補修用モルタルおよびこれを用いたトンネル補修工法
【課題】 トンネル覆工コンクリートの補修工事等において短時間で迅速に健全な補修ができる補修用モルタルを産業副産物を用いて得る。
【解決手段】 材齢３時間の圧縮強度６Ｎ／ｍｍ2以上を発現する補修用モルタルの配合において、セメント系結合材として粉末度５，０００〜８，０００cm2／ｇの超微粒子セメントを使用し、細骨材の５０容積％以下を吸水率５％以上で絶乾密度１.４〜２.０ｇ／cm3の人工軽量骨材砂で置換し、前記超微粒子セメントの５０重量％以下をフライアッシュで置換し、水結合材比を３７〜４４％とし（フライアッシュは結合材に算入する）、これらの配合物を混練してフリーフロー２００〜３００ｍｍ、凝結始発時間が４５分より後で、凝結終結時間が８０分以内とした補修用モルタルである。
【解決手段】 材齢３時間の圧縮強度６Ｎ／ｍｍ2以上を発現する補修用モルタルの配合において、セメント系結合材として粉末度５，０００〜８，０００cm2／ｇの超微粒子セメントを使用し、細骨材の５０容積％以下を吸水率５％以上で絶乾密度１.４〜２.０ｇ／cm3の人工軽量骨材砂で置換し、前記超微粒子セメントの５０重量％以下をフライアッシュで置換し、水結合材比を３７〜４４％とし（フライアッシュは結合材に算入する）、これらの配合物を混練してフリーフロー２００〜３００ｍｍ、凝結始発時間が４５分より後で、凝結終結時間が８０分以内とした補修用モルタルである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、補修用モルタルおよびこれを用いたトンネル補修工法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般トンネルや、水路トンネルおよび導水路などの覆工コンクリート表層部には、経年による磨耗・洗堀・ひび割れなどの劣化が生じているが、その補修工事として、通常は移動式のセントル型枠を設置してグラウトポンプなどでモルタル注入・充填する内巻工法が実施されている。そのさい、交通量の少ない夜間施工あるいは渇水期において、できるだけ迅速に施工できることが望まれている。とくに水力発電所では建設後５０年以上経過した水理構造物が数多くあり、これに対処するには、地球環境の保全並びに資源循環型資材の使用を考慮すると、産業副産物を有効利用して補修できることが望まれる。
【０００３】
水路トンネルの補修工事は、ほぼ１１月〜２月の渇水期の施工環境気温１０℃以下で行なわれているが、工期短縮のために移動式セントラル型枠（鋼製組立型枠）を用いて補修モルタルをグラウトポンプで注入充填したあと、打設後３時間で脱型する迅速施工が要求される。このためには、高流動性と速硬性を具備した補修モルタルの使用が不可欠である。一般に速硬性を有した高流動モルタル組成物は、流動性を高めれば硬化が遅くなる。１０℃程度の低気温環境ではセメントの強度発現がさらに遅れてしまう。他方、速硬性を高めれば流動を保持している時間が短くなり、施工に必要な十分な可使時間を確保できなくなる。
【０００４】
特許文献１には、凝結遅延剤を添加することなく所定時間の流動性を保持して高流動性および急硬性を有する急硬性高流動セメント組成物が記載されている。この組成物の目標とするものは、１０分以上流動性を保持し、３時間以内に１Ｎ／ｍｍ2以上の強度を発現できるものである。
【０００５】
特許文献２には、速硬性を有するモルタルに流動化剤を添加することによって、打設時に高度な流動性を得ながら、その後はただちに凝結して脱型ができる高流動性速硬セメント配合物が記載されている。この配合物は普通ポルトランドセメントモルタルを練り混ぜた後、経過時間３０分後に、急結剤と流動化剤と遅延剤の混合物を後添加するものである。
【特許文献１】特開平７−１７７９４号公報
【特許文献２】特開２００１−１４６４５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１では、その実施例に示されているように、その流動性は１０分以内ではフロー２００ｍｍを示しても、１０分を超えるとフローは２００ｍｍ未満になってしまう。したがって混練から１０分以上の可使時間（待機時間）を採ることが困難で、混練後ただちに打設しなければならないし、３時間後の圧縮強度は最も高いもので１.６８Ｎ／ｍｍ2に過ぎない。したがって、型枠への注入時間を十分にとることができず、また脱型時の強度も十分とは言い難いので、トンネルの覆工モルタルの補修に適用するには難がある。
【０００７】
特許文献２では、例えばモルタル練混ぜ後３０分経過してから急結材と流動化剤および遅延剤を添加するものであるから、床面での施工はできても、側面や上面の型枠内への注入施工には不向きである。また、実施例では速硬性の評価として凝結時間だけ示しているが、速硬性の評価で重要な強度データが示されていないので、この点でも、トンネル覆工モルタルの補修に適用するには難がある。
【０００８】
したがって、本発明は、トンネル覆工モルタルの補修に適した高流動性を有し、その高流動性を１０分以上保持できながら且つ打設後は時間を置かずに脱型できる高い強度を発現する補修モルタルを開発することを課題としたものであり、併せて、産業副産物例えばフライアッシュや高炉スラグ砂、さらには石炭灰粗粉と頁岩を原料として製造される人工軽量骨材をできるだけ多量に用いて該補修モルタルを構成することを課題とする。そして、一般トンネルはもとより水路トンネルや導水路の覆工コンクリートの補修を施工性よく且つ高品質に実施できるようにすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記の課題を解決した補修用モルタルとして、本発明によれば、材齢３時間の圧縮強度６Ｎ／ｍｍ2以上を発現する補修用モルタルの配合において，セメント系結合材として粉末度５０００〜８０００cm2／ｇの超微粒子セメントを使用し，細骨材の５０容積％以下を吸水率５％以上で絶乾密度１.４〜２.０ｇ／cm3の人工軽量骨材砂で置換し、前記超微粒子セメントの５０重量％以下をフライアッシュで置換し、水結合材比を３７〜４４％、好ましくは３９〜４１％とし（フライアッシュは結合材に算入する）、これらの配合物を混練してフリーフロー２００〜３００ｍｍ、好ましくは２４０〜３００ｍｍ、凝結始発時間が４５分より後で、凝結終結時間が８０分以内とした補修用モルタルを提供する。この補修用モルタルは、材齢２８日の圧縮強度４０Ｎ／ｍｍ2以上、好ましくは４５Ｎ／ｍｍ2以上であることができ、前記の人工軽量骨材砂は、粒径５ｍｍ以下の細粒であるのが好ましい。細骨材としては硅砂および高炉スラグ砂の１種または２種を使用する。なお、前記のフリーフロー、凝結始発時間および凝結終結時間の測定はいずれも気温１０℃、相対湿度８０％の条件下で測定した場合でも、前記の値を満足することができる。
【００１０】
また、前記の配合に対して、さらに混和材としてカルシウムアルミネイト系速硬材４８０Ｋｇ／ｍ3以下、カルシウムアルミネイト系膨張材６０Ｋｇ／ｍ3以下、粉末度８，０００cm2／ｇ以上の無水石膏からなる超微粒子活性化材１５０Ｋｇ／ｍ3以下の１種または２種以上を配合した補修用モルタルを提供する。
【００１１】
また、この配合に対して、さらに混和剤として、消泡剤１Ｋｇ／ｍ3以下、分散剤１２Ｋｇ／ｍ3以下、強度促進剤１Ｋｇ／ｍ3以下、遅延剤１Ｋｇ／ｍ3以下の１種または２種以上をさらに配合した補修用モルタルを提供する。
【００１２】
さらに本発明によれば、一般トンネルまたは水路トンネルの内壁に型枠を設置し、該内壁と型枠との空間に補修用モルタルを充填するトンネルの内巻工法において、該補修用モルタルとして、前記の補修用モルタルを使用して施工するトンネル補修工法を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明者らは、トンネルの覆工コンクリート劣化の問題に対してこれまでもその補修対策について種々の試験研究を重ねてきたが、覆工コンクリートの内側に移動式の鋼製型枠を設置して高流動性モルタルを充填して短時間に脱型しつつ充填範囲を変えて行くセントル型枠使用の内巻工法が短時間での施工性の点でも、補修品質の点でも優れることに着目し、この内巻工法に適する補修モルタルを得るべく種々の検討を行なってきた。その結果、可能なかぎり産業副産物資材を原料としながら、内巻工法の利点を十分に引き出せる補修モルタルを今回開発することができた。この補修モルタルは、超微粒子セメント、フライアッシュ、軽量人工骨材砂、硅砂および／または高炉スラグ砂を使用し、水／結合材比を３９〜４１％に設定して、材齢３時間の圧縮強度６Ｎ／ｍｍ2以上、フリーフロー２４０〜３００ｍｍ、凝結始発時間４５分以上、凝結終結時間８０分以内を発現させることを骨子とする。
【００１４】
以下に、本発明に従う補修モルタルで特定する事項を説明する。
〔超微粒子セメント〕：セメント粒子を微細化したセメントであり、実際には、粉末度２，８００〜３，５００cm2／ｇの普通ポルトランドセメントを再粉砕して粉末度を５，０００〜８，０００cm2／ｇまで高めたセメントを指す。超微粒子セメントは、その微粒子ゆえに、水との水和反応が早く、またセメントマトリックスの組織を緻密化するので、普通セメントよりも初期強度が高くなり、長期強度も増加するようになる。本発明ではこの超微粒子セメントを１５０Ｋｇ／ｍ3以下、好ましくは１０〜１２０Ｋｇ／ｍ3、さらに好ましくは３００〜６００Ｋｇ／ｍ3の配合で使用することによって、補助モルタルの速硬性と高強度化を推進させる。超微粒子セメントの配合量が１０Ｋｇ／ｍ3未満ではこの作用が十分に発揮できず、強度も不足する。他方１５０Ｋｇ／ｍ3を超える配合では材齢３時間の圧縮強度６Ｎ／ｍｍ2を確保できないこともあり得るので、１０〜１５０Ｋｇ／ｍ3の配合で使用する。
【００１５】
〔フライアッシュ〕
フライアッシュは火力発電所で発生する産業副産物として、主にセメントの原料とレディミックスコンクリート工場及び建設現場でのコンクリート製造時セメントの置換材として使用しているが、フライアッシュ発生量の全部がこれらに使用されている訳ではなく、不使用分は埋め立て用などに処理されている。本発明では、この不使用分のフライアッシュをできるだけ多量に使用することによって、トンネル覆工コンクリートの補修モルタルとして有効利用できるようにした。フライアッシュは水と直接反応するのではなく、超微粒子セメントと水との反応によって生成する水酸化カルシウムと反応して硬化作用を果たす。すなわち、本発明の補助モルタルでは、超微粒子セメントとともに結合材としての機能を果たす潜在水硬性物質として使用する。またフライアッシュはポルトランドセメントより強度発現は遅く化学抵抗性に強いという性質があり、これにより長期強度の増加を図ることができる。さらにフライアッシュはセメントマトリックスの組織を緻密化するのに寄与し、補助モルタルの高流動性と粘性に作用を及ぼす。本発明で使用するフライアッシュの粉末度は２，５００〜４，５００cm2／ｇ程度である。本発明の補助モルタルでは、前記の超微粒子セメントの５０重量％以下をフライアッシュで置換して使用する。具体的には４００Ｋｇ／ｍ3以下、好ましくは３００Ｋｇ／ｍ3以下の配合で使用するのがよい。４００Ｋｇ／ｍ3を超える配合では材齢３時間強度６Ｎ／ｍｍ2以上を確保するのが困難になる場合がある。
【００１６】
〔人工軽量骨材砂〕
本発明で使用する人工軽量骨材砂は、吸水率が５％以上で絶乾密度が１.４〜２.０ｇ／cm3で、平均粒径が５ｍｍ以下で、粒径５ｍｍを超える粗粒が存在する割合（粗粒率）が７％以下、好ましくは５％以下のものであるのが好ましい。このような特性をもつ人工軽量骨材は、天然の細骨材と比べて多孔質であり、その空隙に水が含まれているのでこれをモルタルに混入すると流動性を向上させることができ、且つその含有水によって初期材齢での内部養生効果が発現し、硬化時の収縮を低減してひび割れの発生を抑制できる。
【００１７】
このような人工軽量骨材砂は、例えば火力発電所副生の石炭灰粗粉（ａ）と頁岩の微粉末（ｂ）とを（ａ）：（ｂ）の重量比が４：６〜６：４の割合で混合し、バインダーを加えて造粒したあと、これをロータリキルンで約１，１００〜１，２００℃で焼成し、その冷却過程においてほぼ１００〜２００℃から水中に急冷し、得られた焼成品は粗砕し分級して５ｍｍ以下の細骨材分を分別することによって得ることができる。
【００１８】
該人工軽量骨材砂の絶乾密度が１.４ｇ／cm3未満では圧壊荷重１０００Ｎ未満となり、また該密度が２.０ｇ／cm3を超えると十分な吸水率を確保するのが困難となるので、本発明で用いる人工軽量骨材砂の絶乾密度は１.４〜２.０ ｇ／cm3、好ましくは１.４０〜１.９０ｇ／cm3であるのがよい。吸水率については５％以下では前記の流動性および内部養生効果による収縮低減効果が十分に現れない。吸水率は２０％以下であるのがよい。これより高い吸収率のものは多孔質になりすぎて強度向上に寄与し難くなる。
【００１９】
本発明においては、細骨材の５０容積％以下をこのような人工軽量骨材砂で置換する。５０容積％よりも多く人工軽量骨材砂で細骨材を置換すると、補助モルタルの流動性および強度特性の調節を安定して制御できなくなるおそれがあるので、あまり好ましいことではない。細骨材に対する人工軽量骨材砂の置換率は、好ましくは４０容積％以下、さらに好ましくは３０容積％以下である。
【００２０】
〔細骨材〕
本発明で使用する細骨材は硅砂および高炉スラグ砂の１種または２種であるのが好ましい。適度な粒度分布を持つ硅砂および／または高炉スラグ砂を用いることによって補修用モルタルの流動性および緻密性を向上させることができる。高炉スラグ砂は、高炉スラグを骨材として再活用したものであり、硅砂の代替材料として本発明では使用可能である。細骨材の配合は水結合材比および人工軽量骨材砂の配合量にもよるが、８００〜１，８００Ｋｇ／ｍ3の範囲，好ましくは１，０００〜１，５００Ｋｇ／ｍ3の範囲であるのがよい。硅砂に対する高炉スラグ砂の置換量が多いほど、産業副生物の有効利用ができることになる。
【００２１】
〔水結合材比〕
本発明に従う補修モルタルは、水結合材比を３７〜４４％、好ましくは３９〜４１％として混練する。水結合材比の算出において、結合材は超微粒子セメントとフライアッシュの合計量とし、水／（超微粒子セメント＋フライアッシュ）の百分率をもって表す。水結合材比が３７％未満では補修用モルタルのフリーフロー２００ｍｍを安定して確保することが困難となり、４４％を超えると強度を意図するところまで高めるのが困難になるし、材料分離が生じやすくなる。
【００２２】
このようにして、本発明の補修用モルタルは、セメント系結合材として粉末度５，０００〜８，０００cm2／ｇの超微粒子セメントを使用し、細骨材の５０容積％以下を吸水率５％以上で絶乾密度１.４〜２.０ｇ／cm3の人工軽量骨材砂で置換し、前記超微粒子セメントの５０重量％以下をフライアッシュで置換し、水結合材比を３７〜４３％とした基本配合を採用し、この基本配合のものを混練することにより、フリーフロー２００〜３００ｍｍ好ましくは２４０〜３００ｍｍの良好な流動性を有しながら且つ材齢３時間の圧縮強度６Ｎ／ｍｍ2以上を発現し、凝結始発時間が４５分より後で、凝結終結時間が８０分以内の初期硬化特性を示す。また材齢２８日の圧縮強度４０Ｎ／ｍｍ2以上を確保することができる。
【００２３】
この基本配合の補修用モルタルによれば、１０±５℃の低気温環境下においてもトンネルの内巻き工法を施工性よく実施できる。すなわち、一般トンネルまたは水路トンネルの内壁に型枠（例えばセントル型枠）を設置し、該内壁と型枠との空間に補修用モルタルを充填するするトンネルの内巻工法において、充填箇所が硬化したら脱型して次の充填箇所に型枠を移動して行くさいに、狭い充填箇所に本発明の補修用モルタルは良好に自己充填してゆき、しかも、混練から４５分以内は硬化が始まらないから、混練物を注入開始するまでに十分な余裕をとることができると共に、３時間後は脱型可能な６Ｎ／ｍｍ2以上の強度を示すので、迅速に型枠の脱型移動を迅速に行うことができるなど、施工時間と時期に制限を受けるトンネル内巻工法の施工法の改善に大いに貢献できる。
【００２４】
したがって、本発明によれば、一般トンネルまたは水路トンネルの内壁に型枠を設置し、該内壁と型枠との空間に補修用モルタルを充填するするトンネルの内巻工法において、前記の基本配合の補修用モルタルを用いることを特徴とするトンネル内巻工法を提供することができ、このトンネル内巻工法によれば、従来のものにはない良好な施工性が実現きると共に良好な補修品質を確保することができる。
【００２５】
本発明に従う補修用モルタルは、前記の「基本配合」の補修用モルタルに対し、さらに適切な混和材および混和剤を配合してその特性をさらに改善したものを提供する。使用する混和材および混和剤は次のとおりである。
【００２６】
使用する混和材
〔カルシウムアルミネート系速硬材〕：カルシウムアルミネート速硬材は石膏と混合して使用することによって、水と瞬間的に反応してエトリンガイト(Ettringite)水和物を生成する。このため、普通ポルトランドセメントでは数日〜数十日で発現する圧縮強度を数時間で得ることができる。本発明の補修用においても、このようなカルシウムアルミネート系速硬材（石膏添加のもの）を配合することにより、初期強度の発現程度を調節することができる。カルシウムアルミネート系速硬材の配合量としては４８０Ｋｇ／ｍ3以下、特に１５０〜４８０Ｋｇ／ｍ3とすることができる。
【００２７】
〔カルシウムアルミネイト系膨張材〕：カルシウムアルミネイト系膨張材を配合すると、水和反応初期のセメントマトリックス組織を緻密化してセメント硬化体を膨張させる作用があり、このためにセメントの自己収縮を補償し、長期的に乾燥収縮を防止することができる。本発明の補修用モルタルにおいても、このカルシウムアルミネイト系膨張材を配合すると補修箇所の乾燥収縮が抑制されるので、長期にわたって安定した品質をもった補修ができる。本発明の補修用モルタルへのカルシウムアルミネイト系膨張材の配合量としては１５〜６０Ｋｇ／ｍ3の範囲が適切である。
【００２８】
〔超微粒活性化材〕：超微粒活性化材は、粉末度８，０００cm2／ｇ以上の超微粒子の無水石膏からなる。この超微粒活性化材を本発明の補修用モルタルに配合すると、超微粒子セメントおよびカルシウムアルミネート系速硬剤が水と接触して急結するのを防止することができる。このため、施工作業に必要な可使時間を安定して確保できる。一定の時間が経過した後には、この超微粒活性化材は超微粒子セメントおよびカルシウムアルミネート系速硬剤と化学反応して初期強度の確保に寄与し、組織の緻密化に有効に作用する。しかし、初期に反応しなかった未反応の無水石膏は長期間に渡って反応を起こす。本発明の補修用モルタルへの超微粒活性化材の配合量としては３０〜１５０Ｋｇ／ｍ3の範囲が適切である。
【００２９】
〔シリカフューム〕：フライアッシュの一部をシリカフュームで置換して使用することができる。シリカフュームを使用した場合には、その量を結合材の量に算入して水／結合材比を算出する。
【００３０】
これらの混和材は、いずれも補修用モルタルの強度に影響を与える結合材の１種であると言える。このため、これらの混和材を用いる場合の水結合比の算出においては、これらの混和材も結合材として算入する。また、これらの混和材のうち、カルシウムアルミネート系速硬材、カルシウムアルミネイト系膨張材および超微粒活性化材については、粉状のまま超微粒子セメントと予め混合しておき、この混合粉をセメント系結合材として使用することができる。そして水／結合材比の算出にあたっては、これらの混和材を混合したセメント系結合材をそのまま結合材の量に算入し、フライアッシュを添加するのであればそのフライアッシュも結合材の量に算入する。
【００３１】
混和材配合の水結合材比：これらの混和材を配合したときの水結合材比については、基本配合で説明したとおり３７〜４４％、好ましくは３９〜４１％とするのがよい。
【００３２】
使用する混和剤
施工環境によっては補修用モルタルの流動性や強度特性を適切に調節することが必要になることがある。そのような場合には、次の混和剤を添加して補修用モルタルを混練するのがよい。
〔消泡剤〕：連行空気の発生によって空気量が増加する場合に、それを抑制するために添加するもので、ポリエステル系、シリコン系、エチルアールコルおよびエチレングリコールの１種または２種以上を使用することができ、市場で入手可能なものを使用できる。添加量としては通常は１Ｋｇ／ｍ3で十分である。
【００３３】
〔分散剤〕：単位水量を過剰にすることなくモルタルの流動性を確保し、水密性向上及び凍結融解の抵抗性を改善させて耐久性を増進するのに使用する。また、フレッシュのモルタルの粘性と流動性を同時に付加し、締固め不要な流動性をもつために使用する。分散剤としては市場で入手できる高性能減水剤を使用することができ、ポリカルボン酸系、ナフタレン系、メラミン系及びリグニン系の高性能減水剤の１種または２種以上を使用することができる。添加量としては通常の場合１２Ｋｇ／ｍ3以下で目的を達成することができる。
【００３４】
〔強度促進剤〕：モルタルの３時間以後の強度発現を促進することが必要なときに使用する。強度促進剤としては，硫酸ナトリウム（Ｎａ2ＳＯ4）、硝酸ナトリウム（ＮａＮＯ3）、シアン化ナトリウム（ＮａＳＣＮ）、炭酸リチウム（ＬｉＣＯ3）、硝酸カルシウム（ＣａＮＯ3）などを使用するが、単独あるいは混合して使用することが可能である。添加量としては１Ｋｇ／ｍ3以下で目的を達成できる。
【００３５】
〔遅延剤〕：施工時の気温や施工条件によっては練混ぜから打設までの可使時間を長くすることが必要なときがある。このような場合に速硬性超微粒子セメント及びカルシウムアルミネート系膨張剤の水和反応を遅延させることのできる遅延剤を使用する。使用する遅延剤としては、ソジウムグルコネート(Sodium Gluconate)、クエン酸(Citric Acid) 、酒石酸(Tartaric Acid) 、硼酸(Boric acid)が挙げられ、これらを単独あるいは混合して使用する。添加量としては１Ｋｇ／ｍ3で十分である。
【００３６】
混和材および混和剤を配合する改善配合の配合例を参考までに表１に示した。
【００３７】
【表１】
【００３８】
本発明による高性能補修用モルタルは産業副産物の石炭灰と石炭灰人工骨材及び高炉スラグ骨材を主原料として使用して高流動、速硬性、高強度、高耐久性を発現したものであり、用途としては一般トンネル、水路トンネルにおける内巻工法に特に適する。また道路及び他の構造物の補修用材料としても使用することも可能である。本発明の補修用モルタルは、一般の補修モルタルと比べると、流動性、速硬性、高強度、高耐久性のバランスが優れているので、良好な作業性のもとで高品質の補修成果が得られるし、経済的でもある。
【００３９】
以下に実施例をあげる。
【実施例】
【００４０】
本実施例で使用した原材料の種類とそれらの物性を表２に示した。これらの原材料を表３に示す配合で混練し、得られた各モルタルのフレッシュ試験の結果を表３に併記した。試験は、渇水期に水路トンネル内部での内巻工法を実施することを想定して、気温１０℃、相対湿度８０％の条件に設定した。
【００４１】
結合材としてのセメントには、超微粒子セメントに、カルシウムアルミネート系速硬材と、カルシウムアルミネイト系膨張材および超微粒活性化材を予め混合した超微粒子混合セメントを使用した。本実施例で使用した超微粒子混合セメントの各材料の混合割合は超微粒子セメント：９.５重量％、カルシウムアルミネート系速硬材：６７.０重量％、カルシウムアルミネイト系膨張材８.０重量％、超微粒活性化材１５.０重量％のものである。表３の配合例においては、この超微粒子混合セメント中の各材料の配合割合は、モルタル１ｍ3当りの単位重量基準で表すと、超微粒子セメント：２８〜５７Ｋｇ／ｍ3、カルシウムアルミネート系速硬材：２０１〜４０２Ｋｇ／ｍ3、カルシウムアルミネイト系膨張材２５〜５１Ｋｇ／ｍ3、超微粒活性化材４５〜９０Ｋｇ／ｍ3となる
【００４２】
調合は，表３に示すように、配合例１〜６においては水結合材比（Ｗ／Ｂ）を４１％、単位結合材量を６００Ｋｇ／ｍ3とし、超微粒子混合セメントの０〜３００Ｋｇ／ｍ3を置換水準を変えてフライアッシュで置換した。また、全骨材容積の３０容積％に相当する分を人工軽量骨材砂（表２中のＪＳ）で置換した。
【００４３】
実際の現場では、施工時に単位水量を定量的に計量することは困難を伴うので、配合例７〜１２において単位水量のみを加減した場合の性状変化を調べた。すなわち、フライアッシュの混入量１００、１５０、２００Ｋｇ／ｍ3の配合において、水結合材比を３９％と４４％として、それらの性状変化を調べた。
【００４４】
【表２】
【００４５】
【表３】
【００４６】
〔試験項目と試験方法〕
各配合例のフレッシュ試験の結果を表３および図１〜図３に示した。また、図４〜６に圧縮試験の結果を、図７に材齢と長さ変化率の関係を示す試験結果を、図８にプライマーに対する付着強度試験結果を、図９に経過時間と磨耗深さの関係を示す試験結果を示した。
【００４７】
これらの試験方法は次のとおりである。
フリーフロー試験：JIS R 5201（セメントの物理試験方法のフロー試験）に準じ，落下運動をしない自由フロー値を測定した。
J14 ロート試験：JSCE−F541（充填モルタルの流動性試験）に準じた。
空気量と単位容積質量の測定：JIS A 1128（空気量の圧力による試験方法）に準じた。
凝結時間の測定：JIS A 1147（コンクリートの凝結時間試験方法）に準じた。
圧縮強度の測定：JIS A 1108（コンクリートの圧縮強度試験方法）に準じ、測定材齢を３時間、７日、２８日とし、養生条件は１０℃、相対湿度８０％とした。
長さ変化試験：JIS A 1129-1（長さ変化試験方法−コンパレータ方法）に準じ、試験体の寸法は４０×４０×１６０ｍｍとし、打込み後１日封緘養生を行い、直ちに１０℃、相対湿度６０％で養生した。
付着試験：JIS A6909（建築用仕上塗材の付着強さ試験）に準じ、６００×３００×６０ｍｍのJIS 舗装用平板を用いて実施した。試験体は舗装用平板の上面を目荒した後各種のプライマーを標準使用量塗布し、補修モルタルを厚１０ｍｍ流し込み、材齢１４日と２８日で付着強度を測定した。養生条件は１０℃、相対湿度８０％とした。プライマーは塗布無し（水湿し）及びエチレン酢酸ビニル系２種類、アクリル系ポリマー２種類、エポキシ樹脂系１種類の６種類とした。試験体は各材齢に６個をサンプリングし、最大値および最小値を除外した試験体４個の平均値で評価した。
磨耗試験：ASTM C 779「コンクリート表面の耐磨耗試験方法」のＡ法( 回転円盤機) に準じて実施した。試験体は３００×３００×５０ｍｍの平板とし、材齢２８日まで１０℃水中に浸漬養生後１週間２０℃、相対湿度６０％で気乾養生を行い、０分、３０分、６０分、９０分、１２０分までの磨耗試験を実施した。磨耗量の測定方法は試験体の四隅に測定板の脚部を固定するためのチップを貼り付け、測定板を設置し、上面から試験体上面までの深さを磨耗面２４点についてデジタルゲージで平均値を求めた。
【００４８】
〔試験結果〕
表３および図１〜９の試験結果に見られるように、本発明に従う補修用モルタルはこれまでのものにはない特異な特性を示すことがわかる。
１.図１に示すように、フリーフローは、フライアッシュの混入量が増加しても２５８〜２８９ｍｍを示す。また、フライアッシュの混入量１００Ｋｇ／ｍ3と１５０Ｋｇ／ｍ3において水結合材比を変化させた場合にフリーフローは、フライアッシュの混入量が増加すると大きくなる傾向にあるが、水結合材比３９〜４４％では２５７〜３０２ｍｍを示す。
【００４９】
２.表３のように、空気量については、全ての調合において１.４ 〜２.８％の範囲であり、フライアッシュの混入量と水結合材比の変化による影響は殆んど見られない。
【００５０】
３.図２には、フライアッシュの混入量によるＪロートの充填流動性の結果を示すが、フライアッシュを混入した補修用モルタルでは、フライアッシュの混入量が増加することによってＪロートの流下時間が遅くなる傾向があり、２２〜５５秒程度である。また、水結合材比が低下すると流下時間が遅くなる傾向にあり、水結合材比３９％の補修用モルタルは水結合材比４４％のものより２.５倍程度遅い。
【００５１】
４.図３には凝結試験の結果を示すが、全ての配合において始発時間が４８分〜６２分、終結時間が６５分〜７６分であり、始発から終結まで約１５分程度である。補修用モルタルの内巻工法への実用化に当っては、練り混ぜからグラウトポンプによる注入まで２０分程度の時間を要するため、３０分以上の可使時間の確保が必要となるが、本例のモルタルは始発時間が４８分以上を示しているため、可使時間が十分確保できる。
【００５２】
５.図４には圧縮強度を示す。材齢３時間の圧縮強度はフライアッシュの混入量が増加することによって低下する傾向があるが、フライアッシュ混入量３００Ｋｇ／ｍ3（配合例６）以外は６Ｎ／ｍｍ2以上である。材齢２８日の圧縮強度はフライアッシュ混入量が増加すると大きく減少する傾向にあり、約２５.３〜６７.３Ｎ／ｍｍ2の範囲である。フライアッシュ混入量３００Ｋｇ／ｍ3（配合例６）を除いた全ての補修モルタルは４０Ｎ／ｍｍ2以上である。
【００５３】
６.図５に始発時間と３時間強度の関係を示す。フライアッシュが増加することによって始発時間は速くなるが、３時間圧縮強度は小さくなる傾向を示す。フライアッシュの混入量による始発時間の差は最大１５分程度である。セメント量に対するフライアッシュの混入量の調整によって始発時間が調整できる。
【００５４】
７.図６に結合材水比（Ｂ／Ｗであり、Ｗ／Ｂではない）の違いによる圧縮強度の変化を示す。フライアッシュの混入量１００Ｋｇ／ｍ3（配合例３）と１５０Ｋｇ／ｍ3（配合例４）および２００Ｋｇ／ｍ3（配合例５）について、材齢３時間の圧縮強度は結合材水比の違いによる影響は少なく、いずれの結合材水比でも６Ｎ／ｍｍ2以上を示す。材齢２８日の圧縮強度は結合材水比が増加すると大きくなる傾向にあるが、いずれも４０Ｎ／ｍｍ2を上回る。本発明に従う補修用モルタルでは、フライアッシュの混入量及び単位水量の加減による水結合材比の変化に対する圧縮強度は、フライアッシュの混入量が２００Ｋｇ／ｍ3以下であれば、設定した目標値を満足することがわかる。したがって、単位水量の加減による水結合材比の許容範囲として、計画調合において水結合材比が±３％（単位水量±１８Ｋｇ／ｍ3）程度であっても、その圧縮強度の品質が確保きる。
【００５５】
８.図７に長さ変化率の試験結果の一例を示すが、材齢６０日から長さはほぼ安定し、材齢９１日では７.９×１０-4〜８.８×１０-4の範囲である。また、フライアッシュ混入量による長さ変化には大きな差はない。
【００５６】
９.図８に各種プライマーに対する付着強度を示す。材齢１４日の付着強度は、エポキシ樹脂系プライマーを除いて、１.５Ｎ／ｍｍ2を大きく上回っている。材齢２８日の付着強度は２.１Ｎ／ｍｍ2〜３.４Ｎ／ｍｍ2を示す。エポキシ樹脂系プライマーを除き、プライマーの塗布により付着強度が若干増加する傾向がある。プライマー成分に着目するとアクリル系ポリマーの付着強度が高い。アクリル系ポリマーのうち、Ａプライマーの付着強度はＭプライマーより若干大きい値を示し、本発明の補修用モルタルとの相性が良い。
【００５７】
１０.図９に磨耗試験の結果を示した。磨耗試験は、配合例３の本発明モルタルと普通セメントを用いた高強度モルタル（Ｗ／Ｃ：４３％、単位セメント量５７０Ｋｇ／ｍ3、Ｓ／Ｃ：２.５８、天然砂使用）について行い、経過時間による磨耗量について両者を対比して示した。図９に見られるように、磨耗深さは両者共に経過時間に伴い直線的に大きくなるが、経過時間１２０分における磨耗深さは両者共に約２ｍｍ程度であり、また同等の傾きを示していることから、両者には有意な差はなくほぼ同等であると考えてよい。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明に従う補修用モルタルのフリーフロー試験結果を示す図である。
【図２】本発明に従う補修用モルタルのＪロート充填流動試験の結果を示す図である。
【図３】本発明に従う補修用モルタルの凝結時間についての試験結果を示す図である。
【図４】本発明に従う補修用モルタルの圧縮強度についての試験結果を示す図である。
【図５】本発明に従う補修用モルタルの始発時間と３時間圧縮強度との関係を示す図である。
【図６】本発明に従う補修用モルタルの結合材水比（Ｂ／Ｗ）と圧縮強度との関係を示す図である。
【図７】本発明に従う補修用モルタルの長さ変化を示す図である。
【図８】本発明に従う補修用モルタルの各種プライマーに対する付着強度の試験結果を示す図である。
【図９】本発明に従う補修用モルタルの経過時間による磨耗量の変化を、普通の強度モルタルのそれと対比して示した図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、補修用モルタルおよびこれを用いたトンネル補修工法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般トンネルや、水路トンネルおよび導水路などの覆工コンクリート表層部には、経年による磨耗・洗堀・ひび割れなどの劣化が生じているが、その補修工事として、通常は移動式のセントル型枠を設置してグラウトポンプなどでモルタル注入・充填する内巻工法が実施されている。そのさい、交通量の少ない夜間施工あるいは渇水期において、できるだけ迅速に施工できることが望まれている。とくに水力発電所では建設後５０年以上経過した水理構造物が数多くあり、これに対処するには、地球環境の保全並びに資源循環型資材の使用を考慮すると、産業副産物を有効利用して補修できることが望まれる。
【０００３】
水路トンネルの補修工事は、ほぼ１１月〜２月の渇水期の施工環境気温１０℃以下で行なわれているが、工期短縮のために移動式セントラル型枠（鋼製組立型枠）を用いて補修モルタルをグラウトポンプで注入充填したあと、打設後３時間で脱型する迅速施工が要求される。このためには、高流動性と速硬性を具備した補修モルタルの使用が不可欠である。一般に速硬性を有した高流動モルタル組成物は、流動性を高めれば硬化が遅くなる。１０℃程度の低気温環境ではセメントの強度発現がさらに遅れてしまう。他方、速硬性を高めれば流動を保持している時間が短くなり、施工に必要な十分な可使時間を確保できなくなる。
【０００４】
特許文献１には、凝結遅延剤を添加することなく所定時間の流動性を保持して高流動性および急硬性を有する急硬性高流動セメント組成物が記載されている。この組成物の目標とするものは、１０分以上流動性を保持し、３時間以内に１Ｎ／ｍｍ2以上の強度を発現できるものである。
【０００５】
特許文献２には、速硬性を有するモルタルに流動化剤を添加することによって、打設時に高度な流動性を得ながら、その後はただちに凝結して脱型ができる高流動性速硬セメント配合物が記載されている。この配合物は普通ポルトランドセメントモルタルを練り混ぜた後、経過時間３０分後に、急結剤と流動化剤と遅延剤の混合物を後添加するものである。
【特許文献１】特開平７−１７７９４号公報
【特許文献２】特開２００１−１４６４５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１では、その実施例に示されているように、その流動性は１０分以内ではフロー２００ｍｍを示しても、１０分を超えるとフローは２００ｍｍ未満になってしまう。したがって混練から１０分以上の可使時間（待機時間）を採ることが困難で、混練後ただちに打設しなければならないし、３時間後の圧縮強度は最も高いもので１.６８Ｎ／ｍｍ2に過ぎない。したがって、型枠への注入時間を十分にとることができず、また脱型時の強度も十分とは言い難いので、トンネルの覆工モルタルの補修に適用するには難がある。
【０００７】
特許文献２では、例えばモルタル練混ぜ後３０分経過してから急結材と流動化剤および遅延剤を添加するものであるから、床面での施工はできても、側面や上面の型枠内への注入施工には不向きである。また、実施例では速硬性の評価として凝結時間だけ示しているが、速硬性の評価で重要な強度データが示されていないので、この点でも、トンネル覆工モルタルの補修に適用するには難がある。
【０００８】
したがって、本発明は、トンネル覆工モルタルの補修に適した高流動性を有し、その高流動性を１０分以上保持できながら且つ打設後は時間を置かずに脱型できる高い強度を発現する補修モルタルを開発することを課題としたものであり、併せて、産業副産物例えばフライアッシュや高炉スラグ砂、さらには石炭灰粗粉と頁岩を原料として製造される人工軽量骨材をできるだけ多量に用いて該補修モルタルを構成することを課題とする。そして、一般トンネルはもとより水路トンネルや導水路の覆工コンクリートの補修を施工性よく且つ高品質に実施できるようにすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記の課題を解決した補修用モルタルとして、本発明によれば、材齢３時間の圧縮強度６Ｎ／ｍｍ2以上を発現する補修用モルタルの配合において，セメント系結合材として粉末度５０００〜８０００cm2／ｇの超微粒子セメントを使用し，細骨材の５０容積％以下を吸水率５％以上で絶乾密度１.４〜２.０ｇ／cm3の人工軽量骨材砂で置換し、前記超微粒子セメントの５０重量％以下をフライアッシュで置換し、水結合材比を３７〜４４％、好ましくは３９〜４１％とし（フライアッシュは結合材に算入する）、これらの配合物を混練してフリーフロー２００〜３００ｍｍ、好ましくは２４０〜３００ｍｍ、凝結始発時間が４５分より後で、凝結終結時間が８０分以内とした補修用モルタルを提供する。この補修用モルタルは、材齢２８日の圧縮強度４０Ｎ／ｍｍ2以上、好ましくは４５Ｎ／ｍｍ2以上であることができ、前記の人工軽量骨材砂は、粒径５ｍｍ以下の細粒であるのが好ましい。細骨材としては硅砂および高炉スラグ砂の１種または２種を使用する。なお、前記のフリーフロー、凝結始発時間および凝結終結時間の測定はいずれも気温１０℃、相対湿度８０％の条件下で測定した場合でも、前記の値を満足することができる。
【００１０】
また、前記の配合に対して、さらに混和材としてカルシウムアルミネイト系速硬材４８０Ｋｇ／ｍ3以下、カルシウムアルミネイト系膨張材６０Ｋｇ／ｍ3以下、粉末度８，０００cm2／ｇ以上の無水石膏からなる超微粒子活性化材１５０Ｋｇ／ｍ3以下の１種または２種以上を配合した補修用モルタルを提供する。
【００１１】
また、この配合に対して、さらに混和剤として、消泡剤１Ｋｇ／ｍ3以下、分散剤１２Ｋｇ／ｍ3以下、強度促進剤１Ｋｇ／ｍ3以下、遅延剤１Ｋｇ／ｍ3以下の１種または２種以上をさらに配合した補修用モルタルを提供する。
【００１２】
さらに本発明によれば、一般トンネルまたは水路トンネルの内壁に型枠を設置し、該内壁と型枠との空間に補修用モルタルを充填するトンネルの内巻工法において、該補修用モルタルとして、前記の補修用モルタルを使用して施工するトンネル補修工法を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明者らは、トンネルの覆工コンクリート劣化の問題に対してこれまでもその補修対策について種々の試験研究を重ねてきたが、覆工コンクリートの内側に移動式の鋼製型枠を設置して高流動性モルタルを充填して短時間に脱型しつつ充填範囲を変えて行くセントル型枠使用の内巻工法が短時間での施工性の点でも、補修品質の点でも優れることに着目し、この内巻工法に適する補修モルタルを得るべく種々の検討を行なってきた。その結果、可能なかぎり産業副産物資材を原料としながら、内巻工法の利点を十分に引き出せる補修モルタルを今回開発することができた。この補修モルタルは、超微粒子セメント、フライアッシュ、軽量人工骨材砂、硅砂および／または高炉スラグ砂を使用し、水／結合材比を３９〜４１％に設定して、材齢３時間の圧縮強度６Ｎ／ｍｍ2以上、フリーフロー２４０〜３００ｍｍ、凝結始発時間４５分以上、凝結終結時間８０分以内を発現させることを骨子とする。
【００１４】
以下に、本発明に従う補修モルタルで特定する事項を説明する。
〔超微粒子セメント〕：セメント粒子を微細化したセメントであり、実際には、粉末度２，８００〜３，５００cm2／ｇの普通ポルトランドセメントを再粉砕して粉末度を５，０００〜８，０００cm2／ｇまで高めたセメントを指す。超微粒子セメントは、その微粒子ゆえに、水との水和反応が早く、またセメントマトリックスの組織を緻密化するので、普通セメントよりも初期強度が高くなり、長期強度も増加するようになる。本発明ではこの超微粒子セメントを１５０Ｋｇ／ｍ3以下、好ましくは１０〜１２０Ｋｇ／ｍ3、さらに好ましくは３００〜６００Ｋｇ／ｍ3の配合で使用することによって、補助モルタルの速硬性と高強度化を推進させる。超微粒子セメントの配合量が１０Ｋｇ／ｍ3未満ではこの作用が十分に発揮できず、強度も不足する。他方１５０Ｋｇ／ｍ3を超える配合では材齢３時間の圧縮強度６Ｎ／ｍｍ2を確保できないこともあり得るので、１０〜１５０Ｋｇ／ｍ3の配合で使用する。
【００１５】
〔フライアッシュ〕
フライアッシュは火力発電所で発生する産業副産物として、主にセメントの原料とレディミックスコンクリート工場及び建設現場でのコンクリート製造時セメントの置換材として使用しているが、フライアッシュ発生量の全部がこれらに使用されている訳ではなく、不使用分は埋め立て用などに処理されている。本発明では、この不使用分のフライアッシュをできるだけ多量に使用することによって、トンネル覆工コンクリートの補修モルタルとして有効利用できるようにした。フライアッシュは水と直接反応するのではなく、超微粒子セメントと水との反応によって生成する水酸化カルシウムと反応して硬化作用を果たす。すなわち、本発明の補助モルタルでは、超微粒子セメントとともに結合材としての機能を果たす潜在水硬性物質として使用する。またフライアッシュはポルトランドセメントより強度発現は遅く化学抵抗性に強いという性質があり、これにより長期強度の増加を図ることができる。さらにフライアッシュはセメントマトリックスの組織を緻密化するのに寄与し、補助モルタルの高流動性と粘性に作用を及ぼす。本発明で使用するフライアッシュの粉末度は２，５００〜４，５００cm2／ｇ程度である。本発明の補助モルタルでは、前記の超微粒子セメントの５０重量％以下をフライアッシュで置換して使用する。具体的には４００Ｋｇ／ｍ3以下、好ましくは３００Ｋｇ／ｍ3以下の配合で使用するのがよい。４００Ｋｇ／ｍ3を超える配合では材齢３時間強度６Ｎ／ｍｍ2以上を確保するのが困難になる場合がある。
【００１６】
〔人工軽量骨材砂〕
本発明で使用する人工軽量骨材砂は、吸水率が５％以上で絶乾密度が１.４〜２.０ｇ／cm3で、平均粒径が５ｍｍ以下で、粒径５ｍｍを超える粗粒が存在する割合（粗粒率）が７％以下、好ましくは５％以下のものであるのが好ましい。このような特性をもつ人工軽量骨材は、天然の細骨材と比べて多孔質であり、その空隙に水が含まれているのでこれをモルタルに混入すると流動性を向上させることができ、且つその含有水によって初期材齢での内部養生効果が発現し、硬化時の収縮を低減してひび割れの発生を抑制できる。
【００１７】
このような人工軽量骨材砂は、例えば火力発電所副生の石炭灰粗粉（ａ）と頁岩の微粉末（ｂ）とを（ａ）：（ｂ）の重量比が４：６〜６：４の割合で混合し、バインダーを加えて造粒したあと、これをロータリキルンで約１，１００〜１，２００℃で焼成し、その冷却過程においてほぼ１００〜２００℃から水中に急冷し、得られた焼成品は粗砕し分級して５ｍｍ以下の細骨材分を分別することによって得ることができる。
【００１８】
該人工軽量骨材砂の絶乾密度が１.４ｇ／cm3未満では圧壊荷重１０００Ｎ未満となり、また該密度が２.０ｇ／cm3を超えると十分な吸水率を確保するのが困難となるので、本発明で用いる人工軽量骨材砂の絶乾密度は１.４〜２.０ ｇ／cm3、好ましくは１.４０〜１.９０ｇ／cm3であるのがよい。吸水率については５％以下では前記の流動性および内部養生効果による収縮低減効果が十分に現れない。吸水率は２０％以下であるのがよい。これより高い吸収率のものは多孔質になりすぎて強度向上に寄与し難くなる。
【００１９】
本発明においては、細骨材の５０容積％以下をこのような人工軽量骨材砂で置換する。５０容積％よりも多く人工軽量骨材砂で細骨材を置換すると、補助モルタルの流動性および強度特性の調節を安定して制御できなくなるおそれがあるので、あまり好ましいことではない。細骨材に対する人工軽量骨材砂の置換率は、好ましくは４０容積％以下、さらに好ましくは３０容積％以下である。
【００２０】
〔細骨材〕
本発明で使用する細骨材は硅砂および高炉スラグ砂の１種または２種であるのが好ましい。適度な粒度分布を持つ硅砂および／または高炉スラグ砂を用いることによって補修用モルタルの流動性および緻密性を向上させることができる。高炉スラグ砂は、高炉スラグを骨材として再活用したものであり、硅砂の代替材料として本発明では使用可能である。細骨材の配合は水結合材比および人工軽量骨材砂の配合量にもよるが、８００〜１，８００Ｋｇ／ｍ3の範囲，好ましくは１，０００〜１，５００Ｋｇ／ｍ3の範囲であるのがよい。硅砂に対する高炉スラグ砂の置換量が多いほど、産業副生物の有効利用ができることになる。
【００２１】
〔水結合材比〕
本発明に従う補修モルタルは、水結合材比を３７〜４４％、好ましくは３９〜４１％として混練する。水結合材比の算出において、結合材は超微粒子セメントとフライアッシュの合計量とし、水／（超微粒子セメント＋フライアッシュ）の百分率をもって表す。水結合材比が３７％未満では補修用モルタルのフリーフロー２００ｍｍを安定して確保することが困難となり、４４％を超えると強度を意図するところまで高めるのが困難になるし、材料分離が生じやすくなる。
【００２２】
このようにして、本発明の補修用モルタルは、セメント系結合材として粉末度５，０００〜８，０００cm2／ｇの超微粒子セメントを使用し、細骨材の５０容積％以下を吸水率５％以上で絶乾密度１.４〜２.０ｇ／cm3の人工軽量骨材砂で置換し、前記超微粒子セメントの５０重量％以下をフライアッシュで置換し、水結合材比を３７〜４３％とした基本配合を採用し、この基本配合のものを混練することにより、フリーフロー２００〜３００ｍｍ好ましくは２４０〜３００ｍｍの良好な流動性を有しながら且つ材齢３時間の圧縮強度６Ｎ／ｍｍ2以上を発現し、凝結始発時間が４５分より後で、凝結終結時間が８０分以内の初期硬化特性を示す。また材齢２８日の圧縮強度４０Ｎ／ｍｍ2以上を確保することができる。
【００２３】
この基本配合の補修用モルタルによれば、１０±５℃の低気温環境下においてもトンネルの内巻き工法を施工性よく実施できる。すなわち、一般トンネルまたは水路トンネルの内壁に型枠（例えばセントル型枠）を設置し、該内壁と型枠との空間に補修用モルタルを充填するするトンネルの内巻工法において、充填箇所が硬化したら脱型して次の充填箇所に型枠を移動して行くさいに、狭い充填箇所に本発明の補修用モルタルは良好に自己充填してゆき、しかも、混練から４５分以内は硬化が始まらないから、混練物を注入開始するまでに十分な余裕をとることができると共に、３時間後は脱型可能な６Ｎ／ｍｍ2以上の強度を示すので、迅速に型枠の脱型移動を迅速に行うことができるなど、施工時間と時期に制限を受けるトンネル内巻工法の施工法の改善に大いに貢献できる。
【００２４】
したがって、本発明によれば、一般トンネルまたは水路トンネルの内壁に型枠を設置し、該内壁と型枠との空間に補修用モルタルを充填するするトンネルの内巻工法において、前記の基本配合の補修用モルタルを用いることを特徴とするトンネル内巻工法を提供することができ、このトンネル内巻工法によれば、従来のものにはない良好な施工性が実現きると共に良好な補修品質を確保することができる。
【００２５】
本発明に従う補修用モルタルは、前記の「基本配合」の補修用モルタルに対し、さらに適切な混和材および混和剤を配合してその特性をさらに改善したものを提供する。使用する混和材および混和剤は次のとおりである。
【００２６】
使用する混和材
〔カルシウムアルミネート系速硬材〕：カルシウムアルミネート速硬材は石膏と混合して使用することによって、水と瞬間的に反応してエトリンガイト(Ettringite)水和物を生成する。このため、普通ポルトランドセメントでは数日〜数十日で発現する圧縮強度を数時間で得ることができる。本発明の補修用においても、このようなカルシウムアルミネート系速硬材（石膏添加のもの）を配合することにより、初期強度の発現程度を調節することができる。カルシウムアルミネート系速硬材の配合量としては４８０Ｋｇ／ｍ3以下、特に１５０〜４８０Ｋｇ／ｍ3とすることができる。
【００２７】
〔カルシウムアルミネイト系膨張材〕：カルシウムアルミネイト系膨張材を配合すると、水和反応初期のセメントマトリックス組織を緻密化してセメント硬化体を膨張させる作用があり、このためにセメントの自己収縮を補償し、長期的に乾燥収縮を防止することができる。本発明の補修用モルタルにおいても、このカルシウムアルミネイト系膨張材を配合すると補修箇所の乾燥収縮が抑制されるので、長期にわたって安定した品質をもった補修ができる。本発明の補修用モルタルへのカルシウムアルミネイト系膨張材の配合量としては１５〜６０Ｋｇ／ｍ3の範囲が適切である。
【００２８】
〔超微粒活性化材〕：超微粒活性化材は、粉末度８，０００cm2／ｇ以上の超微粒子の無水石膏からなる。この超微粒活性化材を本発明の補修用モルタルに配合すると、超微粒子セメントおよびカルシウムアルミネート系速硬剤が水と接触して急結するのを防止することができる。このため、施工作業に必要な可使時間を安定して確保できる。一定の時間が経過した後には、この超微粒活性化材は超微粒子セメントおよびカルシウムアルミネート系速硬剤と化学反応して初期強度の確保に寄与し、組織の緻密化に有効に作用する。しかし、初期に反応しなかった未反応の無水石膏は長期間に渡って反応を起こす。本発明の補修用モルタルへの超微粒活性化材の配合量としては３０〜１５０Ｋｇ／ｍ3の範囲が適切である。
【００２９】
〔シリカフューム〕：フライアッシュの一部をシリカフュームで置換して使用することができる。シリカフュームを使用した場合には、その量を結合材の量に算入して水／結合材比を算出する。
【００３０】
これらの混和材は、いずれも補修用モルタルの強度に影響を与える結合材の１種であると言える。このため、これらの混和材を用いる場合の水結合比の算出においては、これらの混和材も結合材として算入する。また、これらの混和材のうち、カルシウムアルミネート系速硬材、カルシウムアルミネイト系膨張材および超微粒活性化材については、粉状のまま超微粒子セメントと予め混合しておき、この混合粉をセメント系結合材として使用することができる。そして水／結合材比の算出にあたっては、これらの混和材を混合したセメント系結合材をそのまま結合材の量に算入し、フライアッシュを添加するのであればそのフライアッシュも結合材の量に算入する。
【００３１】
混和材配合の水結合材比：これらの混和材を配合したときの水結合材比については、基本配合で説明したとおり３７〜４４％、好ましくは３９〜４１％とするのがよい。
【００３２】
使用する混和剤
施工環境によっては補修用モルタルの流動性や強度特性を適切に調節することが必要になることがある。そのような場合には、次の混和剤を添加して補修用モルタルを混練するのがよい。
〔消泡剤〕：連行空気の発生によって空気量が増加する場合に、それを抑制するために添加するもので、ポリエステル系、シリコン系、エチルアールコルおよびエチレングリコールの１種または２種以上を使用することができ、市場で入手可能なものを使用できる。添加量としては通常は１Ｋｇ／ｍ3で十分である。
【００３３】
〔分散剤〕：単位水量を過剰にすることなくモルタルの流動性を確保し、水密性向上及び凍結融解の抵抗性を改善させて耐久性を増進するのに使用する。また、フレッシュのモルタルの粘性と流動性を同時に付加し、締固め不要な流動性をもつために使用する。分散剤としては市場で入手できる高性能減水剤を使用することができ、ポリカルボン酸系、ナフタレン系、メラミン系及びリグニン系の高性能減水剤の１種または２種以上を使用することができる。添加量としては通常の場合１２Ｋｇ／ｍ3以下で目的を達成することができる。
【００３４】
〔強度促進剤〕：モルタルの３時間以後の強度発現を促進することが必要なときに使用する。強度促進剤としては，硫酸ナトリウム（Ｎａ2ＳＯ4）、硝酸ナトリウム（ＮａＮＯ3）、シアン化ナトリウム（ＮａＳＣＮ）、炭酸リチウム（ＬｉＣＯ3）、硝酸カルシウム（ＣａＮＯ3）などを使用するが、単独あるいは混合して使用することが可能である。添加量としては１Ｋｇ／ｍ3以下で目的を達成できる。
【００３５】
〔遅延剤〕：施工時の気温や施工条件によっては練混ぜから打設までの可使時間を長くすることが必要なときがある。このような場合に速硬性超微粒子セメント及びカルシウムアルミネート系膨張剤の水和反応を遅延させることのできる遅延剤を使用する。使用する遅延剤としては、ソジウムグルコネート(Sodium Gluconate)、クエン酸(Citric Acid) 、酒石酸(Tartaric Acid) 、硼酸(Boric acid)が挙げられ、これらを単独あるいは混合して使用する。添加量としては１Ｋｇ／ｍ3で十分である。
【００３６】
混和材および混和剤を配合する改善配合の配合例を参考までに表１に示した。
【００３７】
【表１】
【００３８】
本発明による高性能補修用モルタルは産業副産物の石炭灰と石炭灰人工骨材及び高炉スラグ骨材を主原料として使用して高流動、速硬性、高強度、高耐久性を発現したものであり、用途としては一般トンネル、水路トンネルにおける内巻工法に特に適する。また道路及び他の構造物の補修用材料としても使用することも可能である。本発明の補修用モルタルは、一般の補修モルタルと比べると、流動性、速硬性、高強度、高耐久性のバランスが優れているので、良好な作業性のもとで高品質の補修成果が得られるし、経済的でもある。
【００３９】
以下に実施例をあげる。
【実施例】
【００４０】
本実施例で使用した原材料の種類とそれらの物性を表２に示した。これらの原材料を表３に示す配合で混練し、得られた各モルタルのフレッシュ試験の結果を表３に併記した。試験は、渇水期に水路トンネル内部での内巻工法を実施することを想定して、気温１０℃、相対湿度８０％の条件に設定した。
【００４１】
結合材としてのセメントには、超微粒子セメントに、カルシウムアルミネート系速硬材と、カルシウムアルミネイト系膨張材および超微粒活性化材を予め混合した超微粒子混合セメントを使用した。本実施例で使用した超微粒子混合セメントの各材料の混合割合は超微粒子セメント：９.５重量％、カルシウムアルミネート系速硬材：６７.０重量％、カルシウムアルミネイト系膨張材８.０重量％、超微粒活性化材１５.０重量％のものである。表３の配合例においては、この超微粒子混合セメント中の各材料の配合割合は、モルタル１ｍ3当りの単位重量基準で表すと、超微粒子セメント：２８〜５７Ｋｇ／ｍ3、カルシウムアルミネート系速硬材：２０１〜４０２Ｋｇ／ｍ3、カルシウムアルミネイト系膨張材２５〜５１Ｋｇ／ｍ3、超微粒活性化材４５〜９０Ｋｇ／ｍ3となる
【００４２】
調合は，表３に示すように、配合例１〜６においては水結合材比（Ｗ／Ｂ）を４１％、単位結合材量を６００Ｋｇ／ｍ3とし、超微粒子混合セメントの０〜３００Ｋｇ／ｍ3を置換水準を変えてフライアッシュで置換した。また、全骨材容積の３０容積％に相当する分を人工軽量骨材砂（表２中のＪＳ）で置換した。
【００４３】
実際の現場では、施工時に単位水量を定量的に計量することは困難を伴うので、配合例７〜１２において単位水量のみを加減した場合の性状変化を調べた。すなわち、フライアッシュの混入量１００、１５０、２００Ｋｇ／ｍ3の配合において、水結合材比を３９％と４４％として、それらの性状変化を調べた。
【００４４】
【表２】
【００４５】
【表３】
【００４６】
〔試験項目と試験方法〕
各配合例のフレッシュ試験の結果を表３および図１〜図３に示した。また、図４〜６に圧縮試験の結果を、図７に材齢と長さ変化率の関係を示す試験結果を、図８にプライマーに対する付着強度試験結果を、図９に経過時間と磨耗深さの関係を示す試験結果を示した。
【００４７】
これらの試験方法は次のとおりである。
フリーフロー試験：JIS R 5201（セメントの物理試験方法のフロー試験）に準じ，落下運動をしない自由フロー値を測定した。
J14 ロート試験：JSCE−F541（充填モルタルの流動性試験）に準じた。
空気量と単位容積質量の測定：JIS A 1128（空気量の圧力による試験方法）に準じた。
凝結時間の測定：JIS A 1147（コンクリートの凝結時間試験方法）に準じた。
圧縮強度の測定：JIS A 1108（コンクリートの圧縮強度試験方法）に準じ、測定材齢を３時間、７日、２８日とし、養生条件は１０℃、相対湿度８０％とした。
長さ変化試験：JIS A 1129-1（長さ変化試験方法−コンパレータ方法）に準じ、試験体の寸法は４０×４０×１６０ｍｍとし、打込み後１日封緘養生を行い、直ちに１０℃、相対湿度６０％で養生した。
付着試験：JIS A6909（建築用仕上塗材の付着強さ試験）に準じ、６００×３００×６０ｍｍのJIS 舗装用平板を用いて実施した。試験体は舗装用平板の上面を目荒した後各種のプライマーを標準使用量塗布し、補修モルタルを厚１０ｍｍ流し込み、材齢１４日と２８日で付着強度を測定した。養生条件は１０℃、相対湿度８０％とした。プライマーは塗布無し（水湿し）及びエチレン酢酸ビニル系２種類、アクリル系ポリマー２種類、エポキシ樹脂系１種類の６種類とした。試験体は各材齢に６個をサンプリングし、最大値および最小値を除外した試験体４個の平均値で評価した。
磨耗試験：ASTM C 779「コンクリート表面の耐磨耗試験方法」のＡ法( 回転円盤機) に準じて実施した。試験体は３００×３００×５０ｍｍの平板とし、材齢２８日まで１０℃水中に浸漬養生後１週間２０℃、相対湿度６０％で気乾養生を行い、０分、３０分、６０分、９０分、１２０分までの磨耗試験を実施した。磨耗量の測定方法は試験体の四隅に測定板の脚部を固定するためのチップを貼り付け、測定板を設置し、上面から試験体上面までの深さを磨耗面２４点についてデジタルゲージで平均値を求めた。
【００４８】
〔試験結果〕
表３および図１〜９の試験結果に見られるように、本発明に従う補修用モルタルはこれまでのものにはない特異な特性を示すことがわかる。
１.図１に示すように、フリーフローは、フライアッシュの混入量が増加しても２５８〜２８９ｍｍを示す。また、フライアッシュの混入量１００Ｋｇ／ｍ3と１５０Ｋｇ／ｍ3において水結合材比を変化させた場合にフリーフローは、フライアッシュの混入量が増加すると大きくなる傾向にあるが、水結合材比３９〜４４％では２５７〜３０２ｍｍを示す。
【００４９】
２.表３のように、空気量については、全ての調合において１.４ 〜２.８％の範囲であり、フライアッシュの混入量と水結合材比の変化による影響は殆んど見られない。
【００５０】
３.図２には、フライアッシュの混入量によるＪロートの充填流動性の結果を示すが、フライアッシュを混入した補修用モルタルでは、フライアッシュの混入量が増加することによってＪロートの流下時間が遅くなる傾向があり、２２〜５５秒程度である。また、水結合材比が低下すると流下時間が遅くなる傾向にあり、水結合材比３９％の補修用モルタルは水結合材比４４％のものより２.５倍程度遅い。
【００５１】
４.図３には凝結試験の結果を示すが、全ての配合において始発時間が４８分〜６２分、終結時間が６５分〜７６分であり、始発から終結まで約１５分程度である。補修用モルタルの内巻工法への実用化に当っては、練り混ぜからグラウトポンプによる注入まで２０分程度の時間を要するため、３０分以上の可使時間の確保が必要となるが、本例のモルタルは始発時間が４８分以上を示しているため、可使時間が十分確保できる。
【００５２】
５.図４には圧縮強度を示す。材齢３時間の圧縮強度はフライアッシュの混入量が増加することによって低下する傾向があるが、フライアッシュ混入量３００Ｋｇ／ｍ3（配合例６）以外は６Ｎ／ｍｍ2以上である。材齢２８日の圧縮強度はフライアッシュ混入量が増加すると大きく減少する傾向にあり、約２５.３〜６７.３Ｎ／ｍｍ2の範囲である。フライアッシュ混入量３００Ｋｇ／ｍ3（配合例６）を除いた全ての補修モルタルは４０Ｎ／ｍｍ2以上である。
【００５３】
６.図５に始発時間と３時間強度の関係を示す。フライアッシュが増加することによって始発時間は速くなるが、３時間圧縮強度は小さくなる傾向を示す。フライアッシュの混入量による始発時間の差は最大１５分程度である。セメント量に対するフライアッシュの混入量の調整によって始発時間が調整できる。
【００５４】
７.図６に結合材水比（Ｂ／Ｗであり、Ｗ／Ｂではない）の違いによる圧縮強度の変化を示す。フライアッシュの混入量１００Ｋｇ／ｍ3（配合例３）と１５０Ｋｇ／ｍ3（配合例４）および２００Ｋｇ／ｍ3（配合例５）について、材齢３時間の圧縮強度は結合材水比の違いによる影響は少なく、いずれの結合材水比でも６Ｎ／ｍｍ2以上を示す。材齢２８日の圧縮強度は結合材水比が増加すると大きくなる傾向にあるが、いずれも４０Ｎ／ｍｍ2を上回る。本発明に従う補修用モルタルでは、フライアッシュの混入量及び単位水量の加減による水結合材比の変化に対する圧縮強度は、フライアッシュの混入量が２００Ｋｇ／ｍ3以下であれば、設定した目標値を満足することがわかる。したがって、単位水量の加減による水結合材比の許容範囲として、計画調合において水結合材比が±３％（単位水量±１８Ｋｇ／ｍ3）程度であっても、その圧縮強度の品質が確保きる。
【００５５】
８.図７に長さ変化率の試験結果の一例を示すが、材齢６０日から長さはほぼ安定し、材齢９１日では７.９×１０-4〜８.８×１０-4の範囲である。また、フライアッシュ混入量による長さ変化には大きな差はない。
【００５６】
９.図８に各種プライマーに対する付着強度を示す。材齢１４日の付着強度は、エポキシ樹脂系プライマーを除いて、１.５Ｎ／ｍｍ2を大きく上回っている。材齢２８日の付着強度は２.１Ｎ／ｍｍ2〜３.４Ｎ／ｍｍ2を示す。エポキシ樹脂系プライマーを除き、プライマーの塗布により付着強度が若干増加する傾向がある。プライマー成分に着目するとアクリル系ポリマーの付着強度が高い。アクリル系ポリマーのうち、Ａプライマーの付着強度はＭプライマーより若干大きい値を示し、本発明の補修用モルタルとの相性が良い。
【００５７】
１０.図９に磨耗試験の結果を示した。磨耗試験は、配合例３の本発明モルタルと普通セメントを用いた高強度モルタル（Ｗ／Ｃ：４３％、単位セメント量５７０Ｋｇ／ｍ3、Ｓ／Ｃ：２.５８、天然砂使用）について行い、経過時間による磨耗量について両者を対比して示した。図９に見られるように、磨耗深さは両者共に経過時間に伴い直線的に大きくなるが、経過時間１２０分における磨耗深さは両者共に約２ｍｍ程度であり、また同等の傾きを示していることから、両者には有意な差はなくほぼ同等であると考えてよい。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明に従う補修用モルタルのフリーフロー試験結果を示す図である。
【図２】本発明に従う補修用モルタルのＪロート充填流動試験の結果を示す図である。
【図３】本発明に従う補修用モルタルの凝結時間についての試験結果を示す図である。
【図４】本発明に従う補修用モルタルの圧縮強度についての試験結果を示す図である。
【図５】本発明に従う補修用モルタルの始発時間と３時間圧縮強度との関係を示す図である。
【図６】本発明に従う補修用モルタルの結合材水比（Ｂ／Ｗ）と圧縮強度との関係を示す図である。
【図７】本発明に従う補修用モルタルの長さ変化を示す図である。
【図８】本発明に従う補修用モルタルの各種プライマーに対する付着強度の試験結果を示す図である。
【図９】本発明に従う補修用モルタルの経過時間による磨耗量の変化を、普通の強度モルタルのそれと対比して示した図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
材齢３時間の圧縮強度６Ｎ／ｍｍ2以上を発現する補修用モルタルの配合において、セメント系結合材として粉末度５，０００〜８，０００cm2／ｇの超微粒子セメントを使用し、細骨材の５０容積％以下を吸水率５％以上で絶乾密度１.４〜２.０グラム/cm3の人工軽量骨材砂で置換し、前記超微粒子セメントの５０重量％以下をフライアッシュで置換し、水結合材比を３７〜４４％とし（フライアッシュは結合材に算入する）、これらの配合物を混練してフリーフロー２００〜３００ｍｍ、凝結始発時間が４５分より後で、凝結終結時間が８０分以内とした補修用モルタル。
【請求項２】
材齢２８日の圧縮強度４０Ｎ／ｍｍ2以上である請求項１に記載の補修用モルタル。
【請求項３】
人工軽量骨材砂は、平均粒径が５ｍｍ以下である請求項１または２に記載の補修用モルタル。
【請求項４】
細骨材は、硅砂および高炉スラグ砂の１種または２種からなる請求項１に記載の補修用モルタル。
【請求項５】
フリーフロー、凝結始発時間および凝結終結時間の測定は気温１０℃、相対湿度８０％の条件下で測定される値である請求項１に記載の補修用モルタル。
【請求項６】
混和材として，カルシウムアルミネイト系速硬材４８０Ｋｇ／ｍ3以下、カルシウムアルミネイト系膨張材６０Ｋｇ／ｍ3以下、粉末度８，０００cm2／ｇ以上の無水石膏からなる超微粒子活性化材１５０Ｋｇ／ｍ3以下の１種または２種以上をさらに配合した請求項１に記載の補修用モルタル。
【請求項７】
混和材は粉体状で超微粒子セメントに予め混合され、この混合粉がセメント系結合材を形成している請求項６に記載の補修用モルタル。
【請求項８】
混和剤として、消泡剤１Ｋｇ／ｍ3以下、分散剤１２Ｋｇ／ｍ3以下、強度促進剤１Ｋｇ／ｍ3以下、遅延剤１Ｋｇ／ｍ3以下の１種または２種以上をさらに配合した請求項１または７に記載の補修用モルタル。
【請求項９】
一般トンネルまたは水路トンネルの内壁に型枠を設置し、該内壁と型枠との空間に補修用モルタルを充填するトンネルの内巻工法において、該補修用モルタルとして、請求項１、６または８に記載の補修用モルタルを使用するトンネル補修工法。
【請求項１】
材齢３時間の圧縮強度６Ｎ／ｍｍ2以上を発現する補修用モルタルの配合において、セメント系結合材として粉末度５，０００〜８，０００cm2／ｇの超微粒子セメントを使用し、細骨材の５０容積％以下を吸水率５％以上で絶乾密度１.４〜２.０グラム/cm3の人工軽量骨材砂で置換し、前記超微粒子セメントの５０重量％以下をフライアッシュで置換し、水結合材比を３７〜４４％とし（フライアッシュは結合材に算入する）、これらの配合物を混練してフリーフロー２００〜３００ｍｍ、凝結始発時間が４５分より後で、凝結終結時間が８０分以内とした補修用モルタル。
【請求項２】
材齢２８日の圧縮強度４０Ｎ／ｍｍ2以上である請求項１に記載の補修用モルタル。
【請求項３】
人工軽量骨材砂は、平均粒径が５ｍｍ以下である請求項１または２に記載の補修用モルタル。
【請求項４】
細骨材は、硅砂および高炉スラグ砂の１種または２種からなる請求項１に記載の補修用モルタル。
【請求項５】
フリーフロー、凝結始発時間および凝結終結時間の測定は気温１０℃、相対湿度８０％の条件下で測定される値である請求項１に記載の補修用モルタル。
【請求項６】
混和材として，カルシウムアルミネイト系速硬材４８０Ｋｇ／ｍ3以下、カルシウムアルミネイト系膨張材６０Ｋｇ／ｍ3以下、粉末度８，０００cm2／ｇ以上の無水石膏からなる超微粒子活性化材１５０Ｋｇ／ｍ3以下の１種または２種以上をさらに配合した請求項１に記載の補修用モルタル。
【請求項７】
混和材は粉体状で超微粒子セメントに予め混合され、この混合粉がセメント系結合材を形成している請求項６に記載の補修用モルタル。
【請求項８】
混和剤として、消泡剤１Ｋｇ／ｍ3以下、分散剤１２Ｋｇ／ｍ3以下、強度促進剤１Ｋｇ／ｍ3以下、遅延剤１Ｋｇ／ｍ3以下の１種または２種以上をさらに配合した請求項１または７に記載の補修用モルタル。
【請求項９】
一般トンネルまたは水路トンネルの内壁に型枠を設置し、該内壁と型枠との空間に補修用モルタルを充填するトンネルの内巻工法において、該補修用モルタルとして、請求項１、６または８に記載の補修用モルタルを使用するトンネル補修工法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００８−１８４３５３（Ｐ２００８−１８４３５３Ａ）
【公開日】平成２０年８月１４日（２００８．８．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１８４０７（Ｐ２００７−１８４０７）
【出願日】平成１９年１月２９日（２００７．１．２９）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００６年７月３１日 社団法人 日本建築学会発行の「２００６年度大会（関東）学術講演会プログラム」に発表
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００６年９月３０日 鹿島技術研究所発行の「鹿島技術研究所年報 第５４号」に発表
【出願人】（０００００１３７３）鹿島建設株式会社 (1,387)
【出願人】（５０７０３１０１１）ドゥヨゥン ティ アンド エス コーポレーション (1)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年８月１４日（２００８．８．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１月２９日（２００７．１．２９）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００６年７月３１日 社団法人 日本建築学会発行の「２００６年度大会（関東）学術講演会プログラム」に発表
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００６年９月３０日 鹿島技術研究所発行の「鹿島技術研究所年報 第５４号」に発表
【出願人】（０００００１３７３）鹿島建設株式会社 (1,387)
【出願人】（５０７０３１０１１）ドゥヨゥン ティ アンド エス コーポレーション (1)
【Ｆターム（参考）】
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