JP7308499B1 - 地盤固結材およびそれを用いた地盤注入工法 - Google Patents
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Abstract
【課題】溶液型シリカグラウトと併用でき、ゲル化時間が短く、ＣＯ２の生成を削減でき、かつ、土壌汚染を生ずることがない耐久性に優れた懸濁型の地盤固結材、および、それを用いた環境保全性に優れた地盤注入工法を提供する。【解決手段】金属珪素から製造されたシリカゾルを含み、スラグおよびセメントを主成分とする懸濁型の地盤固結材である。スラグおよびセメントのうちのいずれか一方、その両方またはその混合物が、ブレーン比表面積４０００ｃｍ２／ｇ以上である。【選択図】なし
Description
本発明は、中性シリカゾルを用いたスラグ・セメント系の懸濁型地盤固結材の改良に関し、具体的には、金属珪素由来シリカゾルと微粒子スラグおよび微粒子セメントを使用することにより、高い固結強度が得られるとともに、ゲル化時間が長く、懸濁型地盤固結材としては浸透性に優れ、溶液型シリカグラウトとの併用性に優れ、環境保全性にも優れた地盤固結材（以下、単に「固結材」とも称する）およびそれを用いた地盤注入工法に関する。
地盤を固結するための懸濁型グラウトは種々知られている。例えば、従来よりセメントと水ガラスグラウトが知られているが、このグラウトはゲル化時間が短く、浸透性が悪く、かつ耐久性がなく、またアルカリの溶出が懸念される。また、水ガラスと酸とを混合して得られる酸性シリカゾルとセメント系からなるグラウトでは、ゲル化時間が短く、フロック状の沈澱が生じやすいために浸透性が悪い。さらに、水ガラスをイオン交換処理して得られた中性シリカコロイドと、セメントおよびスラグとを混合して注入する方法も知られている。
しかし、セメントや消石灰は、中性シリカコロイドやシリカゾルと混合すると、セメントのカルシウム分や石灰のカルシウム分が直ちにシリカ分と反応してフロック状になり、ゲル化時間がせいぜい１分以内と短く、浸透性が悪い。また、中性シリカコロイドに多価金属塩またはアルカリ金属塩を加えたグラウトは強度が低いという欠点があった。
低モル比水ガラスや苛性ソーダと微粒子スラグとを混合して注入する懸濁型グラウトも知られている。これらは水ガラスまたは苛性ソーダのアルカリがスラグの潜在水硬性を刺激して高強度を発現する点が極めて優れているが、固結物が高アルカリのため溶液型シリカグラウトと併用できないという問題があった。その理由は、低モル比水ガラスのアルカリまたは苛性ソーダが溶液型シリカグラウトのシリカ分を溶解することにある。
この強度の問題を解決するために、近年、本出願人は、イオン交換法により製造された中性シリカコロイドと、ブレーン比表面積が８０００ｃｍ２／ｇ程度の高炉スラグとセメントからなる懸濁型グラウトを開発している（特許文献１）。このグラウトは細粒土への浸透がよく、また、ゲル化時間も長く、強度も高いという長所を有するが、ゲルタイムが不明確でゲルタイムの短縮が困難であるという問題があった。また、この中性シリカコロイドは、水ガラスからイオン交換法によってアルカリを除去して得られた低分子シリカを加熱増粒して弱アルカリに安定化したシリカコロイドであって、その製造工程において多量のエネルギーを必要とするところから、近年の地球温暖化を防ぐためのＣＯ２低減の国家プロジェクトの点から、改善が望まれている。
また、特許文献２には、イオン交換法により得られたシリカコロイドを地盤に注入するにあたって、あらかじめ微粒子セメントおよび／または微粒子スラグを地盤中に注入した上で上記シリカコロイドを注入する地盤注入工法が開示されている。しかし、この場合、地盤中においてシリカコロイドとセメントやスラグとが一体化せず、十分な強度が得られないことがわかった。
また、特許文献４には、地熱水から回収したシリカ分のスケールとセメントを含有してなる固結材が記載されている。しかし、この場合、スケールからの中性シリカコロイドとセメントは混合と同時に粘性が増大するため、間隙充填の目的には適しているが、土粒子間に浸透しにくいため、地盤に注入して広範囲に浸透固結することは不可能である。
このように懸濁型の地盤固結材として用いられている水ガラス－スラグセメント系、シリカゾル－セメントまたはスラグ系および中性シリカコロイド－セメント系には、ゲル化時間が短く、粘性が高く、浸透性が悪いという欠点がある。
本発明者らは、上記課題を解決するために、すでにイオン交換法により製造した中性シリカコロイドと微粒子スラグおよび微粒子セメントとを主成分とする地盤固結材、あるいはさらにゲル化調整剤を配合した地盤固結材を開発している（特許文献１）。この発明は、水ガラスのアルカリの大部分をイオン交換樹脂で除去して得られたシリカゾルと、微粒子スラグおよび微粒子セメントを主成分とする地盤固結材であって、実質的に、微粒子スラグや微粒子セメントの混合物がブレーン比表面積約８０００ｃｍ２／ｇ以上であり、かつ水硬率が０．９～２．０程度、塩基度が１．９～２．９程度であることを特徴としている。
上記発明で用いられる中性シリカコロイドは、水ガラスをイオン交換樹脂で処理してＮａ＋イオン等のアルカリをほとんど分離除去し、中性～弱アルカリ性、好ましくはｐＨ８．０～１１．０の弱アルカリ性（本発明では、このｐＨ領域を、水ガラスのｐＨが１１よりも高いアルカリ領域と区別して、中性領域と称している。）に調整し、比重が１．１６～１．３５で、おおよそＳｉＯ２が１０～６０質量％、Ｎａ２Ｏが０．０１～４質量％の範囲にあるものである。従って、水ガラスを使用した固結材に比べると、アルカリの溶出が非常に少なくなることが期待できる。
上記中性シリカコロイドは、水ガラスのアルカリをイオン交換法により除去したシリカを弱アルカリ性のｐＨ領域で増粒させてつくるが、重金属等の汚染物質を含まないため、注入地盤の安全性は維持され、安全な地盤改良が多く実施されてきた。また、このグラウトの固結原理としては、セメントのアルカリがスラグの潜在水硬性を刺激して固結するとともに、中性シリカコロイドのシリカ分とセメントやスラグからの遊離のカルシウム分とが反応してゲル化を可能にしたものである。さらに、中性シリカコロイドは、セメント単独と混合すると不均質なゲルを直ちに生ずるが、上記発明ではスラグと混合されているため、直ちに不均質なゲルをつくることなく、長いゲル化時間で均質なゲル化を生じせしめるという特徴がある。
また、特許文献５には、地熱水から回収したシリカとスラグ・セメントを混合した懸濁型グラウトが記載されているが、成分の含有量が一律ではなく、地熱水の位置や濃度によって異なることにより、これを注入材として用いた場合のゲル化にバラつきが生じたり、あるいは、多様な地盤に注入した場合に地盤中の組成物と反応して、土中におけるゲル化や固結強度、固結範囲にバラつきが生じる問題もあった。
さらに、本発明者らは、すでに中性シリカコロイドとして金属珪素を用いた溶液型シリカグラウトについても提案しているが（特許文献３）、このグラウトは、水ガラスをイオン交換して得られた活性シリカにアルカリを加えて加熱増粒して安定化したイオン交換法によるシリカゾルに比べて、アルカリ非含有シリコンを微量のアルカリで安定化したもので、耐久性に優れている。しかし、溶液型であるため、懸濁型のような高強度は得られない。また、添加剤としてセメントやスラグを用いることが記載されている。さらにまた、一次注入剤としてセメントやスラグを注入した地盤にシリカコロイドを注入することが記載されている。しかし、主剤が溶液型シリカグラウトである以上、高強度は得られない。
上記のような点から、本発明は、溶液型シリカグラウトと併用でき、ゲル化時間が短く、ＣＯ２の生成を削減でき、かつ、土壌汚染を生ずることがない耐久性に優れた懸濁型の地盤固結材、および、それを用いた環境保全性に優れた地盤注入工法を提供することを目的とする。
本発明の地盤固結材は、微粒子スラグ・微粒子セメントを主材とし、それに金属珪素から製造された中性シリカゾルを加えた懸濁型グラウトである。微粒子スラグについては、上述したように、微粒子スラグ・微粒子セメントにイオン交換法による中性シリカゾルを加えた懸濁グラウトが、すでに本出願人により開発されているが、本発明によれば、金属珪素から製造された中性シリカゾルを用いることにより、優れた環境保全性、耐久性および固結性を得ることができる。
本発明の懸濁グラウトは、金属珪素（シリコン）を原材料としアルカリを除去することなく製造されたシリカゾルが配合されていること、つまり、水ガラスではなく金属珪素を原材料とするシリカゾルが配合されていることを特徴とする。水ガラスを原材料とすると、硬化剤や中和剤として硫酸などの酸と反応させたとしても、製造されるコロイダルシリカコロイド中に残留したアルカリが残り、耐久性に劣る。これに対し、金属珪素はアルカリを含まないため、金属珪素を原材料とするシリカゾルもアルカリを含まず、したがって当該シリカゾルが配合された注入材は、耐久性に優れたものとなる。また、従来のイオン交換法によるシリカコロイドは、水ガラスをイオン交換により得られた活性シリカを加熱造粒して弱アルカリ性で安定化して製造するため、金属珪素由来のシリカゾルはＣＯ２を削減している素材ということができる。
ここで、金属珪素からシリカゾルを製造する方法は、特に限定されない。例えば、金属珪素からシリカゾルを製造する方法を開示する米国特許２６１４９９５号公報や、金属珪素からテトラメチルシリケートを製造する方法を開示する米国特許２４７３２６０号公報、テトラメチルシリケートからシリカゾルを製造する方法を開示する特開平６－３１６４０７号公報などを参考にすることができる。
本発明において、金属珪素からの中性シリカゾルは、微粒子スラグ・セメント系にゲル化機構を付与し、微粒子セメントは微粒子スラグよりも配合量が少ないため、中性シリカゾルと直ちにゲル化反応することがない。このため本発明の懸濁グラウトは、十分な浸透時間を保持し、かつ、微粒子セメントのアルカリが微粒子スラグの水硬反応を得るため、優れた耐久性を可能にする。また、溶液型シリカグラウトを併用して注入しても、低モル比水ガラスや苛性ソーダを含有する固結体のようにアルカリがシリカを溶解することがない。さらに、金属珪素由来シリカゾルは、イオン交換法による中性シリカゾルよりも小さい粒径を含み、かつ、アルカリを含有していないため、スラグセメントに対し反応性が優れている。このため、使用するスラグ・セメント系がイオン交換法における粒径よりも大きくても、シリカゾルを介して互いに連結し、ブレーン比表面積が４０００～８０００ｃｍ２／ｇでも有効に十分なゲル化とともに、セメントのアルカリによる水和結合により高い固結強度を得る注入材となることがわかった。さらに、過剰なアルカリを溶出しないため、本発明の懸濁型グラウトを注入した地盤に、浸透性に優れた溶液型非アルカリシリカグラウトを注入しても、懸濁液のアルカリによって非アルカリシリカグラウトが劣化することなく、本発明の懸濁型グラウトが浸透し得なかった細粒土部分を確実に固結することによって、高強度と止水性を同時に満たすことのできる地盤改良を行うことも可能となった。
すなわち、本発明の地盤固結材は、金属珪素から製造されたシリカゾルを含み、スラグおよびセメントを主成分とする懸濁型の地盤固結材であって、
前記スラグおよびセメントのうちのいずれか一方、その両方またはその混合物が、ブレーン比表面積４０００ｃｍ２／ｇ以上であって、該スラグの配合量が該セメントの配合量よりも多く、かつ、前記金属珪素から製造されたシリカゾルの、ｐＨが７．０～１１．０、ＳｉＯ２濃度が３．５～６０質量％、粒径が１～１００ｎｍの範囲にあることを特徴とするものである。
前記スラグおよびセメントのうちのいずれか一方、その両方またはその混合物が、ブレーン比表面積４０００ｃｍ２／ｇ以上であって、該スラグの配合量が該セメントの配合量よりも多く、かつ、前記金属珪素から製造されたシリカゾルの、ｐＨが７．０～１１．０、ＳｉＯ２濃度が３．５～６０質量％、粒径が１～１００ｎｍの範囲にあることを特徴とするものである。
本発明の地盤固結材において、セメント、特に微粒子セメントは、スラグ、特に微粒子スラグよりも、配合量が少ないことが好ましい。
本発明においては、前記スラグおよびセメントのうちのいずれか一方、その両方またはその混合物が、ブレーン比表面積４０００ｃｍ２／ｇ～２００００ｃｍ２／ｇであることが好ましい。また、前記地盤固結材４００Ｌあたりの前記スラグおよび前記セメントの配合量が２５～２５０ｋｇの範囲であることが好ましい。
本発明の地盤固結材は、ゲル化調整剤を用いてゲルタイムを調整することができる。また、石膏あるいは炭酸塩が添加されてゲル化が促進されているものであってもよい。
本発明の地盤注入工法は、上記地盤固結材を地盤に注入して、該地盤を固結することを特徴とするものである。
本発明の地盤注入工法においては、あらかじめ１次注入材を注入した地盤に、２次注入材として前記地盤固結材を注入することができる。
本発明の地盤注入工法においては、前記地盤固結材の注入と、溶液型シリカグラウトの注入とを併用することができる。また、前記溶液型シリカグラウトが、溶液型非アルカリシリカグラウトであることが好ましく、非アルカリ性シリカグラウトを劣化することがない。
従来のイオン交換法によるコロイダルシリカを用いた配合では、重曹などのゲルタイム調整剤を用いてゲルタイムを長くしていた。これに対し、本発明に用いる金属珪素由来シリカゾルを用いれば、シリカの粒径が小さく反応性に優れているため、余分なゲルタイム調整剤を減らしつつ、ゲルタイムを調整することができる。これにより、コスト削減や施工時の工程の削減を図ることが可能となる。本発明は、金属珪素からなるシリカゾルを含む、耐久性に優れた高強度を得られる懸濁型の地盤固結材およびそれを用いた地盤注入工法である。
よって、本発明によれば、溶液型シリカグラウトと併用でき、ゲル化時間が短く、ＣＯ２の生成を削減でき、かつ、土壌汚染を生ずることがない耐久性に優れた懸濁型の地盤固結材、および、それを用いた環境保全性に優れた地盤注入工法を提供することができる。
次に、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
一般に、水ガラスの分子は０．１ｎｍ程度と考えられ、水ガラスと酸を混合してなる酸性シリカ溶液のシリカの粒径は１ｎｍ付近、金属珪素由来シリカゾル溶液のシリカの粒径は１～１０ｎｍ付近にあり、イオン交換法によるシリカの粒径は１０～２０ｎｍ程度と考えられている。ここでは、金属珪素法でもイオン交換法でも、シリカゾルとして扱うものとする。
一般に、水ガラスの分子は０．１ｎｍ程度と考えられ、水ガラスと酸を混合してなる酸性シリカ溶液のシリカの粒径は１ｎｍ付近、金属珪素由来シリカゾル溶液のシリカの粒径は１～１０ｎｍ付近にあり、イオン交換法によるシリカの粒径は１０～２０ｎｍ程度と考えられている。ここでは、金属珪素法でもイオン交換法でも、シリカゾルとして扱うものとする。
本発明によれば、以下のような構成とすることで、環境保全性に優れ、ゲル化時間を調整して浸透性に優れ、しかも固結強度が大きく、かつ、アルカリの溶出が少ない中性シリカゾル－微粒子スラグ・微粒子セメント系の懸濁型の高強度の地盤固結材および地盤注入工法を提供することができる。
本発明によれば、このような金属珪素から製造されたシリカゾル（以下、「金属珪素シリカゾル」とも称する）を有効成分とするシリカ溶液を含有する地盤固結材を地盤に注入することで、従来の水ガラスをイオン交換処理して得られた活性シリカを加熱造粒して弱アルカリ性で安定化したシリカコロイドに比べて、極めて優れた特長を発現することが判った。その理由は明確ではないが、金属珪素シリカゾルは、従来の水ガラスをイオン交換処理して得られるシリカゾルに比べてアルカリが少なく、コロイド粒子自体が小さな粒径を含むため、懸濁液や添加剤との反応性に優れていて、ゲルタイムを効果的に短縮でき、かつ、ゲルが密実になるため、固結強度が大きくなるものと考えられる。また、同じ理由により、有効な懸濁液の粒径の幅が広くなるという効果が生ずる。よって、本発明によれば、金属珪素シリカゾルを含む固結材を用いても、土壌汚染を生ずることがなく、かつ、ＣＯ２を削減した環境保全性に優れた懸濁型の地盤固結材、および、それを用いた環境保全性に優れた地盤注入工法を提供することができた。
本発明の地盤固結材においては、金属珪素から製造されたシリカゾルを含み、主成分であるスラグおよびセメントのいずれか一方、その両方またはその混合物が、ブレーン比表面積４０００ｃｍ２／ｇ以上であることが必要であり、好ましくはブレーン比表面積４０００ｃｍ２／ｇ～２００００ｃｍ２／ｇ、より好ましくはブレーン比表面積６０００ｃｍ２／ｇ～２００００ｃｍ２／ｇ、特に好ましくはブレーン比表面積８０００ｃｍ２／ｇ～２００００ｃｍ２／ｇである。また、本発明の地盤固結材においては、金属珪素シリカゾルの、ｐＨが７．０～１１．０、ＳｉＯ２濃度が３．５～６０質量％、粒径が１～１００ｎｍの範囲にあることが好ましい。イオン交換法のシリカゾルの場合、同一条件でブレーン比表面積が８０００ｃｍ２／ｇ以下だと強度が大幅に小さくなるが、本発明ではブレーン比表面積が６０００ｃｍ２／ｇでも十分な強度をもつ。なお、本発明においてブレーン比表面積が４０００ｃｍ２／ｇ未満だと、スラグの水硬性が不十分で、強度が大幅に低下してしまう。また、２００００ｃｍ２／ｇを超えると、懸濁物の粒子同士が凝集して、浸透性が悪くなるので好ましくない。
本発明の地盤固結材においては、４００Ｌあたりのスラグおよびセメントの配合量は２５～２５０ｋｇの範囲、後述するゾル１は５～５０ｍｌの範囲にあることが好ましい。また、スラグの配合量がセメントの配合量以上であることが好ましい。
本発明の地盤固結材におけるシリカグラウトの具体的構成は、例えば、以下のとおりとすることができる。
１）シリカ材
ｐＨ７．０～１１．０、粒径１～１００ｎｍ、ＳｉＯ２濃度３．５～６０質量％である。
２）微粒子スラグおよび微粒子セメントのいずれか、その両方またはその混合物
ブレーン比表面積４０００ｃｍ２／ｇ以上、好ましくは６０００ｃｍ２／ｇ～２００００ｃｍ２／ｇ、水硬率０．９～２．０、塩基度１．９～２．９である。
但し、水硬率：ＣａＯ／（ＳｉＯ２＋Ａｌ２Ｏ３＋Ｆｅ２Ｏ３）、塩基度：（ＣａＯ＋ＭｇＯ＋Ａｌ２Ｏ３）／ＳｉＯ２である。
ここで、上記式において、ＣａＯ、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３およびＭｇＯは、セメントないしスラグ中の各成分の含有量を百分率で示したものである。
スラグは、鉄鋼スラグまたは高炉スラグ、水砕スラグ、ステンレススラグ、フェロアロイスラグ等である。
３）ゲル化調整剤
従来は、イオン交換法では、ゲルタイム遅延剤としてはアルカリ金属やアルカリ土類金属の塩、重炭酸塩、炭酸塩、リン酸塩、酸性リン酸塩、ピロリン酸塩等が挙げられる。しかし、本発明の範囲内では、ゲル化促進剤として作用することがわかった。
一方、ゲル化促進剤としては、消石灰や石膏を用いることができるが、消石灰は不均質なゲルが生じやすい。これに対し、石膏はそれ自体ほとんど中性であるため、ｐＨの変化が生じず、添加量に対応してゲルタイムを短縮することができるため、地盤条件、施工法に対して、効果的に配合を調整することができる。
４）微粒子セメント
ポルトランドセメント、高炉セメント等や、これらのクリンカーの粉砕物、これに石膏等を混合したセメントの微粒子でもよい。また、これらと微粒子スラグとの混合物は、混合前にブレーン比表面積が約４０００ｃｍ２／ｇ以上となるように粉砕されたものを混合しても、ある程度粉砕されたものを混合し、さらにブレーン比表面積が約４０００ｃｍ２／ｇ以上、好ましくは約６０００ｃｍ２／ｇ以上、もっとも好ましくは８０００ｃｍ２／ｇ以上になるまで粉砕したものでもよい。さらに、懸濁液状として微粒子状のものを分級して、微粒子懸濁液として使用することもできる。上述したように、金属珪素由来シリカコロイドの反応性が良いので、ブレーン比表面積の適用範囲を広くしても、十分な強度を得ることができる。
１）シリカ材
ｐＨ７．０～１１．０、粒径１～１００ｎｍ、ＳｉＯ２濃度３．５～６０質量％である。
２）微粒子スラグおよび微粒子セメントのいずれか、その両方またはその混合物
ブレーン比表面積４０００ｃｍ２／ｇ以上、好ましくは６０００ｃｍ２／ｇ～２００００ｃｍ２／ｇ、水硬率０．９～２．０、塩基度１．９～２．９である。
但し、水硬率：ＣａＯ／（ＳｉＯ２＋Ａｌ２Ｏ３＋Ｆｅ２Ｏ３）、塩基度：（ＣａＯ＋ＭｇＯ＋Ａｌ２Ｏ３）／ＳｉＯ２である。
ここで、上記式において、ＣａＯ、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３およびＭｇＯは、セメントないしスラグ中の各成分の含有量を百分率で示したものである。
スラグは、鉄鋼スラグまたは高炉スラグ、水砕スラグ、ステンレススラグ、フェロアロイスラグ等である。
３）ゲル化調整剤
従来は、イオン交換法では、ゲルタイム遅延剤としてはアルカリ金属やアルカリ土類金属の塩、重炭酸塩、炭酸塩、リン酸塩、酸性リン酸塩、ピロリン酸塩等が挙げられる。しかし、本発明の範囲内では、ゲル化促進剤として作用することがわかった。
一方、ゲル化促進剤としては、消石灰や石膏を用いることができるが、消石灰は不均質なゲルが生じやすい。これに対し、石膏はそれ自体ほとんど中性であるため、ｐＨの変化が生じず、添加量に対応してゲルタイムを短縮することができるため、地盤条件、施工法に対して、効果的に配合を調整することができる。
４）微粒子セメント
ポルトランドセメント、高炉セメント等や、これらのクリンカーの粉砕物、これに石膏等を混合したセメントの微粒子でもよい。また、これらと微粒子スラグとの混合物は、混合前にブレーン比表面積が約４０００ｃｍ２／ｇ以上となるように粉砕されたものを混合しても、ある程度粉砕されたものを混合し、さらにブレーン比表面積が約４０００ｃｍ２／ｇ以上、好ましくは約６０００ｃｍ２／ｇ以上、もっとも好ましくは８０００ｃｍ２／ｇ以上になるまで粉砕したものでもよい。さらに、懸濁液状として微粒子状のものを分級して、微粒子懸濁液として使用することもできる。上述したように、金属珪素由来シリカコロイドの反応性が良いので、ブレーン比表面積の適用範囲を広くしても、十分な強度を得ることができる。
また、本発明の地盤固結材は、ゲル化調整剤を用いることなく、ゲルタイムを従来のコロイダルシリカよりも短縮でき、充分な浸透時間を得ることができることが特徴であるが、添加剤としてゲル化調整剤を含有させてもよい。ゲル化調整剤を配合する場合には、その配合量は、ゲル化調整剤の種類、他の成分組成等により一概に規定することは難しいが、一般には、全配合液中の１０質量％以下が好ましい。過大に添加するといつまでも粘性が増加せず、ゲル化が生じない場合がある。
ゲル化調整剤としては酸、アルカリ、塩を用いてゲル化促進剤または遅延剤として用いることができる。また、有機系材料を用いたゲル化調整剤も使用できる。さらに、本発明の地盤固結材は、石膏、消石灰、ポゾラン、粘土および塩のうちのいずれかまたは複数種を含むことで、ゲル化および強度を調整することができる。
代表的なゲル化調整剤として、炭酸水素ナトリウム（試薬：ＮａＨＣＯ３）を使用することができる。他のゲル化調整剤でも添加量による差はあるがゲル化調整効果を示すものの、重炭酸のアルカリ金属塩または炭酸のアルカリ金属塩により、特に優れた効果が得られる。また、重炭酸のアルカリ金属塩と炭酸のアルカリ金属塩は、ほとんど同じ効果を示す。
以下に、本発明の実験例を示す。なお、これらの実験例は本発明の一例に過ぎず、本発明はこれらの実験例に限定されるものではない。
本発明の実験例に用いたスラグおよびセメントを、表１および表２に示す。
（スラグ）
ＳｉＯ２：３３．０２％、ＣａＯ：４１．９４％、Ａｌ２Ｏ３：１２．８３％、ＭｇＯ：８．６１％、Ｆｅ２Ｏ３：０．３７％の成分組成からなる水砕スラグを粉砕し、表１に示す比表面積および平均粒子径の異なる４種類を例に挙げる。塩基度は１．９～２．９の範囲内のものを使用した。
ＳｉＯ２：３３．０２％、ＣａＯ：４１．９４％、Ａｌ２Ｏ３：１２．８３％、ＭｇＯ：８．６１％、Ｆｅ２Ｏ３：０．３７％の成分組成からなる水砕スラグを粉砕し、表１に示す比表面積および平均粒子径の異なる４種類を例に挙げる。塩基度は１．９～２．９の範囲内のものを使用した。
（セメント）
ＳｉＯ２：２２．２％、ＣａＯ：６４．６％、Ａｌ２Ｏ３：５．４％、Ｆｅ２Ｏ３：３．１％の成分組成からなるポルトランドセメントを粉砕し、表２に示す比表面積および平均粒子径の異なる４種類を例に挙げる。高炉セメントを用いることもできる。なお、セメントは普通セメント、高炉セメント、早強セメントなどを用いることができ、セメントに制限はない。
ＳｉＯ２：２２．２％、ＣａＯ：６４．６％、Ａｌ２Ｏ３：５．４％、Ｆｅ２Ｏ３：３．１％の成分組成からなるポルトランドセメントを粉砕し、表２に示す比表面積および平均粒子径の異なる４種類を例に挙げる。高炉セメントを用いることもできる。なお、セメントは普通セメント、高炉セメント、早強セメントなどを用いることができ、セメントに制限はない。
［実験例］
（使用材料）
シリカゾル
ゾル１（金属珪素シリカゾル）：ＳｉＯ２＝２９．７６％、比重＝１．２１、平均粒径９．６（８～１５）ｎｍ
ゾル２（下記表１に示すイオン交換法によるシリカゾル）：ＳｉＯ２＝２９．９０％、比重１．２１、平均粒径１１．５（５～２０）ｎｍ
重曹：比重２．２
スラグセメント：セメント１に対しスラグ２、比重３．０、８０００ｃｍ２／ｇ
（使用材料）
シリカゾル
ゾル１（金属珪素シリカゾル）：ＳｉＯ２＝２９．７６％、比重＝１．２１、平均粒径９．６（８～１５）ｎｍ
ゾル２（下記表１に示すイオン交換法によるシリカゾル）：ＳｉＯ２＝２９．９０％、比重１．２１、平均粒径１１．５（５～２０）ｎｍ
重曹：比重２．２
スラグセメント：セメント１に対しスラグ２、比重３．０、８０００ｃｍ２／ｇ
（試験）
（試験項目）
Ｐロート流下試験、ゲルタイム、ブリーディングおよびホモゲル強度試験を行った。
作液量は、２８００ｍＬで行った。
（試験項目）
Ｐロート流下試験、ゲルタイム、ブリーディングおよびホモゲル強度試験を行った。
作液量は、２８００ｍＬで行った。
（作液）
・Ａ液：重曹を水に入れて溶解させた溶液をゾルに入れ、Ａ液とした。
・Ｂ液：スラグセメントを水に入れ、Ｂ液とした。
・Ａ液とＢ液とを混合後、カップ倒立法により１分間撹拌した。
・Ａ液：重曹を水に入れて溶解させた溶液をゾルに入れ、Ａ液とした。
・Ｂ液：スラグセメントを水に入れ、Ｂ液とした。
・Ａ液とＢ液とを混合後、カップ倒立法により１分間撹拌した。
（測定）
・Ｐロート流下時間
測定時刻に薬液をＰロートに移し、流下時間を測定した。
・音叉型動粘度計
測定時刻に音叉型動粘度計にて薬液の粘度を測定した。
・ゲルタイム試験
混合直後の薬液２５０ｍＬをビニール袋に密封し、静置したままゲルタイムを測定した。ビニール袋を静かに傾けた後、静かに元の状態に戻して、このとき、懸濁部分の２／３が移動しなくなった時点をゲルタイムとした。
・ブリーディング試験
静置試料
混合直後の薬液４００ｍＬをグラウト袋に封入し、３時間後および１日後にブリーディング量を測定した。
・強度試験
静置試料
混合直後の薬液８００ｍＬをグラウト袋に封入し、静置した。材令２８日で強度試験を行った。
・Ｐロート流下時間
測定時刻に薬液をＰロートに移し、流下時間を測定した。
・音叉型動粘度計
測定時刻に音叉型動粘度計にて薬液の粘度を測定した。
・ゲルタイム試験
混合直後の薬液２５０ｍＬをビニール袋に密封し、静置したままゲルタイムを測定した。ビニール袋を静かに傾けた後、静かに元の状態に戻して、このとき、懸濁部分の２／３が移動しなくなった時点をゲルタイムとした。
・ブリーディング試験
静置試料
混合直後の薬液４００ｍＬをグラウト袋に封入し、３時間後および１日後にブリーディング量を測定した。
・強度試験
静置試料
混合直後の薬液８００ｍＬをグラウト袋に封入し、静置した。材令２８日で強度試験を行った。
（結果）
・Ｐロート流下時間
表５に、Ｐロート流下時間の測定結果を、表６に、ゾル１（重曹０ｋｇ）のときのＰロート流下時間と音叉型動粘度計の結果を示す。また、図１に、Ｐロート流下時間と経過時間との関係を示すグラフを、図２に、ゾル１（重曹０ｋｇ）のときのＰロート流下時間と音叉型動粘度計の結果を示す。
重曹の量が、０ｋｇの状態では初期および６時間後の粘性に大きな変化はなく、２ｋｇ添加では徐々にＰロート流下時間が上がる傾向にあり、粘性が上がった。これにより、重曹を２ｋｇ／４００ｍＬの場合は、攪拌を続けていればゲル化促進効果を示すことがわかった。かつ、ゾル１とゾル２の流下時間に大きな差異は認められなかった。
・Ｐロート流下時間
表５に、Ｐロート流下時間の測定結果を、表６に、ゾル１（重曹０ｋｇ）のときのＰロート流下時間と音叉型動粘度計の結果を示す。また、図１に、Ｐロート流下時間と経過時間との関係を示すグラフを、図２に、ゾル１（重曹０ｋｇ）のときのＰロート流下時間と音叉型動粘度計の結果を示す。
重曹の量が、０ｋｇの状態では初期および６時間後の粘性に大きな変化はなく、２ｋｇ添加では徐々にＰロート流下時間が上がる傾向にあり、粘性が上がった。これにより、重曹を２ｋｇ／４００ｍＬの場合は、攪拌を続けていればゲル化促進効果を示すことがわかった。かつ、ゾル１とゾル２の流下時間に大きな差異は認められなかった。
・ゲルタイム
表７に、ゲルタイム（静置）の測定結果を示す。また、図３に、ゲルタイムと重曹添加量との関係を示すグラフを示す。
ゾル１は、ゾル２に比べるとゲルタイムが早いことがわかった。
表７に、ゲルタイム（静置）の測定結果を示す。また、図３に、ゲルタイムと重曹添加量との関係を示すグラフを示す。
ゾル１は、ゾル２に比べるとゲルタイムが早いことがわかった。
次に、他の添加剤として硫酸カルシウム（比重２．９６）を用いた場合について、ゲルタイムを測定した。ゲルタイムは静置状態で測定した。
硫酸カルシウム（石膏）の添加量を多くすると、ゲルタイムが短縮されて、ゲルタイムを調整できることがわかった。好ましくは半水硫酸カルシウム（半水石膏）である。
・ブリーディング率
表９に、ブリーディング率（％）の測定結果を示す。また、図４に、ブリーディング率と重曹添加量との関係を示すグラフを示す。
ゾル１は、ゾル２に比べブリーディング率がやや少ない傾向で、重曹の添加量を増加すると、ブリーディング率が上昇した。また、３時間後と１日後のブリーディング率はほぼ変わらなかった。この結果から、重曹を増加させることで、ブリーディング率が増加していることがわかる。
表９に、ブリーディング率（％）の測定結果を示す。また、図４に、ブリーディング率と重曹添加量との関係を示すグラフを示す。
ゾル１は、ゾル２に比べブリーディング率がやや少ない傾向で、重曹の添加量を増加すると、ブリーディング率が上昇した。また、３時間後と１日後のブリーディング率はほぼ変わらなかった。この結果から、重曹を増加させることで、ブリーディング率が増加していることがわかる。
・一軸圧縮強さ
表１０に、一軸圧縮強さの測定結果を示す。また、図５に、一軸圧縮強さと重曹量との関係を示すグラフを示す。
ゾル１の四週強度は、どの配合でも２ＭＮ／ｍ２以上の強度を発現した。ゾル１はゾル２よりもブリーディング率が低いにもかかわらず、ゾル１はゾル２よりも高い強度を示した。これは反応性が良いことを示す。
表１０に、一軸圧縮強さの測定結果を示す。また、図５に、一軸圧縮強さと重曹量との関係を示すグラフを示す。
ゾル１の四週強度は、どの配合でも２ＭＮ／ｍ２以上の強度を発現した。ゾル１はゾル２よりもブリーディング率が低いにもかかわらず、ゾル１はゾル２よりも高い強度を示した。これは反応性が良いことを示す。
・浸透試験
直径５ｃｍ、長さ１００ｃｍのアクリルモールド内に豊浦砂を相対密度６０％で充填させた。その後、表１１に示す配合の薬液を、下部より浸透させた。
表１２に、浸透距離と強度の測定結果を示す。また、図６に、浸透距離と強度との関係を示すグラフを示す。
直径５ｃｍ、長さ１００ｃｍのアクリルモールド内に豊浦砂を相対密度６０％で充填させた。その後、表１１に示す配合の薬液を、下部より浸透させた。
表１２に、浸透距離と強度の測定結果を示す。また、図６に、浸透距離と強度との関係を示すグラフを示す。
浸透試験結果より、どちらのゾルを用いても、浸透距離が長い箇所では浸透源よりも強度が低下していた。しかし、ゾル１では、ゾル２よりも長い浸透長と高い強度が得られた。このことより、ゾル１のほうが浸透固結性に優れていることがわかる。
本発明において、金属珪素に由来するシリカ濃度は３０ｗ／ｗ％、ゾルとしての平均粒径は１～１００ｎｍ、特には５～２０ｎｍの範囲であることが、耐久地盤の形成に優れているため、好ましい。材料単体のシリカ濃度としては制限されないが、２０～５０ｗ／ｗ％であることが好ましく、２０～３０ｗ／ｗ％であることがより好ましい。
従来のゾルを有効成分とするシリカグラウトにおいては、水ガラスからゾルを形成するのに多くの熱量と工程を必要とし、したがってＣＯ２排出量が大きいのに対し、本発明では、工程が少ないため熱量が少なくてすみ、環境保全性に優れた地盤固結材および地盤注入工法を提供することができる。
本発明の地盤注入工法は、上記本発明の地盤固結材を地盤に注入して地盤を固結することを特徴とするものである。
本発明の地盤注入工法においては、あらかじめ１次注入材を注入した地盤に、２次注入材として本発明の地盤固結材を注入することができる。また、本発明の地盤固結材の注入領域と、溶液型シリカグラウトの注入領域を隣接させて注入することもできる。また、注入領域において本発明の懸濁型グラウトを注入し、本発明の懸濁型グラウトが浸透しきれなかった土層には溶液型シリカグラウトを注入することもできる。さらに、注入が不可能な粘性土層には強度の高い懸濁型グラウトを脈状浸透固結して、細粒土層には本発明の懸濁型グラウトを注入することができる。併用する溶液型非アルカリシリカグラウトとしては、金属珪素由来シリカグラウトやイオン交換法によるシリカを含有するシリカグラウトの水ガラスと酸からなる非アルカリシリカグラウト（酸性シリカゾルグラウト）を注入することができる。シリカグラウトであることが好ましい。さらにまた、１次注入材としてセメント・ベントナイトを用い、２次注入材として本発明の地盤固結材を重ねて注入して、２次注入材の注入領域外への逸脱を低減することもできる。さらにまた、本発明の懸濁型グラウトを注入浸透しきれない微細な土粒子部分に溶液型シリカグラウトを注入して、一体化して固結体を形成できる。このようにして、溶液型金属珪素由来シリカグラウトやシリカグラウトを併用して、浸透範囲の拡大と固結と止水とを同時に得ることができる。
（溶液型非アルカリ性シリカゲル化物と本発明懸濁型固結物との相性試験）
（試験方法）
（１）前述の実験例に用いた本発明の懸濁型注入材を調製し、６００ｍｌ容器に２００ｍｌを入れ硬化させる。
（２）硬化が確認されてから、１週間放置した後、ブリーディング水を取り除き、非アルカリシリカグラウトを（１）の上層に２００ｍｌ載せて硬化させる。
溶液型シリカグラウトとしては、１）酸性シリカゾルグラウト、２）イオン交換法のシリカグラウト、３）金属珪素によるシリカグラウトを用いた。
（試験方法）
（１）前述の実験例に用いた本発明の懸濁型注入材を調製し、６００ｍｌ容器に２００ｍｌを入れ硬化させる。
（２）硬化が確認されてから、１週間放置した後、ブリーディング水を取り除き、非アルカリシリカグラウトを（１）の上層に２００ｍｌ載せて硬化させる。
溶液型シリカグラウトとしては、１）酸性シリカゾルグラウト、２）イオン交換法のシリカグラウト、３）金属珪素によるシリカグラウトを用いた。
（試験結果）
いずれの溶液型グラウトも、２か月後も溶解することなくゲル化状態を維持した（図７）。
なお、上記実験において本発明の懸濁型注入材以外の水ガラス－セメントや低モル比水ガラス、苛性ソーダを含むスラグ系懸濁液の固結体を用いた場合、溶液型のシリカグラウトは１か月以内にほとんど溶解した。
いずれの溶液型グラウトも、２か月後も溶解することなくゲル化状態を維持した（図７）。
なお、上記実験において本発明の懸濁型注入材以外の水ガラス－セメントや低モル比水ガラス、苛性ソーダを含むスラグ系懸濁液の固結体を用いた場合、溶液型のシリカグラウトは１か月以内にほとんど溶解した。
以上より、本懸濁型注入材を地盤中に注入後、非アルカリシリカグラウトを重ね合わせて注入することにより、懸濁型グラウトが土粒子間で浸透しきれなかった細粒土部分に浸透固結して、一体化して止水性のある固結体を形成することが判った。
また、非アルカリ性シリカグラウトを注入した領域と本発明の懸濁型注入材を注入した領域を隣接させて注入しても、注入領域において粗い土壌に本発明の懸濁型注入材を注入し、細かい層に非アルカリ性シリカグラウトを注入しても、耐久性のある地盤改良を行えることがわかった。
また、非アルカリ性シリカグラウトを注入した領域と本発明の懸濁型注入材を注入した領域を隣接させて注入しても、注入領域において粗い土壌に本発明の懸濁型注入材を注入し、細かい層に非アルカリ性シリカグラウトを注入しても、耐久性のある地盤改良を行えることがわかった。
以上の手法によって、本発明の懸濁型グラウトは、浸透中は、すなわち図１、図２の状態で長時間土粒子間に浸透し、注入が完了し注入液が停止状態になるとゲル化するため、大きな固結体を形成することができる。また、一次注入で地盤の均質化を図って注入地盤を拘束したうえで、二次注入で本発明の懸濁型グラウトを注入することにより、大きな注入孔間隔でも所定の範囲外へ逸脱することなく、所定の注入量に相当する固結体を形成することができる。
以上より、以下のことがわかった。
１、Ｐロート試験より、本発明の固結材は、地盤に長時間注入し続けても、その間は流動性を失わず浸透し続ける（表５、図１）。所定量注入後、注入を停止させると静止状態になり、静止状態のゲルタイム（表７）でゲル化して流動性を失う。
２、静止状態になったあとの強度を、表１０に示す。浸透後の浸透距離に対応した強度を、表１２に示す。これらの強度はブリーディングと関係（表９）があり、ブリーディングが大きければ土粒子間中のゲルの密度が大きくなり強度が高く、ブリーディングが小さければゲルの密度が小さくなり強度は低くなる。そして、ブリーディングが小さい方が浸透距離において固結強度の低減が小さく、かつ、浸透距離が長くなる（表１２、表９）。
以上より、ゾル１がゾル２より、浸透固結性が優れていることがわかる。
３、浸透時間を長くとり、広範囲を固結することができる。また、一次注入により粗詰注入を行ってから、本発明の固結材を２次注入すれば、所定の範囲に固結液を保持して固結することができる。
４、本発明の懸濁型グラウトの固結体は、非アルカリシリカグラウトのゲル化物と併用しても、互いに耐久性と固結性に悪影響を生じない。
５、本発明の固結材が浸透しきれないような細粒土の地盤でも、溶液型の非アルカリシリカを重ね合わせて注入することにより、止水性に優れた地盤改良が可能になる。
１、Ｐロート試験より、本発明の固結材は、地盤に長時間注入し続けても、その間は流動性を失わず浸透し続ける（表５、図１）。所定量注入後、注入を停止させると静止状態になり、静止状態のゲルタイム（表７）でゲル化して流動性を失う。
２、静止状態になったあとの強度を、表１０に示す。浸透後の浸透距離に対応した強度を、表１２に示す。これらの強度はブリーディングと関係（表９）があり、ブリーディングが大きければ土粒子間中のゲルの密度が大きくなり強度が高く、ブリーディングが小さければゲルの密度が小さくなり強度は低くなる。そして、ブリーディングが小さい方が浸透距離において固結強度の低減が小さく、かつ、浸透距離が長くなる（表１２、表９）。
以上より、ゾル１がゾル２より、浸透固結性が優れていることがわかる。
３、浸透時間を長くとり、広範囲を固結することができる。また、一次注入により粗詰注入を行ってから、本発明の固結材を２次注入すれば、所定の範囲に固結液を保持して固結することができる。
４、本発明の懸濁型グラウトの固結体は、非アルカリシリカグラウトのゲル化物と併用しても、互いに耐久性と固結性に悪影響を生じない。
５、本発明の固結材が浸透しきれないような細粒土の地盤でも、溶液型の非アルカリシリカを重ね合わせて注入することにより、止水性に優れた地盤改良が可能になる。
本発明の地盤固結材および地盤注入工法は、地盤改良（補強）、液状化防止、耐震補強、住宅持ち上げなどに幅広く適用でき、主に地盤の止水性向上、強度増大、液状化防止に適しており、大きな吐出量の固結材を、孔壁周囲の地盤中に低圧力で広範囲かつ均一に浸透注入させることができる。本発明によれば、不均質地盤でも大きな固結径でかつ所定範囲以外への逸脱を低減し、経済的で確実な地盤改良を実施することができる。
Claims (9)
- 金属珪素から製造されたシリカゾルを含み、スラグおよびセメントを主成分とする懸濁型の地盤固結材であって、
前記スラグおよびセメントのうちのいずれか一方、その両方またはその混合物が、ブレーン比表面積４０００ｃｍ２／ｇ以上であって、該スラグの配合量が該セメントの配合量よりも多く、かつ、前記金属珪素から製造されたシリカゾルの、ｐＨが７．０～１１．０、ＳｉＯ ２ 濃度が３．５～６０質量％、粒径が１～１００ｎｍの範囲にあることを特徴とする地盤固結材。 - 前記スラグおよびセメントのうちのいずれか一方、その両方またはその混合物が、ブレーン比表面積４０００ｃｍ２／ｇ～２００００ｃｍ２／ｇである請求項１記載の地盤固結材。
- 前記地盤固結材４００Ｌあたりの前記スラグおよび前記セメントの配合量が２５～２５０ｋｇの範囲である請求項１記載の地盤固結材。
- ゲル化調整剤を含有する請求項１記載の地盤固結材。
- 石膏あるいは炭酸塩が添加されてゲル化が促進されている請求項４記載の地盤固結材。
- 請求項１～５のうちいずれか一項記載の地盤固結材を地盤に注入して、該地盤を固結することを特徴とする地盤注入工法。
- あらかじめ１次注入材を注入した地盤に、２次注入材として前記地盤固結材を注入する請求項６記載の地盤注入工法。
- 前記地盤固結材の注入と、溶液型シリカグラウトの注入とを併用する請求項６記載の地盤注入工法。
- 前記溶液型シリカグラウトが、溶液型非アルカリシリカグラウトである請求項８記載の地盤注入工法。
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