CN101052697B - 地基改良材料用组合物、使用了该组合物的灌浆材料及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

提供可在地基改良工程或截水工程等中广泛利用的、渗透性及耐水性优良的地基改良材料用组合物，以及使用该地基改良材料用组合物的具有向地基的高渗透性的灌浆材料。该地基改良材料用组合物的特征在于含有高炉灰，较好的是还含有硅粉，更好的是还含有水泥或氢氧化钙或者还含有水泥和碱增粘型合成胶乳。含有该地基改良材料用组合物的灌浆材料及该地基改良材料用组合物的使用方法。

Description

地基改良材料用组合物、使用了该组合物的灌浆材料及其使用方法
技术领域
本发明涉及高炉灰(blast-furnace fume)的有效利用方法及可在土木·建筑业的地基改良工程或截水工程等中广泛使用的地基改良材料用组合物、该组合物的调制方法及用其形成的灌浆材料。
背景技术
近年来，环境问题受到极度关注，特别是对工业副产物的有效利用进行了各种尝试。其中，高炉水渣、粉煤灰或硅粉等已经确立了多种有效利用方法，例如被大量混合在硅酸盐水泥中后使用，在JIS中也制定了相应的标准。
但是，仍有许多尚未确立有效利用法的工业副产物，而为了构建循环型社会迫切需要确立它们的利用方法。高炉灰就是其中之一。
高炉灰是钢铁制造过程中所产生的副产物，是将制铁时从高炉产生的烟尘收集起来所得的粉体。到目前为止，就高炉灰的有效利用法提出过作为用于玻璃纤维增强水泥复合体的掺合料的技术方案(参见专利文献1、专利文献2)。但是，高炉灰的成分中含有碱金属，因此现状是由于担心碱-骨料反应而难以应用于混凝土，希望找到其利用方法。
另一方面，地基改良材料被广泛应用于地基改良工程及截水工程等。
地基改良工程是指通过在软弱地基等的大坝或发电厂等大型特殊构筑物的基础地基加强的帷幕灌浆及隧道、石油或LPG储备基地等地下构筑物施工时注入化学药剂等来改良地基的工程。截水工程是指通过注入灌浆材料防止在低于地下水位的场所、海底下及含水地基处的地下构筑物的挖掘工程时发生的涌水，或者注入地基改良材料以提高地基的水密性的工程。除此以外，还有排水性差的地基及液状化地基等处的普通住宅或大厦的地基改良，以及上下水道等的基础结构维护中的防止地基塌落的工程等。
地基改良材料被广泛应用于这些工程中，是用于通过使地基固结或压密脱水来实现地基的强化等的材料。
以下，例举具体例对上述地基改良材料和使用该材料的工程进行说明。
例如，在隧道的衬砌中，有时会在施工时或施工后，于衬砌混凝土背面产生空洞。如果留着该空洞不管的话，则斜坡会向空洞部塌落，引起地表面下沉。斜坡塌落剧烈时，存在发生衬砌混凝土的变形或损坏，特别是隧道的塌落；地下水流入空洞造成衬砌混凝土劣化，以及由此所引发的劣化混凝土一侧向车行道落下及在冬季由于来自裂缝部的漏水引起车行道结冻等问题。
此外，近年来在施工量不断增加的隧道修缮工程中，有一种在衬砌混凝土背面的空洞中填充灌浆材料，实现隧道的稳固化的回填灌浆施工法。其中所使用的灌浆材料称为砌体填充材料，以往一般使用水泥-膨润土。但是，存在流动性过大，砌体填充材料不必要地逸流到远处，以及如果有涌水的话，则砌体填充材料流出或被稀释造成物性下降等问题。
为此，提出了在水泥和膨润土主材中添加高吸水性树脂，增大其粘度的方法及添加水玻璃促进固化的方法(参见专利文献3、专利文献4)。
但是，无论哪一种方法粘度上升均需要时间，而且添加高吸水性树脂的方法中高吸水性树脂本身价格昂贵。另外还存在如下问题，即如果从一开始就投入灌浆材料中拌合，则由于主材的粘度增大，致使压送距离缩短，灌浆部位受到限制。
另一方面，添加水玻璃的方法由于水玻璃的pH在13以上为强碱性，因此存在作业受到相当大的限制、从固化物溶出的水对环境造成负担及固化物的长期强度下降等问题。
最近，作为解决砌体填充材料所存在的问题的方法，提出了如下的技术方案：在水泥-膨润土或水泥-煤灰(粉煤灰)主材中添加作为增塑剂的聚合物，藉此瞬时塑化，改善水中不分离性及安全性(参见专利文献3、专利文献5及专利文献6)。
另一方面，为了获得地基的加强或截水效果，采用使用了水泥的灌浆材料(参见专利文献7)。但是，当地质为细砂、淤泥或者粘土时，存在向地基的渗透性小，灌浆困难等问题。
专利文献1：日本专利特开2002-47037号公报
专利文献2：日本专利特开2004-67477号公报
专利文献3：日本专利特开平10-237446号公报
专利文献4：日本专利特开平11-61123号公报
专利文献5：日本专利特开平10-238289号公报
专利文献6：日本专利特开2000-280231号公报
专利文献7：日本专利特开2004-149685号公报
发明的揭示
本发明是能够广泛利用于地基改良工程及截水工程等的地基改良材料，目的是使用尚未找到有效利用法的高炉灰，提供(1)渗透性及耐久性优良的地基改良材料用组合物；(2)长距离压送性优于使用膨润土及高吸水性树脂的灌浆材料，并且添加增塑剂后迅速增粘，例如砌体填充材料等空隙填充材料不会不必要地逸流到远处，以及即使有涌水空隙填充材料也不会流出，也不会被稀释而导致物性下降，而且不象水玻璃那样溶出水呈强碱性的地基改良材料用组合物；(3)用这些地基改良材料用组合物构成的具有向地基的高渗透性的灌浆材料。
本发明者经过不断深入研究后发现，含有高炉灰的新型的地基改良材料用组合物能够非常好地完成上述课题，并据此完成了本发明。本说明书中的“份”和“％”只要没有特别规定均以质量基准表示。
即，本发明具有以下技术特征。
(1)地基改良材料用组合物，其特征在于，含有高炉灰。
(2)如上述(1)所述的地基改良材料用组合物，其中还含有硅粉。
(3)如上述(1)或(2)所述的地基改良材料用组合物，其中含有最大粒径40μm的水泥或氢氧化钙。
(4)如上述(1)所述的地基改良材料用组合物，其中含有水泥及碱增粘型合成胶乳。
(5)如上述(4)所述的地基改良材料用组合物，其中高炉灰相对于100份水泥为30～500份。
(6)如上述(4)或(5)所述的地基改良材料用组合物，其中碱增粘型合成胶乳为通过不饱和羧酸类和乙烯性不饱和化合物的共聚得到的合成胶乳。
(7)如上述(1)～(6)中任一项所述的地基改良材料用组合物，其中还含有固化促进剂。
(8)如上述(1)～(7)中任一项所述的地基改良材料用组合物，其中固化促进剂含有铝酸盐及/或硫酸盐。
(9)如上述(1)～(8)中任一项所述的地基改良材料用组合物，其中高炉灰具有30μm的最大粒径。
(10)如上述(1)～(9)中任一项所述的地基改良材料用组合物，其中高炉灰含有20～30％的SiO2、10～15％的Al2O3及15～25％的CaO。
(11)由上述(1)～(10)中任一项所述的地基改良材料用组合物形成的灌浆材料。
(12)如上述(11)所述的灌浆材料，其中含有铝酸钙或硅铝酸钙、石膏及碱激发剂。
(13)如上述(11)或(12)所述的灌浆材料，其中相对于100份高炉灰含有1～15份铝酸钙或硅铝酸钙、1～50份石膏及1～50份碱激发剂。
(14)如上述(11)～(13)中任一项所述的灌浆材料，其中最大粒径在20μm以下。
(15)上述(4)～(10)中任一项所述的地基改良材料用组合物的使用方法，其特征在于，预先分别调制含有水泥、高炉灰及水的A液以及含有碱增粘型合成胶乳和水的B液，在临使用前混合A液和B液。
(16)上述(4)～(10)中任一项所述的地基改良材料用组合物的使用方法，其特征在于，预先分别调制含有水泥、高炉灰及水的A液以及含有固化促进剂、碱增粘型合成胶乳和水的B液，在临使用前混合A液和B液。
(17)上述(4)～(10)中任一项所述的地基改良材料用组合物的使用方法，其特征在于，预先分别调制含有水泥、高炉灰及水的A液，含有固化促进剂和水的B液以及含有碱增粘型合成胶乳和水的C液，在临使用前混合A液、B液及C液。
本发明的含有高炉灰的地基改良材料用组合物及使用该组合物的灌浆材料由于渗透性及耐久性优良，因此能够广泛利用于地基改良工程及截水工程等，而且由于具有如下特性：表现出急剧的粘度上升，强度表现性优良，具有水中不分离性，pH低于使用水玻璃时的值，因此可作为斜坡的空洞或空隙部分的砌体填充材料、盾构管片的填充材料及双管单相或多相的灌浆施工法中的速凝性灌浆材料。
本发明的地基改良材料用组合物及使用该组合物的灌浆材料在需要使水泥浆、水泥砂浆或混凝土的粘度急剧上升的用途中也是非常有效的，如在双管双封隔器施工法中的密封材料及一次灌浆材料等。此外，由于向地基的渗透性优良，注入性高，具有强度表现性优良等效果，因此能够向以往难以适用的地质的地基中灌浆。
实施发明的最佳方式
本发明所使用的高炉灰是在钢铁工业中所产生的副产物，是将制铁时从高炉产生的烟尘收集起来所得的粉体。本发明中，高炉灰较好是具有以下成分：20～30％的SiO2、10～15％的Al2O3、15～25％的CaO。作为其它成分较好是具有1～5％的Fe2O3、3～9％的MgO、0.5～2％的Na2O、5～12％的K2O、5～12％的SO3、0.5％以下的S及0.1～0.5％的MnO。此外，高炉灰的最大粒径优选30μm、平均粒径优选3～5μm。此外，高炉灰的粉末度优选布莱恩比表面积值(以下称为布莱恩值)在15000～25000cm2/g的范围内。高炉灰可以直接使用，也可以再进行粉碎及分级，微粉末化后使用。
对本发明所使用的水泥没有特别的限定，作为优选的具体例可以例举例如普通、早强、超早强、低热及中热等各种硅酸盐水泥；在这些硅酸盐水泥中混入高炉矿渣、粉煤灰或硅粉所形成的各种混合水泥；混合有石灰石粉末或高炉慢冷矿渣微粉的填料水泥；废物利用型水泥即所谓的生态水泥等。可以使用这其中的一种或二种以上。此外，本发明中所说的水泥混凝土是水泥浆、砂浆或混凝土的总称。
在本发明的地基改良材料用组合物中，从提高向地基的渗透性的角度出发，作为高炉灰以外的成分优选含有硅粉。其中，特别优选使用酸性硅粉。此外，也优选含有酸性硅粉和通常的硅粉。
这里，酸性硅粉是指将1g硅粉加入100cc纯水中，搅拌后的上清液的pH显示出5以下的酸性的硅粉。
对硅粉的粉末度没有特别的限定，通常以BET比表面积表示优选2～20万m2/g。
此外，本发明的地基改良材料用组合物中，为了进一步提高耐久性，作为高炉灰以外的成分优选使用水泥或氢氧化钙的微粉。耐久性可以通过确认从经地基改良材料改良后的固化体渗出的水、即所谓的“离浆水”来评价。
本发明的上述地基改良材料用组合物与以往被广泛使用的水玻璃类地基改良材料及以高炉矿渣微粉为主体的地基改良材料相比，具有其离浆水的产生少，耐久性优良的特征。
上述水泥或氢氧化钙(以下称为水泥类)优选最大粒径为40μm、实质上不含超过40μm的粒子的水泥类。具体来说是超过40μm的粒子的含有率在1％以下的水泥类，更好是最大粒径为30μm。此外，平均粒径优选10μm以下，更好为5μm以下。水泥类的最大粒径如果超过40μm，则有时渗透性变差。本发明中的平均粒径是由激光衍射式粒度分布测定装置测得的值。
对上述氢氧化钙没有特别的限定，可以通过使生石灰水合而获得，也可以利用市售商品。
还有，这些水泥类可以通过粉碎操作微粉末化，也可以通过分级操作得到微粉末部分。
对本发明的上述地基改良材料用组合物中的各材料的配比没有特别的限定，高炉灰和硅粉合计100份中，硅粉优选10～90份，更好为20～80份。如果硅粉未满10份，则有时渗透性的提高效果不充分，而若硅粉超过90份，则强度表现性变得不充分，离浆水的产生显著。
此外，高炉灰和水泥合计100份中，水泥类优选1～50份，更好为3～30份。水泥类的配比如果未满1份，则有时无法实现使初期的强度表现性良好的效果，而如果超过50份，则具有渗透性变差的趋势。
使用本发明的上述地基改良材料用组合物时，所使用的水相对于地基改良材料用组合物100份优选50～500份，更好为100～300份。如果未满50份，则有时渗透性不充分，而如果超过500份，则有时难以确保耐久性。
此外，本发明的地基改良材料用组合物含有高炉灰、水泥和碱增粘型合成胶乳时，所使用的高炉灰的用量因高炉灰的品质而异，无法一概而定，一般相对于100份水泥，优选30～500份，更好为50～300份。如果未满30份则有时粘度不上升，流动性增大，水中不分离性变小，而若超过500份则有时粘度过高，致使地基改良材料用组合物的拌合变得困难。
上述本发明的地基改良用组合物中所使用的碱增粘型合成胶乳(以下称为所述胶乳)是遇碱增粘的合成胶乳。
作为所述胶乳，可例举例如不饱和羧酸类、乙烯性不饱和化合物、不饱和羧酸类和乙烯性不饱和化合物的共聚物等各种胶乳。优选由不饱和羧酸类和乙烯性不饱和化合物的共聚所得的合成胶乳，因为其效果更为优良。
不饱和羧酸类和乙烯性不饱和化合物的聚合方法可以例举通过乳液聚合、悬浮聚合、溶液聚合或本体聚合等方法进行共聚的方法等。
作为上述不饱和羧酸类，可例举丙烯酸、甲基丙烯酸、衣康酸、马来酸、富马酸、柠康酸、乌头酸、巴豆酸等不饱和羧酸类，马来酸酐、柠康酸酐等不饱和羧酸酐，衣康酸单甲酯、衣康酸单丁酯及马来酸单乙酯等不饱和羧酸酯。其中，基于增粘性更优良，优选不饱和羧酸，更好是丙烯酸和/或甲基丙烯酸。
对上述乙烯性不饱和化合物没有特别的限定，但基于增粘性更为优良，优选丙烯酸酯单体和/或甲基丙烯酸酯单体。丙烯酸酯可例举丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸己酯、丙烯酸环己酯、丙烯酸辛酯、丙烯酸羟乙酯、丙烯酸2-乙基己酯、丙烯酸缩水甘油酯等。甲基丙烯酸酯可例举甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯等。
从增粘性更为优良的角度出发，所述胶乳的不饱和羧酸类和乙烯性不饱和化合物的共聚比优选不饱和羧酸类∶乙烯性不饱和化合物＝20∶1～1∶20，更好为5∶1～1∶5。如果在该范围之外则有时无法获得良好的碱增粘性。
所述胶乳的用量相对于100份水泥，以固体成分换算优选0.1～2份、更好为0.2～1份。如果未满0.1份则有时增粘效果变小，流动性增大、水中不分离性变小，而如果超过2份则有时初期强度表现性变小。
本发明的地基改良材料用组合物还可以使用固化促进剂。如果地基改良材料用组合物的固化慢，则会发生材料分离之一的泌浆(bleeding)，固化后生成空隙，造成结构上的缺陷。
本发明所使用的固化促进剂促进地基改良材料用组合物的固化，减少泌浆，抑制空隙的生成，同时有助于强度表现性。
固化促进剂可例举硫酸锂、硫酸钠、硫酸钾、硫酸镁、硫酸钙、硫酸铝、钾矾、硫酸铁等硫酸盐，碳酸锂、碳酸钠、碳酸钾等碳酸盐，氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化镁、氢氧化铝、氢氧化钾、氢氧化钙等氢氧化物，氯化钙、氯化镁、氯化铁等氯化物，铝酸锂、铝酸钠、铝酸钾、铝酸钙等铝酸盐，硅酸锂、硅酸钠、硅酸钾等硅酸盐，二乙醇胺、三乙醇胺等胺类，甲酸钙、乙酸钙等有机酸的钙盐，硅溶胶、氧化铝溶胶等胶体等。可以使用其中的一种或二种以上。基于固化促进和强度表现性优良，优选铝酸盐及/或硫酸盐，更好是同时使用铝酸盐和硫酸盐。
在铝酸盐中，从固化促进和强度表现性的角度出发，优选铝酸钙(以下也称为CA)。CA是以CaO和Al2O3为主成分的化合物的总称，是例如通过混合含氧化钙的原料和含氧化铝的原料等，进行在窑中的煅烧或在电炉中的熔融等热处理而得到的以CaO和Al2O3为主成分的化合物的总称。具体可例举以CaO·2Al2O3、CaO·Al2O3、12CaO·7Al2O3、11CaO·7Al2O3·CaF2、3CaO·Al2O3及3CaO·3Al2O3·CaSO4等表示的结晶性铝酸钙类及以CaO和Al2O3为主成分的非晶质的化合物。其中，从强度表现性的角度出发，更好为非晶质的12CaO·7Al2O3组成的化合物。
铝酸钙的粉末度以布莱恩值表示优选3000cm2/g以上，更好为5000cm2/g以上。如果小于3000cm2/g则有时初期强度表现性小。
在硫酸盐中，从固化促进和强度表现性的角度出发，优选硫酸钙和/或硫酸铝。硫酸钙可例举无水石膏、熟石膏或二水石膏等。其中，从固化促进和强度表现性的角度出发，更好为无水石膏。
硫酸盐的粉末度以布莱恩比表面积表示优选3000cm2/g以上，更好为5000cm2/g以上。如果小于3000cm2/g则有时强度表现性小。
作为固化促进剂同时使用铝酸盐和硫酸盐时，硫酸盐的用量相对于100份铝酸盐，优选20～500份，更好为50～150份。如果未满20份则有时初期强度表现性变小，而若超过500份则有时流动性变大，水中不分离性变小，长期强度表现性变小。
固化促进剂的用量随其种类而异无法一概而定，一般相对于100份水泥，优选1～30份，更好为2～20份。如果未满1份则有时流动性变大，水中不分离性变小，强度表现性变小，而若超过30份则有时粘度增高，压送距离变短。
本发明的含有水泥的地基改良材料用组合物中也可以并用砂或砾石等骨料、减水剂及防冻剂等。
本发明中对与水泥混合的水的量没有特别的限定，相对于100份水泥优选100～300份，更好为150～200份。如果未满100份则有时含有水泥的地基改良材料用组合物的拌合变得困难，而若超过300份则有时流动性变大，水中不分离性变小。
本发明的地基改良材料用组合物含有高炉灰、水泥及所述胶乳时，对其使用方法没有特别的限定，但优选如下的使用方法，即将由高炉灰、水泥及水混合而成的A液与含有所述胶乳和水的B液在临使用前混合的方法，这样可以使粘度急剧上升。此外，从混合性良好、增粘性的角度出发，较好是预先将所述胶乳与水混合，形成溶液或悬浮液。
所述胶乳较好是与水混合后使用。对这时的水的用量没有特别的限定，但优选用所述胶乳的固体成分的5～20倍的水稀释，使用固化促进剂时，优选稀释至1～3倍。水的量如果少于上述范围，则有时粘性增高混合性变差，而如果水的量过多则该稀释水的稀释效果过大，有时水中不分离性变差。
余下的水与水泥和高炉灰混合，可以一边分别压送水泥-高炉灰液的A液和所述胶乳的B液，在喷嘴前端合流混合一边使用。特别好的是一边分别压送水泥-高炉灰液的A液及将所述胶乳和水混合形成2倍量的所述胶乳液的B液，在喷嘴前端合流混合一边使用。
作为上述合流混合的方法可例举使用Y字管等混合管的方法，使用双管的方法，以及使用喷管头(inlet piece)使所述胶乳液的B液呈喷淋状地与水泥-高炉灰液的A液合流混合的方法等。
此外，为了更均一地混合，可例举在合流混合后的管中安装螺旋状的搅拌器，进一步进行混合的方法。
本发明的地基改良材料用组合物含有高炉灰、水泥、所述胶乳及固化促进剂时，其使用方法与上述同样没有特别的限定，但优选如下的使用方法，即将由高炉灰、水泥及水混合而成的A液与由含有固化促进剂及水的溶液(以下称为固化促进剂液)和含有所述胶乳及水的溶液(以下称为所述胶乳液)混合而成的B液在临使用前混合的方法，或者将由高炉灰、水泥及水混合而成的A液与由固化促进剂液形成的B液与由所述胶乳液形成的C液在临使用前混合的方法，这样能够使粘度急剧上升。
从混合性良好、增粘性的角度出发，较好是预先将所述胶乳和固化促进剂与水混合，形成溶液或悬浮液。对这时的水的用量没有特别的限定，所述胶乳最好用其固体成分的5～20倍的水稀释，固化促进剂最好用其1～3倍的水稀释。水的量如果少于上述范围，则有时粘度增高混合性变差，而如果水的量过多则有时流动性变大，水中不分离性变差。
本发明中，也可以分别压送由高炉灰、水泥及水混合而成的A液与由固化促进液和所述胶乳液混合而成的B液，在喷嘴前端合流混合来使用。特别好的是分别压送由高炉灰、水泥及水混合而成的A液和由固化促进剂液形成的B液和由所述胶乳液形成的C液，在喷嘴前端合流混合来使用。
此外，由于固化促进剂与水混合后有时会在1小时内固化，因此最好是并用延迟剂。延迟剂可例举柠檬酸、酒石酸、葡糖酸及苹果酸等羟基羧酸或它们的钠盐或钾盐，硼酸，三聚磷酸盐及焦磷酸盐等，可以使用其中的一种或两种以上。其中，基于延迟效果大，优选羟基羧酸和/或羟基羧酸盐，更好为柠檬酸和/或柠檬酸钠。
延迟剂的用量相对于100份水泥，优选0.01～10份，更好为0.05～5份。如果未满0.01份则有时延迟效果小，而若超过10份则有时强度表现性变小。
作为上述合流混合的方法，可例举使用Y字管等混合管的方法，使用三管的方法，以及使用喷管头使固化促进剂液的B液和所述胶乳液的C液分别呈喷淋状地与由高炉灰、水泥及水混合而成的A液合流混合的方法等。
此外，为了更均一地混合，可例举在合流混合后的管中安装螺旋状的搅拌器，进一步进行混合的方法。
用本发明的地基改良材料用组合物形成的灌浆材料中所使用的高炉灰可以直接使用在钢铁的制造过程中将制铁时从高炉产生的烟尘收集起来所得的粉体，也可以再进行粉碎或分级，微粉末化后使用。在本发明中，为了获得向地基的高渗透性，较好是通过分级使最大粒径达到20μm以下后使用。
在用本发明的含有高炉灰、铝酸钙或硅铝酸钙、石膏及碱激发剂的地基改良材料用组合物形成的灌浆材料中，所用的硅铝酸钙(以下称为CAS)含有CaO、Al2O3及SiO2，通过将其与石膏并用，主要是有助于短期强度的表现。
CAS的组成优选CaO含有率为20～60％、Al2O3含有率为20～70％、SiO2含有率为5～30％，更好是CaO含有率为30～55％、Al2O3含有率为30～60％、SiO2含有率为10～20％。如果在该范围之外，则有时短期强度变小。
CAS通过以规定的配比将石灰石等氧化钙原料，氧化铝、铝土矿(bauxit)、长石、粘土等氧化铝原料，硅石、硅砂、石英、硅藻土等二氧化硅原料等混合后，用回转窑等进行煅烧或者用电炉或高频炉等进行熔融来制造。
CAS也可以使用2CaO·Al2O3·SiO2或CaO·Al2O3·2SiO2等结晶性化合物，但从短期强度大的角度出发，优选将熔融物急冷所得的玻璃质的CAS。
CAS的玻璃化率如下求得，即，将CAS在1000℃下加热2小时后，以5℃/分钟的冷却速度慢冷，采用粉末X射线衍射法求出结晶矿物的主峰的面积S0，由CAS的结晶的主峰S，按照X(％)＝100×(1-S/S0)求出。从短期强度出发，优选50％以上，更好为80％以上，再更好为90％以上。如果未满50％则有时短期强度小。
CAS的用量相对于100份高炉灰，优选1～50份，更好为5～30份。如果未满1份则短期强度小，而若超过50份则使灌浆材料形成悬浮液后的粘度变大，向地基的渗透性降低。
此外，在本发明的上述灌浆材料中所使用的铝酸钙主要是通过与石膏的并用有助于强度表现。作为具体例，前面作为地基改良材料用组合物中所含的CA所例举的化合物均可使用。其中，从灌浆材料的固化时间及强度表现性的角度出发，较好是选择CaO/Al2O3摩尔比为1～2的非晶质的铝酸钙。
CA的玻璃化率与上述CAS所述的同样，也按照X(％)＝100×(1-S/S0)求出。S、S0与CAS同样求得。从短期强度的角度出发，优选50％以上，更好为80％以上，再更好为90％以上。如果未满50％则有时短期强度小。
CA通过用回转窑或电炉对CaO原料和Al2O3原料等进行热处理等方法得到。对制造CA的原料没有特别限定，例如作为CaO原料可例举石灰石或贝壳等碳酸钙、消石灰及生石灰等，作为Al2O3原料可例举例如铝土矿或被称为铝灰渣(Aluminum Dross Ash)的工业副产物及铝粉等。
CA的用量相对于100份高炉灰，优选1～50份，更好为5～30份。如果未满1份则短期强度小，而若超过50份则使灌浆材料形成悬浮液后的粘度变大，向地基的渗透性降低。
此外，在本发明的上述灌浆材料中所使用的石膏可例举无水石膏、熟石膏、二水石膏。还可以使用天然石膏，磷石膏、排烟脱硫石膏、氟石膏等化学石膏，或者将它们热处理所得的石膏等。其中，基于强度表现性大，优选无水石膏。
石膏的用量相对于100份高炉灰，优选1～50份，更好为5～30份。如果未满1份则短期强度小，而若超过50份则向地基的渗透性下降。
此外，本发明的上述灌浆材料中所使用的碱激发剂和高炉灰的并用，有助于固化、长期强度的增大。
作为碱激发剂可例举氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂等碱金属氢氧化物，碳酸钠、碳酸钾、碳酸锂等碱金属碳酸盐，消石灰等。没有特别限定，其中，从与高炉灰并用有助于固化、长期强度的增大的角度出发，优选消石灰。
碱激发剂的用量相对于100份高炉灰，优选1～50份，更好为3～20份。如果未满1份则长期强度小，而若超过50份则向地基的渗透性下降。
本发明的灌浆材料的最大粒径优选20μm，更好为15μm，最好为10μm以下。若超过20μm则根据地基的地质有时难以注入到细微的间隙中。
对灌浆材料的粒度的调整方法没有特别限定，可以使用下述的任一种方法，即，将各材料分别用球磨机等粉碎机粉碎，通过分级收集20μm以下的粒子，然后进行混合的方法；或者将各材料混合后粉碎，通过分级收集20μm以下的粒子的方法。但是，如果将各材料混合后再粉碎、分级，则混合比可能会因为各材料的密度差而发生变化，因此优选将各材料分别粉碎、分级，然后再混合。
此外，在本发明中，为了获得所希望的固化时间，较好是并用调凝剂。
调凝剂可例举铝酸钠及铝酸钾等铝酸盐，碳酸钠及碳酸钾等碳酸盐，氢氧化钠及氢氧化钾等氢氧化物，硫酸铝、硫酸铁(III)、明矾等硫酸盐，硅酸钠及硅酸钾等硅酸盐，磷酸钠、磷酸钙、磷酸镁等磷酸盐，硼酸锂及硼酸钠等硼酸盐等无机盐类，柠檬酸、酒石酸及苹果酸或它们的钠盐、钾盐及钙盐等有机酸或其金属盐类，糖类等。可以使用其中的一种或两种以上。从确保所需的固化时间出发，优选并用碳酸盐和有机酸类。
调凝剂的用量根据固化时间来调整，因此没有特别限定，但是相对于CAS或CA和石膏的合计100份，优选0.1～10份，更好为0.5～5份。如果未满0.1份则有时难以确保固化时间，而若超过10份则有时固化时间变长，强度减小。
为了提高向地基中的渗透性，本发明中最好还使用分散剂。
作为分散剂可例举萘磺酸甲醛缩合物盐类、木质磺酸类、三聚氰胺磺酸甲醛缩合物盐类、聚羧酸盐类、聚醚类的分散剂。
分散剂的用量相对于100份高炉灰，优选0.1～10份，更好为0.5～3份。如果未满0.1份则有时渗透性小，而若超过10份则有时强度减小。
将灌浆材料形成悬浮液时的水量只要是能够泵送悬浮液即可，没有特别的限定，相对于高炉灰、CAS或CA、石膏及碱激发剂的合计100份，优选100～1000份，更好为200～500份。如果未满100份则有时悬浮液的粘度过高，渗透性小，而若超过1000份则强度减小。
对灌浆材料的拌合方法及注入方法没有特别限定，可以采用单管钻杆施工法、单管过滤管施工法、双管单相工作法、双管多相工作法、双管双封隔器工作法等目前正在使用的工作法。
实施例
以下，通过实施例对本发明进行详细的说明，但本发明并不受限于这些实施例。
实施例1-1
混合表1-1所示的高炉灰和硅粉调制地基改良材料用组合物，相对于100份调制成的地基改良材料用组合物，加150份水进行搅拌，调制地基改良材料，对该地基改良材料的渗透性及固化后的改良体的耐久性进行了确认。
此外，为了进行比较，使用高炉矿渣微粉及水玻璃类地基改良材料代替本发明的地基改良材料用组合物进行同样的试验。结果一并示于表1-1。
<使用材料>
高炉灰：中国产、市售品、SiO2 25％、Fe2O3 3％、Al2O3 13％、CaO 19％、MgO 6％、Na2O 1.3％、K2O 9％、SO3 10％、S 0.3％及MnO 0.2％、布莱恩值21000cm2/g、最大粒径30μm、平均粒径4μm
硅粉：市售品、酸性的硅粉、平均粒径0.1μm、布莱恩值15万cm2/g
高炉矿渣微粉：市售的高炉水渣的微粉、最大粒径5μm、平均粒径5μm
水玻璃类地基改良材料：市售品、主成分为水玻璃、副成分为碳酸钠
水：自来水
<测定方法>
渗透性：在直径5cm×高30cm的乙烯管中填充8号硅砂至高20cm，在乙烯管的底面开0.5mm左右的孔后，从上面投入地基改良材料250cc，1天后测定渗透深度。
耐久性：观察渗透性试验所得的固化体直至材龄91天，测定离浆水进行评价。离浆水是测定从乙烯管底面的开孔流出的水的重量，以相对于地基改良材料250cc的体积％表示。
表1-1
Figure G05837983520070510D000141
高炉灰、硅粉、高炉水渣微粉及水玻璃类地基改良材料为“份”
实施例1-2
除了使用表1-2所示的高炉灰、硅粉及水泥类以外，与实施例1-1同样实施。结果一并示于表1-2。
<使用材料>
水泥类A：市售品的微粉水泥、最大粒径40μm、平均粒径5μm
水泥类B：市售的氢氧化钙、最大粒径40μm、平均粒径5μm
表1-2
  试验No.   高炉灰   硅粉   水泥类   渗透性(mm)   耐久性(体积％)   备注
  1-1-4   70   30   -0   175   9   实施例
  试验No.   高炉灰   硅粉   水泥类   渗透性(mm)   耐久性(体积％)   备注
  1-2-1   69.5   29.5   A    1   175   6   实施例
  1-2-2   68.5   28.5   A    3   170   5   实施例
  1-2-3   65   25   A    10   165   4   实施例
  1-2-4   55   15   A    30   160   3   实施例
  1-2-5   45   5   A    50   155   2   实施例
  1-2-6   68.5   28.5   B    3   175   5   实施例
  1-2-7   55   15   B    30   165   3   实施例
  1-2-8   50   0   A    50   180   3   实施例
  1-2-9   50   0   B    50   175   5   实施例
  1-2-10   40   40   A    20   190   3   实施例
  1-2-11   40   40   B    20   185   3   实施例
  1-2-12   0   0   A    100   120   2   比较例
  1-2-13   0   0   B    100   145   55   比较例
高炉灰、硅粉及水泥类为“份”
实验例2-1
将100份水泥、表2-1所示量的高炉灰和水用搅拌机拌合，调制A液。然后，相对于100份水泥，将以固体成分换算为0.5份的胶乳α和5份水混合调制B液。
将B液投入A液中，拌合5秒钟，调制拌合物，测定其流动度、水中不分离性、压缩强度。
此外，为了进行比较，使用膨润土代替高炉灰进行同样的试验。结果一并示于表2-1。
<使用材料>
水泥：普通硅酸盐水泥、市售品
胶乳α：所述胶乳、固体成分浓度30％、丙烯酸乙酯∶甲基丙烯酸＝45∶55的丙烯酸乙酯/甲基丙烯酸共聚合成胶乳
高炉灰：中国产、市售品。SiO2 25％、Fe2O3 3％、Al2O3 13％、CaO 19％、MgO 6％、Na2O 1.3％、K2O 9％、SO3 10％、S 0.3％及MnO 0.2％、布莱恩值21000cm2/g、最大粒径30μm、平均粒径4μm
膨润土：市售品
<测定方法>
流动度：将拌合物装入内径80mm×高80mm的量筒中，2分钟后测定提筒后的扩散值。
水中不分离性：按照土木学会的水中不分离混凝土设计施工指南附件的水中分离度试验实施，水完全不浑浊为优；水稍有浑浊为良；水虽浑浊但仍能实用为合格；材料分离、水非常浑浊为不合格。
压缩强度：按照JIS R 5201测定
表2-1
Figure G05837983520070510D000161
高炉灰和水为相对于100份水泥的量(份)，压缩强度为(N/mm2)，试验No.2-1-7中的*1表示使用膨润土代替高炉灰。
实验例2-2
将100份水泥、200份高炉灰、180份水用搅拌机拌合调制A液。相对于100份水泥，将表2-2所示的胶乳和胶乳的10倍量的水混合调制B液，除此以外与实验例2-1同样实施。
此外，为了进行比较，使用不具备碱增粘性的非所述胶乳代替所述胶乳进行同样的试验。结果一并示于表2-2。
<使用材料>
胶乳β：所述胶乳、固体成分浓度30％、丙烯酸乙酯∶甲基丙烯酸＝45∶55的丙烯酸乙酯/甲基丙烯酸共聚合成胶乳70份和乙烯∶乙酸乙烯酯＝18∶82的乙烯/乙酸乙烯酯共聚合成胶乳30份的混合物
胶乳γ：所述胶乳、固体成分浓度30％、苯乙烯∶丙烯酸2-乙基己酯＝45∶55的苯乙烯/丙烯酸2-乙基己酯共聚合成胶乳
表2-2
所述胶乳为相对于100份水泥的固体成分换算的量(份)，压缩强度为(N/mm2)。
实验例3-1
将100份水泥，表3-1所示量的高炉灰和水用搅拌机拌合调制A液。然后，相对于100份水泥，将5份固化促进剂a和10份水混合调制B液，将以固体成分换算为0.5份的所述胶乳α和5份水混合调制C液。
将A液、B液、C液连续地投入搅拌机中拌合5秒钟，调制成灌浆材料后，测定流动度、水中不分离性、压缩强度。此外，为了进行比较，使用膨润土代替高炉灰进行同样的试验。结果一并示于表3-1。
<使用材料>
水泥：普通硅酸盐水泥、市售品
高炉灰：中国产、市售品。SiO2 25％、Fe2O3 3％、Al2O3 13％、CaO 19％、MgO 6％、Na2O 1.3％、K2O 9％、SO3 10％、S 0.3％及MnO 0.2％，布莱恩值21000cm2/g、最大粒径30μm、平均粒径4μm
胶乳α：所述胶乳、固体成分浓度30％、丙烯酸乙酯∶甲基丙烯酸＝45∶55的丙烯酸乙酯/甲基丙烯酸共聚合成胶乳
固化促进剂a：12CaO·7Al2O3组成的铝酸钙、玻璃化率95％、布莱恩值6000cm2/g的铝酸盐和无水石膏、布莱恩值5400cm2/g的硫酸盐的等量混合物
膨润土：市售品
<测定方法>
流动度：将拌合后的灌浆材料装入内径80mm×高80mm的量筒中，2分钟后测定提筒后的扩散值。
水中不分离性：按照土木学会的水中不分离混凝土设计施工指南附件的水中分离度试验实施，水完全不浑浊为优；水稍有浑浊为良；水虽浑浊但仍能实用为合格；材料分离、水非常浑浊为不合格。
压缩强度：按照JIS R 5201测定
表3-1
Figure G05837983520070510D000181
高炉灰和水为相对于100份水泥的量(份)，试验No.3-1-7中的※表示使用膨润土代替高炉灰。
实施例3-2
将100份水泥，200份高炉灰和180份水用搅拌机拌合调制A液。相对于100份水泥，将5份固化促进剂a和10份水混合调制B液，将表3-2所示的胶乳和胶乳的10倍量的水混合调制C液。除此以外，与实验例3-1同样实施。
此外，为了进行比较，使用不具备碱增粘性的非所述胶乳代替所述胶乳进行同样的试验。结果一并示于表3-2。
<使用材料>
胶乳β：所述胶乳、固体成分浓度30％、丙烯酸乙酯∶甲基丙烯酸＝45∶55的丙烯酸乙酯/甲基丙烯酸共聚合成胶乳70份和乙烯∶乙酸乙烯酯＝18∶82的乙烯/乙酸乙烯酯共聚合成胶乳30份的混合物
胶乳γ：所述胶乳、固体成分浓度30％、苯乙烯∶丙烯酸2-乙基己酯＝45∶55的苯乙烯/丙烯酸2-乙基己酯共聚合成胶乳
表3-2
Figure G05837983520070510D000191
所述胶乳为相对于100份水泥的固体成分换算的量(份)
实施例3-3
将100份水泥，200份高炉灰和180份水用搅拌机拌合调制A液。相对于100份水泥，将以固体成分换算为0.5份的所述胶乳α和5份水混合调制C液。相对于100份水泥，将表3-3所示的固化促进剂和其2倍量的水和0.1份延迟剂混合调制B液。除此以外，与实验例3-1同样实施。结果一并示于表3-3
<使用材料>
固化促进剂b：硫酸盐、硫酸铝、市售品
固化促进剂c：碳酸盐、碳酸钠、市售品
固化促进剂d：氢氧化物、氢氧化钙、市售品
固化促进剂e：铝酸盐、铝酸钠、市售品
固化促进剂f：胶体、硅溶胶、市售品
延迟剂：柠檬酸、市售品
表3-3
Figure G05837983520070510D000201
固化促进剂为相对于100水泥的量(份)
实施例4-1
将100份高炉灰、表4-1所示的CAS、石膏及碱激发剂混合，调制最大粒径30μm的灌浆材料。将100份调制成的灌浆材料和300份水混合，制作悬浮液。这时，相对于100份高炉灰，混入1份分散剂，相对于CAS和石膏合计100份，混入1份调凝剂，测定灌浆材料的固化时间、渗透长度、压缩强度。结果一并示于表4-1。
<使用材料>
高炉灰：中国产、市售品。SiO2 25％、Fe2O3 3％、Al2O3 13％、CaO 19％、MgO 6％、Na2O 1.3％、K2O 9％、SO3 10％、S 0.3％及MnO 0.2％，布莱恩值21000cm2/g、最大粒径30μm、平均粒径4μm
CAS①：组成为CaO45％、Al2O340％、SiO215％的玻璃，玻璃化率95％
CAS②：组成为CaO45％、Al2O328％、SiO227％的玻璃，玻璃化率95％
石膏：天然无水石膏
碱激发剂：消石灰、市售品
分散剂：萘磺酸甲醛缩合物盐类
调凝剂：柠檬酸和碳酸钾的重量比1∶3的混合物
<试验方法>
渗透长度：在直径5cm×长30cm的乙烯管中填充8号硅砂使其长度达到20cm，投入200ml灌浆材料，1天后测定向砂中的渗透长度。
固化时间：截至即使倾斜装有悬浮液的杯子悬浮液也不流动的时间
压缩强度：按照JIS R 5201测定，测定材龄1天和28天
表4-1
Figure G05837983520070510D000211
CAS、石膏及碱激发剂为相对于100份高炉灰的量(份)
实施例4-2
将100份高炉灰、10份CAS①、10份石膏及5份碱激发剂混合，调制表4-2所示的最大粒径的灌浆材料，与实验例4-1同样地测定固化时间、渗透长度、压缩强度。结果一并示于表4-2。
表4-2
Figure G05837983520070510D000212
实施例5-1
将100份高炉灰、表5-1所示的CA、石膏及碱激发剂混合，调制最大粒径30μm的灌浆材料。将100份调制成的灌浆材料和300份水混合，制作悬浮液。这时，相对于100份高炉灰，混入1份分散剂，相对于CA和石膏合计100份，混入1份调凝剂，测定灌浆材料的固化时间、渗透长度、压缩强度。结果一并示于表5-1。
<使用材料>
高炉灰：中国产、市售品。SiO2 25％、Fe2O3 3％、Al2O3 13％、CaO 19％、MgO 6％、Na2O 1.3％、K2O 9％、SO3 10％、S 0.3％及MnO 0.2％，布莱恩值21000cm2/g、最大粒径30μm、平均粒径4μm
CA①：非晶质12CaO·7Al2O3、玻璃化率95％
CA②：结晶质CaO·Al2O3、玻璃化率20％
石膏：天然无水石膏
碱激发剂：消石灰、市售品
分散剂：萘磺酸甲醛缩合物盐类
调凝剂：柠檬酸和碳酸钾的重量比1∶3的混合物
<试验方法>
渗透长度：在直径5cm×长30cm的乙烯管中填充8号硅砂使其长度达到20cm，投入200ml灌浆材料，1天后测定向砂中的渗透长度。
固化时间：截至即使倾斜装有悬浮液的杯子悬浮液也不流动的时间
压缩强度：按照JIS R 5201测定，测定材龄1天和28天
表5-1
Figure G05837983520070510D000231
CA、石膏及碱激发剂为相对于100份高炉灰的量(份)
实施例5-2
将100份高炉灰、10份CA、10份石膏及5份碱激发剂混合，调制表5-2所示的最大粒径的灌浆材料，与实验例5-1同样地测定固化时间、渗透长度、压缩强度。结果一并示于表5-2。
表5-2
Figure G05837983520070510D000232
产业上利用的可行性
本发明的地基改良材料用组合物由于渗透性良好且耐久也优良，因此能够广泛利用于地基改良工程或截水工程中的砌体填充材料等空隙填充材料等，此外，本发明的用上述地基改良材料用组合物形成的灌浆材料由于向地基的渗透性优良，注入性高，强度表现性优良，因此能够注入到以往难以应用的地质的地基中，能够实现作为工业副产物的高炉灰的有效利用。
本文中，引用2004年11月11日提出申请的日本专利申请2004-327140号、2004年12月21日提出申请的日本专利申请2004-369240号、2005年1月31日提出申请的日本专利申请2005-022895号、2005年1月31日提出申请的日本专利申请2005-022896号及2005年2月9日提出申请的日本专利申请2005-032719号的说明书、权利要求书、附图及摘要的全部内容作为本发明的说明书的揭示。

Claims (16)

1.用于地基改良材料的组合物，其特征在于，含有高炉灰，该高炉灰含有20～30质量％的SiO2、10～15质量％的Al2O3及15～25质量％的CaO。
2.如权利要求1所述的用于地基改良材料的组合物，其特征在于，还含有硅粉。
3.如权利要求1或2所述的用于地基改良材料的组合物，其特征在于，含有最大粒径40μm的水泥或氢氧化钙。
4.如权利要求1或2所述的用于地基改良材料的组合物，其特征在于，含有水泥和碱增粘型合成胶乳。
5.如权利要求3所述的用于地基改良材料的组合物，其特征在于，高炉灰相对于100质量份水泥为30～500质量份。
6.如权利要求4所述的用于地基改良材料的组合物，其特征在于，碱增粘型合成胶乳为由丙烯酸和/或甲基丙烯酸与丙烯酸酯单体和/或甲基丙烯酸酯单体的共聚得到的合成胶乳。
7.如权利要求1所述的用于地基改良材料的组合物，其特征在于，还含有固化促进剂。
8.如权利要求7所述的用于地基改良材料的组合物，其特征在于，固化促进剂含有铝酸盐及/或硫酸盐。
9.如权利要求1所述的用于地基改良材料的组合物，其特征在于，高炉灰具有30μm的最大粒径。
10.灌浆材料，其特征在于，用权利要求1～9中任一项所述的用于地基改良材料的组合物形成。
11.如权利要求10所述的灌浆材料，其特征在于，含有铝酸钙或硅铝酸钙、石膏及碱激发剂。
12.如权利要求10或11所述的灌浆材料，其特征在于，相对于100质量份高炉灰，含有1～15质量份铝酸钙或硅铝酸钙、1～50质量份石膏及1～50质量份碱激发剂。
13.如权利要求10所述的灌浆材料，其特征在于，最大粒径在20μm以下。
14.权利要求1所述的用于地基改良材料的组合物的使用方法，其特征在于，预先分别调制含有水泥、高炉灰及水的A液以及含有碱增粘型合成胶乳和水的B液，在临使用前混合A液和B液。
15.权利要求7～9中任一项所述的用于地基改良材料的组合物的使用方法，其特征在于，预先分别调制含有水泥、高炉灰及水的A液以及含有固化促进剂、碱增粘型合成胶乳和水的B液，在临使用前混合A液和B液。
16.权利要求7～9中任一项所述的用于地基改良材料的组合物的使用方法，其特征在于，预先分别调制含有水泥、高炉灰及水的A液，含有固化促进剂和水的B液以及含有碱增粘型合成胶乳和水的C液，在临使用前混合A液、B液及C液。
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