JP2006016543A - 地盤注入材 - Google Patents

Abstract

【課題】 急硬成分と非急硬性の水硬性物質とを別々にスラリー化し、地盤等への注入時に両スラリーを混合させる注入方法では、急硬成分にカルシウムアルミネートを用いたスラリーは、その高い急硬性の為、スラリーの練り置きを注入後の強度発現性など他の性状に影響を及ぼすことなく長時間安定して維持することは困難であった。本発明はこの問題点を解決するもので、長時間練り置きしても安定した性状を保つことができ、注入後は速やかに硬化し、短時間〜長期に渡って高い強度発現性を奏することができる注入材を提供する。
【解決手段】 １２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃を１５〜５０重量部及び石膏類を含有してなる水性スラリーＡと、セメントとスラグを含有してなる水性スラリーＢからなることを特徴とする地盤注入材。
【選択図】 なし

Description

本発明は、軟弱地盤を強固な地盤に改良するのに用いる地盤注入材に関する。

トンネルやダムなどを構築する地盤が軟弱な場合、硬化性物質を地盤に混合・浸透させてこれを堅牢強固なものに改良することが行われている。地盤に浸透させて強固な地盤に改良する場合、硬化性物質は良好な浸透性を確保する上でスラリー状の形態の注入材として使用される。注入材に使用される硬化性物質は、例えばアクリルアミド、尿素ホルマリン、ウレタン等の有機物や水硬性の無機物があるが、地下水などへの有機物残分の混入を嫌う場合もあって、水硬性の無機物が主に使用される。注入材に使用される水硬性の無機物は一般にセメントを主成分とするものであるが、地盤に注入後速やかに凝結が進むことが必要なため、急硬成分が加えられることが多い。このような急硬成分には水ガラス、アーウィン（４ＣａＯ・３Ａｌ₂Ｏ₃・ＳＯ₄）、ＣａＯ−ＮａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃系化合物、種々のカルシウムアルミネート系の化合物や非晶質体が知られている。このうち、水ガラスは長期強度発現性に劣り、アーウィンは低温になると硬化速度が激減し、ＣａＯ−ＮａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃系化合物は水和反応活性が低いため、全般的に強度発現性が高くなり難い。

カルシウムアルミネートについては、急硬作用が高いため注入用途に適するが、これをセメントと混合させたものに注水すると急速に流動性を喪失し、注入までに時間が掛かると浸透性に支障を生じる。このため、カルシウムアルミネートに石膏等の硫酸塩を加えた水性スラリーとセメントを有効成分とする水性スラリーとを別個に作製し、注入時に混合する方法が知られている。（例えば特許文献１参照。）しかし、カルシウムアルミネート含有水性スラリーは長時間の練り置きでは自硬化が進むため、これに有機酸などの凝結遅延剤を併用し、長時間自硬化を防ぐことも行われているが、早期強度発現性が低下し易くなる。また、高い強度発現性を確保する上で一般にカルシウムアルミネート含有水性スラリーの水分含有量を低減させることが行われるが、低水比にするとブリージングが発生し易くなる。このため、カルシウムアルミネート含有水性スラリーにスラグやフライアッシュなどの無機微粉を配合して、これを改善して強度発現性の低下を抑制することも知られている。（例えば特許文献２参照。）しかし、この方法では潜在水硬性の微粉末を使用すると、練り置きでは自硬化が進み易くなり、一方、全く水和活性が無い無機粉末を使用すると強度発現性の低下抑制が十分図れない。
特公昭５３−１１７０号公報 特開平６−７２７４７号公報

このように急硬成分としてカルシウムアルミネートを用いた注入材は、その高い急硬性状の為、長時間の練り置きを強度発現性など他の性状に影響を及ぼすことなく改善することは困難であった。そこで本発明は、注入材の急硬成分にカルシウムアルミネートを用いた場合の掛かる問題点を解決することを課題とするもので、長時間練り置きしても安定した流動性状を保つことができ、注入後は速やかに硬化し、短時間〜長期に渡って高い強度発現性を呈することができる注入材を提供する。

本発明者らは検討を重ねた結果、特定のカルシウムアルミネートと石膏を主成分として含む水性スラリーと、セメントとスラグを主成分として含む水性スラリーとを地盤等への注入時に混合させることによって、各スラリーは長時間練り置きしても安定した流動性状を保つことができ、混合後は速やかに凝結が進み、且つ短時間〜長期に渡って高い強度発現性を呈することができるという知見を得、本発明を完成させた。

即ち、本発明は次の（１）〜（３）で表す注入材である。（１）１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃を１５〜５０重量部及び石膏類を含有してなる水性スラリーＡと、セメントとスラグを含有してなる水性スラリーＢからなることを特徴とする地盤注入材。（２）水性スラリーＡが更に凝結遅延剤を含有するものであることを特徴とする前記（１）の地盤注入材。（３）１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃が結晶質であることを特徴とする前記（１）又は（２）の地盤注入材。

本発明によれば、長時間の練り置きが可能で、地盤などへの注入性も良好で、注入後は短時間〜長期に渡って高い強度発現性を奏することができる注入材を得ることができる。

本発明の注入材は、急硬成分は含まれるが非急硬性の水硬性物質を含まない水性スラリー（以下、水性スラリーＡと称す。）と、非急硬性の水硬性物質を含み急硬成分を含まない水性スラリー（以下、水性スラリーＢと称す。）からなる。本発明で水性スラリーＡの急硬成分として必須使用する１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃は、カルシウムアルミネート類の中でも特に高い急硬性と強度発現性を付与でき、この粉末を他の含有成分と共に水でスラリー化したものが水性スラリーＡである。該１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃は、通常はＣａＯとＡｌ₂Ｏ₃をモル比で概ね１２：７又は概ね６：４に調整した原料を加熱し、これを種々の冷却条件で処理すると得られるが、本発明では何れの製造方法で得たものでも良く、従って使用する１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃は、結晶質、非晶質、または両者が共存しているものの何れでも良い。好ましくは、ガラス化率が高いものほど反応活性が高くなり、強度低下を起こすことなく長時間に渡る自硬化の抑制が難くなることから、結晶質を用いる。スラリーＡ中の１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃の含有量は、水分を除いた総量の１５〜５０重量％とする。１５重量％未満の含有量では急硬性付与作用が不足するので好ましくなく、また５０重量％を超えると初期強度の発現性が低下することから好ましくない。使用する１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃粉末の粒度は特に限定されないが、好ましくはブレーン比表面積４０００ｃｍ²／ｇ以上とする。ブレーン比表面積４０００ｃｍ²／ｇ未満では反応活性が乏しくなり所望の急硬性が得られ難くなることがある。また、本発明では１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃の他に、他の急硬性物質の併用も許容され、例えばＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃、３ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃やカルシウムアルミネート以外の急硬性物質を水性スラリーＡに含むものでも良いが、アルミナセメントなどの急硬性セメント種を除くセメント、例えば各種のポルトランドセメントなどは含有されないことが望ましい。

また、本発明では水性スラリーＡに石膏類を必須含有する。本発明で使用する石膏類とは無水石膏、半水石膏、二水石膏の何れか１種又は２種以上であり、結晶構造は問わず、所謂天然石膏でも化学石膏でも良い。この中でも強度発現作用がより高くなることからＩＩ型無水石膏の使用が好ましい。石膏類は１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃と併用することで水和反応によりエトリンガイト鉱物相を形成し、長期強度の発現性を向上させることができる。水性スラリーＡ中の石膏の含有量は、水分を除いた総量の２５〜５０重量％が好ましい。２５重量％未満では長期強度発現性が高くなり難く、５０重量％を超えると急硬性及び長期強度発現性が低下することがある。使用する石膏の粒度は特に限定されるものではないが、好ましくはブレーン比表面積４０００ｃｍ²／ｇ以上とする。ブレーン比表面積４０００ｃｍ²／ｇ未満では反応活性が低位なため、高い長期強度の発現性が得られ難くなることがある。

また、水性スラリーＡには凝結遅延剤を含有するのが好ましい。凝結遅延剤は練り置き時間の確保の調整に用い、特に、ガラス化率が高い１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃を用いる場合や、水性スラリーＡの練り置き時間をより長く確保したい場合は含有が推奨される。凝結遅延剤はモルタルやコンクリートに使用可能なものであれば限定されず、例えばクエン酸、グルコン酸、酒石酸、多糖類、二糖類、単糖類などが挙げられる。水性スラリーＡ中の凝結遅延剤の含有量は水分を除いた総量の５重量％までが好ましく、含有量が多いほど概して練り置き時間を長くできるが、５重量％を超えると水性スラリーＢと混合後の注入材の硬化が遅延したり、初期強度の発現性が低くなるので好ましくない。

水性スラリーＡの含水量は、水分以外の固型分合計量１００重量部に対し、好ましくは１０００〜１００００重量部とする。１０００重量部未満ではスラリー粘性が上昇し過ぎて注入困難性を伴い、１００００重量部を超えると急硬作用が著しく低下する。また、水性スラリーＡは含有成分の分散を均一化させるため、モルタル・コンクリートに使用することができる分散剤や減水剤（高性能減水剤、高性能ＡＥ減水剤を含む総称）などが適宜加えられたものでも良い。

また、水性スラリーＢはセメントとスラグを含有したものを水でスラリー化したものであるが、急硬成分の含有は避けることとし、従って水性スラリーＢに使用するセメントはアルミナセメントやジェットセメントなど特に急硬作用が強いものは好ましくない。それ以外の水硬性セメントであれば何れのものでも使用でき、例えば普通ポルトランドセメントの他、早強や超早強のポルトランドセメント、混合セメント等を挙げることができる。使用するセメントの粉末度は限定されないが、好ましくは注入性に支障のないブレーン比表面積４０００ｃｍ²／ｇ以上とする。

水性スラリーＢに使用するスラグは、例えば高炉製鋼スラグを挙げることができるが、これ以外の、例えば都市ゴミや下水汚泥等を溶融したスラグ、脱けいスラグ、脱燐スラグなども使用することができる。スラグを含有することで高い長期強度の発現性が付与される。使用するスラグの粉末度は、ブレーン比表面積５０００ｃｍ²／ｇ以上のもの、好ましくはブレーン比表面積が６０００ｃｍ²／ｇ以上とする。ブレーン比表面積の上限は特に制限されない。ブレーン比表面積が５０００ｃｍ²／ｇ未満のスラグでは、注入時の浸透性が低下することに加え、強度発現性の向上を十分示さないので好ましくない。

水性スラリーＢの前記各成分と水の含有量は、セメントとスラグの合計量１００重量部に対し、水５００〜３０００重量部が好ましい。水が５００重量部未満ではスラリー粘性が上昇し過ぎて注入が困難となり、３０００重量部を超えると注入材の硬化強度が全般に低下する。また、セメントとスラグの含有割合はセメント１００重量部に対し、スラグ５０〜９００重量部とするのが好ましい。スラグ５０重量部未満では低含水量で材料分離が生じて強度発現性が低下し易くなり、９００重量部を超えると水性スラリーＢの練り置き時間を十分確保できなくなることがある。水性スラリーＢには本発明の効果を喪失させない限り、他の成分を含むものであっても良く、そのような成分として例えばモルタル・コンクリートで使用可能な分散剤、減水剤（高性能減水剤、高性能ＡＥ減水剤を含む総称）、消泡剤、流動化剤等を挙げることができる。

本発明の注入材は、前記の水性スラリーＡと水性スラリーＢを混合して地盤等へ注入使用する。混合は注入時に行うのが望ましく、例えばグラウトポンプ等で水性スラリーＡと水性スラリーＢを別々に注入箇所に圧送して注入直前に混合したものを地盤に注入させる。また、別々に地盤等に注入浸透させ、地盤中で混合するようにしても良い。

以下、本発明を実施例によって具体的に詳しく説明する。
［水性スラリーＡの作製］ 次のａ〜ｈから選定した材料を使用し、表１に表す配合量となるようヘンシェルミキサーで混合し、水性スラリーＡを作製した。尚、（ａ）〜（ｅ）は何れも試製品であり、所望の化学成分比（モル比）となるようＣａＯとＡｌ₂Ｏ₃又はこれらとＮａＯの混合量を調整した混合物を電気炉にて約１４００℃で加熱し、これを急冷又は徐冷操作して得たものを粉砕分級粉末で、何れも不可避不純物含有量は０．５重量％未満。
ａ；結晶質１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃（ブレーン比表面積６５００ｃｍ²／ｇ）
ｂ；非晶質１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃（ブレーン比表面積６５００ｃｍ²／ｇ、ガラス化率１００％）
ｃ；非晶質３ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃（ブレーン比表面積６５００ｃｍ²／ｇ、ガラス化率１００％）
ｄ；結晶質８ＣａＯ・ＮａＯ・３Ａｌ₂Ｏ₃（ブレーン比表面積６５００ｃｍ²／ｇ）
ｅ；非晶質ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃（ブレーン比表面積６５００ｃｍ²／ｇ、ガラス化率１００％）
ｆ；ＩＩ型無水石膏（セントラル硝子株式会社製、ブレーン比表面積約７０００ｃｍ²／ｇ）
ｇ；クエン酸（関東化学株式会社製）
ｈ；水（水道水）

［水性スラリーＢの作製］ 次のｈ〜ｋから選定した材料を使用し、表２に表す配合量となるようヘンシェルミキサーで混合し、水性スラリーＢを作製した。
ｈ；水（水道水）
ｉ；普通ポルトランドセメント（太平洋セメント株式会社製）
ｊ；高炉水砕スラグ粉末（新日鐵高炉セメント株式会社製、ブレーン比表面積約６３００ｃｍ²／ｇ）
ｋ；シリカフューム（巴工業株式会社製、ブレーン比表面積約１９０００ｃｍ²／ｇ）

［水性スラリーＡ及び水性スラリーＢの練り置き時間］ 前記作製した水性スラリーＡ及びＢをそれぞれ２０℃の室内で放置し、各スラリー作製時から３０分毎に１分間市販の攪拌機にて撹拌を行い、最大１０時間経過まで行った。自硬化が生じて撹拌が実質できなくなった時点前の撹拌可能な経過時間を以て、練り置き時間とした。結果を表１に表す。

［注入材の作製とその特性］ 水性スラリーＡ及びＢをそれぞれ作製から３分間練り置きした後、両者を等重量混合して注入材とし、これを直ちに内径３５ｍｍ、高さ８０ｍｍの円筒モールドに充填した。充填物が硬化した時点で脱型し、得られた硬化体を直ちに２時間、２４時間及び２８日間の湿空養生に供した。養生後の試験体を、ＪＩＳ Ａ １２１６「土の一軸圧縮試験方法」で一軸圧縮強度を測定した。また、地盤への注入性の評価は次の方法で行った。即ち、内径５０ｍｍ、高さ３００ｍｍの透明アクリル樹脂製シリンダーに山形珪砂４号を高さ約２００ｍｍの箇所まで振動を加えて充填し、上部より注入材を２００ｍｌ流し込み、流し込んだ注入材の半量以上が１分以内に珪砂充填物中に浸透した場合を浸透性良好と評価し、それ以外の状況となった場合は浸透性不良と評価した。それらの結果を表３に表す。

本発明の注入材は、何れも単体スラリー（本発明品１〜９）としては長時間の練り置きが可能で、また、注入材（実施例１〜８）としても注入性に何等支障がなく、何れも短時間〜長期に渡って高い強度発現性が得られることがわかる。

Claims (3)

1. １２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃を１５〜５０重量部及び石膏類を含有してなる水性スラリーＡと、セメントとスラグを含有してなる水性スラリーＢからなることを特徴とする地盤注入材。
2. 水性スラリーＡが更に凝結遅延剤を含有するものであることを特徴とする請求項１記載の地盤注入材。
3. １２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃が結晶質であることを特徴とする請求項１又は２記載の地盤注入材。