グラウト用セメントモルタル組成物及びそれを用いたグラウトモルタル

本発明は、主に、土木・建築分野において使用されるグラウト用セメントモルタル組成物、詳しくは、良好な流動性、高強度、高耐久性、低収縮性のグラウト用セメントモルタル組成物及びそれを用いたグラウトモルタルに関する。

従来から、グラウト材料としては、セメントに減水剤を加えたものが一般的であり、さらに、カルシウムサルフォアルミネート系、又は石灰系の膨張材やアルミ紛等の発泡剤を添加し無収縮とし、これらに川砂や珪砂等を配合し、ペーストやモルタルとして、土木・建築工事、特にコンクリート構造物の細かい空隙、逆打ち工法での空隙、構造物の補修、補強、機械装置のベースプレート下、及び軌道床下等へ充填する工法等に広く使用されている。
そして、グラウト材には、ＰＣグラウト、プレパクドコンクリート用グラウト、トンネルやシールドの裏込めグラウト、プレキャスト用グラウト、構造物の補修や補強注入グラウト、鉄筋継手グラウト、橋梁の支承下グラウト、機械台座下グラウト、舗装版下グラウト、軌道下スラブグラウト、及び原子力発電所格納容器下グラウトなどがある。
また、グラウト用セメントモルタル組成物については、急硬材を含有してなる速硬型のものが公知であり（特許文献１〜４参照）、これらのグラウト用セメントモルタル組成物には、急硬材と共に、凝結調整剤（凝結遅延剤）及び流動化剤（減水剤）が配合されており、急硬材として、アルミノケイ酸カルシウムガラス（カルシウムアルミノシリケートガラス）と石膏からなる急硬材を使用することも特許文献２に示されている。
これらのグラウト用セメントモルタル組成物を使用することにより、強度発現性に優れ、一定の流動性を確保できるグラウトモルタルが得られるが、より良好な流動性を確保し、ブリーディングや材料分離を発生しない、高強度、高耐久性、低収縮性を得ることができる、グラウト用セメントモルタル組成物が求められていた。

特開２００１−９７７５９号公報

特開２００６−２７９３７号公報

特開２００６−１０４０１３号公報

特許第２８６１６１２号公報

さらに、アルミノケイ酸カルシウムガラス（カルシウムアルミノシリケートガラス）、無機硫酸塩（石膏）および反応性シリカ質物質（ポゾラン微粉末）を主成分とするセメント混和材の発明も公知である（特許文献５参照）が、特許文献５には、このようなセメント混和材をグラウト用セメントモルタル組成物に使用することは示されていない。

特許第２９７５４２２号公報

一方、セメント膨張材、及びポゾラン微粉末を含有してなる結合材、細骨材、並びに、減水剤を配合してなるモルタル組成物において、細骨材として、比重３．０以上の重量骨材を配合する、主に原子力発電所の遮蔽壁や機械装置の基礎構造物等の充填工事に使用されるモルタル組成物の発明も公知であり（特許文献６参照）、これによれば、良好な流動性を有し材料分離がなく、温度上昇を抑制し温度応力ひび割れの発生しずらい重量モルタルを提供できることが示されているが、特許文献５には、このような重量モルタルを、速硬型のグラウトモルタルに適用することは示されていない。

特開２００５−４７７７２号公報

本発明は、前記多用途の中で、機械基礎グラウト等に用いることが好適な、良好な流動性を保持し、ブリーディングや材料分離を発生しない、高強度、高耐久性、低収縮性を得ることができる、グラウト用セメントモルタル組成物及びそれを用いたグラウトモルタルを提供することを課題とする。

本発明においては、上記の課題を解決するために、以下の手段を採用する。
（１）結合材、凝結遅延剤、減水剤、及び細骨材を含有してなるグラウト用セメントモルタル組成物において、前記結合材が、セメント、カルシウムアルミノシリケートガラスと石膏からなる急硬材、及びポゾラン微粉末を含有し、前記減水剤が、少なくともポリカルボン酸塩系減水剤を含有し、並びに前記細骨材が、密度３．０ｇ／ｃｍ ^３以上の重量骨材であることを特徴とするグラウト用セメントモルタル組成物。
（２）前記ポゾラン微粉末が、二酸化珪素含有率が９０％以上であり、水素イオン濃度が酸性領域にあるシリカ質微粉末であることを特徴とする前記（１）のグラウト用セメントモルタル組成物。
（３）前記セメントが、分級された微粉末セメントを含有してなることを特徴とする前記（１）又は（２）のグラウト用セメントモルタル組成物。
（４）前記結合材が、さらに、膨張材を含有してなることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれか一項のグラウト用セメントモルタル組成物。
（５）前記膨張材が、ブレーン値で４０００ｃｍ ^２ ／ｇ以上のカルシウムサルフォアルミネート系膨張材であることを特徴とする前記（４）のグラウト用セメントモルタル組成物。
（６）前記減水剤が、さらに、メラミンスルホン酸塩系減水剤を含有してなることを特徴とする前記（１）〜（５）のいずれか一項のグラウト用セメントモルタル組成物。
（７）さらに、収縮低減剤を含有してなることを特徴とする前記（１）〜（６）のいずれか一項のグラウト用セメントモルタル組成物。
（８）さらに、発泡物質を含有してなることを特徴とする前記（１）〜（７）のいずれか一項のグラウト用セメントモルタル組成物。
（９）さらに、増粘剤を含有してなることを特徴とする前記（１）〜（８）のいずれか一項のグラウト用セメントモルタル組成物。
（１０）前記（１）〜（９）のいずれか一項のグラウト用セメントモルタル組成物と水とを混練してなるグラウトモルタル。
（１１）水が、結合材１００部に対して、３１〜３６部である前記（１０）のグラウトモルタル。

本発明のグラウト組成物を使用することにより、良好な流動性を保持し、ブリーディングや材料分離を発生せず、高強度、高耐久性、乾燥収縮の低減（低収縮性）によりひび割れ防止性能を有するグラウトモルタルを提供することができる。

以下、本発明を詳細に説明する。
なお、本発明で使用する部や％は特に規定のない限り質量規準である。
本発明ではセメント、急硬材、ポゾラン微粉末、凝結遅延剤、減水剤、及び重量骨材、必要に応じて、膨張材、収縮低減剤、微粉末セメント、発泡物質、増粘剤を含有してなるグラウト用セメントモルタル組成物と水とを混練りして、グラウトモルタルを調製するものである。
本発明で使用するセメントとしては、普通、早強、低熱、及び中庸熱等の各種ポルトランドセメント並びに、廃棄物利用型セメント、いわゆるエコセメントなどが挙げられる。
本発明では、セメントの一部に微粉末セメントを使用することができる。 微粉末セメントは、普通ポルトランドセメントを、粒度が２０ミクロン以下となるように粉砕し、１０ミクロン以下の粒度に分級したものを使用する。 使用量は、結合材１００部（セメント、急硬材、ポゾラン微粉末、及び膨張材の合計量、以下同じ）中、５部以下が好ましい。 ５部を超えると、ブリーディングを抑える効果が飽和し、流動性を損なう場合がある。
本発明で使用する急硬材は、カルシウムアルミノシリケートガラスと石膏からなる。
本発明に係わるカルシウムアルミノシリケートガラスとは、組成領域がＣａＯ６０〜３０％、Ａｌ _２ Ｏ _３ ２０〜６０％、ＳｉＯ _２ ５〜２５％が好ましく、より好ましくは、ＣａＯ５５〜３０％、Ａｌ _２ Ｏ _３ ３０〜６０％、ＳｉＯ _２ １０〜２５％である。 ＣａＯが３０％未満あるいはＡｌ _２ Ｏ _３が６０％を超えると、急硬性に劣り、逆にＣａＯが６０％を超過、あるいはＡｌ _２ Ｏ _３ ２０％未満では、凝結遅延剤を多量に添加しても瞬結してしまい、ＳｉＯ _２が５％未満であると、長期的な強度の伸びが期待できず、逆に２５％を超えると初期強度発現性が低下する。
本発明に係るカルシウムアルミノシリケートガラスの原料としては、ＣａＯ質原料として、生石灰（ＣａＯ）、消石灰Ｃａ（ＯＨ） _２ 、石灰石（ＣａＣＯ _３ ）等を用いることができ、Ａｌ _２ Ｏ _３質原料として、アルミナ、ボーキサイト、ダイアスポア、長石、粘土等を用いることができ、ＳｉＯ _２質原料として、ケイ砂、白土、ケイ藻土等を用いることができる。
以上のＣａＯ質原料、Ａｌ _２ Ｏ _３質、ＳｉＯ _２質原料を所定の割合で配合した後、直接通電式溶融炉あるいは高周波炉を用いて融解し、得られた溶融体を圧縮空気や高圧水により吹き飛ばす方法、あるいは水中に流し込む方法により製造される、あるいは、ロータリーキルンで溶融至急冷することによっても製造できる。
カルシウムアルミノシリケートガラスの粒度は、強度発現性の問題でブレーン値で、３０００ｃｍ ^２ ／ｇ以上が好ましく、５０００ｃｍ ^２ ／ｇ以上がより好ましい。 ３０００ｃｍ ^２ ／ｇ未満だと強度発現性が低下するおそれがある。
石膏としては、無水石膏、半水石膏および二水石膏等が挙げられ、これら一種類また二種類以上を使用してもよい、これらの中では、強度発現性の点で無水石膏が好ましい。
石膏の粒度は、強度発現性の点から、ブレーン値で、３０００ｃｍ ^２ ／ｇ以上が好ましく、５０００ｃｍ ^２ ／ｇ以上がより好ましい。 ３０００ｃｍ ^２ ／ｇ未満だと強度発現性が低下するおそれがある。
石膏の使用量は、カルシウムアルミノシリケートガラス１００部に対して５０〜１５０部が好ましい。 ５０部未満、１５０部超であると強度発現性が低下することがある。
急硬材の添加量は、結合材１００部中、９〜２５部が好ましい。 ９部未満では、強度発現性が低下する場合があり、２５部を超えると、効果が飽和する。
本発明で使用するポゾラン微粉末は、特に低水比での良好な流動性および強度発現に使用するもので、二酸化珪素（ＳｉＯ _２ ）含有率が９０％以上であり、水素イオン濃度が酸性領域にあるシリカ質微粉末が好ましい。
シリカ質微粉末の製造方法は、例えば金属シリコン微粉末を火炎中で酸化させる方法や高温火炎中でシリカ質原料微粉末を溶融する方法において原料の熱処理条件を調整し、捕集温度を５５０℃以上にすることによって製造することができる。 また電気炉においてジルコンサンドを電融した際にサイクロンなどで捕集した後分級して製造されるものもある。
ポゾラン微粉末の使用量は、結合材１００部中、５〜１５部が好ましい。 ５部未満では、強度発現が不十分であったり、ボールベアリング効果がなくなり練り混ぜ時の負荷が大きくなり、所定の水量で優れた流動性が得られない場合がある。 １５部を超えると、流動性効果が飽和し、強度発現性が低下する場合がある。
本発明で使用する膨張材は、特に限定されるものではなく、一般に市販されているものが使用可能であり、カルシウムサルホアルミネート系膨張材、カルシウムアルミノフェライト系膨張材、及び石灰系膨張材のいずれも使用可能である。
膨張材の使用量は、結合材１００部中、１〜５部が好ましい。 １部未満では、収縮低減効果が小さい場合があり、５部を超えても、収縮低減効果が期待できないばかりか、圧縮強度が小さくなる場合がある。
本発明で使用する凝結遅延剤は、急硬性モルタルの凝結硬化を調整するもので、有機酸類、アルカリ金属炭酸塩を含有してなるもので、これら一種類又は二種類以上が使用できる。
有機酸類とは、クエン酸（無水）、酒石酸、およびグルコン酸等のオキシカルボン酸又はこれらの塩などのアルカリ金属塩等が挙げられる。 有機酸類の使用量は、結合材１００部に対して、０．１〜０．３部が好ましい。 ０．１部未満では、硬化時間のコントロールが効かなくなる場合があり、０．３部を超えると、強度発現性が低下する場合がある。
アルカリ金属炭酸塩としては、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、及び炭酸カリウム等の炭酸塩や、炭酸水素ナトリウムや炭酸水素カリウムなどの重炭酸塩が挙げられる。 アルカリ金属炭酸塩の使用量は、結合材１００部に対し、０．３〜０．８部が好ましい。 ０．３部未満では、硬化後の強度発現性を促す効果が期待できなくなる場合があり、０．８部を超えると、初期強度発現が低下する場合がある。
本発明で使用する収縮低減剤は、硬化後のグラウトモルタルの乾燥収縮を抑制し、ひび割れの発生を抑制するもので、構成する収縮低減成分としては、Ｒ０（Ａ０）ｎＨ（ただし、Ｒは炭素数４〜６のアルキル基、Ａは炭素数２〜３の一種又は二種以上のアルキレン基、ｎは１〜１０の整数）で示される低級アルコールのアルキレンオキサイド付加物を主体としたものや、一般式Ｘ｛０（Ａ０）ｎＲ｝ｍ（ただし、Ｘは２〜８個の水素基を有する化合物の残基、Ａ０は炭素数２〜１８のオキシアルキレン基、Ｒは水素原子、炭素数１〜１８の炭化水素基、又は炭素数２〜１８のアシル基、ｎは３０〜１，０００、ｍは２〜８）で示され、そのオキシアルキレン基の６０モル％以上はオキシエチレン基であるポリオキシアルキレン誘導体等を使� ��することが可能である。
収縮低減剤の使用量は、結合材１００部に対して、１．３〜３．８部が好ましい。 １．３部未満では、乾燥収縮低減効果が小さい場合があり、３．８部を超えると、強度発現性が低下する場合がある。
減水剤は、セメントに対する分散作用や空気連行作用を有し、流動性改善や強度増進するものであり、具体的には、メラミンスルホン酸塩の縮合物、及びポリカルボン酸塩の縮合物等が挙げられるが、本発明では、所定の流動性を得るために、少なくともポリカルボン酸塩系減水剤を使用する。 これらの減水剤は全て粉末状で使用することができ、ポリカルボン酸塩系減水剤と他の減水剤とを組み合わせて使用可能である。
ポリカルボン酸塩系減水剤の使用量は、結合材１００部に対して、０．１３〜０．３部が好ましい、０．１３部未満では、所定の流動性が得られない場合があり、０．３部を超えると、材料分離の発生や圧縮強度が低下する場合がある。 メラミンスルホン酸塩系減水剤を併用する場合は、０．１３〜０．４部が好ましく、なかでも０．２５部程度がより好ましい。
本発明で使用する発泡物質は、特に限定されるものではないが、グラウトモルタルの初期膨張性を得るため、水と混練後に、気体を発生する物質であり、この作用によりグラウトモルタルの沈下現象を防止し、構造物との一体化を図る目的で使用される。 その具体例としては、例えば、金属粉末や過酸化物質等が挙げられる。 なかでもアルミニウム粉末が好ましいが、アルミニウム粉末の表面は酸化されやすく酸化皮膜で覆われると反応性が低下するため、植物油、鉱物油、又はステアリン酸等で表面処理したアルミニウム粉末が好ましい。
発泡物質の使用量は、結合材１００部に対して、０．００１３〜０．００４部が好ましい、０．００１３部未満では、膨張量が極めて少なくなる場合があり、０．００４部を超えると、膨張量が大きく強度が低下する場合がある。
本発明で使用する増粘剤は、モルタルの粘性を調整するものであり、特に限定されるものではなく、一般に市販されているものが使用可能であり、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ポリビニールアルコール、ポリアクリル酸やそのナトリウム塩やカルシウム塩、およびポリエチレンオキサイドなどが挙げられる。
増粘剤の使用量は、結合材１００部に対して、０．００１〜０．００４部が好ましい、０．００１部未満では、ブリーディングが十分に防止できない場合があり、０．００４部を超えると、流動性が低下する場合がある。
本発明で使用する細骨材としては、フェロクロムスラグ等の密度３．０ｇ／ｃｍ ^３以上の重量骨材を使用する。 その最大粒径は５．０ｍｍ以下であることが好ましい。
細骨材の使用量は、結合材１００部に対して、１００〜２００部が好ましい。 １００部未満では、収縮量が多くなる場合があり、２００部を超えると、強度や流動性が低下する場合がある。
本発明では、上記の成分以外に、消泡剤、ベントナイトなどの粘土鉱物、及びハイドロタルサイトなどのアニオン交換体等を、本発明の目的を実質的に阻害しない範囲で使用することが可能である。
本発明では、上記のような材料を配合したグラウト用セメントモルタル組成物と水とを混練りして、グラウトモルタルを調製する。
使用する練混ぜ水量は特に限定されるものではないが、結合材１００部に対して、３１〜３６部が好ましい。 この範囲外では、流動性の低下や材料分離が発生する場合があり、強度発現性が低下する場合もある。
本発明では、各材料の混合方法は特に限定されるものではなく、それぞれの材料を施工時に混合してもよく、また、あらかじめその一部あるいは全部を混合しておいてもよい。
混合装置としては、既存のいかなる装置の使用可能であり、例えば、傾胴ミキサ、オムニミキサ、ヘンシェルミキサ、Ｖ型ミキサ、及びナウターミキサなどが使用可能である。
以下に実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

結合材１００部中、表１に示す急硬材（セメントの量は、８５部から、急硬材を引いた量）、ポゾラン微粉末１０部、膨張材２．５部、微粉末セメント２．５部を含有させ、この結合材１００部に対して、凝結遅延剤０．７５部、収縮低減剤２．５部、メラミンスルホン酸塩系減水剤０．２５部、ポリカルボン酸塩系減水剤０．２部、及び発泡物質０．００２５部、増粘剤０．００３部、細骨材１５０部を配合したグラウト用セメントモルタル組成物と水３４部を、高速ハンドミキサを用い練り混ぜしグラウトモルタルを作製し、その流動性、ブリーディング率、体積膨張率、及び圧縮強度を測定した。 結果を表１に併記する。
＜使用材料＞
セメント ：普通ポルトランドセメント、密度３．１５ｇ／ｃｍ ^３ 、市販品急硬材 ：カルシウムアルミノシリケートガラス／無水石膏
１／１（質量比）密度２．９４ｇ／ｃｍ ^３
ポゾラン微粉末：ジルコニア起源シリカフューム（市販品）
膨張材 ：カルシウムサルフォアルミネート系微粉末セメント：普通ポルトランドセメント粉砕・分級品
平均粒度１０μｍ
凝結遅延剤 ：クエン酸（無水）２５％；炭酸カリウム７５％
収縮低減剤 ：ポリアルキレングリコール系収縮低減剤、市販品減水剤 ：Ａ メラミンスルホン酸塩系減水剤、市販品
Ｂ ポリカルボン酸塩系減水剤、市販品発泡物質 ：金属アルミニウム粉末、市販品増粘剤 ：メチルセルロース系増粘剤、市販品細骨材 ：フェロクロムスラグ、密度３．２０ｇ／ｃｍ ^３ 、４ｍｍ下＜測定方法＞
流動性 ：土木学会標準示方書（ＪＳＣＥ−Ｆ５４１−１９９９）「充てんモルタルの流動性試験方法」に準じてＪ _１４漏斗流下値を測定ブリーディング率：土木学会標準示方書（ＪＳＣＥ−Ｆ５４２−１９９９）「充てんモルタルのブリーディング率および膨張率試験方法」に準じてブリーディング率を測定長さ変化 ：土木学会標準示方書（ＪＳＣＥ−Ｆ５４２−１９９９）「膨張材のモルタルによる膨張試験方法」準じて、グラウトモルタルを２０℃、８０％ＲＨの恒温恒湿室で型枠に打設し、打設後１日に測定、７日まで水中養生以後２０℃、６０％ＲＨの恒温恒湿室養生にて測定体積膨張率：土木学会標準示方書（ＪＩＳＡ−６２０２−１１９７）「充てんモルタルのブリーディング率および膨張率試験方法」に準じて、グラウトモ� ��タルを、２０℃、８０％ＲＨの恒温恒湿室で型枠に打設し、打設後１日に測定圧縮強度 ：土木学会標準示方書（ＪＳＣＥ−Ｇ５４１−１９９９）「充てんモルタルの圧縮強度試験方法」に準じて、グラウトモルタルを、２０℃、８０％ＲＨの恒温恒湿室で型枠に打設し、６時間強度（表１）または、１日後からの養生を２０℃水中養生として、材齢２８日の圧縮強度を測定

結合材１００部中、急硬材１８部、表２に示すポゾラン微粉末を含有させたこと以外は実施例１と同様にグラウトモルタルを作製し、測定を行った。 結果を表２に併記する。

結合材１００部中、急硬材１８部を含有させ、結合材１００部に対して、表３に示す凝結遅延剤を添加したこと以外は実施例１と同様にグラウトモルタルを作製し、測定を行った。 結果を表３に併記する。

結合材１００部中、急硬材１８部を含有させ、結合材１００部に対して、表４に示す収縮低減剤を添加したこと以外は実施例１と同様にグラウトモルタルを作製し、測定を行った。 結果を表４に併記する。

結合材１００部中、急硬材１８部を含有させ、結合材１００部に対して、メラミンスルホン酸塩系減水剤０．２５部、表５に示すポリカルボン酸塩系減水剤を添加したこと以外は実施例１と同様にグラウトモルタルを作製し、測定を行った。 結果を表５に併記する。

結合材１００部中、急硬材１８部を含有させ、結合材１００部に対して、表６に示す発泡物質を添加したこと以外は実施例１と同様にグラウトモルタルを作製し、測定を行った。 結果を表６に併記する。

結合材１００部中、急硬材１８部を含有させ、結合材１００部に対して、表７に示す増粘剤を添加したこと以外は実施例１と同様にグラウトモルタルを作製し、測定を行った、結果を表７に併記する。

結合材１００部中、急硬材１８部を含有させ、結合材１００部に対して、表８に示す細骨材を添加したこと以外は実施例１と同様にグラウトモルタルを作製し、測定を行った。 結果を表８に併記する。

結合材１００部中、急硬材１８部を含有させ、結合材１００部に対して、表９に示す水を添加したこと以外は実施例１と同様にグラウトモルタルを作製し、測定を行った。 結果を表９に併記する。

実験Ｎｏ． １−５で配合したグラウトモルタルを用い、鋼球落下による耐衝撃性試験、及びテーバー磨耗試験機による磨り減り性試験を行った。 比較に実験Ｎｏ． １−５配合で、重量骨材を石灰砂（密度２．６０ｇ／ｃｍ ^３ ）に置きかえたグラウトモルタル及び、鉄粉系骨材を用いた他社グラウトモルタルを試験した。 結果を表１０に併記する。
＜測定方法＞
耐衝撃性試験 ：試験体サイズ１５０×１５０×５０ｍｍ
鋼球サイズφ１００ｍｍ×４ｋｇ
落下高さ１ｍ
耐摩耗性試験 ：テーバー磨耗試験（重量減少法）
荷重１ｋｇ
磨耗輪Ｈ−２２
試験回数１０００回

本発明のグラウトセメントモルタル組成物を使用してなるセメントモルタルは、上記のように良好な流動性、高強度、高耐久性、低収縮性が得られ、土木・建築分野、特に機械基礎等の構造物に使用できる。