JPS6118593B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は一般的には薬液注入による地盤の改良
に係り、詳細には水ガラス及びセメントを主材と
する注入薬材及び該薬材を用いる地盤改良工法に
係る。 セメント及び水ガラスを主材とする薬液を注入
して地盤の強化又は止水を行なう工法は多種実用
化されており、例えばLW工法等の名称で広く行
なわれている。然し乍ら、従来工法において使用
されてきた水ガラス溶液は高アルカリ性（PH＝11
乃至12）であり同時に用いるセメント懸濁液中に
溶出する水酸化カルシウムも高アルカリ性（PH＝
約11）を示し、固結後においても長期間にわたつ
てアルカリを溶出し続けるため、従来法によるセ
メント及び水ガラスを主材とする工法は環境汚染
特に土壌及び地下水のアルカリ汚染を惹き起こす
原因となることが判明した。このため、従来法に
よる高アルカリ性水ガラスとセメントとを主材と
する薬液を用いる注入工法は、昭和49年７月10日
付で通達された建設省による「薬液注入工法の施
工に関する暫定指針」によつて、施工に制限が加
えられているのが実情である。 一方、従来からも用いられてきたセメントのみ
を注入材として用いる工法においては、セメント
粒子を多量の水に懸濁させてセメント・ミルク・
グラウトをつくり、このグラウトを圧入する方法
がとられてきた。このセメント・ミルク・グラウ
トは、構造物に使用するコンクリート或いはモル
タルの場合におけるような小さな水セメント比
（Ｗ／Ｃ＝40〜60％）ではなく、多量の水で稀釈
する必要がある（一般にＷ／Ｃ＝11及至160％に
する必要がある）ため、高い圧力でセメント・ミ
ルク・グラウトを土壌内に注入するとセメント懸
濁液が所望注入範囲以外の遠方まで逸走するとい
う不利益があつた。従来法によるセメントのみか
ら成るグラウトを用いる注入工法の他の欠点は、
逸走し拡散したグラウトが地下水等と接触すると
自体は難溶性であるセメントから強アルカリ性の
水酸化カルシウムが漸次溶出し、地下水及び周辺
地盤をアルカリ汚染する可能性があることであ
る。水・セメント比の大きなセメント・ミルク・
グラウトによる汚染は、水・セメント比が小さく
余剰水のない配合である構造物に用いるセメント
又はモルタル等の場合においては硬化後における
アルカリの溶出がほとんど問題とならないのに対
し、逸走・拡散範囲が大きいことも手伝つて大き
な問題となつてきている。又、セメントのみから
成るグラウトは硬化に時間を要し、短時分では固
結しない欠点もある。 本発明は、上述の従来法によるセメント及び水
ガラスを用いる注入工法の欠点並びにセメントの
みから成るグラウトを用いる注入工法の欠点を是
正し、環境破壊をもたらすアルカリ汚染をできる
限り小さくし且つ注入範囲を制御することができ
る新規な注入工法及び該工法において用いる注入
薬液を提供せんとするものである。 本発明工法においては、先ず第一にＡ液として
水ガラスに酸性液材を加えてPH１乃至４程度の酸
性水ガラス溶液を調製する。この酸性水ガラス溶
液のゲルタイムは、PH値によつて異なるが、PH１
前後で２〜３日、PH３乃至４で数時間である。従
つて、酸性水ガラス溶液のPH値を１乃至４にすれ
ば、注入現場における実際の作業に必要な時間が
充分に得られる。この酸性水ガラスの製造に当た
つては、原料水ガラスの濃度、混合方法、酸性液
材及び水ガラスの種類、温度などを考慮に入れ
て、できるだけ高濃度の酸性水ガラスを製造す
る、ゲルを生成することなく高アルカリ性の瞬結
性ゲル化領域（PH11〜12）を通過させるためには
水ガラスを水で稀釈して粘度を下げ且つ高濃度の
酸性液材を使用する。混合操作は、できるかぎり
低温度で行ない激しく撹はんしながら混合し、好
ましくは噴射注入による混合を行なう。上記の各
条件に充分な注意を払うことにより、原料水ガラ
スとしてJIS3号水ガラスを使用した場合、最高濃
度30％の酸性水ガラス（SiO₂約11重量％を含
む）を製造できる。 酸性水ガラス溶液の調製に用いる酸性液材とし
ては強酸性を示す硫酸、塩酸が有効である。酸性
液材として燐酸を用いた場合には、後記する実験
例から明らかなようにセメントが硬化しない。
又、弗化水素酸を用いた場合にはゲル化も起こさ
ず且つセメントも硬化しないから、弗化水素酸も
本発明において用いるＡ液調製用の酸性液材とし
ては不適当であることがわかつた。 さて、上述のようにして調製したＡ液とセメン
ト懸濁液とを混合すると一応ゲル化は認められる
が、セメントが硬化しない。これはセメントの水
和に用いる水として酸性液を用いるとセメントが
硬化しないのと同様の現象である。 アルカリ汚染を惹き起こさないセメントと水ガ
ラスを主材とする注入薬液を得且つ該薬液を用い
る地盤改良工法を開発するという本発明の解決課
題に鑑み、本発明者は鋭意研究を重ねた結果、セ
メント懸濁液に溶解性アルカリ剤を添加して成る
Ｂ液を用い、これと酸性水ガラス溶液であるＡ液
とを組み合わせることにより、実用的なゲルタイ
ムが得られしかもセメントを硬化させ得ることを
つきとめた。 セメント懸濁液に添加して本発明の目的を達し
得るアルカリ剤の例としては、炭酸ナトリウム、
水酸化ナトリウム、第一及び第二燐酸ナトリウム
並びに上記各化合物のナトリウムをカリウムで置
換した化合物類を含む水に溶解する化合物類を挙
げることができる。例えば石灰、酸化マグネシウ
ム等の水に難溶性のアルカリ剤はセメントを硬化
させることができず、本発明におけるアルカリ剤
としては不適当である。 以下の実験例に示すように、アルカリ剤の種類
及び量並びにセメントの量を一定にした場合、酸
性水ガラス濃度が高いほどゲルタイムが短くな
り、ホモゲル強度も高くなる。又、Ｂ液の組成及
び濃度を一定にした場合、酸性水ガラス溶液のPH
が低いほうがゲイタイムが短くなることがわかつ
た。 一方、酸性液材の種類、水ガラス濃度及びＡ液
（即ち酸性水ガラス溶液）のPHを一定に保つた場
合、Ｂ液中のセメント量が同じであれば溶解性ア
ルカリ剤の添加量を多くすればゲルタイムは長く
なり、セメントの硬化に要する時間も長くなる傾
向を示す。又、選択したアルカリ剤の種類によつ
て、ゲルタイム及びセメントの硬化時間に相違が
認められることがわかつた。従つて、本発明工法
においては、Ａ液の調製のために用いる酸性液材
の種類、Ａ液のPH、Ｂ液中で用いるアルカリ剤の
種類及び添加量を変えることにより、ゲルタイ
ム、セメントの硬化時間及びホモゲルの強度を任
意に選定することができる。 尚、他の条件を一定に保つた場合には、セメン
ト量が多いほど、液温が高いほど、ゲルタイムが
短くなる。 次に、本発明工法において用いるＡ液とＢ液と
の反応状態を観察すると、ゲル化に伴いセメント
粒子がフロツク化し凝集した状態で固結する。ゲ
ル化反応時におけるこのフロツク化は従来工法に
おいては認められなかつた現象である。高アルカ
リ性水ガラス溶液とセメント懸濁液とを用いる従
来工法においては、セメント粒子は水ガラス液中
に分散した状態でゲル化する。ゲル化又は固結時
における上記の反応状態の相違から、本発明工法
の場合においては従来工法の場合とは全く異なる
反応形態でゲル化又は固結することが推定でき
る。 次に、本発明工法のより良き理解を助けるため
に実験例を挙げる。 実験例 １ 先ず、Ａ液の調製に用いる酸性液材として、表
１に示す酸性液材を調製した。

【表】

【表】 次に、表―１に示した酸性液材を水ガラス（市
販３号品）に添加混合して、酸性水ガラス液を調
製した。配合割合及び得られた酸性水ガラス液の
PHを表―２に示す。 又、実験で用いた溶解性アルカリ剤は、試薬１
級品を夫々以下の割合で水に溶解して調製した。 燐酸ソーダ（Na₃PO₄・2H₂O） 50g／500c.c. 炭酸ソーダ（Na₂CO₃） 50g／500c.c. 苛性ソーダ（NaOH） 25g／500c.c.

【表】 表―２に示した酸性水ガラスからＡ液を調製
し、これとセメント懸濁液にアルカリ剤を添加し
て調製したＢ液とを混合してゲルタイムを測定し
セメントの硬化状態を観察した。結果を表―３に
まとめる。

【表】

【表】 上の表―３に列挙した実験例のうち、実験番号
12はＢ液中に溶解性アルカリ剤を添加しなかつた
ためにセメントが硬化しなかつた比較例であり、
実験番号22〜26は酸性水ガラス溶液（Ａ液）調整
時に燐酸を使用したためにセメントが硬化しなか
つた例を示す比較例であり、実験番号27〜29は同
様に酸性水ガラス溶液調整時に燐酸を使用した不
適切な比較例を示す。 又、実験番号40及び42は、夫々、水に難溶性の
石灰及び酸化マグネシウムを使用した比較例であ
る。実験番号44及び45はセメントを使用しない比
較例である。実験番号45″はＢ液中の溶解性アル
カリ剤の添加量が少なすぎる例を示す。 その他の実験番号で示す例は、何れも本発明の
実施例である。 従来法による注入薬液を水で稀釈するとゲルタ
イムが遅延し、一定量以上の水で稀釈すると従来
法による注入薬液は明確なゲルタイムを示さなく
なり固結不能の状態になる。 これに対して、本発明による注入薬液の場合に
は、酸性水ガラス液とセメント粒子が相互にフロ
ツク化し凝集した状態でゲル化するため、ある一
定の稀釈倍率まで水で稀釈すると均一にゲル化す
るが稀釈度がそれ以上になるとセメント粒子がフ
ロツク状態になつて凝集分離する性質を示す。従
つて、本発明による注入薬液を用いれば、極めて
多量の水で稀釈された場合、例えば注入薬液が地
下水等に遭遇して大幅に稀釈された場合等におい
ても、セメント粒子は凝集して分離するから、セ
メント粒子の水中への分散及びそれに伴なうアル
カリ溶出が起こらない。又、水による稀釈に起因
するゲルタイムの遅延も、従来法による注入薬液
の場合ほど著しくなく、稀釈度が一定限度を越え
ると１〜２分でセメント粒子が分離凝集し、水ガ
ラス成分及びセメント成分が水中に移行する恐れ
がない。これは本発明による注入薬液の特記すべ
き特徴である。 稀釈水による影響の相違を示すために、以下に
実験例２を示す。 実験例 ２ 従来法による注入薬液として、市販３号品の水
ガラス40lと水60lとを混合した高アルカリ性水ガ
ラス溶液に、セメント40Kgを水88lに懸濁させた
液を添加混合した薬液を選択した。 本発明工法による薬液としては、実験例１の表
―３中に実験番号４で示した配合のものを選定し
た。 30秒間混合して調製した各注入薬液を表―４に
示す割合で稀釈しゲルタイムを測定し、得られた
ゲルの状態を観察した。尚、従来法による薬液は
水で稀釈してセメントの沈降を阻止してゲルタイ
ムを測定した。ただし、従来法による薬液の最下
段は混合後静置しておいたものである。

【表】

【表】 表―４からわかるように、本発明による注入薬
液を多量の水で稀釈するとフロツクが生じ、セメ
ント粒子が凝集し沈降するため、フロツクを分離
した後の液のPHが著しく低下し急激に中性に近づ
く。従つて、本発明による注入薬液を用いた場合
においては、注入された薬液が地下水等に遭遇し
た場合においてもアルカリ汚染を惹き起こす恐れ
が少ない。これに対し、従来法による注入薬液の
場合には、セメント粒子は分散状態のまゝで稀釈
されるためPHの低下はほとんど期待できない。 多量の水で稀釈された場合における液のPHを変
化を調べた結果を表―５にまとめる。本発明工法
による薬液としては実験例１の表―３中に実験番
号３で示した配合のものを選んだ、従来法による
注入薬液としては、市販３号品の水ガラス50lと
水60lとを混合した水ガラス溶液に、セメント40
Kgを水88lに懸濁させた液を添加混合した薬液を
選んだ。 30秒間混合して調製した各注入薬液を表―５に
示す割合で稀釈した。稀釈は順次分液して行なつ
た。従つて、フロツクの生成及び沈降後における
本発明による薬液の場合は、上澄み液を分液して
稀釈した。尚、稀釈に用いた稀釈水のPHは6.5で
あつた。

【表】 従来法による注入薬液は多量の水で稀釈しても
稀釈液のPHが低下しない。即ち従来法の薬液は多
量の水のアルカリ汚染を惹き起こすのに対し、本
発明による注入薬液は多量の水で稀釈するとフロ
ツクの凝集沈降が起きり一定量以上の水のPHには
ほとんど影響を及ぼさないことは表―５から容易
に理解できる。 次に、本発明の注入薬液から得られる固結物で
あるホモゲル、並びに本発明による注入薬液に標
準砂を加えて固結して得られるサンドゲルの強度
を測定した。ホモゲル及びサンドゲルの試料は、
セメント分及び砂を分離させないようゲル化直前
まで撹拌しながら、４cm×４cm×16cmの三連型枠
に入れ、24時間放置して固結して得たものであ
る。 脱枠して得た各試料についてJIS―R5201の強
さ試験法に準じて一軸圧縮強度を測定した。又、
得られた各試料をPH66の水中で養生して時日経過
に伴なう強度変化を調べた。配合及び結果を表―
６に示す。表―６には比較のために、従来法の薬
液（市販３号品の水ガラス50lに水50lを添加した
強アルカリ性水ガラス水溶液と、セメント40Kgを
水88l中に懸濁させた懸濁液とを混合したもの）
から得られるホモゲルの初期強度及び水中で養生
（PH6.6の水中）した場合の強度変化を併記した。

【表】 表―６からわかるように、本発明による注入薬
液を用いて得られるホモゲル及びサンドゲルは、
酸性水ガラス濃度を高くすればするほど強度が大
きくなる。又、従来法による薬液から得られる固
結物と比較した場合、初期強度が高いのが本発明
による薬液から得られる固結物の特徴である。 一般に注入施工を行なう場合、注入対象地盤が
透水係数の大きい砂層又は砂礫層であればセメン
ト系薬液も浸透可能であるが、シルト及び粘土分
を含有する透水性の小さな粘土層にセメント粒子
を含む薬液を浸透させることは不可能であり、従
つて注入対象地盤が粘土層である場合には脈状注
入による地盤改良方法をとるのが普通である。 本発明工法による場合、注入対象地盤が砂層又
は砂礫層であれば、Ａ液として酸性水ガラス濃度
が低くゲルタイムが長いものを用い、注入対象地
盤が粘土層である場合にはＡ液として酸性水ガラ
ス濃度の高いゲルタイムが短い配合のものを使用
するのが好ましい。 ゲルタイムの長い薬液を用いる場合には、Ａ液
及びＢ液を別個に調製し、注入ポンプを通して両
液を注入管の入口部で合流させて注入管内で接触
混合させて一液として地盤内に注入するいわゆる
1.5シヨツト方式による。一方、ゲルタイムの短
い薬液を用いて脈状圧入を行なう場合には、別個
に調製したＡ液及びＢ液が注入管内で接触又は混
合しないよう、例えば二重管を用いるか或いは
別々の注入管を介して圧送し、注入管の先端で両
液が初めて合流するようにして注入する方式即ち
いわゆる２シヨツト方式をとる。 然し乍ら、注入対象地盤が粘土層である場合に
おいて脈状注入によらず地盤の土壌を全体的に固
結させることを所望するときには以下のような手
法によつて、所望する工事を行なうことができ
る。 注入対象地盤の透水係数が小さくしかも脈状注
入ではなく或る一定範囲内の土壌を全体的に固結
させることを望む場合には、機械的又は物理的方
法によつて対象土壌を撹拌しつつ本発明による薬
液を注入し、注入時において薬液と土壌とを混合
させる。土壌の撹拌は、例えば撹拌翼、螺線状の
撹拌装置等を用いて機械的に行なうこともでき
る。又、ジエツト、エネルギーを利用する物理的
方法による場合には、超高圧で薬液を土壌中に噴
射させて薬液と土壌とを均一に撹拌混合させ、注
入管を徐々に引き上げてゆく。尚、薬液と土壌と
を強制的に撹拌させて対象地盤の改良を行なう場
合には、脈状注入による地盤改良の場合とは異な
り、ゲルタイムの短い薬液を用いる必要はないば
かりでなく、ゲル化状態を経由せずに固結に至る
薬液を用いることもできる。本発明による薬液を
用いて土壌と強制的に混合させつつ薬液の注入を
行なつた場合には、初期強度、最終強度がともに
大きな固結混合物を得ることができる。 本発明による薬液を用いて土壌と強制的に混合
させた場合に得られる固結混合物の強度及び水中
養生を行なつた場合の強度変化を調べるため次の
実験を行なつた。 実験例 ３ 本発明による薬液としては、実験例１の表―３
中に実験番号42及び43で示した配合のものを選択
した。これらの薬液組成中の水の一部又は全部を
用いて工事現場から採取した沖積粘土（砂分0.5
％、シルト分60.1％、粘土分39.9％、含水比103.6
％）を懸濁させて充分に撹拌した。得られた懸濁
液に実験番号42及び43の配合に応じた酸性水ガラ
ス液及びセメントを混入して強く撹拌混合し、ゲ
ル化直前に４cm×４cm×16cmの三連型枠に入れて
固結させた。 １日放置後、脱枠して得られた各試料について
JIS―R5201の強さ試験法に準じて一軸圧縮強度
を測定した。又、得られた各試料をPH6.6の水中
で養生して時日経過に併なう強度変化を調べた。
配合及び測定結果を表―７に示す。比較のため
に、セメント・ミルク（セメント80Kgに水145lを
添加混合）に上述の粘土300Kgを添加し強く撹拌
混合して硬化させた固結物の初期強度及び強度変
化を測定した結果を表―７に併記する。

【表】 同一量のセメントを用いた場合、セメントのみ
を用いるよりも本発明によるほうが初期強度、最
終強度ともに遥かに優れた固結物が得られること
はこの実験結果から明らかである。 以上に述べたように、本発明によれば従来法に
おける強アルカリ性水ガラスとセメントとを用い
る場合の大きな問題点であつたアルカリ汚染、固
結物からの長期間持続するアルカリ溶出、地盤内
で地下水等により薬液が稀釈されたときに起こる
ゲルタイムの大幅な遅延及びこれに伴なうセメン
ト粒子及びアルカリの拡散等の諸問題を全て解決
できるばかりでなく、初期強度が極めて大きな固
結物を得ることができる。本発明は、従来におい
ては不可能と考えられてきた酸性水ガラス水溶液
の存在下においてセメントを硬化させるという技
術的溢路を初めて突破したものである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 硫酸及び塩酸から成る酸性液材の１種又は２
   種を用いて水ガラス溶液のPHを１乃至４に調整し
   た酸性水ガラス溶液（Ａ液）と、セメント懸濁液
   に溶解性アルカリ剤を添加した液（Ｂ液）とを混
   合したことを特徴とする注入薬液。 ２ 硫酸及び塩酸から成る酸性液材の１種又は２
   種を用いて水ガラス溶液のPHを１乃至４に調整し
   た酸性水ガラス溶液をＡ液とし、セメント懸濁液
   に溶解性アルカリ剤を添加した液をＢ液とし、前
   記Ａ液及びＢ液と注入対象地盤内の土壌とを強制
   的に撹はん混合しつつ薬液の注入を行なう個とを
   特徴とする地盤固結方法。