JP5855859B2

JP5855859B2 - 地盤改良用注入材及びその製造方法

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Publication number: JP5855859B2
Application number: JP2011143191A
Authority: JP
Inventors: 大西　高明; 高明大西
Original assignee: ライト工業株式会社
Priority date: 2011-06-28
Filing date: 2011-06-28
Publication date: 2016-02-09
Anticipated expiration: 2031-06-28
Also published as: JP2013010829A

Description

本発明は、瞬結性の地盤改良用注入材及びその製造方法に関するものである。

従来から、地盤の性状を改良する地盤改良工法として、地盤にケーシング及び注入ロッドを挿入し、ケーシングを引き抜いた後、注入ロッドの注入口からセメントや水ガラス等の注入材（薬液）を注入する工法が存在する。また、この工法の一形態として、ゲルタイムの短い瞬結性の注入材と、ゲルタイムの長い長結性の注入材とを併用する工法が存在する（例えば、特許文献１等参照。）。この注入材併用工法においては、まず、瞬結性の注入材を一次注入して注入ロッド回りの閉塞や地盤の荒詰めを行い、次に、長結性の注入材を二次注入（浸透注入）して地盤固結体を造成する。

現在、この地盤改良工法においては、さまざまな成分の注入材が使用されており、その一例として、酸性シリカゾル（Ａ液）及び希釈水ガラス（Ｂ液）を２ショット注入してなる瞬結性注入材と、酸性シリカゾルからなる長結性注入材とを併用する形態が存在する（例えば、特許文献２の実施例４等参照。）。この工法においては、好ましくは瞬結性注入材のＡ液と長結性注入材とで同じ薬液（酸性シリカゾル）が使用される。また、この工法においては、地盤固結体の強度を高めるという観点から、通常、酸性シリカゾルのシリカ濃度が高く、例えば８％以上となるように設定されている。

しかしながら、実際の施工においては、地盤固結体の強度をそれほど高くする必要がない場合もある。そのような場合は、材料コストを下げるという観点から、酸性シリカゾルのシリカ濃度を下げるのが好ましいとされる。また、地盤に対する浸透性の観点からも、酸性シリカゾルのシリカ濃度を下げるのが好ましいとされる。しかるに、酸性シリカゾルのシリカ濃度を下げると、当該酸性シリカゾル及び希釈水ガラスを混合した際のゲルタイムが長くなり、瞬結性の注入材として使用できなくなる。

特開平１０−６０８７６号公報特開平６−４９８３７号公報

本発明が解決しようとする主たる課題は、酸性シリカゾルのシリカ濃度が低いにもかかわらず、当該酸性シリカゾルと希釈水ガラスとを混合した際のゲルタイムが短く、従って瞬結性注入材として使用することができる地盤改良用注入材を提供することにある。また、酸性シリカゾルのシリカ濃度を下げたとしても、当該酸性シリカゾルと希釈水ガラスとを混合した際のゲルタイムが短く保たれ、従って瞬結性注入材として使用することができる地盤改良用注入材の製造方法を提供することにある。

この課題を解決した本発明は、次の通りである。
［請求項１記載の発明］
水ガラス、酸及び水が配合されたシリカ濃度７％以下の酸性シリカゾルと、水ガラス及び水が配合された希釈水ガラスとが混合される地盤改良用注入材であって、
前記希釈水ガラスは、アルカリ金属塩が配合され、かつ水ガラスのモル比が３．５以上とされている、
ことを特徴とする地盤改良用注入材。

［請求項２記載の発明］
前記アルカリ金属塩は、水に対する濃度１％以上となるように配合されている、
請求項１記載の地盤改良用注入材。

［請求項３記載の発明］
前記アルカリ金属塩として、中性塩、かつアルカリ土類金属塩ではないアルカリ金属塩が使用されている、
請求項１又は請求項２記載の地盤改良用注入材。

［請求項４記載の発明］
水ガラス、酸及び水を配合して得た酸性シリカゾルと、水ガラス及び水を配合して得た希釈水ガラスとが混合される地盤改良用注入材の製造方法であって、
前記希釈水ガラスは、アルカリ金属塩を配合し、かつ水ガラスのモル比を３．５以上とする、
ことを特徴とする地盤改良用注入材の製造方法。

（主な作用効果）
酸性シリカゾル及び希釈水ガラスの少なくとも一方にアルカリ金属塩を配合することによって、酸性シリカゾルのシリカ濃度を下げたとしても、当該酸性シリカゾル及び希釈水ガラスを混合した際のゲルタイムが短く保たれる。なお、このゲルダイムが短く保たれるメカニズムは後述する。

本発明によると、酸性シリカゾルのシリカ濃度が低いにもかかわらず、当該酸性シリカゾルと希釈水ガラスとを混合した際のゲルタイムが短く、従って瞬結性注入材として使用することができる地盤改良用注入材となる。また、酸性シリカゾルのシリカ濃度を下げたとしても、当該酸性シリカゾルと希釈水ガラスとを混合した際のゲルタイムが短く保たれ、従って瞬結性注入材として使用することができる地盤改良用注入材の製造方法となる。

地盤改良用注入材の配合説明図である。

次に、本発明の実施の形態を説明する。
本形態の地盤改良用注入材（以下、単に「本注入材」ともいう。）は、ゲルタイムの短い、例えば、１０秒以下、好ましくは８秒以下の瞬結性注入材であり、酸性シリカゾル及び希釈水ガラスが２ショット注入される従来の瞬結性注入材を応用したものである。具体的には、図１に示すように、酸性シリカゾル及び希釈水ガラスの少なくとも一方にアルカリ金属塩を配合することによって、酸性シリカゾルのシリカ濃度を低くしたとしても、ゲルタイムが短く保たれるようにしたものである。以下、順に説明する。

［Ａ液（主材）］
本注入材のＡ液には、従来の酸性シリカゾルに配合されていた水ガラス、酸及び水のほか、必要によりアルカリ金属塩が配合される。このＡ液に配合される水ガラスとしては、例えば、ＪＩＳ１４０８に規定の珪酸ソーダ（ＸＮａ₂Ｏ・ＹＳｉＯ₂）相当品、すなわち、ＪＩＳ１号、２号、３号水ガラスや、珪素を溶解してモル比４以上の高モル比とした水ガラス、脱アルカリして高モル比とした水ガラス等を使用することができる。また、ナトリウム以外のアルカリ金属、例えば、カリウムやリチウム等を成分とする水ガラスも適宜選択して使用することができる。なお、ＪＩＳ３号水ガラスは、ＳｉＯ₂（２８〜３０質量％）、Ｎａ₂Ｏ（９〜１０質量％）とされた水ガラスであり、モル比が２．８〜３．３３とされる。

この水ガラスは、中和剤たる酸と配合（混合）して酸性シリカゾルを生成するが、この酸と配合する前に水と配合して希釈するのが好ましい。水ガラスを水で希釈しておくことで、酸と配合した際におけるゲル化を防止することができる。水ガラスの水による希釈は、シリカ濃度が２５（質量／容量）％以下となるように行うのが好ましく、１０〜２０（質量／容量）％となるように行うのがより好ましい。

ここで、水ガラスの希釈に使用する水は、水ガラスと配合するに先立って、アルカリ金属塩を配合（添加）しておくのが好ましい。このアルカリ金属塩の配合によって本注入材のゲルタイムを短く保つことができる。このアルカリ金属塩は、水に対して、例えば、濃度０．１〜１０％となるように、好ましくは１〜４％となるように配合することができる。ただし、瞬結性を示す本注入材のＡ液と長結性注入材とで同じ薬液が使用される場合は（図１参照）、塩害防止等の観点から、アルカリ金属塩は後述するＢ液に配合するものとし、Ａ液に配合する量は少なくし、又は配合しない方が好ましい。

なお、アルカリ金属塩の配合は、水ガラス及び水を配合するのと同時に、あるいは水ガラス及び水の配合に次いで行うこともできる。また、アルカリ金属塩の配合によってゲルタイムが短くなるとするメカニズムや、アルカリ金属塩の具体例等は、後述Ｂ液の詳細を説明する際に説明する。

以上のようにして水ガラス、水及びアルカリ金属塩を配合した混合液（アルカリ金属塩配合希釈水ガラス）には、中和剤たる酸を配合（混合）する。この配合は、得られるＡ液（アルカリ金属塩配合酸性シリカゾル）のｐＨが１〜４となるように行うのが好ましく、１．５〜２．５となるように行うのがより好ましい。ｐＨが１未満となるように配合すると、多量の余剰酸により地盤を酸性汚染するおそれがある。他方、ｐＨが４を超える配合では、Ａ液が不安定で作液時にゲル化するおそれがある。

水珪酸（Ｈ₂ＳｉＯ₂（ＯＨ）₂）の酸解離定数はｐＫａ₁＝９．８６、ｐＫａ₂＝１３．１であるので、アルカリ金属塩配合希釈水ガラスと配合する酸としては、その酸解離定数が９．８６以下の酸を使用するのが好ましい。酸解離定数が９．８６以下の酸としては、例えば、硫酸、塩酸、硝酸、リン酸、ギ酸、クエン酸等を例示することができる。ただし、コストの観点からは硫酸を使用するのが好ましく、安定性の観点からは塩酸を使用するのが好ましい。

これらの酸は、通常、水で希釈して使用され、例えば、７５％硫酸であれば１５〜６０Ｌ／ｍ³の割合でアルカリ金属塩配合希釈水ガラスと配合される。

［Ｂ液（反応材）］
本注入材のＢ液には、従来の希釈水ガラスに配合されていた水ガラス及び水のほか、必要によりアルカリ金属塩が配合される。このＢ液に配合される水ガラスとしては、Ａ液に配合される水ガラスと同様のものを使用することができる。ただし、Ｂ液に配合する水ガラスは、モル比が３．５以上であるのが好ましく３．６〜４．５であるのがより好ましい。水ガラスのモル比が３．３未満であると、アルカリ金属塩が配合された水と配合する際に、ゲル化が生じるおそれがある。

水ガラスの希釈に使用する水は、水ガラスと配合するに先立って、アルカリ金属塩を配合（添加）しておくのが好ましい。このアルカリ金属塩の配合によって本注入材のゲルタイムを短く保つことができる。このゲルタイムが短く保たれるメカニズムを以下、説明する。

酸性シリカゾル及び希釈水ガラスを混合するとゲル化する主な要因としては、中和反応、及び塩（電解質）の存在が考えられる。中和反応によるゲル化は、シリカがｐＨ６〜８で不安定になることを原因として生じるものである。また、塩の存在によるゲル化は、水ガラス及び酸を配合して酸性シリカゾルを得る際に、硫酸ナトリウム等のアルカリ金属塩が生成されることを原因として生じるものである。つまり、シリカは、アルカリ側においてＮａ⁺とＳｉＯ₃ ^2-とに電離することによって溶液状態を維持しているが、酸性シリカゾルに含まれるアルカリ金属塩によってＳｉＯ₃ ^2-の電荷バランスが崩れ、ゲル化が生じることになる。

この点、酸性シリカゾルのシリカ濃度が高い場合は、中和反応の進行が速く、また、酸性シリカゾルに含まれるアルカリ金属塩の濃度が高いため、当該アルカリ金属塩の存在によるゲル化の進行も速くなる。しかるに、シリカ濃度を下げるために、酸性シリカゾルを生成するために配合する水ガラスの量（配合割合）を減らすと、中和反応が遅くなり、また、中和に際して生成されるアルカリ金属塩の濃度が低くなるため、ゲル化の進行が遅くなる。なお、単に高モル比の水ガラスを使用しても、酸性シリカゾルに含まれるアルカリ金属塩の濃度が低くなるため、ゲル化の進行が遅くなる。

Ｂ液におけるアルカリ金属塩は、前述したＡ液におけるような塩害の問題が生じないため、水に対して、濃度１〜７％となるように配合するのが好ましく、濃度３〜６％となるように配合するのがより好ましい。なお、アルカリ金属塩の配合は、Ｂ液における場合も、水ガラス及び水を配合するのと同時に、あるいは水ガラス及び水の配合に次いで行うことができる。

Ａ液における場合も、Ｂ液における場合も、アルカリ金属塩としては、酸性シリカゾルや希釈水ガラスと配合して不均一にゲル化しないものを使用するのが好ましい。したがって、ｐＨが変化するとゲルが生じ易くなるという観点から、中性塩を使用するのが好ましい。また、シリカとの反応性という観点からは、アルカリ土類金属塩ではなくアルカリ金属塩を使用するのが好ましい。なお、アルカリ土類金属塩を使用すると、不均一にゲル化するおそれがある。

中性のアルカリ金属塩としては、種々存在するが、塩化ナトリウム、硫酸ナトリウム、硝酸ナトリウム、塩化カリウム、硫酸カリウム、硝酸カリウム、塩化リチウム、硫酸リチウム、硝酸リチウムの群から選択されたいずれか一種以上を使用するのが好ましい。ただし、アルカリ塩ではあるが、クエン酸ナトリウム、クエン酸カリウム、リンゴ酸ナトリウム、リンゴ酸カリウム、リン酸ナトリウム及びリン酸カリウムも好適に使用することができ、これらのアルカリ塩及び上記中性塩の群から選択されたいずれか一種以上を使用するのが好ましい。

［適用例］
本注入材は、Ａ液（主材）及びＢ液（反応材）が２ショット注入されてなるものであり、前述特許文献１（特開平１０−６０８７６号公報）に開示されるようなロッド注入工法の瞬結性注入材（一次注入材）として使用することができるほか、特開平９−３８６８号公報に開示されるような二重管ダブルパッカー注入工法の瞬結性注入材としても使用することができる。本注入材によって注入管（注入ロッドやマンシェットチューブ等）回りの閉塞や地盤の荒詰め等が行われる。また、本注入材のＡ液は、そのままの状態で長結性注入材（二次注入材）としても使用することができ、土粒子間に浸透注入されることによって地盤固結体が造成される。

次に、本発明の実施例を説明する。
水ガラス、７５％硫酸、塩化ナトリウム及び水が配合されたＡ液（主材）と、水ガラス、塩化ナトリウム及び水が配合されたＢ液（反応材）とを２：１の容量割合で混合し、得られた混合液についてゲルタイムを測定した。Ａ液の配合割合を表１に、Ｂ液の配合割合を表２に示し、結果を表３に示した。

表１のＡ１〜Ａ４は塩化ナトリウムを配合しない作液例であり、水ガラスの配合量を変化させることによって、シリカ濃度を変化させている。また、表１のＡ５〜Ａ７は塩化ナトリウムを配合した作液例であり、塩化ナトリウムの配合量を変化させている。このＡ５〜Ａ７の作液例は、Ａ４の作液例と水ガラスの配合量を同一としており、従ってシリカ濃度も同一である。

一方、表２のＢ２〜Ｂ４は塩化ナトリウムを配合した作液例であり、塩化ナトリウムの配合量を変化させている。このＢ２〜Ｂ４の作液例は、塩化ナトリウムを配合しない作液例であるＢ１と水ガラスの配合量を同一としており、従ってシリカ濃度も同一である。以上Ｂ１〜Ｂ４の作液例は、作液の際にゲル化するのを避けるために、水ガラスとして５号水ガラスを使用している。ただし、比較のために水ガラスとして３号水ガラスを使用した作液例Ｂ５を示しており、この作液例Ｂ５は塩化ナトリウムも配合されておらず、従来のＢ液（希釈水ガラス）を示すものとなっている。

なお、３号水ガラスの物性はＳｉＯ₂ ２８．５％、Ｎａ₂Ｏ９．３％、モル比３．２であり、５号水ガラスの物性はＳｉＯ₂ ２５．５％、Ｎａ₂Ｏ７．１％、モル比３．７であった。

（考察）
表３の測定結果から、Ａ液のシリカ濃度が低くなると（作液例Ａ３，Ａ４）ゲルタイムが長くなるが、塩化ナトリウムの配合によってゲルタイムを短くできることが知見された。また、Ｂ液に塩化ナトリウムを配合しない場合（作液例Ｂ１）の結果から、Ａ液に塩化ナトリウムを配合してもゲルタイムを短くできることが知見された。ただし、Ａ液に塩化ナトリウムを配合すると、前述したように塩害の問題が生じるため、Ｂ液に塩化ナトリウムを配合する方が好適である。

本発明は、ロッド注入工法や二重管ダブルパッカー注入工法の瞬結性注入材、及びその製造方法として適用可能である。

Claims

水ガラス、酸及び水が配合されたシリカ濃度７％以下の酸性シリカゾルと、水ガラス及び水が配合された希釈水ガラスとが混合される地盤改良用注入材であって、
前記希釈水ガラスは、アルカリ金属塩が配合され、かつ水ガラスのモル比が３．５以上とされている、
ことを特徴とする地盤改良用注入材。
前記アルカリ金属塩は、水に対する濃度１％以上となるように配合されている、
請求項１記載の地盤改良用注入材。
前記アルカリ金属塩として、中性塩、かつアルカリ土類金属塩ではないアルカリ金属塩が使用されている、
請求項１又は請求項２記載の地盤改良用注入材。
水ガラス、酸及び水を配合して得た酸性シリカゾルと、水ガラス及び水を配合して得た希釈水ガラスとが混合される地盤改良用注入材の製造方法であって、
前記希釈水ガラスは、アルカリ金属塩を配合し、かつ水ガラスのモル比を３．５以上とする、
ことを特徴とする地盤改良用注入材の製造方法。