JPS6096560A - ポリマーコンクリート及びコーテイング形成方法及び油井を塞ぐ方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明はポリマーベースのコンクリート及びモルタルの
改良に関し、硬化の際に膨張がコントロールされ或は収
縮しないコンクリート及びモルタルに関するものである
。

この改良によって、新規な構造用材料を形成することが
できると共に新規な構築方法に利用することができる。

本発明の材料を用いて従来のポリマーコンクリートを引
張り強さ及び曲げ強さにすぐれる無収縮のコンクリート
に変えることができる。例えば、次のように用いること
ができる。

種々の膨張性のポリマーコンクリートを、パイプライン
工事現場にて接合用充填材料として用いること。無収縮
の或は膨張性のポリマーモルタルを調製すること。膨張
性のポリマーコンクリートを油井の下穴を塞ぐのに用い
ること。

無収縮で膨張性の本発明に係るポリマーコンクリート及
びモルタルはその他多（の用途に用いることができ、本
発明は記載された実施例に限定されるものではない。

発明の背景 通常のコンクリートは、鉱物質の骨材（砂、小石）をポ
ルトランドセメントと結合させて形成するものであるか
、ポルトランドセメントは水と化学的に反応することに
よって硬化し、前記骨材（ａｇｇｒｅｇａｔｅ　）と一
体になって水化した固体基質を形成するのである。ポリ
マーコンクリートは鉱物性の骨材を含有するが、ポルト
ランドセメントに代え、種々のポリマー材料（樹脂）を
用いて骨材と結合させるものである。ここで用いられる
「ポリマーコンクリート」と言う用語にはポリマーを増
量した水ベースのコンクリートは含まない。

後者のコンクリートは、水性のシステム又は系であって
、水溶性の樹脂或はラテックスを含有し、しばしばポル
トランドセメントと結合する。

一方、ポリマーコンクリートは通常、自由水（ｆｒｅｅ
・ｗａｔｅｒ　）を含有しない（ポリマーダインコンク
リート参照；第２回国際会議会報、１９７８年１０月２
５〜２７日、１〜４頁、１９７８年オースチン、テキサ
ス大学）。ポリマーコンクリートの硬化は一般的には有
機反応（重合、架橋）を伴ない、該反応によって樹脂と
骨材は固められる。これら反応は、熱或は特別な化学剤
が樹脂に添加されることによって引き起こされる。これ
ら一連の全体的なプロセスを「キユアリング」と称する
。ポリマーコンクリートの利点として、キユアリングが
速いこと、通常のコンクリートよりもはるかに強度が高
いこと、水に対して不浸透性であることが挙げられる。

上記の特性はポリマーコンクリートの応用分野を決める
上で重要であるが、本発明にあってはもう１つの特性、
即ち硬化する際のコンクリートの系（システム）の寸法
変化（収縮或は膨張）に焦点を当てるのである。

従来の方法によって調製される全てのポリマーコンクリ
ートは、キユアリングの際に収縮する。

これは主として重合及び架橋反応によるものであって、
該反応によって硬化樹脂の密度は上昇する。

例えば、メチルメタクリル酸塩の重合では２３％が収縮
し、不飽和のポリエステル／スチレン系の架橋では１２
〜１４％が収縮する。

この化学的な収縮に加えて、さらに熱収縮が生じるが、
これはキユアリング反応は温度上昇を伴なうのが通常で
あって、キユアリングを誘発させるために系に外部から
熱を加えたり或は又、発熱重合反応によって熱が内部か
ら発展して（るからである。熱収縮は、新たにキュアさ
れた系（システム）が冷却するときにも生じる。

現在使用さ−れているポリマーコンクリート系の全体的
な収縮量は、大量の不活性充填材及び骨材（全ての系の
９０重量パーセント）を用いることによって、約２％の
レベルに押えられている。しかしながら、ポリマーの固
着剤（マトリックス）に収縮が集中することによって可
成りの局部応力が発生し、キュア後の系又は物体の強度
を低下させるのである。収縮による応力が大きくなると
、ポリマー中に割れが生じコンクリート構造物に欠陥が
生じることになってしまう。

無収縮の特性を備える系は、現在のポリマーコンクリー
トの技術に於て大へん重要な改良をもたらすことは明ら
かであろう。その他のものが等しいとした場合、係る系
が寸法安定性にすぐれ内部の応力集中を減少させること
は、現在使用されているコンクリートの性能を向上させ
ることになる。

ここに記載した本発明は、このような「無収縮」の系を
包含するものである。

本発明は更に膨張性のポリマーコンクリートを含むもの
である。

発明の要約 本発明はコンクリートの系（システム）をキユアリング
する際に一定の圧力状態で制御されて膨張するか、或は
又仕切られた空間内で強制的にキユアリングを生じさせ
る際に正の圧力を発生させるポリマーコンクリートの系
を包含するものである。この膨張はポリマーコンクリー
トの系の中に、スメクタイト（モンモリロン石群鉱物）
の水化した鉱物性充填剤を含有させることによって生じ
るものである。「スメクタイト」或は「モンモリロン石
群」はモンモリロン石、バイデライト、ノントロン石、
サポー石及びヘクトライトなどの鉱物が含まれる。

これら鉱物はベントナイト粘土及び「７ラー土」の主な
要素である。（［ロック　フォーミング　ミネラルズ］
参照、１９６２年ニューヨーク、第３巻、２２６−２４
５頁、ワイリー、著者ダブリュ。

ニー、ディア、アール、ニー、ホー、及びジェー。

ラスマン）。これらの鉱物は、系がキユアリング８６１
度に達したとき、スチーム状となって幾らかの水分を放
出するのである。キユアリング時の外部熱を利用して所
定の温度を得るのに役立たせることが出来る。膨張性の
充填剤は樹脂と密接に混合した微細なパウダー状である
から、キユアリング中に発生するスチームは硬化する樹
脂の中に均等に分散した微細な気門を形成する。

本発明の重要な特徴は、従来のポリマーコンクリート系
（キユアリングに際して収縮する）の大部分を、少量の
膨張性充填剤を添加することにより、膨張がコントロー
ルされた系、或は又収縮しない系に変換できる点にある
。本発明に係る膨張可能なポリマーコンクリート系の実
施例は、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ビニルエス
テル樹脂、或はエポキシ樹脂をポリマーマトリ・ノクス
として、微細なパウダー状のモンモリロン石群鉱物の中
から所定量の鉱物を含有する種々の鉱物性骨材と共に使
用している。この種の鉱物をポリマーコンクリートの組
成物に含有させることによってこれらの系を膨張せしめ
ることができる。

これらのモンモリロン石群鉱物は結晶構造にて１５〜２
５％水分の水化物を含有しており、その内の幾らかが１
００℃以上の温度にてスチームとして解放される。スチ
ームは相当量の液体の水に比べ、最大１００倍の体積を
占めるから、ポリマーコンクリートの系が少量のモンモ
リロン石群鉱物材料を含んでさえいれば、１００℃以上
に加熱された時ポリマーコンクリート系は自然発生的に
膨張することになる。

或は又、系のキユアリングを仕切られた空間内で行なう
場合、その密閉容器に対して正の水圧が生じることにな
る。膨張（或は圧力）の度合は、幾つかの系のパラメー
タによって変化する。これらパラメータには次のものが
挙げられる。

（ａｌ　ポリマーマトリックスの化学的性質及び量によ
って、爪台及び架橋（受着結合）反応によって発生する
熱量が決まる。

ｔｂ）　キユアリングの糸を取り囲んでいる材料の温度
、熱伝導性と、キユアリング構造物の大きさ、形状とζ
こよって、発熱反応中に到達する温度が影響を受ける。

ｔＣｌ　系中に占めるモンモリロン石群鉱物の重量割合
によって、スチームの発生に利用し得る水量を決めるこ
とができる。

系か異なる物質中のこれらパラメータを巧みに処理する
ことによって、新規な構造材料及び製造方法をもたらす
ことができ、以下の実施例に示す如く、従来技術に対し
て有憇義な改良をもたらすものである。

具体的な実施例及び用途 実施例１：モンモリロン石を用いて高い曲げ強度及び引
張り強度を備える無収縮のポリマーコンクリートをｍＷ
すること。

第１表に於いて、横列（１）、（３）、（５）及び（９
）は従来のポリマーコンクリートの組成及び物理的特性
を示しており、マトリックスは夫々、不飽和のポリエス
テル／スチレン、メチルメタクリル酸塩、ビニルエステ
ル／スチレン及びエポキシ樹脂から形成している。これ
ら系の全ては縦欄（７）に示す如（、キユアリングに際
して収縮する。

微細に分散させた少量（２〜３％）のモンモリロン石を
添加することによってこれらの系は、横列（２）、（４
）、（６）、（８）及びｔｌｏｌに示す如く、「ゼロ収
縮」のコンクリートに変換することができる。

更に縦４＃ｔｌｌｌ、　（１３）に示す如く、曲げ強さ
及び引張り強さは約１７〜２８％上昇している。然し、
これらは圧縮強さが約２〜４％程度僅か低下する。しか
しながらこの圧縮強さの低下は実用上はとんど問題とは
ならない。それは、これらの系を構造用材料として用い
るにはその曲げ強さ及び引張り強さによって制限を受け
るからである。

実施例２Ａ及び２Ｂ：膨張可能なポリマーコンクリート
を用いて重量物のコーティングを施したパイプライン現
場の接合充填剤を改良すること。

油井パイプラインの構造物は、水中に浸漬され強い浸食
作用や衝撃を受ける為、しはしば重量物でコーティング
されたパイプ、例えば数インチ厚さのポルトランドセメ
ントのコンクリートから成る環状物即ちジャケットに包
まれたパイプが用いられている。このジャケットを用い
ることによって、パイプラインが空のとき自然の浮揚力
を抑え、強度及び摩擦抵抗性を同上させることかできる
。工場に於て、４準長さのパイプに重量物でコーティン
グを施し、その際、各端部は数インチ、コーティングを
施さずに残しておき、パイプラインの据付は現場に於て
溶接によりパイプ片を接続できるようにしている。

現場での溶接が完了すると、パイプラインの外径を均一
にし強度をもたせる為に現場で接合した部分の周囲を覆
わねばならない。

幾つかのポリマーコンクリートの組成物がこの種の用途
に用いられているが、それはこれら組成物が数分以内に
キユアリングが完了し、直ちにパイプラインとして使用
することができるからである。しかしながら、キユアリ
ングの際に収縮が生じるのが重大な欠点であり、しばし
ばこの接合充填材料と既存の重量物コーティングとを分
離せねばならな（なったり、時として接合充填材料自体
に割れが発生することもある。

従来のポリマーコンクリート系に適当量のモンモリロン
石を加えて調製した膨張性のポリマーコンクリートを用
いることによって、これらの問題は解消すると共にすぐ
れた接合部を形成することができる。材料がキュアする
際に正の圧力が発生するから、凝固する系にはパイプ表
面に向けて強制的に力が加えられて材料は既存の重量物
コーティングの隙間に入り込み、機械的に強く結合する
のである。キュアの完了した系中に残存する局部応力は
最小限に押えられ、物理的な特性が高められる。第２表
中の系２Ａは、現場での接合充填剤として適しており、
孔のない膨張可能なポリマーコンクリートの組成及び特
性の実施例を示している。

水中に沈められたパイプラインの据付けに於ては、腐食
から守るという点に於て陰極防食法が大きな役割りを占
めており、水浸透性のコーティングを形成することがし
ばしば要請される。

それは、外側の防食用コーティングに欠陥があれば、陰
極電流はパイプの外側表面に速やかに到達することがで
きるからである。パイプにポルトランドセメントのコー
ティングを施せば、水は容易に浸透することになるから
この要求を満たすことができる。接合充填材料が水浸透
性であることは、現場にて形成した接合部の防食コーテ
ィング中の欠陥に陰極電流を到達させる為に重要なこと
である。

従来のポリマーコンクリートは水に対して不浸透性であ
るからこの用途には適さない。しかしながら本発明の膨
張性鉱物の充填剤を用い、成る系を調製してキュアする
ことにより、多孔性構造物にすることができる。これは
モンモリロン石の含有量を増し、樹脂の固体化の進行を
遅らせ最高発熱温度に到達してから固体化させることに
よって成し遂げることができる。従って個々の鉱物粒子
から解放されたスチームは、合体してより大きな気泡と
なって連通溝を形成し、キユアリング時に固まってい（
樹脂の表面から飛び出すのである。第２表の系２Ｂは膨
張可能な多孔性ポリマーコンクリートの組成及び物理的
特性の実施例を示している。この系の重要な特徴は、多
孔性構造物へのキユアリングを急速に行なわしめること
にあり、ポルトランドセメントコンクリートに比べると
圧縮強さは急激に上昇する。これは、この種用途に現在
使用されている連続気泡（ｏｐｅｎ−ｃｅｌｌ　）のポ
リウレタンフォームは、強度及び圧縮強さに於て厳しい
制限を受け、圧縮強さは１５０　ｐｓｉよりも小さいの
が通常であるから、このフオームに対して著しい改良が
加えられたことを意味する。

第２表現場の接合充填用に供される 膨張可能なポリマーコンクリート 膨張充填剤（ｆｆｉ！＜）　モンモリロン石（５−６％
）モンモリロン石（１２％）同化時間（セットタイム）
３〜４分　５分体積膨張　６〜８％　３５〜４０呪 キユア後の系の密夏　１４０ボンルうｔ枦吋　１４０ポ
ンシ泣方吋ポルトランドセメントコンクリートの圧縮強
さ＝４〜５０００ｐｓｉ（８〜２４日後） 備考： （ａ）ｌ（ｅｔｒｏｎ　９２２（アシュランドケミカル
カンパニー）、５％ジビニルベンゼン、重合開始剤１．
５重量９！ＩＭＥＫＰＱ、０．９％ナフテン酸：ｌ／や
叶（ｂ）（ロームアンドハースカンパニー）、ｌＯ％Ｄ
ＭＰＴｈ払、重合開始剤　２重量鳴ペイシイルベルオキ
シド、０．５％アゾイソブチロニトリル、２％ＤＭＰＴ
実施例３Ａ３Ｂ：モンモリロン石を用いて無収縮のある
いは膨張性のポリマーモ ルタルを調製すること ポリマーモルタル（例えば微細な不活性粒子を含有した
重合可能な液体系）を用い、損傷を受けたポルトランド
セメントのコンクリート構造物の割れを修理することが
できる。ポリマーモルタルは様々な鉱物質の骨材の中に
ブレンドす゛ることにより、ポリマーコンクリートを作
る為のベースとして供することができる。樹脂成分は比
較的高い為、ポリマーモルタルはキユアリング時に大き
く収縮する。適当量のモンモリロン石を種々のポリマー
モルタルに含ませることによって、キユアリング中収縮
せず膨張させることができる。これは浸透量を最大にし
、キユアリング後の残留応力を最小にすることによって
、通常のコンクリート構造物の修理に於けるモルタル効
果を高めるものである。無収縮のモルタルから作られた
ポリマーコンクリートの場合にあっては、第１表のもの
に比べ、曲げ強さ及び引張り強さが上昇する。次の第３
表にポリマーモルタルの２つの実施例を示しており、適
当量のモンモリロン石を加えることによって膨張可能あ
るいは収縮なしとすることができた。

第３表：膨張し且つ収縮しないポリマーモルタルの調製 収縮（−）又は 膨張（＋） ％ 系３Ａ：膨張アクリルモルタル （１）微細なパウダー状のポリメチル メタクリル酸塙及び不活性鉱物充填　−８，２（ａ） 剤を有するメチルメタクリル酸塩（４５％）系３Ｂ：ゼ
ロ収縮のポリエステル／スチレンモルタル（１）不活性
の鉱物性充填剤微粒子 （２）上記の系に５．２％モンモリロ ン石を添加 備考：（ａ）　（ロームアンドハースカンパニー）１０
％ＤＭＰ判氏瓜合開始剤２％　ＤＭＰＴ （ｂ）　Ｄｉｏｎ　Ｉａｏ　６３１５（コッパーズカ７
パ＝　−）５％ジビニルベンゼン、重合開始剤１．５＜
ＭＥＫＰｏ、０．５％ナフテン酸コバルト 一塞」ｕ舛Ａ：膨張性のポリマーコンクリートを用いて
井戸の下孔を塞ぐこと 油含有層（リザーバとは別）が幾つか不連続に積み重ね
られた層を含む領域に於ては、通常は最も深いリザーバ
まで単一の井戸を掘削し、そこで初めて生産用の孔が形
成されるのである。

このり゛ザーバが枯渇すると生産は同じ油井孔の上方の
次なるリザーバの方に移動するのである。

しかしながら第２のリザーバから下側の枯渇した層への
浦の逆流を防ぐ為には、油井孔の最下部を塞ぐ必要が生
じる。現在では、様々な凝結の速い水硬化性コンクリー
トを井戸（所定の深さまで）の中に汲み込み、塩水（ｂ
ｒｉｎｅ）及び／又は掘削泥水を用いてコンクリートを
トッピングし且つコンクリートが固まる間井戸上部に外
側から水圧を加えた状態を維持することによって行なっ
ている。この圧力は井戸の下孔の圧力よりはるかに高い
ものであることを要するが、それは所定の「栓（プラグ
）」を形成する為には、コンクリートをケーシングの最
下部に装填するだけではなく周囲の鉱物層の細孔の中に
も浸透させねばならないからである。これら従来の方法
にあっては、大きな水圧を発生させる為に高価な現場設
備を必要とし又それが必ずしも成功するとは限らないの
である。

膨張性のポリマーコンクリートを用いることによって、
井戸孔を塞ぐ工程をより簡単にかつより安価に行なうこ
とができる。この新規な方法にあっては、適当に調整さ
れた膨張性のポリマーコンクリートの所定量を井戸の中
に注入し、その上に直接機械的ケーシングプラグを配置
するだけで可い。下孔の温度（８０〜３００℃）熱によ
ってキユアリング工程はスタートし、発熱反応によって
温度はさらに上昇するから、モンモリロン石から充分な
量のスチームが遊離し下孔の圧力に抗してキユアリング
中のポリマーコンクリートを膨張させることができる。

膨張中の系は、硬化する際に多孔性岩の空間及びすき間
に浸透し、それより高い位置にある鉱物層からの油の浸
透に対して、有効な防壁（バリヤー）を速やかに形成す
ることができる。この方法は井戸の下孔を塞ぐ方法とし
て現在用いられている水圧による方法と比べると、圧力
を発生させる為の高価な設備を必要とせず、より安全て
コストが安（より効果的であるといえる。

下孔を塞ぐのに適当な膨張性のポリマーコンクリートに
関する一般的な記述を第４表に示している。なおこの系
のキユアリング速度と膨張能力については、井戸の深さ
に対応する下孔の温度及び圧力に適合するように調節す
ることができるのは勿論である。これは重合開始剤（ｉ
ｎｉｔｉａｔｏｒ　）の組成及びレベルと、系の中に含
有させるモンモリロン石の量を変えることによって行な
うことかできる。

系４Ａ及び４Ｂはそれぞれ低い温度圧力及び高い温度圧
力用として特に調製した物質を示している。

第４表　井戸の下孔を塞ぐのに用いられる膨張性ポリマ
ーコンクリート 一般的組成 不活性骨材：セメントサンド、石こう（５５〜８３％）
膨張充填剤：下孔の圧力に応じ、モンモリロン石（５−
２０％）重合開始剤：下孔の温度に応じ、有機過酸化物
又はヒドロ過酸化物 不活性骨材：　中サンド、石こう　組サンド、石こう膨
張充填３°　′″″１°詰）″″″°″°ノ°′石％）
ｍ合間始剤：　ペンゾイルペルオ　ｔ一方ルヒドロペル
キシド（１％）　オキシド（０，１％）キュア温度：８
０〜１００℃　２５０〜３００℃１気圧での膨張：　１
８〜２２％　−一一圧縮強さ　：　７２００ｐｓｉ　−
−−一定体積のキユアリング　−−−３５００ｐｓｉに
よって発生する圧力ニ 圧縮強さ　：　−−−９５００ｐｓｉ 備考：（ａ）　Ｄｉｏｎ　Ｉｓｏ　６３１５　（コツバ
ーズカンパニー）本発明の前記の記載及び実施例は例示
的なものであって限定するものではなく、当該分野の通
常の能力を有する者によって特許請求の範囲内に於いて
種々の変更を成すことは出来るであろう。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ■　鉱物性の骨材と、 アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂
   又はエポキシ樹脂から成る群から選択され鉱物性の骨材
   を結合させる為のポリマーマトリックスと、 パウダー状の水化した鉱物性の充填剤とから構成された
   コンクリートであって、 骨材、ポリマーマトリックス及び充填剤の大きさと量は
   、重合及び架橋による反応熱又は外部から加えられた熱
   の少なく共一方によって充填剤の水分をスチームとして
   放出可能成らしめるものであり、コンクリートはキュア
   するときに収縮しないことを特徴とするポリマーコンク
   リート。 ■　鉱物性の充填剤は１５〜２５％水分の水化物を含ん
   でいる特許請求の範囲第１項に記載のポリマーコンクリ
   ート。 ■　充填剤はモンモリロン石、バイデライト、ノントロ
   ン石、サポー石及びヘクトライトから成る群より選択さ
   れる特許請求の範囲第１項に記載のポリマーコンクリー
   ト。 ■　反応温度は約８０℃以上である特許請求の範囲第１
   項に記載のポリマーコンクリート。 ■　充填剤の量はポリマーコンクリートがキーアする際
   に不透水性となるようにコントロールされている特許請
   求の範囲第１項に記載のポリマーコンクリート。 ■　充填剤はポリマーコンクリートがキュアされて多孔
   質となし、スチームの気泡が合体して連通溝を形成し、
   コンクリートの表向まで拡がることのできる充分な量で
   ある特許請求の範囲第１項に記載のポリマーコンクリー
   ト。 ■　鉱物性の骨材と、 アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂
   又はエポキシ樹脂から成る群から選択され鉱物性の骨材
   を結合させる為のポリマーマトリックスと、 パウダー状の水化させた鉱物性の充填剤とから構成され
   たポリマーコンクリートであって、骨材、ポリマーマト
   リックス及び充填剤の大きさと量は重合及び架橋反応に
   よる熱又は外部から加えられる熱の少なく共一方によっ
   て充填剤の水分をスチームとして放出させるのに充分な
   ものとし且つコンクリートがキュアする際に収縮させな
   いようにしており、 充填剤はポリマーコンクリートがキュアするときに多孔
   質となりスチームの気泡が合体して連通溝を形成しコン
   クリートの表ｉｔで拡がるのに充分な址としており、 前記ポリマーコンクリートを用いて水中下のパイプライ
   ンにポリマーコンクリートのコーティングを形成する方
   法であって、 該コンクリートを保持する為にパイプをフレームで囲み
   、 コンクリートをフレームの中に導入し、コンクリートの
   凝結を連通溝がコンクリートの表面に拡がるまで遅らせ
   る 工程から構成されること、を特徴とするコーティング形
   成方法。 ■　鉱物性の骨材と、 アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂
   又はエポキシ樹脂から成る群から選択され鉱物性の骨材
   を結合させる為のポリマーマトリックスと、 パウダー状の水化した鉱物性充填剤とから構成されたポ
   リマーコンクリートであって、骨材、ポリマーマトリッ
   クス及び充填剤の大きさと量は重合及び架橋反応による
   熱又は外部から加えられる熱の少なく共一方によって充
   填剤の水分をスチームとして放出させるに充分なものと
   し且つコンクリートがキュアする際に収縮しないように
   しており、 該ポリマーコンクリートを用いて油井を塞ぐ方法であっ
   て、 充分な量のコンクリートを井戸に注入し、コンクリート
   の上に直接機械的なケーシング栓を配備し、 下孔の温度及び反応温度によって充填剤からスチームを
   遊離させてコンクリートを膨張させる 工程から構成されることを特徴とする油井を恭ぐ方法。 （以下余白）