(57)【要約】【課題】  練混ぜが容易で、モルタルの硬化時に生ずる硬化収縮が抑制でき、高強度発現性を付与した無収縮性グラウト材料を提供することができるグラウト組成物およびそのグラウト材料を提供する。【解決手段】  セメント、膨張材、減水剤、及び、SiO2含有率が97％以上であり、ｐＨが４〜７であるシリカフュームを含有してなるグラウト組成物、消泡剤を含有してなる該グラウト組成物、膨張材が、カルシウムアルミノフェライト系膨張材である該グラウト組成物、膨張材が、セメント、膨張材、及び該シリカフュームからなる結合材100部中、１〜４部である該グラウト組成物、減水剤が、ポリカルボン酸塩系減水剤である該グラウト組成物、該シリカフュームのＢＥＴ比表面積が５〜20m2/gである該グラウト組成物、及び該シリカフュームが、結合材100部中、３〜20部である該グラウト組成物、並びに、該グラウト組成物が水とを含有してなるグラウト材料を構成とする。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
セメント、膨張材、減水剤、及び、SiO2含有率が97％以上であり、ｐＨが４〜７であるシリカフュームを含有してなるグラウト組成物。
【請求項２】
さらに、消泡剤を含有してなる請求項１に記載の記載のグラウト組成物。
【請求項３】
膨張材が、カルシウムアルミノフェライト系膨張材である請求項１又は請求項２に記載のグラウト組成物。
【請求項４】
膨張材が、セメント、膨張材、及び該シリカフュームからなる結合材100部中、１〜４部である請求項１〜請求項３のうちのいずれか一項に記載のグラウト組成物。
【請求項５】
減水剤が、ポリカルボン酸塩系減水剤である請求項１〜請求項４のうちのいずれか一項に記載のグラウト組成物。
【請求項６】
シリカフュームのＢＥＴ比表面積が５〜20m2/gである請求項１〜請求項５のうちのいずれか一項に記載のグラウト組成物。
【請求項７】
シリカフュームが、結合材100部中、３〜20部である請求項１〜請求項６のうちのいずれか一項に記載のグラウト組成物。
【請求項８】
請求項１〜請求項７のうちのいずれか一項に記載のグラウト組成物を使用してなるグラウト材料。
【請求項９】
請求項１〜請求項７のうちのいずれか一項に記載のグラウト組成物と水とを含有してなるグラウト材料。
【請求項１０】
水が、水／結合材比で15〜25％である請求項９に記載のグラウト材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、土木・建築業界において使用されるグラウト組成物およびそれを用いたグラウト材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、グラウト材料としては、セメントに減水剤を加えたものが一般的であり、さらに、膨張材、例えば、カルシウムサルフォアルミネート系膨張材又は石灰系膨張材を配合し、ペーストやモルタルとして、土木、建築工事等に広く使用されている。
【０００３】
近年、コンクリートの品質が、高性能化、高品質化し、構造物そのものが複雑化するにつれグラウト材料に要求される性能が多様化するとともに高度化している。
【０００４】
グラウト材料、特に、無収縮グラウト材料は、ＰＣグラウト、プレパックドコンクリート用グラウト、トンネルやシールド裏込めグラウト、プレキャスト用グラウト、構造物の補修や補強注入グラウト、橋梁の支承下グラウト、軌道下グラウト、耐震鉄骨ブレース周辺枠グラウト、増設壁逆打ちグラウト、鋼板巻き立て工法用グラウト、及び原子力発電所格納容器下グラウトなど多岐にわたって使用されている。
【０００５】
この他、コンクリート構造物のひび割れ補修においても、微細な形状のひび割れ部分への良好な充填性を示すグラウト材料が必要で、コンクリートの高強度化に伴って充填性のほかに高強度発現性が望まれている。
【０００６】
グラウト材料に高強度発現性を付与するには、従来から、高性能減水剤とシリカフュームを併用することが知られている（非特許文献１参照）。
しかしながら、特定のSiO2含有率やｐＨ範囲のシリカフュームを使用することは記載がなく、示唆もされていない。
【０００７】
また、特定の骨材やシリカフュームを併用することによって、高強度を有するモルタル・コンクリートを製造する方法が知られている(特許文献１参照)。
しかしながら、併用するシリカフュームのｐＨ範囲の記載はなく、また、流動性向上を意図するものでもない。
【０００８】
さらに、減水性能が高い水溶性ビニル共重合体を主成分とする減水剤と、シリカフュームを使用して、圧縮強度が120MPa以上のコンクリートを製造する技術も提案されている(特許文献２参照)。
しかしながら、特定のSiO2含有率やｐＨ範囲のシリカフュームを使用することは記載がなく、示唆もされていない。
【０００９】
このような従来の技術のように水結合材比が極めて小さいセメント組成物とすると、所定の流動性を確保するために、高性能減水剤の多量添加が必要となる。高性能減水剤を多量に添加したグラウト材料は、練上りモルタルに多量の泡が発生したり、凝結遅延が発生する場合があり、さらに、水結合材比を小さくすると、高性能減水剤の添加量を上げてもハンドタイプのミキサでは練混ぜが不可能となり、また、シリカフュームのようなポゾラン超微粉末を配合すると、硬化収縮が増大するため無収縮性を確保することが困難であった。
【００１０】
また、製造作業中の取扱いが簡便で、少ない減水剤の使用で高強度や高ワーカビリティを有するモルタル・コンクリートを製造するために、二酸化ケイ素（SiO2）を主成分とし酸化ジルコニウムを一成分として含む微粒子からなる粉体を使用することが知られている（特許文献３参照）。
しかしながら、特許文献３は、シリカ質微粉末の粒径が重要なものと示されているだけで、モルタルの混練性を改善し、凝結遅延を防止するために、SiO2含有率が97％以上であり、ｐHが４〜７であるシリカフュームを使用するという技術的思想の開示はない。
また、特許文献３に記載された発明は膨張材の使用を避けるものである。
【００１１】
さらに水セメント比が低い場合においても、流動性が高く、かつ、その硬化体の材齢28日における圧縮強度が80N/mm2以上という高い強度を有し、骨材等の材料分離を起こさないで、さらに膨張材を併用すると、高強度の無収縮グラウトモルタルとして好適に使用することができるモルタルの発明も知られている（特許文献４参照）。
しかしながら、特許文献４では、シリカフュームについては、そのSiO2含有率やｐＨについての記載はなく、モルタルの混練性を改善し、減水剤の多量添加による凝結遅延を防止するために、特定のシリカフューム使用することは示されていない。
【００１２】
【非特許文献１】最新・コンクリート混和剤の技術と応用、2001年９月10日、シーエムシー社発行、P174
【特許文献１】特開平０５−０５８７０１号公報
【特許文献２】特開平０６−１９１９１８号公報
【特許文献３】特開２００４−２０３７３３号公報
【特許文献４】特開２００５−１１９８８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明者は、前記課題を解決すべく種々検討を重ねた結果、特定のシリカフュームを、膨張材や減水剤と併用してグラウト組成物とすることにより、前記課題が解決できるとの知見を得て本発明を完成するに至った。
【００１４】
本発明は、前記従来技術には示されてはいない課題を解決しようとするものであり、練混ぜが容易で、モルタルの硬化時に生じる硬化収縮が抑制でき、高強度発現性が付与されたグラウト組成物およびそれを用いたグラウト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】
【００１５】
即ち、本発明は、セメント、膨張材、減水剤、及び、SiO2含有率が97％以上であり、ｐＨが４〜７であるシリカフュームを含有してなるグラウト組成物であり、消泡剤を含有してなる該グラウト組成物であり、膨張材が、カルシウムアルミノフェライト系膨張材である該グラウト組成物であり、膨張材が、セメント、膨張材、及び該シリカフュームからなる結合材100部中、１〜４部である該グラウト組成物であり、減水剤が、ポリカルボン酸塩系減水剤である該グラウト組成物であり、該シリカフュームのＢＥＴ比表面積が５〜20m2/gである該グラウト組成物であり、該シリカフュームが、結合材100部中、３〜20部である該グラウト組成物であり、該グラウト組成物が水とを含有してなるグラウト材料であり、水が、水／結合材比で15〜25％である該グラウト材料である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のグラウト組成物を使用することにより、水結合材比が低くても、練混ぜが容易で、モルタルの硬化時に生ずる硬化収縮が抑制でき、さらには、高強度発現性を付与した無収縮性グラウト材料を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明で使用する部や％は特に限定のない限り質量基準で示す。
また、本発明のグラウト材料とは、グラウトモルタル、グラウトペーストを示す。
【００１８】
本発明で使用するセメントとしては、普通、早強、中庸熱、及び低熱等の各種ポルトランドセメントが挙げられ、いずれのポルトランドセメントも使用可能であるが、良好な流動性を確保することと低収縮性から、低熱ポルトランドセメントがより好ましい。なお、本発明では、エコセメントもセメントとして使用可能である。
【００１９】
本発明で使用する膨張材としては、カルシウムサルフォアルミネート系膨張材、カルシウムアルミノフェライト系膨張材、石灰系膨張材、及び石膏系膨張材等が挙げられるが、流動性保持性能の面からカルシウムアルミノフェライト系膨張材が好ましい。
【００２０】
カルシウムアルミノフェライト系膨張材は、CaO原料、Al2O3原料、Fe2O3原料、及びCaSO4原料を所定の割合になるように配合し、電気炉やロータリーキルンなどを用いて、一般的には、1,100〜1,600℃で熱処理をして製造される。
熱処理温度が1,100℃未満では得られた膨張材の膨張性能が充分でない場合があり、1,600℃を超えると無水石膏が分解する場合がある。
【００２１】
CaO原料としては、石灰石や消石灰等が、Al2O3原料としてはボーキサイトやアルミ残灰等が、Fe2O3原料としては銅カラミや市販の酸化鉄等が、そしてCaSO4原料としては二水石膏、半水石膏、及び無水石膏等が挙げられる。
【００２２】
カルシウムアルミノフェライト系膨張材とは、CaO原料、Al2O3原料、Fe2O3原料、及びCaSO4原料を熱処理して得られる物質であって、遊離石灰、カルシウムアルミノフェライト、及び無水石膏を含有する膨張物質である。
遊離石灰、カルシウムアルミノフェライト、及び無水石膏の割合は特に限定されるものではないが、膨張物質100部中、遊離石灰は30〜60部が好ましく、15〜35部がより好ましい。また、カルシウムアルミノフェライトは10〜40部が好ましく、15〜35部がより好ましい。そして、無水石膏は10〜40部が好ましく、20〜35部がより好ましい。遊離石灰、カルシウムアルミノフェライト、及び無水石膏がこの範囲外では、所定の膨張量が得られなかったり、異常膨張により強度低下を起こす場合がある。
【００２３】
膨張材の粉末度は、ブレーン比表面積値（以下、ブレーン値という）で2,000〜6,000cm2/gが好ましい。2,000cm2/g未満では膨張量が大きすぎる場合があり、6,000cm2/gを超えると適正な膨張が得られない場合がある。
膨張材の使用量は、セメント、膨張材、及びシリカフュームからなる結合材100部中、１〜４部が好ましく、1.5〜３部がより好ましい。１部未満では膨張性状が得られにくい場合があり、４部を超えると膨張量が大きくなり、セメント硬化体の破壊に繋がる場合がある。
【００２４】
本発明では、膨張材と併用した際の硬化収縮の抑制と、流動性の確保と保持が良好となる面から、減水剤を併用する。
減水剤としては、ポリカルボン酸塩系減水剤、ナフタレンスルホン酸塩系減水剤、メラミンスルフォン酸塩系減水剤、及びリグニンスルフォン酸塩系減水剤の一種又は二種以上を使用することが可能であり、液体のもの、粉末のものいずれも使用可能である。これらのうち、硬化収縮が小さいことからポリカルボン酸塩系減水剤を用いることが好ましい。
ポリカルボン酸塩系減水剤の使用量は、結合材100部に対して、固形分換算で0.05〜0.5部が好ましく、0.1〜0.3部がより好ましい。0.05部未満では流動性が不充分の場合があり、0.5部を超えると泡が発生したり、凝結遅延が生じる場合がある。
また、ナフタレンスルホン酸塩系減水剤やメラミンスルフォン酸塩系減水剤の使用量は、結合材100部に対して、固形分換算で0.1〜3.0部が好ましく、0.5〜1.5部がより好ましい。0.1部未満では流動性が不充分な場合があり、3.0部を超えると泡が発生したり、凝結遅延が生じる場合がある。
減水剤を二種以上併用する場合は、そのうちの一種の減水剤が上記好ましい範囲より少ない範囲で使用することが充分可能である。
【００２５】
本発明では、SiO2含有率が97％以上で、ｐＨが４〜７のシリカフュームを使用する。
シリカフュームは、非晶質のSiO2を主成分とする平均粒子径１μｍ以下の超微粒子であり、本発明で使用するシリカフューム（以下、本シリカフュームという）は、SiO2含有率が97％以上で、ｐＨが４〜７であれば特に限定されるものではない。例えば、本シリカフュームとしては、球状シリカを製造する際や、光ファイバーを製造する際に発生するダストを、例えば、集塵機等で回収したものが使用可能である。
シリカフュームのSiO2含有率が97％未満では、所定の流動性を得るための減水剤量が多くなり、モルタル表面に多量の泡の発生があったり、凝結遅延を起こしたり、強度不足を生じたり、練混ぜ時の負荷が大きくなり過ぎる場合がある。
また、シリカフュームのｐＨが４未満では、シリカフュームを長期間、鉄製のタンク内に貯蔵すると、鉄表面に発錆する場合があり、ｐＨがアルカリ性側にあると、所定の流動性を得るための減水剤の使用量が多くなる場合があり、凝結遅延を起こしたり、練混ぜ時の負荷が大きくなり過ぎる場合がある。
【００２６】
ここでｐＨとは、シリカフュームを水に懸濁させた混合物のｐＨであって、例えば、シリカフューム２ｇを純水98ｇに入れ、マグネティックスタラーにて５分間攪拌した後、懸濁液中の水素イオン濃度をｐＨメータにより計測した値である。
【００２７】
本発明では、シリカフュームのＢＥＴ比表面積は５〜20m2/gが好ましく、５〜15m2/gがより好ましい。５m2/g未満では強度増進に効果が得られにくい場合があり、20m2/gを超えると流動性が得られない場合がある。
【００２８】
シリカフュームの使用量は、結合材100部中、３〜20部が好ましく、５〜15部がより好ましい。３部未満では強度発現性が不充分であったり、ボールベアリング効果がなくなり、練混ぜ時の負荷が大きくなりすぎて練混ぜができない場合があり、20部を超えると充分な強度が得られない場合がある。
【００２９】
本発明では、練上げたグラウト材料のエアを消泡させ、強度を増進させるために、消泡剤を使用することが好ましい。
消泡剤は特に限定されるものではないが、ポリオキシエチレンアルキルエーテル系消泡剤やプルロニック系消泡剤等が挙げられる。
消泡剤の使用量は、結合材100部に対して、0.005〜0.05部が好ましい。0.005部未満では消泡効果が不充分で、エントラップエアや減水剤のエントレンドエアが抜け切れず、強度が不充分な場合があり、0.05部を超えると、消泡（脱泡）された泡がグラウト材料表面に多量にあがってくる場合があり、上部との一体化が不充分となる場合がある。
【００３０】
本発明において、上記グラウト組成物の各材料を練混ぜる水の量は、水／結合材比で15〜25％が好ましく、16〜20％がより好ましい。この範囲外では流動性が大きく低下したり、強度低下が起きる場合がある。
【００３１】
本発明では、さらに、増粘剤を併用することも可能である。
増粘剤としては、ポリビニールアルコール系増粘剤、アクリル系増粘剤、及び水溶性セルロース系増粘剤等が挙げらる。
増粘剤の使用量は、結合材100部に対して、0.1部以下が好ましい。0.1部を超えると増粘しすぎて施工性が劣る場合がある。
【００３２】
また本発明では、さらにオキシカルボン酸又はその塩、デキストリンやショ糖等の糖類、及び無機塩等の遅延性を有するものを併用することが可能である。
【００３３】
本発明では、さらに細骨材や、防錆剤、防凍剤、収縮低減剤、ガス発泡物質、及びポリマーなどのうちの一種又は二種以上を、本発明の目的を実質的に阻害しない範囲で使用することが可能である。
【００３４】
本発明のグラウト組成物において、各材料の混合方法は特に限定されるものではなく、それぞれの材料を施工時に混合しても良いし、あらかじめ一部を、あるいは全部を混合しておいても差し支えない。
【００３５】
混合装置としては、既存のいかなる装置、例えば、傾胴ミキサ、オムニミキサ、ヘンシェルミキサ、Ｖ型ミキサ、及びナウタミキサなどの使用が可能である。
【００３６】
また本発明のグラウト材料の混練方法も特に限定されるものではなく、ハンドミキサ、パン型ミキサ、及び二軸ミキサなど汎用のミキサが使用可能である。
【実施例】
【００３７】
以下、実験例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれら実験例に限定されるものでない。
【００３８】
実験例１
セメント87部、膨張材α３部、及び、セメント、膨張材、及びシリカフューム（ＳＦ）からなる結合材100部に対して、固形分換算で0.16部の減水剤Ａと、表１に示すシリカフューム（ＳＦ）10部とを混合しグラウト組成物を調製し、水／結合材比が18％となるように水を添加して、高速ハンドミキサを用いて180秒間練混ぜ、グラウト材料を作製した。
作製したグラウト材料の練混ぜ時の混練性と流動性を評価し、凝結時間と圧縮強度を測定した。結果を表１に併記する。
【００３９】
＜使用材料＞
セメント  ：低熱ポルトランドセメント、市販品
膨張材α  ：カルシウムアルミノフェライト系膨張材、ブレーン値3,000cm2/g、市販品
ＳＦイ    ：SiO2含有率92.7％、ｐＨ4.2、ＢＥＴ比表面積9.22m2/g
ＳＦロ    ：SiO2含有率99.7％、ｐＨ4.5、ＢＥＴ比表面積45.24m2/g
ＳＦハ    ：SiO2含有率99.9％、ｐＨ5.8、ＢＥＴ比表面積5.60m2/g
ＳＦニ    ：SiO2含有率99.9％、ｐＨ6.5、ＢＥＴ比表面積13.45m2/g
ＳＦホ    ：SiO2含有率99.9％、ｐＨ7.0、ＢＥＴ比表面積18.32m2/g
ＳＦヘ    ：SiO2含有率99.9％、ｐＨ6.0、ＢＥＴ比表面積3.90m2/g
ＳＦト    ：SiO2含有率97.1％、ｐＨ4.4、ＢＥＴ比表面積9.95m2/g
ＳＦチ    ：SiO2含有率96.3％、ｐＨ7.7、ＢＥＴ比表面積19.32m2/g
減水剤Ａ  ：ポリカルボン酸塩系減水剤、市販品
【００４０】
＜測定方法＞
混練性    ：ハンドミキサでの練混ぜ開始後60秒間の練混ぜ抵抗を４段階で評価した。判定基準は、練混ぜができない場合を不可、練混ぜができるが、極めて重い場合を可、重い場合を良、練混ぜが容易な場合を優とした。
流動性    ：JIS R 5201-1997「セメントの物理試験方法」のセメントペースト容器にグラウト材料を充填し容器を引き上げた後の広がり
凝結時間  ：JIS A 6204-2000 コンクリート用化学混和材  附属書1（規定）コンクリートの凝結時間試験方法により測定した終結時間
圧縮強度  ：JSCE-G 505-1999「円柱供試体を用いたモルタルまたはセメントペーストの圧縮強度試験方法」に準じ、封緘養生の材齢28日で測定
泡の状態  ：練混ぜ終了後のグラウト材料表面の状態の目視判定、泡が全て消滅した場合は良、泡が少々あるが実用上問題ない場合は可、泡が多い場合は不可とした。
【００４１】
【表１】
2008094668.tif 000002
【００４２】
表１よりSiO2含有率が97％以上で、且つｐＨが４〜７にあるＳＦを配合すると良好な混練性が可能で、良好な流動性が得られることが分かる。一方その範囲外にあるシリカフュームを使用すると、練混ぜが不可であることが分かる。
【００４３】
実験例２
膨張材α３部、結合材100部に対して固形分換算で0.16部の減水剤Ａ、及び表２に示すセメントとＳＦハを使用したこと以外は実験例１と同様に行った。結果を表２に併記する。
【００４４】
【表２】
2008094668.tif 000003
【００４５】
表２より、ＳＦを３〜20部配合すると良好な混練性が可能で、充分な圧縮強度発現をすることが分かる。
【００４６】
実験例３
ＳＦハ10部と、表３に示す、セメント、膨張材、及び減水剤を配合してグラウト材料を調製し、混練性、流動性、凝結時間、圧縮強度、及び長さ変化率を測定したこと以外は実験例１と同様に行った。その結果を表３に併記する。
【００４７】
＜使用材料＞
膨張材β  ：カルシウムサルフォアルミネート系膨張材、ブレーン2,800cm2/g、市販品
膨張材γ  ：石灰系膨張材、ブレーン3,500cm2/g、市販品
減水剤Ｂ  ：ナフタレンスルホン酸塩系減水剤、市販品
【００４８】
＜測定方法＞
長さ変化率：JIS A6202「コンクリート用膨張材  附属書１（規定）膨張材のモルタルによる膨張性試験」に準じ測定。養生は20℃封緘養生、測定材齢１日、７日
【００４９】
【表３】
2008094668.tif 000004
【００５０】
表３より本発明の範囲では、流動性の保持性能は良好で凝結遅延もなく、圧縮強度も充分であり、かつ硬化収縮が無いか、少ないことが分かる。特に、膨張材としてカルシウムアルミノフェライト系膨張材を使用し、減水剤としてポリカルボン酸塩系減水剤を使用すると、流動性の保持性能が良好であり、硬化収縮がなく好ましい。
【００５１】
実験例４
セメント87部と、膨張材α３部、ＳＦロ10部、及び表４に示す減水剤Ａと消泡剤を配合し、表４に示す水／結合材比（Ｗ／Ｇ）でグラウト材料を作製し、混練性、泡の状態、流動性、凝結時間、圧縮強度、及び長さ変化率を測定し、泡の状態を評価したこと以外は実験例１と同様に行った。結果を表４に併記する。
【００５２】
＜使用材料＞
消泡剤    ：ポリオキシエチレンアルキルエーテル系消泡剤、市販品
【００５３】
【表４】
2008094668.tif 000005
【００５４】
表４よりＷ／Ｇが15〜25％の範囲では、練混ぜ可能であり、凝結遅延も無く、充分な圧縮強度を示し、且つ硬化収縮が無いことが分かる。さらに消泡剤を用いることにより更なる高強度発現が望めることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明のグラウト材料は、ＰＣグラウト、プレパックドコンクリート用グラウト、トンネルやシールド裏込めグラウト、プレキャスト用グラウト、構造物の補修や補強注入グラウト、橋梁の支承下グラウト、軌道下グラウト、耐震鉄骨ブレース周辺枠グラウト、増設壁逆打ちグラウト、鋼板巻き立て工法用グラウト、及び原子力発電所格納容器下グラウトなど土木および建築用途に広範に利用できる。