JP4484644B2 - 吹付材及び吹付材の施工方法 - Google Patents

Description

本発明は、トンネルや構築物の表面に吹付けて強固な壁体面を形成する為のセメント系の吹付材及び吹付材の施工方法に関する。

トンネルや構築物で用いるセメント系の吹付材は、結合相であるセメントに急結性を付与するためのカルシウムアルミネート、アルミン酸ナトリウム、硫酸アルミニウム等の急硬成分が配合されている。この配合物にそのまま水を加えると、注水直後から急速に凝結するため、予調合して練り置きすることができず、また注水後は直ちに吹付ける必要があるなど実作業で多大な制約が生じる。このため、急硬成分とそれ以外の成分に水を加えた混練物とを分離調整し、吹付け直前に両者を混合することで作業上の制約を大幅に軽減し、吹付材としての性状・品質を安定に確保することが行われてきた。一方で、このような吹付材を吹付け施工すると、大量の跳ね返り（リバウンド）が発生し、無駄になる吹付材の量は尋常ではない。リバウンド発生の抑制方法として、シリカフュームやグラファイトなどの無機微粉末を急硬成分に加えて使用することも知られている。（例えば、特許文献１参照。）

しかるに、水を加えたセメント混練物側に無機微粉末を加えると、作業性に支障が生じるほど粘性が増すことがあり、水量増加により粘性低下を図ると急結性や強度発現性が低下する。一方、急硬成分側に無機微粉末を添加配合すると、特に無機微粉末が施工時に飛散浮遊し、粉塵化し易い。液状化した急硬成分を使用する（例えば、特許文献２参照。）ことで粉塵発生を防ぐことができるが、水で液状化したものは急硬成分の水和が進むため施工時の急硬性が低下し易い。粉塵発生防止に有効であることが知られている増粘剤を併用すると、水性スラリー環境下でないと増粘作用が十分発揮できないものが多いことに加え、増粘剤で粉塵発生を完全に防ぐには大量の増粘剤の投下を必要とするため、スラリー粘性がかなり高くなって圧送や吹付け時に目詰まりを起こし易く、また混合時の抵抗が増して不均一な吹付材しか得られない虞があった。
特開２０００−２１９５５５号公報 特開２０００−３０２５０３号公報

本発明は、粉塵発生やリバウンドを抑制でき、吹付け後は崩落を起こすことのない強固な壁体面を速やかに形成することができるセメント系の吹付材及び吹付材の施工方法を提供することを課題とする。

本発明者らは、課題解決を図る上で、急結成分に強い急硬作用を有するカルシウムアルミネートを用い、該急結成分をスラリー化し、スラリー化の媒体として、カルシウムアルミネートに不活性な二価の低級アルコールを用い、これに無機微粉末を添加すると、比較的長時間分離沈降が起り難く、液状の為、粉塵発生がなく、またリバウンド抑止効果も創出され、所望の吹付性状を保ちつつ、強固な壁体面を速やか且つ容易に形成できるという知見を得、本発明を完成させた。

即ち、本発明は、以下の（１）〜（３）で表す吹付材及び（４）〜（５）で表す吹付材の施工方法である。（１）カルシウムアルミネート、二価の低級アルコール及び二価の低級アルコールに不活性なＢＥＴ比表面積１０ｍ²／ｇ以上の無機粉末を含有してなるスラリーと、セメント及び水を含有してなるスラリーからなる吹付材。（２）二価の低級アルコールがエチレングリコールである前記（１）の吹付材。（３）さらに分散剤を含有してなる前記（１）又は（２）の吹付材。（４）カルシウムアルミネート、二価の低級アルコール及び二価の低級アルコールに不活性なＢＥＴ比表面積１０ｍ²／ｇ以上の無機粉末を含有せしめたスラリーを、セメント及び水を含有せしめたスラリーに混合し、この混合物を吹付けることを特徴とする吹付材の施工方法。（５）さらに分散剤を少なくともセメント及び水を含有せしめたスラリーに含有させることを特徴とする前記（４）の吹付材の施工方法。

本発明によれば、リバウンドや粉塵の発生が著しく低減された吹付材を容易に得ることができ、しかもこの吹付材は吹付け後に液垂れや剥落が無く強固な壁体面を速やかに形成することができる。また、本発明による吹付材は２種のスラリーを混合する手法を用いるため、各スラリーは調整後、比較的長時間練り置きすることも可能であることから施工作業上の制約も大幅に軽減できる。

本発明の吹付材は、急硬成分を主体とするスラリー（以下、スラリーＡと称す。）とセメントを主体とするスラリー（以下、スラリーＢと称す。）からなる。スラリーＡ中で急硬成分として使用するカルシウムアルミネートは、ＣａＯとＡｌ₂Ｏ₃を主要化学成分とする化合物、固溶体、ガラス質若しくはこれらの何れかが混合した物の総称であって、水和活性を有するものなら限定されず。例えば、１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃、ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃、３ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃、１１ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃・ＣａＦ₂、４ＣａＯ・３Ａｌ₂Ｏ₃・ＳＯ₃などを挙げることができる他、これらの化学成分を有効成分とする組成物であっても良い。カルシウムアルミネートの粒度は制限されないが、好ましくはＢＥＴ比表面積０．８〜５ｍ²／ｇ、より好ましくは１．０〜３．０ｍ²／ｇとする。ＢＥＴ比表面積０．８ｍ²／ｇ未満では反応活性が低く、所望の急結性が得られ難くなり、また５．０ｍ²／ｇを超えると分散性の低下、スラリー圧送抵抗の増加及び製造コストの高騰をまねくことがある。

スラリーＡでスラリー化に用いる液体は、カルシウムアルミネートとの活性が著しく低く、カルシウムアルミネートの分散性も良好で、状態が安定したスラリーが得られることから、二価の低級アルコールとする。二価の低級アルコールであれば何れのアルコールでも用いることができるが、好ましくは、急結性や強度発現性が共に極めて優れたものが見られることからエチレングリコールを使用する。二価の低級アルコールをスラリーの液分とし、後述の特定比表面積の無機粉末と併用することで、長期保存した場合に生じ易い分離沈降が生じた際の沈降物が締まって固くなる現象を十分抑制する作用がある。

またスラリーＡには、二価の低級アルコールに不活性なＢＥＴ比表面積１０ｍ²／ｇ以上の無機微粉末も使用する。該無機微粉末は吹付材のリバウンド抑制作用があることに加え、スラリーの固液分離化を抑制することもできるので、スラリーＡの練り置き製造も可能にする。使用する無機微粉末は二価の低級アルコールに不活性でＢＥＴ比表面積が１０ｍ²／ｇ以上の微粉末で、当該スラリーに使用するカルシウムアルミネートとは異なる微粉末であれば限定されない。使用可能な無機微粉末を例示すると、シリカフューム等のポゾラン反応性物質、フュームドシリカ、珪石、非含水珪酸塩鉱物、アルミナ、石灰石などの超微粉を挙げることができ、二種以上を併用しても良い。より好ましくは、ＢＥＴ比表面積が１０ｍ²／ｇ以上のシリカフュームやフュームドシリカを使用すると良い。ＢＥＴ比表面積が１０ｍ²／ｇ未満の無機粉末では、リバウンド抑制作用が得られ難くなるので好ましくない。無機微粉末のＢＥＴ比表面積の上限は特には制限されないが、良好な分散性の確保と製造コスト高騰を避ける上で概ね５００ｍ²／ｇとするのが望ましい。

スラリーＡ中の前記各成分の含有量は、カルシウムアルミネート１００重量部に対し、無機微粉末１〜１００重量部が好ましい。該無機微粉末１重量部未満ではリバウンド抑制効果が得られ難く、１００重量部を超えるとカルシウムアルミネートの含有比率が相対的に低下するため大量のスラリーＡの使用が必要となり、吹付け後の付着性や耐久性が低下することがある。また、二価の低級アルコールの含有量はスラリー状態になる範囲で適宜選定すれば良い。好適な例を示すと、カルシウムアルミネート１００重量部に対し、２０〜２００重量部である。２０重量部未満ではスラリー化が困難になり、混合や粉末分散に支障を生じる程の高粘性となることがあり、２００重量部を超えるとスラリー中の速硬成分が稀薄され過ぎて実用性に欠ける。スラリーＡは、カルシウムアルミネートの変質を防ぎ急硬性を堅持する為に水を含まないものが望ましく、例え不可避的に含まれる場合でも１重量％以下とする。

スラリーＡは、本発明の効果を喪失しない範囲で、前記以外の成分を含むことができ、例えば、アルカリ又はアルカリ土類の金属の炭酸塩や分散剤等を挙げることができるが、カルシウムアルミネートの変質を防ぎ急硬性を堅持する為に水を含まないものが望ましい。また、練り置き時間を確保したい場合は水硬性乃至潜在水硬性物質を含まないものが望ましい。分散剤を含む場合は、その化学成分は限定されないが、好ましくは有機溶媒中で多少とも分散作用があるものを使用すると良い。分散剤を使用する場合はカルシウムアルミネート１００重量部に対し、０．１〜３．０重量部配合するのが好ましい。

また、本発明で用いるスラリーＢは、少なくともセメントと水から形成される水性のスラリーである。セメントは水硬性のものなら特に限定されるものではなく、例えば、普通、早強、超早強、中庸熱、低熱等の各種ポルトランドセメント、高炉セメント、シリカセメント、フライアッシュセメント、高ビーライトセメント等の各種混合セメント、アルミナセメント、エコセメント等の特殊セメントなどを挙げることができる。好ましくは、アルミナセメントなどのカルシウムアルミネートを主成分とするセメント以外のセメントを使用する。

スラリーＢにはセメントと水以外の成分も本発明の効果を喪失しない限り含むことができ、例えば、減水剤、高性能減水剤、ＡＥ減水剤、高性能ＡＥ減水剤などの分散剤類、天然や人工の細骨材、繊維、増粘剤、スラグ微粉等の潜在水硬性物質、凝結遅延剤、膨張材、収縮低減剤、止水材、材料分離防止剤、反射又は発光粒、顔料等を挙げることができる。好ましくは、減水剤や高性能減水剤などの分散剤類を含むものが良い。より好ましくは金属、炭素、高分子化合物等からなる繊維と分散剤類を含むものが良い。分散剤類を含むと分散作用が得られる他、低水比にできることから急結性を損なわず、吹付け後の壁面や天井面からの液垂れを抑制できる。特に、スラリーＢが分散剤を含むことによって、スラリーＡとＢからなる本発明の吹付材の混合性が高まり易くなり、均質な吹付物が得られることからより好ましい。また、本発明ではスラリーＡとＢの両者に分散剤が配合使用されていても構わない。また、繊維を含むことによって増粘成分を多用することなく吹付け時の付着性を向上できる。尚、スラリーＢを調合後に、練り置きする場合は、練り置きが短時間なら分散剤の使用で十分であるが、例えば１時間以上の比較的長時間となる場合は例えばオキシカルボン酸塩やアルカリ金属の炭酸塩等のモルタルやコンクリートに使用できる凝結遅延剤を加えるのが適当である。

スラリーＢに使用するセメントと水の量は、セメント１００重量部に対し、水を３０〜６０重量部配合するのが好ましい。水量が３０重量部未満では吹付施工に適した流動性のあるスラリーが得られないことがある。また水量が６０重量部を超えると急結性の低下や強度発現性が高まらないことがある。また、分散剤類を併用する場合はセメント１００重量部に対し、０．２〜２．０重量部、骨材を使用する場合はセメント１００重量部に対し、９０〜６００重量部をそれぞれ配合するのが推奨される。

本発明の吹付材は、前記スラリーＡとＢを混合すれば良い。混合方法は限定されず任意の混合手法で行うことができる。スラリーＡとＢの混合量は、重量比でＡ／Ｂ＝０．０１〜０．１５が好ましい。Ａ／Ｂの重量比が０．０１未満では急結性が不足するため好ましくなく、Ａ／Ｂの重量比が０．１５を超えると水和発熱が高くなり、温度ひび割れ発生の原因となることがあるため好ましくない。

また、本発明の吹付材の施工方法は、少なくともカルシウムアルミネート、二価の低級アルコール及び二価の低級アルコールに不活性なＢＥＴ比表面積１０ｍ²／ｇ以上の無機粉末を混合し、必要に応じてこれら以外の成分も加えて混合し、非水性のスラリーを作製する。このようなスラリーには前記のスラリーＡが充当し、混合に供する各成分の詳細とその使用量は前記のスラリーＡに準ずる。また、このスラリーとは別に、少なくともセメントと水を混合し、好ましくは分散剤、必要に応じてこれら以外の成分も加えて混合し、水性のスラリーを作製する。このようなスラリーには前記のスラリーＢが充当し、混合に供する各成分の詳細とその使用量は前記のスラリーＢに準ずる。次に両スラリーを混合する。混合方法はスラリー毎に分別したタンクなどのスラリー貯蔵部から各スラリーをポンプや圧送用空気媒体等を用いて輸送し、輸送途中若しくは吹付装置の噴出部で両スラリーを合流させれば良い。スラリー合流方法は、輸送途中の合流を行う場合は、例えばＴ字管や二重管を用いた公知の手法が利用できるが限定されるものではない。また吹付装置の噴出部で合流を行う場合は、吹付装置のノズル内で噴出直前に合流させたり、また各スラリーを別個のノズルからそれぞれ噴出して噴出直後に気中合流させても良い。吹付装置の構造は、採用するスラリー合流形式や施工環境に応じて適宜選定すれば良く、特に限定されない。吹付材形成のための両スラリーの混合量比は、前記のスラリーＡとＢの重量比と同様の値、即ち、Ａ／Ｂ＝０．０１〜０．１５にする。

以下、実施例により本発明を具体的に詳しく説明する。
［スラリーＡの作製］ 次に表すＳ１〜Ｓ３から選定されるカルシウムアルミネート材料、Ｄ１〜Ｄ５から選定される液体、Ｅ１〜Ｅ６から選定される材料及びＦ１〜Ｆ２から選定される材料を、表１に記した配合量となるようモルタル混練用ハンドミキサーで約５分間混合し、スラリーＡ（本発明に関わるＡ−１〜Ａ−８、本発明との比較の為のＡ−９〜Ａ−１５）を２リットルずつ作製した。
Ｓ１；カルシウムアルミネートＩ（ＣａＯとＡｌ₂Ｏ₃を１２：７のモル比に混合した紛末を電気炉で約１６００℃加熱後炉内徐冷し、これをＡ粉砕した試製品。１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃の結晶が実質１００％からなる。ブレーン比表面積約４０００ｇ／ｃｍ²）
Ｓ２；カルシウムアルミネートＩＩ（ＣａＯとＡｌ₂Ｏ₃を２．２：１のモル比に混合した紛末を電気炉で約１６００℃加熱後、乾式急冷して得た試製品。ガラス化率１００％、ブレーン比表面積約４０００ｇ／ｃｍ²）
Ｓ３；アルミナセメント（太平洋マテリアル株式会社製）
Ｄ１；モノエチレングリコール（市販試薬）
Ｄ２；プロピレングリコール（市販試薬）
Ｄ３；エチルアルコール（市販試薬）
Ｄ４；ブチルアルコール（市販試薬）
Ｄ５；水（上水）
Ｅ１；シリカフューム（ＢＥＴ比表面積１５ｍ²／ｇ、中国産）
Ｅ２；フュームドシリカ（ＢＥＴ比表面積２００ｍ²／ｇ、日本アエロジル株式会社製）
Ｅ３；珪石粉末（ＢＥＴ比表面積３ｍ²／ｇ）
Ｅ４；珪石粉末（ＢＥＴ比表面積０．９ｍ²／ｇ）
Ｅ５；酸化アルミニウム粉末（ＢＥＴ比表面積１３ｍ²／ｇ、市販試薬）
Ｅ６；石灰石粉末（ＢＥＴ比表面積０．９ｍ²／ｇ）
Ｆ１；無水石膏（市販試薬、ＢＥＴ比表面積１．８ｍ²／ｇ）
Ｆ２；炭酸リチウム（市販試薬、ＢＥＴ比表面積０．５ｍ²／ｇ）

［スラリーＢの作製］ 次に表すＣ１〜Ｃ３から選定されるセメント、Ｍ１〜Ｍ５から選定されるモルタル・コンクリート用の混和剤（材）及び水を、表２に記した配合量となるようモルタル混練用ハンドミキサーで約５分間混合し、スラリーＢ（Ｂ−１〜Ｂ−７）を１５０リットルずつ作製した。
Ｃ１；普通ポルトランドセメント（太平洋セメント株式会社製）
Ｃ２；早強ポルトランドセメント（太平洋セメント株式会社製）
Ｃ３；高炉セメントＢ種（太平洋セメント株式会社製）
Ｍ１；細骨材（北海道上磯産の砕砂、Ｆ．Ｍ．＝２．８）
Ｍ２；ビニロン繊維（クラレ株式会社製）
Ｍ３；炭酸リチウム（市販試薬）
Ｍ４；ナフタレンスルホン酸系高性能減水剤（商品名「マイティ１００」、花王株式会社製）
Ｍ５；メチルセルロース（信越化学工業株式会社製）

［スラリーの状態変化の確認］ スラリーＡ及びＢは、その作製後は直ちにそれぞれ別個のスラリータンクに移した。各スラリーをスラリータンク内に作製直後から約１時間静置させ、スラリーの状態変化を調べた。目視にてスラリー成分の沈降等の材料分離やスラリー固化が明確に確認できたものについては練り置き性「×」とし、明確な状態変化が見られなかったものについては練り置き性「○」とし、結果をスラリーＡについては表１、またスラリーＢについては表２に表す。

［吹付材の吹付方法］ スラリーの状態変化の確認調査とは別に、作製直後にスラリータンクに移した各スラリーを、練り置きすることなく各タンクから輸送管を通じて吹付け装置にスクイーズポンプで圧送した。スラリーの圧送流量は、スラリーＡが１．０リットル／分、スラリーＢは２２．０リットル／分とし、吹付け装置直前の輸送管をＹ字管構造とし、そこで当該流量にて両スラリーを合流混合させた。混合スラリーはコンプレッサーを用いた圧搾空気により吹付け装置のノズルから噴出量２３．０リットル／分となるよう定速で噴出させ、ノズル先端より約２ｍ先の無勾配の地面上に垂直に設置したコンクリール製の壁面に吹付け角９０度で吹付けた。尚、ノズル先端から壁面までの地面上にはビニール製シートを広範囲に敷きつめた。

［吹付材の吹付結果等］ 前記吹付方法で混合スラリー１００Ｋｇを吹付けた。吹付け終了約１分経過後に壁面の吹付物を指で５秒以上強く押した。目視で確認できる範囲で指圧した吹付物に僅かな変形、亀裂及び剥離の何れも起らず、且つ吹付物の液垂れもなかったものを急結性「有」と判断し、それ以外を急結性「無」と判断した。また、粉塵発生有無は吹付け中に目視で判断し、浮遊粉塵を明確に確認できた場合を粉塵発生「有」とし、それ以外を「無」とした。更に、壁面から剥落した吹付物を除き、吹付け時に壁面から跳ね返って落下した吹付材をシート上から採取した。採取物の重量を測定してＸ（Ｋｇ）とし、Ｘ／１００の値をリバウンド率として算出した。これらの結果を併せて表３に表す。

表３から、本発明の吹付材（本発明品１〜１０）は、何れも良好な急結性を示し、明確な粉塵発生も観察されず、またリバウンド率も著しく低減されていることがわかる。尚、比較のため作製を試みた参考品４については、スラリーＡ（Ａ−１２）が作製直後から凝結が起こり始め、圧送中に大半が固結し、スラリーＢとの合流混合が殆どできず吹付け施工ができなかった。

Claims (5)

1. カルシウムアルミネート、二価の低級アルコール及び二価の低級アルコールに不活性なＢＥＴ比表面積１０ｍ²／ｇ以上の無機微粉末を含有してなるスラリーと、セメント及び水を含有してなるスラリーからなる吹付材。
2. スラリー中の二価の低級アルコールがエチレングリコールである請求項１記載の吹付け材。
3. さらに分散剤を含有してなる請求項１又は２記載の吹付材。
4. カルシウムアルミネート、二価の低級アルコール及び二価の低級アルコールに不活性なＢＥＴ比表面積１０ｍ²／ｇ以上の無機微粉末を含有せしめたスラリーを、セメント及び水を含有せしめたスラリーに混合し、この混合物を吹付けることを特徴とする吹付材の施工方法。
5. さらに分散剤を少なくともセメント及び水を含有せしめたスラリーに含有させることを特徴とする請求項４記載の吹付材の施工方法。