(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セメント、最大粒径2.5 mmの骨材、消石灰含有物質、リン酸塩又は有機酸類、及び繊維を含有してなるドライモルタルを、ノズルまでポンプ圧送する間に、水を加えてモルタル（Ａ液）を連続混練し、このＡ液にR２O ／Al２O３  モル比が1.5 〜2.0(R=Na,K)のアルカリ金属アルミン酸塩含有の水溶液又はスラリー（Ｂ液）を圧入し混合しながらノズルから吹付け硬化させる方法であって、上記各材料の使用量が以下であることを特徴とする吹付工法。
骨材がセメント100重量部に対して100〜300重量部、消石灰含有物質がセメント100重量部に対して1〜10重量部、リン酸塩がセメント100重量部に対して0.7〜2.0重量部又は有機酸類がセメント100重量部に対して0.3〜1.0重量部、繊維がドライモルタル100重量部に対して0.4〜1.5重量部、アルカリ金属アルミン酸塩がセメント100重量部に対して5〜8重量部。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主にトンネル掘削後、又は、道路等の斜面構築後のトンネル内面や斜面に吹付け、地山や斜面の安定化のための道路工事や補修工事などに使用される吹付工法に関する。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
近年、直径が２〜３ｍの小断面の導水路トンネル等は、トンネルボーリングマシン（ＴＢＭ）で掘削されるケースが多く、掘削後の岩盤の安定化に吹付けコンクリートが用いられている。しかしながら、従来の吹付けでは大型の施工機械を使用したり、使用するコンクリートを坑外から搬入しなければならないため、作業スペースやコンクリートのライフタイムに制約されやすいという課題があった。また、多量のエアーで吹付けるため発生粉塵量も多く、作業環境が悪化したり、ＴＢＭの空気冷却装置が劣化したりするなどの課題を抱えていた。
【０００３】
これら課題を解決する手段として、バッチ練りのモルタルや急硬材スラリーを使用して、作業時間の短縮と作業環境とを改善した吹付工法が提案されている（特開平 3−122040号公報）。しかしながら、モルタルや急硬材スラリーはバッチ練りであるため作業が繁雑となり、個々の材料のライフタイムにも制約があるため、機械トラブル等で時間を要する時には材料を廃棄せざるを得ないという課題があった。さらに、モルタルと急硬材スラリーを混合した急硬モルタルの硬化時間も20〜30秒程度であるため、吹付けモルタルを一定の厚さにするためには重ね吹きする必要があり、特に湧水箇所では十分に付着しないで流されやすい場合があるなど、その対策には作業員の熟練を必要とした。
【０００４】
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、吹付材料を構成する特定材料種・量を選択してまずドライモルタルを混合し、これをノズルにポンプ圧送する間に水を加えてモルタルを混練し、そのモルタルに吹付材料のアルカリ金属アルミン酸塩の特定量を圧入し、吹付材料を調製しながら吹き付ければよいことを見いだし、本発明を完成するに至った。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、セメント、最大粒径2.5 mmの骨材、消石灰含有物質、リン酸塩又は有機酸類、及び繊維を含有してなるドライモルタルを、ノズルまでポンプ圧送する間に、水を加えてモルタル（Ａ液）を連続混練し、このＡ液にR２O ／Al２O３  モル比が1.5 〜2.0(R=Na,K)のアルカリ金属アルミン酸塩含有の水溶液又はスラリー（Ｂ液）を圧入し混合しながらノズルから吹付け硬化させる方法であって、上記各材料の使用量が以下であることを特徴とする吹付工法である。
骨材がセメント100重量部に対して100〜300重量部、消石灰含有物質がセメント100重量部に対して1〜10重量部、リン酸塩がセメント100重量部に対して0.7〜2.0重量部又は有機酸類がセメント100重量部に対して0.3〜1.0重量部、繊維がドライモルタル100重量部に対して0.4〜1.5重量部、アルカリ金属アルミン酸塩がセメント100重量部に対して5〜8重量部。
【０００６】
以下、本発明をさらに詳細に説明する。
【０００７】
本発明で使用するセメントとしては、通常用いられる、普通・早強・超早強等の各種ポルトランドセメントや、これらのポルトランドセメントに高炉スラグ、フライアッシュ、又はシリカを混合した各種混合セメント、さらには、3CaO・SiO2や11CaO ・7Al2O3・CaF2を主成分とする変性ポルトランドセメント等が使用可能である。
【０００８】
本発明で使用する骨材は、天然砂、珪砂、及び石灰砂のいずれも使用可能であり、その最大粒径は2.5 mm以下であって、1.5 mm以下が好ましい。最大粒径が2.5 mmを越えると吹付施工の際に跳ね返りが多くなり、ポンプ圧送性も悪化する場合がある。骨材の使用量は、セメント100 重量部に対して、100〜300 重量部が好ましく、作業性、初期強度発現性、及び耐久性の面から100 〜200 重量部がより好ましい。100重量部未満では耐久性が低く、300 重量部を越えると初期強度発現性が低く跳ね返りも多くなる場合がある。
【０００９】
本発明で使用する消石灰含有物質とは、消石灰や、カルシウムカーバイトを水と混合してアセチレンガスを発生させる際副生するカーバイト滓などの使用が可能であり、そのうち消石灰の使用が好ましい。消石灰含有物質の粒子径は特に限定されるものではないが、溶解性の面から100 μｍ以下が好ましく、60μｍ以下がより好ましい。消石灰含有物質の使用量は、セメント100 重量部に対して、１〜10重量部が好ましく、3〜7重量部がより好ましい。１重量部未満では目的とする凝結力が得られず、特に低温での施工ではそれが顕著となる場合があり、10重量部を越えると凝結力は高まるものの長期の耐久性が悪くなる場合がある。
【００１０】
本発明で使用するリン酸塩としては、リン酸一、リン酸二、及びリン酸三のリン酸塩、ピロリン酸塩、トリポリリン酸塩、トリメタリン酸塩、ヘキサメタリン酸塩、並びに、テトラポリリン酸塩のナトリウム塩やカリウム塩が挙げられ、これらのうち、凝結力や強度発現性の面からリン酸一ナトリウムやトリポリリン酸ナトリウムの使用が好ましい。リン酸塩の粒度は特に限定されるものではなく、一般に市販されている製品の粒度であれば使用可能であるが、溶解性の面から0.25mm以下が好ましい。リン酸塩の使用量は、セメント100 重量部に対して、0.7 〜2.0 重量部である。0.７重量部未満では目的とする凝結力が得られず、特に低温での施工と高温での施工ではそれが顕著となる場合があり、2.0 重量部を越えるとゲル化する時間が長くなり、吹付け時のダレや剥離の原因となり、強度発現性が低下する場合がある。
【００１１】
本発明で使用する有機酸類としては、クエン酸、グルコン酸、酒石酸、及びリンゴ酸又はそのナトリウム塩等が挙げられ、その一種又は二種以上の使用が可能である。このうち、クエン酸、グルコン酸、及び酒石酸の使用が好ましい。有機酸類の粒子径は特に限定されるものではないが、一般に市販されている製品の粒子径のものが使用可能である。有機酸類の使用量は、セメント100 重量部に対して、0.3 〜1.0 重量部である。0.3 重量部未満では目的とする凝結力が得られず、特に低温での施工と高温での施工ではそれが顕著となる場合があり、1.0 重量部を越えるとゲル化する時間が長くなり、吹付け時のダレや剥離の原因となる場合がある。
【００１２】
本発明で使用する繊維とは、セラミックウイスカファイバーや耐アルカリガラスファィバーなどの無機系繊維、カーボンファイバー、ポリエチレンファィバー、ビニロンファイバー、アラミドファイバー、及びポリアクリルファイバー等の有機系繊維、並びに、スチールファィバー等が挙げられ、中でも耐アルカリガラスファィバー、カーボンファイバー、ポリエチレンファイバー、ビニロンファイバー、及びポリアクリルファイバーの使用が好ましい。繊維の長さは特に限定されるものではないが３〜30mmが好ましく、６〜12mmがより好ましい。繊維の使用量は、混合したモルタル100 重量部に対して、0.4 〜1.5 重量部が好ましく、0.5 〜1.2 重量部がより好ましい。0.4 重量部未満では目的とする剪断強度が得られず、1.5 重量部を越えるとドライ混合時の混合分散性が悪化したり、強度発現性が低下する場合がある。
【００１３】
本発明で使用するアルカリ金属アルミン酸塩（以下アルミン酸アルカリという）としては、アルミン酸ナトリウムやアルミン酸カリウムが挙げられ、溶解性の面からアルミン酸カリウムの使用が好ましい。本発明においてアルミン酸アルカリは、液状又は一度アルミン酸アルカリ溶液を乾燥し、例えば、固形分50重量％のスラリー状で使用することも可能であるが、液状として貯蔵する場合はアルミン酸カリウム水溶液の使用が好ましい。アルミン酸アルカリが水溶液の場合は、そのNa2O／Al2O3 モル比又はK2O ／Al2O3 モル比が1.5 〜2.0 のものが好ましい。Na2O／Al2O3 モル比又はK2O／Al2O3 モル比が1.5 より小さくなると100 ℃においても溶解しにくい場合がある。アルミン酸アルカリのスラリーを乾燥して、使用時に水に懸濁させて使用することも可能である。アルミン酸アルカリの水溶液は、水酸化ナトリウム（NaOH）と水酸化アルミニウム（Al(OH)3 ）又は水酸化カリウム（KOH ）とAl(OH)3 をNa2O／Al2O3 モル比又はK2O／Al2O3 モル比が1.5 〜2.0 となるように配合し、100 ℃で加熱溶解し、50重量％の濃度に調整して調製することができる。本発明において、アルミン酸アルカリの水溶液に、炭酸ナトリウム又は炭酸カリウムの50重量％水溶液を、アルミン酸アルカリの50重量％水溶液100 重量部に対して、20〜100 重量部混合したものも使用することが可能である。アルミン酸アルカリの使用量は、セメント100 重量部に対して、3〜10重量部が好ましく、5〜8重量部がより好ましい。3重量部未満では目的とする凝結力が得られず、特に低温下ではそれが顕著となる場合があり、10重量部を越えても大きな凝結力が得られず、逆に長期耐久性が悪化する場合がある。
【００１４】
アルミン酸アルカリの水溶液又はスラリーを圧送するポンプは特に限定されるものではないが、ピストン式ポンプ、スクイズ式ポンプ、又はスネイク式ポンプ等を使用することができる。
【００１５】
本発明において、各材料の混合（吹付材料の調製）は、まず、セメント、最大粒径2.5 mmの骨材、消石灰含有物質、リン酸塩又は有機酸類、及び繊維を乾燥状態でドライ混合してドライモルタルとなし、その後、ドライモルタルと水とを混練してＡ液とし、アルミン酸アルカリの水溶液又はスラリーをＢ液とし、このＡ液とＢ液を個別に圧送し、ノズル手前で混合することによって行われる。
【００１６】
吹付現場で、各材料を配合し、混合することなく、水を配合して混練するだけで使用できる面から、ドライモルタルを使用することは好ましい。その混合ミキサーとしては、Ｖ型ブレンダーやナウターミキサーなどいずれのミキサーも使用でき、繊維の分散性の面からナウターミキサーの使用が好ましい。また、ドライモルタルの圧送と水との混合には、例えば、ドイツのＰＦＴ社製Ｇ４連続ミキサーポンプが用いられる。
【００１７】
ここで、混練に使用する水の量は特に限定されるものではないが、ポンプで圧送が可能な流動性が得られるように、例えば、フロー値として180 〜260 mmになるように水を加えることが好ましい。
【００１８】
混練りしたモルタルを圧送するポンプは特に限定されるものではなく、例えば、ピストン式ポンプ、スクイズ式ポンプ、及びスネイク式ポンプ等のポンプが使用可能である。また、例えば、供給された吹付材料を混合機の先端の羽で圧入された水と混練し、それに連結しているスネーク式のポンプで連続的に圧送する連続混練り圧送装置（例えば、ドイツのＰＦＴ社製Ｇ４連続ミキサーポンプ）で混練り圧送する方法などがあり、この方法は作業性の面で好ましい。
【００１９】
混練り圧送されたモルタル（Ａ液）と、アルミン酸アルカリの水溶液又はスラリー（Ｂ液）とを混合する方法は特に限定されるものではないが、例えば、ニュー・オーストラリアン・工法（ＮＡＴＭ）などで使用されているように、Ｙ字管を用いてモルタルにアルミン酸アルカリの水溶液を混合する際、アルミン酸アルカリの水溶液をエアーで搬送し、吹付けることが可能である。また、リング周囲に数カ所の孔を有するインレットピースにポンプ圧送したアルミン酸アルカリの水溶液をエアーで圧入し、モルタルと混合し吹付けることも可能である。混合性の面からインレットピースを使用する混合方法が好ましい。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明する。
【００２１】
参考例１
セメント100 重量部に対して、骨材100 重量部と表１に示す消石灰含有物質Ａを配合してドライ混合したドライモルタル100 重量部に対して、水20重量部を加え、JISR 5201に準じてモルタルミキサーで混練りしモルタルを調製した。このモルタル中のセメント100 重量部に対して、アルミン酸アルカリα５重量部を添加して10秒間混練りし、すばやく型枠に充填し、20℃でプロクター貫入抵抗値を測定して始発時間と終結時間を、また、圧縮強度の測定を行った。結果を表１に併記する。
【００２２】
＜使用材料＞
セメント  ：普通ポルトランドセメント、電気化学工業社製
骨材      ：６号珪砂と７号珪砂等量混合品、最大粒径2.0mm
消石灰含有物質Ａ：秩父産消石灰
アルミン酸アルカリα：K2O ／Al2O3 のモル比1.5 で調製した濃度50重量％のアルミン酸カリウム水溶液
【００２３】
＜測定方法＞
始発時間  ：プロクター貫入抵抗値が500psiに達する時間（分）
終結時間  ：プロクター貫入抵抗値が4,000psiに達する時間（分）
圧縮強度  ：JIS R 5201に準じて、20℃、所定の材齢で測定（N/mm2 ）
【００２４】
【表１】
0003615295.tif 000002
【００２５】
参考例２
セメント100 重量部に対して、骨材100 重量部と、表２に示す消石灰含有物質Ａとリン酸塩ａとを配合してドライ混合したこと以外は参考例１と同様に行った。結果を表２に併記する。
【００２６】
＜使用材料＞
リン酸塩ａ：第一リン酸ナトリウム、試薬一級
【００２７】
【表２】
0003615295.tif 000003
【００２８】
参考例３
表３に示す量の消石灰含有物質Ｂとリン酸塩ｂを使用したこと以外は参考例２と同様に行った。結果を表３に併記する。
【００２９】
＜使用材料＞
消石灰含有物質Ｂ：カーバイト滓
リン酸塩ｂ：トリポリリン酸ナトリウム、試薬一級
【００３０】
【表３】
0003615295.tif 000004
【００３１】
参考例４
表４に示す量のアルミン酸アルカリの水溶液を用いたこと以外は参考例２と同様に行った。結果を表４に併記する。
【００３２】
【表４】
0003615295.tif 000005
【００３３】
実施例１
参考例２に記載した材料を用い、セメント100 重量部に対して、骨材100 重量部、消石灰含有物質Ａ５重量部、リン酸塩ａ１重量部、及び繊維1.6 重量部をナウターミキサーで混合してプレミックスのドライモルタルを200 kg製造した。製造したドライモルタルをドイツのＰＦＴ社製Ｇ４連続ミキサーポンプに投入し、フロー値200 mmになるように水を添加してモルタルとし、2.5 m3／hrの能力で連続混練り圧送した。また、アルミン酸アルカリαをプランジャー式ポンプで圧送し、モルタル中のセメント100 重量部に対して、アルミン酸アルカリαが６重量部になるように、ノズル手前に取り付けたインレットピースに2.5kgf/cm2のエァーとともにインレットピースの中を通るモルタルに圧入して混合し、厚さ２〜３cm程度になるように１m2の広さに吹付けた。また、４×４×16cmの三連型枠に、同様に吹付、所定の材齢ごとの圧縮強度を測定した。吹付けの状況は、粉塵の発生も少なく、ダレもなく、跳ね返りも少なく、吹付け直後の凝結力も高く、目的とした性状を満足した結果が得られた。また、圧縮強度も室内試験とほぼ同様に、１時間で1.52N/mm2 、１日で26.1N/mm2 、28日で50.7N/mm2 とほぼ同様な結果が得られた。
【００３４】
＜使用材料＞
繊維      ：ビニロンファィバー長さ６mm、クラレ社製
【００３５】
実施例２〜４  比較例１
表５に示す骨材最大粒径の骨材を使用したこと以外は実施例１と同様に行いポンプ圧送速度とリバウンド率を測定した。結果を表５に併記する。
【００３６】
＜測定方法＞
ポンプ圧送速度：１分間運転したときの圧送容量
リバウンド率：１分間側壁に吹付けた時の、（跳ね返った量／吹付量）×100
【００３７】
【表５】
0003615295.tif 000006
【００３８】
実施例５、６  比較例２〜４
表６に示す量の骨材を使用したこと以外は実施例１と同様に行い、リバウンド率、圧縮強度、及びクラックの有無を測定した。結果を表６に併記する。
【００３９】
＜測定方法＞
クラックの有無：面積１m2、厚さ２cmに吹付け、１ケ月後に観察
【００４０】
【表６】
0003615295.tif 000007
【００４１】
参考例５
リン酸塩の代わりに表７に示すように有機酸類イを使用したこと以外は参考例２と同様に行った。結果を表７に併記する。
【００４２】
＜使用材料＞
有機酸類イ：クエン酸、試薬一級
【００４３】
【表７】
0003615295.tif 000008
【００４４】
参考例６
消石灰含有物質Ｂと有機酸類ロを使用したこと以外は参考例５と同様に行った。結果を表８に併記する。
【００４５】
＜使用材料＞
有機酸類ロ：グルコン酸ナトリウム、試薬一級
【００４６】
【表８】
0003615295.tif 000009
【００４７】
参考例７
表９に示す量のアルミン酸アルカリの水溶液を用いたこと以外は参考例５と同様に行った。結果を表９に併記する。
【００４８】
【表９】
0003615295.tif 000010
【００４９】
実施例７
リン酸塩の代わりに有機酸類イを使用したこと以外は実施例１と同様に行った。その結果、吹付けの状況は、粉塵の発生も少なく、ダレもなく、跳ね返りも少なく、吹付け直後の凝結力も高く、目的とした性状を満足した結果が得られた。また、圧縮強度も室内試験とほぼ同様に、１時間で2.31N/mm2 、１日で30.2N/mm2 、28日で53.4N/mm2 とほぼ同様な結果が得られた。
【００５０】
【発明の効果】
本発明の吹付工法を使用することにより、小断面トンネルのような狭い作業空間においても環境良く作業ができ、吹付け後の強度発現性が高いため、２〜３ｃｍの薄さで掘削後の地山や岩盤を安定化させることができ、さらに、連続ミキサーポンプを使用することにより、作業効率が高まる等の効果を奏する。