IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」

▶ 株式会社トクヤマの特許一覧 ▶ 鹿島建設株式会社の特許一覧 ▶ 株式会社ケー・エフ・シーの特許一覧

<>
  • 特許-モルタル 図1
  • 特許-モルタル 図2
  • 特許-モルタル 図3
< >
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-02-20
(45)【発行日】2023-03-01
(54)【発明の名称】モルタル
(51)【国際特許分類】
   C04B 28/02 20060101AFI20230221BHJP
   C04B 22/08 20060101ALI20230221BHJP
   C04B 22/06 20060101ALI20230221BHJP
   C04B 24/22 20060101ALI20230221BHJP
   C04B 14/28 20060101ALI20230221BHJP
   E21D 20/00 20060101ALI20230221BHJP
【FI】
C04B28/02
C04B22/08 A
C04B22/06 Z
C04B24/22 Z
C04B14/28
E21D20/00 L
【請求項の数】 5
(21)【出願番号】P 2019075654
(22)【出願日】2019-04-11
(65)【公開番号】P2020172409
(43)【公開日】2020-10-22
【審査請求日】2022-03-11
(73)【特許権者】
【識別番号】000003182
【氏名又は名称】株式会社トクヤマ
(73)【特許権者】
【識別番号】000001373
【氏名又は名称】鹿島建設株式会社
(73)【特許権者】
【識別番号】000129758
【氏名又は名称】株式会社ケー・エフ・シー
(74)【代理人】
【識別番号】110003524
【氏名又は名称】弁理士法人愛宕綜合特許事務所
(74)【代理人】
【識別番号】100075177
【弁理士】
【氏名又は名称】小野 尚純
(74)【代理人】
【識別番号】100113217
【弁理士】
【氏名又は名称】奥貫 佐知子
(74)【代理人】
【識別番号】100080609
【弁理士】
【氏名又は名称】大島 正孝
(72)【発明者】
【氏名】古城 誠
(72)【発明者】
【氏名】岩本 泰徳
(72)【発明者】
【氏名】松本 修治
(72)【発明者】
【氏名】小泉 悠
(72)【発明者】
【氏名】岡田 侑子
(72)【発明者】
【氏名】黒川 紗季
(72)【発明者】
【氏名】伊達 健介
(72)【発明者】
【氏名】横田 泰宏
(72)【発明者】
【氏名】升元 一彦
(72)【発明者】
【氏名】田中 祐介
(72)【発明者】
【氏名】岡部 正
【審査官】田中 永一
(56)【参考文献】
【文献】特開2018-028013(JP,A)
【文献】特開2020-090622(JP,A)
【文献】特開2009-107894(JP,A)
【文献】特開昭57-063370(JP,A)
【文献】特開昭63-226499(JP,A)
【文献】国際公開第2020/008794(WO,A1)
【文献】特開2018-203582(JP,A)
【文献】中国特許出願公開第105198333(CN,A)
【文献】中国特許出願公開第105272087(CN,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
C04B 2/00 - 32/02
E21D 20/00
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
セメント100重量部、石灰石粉末178~240重量部、6号珪砂300~400重
量部、結晶性層状珪酸ナトリウム9~24重量部、消石灰9~36重量部および分散剤0
.1~1.0重量部を含有するモルタルであって、セメント、結晶性層状珪酸ナトリウム、消石灰、石灰石粉末および珪砂の合計100重量部に対し水を19~21重量部含有することを特徴とするモルタル。
【請求項2】
JIS R 5201に従うテーブルフロー値が150~180mmを示す請求項
に記載のモルタル。
【請求項3】
施工後24時間時および28日時の圧縮強度が、それぞれ、5N/mm超えおよび2
3N/mmを超えない値を示す請求項1~のいずれかに記載のモルタル。
【請求項4】
施工後24時間時の静弾性係数が2KN/mm以上を示す請求項1~のいずれかに
記載のモルタル。
【請求項5】
地山の変形と荷重を制御するための変形制御型ロックボルトを定着させるための請求項
1~4のいずれかに記載のモルタル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明はモルタルに関する。さらに詳しくは、地山の変形と荷重を制御するための変形制御型ロックボルトの定着に好適なモルタルに関する。
【背景技術】
【0002】
大土被りによる高地圧や膨張性地山においてトンネルを施工する場合に、従来は剛性の高い支保を二重・三重に建てこんで、剛な力で地圧に抵抗する方法が多く用いられて来たが、近年、海外では支保に作用する地圧を低減させるため、地山の変形を許容し、制御しながら掘削する事例が見られるようになった。国内でも、今後大土被りトンネルで予想以上の大変形が生じた場合の対策として、変形制御型支保の検討がされるようになってきた。その一例として、出願人らの一部は、非特許文献1において、変形制御型ロックボルトの開発に関わる研究背景とその成果を報告している。また、同ロックボルトの構造については、特許文献1に詳述されている。同ロックボルトの構造の概略を、非特許文献1から引用し、図1に示す。また、地山に埋設されたこの構造のロックボルトに対し、地山から引き抜かれようとする荷重が加えられた際の挙動を図2に、荷重-変位関係を図3に示す。(1)ネジ部~モルタル間の付着による初期抵抗部、(2)スリーブがモルタルを圧壊しながら移動する中間抵抗部、(3)スリーブがリングに当たり、両者一体となってモルタルを圧壊する最終抵抗部という、トリリニアな荷重-変位関係を示すことが確認された。そして、ネジ部の長さや、スリーブとリングの距離を調整することで、地山の変形と支保が負担する荷重を任意に制御できる点で、変形制御型ロックボルトと称されるべきものである。このうち、特に(2)の中間抵抗部の挙動は、定着材の強度特性により決まるため、変形制御型ロックボルトに好適なセメント系定着材が望まれていた。当該定着材に要求される性能は、圧縮強度が(1)ロックボルト付着抵抗の観点から、施工後早期(24時間)に5N/mmを超え(2)変形制御の観点から材齢(28日)が経過しても20N/mm前後に留まり、さらに(3)既存の連続練り圧送装置で練り混ぜ・圧送・充填が可能なモルタルであることである。セメントモルタルの場合、長期強度を低減しようとすれば水セメント比を高くすれば良いが、その場合ブリーディングや材料分離が生じ充填性や施工性(ポンプ圧送できない、ロックボルトが固定できない)が悪くなり、また、若材齢での強度不足が生じる。そこで初期強度の増進を図るため急結剤や急硬剤等が用いると、練り混ぜ直後に流動性が著しく低下したりして不具合を生じる結果となる。
【0003】
従来、定着材に関する発明は下記特許文献2~6が提案されているが、これらは短期強度を増進させるものであって、変形制御に対応して長期の強度抑制を目的としたものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特許第6240360号公報
【文献】特開2009-107894号公報
【文献】特開2006-335586号公報
【文献】特開平11-303596号公報
【文献】特開平01-100046号公報
【文献】特開昭63-226499号公報
【非特許文献】
【0005】
【文献】土木学会第72回年次学術講演会 III-370 平成29年7月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明の目的は、モルタル特に地山の変形と荷重を制御するための変形制御型ロックボルトの定着に好適なモルタルを提供することにある。
【0007】
本発明の他の目的は、ロックボルト付着抵抗の観点から施工後早期の24時間時に圧縮強度が5N/mmを超え且つ変形追従の観点から材齢28日時の圧縮強度が20N/mm前後に留まり、そして既存の連続練り圧送装置で混練・圧送・充填が可能なモルタルを提供することにある。
【0008】
本発明のさらに他の目的および利点は以下の説明から明らかになろう。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明によれば、本発明の上記目的は、セメント、結晶性層状珪酸ナトリウムおよび消石灰を含有することを特徴とするモルタルによって達成される。
【0010】
本発明によれば、本発明の上記モルタルの好ましい態様として下記(1)~(8)のモルタルが提供される。
(1)セメント、結晶性層状珪酸ナトリウムおよび消石灰を含有することを特徴とするモルタル。
(2)石灰石粉末、珪砂および分散剤よりなる群から選ばれる少なくとも一種をさらに含有する上記(1)に記載のモルタル。
(3)セメント100重量部、石灰石粉末178~240重量部、6号珪砂300~400重量部、結晶性層状珪酸ナトリウム9~24重量部、消石灰9~36重量部および分散剤0.1~1.0重量部を含有する上記(1)~(2)のいずれかに記載のモルタル。
(4)セメント、結晶性層状珪酸ナトリウム、消石灰、石灰石粉末および珪砂の合計100重量部に対し水を19~21重量部含有する上記(2)に記載のモルタル。
(5)JIS R 5201に従うテーブルフロー値が150~180mmを示す上記(1)~(4)のいずれかに記載のモルタル。
(6)施工後24時間時および28日時の圧縮強度が、それぞれ、5N/mm超えおよび23N/mmを超えない値を示す上記(1)~(3)のいずれかに記載のモルタル。
(7)施工後24時間時の静弾性係数が2KN/mm以上を示す上記(1)~(6)のいずれかに記載のモルタル。
(8)地山の変形を支えるための変形制御型ボルトを定着させるための上記(1)~(4)のいずれかに記載のモルタル。
【発明の効果】
【0011】
本発明のモルタルは、地山の変形と荷重を制御するための変形制御型ロックボルトの定着に好適に使用することができる。すなわち、本発明のモルタルを用いて上記ロックボルトを定着すると、施工後24時間時に圧縮強度5N/mm超えが得られ、材齢28日時の圧縮強度は20N/mm前後に留まりしかも従来の連続練り圧送装置により混練・圧送・充填等を行うことができ、その使用の利便性も大きい。
【図面の簡単な説明】
【0012】
図1】変形制御型ロックボルトの説明図
図2】変形制御型ロックボルトの各ステップの作用荷重の説明図
図3】変形制御型ロックボルトの荷重-変位曲線の概念図
【発明を実施するための形態】
【0013】
本発明のモルタルは、セメントと共に結晶性層状珪酸ナトリウムおよび消石灰を含むことを特徴とする。本発明の好ましい態様によれば、本発明のモルタルはさらに石灰石粉末、珪砂および分散剤よりなる群から選ばれる少なくとも1種を含有する。本発明のモルタルは、上記セメント、結晶性層状珪酸ナトリウムおよび消石灰からなる粉体の合計100重量部に対し、あるいは好ましい態様によれば、さらに石灰石粉末および/または珪砂を加えた粉体の合計100重量部に対し、水を19~21重量部含有するのが好ましい。
【0014】
<セメント>
本発明のモルタルに用いるセメントには、ポルトランドセメントが好適である。中でも早強セメント超早強セメントなどの早期強度発現性に富むものが好ましい。早強性を示すセメントには、アルミナセメントやジェットセメントと呼ばれる超速硬セメントを用いることも可能であるが、練り混ぜ後の流動性を確保するため遅延剤を用いる必要があり、施工温度によって添加量を細かく調整する必要がある。
【0015】
<結晶性層状珪酸ナトリウム>
本発明において用いる結晶性層状珪酸ナトリウムとは、斜方晶または単斜晶を呈し、層状の構造を有する珪酸ナトリウムである。
このような結晶性層状珪酸ナトリウムは、具体的には、NaSi・xHOで示されるケニヤイト、NaSi1429・xHOで示されるマガディアイトNaSi17・xHOで示されるアイラアイト、NaSi等の組成式を持つものが挙げられる。これらの中でも水との反応によって層間距離の増加効果が高く、アルカリ捕捉能が高いという点で、NaxH(2-x)ySi2y・zHO(ここでxは0~2、yは1±0.1、zは0~5の数)の組成式で示される結晶性層状珪酸ナトリウムが好適に用いられる。なお、上記組成式の結晶性層状珪酸ナトリウムにおいて、本発明の効果に影響しない範囲で、Na、K、Mg、Ca、Al等の元素が含まれていても良い。これら元素の混入量としては、Na1モルに対し、0.005モル以下が好ましい。
【0016】
結晶性層状ケイ酸ナトリウムは、水と反応してカネマイト(NaHSi・3HO)に変化する。このカネマイト自体も結晶性であるため、上記陰イオン群との反応が低く、ゲル化が抑制されているものと推測される。さらに、カネマイトは結晶水を有し、この結晶水は層間に捕捉されており、結晶の層間距離が増加する。この時カネマイトへの変化に伴ってアルカリ分であるNaOHが放出されるが、このNaOH及び陰イオン群が結晶水に捕捉されることによって、モルタル中での急激なゲル化による流動性の低下を抑制しているものと推測される。
【0017】
珪酸塩としては、一般に珪酸ナトリウム(水ガラス)が広く知られているが、一般的な水ガラスではセメントと急激に反応しゲル化してしまい好適でない。また、急激にゲル化に至らない量であっても増粘効果によりポンプ圧送性が悪かったり、初期強度の発現性が不十分となったりする。本発明では、特殊な珪酸塩である結晶性層状珪酸ナトリウムと水酸化カルシウム(消石灰)を組み合わせることで施工性を確保しながら硬化特性を満足する定着材として好適なモルタルを得ることができた。
このような結晶性層状珪酸ナトリウムは、工業的に入手可能であり、具体的には、株式会社トクヤマシルテック製 製品名「プリフィード」(NaSi)などが挙げられる。
【0018】
<消石灰>
本発明のモルタルには、上記結晶性層状珪酸ナトリウムと共に、ゲル化時間や早期強度発現の調節の目的で消石灰すなわち水酸化カルシウムが用いられる。
【0019】
<石灰石粉末>
本発明のモルタルには、好ましくはフィラーとして石灰石粉末が用いられる。一般に、セメントに用いる混合材料としては、フライアッシュや高炉スラグ粉末、シリカフューム等が知られているがこれらはセメントの水和反応に影響を与え、長期的には強度増進効果があるため好ましくない。水和に影響しない微粉末であれば良いが岩石粉末でも粘土鉱物ように吸水性の大きいものは練り混ぜ後に吸水による影響でモルタル粘性に変化が生じ易くポンプ圧送性に悪影響を及ぼす懸念があるのでやはり好ましくない。
【0020】
<珪砂>
本発明のモルタルには、好ましくは、水と混練する前のプレミックス粉体の流動性を確保しさらに性能向上のために珪砂好ましくは6号珪砂が用いられる。
【0021】
<分散剤>
分散剤はモルタル調整時に一定量の水の添加量で所定のモルタル軟度を得るために用いられる。ナフタレンスルホン酸系、メラミン系、ポリカルボン酸系等の粉末分散剤を挙げることができるが、ナフタレンスルホン酸系分散剤が好ましく用いられる。分散剤は、セメント100質量部に対し0.15~0.5質量部となる量で好ましく用いられる。
使用量が0.15重量部未満の場合、モルタルの軟度が低下するため、ポンプ圧送性や地山内への充填性、ロックボルトを挿入する際の作業性低下となる。他方、0.5重量部を超えると地山内充填したモルタルがダレを生じたりする。
【0022】
本発明の好ましい態様によれば、本発明のモルタルは、セメント100重量部、石灰石粉末178~240重量部、6号珪砂300~400重量部、結晶性層状珪酸ナトリウム9~24重量部、消石灰9~36重量部および分散剤0.1~1.0重量部を含有する。
前記したとおり、本発明のモルタルは、比較的水含量を大きくして長期材齢下での強度発現を抑制している。そのため、若材齢下での強度発現は著しく阻害されるので強度促進効果のある促進剤を用いている。一般には、塩化物、炭酸塩、硫酸塩、アルミン酸塩、珪酸塩、カルシウムサルフォアルミネート等を適宜混合するが、鉄筋を腐食させたり、劇物で安全性に懸念が生じたり、効果が不十分であったりする。本発明では、上記のとおり、結晶性層状珪酸ナトリウムと消石灰との組み合わせにより、施工に必要な流動性を確保しつつ、要求強度を満足できるモルタルの提供に至ったものである。
【0023】
本発明のモルタルは、好ましくはフレッシュ性状で、JIS R 5201で行ったテーブルフロー値が150~180mmを示し、硬化後材齢24時間(20℃)での圧縮強度が5N/mmを超え、かつ静弾性係数が2KN/mm以上である。また、好ましくは、材齢28日強度が20N/mm前後に留まる。
これは、定着材に求められる好ましい性能を満足するものである。
【0024】
<モルタルの施工>
本発明のモルタルの施工は、特に定着材として施工する際には、紛体(定着材モルタル組成物)を定量で切り出しながら配管中に設けた混合部に一定量の水を練り混ぜた後、配管中に設けたポンプ部により練り混ぜたモルタルが地山中に送り出される連続混合圧送装置(MAIポンプ)が用いられる。すなわち、MAIポンプは、粉体を挿入するホッパーを備え、ミキサー部で一定量の水と混練した後、装置下部に設けられた配管下流中のポンプ部からモルタルが連続的に所定の圧力で導出される機能を有している。
【0025】
材齢28日強度を20N/mm前後に留まるモルタルを得るのには、水/セメント比(W/C)を120より大きくすれば得ることができるが、24時間強度の要求性能を満たすことはできず、そのため材料分離(ブリーディング)を生じ体積変化を引き起こすためロックボルトを地山に固定できない。本発明では、セメントの粒子径と同様な石灰石粉末を用いることによりモルタル中のセメント量を変動させることが出来る。それによりMAIポンプのような連続混合圧送装置を用いてモルタル中の粉体に対する水の量を一定にしつつ、セメントに対する水の量を変動させて流動性を確保しつつ材齢28日強度を20N/mm前後に留まるものとすることを可能としたものである。
【実施例
【0026】
以下、実施例により本発明をさらに詳述する。本発明は本実施例に限定されるものではない。尚、以下の実施例および比較例で使用した成分の詳細は以下のとおりである。
【0027】
使用材料
セメント :早強セメント (株)トクヤマ製
石灰石粉末:K400 旭鉱末(株)社製
結晶性層状珪酸ナトリウム:プリフィード (株)トクヤマ社製
消石灰 :工業用特号 吉澤石灰工業(株)社製
減水剤:マイティ100 (株)花王社製
シリカフューム:SKWイーストアジア(株)社製
ベントナイト :榛名 (株)ホージュン社製
硫酸バン土 :試薬 富士フィルム和光純薬(株)社製
CSH系促進剤:(株)BASFジャパン社製
【0028】
実施例1~6および比較例1~5
(1)紛体の調製
表1に示す割合で使用材料を秤取り混合した。
(2)モルタルの調製
表2に示す割合で紛体と水とを練り混ぜた。練り混ぜは、連続混合を想定してJSCE D 102に準拠して行った。ホバートミキサーを用い、練り混ぜ容器に紛体2kgを秤取り、低速で空練りを10秒間行った後水を10秒間で加えた。一旦、ミキサーを止め速度を高速に切り替え、続けて15秒間練り混ぜた。
(3)フロー値の測定
練り混ぜたモルタルを、JIS R 5201 セメントの物理試験方法12. フロー試験に準拠してフロー値を計測した。結果を表2に示した。
(4)圧縮強度、静弾性係数の測定
5φ×10cmのモールドにモルタルを充填所定材齢まで20±3℃、60±5%RHにて養生した。
養生後、脱型し上端部を研磨して平滑にした後、JIS A 1108 コンクリートの圧縮強度試験方法及びJIS A 1149 コンクリートの弾性係数試験方法に準拠してモルタルの圧縮強度および静弾性係数を計測した。結果を表2に示した。
【0029】
【表1】
【0030】
【表2】

図1
図2
図3