(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
非晶質カルシウムアルミネートと、無水石膏を、非晶質カルシウムアルミネート１００質量部に対して、５０〜１５０質量部、９０％粒子径が０．０５〜０．２ｍｍで、強熱減量が１０質量％以下であるアルミン酸ナトリウムを、非晶質カルシウムアルミネートと無水石膏の合計１００質量部に対して、２〜８質量部、グルコン酸ナトリウムを、非晶質カルシウムアルミネートと無水石膏の合計１００質量部に対して、０．２〜１質量部、フッ化ナトリウムを、非晶質カルシウムアルミネートと無水石膏の合計１００質量部に対して、０．２〜１質量部からなる粉体急結剤。
【請求項２】
請求項１記載の粉体急結剤とセメントコンクリートを含有してなる吹付材料。
【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へ吹付ける急結剤、吹付材料、及びそれを用いた吹付工法に関する。尚、本発明のセメントコンクリートとは、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】
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】
この工法は、通常、掘削工事現場に設置した、セメント、骨材、及び水の計量混合プラントで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、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】
従来より使用されている急結剤としては、カルシウムアルミネート及び／又はアルカリ金属アルミン酸塩とアルカリ炭酸塩等との混合物や、カルシウムアルミネートと３ＣａＯ・ＳｉＯ2との混合物等が知られている（特開昭６４−５１３５１号公報、特公昭５６−２７４５７号公報、特開昭６１−２６５３８号公報、及び特開昭６３−２１００５０号公報参照）。
【０００５】
これらの急結剤は、セメントの凝結を促進させる働きがあり、いずれもコンクリートと混合し、地山面に吹付けられる。しかしながら、これらの急結剤は、充分に強い凝結力と地山面への付着力を得にくく、特に湧水箇所に吹付を行った場合には、剥落が生じやすくなり、又、リバウンド（跳ね返り）率が多くなるという課題があった。
【０００６】
さらに、急結剤の添加方法は、空気輸送による粉体混合のために、粉塵量が多いという課題があった。
【０００７】
そのため、作業環境の悪化や塵肺等の影響が心配されるため、吹付時には保護眼鏡や防塵マスク等が必要となり、作業性が低下するという課題があった。そこで、リバウンド率や粉塵量のより少ない工法が求められていた。
【０００８】
そこで、リバウンド率や粉塵発生量が少ない工法として、急結剤をスラリー化してセメントコンクリートに添加混合した後、更に、アルカリ金属アルミン酸塩の溶液を別に圧送、混合し、吹付施工する方法が提案されている（特開平５−１３９８０４号公報参照）。
【０００９】
しかしながら、この方法は、高アルカリの液体を使用するため、取り扱いにくいという課題があった。そのため、吹付時には保護眼鏡や手袋等が必要となり、作業性が低下するという課題があった。
【００１０】
これに対して、急結剤をスラリー化し、かつ、セメントコンクリートにミョウバン類を配合することにより、作業環境を改善する急結施工方法が提案されている（特開平５−９７４９１号公報参照）。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年、安全衛生上の点で、作業性をさらに良くし、工期短縮の点で、凝結性をさらに向上することが求められるようになった。
【００１２】
本発明者は、上記課題を種々検討した結果、ある特定の急結剤を使用して吹付施工を行うことにより、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。
【００１３】
即ち、本発明は、非晶質カルシウムアルミネートと、無水石膏を、非晶質カルシウムアルミネート１００質量部に対して、５０〜１５０質量部、９０％粒子径が０．０５〜０．２ｍｍで、強熱減量が１０質量％以下であるアルミン酸ナトリウムを、非晶質カルシウムアルミネートと無水石膏の合計１００質量部に対して、２〜８質量部、グルコン酸ナトリウムを、非晶質カルシウムアルミネートと無水石膏の合計１００質量部に対して、０．２〜１質量部、フッ化ナトリウムを、非晶質カルシウムアルミネートと無水石膏の合計１００質量部に対して、０．２〜１質量部からなる粉体急結剤であり、該粉体急結剤とセメントコンクリートを含有してなる吹付材料である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
【００１５】
本発明は、リバウンド率や粉塵量を低減し、強度発現性が向上する急結剤に関するものである。
【００１６】
本発明で使用するセメントとは、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や、この各種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、これらを微粉末化して使用してもよい。
【００１７】
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、アルカリ土類金属ハロゲン化物、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。
【００１８】
これらの中では、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、１２ＣａＯ・７Ａｌ2Ｏ3（以下Ｃ12Ａ7という）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。
【００１９】
カルシウムアルミネート類の粒度は、凝結性や初期強度発現性の点で、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未満だと凝結性や初期強度発現性が低下するおそれがある。
【００２０】
本発明で使用する石膏は、急結剤と吹付セメントコンクリートを混合した急結性吹付セメントコンクリートの凝結性や強度発現性を向上するため等に、混合するものである。
【００２１】
石膏としては、無水石膏、半水石膏、及び二水石膏が使用できる。これらの中では、凝結性や強度発現性の点で、無水石膏が好ましい。
【００２２】
石膏の粒度は、通常セメント等に使用される程度でよいが、凝結性や初期強度発現性の点で、ブレーン値で３０００ｃｍ2 ／ｇ以上が好ましい。
【００２３】
石膏の使用量は、カルシウムアルミネート類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質量部未満だと凝結性や長期強度発現性を促進しにくいおそれがあり、２００質量部を越えると初期凝結が遅れ、初期強度発現性や地山に対する付着性が低下するおそれがある。
【００２４】
本発明で使用するアルカリ金属アルミン酸塩（以下アルミン酸塩という）とは、セメントの初期凝結を促進するものであり、水酸化アルミニウムとアルカリ金属水酸化物を混合溶解し、乾燥し、粉末状として得られるものである。
【００２５】
アルミン酸塩としては、アルミン酸ナトリウム、アルミン酸カリウム、及びアルミン酸リチウム等が挙げられ、これらの一種類又は二種類以上を使用してもよい。これらの中では、凝結性や初期強度発現性の点で、アルミン酸ナトリウムが好ましい。
【００２６】
アルミン酸塩の９０％粒子径は０．３ｍｍ以下が好ましく、０．０５〜０．２ｍｍがより好ましい。０．３ｍｍを越えると凝結性が低下するおそれがある。
【００２７】
これらのアルミン酸塩は、製造条件により、無水物又は結晶水を有するもの等が調製でき、いずれも使用できるが、カルシウムアルミネート類と混合した時の貯蔵安定性が向上する点で、アルミン酸塩の強熱減量が１０質量％以下が好ましく、５質量％以下がより好ましい。１０質量％を越えるとカルシウムアルミネート類と混合した場合に強度や凝結時間等の品質や貯蔵安定性が低下するおそれがある。
【００２８】
アルミン酸塩の使用量は、カルシウムアルミネート類と石膏の合計１００質量部に対して１〜１０質量部が好ましく、２〜８質量部がより好ましい。１質量部未満だと初期凝結が遅れ、初期強度発現性が低下するおそれがあり、１０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。
【００２９】
本発明で使用するオキシカルボン酸類としては、グルコン酸、酒石酸、クエン酸、リンゴ酸、サリチル酸、及び乳酸又はこれらの塩等が挙げられる。塩としては、ナトリウムやカリウム等のアルカリ金属塩等が挙げられる。これらの中では、初期強度発現性の点で、グルコン酸ナトリウムが好ましい。
【００３０】
オキシカルボン酸類の使用量は、カルシウムアルミネート類と石膏の合計１００質量部に対して、０．１〜２質量部が好ましく、０．２〜１質量部がより好ましい。０．１質量部未満だと凝結性や初期強度発現性を阻害するおそれがあり、２質量部を越えると凝結性や強度発現性を阻害するおそれがある。
【００３１】
本発明で使用するアルカリ金属フッ化物（以下フッ化物という）としては、フッ化ナトリウム、フッ化カリウム、及びフッ化リチウムが挙げられる。これらの中では、一般に入手しやすく、汎用性のある点で、フッ化ナトリウムが好ましい。
又、ケイフッ化ナトリウム等のケイフッ化物も使用できるが、毒物劇物に指定されており、取り扱いにくいので、好ましくない。
【００３２】
フッ化物の使用量は、カルシウムアルミネート類と石膏の合計１００質量部に対して、０．１〜２質量部が好ましく、０．２〜１質量部がより好ましい。０．１質量部未満だと強度発現性を阻害するおそれがあり、２質量部を越えると凝結性や強度発現性を阻害するおそれがある。
【００３３】
本発明で使用する急結剤としては、強度発現性の点で、粉体急結剤が好ましい。
【００３４】
急結剤の使用量は、セメント１００質量部に対して、２〜２５質量部が好ましく、５〜２０質量部がより好ましく、７〜１５質量部が最も好ましい。２質量部未満だと初期凝結を促進しにくいおそれがあり、２５質量部を越えると長期強度発現性を阻害するおそれがある。
【００３５】
本発明では、必要に応じて、さらに、減水剤や増粘剤等を使用してもよい。
【００３６】
本発明で使用するセメントコンクリート中の水の使用量は、強度発現性の点で、水／セメント比で３５質量％以上が好ましく、４０〜５５質量％がより好ましい。３５質量％未満だとセメントコンクリートを十分に混合できないおそれがあり、５５質量％を越えると強度発現性を阻害するおそれがある。
【００３７】
本発明で使用する骨材は吸水率が低くて、骨材強度が高いものが好ましい。骨材の最大寸法は吹付できれば特に制限されるものではない。細骨材としては、川砂、山砂、石灰砂、及び珪砂等が使用でき、粗骨材としては、川砂利、山砂利、及び石灰砂利等が使用できる。
【００３８】
本発明の吹付工法においては、従来使用の吹付設備等が使用できる。
【００３９】
本発明の吹付工法としては、要求される物性、経済性、及び施工性等に応じた種々の吹付工法が可能である。
【００４０】
本発明の吹付工法としては、乾式吹付工法も施工できるが、粉塵量が多くなるおそれがあるので、急結剤を使用する前に予め水をセメントコンクリート側に加えて混練した湿式吹付工法を使用することが好ましい。
【００４１】
湿式吹付工法としては、セメント、細骨材、粗骨材、及び水を加えて混練し、空気圧送し、途中にＹ字管を設け、その一方から急結剤供給装置により急結剤を圧送し、合流混合して急結性湿式吹付セメントコンクリートとしたものを吹付ける方法が挙げられる。
【００４２】
本発明の吹付工法においては、通常、吹付圧力は０．２〜０．５ＭＰａが好ましく、吹付速度は４〜２０ｍ3 ／ｈが好ましい。
【００４３】
又、急結剤を圧送する圧送空気の圧力は、セメントコンクリートが急結剤の圧送管内に混入した時に圧送管内が閉塞しないように、セメントコンクリートの圧送圧力より０．０１〜０．３ＭＰａ大きいことが好ましい。
【００４４】
吹付設備は吹付が十分に行われれば、特に限定されるものではなく、例えば、吹付セメントコンクリートの圧送にはアリバー社商品名「アリバー２８０」等が、急結剤の圧送には急結剤圧送装置「ナトムクリート」等が、それぞれ使用できる。
【００４５】
【実施例】
以下、実験例に基づき本発明を詳細に説明する。
【００４６】
実験例１
２７℃の条件下で、カルシウムアルミネート類１００質量部、表１に示す量の石膏、並びに、カルシウムアルミネート類と石膏の合計１００質量部に対してアルミン酸塩５質量部、オキシカルボン酸類０．５質量部、及びフッ化物０．５質量部からなる粉体急結剤を調製し、凝結時間とモルタル圧縮強度を測定した。結果を表１に示す。
【００４７】
（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３２００ｃｍ2 ／ｇ、比重３．１６
細骨材：新潟県糸魚川市姫川産川砂、表乾、比重２．６２
カルシウムアルミネート類：Ｃ12Ａ7 組成に対応するもの、非晶質、ブレーン値６０５０ｃｍ2 ／ｇ
石膏：市販無水石膏粉砕品、ブレーン値５９００ｃｍ2／ｇ
アルミン酸塩：アルミン酸ナトリウム、市販品、強熱減量２．１質量％、９０％粒子径０．２ｍｍ
オキシカルボン酸類：グルコン酸ナトリウム、市販品
フッ化物：フッ化ナトリウム、市販品
【００４８】
（測定方法）
強熱減量：アルミン酸塩を電気炉中で１０００℃、２４時間加熱し、〔１−（加熱後の質量）／（加熱前の質量）〕×１００（質量％）の式から算出した。
９０％粒子径：マイクロトラックＦＲＡレーザー式粒度分布計により測定し、ふるい通過側の累計で９０％の値で示した。
凝結時間：砂／セメント比＝３、水／セメント比＝５０％のモルタルに、セメント１００質量部に対して粉体急結剤を１０質量部添加し、土木学会基準「吹付けコンクリート用急結剤品質規格（ＪＳＣＥＤ−１０２）」に準じて測定した。
モルタル圧縮強度：砂／セメント比＝３、水／セメント比＝５０％のモルタルに、セメント１００質量部に対して粉体急結剤を１０質量部添加し、ＪＩＳ  Ｒ  ５２０１に準じて測定した。
【００４９】
【表１】
0004286434.tif 000002
【００５０】
実験例２
カルシウムアルミネート類１００質量部、石膏１００質量部、並びに、カルシウムアルミネート類と石膏の合計１００質量部に対して表２に示す量のアルミン酸塩、オキシカルボン酸類０．５質量部、及びフッ化物０．５質量部からなる粉体急結剤を調製し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。
【００５１】
【表２】
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【００５２】
実験例３
カルシウムアルミネート類１００質量部、石膏１００質量部、並びに、カルシウムアルミネート類と石膏の合計１００質量部に対してアルミン酸塩５質量部、表３に示す量のオキシカルボン酸類、及びフッ化物０．５質量部からなる粉体急結剤を調製し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。
【００５３】
【表３】
0004286434.tif 000004
実験例４
カルシウムアルミネート類１００質量部、石膏１００質量部、並びに、カルシウムアルミネート類と石膏の合計１００質量部に対してアルミン酸塩５質量部、オキシカルボン酸０．５質量部類、及び表４に示す量のフッ化物からなる粉体急結剤を調製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。
【００５４】
【表４】
0004286434.tif 000005
【００５５】
実験例５
各材料の単位量を、セメント４５０ｋｇ／ｍ3 、細骨材１０９９ｋｇ／ｍ3 、粗骨材５９７ｋｇ／ｍ3 、及び水２０３ｋｇ／ｍ3 として吹付コンクリートを調製し、この吹付コンクリートを吹付圧力０．４ＭＰａ、吹付速度４ｍ3 ／ｈの条件下で、コンクリート圧送機「アリバー２８０」により空気圧送した。
一方、カルシウムアルミネート類１００質量部、石膏１００質量部、並びに、カルシウムアルミネート類と石膏の合計１００質量部に対してアルミン酸塩５質量部、オキシカルボン酸類０．５質量部、及びフッ化物０．５質量部からなる粉体急結剤を、セメント１００質量部に対して１０質量部になるように、圧送圧力０．５ＭＰａの条件下で、急結剤添加装置「ナトムクリート」を用いて空気圧送し、Ｙ字管のもう一方から圧送された吹付コンクリートに混合し、急結性吹付コンクリートとした。この急結性吹付コンクリートを吹付け、コンクリート圧縮強度と付着性を測定した。結果を表５に示す。
【００５６】
（使用材料）
粗骨材：新潟県糸魚川市姫川産川砂利、表乾状態、比重２．６４、最大寸法１０ｍｍ
【００５７】
（測定方法）
コンクリート圧縮強度：材齢１時間の圧縮強度は幅２５ｃｍ×長さ２５ｃｍのプルアウト型枠に設置したピンを、プルアウト型枠表面から急結性吹付コンクリートで被覆し、型枠の裏側よりピンを引き抜き、その時の引き抜き強度を求め、（圧縮強度）＝（引き抜き強度）×４／（供試体接触面積）の式から圧縮強度を算出した。材齢１日以降の圧縮強度は幅５０ｃｍ×長さ５０ｃｍ×厚さ２０ｃｍの型枠に急結性吹付コンクリートを吹付け、採取した直径５ｃｍ×長さ１０ｃｍの供試体を２０トン耐圧機で測定し、圧縮強度を求めた。
付着性：急結性吹付コンクリートを４ｍ3／ｈの圧送速度で１０分間、鉄板でアーチ状に作成した高さ３．５ｍ、幅２．５ｍの模擬トンネルに吹付けた。模擬トンネルからの急結性吹付コンクリートのダレや剥離がない場合を○、ダレや剥離が少し見られる場合を△、ダレや剥離が多い場合を×とした。
【００５８】
【表５】
0004286434.tif 000006
【００５９】
【発明の効果】
本発明の急結剤を用いることにより、初期及び長期において、高い強度発現性が期待できるので、吹付厚さを薄くでき、施工コストも削減できる。さらに、吹付初期に高い強度が得られるために安全性も向上する。