JP4090982B2

JP4090982B2 - 地盤注入剤及び地盤注入工法

Info

Publication number: JP4090982B2
Application number: JP2003379266A
Authority: JP
Inventors: 克明入内島; 優森尻
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2003-11-10
Filing date: 2003-11-10
Publication date: 2008-05-28
Anticipated expiration: 2023-11-10
Also published as: JP2005139368A

Description

本発明は、各種土木工事における地盤改良工事や止水工事で用いられる地盤注入剤に関する。なお、本発明における部や％は、特に規定のない限り質量基準である。

従来、地盤注入剤は、地盤改良工事や止水工事等に広く用いられている。ここで、地盤改良工事とは、ダム、発電所、及び石油やＬＰＧの備蓄基地等の大型特殊構造物の基礎地盤補強のカーテングラウトや建設工事前の薬液注入による地盤補強工事等の工事であり、止水工事とは、地下水位より低い場所、海底下、及び帯水地盤における地下構造物の掘削工事の際に発生する湧水を注入剤を注入することにより防いだり、地盤の水密性を上げるために注入剤を注入する工事である。また、地盤注入剤は、これらの他にも、排水性の悪い地盤や液状化地盤などにおける一般住宅やマンションの地盤改良や上下水道等のインフラ整備における地盤の崩落防止工事にも使用される。

このように、注入することにより地盤を固結させたり、圧密脱水することにより地盤の強化を図る目的で使用する地盤注入剤には様々な材料が薬剤として使用されており、古くは、ベントナイトなどの粘土や普通ポルトランドセメントなどの非薬液系注入剤が使用されていたが、その後は、珪酸ナトリウム系（水ガラス系）注入剤や、アクリルアミドやウレタン系などの高分子系注入剤も使用されてきた。

しかしながら、薬液の井戸水への流入による公害問題で、旧建設省より昭和４９年に「薬液注入工法による建設工事の施工に関する暫定指針」が通達され、高分子系注入剤の使用は凍結となり、使用可能な材料としては、大きく分けてセメント系注入剤と水ガラス系注入剤の２系統の材料のみとなり現在に至っている。そして、より安全でかつより性能の良い注入剤が望まれてきた。

ここで、セメント系注入剤とは、普通ポルトランドセメントや高炉セメントを主材としセメントのみで使用したり、添加剤としてベントナイトや無機系の急硬材と組み合わせた注入剤の総称であり、また、最近では、普通ポルトランドセメントの代わりに、浸透効果を上げるために普通ポルトランドセメントとスラグを混合し、粉砕し粒度を細かくした微粒子セメントや超微粒子セメントが多く用いられている。

一般に、セメント系注入剤はアルカリ性ではあるが比較的安全性が高く、また、その硬化体の強度が高いため耐久性も良い。しかし、一方では、硬化するまでの時間、即ちゲルタイムが長いため止水に不向きな事や、粉体を水に懸濁した状態であるため、溶液タイプの注入剤と比較すると浸透性能が大きく劣るなどの性質がある。

また、水ガラス系注入剤とは、主材に珪酸ナトリウムである水ガラスを使用する注入剤の総称であり、そのなかでも、水ガラスの硬化剤として併用する材料の種類により、大きく溶液型注入剤と懸濁液型注入剤に分けられている。

ここで、溶液型注入剤とは、硬化剤が水に溶解する、無機塩、有機溶液、酸、及びアルカリ溶液を単体又は複合して使用するタイプであり、例えば、無機塩としては、炭酸塩、塩化物、硫酸塩、ホウ酸塩及びリン酸塩が、また、有機溶液としては、酢酸モノエーテルグリコールのようなエステル類、ホルムアルデヒドのようなアルデヒド類、プロピレンカーボネイト、ギ酸メチル及びグリオキザールなどがあり、酸としては硫酸が一般的である（特許文献１〜５）。
このように、溶液型注入剤は、溶液で粒子が無いため浸透性に優れているが、固結強度が低く、そのため耐久性も悪いものが多く、また、硬化剤の種類によっては対応に注意を要する物もある。

一方、懸濁液型注入剤とは、硬化剤として不溶解性である、主に無機物を用いた材料であり、例えば、一番使用されているのが普通ポルトランドセメントで、ＬＷの名称で一般に広く使用されている。また、その他としては、消石灰や生石灰の石灰類、無水、半水及び二水の石膏等の材料やスラグ等が使用されている（特許文献６，７）。

懸濁液型注入剤は、硬化剤が不溶性の粉体であるが、主材が水ガラスのため浸透性はセメント系注入剤より良く、また、固結強度については、硬化剤の種類にもよるが、全体的に溶液型注入剤より高くセメント系注入剤よりは低くなっている。また、硬化剤は比較的安全性が高いものが多い。
特開昭５２−１１３５０５号公報特開昭５２−０８７８０７号公報特開昭５１−０８２９１３号公報特開昭５２−１２０５０７号公報特開昭５７−１９５７８６号公報特開昭５５−０７８０８４号公報特開昭５６−０９０８８４号公報

上記のような注入剤の中で、水ガラス系懸濁液型注入剤は、固結体強度もある程度高く浸透性も良好であるため、様々な地質で構成されている地盤に対して一番適応範囲が広い注入剤である。その中でも、硬化剤に普通ポルトランドセメントを使用するＬＷが一番良く使用されているが、さらに初期の強度発現性が良好で安全性の高い硬化剤が望まれていた。

本発明者は、種々検討を重ねた結果、特定の硬化剤を使用することにより水ガラス系懸濁液型注入剤の中でも初期の固結強度が高く、耐久性が良好で、安全性の向上した注入剤が得られるという知見を得て本発明を完成するに至った。本発明は以下の各発明を包含する

（１）珪酸ナトリウム水溶液と、硬化剤としてのブレーン値４，０００ｃｍ ^２／ｇ以上の１２ＣａＯ・７Ａｌ _２Ｏ _３組成に対応するカルシウムアルミネートと硫酸カルシウム、及び硬化調整剤としての有機酸及び／又は有機酸塩を含有する地盤改良用注入剤。

（２）前記硬化剤が、前記カルシウムアルミネートを３０〜７０質量％と硫酸カルシウムを３０〜７０質量％含有することを特徴とする（１）項記載の地盤改良用注入剤。

（３）前記硬化調整剤が有機酸の１種又は２種からなることを特徴とする（１）項記載の地盤改良用注入剤。

（４）前記（１）項〜（３）項のいずれか１項に記載の地盤改良用注入剤に使用する前記硬化調整剤を練り水に入れ、これに、同じく前記硬化剤を入れて調製した硬化剤スラリーをＡ液とし、練り水に水ガラスを入れて調製した液をＢ液とし、Ａ液及びＢ液のそれぞれを混練りした後、別々に圧送し、地盤注入前もしくは地盤注入後に混合するか又は地盤中で混合することを特徴する地盤改良工法。

本発明により、従来の水ガラス系懸濁液型注入剤の硬化剤と比較して、硬化剤自体も水和反応により硬化するため、初期強度が高く、長期耐久性の高い注入剤の提供が可能とな
る。

以下、本発明をさらに詳しく説明する。
本発明で使用する水ガラス（珪酸ナトリウム）としては、一般に市販されている水ガラスの中で、メーカーにより多少モル比に差があるが、二酸化珪素（ＳｉＯ₂）と酸化ナトリウム（Ｎａ₂Ｏ）に換算したモル比（Ｎａ₂Ｏ／ＳｉＯ₂）が２．１〜２．３である１号珪酸ソーダ、２．４〜２．６である２号珪酸ソーダ、３．０〜３．３である３号珪酸ソーダが使用でき、特に３号珪酸ソーダが好ましい。
また、本発明の硬化剤には、その他の特殊水ガラス又はコロイダルシリカも併用可能である。

水ガラス水溶液中の水ガラスの量は、水１００部に対して２０〜２００部が好ましく、３０〜１００部がより好ましい。２０部未満では濃度が薄く、凝結が悪いため固まらない場合があり、２００部を超えると水ガラス水溶液の粘度が高くなり、硬化剤との混合性や注入作業時の圧送性が悪くなり、また、硬化体の収縮が大きくなり著しく耐久性が落ちる場合がある。

本発明で使用する硬化剤は、カルシウムアルミネートと硫酸カルシウムの含有物を水と混練りしスラリーとして使用するが、この際に混練り水に予め硬化調整剤を溶解して使用する。

本発明で使用するカルシウムアルミネートとは、カルシアを含む原料と、アルミナを含む原料とを混合して、キルンでの焼成や、電気炉での溶融等の熱処理をして得られる、ＣａＯとＡｌ₂Ｏ₃を主たる成分とする水和活性を有する物質の総称であり、ＣａＯ及び／又はＡｌ₂Ｏ₃の一部が、アルカリ金属酸化物、アルカリ土類金属酸化物、酸化ケイ素、酸化チタン、酸化鉄、アルカリ金属ハロゲン化物、アルカリ土類金属ハロゲン化物、アルカリ金属硫酸塩、及びアルカリ土類金属硫酸塩等と置換した化合物、あるいは、ＣａＯとＡｌ₂Ｏ₃とを主成分とするものに、これらが少量固溶した物質である。鉱物形態としては、結晶質、非晶質いずれであってもよい。

これらの中では、反応活性の面で、１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃（以下、Ｃ₁₂Ａ₇という）組成に対応する熱処理物を急冷した非晶質カルシウムアルミネートが好ましい。
カルシウムアルミネートの粒度は、初期強度発現性及び地盤への浸透性の面で、ブレーン値で４，０００ｃｍ²／ｇ以上が好ましく、６，０００ｃｍ²／ｇ以上がより好ましい。４，０００ｃｍ²／ｇ未満では初期強度発現性が低下したり、浸透性能が著しく悪くなる場合がある。

本発明で使用する硫酸カルシウムとしては、石膏が挙げられる。石膏の中では強度発現性が大きい面で、ＩＩ型無水石膏や天然石膏が好ましい。硫酸カルシウムの粒度は、ブレーン値で４，０００ｃｍ²／ｇ以上が好ましく、６，０００ｃｍ²／ｇ以上がより好ましい。４，０００ｃｍ²／ｇ未満では初期強度発現性が低下する場合がある。
硫酸カルシウムの使用量は、カルシウムアルミネート１００部に対して、７０〜１５０部が好ましく、９０〜１１０部がより好ましい。７０部未満では初期強度発現性が低下する場合があり、１５０部を越えると短期強度発現性が悪くなる場合がある。

本発明で使用する硬化剤は、水１００部に対して、２０〜３００部が好ましく、５０〜２００部がより好ましい。２０部未満では硬化時間が長く、目的のゲルタイムが得られず、また、硬化体の強度発現も不十分となる場合があり、３００部を超えると硬化剤をスラリー化するのが困難となり、スラリー化したとしても、通常の施工機械では施工が困難
となる場合がある。
本発明における硬化剤スラリーの使用量は、水ガラス水溶液１００部に対して、１０〜２００部が好ましく、５０〜１５０部がより好ましい。１０部未満では添加効果が無く、凝結又は初期強度発現性が低下する場合があり、また２００部を越えるとスラリーの分散性が悪く混練りが困難になったり、スラリーを圧送ができないなどの施工不能となることがある。

本発明で使用する硬化調整剤とは、硬化剤をスラリーとした場合、それ自身でも水和反応し固まってしまうため硬化剤の硬化時間を調節する役割があり、また、それ自体も水ガラス水溶液を硬化させる機能があるため、硬化剤を混合させたときの反応時間を安定化させる効果もある。

本発明で使用する硬化調整剤は、グルコン酸、酒石酸、クエン酸、リンゴ酸及び乳酸等の有機酸類及び該有機酸類の塩類から選ばれる１種又は２種以上からなり、これらの中では、スラリーの練り置き性状が良好で、初期強度発現性が良い面から、クエン酸やその塩類が好ましい。

硬化調整剤の使用量は、水ガラス水溶液１００部に対して、０．５〜３０部が好ましく、５〜１５部がより好ましい。０．５部未満では硬化剤スラリーの練り置き時間の確保が困難となり、また、３０部を越えると硬化剤スラリーの練り置き時間は長くなるが、硬化時間が極端に短かくなって作業性が低下するし、また、硬化体の耐久性が低下する場合がある。

本発明の注入剤の混合調製及び使用方法としては、練り水に予め所定の硬化調整剤を入れ、これにカルシウムアルミネートと硫酸カルシウムの混合物を入れて調製した硬化剤スラリーをＡ液とし、練り水に所定の水ガラスを入れて調製したものをＢ液とし、それぞれを混練りした後、別々に圧送し、地盤注入前又は地盤注入後に混合する方法を用いる（１．５ショット注入方法）が望ましく、また、硬化時間が短い場合はＡ液とＢ液を別々に送り地盤中で混合する２ショット注入方法でも可能である。

以下、実験例により本発明を詳細に説明するが、本発明はこれら実験例に限定されるものではない。

実験例１
ＪＩＳ３号珪酸ナトリウムを水で希釈して表１記載の種々の濃度の珪酸ナトリウム水溶液２００ｍｌをつくりＡ液とした。
一方、硬化剤はカルシウムアルミネート１００部と無水石膏１００部を混合したもの２００部と予め硬化剤を希釈する練り水に硬化調整剤を５部溶解して混合したスラリー溶液２００ｍｌをつくりこれをＢ液とした。
Ａ液とＢ液を、２０℃、相対湿度８０％の室内で混合し、２０℃の水中養生を行い硬化させ、そのゲルタイムと圧縮強度を測定した。結果を表１に示す。

実験例２
ＪＩＳ３号珪酸ナトリウムを水で希釈して５０％濃度の珪酸ナトリウム水溶液２００ｍｌをつくり、Ａ液とした。
一方、硬化剤と硬化調整剤を表２記載の濃度にそれぞれ調整したスラリー溶液２００ｍ１をつくり、これをＢ液とした。
Ａ液とＢ液を、２０℃、相対湿度８０％の室内で混合し、２０℃の水中養生を行い硬化させ、そのゲルタイムと圧縮強度を測定した。結果を表２に示す。

実験例３
表１中の実験Ｎｏ．１−４の配合の注入剤スラリーのｐＨと硬化体からの六価クロムの溶出量を測定した。比較例として、実験Ｎｏ．１−４と同様の硬化剤を普通セメントと用いた場合を実施した。

〔使用材料〕
水ガラス：ＪＩＳ珪酸ナトリウム３号品
カルシウムアルミネート：主成分Ｃ₁₂Ａ₇、非晶質、ブレーン値６，０００ｃｍ²／ｇ
無水石膏：ＩＩ型無水石膏、ブレーン値６，０５０ｃｍ²／ｇ
硬化調整剤：市販の粉末状クエン酸
水：水道水

測定方法
ゲルタイム．：水ガラス水溶液と硬化剤を混合後、少量をカップに移し、そのカップを傾けても流動しなくなった時点の時間
圧縮強度：所定材齢の硬化体を、ＪＩＳＡ５２０１に準じ測定
ｐＨ測定：カロリーメーターにより測定
六価クロム溶出量測定：タンクリーチング試験を実施。材齢７日の硬化体を水中に２８日間浸漬し、ＪＩＳＫ０１０２に準じ濃度測定を行なった。

本発明の水ガラスの硬化剤は、中性であるため従来の硬化剤より安全であり、普通ポルトランドセメントと比較して六価クロムの含有量も少ないため、人体や環境に対しても安全性が高いので、今後、環境へ与える制約条件の厳しい注入現場などでの活用が期待される。

Claims

珪酸ナトリウム水溶液と、硬化剤としてのブレーン値４，０００ｃｍ ^２／ｇ以上の１２ＣａＯ・７Ａｌ _２Ｏ _３組成に対応するカルシウムアルミネートと硫酸カルシウム、及び硬化調整剤としての有機酸及び／又は有機酸塩を含有する地盤改良用注入剤。
前記硬化剤が、前記カルシウムアルミネートを３０〜７０質量％と硫酸カルシウムを３０〜７０質量％含有することを特徴とする請求項１記載の地盤改良用注入剤。
前記硬化調整剤が有機酸の１種又は２種からなることを特徴とする請求項１記載の地盤改良用注入剤。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の地盤改良用注入剤に使用する前記硬化調整剤を練り水に入れ、これに、同じく前記硬化剤を入れて調製した硬化剤スラリーをＡ液とし、練り水に水ガラスを入れて調製した液をＢ液とし、Ａ液及びＢ液のそれぞれを混練りした後、別々に圧送し、地盤注入前もしくは地盤注入後に混合するか又は地盤中で混合することを特徴する地盤改良工法。