(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流動床灰を主構成材料とする硬化材１００重量部に対し、水１００〜２８０重量部及び増粘材を配合したＡ液と、珪酸ソーダ水溶液よりなるＢ液とを混合してなる空洞充填材料であって、増粘剤として無機質粘土鉱物を１ｍ3当たり８０ｋｇ以下、又は有機質増粘剤を１ｍ3当たり５ｋｇ以下の割合で配合したことを特徴とする空洞充填材料。
【請求項２】
流動床灰を主構成材料とする硬化材１００重量部に対し、水１００〜２８０重量部、遅延剤及び増粘材を配合したＡ液と、珪酸ソーダ水溶液よりなるＢ液とを混合してなる空洞充填材料であって、遅延剤は流動床灰に対して１．５重量％以下、増粘剤として無機質粘土鉱物を１ｍ3当たり８０ｋｇ以下、又は有機質増粘剤を１ｍ3当たり５ｋｇ以下の割合で配合したことを特徴とする空洞充填材料。
【請求項３】
Ａ液：Ｂ液＝９０：１０〜６０：４０の体積比で混合してなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の空洞充填材料。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、トンネル、橋台、擁壁、下水道管工事等に使用する空洞充填材料に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
シールド工法・トンネル工事をはじめとする、橋台、擁壁、下水道管等の施工では、構造物を安定に維持するために、土壌と構造物の隙間に空洞充填材料が注入される。従来これらの材料としては、セメント系スラリー液が多く使用されてきたが、最近では注入直後の沈下量を小さくする為に、硬化材と水を混合したスラリー液（Ａ液）と珪酸ソーダー液（Ｂ液）を注入直前に混合し、直ちに強度を得る２液混合型の裏込め材料が多く使用されている。
【０００３】
この２液混合型材料の反応機構は、Ａ液中でのＣａ2+イオンと、Ｂ液の珪酸ソーダー液のＳｉＯ3 2-イオンとのゲル化反応によるものである。したがって、Ａ液作成用の硬化材は、水中でＣａ2+イオンを生成するセメント、生石灰、消石灰、石膏等を単独あるいは混合したものが使用されている。しかし、硬化材としてゲル化反応を起こすだけの材料でＡ液を作成しても、Ｂ液混合後に十分な強度は得られない。そこで、２液性混合型空洞充填材料のように短期強度が要求される材料では、特殊な場合を除いて、必ず硬化材の混合物にセメントが使用されていると言っても過言ではない。
【０００４】
また、最終的な要求強度特性がそれほど高くない場合には、材料費の低減を図る為、硬化材にフライアッシュやスラグ等の産業廃棄物、或いは気泡剤、粘土等のいわゆる増量材を混入する方法も多く利用されている。しかし、この場合でも、短期強度が要求されるために、やはり硬化材中にセメントが配合されるのが一般的である。
【０００５】
一方、流動床灰、すなわち、炉内同時脱硫を兼ねる流動媒体として石灰石が使用される石炭流動層ボイラーから発生する流動床灰は、火力発電所の微粉炭焚ボイラーから発生する石炭灰と比べてかなり発生量が少ない（石炭灰・発生量：５００万ｔ／年程度、流動床灰・発生量：約４０万ｔ／年程度）ものの、石炭灰がセメント原料やコンクリート添加（混和）材として相当量利用されているのに対し、流動床灰は、石灰成分、硫黄成分を大量に含有しており、前記石炭灰と比べて有効利用技術がなく、埋め立て等の廃棄処分にされているのが現状である。
【０００６】
しかも、現在、一般産業用及びプロセス加熱用が主力である石炭流動層ボイラーは、その優れた燃焼方式と事業の大型化等により、今後、適用範囲を広げ、急速に普及していくことが予想され、それに伴って、流動床灰の発生量も大幅に増大することが推定されている。特に、近年、埋め立て地確保の困難化、リサイクル法の施工等により、他の産業廃棄物と同様に、流動床灰もその有効利用技術の確立が強く望まれている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、今後発生量が大幅に増大すると予想されている流動床灰を硬化材として使用し、流動床灰の有効利用を図ると共に、硬化材としてセメントを使用せずとも、あるいは僅かに使用するだけで、安価で従来のセメントと同様に良好な充填特性を示す空洞充填材料を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明は流動床灰と水を混合したＡ液と珪酸ソーダ水溶液からなるＢ液の２液混合型空洞充填材に関して、種々の実験を鋭意検討した結果、得られたものである。すなわち、この発明の空洞充填材によれば、流動床灰を主構成材料とする硬化材１００重量部に対し、水１００〜２８０重量部及び増粘材を配合したＡ液と、珪酸ソーダ水溶液よりなるＢ液とを混合してなる空洞充填材料であって、増粘剤として無機質粘土鉱物を１ｍ3当たり８０ｋｇ以下又は有機質増粘剤を１ｍ3当たり５ｋｇ以下の割合で配合してなること（請求項１）、また、流動床灰を主構成材料とする硬化材１００重量部に対し、水１００〜２８０重量部、遅延剤及び増粘材を配合したＡ液と、珪酸ソーダ水溶液よりなるＢ液とを混合してなる空洞充填材料であって、遅延剤は流動床灰に対して１．５重量％以下、増粘剤として無機質粘土鉱物を１ｍ3当たり８０ｋｇ以下、又は有機質増粘剤を１ｍ3当たり５ｋｇ以下の割合で配合してなること（請求項２）、また、当該請求項１又は請求項２に記載の空洞充填材料は、Ａ液：Ｂ液＝９０：１０〜６０：４０の体積比で混合してなること（請求項３）を特徴とする。以下、この発明を詳細に説明する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
流動層ボイラーでは、石炭燃料粒子を効率よく燃焼させるために、燃料粒子を浮遊させる流動媒体が必要であり、この媒体として、炉内同時脱硫ができる石灰石が使用される。従って、流動床灰の性状は、石炭火力発電所の微粉炭焚ボイラーからから発生する石炭灰（以下、通常の石炭灰という）とは異なり、流動床灰は、石炭の灰分の他に、使用済の脱硫材、すなわち、ＣａＯ分を多量に混入しており、本発明は、このような流動床灰を空洞充填材料の硬化材として用いることを第一の特徴とする。
【００１０】
前記流動床灰のＣａＯ分としては、Ｑｕｉｃｋ  Ｌｉｍｅが最も多く存在するが、その他に非晶質のＣａＯ−ＳｉＯ2 、ＣａＯ−Ａｌ2 Ｏ3 等のセメント前駆体も生成していると推定される。実際、通常の石炭灰スラリーは珪酸ソーダ水溶液とほとんどゲル化反応を起こさないが、流動床灰スラリーは珪酸ソーダ水溶液とゲル化反応を起こす。しかも、生石灰のように単にゲル化反応を起こすのではなく、一部セメント的な働きを起こし強度発現に寄与する。従って、流動床灰は、一般の石炭灰のように増量材としてではなく、硬化材として使用する。
【００１１】
使用する流動床灰は、石炭流動層ボイラーからの発生灰原粉をそのまま使用することができ、また、発生した灰を空気分級機等により平均粒径を２０μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下程度に処理した分級品を使用することにより、後述するＡ液のブリージングを低くすることができる。このような流動床灰は、硬化材中に７０重量％以上であればよく、比較的要求強度特性が低い場合には、流動床灰を１００重量％ととし、配合材料中に全くセメントを配合しなくても良い。また、別の材料特性を改善する場合、例えば、短期強度特性を改善する目的で、セメントを硬化材の３０重量％未満の範囲で混合することもできる。さらに、長期強度特性を向上させたい場合、石炭灰やスラグ粉末等を混入する等、その要求特性に応じて、各種材料、混和剤等を３０重量％未満の範囲で混入することができる。
【００１２】
次に前記流動床灰に水を加えてＡ液とする。水は、流動床灰１００重量部に対して１００〜２８０重量部混合する。この範囲より水分が少ないと、流動性が低下し圧送性に劣るために、またこの範囲より水分が多いと、ブリージング率が高く、強度発現も小さい為に好ましくない。
【００１３】
また、この発明は、所望により遅延剤及び／又は増粘材をＡ液に配合する。流動床灰と水のみ混合したＡ液に、後述するＢ液を混合しても、空洞充填材料として使用することは可能であるが、前述したようにＣａＯ分を多量に含有する流動床灰スラリーからなるＡ液は混合後、発熱を起こし、また可使時間が短い。このＡ液に遅延剤を配合すると、ＣａＯ分中のＱｕｉｃｋ  Ｌｉｍｅは、完全には遅延されず、少しずつ水と反応し、発熱を伴ないながらＣａ（ＯＨ）2 を生成していく。しかし、この反応ではスラリーの粘性は大きく悪化せず、ＣａＯ分中の非晶質のセメント前駆体の反応が遅延される為に、可使時間を１日以上とすることができる。従って、遅延剤を配合したＡ液は、スラリー温度が適当な温度に下がるまで待って使用することにより、Ａ液の可使時間特性が良好になるうえに、Ｂ液混合後、空洞充填部での発熱は全く無く、また良好な強度発現を起こす。
【００１４】
この遅延剤は流動床灰に対して１．５重量％以下、好ましくは、０．３重量％以上１．５重量％以下の割合で配合する。これが、０．３重量％を下回ると、前記効果がほとんどなく、また、遅延剤を１．５重量％より多く配合すると、増粘作用が強くなり、可使時間が逆に短くなるので好ましくない。遅延剤としては、グルコン酸系、クエン酸系、オキシカルボン酸系、有機リン系、スルホン酸系等各種の遅延剤を使用することができる。尚、遅延剤を配合したＡ液を、作成後直ちにＢ液と混合し空洞充填すると、未反応のＱｕｉｃｋ  Ｌｉｍｅ分が充填部内に取り込まれ、発熱膨張を起こし、その後冷却されるに従って収縮し、空洞充填材料が崩壊するので注意を要する。
【００１５】
増粘剤は、Ａ液のブリージング挙動を改善するために添加する。Ａ液のブリージングは、Ｂ液混合後には全く無くなるから、Ａ液のポンプ圧送が可能な程度であれば良く、このための増粘剤として、無機質粘土鉱物や有機質増粘剤のいずれもが使用できる。粘土鉱物としては、ベントナイト、酸性白土等が挙げられ、特にベントナイトが好ましく使用できる。これを１ｍ3 当たり８０ｋｇ以下の範囲で配合すれば、Ａ液のブリージング率は大幅に改善される。なお８０ｋｇより多く配合すると流動性が悪化する為好ましくない。また、有機質増粘剤としてはセルロース系、アミド系、バイオポリマー系等各種ものが使用でき、これを１ｍ3当たり５ｋｇ以内配合する。
【００１６】
次に、珪酸ソーダ水溶液からなるＢ液の混合量は、体積比でＡ液：Ｂ液＝９０：１０〜６０：４０として用いる。Ｂ液がこの範囲より混合量が少ない場合にはゲル化しずらく、また、逆にこの範囲より混合量を多くするとゲル化時間が６０秒以上となり瞬結性注入材料として不適当である為に、それぞれ好ましくない。珪酸ソーダ水溶液としては、ＪＩＳ  Ｋ１４０８によって規定される２号、３号は勿論のこと、ＳｉＯ2 量が２０〜４０％、Ｎａ2 Ｏ量が３〜２０％程度であるものが好適に使用される。
【００１７】
以上説明したこの発明の空洞充填材料は、上記材料の適切な選定、配合、及びこれらの相乗効果作用によって、流動床灰を好適に使用することができ、ブリージング率の少ない、強度の優れた空洞充填材料とすることができる。
【００１８】
【実施例】
以下、実験例に基づき、さらにこの発明を説明する。実験例で使用した材料一覧を表１、各硬化材及び硬化助材の性状を表２に示す。表２に示すように、流動床灰中のＣａＯ含有量は３０．５％、そのうちｆ−ＣａＯは１８．５％であり、その残りのＣａＯ分がセメント前駆体を生成していると推定される。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
【表２】
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【００２１】
実験は、表３に示す配合で２液混合型の空洞充填材料を試作し、Ａ液とＢ液を混合して、直径５cm、高さ１０cmの円柱供試体について、各材令毎の一軸圧縮強度を測定した。又、表３に示した充填材料のＡ液に関し、フロー値、ブリージング率、可使時間、さらに、Ａ液とＢ液の混合液のゲル化時間をそれぞれ測定した。尚、一軸圧縮強度は土質工学会  ＪＳＦ  Ｔ５１１  の試験方法、フロー値はＫＯＤＡＮ  ３０５法により、さらに可使時間はビニール袋に入れた５００mlのスラリーが上下運動を２０回繰り返してもスラリーを均一に混合できなった時間とした。測定結果を表４に示す。
【００２２】
【表３】
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【００２３】
【表４】
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【００２４】
表４において、試験Ｎｏ１〜４中、水／硬化材比が１２０、１５０重量％であるＮｏ２、３の条件では良好な結果が得られている。しかし、水／硬化材比が８０重量％であるＮｏ１の条件では均一に混練できない為、また、水／硬化材比が３００重量％であるＮｏ４の条件では、Ａ液のブリージング率が高く、６０秒ではゲル化しない為に好ましくない。
【００２５】
試験Ｎｏ５〜７において、硬化材に対する遅延剤の量が０．１重量％であるＮｏ５の条件では十分に可使時間が確保できない。そこで遅延剤の量を０．５重量％としたＮｏ６では、Ａ液の可使時間は２４時間以上となり良好な結果が得られた。但し、Ａ液作成後直ちにＢ液を混合すると１日後に供試体は崩壊する。しかし、この場合にはＡ液作成後の経過時間が長くなるほど良好な強度が得られるから、スラリー作成後３時間以上経過したＡ液を使用すれば良好な結果が得られることがわかる。また、遅延剤の量が２．０重量％であるＮｏ７の条件では、可使時間が逆に短くなるので好ましくない。
【００２６】
試験Ｎｏ８〜１１において、ベントナイト配合量が１ｍ3 当たり４０ｋｇ、或いは、メチルセルロース系増粘剤配合量が１ｍ3 当たり５ｋｇである、Ｎｏ８及び１０の条件では良好な結果が得られている。しかし、ベントナイト配合量が１ｍ3 当たり１００ｋｇ、或いはメチルセルロース系増粘剤配合量が１ｍ3 当たり１０ｋｇである、Ｎｏ９、１１の条件では、粘性が高くなりすぎる為に好ましくない。
【００２７】
試験Ｎｏ１２〜１５において、Ａ液とＢ液混合比が１５、３５体積％であるＮｏ１３、１４の条件では良好な結果が得られている。しかし、Ａ液とＢ液混合比が５体積％であるＮｏ１２の条件では均一にゲル化しない為に、また、Ａ液とＢ液混合比が５０体積％であるＮｏ１５の条件ではゲル化時間が６０秒以上となり、瞬結性注入材料として適当でない為に好ましくない。
【００２８】
なお、試験Ｎｏ１６、１７では、硬化材中に早強セメントや、分級フライアッシュを僅かに配合した結果を示しているが、それぞれ良好な結果が得られていることがわかる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明してきたように、この発明の空洞充填材料は、硬化材として流動床灰を使用することにより、従来品よりも安価な材料であり、今後発生量が大幅に増加すると予想される流動床灰の有効利用技術としてトンネル工事等に好適に使用できるものである。