JP4537044B2

JP4537044B2 - 吹付け工法

Info

Publication number: JP4537044B2
Application number: JP2003411748A
Authority: JP
Inventors: 貴光室川; 康宏中島; 積石田
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2003-12-10
Filing date: 2003-12-10
Publication date: 2010-09-01
Anticipated expiration: 2023-12-10
Also published as: JP2005170723A

Description

本発明は、道路、鉄道、及び導水路等のトンネルや法面等において、露出した地山面に急結性のコンクリートを吹付ける際に使用する吹付け材料、急結性吹付けセメントコンクリート、及びそれを用いた吹付け工法に関する。

本発明でいうセメントコンクリートとは、セメントペースト、モルタル、及びコンクリートの総称である。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。

トンネルの掘削作業等において露出した地山の崩落を防止するために、粉体又は液体の急結剤をコンクリートに混合した急結性吹付けセメントコンクリートを吹付けて、厚さ数cm〜数十cmのライニングを形成する吹付け工法（NATM工法）が広く用いられている（特許文献１〜３等参照）。

吹付け工法で使用するセメントとしては、急結性や初期強度発現性等の観点から普通ポルトランドセメントが多用されている。

近年、廃棄物を再利用する廃棄物循環型社会構築の気運が高まっており、フライアッシュの使用が「資源の有効な利用の促進に関する法律」（平成三年法律第四十八号、指定副産物としての石炭灰の有効利用の促進）等の形で推奨され、フライアッシュを混合した混合セメントにおいても、急結性や初期強度発現性の優れる材料の開発が待たれていた。

酸性の地質を有する地域では、耐久性向上の観点から、耐酸性に優れる吹付け材料が望まれている。

一方、廃棄物循環型社会の構築の観点から、セメント原料として、都市型廃棄物を利用したリサイクル型セメント（以下、エコセメントという）が開発された（特許文献４及び非特許文献１等参照）。
特公昭６０−００４１４９号公報特開平０９−０１９９１０号公報特開平１０−０８７３５８号公報特開平０７−１６５４４６号公報ＪＩＳ規格書 JIS R 5214:2002号(日本規格協会)

新規の吹付け材料、急結性セメントコンクリート、及び吹付け工法を提供する。

即ち、本発明は、（１−１）速硬型エコセメント中のカルシウムアルミノフェライト及び11CaO・7Al ₂ O ₃ ・CaCl ₂ の含有量が、速硬型エコセメント100部中、12部以上である速硬型エコセメント及び（１−２）フライアッシュを含有する（１）混合セメント100部中、ブレーン比表面積値が3,000cm²/g以上であるフライアッシュの含有量が5〜30部である混合セメント330〜600kg/m³及び水／混合セメント比が40〜65％の水を添加してなる吹付け用セメントコンクリートと、（２−１）カルシウムアルミネートを30〜70部、（２−２）ｐＨが８以下の石膏を70〜30部、及び、（２−３）急結剤100部中、R₂O／Al₂O₃比が0.65〜1.2であるアルカリ金属アルミン酸塩1〜20部を含有してなる（２）急結剤とを吹付け直前に混合してなる急結性吹付けセメントコンクリートを吹付けることを特徴とする吹付け工法であり、吹付け用セメントコンクリートが骨材を添加してなることを特徴とする該吹付け工法であり、吹付け工法が湿式吹付け工法であることを特徴とする該吹付け工法であり、急結性吹付けセメントコンクリートが耐酸性急結性吹付けセメントコンクリート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及びそれを用いた吹付け工法を用いることにより、産業副産物であるフライアッシュを使用しても、高い急結性と低リバウンド率を付与することが可能となり、吹付け材料の水和硬化体は耐酸性を有する等の効果を奏する。

エコセメントとは、JIS R 5214規格に規定された都市型廃棄物を原料として製造されるもので、都市型廃棄物や下水汚泥等を主原料として製造されるセメントの総称である。

エコセメントには、大別して、普通型エコセメントと速硬型エコセメントがある。エコセメントは、CaOをC、Al₂O₃をA、SiO₂をS，Fe₂O₃をFと略記したときに、C₃S、C₂S等で示されるカルシウムシリケート、フェライト系化合物（C₄AF）、アルミネート系化合物(C₃A)等を成分として含有するものである。

普通型エコセメントは普通ポルトランドセメントに比べてFe₂O₃含有量が多く、間隙相の主体はC₄AF相などのカルシウムアルミノフェライトである。

速硬型エコセメントは普通型エコセメントよりも塩素含有量が高く、アルミネート系化合物の主体が11CaO・7Al₂O₃・CaCl₂である点で相違している。

エコセメント中のカルシウムアルミノフェライト及びカルシウムアルミネート化合物の含有量の合計は特に限定されないが、リサイクル型セメント100部中、12部以上であることが好ましい。カルシウムアルミノフェライト及びカルシウムアルミネートの含有量が少ないと優れた急結性が得られない場合がある。

本発明で使用するフライアッシュは、石炭火力発電所で微粉炭を燃焼する際に溶融された灰分が冷却されてなる球状粒子を主体とした粉末であり、これを電気集塵機等で捕集した副産物である。フライアッシュは品質にばらつきがあるため、JIS A 6201に規定される品質のものが好ましく、II種相当品以上の品質がより好ましい。

フライアッシュは比重2.0〜2.3、ブレーン比表面積値（以下、ブレーン値という）が3,000cm²/g以上、平均粒経が10〜100μｍのものを使用することが好ましい。フライアッシュの比重、粒径が上記範囲外では、耐酸性や低温での初期強度発現性が不足する場合がある。

フライアッシュの使用量は、エコセメントとフライアッシュからなる混合セメント100部中、5〜30部が好ましく、10〜20部がより好ましい。フライアッシュ使用量が少ないと耐酸性が不足する場合や、硬化体中の塩素含有量が低減しない場合があり、フライアッシュ使用量が過剰では低温時の初期強度発現性が不足する場合がある。

急結剤はカルシウムアルミネート又はアルカリ金属アルミン酸塩を含有するものであれば特に限定されないが、カルシウムアルミネートと石膏を含有するものが好ましく、更にアルカリ金属アルミン酸塩を添加したものを用いることがより好ましい。

カルシウムアルミネートは、CaO原料やAl₂O₃原料等の混合物をキルン又は電気炉等で熱処理をし、粉砕して得られるものである。CaOをC、Al₂O₃をA、及びSiO₂をSと略記すると、例えば、C₃A、C₁₂A₇、C₁₁A₇・CaF₂、11CaO・7Al₂O₃・CaCl₂、C₂AS、CA、及びCA₂等と標記される組成の結晶質や、CmAn(m,nは正数)等の組成で示される非晶質であり、これらの一種又は二種以上を併用することが可能である。カルシウムアルミネートはアルカリ金属(Li,Na,K等)、Mg、Si、Cl等を含有してもよい。

カルシウムアルミネートのCaO/Al₂O₃モル比は特に限定されないが、CaO/Al₂O₃モル比が１以上であることが好ましく、1.5〜3であることがより好ましい。CaO/Al₂O₃モル比が上記範囲外では急結性が不足することがある。

カルシウムアルミネートの粒度や粒度分布は特に限定されないが、ブレーン値で4,000cm²/g以上が好ましく、6,000cm²/g以上がより好ましい。カルシウムアルミネートの粒度が粗いと急結性が不足することがある。

石膏は、無水石膏、半水石膏、及び二水石膏等が挙げられ、これらの石膏のうちの一種又は二種以上が使用可能である。

無水石膏には、弗酸副生無水石膏や天然無水石膏が含まれる。石膏を水に浸漬させたときのｐＨは、８以下の弱アルカリから酸性のものが好ましい。ｐＨが高い場合、初期の強度発現性が充分に得られない場合がある。

ここでいう石膏のpHとは、イオン交換水100ｇ中に1g石膏を添加してなる希釈スラリーの20℃におけるpHを、イオン交換電極等で測定した値を指す。

石膏の粒度は、粒度が細かいほど強度発現性が良く、ブレーン値で3,000cm²/g以上が好ましく、5,000cm²/g以上がより好ましい。

カルシウムアルミネートと石膏の配合は特に限定されないが、カルシウムアルミネート30〜70部、石膏70〜30部とすることが好ましい。急結剤中のカルシウムアルミネートが不足するか石膏が過剰の場合にはと急結性が得られない場合があり、カルシウムアルミネートが過剰又は石膏が不足した場合は長期強度発現性が得られない場合がある。

アルカリ金属アルミン酸塩は、アルミナ原料とアルカリ金属原料を混合して焼成する方法や、水中でアルミナ原料とアルカリ金属水酸化物とを混合して反応させる方法等により得られるものである。アルカリ金属としては、通常ナトリウムやカリウムが使用される。アルカリ金属アルミン酸塩は粉体状のものと溶液状のものが存在し、いずれも使用できるが、カルシウムアルミネートとの併用が容易な粉体状のものを使用することが好ましい。

アルカリ金属アルミン酸塩のR₂O(Rはアルカリ金属)とAl₂O₃のモル比は特に限定されないが、R₂O／Al₂O₃比が0.65〜1.2であることが好ましく、0.8〜1.1がより好ましい。R₂O／Al₂O₃比が小さいと優れた急結性が得られない場合があり、R₂O/Al₂O₃比が大きいと長期強度発現性が損なわれる場合がある。

アルカリ金属アルミン酸塩の粒度はカルシウムアルミネートや石膏と同等か、それ以上であることが急結性を向上させる観点から好ましい。

アルカリ金属アルミン酸塩の配合量は特に限定されないが、急結剤100部中、1〜20部が好ましい。アルカリ金属アルミン酸塩の配合量が5部未満ではより優れた急結性が得られない場合があり、20部を超えると急結性状が損なわれる場合がある。

本発明では、アルカリ金属炭酸塩、生石灰、消石灰、及び水酸化アルミニウム等も併用可能であり、混合セメント側、急結材側のいずれにも添加可能であるが、混合セメント側に添加することが好ましい。

急結剤の使用量は、エコセメントとフライアッシュからなる混合セメント100部に対して、2〜15部が好ましい。急結剤の使用量が少ないと優れた凝結性状が発揮されない場合があり、急結剤が過剰の場合には長期強度発現性が悪くなる場合がある。

骨材及び水を含有する吹付け用セメントコンクリート中の混合セメントの使用量は特に限定されないが、330〜600kg/m³が好ましい。水／混合セメント比は特に限定されないが、40〜65％が好ましい。混合セメントの使用量や水／混合セメント比がこの範囲外では施工性や耐久性が損なわれる場合がある。

吹付け用セメントコンクリートのスランプ値は15cm以上が好ましく、20cm以上がより好ましい。吹付け用セメントコンクリートの流動性が高いほど短時間で多量の吹付けが可能となり、作業効率が高くなる。

吹付け工法は特に限定されず、一般的に行われている湿式吹付工法及び乾式吹付工法等が使用可能である。乾式工法は、セメント、粉体急結剤、及びフライアッシュ等の粉体材料と骨材をドライミックスして空練りし、吹付け直前で水と合流混合する方法である。湿式工法は、混合セメント及び水等を混練してなる吹付け用セメントコンクリートに、吹き付け直前で急結剤を合流混合する方法である。

本発明の吹付け用セメントコンクリートは、ｐＨ調整剤、分散剤、安定化剤、防凍剤、水溶性促進剤、ＡＥ剤、減水剤、ＡＥ減水剤、凝結遅延剤、増粘剤、繊維、及び微粉等の添加剤を、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。これらの添加剤の添加方法は特に限定されず、吹付け用セメントコンクリート側に添加する方法、急結材に添加する方法などが挙げられる。

急結剤を吹付け用セメントコンクリートに混合する方法としては、Ｙ字管等を用いて吹付け直前に混合することが好ましい。吹付け用セメントコンクリートと急結剤を合流混合させ、急結性吹付けセメントコンクリートが吐出されるまでの時間を１０秒以内とすることが好ましく、２秒以内がより好ましい。

本発明の吹付け方法の使用形態として、例えばトンネル又は法面等の地山に直接吹付ける方法や、鉄筋のフレーム骨格に吹き付ける方法が挙げられる。

フレーム骨格とは、金網、鉄筋、及び鉄骨等を立体的に組み合わせて壁面に固定したものであり、該フレーム骨格に急結性吹付けセメントコンクリートを吹付け、鉄筋類含有セメントコンクリートフレームとする。

エコセメント100部及びフライアッシュ15部からなる混合セメントを用い、混合セメント単位量450kg/m³、混合セメント／砂比(C/S)=1/3、水／混合セメント比(W/C)=60％とした吹付け用モルタルを調製した。調製したモルタル中の混合セメント100部に対して、表１に示す急結剤を8部使用して急結性吹付けモルタルとし、試験環境温度は20℃で、プロクター貫入抵抗を測定した。結果を表１に併記する。
＜使用材料＞
フライアッシュ：北陸電力（株）、ブレーン値3,600cm²/g
エコセメント：太平洋セメント社製、商品名エコセメント（速硬型）、太平洋セメント社製、化合物組成はC₃S 44％、C₂S 10％、SO₃9％、C₄AF 8％、C₁₁A₇・CaCl₂17％
カルシウムアルミネート：C₁₂A₇組成、非晶質、ブレーン値8,000cm²/g
石膏：無水石膏、一級試薬、ブレーン値6,000cm²/g、pH7.2
アルミン酸塩：アルミン酸ナトリウム、一級試薬、ブレーン値4,000cm²/g、Na₂O/Al₂O₃＝0.9
砂：新潟県姫川産川砂、比重2.62
水：水道水
＜測定方法＞
プロクター貫入抵抗：凝結性状の確認、ASTM C 403「貫入抵抗によるコンクリートの凝結時間試験方法」に準拠。試験環境温度20℃。モルタル及び急結剤を混合後1分及び3分の凝結性状を評価した。

注：(1)カルシウムアルミネート、石膏、及びアルミン酸塩は(部)
(2)プロクター貫入抵抗は(N/mm²)

表１の実験No.1-10で用いた急結剤を使用し、エコセメントと、表２に示す量のフライアッシュとを混合した混合セメントを使用し、試験環境温度は20℃で耐酸性試験を行ったこと以外は実施例１と同様に試験した。比較のため、混合セメントの代わりに普通ポルトランドセメントを使用した場合についても同様に試験した。結果を表２に併記する。
＜使用材料＞
普通ポルトランドセメント：JISR 5214準拠品、C₃S 54%、C₃A 9%、C₂S 21%、SO₃3%、C₄AF 9%
＜試験項目＞
重量変化率：耐酸性試験、硬化体を水中にて28日間養生した後、5%の濃度の硫酸水溶液に28日間浸漬させ、浸漬前後の重量変化を測定

注：エコセメントとフライアッシュは(部)、プロクター貫入抵抗は(N/mm²)

単位エコセメント量430kg/m³、単位フライアッシュ量50kg/m³、単位水量230kg/m³、単位骨材量1,700kg/m³、s/a(細骨材率)=65%の吹付け用コンクリートを調製し、更に減水剤を添加してSL(スランプ)=18±2cm程度になるように調整した。このコンクリートをMKW-25SMT型コンクリートポンプ（シンテック社製）により10m³/hrの圧送速度でポンプ圧送した。その後、セメント100部に対して、表１に示す配合の急結剤8部となるように空気圧送し、吐出口より手前1mに取付けたＹ字管から圧送空気とともに吹付け用コンクリートに圧入、混合し、急結性吹付けコンクリートとして高さ3m、幅3m、奥行き10mの模擬トンネルの壁面に吹付けた。模擬トンネル内の吹付け部を観察し、リバウンド率及び吹付け後の変形の有無を調べた結果を表３に併記した。

＜使用材料＞
細骨材：新潟県姫川産砂、珪石を主体、比重2.62、FM値(粗粒率)2.86
粗骨材：新潟県姫川産砂利、珪石を主体、比重2.63、FM値(粗粒率)2.88
急結剤：配合は表３に記載。

＜測定方法＞
変形の有無：模擬トンネルの壁面に吹付け施工後、目視で変形の有無を確認した。吹付け後変形が全く見られないものを◎、わずかにダレあるが全く問題ないものを○、若干ダレがあるが容易に修正可能な程度のものを△とした。
リバウンド率：吹付けたコンクリート重量と跳ね返ったコンクリート重量を計測して算出した。

本発明の吹付け材料、急結性吹付けセメントコンクリート、及び吹付け工法を用いることにより、産業副産物であるフライアッシュを使用しても、高い急結性と低リバウンド率を付与することが可能となり、その水和硬化体は耐酸性を有する等の効果を奏するため、道路、鉄道、及び導水路等のトンネルや法面において、露出した地山面に急結性のコンクリートを吹付ける際に使用する吹付け材料、急結性吹付けセメントコンクリート、及びそれを用いた吹付け工法に適する。

Claims

（１−１）速硬型エコセメント中のカルシウムアルミノフェライト及び11CaO・7Al ₂ O ₃ ・CaCl ₂ の含有量が、速硬型エコセメント100部中、12部以上である速硬型エコセメント及び（１−２）フライアッシュを含有する（１）混合セメント100部中、ブレーン比表面積値が3,000cm²/g以上であるフライアッシュの含有量が5〜30部である混合セメント330〜600kg/m³及び水／混合セメント比が40〜65％の水を添加してなる吹付け用セメントコンクリートと、（２−１）カルシウムアルミネートを30〜70部、（２−２）ｐＨが８以下の石膏を70〜30部、及び、（２−３）急結剤100部中、R₂O／Al₂O₃比が0.65〜1.2であるアルカリ金属アルミン酸塩1〜20部を含有してなる（２）急結剤とを吹付け直前に混合してなる急結性吹付けセメントコンクリートを吹付けることを特徴とする吹付け工法。
吹付け用セメントコンクリートが骨材を添加してなることを特徴とする請求項１記載の吹付け工法。
吹付け工法が湿式吹付け工法であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の吹付け工法。
急結性吹付けセメントコンクリートが耐酸性急結性吹付けセメントコンクリートであることを特徴とする請求項１〜３のうちの一項に記載の吹付け工法。