説明

吹付け材料およびそれを用いた吹付け工法

【課題】特定のシリカスラリーと急結剤を吹付けコンクリートに適用することで、粉じん、リバウンドの大幅な低減や、初期と長期の強度向上、さらに、ひび割れ抵抗性の向上が可能な吹付け材料およびそれを用いた吹付け工法を提供する。
【解決手段】(1)SiO成分85質量%以上で粒子径1.0μm以下であるシリカの濃度が5〜60質量%で粘度が100mPa・S以下であるシリカスラリー、急結剤、およびセメントコンクリートを含有してなる吹付け材料、(2)急結剤が、カルシウムアルミネート、アルカリ金属アルミン酸塩、アルカリ金属ケイ酸塩および硫酸アルミニウムから選ばれる少なくとも1種を含有する(1)記載の吹付け材料、(3)セメントコンクリートのスランプフローが40〜90cmである(1)または(2)の吹付け材料、(4)(1)〜(3)のいずれかの吹付け材料を用いる吹付け工法、である。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、主に、土木・建築業界で使用される吹付け材料及びそれを用いた吹付け工法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、トンネル掘削等において、露出した地山の崩落を防止するため、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(特許文献1参照)。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ものである。
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、アルカリ金属アルミン酸塩及びアルカリ金属炭酸塩等の混合物や、カルシウムアルミネートと3CaO・SiOとの混合物等が知られている(特許文献2〜5参照)。
急結剤の添加方法は、通常、空気輸送による粉体混合のため、粉塵量が多くなる方法であった。そのため、吹付け時には保護眼鏡や防塵マスクなどを着用して作業する必要があり、低添加で十分な急結力を有し、粉塵量やリバウンドのより少ない工法が求められていた。
【0003】
急結剤を使用する吹付けコンクリートは、初期強度は向上するが長期強度は急結剤を添加しないベースコンクリートよりも低下する傾向にあり、収縮も大きく乾燥の影響を受けやすい箇所ではひび割れの発生がし易いものであった。また、粉塵発生量が少ない工法として、急結剤を水や液体急結剤でスラリー化してセメントコンクリートに添加混合する方法が提案されているが(特許文献6、7参照)、水/セメント比が増加するので強度が低下する傾向にあった。
そこで、低水セメント比のコンクリートを用いることが検討されたが、低水セメント比のコンクリートは粘性が高くなる傾向があるため、圧送性が好ましくない場合が多く、圧送ホース内でコンクリートが脈動し均一な急結剤の混合ができないという課題があった。また、圧送性をよくするために高流動コンクリートを吹付ける方法もあるが、コンクリートの流動性が良すぎて、急結剤を混合しても地山への付着性が悪く、リバウンドが増加するといった課題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特公昭60−4149号公報
【特許文献2】特開昭64−051351号公報
【特許文献3】特公昭56−27457号公報
【特許文献4】特開昭61−026538号公報
【特許文献5】特開昭63−210050号公報
【特許文献6】特開2007−31166号公報
【特許文献7】特開平10−317671号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明は、特定のシリカスラリーと急結剤を吹付けコンクリートに適用することで、粉じん、リバウンドの大幅な低減や、初期と長期の強度向上、さらに、ひび割れ抵抗性の向上が可能な吹付け材料およびそれを用いた吹付け工法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0006】
すなわち、本発明は、(1)SiO成分85質量%以上で粒子径1.0μm以下であるシリカの濃度が5〜60質量%で粘度が100mPa・S以下であるシリカスラリー、急結剤、およびセメントコンクリートを含有してなる吹付け材料、(2)急結剤が、カルシウムアルミネート、アルカリ金属アルミン酸塩、アルカリ金属ケイ酸塩および硫酸アルミニウムから選ばれる少なくとも1種を含有する(1)記載の吹付け材料、(3)セメントコンクリートのスランプフローが40〜90cmである(1)または(2)の吹付け材料、(4)(1)〜(3)のいずれかの吹付け材料を用いる吹付け工法、(5)圧送されてきたセメントコンクリートに対して急結剤とシリカスラリーを合流混合する(4)の吹付け工法、(6)圧送されてきたセメントコンクリートに対して急結剤とシリカスラリーを別々に合流混合する(5)の吹付け工法、である。
【発明の効果】
【0007】
本発明の吹付け材料を用いることで、粉じんやリバウンドの発生量を大幅に低減することができ、初期と長期強度の向上、さらに、吹付けたコンクリートが緻密化することで、収縮量の低減やひび割れ抵抗性の向上が可能となる。また、流動性の大きなコンクリートを用いても十分な付着性を示すため、低リバウンドの吹付けコンクリートを得ることも可能となる。
【発明を実施するための形態】
【0008】
なお、本発明における部や%は特に規定しない限り質量基準で示す。
【0009】
本発明で使用するセメントとは、普通、早強、超早強、低熱、および中庸熱などの各種ポルトランドセメントや、これらポルトランドセメントに、高炉スラグ、フライアッシュ、またはシリカを混合した各種混合セメント、石灰石粉末や高炉徐冷スラグ微粉末などを混合したフィラーセメント、ならびに、都市ゴミ焼却灰や下水汚泥焼却灰を原料として製造された環境調和型セメント(エコセメント)などのポルトランドセメントが挙げられ、これらのうちの1種又は2種以上が使用可能である。
【0010】
本発明で使用するシリカスラリーとは、微粒子シリカを水でスラリー化したもので、粉じんやリバウンドの低下、強度発現およびひび割れ抵抗性の向上を目的として使用する。
微粒子シリカとしては、特に限定されるものではなく、金属シリコン、フェロシリコン、またはジルコニアを製造する過程で電気炉から発生するフューム(シリカフューム)を捕集する方法、、金属シリコン粉末を分散させたスラリーを高温場に噴射し燃焼、酸化させる方法、あるいは、四塩化ケイ素などのハロゲン化物のように、ガス化したケイ素化合物を火炎中に送り製造する方法などの、いわゆる乾式法で製造されるものや、ケイ酸塩水溶液からのゾルゲル法により沈降生成させ製造する湿式法のいずれの製法で製造されたシリカ粉末を使用する。その中でも、乾式法で製造された微粒子シリカが、凝集(ストラクチャー)が少なく好ましい。
本発明で使用する微粒子シリカは、SiO成分が85%以上であることが好ましく、粒子径は一次粒子の最大粒子径が1.0μm以下が好ましい。一次粒子の最大粒子径が1.0μmを超えるとスラリーの粘性を下げると、分散しないで沈降する場合がある。
本発明の粒子径とはレーザー回折・散乱法によって求めたメジアン径をいう。
【0011】
本発明では、微粒子シリカを水に分散し、シリカスラリーを調製するが、シリカスラリーの濃度は、5〜60%が好ましい。通常、シリカスラリーは、実際に使用する上で、濃度が希薄になるとセメントとの反応性が低下したりすることから、また、経済上から、濃度は30〜60%がより好ましい。シリカスラリーの濃度が、5%未満では、沈降分離し、シリカスラリーの安定性を損なう場合があり、60%を超えるとシリカスラリー中での粉体の密度が高くなり均一に分散することが難しく、高粘度となる場合がある。
本発明で使用するシリカスラリーの粘度は、100mPa・S以下が好ましく、20〜50mPa・Sがより好ましい。100mPa・Sを超えるとポンプ圧送時に圧力がかかる場合がある。
本発明では、水で、微粒子シリカを分散し、シリカスラリーを調製するが、水の数%程度までをアルコール類等の水酸基を有する有機化合物で置き換えることも可能である。
本発明で使用する微粒子スラリーは、水のみでの分散も可能だが、濃度が高い場合にはスラリーの安定性を保つために、pHを3以上、9未満にすることが好ましい。pHが3未満では酸性が強く使用する機器等を腐食する恐れがあり、pH9以上では粒子が凝集しスラリーの粘度が大きくなりゲル化する場合がある。pHを3以上、9未満にするためには、添加剤を使用する。
添加剤としては、硫酸、塩酸、硝酸、およびリン酸等の無機酸、ならびにクエン酸、リンゴ酸、酒石酸、及びグルコン酸等の有機酸又はその塩等が挙げられ、その中でも有機酸又はその塩が好ましい
添加剤の使用量は、微粒子シリカ100部に対し、5部以下が好ましく、2部以下がより好ましい。5部を超えると分散性を阻害する場合があり、経済的にも好ましくない。
【0012】
シリカスラリーの使用量は、セメント100部に対して固形分で0.2〜20部が好ましく、1〜10部がより好ましい。0.2部未満では、効果が発揮できない場合があり、20部を超えると凝集効果が高くなりすぎ閉塞する場合がある。
【0013】
本発明で使用する急結剤とは、カルシウムアルミネート、アルカリ金属アルミン酸塩、アルカリ金属ケイ酸塩、硫酸アルミニウムから選ばれるいずれか1種以上の成分を含有するものである。市販品の使用が可能であり、上記成分が含有するものであれば何れも使用できる。
カルシウムアルミネートを含有するものとしては、例えば、市販のカルシウムアルミネート系粉体急結剤、カルシウムサルホアルミネート系粉体急結剤、それらに水や液体急結剤を混合しスラリー化した急結剤などが挙げられる。
アルカリ金属のアルミン酸塩を含有するものとしては、例えば、市販の無機塩系粉体急結剤、無機塩系液体急結剤などが挙げられる。
アルカリ金属のケイ酸塩を含有するものとしては、例えば、市販のケイ酸ナトリウム、ケイ酸リチウム、ケイ酸カリウムの水溶液である水ガラス類などが挙げられる。
硫酸アルミニウムを含有するものとしては、例えば、市販の硫酸アルミニウムを含有する粉体急結剤、硫酸アルミニウムを含有する液体急結剤などが挙げられる。
【0014】
急結剤の使用量は、通常、市販品であれば、製造元のカタログ、技術資料、施工要領書などに準じて決定する。
【0015】
本発明の吹付け材料に使用するセメントコンクリートは、吹付けが可能であれば特に配合は限定されるものではない。一般的な配合としては、スランプ10cm程度、W/C=60%程度、s/a=60%程度、セメント量360kg/m程度、砂利の最大寸法13mmで実施されている場合が多く、高強度タイプでは、スランプ20cm程度、スランプフローで25〜35cm、W/C=40〜50%程度、s/a=60%程度、セメント量400〜500kg/m程度、砂利の最大寸法13mmで実施されている場合が多い。脈動がなく圧送性が良好なセメントコンクリートとするにはスランプフローで40〜90cmの範囲にある高流動コンクリートの使用が好ましい。
【0016】
セメントコンクリートに使用する骨材は、特に限定するものではなく、市販されているあらゆる骨材の使用が可能であり、吹付け施工に支障をきたさないものであれば問題ない。
【0017】
本発明では、吹付け施工に支障をきたさない範囲で、減水剤、AE減水剤、高性能減水剤、高性能AE減水剤や、セルロースエーテル類、ポリエチレンオキサイド類、多糖類などの増粘剤、消泡剤、防錆剤、防凍剤、収縮低減剤、高分子エマルジョン、凝結促進剤、凝結遅延剤、高分子凝集剤、ベントナイトなどの粘土鉱物やハイドロタルサイトなどのアニオン交換体などの各種添加剤、高炉水砕スラグ微粉末や高炉徐冷スラグ微粉末や石灰石微粉末やフライアッシュやシリカフュームなどの混和材料などからなる群のうちの1種又は2種以上を併用することが可能である。
【0018】
本発明の吹付け方法は、圧送されてくるセメントコンクリートに、シリカスラリーと急結剤を混合したものをセメントコンクリートに合流混合する方式、圧送されてきたセメントコンクリートに、急結剤とシリカスラリーを別々に合流混合する方式で実施する。
圧送されてくるセメントコンクリートに、シリカスラリーと急結剤を混合する方式では、シリカスラリーを送液ポンプで圧送し、急結剤が液体の場合は送液ポンプで圧送し合流混合すればよく、また、急結剤が粉体の場合は、圧縮空気で粉体を圧送し合流混合すればよい。シリカスラリーも圧縮空気でミスト状にして急結剤と混合してもよい。
圧送されてきたセメントコンクリートに対し、急結剤とシリカスラリーを別々に合流混合する方式では、セメントコンクリートに対して、最初に急結剤を混合してからシリカスラリーを送液ポンプで圧送して混合してもよく、逆の混合方法でもよい。この場合も、急結剤が液体であるならば、送液ポンプでセメントコンクリートに直接混合してもよく、圧縮空気でミスト状にして混合してもよい。急結剤が粉体であるならば圧縮空気とともに混合すればよい。シリカスラリーも圧縮空気でミスト状にして急結剤と混合してもよい。
なお、圧送するセメントコンクリートは、急結剤やシリカスラリーを合流混合するときに使用する圧縮空気のみでセメントコンクリートを吹き飛ばし吹付け施工を実施してもよく、急結剤やシリカスラリーが合流混合す手前で、セメントコンクリートに圧縮空気を導入して吹き飛ばし吹付け施工を実施してもよい。
【実施例】
【0019】
「実験例1」
粉末状のシリカを所定量の水に添加しシリカスラリーの調整を湿式粉砕機で行った。スラリーの性状(シリカ固形分濃度(%)、添加剤のシリカ100部に対する使用量(部))を表1に示す。
【0020】
(湿式粉砕機の運転条件)
機種:コトブキ技研工業社製スーパーAPEXミル(SAM−1型)
能力:40l/h
ローター周速:14m/s
粉砕メディア:ジルコニア、粒径0.3mm、充填率60%
【0021】
(使用材料)
シリカA:SiO:82.9%、Al:0.9%、CaO:2.1%、MgO:3.1%、Fe:3.5%、NaO:1.2%、KO:2.5%、粒子径:0.22μm
シリカB:SiO:94.7%、Al:<0.01%、CaO:0.15%、MgO:0.07%、Fe:0.32%、NaO:0.02%、KO:0.01%、粒子径:0.50μm
シリカC:SiO:85.2%、Al:0.83%、CaO:0.51%、MgO:1.66%、Fe:1.45%、NaO:1.25%、KO:1.92%、粒子径:0.41μm
シリカD:SiO:91.8%、Al:0.76%、CaO:0.51%、MgO:1.46%、Fe:1.74%、NaO:0.47%、KO:0.76%、粒子径:1.0μm
シリカE:SiO:91.8%、Al:0.76%、CaO:0.51%、MgO:1.46%、Fe:1.74%、NaO:0.47%、KO:0.76%、粒子径:1.4μm
添加剤:クエン酸、市販品
【0022】
(測定方法)
粘度:温度20℃でB型粘度計を用いて測定した。ローターの回転速度:20rpm。
pH:各固形分になるように調整したシリカスラリーをpHメーターで測定した。
スラリーの安定性:調整したシリカスラリーを温度20℃で1週間貯蔵したときに沈降やゲル化が無ければ安定と評価した。
【0023】
【表1】

【0024】
「実験例2」
各材料の単位量をセメント400kg/m、細骨材1058kg/m、粗骨材710kg/m、水200kg/m、および高性能減水剤4kg/mとして吹付けコンクリートを調製し、この吹付けコンクリートを吹付け圧力0.4MPa、吹付け速度10m/hの条件下で、コンクリート圧送機「MKW−25SMT」によりポンプ圧送した。急結剤を合流するY字管から3m後方の位置で圧縮空気を導入してコンクリート空気搬送した。Y字管の一方より、予め圧縮空気でミスト状にしたシリカスラリーと空気圧送した粉体急結剤Aを混合した状態でセメントコンクリートに合流混合させた。粉体急結剤Aの添加率はセメントに対して10%になるように調整し、シリカスラリーの使用量はセメント100部に対して固形分(部)で表1に示すように調整した。この急結性吹付けコンクリートについてコンクリート圧縮強度、リバウンド率、及び粉塵量、長さ変化率を測定した。結果を表2に示す。
なお、比較のために、粉体急結剤Aのみ添加した場合と、粉体急結剤Aに水を導入しスラリー化したもの(シリカスラリーの代わりに水を使用)の場合、粉体急結剤Aに液体急結剤a(シリカスラリーの代わりに液体急結剤aを使用)を添加してスラリー化したものの場合についても試験を行った。スラリー化するための水の割合は粉体急結剤A100部に対して80部、また、液体急結剤aの割合は、粉体急結剤A100部に対して80部とした。
【0025】
(使用材料)
高性能減水剤:ポリカルボン酸系、市販品
粗骨材:新潟県糸魚川市姫川産川砂利、表乾状態、比重2.66、最大寸法10mm
細骨材:新潟県糸魚川市姫川産川砂利、表乾状態、比重2.62
セメント:普通ポルトランドセメント、市販品
シリカBのスラリー(実験No.1-7):固形分濃度45%の微粒子シリカスラリー、粘度35mPa・S、
粒子径0.5μm
シリカCのスラリー(実験No.1-14):固形分濃度45%の微粒子シリカスラリー、粘度56mPa・S、粒子径0.41μm
シリカDのスラリー(実験No.1-21):固形分濃度45%の微粒子シリカスラリー、粘度66mPa・S、粒子径1.0μm
粉体急結剤A:カルシウムサルホアルミネート系、市販品
液体急結剤a:硫酸アルミニウム系、市販品
【0026】
(測定方法)
コンクリート圧縮強度:材齢24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け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28日の圧縮強度は、幅50cm×長さ50cm×厚さ20cmの型枠に急結性吹付け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。
リバウンド率:急結性吹付けコンクリートを10m/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。その後、(リバウンド率)=(模擬トンネルに付着せずに落下した急結性吹付けコンクリートの量)/(模擬トンネルに吹付けた急結性吹付けコンクリートの量)×100(%)で算出した。
粉塵量:急結性吹付けコンクリートを10m/hの圧送速度で10分間、模擬トンネルに吹付けた。吹付け場所より5mの定位置で粉塵量を粉塵計(柴田化学株式会社、測定範囲0.01〜100mg/m、P−5L型)により測定した。
長さ変化率試験:専用型枠(10×10×36cm)に吹付けて供試体を作製した。材齢1日後脱型し基長を行い、温度20℃、湿度60%の室内で28日間養生後、収縮量を測定した。測定はJIS R 1129−3(ダイヤルゲージ法)に準拠した。
【0027】
【表2】

【0028】
「実験例3」
セメント100部に対してシリカスラリーを固形分で5部とし、急結剤の種類を変えたこと以外は実験例2と同様に行った。
なお、急結剤のセメントに対する添加率を下記に示す。結果を表3に示す。
【0029】
(使用材料)
粉体急結剤B:カルシウムアルミネート系、市販品 添加率:6%
粉体急結剤C:アルカリ金属アルミン酸塩を含有する無機塩系、市販品 添加率:4%
液体急結剤b:アルカリ金属アルミン酸塩を含有する無機塩系、市販品 添加率:7%
液体急結剤c:ケイ酸塩系、3号水ガラス、市販品 添加率:7%
【0030】
【表3】

【0031】
「実験例4」
表4に示すように、セメントコンクリートのスランプフローを変化させたとした以外は実験例2と同様に吹付け試験を実施した。結果を表5に示す。
【0032】
(使用材料)
分離低減剤:セルロースエーテル系分離低減剤、市販品
【0033】
(試験方法)
材齢28日圧縮強度の変動係数:圧縮強度試験は実施例1と同様に実施した。ただし、n数は9とし、平均と標準偏差を求め、変動係数を算出した。
搬送時の圧力差:空気搬送されるコンクリートの脈動は、配管内を流れるコンクリートが希薄になると負荷が小さくなり、濃度が高くなると負荷が大きくなることを利用し、圧力センサーを取り付けて、コンクリートが搬送されている間の最大圧力と最小圧力の差を測定した。つまり、圧力差が小さいほど脈動は少なく安定した搬送がなされており、圧力差が大きいほど脈動は激しくなるという脈動状態の指標となる。測定は、シリカスラリーと空気圧送した粉体急結剤Aのミスト状混合物が合流する直後の位置で行った。
【0034】
【表4】

【0035】
【表5】

【0036】
「実験例5」
セメントコンクリートに対してシリカスラリーと急結剤の混合方法を表6に示すように変化せたこと以外は実験例2と同様に行った。結果を表6に示す。
【0037】
【表6】

【産業上の利用可能性】
【0038】
本発明の吹付け材料を用いることで、粉じんやリバウンドの発生量を大幅に低減することができ、初期と長期強度の向上、さらに、吹付けたコンクリートが緻密化することで、収縮量の低減やひび割れ抵抗性の向上が可能となる。また、流動性の大きなコンクリートを用いても十分な付着性を示すため、低リバウンドの吹付けコンクリートを得ることも可能となることから、土木、建築分野で広範に使用することができる。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
SiO成分85質量%以上で粒子径1.0μm以下であるシリカの濃度が5〜60質量%で粘度が100mPa・S以下であるシリカスラリー、急結剤、およびセメントコンクリートを含有してなる吹付け材料。
【請求項2】
急結剤が、カルシウムアルミネート、アルカリ金属アルミン酸塩、アルカリ金属ケイ酸塩
および硫酸アルミニウムから選ばれる少なくとも1種を含有する請求項1記載の吹付け材料。
【請求項3】
セメントコンクリートのスランプフローが40〜90cmである請求項1または2記載の吹付け材料。
【請求項4】
請求項1〜3のいずれか1項記載の吹付け材料を用いる吹付け工法。
【請求項5】
圧送されてきたセメントコンクリートに対して急結剤とシリカスラリーを合流混合する請求項4記載の吹付け工法。
【請求項6】
圧送されてきたセメントコンクリートに対して急結剤とシリカスラリーを別々に合流混合する請求項5記載の吹付け工法。

【公開番号】特開2010−180108(P2010−180108A)
【公開日】平成22年8月19日(2010.8.19)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−25904(P2009−25904)
【出願日】平成21年2月6日(2009.2.6)
【出願人】(000003296)電気化学工業株式会社 (1,539)
【Fターム(参考)】