(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
CaOが40〜50重量％、Al２O３が40〜50重量％、及びSiO２が10〜20重量％であるアルミノケイ酸カルシウムガラスと、硫酸アルミニウムとを有効成分とする急結材。
【請求項２】
アルカリ金属成分の総量が酸化ナトリウム(Na2O)換算で0.05重量％以下である請求項１記載の急結材。
【請求項３】
セメントと、請求項１又は請求項２記載の急結材とを有効成分とする吹付材。
【請求項４】
セメントと、CaOが40〜50重量％、Al２O３が40〜50重量％、及びSiO２が10〜20重量％であるアルミノケイ酸カルシウムガラスと、硫酸アルミニウムとを有効成分とする急結材とを有効成分とする吹付材。
【請求項５】
請求項３又は請求項４記載の吹付材を含有してなる吹付コンクリート。
【請求項６】
請求項３又は請求項４記載の吹付材を使用することを特徴とするセメントコンクリートの吹付工法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、急結材、吹付材、及びそれを使用した吹付工法、特に、トンネルや立坑などの天井や壁部分に吹付けるセメントコンクリートの付着性や急結性を高める急結材、吹付材、及びそれを使用したセメントコンクリートの吹付工法に関する。
なお、本発明でいうセメントコンクリートとは、セメントペースト、モルタル、及びコンクリートを総称するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
従来より、トンネルの掘削時、掘削面にコンクリートを吹付けライニングし、掘削面の落盤や湧水による崩壊を防ぐ方法が一般に実施されている。
そして、通常、このようなコンクリートには、急結性を付与するために、急結材を添加している。
【０００３】
一般に、トンネル工事では一次吹付けを行い、さらに二次覆工する工法が取られることが多かったが、一次吹付けだけで完了するシングルシェル方式が広く採用される傾向にある。
セメントコンクリートの吹付方法は、大別すると、乾式と湿式の二工法に別れる。
乾式吹付工法とは、空練りしたセメント、骨材、及び急結材の混合物を圧搾空気で輸送し、その途中で水を添加混合して、ノズルから施工面に吹付ける工法であり、湿式吹付工法とは、水で混練したコンクリートを輸送し、その途中で急結材を添加混合し、ノズルより吹付ける工法である。
【０００４】
吹付工法で使用される急結材としては、カルシウムアルミネートとアルカリ金属の炭酸塩やアルミン酸塩からなる組成物、仮焼明ばん石、石灰、及びアルカリ金属炭酸塩からなる組成物、並びに、アルカリ金属の炭酸塩とアルミン酸塩からなる組成物等が提案されている（特公昭56− 27457号公報や特開昭60−260452号公報など）。
これらの急結材は、通常、急激な凝結を得るために水酸化物、炭酸塩、ケイ酸塩、及びアルミン酸塩等の形でナトリウムやカリウムなどのアルカリ金属成分を含むものである。
これらのアルカリ金属成分は強アルカリ性であるため、セメントコンクリートの中に含まれると使用する骨材によってはアルカリ骨材反応を引き起こす場合があり、コンクリート構造物に悪影響を与えることが以前から指摘されている。
また、これら強アルカリ性の物質は、水に溶解し、作業者の肌に直接触れると強い薬傷を起こす性質があり、掘削現場の作業環境を著しく悪化させ、さらに土壌水に溶解して周辺の環境汚染を招く等の課題があった。
【０００５】
この課題を解消する対策としてアルカリ金属成分の少ない、あるいは、ほとんど含まない吹付け用の急結材として、アルミン酸カルシウム、スルホアルミン酸カルシウム、及び塩基性アルミニウム塩等からなる凝結促進剤が提案されている（特開平 8− 48553号公報）。
しかし、これらの急結材は急結性が充分でなく、吹付けたセメントコンクリートの跳ね返り、即ち、リバウンドが多く、材料の損失が多く、粉塵も発生しやすいという課題があった。
【０００６】
本発明者は、前記課題を解決するために鋭意検討した結果、特定の急結材を使用することにより、作業環境や周辺の環境を悪化することなく優れた付着特性と急結性とを発現する吹付けコンクリートが得られるという知見を得て本発明を完成するに至った。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、CaOが40〜50重量％、Al２O３が40〜50重量％、及びSiO２が10〜20重量％であるアルミノケイ酸カルシウムガラスと硫酸アルミニウムとを有効成分とする急結材であり、アルカリ金属成分の総量が酸化ナトリウム(Na2O)換算で0.05重量％以下である該急結材であり、セメントと該急結材とを有効成分とする吹付材であり、該吹付材を含有してなる吹付コンクリートであり、該吹付材を使用することを特徴とするセメントコンクリートの吹付工法である。
【０００８】
以下、本発明を詳しく説明する。
【０００９】
本発明で使用するアルミノケイ酸カルシウムガラス（以下ＣＡＳガラスという）は急結性付与のために必要であり、通常、CaO 原料、Al2O3 原料、及びSiO2原料を使用し、電気炉等により、例えば、1,200〜1,700℃程度の高温で生成した溶融物を急冷してガラス化したものである。
CaO 原料としては、生石灰、消石灰、石灰石、及び炭酸カルシウム等が、Al2O3 原料としては、アルミナ、ボーキサイト、ダイアスボア、長石、及び粘土等が、並びに、SiO2原料としては、ケイ砂、白土、ケイ藻土、及び酸化ケイ素等が使用可能であるが、アルカリ金属成分の少ない炭酸カルシウム、アルミナ、及び酸化ケイ素等の使用が好ましい。
ＣＡＳガラスの組成は、CaO が40〜50重量％、Al2O3 が40〜50重量％、及びSiO2が10〜20重量％であることが好ましい。CaO やAl2O3 がこの範囲外では良好な急結性が得られない場合があり、SiO2が10重量％未満では長期的な強度の伸びがなく、また、20重量％を越えると初期強度が低い場合がある。
本発明でいうガラスとは、通常ガラス分野で言われる「ガラス転移点を示すもの」であり、全てがガラスである必要はなく、その程度を示すガラス化率が60％以上であれば良い。
ガラス化率の測定方法としては、試料を1,000 ℃で２時間加熱後、５℃／分の冷却速度で徐冷し、粉末Ｘ線回折法により結晶鉱物のメインピークの面積Soを求め、このSoと試料中の結晶のメインピーク面積Ｓから、ガラス化率＝（１−Ｓ／So）×100 の式を使用してガラス化率を求める方法が可能である。
本発明のＣＡＳガラスの粒度は特に限定されるものでないが、ブレーン値で3,000 〜9,000cm2/g程度が好ましい。
【００１０】
本発明で使用する硫酸アルミニウムは急結性向上のために必要なもので、一般に市販されている硫酸アルミニウムが使用可能であり、通常含まれる不純物には影響されない。また、硫酸アルミニウムには無水塩や結晶水を含むものがあるが、いずれもそのまま使用可能であり、結晶水の多少により限定を受けるものではない。
硫酸アルミニウムの粒度は特に限定されるものではないが、ブレーン値で3,000 〜9,000cm2/g程度が好ましい。
硫酸アルミニウムの使用量は、ＣＡＳガラス100 重量部に対して、20〜50重量部が好ましく、30〜40重量部がより好ましい。硫酸アルミニウムの使用量がこの範囲外では良好な急結性が得られない場合がある。
【００１１】
本発明の急結材は、ＣＡＳガラスと硫酸アルミニウムとを有効成分とするもので、含有するアルカリ金属成分はナトリウムやカリウムなどであり、その総量は酸化ナトリウム(Na2O)換算で0.05重量％以下が好ましい。
急結材の粒度は、使用する目的や使用方法に依存するため、特に限定されるものではないが、通常、ブレーン値で3,000 〜9,000cm2/gが好ましい。3,000cm2未満では急結性が悪化する場合があり、9,000cm2/gを越えてもさらなる効果は期待できない。
急結材の使用量は、セメントと急結材からなる吹付材100 重量部中、３〜15重量部が好ましく、４〜10重量部がより好ましい。３重量部未満では吹付材の急結性が充分でなく、15重量部を越えて使用してもさらなる効果は得られない。
【００１２】
ここで、本発明で使用するセメントは特に限定されるものではなく、通常使用されている普通、早強、超早強、及び中庸熱等の各種ポルトランドセメントや、これらポルトランドセメントに高炉スラグ又はフライアッシュ等を混合した各種混合セメント、さらに、ポルトランドセメントに膨張材を混合した膨張セメント、アルミナセメント、白色セメント、及びコロイドセメント等の特殊セメント等が挙げられる。
【００１３】
本発明の急結材や吹付材にはその他、各種の添加剤を併用することが可能である。
例えば、凝結調整剤、ケイ砂、天然砂、及び砂利等の骨材、ガラス繊維、カーボン繊維、及び鋼繊維等の繊維質物質、高分子ポリマーエマルジョン（ラテックス）、着色剤（顔料）、ＡＥ剤、減水剤、ＡＥ減水剤、流動化剤、防錆剤、メチルセルロースなどの水中不分離性混和剤、増粘剤、保水剤、塩化カルシウムやケイ酸ナトリウムなどの防水剤、発泡剤、起泡剤、水酸化カルシウムなどのカルシウム含有化合物、並びに、防凍剤等の中の一種又は二種以上を、本発明の目的を阻害しない範囲で併用することが可能である。
【００１４】
本発明の急結材や吹付材を製造する際は、例えば、傾胴ミキサー、オムニミキサー、Ｖ型ミキサー、ヘンシェルミキサー、及びナウターミキサー等の既存の混合、撹拌装置の使用が可能でる。
また、混合はそれぞれの材料を施工時に混合しても良いし、あらかじめ一部もしくは全部を混合しておいても差し支えない。
さらに、養生方法も特に限定されるものではなく、一般に行われている養生方法が適用可能である。
【００１５】
本発明の吹付材の吹付施工に際しては乾式吹付工法、湿式吹付工法いずれの工法も利用可能である。
【００１６】
【実施例】
以下、実施例にて本発明を詳細に説明する。なお、実施例中の％はいずれも重量基準である。
【００１７】
実施例１
CaO 原料、Al2O3 原料、及びSiO2原料を混合し、1,600 ℃の電気炉で溶融した溶融物を高圧空気法で急冷し、さらに粉砕して、ブレーン値5,000 ±200cm2/gの表１に示すＣＡＳガラスを調製した。
調製したＣＡＳガラス100 重量部と硫酸アルミニウムα35重量部とを混合して急結材とし、この急結材中のアルカリ金属成分の分析を実施したところ、アルカリ金属成分の総量であるNa2O eq.は0.05％以下であった。
セメントＡと急結材からなる吹付材100 重量部中、この急結材７重量部をセメントと混合して吹付材を製造した。
製造した吹付材700g、細骨材2,100gを配合して、小型卓上モルタルミキサーを使用し、低速で30秒間空練りし、その後、水350gを添加して高速で10秒間混練してセメントモルタルとし、その凝結特性をプロクター貫入抵抗値で評価した。結果を表２に示す。
なお、比較のため、本発明の急結材の代わりに、市販の急結材を使用して同様に行った。結果を表２に併記する。
【００１８】
＜使用材料＞
CaO 原料  ：炭酸カルシウム、１級試薬
Al2O3 原料：酸化アルミニウム、１級試薬
SiO2原料  ：酸化ケイ素、１級試薬
硫酸アルミニウムα：無水物、１級試薬、Na2O eq. 0.04 ％
市販の急結材：主成分カルシウムアルミネート、Na2O eq. 15.8 ％
セメントＡ：普通ポルトランドセメント、ブレーン値3,300cm2/g、Na2O eq. 0.4  8 ％
細骨材    ：新潟県姫川産川砂、比重2.62
水        ：水道水
【００１９】
＜測定方法＞
アルカリ金属分析：原子吸光分析使用、ナトリウム以外のアルカリ金属成分もNa
2Oに換算して積算し、Na2O eq.として示す
プロクター貫入抵抗：20℃の恒温室内で、混練後、直ちに型枠に二層に分け、モルタルを突き棒で突きながら素早く詰め、注水後から所定の時間ごとに、ASTM
C 403-65 T に準じて針頭面積１／40in2 の針を使用して実施
【００２０】
【表１】
0003979685.tif 000002
【００２１】
【表２】
0003979685.tif 000003
【００２２】
実施例２
ＣＡＳガラスｇと硫酸アルミニウムβとを使用して実施例１と同様に急結材を調製した。調製した急結材中のNa2O eq.は0.04％であった。
この急結材を使用したこと以外は実施例１と同様に行った。結果を表３に示す。
なお、比較のため硫酸アルミニウムの代わりにセッコウを使用して同様に試験をした。結果を表３に併記する。
【００２３】
＜使用材料＞
硫酸アルミニウムβ：14〜18水塩、１級試薬、Na2O eq. 0.04 ％
セッコウ：II型無水セッコウ、ブレーン値5,900cm2/g
【００２４】
【表３】
0003979685.tif 000004
【００２５】
実施例３
ＣＡＳガラスｇと表４に示す硫酸アルミニウムαとを使用して実施例１と同様に急結材を調製した。調製した急結材中のNa2O eq.は0.04％であった。
この急結材を使用したこと以外は実施例１と同様に行った。結果を表４に併記する。
【００２６】
【表４】
0003979685.tif 000005
【００２７】
実施例４
ＣＡＳガラスｇと硫酸アルミニウムαとを使用して実施例１と同様に急結材を調製した。調製した急結材中のNa2O eq.は0.04％であった。
この急結材と表５に示すセメントとを使用したこと以外は実施例１と同様に行った。結果を表５に併記する。
【００２８】
＜使用材料＞
セメントＢ：中庸熱ポルトランドセメント、ブレーン値3,100cm2/g、Na2O eq. 0  .46 ％
セメントＣ：早強ポルトランドセメント、ブレーン値4,400cm2/g、Na2O eq. 0.4  3 ％
【００２９】
【表５】
0003979685.tif 000006
【００３０】
実施例５
ＣＡＳガラスｇと硫酸アルミニウムαとを使用して実施例１と同様に急結材を調製した。調製した急結材中のNa2O eq.は0.04％であった。
この急結材を、吹付材100 重量部中、表６に示す重量部使用したこと以外は実施例１と同様に行った。結果を表６に併記する。
【００３１】
【表６】
0003979685.tif 000007
【００３２】
実施例６
吹付材100 重量部中、表７に示すNa2O eq.が0.05％以下である急結材を７重量部とし、各材料の単位量を、セメントＡ360kg/m3、細骨材1,130kg/m3、粗骨材756kg/m3、及び水162kg/m3とし、最大骨材寸法10mm、細骨材率60％のコンクリート配合で製造したコンクリートを、乾式吹付機と湿式吹付機とを用いて、高さ3.5 ｍ、幅３ｍの模擬トンネルで吹付け、トンネル内に落下したコンクリートの跳ね返り量をリバウンド率として測定した。結果を表７に併記する。
【００３３】
＜使用材料＞
粗骨材    ：新潟県姫川産川砂利、比重2.66
【００３４】
＜測定方法＞
リバウンド率：吹付けに使用した材料の量と、吹付けしたときに付着しないで落
下したコンクリートの跳ね返り量との比
【００３５】
【表７】
0003979685.tif 000008
【００３６】
【発明の効果】
本発明の急結材はアルカリ金属成分がほとんどないため作業環境や周囲の環境への悪影響がなく、しかも優れた急結特性を有する。