(57)【要約】      （修正有）【課題】超高強度でありながら、圧送性と吹付性を有し、吹付け施工が可能な吹付け材料の提供。【解決手段】少なくとも中庸熱セメントと、高炉スラグ粉末と、シリカフュームを粉体として含み、さらに、高性能減水剤と、骨材と、急結剤と、水を含み、吹付けた後、２８日経過したときの圧縮強度が７０Ｎ／ｍｍ２以上であり、好ましくは、水粉体比（Ｗ／Ｐ）が、１５％以上２５％以下であり、更に望ましくは、急結材を除いたベースコンクリートまたは、ベースモルタルの塑性粘度が、５Ｐａ・ｓ以上２５Ｐａ・ｓ以下、降伏値が、０．０１Ｐａ以上１５Ｐａ以下であるである吹付け材料。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも中庸熱セメントと、高炉スラグ粉末と、シリカフュームを粉体として含み、
さらに、高性能減水剤と、骨材と、急結剤と、水を含み、
吹付けた後、２８日経過したときの圧縮強度が７０Ｎ／ｍｍ２以上であることを特徴とする吹付け材料。
【請求項２】
水粉体比（Ｗ／Ｐ）が、１５％以上２５％以下であることを特徴とする請求項１に記載の吹付け材料。
【請求項３】
急結剤を除いたベースコンクリートまたはベースモルタルの塑性粘度が５Ｐａ・ｓ以上２５Ｐａ・ｓ以下、降伏値が０．０１Ｐａ以上１５Ｐａ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の吹付け材料。
【請求項４】
前記急結剤が、液状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の吹付け材料。
【請求項５】
少なくとも中庸熱セメントと、高炉スラグ粉末と、シリカフュームを粉体として含み、
吹付けた後、２８日経過したときの圧縮強度が７０Ｎ／ｍｍ２以上であることを特徴とする吹付け材料用粉末状組成物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超高強度な吹付け材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＮＡＴＭ等の山岳トンネル工法では、掘削により露出した地山面に吹付けコンクリートを吹き付けることで地山の崩落を防止するのが一般的である。吹付けコンクリートは、コンクリートポンプにより圧送されたコンクリートを急結剤と混合するとともに地山面に吹付ける。
【０００３】
従来の一般的な吹付コンクリートは、材齢２８日における圧縮強度が１８Ｎ／ｍｍ２程度を示すものがほとんどであり、その他、高強度の吹付コンクリートと言われるものは、材齢２８日における圧縮強度が４０Ｎ／ｍｍ２程度を示す吹き付けコンクリートがいくつか見られる程度であった（特許文献１）。
【０００４】
高土被り、高地圧な条件下で破砕帯が出現するような地山において、山岳トンネル工法を施工する場合、安全性の確保およびコストの低減のため、より高強度な吹付コンクリートが要求される。しかし、従来の超高強度コンクリートは、高粉体量に起因して粘性が高いため、圧送性（ｐｕｍｐａｂｉｌｉｔｙ）や吹付性（ｓｐｒａｙａｂｉｌｉｔｙ）などの施工性が十分でなく、吹付け施工をすることができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−３０２３２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
超高強度でありながら、圧送性と吹付性を有し、吹付け施工が可能な吹付け材料を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の課題を解決するための手段は、以下のとおりである。
１．少なくとも中庸熱セメントと、高炉スラグ粉末と、シリカフュームを粉体として含み、
さらに、高性能減水剤と、骨材と、急結剤と、水を含み、
吹付けた後、２８日経過したときの圧縮強度が７０Ｎ／ｍｍ２以上であることを特徴とする吹付け材料。
２．水粉体比（Ｗ／Ｐ）が、１５％以上２５％以下であることを特徴とする１．に記載の吹付け材料。
３．急結剤を除いたベースコンクリートまたはベースモルタルの塑性粘度が５Ｐａ・ｓ以上２５Ｐａ・ｓ以下、降伏値が０．０１Ｐａ以上１５Ｐａ以下であることを特徴とする１．または２．に記載の吹付け材料。
４．前記急結剤が、液状であることを特徴とする１．〜３．のいずれかに記載の吹付け材料。
５．少なくとも中庸熱セメントと、高炉スラグ粉末と、シリカフュームを粉体として含み、
吹付けた後、２８日経過したときの圧縮強度が７０Ｎ／ｍｍ２以上であることを特徴とする吹付け材料用粉末状組成物。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の吹付け材料は、吹付けた後、２８日経過したときの圧縮強度が７０Ｎ／ｍｍ２以上と、非常に高強度である。そのため、本発明の吹付け材料は、地圧の高い現場等において、好適に使用することができる。本発明の吹付け材料は、超高強度でありながらも、圧送性と吹付性とに優れるため、吹付け施工することができる。液状急結剤を使用した本発明の吹付け材料は、強度の発現と、低いリバウンド率とを実現することができる。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の吹付け材料は、少なくとも中庸熱セメントと、高炉スラグ粉末と、シリカフュームを粉体として含み、さらに高性能減水剤と、骨材と、急結剤と、水を含み、吹付けた後、２８日経過したときの圧縮強度（以下、吹付け圧縮強度という）が７０Ｎ／ｍｍ２以上であることを特徴とする。
【００１０】
上記の構成により、吹付け材料の流動性、粘性、または、降伏値若しくは塑性粘度等のレオロジー特性を所要の範囲内とすることができ、本発明の吹付け材料に所要の圧送性、吹付性を付与することができ、かつ、超高強度の吹付け材料を得ることができる。本発明において超高強度とは、吹付け時の吹付け材料の圧縮強度が、少なくとも７０Ｎ／ｍｍ２以上であることを意味する。本発明の吹付け材料は、吹付け圧縮強度が８０Ｎ／ｍｍ２以上であることがより好ましく、９０Ｎ／ｍｍ２以上であることが更に好ましく、１００Ｎ／ｍｍ２以上であることが最も好ましい。
【００１１】
本発明の吹付け材料は、粉体として少なくとも中庸熱セメントと、高炉スラグ粉末と、シリカフュームを含む。本発明の吹付け材料は、７０Ｎ／ｍｍ２以上の吹付け圧縮強度を満足する限り、ポルトランドセメント、スラグ、石灰石粉末、アルミナ粉末、シリカゾル、炭化物粉末、窒化物粉末、石英粉末、フライアッシュ等を粉体として含むことができる。
【００１２】
本発明の吹付け材料は、練混ぜ時や圧送時のように外力が加わった状態においては変形性を維持し、吹付け時においては逆に、吹付面への衝突力が加わっても変形せずリバウンドを抑制するという相反する特性が求められる。レオロジーの観点から言えば、練混ぜ時や圧送時には、擬塑性やチクソ性を持った状態（少なくとも、ダイラタント挙動が抑制された状態）が望ましく、逆に吹付け時には、ダイラタントな挙動あるいは瞬結性が求められる。本発明は、上記の構成により所要の流動特性やレオロジー特性を持ちつつ、従来の吹付けコンクリートでは得られなかった良好な吹付性能を持つ超高強度な吹付け材料を得ることができる。
【００１３】
「中庸熱セメント」
中庸熱セメントとは、ＪＩＳ  Ｒ５２１０に規定された中庸熱ポルトランドセメントであり、普通ポルトランドセメントと比較して水和熱が低い。本発明の吹付け材料は、中庸熱ポルトランドセメントを用いることを特徴とし、そのメカニズムは不明であるが、中庸熱ポルトランドセメントを配合した吹付け材料は、普通ポルトランドセメントを配合した吹付け材料と比較して、圧送性、吹付性に優れている。
本発明の吹付け材料において、粉体中の中庸熱ポルトランドセメントの配合量は、７０Ｎ／ｍｍ２以上の吹付け圧縮強度を満足する限り特に制限されないが、４０重量％以上であることが好ましい。
【００１４】
「高炉スラグ粉末を含む高強度混和材」
高炉スラグ粉末は、高炉を用いて鉄鉱石から金属鉄を製造する際に副産物として得られ、潜在水硬性を有するなどセメントに類似した性能を有するとともに大量に生成するため、従来から、高炉セメントの原材料、セメント混和材の一構成材料などとして広く土木・建築分野での利用が図られている。ここで使用される高炉スラグを含む高強度混和材は、シリカフュームおよび高炉スラグせっこう系混和材をベースとしたものである。結合材の一部を置換することにより７０Ｎ／ｍｍ２以上の高強度コンクリートが製造可能となる。
本発明の吹付け材料において、粉体中の高炉スラグ粉末を含む高強度混和材の配合量は、７０Ｎ／ｍｍ２以上の吹付け圧縮強度を満足する限り特に制限されないが、５重量％以上であることが好ましい。
【００１５】
本発明で使用する高炉スラグ粉末は、セメント混和材として入手可能なものを特に制限することなく使用することができる。ただし、本発明の吹付け材料に超高強度特性を要求する場合は、高炉スラグ粉末を配合した水粉体比が低いフレッシュモルタルやフレッシュコンクリートでは、ダイラタンシー現象が起こり、これらの練混ぜがし難くなる。ダイラタンシー現象を抑制するために、ＪＩＳ  Ｚ８８０１−１に規定される公称目開き９０μｍの篩を通過しない９０μｍ以上の粒子を１ｗｔ％以上１０ｗｔ％以下含む高炉スラグ粉末を用いることが好ましい。なお、ダイラタンシー現象とは、粉粒体と水とからなる流動〜半流動状態の系に急激な外力を加えて変形を起させると、表面付近の水が内部の粒子間隙に吸い込まれて系全体が硬くなり一時的に固体状態になるが、外力を加えるのをやめて放置すると元の状態に戻る現象である。
【００１６】
９０μｍ以上の粒子が１％から１０％である高炉スラグ粉末を使用することによりブロードな粒度分布を有する高炉スラグ粉末を含む高強度混和材が得られる。高炉スラグ粉末の９０μｍ以下の粒子が１．０％未満になると、ダイラタンシー現象の発生を抑制し難くなり、ブリージングが発生しやすくなる。また、９０μｍ以上の粒子が１０％を超えると粒度の粗い高炉スラグ粉末の割合が増加するため、強度発現性が悪くなる。
さらに、一般の結合材中に９０μｍ以上の粒子は実質的に存在しないが、９０μｍ以上の粒子含む高炉スラグ粉末は、結合材と細骨材の間の大きさである９０μｍ以上の粒子の存在により粉体の充填性がよくなるため、粘性の低いモルタルおよびコンクリートを得ることができる。
【００１７】
粒度分布が異なる粉末を混合することによりブロードな粒度分布を有する高炉スラグ粉末を含む超高強度混和材を用いてフレッシュモルタルやフレッシュコンクリートを製造すると、塑性粘度および降伏値が小さくなり、水粉体比（Ｗ／Ｐ）が２０％以下の低水組成であっても、ダイラタンシー現象が発生し難くなり、練混ぜが容易となる。また、硬化後のコンクリートも、低水組成であるため超高強度となる。
【００１８】
「シリカフューム」
シリカフュームは、シリコンメタル、フェロシリコン、シリコン合金、ジルコニュウムなどを製造する際に発生する排ガス中のダストを捕集することによって得られる球形の超微粒子である。シリカフュームは、セメント混和材として入手可能なものを特に制限することなく使用することができ、粒径やＢＥＴ比表面積等の品質に関して限定されない。
シリカフュームは、球形の超微粒子であるため、高性能減水剤等を併用することにより、セメント混練物に良好な流動性を付与する。そして、本発明の吹付け材料は、シリカフュームを含むことにより、優れた圧送性、吹付性を有する。
本発明の吹付け材料において、粉体中のシリカフュームの配合量は、７０Ｎ／ｍｍ２以上の吹付け圧縮強度を満足する限り特に制限されないが、５重量％以上であることが好ましい。
【００１９】
「高性能減水剤」
高性能減水剤は、ＪＩＳ  Ａ６２０４に規定されている。高性能減水剤としては、ポリカルボン酸エーテル系化合物、ナフタレンスルホン酸系化合物、メラミンスルホン酸系化合物、アミノスルホン酸系化合物、アルキルアリルスルホン酸系化合物及びこれらの誘導体若しくは変性物、ポリエーテル誘導体、ポリグリコール誘導体、エステル系化合物、並びにこれらの混合物を主成分とするものを使用することができる。
本発明では、水粉体比（Ｗ／Ｐ）が極めて低いため、メーカーが超高強度コンクリート用途に推奨する高性能減水剤が好ましく、とりわけ、ポリカルボン酸エーテル系化合物を含むものが好ましい。例えば、ＢＡＳＦジャパン株式会社製「マスターグレニウムＳＰ８ＨＵ」、花王株式会社製「マイテイ３０００ＴＨ」、竹本油脂株式会社「チューポールＳＳＰ−１０４」、株式会社フローリック製「フローリックＳＦ５００Ｕ」、日本シーカ株式会社製「シーカメント１２００ＮＴ」が例示される。
高性能減水剤は、推奨されている配合量で使用すればよいが、通常、粉体１００重量部に対し、１重量部以上５重量部以下である。また、混練り時に連行した空気を消泡するために、消泡剤を高性能減水剤と組み合わせて使用することができる。
【００２０】
「骨材」
本発明の吹付け材料において、骨材は、特に限定されず、従来公知の骨材を使用することができる。例えば、細骨材としては、川砂、海砂、山砂、珪砂、砕砂、石灰岩を粉砕した砂、再生骨材の砂、焼成ボーキサイトを粉砕した砂、鉄鉱石を粉砕した砂、石英へん岩を粉砕した砂、スラグ系細骨材、またはこれらの混合物を挙げることができる。粗骨材としては、川砂利、陸砂利、砕石、スラグ系粗骨材、またはこれらの混合物等を使用することができる。本発明の吹付け材料において、骨材は、細骨材のみを使用することができ、また、細骨材と粗骨材とを組み合わせて使用することもできる。骨材における細骨材と粗骨材の配合比、及び粉体に対する骨材の配合量は、吹付け材料を使用する用途に応じて、適宜選択することができる。
【００２１】
「混和材」
本発明の吹付け材料において、混和材は、特に限定されず、従来公知の材料を使用することができる。例えば、石灰石微粉末、石英微粉末、硅石微粉末、岩石微粉末、せっこう等を挙げることができる。
【００２２】
「急結剤」
本発明の吹付け材料は、急結剤を含む。急結剤を含むことにより、吹付け材料の粘度が上昇し、吹付けた後に流下する量が少なくなる。急結剤としては、カルシウムアルミネート系、カルシウムサルフォアルミネート系、アルミン酸塩系等の粉末状、アルミン酸塩系、水溶性アルミニウム塩系等の液状のものを特に制限することなく使用することができる。これらの中で、液状急結剤が、強度の発現とリバウンド率の低減のため好ましい。具体的には、液状急結剤を使用することにより、リバウンド率を１０％以下とすることができる。
【００２３】
「その他成分」
本発明に係る吹付け材料は、上記粉体、高性能減水剤、骨材以外の他の成分を含有することができる。他の成分としては、いわゆる混和剤、金属繊維及び／又は有機質繊維といった繊維等を挙げることができる。
【００２４】
混和剤は、流動性や強度発現性の向上、凝結コントロール、耐久性の向上などの多くの目的で使用される添加剤で、少なくとも１種類を使用することができる。この混和剤としては、高性能ＡＥ減水剤、流動化剤、消泡剤、凝結促進剤、凝結遅延剤、増粘剤、収縮低減剤、発泡剤、防錆剤などを単独で使用したり、複数の組み合せで使用したりすることができる。
【００２５】
繊維としては、金属繊維、有機繊維、無機繊維、または金属繊維と有機繊維若しくは無機繊維とを混ぜ合わせた複合（ハイブリッド）繊維を挙げることができる。混入可能な金属繊維としては、鋼繊維、高張力鋼繊維、ステンレス繊維、チタン繊維などが挙げられる。また、有機繊維としては、ポリプロピレン（ＰＰ）繊維、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）繊維、アラミド繊維、ポリエチレン繊維、超高強力ポリエチレン繊維、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）繊維、レーヨン繊維、ナイロン繊維、ポリ塩化ビニル繊維、ポリエステル繊維、アクリル繊維、耐アルカリガラス繊維などが使用できる。無機繊維としては、炭素繊維、天然の玄武岩を溶融して紡糸したバサルト繊維、ガラス繊維、シリカ繊維などが使用できる。
【００２６】
本発明の吹付け材料は、上記成分に加え、水を配合して混練することでセメント系材料（コンクリート、モルタル或いはセメントペースト）とすることができる。この際、水と粉体の質量百分率である、水粉体比（Ｗ／Ｐ）は、１５．０％以上２５．０％以下であることが、圧送性と吹付性の点から好ましい。また、水粉体比が小さいほうが、吹付け圧縮強度を高くすることができるため、水粉体比は、２０．０％以下であることがより好ましく、１８．０％以下であることがさらに好ましく、１６．５％以下であることが最も好ましい。
【００２７】
本発明の吹付け材料は、上記した各成分を含むことにより、従来のポルトランドセメント系の吹付け材料と比較して低い塑性粘度、降伏値を有する。ここで、塑性粘度とは、流動を開始した後の粘度であり、塑性粘度が低いと少ない圧力でホース内等を輸送することができる。また、降伏値とは、流動開始時の応力値であり、降伏値が低いと、少ない圧力でポンプで吸い込むことができる。本発明の吹付け材料は、モルタル（マトリクス）の塑性粘度が２５Ｐａ・ｓ以下であることが好ましい。また、本発明の吹付け材料は、モルタル（マトリクス）の降伏値が１５Ｐａ以下であることが好ましい。他方で、吹き付け時には、塑性粘度や降伏値が低すぎるとリバウンドやダレの問題が生じやすいため、塑性粘度は５Ｐａ・ｓ以上であることが好ましく、降伏値は０．０１Ｐａ以上であることが好ましい。なお、本発明において塑性粘度および降伏値とは、特に断りのない場合、急結剤を除いたいわゆるベースモルタルまたはベースコンクリートの塑性粘度および降伏値を意味する。
【００２８】
本発明の吹付け材料は、通常使用されている設備を用いて、混練、吹付け等の施工を行うことができる。
【実施例】
【００２９】
「材料」
下記表１に示す材料を使用した。
【００３０】
【表１】
2019210170.tif 000002
【００３１】
「試験方法」
・圧縮強度試験方法及び供試体製作方法
１）圧縮強度試験方法及び供試体製作方法
圧縮強度試験のための供試体は、ＪＩＳ  Ａ１１３２：２０１４「コンクリートの強度試験用供試体の作り方」に従い直径５０ｍｍ、高さ１００ｍｍとして製作した。
圧縮強度試験は、ＪＩＳ  Ａ１１０８：２００６「コンクリートの圧縮強度試験方法」に準拠して測定を行った。養生は２０℃環境下の封緘養生とした。
２）吹付けコンクリートの圧縮強度試験方法及び供試体製作方法
吹付けコンクリートの圧縮強度試験のための供試体は、ＪＳＣＥ−Ｆ  ５６１−２００５「吹付けコンクリート（モルタル）の圧縮強度試験用供試体の作り方（案）」に準拠して、直径１００ｍｍ、高さ２００ｍｍとして製作した。
圧縮強度試験は、ＪＩＳ  Ａ１１０７：２０１２「コンクリートからのコアの採取方法及び圧縮試験方法」に準拠して測定を行った。養生は２０℃環境下の封緘養生とした。
【００３２】
・塑性粘度と降伏値の測定方法
塑性粘度と降伏値は、「渡部，橋本，武田：超高強度モルタルの管内流動性評価に関する検討，土木学会年次学術講演会予稿集，Ｖ−１３５，ｐｐ．２６９−２７０，２０１７．９」に記載の漏斗試験方法に準拠して測定した。
【００３３】
・フロー（モルタルフロー、コンクリートフロー）
（１）モルタルフローの測定方法
ＪＩＳ  Ｒ５２０１：２０１５「セメントの物理試験方法  １２．フロー試験」に準拠して、振動を加えない状況で測定した。
（２）コンクリートフローの測定方法
ＪＩＳ  Ａ  １１５０：２００７「コンクリートのスランプフロー試験」に従って測定した。
【００３４】
・空気量の測定方法
空気量は、ＪＩＳ  Ａ１１２８：２００５「フレッシュコンクリートの空気量の圧力による試験方法−空気室圧力方法」に従って測定した。
・リバウンド率の測定方法
ＪＳＣＥ−Ｆ  ５６３−２００５「吹付けコンクリート（モルタル）のはね返り率試験方法（案）」に従って測定した。
【００３５】
「実験１」
下記表２に示す配合比で、各材料を練り混ぜてモルタルを調製し、各試験を行った。試験結果を下記表３に示す。
【００３６】
【表２】
2019210170.tif 000003
【００３７】
【表３】
2019210170.tif 000004
【００３８】
中庸熱セメントを使用した配合４〜６は、普通ポルトランドセメントを使用した配合１〜３と比較して、降伏値、塑性粘度が顕著に低下した。
高炉スラグ粉末の配合量が多くなると、普通ポルトランドセメント、中庸熱セメントとも、塑性粘度が低下する傾向が見られた。降伏値は、普通ポルトランドセメントでは低下、中庸熱セメントでは上昇する傾向が見られた。
【００３９】
「実験２」
上記実験１で強度、塑性粘度、降伏値のバランスに優れていた配合５を元にし、水粉体比（Ｗ／Ｐ）を変更してコンクリートとし、各試験を行った。配合と結果を下記表４、５に示す。
【００４０】
【表４】
2019210170.tif 000005
【００４１】
【表５】
2019210170.tif 000006
【００４２】
粗骨材を含むコンクリートは、モルタルよりも粘度が大きくなり、水／粉体比を小さくするとさらに粘度が大きくなった。なお、配合７〜９は、粘度増加が明らかであったため、降伏値、塑性粘度の測定は行っておらず、特に、配合９は目視で粘度が非常に高いことが確認できたため、各種測定を行っていない。
【００４３】
「実験３」
上記実験１で強度、塑性粘度、降伏値のバランスに優れていた配合５に戻り、シリカフュームを配合してモルタルを調製し、各試験を行った。配合と結果を下記表６、７に示す。
【００４４】
【表６】
2019210170.tif 000007
【００４５】
【表７】
2019210170.tif 000008
【００４６】
粉体中高炉スラグ粉末を２０重量％含む配合５と比較して、高炉スラグ粉末の半分をシリカフュームに置き換えた配合１０は、降伏値がやや上昇したものの塑性粘度が低下した。また、配合１１に示すように、シリカフュームを含むことにより、水粉体比を小さくしても、降伏値、塑性粘度を低く保つことができた。また、配合１２は、高粘度であったが、水を増やすことにより、レオロジー特性と強度の両立とが期待できる。
【００４７】
「実験４」
配合１１に、粗骨材を配合してコンクリートとし、各試験を行った。配合と結果を下記表８、９に示す。
【００４８】
【表８】
2019210170.tif 000009
【００４９】
【表９】
2019210170.tif 000010
【００５０】
配合１３は、コンクリートとしても、降伏値、塑性粘度が十分に低く、吹付け可能であることが示唆された。
これまでの知見から、コンクリートを吹き付けた硬化物は、通常の方法で硬化させた場合と比較して圧縮強度が７〜８割程度に低下する。配合１３は、２８日後の圧縮強度が１３８Ｎ／ｍｍ２と優れており、吹付けた場合であっても高い圧縮強度を維持することが期待できた。
【００５１】
「実験５」
配合１３をベースとし、下記表１０に示す配合で吹付け材料を調製し、各試験を行った。配合と結果を下記表１０、１１に示す。
【００５２】
【表１０】
2019210170.tif 000011
【００５３】
【表１１】
2019210170.tif 000012
【００５４】
本発明の吹付け材料は、水粉体比が１７〜１９と小さなコンクリートとしても、降伏値、塑性粘度が低いため、圧送性、吹付け性に優れ、吹き付けることができた。また、吹付け圧縮強度が９４〜９５Ｎ／ｍｍ２と高く、超高強度であった。さらに、配合１４は、リバウンド率が４．０％と低く、配合１５、１６についても、リバウンド率の測定は行っていないが、吹付け時の目視からは、同等のリバウンド率であると予測される。