JPWO2020121738A1 - 地盤注入材、その硬化物、地盤改良方法および地盤注入用粉体材料 - Google Patents
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Abstract
Description
地盤注入材を用いた薬液注入工法は、ジェットグラウト工法のような高圧の噴流によって地盤を乱しながら改良する工法と異なり、極力地盤を乱さないで改良できること、設備がコンパクトであること等のメリットを有する。よって、多くの実績がある。
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、
前記A液と前記B液とを混合した際の、以下の手順(1)から(5)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、
が提供される。
(1)A液とB液とを混合して混合物を得た後、得られた混合物の少なくとも一部を水平面に載置した円錐台形状の紙コップの中に採取する。採取する量は、紙コップの容量の70%以下の量とする。紙コップとしては、底面内径5.3cm、上端面内径7.5cm、高さ8.8cmのものを用いる。
(2)前記(1)の操作の後、前記紙コップの底面中心および上端面中心を結ぶ線が鉛直面に対して60°傾斜した状態で前記紙コップを保持し、混合物と空気の界面が流動して変化するか、あるいは前記界面が不動であるかを判別する。
(3)上記(2)の確認後、紙コップを再び水平面に載置する。
(4)上記(2)で界面が不動となる状態に至るまで上記(2)および(3)を繰り返す。
(5)上記(2)で界面が不動となった状態に至るまでの時間をゲルタイムとする。
前記地盤注入材における前記A液と前記B液とを混合して得られる硬化物、
が提供される。
前記硬化物により地盤を改良する地盤改良方法、
が提供される。
前記粉体材料Aおよび前記粉体材料Bからなる、地盤注入用粉体材料、
が提供される。
本明細書中、温度条件により変動しうる値については、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。
本実施形態の地盤注入材は、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液型のものである。
たとえA液がカルシウムアルミネートとカルボン酸塩を含んでいたとしても、上記ゲルタイムが1秒未満であると、実際の地盤注入作業に支障を来してしまう。また、上記ゲルタイムが30秒超であると、地盤注入材として早期の地盤改良効果を得づらくなってしまう。
さらに、上記ゲルタイムが1秒以上30秒以下であったとしても、例えばA液がカルボン酸塩を含まない場合は、A液の可使時間が短くなりがちであり、実用上望ましくない。
以上、本実施形態の地盤注入材は、特定のA液とB液を含む2液系であり、かつ、A液とB液とを混合した際のゲルタイムが特定時間であるという構成により、優れた効果を奏するものである。
本実施形態の地盤注入材におけるゲルタイムとは、A液とB液とを混合して混合物とする際、混合開始時を起点(t=0)として、混合物が著しく増粘して流動が困難になるまでの時間を意味する。
[手順]
(1)A液とB液とを混合して混合物を得た後、得られた混合物の少なくとも一部を水平面に載置した円錐台形状の紙コップの中に採取する。採取する量は、紙コップの容量の70%以下の量とする。紙コップは、底面内径5.3cm、上端面内径7.5cm、高さ8.8cmのものを用いる。
(2)上記(1)の操作の後、紙コップの底面中心および上端面中心を結ぶ線が鉛直面に対して60°傾斜した状態で紙コップを保持し、混合物と空気の界面が流動して変化するか、あるいはその界面が不動であるかを判別する。
(3)上記(2)の確認後、紙コップを再び水平面に載置する。
(4)上記(2)で界面が不動となる状態に至るまで上記(2)および(3)を繰り返す。
(5)上記(1)のA液とB液の混合開始時を起点として、上記(2)で界面が不動となった状態に至るまでの時間をゲルタイムとする。
また、ゲルタイムを一層正確に測定するため、例えば、(i)予備実験を行っておおよそのゲルタイムを把握しておき、その後に本試験を行う、(ii)1つのみの紙コップで測定を行うのではなく、上記(1)で複数の紙コップに混合物を採取し、1秒ごとに、混合物が入った新たな紙コップを傾ける、等の工夫をしてもよい。
特に、ゲル強度や初期強度が大きい地盤注入材は、例えば、水分を多く含み軟弱な地盤の改良に好ましく用いることができる。
前述のように、粉体材料Aは、カルシウムアルミネートおよびカルボン酸塩を含む。粉体材料Aは、好ましくは、さらに、石膏、凝結調整剤などを含む。また、A液は、この粉体材料Aを、水と混合してスラリー状としたものである。
以下、粉体材料AまたはA液を構成する成分、A液の性状などについて説明する。
カルボン酸塩は、カルボン酸のカルボキシ基のプロトンが、陽イオンで置換された化合物のことをいう。換言すると、カルボン酸塩は、例えば、出発物質としてカルボン酸を準備し、これを適当な塩基性物質などと反応(中和反応)させて得ることができる。
具体的には、カルボン酸塩は、炭素数10以下のカルボン酸の塩、すなわち、炭素数10以下のカルボン酸のカルボキシ基のプロトンが、陽イオンで置換された化合物であることが好ましい。ここでの炭素数については、より好ましくは1以上10以下、さらに好ましくは1以上8以下、特に好ましくは1以上5以下、とりわけ好ましくは1以上3以下、最も好ましくは1または2である。
これらのうち、入手容易性、コスト、効果等の兼ね合いから、カルボン酸はギ酸または酢酸が好ましい。すなわち、カルボン酸「塩」は、酢酸塩および/またはギ酸塩を含むことが好ましい。
なお、より顕著な効果を得る点では、カルボン酸は、ヒドロキシカルボン酸(ヒドロキシ基を有するカルボン酸)ではないことが好ましい。
カルボン酸塩は、カルボン酸カルシウム塩を含むことがより好ましい。
粉体材料A中のカルボン酸塩の量は、例えば0.01質量%以上3質量%以下、好ましくは0.03質量%以上2質量%以下、より好ましくは0.05質量%以上1質量%以下である。
カルボン酸塩の量を適切に調整することで、B液との混合前のA液の可使時間の長さと、B液との混合後の硬化の早さとのバランスを一層良好とすることができる。
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。
焼成/溶融には、ロータリーキルンや電気炉等を用いることができる。
CaO原料としては、例えば、石灰石や貝殻等の炭酸カルシウム、消石灰等の水酸化カルシウム、及び生石灰等の酸化カルシウムを挙げることができる。
Al2O3原料としては、例えば、ボーキサイト、アルミ残灰と呼ばれる産業副産物、アルミ粉等を挙げることができる。
ここで、不純物としては、酸化ケイ素、酸化マグネシウム、酸化硫黄などが代表的に挙げられる。その他、有機物、アルカリ金属酸化物、アルカリ土類金属酸化物、酸化チタン、酸化鉄、アルカリ金属ハロゲン化物、アルカリ土類金属ハロゲン化物、アルカリ金属硫酸塩、これらがCaOやAl2O3の一部に置換又は固溶したものなども不純物として挙げられる。もちろん、不純物はこれらのみに限定されない。
ガラス化率は、測定サンプルについて、粉末X線回折法により結晶鉱物のメインピーク面積Sを予め測定し、その後1000℃で2時間加熱後、(1から10℃)/分の冷却速度で徐冷し、粉末X線回折法による加熱後の結晶鉱物のメインピーク面積S0を求め、これらのS0及びSの値を用い、次の式を用いてガラス化率χを算出する。
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
粉体材料A中のカルシウムアルミネートの量は、例えば10質量%以上80質量%以下、好ましくは20質量%以上75質量%以下、より好ましくは25質量%以上70質量%以下である。カルシウムアルミネートの量を適切に調整することで、B液との混合前のA液の可使時間の長さと、B液との混合後の硬化の早さとのバランスなどを一層良好としうる。また、早期の地盤改良効果を一層得やすい。
粉体材料Aは、好ましくは、さらに石膏を含む。石膏を含むことにより、B液と混合する前のA液の可使時間をより長く設計しやすい。
石膏の例としては、半水石膏や無水石膏を挙げることができる。強度発現性の面では無水石膏が好ましい。無水石膏としてより具体的には、弗酸副生無水石膏や天然無水石膏を挙げることができる。
石膏を水に浸漬させたときのpHについては、pH8以下の弱アルカリから酸性のものが好ましい。このpHが適度に低いことで、石膏成分の溶解度を低くすることができ、初期の強度発現性をより高めることができる。なお、ここでのpHは、石膏/イオン交換水=1g/100gの20℃における希釈スラリーのpHをイオン交換電極等により測定したものである。pHは、3以上8以下がより好ましく、5以上7以下がさらに好ましい。
別観点として、粉体材料A中、カルシウムアルミネートに対する石膏の量は、カルシウムアルミネート100質量部に対して、好ましくは50質量部以上250質量部以下、より好ましくは70質量部以上200質量部以下である。
石膏の量を適度に多くすることで、A液のより長い可使時間を得ることができる。また、石膏の量を適度に少なくすることで、A液とB液とを混合して得られる硬化物の初期強度を高めうる。すなわち、より早期に地盤改良効果を得やすい。
粉体材料Aおよび/またはA液は、A液の可使時間の調整や、B液と混合したときの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、粉体材料Aの中に予め含めておいてもよいし、粉体材料Aとは別途準備しておいてA液を調製する際に添加してもよい。
具体的には、凝結調整剤の量は、A液の水以外の全成分中、例えば0.01質量%以上2質量%以下、好ましくは0.03質量%以上1.5質量%以下、より好ましくは0.05質量%以上1質量%以下となるように用いることが好ましい。すなわち、粉体材料A中に予め凝結調整剤を含めておく場合は、粉体材料A全体に対する凝結調整剤の量は上記程度とすることが好ましい。また、粉体材料Aとは別に凝結調整剤を準備する場合には、粉体材料Aと凝結調整剤を合わせた全体中の凝結調整剤の量が上記程度となるようにすることが好ましい。
前述のように、A液は、粉体材料Aを水と混合したスラリー状のものである。なお、A液中、カルボン酸塩の少なくとも一部は水に溶解していると考えられる。
粉体材料Aを水と混合してA液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、A液全体中、例えば50質量%以上95質量%以下、好ましくは60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。
前述のように、A液をB液と混合する前において、A液の可使時間は比較的長い(地盤注入前においては充分な可使時間を確保できる)。A液は水硬性のカルシウムアルミネートを含むものの、それとカルボン酸塩とを併用することにより、A液自体は固形分が生成しにくい。
具体的には、粉体材料Aと水とを混合してA液を得るにあたり、混合後、好ましくは30分、より好ましくは45分、さらに好ましくは60分経過した時点における、目開き4.0mmの篩による篩残分が、粉体材料Aの全体量を基準として0.1質量%以下である。
一方、例えば、粉体材料A自体の性質として、水と混合したときの可使時間の長さを評価したい場合、より具体的には、組成等が異なる粉体材料A1とA2のどちらがより長い可視時間を有するかを、一律の基準の下に評価したい場合は、水の量が、A液全体中、例えば50質量%以上95質量%以下、好ましくは60質量%以上90質量%以下となるように混合して得たA液の可使時間を、上記のようにして評価することができる。あるいは、粉体材料が市販品であり、水との推奨混合比が示されている場合には、水の量はそれに従ってもよい。
A液の製造方法は特に限定されない。粉体材料A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、A液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A液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。
粉体材料Bは、前述のように、セメントを含む。粉体材料Bは、好ましくは、さらに、ミョウバンなどを含みうる。また、B液は、この粉体材料Bを、水と混合してスラリー状としたものである。
B液は、通常、使用直前までA液と接触または混合していない状態で存在する。
以下、粉体材料BまたはB液を構成する成分などについて説明する。
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、低熱若しくは中庸熱等の各種のポルトランドセメント、これらのセメントに高炉スラグやフライアッシュやシリカフュームなどを混合した各種混合セメント、高炉セメント、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)、市販されている微粒子セメントなどが挙げられる(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)。
セメントは、単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中では、高炉セメントが、六価クロム含有量が低いため好ましい。
粉体材料BまたはB液は、好ましくはミョウバンを含む。本発明者らの知見として、粉体材料BまたはB液がミョウバンを含むことにより、A液とB液の混合後の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。
また、ミョウバン石を挙げることもできる。ここで、ミョウバン石とは、[(K,Na)(Al,Fe)3(SO4)2(OH)6]の成分範囲を示す天然物である。さらに、ミョウバン石を粉砕した生ミョウバン石粉末や、ミョウバン石を800℃以下の温度で仮焼して粉砕した仮焼ミョウバン石粉末なども使用可能である。
ミョウバンとしては、一般に市販されているカリウムミョウバンや仮焼ミョウバン石粉末の使用が好ましい。また、ミョウバンには無水塩や結晶水を含むものがあるが、いずれもそのまま使用可能である。
B液は、粉体材料Bを水と混合する(粉体材料Bを水で練る)ことで得ることができる。ミョウバンを用いる際は、予め粉体材料B中にミョウバンを含めておいてもよいし、B液の調製の際に、粉体材料Bとは別材料としてミョウバンを加えてもよい。
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。
ただし、粉体材料BまたはB液は、好ましくは、カルボン酸塩やカルシウムアルミネートを含まない。
上述のA液と、上述のB液とを混合することで、硬化物を得ることができる。また、その硬化物により地盤を改良することができる。
例えば、(i)二重管を用いて、先端部でA液とB液を合流混合させて地盤に注入するいわゆる2ショット方式、(ii)A液とB液を、注入ポンプから注入管に至る途中で混合させて注入するいわゆる1.5ショット方式、(iii)ミキサー等の調合槽でA液とB液を混合する1ショット方式、などを採用することができる。これら方式の実施の際には、公知の注入ポンプ等を用いることができる。
(粉体材料A、A液の調製)
まず、後掲の表1の「粉体材料A」の欄に示された各成分を、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、粉体材料Aを調製した。
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、上記の粉体材料Aをこの順に投入し、十分に練り合わせ、A液を得た。
A液中の各成分の量は表1に記載のとおりである。
後掲の表1の「B液」の欄に示された各成分を、表1に示された量混合し、B液を得た。
以下手順で測定した。
(1)A液とB液、体積で500mLずつの等量を混合して混合物を得た。その後、得られた混合物のうち60mLを、水平面に載置した円錐台形状の紙コップの中に採取した。紙コップとしては、底面内径5.3cm、上端面内径7.5cm、高さ8.8cmのものを用いた。
(2)上記(1)の操作の後、紙コップの底面中心および上端面中心を結ぶ線が鉛直面に対して60°傾斜した状態で紙コップを保持し、混合物と空気の界面が流動して変化するか、あるいはその界面が不動であるかを判別した。
(3)上記(2)の確認後、紙コップを再び水平面に載置した。
(4)上記(2)で界面が不動となる状態に至るまで上記(2)および(3)を繰り返した。
(5)上記(1)のA液とB液の混合開始時を起点として、上記(2)で界面が不動となった状態に至るまでの時間をゲルタイムとした。
A液を、水に粉体材料Aを投入したときを起点(0分)として、調製後30分放置した。その後、A液を、目開き4.0mmの篩に通し、篩を通過できない固形分(粗大粒子)の量を調べた。
粉体材料Aの全体量を基準として、篩を通過できない固形分の量が0.1質量%以下であった場合を「篩残分なし」、そうでなかった場合を「篩残分あり」とした。
A液とB液の混合直後のセメント組成物を、縦4cm×横4cm×高さ16cmの型枠に流し込んだ。そして、未だ硬化が十分進行していない段階での強度を指触で測定した。そして、以下4段階で評価した。
◎(優):型枠を脱型しても形は崩れず、また、セメント組成物を指で押しても凹まなかった。
○(良):型枠を脱型しても形は崩れなかったが、セメント組成物を指で押すとやや凹む状態であった。
△(可):型枠を脱型しても形は崩れなかったが、セメント組成物を指で押すと凹む状態であった。
×(不可):型枠を脱型すると形が崩れてしまう状態であった。
JIS R 5201に準じて強度を測定した。具体的には、A液とB液の組成物を用いて、縦4cm×横4cm×高さ16cmの試験体を作製し、A液とB液の混合から30分後、1時間後および1日後の圧縮強度を測定した。
また、石膏としては、天然無水石膏、ブレーン比表面積値5000cm2/gのものを用いた。
また、ポルトランドセメントとしては、普通ポルトランドセメント(デンカ株式会社製)を用いた。
すなわち、本実施形態の地盤注入材のうち、特にA液は、B液との混合前の可使時間が長いことが示された。
追加の実施例により、本実施形態の地盤注入材の有用性をさらに示す。
まず、後掲の表3の「粉体材料A」の欄に示された各成分を、プロシェアミキサ(WB型、太平洋機工株式会社製)を用いて混合して混合物を得た。
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、上記の粉体材料Aをこの順に投入し、十分に練り合わせ、A液を得た。
A液中の各成分の量は表3に記載のとおりである。
後掲の表3の「B液」の欄に示された各成分を、表2に示された量混合し、B液を得た。
実施例1−1等と同様にして測定した。
なお、表3において、カルシウムアルミネート、石膏およびポルトランドセメントは、表1のものと同じである。
表3に示されるように、実施例2−1〜2−10において、A液の可使時間は良好であった。
Claims (14)
- 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、
前記A液と前記B液とを混合した際の、以下の手順(1)から(5)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。
[手順]
(1)A液とB液とを混合して混合物を得た後、得られた混合物の少なくとも一部を水平面に載置した円錐台形状の紙コップの中に採取する。採取する量は、紙コップの容量の70%以下の量とする。紙コップとしては、底面内径5.3cm、上端面内径7.5cm、高さ8.8cmのものを用いる。
(2)前記(1)の操作の後、前記紙コップの底面中心および上端面中心を結ぶ線が鉛直面に対して60°傾斜した状態で前記紙コップを保持し、混合物と空気の界面が流動して変化するか、あるいは前記界面が不動であるかを判別する。
(3)上記(2)の確認後、前記紙コップを再び水平面に載置する。
(4)上記(2)で界面が不動となる状態に至るまで上記(2)および(3)を繰り返す。
(5)上記(1)のA液とB液の混合開始時を起点として、上記(2)で界面が不動となった状態に至るまでの時間をゲルタイムとする。 - 請求項1に記載の地盤注入材であって、
前記粉体材料Aと水とを混合して前記A液を得るにあたり、前記粉体材料Aと水との混合後30分経過した時点における目開き4.0mmの篩による篩残分が、前記粉体材料Aの全体量を基準として0.1質量%以下である地盤注入材。 - 請求項1または2に記載の地盤注入材であって、
前記カルシウムアルミネート中のCaO/Al2O3モル比が1.0以上3.0以下である地盤注入材。 - 請求項1から3のいずれか1項に記載の地盤注入材であって、
前記粉体材料Aが、さらに石膏を含む地盤注入材。 - 請求項1から4のいずれか1項に記載の地盤注入材であって、
前記A液が、さらに凝結調整剤を含む地盤注入材。 - 請求項1から5のいずれか1項に記載の地盤注入材であって、
前記粉体材料Bが、さらにミョウバンを含む地盤注入材。 - 請求項1から6のいずれか1項に記載の地盤注入材であって、
前記カルボン酸塩が、カルボン酸金属塩を含む地盤注入材。 - 請求項1から7のいずれか1項に記載の地盤注入材であって、
前記カルボン酸塩が、カルボン酸カルシウム塩を含む地盤注入材。 - 請求項1から8のいずれか1項に記載の地盤注入材であって、
前記カルボン酸塩が、炭素数1以上5以下のカルボン酸の塩を含む地盤注入材。 - 請求項1から9のいずれか1項に記載の地盤注入材であって、
前記カルボン酸塩が、酢酸塩およびギ酸塩からなる群より選ばれる少なくとも1種の化合物を含む地盤注入材。 - 請求項1から10のいずれか1項に記載の地盤注入材であって、
前記A液中の、前記カルシウムアルミネート100質量部に対する前記カルボン酸塩の量が0.1質量部以上50質量部以下である地盤注入材。 - 請求項1から11のいずれか1項に記載の地盤注入材における前記A液と前記B液とを混合して得られる硬化物。
- 請求項12に記載の硬化物により地盤を改良する地盤改良方法。
- 請求項1から13のいずれか1項における粉体材料Aおよび粉体材料Bからなる、地盤注入用粉体材料。
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