(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セメント、細骨材、粗骨材、急結剤および分散剤を配合してなる高強度吹付けコンクリートにおいて、
前記セメントの単位量が４００〜６００ｋｇ／ｍ3、水の単位量が１７５〜２２０ｋｇ／ｍ3、前記細骨材の単位量が７００〜１２００ｋｇ／ｍ3、前記粗骨材の単位量が６００〜１１００ｋｇ／ｍ3であり、セメントとして下記のセメントを用い、前記急結剤として下記の急結剤を用い、且つ前記急結剤を前記セメントに対し、３．０〜４．５重量％の割合で添加することを特徴とする高強度吹付けコンクリート。
セメント：３ＣａＯ・ＳｉＯ2含有量が４５〜７５重量％、３ＣａＯ・Ａｌ2Ｏ3含有量が６〜１２重量％、硫酸アルカリをＮａ2Ｏ換算で０．４〜０．７重量％、残部が主として２ＣａＯ・ＳｉＯ2、４ＣａＯ・Ａｌ2Ｏ3・Ｆｅ2Ｏ3からなるクリンカー粉末に、不溶性無水石膏を３０％以上含む石膏をＳＯ3換算で２．５〜４．０重量％配合してなるブレーン比表面積が３２００〜４７００ｃｍ2／ｇであるセメント。
急結剤：次の（Ａ）および（Ｂ）成分を混合してなるセメント用急硬性促進剤
（Ａ）  １４００℃未満の温度で焼成され、ＣａＯが５３〜７０重量％、Ｎａ2Ｏが５〜２０重量％、Ａｌ2Ｏ3が２０〜４０重量％の化学組成を有し、８ＣａＯ・Ｎａ2Ｏ・３Ａｌ2Ｏ3を５０重量％以上含むＮａ2Ｏ−ＣａＯ−Ａｌ2Ｏ3系組成物：１００重量部
（Ｂ）  アルミン酸アルカリ、炭酸アルカリ、石灰、石膏および水酸化アルミニウムから選ばれる無機塩類：５０〜２００重量部
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高強度吹付けコンクリートに関するものであり、さらに詳しくは、実用上十分な流動性を有し、急結剤の添加量が少量であっても良好な急結性を示し、しかも高い初期強度および長期強度を有する高強度吹付けコンクリートに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
地山壁面やトンネルなどの施工面に、型枠を用いずにコンクリートを直接吹き付け、施工面を強化する吹付け工法は従来から幅広く行われている。
従来の吹付け工法としては、セメント、細骨材、粗骨材および急結剤をあらかじめ混合し、吹付けノズルに運搬し、吹付け直前にノズルに水を加える方法、すなわち乾式吹付け工法や、セメント、細骨材、粗骨材および水を混練して生コンクリートを製造した後、急結剤をノズル手前で添加する方法、いわゆる湿式吹付け工法等が知られている（例えば特開昭６１−９２２６３号公報など）。
【０００３】
従来の吹付けコンクリートは、コンクリート強度が材齢２８日で２５Ｎ／ｍｍ2程度であるので、例えば施工面が３車線の大断面トンネル等である場合は、吹付けコンクリート層を厚くする必要がある。このため大容量の吹付け装置の開発が必要であり、工期が長期化する恐れもある。また、当然トンネルの掘削量も吹付けコンクリート層の厚さの増大にともない増加し、残土の処理も問題となる。
【０００４】
したがって吹付けコンクリートの強度を高めれば、上記問題の解決が期待できる。
しかしながら、吹付けコンクリートを高強度にするためには、通常の普通ポルトランドセメントを用いた場合、水セメント比を低くする必要があり、これによりコンクリートの粘性が著しく高くなるという欠点がある。流動性が低くなることにより、例えば混合機までホンプ圧送が困難になる等、実用上問題がある。また、掘削された大断面の地山のゆるみを早期に抑えるために必要な初期強度が得られないという欠点もある。
【０００５】
これらの課題を解決するために、フライアッシュやシリカフューム等の微粉末混和材を普通ポルトランドセメントに添加してポンプ圧送性を改善する方法や、吹き付けたコンクリートが早期に強度発現する特殊な急結剤等が開発されてきている（日本道路公団資料：新しい高強度吹付けコンクリートの開発：平成９年１月）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、フライアッシュやシリカフュームは産業副産物であり、品種銘柄や生産時期によってアルカリ、強熱減量および湿分等の品質が安定せず、流動性増強効果にばらつきが生じる等の品質管理上の問題や、シリカフュームは国内および海外での産出量が少なく、さらに高価であることから利用上の制限が生じるなどの問題がある。
また、高強度化するために微粉末混和材の量がかなり多くなるため、通常の生コンクリート製造において用いられる練混ぜ方法では、コンクリートが十分に均一化されない欠点もある。また現場プラントで吹付けコンクリートを製造する場合においては、微粉末混和材の供給設備等を新たに増設する必要が生じるなど問題が多い。
【０００７】
吹付けコンクリートの初期強度の発現性を向上させる特殊な急結剤は、その性能を発揮させるためには添加量を多く必要とする。そのためポンプ圧送されてきたコンクリートと混合部で均一に混ざりきらずに吹き付けられる可能性があり、品質が偏在化する懸念や、急結剤の使用量が多いため急結剤タンクに材料を装填する頻度が多くなり作業の手間がかかることが予想される。このようなことから、均一な高強度吹付けコンクリートを大容量で連続的に吹き付けするには、従来の技術の方法では不向きである。
【０００８】
したがって本発明の目的は、実用上十分な流動性を有し、急結剤の添加量が少量であっても良好な急結性を示し、しかも高い初期強度および長期強度を有する高強度吹付けコンクリートを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、かかる実情に鑑み鋭意研究を行った結果、特定の組成を有するセメントと、特定の組成を有する急結剤とを組み合わせ、さらにセメント、水、細骨材および粗骨材の単位量をある範囲に特定することにより、上記の課題を解決する高強度吹付けコンクリートが得られることを見出し、本発明を完成することができた。
【００１０】
すなわち本発明は、セメント、細骨材、粗骨材、急結剤および分散剤を配合してなる高強度吹付けコンクリートにおいて、
前記セメントの単位量が４００〜６００ｋｇ／ｍ3、水の単位量が１７５〜２２０ｋｇ／ｍ3、前記細骨材の単位量が７００〜１２００ｋｇ／ｍ3、前記粗骨材の単位量が６００〜１１００ｋｇ／ｍ3であり、セメントとして下記のセメントを用い、前記急結剤として下記の急結剤を用い、且つ前記急結剤を前記セメントに対し、３．０〜４．５重量％の割合で添加することを特徴とする高強度吹付けコンクリートを提供するものである。
セメント：３ＣａＯ・ＳｉＯ2含有量が４５〜７５重量％、３ＣａＯ・Ａｌ2Ｏ3含有量が６〜１２重量％、硫酸アルカリをＮａ2Ｏ換算で０．４〜０．７重量％、残部が主として２ＣａＯ・ＳｉＯ2、４ＣａＯ・Ａｌ2Ｏ3・Ｆｅ2Ｏ3からなるクリンカー粉末に、不溶性無水石膏を３０％以上含む石膏をＳＯ3換算で２．５〜４．０重量％配合してなるブレーン比表面積が３２００〜４７００ｃｍ2／ｇであるセメント。
急結剤：次の（Ａ）および（Ｂ）成分を混合してなるセメント用急硬性促進剤
（Ａ）  １４００℃未満の温度で焼成され、ＣａＯが５３〜７０重量％、Ｎａ2Ｏが５〜２０重量％、Ａｌ2Ｏ3が２０〜４０重量％の化学組成を有し、８ＣａＯ・Ｎａ2Ｏ・３Ａｌ2Ｏ3を５０重量％以上含むＮａ2Ｏ−ＣａＯ−Ａｌ2Ｏ3系組成物：１００重量部
（Ｂ）  アルミン酸アルカリ、炭酸アルカリ、石灰、石膏および水酸化アルミニウムから選ばれる無機塩類：５０〜２００重量部
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をさらに詳細に説明する。
まず、本発明の高強度吹付けコンクリートに用いられるセメントについて説明する。
本発明で用いるセメントは、水セメント比（以下Ｗ／Ｃと略記する）が低くても高いコンクリートの流動性を得るために、セメントの構成材料の比率を上記の如く調節したものである。
一般に、流動性の高いコンクリートを得るためには、界面活性剤系の高性能減水剤、高性能ＡＥ減水剤やその他の分散剤を添加し、その静電反発力および吸着層の立体障害反発力によってセメント粒子を分散させる方法が用いられている。
しかしながら、これら分散剤等は、セメント構成化合物中の３ＣａＯ・Ａｌ2Ｏ3（以下Ｃ3Ａと略記する）および４ＣａＯ・Ａｌ2Ｏ3・Ｆｅ2Ｏ3（以下Ｃ4ＡＦと略記する）へ選択的かつ多量に吸着するため、これらを多量に含むセメントに用いても、低Ｗ／Ｃで高流動性を得るのは困難である。一方、市販の急結剤は一般的にアルカリ含有量がセメントよりも高く、このアルカリの影響によってＣ3Ａの水和による強度発現が低下する。この影響は、低Ｗ／Ｃのようにセメントや急結剤に対する水の比率が小さい場合に顕著になる。このため、セメント自体の急結性を高める必要がある。
本発明者らの検討の結果、分散剤の効果が低下せず、しかも水和による十分な強度発現が得られるＣ3Ａの含有率は、クリンカー粉末中６〜１２重量％であることが判った。Ｃ3Ａのクリンカー粉末中での含有率は、好ましくは６〜１０重量％であり、とくに好ましくは８〜１０重量％である。
【００１２】
また、３ＣａＯ・ＳｉＯ2（以下Ｃ3Ｓと略記する）にも、セメント自体の急結性を高める効果が期待されるため、そのクリンカー粉末中の含有率は、４５〜７５重量％であり、好ましくは５０〜７５重量％、とくに好ましくは６０〜７０重量％である。
【００１３】
本発明では、クリンカー粉末中に硫酸アルカリがＮａ2Ｏ換算で０.４〜０.７重量％含まれていなければならない。これは次の理由による。
Ｃ3ＡおよびＣ4ＡＦへの分散剤の選択的な吸着は、硫酸塩の影響を受け、セメントペーストの液相中にＳＯ42-イオンが存在すると、これと競争吸着を生じ、Ｃ3ＡおよびＣ4ＡＦへの分散剤の吸着が抑制される。したがって、適量の硫酸塩を添加することにより、Ｃ3ＡおよびＣ4ＡＦへの分散剤の吸着が抑制されるため、低Ｗ／Ｃでのコンクリートの高流動化が可能となる。
セメント中の硫酸塩には主として２種類あり、クリンカー中に存在するＮａ2ＳＯ4、Ｋ2ＳＯ4および３Ｋ2ＳＯ4・Ｎａ2ＳＯ4等の硫酸アルカリと、粉砕工程中で凝結調整用に添加する硫酸カルシウム（以下石膏と呼ぶ）とがあり、前者は接水直後に溶解してＳＯ42-を供給し、後者は比較的に溶解速度が遅い。そして、上記の硫酸アルカリは、コンクリート中の比較的溶解速度の大きいＣ3ＡやＣ4ＡＦと比較しても、なお溶解速度が大きく、セメントが接水した直後で十分に溶解・水和をしていない状態において分散剤との競争吸着を大きく支配する。すなわち、硫酸アルカリが少ないと、セメントペーストの液相中のＳＯ42-が少なく、Ｃ3ＡやＣ4ＡＦへの分散剤の吸着が多くなって流動性が低下する。一方、硫酸アルカリが多すぎると、セメントペーストの液相中のアルカリイオン濃度が高くなりすぎて、静電反発力が消失してしまうため流動性が低下する。したがって、高い流動性が確保できる硫酸アルカリ量には適当な範囲があり、ＡＳＴＭ  Ｃ−１１４に規定された水溶性アルカリで示すと、０.４〜０.７重量％（クリンカー粉末中、Ｎａ2Ｏ換算）となり、好ましくは０.４５〜０.６５重量％、特に好ましくは０.５〜０.６重量％である。
【００１４】
クリンカー粉末中の残部は、主として２Ｃａ０・ＳｉＯ2（以下、Ｃ2Ｓという）およびＣ4ＡＦである。
【００１５】
本発明では、上記クリンカー粉末に石膏を加える。石膏はクリンカー中のＣ3ＡおよびＣ4ＡＦと比較して溶解速度は小さく、接水直後の分散剤の吸着にはあまり寄与しないが、接水から１〜２分後のＣ3ＡおよびＣ4ＡＦの急激な水和反応を抑制し、Ｃ3ＡおよびＣ4ＡＦの水和反応生成物への分散剤の吸着を抑制する。添加する石膏は、その形態として無水塩、半水塩および二水塩からなるものが挙げられるが、不溶性無水石膏を３０重量％以上含む石膏を添加することが、高い流動性が得られる点で望ましい。一方、添加量が多すぎると、ＣａＳＯ4・２Ｈ2Ｏ水和物が析出し、セメント粒子が凝集して流動性が低下してしまう。そのため石膏の添加量としては、ＳＯ3換算で２.５〜４.０重量％、好ましくは２.６〜３.８重量％、特に好ましくは２.７〜３.５重量％とすることが高い流動性を得る点で望ましい。
【００１６】
また、本発明で使用されるセメントは、ブレーン比表面積が３２００〜４７００ｃｍ2／ｇ、好ましくは３９００〜４３００ｃｍ2／ｇであるのがよい。
ブレーン比表面積が３２００ｃｍ2／ｇ未満ではペーストの粘度が低くモルタルと粗骨材が材料分離し、逆に４７００ｃｍ2／ｇを超えるとペーストの粘度が著しく増大しコンクリートの流動性が低下し好ましくない。
【００１７】
本発明に用いる分散剤は、低いＷ／Ｃで塑性粘度が適度に大きい領域で、セメント粒子を分散させてセメントペーストの降伏値を小さくして、流動性を確保することにより、セメントペーストと細骨材またはモルタルと粗骨材の分離を防止しつつ、高流動性を確保する目的で使用するものである。その組成は、セメント粒子を分散させるものならば特に限定されるものではなく、例えば、市販の界面活性剤系の高性能減水剤や、空気巻き込み型の高性能ＡＥ減水剤等を使用することができる。
なお、強度発現性は高性能ＡＥ減水剤の種類によって異なり、変性リグニン、アルキルアリルスルホン酸塩と活性持続ポリマーからなるナフタレン系の方がポリカルボン酸系より材齢２８日までの強度に優れるため、早期に強度を発現させる場合は、ナフタレン系の高性能ＡＥ減水剤を使用するのが望ましい。
分散剤の配合割合は、セメントに対して０．０１〜３重量％、好ましくは０．１〜２重量％がよい。
【００１８】
本発明で用いる急結剤は、上記セメントを用いたコンクリートの凝結・硬化を著しく促進させ、しかも高い初期強度および長期強度発現が期待できるように急結剤の構成材料を上記の如く調整したものである。
急結剤はその主成分で分類すると、アルミン酸アルカリ塩、炭酸アルカリ塩等を主成分とする無機塩系のものと、天然鉱物を主原料とする鉱物系に分類される。鉱物系のものは、一般に主成分であるカルシウムアルミネート（ＣａＯ−Ａｌ2Ｏ3）によって、エトリンガイトの急激な発生と、セメント中のＣ3Ｓ、Ｃ2Ｓの水和を促進することによって急結性を得る。成分として石膏を含まないものは、カルシウムアルミネート系急結剤であり、石膏成分を含むものはカルシウムサルホアルミネート系急剤として区分され、後者のほうが一般的に長期強度発現性に優れている。
一般に、普通セメントを用いて低Ｗ／Ｃとしたコンクリートの凝結・硬化を促進させて高強度吹付けコンクリートを得ようとした場合、急結剤としては、カルシウムサルホアルミネート系急結剤が推奨されている。この理由は、初期および長期において高い強度を得るためであるが、カルシウムサルホアルミネート系急結剤の場合、初期強度を高めるためにはＡｌ2Ｏ3成分の働きを高めるために多量に使用せざるを得なくなる。したがって、従来の高強度吹付けコンクリートの処方では、急結剤の添加量を少なくすることは困難である。
一方、本発明で用いる急結剤は、ＣａＯが５３〜７０重量％、Ｎａ2Ｏが５〜２０重量％、Ａｌ2Ｏ3が２０〜４０重量％の化学組成を有し、８ＣａＯ・Ｎａ2Ｏ・３Ａｌ2Ｏ3（以下Ｃ8ＮＡ3という）を５０重量％以上含むＮａ2Ｏ−ＣａＯ−Ａｌ2Ｏ3系組成物と、アルミン酸アルカリ、炭酸アルカリ、石灰、石膏および水酸化アルミニウムから選ばれる無機塩類を混合してなるもので、前記組成物１００重量部に対し、無機塩類を５０〜２００重量部が添加される。この本発明で用いる急結剤は、カルシウムアルミネート系急結剤に属し、すでに知られているものである（特開平９−８６９８７号公報）。
本発明においては、セメントを特定の組成にしてセメント自体に高い急結性を持たせ、また特定の急結剤をそこに添加することで、両者の相乗効果が発揮され、急結剤の添加が少量であっても高い初期強度と長期強度発現性が得られることが判った。ここに本発明の一つの特徴がある。
本発明で用いる急結剤の添加量は、セメント自体がもつ高い急結性を促進させつつ長期強度の発現を阻害させない適当な範囲であり、コンクリート中のセメント重量に対して３．０〜４．５重量％である。
【００１９】
さらに本発明においては、セメント、水、細骨材および粗骨材の単位量をある範囲に特定することが必要である。すなわち、セメントの単位量が４００〜６００ｋｇ／ｍ3、水の単位量が１７５〜２２０ｋｇ／ｍ3、細骨材の単位量が７００〜１２００ｋｇ／ｍ3、粗骨材の単位量が６００〜１１００ｋｇ／ｍ3である。
上記範囲により、本発明の効果が一層高まる。
【００２０】
上記のように本発明では、特定の組成を有するセメントと、特定の組成を有する急結剤とを組み合わせ、さらにセメント、水、細骨材および粗骨材の単位量をある範囲に特定するしたため、実用上十分な流動性を有し、急結剤の添加量が少量であっても良好な急結性を示し、しかも高い初期強度および長期強度を有する高強度吹付けコンクリートを提供することができる。
【００２１】
【実施例】
以下本発明を実施例および比較例によりさらに説明するが、本発明は、これらの例に限定されるものではない。
【００２２】
（各種セメントの調製）
クリンカーの構成化合物が異なる６種類のセメントを試製し、それぞれのセメントについてＪＩＳ  Ｒ５２０１に準じたフロー試験を実施した。各セメントの構成化合物の割合とフロー値の試験結果を表１に示す。
表１中、本発明に必要な組成を有するセメントはＰ−１である。
【００２３】
【表１】
0003991242.tif 000002
【００２４】
（実施例１〜２）
セメントとしては、上記で調製したＰ−１を用いた。
急結剤としては、カルシウムアルミネート系急結剤（カルシウムアルミネート系、商品名Ｔ−ＲＯＣＫ、（株）小野田製）を用いた。この急結剤の組成を表２に示す。
【００２５】
【表２】
0003991242.tif 000003
【００２６】
下記表３で示すベースコンクリートおよび急結剤の配合により、吹付けコンクリートを調製し、その初期強度および長期強度を測定した。なお、吹付けの際のコンクリートの温度を、約２０℃または約３０℃になるようにした。
得られた結果を表４に示す。
吹付けコンクリートの材齢１日（２４ｈ）までの初期強度は、土木学会基準ＪＳＣＥ−Ｇ５６１に準じてプルアウト試験により行い、材齢７および２８日強度は、作製したコンクリートパネルよりコア供試体（φ４５ｍｍ、長さ９０ｍｍ）を切り出して圧縮強度試験を行った。吹付けコンクリートの供試体の作り方およびコアの切り出し方法は、ＪＳＣＥ−Ｆ５６１およびＪＩＳ  Ａ１１０７に準じた。
【００２７】
また、細骨材としては陸砂、比重２.６４、粗粒率２.６９を用い、粗骨材としては６号砕石、比重２.６６を用い、分散剤としてはポリカルボン酸系高性能ＡＥ減水剤を用いた。
【００２８】
（比較例１〜２）
セメントとして市販の普通ポルトランドセメントを用い、急結剤としてカルシウムアルミネート系急結剤またはカルシウムサルホアルミネート系急結剤を用いた従来の高強度吹付けコンクリートを使用して、実施例の結果と比較した。なお、比較例に用いた試験データは、平成９年１月に日本道路公団によって公表された資料「新しい高強度吹付けコンクリート開発」から抜粋した。
コンクリートの配合組成および結果をそれぞれ表３および表４に示す。
なお、比較例で用いた細骨材は砕砂、比重２.６８であり、粗骨材は砂利（最大寸法８ｍｍ）、比重２.６１であり、分散剤はカルボン酸系高分子化合物であり、急結剤はカルシウムアルミネート系、商品名デンカナトミックＴype−５または、カルシウムサルホアルミネート系、商品名デンカナトミックＴype−１０（いずれも電気化学工業（株））である。
【００２９】
【表３】
0003991242.tif 000004
【００３０】
【表４】
0003991242.tif 000005
【００３１】
表３より、実施例１および２は、コンクリート温度が２０℃前後の通常期から３０℃前後の暑中期のいずれにおいても、比較例よりも少ない急結剤添加量で施工面に吹き付けが可能であり、また、表４より、高強度吹付けコンクリートの設計基準強度を十分満足する高い初期強度と長期強度が得られている。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、特定の組成を有するセメントと、特定の組成を有する急結剤とを組み合わせ、さらにセメント、水、細骨材および粗骨材の単位量をある範囲に特定したため、実用上十分な流動性を有し、急結剤の添加量が少量であっても良好な急結性を示し、しかも高い初期強度および長期強度を有する高強度吹付けコンクリートを提供することができる。