JP3541135B2 - 地盤注入工法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は浸透性が良好で、固結強度が高く、さらに公害を起こさず、しかも広範囲にわたる地盤への注入に適するのみならず、工事現場における作業性が改善された地盤注入工法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
軟弱地盤の改良に際して、従来、液体状、スラリー状、あるいは微粒子を含む粉体状の地盤固結材が利用されていた。
【０００３】
この種の地盤固結材として、例えば、珪酸ナトリウム、珪酸カリウム、珪酸アンモニウム等の水溶性珪酸塩をイオン交換法や、電解法等により脱アルカリ処理して得られる、低粘度で浸透性の良好な活性珪酸水溶液が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この活性珪酸水溶液は生産工場で製造の後、工事現場に搬入して使用されるが、それ自体ゲル化するため、運搬時間等を考慮すると、ゲル化時間を極めて長く設定しなければならない。ゲル化時間を長く設定するためには、ＳｉＯ2 濃度を小さくしなければならず、したがって、固結強度が低下するという欠点が生じる。
【０００５】
そこで、充分な固結強度を得るために、活性珪酸を生産工場ではなく、工事現場で製造することが試みられている。
【０００６】
しかし、この場合、水ガラスのアルカリ濃度が高いため、脱アルカリ処理に使用される陽イオン交換樹脂やイオン交換膜の量が大量となり、再生や洗浄の装置も含めて大規模な設備を工事現場で建設せざるを得なくなる。このため、生産管理の面でもかなりの困難が予想され、工事現場における作業性が相当に劣ってしまう。
【０００７】
そこで、本発明の目的は水ガラスを脱アルカリ処理して、ＳｉＯ２濃度が比較的高い水ガラスをゲル化し難い一次シリカ液とし、この一次シリカ液を工事現場でさらに脱アルカリ処理して二次シリカ液とすることにより、浸透性が良好で、固結強度が高く、さらに公害を起こさず、しかも広範囲にわたる地盤への注入に適するのみならず、工事現場における作業性が改善され、上述の公知技術に存する欠点を改良した地盤注入工法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するため、本発明の地盤注入工法によれば、水ガラスを脱アルカリ処理し、該水ガラス中のアルカリの一部を除去して一次シリカ液とし、この一次シリカ液をさらに脱アルカリ処理して二次シリカ液とし、この二次シリカ液を主材としてなることを特徴とする。
【０００９】
さらに、上述の目的を達成するため、本発明の地盤注入工法によれば、水ガラスを脱アルカリ処理して活性珪酸とし、この活性珪酸にアルカリ、または水ガラスを脱アルカリ処理して得られるシリカ液を添加して一次シリカ液とし、この一次シリカ液をさらに脱アルカリ処理して二次シリカ液とし、この二次シリカ液を主材としてなることを特徴とする。
【００１０】
さらにまた、上述の目的を達成するため、本発明の地盤注入工法によれば、水ガラスを脱アルカリ処理して得られるコロイダルシリカを一次シリカ液とし、この一次シリカ液をさらに脱アルカリ処理して二次シリカ液とし、この二次シリカ液を主材とすることを特徴とする。
【００１１】
さらに、上述の目的を達成するため、本発明の地盤注入工法によれば、次の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）の群から選択された複数種を混合して一次シリカ液とし、この一次シリカ液をさらに脱アルカリ処理して二次シリカ液とし、この二次シリカ液を主材として含有してなることを特徴とする。
【００１２】
（ａ）水ガラスを脱アルカリ処理し、該水ガラス中のアルカリの一部を除去して得られる一次シリカ液。
【００１３】
（ｂ）水ガラスを脱アルカリ処理して活性珪酸とし、この活性珪酸にアルカリ、または水ガラスを脱アルカリ処理して得られるシリカ液を添加して得られる一次シリカ液。
【００１４】
（ｃ）水ガラスを脱アルカリ処理して得られるコロイダルシリカからなる一次シリカ液。
【００１５】
（ｄ）これら一次シリカ液をそれぞれさらに脱アルカリ処理して得られる二次シリカ液。
【００１６】
さらにまた、上述の目的を達成するため、本発明の地盤注入工法によれば、水ガラスを脱アルカリ処理して得られた一次シリカ液の貯蔵槽と、この貯蔵槽と連結され、貯蔵槽からの一次シリカ液を脱アルカリ処理して二次シリカ液とする脱アルカリ処理槽と、この脱アルカリ処理槽と、この脱アルカリ処理槽と連結され、脱アルカリ処理槽で得られた二次シリカ液を貯蔵する二次シリカ液貯蔵槽とからなる製造装置を用いることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的に詳述する。
【００１８】
一次シリカ液
本発明にかかる一次シリカ液は珪酸ナトリウム、珪酸カリウム、珪酸アンモニウム等の水溶性珪酸塩、特に水ガラスをイオン交換法、電気泳動法、電解透析法等により脱アルカリ処理し、該水ガラス中のアルカリの一部を除去して得られる、ｐＨ値がアルカリ〜中性領域に調整された珪酸水溶液、あるいは、水ガラスをイオン交換法、電気泳動法、電解透析法等により、殆どのアルカリを除去して得られた活性珪酸水溶液を下記の手段を用いてゲル化し難くした珪酸水溶液である。
【００１９】
この活性珪酸水溶液は水ガラスのアルカリを除去して得られ、一般にｐＨはほぼ２〜４を呈する。ＳｉＯ2 濃度は１〜１５重量％、好ましくは２〜１０重量％である。ＳｉＯ2 濃度が１重量％よりも少ないと、地盤改良のための強度が不足し、１５重量％よりも多いと、活性珪酸水溶液のゲル化が起こりやすくなる。
【００２０】
上記活性珪酸水溶液はアルカリを添加して中性〜アルカリ領域に調整することによりＳｉＯ2 濃度が相当に高くても非常にゲル化し難い一次シリカ液となる。ここで使用するアルカリとしては特に限定されず、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、アミン類、水ガラス、後述コロイダルシリカ、さらには、水ガラスのアルカリの一部を脱アルカリ処理して得られたシリカ液等である。
【００２１】
アルカリとして水ガラスを用いた場合、活性珪酸と水ガラスが反応してｐＨが高くなり、かつ珪酸分子が高分子化して増粒し、ほぼ５ｍμ以内のコロイド粒子となって安定化する。このため、シリカ濃度を高くして、しかも安定なシリカ液を得るという優れた特徴を得る。したがって、実用的には水ガラスの使用が好ましい。
【００２２】
アルカリの使用量は活性珪酸水溶液のｐＨが４以上、好ましくは中性〜アルカリ領域となる量である。アルカリとして上述したように水ガラスを用いるとアルカリ添加とシリカの補充が同時にできるので、これを用いた注入材は高強度が得られる。この場合、水ガラスは任意のモル比のものを用いることができるが、通常３号水ガラス〜高モル比水ガラスを用いる。また、下記に示したコロイダルシリカをアルカリとして用いればアルカリとシリカの補充が同時に行なわれ、しかもシリカ濃度が高くても安定なシリカ液が得られるために、これを用いた注入液は高強度が得られる。
【００２３】
なお、本発明にかかる一次シリカ液は水ガラスを上述のように脱アルカリ処理して活性珪酸とし、これに好ましくはアルカリを添加して加熱し、分子量数万あるいはそれ以上に増粒してゲル化し難くしたコロイダルシリカ液を用いることができる。このうよなシリカ液として前記活性珪酸をＳｉＯ2 含量２０〜３０％に濃縮して直径５〜２０mm程度の粒子の分散体としたｐＨが９〜１０付近を呈するＳｉＯ2 の濃厚なシリカ液（コロイダルシリカ）がある。
【００２４】
また、本発明にかかる一次シリカ液はさらに次の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）の群から選択された複数種を安定となる割合で任意に混合して一次シリカ液としてもよい。この混合は概してＳｉＯ2 濃度を増加させたり、中性領域における安定化を図ったり等を目的として行なわれる
【００２５】
（ａ）水ガラスを脱アルカリ処理し、該水ガラス中のアルカリの一部を除去して得られる上述の一次シリカ液。
【００２６】
（ｂ）水ガラスを脱アルカリ処理して活性珪酸とし、この活性珪酸にアルカリ、または水ガラス中のアルカリの一部を脱アルカリ処理して得られるシリカ液を添加して得られる上述の一次シリカ液。
【００２７】
（ｃ）水ガラスを脱アルカリ処理して得られるコロイダルシリカからなる上述の一次シリカ液。
【００２８】
（ｄ）これら一次シリカ液をそれぞれさらに脱アルカリ処理して得られる二次シリカ液。
【００２９】
上述一次シリカ液は水ガラス中のアルカリの一部を除去して得られるアルカリ量の低減されたシリカ液である。あるいは水ガラス中の殆どのアルカリを除去して得られる活性珪酸にアルカリを加えたシリカ液である。このようなシリカ液はｐＨ値がアルカリ〜中性領域でも、あるいはさらに、ＳｉＯ2 が低濃度の場合には、酸性領域でも殆どゲル化に至らず、安定化される。水ガラス中のアルカリの殆どを脱アルカリすると、ｐＨ２〜４の活性珪酸となる。したがって、活性珪酸に少量のアルカリを加えたシリカ液は弱酸性〜中性でもアルカリ（Ｎａ分）が含まれていることになる。また、水ガラスのアルカリの一部を脱アルカリした場合、弱酸性〜中性値を呈していても少量のアルカリ（Ｎａ分）も含まれていることになる。したがって、中性の一次シリカ液から脱アルカリして活性シリカを得る場合が生ずることになる。
【００３０】
この一次シリカ液は製造に際して一般に大きな生産設備を必要とするが、本発明では、これを工事現場ではなく、生産工場で製造するので、大規模な設備が必要となっても作業性が劣下することはない。
【００３１】
すなわち、本発明にかかる一次シリカ液はゲル化し難い安定化されたシリカ液である。この理由は、水ガラスに酸を添加して中和反応によりｐＨ値をアルカリ性、中性ないしは酸性にする通常の方法では、水ガラス中にアルカリ金属塩や酸根等の反応生成物がイオンとして多量に残存するため、弱酸性〜弱アルカリ性領域でゲル化が急速に行なわれる。このため、長いゲルタイム時間を得るには強酸性領域かあるいは反応剤を加えて強アルカリ領域で用いざるを得ない。これに対して、本発明はｐＨが弱酸性〜弱アルカリ領域で長いゲル化時間を得る。これは本発明の一次シリカ液中には酸根等が存在せず、Ｎａイオンも大幅に低減しているためゲル化が起こりにくく安定しているためと思われる。
【００３２】
さらには、次の理由も考えられる。すなわち、本発明では一次シリカ液の製造に際して、まず、活性珪酸が形成される。この活性珪酸は周辺の水ガラスと反応してシリカ粒子の造粒を促す。この結果、水ガラスの比表面積が小さくなって反応性が低下し、かつその周辺にＮａ+ の電気二重層が形成され、このため、水ガラスは安定化してゲル化し難しくなるものと推定される。また、水ガラスの一部を脱アルカリした脱アルカリシリカにおいても、脱アルカリの際に水ガラスの一部が活性珪酸になり、それが周辺の水ガラスと反応して同じような現象を呈するものと思われる。
【００３３】
二次シリカ液
上述の一次シリカ液はゲル化し難いものであるので、生産工場で製造して工事現場に搬入される。搬入された一次シリカ液は工事現場で再度脱アルカリ処理して酸性〜弱酸性の二次シリカ液とする。もちろん、二次シリカ液をつくる場所は現場条件によって工事現場の近く、あるいは工事現場に運搬するのに充分便利な距離の場所であってもよい。
【００３４】
この二次シリカ液を得るための脱アルカリ処理は、一次シリカ液の際の脱アルカリ処理で水ガラス中の大半のアルカリがすでに除去されているので、少量の陽イオン交換樹脂、あるいは少量のイオン交換膜の使用で比較的簡単に、かつ小規模に工事現場で行なうことができ、製造ならびに管理が容易となる。
【００３５】
工事現場での再脱アルカリ処理は施工工事現場のオンサイト設備によって陽イオン交換樹脂、または陰・陽両イオン交換膜を隔膜とした電解透析により行なう。この陽イオン交換樹脂による再処理製造としては、単純なものでは、陽イオン交換樹脂を充填したカートリッジを１本ないし数本使用したイオン交換装置が挙げられる。イオン交換樹脂の能力低下に対する再生処理が必要になる場合もあるが、これはカートリッジの交換で実施すればよい。また、陽イオン交換樹脂による再生処理工程と樹脂再生工程を現場のオンサイト設備で交互に行なうオールインワンタイプの装置も挙げられる。
【００３６】
イオン交換膜のイオン交換能力の再生は膜の洗浄により行えるので、イオン交換樹脂の場合と同様に陰・陽両イオン交換膜内蔵のカートリッジの交換で実施できる。
【００３７】
かかる活性珪酸水溶液は、分子量の小さい珪酸を多く含有しているため、活性であり、反応性が高い。しかも、強度も高いので地盤固結材に適している。また、イオン交換等により塩がほとんど除去されているので、殆ど純粋の珪酸からなる水溶液である。
【００３８】
そして、この活性珪酸水溶液は充分長いゲル化時間でそれ自体ゲル化し得る。また、活性珪酸水溶液は通常ｐＨが２〜４付近にあるがゲル化が進行すると、となりあった珪酸分子のシラノール基（−ＯＨ）同志が架橋してシロキサン結合を生じて高分子化するためゲルは中性方向に移向する。このため、注入地盤の地下水は殆ど中性値を示す。さらにまた、このゲル化物は劣化の要因となるＮａ2 Ｏが殆ど含まれていないので、耐久性に富み、ＳｉＯ2 の溶出は殆どなく、恒久性グラウトといえる。すなわち、注入地盤には塩もシリカも地下水に溶出せず、極めて環境負荷の小さい、公害の心配のない理想的な注入材といえる。
【００３９】
陽イオン交換樹脂による脱アルカリ処理装置としては、縦長塔式装置のほかに攪拌機を稼動させたり、加圧空気を圧入させたり等により樹脂との接触を図る方式が多く採用されている。
【００４０】
電解透析による脱アルカリ処理装置としては陰陽両イオン交換膜を交互に配列し、両端に一対の電極を挿入した電解透析槽が一般に用いられる。
【００４１】
上述の二次シリカ液はそのまま固結材として地盤に注入してもよく、さらにこれに硬化剤を添加してゲル化時間の調整、固結強度の増強等を図ることもできる。
【００４２】
この硬化剤としては、例えば、各種酸、アルカリ、塩の他に、コロイダルシリカ、セメント、スラグ等が挙げられ、これらをそれぞれ単独で、あるいは複数種を組み合わせて用いられる。これら硬化剤の添加量は水ガラスや通常の酸性シリカゾルに対して添加する添加量よりも極端に少量ですむという利点がある。
【００４３】
このような二次シリカ液を主材とした地盤固結材は浸透性がよく、固結強度が高く、さらにＮａの含有量が非常に少ないので公害も引き起こさず、しかも広範囲にわたる地盤への注入に適することはもちろん、このほかに工事現場では二次処理のみであるので、小規模設備となり、このため、工事現場における作業性が改善される。
【００４４】
図１は工事現場（施工現場）における本発明地盤固結材の製造装置であって、一次シリカ液貯蔵槽１、脱アルカリ処理槽２および二次シリカ液貯蔵槽３から主として構成される。
【００４５】
一次シリカ液貯蔵槽１の一次シリカ液は好ましくは生産工場において製造され、施工現場に輸送される。現場に輸送された一次シリカ液は一旦一次シリカ液貯蔵槽１に貯蔵される。
【００４６】
一次シリカ液貯蔵槽１に貯蔵された一次シリカ液は貯蔵槽１と連結された脱アルカリ処理槽２に送られる。脱アルカリ処理槽２はイオン交換樹脂槽または電解透析槽であって、この中にはカートリッジが収納される。このカートリッジは陽イオン交換樹脂または陰陽両イオン交換膜またはこれ等の両者を内蔵する。一次シリカ液が陽イオン交換樹脂を通過する際は、特に加圧・加熱を必要としないが、場合によっては加圧・加熱してもよい。一次シリカ液の処理量は、１時間当りの一次シリカ液（容量）／イオン交換樹脂量（容量）＝0.５〜３０程度が好ましい。また、一次シリカ液の電解透析処理の電流密度は３Ａ／dm2 程度が好ましい。
【００４７】
脱アルカリ処理槽２で処理された一次シリカ液は二次シリカ液となって、二次シリカ液貯蔵槽３に送られ、貯蔵される。二次シリカ液貯蔵槽２は硬化剤槽４と連結され、必要に応じて二次シリカ液に硬化剤が添加される。なお、５は水槽であって、脱アルカリ処理槽２および硬化剤槽４と連結される。
【００４８】
ここで、添加される硬化剤は主としてゲル化時間を調整するための薬材であって、例えば塩類等である。そのような塩類としては、例えば、塩化カルシウム、塩化マグネシウム、塩化鉄、塩化アルミニウム、炭酸水素ナトリウム、硫酸アルミニウム、硫酸マグネシウム、硝酸アルミニウム、リン酸アルミニウム等が挙げられる。これら塩の添加量は少量でよく、本発明の地盤固結材１００重量部に対して0.００１〜１０重量部で十分である。また、硬化剤として、セメント、粘土、石灰、スラグ等任意の懸濁剤を任意の量用いることができる。また、エチレンジアミン四酢酸やクエン酸、酒石酸のような脂肪族オキシカルボン酸、ピロリン酸ナトリウム、ヘキサメタリン酸ナトリウム、酸性ピロリン酸ナトリウムのような縮合リン酸塩等の金属イオン封鎖剤を加えることによって、土中の金属イオンによるゲル化の促進を防ぎ、広範囲を浸透して固結することができる。
【００４９】
このようにして得られる二次シリカ液はこれを主材とした地盤固結材として調整され、注入管７を通して地盤８中に注入され、地盤８を固結する。
【００５０】
また、本発明の地盤固結材は、特に前記硬化剤および／またはゲル化時間調整剤を添加せずに、地盤に注入、散布、混合等により浸透させ、地中の土壌物質とのイオン交換反応によってゲル化させることもできる。この場合、地中で固結後のｐＨは、およそ６程度に中性化され、環境に対して悪影響を与えるところが非常に少ない。
【００５１】
本発明の地盤固結材を地盤中に投入するには、注入装置を用いた注入、散布、混合、その他通常行なわれる方法で可能であり、特に制限されるところはない。その投入量は、目的に応じて適宜決められる。
【００５２】
【発明の実施例】
以下、本発明を実施例によってさらに詳述するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００５３】
実施例１
珪酸ソーダＪＩＳ３号品（ＳｉＯ2 ：２9.０％、Ｎａ2 Ｏ：9.０％）を水で希釈し、ＳｉＯ2 ：5.９％、Ｎａ2 Ｏ：1.８％の希釈珪酸ソーダ水溶液を調製した。この水溶液をあらかじめ１０％塩酸を用いて通常の方法で調製された水素型陽イオン交換樹脂（オルガノ（株）製 アーバンライトＩＲ−１２０Ｂ）塔に通して、ｐＨ2.５の活性珪酸水溶液を得た。この活性珪酸水溶液のＳｉＯ2 濃度は4.０％であった。
【００５４】
得られた活性珪酸水溶液１００cc（１０２.3ｇ）に対して、珪酸ソーダ（ＳｉＯ2 ：２6.０％、Ｎａ2 Ｏ：７.0％）０.4８cc（０.6４ｇ）の割合で加え、ｐＨ＝７.0のゲル化し難い一次シリカ液５,5００リットルを作製した。この一次シリカ液は工場にて製造し、工場から現場に搬入して図１の現場の装置により本発明を実施した。
【００５５】
すなわち、前記一次シリカ液5,５００リットルを一次シリカ液貯蔵槽１に蓄え、次いでこれをあらかじめ１０％塩酸を用いて通常の方法で調製された水素型陽イオン交換樹脂（オルガノ（株）製 アーバンライトＩＲ−１２０Ｂ）４リットルを充填したイオン交換樹脂カートリッジ（脱アルカリ処理槽２）に、２００リットル／時間の流速で通過させ、１処理でｐＨ2.５の二次シリカ液5,０００リットルを得た。この二次シリカ液を二次シリカ液貯蔵槽３に蓄え、次いでこれを注入管７に送って地盤に注入した。以上の操作により、現場の小規模の設備で容易に多量の二次シリカ液を製造することができる。
【００５６】
比較例１
珪酸ソーダＪＩＳ３号品（ＳｉＯ2 ：２9.０％、Ｎａ2 Ｏ：9.０％）を水で希釈し、ＳｉＯ2 ：5.９％、Ｎａ2 Ｏ：1.８％の希釈珪酸ソーダ水溶液を調製した。この水溶液１２０リットルを、樹脂再生設備、廃液処理設備を備えたイオン交換塔〔あらかじめ１０％塩酸を用いて通常の方法で調製された水素型陽イオン交換樹脂（オルガノ（株）製 アーバンライトＩＲ−１２０Ｂ）４０リットルを内蔵している〕に通過させ、活性珪酸水溶液１００リットルを得た。この活性珪酸水溶液の製造を現場で実施するには大規模な設備を必要とするので、施工現場での建設は実用上困難であった。
【００５７】
実施例２
１．使用材料
（１）水ガラス
比重（２０℃）：1.３９、ＳｉＯ2 ：２9.２％、Ｎａ2 Ｏ：9.５％、モル比：3.１７のＪＩＳ３号水ガラスを使用。
【００５８】
（２）活性珪酸
１7.５％の水ガラス水溶液を陽イオン交換樹脂に通過処理して得られる比重（２０℃）1.０３、ＳｉＯ2 4.６％、ｐＨ2.７、ゲル化時間（２０℃）５０〜６０時間の活性珪酸を使用。
【００５９】
（３）酸性シリカゾル
水ガラスと硫酸からなり、ＳｉＯ2 ９％、ｐＨ2.７の酸性シリカゾルを使用。
【００６０】
（４）炭酸ナトリウム
試薬一級 Ｎａ2 ＣＯ3
【００６１】
（５）炭酸水素ナトリウム
試薬一級 ＮａＨＣＯ3
【００６２】
（６）塩化カリ
試薬一級 ＫＣｌ
【００６３】
（７）セメント
ポルトランドセメント
【００６４】
（８）砂
細砂として豊浦砂、シルト質砂として千葉県産海砂を使用。
【００６５】
２．測定法
（１）サンドゲル一軸圧縮強度
豊浦砂によるサンドゲルをポリ塩化ビニリデン密閉養生（２０℃）して、１５日経過後に土質工学会規準「土の一軸圧縮試験方法」により測定。
【００６６】
（２）ゲル化時間
（ａ）ホモゲルのゲル化時間
２０℃においてカップ倒立法により測定。
【００６７】
（ｂ）土中ゲル化時間
２０℃においてグラウト液を砂と混合・静止し、上澄を捨て、砂に竹串を刺して引き抜き、跡が残ったときを土中ゲル化時間として測定。
【００６８】
（３）ｐＨ
ガラス電極ｐＨ計にて測定。
【００６９】
３．第一次シリカ液の製造
ゲル化時間の長いシリカ液で生産工場で製造して工事現場へ搬入することを建前とする。
【００７０】
（１）水ガラスのアルカリの一部を脱アルカリ処理する。
（ａ）陽イオン交換樹脂処理法
水ガラス水溶液を陽イオン交換樹脂と接触処理して得られる。陽イオン交換樹脂の一定量に対して処理する水ガラス水溶液の濃度と量および処理後のシリカ液のｐＨ、ゲル化時間、ＳｉＯ2 濃度を表１に示す。
【００７１】
【表１】
【００７２】
表１からＳｉＯ2 が比較的濃厚な場合（水ガラス濃度が濃いとき）では、ｐＨを中性以下に低下せしめると（比較例No.1〜３）ゲル化時間は速く、不安定となる。
【００７３】
しかし、ＳｉＯ2 濃度が稀薄になれば中性から酸性にかけてもかなり安定している（ＳｉＯ2 濃度2.６％の実施例No.7、８）。すなわち、一定量の陽イオン交換樹脂に対して水ガラス濃度が濃厚な場合は被処理量は少なく、アルカリ領域では安定であるが、中性に近ずくにしたがって不安定となる。水ガラス濃度を稀薄にすれば被処理量は多くなり、中性近辺でも、さらに酸性領域においてもかなり安定化してくる。このように安定した一次シリカ液は液性と濃度によって決まり、一義的に定められるものではない。
【００７４】
（ｂ）電解透析処理
陰陽両イオン交換膜を４枚づつ交互に配置した電解透析槽を用い、各種濃度の水ガラス水溶液について３Ａ／dm2 の直流電流を通電して適当なｐＨに達したところで透析を中止した。処理された水ガラス水溶液のｐＨ、ゲル化時間、ＳｉＯ2 濃度を表２に示す。
【００７５】
【表２】
【００７６】
水ガラスの濃度、処理後のｐＨ、ゲル化時間の相互関係は陽イオン交換樹脂処理の場合と大差なく、略類似した傾向をとっていることがわかる。
【００７７】
（２）活性珪酸へアルカリを添加する。
アルカリとして水ガラス、コロイダルシリカ、炭酸水素ナトリウムおよび水ガラス中の一部を脱アルカリ処理した一次シリカ液を使用して、活性珪酸に添加した。ｐＨ、ゲル化時間およびＳｉＯ2 濃度を表３に示す。
【００７８】
【表３】
【００７９】
表３から一般にＳｉＯ2 濃度を活性珪酸より大きくして、しかも弱アルカリ〜中性域で充分安定したシリカ液とすることが可能である。
【００８０】
（３）コロイダルシリカ
水ガラス水溶液を陽イオン交換樹脂に接触処理した後、これにアルカリを加えて加熱重合し、濃縮してＳｉＯ2 ３０％、Ｎａ2 Ｏ0.４％、比重（２０℃）1.２１、ｐＨ9.７の無水珪酸のコロイド溶液では半永久的にゲル化することはない。陽イオン交換樹脂処理にかえてイオン交換膜処理を行なっても同じようなコロイダルシリカを得ることができる。
【００８１】
（４）上記（１）、（２）、（３）および二次シリカ液の混合
上記（１）、（２）、（３）および後述する二次脱アルカリした二次シリカ液を一例として、次の表４に示す割合で混合し、混合後のシリカ液のｐＨ、ゲル化時間およびＳｉＯ2 含有量を同時に表４に併記する。
【００８２】
【表４】
【００８３】
実施例No.2４、２７は二次脱アルカリ処理した二次シリカ液で、後記の表５に記載している。
表４から上記（１）、（２）、（３）および二次シリカ液を混合したシリカ液も配合によっては充分安定化したものが得られる。
【００８４】
４．二次シリカ液の製造
一次シリカ液を陽イオン交換樹脂処理またはイオン交換膜を隔膜とした電解透析処理によって再度脱アルカリ処理（二次脱アルカリ処理）を行なって、二次シリカ液を得る。
【００８５】
（１）陽イオン交換樹脂処理
陽イオン交換樹脂の一定量に対して処理する上記一次シリカ液の一例について、その処理量と処理液（二次シリカ液）のｐＨ、ゲル化時間、ＳｉＯ2 濃度を表５に示す。
【００８６】
【表５】
【００８７】
一次シリカ液のｐＨ、ＳｉＯ2 濃度によって処理量は当然変化するが、表１と比較して処理量は非常に多量である。一次シリカ液において、中性近辺の実施例No.7（ｐＨ7.３、ＳｉＯ2 2.６％）の他にＳｉＯ2 量の多い実施例No.1８（ｐＨ7.１、ＳｉＯ2 5.９３％）の場合は、特に多量処理できる。また、コロイダルシリカ（ｐＨ9.７、ＳｉＯ2 ３０％）の２倍希釈液の場合でも、Ｎａが少ないのでＳｉＯ2 の濃度は大きいにもかかわらず、実施例No.2、１０の一次シリカ液の場合に匹敵する以上の多量が処理できていることがわかる。
【００８８】
このようにイオン交換樹脂量に対して処理できる量が非常に多量であることは、処理装置が小規模ですむことである。したがって、樹脂の再生は行なわず、生産工場で再生処理したカートリッジの交換で単純に実施することが可能である。
【００８９】
（２）電解透析処理
陰陽両イオン交換膜をそれぞれ２枚づつ交互に配置した電解透析槽により、表５で用いた一次シリカ液について電流密度３Ａ／dm2 で透析を行ない、適当なｐＨに達したところで透析を中止した。透析処理後の二次シリカ液のｐＨ、ゲル化時間、ＳｉＯ2 濃度を表６に示す。
【００９０】
【表６】
【００９１】
陽イオン交換樹脂処理の表５と比較して、同じような傾向を示すが、全般にゲル化時間は若干長いようである。前回のイオン交換樹脂処理と同様、処理装置は小規模でイオン交換膜数も少なくて充分な処理能力が得られる。また生産工場で洗浄済のイオン交換膜を装備したカートリッジの交換で単純に実施することも可能である。
【００９２】
５．二次シリカ液を主材とした地盤固結材
二次シリカ液は一般に極めて浸透製に優れた固結材として、そのまま地盤に注入することができる。この二次シリカ液を主材として、これに硬化剤を添加してゲル化時間、固結強度等の調整をはかり、広範囲の地盤への注入に適応せしめることができる。
【００９３】
実施例NO．24、25、26、27、28（以上イオン交換樹脂法）および実施例NO. 29、30、31（以上電解透析法）の二次シリカ液を主材とし、これに各種硬化剤を添加した配合と、配合液のｐＨ、ＳｉＯ2 濃度、ゲル化時間〔ホモゲル、土中（豊浦砂と千葉県産海砂）〕、豊浦砂によるサンドゲルの一軸圧縮強度を表７に示す。併せて従来からの酸性シリカゾル−炭酸水素ナトリウム系（比較例NO.7）と水ガラス−炭酸水素ナトリウム−セメント系（比較例NO.8) を比較例として記載する。
【００９４】
【表７】
【００９５】
表７において、セメントを添加した実施例NO. 40、48比較例NO.8のＳｉＯ2 （％）については、セメント中のＳｉＯ2 は含ませていない。実施例NO. 34、37、39、41、43、45、47、49は二次シリカ液そのものであり、一般にゲル化時間はホモゲル、土中の何れにおいても比較的長時間を要しており、浸透性には極めて優れている。実施例NO. 35、36、38、40、42、44、46、48、50は硬化剤を添加した一例で、ゲル化時間は秒単位から分、時間単位に至るまで広範囲に及んでいる。すなわち、注入対象地盤に応じて適切なゲル化時間を選定することができる。
【００９６】
固結強度ではＳｉＯ2 濃度の低い実施例NO. 37、38、47では当然、それ程高くないが、比較例NO.7と同程度のＳｉＯ2 濃度をもっている実施例NO. 34、35、36、39、41、42、45、49では、比較例NO.7に比べてゲル化時間が長いにも拘ず、高強度を示している。さらにゲル化時間の長い系ではゲル化に至る直前まで比較的低粘性を持続していたので、浸透性には抜群に優れていることがわかる。またセメント添加の懸濁型においても実施例NO. 40、48は比較例NO.8に比べて明らかに高い強度を示している。
【００９７】
さらに実施例NO.36 と比較例NO.7を比べてみると、ＳｉＯ2 濃度、ｐＨは略同一であるが、炭酸水素ナトリウムの添加量は前者の方が極端に少量ですんでいる。これはナトリウムイオンが非常に少ないことによるものである。
【００９８】
以上により本発明に係る地盤固結材は広範囲の地盤への適用が可能で、特に浸透性、固結強度に優れている。そのほかＮａ+ イオンの含有量が少ないのでアルカリ公害の軽減にも期待がもてる。
【００９９】
６．工事現場における地盤注入装置
大型の陽イオン交換樹脂処理装置、電解透析処理装置を設置して一次脱アルカリ処理を行なって、一次シリカ液を製造することは生産工場ではともかく、工事現場では可なりの困難と管理の不徹底をまぬがれない。しかし、一次シリカ液を以後の二次脱アルカリ処理は工事現場で小規模の設備で比較的簡単に多量を処理することができる。
【０１００】
陽イオン交換樹脂槽またはイオン交換膜を隔膜とする電解透析槽またはこれらの両者を備えた小型の脱アルカリ処理槽を、再生済みで常に使用出来る状態にセットして工事現場に持込み図１に示すような一次シリカ液貯溜槽１、水槽５、硬化剤槽４、二次シリカ液貯槽３、注入ポンプ６、注入管７をそれぞれ適宜接続し、容易に本発明の固結材を製造することができる。
【０１０１】
再生処理、洗浄処理等は生産工場で行ない、工事現場では再生処理済みのものを上記のようにセットにして搬入し、既存の注入設備の中に組み込むだけである。ここでこの脱アルカリ槽のセットにはｐＨ計、さらにコントローラーを付属せしめて連続操業が可能なようにセットすることもできる。
【０１０２】
【発明の効果】
１．一次シリカ液を工場で製造する。
この一次シリカ液は長期間安定でゲル化し難いので、施工現場まで安定な状態で輸送し得る。しかも、これは簡単なイオン交換装置を使用して浸透性、硬化性に優れた二次シリカ液となり、これを主材とした地盤固結材とすることができる。
【０１０３】
２．長時間のゲル化から短時間のゲル化に至る広範囲の地盤に適した地盤固結材を得ることができる。
【０１０４】
３．特に、従来調整が極めて難しかったゲル化時間の長い、浸透性に優れた地盤固結材が容易に得られる。
【０１０５】
４．従来の水ガラス系固結材に比べて高強度を示す。
【０１０６】
５．ナトリウムイオンが除去されるので、アルカリ公害が少なくなることに期待がもてる。また、酸根も含まれず、純粋のシリカを注入し、しかもゲル化物からはシリカ分もその他の成分も地下水に殆ど溶出しないので、耐久性に優れているのみならず、環境負荷の殆どない注入を可能にする。
【０１０７】
６．二次脱アルカリ処理は小規模の陽イオン交換樹脂処理、電解透析処理で大量が処理でき、かつ取扱い、管理が簡単であるため工事現場で充分管理操業できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の地盤固結材を製造する装置の一具体例のフローシートである。
【符号の説明】
１ 一次シリカ液貯蔵槽
２ 脱アルカリ処理槽
３ 二次シリカ液貯蔵槽
４ 硬化剤槽
５ 水槽
６ 注入ポンプ
７ 注入管
８ 地盤
【発明の属する技術分野】
本発明は浸透性が良好で、固結強度が高く、さらに公害を起こさず、しかも広範囲にわたる地盤への注入に適するのみならず、工事現場における作業性が改善された地盤注入工法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
軟弱地盤の改良に際して、従来、液体状、スラリー状、あるいは微粒子を含む粉体状の地盤固結材が利用されていた。
【０００３】
この種の地盤固結材として、例えば、珪酸ナトリウム、珪酸カリウム、珪酸アンモニウム等の水溶性珪酸塩をイオン交換法や、電解法等により脱アルカリ処理して得られる、低粘度で浸透性の良好な活性珪酸水溶液が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この活性珪酸水溶液は生産工場で製造の後、工事現場に搬入して使用されるが、それ自体ゲル化するため、運搬時間等を考慮すると、ゲル化時間を極めて長く設定しなければならない。ゲル化時間を長く設定するためには、ＳｉＯ2 濃度を小さくしなければならず、したがって、固結強度が低下するという欠点が生じる。
【０００５】
そこで、充分な固結強度を得るために、活性珪酸を生産工場ではなく、工事現場で製造することが試みられている。
【０００６】
しかし、この場合、水ガラスのアルカリ濃度が高いため、脱アルカリ処理に使用される陽イオン交換樹脂やイオン交換膜の量が大量となり、再生や洗浄の装置も含めて大規模な設備を工事現場で建設せざるを得なくなる。このため、生産管理の面でもかなりの困難が予想され、工事現場における作業性が相当に劣ってしまう。
【０００７】
そこで、本発明の目的は水ガラスを脱アルカリ処理して、ＳｉＯ２濃度が比較的高い水ガラスをゲル化し難い一次シリカ液とし、この一次シリカ液を工事現場でさらに脱アルカリ処理して二次シリカ液とすることにより、浸透性が良好で、固結強度が高く、さらに公害を起こさず、しかも広範囲にわたる地盤への注入に適するのみならず、工事現場における作業性が改善され、上述の公知技術に存する欠点を改良した地盤注入工法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するため、本発明の地盤注入工法によれば、水ガラスを脱アルカリ処理し、該水ガラス中のアルカリの一部を除去して一次シリカ液とし、この一次シリカ液をさらに脱アルカリ処理して二次シリカ液とし、この二次シリカ液を主材としてなることを特徴とする。
【０００９】
さらに、上述の目的を達成するため、本発明の地盤注入工法によれば、水ガラスを脱アルカリ処理して活性珪酸とし、この活性珪酸にアルカリ、または水ガラスを脱アルカリ処理して得られるシリカ液を添加して一次シリカ液とし、この一次シリカ液をさらに脱アルカリ処理して二次シリカ液とし、この二次シリカ液を主材としてなることを特徴とする。
【００１０】
さらにまた、上述の目的を達成するため、本発明の地盤注入工法によれば、水ガラスを脱アルカリ処理して得られるコロイダルシリカを一次シリカ液とし、この一次シリカ液をさらに脱アルカリ処理して二次シリカ液とし、この二次シリカ液を主材とすることを特徴とする。
【００１１】
さらに、上述の目的を達成するため、本発明の地盤注入工法によれば、次の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）の群から選択された複数種を混合して一次シリカ液とし、この一次シリカ液をさらに脱アルカリ処理して二次シリカ液とし、この二次シリカ液を主材として含有してなることを特徴とする。
【００１２】
（ａ）水ガラスを脱アルカリ処理し、該水ガラス中のアルカリの一部を除去して得られる一次シリカ液。
【００１３】
（ｂ）水ガラスを脱アルカリ処理して活性珪酸とし、この活性珪酸にアルカリ、または水ガラスを脱アルカリ処理して得られるシリカ液を添加して得られる一次シリカ液。
【００１４】
（ｃ）水ガラスを脱アルカリ処理して得られるコロイダルシリカからなる一次シリカ液。
【００１５】
（ｄ）これら一次シリカ液をそれぞれさらに脱アルカリ処理して得られる二次シリカ液。
【００１６】
さらにまた、上述の目的を達成するため、本発明の地盤注入工法によれば、水ガラスを脱アルカリ処理して得られた一次シリカ液の貯蔵槽と、この貯蔵槽と連結され、貯蔵槽からの一次シリカ液を脱アルカリ処理して二次シリカ液とする脱アルカリ処理槽と、この脱アルカリ処理槽と、この脱アルカリ処理槽と連結され、脱アルカリ処理槽で得られた二次シリカ液を貯蔵する二次シリカ液貯蔵槽とからなる製造装置を用いることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的に詳述する。
【００１８】
一次シリカ液
本発明にかかる一次シリカ液は珪酸ナトリウム、珪酸カリウム、珪酸アンモニウム等の水溶性珪酸塩、特に水ガラスをイオン交換法、電気泳動法、電解透析法等により脱アルカリ処理し、該水ガラス中のアルカリの一部を除去して得られる、ｐＨ値がアルカリ〜中性領域に調整された珪酸水溶液、あるいは、水ガラスをイオン交換法、電気泳動法、電解透析法等により、殆どのアルカリを除去して得られた活性珪酸水溶液を下記の手段を用いてゲル化し難くした珪酸水溶液である。
【００１９】
この活性珪酸水溶液は水ガラスのアルカリを除去して得られ、一般にｐＨはほぼ２〜４を呈する。ＳｉＯ2 濃度は１〜１５重量％、好ましくは２〜１０重量％である。ＳｉＯ2 濃度が１重量％よりも少ないと、地盤改良のための強度が不足し、１５重量％よりも多いと、活性珪酸水溶液のゲル化が起こりやすくなる。
【００２０】
上記活性珪酸水溶液はアルカリを添加して中性〜アルカリ領域に調整することによりＳｉＯ2 濃度が相当に高くても非常にゲル化し難い一次シリカ液となる。ここで使用するアルカリとしては特に限定されず、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、アミン類、水ガラス、後述コロイダルシリカ、さらには、水ガラスのアルカリの一部を脱アルカリ処理して得られたシリカ液等である。
【００２１】
アルカリとして水ガラスを用いた場合、活性珪酸と水ガラスが反応してｐＨが高くなり、かつ珪酸分子が高分子化して増粒し、ほぼ５ｍμ以内のコロイド粒子となって安定化する。このため、シリカ濃度を高くして、しかも安定なシリカ液を得るという優れた特徴を得る。したがって、実用的には水ガラスの使用が好ましい。
【００２２】
アルカリの使用量は活性珪酸水溶液のｐＨが４以上、好ましくは中性〜アルカリ領域となる量である。アルカリとして上述したように水ガラスを用いるとアルカリ添加とシリカの補充が同時にできるので、これを用いた注入材は高強度が得られる。この場合、水ガラスは任意のモル比のものを用いることができるが、通常３号水ガラス〜高モル比水ガラスを用いる。また、下記に示したコロイダルシリカをアルカリとして用いればアルカリとシリカの補充が同時に行なわれ、しかもシリカ濃度が高くても安定なシリカ液が得られるために、これを用いた注入液は高強度が得られる。
【００２３】
なお、本発明にかかる一次シリカ液は水ガラスを上述のように脱アルカリ処理して活性珪酸とし、これに好ましくはアルカリを添加して加熱し、分子量数万あるいはそれ以上に増粒してゲル化し難くしたコロイダルシリカ液を用いることができる。このうよなシリカ液として前記活性珪酸をＳｉＯ2 含量２０〜３０％に濃縮して直径５〜２０mm程度の粒子の分散体としたｐＨが９〜１０付近を呈するＳｉＯ2 の濃厚なシリカ液（コロイダルシリカ）がある。
【００２４】
また、本発明にかかる一次シリカ液はさらに次の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）の群から選択された複数種を安定となる割合で任意に混合して一次シリカ液としてもよい。この混合は概してＳｉＯ2 濃度を増加させたり、中性領域における安定化を図ったり等を目的として行なわれる
【００２５】
（ａ）水ガラスを脱アルカリ処理し、該水ガラス中のアルカリの一部を除去して得られる上述の一次シリカ液。
【００２６】
（ｂ）水ガラスを脱アルカリ処理して活性珪酸とし、この活性珪酸にアルカリ、または水ガラス中のアルカリの一部を脱アルカリ処理して得られるシリカ液を添加して得られる上述の一次シリカ液。
【００２７】
（ｃ）水ガラスを脱アルカリ処理して得られるコロイダルシリカからなる上述の一次シリカ液。
【００２８】
（ｄ）これら一次シリカ液をそれぞれさらに脱アルカリ処理して得られる二次シリカ液。
【００２９】
上述一次シリカ液は水ガラス中のアルカリの一部を除去して得られるアルカリ量の低減されたシリカ液である。あるいは水ガラス中の殆どのアルカリを除去して得られる活性珪酸にアルカリを加えたシリカ液である。このようなシリカ液はｐＨ値がアルカリ〜中性領域でも、あるいはさらに、ＳｉＯ2 が低濃度の場合には、酸性領域でも殆どゲル化に至らず、安定化される。水ガラス中のアルカリの殆どを脱アルカリすると、ｐＨ２〜４の活性珪酸となる。したがって、活性珪酸に少量のアルカリを加えたシリカ液は弱酸性〜中性でもアルカリ（Ｎａ分）が含まれていることになる。また、水ガラスのアルカリの一部を脱アルカリした場合、弱酸性〜中性値を呈していても少量のアルカリ（Ｎａ分）も含まれていることになる。したがって、中性の一次シリカ液から脱アルカリして活性シリカを得る場合が生ずることになる。
【００３０】
この一次シリカ液は製造に際して一般に大きな生産設備を必要とするが、本発明では、これを工事現場ではなく、生産工場で製造するので、大規模な設備が必要となっても作業性が劣下することはない。
【００３１】
すなわち、本発明にかかる一次シリカ液はゲル化し難い安定化されたシリカ液である。この理由は、水ガラスに酸を添加して中和反応によりｐＨ値をアルカリ性、中性ないしは酸性にする通常の方法では、水ガラス中にアルカリ金属塩や酸根等の反応生成物がイオンとして多量に残存するため、弱酸性〜弱アルカリ性領域でゲル化が急速に行なわれる。このため、長いゲルタイム時間を得るには強酸性領域かあるいは反応剤を加えて強アルカリ領域で用いざるを得ない。これに対して、本発明はｐＨが弱酸性〜弱アルカリ領域で長いゲル化時間を得る。これは本発明の一次シリカ液中には酸根等が存在せず、Ｎａイオンも大幅に低減しているためゲル化が起こりにくく安定しているためと思われる。
【００３２】
さらには、次の理由も考えられる。すなわち、本発明では一次シリカ液の製造に際して、まず、活性珪酸が形成される。この活性珪酸は周辺の水ガラスと反応してシリカ粒子の造粒を促す。この結果、水ガラスの比表面積が小さくなって反応性が低下し、かつその周辺にＮａ+ の電気二重層が形成され、このため、水ガラスは安定化してゲル化し難しくなるものと推定される。また、水ガラスの一部を脱アルカリした脱アルカリシリカにおいても、脱アルカリの際に水ガラスの一部が活性珪酸になり、それが周辺の水ガラスと反応して同じような現象を呈するものと思われる。
【００３３】
二次シリカ液
上述の一次シリカ液はゲル化し難いものであるので、生産工場で製造して工事現場に搬入される。搬入された一次シリカ液は工事現場で再度脱アルカリ処理して酸性〜弱酸性の二次シリカ液とする。もちろん、二次シリカ液をつくる場所は現場条件によって工事現場の近く、あるいは工事現場に運搬するのに充分便利な距離の場所であってもよい。
【００３４】
この二次シリカ液を得るための脱アルカリ処理は、一次シリカ液の際の脱アルカリ処理で水ガラス中の大半のアルカリがすでに除去されているので、少量の陽イオン交換樹脂、あるいは少量のイオン交換膜の使用で比較的簡単に、かつ小規模に工事現場で行なうことができ、製造ならびに管理が容易となる。
【００３５】
工事現場での再脱アルカリ処理は施工工事現場のオンサイト設備によって陽イオン交換樹脂、または陰・陽両イオン交換膜を隔膜とした電解透析により行なう。この陽イオン交換樹脂による再処理製造としては、単純なものでは、陽イオン交換樹脂を充填したカートリッジを１本ないし数本使用したイオン交換装置が挙げられる。イオン交換樹脂の能力低下に対する再生処理が必要になる場合もあるが、これはカートリッジの交換で実施すればよい。また、陽イオン交換樹脂による再生処理工程と樹脂再生工程を現場のオンサイト設備で交互に行なうオールインワンタイプの装置も挙げられる。
【００３６】
イオン交換膜のイオン交換能力の再生は膜の洗浄により行えるので、イオン交換樹脂の場合と同様に陰・陽両イオン交換膜内蔵のカートリッジの交換で実施できる。
【００３７】
かかる活性珪酸水溶液は、分子量の小さい珪酸を多く含有しているため、活性であり、反応性が高い。しかも、強度も高いので地盤固結材に適している。また、イオン交換等により塩がほとんど除去されているので、殆ど純粋の珪酸からなる水溶液である。
【００３８】
そして、この活性珪酸水溶液は充分長いゲル化時間でそれ自体ゲル化し得る。また、活性珪酸水溶液は通常ｐＨが２〜４付近にあるがゲル化が進行すると、となりあった珪酸分子のシラノール基（−ＯＨ）同志が架橋してシロキサン結合を生じて高分子化するためゲルは中性方向に移向する。このため、注入地盤の地下水は殆ど中性値を示す。さらにまた、このゲル化物は劣化の要因となるＮａ2 Ｏが殆ど含まれていないので、耐久性に富み、ＳｉＯ2 の溶出は殆どなく、恒久性グラウトといえる。すなわち、注入地盤には塩もシリカも地下水に溶出せず、極めて環境負荷の小さい、公害の心配のない理想的な注入材といえる。
【００３９】
陽イオン交換樹脂による脱アルカリ処理装置としては、縦長塔式装置のほかに攪拌機を稼動させたり、加圧空気を圧入させたり等により樹脂との接触を図る方式が多く採用されている。
【００４０】
電解透析による脱アルカリ処理装置としては陰陽両イオン交換膜を交互に配列し、両端に一対の電極を挿入した電解透析槽が一般に用いられる。
【００４１】
上述の二次シリカ液はそのまま固結材として地盤に注入してもよく、さらにこれに硬化剤を添加してゲル化時間の調整、固結強度の増強等を図ることもできる。
【００４２】
この硬化剤としては、例えば、各種酸、アルカリ、塩の他に、コロイダルシリカ、セメント、スラグ等が挙げられ、これらをそれぞれ単独で、あるいは複数種を組み合わせて用いられる。これら硬化剤の添加量は水ガラスや通常の酸性シリカゾルに対して添加する添加量よりも極端に少量ですむという利点がある。
【００４３】
このような二次シリカ液を主材とした地盤固結材は浸透性がよく、固結強度が高く、さらにＮａの含有量が非常に少ないので公害も引き起こさず、しかも広範囲にわたる地盤への注入に適することはもちろん、このほかに工事現場では二次処理のみであるので、小規模設備となり、このため、工事現場における作業性が改善される。
【００４４】
図１は工事現場（施工現場）における本発明地盤固結材の製造装置であって、一次シリカ液貯蔵槽１、脱アルカリ処理槽２および二次シリカ液貯蔵槽３から主として構成される。
【００４５】
一次シリカ液貯蔵槽１の一次シリカ液は好ましくは生産工場において製造され、施工現場に輸送される。現場に輸送された一次シリカ液は一旦一次シリカ液貯蔵槽１に貯蔵される。
【００４６】
一次シリカ液貯蔵槽１に貯蔵された一次シリカ液は貯蔵槽１と連結された脱アルカリ処理槽２に送られる。脱アルカリ処理槽２はイオン交換樹脂槽または電解透析槽であって、この中にはカートリッジが収納される。このカートリッジは陽イオン交換樹脂または陰陽両イオン交換膜またはこれ等の両者を内蔵する。一次シリカ液が陽イオン交換樹脂を通過する際は、特に加圧・加熱を必要としないが、場合によっては加圧・加熱してもよい。一次シリカ液の処理量は、１時間当りの一次シリカ液（容量）／イオン交換樹脂量（容量）＝0.５〜３０程度が好ましい。また、一次シリカ液の電解透析処理の電流密度は３Ａ／dm2 程度が好ましい。
【００４７】
脱アルカリ処理槽２で処理された一次シリカ液は二次シリカ液となって、二次シリカ液貯蔵槽３に送られ、貯蔵される。二次シリカ液貯蔵槽２は硬化剤槽４と連結され、必要に応じて二次シリカ液に硬化剤が添加される。なお、５は水槽であって、脱アルカリ処理槽２および硬化剤槽４と連結される。
【００４８】
ここで、添加される硬化剤は主としてゲル化時間を調整するための薬材であって、例えば塩類等である。そのような塩類としては、例えば、塩化カルシウム、塩化マグネシウム、塩化鉄、塩化アルミニウム、炭酸水素ナトリウム、硫酸アルミニウム、硫酸マグネシウム、硝酸アルミニウム、リン酸アルミニウム等が挙げられる。これら塩の添加量は少量でよく、本発明の地盤固結材１００重量部に対して0.００１〜１０重量部で十分である。また、硬化剤として、セメント、粘土、石灰、スラグ等任意の懸濁剤を任意の量用いることができる。また、エチレンジアミン四酢酸やクエン酸、酒石酸のような脂肪族オキシカルボン酸、ピロリン酸ナトリウム、ヘキサメタリン酸ナトリウム、酸性ピロリン酸ナトリウムのような縮合リン酸塩等の金属イオン封鎖剤を加えることによって、土中の金属イオンによるゲル化の促進を防ぎ、広範囲を浸透して固結することができる。
【００４９】
このようにして得られる二次シリカ液はこれを主材とした地盤固結材として調整され、注入管７を通して地盤８中に注入され、地盤８を固結する。
【００５０】
また、本発明の地盤固結材は、特に前記硬化剤および／またはゲル化時間調整剤を添加せずに、地盤に注入、散布、混合等により浸透させ、地中の土壌物質とのイオン交換反応によってゲル化させることもできる。この場合、地中で固結後のｐＨは、およそ６程度に中性化され、環境に対して悪影響を与えるところが非常に少ない。
【００５１】
本発明の地盤固結材を地盤中に投入するには、注入装置を用いた注入、散布、混合、その他通常行なわれる方法で可能であり、特に制限されるところはない。その投入量は、目的に応じて適宜決められる。
【００５２】
【発明の実施例】
以下、本発明を実施例によってさらに詳述するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００５３】
実施例１
珪酸ソーダＪＩＳ３号品（ＳｉＯ2 ：２9.０％、Ｎａ2 Ｏ：9.０％）を水で希釈し、ＳｉＯ2 ：5.９％、Ｎａ2 Ｏ：1.８％の希釈珪酸ソーダ水溶液を調製した。この水溶液をあらかじめ１０％塩酸を用いて通常の方法で調製された水素型陽イオン交換樹脂（オルガノ（株）製 アーバンライトＩＲ−１２０Ｂ）塔に通して、ｐＨ2.５の活性珪酸水溶液を得た。この活性珪酸水溶液のＳｉＯ2 濃度は4.０％であった。
【００５４】
得られた活性珪酸水溶液１００cc（１０２.3ｇ）に対して、珪酸ソーダ（ＳｉＯ2 ：２6.０％、Ｎａ2 Ｏ：７.0％）０.4８cc（０.6４ｇ）の割合で加え、ｐＨ＝７.0のゲル化し難い一次シリカ液５,5００リットルを作製した。この一次シリカ液は工場にて製造し、工場から現場に搬入して図１の現場の装置により本発明を実施した。
【００５５】
すなわち、前記一次シリカ液5,５００リットルを一次シリカ液貯蔵槽１に蓄え、次いでこれをあらかじめ１０％塩酸を用いて通常の方法で調製された水素型陽イオン交換樹脂（オルガノ（株）製 アーバンライトＩＲ−１２０Ｂ）４リットルを充填したイオン交換樹脂カートリッジ（脱アルカリ処理槽２）に、２００リットル／時間の流速で通過させ、１処理でｐＨ2.５の二次シリカ液5,０００リットルを得た。この二次シリカ液を二次シリカ液貯蔵槽３に蓄え、次いでこれを注入管７に送って地盤に注入した。以上の操作により、現場の小規模の設備で容易に多量の二次シリカ液を製造することができる。
【００５６】
比較例１
珪酸ソーダＪＩＳ３号品（ＳｉＯ2 ：２9.０％、Ｎａ2 Ｏ：9.０％）を水で希釈し、ＳｉＯ2 ：5.９％、Ｎａ2 Ｏ：1.８％の希釈珪酸ソーダ水溶液を調製した。この水溶液１２０リットルを、樹脂再生設備、廃液処理設備を備えたイオン交換塔〔あらかじめ１０％塩酸を用いて通常の方法で調製された水素型陽イオン交換樹脂（オルガノ（株）製 アーバンライトＩＲ−１２０Ｂ）４０リットルを内蔵している〕に通過させ、活性珪酸水溶液１００リットルを得た。この活性珪酸水溶液の製造を現場で実施するには大規模な設備を必要とするので、施工現場での建設は実用上困難であった。
【００５７】
実施例２
１．使用材料
（１）水ガラス
比重（２０℃）：1.３９、ＳｉＯ2 ：２9.２％、Ｎａ2 Ｏ：9.５％、モル比：3.１７のＪＩＳ３号水ガラスを使用。
【００５８】
（２）活性珪酸
１7.５％の水ガラス水溶液を陽イオン交換樹脂に通過処理して得られる比重（２０℃）1.０３、ＳｉＯ2 4.６％、ｐＨ2.７、ゲル化時間（２０℃）５０〜６０時間の活性珪酸を使用。
【００５９】
（３）酸性シリカゾル
水ガラスと硫酸からなり、ＳｉＯ2 ９％、ｐＨ2.７の酸性シリカゾルを使用。
【００６０】
（４）炭酸ナトリウム
試薬一級 Ｎａ2 ＣＯ3
【００６１】
（５）炭酸水素ナトリウム
試薬一級 ＮａＨＣＯ3
【００６２】
（６）塩化カリ
試薬一級 ＫＣｌ
【００６３】
（７）セメント
ポルトランドセメント
【００６４】
（８）砂
細砂として豊浦砂、シルト質砂として千葉県産海砂を使用。
【００６５】
２．測定法
（１）サンドゲル一軸圧縮強度
豊浦砂によるサンドゲルをポリ塩化ビニリデン密閉養生（２０℃）して、１５日経過後に土質工学会規準「土の一軸圧縮試験方法」により測定。
【００６６】
（２）ゲル化時間
（ａ）ホモゲルのゲル化時間
２０℃においてカップ倒立法により測定。
【００６７】
（ｂ）土中ゲル化時間
２０℃においてグラウト液を砂と混合・静止し、上澄を捨て、砂に竹串を刺して引き抜き、跡が残ったときを土中ゲル化時間として測定。
【００６８】
（３）ｐＨ
ガラス電極ｐＨ計にて測定。
【００６９】
３．第一次シリカ液の製造
ゲル化時間の長いシリカ液で生産工場で製造して工事現場へ搬入することを建前とする。
【００７０】
（１）水ガラスのアルカリの一部を脱アルカリ処理する。
（ａ）陽イオン交換樹脂処理法
水ガラス水溶液を陽イオン交換樹脂と接触処理して得られる。陽イオン交換樹脂の一定量に対して処理する水ガラス水溶液の濃度と量および処理後のシリカ液のｐＨ、ゲル化時間、ＳｉＯ2 濃度を表１に示す。
【００７１】
【表１】
表１からＳｉＯ2 が比較的濃厚な場合（水ガラス濃度が濃いとき）では、ｐＨを中性以下に低下せしめると（比較例No.1〜３）ゲル化時間は速く、不安定となる。
【００７３】
しかし、ＳｉＯ2 濃度が稀薄になれば中性から酸性にかけてもかなり安定している（ＳｉＯ2 濃度2.６％の実施例No.7、８）。すなわち、一定量の陽イオン交換樹脂に対して水ガラス濃度が濃厚な場合は被処理量は少なく、アルカリ領域では安定であるが、中性に近ずくにしたがって不安定となる。水ガラス濃度を稀薄にすれば被処理量は多くなり、中性近辺でも、さらに酸性領域においてもかなり安定化してくる。このように安定した一次シリカ液は液性と濃度によって決まり、一義的に定められるものではない。
【００７４】
（ｂ）電解透析処理
陰陽両イオン交換膜を４枚づつ交互に配置した電解透析槽を用い、各種濃度の水ガラス水溶液について３Ａ／dm2 の直流電流を通電して適当なｐＨに達したところで透析を中止した。処理された水ガラス水溶液のｐＨ、ゲル化時間、ＳｉＯ2 濃度を表２に示す。
【００７５】
【表２】
水ガラスの濃度、処理後のｐＨ、ゲル化時間の相互関係は陽イオン交換樹脂処理の場合と大差なく、略類似した傾向をとっていることがわかる。
【００７７】
（２）活性珪酸へアルカリを添加する。
アルカリとして水ガラス、コロイダルシリカ、炭酸水素ナトリウムおよび水ガラス中の一部を脱アルカリ処理した一次シリカ液を使用して、活性珪酸に添加した。ｐＨ、ゲル化時間およびＳｉＯ2 濃度を表３に示す。
【００７８】
【表３】
表３から一般にＳｉＯ2 濃度を活性珪酸より大きくして、しかも弱アルカリ〜中性域で充分安定したシリカ液とすることが可能である。
【００８０】
（３）コロイダルシリカ
水ガラス水溶液を陽イオン交換樹脂に接触処理した後、これにアルカリを加えて加熱重合し、濃縮してＳｉＯ2 ３０％、Ｎａ2 Ｏ0.４％、比重（２０℃）1.２１、ｐＨ9.７の無水珪酸のコロイド溶液では半永久的にゲル化することはない。陽イオン交換樹脂処理にかえてイオン交換膜処理を行なっても同じようなコロイダルシリカを得ることができる。
【００８１】
（４）上記（１）、（２）、（３）および二次シリカ液の混合
上記（１）、（２）、（３）および後述する二次脱アルカリした二次シリカ液を一例として、次の表４に示す割合で混合し、混合後のシリカ液のｐＨ、ゲル化時間およびＳｉＯ2 含有量を同時に表４に併記する。
【００８２】
【表４】
実施例No.2４、２７は二次脱アルカリ処理した二次シリカ液で、後記の表５に記載している。
表４から上記（１）、（２）、（３）および二次シリカ液を混合したシリカ液も配合によっては充分安定化したものが得られる。
【００８４】
４．二次シリカ液の製造
一次シリカ液を陽イオン交換樹脂処理またはイオン交換膜を隔膜とした電解透析処理によって再度脱アルカリ処理（二次脱アルカリ処理）を行なって、二次シリカ液を得る。
【００８５】
（１）陽イオン交換樹脂処理
陽イオン交換樹脂の一定量に対して処理する上記一次シリカ液の一例について、その処理量と処理液（二次シリカ液）のｐＨ、ゲル化時間、ＳｉＯ2 濃度を表５に示す。
【００８６】
【表５】
一次シリカ液のｐＨ、ＳｉＯ2 濃度によって処理量は当然変化するが、表１と比較して処理量は非常に多量である。一次シリカ液において、中性近辺の実施例No.7（ｐＨ7.３、ＳｉＯ2 2.６％）の他にＳｉＯ2 量の多い実施例No.1８（ｐＨ7.１、ＳｉＯ2 5.９３％）の場合は、特に多量処理できる。また、コロイダルシリカ（ｐＨ9.７、ＳｉＯ2 ３０％）の２倍希釈液の場合でも、Ｎａが少ないのでＳｉＯ2 の濃度は大きいにもかかわらず、実施例No.2、１０の一次シリカ液の場合に匹敵する以上の多量が処理できていることがわかる。
【００８８】
このようにイオン交換樹脂量に対して処理できる量が非常に多量であることは、処理装置が小規模ですむことである。したがって、樹脂の再生は行なわず、生産工場で再生処理したカートリッジの交換で単純に実施することが可能である。
【００８９】
（２）電解透析処理
陰陽両イオン交換膜をそれぞれ２枚づつ交互に配置した電解透析槽により、表５で用いた一次シリカ液について電流密度３Ａ／dm2 で透析を行ない、適当なｐＨに達したところで透析を中止した。透析処理後の二次シリカ液のｐＨ、ゲル化時間、ＳｉＯ2 濃度を表６に示す。
【００９０】
【表６】
陽イオン交換樹脂処理の表５と比較して、同じような傾向を示すが、全般にゲル化時間は若干長いようである。前回のイオン交換樹脂処理と同様、処理装置は小規模でイオン交換膜数も少なくて充分な処理能力が得られる。また生産工場で洗浄済のイオン交換膜を装備したカートリッジの交換で単純に実施することも可能である。
【００９２】
５．二次シリカ液を主材とした地盤固結材
二次シリカ液は一般に極めて浸透製に優れた固結材として、そのまま地盤に注入することができる。この二次シリカ液を主材として、これに硬化剤を添加してゲル化時間、固結強度等の調整をはかり、広範囲の地盤への注入に適応せしめることができる。
【００９３】
実施例NO．24、25、26、27、28（以上イオン交換樹脂法）および実施例NO. 29、30、31（以上電解透析法）の二次シリカ液を主材とし、これに各種硬化剤を添加した配合と、配合液のｐＨ、ＳｉＯ2 濃度、ゲル化時間〔ホモゲル、土中（豊浦砂と千葉県産海砂）〕、豊浦砂によるサンドゲルの一軸圧縮強度を表７に示す。併せて従来からの酸性シリカゾル−炭酸水素ナトリウム系（比較例NO.7）と水ガラス−炭酸水素ナトリウム−セメント系（比較例NO.8) を比較例として記載する。
【００９４】
【表７】
表７において、セメントを添加した実施例NO. 40、48比較例NO.8のＳｉＯ2 （％）については、セメント中のＳｉＯ2 は含ませていない。実施例NO. 34、37、39、41、43、45、47、49は二次シリカ液そのものであり、一般にゲル化時間はホモゲル、土中の何れにおいても比較的長時間を要しており、浸透性には極めて優れている。実施例NO. 35、36、38、40、42、44、46、48、50は硬化剤を添加した一例で、ゲル化時間は秒単位から分、時間単位に至るまで広範囲に及んでいる。すなわち、注入対象地盤に応じて適切なゲル化時間を選定することができる。
【００９６】
固結強度ではＳｉＯ2 濃度の低い実施例NO. 37、38、47では当然、それ程高くないが、比較例NO.7と同程度のＳｉＯ2 濃度をもっている実施例NO. 34、35、36、39、41、42、45、49では、比較例NO.7に比べてゲル化時間が長いにも拘ず、高強度を示している。さらにゲル化時間の長い系ではゲル化に至る直前まで比較的低粘性を持続していたので、浸透性には抜群に優れていることがわかる。またセメント添加の懸濁型においても実施例NO. 40、48は比較例NO.8に比べて明らかに高い強度を示している。
【００９７】
さらに実施例NO.36 と比較例NO.7を比べてみると、ＳｉＯ2 濃度、ｐＨは略同一であるが、炭酸水素ナトリウムの添加量は前者の方が極端に少量ですんでいる。これはナトリウムイオンが非常に少ないことによるものである。
【００９８】
以上により本発明に係る地盤固結材は広範囲の地盤への適用が可能で、特に浸透性、固結強度に優れている。そのほかＮａ+ イオンの含有量が少ないのでアルカリ公害の軽減にも期待がもてる。
【００９９】
６．工事現場における地盤注入装置
大型の陽イオン交換樹脂処理装置、電解透析処理装置を設置して一次脱アルカリ処理を行なって、一次シリカ液を製造することは生産工場ではともかく、工事現場では可なりの困難と管理の不徹底をまぬがれない。しかし、一次シリカ液を以後の二次脱アルカリ処理は工事現場で小規模の設備で比較的簡単に多量を処理することができる。
【０１００】
陽イオン交換樹脂槽またはイオン交換膜を隔膜とする電解透析槽またはこれらの両者を備えた小型の脱アルカリ処理槽を、再生済みで常に使用出来る状態にセットして工事現場に持込み図１に示すような一次シリカ液貯溜槽１、水槽５、硬化剤槽４、二次シリカ液貯槽３、注入ポンプ６、注入管７をそれぞれ適宜接続し、容易に本発明の固結材を製造することができる。
【０１０１】
再生処理、洗浄処理等は生産工場で行ない、工事現場では再生処理済みのものを上記のようにセットにして搬入し、既存の注入設備の中に組み込むだけである。ここでこの脱アルカリ槽のセットにはｐＨ計、さらにコントローラーを付属せしめて連続操業が可能なようにセットすることもできる。
【０１０２】
【発明の効果】
１．一次シリカ液を工場で製造する。
この一次シリカ液は長期間安定でゲル化し難いので、施工現場まで安定な状態で輸送し得る。しかも、これは簡単なイオン交換装置を使用して浸透性、硬化性に優れた二次シリカ液となり、これを主材とした地盤固結材とすることができる。
【０１０３】
２．長時間のゲル化から短時間のゲル化に至る広範囲の地盤に適した地盤固結材を得ることができる。
【０１０４】
３．特に、従来調整が極めて難しかったゲル化時間の長い、浸透性に優れた地盤固結材が容易に得られる。
【０１０５】
４．従来の水ガラス系固結材に比べて高強度を示す。
【０１０６】
５．ナトリウムイオンが除去されるので、アルカリ公害が少なくなることに期待がもてる。また、酸根も含まれず、純粋のシリカを注入し、しかもゲル化物からはシリカ分もその他の成分も地下水に殆ど溶出しないので、耐久性に優れているのみならず、環境負荷の殆どない注入を可能にする。
【０１０７】
６．二次脱アルカリ処理は小規模の陽イオン交換樹脂処理、電解透析処理で大量が処理でき、かつ取扱い、管理が簡単であるため工事現場で充分管理操業できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の地盤固結材を製造する装置の一具体例のフローシートである。
【符号の説明】
１ 一次シリカ液貯蔵槽
２ 脱アルカリ処理槽
３ 二次シリカ液貯蔵槽
４ 硬化剤槽
５ 水槽
６ 注入ポンプ
７ 注入管
８ 地盤
Claims (1)
- 次の（ａ）、（ｂ）および（ｃ）のいずれかからなる一次シリカ液を生産工場で製造し、工事現場に搬入の後、これら一次シリカ液を再度脱アルカリ処理して二次シリカ液とし、得られた二次シリカ液をそのまま、または硬化剤とともに地盤中に注入して地盤を固結することを特徴とする地盤注入工法。
（ａ）水ガラスを脱アルカリ処理し、該水ガラス中のアルカリの一部を除去してＰＨ値が中性〜アルカリ性領域に調整されたゲル化し難い一次シリカ液。
（ｂ）水ガラスを脱アルカリ処理して活性珪酸とし、この活性珪酸にアルカリ、水ガラス、または水ガラス中のアルカリの一部を脱アルカリ処理して得られるシリカ液を添加してＰＨ値が中性〜アルカリ性領域に調整されたゲル化し難い一次シリカ液。
（ｂ）水ガラスを脱アルカリ処理して活性珪酸とし、これを増粒して得られるゲル化し難いコロイダルシリカの一次シリカ液。
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1998
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