(57)【要約】【課題】  低温環境で吹付施工しても急結性が発現できて、強力な付着性を具備し、リバウンドを抑制し、吹付物の剥落及び垂れも見られず、また吹付施工に際し、施工作業に支障をきたすほどの制約や作業効率低下及び製造コストの高騰も見られない吹付コンクリートの提供を課題とする。【解決手段】  カルシウムアルミネートとアルミン酸ナトリウムを含有する粉体急結剤とベースコンクリートとで構成される吹付コンクリートであって、ベースコンクリートがポルトランドセメント、石膏及びアルミン酸ナトリウムを含有することを特徴とする低温施工用吹付コンクリート。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
カルシウムアルミネートとアルミン酸ナトリウムを含有する粉体急結剤とベースコンクリートとで構成される吹付コンクリートであって、ベースコンクリートがポルトランドセメント、石膏及びアルミン酸ナトリウムを含有することを特徴とする低温施工用吹付コンクリート。
【請求項２】
粉体急結剤がアルカリ金属炭酸塩を含有することを特徴とする請求項１記載の低温施工用吹付コンクリート。
【請求項３】
ベースコンクリートがカルシウムアルミネートを含有しないことを特徴とする請求項１又は２記載の低温施工用吹付コンクリート。
【請求項４】
ポルトランドセメント１００質量部、アルミン酸ナトリウム２〜８質量部及び石膏２〜２０質量部を含有するベースコンクリート１００質量部と、カルシウムアルミネート１００質量部とアルミン酸ナトリウム５〜１５質量部を含有する粉体急結剤５〜１５質量部とから構成されることを特徴とする請求項１〜３何れか記載の低温施工用吹付コンクリート。
【請求項５】
粉体急結剤が粉体急結剤中のカルシウムアルミネート含有量１００質量部に対しアルカリ金属炭酸塩を５〜３０質量部含有することを特徴とする請求項１〜４何れか記載の低温施工用吹付コンクリート。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば１０℃以下の低温環境下で湿式吹付施工することに適したセメント系の吹付材に関する。
【背景技術】
【０００２】
トンネル、地下空間、法面等の建設工事に対し、地山や構築物補強のために、壁面、天井面又は傾斜面に水性スラリー化したセメントペースト、モルタル又はコンクリート（以下、特記無い限り、総称して、コンクリートと称す。）を吹付けることが行われている。一般的な吹付施工である湿式吹付施工では、必要に応じて骨材や混和剤・材を配合したセメントと水の混練物であるベースコンクリートに、吹付直前に急結剤を添加して急結性を付与し、接水から短時間にセメントの凝結を完了させることで付着性を得ている。吹付コンクリートは良好な付着性を具備することが不可欠である。常温付近で良好な付着性を呈するものでも、施工現場の気温が例えば１０℃以下の低温環境下では、急結性の発現が急激に鈍くなり、付着性が悪化する。その結果、吹付時のリバウンド量増加、吹付物の剥落、垂れなどの現象が起こり易い。低温での急結性低下を防ぐ手段は、急結性をできるだけ高めた強力な急結剤を使用したり、その添加量を大幅に増やすことがある。具体的には、例えば、カルシウムアルミネート類とアルミン酸ナトリウムに硝酸塩類を加えた急結剤の使用（例えば、特許文献１参照。）、カルシウムアルミネート類と硫酸アルミニウムと硫酸ナトリウムからなる急結剤の使用（例えば、特許文献２参照。）等が挙げられるが、急結性を高め過ぎる瞬結化が進み、可使時間が全くと言っていいほど確保できないため施工作業上の制約が大きく、また吹付装置の噴射ノズルに残存・付着した吹付コンクリートが直ぐに固結するため閉塞し易く、頻繁に洗浄やノズル交換を行う必要性があるなど施工効率も低下する。また、急結剤添加量の大幅な増加は、材料コストの増加に加え、吹付コンクリート中のセメント含有割合が相対的に低下するので、低温で発現性が低下した強度がさらに低下する虞もある。急結剤を添加するベースコンクリート・モルタル側に初期強度増進成分を配合し、反応活性の高い液体急結剤を併用することで低温や凝結初期での強度発現性を改善することも知られている。（例えば、特許文献３参照。）しかし、液体急結剤中の急結有効成分の溶解度は限界があるため、急結性強化に不可欠な高濃度には懸濁化が必要で、高価な界面活性成分の導入により材料コストが高騰し易い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−１０４５５６号公報
【特許文献２】特開２００２−５３３５７号公報
【特許文献３】特開２００８−２５４９７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、施工現場の気温（以下、施工環境温度という。）が１０℃以下の低温でも湿式吹付施工が十分可能な吹付コンクリートを提供するものであり、より詳しくは、例えば施工環境温度が５℃程度でも通常の湿式吹付装置を用いた吹付施工が十分可能で、強力な付着性を具備し、リバウンドを抑制し、吹付物の剥落及び垂れも見られず、また吹付施工に際し、施工作業に支障をきたすほどの制約や作業効率低下及び製造コストの高騰も見られない吹付コンクリートの提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者は、前記課題解決のため検討した結果、従前より行われてきた急結剤を中心とした解決方策だけではなく、急結剤を添加するベースコンクリートについても鋭意検討した結果、セメント、石膏、アルミン酸ナトリウムおよびカルシウムアルミネートを特定の成分関係にしたベースコンクリートを用いることで、急結剤による手段だけでは改善困難な前記課題を総じて解決することができるという知見を得、本発明を完成した。
【０００６】
即ち、本発明は、次の（１）〜（５）で表す低温施工用吹付コンクリートである。（１）カルシウムアルミネートとアルミン酸ナトリウムを含有する粉体急結剤とベースコンクリートとで構成される吹付コンクリートであって、ベースコンクリートがポルトランドセメント、石膏及びアルミン酸ナトリウムを含有することを特徴とする低温施工用吹付コンクリート。（２）粉体急結剤がアルカリ金属炭酸塩を含有することを特徴とする前記（１）の低温施工用吹付コンクリート。（３）ベースコンクリートがカルシウムアルミネートを含有しないことを特徴とする前記（１）又は（２）の低温施工用吹付コンクリート。（４）ポルトランドセメント１００質量部、アルミン酸ナトリウム２〜８質量部及び石膏２〜２０質量部を含有するベースコンクリート１００質量部と、カルシウムアルミネート１００質量部とアルミン酸ナトリウム５〜１５質量部を含有する粉体急結剤５〜１５質量部とから構成されることを特徴とする前記（１）〜（３）何れかの低温施工用吹付コンクリート。（５）粉体急結剤が粉体急結剤中のカルシウムアルミネート含有量１００質量部に対しアルカリ金属炭酸塩を５〜３０質量部含有することを特徴とする前記（１）〜（４）何れかの低温施工用吹付コンクリート。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、施工作業性及び施工効率を低下させずに施工環境温度が概ね１０℃以下の低温環境下での湿式吹付工法に適した吹付コンクリート、とりわけ５℃程度の低温での湿式吹付施工に適した吹付コンクリートを得ることができる。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の低温施工用吹付コンクリートを構成する粉体急結剤に含有されるカルシウムアルミネートは、ＣａＯとＡｌ2Ｏ3を主要化学成分として含む無機水和活性物質であり、ＣａＯ源となる原料とＡｌ2Ｏ3源となる原料との混合物を概ね溶融するまで加熱して得られる水和活性物質の総称である。前記水和活性物質には、例えば鉱物原料を用いた場合のように、主に原料由来のＣａＯとＡｌ2Ｏ3以外の不純物も水和活性を実質喪失させない範囲で含むことができる。この場合の不純物の存在形態は特に限定されない。また、カルシウムアルミネートはガラス化が進んだ構造のものであることが反応活性が高いので好ましく、具体的にはガラス化率９０％以上のカルシウムアルミネートを使用する。ガラス化率の調整は例えば加熱溶融状態からの冷却処理によって行うことができ、急冷処理により高ガラス化率のカルシウムアルミネートが得易くなる。ここで、カルシウムアルミネートのガラス化率は、粉末エックス線回折装置を用い、質量がＭ１のカルシウムアルミネートに含まれる各鉱物の質量を内部標準法等で定量し、定量できた含有鉱物相の総和質量；Ｍ２を算出し、残部が純ガラス相と見なし、次式でガラス化率を算出した。
ガラス化率（％）＝（１−Ｍ２／Ｍ１）×１００
また、カルシウムアルミネートのＣａＯとＡｌ2Ｏ3の含有モル比は、特に制限好ましくはＣａＯ／Ａｌ2Ｏ3で１．５〜３．０、より好ましくは２．０〜２．６のものを使用すると、反応活性が比較的高いため、反応活性が低下し易い低温環境で使用するには好適である。
【０００９】
また、本発明の低温施工用吹付コンクリートを構成する粉体急結剤は、アルミン酸ナトリウムを含む。アルミン酸ナトリウムを含むことで凝結始発時間を早めることができるため、低温での急結性低下を抑制するのに寄与する。使用するアルミン酸ナトリウム（二酸化ナトリウムアルミニウム）は粉体状のものであれば特に制限されない。例えば市販の工業用薬品や理化学用試薬等の何れも使用できる。但し、潮解性が高いため、できるだけ変質の進んでいないものを使用することが好ましい。粉体急結剤中に含まれるアルミン酸ナトリウムの量は、前記作用を十分発現する上で、好ましくはカルシウムアルミネート含有量１００質量部に対し、５〜１５質量部とする。
【００１０】
また、本発明の低温施工用吹付コンクリートを構成する粉体急結剤は、アルカリ金属の炭酸塩を含むものが好ましい。アルカリ金属としては、Ｎａ、Ｋ、Ｌｉを挙げることができ、何れのものでも良い。好ましくは高い効果が得られるので炭酸リチウムを含むものが良い。アルカリ金属の炭酸塩を含むことで低温での凝結速度を促進することに寄与する。粉体急結剤中のアルカリ金属の炭酸塩の含有量は、粉体急結剤中のカルシウムアルミネート含有量１００質量部に対し、５〜３０質量部含有すると凝結がより促進されるので好ましい。
【００１１】
また、本発明の低温施工用吹付コンクリートを構成する粉体急結剤は、前記以外の成分も本発明の効果を実質喪失させない範囲で含有することができる。このような成分として例えばモルタルやコンクリート用の遅延剤や減水剤類、何れもアルカリ金属若しくはアルカリ土類金属の硫酸塩、重炭酸塩、亜硝酸塩又は硝酸塩等を挙げることができる。好適には硫酸カルシウム（無水石膏）を含有するとエトリンガイトの生成が促進され良好な強度発現性が得られるので良い。硫酸カルシウムを含有する場合の粉体急結剤中の硫酸カルシウム含有量は、粉体急結剤中のカルシウムアルミネート含有量１００質量部に対し、１２０質量部以下とする。これを超える量では相対的にカルシウムアルミネートの含有率が低下するため、急結性が向上し難くなることがあるので適当ではない。また、粉体急結剤の粉末度は特に制限されるものではないが、高い反応活性が得ることと製造コストのバランスを考慮すると、好ましくはブレーン比表面積で凡そ２５００〜９０００ｃｍ2／ｇとする。２５００ｃｍ2／ｇ未満では反応活性が弱くなり過ぎることがあるため適当ではなく、また９０００ｃｍ2／ｇを超えると粉砕等に関る製造コストが高騰するので適当ではない。
【００１２】
一方、本発明の低温施工用吹付コンクリートを構成するベースコンクリートは、ポルトランドセメントを含有する。ポルトランドセメントとしては、普通、早強、超早強、中庸熱、低熱、耐硫酸塩等のポルトランドセメントが挙げられ、少なくとも何れか１種以上を使用する。ポルトランドセメントは低温施工用吹付コンクリートにおいて結合組織を形成する。使用するポルトランドセメント源として、高炉セメントなどの混合セメントを用いることもできる。尚、ポルトランドセメントには少量の石膏類が含まれるが、本発明では成分含有量の設定に関して、ポルトランドセメント中の含まれる石膏量は石膏含有量として考慮せずに、ポルトランドセメントの量とみなす。また、次に述べるベースコンクリートの石膏含有量にはポルトランドセメント中の石膏量は含まない。
【００１３】
本発明の低温施工用吹付コンクリートを構成するベースコンクリートは、さらに無水石膏を含有する。含有する無水石膏は、何れのものでも使用でき、特に限定されない。無水石膏の含有は、硬化促進に寄与し、強度発現性や付着強度の増進をもたらす。このような作用効果を十分得る上で、ベースコンクリート中の無水石膏の含有量はセメント１００質量部に対し、２〜２０質量部が好ましく、３〜１５質量部がより好ましい。
【００１４】
また、本発明の低温施工用吹付コンクリートを構成するベースコンクリートは、アルミン酸ナトリウムを必須含有する。ベースコンクリートに予めアルミン酸ナトリウムを含ませることで、低温で劣化するセメントの凝結反応が、アルミン酸ナトリウムの強い凝結促進作用によってベースコンクリート中で改善される。即ち、ベースコンクリート中の水性スラリー中にアルミン酸ナトリウムが予め溶解した状態で、急結剤添加後の凝結促進反応に寄与するため、反応が非常にスムーズに進み、急結性の発現が低温下でも容易になる。従って、瞬結化をまねくような急結剤を大量使用せずとも低温での吹付コンクリートの急結性の低下を抑制することが可能となる。ベースコンクリートに使用するアルミン酸ナトリウムは、前述の急結剤に使用したものと同様のものを使用できるが、限定されるものではない。ベースコンクリート中のアルミン酸ナトリウムの含有量は、ポルトランドセメントの含有量１００質量部に対し、２〜８質量部が好ましい。
【００１５】
また、本発明の低温施工用吹付コンクリートを構成するベースコンクリートに注水する水量は特に制限されるものではなく、施工状況や配合組成等に応じて適宜定めれば良い。好ましくは、セメント含有量１００質量部に対し、水３０〜７０質量部を加える。この範囲であれば、水和活性成分の水和反応に概ね過不足無く供与でき、かつ高い強度発現性が得易くなる。
【００１６】
また、本発明の低温施工用吹付コンクリートを構成するベースコンクリートは、セメント、無水石膏、アルミン酸ナトリウム及び水以外の成分も、本発明の効果を阻害しない限り、含有することができる。このような成分として、例えば、細骨材、粗骨材、減水剤類、増粘剤、ポゾラン反応性物質、繊維、凝結促進剤、凝結遅延剤などのモルタルやコンクリートに使用される混和剤・材を挙げることができるが、記載例に限定されるものではない。但し、カルシウムアルミネートや硫酸アルミニウムは、ベースコンクリート作製時の混練抵抗が著しく増大して混練作業に支障をきたしたり、練り置き時間が確保できないなどの他、吹付装置の通流路等が閉塞する虞もあるので、ベースコンクリートに含まれないことが望ましい。
【００１７】
また、本発明の低温施工用吹付コンクリートで、ベースコンクリートに加える粉体急結剤の量は、ベースコンクリート中のセメント含有量１００質量部に対し、好ましくは、粉体急結剤３〜２０質量部、より好ましくは粉体急結剤５〜１５質量部を加える。粉体急結剤の配合量が３質量部未満では、所望の付着性を十分得難くなることがあるので適当ではない。また、２０質量部を超えると、瞬結性が強まり、施工作業性や施工効率の低下をきたすことがあるので適当ではない。
【００１８】
また、本発明の低温施工用吹付コンクリートを製造する方法は限定されない。推奨される製造方法の一例を示すと、例えば、前記カルシウムアルミネート、アルミン酸ナトリウム及びアルカリ金属炭酸塩等を、例えばヘンシェルミキサ等の混合装置に所望量投入して乾式混合し、粉体急結剤を作製する。別に、前記所定の配合になるようセメント、アルミン酸ナトリウム、無水石膏及び水等を、例えば２軸強制コンクリートミキサ等の混合装置で混練し、ベースコンクリートを作製する、このベースコンクリートを、例えば湿式吹付装置にポンプ圧送し、このベースコンクリートに前記の粉体急結剤を、吹付噴射直前に添加することで吹付コンクリートが得られる。
【００１９】
本発明の低温施工用吹付コンクリートは、施工環境温度が概ね１０℃以下の低温環境で湿式吹付施工するのに適した吹付コンクリートである。特に、５℃前後の温度環境で施工作業を行うことには十分対応できる。逆に、１０℃を超える温度条件では施工使用できないというものではない。
【実施例】
【００２０】
以下、本発明を実施例によって具体的に説明するが、本発明は記載した実施例に限定されるものではない。
【００２１】
［カルシウムアルミネートの作製］
市販の工業用薬品のＣａＣＯ3とＡｌ2Ｏ3を用い、ＣａＯ及びＡｌ2Ｏ3の含有モル比（ＣａＯ／Ａｌ2Ｏ3）の値が表１に表すカルシウムアルミネートが得られるように評量配合し、ヘンシェル型混合機を使用して原料調合物を作製した。この原料調合物を電気炉で約１６００℃（±５０℃）で６０分間加熱し、加熱時間経過後は直ちに炉外に取出した。取出した焼成塊（クリンカ）表面に冷却用の窒素ガスを流速約３０ｍｌ／秒で吹付けて急冷し、冷却物を得た。尚、ガラス化率調整のため、一部のクリンカについては窒素ガスの流速を落として吹付けた。このクリンカを全鋼製のボールミルで粉砕し、分級装置にかけてブレーン比表面積約５０００ｃｍ2／ｇのカルシウムアルミネート粉末を得た。また、このカルシウムアルミネートのガラス化率を、粉末エックス線回折装置を用い、質量がＭ１のカルシウムアルミネートクリンカに含まれる各鉱物の質量を内部標準法等で定量し、定量できた含有鉱物相の総和質量；Ｍ２を算出し、残部が純ガラス相と見なし、次式でガラス化率を算出した。
ガラス化率（％）＝（１−Ｍ２／Ｍ１）×１００
【００２２】
【表１】
2017030998.tif 000002
【００２３】
［粉体急結剤の作製］
前記作製のカルシウムアルミネート粉末、アルミン酸ナトリウム（市販試薬）、ＩＩ型無水石膏（市販品）および炭酸ナトリウム（市販粉末試薬）から選定される材料を、カルシウムアルミネートの配合量１００質量部あたりの配合量で表した表２の配合となるようヘンシェルミキサに一括投入した。このミキサで約２分間混合し、粉体急結剤を作製した。作製した粉体急結剤は後述するベースコンクリートに添加使用するまで密封容器中で保管した。
【００２４】
【表２】
2017030998.tif 000003
【００２５】
［ベースコンクリートの作製］
普通ポルトランドセメント（市販品）、ＩＩ型無水石膏（市販品）、アルミン酸ナトリウム（市販試薬）、ポリカルボン酸系高性能減水剤（市販品、固形分濃度２０％）、細骨材（掛川産陸砂（Ｆ．Ｍ．＝２．７））及び水を、表３で表す配合となるようモルタルミキサに投入して１分間混練し、ベースコンクリートを作製した。
【００２６】
【表３】
2017030998.tif 000004
【００２７】
［吹付コンクリートの作製］
吹付コンクリートの作製は、特記無い限り、５℃（±０．５℃）の恒温室内で次のように行った。但し、一部については１０℃、２０℃（何れも±０．５℃）の恒温室内で行った。前記のように作製したベースコンクリートを湿式吹付装置（市販品）にポンプ圧送し、湿式吹付装置内を送流中のベースコンクリートに、前記の粉体急結剤を連続的に添加した。粉体急結剤をベースコンクリートに加えることで実質的な混合がなされ、吹付コンクリートが形成される。用いたベースコンクリート及び粉体急結剤と、ベースコンクリートに含まれる普通ポルトランドセメント１００質量部に対する粉体急結剤のベースコンクリートへの添加量は、表４に記載した通りである。
【００２８】
【表４】
2017030998.tif 000005
【００２９】
［吹付コンクリートの急結性の評価］
本評価は、特記無い限り、５℃（±０．５℃）の恒温室内で以下のように行った。但し、一部については１０℃、２０℃（何れも±０．５℃）の恒温室内で行った。前記表３に表すベースコンクリートを、それぞれ底付の円筒容器に入れ、ハンドミキサで１分間混合した後、屋内に３０分静置した。この静置後、ハンドミキサで１分間再混合し、前記作製の粉体急結剤を表４に記載した量で加え、さらに５秒間攪拌して吹付コンクリートを作製した。粉体急結剤添加３０秒経過後、６０秒経過後、及び１２０秒経過後の前記吹付コンクリートに対し、プロクター貫入抵抗値を測定することで急結性の評価を行った。プロクター貫入抵抗値の測定方法は、土木学会コンクリート標準指方書「吹付コンクリート用急結剤品質規格」付属書「貫入抵抗によるモルタルの瞬結時間測定方法」に準拠し、断面積０．１２５ｃｍ2のプロクター針を使用した。この貫入抵抗値の測定結果を表５に表す。
【００３０】
【表５】
2017030998.tif 000006
【００３１】
［吹付コンクリートの吹付特性等の評価］
本評価は、特記無い限り、５℃（±０．５℃）の恒温室内で行った。但し、一部については１０℃、２０℃（何れも±０．５℃）の恒温室内で行った。前記のように作製した吹付コンクリートを、前記の湿式吹付装置の噴射用ノズルから約１００ｃｍ離れた地点に垂直に設置した３ｍ四方のコンクリート製平滑壁面に向かって、前記噴射用ノズルから１６０ｍｌ／分の流量で吹付けた。吹付性の評価は、何れも目視観察で、前記壁面からの吹付コンクリートの跳ね返り（リバウンド）を調べ、跳ね返りが見られなかったものをリバウンド「無」と判断し、跳ね返りが見られたものをリバウンド「有」と判断した。また、壁面に吹付けたコンクリートに垂れが見られたり剥落が起こったりすることなく、付着し続けたものを付着性が「良好」と判断し、それ以外の状態になったものは全て付着性が「不良」と判断した。また、このような吹付けを３分間連続して行った直後に、湿式吹付装置のノズル孔に固結物による閉塞が部分的にでも見られたものを閉塞発生「有」と判断し、このような閉塞が見られなかったものを閉塞発生「無」と判断した。尚、流動性が著しく低下し、湿式吹付装置のノズル孔から殆ど噴射できなかったものも閉塞発生「有」と判断した。
【００３２】
［吹付コンクリートの強度発現性の評価］
本評価は、特記無い限り、５℃（±０．５℃）の恒温室内で行った。
また、前記表４に記載される吹付コンクリートの混練物を、作製後直ちに、内寸４０×４０×１６０ｍｍの成形用型枠に充填し、これを屋内の空気中に所定時間静置し、静置後に脱型して材齢３時間、１日及び７日の供試体を得た。この供試体の一軸圧縮強度をアムスラー式圧縮強度試験機で測定した。この結果も表５に表す。
【００３３】
表５の結果から、本発明品の吹付コンクリートは、１０℃以下の低温でも３０秒経過時までに付着に必要な強度が発現できることがプロクター貫入抵抗値から確認できた。その後の強度発現性も向上していることから、剥落や垂れ落ちの無い吹付物が形成されることがわかる。これに対し、本発明外の参考品の吹付コンクリートは、３０秒経過時ではプロクター貫入抵抗値が著しく低いか実質０で、凝結の進展が遅く十分な付着性が得られていないことがわかる。