JP4080416B2

JP4080416B2 - 地盤注入剤及び地盤注入工法

Info

Publication number: JP4080416B2
Application number: JP2003396235A
Authority: JP
Inventors: 克明入内島; 栄一有水; 節男伊藤
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK; Maeda Corp
Current assignee: Denka Co Ltd; Maeda Corp
Priority date: 2003-11-26
Filing date: 2003-11-26
Publication date: 2008-04-23
Anticipated expiration: 2023-11-26
Also published as: JP2005154608A

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及びその地盤注入剤を使用する地盤注入工法に関する。

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トンネル、石油、ＬＰＧ備蓄基地等の地下構造物施工時の薬液注入による地盤改良工事であり、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材料を地盤注入剤という。

地盤注入剤として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(以下「水ガラス」という）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、昭和４０年代に高分子系注入剤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、一部環境に有害な物質を含む高分子系注入剤の使用は凍結となり、現在、緊急時を除き使用可能な材料としては、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っている。そしてその中でも、より安全でかつ性能の良い注入剤の開発が現在でも望まれている。

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硬化剤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が、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劣るなどの特徴がある。

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、エステル類−酢酸モノエーテルグリコール、プロピレンカーボネート、アルデヒド類−ホルムアルデヒド、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。
このように、水ガラス系溶液型注入剤は、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い。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、水ガラス系懸濁液型注入剤とは硬化剤に不溶解性の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工法の名称で一般に広く使用されている（例えば、特許文献１〜３参照）。
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。
水ガラス系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、硬化剤は比的安全性が高いものが多い。
特開平１１−６１１２３号公報特開２００１−６４６４９号公報特開２００３−２６４６２号公報

特許文献１には、「セメント系固化材、ベントナイト及び分散剤を配合した水性スラリーをＡ液とし、水ガラス水溶液をＢ液として混合させた場合、反応硬化するものであって、該反応硬化物は２０秒以下のゲルタイムと７ｋｇ／ｃｍ² 以上の圧縮強度（１日後）を有するものであることを特徴とする土木用材料。」（請求項１）の発明が記載され、また、「分散剤としては、クエン酸、酒石酸、グルコン酸等のオキシカルボン酸アルカリが機能上及び環境上の点から好ましい」（段落［００１９］）ことが記載されており、有機酸塩である分散剤は硬化調整剤であるといえるが、「ベントナイトはブリージング防止作用と材料の強度劣化作用と相矛盾する機能を有する」（段落［００１６］）ものであり、ベントナイトは硬化剤ではないから、この発明はセメントの硬化剤を使用するものではない。

特許文献２には、「帯水地盤の止水及び／又は強化を目的として使用するセメントと水ガラスとを用いた懸濁型グラウト材であって、前記セメントは、その成分として３ＣａＯ・ＳｉＯ₂ ，２ＣａＯ・ＳｉＯ₂ ，３ＣａＯ・Ａｌ₂ Ｏ₃ ，４ＣａＯ・Ａｌ₂ Ｏ₃ ・Ｆｅ₂ Ｏ₃ 及び石膏を含んでおり、前記セメント成分におけるＳｉＯ₂ ／Ａｌ₂ Ｏ₃ （重量比）が７〜１２であることを特徴とするグラウト材。」（請求項１）の発明が記載され、また、「上記セメントに高炉スラグが添加されたセメントであっても良い。・・・・・必要に応じて、分散剤、凝結遅延剤、粘着剤、ゲル化促進剤、増量材（混和材）等を適宜用いることが出来る」（段落［００１６］）ことが記載されているから、硬化剤（ゲル化促進剤）、硬化調整剤（凝結遅延剤）の使用が示唆されているといえるが、高炉スラグ、石膏以外の成分としてはどのような混和剤を使用するのか具体的に示されていない。

特許文献３には、「少なくともセメント類、珪酸塩及び水とを注入前に混合し、一次ゲルを生成させた後、該一次ゲルを崩したものをＡ液とし、水ガラス水溶液をＢ液として、該Ａ液とＢ液とを混合し硬化させて用いる土木用材料であって、材令２８日後のホモゲルの圧縮強度が３Ｎ／ｍｍ²以上であることを特徴とする土木用材料。」（請求項１）の発明が記載され、また、「前記Ａ液中には、他の硬化剤を１種又は２種以上含有させて併用して用いることができる。他の硬化剤としては、例えば、酸性塩、炭酸塩、重炭酸塩、炭酸ガス、炭酸水、塩化物、アルミン酸塩、グリオキザール、エチレンカーボネート等の炭酸エステル、多価酢酸エステル、石灰、スラグ等が挙げられる。また、Ａ液中には、本発明の目的を損なわない範囲の添加量で混和剤を含有させて用いることができる。用いることができる混和剤としては、例えば増粘剤、安定剤、軽量骨材、金属イオン封鎖剤、付着改良剤等が挙げられ、これらは１種又は２種以上組み合わせて用いることができる。」（段落［００１８］）、「安定剤は、本発明の土木用材料においてセメントの水和反応による硬化機能を低下させなくするための成分であり、例えば、ポゾラン物質、クエン酸、酒石酸、グルコン酸等オキシカルボン酸やそのアルカリ金属塩が挙げられる。」（段落［００２０］）と記載されているから、セメントの硬化剤、硬化調整剤の使用が示されているといえるが、硬化剤として珪酸塩以外のものを使用すること、硬化剤と硬化調整剤を組み合わせることは具体的に示されていない。

また、セメント−急結材系の地盤注入材の急結材として、カルシウムアルミネート、石膏等を使用することも公知である（特許文献４参照）。
特開平６−３３００３６号公報

しかし、特許文献４にセメント−急結材系の地盤注入材（剤）は、セメント−水ガラス系のものと明確に区別して記載されている（請求項２、段落［０００９］）ように、セメント−水ガラス系の地盤注入剤にセメントの急結材（硬化剤）を使用することは従来行われておらず、また、セメントの急結材（硬化剤）と硬化調整剤を組み合わせて使用することも公知ではなかった。

上記のように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工法が一番良く使用されているが、さらに強度発現性が良好で安定した耐久性が得られる硬化剤が望まれていた。
そこで、本発明は、水ガラス系懸濁液型注入剤（セメント−水ガラス系地盤注入剤）において、強度発現性が高く、耐久性が良好な地盤注入剤を開発することを課題とするものである。

本発明者は種々検討を重ねた結果、セメントに特定の硬化剤と硬化調整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強度発現性が高く、耐久性が良好な地盤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。
本発明においては、前記課題を解決するために以下の手段を採用する。

（１）Ａ液に珪酸ナトリウムを含む水溶液、Ｂ液にセメントと硬化剤及び硬化調整剤を含むスラリーを使用してなる地盤注入剤において、硬化剤がカルシウムアルミネートシリケート類と硫酸カルシウムの混合物からなることを特徴とする地盤注入剤。
（２）前記硬化剤が、カルシウムアルミネートシリケート類１００質量部に対して硫酸カルシウム７０〜１５０質量部からなることを特徴とする前記（１）に記載の地盤注入剤。
（３）前記硬化剤を、Ｂ液中のセメント１００質量部に対して、１０〜２００質量部使用することを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の地盤注入剤。
（４）前記硬化調整剤が有機酸類の１種又は２種以上からなることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれか一に記載の地盤注入剤。
（５）前記硬化調整剤を、Ｂ液中のセメント１００質量部に対して、０．５〜１０質量部使用することを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれか一に記載の地盤注入剤。
（６）練り水に珪酸ナトリウムを入れ調整したものをＡ液とし、練り水に予め硬化調整剤を入れ、これにカルシウムアルミネートシリケート類と硫酸カルシウムの混合物を入れ、さらにセメントを入れたスラリーをＢ液とし、Ａ液とＢ液をそれぞれ混り練ぜた後、別々に圧送し、地盤注入前又は地盤注入後に混合することを特徴とする地盤注入工法。
（７）前記硬化調整剤が有機酸類の１種又は２種以上からなることを特徴とする前記（６）に記載の地盤注入工法。
なお、以下においては、「部」は、特に規定のない限り質量基準である。

本発明は、セメント−水ガラス系地盤注入剤において、硬化剤であるカルシウムアルミネートシリケート類と硫酸カルシウムの混合物を硬化調整剤と組み合わせて使用することにより、強度発現性が高く、耐久性が良好な地盤注入剤が得られ、また、その地盤注入剤を使用して地盤注入工法が可能となる。

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）、酸化ナトリウム（ＮａＯ₂）換算でモル比２．１〜２．３の物を１号珪酸ソーダ、２．４〜２．６の物を２号珪酸ソーダ、３．０〜３．３の物を３号珪酸ソーダとされる中で１、２号珪酸ソーダが好ましく、３号珪酸ソーダがより好ましい。また、その他の特殊水ガラス又はコロイダルシリカでも本発明の硬化剤と組み合わせて使用可能である。
本発明のＡ液中の水ガラスの量は、水１００部に対して、２０〜１５０部が好ましく、３０〜１２０部がより好ましい。水ガラスの量が２０部未満だと濃度が薄く、凝結が悪いため固まらない場合があり、１５０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。

また、本発明で使用するＡ液の使用量は、Ｂ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。Ａ液が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部を超えると硬化時間が長く、長期強度も低いため実用性に乏しくなる場合がある。

本発明で使用するセメントは、特に制限は無く普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、高炉セメント、中庸熱セメント、エコセメントなどいずれもセメントでも良いが、中でも普通セメント及び高炉セメントが良好である。

また、本発明で使用するＢ液中のセメントの量は、水１００部に対して、１０〜２００部が好ましく、３０〜１００部がより好ましい。セメントの量が１０部未満では濃度が薄いため、凝結又は初期強度発現性が悪くなり、また２００部を超えるとスラリーの分散性が悪く混練りが困難となり、練れた場合でもスラリーの粘度が高いため施工上支障が生ずる場合がある。

また、本発明で使用する硬化剤は、カルシウムアルミネートシリケート類と硫酸カルシウムの含有物を水とセメント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ことが好ましい。

本発明で使用するカルシウムアルミネートシリケート類とは、カルシア（ＣａＯ）を含む原料と、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を含む原料およびシリカ質（ＳｉＯ₂等）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、ＣａＯ及び／又はＡｌ₂Ｏ₃の一部が、シリカ（ＳｉＯ₂等）で置換した化合物、あるいは、ＣａＯとＡｌ₂Ｏ₃とを主成分とするものに、シリカ（ＳｉＯ₂等）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。
また、カルシウムアルミネートシリケート類の粒度は、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、また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シリケート類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部を超えると短期強度発現性が悪くなる場合がある。

また、本発明で使用する硬化剤の使用量は、Ｂ液中のセメント１００部に対して、１０〜２００部が好ましく、２０〜１５０部がより好ましい。硬化剤の量が１０部未満では添加効果が無く、また、２００部を超えるとスラリーの粘度が高くなり施工性が悪くなるだけではなく、物性に関しても２００以上では変化が少ないため不経済となる。

本発明で使用する硬化調整剤とは、セメントスラリーに硬化剤を混合した場合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る。

本発明で使用する硬化調整剤は有機酸類の１種又は２種以上からなり、有機酸類としては、グルコン酸、酒石酸、クエン酸、リンゴ酸、及び乳酸又はこれらの塩等が挙げられ、これらの１種又は２種以上が使用可能で、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、クエン酸やその塩が好ましい。

硬化調整剤の使用量は、セメント１００部に対して、０．５〜１０部が好ましく、１〜５部がより好ましい。硬化調整剤の量が０．５部未満では硬化剤を入れたＢ液の練り置き時間の確保が困難となり、また、１０部を越えるとＢ液の練り置き時間はさらに長くなるが過剰遅延となり、スラリー中の粒子が沈降しやすくなりポンプやホースの閉塞等トラブルの要因となることや無駄にコストが高くなる場合がある。

本発明の注入剤の混合及び使用方法としては、練り水に所定量の水ガラス原液を入れ調整したものをＡ液とし、練り水に予め所定量の硬化調整剤を入れ、これにカルシウムアルミネートシリケート類と硫酸カルシウムの混合物を入れ、さらにセメントを入れたスラリーをＢ液とし、Ａ液とＢ液をそれぞれ混り練ぜた後、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）のが望ましく、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、実施例により本発明を詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

＜使用材料＞
水ガラス：ＪＩＳ珪酸ナトリウム３号（日本化学工業社品）
セメント：普通ポルトランドセメント（電気化学工業社品）
カルシウムアルミネートシリケート：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スラリーを混合後、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
安定性（耐久性）評価：打設後１日で脱型し水中養生を行なう。養生日数２８日で重量変化と外観変化を調べる。
施工性：施工機械を用いて十分な作業時間が確保でき、かつ止水剤としての目標の物性が確保できる範囲により判定する。

＜実験条件＞
Ａ液として水１００部に対してＪＩＳ３号水ガラスの添加量を変え濃度を調整した水ガラス水溶液２００ｍｌを作製した。また、所定のセメントと硬化剤混合物及び硬化調整剤を水に入れ調整したスラリー２００ｍｌをＢ液とし、このＡ液とＢ液を等量混合し物性を測定した。
なお、このときのＢ液は水１００部に対してセメント８０部と硬化剤混合物（カルシウムアルミネートシリケート１００部と無水石膏１００部の混合物）２０部と硬化調整剤０．８部（セメントに対して１部）の濃度に調整した。
また、試験は２０℃、相対湿度８０％の室内で行い、ゲルタイムと硬化体の圧縮強度及び安定性を測定し、施工性を判定した。結果を表１に示す。

表１より、セメントに硬化剤混合物と硬化調整剤を含むが水ガラスを添加しない注入剤（実験No．1−1）は、ゲルタイムが著しく長く、施工性が悪いことが分かる。
また、Ａ液中の水ガラスの添加量が増加するに従い、ゲルタイムが次第に長くなり、σ１日の圧縮強度は次第に増大するが、σ２８日の圧縮強度は、水ガラスの添加量が１００部の場合をピークに減少する傾向が見られ、１７５部添加したもの（実験No．1−6）は、養生中に硬化体が膨張破壊（表１中に「崩壊」と表示）した。したがって、水１００部に対して１５０部を超える水ガラスを添加することは好ましくない。
水ガラスの添加量が、２０〜１５０部のもの（実験No．1−2〜1−5）は、ゲルタイム、圧縮強度、施工性が良好である。

＜使用材料＞は実施例１と同じである。Ａ液として水１００部に対してＪＩＳ３号水ガラスの添加量を１００部入れ調整した水ガラス水溶液２００ｍｌを作製した。これに対しＢ液中の硬化剤の添加量およびセメントの量を変動させ、実施例１と同じ＜測定方法＞で物性を測定した。結果を表２に示す。

表２より、Ｂ液中にセメントを含むが硬化剤と硬化調整剤を含まない注入剤（実験No．2−1）は、ゲルタイムが長く、施工性が悪いことが分かる。
Ｂ液中に硬化剤と硬化調整剤を含むがセメントを含まない注入剤（実験No．2−7）は、ゲルタイムが著しく長く、圧縮強度も低く、施工性が悪いことが分かる。
また、Ｂ液中の硬化剤の添加量が増加するに従い、ゲルタイムが次第に短くなり、圧縮強度は次第に増大する。硬化剤の添加量が、セメント８０部（１００部）に対して、８〜１６０部（１０〜２００部）のもの（実験No．2−2〜2−6）は、ゲルタイム、圧縮強度、施工性が良好である。
さらに、Ｂ液中のセメントの量が増加するに従い、ゲルタイムが次第に短くなり、圧縮強度は次第に増大する。Ｂ液中のセメントの量が、水１００部に対して２０〜２００部ののもの（実験No．2−8〜2−11）は、ゲルタイム、圧縮強度、施工性が良好であるといえるが、セメントの量が２００部のもの（実験No.2−11）は、Ｂ液の粘度が高すぎるので、やや施工性に問題がある。

実施例１と同じ材料を使用し、Ｂ液中の硬化調整剤の添加量を変化させＢ液の練り置き保持時間の試験を行なった。結果を表３に示す。

表３より、Ｂ液中に硬化調整剤を含まない注入剤（実験No．3−1）は、練り置き保持時間が著しく短く、施工性が悪いことが分かる。
硬化調整剤の添加量が増加するに従い、練り置き保持時間は長くなるが、セメント１００部に対して１５．０部添加したもの（実験No．3−5）は、過剰遅延となり、スラリー中の粒子が沈殿固化してしまったので、セメント１００部に対して１０部を超える硬化調整剤を添加することは好ましくない。
硬化調整剤の添加量が、セメント１００部に対して１．０〜１０．０部のもの（実験No．3−2〜3−4）は、練り置き保持時間が長く、施工性が良好である。

Claims

Ａ液に珪酸ナトリウムを含む水溶液、Ｂ液にセメントと硬化剤及び硬化調整剤を含むスラリーを使用してなる地盤注入剤において、硬化剤がカルシウムアルミネートシリケート類と硫酸カルシウムの混合物からなることを特徴とする地盤注入剤。
前記硬化剤が、カルシウムアルミネートシリケート類１００質量部に対して硫酸カルシウム７０〜１５０質量部からなることを特徴とする請求項１に記載の地盤注入剤。
前記硬化剤を、Ｂ液中のセメント１００質量部に対して、１０〜２００質量部使用することを特徴とする請求項１又は２に記載の地盤注入剤。
前記硬化調整剤が有機酸類の１種又は２種以上からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の地盤注入剤。
前記硬化調整剤を、Ｂ液中のセメント１００質量部に対して、０．５〜１０質量部使用することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の地盤注入剤。
練り水に珪酸ナトリウムを入れ調整したものをＡ液とし、練り水に予め硬化調整剤を入れ、これにカルシウムアルミネートシリケート類と硫酸カルシウムの混合物を入れ、さらにセメントを入れたスラリーをＢ液とし、Ａ液とＢ液をそれぞれ混り練ぜた後、別々に圧送し、地盤注入前又は地盤注入後に混合することを特徴とする地盤注入工法。
前記硬化調整剤が有機酸類の１種又は２種以上からなることを特徴とする請求項６に記載の地盤注入工法。