JP3686888B2

JP3686888B2 - 空隙充填材および空隙充填工法

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Publication number: JP3686888B2
Application number: JP2002229800A
Authority: JP
Inventors: 穂高山室; 幸司小柳; 要青山; 哲也脇山; 寛昌五十嵐; 智真鍋
Original assignee: Kao Corp; Kajima Corp; Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Kao Corp; Kajima Corp; Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2002-08-07
Filing date: 2002-08-07
Publication date: 2005-08-24
Anticipated expiration: 2022-08-07
Also published as: JP2004067453A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、既設の汚水配管、ガス配管、電線配管等の内側に更正管を布設する工事における既設管と更正管の隙間や、地盤中の既設構造物と地盤との間にできた空隙部等を充填し補修する空隙充填材および、これを用いた空隙充填工法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
既設の汚水配管等の内側に更正管を布設する工事（図３）において、既設管と更正管の隙間を充填し補修する際に、従来、空隙充填材としてセメントモルタル、エアミルク、エアモルタル等が使用されてきた。しかしながら、このような充填箇所は、地下水や汚水が残っていたりする場合が多い。また充填作業前に、このような汚水を洗浄する場合もあるが、汚水中に含まれる、あるいは配管壁面に付着している充填材の硬化を阻害する物質が残留している可能性もある。このような汚水中等に水硬性スラリーの硬化後の品質に支障を来たす物質、例えば硫化水素や強酸等が存在している場合では、従来の空隙充填材では残留している地下水や汚水に希釈され、しかも硫化水素や強酸により充填材の水和が阻害され、充填材の所定の性能を発揮することができないこともある。
【０００３】
また、図４に示すような既設配管やトンネルと地山との間に生じた空隙を充填する場合、充填箇所に地下水が溜まっていることがある。さらに、このような箇所を充填する場合は、流動性が良いもの、例えば、ＰロートやＪロートで容易に流下時間を測定できるものでは、空隙の水と希釈されたり、材料分離が起きて所定の性能を発揮できないことがある。従来はセメントミルクやセメントベントナイト液で充填していたが、このような充填材であると材料分離や希釈の恐れがある。さらに、流動性が良すぎると空隙箇所に十分に充填されずに配管の外側に流れてしまう場合があり、十分な充填補修ができない問題も生ずる。
【０００４】
同様に、土留め壁に用いるシートパイル等や杭の根固め部分、土留め壁背面にある空隙の充填補修（図５）や地中連続壁のアンラップ箇所の補修補強（図６）においても、これらの充填箇所には地下水が存在し、通常のセメントミルクやモルタルでは地下水に希釈される可能性があり、強度発現不良や止水不良、もしくは地下水や排水設備の汚染を引き起こすといった問題を生じていた。
【０００５】
このような充填箇所に充填する場合、作業性の面から、空隙充填材は優れた流動性を有することが望まれる。セメントミルクは流動性が良いがブリーディングが発生する。ブリーディングを防止するために粘土鉱物を使用したセメントベントナイトスラリー（ＣＢ）があるが、混練水（Ｗ）とセメント（Ｃ）の重量比率（Ｗ／Ｃ）が大きくなり所定の強度を発現できない。一方、セメントモルタルは砂を混入しており、強度においてはセメントミルクまたはセメントベントナイトスラリーを上回るが、流動性に劣る。すなわち従来の充填材では流動性と打設後の強度において、相反する問題が生じていた。
【０００６】
本発明の課題は、適度な流動性を有し、硬化阻害因子の存在下でも優れた強度を発現し、ブリーディングがなく分離抵抗性に優れた空隙充填材および空隙充填工法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、水（ａ）と、セメントまたはセメント系固化材から選ばれる少なくとも１種類の水硬性粉体（ｂ）と、粘土鉱物粉、フライアッシュ、石灰石紛、珪石紛、高炉スラグ紛から選ばれる少なくとも１種類の助材（ｃ）と、アルミナ、石膏、珪酸ソーダから選ばれる少なくとも１種類の刺激材（ｄ）とを含有する水硬性スラリーと、スルホン基を有する芳香族化合物および／またはその塩［以下、化合物（α）という］とアルキルトリメチルアンモニウム塩［以下、化合物（β）という］とからなるスラリー改質剤とを含有してなる空隙充填材に関する。更に化合物（α）と化合物（β）との有効成分の合計量が、水硬性粉体（ｂ）１００重量部に対して０．１〜２０重量部であることを特徴とする空隙充填材に関する。また、本発明は、該空隙充填材を用いた空隙充填工法に関する。
【０００８】
本発明の空隙充填材は、例えば充填材を１液として打設する方法や、化合物（α）を含む流体と化合物（β）を含む流体をそれぞれ別配管で圧送して充填箇所までの流動性を良くして、充填直前に混合する方法に用いることにより、充填材の特性を生かした施工環境に見合う充填が可能になる。
【発明の実施の形態】
【０００９】
本発明の空隙充填材は、水（ａ）、水硬性粉体（ｂ）、助材（ｃ）、刺激材（ｄ）および特定のスラリー改質剤からなることを特徴とするものであり、図３、４、５、６に示したような地盤中の既設構造物と地盤との間に生じた空隙部や空洞部等に充填する工法に供することができる。
【００１０】
本発明の水硬性スラリーに使用される水硬性粉体（ｂ）としては、セメントまたはセメント系固化材であり、セメントとして普通セメント、早強セメント、超早強セメント、中庸熱セメント等のポルトランドセメントの他に、高炉セメント、フライアッシュセメント等の混合セメントが適用できる。またセメント成分を５０％以上含んだセメント系固化材が挙げられる。助材（ｃ）としては、ベントナイト、粉末粘土等の粘土鉱物粉、フライアッシュ、石灰石紛、珪石紛、高炉スラグ紛の少なくとも１種から選ぶことができる。また刺激材（ｄ）としては、アルミナ、石膏、珪酸ソーダのうち少なくとも１種を選ぶことができる。特に、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）の組み合わせは、空隙充填材の硬化物性を調節でき、セメントの水和を阻害するような酸性物質に対する抵抗性を付与出来る観点から望ましい。
（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）の配合量は特に限定されないが、水硬性粉体（ｂ）１００重量部に対して、水（ａ）を５０〜３００重量部、助材（ｃ）を０．１〜１５０重量部、刺激材（ｄ）を０．１〜５０重量部用いることが好ましい。
【００１１】
本発明におけるスラリー改質剤として用いられる化合物（α）と化合物（β）とは、会合体を形成し易く、充填材水相中の化合物の有効分濃度が低くても優れた増粘効果を発現し、また、それぞれが濃厚な水溶液でも粘性が低いものが添加時の作業性からも好ましい。本発明では、有効分濃度が１０重量％以下の極めて低い添加量でスラリーの増粘を達成することができ、更に、イオン強度の高いスラリー系においても、同様の効果を発現することができ、スラリー系によっては、特に水相と接触した場合の材料分離抵抗性が非常に安定するという、従来の増粘剤の使用では得ることのできなかったレオロジー特性を発現する点で、化合物（α）がスルホン基を有する芳香族化合物およびその塩であり、化合物（β）がアルキルトリメチルアンモニウム塩である。
【００１２】
化合物（α）のスルホン基を有する芳香族化合物および／またはその塩としては、ｐ−トルエンスルホン酸、スルホサリチル酸、ｍ−スルホ安息香酸、ｐ−スルホ安息香酸、ｐ−フェノールスルホン酸、ｍ−キシレン−４−スルホン酸、クメンスルホン酸、スチレンスルホン酸等、およびこれらの塩が挙げられる。これらを２種以上併用してもよい。ただし、化合物（α）が重合体である場合は、重量平均分子量は５００未満であることが好ましい。
【００１３】
化合物（β）のアルキルトリメチルアンモニウム塩は、炭素数１０〜２６のアルキル基を有するものが好ましい。具体的には、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロライド、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムブロマイド、オクタデシルトリメチルアンモニウムクロライド、オクタデシルトリメチルアンモニウムブロマイド、タロートリメチルアンモニウムクロライド、タロートリメチルアンモニウムブロマイド、水素化タロートリメチルアンモニウムクロライド、水素化タロートリメチルアンモニウムブロマイド等が挙げられ、これらを２種以上併用してもよい。水溶性と増粘効果の観点から、具体的には、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロライド、オクタデシルトリメチルアンモニウムクロライド等が好ましい。
【００１４】
特に、化合物（α）がｐ−トルエンスルホン酸またはその塩であり、化合物（β）がヘキサデシルトリメチルアンモニウム塩である組み合わせが好ましい。
【００１５】
本発明に係る化合物（α）と化合物（β）とを併用することで特徴的なスラリーレオロジー特性が得られるのは、以下の理由によると考えられる。
【００１６】
化合物（α）と化合物（β）とを混合した時に、水相中に短時間で会合体を形成し、効率的に粘性を付与でき、更に、この会合体形成は、充填材中で均一に形成されることにより余剰水分を完全に補足するため、経時的なブリーディング水を抑制することにより、単位水量の多い充填材配合でも材料分離抵抗性に優れた性状が得られるものと考えられる。
【００１７】
この化合物（α）と化合物（β）との組み合わせに係る本発明の充填材を使用すると、充填材の水相中に会合体を形成し、スラリー全体の粘性を増大させると考えられる。また、会合体のレオロジー特性は高い粘弾性を有していることが挙げられる。
【００１８】
この特徴により、本発明の未だ固まらない空隙充填材の表面は粘弾性の高い会合体により覆われていると考えられるため、本空隙充填材が硬化するまでの間、汚水中等の硫化水素や強酸等の硬化物性に影響を与える物質の侵入を抑制する効果がある。
【００１９】
かかる会合体は、強い力を受けると、会合体構造が破壊されるが、過度の力が抑制され、内部応力が減少すると、再び会合体が形成されてスラリーに適度な粘性を付与するという特徴を有する。
【００２０】
従って、スラリーの混練時や打設ポンプでの圧送時に過度の内部摩擦が発生することを抑制しつつ空隙充填材の製造や輸送が可能で、空隙部に打設後は空隙充填材に適度な粘性を付与することができる。
【００２１】
本発明の空隙充填材中の化合物（α）と化合物（β）との有効分の合計の含有量は水硬性粉体（ｂ）１００重量部に対して０．１〜２０重量部が好ましく、特に０．３〜１０重量部が好ましい。化合物（α）および化合物（β）を水溶液として使用する場合は、各化合物単独の濃厚な水溶液でも粘性が低いので、スラリー系への添加前の水溶液の有効分濃度を好ましくは１０重量％以上、より好ましくは２０重量％以上、更に好ましくは３０重量％以上、最も好ましくは４０重量％以上にしておくことにより、貯蔵タンクを小型化できる等の生産性を向上することができる。
【００２２】
本発明に係る空隙充填材には、本化合物（α）および化合物（β）の性能に支障がなければ他の成分、例えば、分散剤、ＡＥ剤、遅延剤、早強剤、促進剤、気泡剤、発泡剤、消泡剤、防錆剤、着色剤、防黴剤、ひび割れ低減剤、膨張剤、染料、顔料等を含有していてもよい。
【００２３】
本発明の空隙充填材を使用すれば、高い水／水硬性粉体比の配合（例えば、水／水硬性粉体比１．０）においてもブリーディングを抑制でき、空隙部に水が存在する場合でも希釈されずに充填されるため、従来の充填材と比べ、水中で拡散する量は遥かに少なく施工箇所周辺、地下水、河川下流、汚水における汚染および排水設備の負担を減少することができる。
【００２４】
化合物（α）と化合物（β）とをスラリーに添加すれば水硬性スラリーのレオロジー物性が改質された空隙充填材が得られるので、本発明に係る化合物の添加形態は特に限定されないが、以下に、本発明に使用される化合物の好ましい使用方法を説明すると、化合物（α）または化合物（β）はスラリー中に任意の順番で混合できるので、一方の化合物をスラリー中に適当な段階で添加し、粘性が必要となる段階で該スラリーに他方の化合物を添加するのが作業性の観点から好ましい。また、添加するときの化合物（α）または化合物（β）の状態は、液状でも粉末状でもよい。
【００２５】
本発明の空隙充填材を使用する空隙充填工法としては、水硬性粉体（ｂ）および各種助材（ｃ）、刺激材（ｄ）をミキサーに投入し水（ａ）と攪拌して、化合物（α）または化合物（β）の一方の化合物を添加、混練した後に、化合物（α）または化合物（β）の他方の化合物を添加、混練して製造した充填材をポンプ等で打設する充填工法が挙げられる。この１例を図１に示す。
【００２６】
特に、化合物（α）または化合物（β）のどちらか一方を予め水硬性スラリーと混ぜておくことで、短時間で均一な攪拌が可能となり、後にどちらか他方を入れれば空隙充填材が効率良く製造される。すなわち、化合物（α）または化合物（β）の一方添加してなる水硬性スラリー（Ａ流体）をポンプで圧送し、化合物（α）または化合物（β）の他方が含まれている流体（Ｂ流体）を別配管で圧送し、各々の配管に合流箇所を設け、混合配管を設置して打設箇所付近でＡ流体とＢ流体を混合し、所定の場所に打設しても良い。具体的には、水（ａ）と水硬性粉体（ｂ）と助材（ｃ）と刺激材（ｄ）とをミキサーに投入し、攪拌して得られる水硬性スラリーに、化合物（α）または化合物（β）の一方の化合物の水溶液を添加してなる混合物であるＡ流体と、化合物（α）または化合物（β）の他方の化合物の水溶液であるＢ流体とを異なる搬送経路で搬送し、打設前にＡ流体とＢ流体とを混合して製造した空隙充填材を使用する空隙充填工法が挙げられる。この場合、各々の流体の粘性は水硬性スラリー中で分子会合体を形成した場合に比べ、遥かに粘性が低いので、パイプ輸送における圧力損失が軽減できるので、水硬性スラリーと化合物（α）と化合物（β）とを含む１液型の空隙充填材を搬送する手法に比べ、更に圧送距離が長くなるメリットが生ずると共に、任意の時点で目的の空隙充填材が得られる。この１例を図２に示す。
【００２７】
【実施例】
以下の実施例で用いた評価方法を示す。
（水中分離抵抗性）
調製した空隙充填材を１０ｇ計り取り、水道水４００ｍｌが入った５００ｍｌビーカーに静かに沈降させる。空隙充填材が水中に舞い上がった状態を目視(肉眼)により観察し、下記の基準で評価を行った。
○ 水相が透明であり、沈降した空隙充填材の全体が確認できる。
△ 水相が濁るが、ビーカーの底で沈降した空隙充填材の一部が見える。
× 水相が濁り、ビーカーの底が見えない。
【００２８】
（ブリーディング水量）
調製した空隙充填材２００ｇを５００ｍｌビーカーに入れ、３時間および２４時間静置した後、表面に出てきたブリーディング水をスポイトで吸い上げ、計量した。評価基準を下記に示す。
○ ブリーディング水量０ｇ（なし）
△ ブリーディング水量０ｇ超５ｇ以下
× ブリーディング水量５ｇ超
【００２９】
（ブリーディング率）
上記記載の方法で、（ブリーディング量）／（空隙充填材に用いた水量）で計算した。
【００３０】
（一軸圧縮強さ）
ＪＩＳ−Ａ−１２１６「土の一軸圧縮試験」に従った。
【００３１】
（流下時間）
土木学会規準
Ｐロート試験：ＪＳＣＥ−Ｆ５２１−１９９４「プレパックドコンクリートの注入モルタルの流動試験方法」
Ｊロート試験：ＪＳＣＥ−Ｆ５３１−１９９４「ＰＣグラウトの流動性試験方法」に従った。
【００３２】
（耐硫酸試験）
調製した空隙充填材１００ｇを５％硫酸水溶液１００ｍｌが入った２００ｍｌビーカーに投入し、そのまま硫酸水溶液中で硬化させた。３０日間浸漬した後、ビーカーの底で硬化している供試体を取り出し、供試体の断面をフェノールフタレイン水溶液で染色し、硫酸によって中和され白色になった部分（中性化された部分）の最大の中性化深さを測定した。評価基準を下記に示す。
○ 最大の中性化深さ２ｍｍ以下
△ 最大の中性化深さ２ｍｍ超３ｍｍ未満
× 最大の中性化深さ３ｍｍ以上
【００３３】
実施例１
水（ａ）、水硬性粉体（ｂ）、助材（ｃ）、刺激材（ｄ）を表１に示すように配合したセメントミルク（水硬性スラリー）に、化合物（α）と化合物（β）とを添加し空隙充填材を調整し、この充填材のブリーディング量および水中分離抵抗性を調べたものである。図１の装置を使用して、セメントミルクに化合物（β）を添加し、均一になるまで混練した後に、化合物（α）を添加し混練した。この結果からはセメントミルクに化合物（α）と化合物（β）とを添加した該空隙充填材は、化合物（α）および／または化合物（β）を添加しなかった比較例の比べてブリーディング量および水中分離抵抗性が著しく改善されていることが証明される。この特性により充填箇所が水に浸されているような空隙部への該空隙充填材を使用することにより材料分離を起こすことなく均一に充填される。なお、本例で用いた原料は以下の通りである。
【００３４】
水硬性粉体：普通ポルトランドセメント（住友大阪セメント（株）製）
助材：乾燥粉末粘土（スミクレー（住友大阪セメント(株)製））
刺激材：無水石膏（日本軽金属（株）清水工場製）
化合物（α）：ｐ−トルエンスルフォン酸ナトリウム液（花王（株）製）
化合物（β）：ヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロライド液（花王（株）製）
【００３５】
【表１】

【００３６】
実施例２
表２は、空隙充填材の流動性の評価と、ブリーディング率および一軸圧縮強さを調べたものである。水（表２の配合量から化合物（β）の原液量を差し引いた量）と水硬性粉体と助材と刺激材とを含有するセメントミルク（水硬性スラリー）に、図２の装置の添加ポンプを用いて化合物（β）を添加した混合物を混合材注入ポンプで搬送するとともに、注入ポンプを用いて化合物（α）（原液）を搬送し、混合配管にて空隙充填材を調整し、打設を行なった。打設した充填材の粘度、ブリーディング水量および一軸圧縮強さを測定した。本発明の空隙充填材は、回転粘度計で測定が可能な状態の粘度を示し、ＰロートおよびＪロートでも測定が出来、著しく流下時間が長いにもかかわらず、流下試験中の間に流体として切れ目なく流下していることが確認された。またブリーディングにおいても０％であった。すなわち、ブリーディング量が無いもしくは少ない該空隙充填材は、充填後に材料分離がないことが、また前述の粘性性状は水中分離抵抗性に強いことが明確に判断できる。一軸圧縮強さはいずれの実施例も、通常必要とされる空隙充填材の一軸圧縮強さ５００ｋＮ／ｍ²以上を満足している。尚、実施例２で用いた水硬性粉体、助材、刺激材、化合物（α）、化合物（β）は実施例１と同じである。
【００３７】
【表２】

【００３８】
実施例３
表３は、セメントミルクにおける水と水硬性粉体との比率（W／C）を変更し、化合物（α）と化合物（β）とを添加し調整した該空隙充填材のブリーディング率の変化を確認したものである。化合物（α）および化合物（β）を添加しなかった比較例は、セメント系固化材との比率（W／C）が増加するに従って、ブリーディング率が高くなり空隙充填材としては不適切な性状を示すのに対して、本発明の空隙充填材はいずれもブリーディングが発生せず安定性が高いことが分かる。すなわち本発明の空隙充填材は安定性が高いということで、要求される充填箇所に応じて、セメントミルクの粘性や硬化後の一軸圧縮強さのための配合設計がしやすくなることを意味している。尚、実施例３で用いた水硬性粉体、助材、刺激材、化合物（α）、化合物（β）は実施例１と同じである。
【００３９】
【表３】

【００４０】
実施例４
表４は、硫酸水溶液中に空隙充填材を注入して、該空隙充填材の耐酸性について評価したものである。尚、比較例では、化合物（α）および化合物（β）に代えてメチルセルロース（商品名：９０SH−３００００、信越化学製、MCと表記）を用いた。実施例４−１、４−２においては、硬化物性に影響を与える硫酸水溶液中でも、空隙充填材が飛散することなく、しかも粘弾性の高い会合体に覆われているため、硫酸の浸入を抑制する効果により水和反応を阻害されることなく硬化できるため、中性化深さが小さいことが分かる。これにより硫化水素や強酸が混入したような汚水が存在する場所でも充填材の所定の性能を発揮できることが分かる。尚、本例で用いた水硬性粉体、助材、刺激材、化合物（α）、化合物（β）は実施例１と同じである。
【００４１】
【表４】

【発明の効果】
本発明の空隙充填材は適度な流動性を有し、硬化阻害因子の存在下でも強度と分離抵抗性に優れる。また、この空隙充填材を打設する空隙充填工法では適度な流動性でありながら材料分離なく施工でき、充分な強度が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の空隙充填工法の一例を示す概略図
【図２】本発明の空隙充填工法の他の例を示す概略図
【図３】更正管を用いた既設管の補修方法の一例を示す概略図
【図４】トンネルと地山との間に空隙が生じた様子を示す概略図
【図５】立杭の根固め部分に空隙が生じた様子を示す概略図
【図６】地中連続壁にアンラップが生じた様子を示す概略図

Claims

水（ａ）と、セメントまたはセメント系固化材から選ばれる少なくとも１種類の水硬性粉体（ｂ）と、粘土鉱物粉、フライアッシュ、石灰石粉、珪石紛、高炉スラグ粉から選ばれる少なくとも１種類の助材（ｃ）と、アルミナ、石膏、珪酸ソーダから選ばれる少なくとも１種類の刺激材（ｄ）とを含有する水硬性スラリーと、スルホン基を有する芳香族化合物および／またはその塩［以下、化合物（α）という］とアルキルトリメチルアンモニウム塩［以下、化合物（β）という］とからなるスラリー改質剤とを含有してなる空隙充填材。
化合物（α）と化合物（β）との有効成分の合計量が、水硬性粉体（ｂ）１００重量部に対して０．１〜２０重量部である請求項１に記載の空隙充填材。
水（ａ）と、セメントまたはセメント系固化材から選ばれる少なくとも１種類の水硬性粉体（ｂ）と、粘土鉱物粉、フライアッシュ、石灰石紛、珪石紛、高炉スラグ紛から選ばれる少なくとも１種類の助材（ｃ）と、アルミナ、石膏、珪酸ソーダから選ばれる少なくとも１種類の刺激材（ｄ）とをミキサーに投入し、攪拌して得られる水硬性スラリーに、化合物（α）または化合物（β）の一方の化合物を添加、混練した後に、化合物（α）または化合物（β）の他方の化合物を添加、混練して製造した空隙充填材を打設する空隙充填工法。
水（ａ）と、セメントまたはセメント系固化材から選ばれる少なくとも１種類の水硬性粉体（ｂ）と、粘土鉱物粉、フライアッシュ、石灰石紛、珪石紛、高炉スラグ紛から選ばれる少なくとも１種類の助材（ｃ）と、アルミナ、石膏、珪酸ソーダから選ばれる少なくとも１種類の刺激材（ｄ）とをミキサーに投入し、攪拌して得られる水硬性スラリーに、化合物（α）または化合物（β）の一方の化合物の水溶液を添加してなる混合物であるＡ流体と、化合物（α）または化合物（β）の他方の化合物の水溶液であるＢ流体とを異なる搬送経路で搬送し、打設前にＡ流体とＢ流体とを混合して製造した空隙充填材を使用する空隙充填工法。