、寸法変化と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＞
セメント：普通ポルトランドセメント、市販品、総アルカリ量0.4％
シラス：シラックスウ社製、ブレーン値3,000cm²/g
アルカリ物質Ａ：アルミン酸ナトリウム、和光化学社製、試薬１級
ＣＡイ：C₁₂A₇組成のガラス、ブレーン値8,100cm²/g
石膏：無水石膏、ブレーン値4,000cm²/g
砂：サヌカイト質輝石安山岩、JIS A 5308付属書７(化学法)により、溶解シリカ量が750mmol/l、アルカリ濃度減少量が200mmol/lで無害でないと判定されたもの。
水：水道水

＜測定方法＞
寸法変化：JIS A1804の骨材のアルカリシリカ反応性試験方法(迅速法)に準拠して測定
プロクター貫入抵抗値：JSCE D-102-1999に準じて測定、材齢３分

実験例１の実験N0.1- 4の組成割合の急結剤を使用し、表２に示す種類のアルカリ物質とＣＡを使用したこと以外は実施例１と同様に試験した。結果を表２に併記する。

＜使用材料＞
アルカリ物質Ｂ：アルミン酸カリウム、和光化学社製、試薬１級
アルカリ物質Ｃ：硫酸ナトリウム、和光化学社製、試薬１級
ＣＡロ：C₃A、結晶質、ブレーン値7,900cm²/g
ＣＡハ：C₁₁A₇・CaCl₂、結晶質、ブレーン値8,000cm²/g

表３に示すブレーンのシラスを使用し、実験例１の実験N0.1- 4の組成の急結剤を使用したこと以外は、実施例１と同様に試験した。結果を表３に併記する。

実験例１の実験N0.1- 4の組成の急結剤を使用し、セメント100部に対して表４に示す量の急結剤を使用したこと以外は実施例１と同様に試験した。結果を表４に併記する。

Claims

（１）セメント100部とブレーン比表面積で500cm ² /g以上のシラス２〜50部とアルカリ骨材反応において無害でない反応性骨材を混合してなるセメントコンクリートと、（２）セメント100部に対して、急結剤８〜20部（急結剤100部中、アルカリ金属含有物質２〜30部、カルシウムアルミネート30〜60部、石膏30〜60部を含有）とを混合して吹き付けることを特徴とする吹付け工法。
セメントコンクリートが水を混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。
アルカリ金属含有物質が、アルミン酸ナトリウム、アルミン酸カリウム及び硫酸ナトリウムからなる群のうちの１種以上からなり、カルシウムアルミネートが、12CaO・7Al ₂ O ₃ 、3CaO・Al ₂ O ₃ 、11CaO・Al ₂ O ₃ ・CaCl ₂ からなる群のうちの１種以上からなり、石膏が無水石膏であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の吹付け工法。