(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セメントと流動床灰を含む硬化材と、水と、遅延剤及び／又は増粘剤を配合したＡ液と、珪酸ソーダ水溶液からなるＢ液を混合してなることを特徴とする空洞充填材料。
【請求項２】
硬化材としてのセメントと流動床灰の重量混合比が８：２〜４：６であることを特徴とする請求項１記載の空洞充填材料。
【請求項３】
硬化材として、セメント４０重量％以上、流動床灰２０重量％以上を含むことを特徴とする請求項１若しくは２記載の空洞充填材料。
【請求項４】
硬化材１００重量部と、水８０〜３５０重量部と、遅延剤を硬化材に対して２．０重量％以下、増粘剤として無機質粘土鉱物を１ｍ3 当たり１００ｋｇ以下、或いは有機質増粘剤を１ｍ3 当たり１０ｋｇ以下配合したＡ液と、珪酸ソーダ水溶液よりなるＢ液とを、Ａ液：Ｂ液＝９０：１０〜６０：４０の体積比で混合してなることを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の空洞充填材料。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、トンネル、橋台、擁壁、下水道管等の空洞充填材料に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
シールド工法・トンネル工事をはじめとする、橋台、擁壁、下水道管等の施工では、構造物を安定に維持する為に、土壌と構造物の隙間に空洞充填材料が注入される。従来、これらの材料としてはセメント系スラリー液が多く使用されてきたが、最近では注入直後の沈下量を小さくする為に、硬化材と水を混合したスラリー液（Ａ液）と珪酸ソーダー液（Ｂ液）を注入直前に混合し、直ちに強度を得る２液混合型の可塑状注入材料が多く使用されている。
【０００３】
しかし硬化材がセメント単味である材料は、長期材令強度を確保するためには硬化材を十分に配合する必要があるが、この場合、Ａ液とＢ液混合後強度発現が早すぎ、可塑状注入材料として適当でないのに対し、硬化材量を減少させると、長期強度が確保できなくなる等、使用上の難点が多い。
【０００４】
そこで、材料費の低減を図る目的とも相まって、緩慢なポゾラン反応を有する石炭灰やスラグ等の産業廃棄物をセメントに混合する方法が利用されており、これらは、Ａ液とＢ液混合後、良好な可塑状注入材料となるうえに、長期強度発現性に優れる材料とすることができる。また言うまでもなく、このように産業廃棄物を使用することは、近年埋め立て地の確保がますます困難になってきたことやリサイクル法の趣旨からも望ましいことである。
【０００５】
しかし、安価な材料である発生灰をそのまま使用すると、Ａ液のブリージングが大きくなり長距離圧送性に劣ったり、施工箇所への均一な注入ができない等の問題が残されている。
【０００６】
一方、産業廃棄物の一つに石炭流動層ボイラーから発生する流動床灰がある。今のところ石炭流動層ボイラーは、一般産業用、プロセス加熱用が主力であり、流動床灰の発生量は、火力発電所等の微粉炭焚ボイラーから発生する石炭灰と比べてかなり少ない（石炭灰・発生量：約５００万ｔ／年、流動床灰・発生量：約４０万ｔ／年）ものの、石炭灰がセメント原料やコンクリート添加（混和）材として相当量利用されているのに対し、流動床灰は、炉内同時脱硫を兼ねる流動媒体として石灰石が使用されることによる石灰成分、硫黄成分を大量に含有しており、前記石炭灰と比べて有効利用技術がなく、埋め立て等の廃棄処分にされているのが現状である。しかし、石炭流動層ボイラーは様々な優れた特長を持っており、今後、事業の大型化、加圧式の導入等により急速に設置され、それにともなって流動床灰の発生量も大幅に増大すると推定されており、他の産業廃棄物と同様にその利用方法の確立が強く望まれている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、セメントに流動床灰を混合することによって良好な特性を示す空洞充填材料を提供し、石炭流動層ボイラーから発生した原粉をそのまま使用することもでき、今後発生量が大幅に増大することが予想される流動床灰の有効利用を可能とすることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明の空洞充填材料によれば、セメントと流動床灰を含む硬化材と、水と、遅延剤及び／又は増粘剤を配合したＡ液と、珪酸ソーダ水溶液からなるＢ液を混合してなること（請求項１）、硬化材としてのセメントと流動床灰の重量混合比が８：２〜４：６であること（請求項２）、硬化材として、セメント４０重量％以上、流動床灰２０重量％以上を含むこと（請求項３）、硬化材１００重量部と、水８０〜３５０重量部と、遅延剤を硬化材に対して２．０重量％以内、増粘剤として無機質粘土鉱物を１ｍ3 当たり１００ｋｇ以内、或いは有機質増粘剤を１ｍ3 当たり１０ｋｇ以内配合したＡ液と、珪酸ソーダ水溶液よりなるＢ液とを、Ａ液：Ｂ液＝９０：１０〜６０：４０の体積比で混合してなること（請求項４）、を特徴とする。以下、この発明を詳細に説明する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
硬化材としてのセメントは、各種ポルトランドセンメト、特に、普通及び早強ポルトランドセメントが好適に使用されるが、高炉セメント等の混合セメントを使用することもできる。また、流動床灰は、石炭流動層ボイラーから発生した灰を空気分級機等により処理した平均粒径２０μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下の分級品を使用することが好ましいが、そのまま発生灰原粉を使用する事も可能である。
【００１０】
硬化材のセメントと流動床灰の重量混合比は、８：２〜４：６とし、この硬化材１００重量部に対して、水を８０〜３５０重量部混合する。水が８０重量部より少なくなったり、硬化材中のセメントの配合割合が多くなりすぎると、Ａ液とＢ液混合後の強度発現が早すぎ、可塑状注入材料として相応しくない。また、水が３５０重量部より多くなると、Ａ液のブリージング率が大幅に悪化し、長距離圧送性に劣る為に好ましくない。さらに硬化材中の流動床灰の配合割合が多くなると、Ａ液のスラリー温度が高くなるので、流動床灰の混合割合は６割以下が好ましい。
【００１１】
また、硬化材は、セメント４０重量％以上、流動床灰２０重量％以上を含むようにすればよく、他の材料、例えば、石炭灰やスラグ粉末等を混入し、長期強度特性を向上させるなど、その要求特性に応じて、各種材料、混和材等を４０重量％未満の範囲で混入することができる。
【００１２】
遅延剤は硬化材に対して２．０重量％以下の割合で配合する。遅延剤を配合する事により可使時間は大幅に改善され、２．０重量％で十分に効果を発揮する。したがって、遅延剤は可使時間要求特性に応じて、２．０重量％以下、０．５重量％以上で配合する事が好ましい。遅延剤としては、グルコン酸系、クエン酸系、オキシカルボン酸系、有機リン系、スルホン酸系等各種の遅延剤を使用することができる。
【００１３】
次に増粘剤は、Ａ液のブリージング挙動を改善するために添加する。Ａ液のブリージングは、Ｂ液混合後には全く無くなるから、Ａ液のポンプ圧送が可能な程度であれば良く、このための増粘剤として、無機質粘土鉱物や有機質増粘剤のいずれもが使用できる。粘土鉱物としては、ベントナイト、酸性白土等が挙げられ、特にベントナイトが好ましく使用できる。これを１ｍ3 当たり１００ｋｇ以下の範囲で配合すれば、Ａ液のブリージング率は大幅に改善される。なお１００ｋｇより多く配合すると流動性が悪化する為好ましくない。また、有機質増粘剤としては、セルロース系、アミド系、バイオポリマー系等各種ものが使用でき、これを１ｍ3 当たり１０ｋｇ以下配合する。尚、粘土鉱物は２０ｋｇ以上、有機質増粘剤は、２ｋｇ以上配合することが望ましい。
【００１４】
珪酸ソーダ水溶液からなるＢ液の混合量は、Ａ液：Ｂ液＝９０：１０〜６０：４０として用いる。Ｂ液がこの範囲より混合量が少ない場合にはゲル化し難くなり好ましくない。また、逆にこの範囲より混合量を多くするとＡ液とＢ液混合後の強度発現が早すぎ、可塑状注入材料として相応しくない。尚、珪酸ソーダ水溶液としては、ＪＩＳ  Ｋ１４０８によって規定される２号、３号は勿論の事、ＳｉＯ2 量が２０〜４０％、Ｎａ2 Ｏ量が３〜２０％であるものが好適に使用される。
【００１５】
以上説明したこの発明の空洞充填材料において、特に流動床灰の作用について、さらに詳しく説明する。
【００１６】
この発明の硬化材としてセメントに混合する流動床灰は、石炭火力発電所から発生する一般の石炭灰とは異なり、石炭の灰分の他に、Ｑｕｉｃｋ  Ｌｉｍｅや非晶質のＣａＯ−ＳｉＯ2 、ＣａＯ−Ａｌ2 Ｏ3 等のＣａＯ分を混入している灰である。その為、流動床灰を使用した場合、一般の石炭灰を使用した場合と特性が大きく異なり、珪酸ソーダ水溶液とゲル化反応を起こし、しかも一部セメント的な働きを起こし強度発現に寄与する。また流動床灰中のＱｕｉｃｋ  Ｌｉｍｅ分が水分と反応する為にＡ液のブリージング率を小さくすることができる。
【００１７】
すなわち、主構成材料のセメントに一般の石炭灰、特に発生灰をそのまま混入して硬化材とすると、セメントの配合割合が少なくなる程短期強度が低下し、またＡ液のブリージング率挙動も悪化するのに対し、流動床灰を混入して硬化材とすると、Ａ液のブリージング率挙動は改善され、短期強度も一般の石炭灰を使用する場合よりも高くなる。
【００１８】
このように流動床灰は、一般の石炭灰の性質である  １）緩慢なポゾラン反応を有するために長期強度発現性に優れる。ということ以外に、２）発生原粉をそのまま使用してもＡ液のブリージング挙動を改善できる。３）短期強度発現を有する。等の特徴を持つ。そして、他の産業廃棄物粉体の多くは、灰発生後、分級等の２次作業を行なわないと使用し難いのに対し、流動床灰は、石炭流動層ボイラーから発生した原粉そのままでも十分に付加価値を持った材料として利用でき、前述したセメントとの混合のほか、遅延剤や増粘剤との組み合わせ、さらには、これら各種材料との配合を適切に定めることにより、極めて優れた空洞充填材料とすることができる。
【００１９】
【実施例】
以下、実験例に基づき、さらにこの発明を説明する。実験例で使用した材料一覧を表１、各硬化材及び硬化助材の性状を表２に示す。尚、珪酸ソーダ水溶液は愛知珪酸工業社製ＳＰ−９０（商品名）を用いた。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
【表２】
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【００２２】
実験は、表３に示す配合で２液混合型の空洞充填材料を試作し、Ａ液とＢ液を混合して、直径５ｃｍ、高さ１０ｃｍの円柱供試体について、各材令毎の変形係数、一軸圧縮強度を測定した。又、表３に示した充填材料のＡ液に関し、フロー値、ブリージング率、可使時間、最大温度、さらに、Ａ液とＢ液の混合液のゲル化時間をそれぞれ測定した。尚、変形係数、一軸圧縮強度は、土質工学会  ＪＳＦ  Ｔ５１１  の試験方法、フロー値はＫＯＤＡＮ  ３０５法により、また最大温度はＡ液作成後で最もスラリー温度が高くなった温度とした。測定結果を表４に示す。
【００２３】
【表３】
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【００２４】
【表４】
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【００２５】
表３、表４において、試験Ｎｏ１〜８は、各硬化材混合比や各含水量における物性値を示したもので、硬化材混合比がセメント：流動床灰＝７：３で、含水量が１２０、２３０重量％であるＮｏ２、５では良好な結果が得られている。しかし、含水量が７０重量％であるＮｏ１や、硬化材混合比がセメント：流動床灰＝９：１であるＮｏ３では５分後の変形係数が高くなりすぎ、また、セメント：流動床灰＝３：７としたＮｏ４ではＡ液スラリー温度が高くなりすぎる為好ましくない。さらに含水量が４００重量％であるＮｏ８ではＡ液のブリージング率が著しく高く、強度発現性も十分でない。
【００２６】
次に比較として、Ｎｏ６は流動床灰のかわりにＪＩＳ石炭灰を使用したものであるが、この場合にはＡ液のブリージング率が悪化する為に好ましくないことがわかる。しかし、ＪＩＳ石炭灰を使用しても流動床灰を混入すれば、Ｎｏ７の結果のようにＡ液ブリージング率が改善される。
【００２７】
試験Ｎｏ９〜１１は、各遅延剤量での物性値を示したもので、硬化材に対する遅延剤の量が１．０重量％であるＮｏ１０では良好な結果が得られている。しかし、遅延剤の量が０．１重量％であるＮｏ９では十分に可使時間がとれない為に、また、遅延剤の量が３．０重量％であるＮｏ１１の条件では、Ａ液のブリージング率がやや悪化し、あまり改善効果がない為に好ましくない。
【００２８】
試験Ｎｏ１２〜１７は、各増粘材量での物性値を示したもので、ベントナイト配合量が１ｍ3 当たり２０、６０ｋｇ、或いは、メチルセルロース系増粘剤配合量が１ｍ3 当たり２ｋｇであるＮｏ１３、１４、１６では良好な結果が得られている。しかし、ベントナイトを配合しないＮｏ１２ではＡ液のブリージング率が高く、また、ベントナイト配合量が１ｍ3 当たり１２０ｋｇ、或いはメチルセルロース系増粘剤配合量が１ｍ3 当たり１５ｋｇであるＮｏ１５、１７の条件では粘性が高くなりすぎる為に、好ましくないことがわかる。
【００２９】
試験Ｎｏ１８〜２１は、各Ａ液／Ｂ液混合比での物性値を示したもので、Ａ液とＢ液混合比が１５、３０体積％である、Ｎｏ１９、２０の条件では良好な結果が得られている。しかし、Ａ液とＢ液混合比が５体積％であるＮｏ１８の条件では均一にゲル化しない為に、また、Ａ液とＢ液混合比が５０体積％であるＮｏ２１の条件では５分後の変形係数が高くなりすぎる為、好ましくない。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明してきたように、この発明の空洞充填材料は、硬化材料としてセメントと共に流動床灰を配合することを特徴としており、短期強度、長期強度、Ａ液ブリージング特性が改善される。また、今後、発生量が大幅に増加すると予想される流動床灰の有効利用技術としてトンネル工事等に好適に使用できるものである。