(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セメント、粘土鉱物及び凝結遅延剤を含む裏込め注入材料Ａ液と水ガラスを主成分とする裏込め注入材料Ｂ液からなる二液性裏込め注入材料のＡ液用の凝結遅延剤であって、下記の成分を含むことを特徴とする裏込め注入材料Ａ液用凝結遅延剤：
（１）マルトースを４０重量％以上含有するデンプン分解生成物、並びに
（２）グルコン酸及びその塩から選ばれた少なくとも一種の成分。
【請求項２】
セメント、粘土鉱物及び凝結遅延剤を含む裏込め注入材料Ａ液と水ガラスを主成分とする裏込め注入材料Ｂ液からなる二液性裏込め注入材料のＡ液用の凝結遅延剤であって、下記の成分を含むことを特徴とする裏込め注入材料Ａ液用凝結遅延剤：
（１）マルトースを４０重量％以上含有するデンプン分解生成物１００重量部、並びに
（２）グルコン酸及びその塩から選ばれた少なくとも一種の成分１０〜６００重量部。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の裏込め注入材料Ａ液用凝結遅延剤１００重量部、及び水５〜２００重量部を含有することを特徴とする裏込め注入材料Ａ液用凝結遅延剤溶液。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の裏込め注入材料Ａ液用凝結遅延剤を含有することを特徴とする裏込め注入材料Ａ液。
【請求項５】
セメント１００重量部、粘土鉱物５〜６０重量部、及び裏込め注入材料Ａ液用凝結遅延剤０．３〜４重量部を含有することを特徴とする請求項４に記載の裏込め注入材料Ａ液。
【請求項６】
請求項４又は５に記載の裏込め注入材料Ａ液を圧送し、水ガラスを主成分とする裏込め注入材料Ｂ液と混合し、硬化させることを特徴とする裏込め注入方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トンネル工事などで、空隙充填材として利用される裏込め注入材料用の凝結遅延剤、これを含有する裏込め注入材料、および裏込め注入工法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シールド工事における裏込め注入工法は、シールドマシンが通過した後の内径と支保となるセグメントの外径との差によって生じる空隙、即ち、掘進に伴って発生するテールボイドに対して、裏込め注入材料を注入、充填する方法である。この工法によれば、テールボイドに対して注入材料を迅速、かつ確実に充填することができ、地山のゆるみや崩壊による地盤沈下を防止し、セグメント覆工の止水性を向上させることができる。また、セグメントを早期に固定することによって、シールド機の操縦性およびセグメント覆工の安定性を確保することが可能となる。
【０００３】
裏込め注入材料としては、シールド工法導入時よりかなりの期間、モルタル、セメント、ベントナイト等に代表される一液性の材料が主に使用されてきた。しかしながら、最近では、シールド工事における裏込め注入工程の重要性が改めて認識され、また、長距離圧送や同時注入等の新しい技術を用いたシールド工法が行われるようになり、流動性の調整、ゲル調整等について選択の幅が広い、二液性の裏込め注入材料の使用が主流となっている。
【０００４】
二液性の裏込め注入材料は、通常、セメント、水、粘土鉱物、安定剤等よりなる混合液（Ａ液）と、Ａ液の硬化を促進するための水ガラスを主成分とするＢ液とからなるものである。この様な二液性の裏込め注入材料を用いる場合には、発進立杭、中間立坑等に設置された裏込め注入材製造プラントから、裏込め注入材料をシールド機までポンプによって圧送する際にセメントの硬化による圧送用配管内での流動性の低下や詰まりを防止するために、Ａ液中に凝結遅延剤を添加する場合が多く、これにより裏込め注入後に硬化が開始されるように調整している。
【０００５】
裏込め注入材料のＡ液に添加される凝結遅延剤としては、一般的には、有機系ではグルコン酸、グルコヘプトン酸などのオキシカルボン酸やケト酸、オキシカルボン酸やケト酸の塩類、脂肪酸、ショ糖などの糖類、糖アルコール類、リグニンスルホン酸等が用いられ、無機系ではケイフッ化物、リン酸塩、ほう酸塩等が用いられている。
【０００６】
ポンプにより裏込め注入材料を圧送する場合、各種段取り替え、掘進トラブル等により、圧送管内において、一時的に裏込め注入材が停滞することがある。また、掘進停止の理由によっては、停止期間が長期にわたることも考えられる。この場合、従来は、配管内のＡ液を一度すべて排出することで、配管内の固化による配管詰まりを防止していたが、圧送距離が長距離化しつつある昨今では、圧送中のＡ液量は非常に多量であり、毎回、停止ごとに排出、洗浄することは合理的でなく、不経済である。
【０００７】
長距離圧送、および同時注入の場合には、Ａ液が流動性を保持することが求められる時間が長いが、従来のセメント系裏込め注入材料は、一般に流動性保持時間が短く、配管による長距離圧送、および同時注入等が困難である。このため、通常の裏込め注入材料よりもＡ液の流動性を長く保持させるために、通常の裏込め注入材料と比べて、凝結遅延剤の添加量を増量する必要がある。
【０００８】
凝結遅延剤としては、オキシカルボン酸やケト酸、およびその塩等が最も一般的に使用されているが、添加量の増加が、Ａ液の硬化遅延に与える作用は、単純比例的な関係ではない。例えばグルコン酸ナトリウムでは、０．４重量部程度で最も高い流動性を呈するが、これ以上添加した場合は、Ａ液の粘性が増加し、所期の流動性を得ることが困難となるばかりか、Ｂ液とＡ液とを混合した後、初期における強度発現性が低下する。また、Ａ液の粘度を低くすると、材料分離抵抗性が低下してブリーディング量が増加する。この結果、ベントナイト等の増量を余儀なくされていた。
【０００９】
また、凝結遅延剤の内で、脂肪酸、ショ糖などの糖類、糖アルコール類等は、セメント１００重量部に対して、０．０７５〜０．１重量部までの添加量であれば、セメントモルタルの凝結を遅延させることができるが、添加量が０．１重量部を上回ると、Ａ液の急結または瞬結現象を起こして、作業性が著しく低下するなどの間題が指摘されている。
【００１０】
また、無機系の遅延剤では、添加量を非常に多くする必要があり、しかも添加による凝結遅延効果が頭打ちとなることから、Ａ液の使用可能時間を充分に延長することは困難である。
【００１１】
セメント系裏込め注入材料の上記のような欠点を改良したものとして、硬化発現時間の長い、スラグ−石灰系に代表される非セメント系裏込め注入材料がある。しかしながら、これは逆に、注入後において、非流動体（硬化体）になるのに長い時間を要するため、一般の裏込め注入材料としてはほとんど使用されていない。
【００１２】
特開２０００−２６１４３号公報には、セメント系裏込め注入材料のＡ液の流動性や粘性等の経時変化を減少させて長期間に亘って使用可能とするために、マルトースを４０重量％以上含有するデンプン分解生成物を凝結遅延剤として用いることが有効であること開示されている。そして、このデンプン分解生成物をＡ液に配合することによって、Ａ液の経時変化（流動性、粘性等）が少なくなって使用可能時間が延長され、しかもブリーディングに対する抵抗性も大きいことが報告されている。
【００１３】
しかしながら、該デンプン分解生成物を凝結遅延剤として使用する場合には、Ａ液を調製した後、時間が経過すると、Ｂ液と混合した場合のゲル化反応が遅延する傾向を示す。この傾向は、Ａ液の練り置き時間に伴って大きくなり、６〜８時間の練り置き時間で一定値となるが、Ｂ液と混合した場合のゲルタイムは最大で十数秒程度長くなることがある。
【００１４】
一般に、シールド工法における裏込め注入材料は、注入時に適度なゲル状態であることが必要である。最適なゲル化時間は施工現場や施工方法によって異なるが、通常、１５〜２０秒程度であって、その変化が少ないことが望まれる。ゲル化時間が不適切であれば、配管での閉塞、セグメント背面への充填不良等を引き起こしやすく、特にゲル化時間が長すぎると、セグメント背面空間部の漏水と裏込め注入材料との混合により硬化不良を起こしたり、裏込め注入材料がテールシールから切羽前面に漏出してしまい、搬出されるズリが固化するという問題がある。更に、流動性が高いことにより、不要な亀裂、節理等の空隙部への浸透現象を引き起こすことも問題となる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の主な目的は、長期間に亘って良好な流動性を維持でき、ブリーディングに対する抵抗性が大きく、しかもＡ液を調製した後、長期間経過した場合にも、Ｂ液と混合した際のゲル化反応の遅延現象が少ない裏込め注入材料を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記した如き問題点に鑑みて鋭意研究を重ねた結果、デンプン分解生成物とオキシカルボン酸又はその塩との混合物を裏込め注入材料のＡ液の凝結遅延剤として用いることにより、Ａ液の経時変化が減少して長期間に亘って良好な流動性を維持でき、ブリーディングも生じ難くなり、更に、Ａ液とＢ液とを混合した際のゲル化反応の遅延現象を抑制することが可能となることを見出し、ここに本発明を完成するに至った。
１．  （１）デンプン分解生成物、並びに
（２）オキシカルボン酸及びその塩から選ばれた少なくとも一種の成分
を含有することを特徴とする裏込め注入材料用凝結遅延剤。
２．  （１）デンプン分解生成物１００重量部、並びに
（２）オキシカルボン酸及びその塩から選ばれた少なくとも一種の成分１０〜６００重量部
を含有することを特徴とする裏込め注入材料用凝結遅延剤。
３．  デンプン分解生成物が、マルトースを４０重量％以上含有するものである上記項１又は２に記載の裏込め注入材料用凝結遅延剤。
４．  オキシカルボン酸及びその塩から選ばれた少なくとも一種の成分が、グルコン酸及びその塩から選ばれた少なくとも一種の化合物である上記項１〜３のいずれかに記載の裏込め注入材料用凝結遅延剤。
５．  上記項１〜４のいずれかに記載の凝結遅延剤１００重量部、及び水５〜２００重量部を含有することを特徴とする裏込め注入材料用凝結遅延剤溶液。
６．  上記項１〜４のいずれかに記載の凝結遅延剤を含有することを特徴とする裏込め注入材料。
７．  セメント１００重量部、粘土鉱物５〜６０重量部、及び凝結遅延剤０．３〜４重量部を含有することを特徴とする上記項６に記載の裏込め注入材料。
８．  上記項６又は７に記載の裏込め注入材料からなるＡ液を圧送し、水ガラスを主成分とするＢ液と混合し、硬化させることを特徴とする裏込め注入方法。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の裏込め注入材料用凝結遅延剤は、（１）デンプン分解生成物、並びに（２）オキシカルボン酸及びその塩から選ばれた少なくとも一種の成分（以下、「オキシカルボン酸化合物」といことがある）、を含むものである。
【００１８】
この様な凝結遅延剤を用いることによって、Ａ液の経時変化、特に、流動性や粘性の変化を少なくすることが可能となる。更に、Ａ液の調製後、長期間経過した場合にも、Ｂ液と混合した際のゲル化反応の遅延現象を抑制することができる。
【００１９】
本発明の凝結遅延剤の有効成分の内で、デンプン分解生成物については、Ａ液の経時変化（流動性、粘性等）を減少させて使用可能時間を延長させる作用を有するが、これを単独で凝結遅延剤として用いると、Ａ液の調製後、長期間経過した場合にＢ液と混合した際のゲル化時間が長くなるという傾向がある。
【００２０】
一般に、裏込め注入材料のＡ液とＢ液を混合した場合に生じるゲル化現象は、Ａ液中に存在するＣａ2+イオンとＢ液中に存在するＳｉＯ32-とが荷電置換することによって不安定化して生じるものと考えられている。ここで、同一材料を用いた場合には、ゲルタイムは、Ｃａ2+イオンとＳｉＯ32-イオンの存在比に影響され、Ｃａ2+イオンが相対的に多くなるとゲルタイムは短くなり、逆の場合にはゲルタイムが長くなる傾向がある。
【００２１】
上記したデンプン分解生成物は、セメント水和によって液相に形成されるＣａ2+イオンと錯塩を形成し、これによりＡ液中のＣａ2+イオン量が減少させるものと考えられている。この反応は、時間の経過と共に進行し、平衡に達する迄に６〜８時間程度を要する。従って、Ａ液調製後、早期に溶出したカルシウムイオンは、徐々に減少していくと同時にゲルタイムが長くなり、６〜８時間経過後に一定のゲルタイムとなるものと推測される。
【００２２】
一方、本発明の凝結遅延剤のもう一方の有効成分であるオキシカルボン酸化合物は、セメント粒子に吸着してセメントの水和自体を阻害することによって、Ａ液の経時変化を抑制する作用を発揮するものと考えられているが、Ａ液の長期間使用を可能とするために添加量を増加させると、１日後までの初期段階ではＡ液の粘性が増加して、所期の流動性を得ることが困難となり、圧送負荷が大きくなる。更に、１日以後になると、逆に粘性が低下してブリーディングが生じ易くなるという傾向がある。
【００２３】
本発明によれば、Ａ液に配合する凝結遅延剤の有効成分として、デンプン分解生成物とオキシカルボン酸化合物という二種類の成分を組み合わせて用いることによって、上記した各成分の欠点が相殺され、長期間に亘ってＡ液の良好な流動性を維持でき、ブリーディングに対する抵抗性が向上し、しかもＡ液を調製した後長期間経過した場合にも、Ｂ液と混合した際のゲル化時間の遅延現象が少ない凝結遅延剤が得られる。
【００２４】
本発明の凝結遅延剤では、デンプン分解生成物とオキシカルボン酸化合物の配合割合については特に限定的ではないが、通常、デンプン分解生成物１００重量部に対して、オキシカルボン酸及びその塩から選ばれた少なくとも一種の成分を１０〜６００重量部程度用いることが好ましく、４０〜２５０重量部程度用いることがより好ましく、４０〜１５０重量部程度用いることが更に好ましい。上記した配合割合の範囲内で用いる場合には、特に、Ａ液の経時変化が小さくなって良好な流動性を長時間維持でき、Ｂ液と混合した場合のゲル化時間の遅延現象が非常に少なく、しかもブリーディングに対する抵抗性も大きいという良好な結果が得られる。
【００２５】
本発明の凝結遅延剤では、上記した各成分の添加による効果を損なわない程度に、上記成分以外の凝結遅延剤成分を含有することもできる。この場合、他の凝結遅延剤成分は、凝結遅延剤全体の５重量％程度以下とすることが好ましい。
【００２６】
本発明の凝結遅延剤に配合するデンプン分解生成物は、マルトースを含有するものであることが好ましい。デンプン分解生成物中のマルトースの割合は、特に限定的ではないが、４０重量％程度以上であることが好ましく、６０重量％以上であることがより好ましく、８０重量％以上であることが一層好ましい。デンプン分解生成物の１００重量％をマルトースが占めていてもよい。また、デンプン分解生成物中におけるショ糖またはフラクトースの割合が多いと、凝結遅延剤の添加量を増大させたときに、異常凝結を起こしやすくなる。このため、デンプン分解生成物におけるショ糖とフラクトースの合計量は、５重量％以下が好ましく、実質的に含まれないことが最も好ましい。
【００２７】
デンプン分解生成物中に含まれる上記した糖類以外の糖類としては、例えば、マルトトリオース等の三糖類、テトラオース等の四糖類等が好ましい。
【００２８】
本発明の凝結遅延剤に配合するオキシカルボン酸化合物としては、グルコヘプトン酸、グルコン酸、ガラクトン酸、粘液酸、クエン酸、アラボン酸、エリスロン酸、酒石酸、リンゴ酸、トレオニン、グリセリン酸、グリコール酸等のオキシカルボン酸；これらのオキシカルボン酸のナトリウム塩、カルシウム塩等の塩等を例示できる。本発明では、これらのオキシカルボン酸及びその塩から選ばれた少なくとも一種の成分を用いればよい。これらの成分の内で、特に、グルコン酸及びその塩から選ばれた少なくとも一種の成分が好ましい。
【００２９】
本発明の凝結遅延剤は、デンプン分解生成物とオキシカルボン酸化合物を予め混合してＡ液に添加しても良く、或いは、両者を別々にＡ液に添加しても良い。また、デンプン分解生成物とオキシカルボン酸化合物を予め水に溶解して凝結遅延液を調製し、これをＡ液に添加しても良い。凝結遅延液を調製する場合には、水の使用量は特に限定的ではないが、通常、凝結遅延剤１００重量部に対して、水を５〜２００重量部程度用いればよい。
【００３０】
本発明の裏込め注入材料におけるＡ液は、上記した凝結遅延剤を含有するものであり、その他の成分としては、従来の裏込め注入材料におけるＡ液と同様で良く、通常は、セメント、粘土鉱物等が含まれる。これらの各成分の配合割合は、センメント１００重量部に対して、粘土鉱物５〜６０重量部程度及び凝結遅延剤０．３〜４重量部程度とすることが好ましく、凝結遅延剤の配合量は、０．５〜２重量部程度とすることがより好ましい。Ａ液の残部は水であり、通常、セメント１００重量部に対して、２５０〜４５０重量部程度とすればよい。
【００３１】
Ａ液に配合するセメントとしては、普通ポルトランドセメント、高炉セメント等が好ましい。粘土鉱物としては、ベントナイトが特に好ましいが、カオリナイト等の粘土鉱物も使用できる。粘土鉱物の割合は、１０〜４０重量部程度が更に好ましい。また、ブリーディングを抑制する効果が得られるものであれば、無機系の粉末についても、粘土鉱物との置き換えあるいは混合使用することが可能である。例えば、石炭灰、石灰石粉末、下水汚泥等が使用可能である。
【００３２】
Ａ液には、更に、流動性の改善、粘度の低減などを目的として、減水剤、ＡＥ減水剤、高性能減水剤、高性能ＡＥ減水剤等のコンクリート用混和剤を配合することができる。この様なコンクリート用混和剤としては、例えば、ポリカルボン酸、その塩類、リグニン系化合物、ナフタレン系化合物、メラミン系化合物、芳香族アミノスルホン酸系化合物等を例示でき、特に、粘性を下げる効果が大きい点でナフタレン系化合物が好ましい。コンクリート用混和剤の使用量は、本発明の裏込め注入材料の効果を阻害しない範囲において適宜決定すれば良く、通常、凝結遅延剤１００重量部に対して１〜１５０重量部程度とすればよい。
【００３３】
本発明の裏込め材料で用いるＢ液としては、水ガラス又は水ガラスを水で希釈した溶液を用いることができる。
【００３４】
水ガラスとしては、ＳｉＯ2／Ｎａ2Ｏの重量比が２．５以上のものを用いることが好ましく、例えば、水ガラス２号の一部、水ガラス３号、４号等を好適に使用することができる。水ガラスを水で希釈する場合には、５０重量％程度以上の水ガラスの濃度とすることが好ましい。水ガラスを希釈するとゲル化時間が短くなり、強度も低下する傾向があるが、５０重量％程度までの水ガラスの濃度であれば、ゲル化時間、強度等について、要求される特性を満足することができる。
【００３５】
本発明の裏込め材料は、Ａ液とＢ液を別個に調製し、それぞれを圧送して、使用前に混合し、施工対象の空隙部に充填し硬化させることによって施工することができる。
【００３６】
この際のＡ液とＢ液の混合割合は、特に限定的ではないが、例えば、Ａ液：Ｂ液（容量比）＝９８：２〜８０：２０程度とすればよい。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、以下の様な優れた効果が奏される。
（１）Ａ液の経時変化を抑制して長期間に亘って良好な流動性を維持することが可能となり、ブリーディングに対する抵抗性も向上する。
（２）Ａ液を調製した後、長時間経過後にＢ液と混合する場合にも、ゲル化時間の増加が少なく、裏込め注入材の硬化遅れによる支障が殆ど生じない。
【００３８】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明する。
【００３９】
実施例１〜１６及び比較例１〜２
下記表１に示す割合でデンプン分解生成物とグルコン酸ナトリウムを混合して、裏込め注入材料用凝結遅延剤を調製した。デンプン分解生成物としては、マルトース８０重量％とその他の糖分（マルトトリオース及びテトラオース）２０重量％からなるデンプン分解生成物を用いた。
【００４０】
【表１】
0003766889.tif 000002
【００４１】
上記した凝結遅延剤を用いて、下記表２に示す組成の裏込め注入材料のＡ液を調製した。
＊セメント：
普通ポルトランドセメント（住友大阪セメント社製）
＊粘土鉱物
ベントナイト（Western Gel（商標名、ワイオミング州産））
＊練り混ぜ水：水道水
【００４２】
【表２】
0003766889.tif 000003
【００４３】
上記した各裏込め注入材料について、下記の方法でゲルタイム、粘度及びブリーディング率の経時変化を求めた。測定結果を下記表３に示す。
＊ゲルタイム
Ａ液の各成分を混合した後、Ａ液の練り上がり直後、３時間後、６時間後及び１日後にＢ液と混合した場合のゲルタイムをカップ倒立法によって測定した。
【００４４】
Ｂ液としては、４号水ガラス（東洋珪酸曹達（株）製）を使用し、Ａ液９２０リットルに対して、Ｂ液を８０リットル用いた。
【００４５】
ゲルタイムの評価基準は、Ａ液調製直後のゲルタイムと１日後のゲルタイムの差が３秒以下の場合を○、３〜５秒の場合を△、５秒を上回る場合を×とした。＊粘度
Ａ液の各成分を混合した後、Ａ液の練り上がり直後、１日後及び２日後に、単一円筒型回転粘度計を用いてＡ液の粘度を測定した。
【００４６】
粘度の評価基準は、Ａ液調製２日後の粘度が１５００ｃｐ以下の場合を○、１５００〜３０００ｃｐの場合を△、３０００ｃｐを上回る場合を×とした。
＊ブリーディング率
Ａ液の各成分を混合した後、１日後及び２日後に、１０００ｃｃメスシリンダーを用いて、上澄み液の量からブリーディング率を求めた。
【００４７】
ブリーディングの評価基準は、Ａ液調製２日後のブリーディング率が８％以下の場合を○、８〜１０％の場合を△、１０％を上回る場合を×とした。
【００４８】
【表３】
0003766889.tif 000004
【００４９】
以上の結果から明らかなように、本発明の裏込め材料は、流動性が良好でブリーディングが少なく、Ａ液の練り上がり後１日経過時にＢ液と混合した場合にも、ゲル化反応の遅延現象が非常に少ないものであった。
【００５０】
これに対して、凝結遅延剤を用いない比較例１では、Ａ液が短時間で硬化し、凝結遅延剤としてデンプン分解生成物のみを用いた比較例２では、Ａ液の練り上がり後１日経過時にＢ液と混合すると、ゲル化時間が非常に長くなった。