JP2007137744A - 急硬化材および地盤注入材 - Google Patents

Abstract

【課題】地盤の安定化するための注入材について、混合前の各成分液のみでは硬化時間が遅く、それぞれを混合することにより一定時間経過後強度発現を生じ、初期強度および長期強度発現性が良好であり、地盤中へ浸透して地盤を安定させる急硬化材を提供すること。
【解決手段】１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃の含有率が５０重量％以上であるカルシウムアルミネートと石膏を３／７〜７／３の重量比率で混合した混合物にアルミン酸ナトリウムを混合した粉体からなることを特徴とする急硬化材。
【選択図】なし

Description

本発明は、トンネルやダムなどの構造物周辺の不安定な地盤を強化安定させる地盤注入材に関する。

トンネルやダムなどの構造物を付設する場合、周囲の地盤が不安定である場合には、地盤を強化した後に構造物の施工を行う。地盤の強化には、硬化成分を含む液体状のものを地盤中へ注入し強化安定を図る。

注入材として使用される材料は、有機系と無機系のもの材料があり、有機系では、アクリルアミド、尿素ホルマリン、ウレタン等があり、短時間で強度発現する。しかしながら有機系の材料は、有害な有機成分が微量溶出し、地下水へ汚染することが懸念されている。

無機系の材料は、セメントを主成分とするスラリーと、急硬化材を成分とするスラリーを注入箇所まで圧送し、地盤に浸透注入させる。この注入材には、ある程度浸透した後に、硬化が始まることが求められている。この場合、各スラリーのみではほとんど硬化せず、もしくは数時間から数日硬化せず、両材料を混合することにより、すみやかにもしくは数分から数時間後にゲル化し、硬化が開始される材料が求められる。
急硬化材には、珪酸ナトリウム、カルシウムアルミネートが用いられている。急硬化材に珪酸ナトリウムを使用した場合には、初期強度発現性は高いが、長期強度発現性が悪く、ゲルタイムの調整が困難である。また、地盤が強いアルカリ性を呈したり、ナトリウムが溶出する為、長期の耐久性も悪い。
また、普通ポルトランドセメント等を使用したセメントスラリーと急硬化材を使用する注入材は、砂質土に注入する場合、セメント粒子が大きいため砂粒子間を通ることができず、地盤中への浸透性が著しく劣る。

特許文献１には、カルシウムアルミネートを主成分とするセメント用の急結材が記載されている。この急結材は、主としてモルタルコンクリートの急結材であり、注入材に関するものではない。また、この急結材を水セメント比が大きい注入材として使用した場合には不十分である。
特許文献２には、カルシウムアルミネート、石膏およびスケール発生防止剤を含有する注入材が記載されている。この成分を含有するＡ液と、セメントを含むＢ液を混合し、地盤中へ注入することで急結させ、地盤を固化する。スケール発生防止剤としてミョウバン、アルミニウム塩や鉄塩が挙げられている。特許文献３には、カルシウムアルミネート、石膏、硫酸アルミニウムを含有する注入材が記載されており、特許文献２と同様である。これら引用文献２及び３に記載されているアルミニウム塩や鉄塩等が存在すると、Ａ液単独の可使時間としては長くなるが、Ａ液のカルシウムアルミネートと石膏とが水和反応するため、時間経過につれゲルタイムが短くなり、強度が低下する等、長時間にわたって性能を保持できない。
特許第３２０５６７２号公報 特開２００１−１６４２４９号公報 特開２００１−１６４２４８号公報

本発明は、地盤を強化安定化するための注入材であって、混合前の各成分液では硬化時間が遅く、それぞれを混合することにより一定時間経過後強度発現を生じ、初期強度および長期強度発現性が良好であり、地盤中へ浸透して地盤を安定させる急硬化材、および当該急硬化材を含む成分Ａ液と水硬性の主硬化成分を含む成分Ｂ液を混合してなる注入材を提供することを目的とする。

この目的を達成するために、本発明者らは鋭意研究した結果、特定量の１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃を含有するカルシウムアルミネートと石膏を一定比で配合し、かつ、これにアルミン酸ナトリウムと遅延剤を混合した成分Ａ液と、主硬化成分としてのセメントを含む主硬化材と分散剤と水からなる成分Ｂ液を注入箇所で混合し注入することで、初期から長期にわたって良好な強度発現を持つ注入材を見出した。また、製造後数１０分経過後でもゲル化時間が変化しないことも見出した。

すなわち、本発明は、１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃の含有率が５０重量％以上であるカルシウムアルミネートと石膏を３／７〜７／３の重量比率で混合した混合物にアルミン酸ナトリウムを混合した粉体からなることを特徴とする急硬化材を提供するものである。
また、本発明は、上記急硬化材と遅延剤と水からなる成分Ａ液と、少なくともセメントを含む主硬化材と水からなる成分Ｂ液を混合してなる注入材を提供するものである。

本発明によれば、急硬化材を含む成分Ａ液と、セメント等の水硬性物質からなる主硬化成分を含む成分Ｂ液が、それぞれ単独の状態では硬化反応は著しく遅く、また強度も低いが、両液を混合することにより急硬化成分が硬化材の硬化を急速に反応させ、一定時間経過後早期に強度発現を得ることができる。

本発明の急硬化材は、カルシウムアルミネートと石膏とアルミン酸ナトリウムを混合した粉体からなる。
本発明の急硬化材に用いるカルシウムアルミネートは、化学成分としてのＣａＯとＡｌ₂Ｏ₃をモル比で好ましくは１．５〜２、より好ましくは１．６〜１．８含有する混合物又は組成物を、例えば約１３００℃以上で焼成し、望ましくは徐冷することによって得ることができる。その主な鉱物組成としては、ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃（以下、ＣＡ成分）、１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃（以下、Ｃ１２Ａ７成分）、３ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃（以下、Ｃ３Ａ成分）等の１種または２種以上を含み、特にＣ１２Ａ７成分を５０重量％以上含むものである。
ここでカルシウムアルミネートに含まれるＣａＯとＡｌ₂Ｏ₃のモル比が１．５〜２から外れると、結晶質として比較的安定なＣ１２Ａ７成分が形成され難く、非晶質相が支配的に形成されるので好ましくない。

該カルシウムアルミネートの鉱物組成としての各成分の含有割合は、Ｃ１２Ａ７成分が５０重量％以上であれば、１日程度の初期強度発現性に優れ、かつ長期にわたって強度を発現する。より好ましくは６０重量％、さらに好ましくは７５重量％以上である。当該鉱物組成としての含有割合のうち、ＣＡ成分が多くなると初期強度が悪くなり、Ｃ３Ａ成分が多くなると長期強度が悪くなる。また、非晶質の割合が多くなると非晶質は反応活性が非常に高いため水と混合した後の液の安定性が悪くなる。また、カルシウムアルミネートを粉体のままで長期間放置すると空気中の水分と反応するため性能が劣化（風化）して保存期間が短くなる。

本発明の急硬化材に用いる石膏は、特に限定されず、無水石膏、半水石膏、二水石膏から選ばれる１種または２種以上を用いることができる。成分Ａ液に含まれる石膏とカルシウムアルミネートと、成分Ｂ液に含まれる水硬性物質とを混合することによって、これらが急速に反応してエトリンガイトを生成し、早期のゲル化を実現させる。

本発明の急硬化材に用いるカルシウムアルミネートと石膏の混合重量比率は３／７〜７／３が好ましく、４／６〜７／３がより好ましい。この範囲内であればエトリンガイトの生成に必要十分な量となり、注入材としての反応後の強度特性も良好なものとなる。
この混合物のブレーン比表面積は、良好な注入浸透性を確保する上で、５０００〜１００００ｃｍ²/ｇの範囲であることが好ましく、さらに６０００〜８０００ｃｍ²/ｇがより好ましい。

本発明の急硬化材に用いられるアルミン酸ナトリウムは、石膏とカルシウムアルミネートの反応を抑制するためとセメントの水和反応を促進するために加えられる。石膏とカルシウムアルミネートと水の混合物は、このスラリー自身でエトリンガイトを生成するため、混合直後から反応を開始し、セメントとの反応有効成分が時間と共に減少していく。このスラリーにアルミン酸ナトリウムを混合すると、アルミニウムイオンとナトリウムイオンの作用によりこの反応を抑制することが出来る。このためセメントとの硬化反応有効成分が長時間にわたり残存し，かつセメントの水和反応を初期から長期まで発現することができる。
アルミン酸ナトリウムの添加量は、上記カルシウムアルミネートと石膏の混合物１００重量部に対して５重量部を超え１５重量部以下添加するのが好ましく、８〜１２重量部添加するのがより好ましい。この範囲内であれば、注入材としての強度発現が良好である。

本発明の注入材は、上記急硬化材と遅延剤と水からなる成分Ａ液と、セメント等の水硬性成分を含む主硬化材と水からなる成分Ｂ液を混合してなる。それぞれ単独の状態では硬化反応は著しく遅くまた強度も低いが、両液を混合することにより急硬成分が硬化材の硬化を一定時間経過後急速に反応させて早期に強度発現を得ることができる。

本発明の注入材の特性として，２液混合後目的の注入範囲に浸透後地盤中へ留まり，そこで強度発現する必要がある。２液混合後に急速に反応して可塑状態となるが、可塑状態になるまでの時間は２液の成分、注入する圧力や注入範囲等によって設定されるが、初期の設定した可塑状態までの時間が各液作製直後に２液混合した場合と、一定時間経過してから２液混合した場合でも変化しないことが好ましい。この時間の差が大きすぎると地盤を改良する範囲が変り、安定して十分な補強ができない。また岩盤の隙間の補強、地山の安定化、空洞の充填に注入されるため強度として周辺地山程度の強度が好ましく、一日強度で０.５Ｎ／ｍｍ²もあれば十分である。

本発明に用いる成分Ａ液は、上記急硬化材１００重量部に対して水を１００〜１０００重量部混合する。１００重量部を下回ると、スラリーの粘性が上昇し、施工性が低下する。１０００重量部を超えると、水硬成分に対する硬化促進の為の有効成分が少なくなる為、注入した注入材が未硬化のまま流冒したり、初期から長期にわたって強度発現が低迷することがある。

本発明に用いる遅延剤は、急硬化材のスラリーと水硬性成分のスラリーを混合した後の急速な反応を抑制し、また急硬化材のスラリーの安定性を高くすることができる。この急速な反応は液状から可塑状態とり、浸透中の注入材はそこで地盤中に留まる。遅延剤の種類については特に限定されず、例えば、モルタルやコンクリート等で用いることができるものであれば本発明でも使用でき、種類としてクエン酸、グルコン酸、酒石酸等のカルボン酸やグルコース、マルトース、デキストリン等の多糖類、二糖類、単糖類を１種又は２種以上混合して使用できる。添加量の増加とともにゲルタイムは長くなるが、注入方法によって添加量を決定する。
本発明に用いる遅延剤の添加量は、上記急硬化材１００重量部に対して０．０１〜５重量部、より好ましくは０．０５〜３重量部添加する。０．０１重量部未満ではスラリーの安定性が悪くなり、時間経過と共にセメントに対する急硬化材の有効成分が減少し、水硬成分のスラリー混合後に強度発現性は低いものとなる。５重量部を超えると、初期強度が著しく低下する。

本発明に用いる成分Ｂ液は、主硬化材と分散剤（減水剤）と水からなるものであることが好ましい。主硬化材には、セメントを始めとする水硬性物質を主硬化成分として含み、さらに分散性と浸透性を高めるためにモルタルやコンクリート用の混和剤を添加してもよい。

主硬化成分としては、水と反応して硬化する水硬性物質であれば使用することができる。主硬化成分は，Ｃ１２Ａ７と石膏がエトリンガイト等へ急速に反応するための刺激材であるとともにそれ自身が水和反応し強度発現する。水硬性成分として普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント等のポルトランドセメントの使用が推奨されるが、アルミナセメントのようなカルシウムアルミネートを主成分とするセメント以外のセメントであれば何れのセメントでも使用することができる。

本発明に用いる成分Ｂ液は、上記主硬化成分１００重量部に対して、急硬化材スラリーと混合後の強度特性を良好とするため水を６０〜１０００重量部、さらに６０〜２００重量部を添加するのが好ましい。水が６０重量部未満では粘性が高くなり浸透が困難となり、１０００重量部を超えると急硬化材と混合後の硬化強度が著しく悪くなる。

本発明に用いる成分Ｂ液には、流動性を向上させ、浸透性を高める点から分散剤を添加することが好ましい。分散剤（減水剤）は、特に限定されず、例えば、高性能減水剤、高性能ＡＥ減水剤、ＡＥ減水剤及び流動化剤を含む減水剤等が挙げられる。その添加量も、特に限定されない。
また、成分Ｂ液の主硬化材には、前記主硬化成分の他にも、例えば、シリカフューム等のポゾラン等の潜在水硬性物質、石粉、樹脂エマルション、膨張材、起泡剤、発泡剤、防錆剤、顔料、繊維、撥水剤、防水材、消泡剤、硬化促進剤、粉塵低減剤、収縮低減剤、増粘剤、水中不分離性混和剤等のモルタルやコンクリートに使用可能な混和材・剤であれば、これらの１種又は２種以上を本発明による効果を阻害しない範囲で混和使用することができる。

成分Ａ液と成分Ｂ液の混合比率は、所望のゲルタイムと強度を確保でき、且つ良好な施工性を得るために容積比で２５：７５〜７５：２５が好ましく、さらに５０：５０が最も好ましい。

成分Ａ液と成分Ｂ液の混合方法としては、特に限定されるものではなく、例えば、それぞれのミキサーに混練、調整した後に、成分Ａ液と成分Ｂ液を別々に圧送し、Ｙ字管で混合する方法や二重管を用い内管と外管に別々に圧送し二重管の先端部で合流させる方法等いずれの方法も使用できる。即ち、単管ロッド工法、単管ストレーナ工法、二重管単相ストレーナ工法、及び二重管複相ストレーナ工法等の現在使用されている注入工法に本発明の注入材が使用できる。これらの中では、単管ロッド工法や単相ストレーナ工法に比べ、均一な改良体を形成できる点で、二重管単相ストレーナ工法又は二重管複相ストレーナ工法を使用することが好ましい。

使用した材料である、主成分（カルシウムアルミネート及び石膏）と添加剤を含む急硬化材と遅延剤と水からなる成分Ａ液（Ａ液ともいう）と、少なくともセメントを含む主硬化材と水からなる成分Ｂ液（Ｂ液ともいう）を表１に示す。
なお、ゲルタイムを調整するため、混和材を成分Ａ液に添加した。また、主硬化材は、セメントをボールミルで粉砕し、所定の粒度となるように調整したものを使用した。
急硬化材を含むＡ液の配合を表２に示し、主硬化材を含むＢ液の配合を表３に示す。

カルシウムアルミネートは、ＣａＣＯ₃とＡｌ₂Ｏ₃を混合粉砕して電気炉で１４００℃で焼成して、徐冷したものを用いた。この焼成徐冷物は、Ｘ線回折の結果、結晶質Ｃ１２Ａ７含有率が７５％、非晶質含有率が２５％であった。また、焼成徐冷物に添加する焼成非晶質（非晶質１００％）は、１４００℃から水で急冷したものを使用した。
なお、焼成徐冷物中のＣ１２Ａ７と非晶質の含有率は、Ｃ１２Ａ７含有量１００％の粉末と非晶質含有量１００％の粉末を一定の比率で混合してものを用いて検量線を作成して本実施例で用いたカルシウムアルミネート中の含有量を測定した。

急硬化材を含むＡ液と主硬化材を含むＢ液を同量混合してなるスラリーについてゲルタイムと圧縮強さを測定した。測定は、Ａ液を作製直後にＢ液と混練したのもの（Ａ作製直後）と、作製したＡ液を３０分間練り置きした後にＢ液と混練したもの（Ａ作製後３０分経過）について実施した。
各試料を作製後、ゲル化するまでの時間をゲルタイムとして測定し、さらに，混合した液をモールドに充填し、所定期間湿空養生にて養生し、ＪＩＳ Ａ １２１６の「土の一軸圧縮試験方法」で材齢1日後の一軸圧縮強さを測定した。

本発明における注入材は、ゲルタイム(min-sec)が確保でき、材齢１日の一軸圧縮強さが０．５Ｎ／ｍｍ²以上認められるものを良好とした。Ａ液作製直後Ｂ液を混和したものとＡ液作製後３０分経過してからＢ液を混和したものとの差が少ないものほどより良好である。
Ｃ１２Ａ７含有率約５０％以上のカルシウムアルミネートと石膏を混合したもの１００重量部に対してアルミン酸ナトリウムを５〜１５重量部添加すると、混練直後から混練３０分経過後まで若干低下するか、ほぼ性能が変らない。
しかしながら、カルシウムアルミネート中のＣ１２Ａ７含有率が５０％未満になると、混練後３０分経過した時のゲルタイムが大幅に短くなるので、約５０％以上が好ましい。また他の添加剤を使用すると、強度発現が悪くなる他、混練後時間経過すると性能が変化する。

Claims (3)

1. １２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃の含有率が５０重量％以上であるカルシウムアルミネートと石膏を３／７〜７／３の重量比率で混合した混合物にアルミン酸ナトリウムを混合した粉体からなることを特徴とする急硬化材。
2. アルミン酸ナトリウムが、混合した粉体１００重量部に対し５重量部を超え１５重量部以下混合したものである請求項１記載の急硬化材。
3. 請求項１または２記載の急硬化材と遅延剤と水からなる成分Ａ液と、少なくともセメントを含む主硬化材と水からなる成分Ｂ液を混合してなる注入材。