(57)【要約】      （修正有）【課題】温度環境に依存せず、ゲル化までの時間を５分以内に調整することができ、施工性に支障を及ぼすことない２液タイプのセメント系注入材の提供。【解決手段】化学成分としてＳｉＯ２とＭｇＯを含有してなるカルシウムアルミネートであって、Ａｌ２Ｏ３とＭｇＯの含有モル比（Ａｌ２Ｏ３／ＭｇＯ）が１７〜６０、かつＳｉＯ２とＭｇＯの含有モル比（ＳｉＯ２／ＭｇＯ）が２．０〜７．５であるカルシウムアルミネートを含有する注入材。さらに石膏、アルカリ金属の炭酸塩、アルミン酸ナトリウム、及び凝結遅延剤を含有する注入材。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学成分としてＳｉＯ２とＭｇＯを含有してなるカルシウムアルミネートであって、Ａｌ２Ｏ３とＭｇＯの含有モル比（Ａｌ２Ｏ３／ＭｇＯ）が１７〜６０、かつＳｉＯ２とＭｇＯの含有モル比（ＳｉＯ２／ＭｇＯ）が２．０〜７．５であるカルシウムアルミネートを含有する注入材。
【請求項２】
さらに石膏、アルカリ金属の炭酸塩、アルミン酸ナトリウム、及び凝結遅延剤を含有する請求項１記載の注入材。
【請求項３】
化学成分としてＳｉＯ２とＭｇＯを含有してなるカルシウムアルミネートであって、Ａｌ２Ｏ３とＭｇＯの含有モル比（Ａｌ２Ｏ３／ＭｇＯ）が１７〜６０、かつＳｉＯ２とＭｇＯの含有モル比（ＳｉＯ２／ＭｇＯ）が２．０〜７．５であるカルシウムアルミネート、石膏、アルカリ金属の炭酸塩、アルミン酸ナトリウム、凝結遅延剤および水を含有する急硬材スラリーと、セメントおよび水を含有するセメントスラリーとを有することを特徴とする２液タイプの注入材。
【請求項４】
急硬材スラリーとセメントスラリーを混合した時点からゲル化するまでの時間が５分以内である請求項３記載の２液タイプの注入材。
【請求項５】
化学成分としてＳｉＯ２とＭｇＯを含有してなるカルシウムアルミネートであって、Ａｌ２Ｏ３とＭｇＯの含有モル比（Ａｌ２Ｏ３／ＭｇＯ）が１７〜６０、かつＳｉＯ２とＭｇＯの含有モル比（ＳｉＯ２／ＭｇＯ）が２．０〜７．５であるカルシウムアルミネート、石膏、アルカリ金属の炭酸塩、アルミン酸ナトリウム、凝結遅延剤および水を含有する急硬材スラリーと、セメントおよび水を含有するセメントスラリーとを混合し、施工箇所に注入することを特徴とする注入工法。
【請求項６】
急硬材スラリーとセメントスラリーを混合した時点からゲル化するまでの時間が５分以内である請求項５記載の注入工法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネル覆工コンクリートの劣化箇所の裏込め充填、湧水箇所における止水対策や地盤改良などに用いられる注入材に関する。
【背景技術】
【０００２】
水硬性物質を主成分とするセメントスラリーを短時間にゲル化をさせるために急硬成分を配合した注入材が知られている。これらの注入材には、注入材がゲル状態になるまでの時間、すなわちゲル化時間を調整し、また急硬成分を含むスラリーの可使時間を十分確保するため、凝結遅延剤を添加することが知られている。例えば、特許文献１においては、凝結遅延剤あるいは急硬促進剤を急硬成分に加えてスラリー状としたものに、別にセメントを主成分としたスラリーを施工前に混合して注入することでゲル化時間を任意に調整できる２液タイプのセメント系注入材が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１３７７４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、セメントや急硬成分を含む注入材は温度環境に影響されやすい。例えば低温環境下ではゲル化までの時間が遅延傾向となり、ゲル化時間を確保するために凝結遅延剤を低配合とすることにより、急硬材を含むスラリー（急硬材スラリー）の可使時間が極端に短縮する課題がある。ここでの可使時間とは、混合前の急硬材スラリーが単独で流動性が失われるまでの時間を表す。
一方、高温環境下ではゲル化時間は短縮することが可能であるが、急硬材スラリーの可使時間を確保するために、凝結遅延剤を多く配合することによって、急硬材スラリーの粘性が高くなり、セメントスラリーとの混合が困難となる課題がある。
しかし、特許文献１に関しては、温度環境によるゲル化時間の影響についての記載がされていない。また、急硬材の化学成分とゲル化時間、スラリーの可使時間についての示唆もみられない。
従って、２液タイプのセメント系注入材であって、温度環境に依存することなく、急硬材スラリーとセメントスラリーを混合してから、ゲル化時間が５分以内であり、急硬材スラリーの可使時間を確保できる注入材が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
そこで、本発明者は、注入材の主成分であるカルシウムアルミネート中の化学成分に着目し鋭意検討を実施した結果、特定の成分の含有モル比を一定の範囲に調整することによって、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成した。
【０００６】
すなわち、本発明は、次の〔１〕〜〔６〕を提供するものである。
【０００７】
〔１〕化学成分としてＳｉＯ２とＭｇＯを含有してなるカルシウムアルミネートであって、Ａｌ２Ｏ３とＭｇＯの含有モル比（Ａｌ２Ｏ３／ＭｇＯ）が１７〜６０、かつＳｉＯ２とＭｇＯの含有モル比（ＳｉＯ２／ＭｇＯ）が２．０〜７．５であるカルシウムアルミネートを含有する注入材。
〔２〕さらに石膏、アルカリ金属の炭酸塩、アルミン酸ナトリウム、及び凝結遅延剤を含有する〔１〕に記載の注入材。
〔３〕化学成分としてＳｉＯ２とＭｇＯを含有してなるカルシウムアルミネートであって、Ａｌ２Ｏ３とＭｇＯの含有モル比（Ａｌ２Ｏ３／ＭｇＯ）が１７〜６０、かつＳｉＯ２とＭｇＯの含有モル比（ＳｉＯ２／ＭｇＯ）が２．０〜７．５であるカルシウムアルミネート、石膏、アルカリ金属の炭酸塩、アルミン酸ナトリウム、凝結遅延剤および水を含有する急硬材スラリーと、セメントおよび水を含有するセメントスラリーとを有することを特徴とする２液タイプの注入材。
〔４〕急硬材スラリーとセメントスラリーを混合した時点からゲル化するまでの時間が５分以内である〔３〕に記載の２液タイプの注入材。
〔５〕化学成分としてＳｉＯ２とＭｇＯを含有してなるカルシウムアルミネートであって、Ａｌ２Ｏ３とＭｇＯの含有モル比（Ａｌ２Ｏ３／ＭｇＯ）が１７〜６０、かつＳｉＯ２とＭｇＯの含有モル比（ＳｉＯ２／ＭｇＯ）が２．０〜７．５であるカルシウムアルミネート、石膏、アルカリ金属の炭酸塩、アルミン酸ナトリウム、凝結遅延剤および水を含有する急硬材スラリーと、セメントおよび水を含有するセメントスラリーとを混合し、施工箇所に注入することを特徴とする注入工法。
〔６〕急硬材スラリーとセメントスラリーを混合した時点からゲル化するまでの時間が５分以内である〔５〕に記載の注入工法。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のカルシウムアルミネートを含有する注入材を用いることによって、温度環境に影響されることなく、急硬材スラリーとセメントスラリーを混合した時点からゲル化までの時間を５分以内にすることができ、かつ急硬材スラリーの可使時間として２００分以上を確保できる。そのため、本発明による注入材は、例えばトンネル覆工コンクリートの劣化箇所の裏込め充填、湧水箇所における止水対策や地盤改良などに適用できる。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明で使用するカルシウムアルミネートはＣａＯとＡｌ２Ｏ３を主要含有化学成分とする化合物、固溶体、ガラス質もしくはこれらが混合したものであって、ＣａＯとＡｌ２Ｏ３以外の化学成分として、ＭｇＯとＳｉＯ２を含有するものである。またカルシウムアルミネートは高い急硬性を得やすくするため、ガラス化率が高いものが好ましく、より好ましくは非晶質カルシウムアルミネートである。
【００１０】
ＭｇＯの含有量に関してはＡｌ２Ｏ３とＭｇＯの含有モル比（Ａｌ２Ｏ３／ＭｇＯ）が１７〜６０である。（Ａｌ２Ｏ３／ＭｇＯ）が１７未満では水和活性が低いＭｇＯ量が増加することによって、水和反応に寄与するＡｌ２Ｏ３の含有量が低下することでゲル化するまでの時間が遅延するため好ましくない。また（Ａｌ２Ｏ３／ＭｇＯ）が６０を超える場合では、Ａｌ２Ｏ３の含有量が過剰となってしまうため、急硬材スラリーの可使時間が短縮するため、好ましくない。（Ａｌ２Ｏ３／ＭｇＯ）の下限値としては、１８がより好ましく、１９がさらに好ましい。（Ａｌ２Ｏ３／ＭｇＯ）の上限値としては、４０がより好ましく、３０がさらに好ましい。（Ａｌ２Ｏ／ＭｇＯ）の好ましい範囲は１８〜４０であり、より好ましい範囲は１９〜３０である。
【００１１】
ＳｉＯ２の含有量に関しては、ＳｉＯ２とＭｇＯの含有モル比（ＳｉＯ２／ＭｇＯ）が２．０〜７．５である。（ＳｉＯ２／ＭｇＯ）が２．０未満では、ＭｇＯの含有量が増加することでゲル化までの時間が遅延するため、好ましくない。また（ＳｉＯ２／ＭｇＯ）が７．５を超えた場合では、急硬材スラリーの可使時間が短縮するため、好ましくない。（ＳｉＯ２／ＭｇＯ）の下限値としては、２．５がより好ましく、３．０がさらに好ましい。（ＳｉＯ２／ＭｇＯ）の上限値としては、６．０がより好ましく、５．０がさらに好ましい。（ＳｉＯ２／ＭｇＯ）の好ましい範囲は２．５〜６．０であり、より好ましくは３．０〜５．０である。
【００１２】
また、本発明に用いられるカルシウムアルミネートのＣａＯとＭｇＯの含有モル比（ＣａＯ／ＭｇＯ）は、ゲル化までの時間と急硬材スラリーの可使時間を確保する点から、４５〜７５が好ましく、５０〜７５がより好ましく、５２〜７２がさらに好ましい。
【００１３】
本発明の注入材に用いられるカルシウムアルミネートは、含有化学成分のうちＣａＯとＡｌ２Ｏ３の含有モル比（ＣａＯ／Ａｌ２Ｏ３）は特に限定されないが、短時間のゲルタイムが確保できる点から１．７〜２．５であることが好ましい。
【００１４】
本発明の注入材の急硬材成分としては、前記カルシウムアルミネート以外に石膏、アルカリ金属の炭酸塩、アルミン酸ナトリウム及び凝結遅延剤を含有するのが、初期強度発現性、ゲル化までの時間の調整、急硬材スラリーの可使時間を確保する点で好ましい。
【００１５】
本発明で使用する石膏は、天然石膏および化学石膏を含むものである。例えば、無水石膏、半水石膏、２水石膏などの天然石膏のほか、化学石膏などがある。石膏類は初期強度の増進作用を付与するものであり、好ましくは無水石膏を使用し、より好ましくは比表面積として，５０００ｃｍ２／ｇ以上がよい。使用量としては、カルシウムアルミネート１００質量部に対して、好ましくは２０〜３００質量部であり、より好ましくは５０〜２００質量部である。
【００１６】
本発明で使用するアルカリ金属の炭酸塩としては、リチウム、ナトリウム、カリウムなどがあり、いずれでもよい。アルカリ金属の炭酸塩は、ゲル化直後の強度を高める作用があり、また急硬材スラリーの可使時間を確保できるものである。使用量として、カルシウムアルミネート１００質量部に対して、好ましくは０．５〜１５質量部であり、より好ましくは２〜１０質量部である。
【００１７】
本発明で使用するアルミン酸ナトリウムはアルミニウムイオンとナトリウムイオンの作用により、急硬材スラリーのカルシウムアルミネートと石膏の反応を抑制することができ、さらに、前記アルカリ金属の塩類のアルカリ金属イオンとの相乗効果によって、急硬材スラリーが高濃度であってもゲル化するための有効成分を長時間にわたり残存させることができる。使用量は、カルシウムアルミネート１００質量部に対して、好ましくは０．５〜２０質量部であり、より好ましくは１〜１５質量部である。
【００１８】
本発明で使用する凝結遅延剤は、例えば、クエン酸、酒石酸およびグルコン酸などの有機酸類または、ナトリウム塩、カリウム塩、リチウム塩、およびカルシウム塩、グルコース、デキストリン等の糖類が挙げられ、１種又は２種以上使用してもよい。使用量は、カルシウムアルミネート１００質量部に対して、好ましくは０．１〜５質量部であり、より好ましくは０．２５〜２質量部である。
【００１９】
本発明の注入材の好ましい様態は、２液タイプの注入材であり、前記のカルシウムアルミネート、石膏、アルカリ金属の炭酸塩、アルミン酸ナトリウム、凝結遅延剤および水を含有する急硬材スラリーと、セメントおよび水を含有するセメントスラリーとを有する２液タイプの注入材である。
【００２０】
急硬材スラリーにおける前記成分（カルシウムアルミネート、石膏、アルカリ金属の炭酸塩及びアルミン酸ナトリウム）の合計量（Ｐ）と水（Ｗ）との質量比（Ｗ／Ｐ）は、好ましくは０．５〜１５であり、より好ましくは０．８〜１３である。
【００２１】
本発明で使用するセメントは普通、早強、超早強、低熱、中庸熱などのポルトランドセメント、高炉セメントやフライアッシュセメントなどの混合セメントなどが挙げられる。特に、短時間のゲルタイムが確保できる点から高炉セメントが好ましい。
【００２２】
セメントスラリーにおけるセメント（Ｃ）と水（Ｗ）のとの質量比（Ｗ／Ｃ）は、好ましくは０．５〜５．０であり、より好ましくは０．７〜１．２である。
【００２３】
本発明の２液タイプの注入材は、急硬材スラリーとセメントスラリーを混合し、施工箇所に注入することにより施工される。混合の比率として、急硬材スラリー（Ａ）とセメントスラリー（Ｂ）の容積比（ＶＡ／ＶＢ）が，好ましくは０．１〜１．８５であり、より好ましくは０．２〜１．２である。
【００２４】
スラリーの混合方法は、例えばカルシウムアルミネート、石膏、アルカリ金属の炭酸塩、アルミン酸ナトリウム、水および凝結遅延剤を含有する急硬材スラリーと、セメントおよび水を含有するセメントスラリーとを別々にグラウトミキサなどで混練りし、２つのスラリーをＹ字管で混合して注入する１．５ショットの注入方法や２つのスラリーを別々に圧送し、注入用二重管の先端で混合して注入する、２ショットで注入することができる。
【実施例】
【００２５】
次に実施例を挙げて本発明をより詳細に説明する。
【００２６】
＜カルシウムアルミネートの作製＞
カルシウムアルミネートの作製にはいずれも市販試薬品粉末であるＣａＣＯ３、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯおよびＳｉＯ２を用いてヘンシェル型混合機を使用して、表１に示す化学成分配合量に調合した（ＣａＣＯ３はＣａＯの換算値)。調合した粉末は大気雰囲気の電気炉中で１５５０℃、２０分間加熱をした後、炉外に取出し加熱物表面に冷却用の窒素ガスを吹付け、急冷したものを粉砕し、比表面積５５００ｃｍ２／ｇ程度に調整した非晶質カルシウムアルミネートを実施例に使用した。
【００２７】
【表１】
2017154948.tif 000002
【００２８】
＜使用材料＞
表２に実施例に使用した材料を示す。
【００２９】
【表２】
2017154948.tif 000003
【００３０】
＜試験方法＞
表３に表１記載のカルシウムアルミネートを含む急硬材スラリー、及びセメントスラリーの配合割合を示す。急硬材スラリーとセメントスラリーを作製した後、急硬材スラリー２００ｃｃを、セメントスラリー８００ｃｃのカップの中（容積比で０．２５となるよう）に添加し、ミキサーで混合した。本試験は１０℃、２０℃及び３０℃の温度環境下で実施した。
【００３１】
＜試験項目＞
ゲル化時間：急硬材スラリーとセメントスラリーをカップで混合してから、傾倒してもスラリーが動かなくなるまでの時間。
急硬材スラリーの可使時間：急硬材スラリーを連続撹拌し、流動性が失われるまでの時間。
【００３２】
【表３】
2017154948.tif 000004
【００３３】
試験結果を表４に示す。表４に示すように１０℃〜３０℃の温度環境においても、本発明品を使用した注入材はゲル化時間を５分以内に調整することが可能であり、また急硬材スラリーの可使時間を２００分以上確保できることが確認された。
【００３４】
【表４】
2017154948.tif 000005