(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（１）（１−１）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を含有してなる急硬成分１００質量部、（１−２）石膏２０〜２００質量部、（１−３）硫酸アルミニウムを含有してなる酸性物質を、急硬成分と石膏の合計１００質量部に対して０．１〜１０質量部、（１−４）アルカリ金属炭酸塩類１００質量部とオキシカルボン酸及び／又はこれらの塩５〜２００質量部を含有してなる凝結調整剤を、急硬成分と石膏の合計１００質量部に対して０．５〜３０質量部、及び（１−５）水を、急硬成分、石膏、酸性物質、及び凝結調整剤を含有する急硬材１００質量部に対して、４０〜２００質量部、を混合してなる急硬材スラリーを、セメント１００質量部に対して固形分換算で５〜３０質量部と、（２）水／セメント比が３５〜６５％であり、細骨材率が４０〜６５％であるセメントコンクリートとを混合してなる急硬性セメントコンクリートを型枠内に連続して流し込むことを特徴とする場所打ちライニング工法。
【請求項２】
（１−２）の石膏が無水石膏であり、（１−４）のアルカリ金属炭酸塩類が炭酸カリウムであり、（１−４）の有機酸類がクエン酸ナトリウムであることを特徴とする請求項１記載の場所打ちライニング工法。
【請求項３】
（２）セメントコンクリートが減水剤を含有してなることを特徴とする請求項１又は２記載の場所打ちライニング工法。
【請求項４】
（２）セメントコンクリートがコンクリートであることを特徴とする請求項１〜３のうちの１項記載の場所打ちライニング工法。
【請求項５】
急硬性セメントコンクリートの硬化時間は２〜１２０分であることを特徴とする請求項１〜４のうちの１項記載の場所打ちライニング工法。
【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、露出した地山面やトンネルの補修等といった覆工時に使用する急硬性セメントコンクリートに関する。尚、本発明では、セメントペースト、モルタル、及びコンクリートを総称してセメントコンクリートという。
【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剤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６０−４１４９号公報）。
【０００３】
この吹付工法は、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剤と混合し、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。
【０００４】
この急結性吹付コンクリートは、高圧空気によりコンクリートを地山面に吹付けるために、トンネル内での粉塵が非常に多くなるおそれがあった。そのため、吹付の際には防塵マスク等をしなければならず、作業性が低下するおそれがあった。又、吹付コンクリートの２０〜３０％程度は地山に付着しないで下に落ちるという、いわゆるリバウンドとなってしまうために経済的に好ましくないという課題があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、人体の安全面や経済的な面で、粉塵とリバウンドの少ないトンネルのコンクリート覆工方法として場所打ちライニング工法が用いられている。
【０００６】
場所打ちライニング工法は、ヨーロッパで開発され、昭和56年に日本に導入されたトンネルの施工方法であり、コンクリート打設時に、２ｋｇｆ／ｃｍ2（０．２ＭＰａ）程度の圧力をかけるため、コンクリートが地山と密着して、地山のゆるみを無くすことができ、地盤沈下を最小限にすることが可能となる方法である。即ち、場所打ちライニング工法は、掘削装置と推進装置からなり、型枠機構を装備したシールド機後部で、直接覆工コンクリートを打設する方法であり、シールド機の推進と同時に、通常４０〜５０ｃｍ程度のコンクリート厚になるように設置された巻立てコンクリート型枠の中へ、コンクリートを導入管から流し込み、連続的に加圧し、打設して覆工するものである。この覆工方法は、吹付コンクリートをトンネルに吹付した後に行う二次覆工や、導水路トンネル等のトンネル補修ライニングにも使用できる。
【０００７】
この場所打ちライニング工法で使用されるコンクリートは、例えば、混練後のスランプ値が２０ｃｍ以上といった、型枠内に十分充填されるだけの流動性が必要であり、しかも、混練後、コンクリートポンプを使用して打設するので、一定時間、その流動性を保持することが必要である。さらに、シールド機を数百メートル／月程度の割合で前進させるため、早期強度の発現性に優れていなければならない。
【０００８】
このように、場所打ちライニング工法には、ポンプ圧送が容易な流動性や良好な初期強度の発現性が要求されるが、従来のコンクリートでは、流動性を一定時間保持させると、強度発現が遅れ、施工の能率が著しく悪くなるという課題があった。
【０００９】
一方、急硬成分と遅延剤の組み合わせからなる従来の急硬材や、超速硬セメントを含有したコンクリートを用いた場合は、強度発現性が十分であっても、硬化時間が短いために一定時間流動性を保持することが難しく、コンクリートポンプ内で硬化してしまうおそれがあるという課題があった。
【００１０】
本発明者は、鋭意検討を重ねた結果、特定の組成を有する急硬性セメントコンクリートをトンネル内の型枠に流し込むことにより、上記課題を解決できる知見を得て本発明を完成するに至った。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、（１）（１−１）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を含有してなる急硬成分１００質量部、（１−２）石膏２０〜２００質量部、（１−３）硫酸アルミニウムを含有してなる酸性物質を、急硬成分と石膏の合計１００質量部に対して０．１〜１０質量部、（１−４）アルカリ金属炭酸塩類１００質量部とオキシカルボン酸及び／又はこれらの塩５〜２００質量部を含有してなる凝結調整剤を、急硬成分と石膏の合計１００質量部に対して０．５〜３０質量部、及び（１−５）水を、急硬成分、石膏、酸性物質、及び凝結調整剤を含有する急硬材１００質量部に対して、４０〜２００質量部、を混合してなる急硬材スラリーを、セメント１００質量部に対して固形分換算で５〜３０質量部と、（２）水／セメント比が３５〜６５％であり、細骨材率が４０〜６５％であるセメントコンクリートとを混合してなる急硬性セメントコンクリートを型枠内に連続して流し込むことを特徴とする場所打ちライニング工法であり、（１−２）の石膏が無水石膏であり、（１−４）のアルカリ金属炭酸塩類が炭酸カリウムであり、（１−４）の有機酸類がクエン酸ナトリウムであることを特徴とする該場所打ちライニング工法であり、（２）セメントコンクリートが減水剤を含有してなることを特徴とする該場所打ちライニング工法であり、（２）セメントコンクリートがコンクリートであることを特徴とする該場所打ちライニング工法であり、急硬性セメントコンクリートの硬化時間は２〜１２０分であることを特徴とする該場所打ちライニング工法である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。なお、本発明ではセメントペースト、モルタル、及びコンクリートを総称してセメントコンクリートという。
【００１３】
本発明で使用するセメントとしては、通常市販されている普通、早強、中庸熱、及び超早強等の各種ポルトランドセメント、並びに、これらのポルトランドセメントにフライアッシュや高炉スラグ等を混合した各種混合セメント等が挙げられる。これらを微粉末化して使用してもよい。これらの中では、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い。
【００１４】
本発明で使用する急硬材スラリーは、急硬成分、石膏、酸性物質、及び必要に応じて凝結調整剤を含有する急硬材と水を含有するものである。
【００１５】
本発明で使用する急硬成分としては、カルシウムアルミネート類等のセメント鉱物系等が挙げられる。これらの中では、セメントコンクリートの凝結硬化が早い等の凝結性状が優れ、強度発現性が良好な点で、セメント鉱物系急硬成分の使用が好ましく、カルシウムアルミネート類がより好ましい。
【００１６】
本発明で使用するカルシウムアルミネート類とは、カルシアを含む原料と、アルミナを含む原料とを混合して、キルンでの焼成や、電気炉での溶融等の熱処理をして得られる、ＣａＯとＡｌ2Ｏ3 とを主たる成分とし、水和活性を有する物質の総称であり、ＣａＯ及び／又はＡｌ2Ｏ3の一部が、アルカリ金属酸化物、アルカリ土類金属酸化物、酸化ケイ素、酸化チタン、酸化鉄、アルカリ金属ハロゲン化物、アルカリ金属土類ハロゲン化物、アルカリ金属硫酸塩、及びアルカリ土類金属硫酸塩等と置換した化合物、あるいは、ＣａＯとＡｌ2Ｏ3とを主成分とするものに、これらが少量固溶した物質である。鉱物形態としては、結晶質、非晶質いずれであってもよい。
【００１７】
カルシウムアルミネート類の中では、反応活性の点で、非晶質のカルシウムアルミネート類が好ましく、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。
【００１８】
カルシウムアルミネート類の粒度は、ブレーン値で４０００ｃｍ2 ／ｇ以上が好ましい。４０００ｃｍ2 ／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。
【００１９】
本発明で使用する石膏は、強度発現性を向上するために使用するものである。石膏としては、無水石膏、半水石膏、及び二水石膏等が挙げられ、これらの一種又は二種以上を使用してもよい。これらの中では、強度発現性の点で、無水石膏が好ましい。
【００２０】
石膏の粒度は、強度発現性の点で、ブレーン値で３０００ｃｍ2 ／ｇ以上が好ましく、５０００ｃｍ2 ／ｇ以上がより好ましい。３０００ｃｍ2 ／ｇ未満だと強度発現性が低下するおそれがある。
【００２１】
石膏の使用量は、急硬成分１００質量部に対して、２０〜２００質量部が好ましく、５０〜１５０質量部がより好ましい。２０質量部未満だと長期強度発現性が小さいおそれがあり、２００質量部を越えると初期強度発現性が遅れるおそれがある。
【００２２】
本発明で使用する酸性物質は、温度変化による硬化時間の変化を緩やかにし、強度発現性を良好にし、急硬材スラリーの特性を保持するために使用するものである。セメントコンクリートの現場到着が遅れたり、施工現場での準備不足のためにセメントコンクリート打設まで時間を要したりする場合には、急硬材と水を混合して急硬材スラリーを調製した後、急硬材スラリーとセメントコンクリートを混合するまで急硬材スラリーを練り置く必要がある。この急硬材スラリーの練り置き時間が長いと、当初設定していた硬化時間が短くなり、強度発現性が低下するおそれがある。特に高温時にはその傾向が顕著となり、ホースが閉塞し、型枠内へ急硬性セメントコンクリートが十分に充填できないおそれがあるという課題があった。この課題を解決するために酸性物質を使用するものである。
【００２３】
酸性物質としては、リン酸一ナトリウムやリン酸一カリウム等のリン酸塩、硫酸アルミニウムや硫酸アンモニウム等の硫酸塩、並びに硫酸水素ナトリウムや硫酸水素カリウム等の重硫酸塩等が挙げられる。これらの中では、流動性が良好で、安全な点で、硫酸塩が好ましく、硫酸アルミニウムがより好ましい。又、硫酸、塩酸、及び硝酸等の強酸やリン酸も使用できる。
【００２４】
酸性物質の使用量は、急硬成分と石膏の合計１００質量部に対して、０．１〜１０質量部が好ましく、０．５〜５質量部がより好ましい。０．１質量部未満だと温度変化による硬化時間のコントロールが難しく、急硬材スラリーを練り置いた後の硬化時間が短く、強度発現性が小さいおそれがあり、１０質量部を越えると強度発現性が低下するおそれがある。
【００２５】
本発明では、急硬性セメントコンクリートの凝結硬化を調整するために、凝結調整剤を使用することが好ましい。
【００２６】
凝結調整剤としては、有機酸類やアルカリ金属炭酸塩類等が挙げられる。これらの中では、硬化時間をコントロールでき、ホース等の閉塞がなく、硬化後の強度発現性が良好な点で、有機酸類とアルカリ金属炭酸塩類を併用することが好ましい。
【００２７】
有機酸類としては、クエン酸、酒石酸、リンゴ酸、及びグルコン酸等のオキシカルボン酸又はこれらの塩（ナトリウム塩やカリウム塩等）等が挙げられる。これらの中では、硬化時間をコントロールでき、ホース等の閉塞がない点で、オキシカルボン酸及び／又はこれらの塩が好ましく、クエン酸ナトリウムがより好ましい。
【００２８】
アルカリ金属炭酸塩類としては、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、及び炭酸カリウム等の炭酸塩や、炭酸水素ナトリウムや炭酸水素カリウム等の重炭酸塩が挙げられる。これらの中では、硬化後の強度発現性が良好な点で、アルカリ金属炭酸塩が好ましく、炭酸カリウムがより好ましい。
【００２９】
有機酸類とアルカリ金属炭酸塩類を併用した場合の両者の混合割合は、アルカリ金属炭酸塩類１００質量部に対して、有機酸類５〜２００質量部が好ましく、１０〜１００質量部がより好ましい。５質量部未満だと硬化時間をコントロールできず、ホース等の閉塞が発生するおそれがあり、２００質量部を越えると初期強度発現性が低下するおそれがある。
【００３０】
凝結調整剤の使用量は、急硬成分と石膏の合計１００質量部に対して、０．５〜３０質量部が好ましく、２〜２０質量部がより好ましい。０．５質量部未満だと硬化時間をコントロールできず、圧送性が低下してホース等の閉塞が発生し、強度発現性が低下するおそれがあり、３０質量部を越えると強度発現性が低下するおそれがある。
【００３１】
急硬性スラリー中の水の使用量は、急硬成分、石膏、酸性物質、及び必要に応じて凝結調整剤を含有する急硬材１００質量部に対して、４０〜２００質量部が好ましく、５０〜１００質量部が好ましい。４０重量部未満だと粘性が高すぎて圧送性が低下し、ポンプ圧送ができないおそれがあり、２００質量部を越えると急硬性セメントコンクリートの水セメント比が大きくなり、長期強度発現性が低下するおそれがある。
【００３２】
急硬材スラリーの使用量は、セメント１００質量部に対して、固形分換算で５〜３０質量部が好ましく、７〜２０質量部がより好ましい。５質量部未満だと硬化時間が長すぎて初期凝結が十分に得られず、強度発現性が低下するおそれがあり、３０質量部を越えると長期強度発現性が低下するおそれがある。
【００３３】
急硬材スラリーの調製方法としては特に制限はないが、予め急硬成分、石膏、酸性物質、及び凝結調整剤を混合したものを水と混合して急硬材スラリーとしてもよく、水、凝結調整剤、及び酸性物質を混合、溶解した後、急硬成分、石膏を混合して急硬材スラリーとしてもよい。
【００３４】
本発明では、急硬性セメントコンクリートの混合前の特性や凝結硬化後の強度特性等を改善するために、各々に減水剤、増粘剤、超微粉、及び繊維状物質からなる群より選ばれる一種又は二種以上の混和材料を使用してもよい。
【００３５】
本発明で使用するセメントコンクリートの水セメント比（Ｗ／Ｃ）は、３５〜６５％であり、４０〜６０％が好ましい。３５％未満だとセメントコンクリートの粘性が大きくなり、作業性や圧送性が低下するおそれがあり、６５％を越えると強度発現性に悪影響を与えるおそれがある。但し、ここでいう水には急硬材スラリー中の水を含まず、セメントには急硬材を含まない。
【００３６】
本発明で使用するセメントコンクリートの細骨材率（Ｓ／ａ）は、４０〜６５％が好ましく、４５〜６０％がより好ましい。４０％未満だとホースが詰まり、圧送性が悪くなり、急硬性セメントコンクリートを型枠に投入した後にジャンカ（コンクリート表面に骨材が浮き出ること）が出るおそれがあり、６５％を越えるとセメントコンクリートのＷ／Ｃが大きくなり、強度発現性が低下するおそれがある。
【００３７】
本発明で使用するセメントコンクリートは、粗骨材の最大寸法が１０〜２５ｍｍであることが好ましく、型枠内の充填性を考慮してスランプが１５〜２５ｃｍであることが好ましい。
【００３８】
本発明で使用するセメントコンクリートと急硬材スラリーは、ポンプで別々に圧送され、コンクリートホースの途中に設けた混合管から、急硬材スラリーを圧入、混合して急硬性セメントコンクリートとし、トンネル内に設けたトルネル型枠内に流し込んで充填混合されるものである。
【００３９】
混合管の混合機構としては特に限定はされないが、セメントコンクリートと急硬材を充分に混合できる性能があれば混合管内に邪魔板等を設けても構わないが、強制混合できる点で、混合管内に攪拌羽根を設けることが好ましい。
【００４０】
本発明の急硬性セメントコンクリートの硬化時間は、混合管で混合された時点から始まるが、硬化時間は２〜１２０分が好ましく、５〜６０分がより好ましい。２分未満だとホース内で閉塞し、トルネル型枠内に急硬性セメントコンクリートが充分に充填できないおそれがあり、１２０分を越えると圧縮強度発現性が低下し、型枠の脱枠が遅くなり、作業性が悪くなるおそれがある。
【００４１】
【実施例】
以下、実験例に基づき本発明を詳細に説明する。
【００４２】
実験例１
Ｗ／Ｃ＝４８％、Ｓ／ａ＝５２％、セメント３６０ｋｇ／ｍ3 とし、セメント１００質量部に対して減水剤１質量部を混合してコンクリートを調製した。
一方、急硬成分１００質量部、石膏１００質量部、及び、急硬成分と石膏の合計１００質量部に対して表１に示す量の酸性物質と凝結調整剤１０質量部からなる急硬材１００質量部と水７５質量部とを混合して急硬材スラリーを調製し、表１に示す時間練り置いた。
所定時間練り置いた急硬材スラリーを、セメント１００質量部に対して固形分換算で１０質量部となるように、コンクリートと急硬材スラリーを混合して急硬性コンクリートを調製し、この急硬性コンクリートについて試験実施温度３０℃で評価した。結果を表１に示す。
【００４３】
（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３３５０ｃｍ2 ／ｇ、比重３．１６
細骨材：新潟県青海産石灰砂、比重２．６４  ＦＭ＝２．８２
粗骨材：新潟県糸魚川市姫川産川砂利、比重２．６５、最大骨材寸法１５ｍｍ
減水剤：市販ポリカルボン酸系高分子化合物
急硬成分：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６０５０ｃｍ2 ／ｇ
石膏：市販無水セッコウの粉砕品、ブレーン値５９００ｃｍ2 ／ｇ
凝結調整剤：（炭酸カリウム：クエン酸ナトリウム）＝〔７：３（質量比）〕の混合物
酸性物質：市販硫酸アルミニウム
【００４４】
（測定方法）
硬化時間：急硬性コンクリートを調製後、コンクリート温度が１℃上昇した時点を硬化時間とした。
圧縮強度：φ５ｃｍ×１０ｃｍの型枠に急硬性コンクリートを充填し、所定材齢の圧縮強度を測定した。
【００４５】
【表１】
0004484301.tif 000002
【００４６】
実験例２
水の温度を表２に示す温度とし、急硬成分１００質量部、石膏１００質量部、及び、急硬成分と石膏の合計１００質量部に対して表２に示す量の酸性物質と凝結調整剤１０質量部からなる急硬材１００質量部と水７５質量部を混合して急硬材スラリーを調製し、２時間練り置いたこと以外は、実験例１と同様に行った。結果を表２に示す。
【００４７】
【表２】
0004484301.tif 000003
【００４８】
実験例３
急硬成分１００質量部、石膏１００質量部、及び、急硬成分と石膏の合計１００質量部に対して酸性物質３質量部と表３に示す量の凝結調整剤からなる急硬材１００質量部と水７５質量部を混合して急硬材スラリーを調製し、２時間練り置いたこと以外は、実験例１と同様に行った。結果を表３に示す。
【００４９】
【表３】
0004484301.tif 000004
【００５０】
実験例４
急硬成分１００質量部、石膏１００質量部、及び、急硬成分と石膏の合計１００質量部に対して酸性物質３質量部と凝結調整剤１０質量部からなる急硬材１００質量部と水７５質量部を混合して急硬材スラリーを調製し、２時間練り置いた後、急硬材スラリーを、セメント１００質量部に対して固形分換算で表４に示す量使用したこと以外は、実験例１と同様に行った。結果を表４に示す。
【００５１】
【表４】
0004484301.tif 000005
【００５２】
実験例５
急硬成分１００質量部、石膏１００質量部、及び、急硬成分と石膏の合計１００質量部に対して酸性物質３質量部と凝結調整剤１０質量部からなる急硬材１００質量部と表５に示す量の水を混合して急硬材スラリーを調製し、２時間練り置いたこと以外は、実験例１と同様に行った。結果を表５に示す。
【００５３】
（測定方法）
圧送性：急硬性コンクリートを２０ｍポンプ圧送したときの圧送状況を観察した。配管が詰まらない場合を○、詰まり気味の場合を△、配管が詰まってしまう場合を×とした。
【００５４】
【表５】
0004484301.tif 000006
【００５５】
実験例６
表６に示す量のＷ／Ｃにしてコンクリートを調製し、急硬成分１００質量部、石膏１００質量部、及び、急硬成分と石膏の合計１００質量部に対して酸性物質３質量部と凝結調整剤１０質量部からなる急硬材１００質量部と水７５質量部を混合して急硬材スラリーを調製し、２時間練り置いたこと以外は、実験例１と同様に行った。結果を表６に示す。
【００５６】
【表６】
0004484301.tif 000007
【００５７】
実験例７
表７に示すＳ／ａにしてコンクリートを調製し、急硬成分１００質量部、石膏１００質量部、及び、急硬成分と石膏の合計１００質量部に対して酸性物質３質量部と凝結調整剤１０質量部からなる急硬材１００質量部と水７５質量部を混合して急硬材スラリーを調製し、２時間練り置いたこと以外は、実験例１と同様に行った。結果を表７に示す。
【００５８】
（測定方法）
ジャンカの有無：急硬性コンクリートをトンネル型枠内に連続して流し込み、脱枠した後のコンクリート表面を観察した。表面にジャンカが見られない場合を○、ジャンカが少し見られる場合を△、ジャンカが多く見られた場合を×とした。
【００５９】
【表７】
0004484301.tif 000008
【００６０】
【発明の効果】
本発明の急硬材スラリーを使用することにより、初期強度発現性が良好で、温度変化による硬化時間の変化が緩やかで、流動性を保持できる急硬性セメントコンクリ−トが得られ、能率の良い場所打ちライニング工法が可能となる。そして、急硬材スラリーの練り置き時間が長くても硬化時間の変動がなく、圧縮強度低下も低下しない。従って、従来１日３サイクル行っていた施工現場では、１サイクル毎に急硬材スラリーを廃棄していたが、本発明の急硬材スラリーは次のサイクルにも使用できるので、作業性と経済性の向上が見込まれる。