JPH10259042A

JPH10259042A - セメント系注入材

Info

Publication number: JPH10259042A
Application number: JP9065742A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Niizaki; 義幸新崎; Yoichi Ozaki; 洋一小崎; Akira Takami; 晃高見
Original assignee: Nittetsu Cement Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Cement Co Ltd
Priority date: 1997-03-19
Filing date: 1997-03-19
Publication date: 1998-09-29

Abstract

(57)【要約】【課題】低水注入材比から高水注入材比までにわたっ
て良好な注入性と充填性を確保することができ、コンク
リ−ト構造物のひびわれおよび地盤注入に優れた性能を
発揮する注入材を提供する。【解決する手段】注入材に対して４０〜1000重量％の
水量で、高性能減水剤を固形分換算で3.0重量％まで含
むスラリーとして使用される、ポルトランドセメント
クリンカー微粉末（ａ）、高炉スラグ微粉末（ｂ）およ
び石膏微粉末（ｃ）の混合物を、機械的エネルギーによ
って球状化処理してなるセメント系注入材、予め機械
的または加熱溶融により球状化処理してなるポルトラン
ドセメントクリンカー微粉末（ａ′）と（ｂ）及び
（ｃ）からなるセメント系注入材（ａ（ａ′）とｂとｃ
の割合は、ａ（ａ′）３０〜７５重量部：（ｂ）７０〜
２５重量部：（ｃ）０〜１０重量部（ａ（ａ′）〜
（ｃ）の総和は１００重量部）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、低水注入材比から
高水注入材比までにわたって良好な注入性と充填性を確
保することができ、特にコンクリ−ト構造物のひびわれ
および地盤注入に優れた性能を発揮するセメント系注入
材に関する。さらに詳しく言えば、原材料粒子に球状化
処理を施してグラウトの流動性を向上させ、また微細粒
子を大きい粒子表面に付着固定化させることで微細粒子
量を減少させてグラウト中の粒子の分散性を改善し、か
つ凝集粗大粒子の生成を抑制することで優れた注入性を
保持したコンクリート構造物のひびわれおよび地盤注入
に適用可能なセメント系注入材に関する。

【０００２】

【従来の技術】最大粒径１０μｍ程度のセメント系超微
粒子注入材は既に公知であり（特公平2-44269号）、ダ
ムの基礎処理、都市土木の他に、コンクリート構造物の
ひびわれ補修用注入材としても実用化され、相応の実績
を挙げている。これらの超微粒子注入材は粒度分布に異
なる点もあるが、構成材料は高炉スラグ微粉末を主材と
する普通ポルトランドセメントとの混合物である。

【０００３】超微粒子注入材の基本的注入性能は、従来
のセメント系注入材で不可能であった細砂地盤への浸透
注入を可能にしたことであり、この性能はJIS R5201に
よる豊浦標準砂（粒度0.1〜0.3ｍｍ）に注入材ミルク
（以下、単にミルクという。）が浸透することを一応の
目安として評価されている。

【０００４】ダムの基礎処理に用いられるグラウトは、
注入材に対する水の割合（水注入材比）を２００〜1000
重量％の範囲としたミルクとして使用されている。都市
土木では注入範囲を限定する目的でグラウトにゲルタイ
ムを設定することがあり、水の割合が１００〜４００重
量％のミルクが水ガラスもしくはシリカゾルとの併用に
より使用されている。コンクリート構造物のひびわれ補
修には、コンクリートと同程度の強度および止水性を有
することが必要であり、一般に水注入材比５０〜１５０
重量％程度のスラリーで注入されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】セメント系注入材の特
質としては、一般に粒度を細かくすれば注入性能が向上
するが、必要以上に細かくすると逆に注入性能が低下す
る。普通ポルトランドセメント単独の微粒子注入材は、
水和活性が高いために水中での凝集速度が極めて速く、
すぐに凝集粗大粒子を形成してしまうので浸透性グラウ
トとしては実用に供しえない。このため比較的活性度の
低い高炉スラグ微粒子を多量に配合して凝集を緩和させ
浸透性グラウトとして使用している。

【０００６】ポルトランドセメントは、クリンカー鉱物
であるエーライト、ビーライト、アルミネート相および
フェライト相で構成されているが、これらの鉱物はそれ
ぞれ被粉砕性が異なる。微粉砕過程において粉砕性の良
いアルミネート相やエーライトの小片は微粉側に偏析し
易い。これらは微細なため粒子の表面エネルギーが高
く、水と接触すると直ちに凝集して粗大二次粒子を形成
する。また成分的にも活性が高いため水中で水和生成物
を生じてゲル化し易い。

【０００７】一方、粗粉側には、エーライトやビーライ
トの結晶形の大きいものから生じた角張った不規則な表
面形状を有する比較的大きな粒子が多く存在する。これ
らも表面積が大きいこと、粒子の破断面が露出している
ことから水中での表面活性が高く、Ｃａ²⁺イオンを放出
してグラウトの粘性を増加させる。グラウト中の凝集粗
大粒子は注入空隙を閉塞させ、また懸濁粒子を沈降させ
て分離を生じさせるし、グラウトの粘性が高いことは、
注入抵抗を増大させることになり、したがって注入性を
低下させる。

【０００８】このために高炉スラグ微粉末の配合量の調
整だけでは広範囲の水注入材比で良好な注入性を確保す
ることが困難である。またスラグ粒子自体も過度に微粉
砕されると微粉部分が増して活性が増大し注入性を悪化
させる。従って、本発明の課題は、広範囲の水注入材比
で良好な注入性を有するセメント系注入材、すなわち、
広範囲の水注入材比においてグラウトの流動性が向上
し、グラウト中の粒子の分散性が改善され、かつ優れた
注入性を有する、特にコンクリート構造物のひびわれお
よび地盤注入用に適したセメント系注入材を提供するこ
とにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記の課
題に鑑み、注入材粒子の粒度、形状、水和特性について
鋭意研究を重ねた結果、粒子に球状化処理を施して、グ
ラウトの流動性を向上させ、また微細粒子を大きい粒子
表面に付着固定化させることで微細粒子量を減少させて
グラウト中の粒子の分散性を改善し凝集粗大粒子の生成
を抑制することにより優れた注入性を保持したコンクリ
ート構造物のひびわれおよび地盤注入に適用可能なセメ
ント系注入材を開発するに至った。

【００１０】すなわち、本発明は１）ポルトランドセメントクリンカー微粉末（ａ）３
０〜７５重量部、高炉スラグ微粉末（ｂ）７０〜２５重
量部および石膏微粉末（ｃ）０〜１０重量部（（ａ）〜
（ｃ）成分の総和は１００重量部である。）からなる混
合物であって、かつ粒子表面を機械的エネルギーによっ
て球状化処理してなるセメント系注入材、２）機械的エネルギーによって大きい粒子表面に微細
粒子を付着固定化して、微細粒子量を減少させ、かつ粒
子の最大粒径が８〜１６μｍの範囲であることを特徴と
する前記１記載のセメント系注入材、３）粒子表面を機械的エネルギーもしくは加熱溶融に
よって球状化処理してなるポルトランドセメントクリン
カー微粉末（ａ′）３０〜７５重量部と高炉スラグ微粉
末（ｂ）７０〜２５重量部および石膏微粉末（ｃ）０〜
１０重量部（（ａ′）〜（ｃ）成分の総和は１００重量
部である。）の混合物からなるセメント系注入材、４）粒子の最大粒径が８〜１６μｍの範囲であること
を特徴とする前記３記載のセメント系注入材、および５）水量を注入材に対して４０〜1000重量％の割合と
し、かつ高性能減水剤を固形分換算で 3.0重量％まで含
むスラリーとして使用されるコンクリート構造物の補修
用または地盤注入用である前記１乃至４のいずれかに記
載のセメント系注入材を提供するものである。

【００１１】以下、本発明について詳述する。セメント
粒子に球状化処理を行なってコンクリートの諸特性を改
善する技術は従来より知られている（特開平2-192439
号）。これは球状化によってセメント粒子のボールベア
リング作用によるワーカビリティの向上、水セメント比
の低減、あるいは形状改善による粒子充填性が高まるこ
とによる硬化体マトリックスの緻密化等の効果からコン
クリートの打設性状、強度、耐久性などを向上させるも
のである。

【００１２】これらにおいては、水セメント比が３０〜
６０重量％の小さい範囲であり、コンクリートも粗骨
材、細骨材、混和材、セメント粒子と幅広い粒度を持つ
材料から構成されている。従って、球状化による効果
は、水和層を形成したセメント粒子同士、あるいは骨
材、混和材との相互作用による塑性流体としての特性に
大きく支配されるものである。

【００１３】これに対して本発明では、水注入材比は４
０〜1000重量％の範囲であり、また粒度も１６μｍ以下
と小さな範囲に限定された注入材で構成されている。従
って、注入材粒子は、水中に分散しており、グラウトの
注入特性やレオロジカルな特性は、分散媒として水と粒
子との相互作用に大きく影響される。すなわち、移動、
分散、凝集というような個々の粒子に作用する物理的、
化学的特性や粒子表面のメカノケミカル的な性質がより
問題となる。

【００１４】本発明による注入材は、ポルトランドセメ
ントクリンカー、高炉スラグおよび石膏を所定量配合し
混合粉砕して製造しても良いし、あるいは、それぞれ分
離粉砕し、微粉末とした後各材料を所定の比率で混合し
ても良い。微粉末化は、一定粒度まで粉砕した後、気流
分級機で分級して微粉部分を捕集しても良いし、また高
性能粉砕機で所定粒度まで粉砕して製造しても良い。

【００１５】注入材粒子の球状化処理は粒子を球形に近
い形状に改質するものであり、上記により微細化した粉
体を高速気流中衝撃法などを用いて粒子表面に物理的、
機械的エネルギーを与えて行なうものである。高速気流
中衝撃法は、ハイブリダイゼーションシステム（（株）
奈良機械製作所製）を使用し、高速気流中での粉体同士
の衝突、ローターによる衝撃で粒子表面を磨砕して球形
化する。

【００１６】高速気流中での撹拌、混合により粒子間に
凝集力が発生し、大きい粒子表面に微細粒子が付着し、
機械的エネルギーによって強く固定される。大きい粒子
と微細粒子の粒子径比は、１０：１以下が適当であると
言われている。球状化する方法は、オングミル（ホソカ
ワミクロン（株）製）やクリプトロン（川崎重工業
（株）製）など他の機械的エネルギーを与える装置を用
いても可能である。

【００１７】このように球状化処理を施した注入材を水
で混練してグラウトとして使用した場合、粒子は球形に
近くなり異方性が小さいことにより、立体的な障害が減
るために従来と同じ粒子平均径であってもより微細な空
隙に浸透することが可能で注入性状が向上する。

【００１８】球状化粒子は、粒子表面の破断面、劈開面
が磨滅させられており、また微細粒子によって被覆され
ているため、表面活性が低下している。また、同じ粉体
重量であっても球状化処理を行なっていないものと比べ
て全体の表面積が小さくなっている。そのため表面積が
大きい粒子の場合に見られる、水で混練すると直ちにイ
オンを溶出してグラウトの粘性を高める度合いが低くな
る。また、粒子が球状であると、水中での移動抵抗が少
なく、グラウトの撹拌の際の剪断抵抗が小さいため粘性
を増加させない要因の一つとなる。

【００１９】微細粒子は大きい粒子表面に付着固定して
いるために見掛け上のその存在量が少なくなる。このた
めグラウト中で粒子間力により微細粒子が凝集して形成
する粗大二次粒子生成の確率が著しく減少する。粗大二
次粒子は、沈降速度が大きいため、グラウトの注入時に
先に沈降して注入空隙を閉塞させ、後続粒子の浸透を妨
害するため、注入性を悪化させる大きな要因であった
が、本発明による球状化処理によりこれを除去すること
ができ、注入性を向上させることができる。

【００２０】本発明に用いるポルトランドセメントクリ
ンカーは、早強ポルトランドセメント、普通ポルトラン
ドセメント、中庸熱ポルトランドセメントないし低熱ポ
ルトランドセメント用のクリンカーであるが、グラウト
の粘性増加を抑制するためには、普通ポルトランドセメ
ント、中庸熱ポルトランドセメントないし低熱ポルトラ
ンドセメント用のクリンカーの使用が好ましい。

【００２１】本発明では高炉スラグ（ｂ）を使用する。
セメントクリンカー微粉末単独では、水と混練したとき
に水和活性が高過ぎ、粘性増加やゲル化が生じ、良好な
注入性状を有するグラウトが得られない。高炉スラグ
（ｂ）の使用は、セメントクリンカー微粉末を希釈して
水和活性を緩和すること、流動性の向上および可使時間
の延長を可能にすること、更に硬化体の強度の確保と耐
久性の増加を図ることを目的とするものである。

【００２２】高炉スラグ（ｂ）は、JIS A 6206に定める
急冷したスラグであり、好ましくは塩基度1.8、ガラス
化率９０％以上のものである。高炉スラグの配合比率は
クリンカーとの合量１００重量部中２５〜７０重量部の
範囲であることが好ましく、４０〜７０重量部の範囲が
より好ましい。

【００２３】高炉スラグの配合比率が２５重量部未満で
は、クリンカー鉱物の希釈量が少なくなるために注入性
が低下する。一方、７０重量部を超えるとスラグ粒子の
形状が影響すると考えられ、低水比における注入性が低
下し、また、強度の発現が好ましくなく、コンクリート
構造物ひびわれ補修用注入材の適用には問題がある。

【００２４】本発明における注入材は、微細粒子が大き
い粒子に付着固定されていても、その最大粒径は、8.0
〜16.0μｍの範囲にあることが好ましい。最大粒径が1
6.0μｍより大きくなると、粒子が粗いために注入性が
低下する。最大粒径が8.0μｍより小さくなると、通常
の粉砕、分級方式では必然的に１μｍ以下の微細粒子量
が多くなり、大きい粒子で付着固定化しきれない。従っ
て、凝集性二次粒子が増加するため、注入性が低下す
る。

【００２５】セメントクリンカー微粉末（ａ）は、高炉
スラグ微粉末と比較して水和反応性が著しく高く、凝集
粗大粒子形成の直接の原因になりやすい。本発明では、
注入性向上のために、クリンカー粒子のみを球状化処理
した後（この球状化処理したクリンカー粒子をａ′とす
る。）に高炉スラグ微粉末（ｂ）と混合することも可能
である。このように予め球状化処理すると、高炉スラグ
の加熱による失透の活性低下が生じる危険性がないため
に、クリンカー粒子は機械的エネルギーによるだけでな
く、加熱溶融することによってその表面張力で球状化す
ることも可能となる。

【００２６】本発明の注入材には、セメントクリンカー
中の３ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃の急結を緩和するためと、高炉
スラグの強度発現を促すために、１０重量％までの少量
の石膏（ｃ）を配合することもできる。石膏（ｃ）とし
ては、二水もしくは不溶性無水石膏が使用でき、その量
はＳＯ₃換算で２重量％以下が好ましい。

【００２７】注入材に混練する水量は、コンクリート構
造物の補修を目的としてひびわれに注入する場合には、
砂質地盤などへの注入と比べて開孔部分の面積が大き
く、また空隙も大きいため、小さい水注入材比で注入充
填が可能である。グラウトの硬化強度は、既存コンクリ
ートの強度に近いことが望ましく、従って水注入材比は
小さい方が良い。注入材に対して４０〜３００重量％の
水量が好ましく、５０〜１５０重量％がより好ましい。

【００２８】注入材を砂層地盤の注入に用いる場合に
は、注入性を高めるためには、低濃度のミルクを砂層に
浸透させることが必要である。注入量を多くすることに
よって、砂層のろ過作用による脱水により砂層空隙間に
グラウト材を濃縮させて強度を発現させる。従ってミル
クの注入材に対する水量は、２００〜1000重量％が好ま
しい。

【００２９】注入材をコンクリート構造物のひびわれ補
修および地盤注入の両者に適用させるとすると、水量は
注入材に対して４０〜1000重量％の範囲にある。より効
果的に注入材粒子同士の凝集を防ぎ、粒子の分散性を向
上させてミルクおよびグラウトの注入性、浸透性を高め
るためには高性能減水剤の添加が必要である。高性能減
水剤としては通常使用されているもの、例えば、ポリカ
ルボン酸系、ナフタリン系、メラミン系、アミノスルホ
ン酸系等のものが使用できる。高性能減水剤の添加量は
多過ぎると、撹拌を停止したきに、グラウト中で注入材
と水との分離が生じる。またグラウトの硬化も大幅に遅
延するため硬化物に欠陥が生じやすい。従って、高性能
減水剤の量は固形分換算で０〜3.0重量％が妥当であ
る。

【００３０】

【実施例】以下、実施例を挙げて本発明を説明するが、
下記の例により本発明が限定されるものではない。表１
に示す化学成分の普通ポルトランドセメントクリンカ
ー、乾燥した高炉スラグおよび石膏を重量パーセント比
で39.2：58.8：2.0の割合でチューブミルに供給し粉砕
してブレーン比表面積で3200ｃｍ²／ｇの混合粉末を製
造した。

【００３１】

【表１】

【００３２】これをタワーミル（日本タワーミル（株）
製ＫＤ−１００型）に供給し、粉砕助剤としてジエチレ
ングリコールを全体の重量に対して0.1％添加して微粉
砕し、表２に示す地盤注入用注入材元試料Ａ、Ｂを製造
した。

【００３３】

【表２】

【００３４】球状化処理これらを奈良ハイブリダイゼーションシステムＮＨＳ−
１型（（株）奈良機械製作所製）に投入して高速気流中
衝撃法によって球状化処理を行なった。処理時間を変え
て表３に示すＨ−Ａ１〜Ｈ−Ｂ３の６種類の球状化処理
注入材を得た。回転盤の回転数と仕込み量をも表３に示
す。

【００３５】

【表３】

【００３６】表２にレーザー粒度分析装置（SK LASER M
ICRON SIZERPRO-7000S （株）セイシン企業製）によっ
て測定した元試料と球状化処理した注入材の粒度分布を
示す。また、表４にそれらのパーセント粒径とポロシテ
ィ0.544としたときのブレーン比表面積を示す。

【００３７】

【表４】

【００３８】表２の結果から元試料Ａ、Ｂに比べて、共
に球状化処理を行なうことにより、1.0μｍ以下の粒子
量が減少しており、また、３μｍ近辺の粒子量が減り、
８〜１２μｍの粒子量が増加している。この傾向は、処
理時間を長くすることよって一層顕著になる。表４の結
果では処理時間が長いほどブレーン比表面積は減少して
いくのが分かる。添付していないが、電子顕微鏡観察の
結果では球状化処理を行なうと、粒子の形状は角がとれ
て丸みを帯び、凝集した粒子の団粒が解かれ、１μｍ以
下の粒子が大きな粒子に付着していることが認められ
た。

【００３９】浸透性試験上記の注入材それぞれ１１５ｇに対して１重量％のナフ
タリン系高性能減水剤（花王（株）製マイティ１５０）
と４６０ｇの水を加え、多目的デジタル撹拌機（井内盛
栄堂製）で３００r.p.m.で２分間撹拌してミルクを作製
した。

【００４０】図１に示す透明アクリルパイプ（４）の底
部の５ｍｍふるい（７）の上に７５μｍふるい（６）を
固定し、その上に水に浸したJIS R5201による豊浦標準
砂（粒度0.1〜0.3ｍｍ）（５）を流し込み、砂層１５ｃ
ｍ、空隙比ｎ＝４５％になるように充填し、水を砂層表
面に浸る程度に満たした。その上にロート（２）を設置
し静かにミルク（１）を、有孔版（３）を通して分散さ
せつつ流し込み、底部のコック（８）を開いてミルクを
自然流下させ、そのときの砂層への浸透長さとミルクの
浸透が停止するまでの時間およびミルクが底部まで達す
るまでの時間を測定した。表５に結果を示す。

【００４１】

【表５】

【００４２】試料番号１〜４の元試料Ａのシリーズの注
入材ミルクはどれも１５ｃｍの砂層の底部まで自然浸透
しなかった。しかし球状化処理したものは、浸透長が伸
び、浸透継続時間も増加している。浸透継続時間が長い
ことは、ミルク中の注入材粒子が砂層の注入空隙を閉塞
させる時間が長いことで、注入性の良いことを示す指標
となる。一方、試料番号５〜８の元試料Ｂのシリーズの
注入材ミルクはどれも砂層１５ｃｍの底部に達してい
る。この底部に達する時間が短いことは砂層を通過する
ミルクの流下速度が大きいことを意味しており、浸透継
続時間の長さ同様注入性良否の目安となる。これらの結
果から注入材を球状化処理することで、注入性状が大き
く改善されることが分かる。

【００４３】ロ−ト流下試験表２の注入材それぞれ１００ｇに１００ｇの水を加え、
多目的デジタル撹拌機（井内盛栄堂製）で３００r.p.
m.、２分間撹拌してミルクを作製した。上端内径７２ｍ
ｍ、下端内径１０ｍｍ、ロ−ト部の高さ６０ｍｍで内径
９ｍｍ長さ６０ｍｍの流出管を有した塩化ビニール製の
ロート内に上記ミルク８６ｍｌを流入し流出管底部を開
放したときのグラウトの流下時間を測定した。結果を表
６に示す。

【００４４】

【表６】

【００４５】この試験は、水注入材比が１００重量％と
低いコンクリート構造物の補修用注入を想定して行なっ
たものであるが、球状化処理した注入材は、元試料に比
べいずれも流下時間が減少しており、比較例に示す水に
近づいており、グラウトの粘性が低下して流動性が向上
されたことを示している。

【００４６】

【発明の効果】本発明による機械的エネルギーによって
粒子の球状化処理を行なった注入材は、粒度分布は微細
粒子量が減少し、粒子形状は角がとれ丸みを帯びる。ミ
ルクの砂層への注入性は、注入材粒子による浸透空隙の
閉塞を抑制され、ミルクの粘性が低下するために著しく
改善される。また水注入材比が１００重量％という高濃
度であっても流動性は向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】セメント系注入材の浸透性試験を実施した装
置の説明図である。

【符号の説明】

１浸透させるミルク２ロート３有孔版４透明アクリルパイプ５豊浦標準砂６７５μｍふるい７５ｍｍふるい８コック

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＣ０９Ｋ 17/10 Ｃ０９Ｋ 17/10 ＰＥ０４Ｇ 23/02 Ｅ０４Ｇ 23/02 Ｂ //(Ｃ０４Ｂ 28/08 22:14） 111:72 Ｃ０９Ｋ 103:00

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ポルトランドセメントクリンカー微粉末
（ａ）３０〜７５重量部、高炉スラグ微粉末（ｂ）７０
〜２５重量部および石膏微粉末（ｃ）０〜１０重量部
（（ａ）〜（ｃ）成分の総和は１００重量部である。）
からなる混合物であって、かつ粒子表面を機械的エネル
ギーによって球状化処理してなるセメント系注入材。
【請求項２】機械的エネルギーによって大きい粒子表
面に微細粒子を付着固定化して、微細粒子量を減少さ
せ、かつ粒子の最大粒径が８〜１６μｍの範囲であるこ
とを特徴とする請求項１記載のセメント系注入材。
【請求項３】粒子表面を機械的エネルギーもしくは加
熱溶融によって球状化処理してなるポルトランドセメン
トクリンカー微粉末（ａ′）３０〜７５重量部と高炉ス
ラグ微粉末（ｂ）７０〜２５重量部および石膏微粉末
（ｃ）０〜１０重量部（（ａ′）〜（ｃ）成分の総和は
１００重量部である。）の混合物からなるセメント系注
入材。
【請求項４】粒子の最大粒径が８〜１６μｍの範囲で
あることを特徴とする請求項３記載のセメント系注入
材。
【請求項５】水量を注入材に対して４０〜1000重量％
の割合とし、かつ高性能減水剤を固形分換算で3.0重量
％まで含むスラリーとして使用されるコンクリート構造
物の補修用または地盤注入用である請求項１乃至４のい
ずれかの項に記載のセメント系注入材。