(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カルシウムアルミネート、Ｎａ２  Ｏ／Ａｌ２  Ｏ３  のモル比が１．００〜１．３０である無水アルミン酸ナトリウム、及びセッコウを含有してなり、カルシウムアルミネートとアルミン酸ナトリウムの合計１００重量部中、無水アルミン酸ナトリウムが５〜４０重量部であることを特徴とする急結材。
【請求項２】
無水アルミン酸ナトリウムの最大粒径が０．３０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の急結材。
【請求項３】
セメントと、請求項１又は２記載の急結材とを含有してなることを特徴とする吹付材料。
【請求項４】
請求項３記載の吹付材料を使用してなることを特徴とする吹付工法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、道路、鉄道、及び導水路等のトンネルにおいて、露出した地山面へ吹付ける急結材、吹付材料、及び吹付工法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、トンネル掘削等露出した地山の崩落を防止するために急結材をコンクリートに配合した急結性吹付コンクリートの吹付工法が行われている（特公昭６２−４１４９号公報）。
この工法は、通常、掘削工事現場に設置した計量混合プラントで、セメント、骨材、及び水を混合して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、その途中に設けた合流管で、他方から圧送した急結材と混合し、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工法である。
【０００３】
現在市販されている急結材は、水ガラス系、アルカリ金属アルミン酸塩、アルカリ金属アルミン酸塩とアルカリ金属炭酸塩の組み合わせ、これらに仮焼明ばん石を組み合わせたもの、及びカルシウムアルミネートを主成分としたもの等が知られている。しかしながら、水ガラス系、アルカリ金属アルミン酸塩、アルカリ金属アルカリ炭酸塩、及びこれらに仮焼明ばん石を組み合わせたものは、急結性が小さいため、湧水箇所では吹付施工がしにくいという課題があった。又、セメントに対する急結材の最適添加量の範囲が狭く、実際の施工現場での管理が難しいという課題があった。
従来、アルミン酸ナトリウムを含有する急結材としては、アルミン酸ナトリウムと炭酸ナトリウムを併用した二成分系のもの、さらにカルシウムアルミネートを混合した三成分系のものが挙げられる（特公昭５６−２７４５７号参照）。
従来から、急結材としてアルミン酸ナトリウムを使用する場合には、そのＮａ２  Ｏ／Ａｌ２  Ｏ３  のモル比は１．０未満という低モル比のものが一般的であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、低モル比のアルミン酸ナトリウムは、長期保存性が非常に悪い、急結性が著しく低下するという課題があった。
そこで、本発明者は、前述の課題を解決すべく種々検討を重ねた結果、特定の無水アルミン酸ナトリウムを使用することにより、前述の課題が解決されるとの知見を得て、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、カルシウムアルミネート、Ｎａ２  Ｏ／Ａｌ２  Ｏ３  のモル比が１．００〜１．３０である無水アルミン酸ナトリウム、及びセッコウを含有してなることを特徴とする急結材であり、無水アルミン酸ナトリウムの最大粒径が０．３０ｍｍ以下であることを特徴とする該急結材である。
そして、該急結材とを含有してなることを特徴とする吹付材料であり、該吹付材料を使用してなることを特徴とする吹付工法である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をさらに詳しく説明する。
【０００７】
本発明で使用するカルシウムアルミネートとは、ＣａＯ原料やＡl２Ｏ３  原料等を混合したものを、キルンで焼成したり、電気炉で溶融したりする等の熱処理をして得られるものをいい、初期にセメントコンクリートの凝結を起こさせる急結成分である。
カルシウムアルミネートは、ＣａＯをＣ、Ａl２Ｏ３  をＡとすると、Ｃ３ Ａ、Ｃ１２Ａ７ 、ＣＡ、及びＣＡ２ 等の鉱物組成で示されるカルシウムアルミネート熱処理物が挙げられ、これらの一種又は二種以上を併用してもよい。又、これらを粉砕したものであってもよく、さらに、その他の成分として、ナトリウム、カリウム、及びリチウム等のアルカリ金属が一部固溶したカルシウムアルミネート等も使用できる。これらの中では、反応活性の点で、非晶質のカルシウムアルミネートが好ましく、Ｃ１２Ａ７ 組成に対応する熱処理物を急冷した非晶質のカルシウムアルミネートがより好ましい。
又、ＳｉＯ２ 成分を含有するアルミノケイ酸カルシウム、Ｃ１２Ａ７ の１つのＣａＯをＣａＦ２ 等のハロゲン化物で置き換えたＣ１１Ａ７  ・ＣａＸ２ （Ｘはフッ素等のハロゲン）、ＳＯ３  成分を含有するＣ４ Ａ３  ・ＳＯ３  も同様に使用できる。更に、アルミナセメントも同様に使用できる。
カルシウムアルミネートの粒度は、ブレーン値で５０００ｃｍ２  ／ｇ以上が好ましい。５０００ｃｍ２  ／ｇ未満だと急結性や初期強度発現性が低下するおそれがある。
【０００８】
無水アルミン酸ナトリウムは、Ｎａ２  ＯとＡｌ２  Ｏ３  を主成分とするものである。無水アルミン酸ナトリウムは急結材の成分として非常に重要である。
無水アルミン酸ナトリウムは、カルシウムアルミネートに混合することにより、急結性と強度発現性を向上し、吹付後のコンクリート混練物の急結を促進させる作用を有するものである。
無水アルミン酸ナトリウムは、水酸化アルミニウムと水酸化ナトリウムとを水溶液に加熱溶解させることにより製造される。この製造過程においては、合成温度や乾燥条件によって無水物や含水物になり、ナトリウム分が多い場合には無水物が生成しやすい。本発明では、急結性や貯蔵安定性の点で、無水物を用いる。
【０００９】
無水アルミン酸ナトリウムは、モル比が１．００〜１．３０が好ましく、１．０５〜１．２０がより好ましい。１．００未満だと急結性が小さいおそれがあり、１．３０を越えると吸湿して貯蔵安定性が小さくなるおそれがある。
【００１０】
無水アルミン酸ナトリウムの最大粒径は０．３ｍｍ以下が好ましく、０．０５〜０．２ｍｍがより好ましい。０．０５ｍｍ未満だと吸湿して貯蔵安定性が小さくなるおそれがあり、０．３ｍｍを越えると急結性が低下するおそれがある。
【００１１】
無水アルミン酸ナトリウムの使用量は、カルシウムアルミネートと無水アルミン酸ナトリウムの合計１００重量部中、１〜７０重量部が好ましく、５〜４０重量部がより好ましい。１重量部未満であると凝結性や強度発現性が低下するおそれがあり、７０重量部を越えると強度発現性や貯蔵安定性が低下するおそれがある。
【００１２】
硫酸塩（以下、本明細書では「硫酸塩」を「セッコウ」と読み替えるものとする）は強度発現性を向上させるものである。
本発明で使用するセッコウは、強度発現性を向上するために使用するものである。セッコウとしては、無水セッコウ、半水セッコウ、及び二水セッコウ等が挙げられ、これらの一種又は二種以上を併用してもよい。これらの中では、強度発現性の点で、無水セッコウが好ましい。セッコウの粒度は、強度発現性の点で、ブレーン値で２５００ｃｍ２  ／ｇ以上が好ましく、５０００ｃｍ２  ／ｇ以上がより好ましい。２５００ｃｍ２  ／ｇ未満だと強度発現性が低下するおそれがある。
【００１３】
硫酸塩の使用量は、カルシウムアルミネート、無水アルミン酸ナトリウム、及び硫酸塩の合計１００重量部中、１０〜７０重量部が好ましく、３０〜６０重量部がより好ましい。３０重量部未満だと強度発現性が小さくなるおそれがあり、７０重量部を越えると初期凝結が遅れ、地山に対する付着性が小さくなるおそれがある。
【００１４】
急結材の使用量は、セメント１００重量部に対して、３〜３０重量部が好ましく、５〜２０重量部がより好ましい。３重量部未満だと効果がないおそれがあり、３０重量部を越えると急結材を圧送する圧送管が閉塞したり、長期強度発現性が小さくなるおそれがある。
【００１５】
使用するセメントとしては、特に限定されるものではなく、普通、早強、超早強、及び中庸熱等の各種ポルトランドセメント、並びに、高炉セメント、フライアッシュセメント、及びシリカセメントの各種混合セメント等が使用でき、これらを微粉末化して使用してもよい。これらの中では、一般的に使用されている普通ポルトランドセメントや早強ポルトランドセメントが好ましく、普通ポルトランドセメントがより好ましい。
【００１６】
水の使用量は、セメント１００重量部に対して、３５〜６５重量部が好ましく、４０〜５５重量部がより好ましい。３５重量部未満だと粘性が大きくなって圧送性が低下したり、十分に混合できなかったりするおそれがあり、６５重量部を越えると強度発現性が小さく、急結材の使用量を多く必要とするおそれがある。
【００１７】
使用する細骨材や粗骨材といった骨材は吸水率が低くて、骨材強度が高いものが好ましいが、特に制限されるものではない。
粗骨材としては、川砂利、山砂利、及び石灰砂利等が挙げられ、細骨材としては、川砂、山砂、石灰砂、及び珪砂等が挙げられる。
【００１８】
本発明では、他に、粉塵低減剤、凝結調整剤、減水剤、高性能減水剤、ＡＥ剤、ＡＥ減水剤、高性能ＡＥ減水剤、増粘剤、セメント膨張剤、防錆剤、防凍剤、高分子エマルジョン、シリカ質微粉末、シリカフューム、及び炭酸カルシウム等のうちの一種又は二種以上を併用してもよい。
【００１９】
本発明の急結材の吹付工法は、モルタルやコンクリートの乾式混合物に添加し、圧搾空気によりホース内を圧送し、ノズル部直前で水を加えて吹き付ける乾式吹付方法や、モルタルやコンクリートの湿式混合物を圧搾空気により圧送し、Ｙ字管の一方から急結材を添加し吹き付ける湿式吹付方法のどちらでも使用できる。これらの中では粉塵の発生量が少ない点で湿式吹付法が好ましい。
本発明の吹付工法においては、従来使用の吹付設備等が使用できる。
本発明の吹付工法は、施工性、物性、及び価格を満足できる範囲であれば、モルタルやコンクリートのいずれも使用して吹付けを行うことができる。
【００２０】
【実施例】
次に、本発明を実施例に基づいて説明する。
【００２１】
実施例１
カルシウムアルミネート４２．５重量部、表１に示すＮａ２  Ｏ／Ａｌ２  Ｏ３  のモル比の無水アルミン酸ナトリウム７．５重量部、及び硫酸塩５０重量部からなる急結材を調製し、凝結時間を測定した。
又、各材料の単位量を、セメント４００ｋｇ／ｍ３  、細骨材１１５１ｋｇ／ｍ３  、粗骨材６２９ｋｇ／ｍ３  、及び水１９０ｋｇ／ｍ３  として吹付コンクリートを調製し、圧送速度４ｍ３ ／ｈ、圧送圧力４ｋｇ／ｃｍ２ の条件下で、コンクリート圧送機「アリバ−２８０」で圧送した。
一方、この吹付コンクリートに、調製した急結材を、セメント１００重量部に対して１０重量部になるように、途中に設けたＹ字管の一方より急結材圧送機「ナトムクリート」を用いて、圧送圧力４．５ｋｇ／ｃｍ２ の条件下で空気圧送して吹付コンクリートと混合し、急結性吹付コンクリートとした。この急結性吹付コンクリートについて評価した。結果を表１に示す。
（使用材料）
セメント：普通ポルトランドセメント、市販品、ブレーン値３２００ｃｍ２  ／ｇ、比重３．１６
細骨材：新潟県姫川産川砂、表面水率４．０％、比重２．６２
粗骨材：新潟県姫川産川砂利、表乾状態、比重２．６４、最大寸法１０ｍｍ
カルシウムアルミネート：Ｃ１２Ａ７  組成に対応するもの、非晶質、ブレーン値６０００ｃｍ２  ／ｇ
無水アルミン酸ナトリウム：水酸化アルミニウムと水酸化ナトリウムとを水溶液に加熱溶解させることによりＮａ２  Ｏ／Ａｌ２  Ｏ３  のモル比を調製し、乾燥後粉砕したもの、無水物、最大粒径０．２ｍｍ
硫酸塩ａ：無水石膏、フッ酸副生石膏、ブレーン値５２００ｃｍ２  ／ｇ
（測定方法）
凝結時間：温度２０℃、湿度８０％の恒温恒湿室において、セメント１００重量部、調製直後の急結材１０重量部、細骨材３００重量部、及び水６０重量部を計量した。モルタルミキサーにて、セメント、急結材、及び細骨材を１０秒間空練り混合した後、水を加えて更に１０秒間混合し、素早く型枠に充填し、プロクター貫入抵抗法（ＡＳＴＭ  Ｃ−４０３−６５Ｔに準拠）により凝結時間を測定した。又、急結材を袋詰めし、温度２０℃、湿度８０％の恒温恒湿室に６か月貯蔵したものについても同様に測定した。
圧縮強度：材齢１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１日以降の圧縮強度は幅５０ｃｍ×長さ５０ｃｍ×厚さ２０ｃｍの型枠に急結性吹付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。
【００２２】
【表１】
0003560446.tif 000002
Na２O/ Al２O３  はモル比、ｈは時間、ｄは日。
【００２３】
実施例２
カルシウムアルミネートとアルミン酸ナトリウムの合計１００重量部中表２に示す量のカルシウムアルミネートとアルミン酸ナトリウム、並びに、硫酸塩をカルシウムアルミネート、アルミン酸ナトリウム、及び硫酸塩の合計１００重量部中５０重量部からなる急結材を、セメント１００重量部に対して１０重量部使用して急結性吹付コンクリートとしたこと以外は、実施例１と同様に行なった。結果を表２に示す。
（使用材料）
無水アルミン酸ナトリウム(1)：実施例１で調製した無水物、Ｎａ２  Ｏ／Ａｌ２  Ｏ３  のモル比１．１０、最大粒径０．２ｍｍ
アルミン酸ナトリウム(2)：水酸化アルミニウムと水酸化ナトリウムとを水溶液に加熱溶解させることによりＮａ２  Ｏ／Ａｌ２  Ｏ３  のモル比を調製し、乾燥後粉砕したもの、含水物、Ｎａ２  Ｏ／Ａｌ２  Ｏ３  のモル比１．１０、最大粒径０．２ｍｍ
無水アルミン酸ナトリウム(3)：実施例１で調製した無水物、Ｎａ２  Ｏ／Ａｌ２  Ｏ３  のモル比１．１０、最大粒径０．３ｍｍ
【００２４】
【表２】
0003560446.tif 000003
カルシウムアルミネートとアルミン酸ナトリウムは重量部、ｈは時間、ｄは日。
【００２５】
実施例３
カルシウムアルミネート８５重量部、無水アルミン酸ナトリウム(1)１５重量部、並びに、カルシウムアルミネート、無水アルミン酸ナトリウム、及び硫酸塩の合計１００重量部中、表３に示す量の硫酸塩からなる急結材を、セメント１００重量部に対して１０重量部使用して急結性吹付コンクリートとしたこと以外は、実施例１と同様に行った。結果を表３に示す。
（使用材料）
硫酸塩ｂ：二水セッコウ粉砕品、ブレーン値５５００ｃｍ２  ／ｇ
硫酸塩ｃ：硫酸アルミニウム粉砕品、ブレーン値５９００ｃｍ２  ／ｇ
【００２６】
【表３】
0003560446.tif 000004
硫酸塩は、カルシウムアルミネート、無水アルミン酸ナトリウム、及び硫酸塩の合計１００重量部中の重量部、凝結時間は秒、ｈは時間、ｄは日。
【００２７】
実施例４
カルシウムアルミネート４２．５重量部、無水アルミン酸ナトリウム(1)７．５重量部、及び硫酸塩５０重量部からなる急結材を、セメント１００重量部に対して表４に示す量使用して急結性吹付コンクリートとしたこと以外は、実施例１と同様に行った。結果を表４に示す。
【００２８】
【表４】
0003560446.tif 000005
急結材はセメント１００重量部に対する重量部、ｈは時間、ｄは日。−は強度不足で測定不能。
【００２９】
実施例５
カルシウムアルミネート４２．５重量部、表５に示す無水アルミン酸ナトリウム７．５重量部、及び硫酸塩５０重量部を混合して表５に示す期間貯蔵した急結材を、セメント１００重量部に対して１０重量部使用して急結性吹付コンクリートとしたこと以外は、実施例１と同様に行った。結果を表５に示す。
（使用材料）
無水アルミン酸ナトリウム(4)：実施例１で調製した無水物、Ｎａ２  Ｏ／Ａｌ２  Ｏ３  のモル比０．９０、最大粒径０．２ｍｍ
【００３０】
【表５】
0003560446.tif 000006
凝結時間は秒。
【００３１】
表５から明らかなように、アルミン酸ナトリウムの含水物を使用した場合は、貯蔵日数が経過するにつれて始発・終結時間共に遅くなる傾向であるのに対して、アルミン酸ナトリウムの無水物を使用した配合は、６ヶ月の貯蔵においても始発・終結時間は殆ど変化せず、物性の低下も認められなかった。
【００３２】
実施例６
カルシウムアルミネート４２．５重量部、アルミン酸ナトリウム７．５重量部、及び硫酸塩５０重量部を混合して表６に示す期間貯蔵した急結材を、セメント１００重量部に対して１０重量部使用して急結性吹付コンクリートとしたこと以外は、実施例１と同様に行い、粉塵量、ダレ、及びリバウンド率を測定した。結果を表６に示す。
（測定方法）
粉塵量：急結性吹付コンクリートを４ｍ３  ／ｈの吹付速度で３０分間、鉄板でアーチ状に製作した高さ３．５ｍ、幅２．５ｍの模擬トンネルに吹付けた。１０分毎に吹付場所より３ｍの定位置で粉塵量を測定し、得られた測定値の平均値を示した。
ダレ：急結性吹付コンクリートを４ｍ３  ／ｈの吹付速度で３０分間、鉄板でアーチ状に製作した高さ３．５ｍ、幅２．５ｍの模擬トンネルに吹付けた後の状態を観察した。ダレが生じなかったものを○とし、ダレが多少生じたものを△とし、ダレがかなり生じたものを×とした。
リバウンド率：急結性吹付コンクリートを４ｍ３  ／ｈの吹付速度で３０分間、高さ３．５ｍ、幅２．５ｍの模擬トンネルに吹付けた。吹付終了後、付着せずに落下した急結性吹付コンクリートの量を測定し、（リバウンド率）＝（吹付けの際に模擬トンネルに付着せずに落下した急結性吹付コンクリートの重量）／（吹付に使用した急結性吹付コンクリートの重量）×１００（％）の式より算出した。
【００３３】
【表６】
0003560446.tif 000007
ｈは時間、ｄは日、粉塵量はｍｇ／ｍ３  、リバウンド率は重量％。
【００３４】
表６から明らかなように、本発明品は、貯蔵直後と比較しても強度低下は認められなかった。しかも、粉塵発生率やリバウンド率も少なかった。又、１年間貯蔵した本発明品は急結性が強く、急結材の使用量も低減することができた。
【００３５】
【発明の効果】
本発明のカルシウムアルミネート、セッコウ、及びアルミン酸ナトリウム等を用いた急結材を使用することにより、従来のアルミン酸ナトリウムを用いたものと比較して、長期間の貯蔵においても物性の低下を示さない吹付け材を得ることができた。