特許 7383553 セメント系充填材

(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】2023-11-10

(45)【発行日】2023-11-20

(54)【発明の名称】セメント系充填材

(51)【国際特許分類】

   C04B 28/02 20060101AFI20231113BHJP

   C04B 22/08 20060101ALI20231113BHJP

   C04B 22/14 20060101ALI20231113BHJP

   C04B 14/18 20060101ALI20231113BHJP

   C04B 16/08 20060101ALI20231113BHJP

   C04B 24/06 20060101ALI20231113BHJP

   E21F 15/08 20060101ALI20231113BHJP

   E01D 22/00 20060101ALI20231113BHJP

【ＦＩ】

C04B28/02

C04B22/08 Z

C04B22/14 B

C04B14/18

C04B16/08

C04B24/06 Z

E21F15/08

E01D22/00 B

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2020064624

(22)【出願日】2020-03-31

(65)【公開番号】P2021160988

(43)【公開日】2021-10-11

【審査請求日】2023-01-12

(73)【特許権者】

【識別番号】501173461

【氏名又は名称】太平洋マテリアル株式会社

(72)【発明者】

【氏名】吉田 了三

(72)【発明者】

【氏名】福山 誠

【審査官】大西 美和

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－２２４１５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１１６４０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－２１４１６３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ０４Ｂ ２／００－３２／０２

Ｃ０４Ｂ ４０／００－４０／０６

Ｅ２１Ｄ １１／００－１９／０６

Ｅ２１Ｄ ２３／００－２３／２６

Ｅ０２Ｄ ３／１２－ ３／１２

Ｅ２１Ｆ １／００－１７／１８

Ｅ０１Ｄ １／００－２４／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

カルシウムアルミネート類、石膏、軽量増量材、分離低減剤及び凝結調整剤を含有するスラリーＡと、セメントを含有するスラリーＢからなり、前記カルシウムアルミネート類１００質量部に対して、前記石膏が１０～４００質量部、前記軽量増量材が１０～１５０質量部、前記分離低減剤が０．２～１０質量部、前記凝結調整剤０．１～５質量部及び前記セメントが５００～２０００質量部であり、スラリーＡの粘度が８５００ｍＰａ・s 以下、スラリーＢの粘度が２５００ｍＰａ・s 以下、かつスラリーＡとスラリーＢの粘度比（スラリーＡの粘度／スラリーＢの粘度）が０．１～５０である２液タイプのセメント系充填材。

【請求項2】

軽量増量材の単位容積質量が１．０ｋｇ／Ｌ 以下であり、かつ軽量増量材の平均粒子径が３ｍｍ以下である請求項１に記載の２液タイプのセメント系充填材。

【請求項3】

スラリーＡとスラリーＢを混合したセメント系充填材が、次の（ａ）～（ｄ）を具備する請求項１または２に記載の２液タイプのセメント系充填材。
（ａ）ＮＥＸＣＯ試験方法３１３に定められたシリンダー法によるフロー値が１５０ｍｍ以上
（ｂ）密度が１．００～１．５３ｋｇ／Ｌ
（ｃ）ゲル化時間が５～１２０秒
（ｄ）材齢２８日の圧縮強度が８Ｎ／ｍｍ^２以上

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、主に既設トンネルの劣化部補修や橋脚の耐震補強に組まれた型枠内やトンネル覆工背面の空隙部等に使用する充填材に関する。

【背景技術】

【0002】

既設トンネルでは、湧水によりトンネル覆工背面部や路盤下に空隙が発生することがある。また、劣化した覆工コンクリートを補修するために補修用型枠を設置した場合には、覆工コンクリートと型枠の間に空隙が生じる。このような空隙部の存在は、車両通過時に発生する風圧、振動等により、トンネル肌面の剥落や型枠を落下させる危険性があるため、車両の運行上の安全面の確保のため充填による補修を行なう必要がある。

【0003】

このようなトンネル内空隙部の補修としては、空隙部にセメント系材料を充填することが行われており、この充填物としては、セメントベントナイトやセメントモルタルが知られている（特許文献１）。この従来の工法によれば、硬化前のセメント系充填材料を空隙部に充填し、空隙部に硬化体を形成することで、風圧や振動等によるトンネル肌面の剥落や型枠の落下を防ぐことが出来る。

【0004】

しかしながら、トンネル覆工背面部の空隙が鉛直方向に広範囲にわたる場合や補修用型枠を鉛直方向に高く設置する場合は、充填施工によって覆工コンクリートや補修用型枠に過度な側圧が発生し、覆工コンクリートの変形や剥落、補修用型枠の落下や破断といった事態が発生する。また、過度な側圧が発生しないよう充填速度を遅くしたり、側圧の低下を待って充填施工すると施工効率は大幅に低下してしまう。このような問題に対処するため、気泡を内包する軽量のセメント組成物が提案されている（特許文献２）が、初期強度発現性に劣るため供用開始までに時間を要したり、強度が低く覆工コンクリートとの一体性や耐久性では課題が残る。

【0005】

近年では、セメント等の水硬性物質を主成分とするセメントスラリーと、短時間にスラリーを促進硬化させる急硬成分を主成分とするスラリーを組み合わせた２液タイプのセメント系充填材が使用されており、短いゲル化時間を任意に調整でき、充填後の初期強度発現性にも優れるため、広く採用されつつある（特許文献３）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２００３－１１９０６２号公報

【文献】特開２０１１－４２５５１号公報

【文献】特開２０１４－１０９０１２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

このような２液タイプのセメント系充填材の採用により施工性は大幅に改善されたが、充填速度をさらに高く設定して、施工性を改善しようとすると、過度な側圧により補修用型枠の変形、破断、落下といった事態が再び発生したり、それを防ぐためゲル化時間を短くし過ぎることにより充填性が損なわれるといった課題を生じていた。

【0008】

したがって、本発明の課題は、２液タイプのセメント系充填材であって、任意のゲル化時間の調整が可能であり、充填速度をさらに高く設定しても側圧を抑制でき、充填後の硬化性にも支障を及ぼすことのない充填材を提供することにある。

【0009】

本発明者は、前記課題解決のため鋭意検討を重ねた結果、２液タイプのセメント系充填材では困難であった軽量増量剤の使用による混合後の均質性の低下に対して、２液の各々の粘度及び粘度比を特定することによって、軽量増量材を使用しても混合後の均質性を確保することができるという知見を得た。この知見によって、充填速度を高く設定しても側圧を抑制することができ、かつ充填性も良好で、硬化後の強度発現性にも優れることを見出し、本発明を完成するに至った。

【課題を解決するための手段】

【0010】

すなわち、本発明は、次の〔１〕～〔３〕を提供するものである。
〔１〕カルシウムアルミネート類、石膏、軽量増量材、分離低減剤及び凝結調整剤を含有するスラリーＡと、セメントを含有するスラリーＢからなり、前記カルシウムアルミネート類１００質量部に対して、前記石膏が１０～４００質量部、前記軽量増量材が１０～１５０質量部、前記分離低減剤が０．２～１０質量部、前記凝結調整剤０．１～５質量部及び前記セメントが５００～２０００質量部であり、スラリーＡの粘度が８５００ｍＰａ・s 以下、スラリーＢの粘度が２５００ｍＰａ・s 以下、かつスラリーＡとスラリーＢの粘度比（スラリーＡの粘度／スラリーＢの粘度）が０．１～５０である２液タイプのセメント系充填材。
〔２〕軽量増量材の単位容積質量が１．０ｋｇ／Ｌ 以下であり、かつ軽量増量材の平均粒子径が３ｍｍ以下である〔１〕記載の２液タイプのセメント系充填材。
〔３〕スラリーＡとスラリーＢを混合したセメント系充填材が、次の（ａ）～（ｄ）を具備する〔１〕または〔２〕記載の２液タイプのセメント系充填材。
（ａ）ＮＥＸＣＯ試験方法３１３に定められたシリンダー法によるフロー値が１５０ｍｍ以上
（ｂ）密度が１．００～１．５３ｋｇ／Ｌ
（ｃ）ゲル化時間が５～１２０秒
（ｄ）材齢２８日の圧縮強度が８Ｎ／ｍｍ^２以上

【発明の効果】

【0011】

本発明のセメント系充填材（以下、単に充填材と呼ぶ場合がある。）を用いれば、ゲル化時間の調整が容易にでき、かつ軽量増量材の使用により充填速度を高く設定しても側圧を抑制できる。

【発明を実施するための形態】

【0012】

本発明のスラリーＡは、カルシウムアルミネート類、石膏、軽量増量材及び凝結調整剤を含有する。

【0013】

本発明で使用するカルシウムアルミネート類は、主要化学成分としてＣａＯとＡｌ_２Ｏ_３を含む水和活性物質であれば何れのものでも良く、化合物、固溶体又はガラス質等として、さらにはこれらの任意の混合物が例示でき、アルミナセメントでも良い。より具体的には、例えば１２ＣａＯ・７Ａｌ_２Ｏ_３、ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３、３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３、ＣａＯ・２Ａｌ_２Ｏ_３、ＣａＯ・６Ａｌ_２Ｏ_３等が挙げられる。またＣａＯとＡｌ_２Ｏ_３に加えて他の化学成分が加わっても良く、他の化学成分単体で、或いはＣａＯやＡｌ_２Ｏ_３の何れか又は両者と反応した生成物であっても良い。具体的には、例えば４ＣａＯ・３Ａｌ_２Ｏ_３・ＳＯ_３、１１ＣａＯ・７Ａｌ_２Ｏ_３・ＣａＦ_２、Ｎａ_２Ｏ・８ＣａＯ・３Ａｌ_２Ｏ_３等が挙げられる。また、例示以外のＣａＯとＡｌ_２Ｏ_３の含有モル比となるカルシウムアルミネート類でも良く、ＣａＯとＡｌ_２Ｏ_３の含有モル比の値は特に制限されるものではない。カルシウムアルミネート類の粒度は、ゲル化直後の強度発現性の点から、ブレーン値で４，０００ｃｍ^２／ｇ以上が好ましく、５，０００ｃｍ^２／ｇ以上がより好ましい。

【0014】

本発明で使用する石膏は、天然石膏及び化学石膏を含むものである。石膏としては、例えば、無水石膏、半水石膏、二水石膏等の天然石膏の他、化学石膏等を挙げることができ、２種類以上を併用しても良い。好ましくは無水石膏を使用する。石膏は、主にエトリンガイト生成による初期強度発現性増進作用を付与するため使用される。石膏の粒度は、ゲル化直後の強度発現性の点から、ブレーン値で４，０００ｃｍ^２／ｇ以上が好ましく、５，０００ｃｍ^２／ｇ以上がより好ましい。石膏の使用量は、初期強度発現性の点から、スラリーＡ中のカルシウムアルミネート類１００質量部に対して、１０～４００質量部が好ましく、５０～３００質量部がより好ましく、６０～２００質量部がさらに好ましい。

【0015】

本発明で使用する軽量増量材とは、単位容積質量が１．０ｋｇ／Ｌ 以下で実質的に水和反応しない粉粒状の材料をいい、無機系、有機系いずれのものも使用できる。例えばパーライト、発泡エチレン酢酸ビニル、発泡ポリエチレン、発泡ポリスチレン、発泡ウレタン等の樹脂系発泡材、ゴムチップ等が挙げられる。単位容積質量は、１．０ｋｇ／Ｌ より大きいと充填材の軽量化効果が小さく、また使用量も多くする必要があるため充填材の中長期強度発現性が低下する。０．０２～０．５ｋｇ／Ｌが好ましく、０．０５～０．３ｋｇ／Ｌがより好ましい。
軽量増量材の平均粒子径は３ｍｍ以下が好ましい。３ｍｍを超えるとスラリーＡとＢを混合した充填材が不均質となりやすく、充填性も損なわれやすくなる。軽量増量材の使用量は、充填材の密度及び中長期の強度発現性の点から、スラリーＡ中のカルシウムアルミネート類１００質量部に対して１０～１５０質量部が好ましく、１５～１４０質量部がより好ましい。

【0016】

本発明で使用する凝結調整剤は、セメントに使用できるものであれば特に限定されない。例えば、クエン酸、グルコン酸、酒石酸、及びリンゴ酸等の有機酸類又はそのナトリウム塩、カリウム塩、リチウム塩、及びカルシウム塩、並びに、グルコース、マルトース、デキストリン等の糖類、アルカリ金属炭酸塩等が挙げられ、１種または２種以上を使用することができる。凝結調整剤の使用量は、スラリーＡの可使時間の確保及びゲル化直後の強度発現性の点から、スラリーＡ中のカルシウムアルミネート類１００質量部に対して、０．１～５質量部が好ましく、０．２～４質量部がより好ましい。

【0017】

本発明で使用する分離低減剤は、セメントに使用できるものであれば特に限定されない。例えば、水溶性セルロース系セルロース系やアクリル系水溶性高分子、バイオポリマー、グルカン、水溶性ポリサッカライド、ベントナイト等が挙げられる。分離低減剤の使用量は、スラリーＡとスラリーＢ混合後の充填材の粘度への影響の点から、スラリーＡ中のカルシウムアルミネート類１００質量部に対して、０．２～１０質量部が好ましく、０．２～７質量部がより好ましい。

【0018】

スラリーＡのカルシウムアルミネート類、石膏、軽量増量材及び凝結調整剤と含有水の質量比（水／粉体比）は、スラリーＡの施工性及び充填材の初期強度発現性の点から、０．５～１．５が好ましく、０．７～１．４がより好ましい。

【0019】

本発明の充填材のスラリーＢはセメントを含有する。

【0020】

本発明で使用するセメントとしては、普通、早強、超早強、低熱、中庸熱等の各種ポルトランドセメン、高炉、フライアッシュ等の各種混合セメント等の公知のセメントが挙げられる。ゲル化時間の調整が容易であること、及び初期強度発現性の点から、普通、早強、高炉セメントを使用することが好ましい。

【0021】

スラリーＢのセメントと含有水の質量比（水／粉体比）は、スラリーＢの流動性及び充填材の中長期の強度発現性の点から、０．４～１．５が好ましく、０．４５～１．４がより好ましい。

【0022】

本発明のスラリーＡ及びスラリーＢには、注入性状やそれぞれのスラリーの可使時間、さらには注入充填後の強度発現性等に支障を及ぼさない範囲で、必要によりモルタル・コンクリート用の公知の混和剤、例えば、減水剤、消泡剤、膨張材、収縮低減剤、防錆剤、有機繊維、無機繊維、顔料等を配合することができる。

【0023】

本発明の充填材は、スラリーＡとスラリーＢを混合した２液タイプのセメント系充填材である。２液の容積比は、所望の強度発現性とゲル化時間を確保するため、スラリーＡ：スラリーＢ＝１０：９０～６０：４０となるように混合することが好ましい。より好ましくは、スラリーＡ：スラリーＢ＝１５：８５～５０：５０である。

【0024】

本発明の充填材は、スラリーＡの粘度が８５００ｍＰａ・s 以下である。８５００ｍＰａ・ｓを超えると、スラリーＡとＢを混合させた充填材の均質性が低下しやすくなるため、長い混合時間を必要とする。より好ましい粘度は８０００ｍＰａ・ｓ以下、さらに好ましくは７５００ｍＰａ・ｓ以下である。一方、スラリーＢの粘度が２５００ｍＰａ・s 以下である。２５００ｍＰａ・ｓを超えると、スラリーＡとＢを混合させた充填材の流動性が低下しやすくなるため、充填性が低下する。より好ましい粘度は２０００ｍＰａ・ｓ以下、さらに好ましくは１５００ｍＰａ・ｓ以下である。

【0025】

また、本発明の充填材は、スラリーＡとスラリーＢの粘度比（スラリーＡの粘度／スラリーＢの粘度）が、０．１～５０である。スラリーＡの粘度が８５００ｍＰａ・s 以下、スラリーＢの粘度が２５００ｍＰａ・s 以下であっても、粘度比が０．１未満あるいは５０を超えると、スラリーＡとスラリーＢの粘度の差が大きいため、混合させた充填材の均質性が低下したり、長い混合時間を必要とする。より好ましい粘度比は０．２～４０、さらに好ましくは０．３～３０である。

【0026】

本発明の充填材は、（ａ）ＮＥＸＣＯ試験方法３１３に定められたシリンダー法によるフロー値が１５０ｍｍ以上であることが好ましい。フロー値が１５０ｍｍ未満の場合、覆工コンクリートや補修用型枠内への充填性が低下しやすく、側圧が局所的に上昇しやすくなる。より好ましいフロー値は、１６０ｍｍ～１０００ｍｍであり、さらに好ましくは１７０ｍｍ～７５０ｍｍである。

【0027】

本発明の充填材は、（ｂ）密度が１．００～１．５３ｋｇ／Ｌであることが好ましい。密度が１．００未満の場合、中長期の強度発現性が十分でなく、密度が１．５３を超える場合は、軽量化が十分でないため、測圧が大きくなったり、充填速度を低く設定する必要が生じる虞がある。より好ましい密度は１．０５～１．５０ｋｇ／Ｌである。

【0028】

本発明の充填材は、（ｃ）ゲル化時間が５～１２０秒であることが好ましい。ゲル化時間が１２０秒を超える場合、注入充填時の側圧が大きくなったり、充填材が型枠から流出しやすくなったりする虞がある。また、スラリーＡとＢを均質に混合させるためには、ゲル化時間は５秒以上が好ましい。より好ましいゲル化時間は、５～１００秒であり、さらに好ましくは５～９０秒である。

【0029】

本発明の充填材は、（ｄ）材齢２８日の圧縮強度が８Ｎ／ｍｍ^２以上である。８Ｎ/ｍｍ^２未満の場合、車両通過時に発生する風圧や振動、地山からの湧水等の影響により耐久性が低下しやすくなる。より好ましい材齢２８日の圧縮強度は１０Ｎ／ｍｍ^２以上である。

【0030】

本発明のセメント系充填材を用いれば、軽量化により従来よりも充填速度をより高く設定することができ、施工効率を高めることが出来るため、施工時間が限られる既設トンネル内の空隙部又は補修用型枠に充填するための充填材として有用である。また、緊急工事等にも適する。

【実施例】

【0031】

以下、実施例により本発明を具体的に詳しく説明する。

【0032】

以下に示すＡ～Ｈから選定される材料を表１の配合割合となるようスラリーＡ及びスラリーＢを作液した。即ち、本発明のセメント系充填材は、カルシウムアルミネート類、石膏、軽量増量材、分離低減剤、凝結調整剤及び水からなるスラリーＡとセメント及び水からなるスラリーＢを表１に示す質量比で作液した。作液したスラリーＡ及びスラリーＢの粘度をそれぞれ測定後、両スラリーをハンドミキサー（回転数１０００ｒｐｍ）で５秒間混合し、充填材の密度、フロー値、ゲル化時間、均質性、圧縮強度を測定した。結果を表２に記す。

【0033】

＜使用材料＞
Ａ；カルシウムアルミネート類；カルシウムアルミネート（１２ＣａＯ・７Ａｌ_２Ｏ_３組成のガラス、ブレーン値５，５００ｃｍ^２／ｇ、試製品）
Ｂ；石膏；II型無水石膏（セントラル硝子株式会社製、ブレーン値７，０００ｃｍ^２／ｇ）
Ｃ；軽量増量材１；太平洋パーライト４号（太平洋マテリアル株式会社製、単位容積質量０.２ｋｇ／Ｌ、平均粒子径１ｍｍ）
Ｄ；軽量増量材２；ＥＶＡ発泡体（三福工業株式会社製、単位容積質量０.０７ｋｇ／Ｌ、平均粒子径１ｍｍ）、エチレン酢酸ビニル共重合体系
Ｅ；分離低減剤１；ＳＴＡＲＶＩＳ ３０４０Ｆ（ＳＫＷイーストアジア株式会社製）、高分子ポリマー系
Ｆ；分離低減剤２；ビスコトップＵＴ（花王株式会社製）、ポリエーテル系特殊界面活性剤
Ｇ；凝結調整剤；クエン酸（市販試薬）と炭酸ナトリウム（市販試薬）を等量混合
Ｈ；セメント；普通ポルトランドセメント（太平洋セメント株式会社製、ブレーン値３，２００ｃｍ^２／ｇ）

【0034】

＜試験方法＞
（１）粘度試験；作液したスラリーを５００ｍｌビーカーに入れ、デジタル粘度計ＲＢ－８０Ｈ（東機産業株式会社）を用いてスピンドル（Ｈ－３）回転開始から３０秒後の粘度を測定した。
（２）フロー値；両スラリーを混合して作製した充填材をＮＥＸＣＯ試験方法３１３－１９９９に定められたシリンダー法に準じて測定した。
（３）密度；両スラリーを混合して作製した充填材をＪＩＳ Ａ １１７１：２０００の「単位容積質量試験方法」に準じて測定した。
（４）ゲル化時間；両スラリーを混合して作製した充填材をカップに移し、混合してからカップを傾倒しても流れなくなるまでをゲル化時間とした。
（５）均質性；直径５ｃｍ、高さ１０ｃｍのアクリルモールドに両スラリーを混合して作製した充填材を投入し、１時間後に上下に２等分に切断して成形し、各々の供試体密度を測定した。上下供試体の密度比が０．９～１．１の場合、均質性評価を「良」とした。
（６）圧縮強度；両スラリーを混合して作製した充填材を直径５ｃｍ、高さ１０ｃｍのアクリルモールドに成形して、ＪＩＳ Ａ １２１６「土の一軸圧縮試験方法」に準じて材齢２８日で測定した。

【0035】

【表1】

【0036】

【表2】

【0037】

表２の結果から、軽量増量材、分離低減剤を含まない場合（比較例１、２）、スラリーＡあるいはスラリーＢの粘度が高すぎる場合（比較例３、４）、スラリーＡ/スラリーＢの粘度比が、０．１よりも小さい場合、あるいは５０よりも大きい混合（比較例５、６）は、スラリーＡとＢを混合した充填材の密度が高く軽量化が不十分であったり、フローが小さかったり、均質性が不良のため圧縮強度も低い結果となった。これに対し、本発明の充填材（実施例１～９）は、フローが大きく、密度も小さく、均質性も良好であり、硬化後の強度発現も良好であることが分かる。