JP2005187503A - 土木用添加剤及びそれを用いた安定液 - Google Patents

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Abstract

【課題】 耐塩性をもつ土木用添加剤と安定剤を提供すること。
【解決手段】 ベントナイトと、カルボキシメチル化グアガム、ヒドロキシプロピル化グアガム、及びカルボキシメチル化ヒドロキシプロピル化グアガムから選ばれた少くとも1種を用いた土木用添加剤、及びこの土木用添加剤を用いて作液した安定剤。
【選択図】 なし

Description

本発明は、カルボキシメチル化グアガム、ヒドロキシプロピル化グアガム、又はカルボキシメチル化ヒドロキシプロピル化グアガム等の変性グアガムを使用した耐塩性を有する土木用加泥剤及びそれを用いて作液した安定液に関する。
現在、合成、半合成、天然を問わず各種高分子化合物(以下、ポリマーという)が、杭工事、連続壁工事、シールド、推進工事の安定液の加泥剤として使用されている。これらポリマーのうち、例えばカルボキシメチルセルロース(CMC)は、杭工事、連続壁工事、シールド、推進工事の安定液の加泥剤として用いられ、ポリアクリルアミド共重合物及びポリアクリル酸ナトリウム等は、泥土圧シールド、推進工事の安定液の添加剤として使用されている。
しかしながら、上記のポリマー類は、海水・セメント等の塩汚染に弱く、掘削作業中にこれら汚染に遭遇した場合、脱水量の増大、多量のブリージングが生じ、孔壁の崩壊等を誘発し、作業全体に多大な損害をもたらす。現状では、これら汚染の対策として、新液(新しい安定液)を補給しながら、炭酸ナトリウム及び分散剤(例えばアクリル系分散剤)を添加する方法がとられている。
また、CRM工法、TRD工法等に代表されるソイル連続壁工事で使用される安定液では、砂礫層での礫及び砂の沈降防止及び、逸液防止を目的として高イールド値及び高ゲル値を有する安定液が要求される場合がある。このような掘削条件下では、安定液に使用するポリマー類を増量して高粘性とする方法、及びベントナイトに少量のエクステンダーとしてポリマーを混合した土木用添加剤を用いて、安定液を作液する方法が取られている。
しかし、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ポリアクリルアミド共重合物及びポリアクリル酸ナトリウム等のポリマーは、安定液のイールド値及びゲル値を上昇させる機能に欠けるため、必要以上にポリマーが添加されると、見かけ粘性が上昇し、ポンプ移送などに支障が生じる。また海水、セメントの塩汚染に弱く、凝集、遊離水の発生が生じ、掘削作業に支障をきたす。
さらに、泥土圧シールド工事、推進工事は、掘削地山に適量の安定液を注入し、地山をスラリー化すると同時に、土圧に対抗しつつ掘削し、徐々にスラリー化した地山を排土して掘削する工法であるが、このとき注入される安定液には、前述したポリマー類が使用されている。特に砂礫地盤を掘削するためには、排土を容易にするために高粘性のポリマー流体が使用される。
しかし、近年、推進・シールド掘削距離が長距離化するに伴い、前述したポリマー類を使用した高粘性流体では、圧送時のポンプ圧が高くなりすぎて、加泥剤の長距離圧送が難しくなるという問題が生じている。
安定液の耐塩性向上及び流動特性改善を行う方法としては、キサンタンガム、グアガム、ウェランガムを使用する方法(例えば特開昭53-35564、特開昭56-18683、特開平05-17763)が提案されている。しかし、これらガム類を用いて高イールド値及び高ゲル値を得ようとすれば、多量の添加が必要となり、コストが高くなる。
また、推進・シールド工事の長距離化に対処するために、ベントナイト懸濁液と水ガラスを別々に挿入し、これらをシールド掘削機チャンバー内で混合し増粘させる方法も一部行なわれているが、加泥剤のpHが高くなり危険である等の問題がある。
特開昭53−35564 特開昭56−18683 特開平05−17763
上述したように、耐塩性をもち、粘性をコントロールしやすい土木用添加剤及び安定液の提供が課題になっている。
上記課題を解決するために、本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、グアガムとして特定の変性グアガムを用い、これをベントナイト懸濁液に適量添加するか、あるいは、ベントナイト粉末に変性グアガムを適量混合して作成した土木用添加剤を用いて、安定液を作液することにより、安定液を任意の粘性にコントロールし、かつ耐塩性の優れた安定液を得ることができることを見い出した。
変性グアガムとしては、カルボキシメチル化グアガム、ヒドロキシプロピル化グアガム、又はカルボキシメチル化ヒドロキシプロピル化グアガムの少くとも1種を使用すると、その少量をベントナイト粉末への混合するか、あるいは安定液へ添加することによって、非常にイールド値及びゲル値の高い流体を得ることができる。
本発明によれば、耐塩性に優れ、粘性をコントロールしやすい土木用添加剤及び安定液を提供することができる。
本発明で使用されるカルボキシメチル化グアガム、ヒドロキシプロピル化グアガム、又はカルボキシメチル化ヒドロキシプロピル化グアガムは、グアガムをカルボキシメチル化、及び/又は、ヒドロキシプロピル化して得られたものである。カルボキシメチル化グアガムの置換度は0.01から1.0の範囲であり、ヒドロキシプロピル化グアガムの置換度は0.1から0.5の範囲であり、カルボキシメチル化ヒドロキシプロピル化グアガムの置換度は、カルボキシメチル化が0.01から1.0、ヒドロキシプロピル化が0.01から0.5の範囲である。この範囲より低い場合は、安定液として必要な粘性が発現せず、また、この範囲より高い場合は、変性に必要なコストが大きくなりすぎ経済的に好ましくない。
なお、本発明の効果を損なわない場合は、カルボシメチル化、及び/又は、ヒドロキシプロピル化を行う前後に任意の別の加工、例えば、低粘度化、エステル化、エーテル化
、グラフト化、架橋等を行ってもよい。
本発明で使用するカルボキシメチル化グアガム、ヒドロキシプロピル化グアガム、又はカルボキシメチル化ヒドロキシプロピル化グアガムは、ベントナイト懸濁液に直接添加してもよいし、予め、ベントナイトに適量混合したものを安定液に添加してもよい。また、必要に応じて、CMC等の既存の高分子化合物と併用しても良い。
ベントナイト懸濁液に添加する場合は、溶液又は粉末の何れの形態を取ってもよい。
例えば水道水100重量部にベントナイト0.5〜15.0重量部を添加したベントナイト懸濁液に、カルボキシメチル化グアガム、ヒドロキシプロピル化グアガム、又はカルボキシメチル化ヒドロキシプロピル化グアガムを0.03〜7.0重量部好ましくは、0.05〜3.0重量部の範囲になるように添加する。
カルボキシメチル化グアガム、ヒドロキシプロピル化グアガム、又はカルボキシメチル化ヒドロキシプロピル化グアガムの添加量は、ベントナイトの添加量及び希望する安定液の粘性によって異なるが、上記ベントナイトの配合量の場合、0.03重量部以下では、所定の粘性を得ることが難しく、また、7.0重量部以上では、粘性が高すぎて混合攪拌できなくなる。
また、粉末の形態をとる土木用添加剤として使用する場合は、ベントナイト100重量部に、上記のカルボキシメチル化グアガム、ヒドロキシプロピル化グアガム、又はカルボキシメチル化ヒドロキシプロピル化グアガムを0.5〜10.0重量部の範囲で混合して土木用添加剤とする。0.5重量部以下では、所定の粘性を得るのに、ベントナイトとカルボキシメチル化グアガム、ヒドロキシプロピル化グアガム、又はカルボキシメチル化ヒドロキシプロピル化グアガムとの混合物を多量に添加しなければならない。また、安定液中のカルボキシメチル化グアガム、ヒドロキシプロピル化グアガム、又はカルボキシメチル化ヒドロキシプロピル化グアガムの含有量が少なくなり、耐塩性の向上が期待できない。一方、10.0重量部以上では、粘性が高すぎて混合攪拌できなくなり、現場での取り扱いが難しくなる。
上記粉末状の土木用添加剤は、水100重量部に1.0〜15.0重量部混合して安定液とする。
さらに、上記カルボキシメチル化グアガム、ヒドロキシプロピル化グアガム、又はカルボキシメチル化ヒドロキシプロピル化グアガムは、市販のカルボキシメチルセルロース(CMC)、ポリアクリルアミド共重合物及びポリアクリル酸ナトリウム等と併用しても良い。これらポリマー(以下市販のポリマーという)と併用することにより、カルボキシメチル化グアガム、ヒドロキシプロピル化グアガム、又はカルボキシメチル化ヒドロキシプロピル化グアガムの有する高イールド値、高ゲル値、耐塩性を安定液に付与することができ、流体の特性が一層良好になる。市販のポリマーとしては、例えばテルセルロース、テルポリマー200、テルポリマー9、テルポリマー1400MC、テルコートDP(いずれもテルナイト社製)がある。
上記の市販のポリマーの少なくとも1種類以上を混合して用いる場合、その混合比率は、任意の比率で良い。好ましくは、変性グアガム:市販のポリマー=2:1〜1:2の範囲が最も好ましい、市販のポリマーが前述した1:2より多い範囲で用いた場合は、変性グアガムを使用した時の安定液の特徴である高イールド値及び高ゲル値が得られない。
上記変性グアガムに、ベントナイト、カオリナイト、山粘土及び炭酸カルシウム粉末のうち、いずれか1種以上を混合して土木用添加剤にすることができる。また、これら土木用加泥剤を用いて安定液とする場合、安定剤として、ベントナイトのほかに、分散剤、脱水減少剤、潤滑剤、アルカリ度調整剤、増粘剤、防腐剤を用いることができる。
上記変性グアガムと併用されるベントナイトは、クニゲルV1、赤城ベントナイト、浅間ベントナイト等の土木工事で使用されている市販ベントナイトを用いることができる。なかでも、ベントナイトとしてイルード値が高い、クニゲルVO(クニミネ鉱業(株)製)、スーパークレイ((株)ホージュン製)に代表されるワイオミング産ベントナイトが最も好ましい。
また、カルボキシメチル化グアガム、ヒドロキシプロピル化グアガム、又はカルボキシメチル化ヒドロキシプロピル化グアガムを用いた安定液に分散剤を用いることができ、分散剤としては、テルフロー、テルフローE((株)テルナイト製)等、市販の分散剤ならば、何れを用いても良い。
上記の変性グアガムを含む土木用添加剤を、推進・シールド掘削において、ツーショット型添加剤として使用する場合、水100重量部にベントナイト3〜12重量部を添加して得られるベントナイト懸濁液、好ましくは5〜8重量部の範囲で添加して得られるベントナイト懸濁液からなる第一液と、カルボキシメチル化グアガム、ヒドロキシプロピル化グアガム、又はカルボキシメチル化ヒドロキシプロピル化グアガムを0.5〜5.0重量部の範囲で添加して得られる変性グアガム水溶液、好ましくは1.0〜2.0重量部の範囲で添加して得られる変性グアガム水溶液からなる第二液を、シールド掘削機チャンバー内で、ベントナイト懸濁液と変性グアガム溶液の混合比率が10:1〜2:3の範囲で混合することが最も好ましい。前記混合比率の範囲外では、2液が混合されたときに強いゲルストレングス値を有し、シャーシニング性の高い流体が得られない。
使用するベントナイトは、VGメータ回転粘度計測定による見かけ粘性値(AV値)15cp以上を得るために必要な添加量が、13.0(重量部/水100重量部)以下であるか、あるいは、コロイド滴定によるコロイド荷電量が、40.0(meq/100g)以上で有るかの何れかの条件を満たしていればよい。好ましくは、ワイオミング産ベントナイトのように15cp以上となるために必要な添加量が7.0(重量部/水100重量部)、コロイド荷電量が69.0(meq/100g)の高膨潤性ベントナイトを使用することが最も適している。
以下に実施例及び比較例を挙げて本発明についてさらに具体的に説明する。本発明は、これに限定されるものではない。
〔実施例1〜10〕〔比較例1〜2〕
カルボキシメチル化グアガム、ヒドロキシプロピル化グアガム、又はカルボキシメチル化ヒドロキシプロピル化グアガムをワイオミングベントナイト懸濁液に添加し、従来品(市販品ガム又はCMCを添加)との耐塩性比較試験を実施した。結果を表−1に示す。

「使用した加泥剤及び添加量」
水道水 ; 100重量部
ワイオミングベントナイト;スーパークレイ((株)ホージュン) 3重量部

カルボキシメチル化グアガムA;置換度0.01 0.2重量部
カルボキシメチル化グアガムB;置換度0.11 0.06〜0.2重量部
カルボキシメチル化グアガムC;置換度0.90 0.2重量部
ヒドロキシプロピル化グアガムA;置換度0.1 0.2重量部
ヒドロキシプロピル化グアガムB;置換度0.3 0.2重量部
カルボキシメチル化ヒドロキシプロピル化グアガムA
;CM化置換度0.02、HP化置換度0.11 0.2重量部
カルボキシメチル化ヒドロキシプロピル化グアガムB
;CM化置換度0.12、HP化置換度0.15 0.2重量部
カルボキシメチル化ヒドロキシプロピル化グアガムC
;CM化置換度0.90、HP化置換度0.48 0.2重量部

カルボキシメチル化グアガムB 0.1重量部及び
ヒドロキシプロピル化グアガムB 0.1重量部

カルボキシメチル化グアガムB 0.1重量部及び
ヒドロキシプロピル化グアガムB 0.1重量部及び
カルボキシメチル化ヒドロキシプロピル化グアガム 0.1重量部

市販品グアガム(高粘性タイプ) ;レスター(テルナイト製) 0.06重量部
CMC;A−200(日本製紙ケミカル(株)) 0.4重量部

「測定方法」
(1) 水道水100重量部にベントナイト3重量部を添加し、ミキサーで10分間攪拌混合する。
(2) 攪拌後、各種の加泥剤を上記の配合にもとづいて添加し、さらに10分攪拌し、VGメータ及びB型粘度計(No3のロータ、60rpm)を用いて、粘性を測定した。
(3) 粘性測定後、API脱水試験機を用いて、脱水量を測定した。
Figure 2005187503
注:表中 AV:見かけ粘度,PV:プラスチック粘度,YV:イールド値,GEL:ゲルスト レングス値(API規格RP13B−1の試験方法に準じて測定)

表に示す結果からも分かるように、本発明の加泥剤は、市販のグアガムと比較して、ほぼ同量の添加量で、高い安定液のYV値、GEL値が得られ、砂礫層などの粘性の必要な場合に非常に有効な加泥剤となる。また、市販のCMCと比較しても、少ない添加量で、高いYV値、GEL値が得られる。
〔実施例11〜14〕〔比較例3〜5〕
カルボキシメチル化グアガム、ヒドロキシプロピル化グアガム、又はカルボキシメチル化ヒドロキシプロピル化グアガムをワイオミングベントナイトに混合した一体型の加泥剤を作り、従来品との流動性及び耐塩性に関する比較試験を実施した。結果を表−2、3に示す。

「使用した加泥剤及び添加量」
ワイオミングベントナイト;スーパークレイ((株)ホージュン) 100重量部
カルボキシメチル化グアガムB;置換度0.11 1.0〜2.0重量部
ヒドロキシプロピル化グアガムB;置換度0.3 2.0重量部
カルボキシメチル化ヒドロキシプロピル化グアガムB
;CM化置換度0.12、HP化置換度0.15 1.0〜2.0重量部
市販のカルボキシメチル化ヒドロキシプロピル化グアガム(製品名:ジャガー8600)
;CM化置換度0.10、HP化置換度0.39 1.25重量部
比較品−1;CMC A−200(日本製紙ケミカル社製品) 1.25重量部
比較品−2;高粘性タイプグアガム レスター(テルナイト社製品)1.25重量部
比較品−3;グアガム グアコールF30 1.25重量部

「測定方法」
(4) 水道水500重量部に上記配合によってベントナイトと各種のグアガムからなる4.0重量部の一体型加泥剤を添加し、ミキサーで10分間攪拌混合した。
(5) 攪拌後、VGメータ及びB型粘度計(No3のロータ、60rpm)を使用し、粘性を測定した。
(6) 粘性測定後、API脱水試験機を用いて、脱水量を測定した。(表−2参照)
(7) その後、3%NaCl溶液を30容量部添加し、10分攪拌後、同様に粘性及び脱水量を測定した。
(8) 測定後、100ml共栓付メスシリンダーに入れ、時間と遊離水の量を測定した。(表−3参照)
Figure 2005187503
Figure 2005187503
表に示す結果からも分かるように、本発明品は、ベントナイトに予め混合した状態で添加しても、非常に高い安定液のイールド値、GEL値が得られ、砂礫層などの粘性の必要な場合に非常に有効な加泥剤となる。また、海水汚染を模擬した3%NaCl汚染においても、脱水量の増加及び、遊離水の発生が低く、耐塩性に優れている。
〔実施例15〜21〕〔比較例5〕
カルボキシメチル化グアガムと高粘性タイプCMCを任意の比率で混合し、ワイオミングベントナイトと併用した場合の安定液性状を測定した。結果を表−4、5に示す。

「使用した添加剤及び添加量」
ワイオミングベントナイト;スーパークレイ(株)ホージュン) 100重量部
カルボキシメチル化グアガムBと高粘性タイプCMCの混合比率; 1:5〜3:1
混合品の添加量 ; 1.0〜2.0重量部
混合品の組成
カルボキシメチル化グアガムB; 1.75〜0.3重量部
高粘性タイプCMC−A ;ダイセル化学社製品(CMC1390)
0.25〜1.7重量部
高粘性タイプCMC−B ;日本製紙社製品(CMC1400MC)
0.75〜1.0重量部
市販品 ;クニミネ鉱業社製品(商品名:クニゲルGS)
4.0重量部

「測定方法」
(1) 水道水500重量部に上記配合の加泥剤を添加し、ミキサーで10分間攪拌混合した。
(2) 攪拌後、VGメータ及びB型粘度計(No3のロータ、60rpm)を使用し、粘性を測定した。
(3) 粘性測定後、API脱水試験機を用いて、脱水量を測定した。(表−4参照)
(4) その後、人工海水を30%添加し、10分攪拌後、同様に粘性及び脱水量を測定した。(表−5参照)
(5) 測定後、100ml共栓付メスシリンダーに入れ、時間と遊離水の量を測定した。
Figure 2005187503
Figure 2005187503
表に示す結果からも分かるように、CMCとカルボキシメチル化グアガムの混合品は、YV値を維持しつつ、低脱水性の安定液が得られる。また、NaCl汚染よりも、厳しい人工海水汚染を行っても、脱水量の増加、遊離水の発生が小さく、耐塩性が確保されている事が分かる。
〔実施例22〜25〕
カルボキシメチル化グアガム(以下、CMGともいう)溶液とベントナイト懸濁液を混合する2ショット型加泥剤において、以下に示す配合組成の2液を任意の比率で混合した時のB型粘度計(ロータNo.2〜No.4)による粘性測定を実施した。

「試験手順」
(1) あらかじめ、5、7、9%濃度のスーパークレイ懸濁液と1%CMG溶液を作液した。
(2) 表−6〜8に示す混合比率で両溶液を混合し、5分間攪拌した。
(3) 攪拌後VGメータ及びB型粘度計にて粘性を測定した。B型粘性測定には、ロータNo3及び4を使用し、回転数は、60rpm、3rpmを採用した。粘性が高い場合は、ロータを変えて回転数を同じ条件で測定した。
(4) 必要に応じpH,脱水を測定した。

「使用した添加剤及び添加量」
水道水 ; 100重量部
ワイオミングベントナイト;スーパークレイ((株)ホージュン)
5〜9重量部
1%CMG(溶液カルボキシメチル化グアガムB;置換度0.11の1%の溶液); 1.0重量部
Figure 2005187503
Figure 2005187503
Figure 2005187503
B型粘度計における粘性測定の結果、高せん断領域における粘性は、スーパークレイ濃度7%以上で、1%CMG溶液とベントナイト懸濁液の混合比率1:2以上で、高粘性流体(ゲル流体)が得られる。(表−7参照)低せん断領域においては、スーパークレイ濃度5%以上で1%CMG溶液とベントナイト懸濁液の混合比率1:1以上で、5000(mPa・S)と高い粘性が得られる。(表−8参照)
スーパークレイ濃度7%以上で1%CMG溶液とベントナイト懸濁液の混合比率1:3以上で、スライム状の硬いスラリーが得られる。(表−7,表−8参照)
これらの結果より、両液を混合する2ショット型加泥剤は、その混合比率を調整することにより高いシャーシニング性を有する高粘性流体を得られるばかりでなく、スライム状の硬いスラリーを得ることができることより、砂礫層地盤にも有効な加泥剤となることが明らかである。
表−8における「低せん断速度領域におけるCMG/スーパークレイ混合液のB型粘性」を示す図表である。

Claims (10)

  1. ベントナイトと、カルボキシメチル化グアガム、ヒドロキシプロピル化グアガム、及びカルボキシメチル化ヒドロキシプロピル化グアガムから選ばれた少くとも1種を含むことを特徴とする土木用添加剤。
  2. ベントナイトと、カルボキシメチル化グアガム、ヒドロキシプロピル化グアガム、及びカルボキシメチル化ヒドロキシプロピル化グアガムから選ばれた少くとも1種を含む土木用添加剤を用いて作液したことを特徴とする安定液。
  3. カルボキシメチルセルロース(CMC)、ポリアクリルアミド共重合物、及びポリアクリル酸ナトリウムから選ばれた少なくとも1種を混合してなる請求項1に記載の土木用添加剤。
  4. ベントナイト懸濁液からなる第一液と、カルボキシルメチル化グアガム、ヒドロキシプロピル化グアガム、及びカルボキシメチル化ヒドロキシプロピル化グアガムから選ばれた少くとも1種を含む水溶液からなる第二液を、シールド掘削機チャンバー内で混合することを特徴とする2ショット型推進掘削及び泥土圧シールド掘削用安定液。
  5. ベントナイト100重量部に、カルボキシメチル化グアガム、ヒドロキシプロピル化グアガム、及びカルボキシメチル化ヒドロキシプロピル化グアガムから選ばれた少くとも1種を0.5〜10.0重量部混合することを特徴とする請求項1又は3に記載の土木用添加剤。
  6. 水100重量部にベントナイト0.5〜15.0重量部を添加して得られるベントナイト懸濁液に、カルボキシメチル化グアガム、ヒドロキシプロピル化グアガム、及びカルボキシメチル化ヒドロキシプロピル化グアガムから選ばれた少くとも1種を0.03〜7.0重量部添加することを特徴とする請求項2又は4に記載の安定液。
  7. 水100重量部にベントナイト0.5〜15.0重量部を添加して得られるベントナイト懸濁液に、カルボキシルメチル化グアガム、ヒドロキシプロピル化グアガム、及びカルボキシメチル化ヒドロキシプロピル化グアガムから選ばれた少くとも1種を0.05〜3.0重量部で添加することを特徴とする請求項2又は4に記載の安定液。
  8. 水100重量部にベントナイト3〜12重量部を添加して得られるベントナイト懸濁液からなる第一液と、カルボキシメチル化グアガム、ヒドロキシプロピル化グアガム、及びカルボキシメチル化ヒドロキシプロピル化グアガムから選ばれた少くとも1種を0.5〜5.0重量部添加して得られる水溶液からなる第二液を、シールド掘削機チャンバー内で混合することを特徴とする2ショット型推進掘削及び泥土圧シールド掘削用の安定液。
  9. カルボキシメチル化グアガムの置換度が0.01から1.0の範囲であり、ヒドロキシプロピル化グアガムの置換度が0.1から0.5の範囲であり、カルボキシメチル化ヒドロキシプロピル化グアガムの置換度が、カルボキシメチル化は0.01から1.0、ヒドロキシプロピル化は0.01から0.5の範囲であることを特徴とする請求項1,3及び5のいずれかに記載の土木用添加剤。
  10. カルボキシメチル化グアガムの置換度が0.01から1.0の範囲であり、ヒドロキシプロピル化グアガムの置換度が0.1から0.5の範囲であり、カルボキシメチル化ヒドロキシプロピル化グアガムの置換度が、カルボキシメチル化は0.01から1.0、ヒドロキシプロピル化は0.01から0.5の範囲であることを特徴とする請求項2,4,6,7及び8のいずれかに記載の安定液。
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