JP4164172B2

JP4164172B2 - 地盤注入用薬液

Info

Publication number: JP4164172B2
Application number: JP28761198A
Authority: JP
Inventors: 武司宮本; 彰関根; 茂塚原; 康弘阿部; 嘉郎金田
Original assignee: Nippon Chemical Industrial Co Ltd; Shimizu Corp
Current assignee: Nippon Chemical Industrial Co Ltd; Shimizu Corp
Priority date: 1998-10-09
Filing date: 1998-10-09
Publication date: 2008-10-08
Anticipated expiration: 2018-10-09
Also published as: JP2000109834A

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、既設構造物の下の地盤の強化、止水及び／又は液状化防止の地盤改良材として特に有用な地盤注入用薬液、更に詳しくは、コロイダルシリカ又は酸性シリカゾルとは異なり、ホモゲルのゲル化時間が長く、実用的な圧縮強度が得られる地盤注入用薬液に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の地盤注入材としては、水ガラスを主剤としたものが多用され、その硬化剤（ゲル化剤）にはポルトランドセメント、消石灰、鉄鋼スラグ等のカルシウム塩類や、硫酸水素ナトリウム、硫酸マグネシウム等の無機塩類、リン酸等の各種酸類、グリオキザール、エチレンカーボネートなどの有機酸、エステル類が使用されてきた。しかし、水ガラスを使用する方法は、既に多数の文献で紹介されているように、耐久性等に問題があり、仮設材としての価値しか認められていない。そのため水ガラスのアルカリ分を嫌って、水ガラスに酸性反応剤を作用させて中性乃至酸性に調整した薬液を注入する方法が種々提案されている。しかしながら、該注入材を中性付近に調整したものは、瞬時に硬化するため注入材としての施工方法が限定される。また、酸性に調整したものは水ガラスと硬化剤との反応により生ずるＮａ_２ＳＯ_４等の水溶性の塩類が薬液が固結した後にも溶出することになり、このため地下構造物を腐食したり、あるいは水質変化が生じる等の環境上の問題がある。
【０００３】
そこで、コロイダルシリカを主剤とした地盤注入材も幾つか提案されている。例えば、中性のシリカゾルを主剤とし、硬化剤として多価金属の無機塩を含む地盤注入材（特開昭５４−７３４０７号公報）、珪酸のコロイド溶液とアルカリ金属中性塩を混合してゲル化時間を２０時間以内に調整した注入材を地盤に注入する地盤固結法（特公平２−２２１１５号公報）等が提案されている。また、コロイダルシリカに酸を添加するものとして、ｐＨが４〜７およびゲル化時間が２０時間以内に調整された珪酸コロイド溶液を用いることを特徴とする地盤注入工法（特開昭５９−９３７８６号公報）、珪酸のコロイド溶液と酸とアルカリ金属中性塩を混合して得られる地盤注入用薬液（特公昭６４−８６７７号公報）、珪酸のコロイド溶液および酸性反応剤を混合して得られる酸性コロイダルシリカと水ガラスとからなる地盤注入用薬液（特公平７−１０９７７号公報）等が提案されている。
【０００４】
ここで言うコロイダルシリカは一般的にシリカゾルと称して市販されている商品であり、通常イオン交換樹脂に珪酸ソーダを通して得た活性珪酸を加熱等により安定化したものであって平均粒子径が１０〜２０ｎｍのものが通常用いられている。
【０００５】
一方、酸性シリカゾルやコロイダルシリカとは別に、活性珪酸水溶液を主剤とした地盤改良材も幾つか提案されている。例えば、特公平３−２０４３０号公報及び特公平１−５５６７９号公報には、実質的に塩を含まない活性珪酸水溶液（ｐＨ２〜４）を主剤とする地盤改良材が提案されている。
【０００６】
これら従来提案されている薬液は、ゲルタイムが長いものでも２０時間程度であり、このため一つの注入口から注入できる薬液の量は数立方メートルで、地盤の改良範囲は、たかだか注入孔から半径１ｍ付近までに限られるため、幅が数メートルもあるような既設構造物の下の地盤を改良する場合には、既設構造物の床に多数の穴を空け、そこに薬液を流し込む等の煩雑な手段により地盤の改良が計られる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
既設構造物の液状化防止対策として、薬液注入工法を用いる場合には、より作業を簡素化するため薬液の地盤への浸透距離の大幅な増大が必要であり、ゲル化時間が極めて長く耐久性の優れた地盤注入用薬液が求められている。
【０００８】
水ガラスや酸性シリカゾルを主剤とする注入材は、それ自体の耐久性や注入材に接する構造物の耐久性に問題があること、およびコロイダルシリカを主剤とする注入材は活性珪酸を主剤とする注入材と比較してゲルの強度が弱く、ゲル化時間が長い物ほどゲルの強度が弱い傾向があり、また、実用的な固結強度を得るには、高濃度のシリカ分を必要とするだけでなく、コロイダルシリカは、上記したように、活性珪酸を更に、煩雑な手段により安定化したものもので、工業的には製造工程が複雑となり不利である。
また、これまでに提案された注入材もゲル化時間は長いものでも２０時間が限度とされ、本発明が提案するようなホモゲルのゲル化時間が２日以上で、かつ実用的なゲル化強度が得られる地盤注入用薬液はこれまで知られていない。
従って、本発明は、ゲル化時間が長く、かつ実用的な圧縮強度が得られる耐久性の優れた地盤注入用薬液を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、特に既設構造物の下部の地盤を改良する場合に、既設構造物の床に多数の穴を空けずに済むようなゲル化時間が極めて長く耐久性の優れた地盤注入用薬液について鋭意研究を重ねた結果、極めて長いゲル化時間を有しかつ十分なゲル強度が得られる地盤注入材を見出し、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明は、活性珪酸水溶液と酸性シリカゾル水溶液とを有効成分とする地盤注入用薬液であって、酸性シリカゾル水溶液の配合割合が、活性珪酸水溶液中の全ＳｉＯ ₂ の２〜２００重量％であることを特徴とする地盤注入用薬液を提供するものであり、この本発明の地盤注入用薬液を使用することによって、ホモゲル（地盤注入前の状態で薬液を反応させて得られるゲル）のゲル化時間を極めて長くすることができ、しかも、コロイダルシリカ系のグラウトに比べ、低濃度のシリカ分で実用的なゲルの強度が得られ、更にサンドゲルの圧縮強度も実用的な０．５ｋｇｆ／ｃｍ²以上とすることができ、特に既設構造物の下部の地盤の改良材として有用である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の地盤注入用薬液は、活性珪酸水溶液のシリカ源の一部代替、もしくは、安定剤として酸性シリカゾル水溶液を用いたところに特徴がある。
本発明で用いる活性珪酸水溶液は、コロイダルシリカの前駆体と言うべき、不安定な珪酸水溶液で、珪酸ソーダなどの水溶性珪酸塩をイオン交換法、解膠法、電気泳動法、電気透析法等によってアルカリイオンを除去することによって得られ、該水溶液中には実質的に塩を含有しないものである。物性的には、該水溶液のｐＨ２〜４のもので、水溶液中の珪酸原子には縮合に関与できるシラノール基を１コ以上有し、分子量１０００以下の珪酸水溶液で、平均分子径がコロイダルシリカより微細な１〜２ｎｍの珪酸縮合体を含有する珪酸水溶液で、ＳｉＯ_２の濃度が１２重量％以下、好ましくは、２〜１０重量％以下のものが好ましい。
また、本発明では、該活性珪酸水溶液に酸性反応剤を加えて、活性珪酸水溶液を安定化させたものを用いてもよい。この場合、ｐＨを２以下に調整することにより、長時間安定であり、必ずしも現場で製造しなくてもよく、工場で生産することができる。
【００１１】
又、本発明で使用する酸性シリカゾルは、珪酸ソーダなどのいわゆる水溶性珪酸塩と硫酸などの酸を混合し、ｐＨを酸性領域として得られるものであり珪酸ソーダに由来する多量のナトリウム成分が含まれるものである。特に酸性シリカゾルとしては、下記の酸性反応剤を加えて酸性とした水溶液に、珪酸ソーダ、珪酸カリ等の珪酸アルカリを加えて生成されるｐＨ４未満、好ましくはｐＨ３未満としたものを用いることが好ましい。
酸性シリカゾル水溶液のｐＨを４未満とした理由は、本発明で使用する活性珪酸水溶液のｐＨが通常２〜４であるため、一緒に用いる酸性シリカゾル水溶液がｐＨ４より大きくなると活性珪酸が不安定となってゲル化時間が短くなる傾向があるので好ましくないからである。
【００１２】
一方、地盤改良材として広く使用されているコロイダルシリカは、通常珪酸ソーダをイオン交換樹脂に通して得られる活性珪酸に少量のナトリウムイオン等を加えて加熱しシリカの核を形成し、これにさらに活性珪酸を加えて安定化するなどの方法によって、縮合して安定化したもので、通常数ｎｍ〜数十ｎｍの粒子径を持ち、ｐＨは４〜１０のものであり、ゾル状態、即ちコロイド粒子が液体に分散していて流動性を示している状態のものを言い、本発明で用いる活性珪酸や酸性シリカゾルとは明らかに異なる。
【００１３】
上記した活性珪酸および酸性シリカゾルのｐＨの調整等のために用いる酸性反応剤としては、例えば硫酸、塩酸、リン酸等の無機酸、クエン酸、グルコン酸等の有機酸等が挙げられ、この中、構造物に対して腐食の影響が少ないリン酸が特に好ましく用いられる。
本発明の地盤注入用薬液において活性珪酸水溶液に対する酸性シリカゾル水溶液の配合割合は、通常活性珪酸水溶液中の全ＳｉＯ_２の量を基準としてその２〜２００ｗｔ％、好ましくは１０〜２００ｗｔ％である。この理由は、酸性シリカゾルの量が、２００ｗｔ％より大きくなると、酸性シリカゾルに含まれるＮａ_２ＳＯ_４成分により、地下構造物を腐食したり、水質変化が生じるため好ましくないからである。また、酸性シリカゾル水溶液のＳｉＯ_２の量が２ｗｔ％未満では、混合液のｐＨが高くなる傾向となり、長いゲル化時間を得ることが困難となる。
本発明にかかる地盤注入用薬液は、ｐＨは４未満、好ましくは２未満のものが好ましい。従って、ｐＨを調整する目的で、上記した酸性反応剤を後に本発明の薬液に添加してもよい。ｐＨを４未満とする理由は、このｐＨが４より大きくなると、ゲル化時間が短くなる傾向があるためである。また、ホモゲルのゲル化時間は、該地盤注入用薬液のｐＨにより影響するが、通常２日以上、好ましくは１０日以上のものが好ましい。
本発明は、上述のように、ｐＨを調整することによりゲル化時間を任意に調整することができ、そのｐＨ調整は、改良する地盤の特性に応じて適宜選択すればよい。また、本発明の薬液を使用した固結砂の一軸圧縮強度は、ＪＩＳＡ１２１６「土の一軸圧縮試験法」に準じた測定法で、通常０．５ｋｇｆ／ｃｍ^２以上が好ましい。
【００１４】
また、上記２成分の他に、助剤として、硫酸アルミニウム、塩化マグネシウム、炭酸水素ナトリウム、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、塩化カリウム、塩化カルシウム等の無機塩が配合されていても差し支えない。
本発明では、更に、例えばＥＤＴＡ、ポリリン酸塩、ポリカルボン酸等の金属イオン封鎖材、Ｎ，Ｎ'ジブチルチオ尿素、Ｎ，Ｎ'ジエチルチオ尿素、ジベンジルスルホキシド、Ｎ−ドデシルピリジウムクロライド、Ｎ−セチルピリジウムクロライド金属等の腐食防止剤、エチレングリコール、ジエチレングリコール、グリセリン、カゼイン、尿素等の珪酸イオンの重合抑制剤等が配合されていても差し支えない。
【００１５】
本発明の薬液の調製方法としては、活性珪酸水溶液に酸性シリカゾル水溶液を加えても、酸性シリカゾル水溶液に活性珪酸水溶液を加えてもよい。更に，必要に応じて、ｐＨを調整するための上記の酸性反応剤および各種助剤を加えて本発明の地盤注入用薬液とすることができる。
本発明の地盤注入用薬液は、ゲル化時間が極めて長いので、例えば、既設構造物の液状化防止、既設構造物下の地盤の強化や止水等の地盤改良材として好適に用いることができる。
【００１６】
次に、本発明の地盤改良材を用いた注入工法について説明する。
本発明に係る地盤注入用薬液は、上記したように長いゲル化時間を有するので、注入管内で薬液が固結することがないことから、該薬液の混合方式としては、特に限定なく、例えば、１液１工程注入（１ショット法）、２液１工程注入（１．５ショット法）、２液２工程注入（２ショット法）の何れの混合方式でも差し支えない。
該薬液の注入方式としては、公知の注入方式を適用でき、例えば二重管ストレーナー方式と二重管ダブルパッカー方式等が挙げられる。また、パッカーにより注入管口元をシールすること等により単管ロッド方式でも適用できる。
なお、該薬液は、酸性溶液の状態で使用されるが、通常使用される耐酸性の注入機械を使用することにより、装置等の問題なく注入することができる。
【００１７】
本発明の地盤注入用薬液は、ゲル化時間が、従来のものと比べて非常に長いにもかかわらず、実用的な圧縮強度が得られることが最大の特徴である。従って、本発明の地盤注入用薬液は、幅が１０ｍ程度の既設構造物であれば、構造物の外周から該薬液を注入することができ、既設構造物の床に穴を空けるような施行方法をとらずにその下部の地盤を改良することができる。また、低い圧力で、長い時間をかけて地盤に注入することができることから、既設構造物や近傍への悪影響を及ぼす恐れが少なく、しかも、浸透注入状態が得られるため、浸透理論による解析が適用でき、注入範囲の予測が可能となる。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。尚、各実施例中、％は重量パーセントである。
【００１９】
＜活性珪酸水溶液の調製＞
ＪＩＳＫ１４０８号に規定する珪酸ソーダ３号（ＪＩＳ珪酸ソーダ３号という）を水で希釈してＳｉＯ_２濃度を３％に調整した珪酸ソーダ水溶液１５００ｍＬを、陽イオン交換樹脂（アンバーライトＩＲ１２０Ｂ；オルガノ（株）社製）１０００ｍＬに通して活性珪酸水溶液を得た。この水溶液のｐＨは２．５であった。
【００２０】
＜酸性シリカゾルの調製＞
５７％硫酸７０Ｌに水４３０Ｌを加えた硫酸水溶液を激しく攪拌しながら、これに、ＪＩＳ珪酸ソーダ３号２５０Ｌに水２５０Ｌを加えた珪酸ソーダ水溶液５００Ｌを除々に滴下して、酸性シリカゾル水溶液を調製した。この水溶液のｐＨは１．５、全ＳｉＯ_２濃度は１０％であった。
【００２１】
実施例１〜２：
上記のようにして得た活性珪酸水溶液とＪＩＳ珪酸ソーダ３号の２０％水溶液を用いて、表１に示す組成のＡ液及びＢ液を調製した。またこのＡ液とＢ液を混合した薬液のｐＨ及び及びＳｉＯ_２濃度を表１に示す。
【００２２】
実施例３〜５：
上記のようにして調製した活性珪酸水溶液と酸性シリカゾル水溶液とを用いて、表２に示す組成のＡ液及びＢ液を調製した。またこのＡ液とＢ液を混合した薬液のｐＨ及びＳｉＯ_２濃度を表２に示す。
【００２３】
【表１】

【００２４】
【表２】

【００２５】
比較例１〜３
３０％コロイダルシリカ水溶液と上記のようにして調製した実施例３〜５と同じ酸性シリカゾル水溶液を用いて表３に示す組成のＡ液及びＢ液を調製した。またこのＡ液とＢ液を混合した薬液のｐＨ及びＳｉＯ_２濃度を表３に示す。
【００２６】
【表３】

【００２７】
＜ホモゲルのゲル化時間の測定＞
実施例１〜５及び比較例１〜３で調製したＡ液及びＢ液を混合した薬液をそれぞれ容器に移して室温でゲル化反応を行い、ホモゲルが得られるまでのゲル化時間を測定した。その結果を表４に示す。なお、ゲル化時間は、薬液を混合後、容器を傾けても中の薬液が流動しなくなった状態までの時間とした。
【００２８】
＜サンドゲルの一軸圧縮強度の測定＞
また、実施例１〜５及び比較例１〜３で調製したＡ液及びＢ液を混合した薬液１００ｍＬを、５ｃｍΦ×２０ｃｍＬの型枠に豊浦標準砂を１０ｃｍの高さまで詰めた砂層に注ぎ入れ、砂層の固化反応を行った（サンドゲル）。薬液の注入１日後、７日後、２８日後のサンドゲルの一軸圧縮強度をＪＩＳＡ１２１６に準じて測定した。その結果を表４に示す。
【００２９】
【表４】

【００３０】
尚、実施例３〜５及び比較例１のサンプルについては、１日後はまだ固化が完了せず一軸圧縮強度は測定できなかった。
表４の結果より、本発明の地盤注入用薬液は、コロイダルシリカと酸性シリカゾルを用いた系と比べて、ホモゲルのゲル化時間が長く、シリカ濃度が低いにもかかわらず実用的な圧縮強度が得られることが分かる。
【００３１】
【発明の効果】
上記したとおり、本発明の地盤注入用薬液は活性珪酸水溶液と酸性シリカゾル水溶液とを有効成分とし、従来の地盤注入用薬液と比べて、ホモゲルのゲル化時間が、２日以上という極めて長い時間が得られ、それにも拘わらず１．０ｋｇｆ／ｃｍ^２以上という十分に実用的な圧縮強度のものが得られる。
従来の酸性シリカゾル系薬液に比べてＮａ₂ＳＯ₄等の水溶性塩類の含有量を低減でき、酸性シリカゾルと比べて耐久性を向上することができ、コロイダルシリカ系薬液よりも安価に供給できる。
また、ゲルタイムが極めて長い薬液が作成可能なので、幅が１０ｍ程度までの既設構造物であれば、構造物外周から低い圧力で長時間かけて薬液注入でき、既設構造物や近傍の付帯設備などに有害な変状を及ぼすことなく、既設構造物下部の地盤強化や止水が可能となる。

Claims

活性珪酸水溶液と酸性シリカゾル水溶液とを有効成分とする地盤注入用薬液であって、酸性シリカゾル水溶液の配合割合が、活性珪酸水溶液中の全ＳｉＯ ₂ の２〜２００重量％であることを特徴とする地盤注入用薬液。
地盤注入用薬液のｐＨが４未満である請求項１に記載の地盤注入用薬液。
さらに無機塩類を含有する請求項１又は２に記載の地盤注入用薬液。