JP5483695B2 - ひび割れ抑制型吹付け材料およびそれを用いた吹付け工法 - Google Patents

Description

本発明は、主に、土木・建築業界で使用される、ひび割れ抑制型吹付け材料及びそれを用いた吹付け工法に関する。

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性吹付けコンクリートによる吹付け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。

近年、吹付け工法に用いるコンクリートは、フライアッシュや高炉スラグといった微粉末の使用、水密性の向上や高強度化を目的として多量のセメントの使用および低水セメント比の配合を用いる場合が増加している。このようなコンクリート配合では、流動性を確保するために減水剤を併用している。吹付け施工は、ポンプ圧送や空気搬送方式でコンクリートを吹き飛ばし施工することから、流動性が高いほど圧送性は良好となり、得られる急結性吹付けコンクリートの品質も向上すると考えられる。
しかしながら、減水剤による流動性のコントロールは、少なすぎれば十分な流動性が得られず、多すぎると材料分離を起こし、ポンプ圧送性に支障がある場合や、吹き付けたコンクリートの付着性も低下させる場合があり、適度な使用範囲を見極める必要があった。
また、耐久性を維持するためには、二次覆工を施工するまでの間、または二次覆工を施工しないシングルシェル構造とする場合は、乾燥によるひび割れの発生を抑制する必要があった。

曲げじん性などの力学的性能の向上やコンクリート片のはく落防止のため、短繊維が使用されている。（特許文献２参照）。また、短繊維の使用例としては、収縮ひび割れの抑制を目的として、補修用のモルタルに使用されている（特許文献３、４参照）。
しかしながら、トンネル建設工事のように、粉じん対策として集塵設備がある場合は常に吹付け面に風が作用するような環境下となり、従来のような繊維を混入しても施工初期段階からの乾燥収縮に対するひび割れを十分に抑制することができない場合があった。
従来の繊維には、繊維径が太く１本の繊維で構成されるモノフィラメントタイプや、１本の繊維自体が１００ミクロン以下と細く、接着成分によって束状にまとめられた収束タイプがある。このような繊維以外にフィブリル化した繊維も知られている（特許文献５、６参照）。特許文献５は、パルプ状多分岐極細繊維を配合した補修モルタルに関するものであり、コテ塗りを行ったときの厚付け性や抗ダレ性について記述しているが、圧縮空気を使ってコンクリートを吹き付ける施工の材料に適用したものではない。また、特許文献６は、アンカー等の素子を定着するためフィブリル化した繊維を使用し、水とセメント成分が分離するのを防止するものであるが、吹付け工法への適用についての記載はない。

特公昭６０−４１４９号公報 特開２００２−１９３６５３号公報 特開２００５−８２４３４号公報 特開２００９−１１４００２号公報 特開２００３−２９２３６１号公報 特開２００８−１３８３６０号公報

本発明は、急結剤を添加する前のコンクリートの材料分離抵抗性を向上させる技術に関するものである。特に、減水剤を多く使用する低水セメント比の吹付けコンクリートにおいて、高い流動性を示すコンクリートでも材料分離抵抗性を有し、良好なポンプ圧送性を実現でき、従来の高分子繊維を使用するよりも繊維使用量を低減しても、施工直後からのひび割れ抵抗性も改善できる吹付け材料および吹付け工法を提供する。

すなわち、本発明は、（１）セメント、骨材、水、フィブリル化した高分子繊維、および急結剤を含有してなる急結性吹付けコンクリートであって、フィブリル化した高分子繊維が、繊維径０．５〜２０μｍ、繊維長４〜４０ｍｍで、急結剤を除くコンクリート１ｍ３中０．００１〜２体積％であることを特徴とするひび割れ抑制型吹付け材料、（２）減水剤を含有する（１）のひび割れ抑制型吹付け材料、（３）急結剤を除くコンクリートのスランプフローが４０〜６５ｃｍである（１）又は（２）のひび割れ抑制型吹付け材料、（４）（１）〜（３）のいずれかのひび割れ抑制型吹付け材料において、急結剤を除くコンクリートを吹付け機で圧送し、吹き付ける途中で急結剤を合流混合することを特徴とする吹付け工法、である。

本発明の吹付け材料を用いることで、流動性が高いコンクリートを用いても材料分離が起きにくく、ポンプ圧送性に優れたコンクリートを得ることができ、従来の高分子繊維よりも繊維量を低減しても、急結剤を混合して吹き付けたコンクリートは施工直後からのひび割れ抵抗性を大幅に改善できる。従って、低コストで、高性能な吹付け部材を得ることが可能となる。

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。

本発明で使用するセメントは、普通、早強、超早強、低熱、及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、ブレーン比表面積で２０００ｃｍ^２/ｇを越える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。

本発明で使用する骨材は、特に限定するものではなく、コンクリートの性能に悪影響を及ぼさない範囲でいずれも使用できる。例えば、川、山（陸）、海から産出する天然骨材や、人工的に製造した人工骨材、重量骨材が挙げられる。

本発明のフィブリル化した高分子繊維とは、繊維の表面から、ごく短い繊維の束（フィブリル）が出ている外部フィブリル化と繊維を構成する各膜層を緩ませて、柔らかくする内部フィブリル化によって得られる高分子繊維である。どちらのタイプも使用できるが、好ましくは、外部フィブリル化によって多分岐状とした繊維の使用が好ましい。種類としては、パルプ繊維、アラミド繊維、ビニロン繊維、アクリル繊維、およびポリエチレン繊維やポリプロピレン繊維などのポリオレフィン繊維がある。これらを１種又は２種以上併用して使用してもよい。これらの中で、密度が小さくコンクリート圧送時の大幅な抵抗増加が起きにくいポリエチレン繊維の使用が好ましい。

フィブリル化した高分子繊維の繊維径は、０．５〜２０μｍが好ましい。０．５μｍ未満では、製造上の機械的エネルギーが大きくコスト高となり不経済であり、２０μｍを越えると、低添加におけるひび割れ低減効果が小さくなる場合がある。
フィブリル化した高分子繊維の繊維長は、４〜４０ｍｍが好ましい。４ｍｍ未満では、材料分離抵抗性を付与できない場合があり、４０ｍｍを越えると練混ぜ時にファイバーボールが発生しやすくなる。
フィブリル化した高分子繊維の添加量は、セメント、骨材、水、フィブリル化した高分子繊維や減水剤を含有するコンクリート（急結剤を除く）１ｍ^３中０．００１〜２体積％が好ましく、０．０１〜１体積％がより好ましい。０．００１体積％未満では、材料分離抵抗性を付与できない場合があり、２体積％を越えると、コンクリートの流動性を保持するのが困難になる場合がある。

本発明で使用する急結剤とは、セメントの凝結を促進しコンクリートに急結性を付与する作用を示すものである。一般的に市販されている急結剤が使用可能である。例えば、カルシウムアルミネート類を含有する急結剤や、リチウム、ナトリウム、カリウムなどのアルミン酸塩を含有する急結剤や、硫酸アルミニウムを含有する急結剤である。カルシウムアルミネート類は、ＣａＯとＡｌ_２Ｏ_３を主成分とするものであり、ナトリウム、カリウム、及びリチウム等のアルカリ金属塩が一部固溶したもの、ＳｉＯ_２を含有するもの、ＳＯ_３を含有するものも含まれる。カルシウムアルミネート類、アルカリ金属アルミン酸塩、硫酸アルミニウムのいずれか含有する急結剤であることが好ましい。
本発明の急結剤の使用量は、セメント１００部に対して、２〜１５部が好ましく、３〜１０部がより好ましい。２部未満では、十分な急結力を得ることができず、１５部を超えると長期強度発現を阻害する場合がある。

本発明で使用する減水剤とは、コンクリートに流動性を付与するものであり、市販されている減水剤（ＡＥ減水剤、高性能減水剤、高性能ＡＥ減水剤）であれば使用できる。
減水剤の種類としては、ポリカルボン酸系、メラミン系、ナフタレンスルホン酸系、リグニンスルホン酸系の減水剤が挙げられる。これらの中で、低添加で高い流動性を得やすいポリカルボン酸系の減水剤の使用が好ましい。
減水剤の使用量は特に限定するものではないが、急結性吹付けコンクリートの強度発現性に悪影響を与えない範囲で使用すればよい。使用する骨材やセメントによっても変化するが、概ねセメントに対して０．５〜３部の範囲で使用する。０．５部未満では、十分な流動性を得ることができない場合があり、３部を越えると強度発現性を阻害する場合がある。

本発明のコンクリートのワーカビリティーは、特に限定するものではないが、スランプフローで測定できないレベル（スランプ値で計測可）の硬さのコンクリートも使用できる。減水剤を加えて、高い流動性を出したコンクリートとしては、スランプフローで４０〜６５ｃｍの範囲が好ましい。６５ｃｍを越えると、コンクリートが軟らかすぎて吹き付けたときの付着性が低下する場合がある。

本発明の吹付け方法は、特に限定するものではないが、圧送されてくるコンクリートに急結剤を吹き付け直前で合流混合して吹き付ける方法であればよい。コンクリートの圧送方式は、たとえば、練り混ぜたコンクリートをホッパーに詰め空気搬送する方式や、練り混ぜたコンクリートをホッパーに詰めピストンポンプでコンクリート圧送し、途中で圧縮空気を導入して空気搬送する方式など何れでもよい。
急結剤は、粉状および液状いずれも使用可能であり、粉状の場合は空気圧送する添加システムを用いればよく、液状の場合はプランジャー方式やピストン方式の液体圧送ポンプを使用すればよい。液状急結剤を添加する場合はコンクリートと合流する手前で圧縮空気を導入してミスト状にしてコンクリートと混合してもよい。

本発明では、本発明の効果に影響を及ぼさない範囲で、消泡剤、増粘剤、防錆剤、防凍剤、収縮低減剤、膨張材、高分子エマルジョン、凝結調整剤、アクリル酸エステルを成分とする可塑剤、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、セメントに加える以外の量の高炉水砕スラグ微粉末、高炉徐冷スラグ微粉末、石灰石微粉末、フライアッシュ、シリカフューム、さらに、γ−ケイ酸２カルシウム、粘土鉱物、セッコウ類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。

「実験例１」
表１に示す配合のコンクリートに、表２、３に示す種類と量（体積％）の繊維を混合し、０．９ｍ^３のコンクリートを製造した。このコンクリートを吹付け圧力０．４ＭＰａ、設定吐出量１０ｍ^３／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を空気搬送した。Ｙ字管の一方より、セメント１００部に対して７部となるように急結剤を空気圧送しコンクリートに合流混合させ急結性吹付けコンクリートとして吹き付けた。急結剤添加前のコンクリートについては、スランプフローとＶロートの流下時間を測定した。急結剤を添加して吹き付けた急結性コンクリートについては、圧縮強度とひび割れ抵抗性を測定した。結果を表２、３に示す。

（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２．６６、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、最大寸法５ｍｍ
セメント：普通ポルトランドセメント、市販品
高性能減水剤：ポリカルボン酸塩系、市販品
急結剤：カルシウムアルミネート系、市販品
繊維Ａ：ポリエチレンフィブリル化繊維（外部フィブリル化によって多分岐状とした繊維）、三井化学社製、銘柄ケミベストＦＤＳＳ−２相当品（平均繊維長を６ｍｍに調整したもの）、繊維径５〜１５μｍ、密度０．９８ｇ／ｃｍ^３
繊維Ｂ：フィブリル化していないポリエチレン繊維、東洋紡績社製、銘柄ダイニーマＳＫ−７１相当品（繊維長６ｍｍに調整したもの）、繊維径５〜１５μｍ、密度０．９７ｇ／ｃｍ^３
繊維Ｃ：フィブリル化していないビニロン繊維、クラレ社製、銘柄ＲＥＣＳ−２、繊維長６ｍｍ、繊維径１４μｍ、密度１．３ｇ／ｃｍ^３、収束タイプ、
繊維Ｄ：繊維Ｃを繊維長２ｍｍにカットした繊維、密度１．３ｇ／ｃｍ^３

（測定方法）
スランプフロー：ＪＩＳ Ａ １１５０に準拠した。スランプコーンを抜いたときの広がったコンクリートの直径を測定。
Ｖロート：ＪＳＣＥ−Ｆ ５１２−２００７に準拠した。Ｖロートをコンクリートが通過する時間を測定。
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。
ひび割れ抵抗性：コンクリート製のＬ型壁を利用し、厚み１０ｃｍとなるように１ｍ^２程度の面積に急結性吹付けコンクリートを吹き付けた。吹付け終了直後から風速５ｍの風を２０日間送風し、ひび割れが発生する時期を確認した。

「実験例２」
表１に示す配合のコンクリートに表４に示す繊維を０．１体積％となるように混合し０．９ｍ^３のコンクリートを製造した以外は実験例１と同様に行った。結果を表４に示す。

（使用材料）
繊維Ｅ：ポリエチレンフィブリル化繊維（外部フィブリル化によって多分岐状とした繊維）、三井化学社製、銘柄ケミベストＦＤＳＳ−２相当品（平均繊維長を２ｍｍに調整したもの）、繊維径５〜１５μｍ
繊維Ｆ：ポリエチレンフィブリル化繊維（外部フィブリル化によって多分岐状とした繊維）、三井化学社製、銘柄ケミベストＦＤＳＳ−２相当品（平均繊維長を１２ｍｍに調整したもの）、繊維径５〜１５μｍ
繊維Ｇ：ポリエチレンフィブリル化繊維（外部フィブリル化によって多分岐状とした繊維）、三井化学社製、銘柄ケミベストＦＤＳＳ−２相当品（平均繊維長を３０ｍｍに調整したもの）、繊維径５〜１５μｍ
繊維Ｈ：ポリエチレンフィブリル化繊維（外部フィブリル化によって多分岐状とした繊維）、三井化学社製、銘柄ケミベストＦＤＳＳ−２相当品（平均繊維長を４０ｍｍに調整したもの）、繊維径５〜１５μｍ

本発明の吹付け材料を用いることで、流動性が高いコンクリートを用いても材料分離が起きにくく、ポンプ圧送性に優れたコンクリートを得ることができ、従来の高分子繊維よりも繊維量を低減しても、急結剤を混合して吹き付けたコンクリートは施工直後からのひび割れ抵抗性を大幅に改善できる。従って、フィブリル化されていない高分子繊維を用いてひび割れ対策を行うよりも低コストで、高性能な吹付け部材を得ることが可能となることから、土木分野でのトンネル工事において広範に使用することができる。

Claims (4)

1. セメント、骨材、水、フィブリル化した高分子繊維、および急結剤を含有してなる急結性吹付けコンクリートであって、フィブリル化した高分子繊維が、繊維径０．５〜２０μｍ、繊維長４〜４０ｍｍで、急結剤を除くコンクリート１ｍ^３中０．００１〜２体積％であることを特徴とするひび割れ抑制型吹付け材料。
2. 減水剤を含有することを特徴とする請求項１記載のひび割れ抑制型吹付け材料。
3. 急結剤を除くコンクリートのスランプフローが４０〜６５ｃｍであることを特徴とする請求項１又は２記載のひび割れ抑制型吹付け材料。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のひび割れ抑制型吹付け材料において、急結剤を除くコンクリートを吹付け機で圧送し、吹き付ける途中で急結剤を合流混合することを特徴とする吹付け工法。