JP6938742B1 - 地盤改良材料スラリー、地盤改良材料硬化物、および地盤改良方法 - Google Patents
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Abstract
Description
そこで、特許文献3には、地盤注入直後から速やかに地盤改良効果が発現するとともに、地盤注入前においては充分な可使時間を確保できる、新たな2液タイプの地盤注入材を提供するカルシウムアルミネートおよびカルボン酸塩を含有する粉体材料Aと水との混合スラリーであるA液と、セメントを含有する粉体材料Bと水との混合スラリーであるB液と、を含む2液型の地盤注入材であって、A液とB液とを混合して、特定の手順により測定されるゲルタイムが1秒以上30秒以下である地盤注入材が記載されている。しかし、これらの特許には、トンネル構造物に使用されるコンクリート鉄筋やロックボルトなどの耐久性が求められる金属部材における発錆の防止効果を有する地盤改良材は記載されていない。
すなわち、本発明は下記のとおりである。
[2] さらに、凝結調整剤を含む[1]に記載の地盤改良材料スラリー。
[3] さらに、ミョウバンを含む[1]又は[2]に記載の地盤改良材料スラリー。
[4] さらに、添加剤を含み、前記添加剤は、石膏を除く硫酸塩、亜硫酸塩、および、チオ硫酸塩からなる群から選ばれる少なくとも1種である[1]〜[3]のいずれかに記載の地盤改良材料スラリー。
[5] 前記硫酸塩が、硫酸第一鉄及び硫酸第二鉄からなる群から選ばれる少なくとも1種であり、前記チオ硫酸塩が、チオ硫酸ナトリウムおよびチオ硫酸カルシウムからなる群から選ばれる少なくとも1種であり、前記亜硫酸塩が、亜硫酸ナトリウムおよび亜硫酸カルシウムからなる群から選ばれる少なくとも1種である[4]に記載の地盤改良材料スラリー。
[6] 前記添加剤中に、前記チオ硫酸塩と、前記亜硫酸塩と、ホウ素とを含み、かつ、前記添加剤中の前記チオ硫酸塩の含有量をX(質量%)、前記亜硫酸塩の含有量をY(質量%)としたとき、X及びYが、10≦X/Y≦100を満たす[4]又は[5]に記載の地盤改良材料スラリー。
[7] JIS K 0102に準拠して測定される、前記ホウ素の含有量が、0.01mg/L以上5.0mg/L以下である[6]に記載の地盤改良材料スラリー。
[8] [1]〜[7]のいずれかに記載の地盤改良材料スラリーの硬化物を含む地盤改良材料硬化物。
[9] [1]〜[7]のいずれかに記載の地盤改良材料スラリーにより地盤を改良する地盤改良方法。
本明細書中、温度条件により変動し得る値については、特に断りの無い限り、20℃の条件下での値を採用するものとする。
カルシウムアルミネートとは、水硬性材料の技術分野において、酸化アルミニウム(Al2O3)と酸化カルシウム(CaO)を主成分として含み、水和活性を有する物質を総称するものである。ここで、「主成分」とは、カルシウムアルミネート全体中の酸化アルミニウムと酸化カルシウムの合計含量が、例えば50質量%以上、好ましくは70質量%以上、より好ましくは90質量%以上であることを意味する。
カルシウムアルミネート中の不純物の含有率は、蛍光X線分析により測定して求めることができる。
ガラス化率χ(%)=100×(1−S/S0)
アルミナセメントの具体例としては、アルミナセメント1号、アルミナセメント2号などを挙げることができる。これらは、デンカ株式会社やAGC株式会社から購入可能である。
地盤改良材料スラリーは、石膏を含むことにより、可使時間を長く設計しやすく、操作性が向上する。
使用可能なセメントは、特に限定されない。具体的には、普通、早強、超早強、低熱、および中庸熱等の各種ポルトランドセメントや、これらポルトランドセメントに、高炉スラグ、フライアッシュ又はシリカを混合した各種混合セメント、石灰石粉末や石膏や高炉徐冷スラグ微粉末等を混合したフィラーセメント、ならびに、都市ゴミ焼却灰や下水汚泥焼却灰を原料として製造された環境調和型セメント(エコセメント)等のポルトランドセメント、ならびに、市販されているセメント系固化材、市販されている微粒子セメント等が挙げられる。(なお、カルシウムアルミネートを意味するアルミナセメントは、好ましくは、ここでのセメントからは除かれる)。
可使時間の調整や、硬化性の調整などを目的として、凝結調整剤を含んでもよい。なお、特に、凝結調整剤は、予め含めておいてもよいし、調製する際に添加してもよい。
地盤改良材料スラリーは、好ましくはミョウバンを含む。本発明者らの知見として、ミョウバンを含むことにより、硬化をより早めることができる。そして、より早く地盤改良効果を得ることができる。
添加剤は、石膏を除く硫酸塩、亜硫酸塩、および、チオ硫酸塩からなる群から選ばれる少なくとも1種である。地盤改良材料スラリー中のこれら添加剤の量(複数種ある場合はその合計)は、0.0001質量%以上10質量%以下、好ましくは0.001質量%以上8質量%以下、より好ましくは0.01質量%以上5質量%以下である。
添加剤は、石膏を除く硫酸塩を含む液状組成物で構成されてもよい。
また、添加剤は、チオ硫酸塩、亜硫酸塩、およびホウ素を含む液状組成物で構成されてもよい。これにより、セメント中への分散性を高められる。液状の添加剤は、これらの成分と水とを含む水溶液で構成されてもよい。
(1)まず、添加剤からなる試料10mlを、ホールピペットを用いてメスフラスコに入れ、水を添加して全量を500mlとし、これらを施栓混合して、混合物を得る。
(2)続いて、300mlコニカルビーカーに、約100mlの水を入れ、(1)の混合物20mlをホールピペットを用いて加え、サンプルを得る。このサンプルを2つ準備する。
(3)(2)の一方のサンプルに、20%酢酸5mlを加えて混合する。
(4)(2)のもう一方のサンプルに、20%酢酸5ml、37%ホルマリン5mlを加えて混合し、2〜3分放置する。
(5)デンプン溶液を指示薬として、N/10ヨウ素溶液で(3)のサンプルを滴定し、その添加量をAmlとし、同様にして、(4)のサンプルを滴定し、その添加量をBmlとする。
(6)下記の式に基づいて、添加剤中の亜硫酸塩、チオ硫酸塩の含有量を算出する。
・Na2S2O3:w/w%=B×f×3.953÷比重
・Na2SO3:w/w%=(A−B)×f×1.576÷比重
・f:N/10 ヨウ素溶液ファクター
前述のように、地盤改良材料スラリーは、カルシウムアルミネート、石膏、および、セメントを水と、適宜添加剤等を混合したスラリー状のものである。カルシウムアルミネート、石膏、および、セメントを水と混合して地盤改良材料スラリーとする際の水の量は、所望の流動性、ポンプでの圧送性、地盤への注入性などにより適宜調整すればよい。水の量は、地盤改良材料スラリー全体中、例えば10質量%以上95質量%以下、好ましくは50質量%以上90質量%以下となるような量で調整することができる。
地盤改良材料スラリーの製造方法は特に限定されない。カルシウムアルミネート、石膏、および、セメントを水に投入し、混合して調製すればよい。なお、製造安定性や、意図せぬ凝固やゲル化の防止などの点で、地盤改良材料スラリーが凝結調整剤を含む場合は、まず、凝結調整剤を水に投入し、その後、他の成分を水に投入するという順序で地盤改良材料スラリーを得ることが好ましい。また、ミョウバンを用いる際は、予め地盤改良材料スラリー中の粉体成分(固形分)にミョウバンを含めておいてもよいし、調製の際に、別材料としてミョウバンを加えてもよい。また、添加剤を用いる際は、まず、添加剤を水に投入し、その後、他の成分を水に投入するという順序で地盤改良材料スラリーを得ることが好ましい。混合には、本技術分野で公知の各種ミキサー等を用いることができる。
(地盤改良材料スラリーの調製)
まず、カルシウムアルミネート、石膏、セメント、およびカリウムミョウバンは、プロシェアミキサ(WB型、太平洋機工株式会社製)を用いて混合した。その後、水中に、凝結調整剤(デンカ株式会社製、デンカセッターD−100)、および、上記の混合物をこの順に投入し、十分に練り合わせ、地盤改良材料スラリーを得た。地盤改良材料スラリー中の各成分の量は表1に記載のとおりである。塩素量はカルシウムアルミネート、石膏、および、セメントの塩素量を測定し、不足分は塩素含有混和剤(材質名:塩化ナトリウム)を粉体の混合時に添加して調整した。調製した地盤改良材料スラリーのORPは酸素でバブリングさせ調整した。
セメントとしては、実験No.1−1〜1−5、1−7〜1−12、1−14、2−1〜2−9では普通ポルトランドセメント(デンカ株式会社製)を用い、実験No.1−6、1−13では、試製セメント(セメント工場の調合原料及び化学成分の調整に各種市販の純薬を用い、SO3量の調整には純薬の無水石膏を用いて調製したセメント、塩素量1.5ppm、ブレーン値3,450cm2/g)を用いた。
また、カルシウムアルミネートは、原料として、炭酸カルシウムと酸化アルミニウムを使用した。CaO/Al2O3モル比を変え、1650℃で溶融後、冷却速度を調整して、表1に示すガラス化率のカルシウムアルミネートを調製した。ブレーン比表面積値は、5000〜6000cm2であった。実験No.1−5、1−12は、不純物含有量が表1に示す量となるように、珪砂、酸化マグネシウム、酸化硫黄を添加し、焼成した。
カルシウムアルミネートの不純物としては、酸化ケイ素、酸化マグネシウム、酸化硫黄であり、これらは蛍光X線分析により測定し、その合計含有量(不純物含有量)を求めた。
JIS R 5201に準じて強度を測定した。具体的には、地盤改良材料スラリーの組成物を用いて、縦4cm×横4cm×高さ16cmの試験体を作製し、地盤改良材料スラリーの調製から30分後、1時間後および1日後の圧縮強度を測定した。
そして、材齢1時間から材齢1日にかけての初期強度の増進率を下記式1から求めた。[式1] 圧縮強度の増進率(倍)=(材齢1日の圧縮強度−材齢1時間の圧縮強度)/材齢1時間の圧縮強度
直径5cmの土木学会基準のビニル袋に浸透長さ測定用砂を20cmになるように充填し、地盤改良材料スラリーを調製した直後のスラリー200mlを上部面より注ぎ入れ自然浸透させ、その浸透長さを測定した。なお、浸透長さは20cm以上であることが好ましい。測定用砂として、姫川砂およびデンカ株式会社製の採掘石灰砂の混合品(粒度調整品)を使用した。
カルシウムアルミネート、石膏、および、セメントについて、JIS R 5202に準拠して塩素濃度を測定し、塩素の総量を算出した。
埋め込み深さ18cmのφ19mmの丸鋼をかぶり厚さが10mmとなるように地盤改良材料スラリーを充填し、材齢28日まで20℃水中養生を施した後、30℃・相対湿度60%・炭酸ガス濃度5%の環境で12週間促進中性化を行った。また、促進中性化試験中、3週間毎に試験体を取り出し、20℃環境下で1日間、水中に浸漬し、促進中性化試験を実施した。試験終了後、丸鋼を取り出し、10%クエン酸2アンモニウム溶液で錆び落としを行って試験後の丸鋼の重量(m2)を測定し、試験前の丸鋼の重量(m1)との変化による鉄筋の発錆率を以下の式により算出した。
鉄筋の発錆率(%)=[(m1−m2)/m1]×100
表3に示す配合で、地盤改良材料スラリーを調製した。添加剤は、地盤改良材料スラリー中、0.002%となるようしてはじめに水に混合した以外は、調製方法は実験例1と同様で、塩素量は100ppm、酸化還元電位は−0.1Vに調整した。カルシウムアルミネートとしては、ガラス化率97%、CaO/Al2O3モル比2.2、不純物含有量2%のカルシウムアルミネートを用いた。
JIS A 1123に準じてブリーディング率を測定した。
実験例1と同様の試験を行い、鉄筋の発錆率を測定した。
Claims (9)
- ガラス化率が70%以上、CaO/Al2O3モル比が1.0〜2.7、不純物含有量が15質量%以下であるカルシウムアルミネート、石膏、および、セメントを水中に含有する地盤改良材料スラリーであって、前記カルシウムアルミネートと前記石膏と前記セメントに含まれる塩素の総量が、20ppm〜2000ppmであり、前記地盤改良材料スラリーの酸化還元電位が、−0.4〜0.1Vである、地盤改良材料スラリー。
- さらに、凝結調整剤を含む請求項1に記載の地盤改良材料スラリー。
- さらに、ミョウバンを含む請求項1又は2に記載の地盤改良材料スラリー。
- さらに、添加剤を含み、前記添加剤は、石膏を除く硫酸塩、亜硫酸塩、および、チオ硫酸塩からなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項1〜3のいずれか1項に記載の地盤改良材料スラリー。
- 前記硫酸塩が、硫酸第一鉄及び硫酸第二鉄からなる群から選ばれる少なくとも1種であり、前記チオ硫酸塩が、チオ硫酸ナトリウムおよびチオ硫酸カルシウムからなる群から選ばれる少なくとも1種であり、前記亜硫酸塩が、亜硫酸ナトリウムおよび亜硫酸カルシウムからなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項4に記載の地盤改良材料スラリー。
- 前記添加剤中に、前記チオ硫酸塩と、前記亜硫酸塩と、ホウ素とを含み、かつ、前記添加剤中の前記チオ硫酸塩の含有量をX(質量%)、前記亜硫酸塩の含有量をY(質量%)としたとき、X及びYが、10≦X/Y≦100を満たす請求項4又は5に記載の地盤改良材料スラリー。
- JIS K 0102に準拠して測定される、前記ホウ素の含有量が、0.01mg/L以上5.0mg/L以下である請求項6に記載の地盤改良材料スラリー。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載の地盤改良材料スラリーの硬化物を含む地盤改良材料硬化物。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載の地盤改良材料スラリーにより地盤を改良する地盤改良方法。
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