JP5175759B2

JP5175759B2 - 吹付け材料およびそれを用いた吹付け工法

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Publication number: JP5175759B2
Application number: JP2009025904A
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: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2029-02-06
Also published as: JP2010180108A

Description

本発明は、主に、土木・建築業界で使用される吹付け材料及びそれを用いた吹付け工法に関する。

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、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、低添加で十分な急結力を有し、粉塵量やリバウンドのより少ない工法が求められていた。

急結剤を使用する吹付けコンクリートは、初期強度は向上するが長期強度は急結剤を添加しないベースコンクリートよりも低下する傾向にあり、収縮も大きく乾燥の影響を受けやすい箇所ではひび割れの発生がし易いものであった。また、粉塵発生量が少ない工法として、急結剤を水や液体急結剤でスラリー化してセメントコンクリートに添加混合する方法が提案されているが（特許文献６、７参照）、水／セメント比が増加するので強度が低下する傾向にあった。
そこで、低水セメント比のコンクリートを用いることが検討されたが、低水セメント比のコンクリートは粘性が高くなる傾向があるため、圧送性が好ましくない場合が多く、圧送ホース内でコンクリートが脈動し均一な急結剤の混合ができないという課題があった。また、圧送性をよくするために高流動コンクリートを吹付ける方法もあるが、コンクリートの流動性が良すぎて、急結剤を混合しても地山への付着性が悪く、リバウンドが増加するといった課題があった。

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２００７−３１１６６号公報特開平１０−３１７６７１号公報

本発明は、特定のシリカスラリーと急結剤を吹付けコンクリートに適用することで、粉じん、リバウンドの大幅な低減や、初期と長期の強度向上、さらに、ひび割れ抵抗性の向上が可能な吹付け材料およびそれを用いた吹付け工法を提供する。

すなわち、本発明は、（１）ＳｉＯ_２成分８５質量％以上で粒子径１．０μｍ以下であるシリカの濃度が５〜６０質量％で粘度が１００ｍＰａ・Ｓ以下であるシリカスラリー、急結剤、およびスランプフローが４０〜９０ｃｍであるセメントコンクリートを含有してなる吹付け材料、（２）急結剤が、カルシウムアルミネート、アルカリ金属アルミン酸塩、アルカリ金属ケイ酸塩および硫酸アルミニウムから選ばれる少なくとも１種を含有する（１）記載の吹付け材料、（３）（１）または（２）の吹付け材料を用いる吹付け工法、（４）圧送されてきたセメントコンクリートに対して急結剤とシリカスラリーを合流混合する（３）の吹付け工法、（５）圧送されてきたセメントコンクリートに対して急結剤とシリカスラリーを別々に合流混合する（４）の吹付け工法、である。

本発明の吹付け材料を用いることで、粉じんやリバウンドの発生量を大幅に低減することができ、初期と長期強度の向上、さらに、吹付けたコンクリートが緻密化することで、収縮量の低減やひび割れ抵抗性の向上が可能となる。また、流動性の大きなコンクリートを用いても十分な付着性を示すため、低リバウンドの吹付けコンクリートを得ることも可能となる。

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。

本発明で使用するセメントとは、普通、早強、超早強、低熱、および中庸熱など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、ならびに、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）など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。

本発明で使用するシリカスラリーとは、微粒子シリカを水でスラリー化したもので、粉じんやリバウンドの低下、強度発現およびひび割れ抵抗性の向上を目的として使用する。
微粒子シリカとしては、特に限定されるものではなく、金属シリコン、フェロシリコン、またはジルコニアを製造する過程で電気炉から発生するフューム（シリカフューム）を捕集する方法、、金属シリコン粉末を分散させたスラリーを高温場に噴射し燃焼、酸化させる方法、あるいは、四塩化ケイ素などのハロゲン化物のように、ガス化したケイ素化合物を火炎中に送り製造する方法などの、いわゆる乾式法で製造されるものや、ケイ酸塩水溶液からのゾルゲル法により沈降生成させ製造する湿式法のいずれの製法で製造されたシリカ粉末を使用する。その中でも、乾式法で製造された微粒子シリカが、凝集（ストラクチャー）が少なく好ましい。
本発明で使用する微粒子シリカは、ＳｉＯ_２成分が８５％以上であることが好ましく、粒子径は一次粒子の最大粒子径が１．０μｍ以下が好ましい。一次粒子の最大粒子径が１．０μｍを超えるとスラリーの粘性を下げると、分散しないで沈降する場合がある。
本発明の粒子径とはレーザー回折・散乱法によって求めたメジアン径をいう。

本発明では、微粒子シリカを水に分散し、シリカスラリーを調製するが、シリカスラリーの濃度は、５〜６０％が好ましい。通常、シリカスラリーは、実際に使用する上で、濃度が希薄になるとセメントとの反応性が低下したりすることから、また、経済上から、濃度は３０〜６０％がより好ましい。シリカスラリーの濃度が、５％未満では、沈降分離し、シリカスラリーの安定性を損なう場合があり、６０％を超えるとシリカスラリー中での粉体の密度が高くなり均一に分散することが難しく、高粘度となる場合がある。
本発明で使用するシリカスラリーの粘度は、１００ｍＰａ・Ｓ以下が好ましく、２０〜５０ｍＰａ・Ｓがより好ましい。１００ｍＰａ・Ｓを超えるとポンプ圧送時に圧力がかかる場合がある。
本発明では、水で、微粒子シリカを分散し、シリカスラリーを調製するが、水の数％程度までをアルコール類等の水酸基を有する有機化合物で置き換えることも可能である。
本発明で使用する微粒子スラリーは、水のみでの分散も可能だが、濃度が高い場合にはスラリーの安定性を保つために、ｐＨを３以上、９未満にすることが好ましい。ｐＨが３未満では酸性が強く使用する機器等を腐食する恐れがあり、ｐＨ９以上では粒子が凝集しスラリーの粘度が大きくなりゲル化する場合がある。ｐＨを３以上、９未満にするためには、添加剤を使用する。
添加剤としては、硫酸、塩酸、硝酸、およびリン酸等の無機酸、ならびにクエン酸、リンゴ酸、酒石酸、及びグルコン酸等の有機酸又はその塩等が挙げられ、その中でも有機酸又はその塩が好ましい
添加剤の使用量は、微粒子シリカ100部に対し、５部以下が好ましく、２部以下がより好ましい。５部を超えると分散性を阻害する場合があり、経済的にも好ましくない。

シリカスラリーの使用量は、セメント１００部に対して固形分で０．２〜２０部が好ましく、１〜１０部がより好ましい。０．２部未満では、効果が発揮できない場合があり、２０部を超えると凝集効果が高くなりすぎ閉塞する場合がある。

本発明で使用する急結剤とは、カルシウムアルミネート、アルカリ金属アルミン酸塩、アルカリ金属ケイ酸塩、硫酸アルミニウムから選ばれるいずれか１種以上の成分を含有するものである。市販品の使用が可能であり、上記成分が含有するものであれば何れも使用できる。
カルシウムアルミネートを含有するものとしては、例えば、市販のカルシウムアルミネート系粉体急結剤、カルシウムサルホアルミネート系粉体急結剤、それらに水や液体急結剤を混合しスラリー化した急結剤などが挙げられる。
アルカリ金属のアルミン酸塩を含有するものとしては、例えば、市販の無機塩系粉体急結剤、無機塩系液体急結剤などが挙げられる。
アルカリ金属のケイ酸塩を含有するものとしては、例えば、市販のケイ酸ナトリウム、ケイ酸リチウム、ケイ酸カリウムの水溶液である水ガラス類などが挙げられる。
硫酸アルミニウムを含有するものとしては、例えば、市販の硫酸アルミニウムを含有する粉体急結剤、硫酸アルミニウムを含有する液体急結剤などが挙げられる。

急結剤の使用量は、通常、市販品であれば、製造元のカタログ、技術資料、施工要領書などに準じて決定する。

本発明の吹付け材料に使用するセメントコンクリートは、吹付けが可能であれば特に配合は限定されるものではない。一般的な配合としては、スランプ１０ｃｍ程度、Ｗ／Ｃ=６０％程度、ｓ／ａ=６０％程度、セメント量３６０ｋｇ／ｍ^３程度、砂利の最大寸法１３ｍｍで実施されている場合が多く、高強度タイプでは、スランプ２０ｃｍ程度、スランプフローで２５〜３５ｃｍ、Ｗ／Ｃ=４０〜５０％程度、ｓ／ａ=６０％程度、セメント量４００〜５００ｋｇ／ｍ^３程度、砂利の最大寸法１３ｍｍで実施されている場合が多い。脈動がなく圧送性が良好なセメントコンクリートとするにはスランプフローで４０〜９０ｃｍの範囲にある高流動コンクリートの使用が好ましい。

セメントコンクリートに使用する骨材は、特に限定するものではなく、市販されているあらゆる骨材の使用が可能であり、吹付け施工に支障をきたさないものであれば問題ない。

本発明では、吹付け施工に支障をきたさない範囲で、減水剤、ＡＥ減水剤、高性能減水剤、高性能ＡＥ減水剤や、セルロースエーテル類、ポリエチレンオキサイド類、多糖類などの増粘剤、消泡剤、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、凝結遅延剤、高分子凝集剤、ベントナイトなどの粘土鉱物やハイドロタルサイトなどのアニオン交換体などの各種添加剤、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などの混和材料などからなる群のうちの１種又は２種以上を併用することが可能である。

本発明の吹付け方法は、圧送されてくるセメントコンクリートに、シリカスラリーと急結剤を混合したものをセメントコンクリートに合流混合する方式、圧送されてきたセメントコンクリートに、急結剤とシリカスラリーを別々に合流混合する方式で実施する。
圧送されてくるセメントコンクリートに、シリカスラリーと急結剤を混合する方式では、シリカスラリーを送液ポンプで圧送し、急結剤が液体の場合は送液ポンプで圧送し合流混合すればよく、また、急結剤が粉体の場合は、圧縮空気で粉体を圧送し合流混合すればよい。シリカスラリーも圧縮空気でミスト状にして急結剤と混合してもよい。
圧送されてきたセメントコンクリートに対し、急結剤とシリカスラリーを別々に合流混合する方式では、セメントコンクリートに対して、最初に急結剤を混合してからシリカスラリーを送液ポンプで圧送して混合してもよく、逆の混合方法でもよい。この場合も、急結剤が液体であるならば、送液ポンプでセメントコンクリートに直接混合してもよく、圧縮空気でミスト状にして混合してもよい。急結剤が粉体であるならば圧縮空気とともに混合すればよい。シリカスラリーも圧縮空気でミスト状にして急結剤と混合してもよい。
なお、圧送するセメントコンクリートは、急結剤やシリカスラリーを合流混合するときに使用する圧縮空気のみでセメントコンクリートを吹き飛ばし吹付け施工を実施してもよく、急結剤やシリカスラリーが合流混合す手前で、セメントコンクリートに圧縮空気を導入して吹き飛ばし吹付け施工を実施してもよい。

「実験例１」
粉末状のシリカを所定量の水に添加しシリカスラリーの調整を湿式粉砕機で行った。スラリーの性状（シリカ固形分濃度（％）、添加剤のシリカ１００部に対する使用量（部））を表１に示す。

（湿式粉砕機の運転条件）
機種：コトブキ技研工業社製スーパーＡＰＥＸミル（ＳＡＭ−１型）
能力：４０ｌ／ｈ
ローター周速：１４ｍ／ｓ
粉砕メディア：ジルコニア、粒径０．３ｍｍ、充填率６０％

（使用材料）
シリカＡ：ＳｉＯ_２：８２．９％、Ａｌ_２Ｏ_３：０．９％、ＣａＯ：２．１％、ＭｇＯ：３．１％、Ｆｅ_２Ｏ_３：３．５％、Ｎａ_２Ｏ：１．２％、Ｋ_２Ｏ：２．５％、粒子径：０．２２μｍ
シリカＢ：ＳｉＯ_２：９４．７％、Ａｌ_２Ｏ_３：<０．０１％、ＣａＯ：０．１５％、ＭｇＯ：０．０７％、Ｆｅ_２Ｏ_３：０．３２％、Ｎａ_２Ｏ：０．０２％、Ｋ_２Ｏ：０．０１％、粒子径：０．５０μｍ
シリカＣ：ＳｉＯ_２：８５．２％、Ａｌ_２Ｏ_３：０．８３％、ＣａＯ：０．５１％、ＭｇＯ：１．６６％、Ｆｅ_２Ｏ_３：１．４５％、Ｎａ_２Ｏ：１．２５％、Ｋ_２Ｏ：１．９２％、粒子径：０．４１μｍ
シリカＤ：ＳｉＯ_２：９１．８％、Ａｌ_２Ｏ_３：０．７６％、ＣａＯ：０．５１％、ＭｇＯ：１．４６％、Ｆｅ_２Ｏ_３：１．７４％、Ｎａ_２Ｏ：０．４７％、Ｋ_２Ｏ：０．７６％、粒子径：１．０μｍ
シリカＥ：ＳｉＯ_２：９１．８％、Ａｌ_２Ｏ_３：０．７６％、ＣａＯ：０．５１％、ＭｇＯ：１．４６％、Ｆｅ_２Ｏ_３：１．７４％、Ｎａ_２Ｏ：０．４７％、Ｋ_２Ｏ：０．７６％、粒子径：１．４μｍ
添加剤：クエン酸、市販品

（測定方法）
粘度：温度２０℃でＢ型粘度計を用いて測定した。ローターの回転速度：２０ｒｐｍ。
ｐＨ：各固形分になるように調整したシリカスラリーをｐＨメーターで測定した。
スラリーの安定性：調整したシリカスラリーを温度２０℃で1週間貯蔵したときに沈降やゲル化が無ければ安定と評価した。

「実験例２」
各材料の単位量をセメント４００ｋｇ／ｍ^３、細骨材１０５８ｋｇ／ｍ^３、粗骨材７１０ｋｇ／ｍ^３、水２００ｋｇ／ｍ^３、および高性能減水剤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。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。Ｙ字管の一方より、予め圧縮空気でミスト状にしたシリカスラリーと空気圧送した粉体急結剤Ａを混合した状態でセメントコンクリートに合流混合させた。粉体急結剤Ａの添加率はセメントに対して１０％になるように調整し、シリカスラリーの使用量はセメント１００部に対して固形分（部）で表１に示すように調整した。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、長さ変化率を測定した。結果を表２に示す。
なお、比較のために、粉体急結剤Ａのみ添加した場合と、粉体急結剤Ａに水を導入しスラリー化したもの（シリカスラリーの代わりに水を使用）の場合、粉体急結剤Ａに液体急結剤ａ（シリカスラリーの代わりに液体急結剤ａを使用）を添加してスラリー化したものの場合についても試験を行った。スラリー化するための水の割合は粉体急結剤Ａ１００部に対して８０部、また、液体急結剤ａの割合は、粉体急結剤Ａ１００部に対して８０部とした。

（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
シリカＢのスラリー（実験No.1-7）：固形分濃度４５％の微粒子シリカスラリー、粘度３５ｍＰａ・Ｓ、
粒子径０．５μｍ
シリカＣのスラリー（実験No.1-14）：固形分濃度４５％の微粒子シリカスラリー、粘度５６ｍＰａ・Ｓ、粒子径０．４１μｍ
シリカＤのスラリー（実験No.1-21）：固形分濃度４５％の微粒子シリカスラリー、粘度６６ｍＰａ・Ｓ、粒子径１．０μｍ
粉体急結剤Ａ：カルシウムサルホアルミネート系、市販品
液体急結剤ａ：硫酸アルミニウム系、市販品

（測定方法）
コンクリート圧縮強度：材齢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２８日の圧縮強度は、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／ｍ^３、Ｐ−５Ｌ型）により測定した。
長さ変化率試験：専用型枠（１０×１０×３６ｃｍ）に吹付けて供試体を作製した。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。

「実験例３」
セメント１００部に対してシリカスラリーを固形分で５部とし、急結剤の種類を変えたこと以外は実験例２と同様に行った。
なお、急結剤のセメントに対する添加率を下記に示す。結果を表３に示す。

（使用材料）
粉体急結剤Ｂ：カルシウムアルミネート系、市販品添加率：６％
粉体急結剤Ｃ：アルカリ金属アルミン酸塩を含有する無機塩系、市販品添加率：４％
液体急結剤ｂ：アルカリ金属アルミン酸塩を含有する無機塩系、市販品添加率：７％
液体急結剤ｃ：ケイ酸塩系、３号水ガラス、市販品添加率：７％

「実験例４」
表４に示すように、セメントコンクリートのスランプフローを変化させたとした以外は実験例２と同様に吹付け試験を実施した。結果を表５に示す。

（使用材料）
分離低減剤：セルロースエーテル系分離低減剤、市販品

（試験方法）
材齢２８日圧縮強度の変動係数：圧縮強度試験は実施例１と同様に実施した。ただし、ｎ数は９とし、平均と標準偏差を求め、変動係数を算出した。
搬送時の圧力差：空気搬送されるコンクリートの脈動は、配管内を流れるコンクリートが希薄になると負荷が小さくなり、濃度が高くなると負荷が大きくなることを利用し、圧力センサーを取り付けて、コンクリートが搬送されている間の最大圧力と最小圧力の差を測定した。つまり、圧力差が小さいほど脈動は少なく安定した搬送がなされており、圧力差が大きいほど脈動は激しくなるという脈動状態の指標となる。測定は、シリカスラリーと空気圧送した粉体急結剤Ａのミスト状混合物が合流する直後の位置で行った。

本発明の吹付け材料を用いることで、粉じんやリバウンドの発生量を大幅に低減することができ、初期と長期強度の向上、さらに、吹付けたコンクリートが緻密化することで、収縮量の低減やひび割れ抵抗性の向上が可能となる。また、流動性の大きなコンクリートを用いても十分な付着性を示すため、低リバウンドの吹付けコンクリートを得ることも可能となることから、土木、建築分野で広範に使用することができる。

Claims

ＳｉＯ_２成分８５質量％以上で粒子径１．０μｍ以下であるシリカの濃度が５〜６０質量％で粘度が１００ｍＰａ・Ｓ以下であるシリカスラリー、急結剤、およびスランプフローが４０〜９０ｃｍであるセメントコンクリートを含有してなる吹付け材料。
急結剤が、カルシウムアルミネート、アルカリ金属アルミン酸塩、アルカリ金属ケイ酸塩および硫酸アルミニウムから選ばれる少なくとも１種を含有する請求項１記載の吹付け材料。
請求項１または２記載の吹付け材料を用いる吹付け工法。
圧送されてきたセメントコンクリートに対して急結剤とシリカスラリーを合流混合する請求項３記載の吹付け工法。
圧送されてきたセメントコンクリートに対して急結剤とシリカスラリーを別々に合流混合する請求項４記載の吹付け工法。