(57)【要約】【課題】山岳トンネル等の覆工に用いられる吹付けコンクリートの性状のうち、粉塵発生を押さえ、吹き付け時のリバウンドを減少させる。【解決手段】少なくともセメント、ベントナイト、細骨材、及び水を組成とする配合物からなる吹付けコンクリートにおいて、ベントナイト質量のセメント質量に対する比率を２０質量％以下とすることを特徴とし、さらにその比率を２〜１０質量％の範囲とすることが好ましい。これにより、従来のシリカフュームを用いた配合と比較して、粉塵およびリバウンドについて、いずれも同等以上の効果が得られ、コストの低減も見込まれる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともセメント、ベントナイト、細骨材、及び水を組成とする配合物からなる吹付けコンクリートにおいて、前記ベントナイト質量の前記セメント質量に対する比率を２０質量％以下としたことを特徴とするベントナイト配合吹付けコンクリート。
【請求項２】
前記比率がさらに２〜１０質量％であることを特徴とする請求項１記載のベントナイト配合吹付けコンクリート。
【請求項３】
前記配合物は、高性能減水剤が前記セメント質量に対して所定割合で添加されたことを特徴とする請求項１記載のベントナイト配合吹付けコンクリート。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はベントナイト配合吹付けコンクリートに係り、特に山岳トンネル等の覆工に用いられる吹付けコンクリートの性状のうち、粉塵発生を押さえ、吹き付け時のリバウンドを減少させることができるベントナイト配合吹付けコンクリートに関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
山岳トンネル工事では、掘削直後の地山に覆工を施すために吹付けコンクリート工法が用いられることが多い。この吹付けコンクリート工法は、この工法がもつ特質上、およびトンネル内の切羽付近という狭隘な場所で施工されることから、施工時に発生する粉塵が大きな問題となっている。また、吹き付け時のリバウンドの低減も施工コスト、施工速度に寄与するため大きな課題である。これら課題の解消のために、急結剤の性能、べースコンクリートの配合、吹付け方法、ノズル形状などにおいて種々の改良がなされ、ある程度の成果が得られている。
【０００３】
その中で、べースコンクリートの配合の点からはコンクリートに粘性および付着性を付与することが重要なファクターであるとされている。この点に着目して種々の材料を添加した吹付けコンクリートの改良がされている。たとえば吹付けコンクリート内にメチルセルローズ、ポリエチレンオキサイド等の保水剤や、増粘作用を有する混和剤を添加することで粉塵の減少の効果が確認されている。しかし、これらの混和剤を添加するとコンクリートの凝結時間が長くなることも確認されており、確実な手段とはいえない。また、シリカフュームコンクリートは、本来高い粘性を示すため、リバウンドの低減の効果が確認されている。しかし、通常のシリカフュームコンクリートは粘性を発揮することにより結果的に付着性の向上が得られるものであり、直接的な付着性の向上には至らず、粉塵低減やリバウンド低減に直接的に寄与するものではない。このため、さらに好ましい性状を示す吹付けコンクリートの開発が求められていた。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
これに対して、出願人は、直接、吹付けコンクリートの粘性および付着性の付与を確保できるような材料の選定を図っていたが、混和材としてベントナイトを添加した配合により、所望の効果が得られるとの知見を得た。本発明で着目したベントナイトは、粘土鉱物モンモリロナイトを主成分として、石英、α−クリストバライト、オパールなどの珪酸鉱物を副成分として、長石、マイカ、ゼオライトなどの珪酸塩鉱物、カルサイト、ドロマイト、ジプサムなどの炭酸塩鉱物や硫酸塩鉱物、さらにパイライトなどの硫化鉱物を随伴する弱アルカリ性粘土岩と位置づけることができるが、これらのうち、モンモリロナイトはシート状で積層構造となっており、電気的にマイナスであるので層間にＮａ＋、Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋などが配位して電気的中和をなしている。これらの金属イオンは容易に交換可能であるので、交換性イオンと総称している。モンモリロナイトは、この存在する交換性イオンの量比によって性格が大きく異なるため、Ｎａ＋が優勢となるモンモリロナイトを有するベントナイトをＮａ型ベントナイトと称する。一方、Ｃａ２＋が優勢となるモンモリロナイトを有するベントナイトをＣａ型ベントナイトと称する。天然産状でＣａ型ベントナイトであった鉱石を工業的にＮａ型に変換する（改質する）場合があり、これを活性化ベントナイト（アクアグラウト用ベントナイト）と称してＮａ型ベントナイトと区別することがある。
【０００５】
出願人は、ベントナイトの硬化メカニズムにおいて、ベントナイトの添加により吹付けコンクリートに付着性を付与するゲル強度に着目し、以下に述べるメカニズムを把握し、本発明を想起するに至った。一般に、ゲル強度は粘土スラリーの静止状態から流動を始めるに必要なせん断力をさし、粘土粒子間の牽引力によって生じる。粘土スラリーは、静止あるいはゼロに近いせん断速度状態におけば、泥水スラリー中のモンモリロナイト粒子が機械的に弱い集合いわゆるカードハウス組織をつくる。この組織はいわゆるチキソトロピー性を有する。このときゲル化はベントナイト濃度の増加または適当な電解質（たとえばセメントなど）を添加することにより発現し、ベントナイトスラリー中でフロックネットワーク構造を形成し、水がそのネッワークの中に閉じこめられてしまう状態を呈し不動態となり、その流動性を失う。しかし、強力なせん断を加えれば液状を取り戻す。高いゲル特性を有するセメント・ベントナイトスラリーでは、より強力なせん断を加えなければ流動性を得られない。ベントナイト濃度が高くなりすぎれば、ベントナイトの種類により、もはや流動性を得ることが出来なくなる限界がある。Ｎａ型ベントナイトは、電解質が少ない水により水和し易く無限膨潤し、ついには水溶液中でモンモリロナイトの薄いシートに分散し、粘性発現の原因となる。その後にセメントスラリー上澄液のような電解質の高い液に接触すれば、Ｎａ＋はセメントスラリー中のＣａ２＋アタックによりイオン交換されてＣａ型となり凝集沈殿する。一方、商品名「スーパークレイ」に代表される高純モンモリロナイト系ベントナイトでは、交換性カチオンのＮａ＋が優勢であり、またＣａ２＋が多いので、凝集は一部にとどまりゲル化の発現少なく、粘性の劣化は小さい。また、Ｃａ型ベントナイトは、電解質が少ない水でも交換性Ｃａ２＋がモンモリロナイトシートを牽引する力がＮａ＋より大きく薄いシートになった分散をせず、ゲル強度がほとんど発現しない。高電解質溶液でも同様である。しかし、活性化ベントナイトとしてのアクアグラウト用ベントナイトでは、電解質が少ない水でも完全なＮａ型ベントナイトとなっておらず、一部のＣａが層間に残存し、フリーのＮａ＋が存在することによりゲル強度が上記のどのベントナイトより高めである。ベントナイトを水和させる前にセメントを接触させた場合は、上記の様相は一変する。典型的なＮａ型ベントナイトは、セメントのＣａ２＋アタックにより交換性Ｎａ＋がＣａ２＋に容易に交換される。これが水溶液に加水されても凝集沈殿してゲル強度は小さくなる。高純モンモリロナイト系ベントナイトのようなＮａ＋が優勢でありＣａ２＋も多いベントナイトでは、Ｃａ２＋アタックに強く、粘性を維持すると共にゲル強度がやや高くなる程度である。一方、アクアグラウト用ベントナイトでは、その特有の交換性イオンの存在状態から、セメント混合後に水和されれば、同じ濃度なら他のどのベントナイトに比較して高く固いゲル強度を発現する。ゲル強度が大きいベントナイトを用いると「ねっとり」感が出て、これを使用したコンクリートの付着性が大きくなる。安定液用ベントナイトと高純モンモリロナイト系ベントナイトを同じ粘性（ファンネル粘度）で比較した場合、安定液用ベントナイトの方がゲル強度は大きく、付着性も高いと判断される。逆に同じゲル強度を得るには、高純モンモリロナイト系ベントナイトの濃度を濃くして粘性を高めることが好ましい。
【０００６】
このようにゲル強度の高いベントナイトを吹付けコンクリート製造時に所定タイミングで所定量だけ添加することで吹付けコンクリートとして、特に付着性の向上を期待することができ、そのフレッシュコンクリートの性状は「ねっとり」とした感触があり、性状として高い付着性が得られる。
【０００７】
すなわち、本発明は、付着性を向上させる混和材として吹付けコンクリートにベントナイトを添加することを特徴とするものである。ベントナイトの添加量は吹付け条件（トンネル断面積、吹付け厚さ、地山の土質、湧水の有無、気温等）、使用骨材の品質、吹付け機械の能力等によりセメント質量に対して２０質量％以下の添加率の範囲で変化させることを特徴とする。また、好ましい配合量をさらに求めていくと、２〜１０質量％とすることが好ましい。この範囲において、その粘性効果が十分に得られる。さらに、ベントナイトの添加によりコンクリート粘性が高まり、搬送性能が低下するのを防止するために、セメント質量に対して所定比率で高性能減水剤を添加することが好ましい。
【０００８】
ベントナイトの添加のタイミングとしては、
▲１▼コンクリート練混ぜ時に添加する方法（工場添加）
▲２▼荷卸し時にアジテータに添加・高速撹拌により混ぜ込む方法
▲３▼吹付け時にノズルの先端付近で添加する方法
などがある。各場合において、混合効率を向上させるためベントナイトをスラリー状として混合することが好ましい。工場添加の場合にはベントナイトを粉体のままで混合させてもよい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のベントナイト配合吹付けコンクリートの配合及びベントナイト添加のタイミングについて、以下に説明する。
【００１０】
［ベントナイト配合量］
以下の実施例からも明らかなように、吹付けコンクリートに使用するベントナイトは、その配合時期によらず、セメント質量との配合比率で２０質量％以下とすることが好ましい。すなわち、ベントナイトの配合比率が２０質量％以上では、所定の早期強度が得られず、掘削直後の支保材として吹付けコンクリートを用いるのには不適当である。また、好ましい配合量をさらに求めていくと、２〜１０質量％とすることが可能である。この場合、配合量が２質量％以下の場合には、付着性が保持されるのでリバウンドを低減することができるが、粉塵の発生を押さえる効果に欠ける。一方、１０質量％を超えると、「ねっとり」感が強まり、粉塵の低減に効果があるが、セメント量が抑えられるので、使用する細骨材種類によってはモルタル分に期待する付着力がやや低下し、リバウンド増加につながる可能性が出てくる。このときゲル強度の高いベントナイトを用いることが好ましい。
【００１１】
なお、ベントナイトを所定量添加することにより、練り混ぜ後のコンクリート粘性が増大する。このため、ポンプ圧送性が低下するのを防止するために、高性能減水剤を添加し、流動性を高くすることが好ましい。
【００１２】
【実施例】
以下、上述の吹付けコンクリート配合に適合するように設計された表−１に示した吹付けコンクリート配合における効果を確認するために、強度試験と、吹き付け実験において施工性、粉塵、リバウンドに対する定性評価試験を行った。
【００１３】
［吹付けコンクリート配合］
表−１に以下の実験における吹付けコンクリートの配合を示す。以下の各配合では所定量の粉体ベントナイトを工場添加する方法とした。また、ベントナイトは自然採掘されるため、産地によりその化学組成が異なり、それによって膨潤度等、種々の異なる特徴を示す。そこで、本実験では配合量の因子に加え、活性化ベントナイトとしてのアクアグラウト用ベントナイト（種類Ａ１：一般品）と、高純モンモリロナイト系ベントナイト（種類Ａ２，商品名：スーパークレイ）とを例に、比較例（種類Ｂ：シリカフューム，種類Ｃ：増粘剤）による効果の差異を確認する。
【００１４】
［表１］
2004026598.tif 000003
【００１５】
［強度試験］
（試験内容）
▲１▼早期強度試験（規格：ＪＨＳ７０１，７０２）
本試験では、日本道路公団規格（ＪＨＳ）に規定された吹付けコンクリートの初期強度試験（引抜き試験）の規定に基づき、箱型枠内に吹き付けを行い、コンクリート表面に埋め込んだ引き抜き試験片を引張試験器で引き抜くプルアウト試験を行い、材齢２４時間における早期強度を求めた。
▲２▼圧縮強度試験（規格：ＪＨＳ７０３，７０４）
本試験では、吹付けコンクリートのコアを採取し、その圧縮強度試験を行うことで、所定材齢におけるコンクリート圧縮強度を確認した。
【００１６】
（試験結果）
各圧縮試験結果を表−４に示す。配合率２〜１０質量％の範囲において、強度試験結果は同表に示したように、上記配合率の範囲において短期、長期ともに十分な強度発現が得られており、硬化後の性状にまったく問題ないことが確認された。
【００１７】
［施工性・粉塵・リバウンドに対する定性評価試験］
（試験内容）
図−１に示したような、吹付け機１０（古河機械金属社製：ＣＪＭ２２００）を用い、型枠２０が箱形をなすモデル（鉛直面）に吹付け機１０のノズル１１を水平方向に向け、所定厚まで吹付けコンクリート２１を吹き付ける吹付け試験を行った。そのときの機械性能、試験条件は表−２に示したとおりである。そして吹付け作業に伴う粉塵の多少、付着性の強弱、リバウンドの多少、吹付け機の筒先ノズルにおけるだれの多少、圧送ホースの脈動状態に関しての目視確認結果を、定性評価として表−３に示した指標に基づいて点数つけを行った。
【００１８】
［表２］
2004026598.tif 000004
【００１９】
［表３］
2004026598.tif 000005
【００２０】
（試験結果）
定性評価試験結果を表−４に示す。
【００２１】
［表４］
2004026598.tif 000006
【００２２】
同表から明らかなように、配合率２〜１０質量％の範囲において、粉塵、リバウンドについてはベントナイトを添加しない標準配合（定性評価レベル３）と比較して良好な施工性が得られる。ノズルだれ、脈動状態についても施工上問題がないことが確認された。
【００２３】
【発明の効果】
本発明の配合によれば、従来のシリカフュームを用いた配合と比較して、粉塵およびリバウンドについて、いずれも同等以上の効果が得られ、コストの低減も見込まれるという多様の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるベントナイト配合吹付けコンクリートの配合効果のための吹付け実験モデル図。
【符号の説明】
１０　吹付け機
２０　型枠
【図１】
2004026598.tif 000007