JP2007177077A - 地盤注入材 - Google Patents

Abstract

【課題】 混合前の各スラリーではそれぞれ硬化時間が遅く、従って可使時間が長く、それぞれを混合することにより一定時間経過後に急速に反応して可塑状態になり、良好な初期強度および長期強度発現性を示し、また地盤中への高い浸透性も有し、対象地盤全体を強固に安定させることができる無機系の地盤注入材を提供する。
【解決手段】 （Ａ）カルシウムアルミネート、（Ｂ）石膏、（Ｃ）凝結遅延剤を含有してなる水性スラリー（Ｉ）と、（Ｄ）水硬性無機物質及び（Ｅ）凝結遅延剤を含有してなる水性スラリー（ＩＩ）とを混合してなる地盤注入材。
【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付設の際、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。

地盤注入材として使用される材料は無機系と有機系の材料があり、無機系材料としては、保存安定性の観点からセメントを主硬化成分とする水性スラリーと急硬化材を有効成分とする水性スラリーを別個に用意し、注入箇所まで圧送し、そこで混合させて地盤に浸透注入する方法が広く行われている。この場合、各スラリーのみでは殆ど硬化しないか、少なくとも数時間程度は硬化や高粘性化せずに使用可能な状態にあって、混合すると急速に或いは数分〜数時間後にゲル化し、硬化開始する材料が要求される。この要求に適う急硬化材料として珪酸ナトリウムが知られている。珪酸ナトリウムは初期強度が高いものの、長期強度発現性が芳しくなく、またゲルタイム（ゲル化が起こる時間）の調整が困難である。また、地盤が高いアルカリ性になることに加え、ナトリウムが溶出する等の難点がある。

また、カルシウムアルミネートも急硬作用を有する物質であるが、強力な急結作用も呈するため、モルタルやコンクリートに混和させる急結剤としての利用が広く行われている（例えば、特許文献１参照。）。モルタルやコンクリート用の急結剤をそのまま注入材に使用すると、地盤注入材はモルタルやコンクリートと比べて水セメント比（水量／セメント量）が遙かに高いため、急硬性能が不十分となる。カルシウムアルミネートを地盤注入材に適用させた例としては、カルシウムアルミネート、石膏及びスケール発生防止剤を含有した水性スラリーと、セメントを硬化成分として含む水性スラリーを注入時に混合して使用する注入材が知られている。（例えば、特許文献２参照。）ここで、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る。また、カルシウムアルミネート、石膏及び硫酸アルミニウムを含有した水性スラリーと、セメント含有スラリーを注入時に混合して使用する注入材も知られている。（例えば、特許文献３参照。）しかるに、カルシウムアルミネート含有スラリーにアルミニウム塩や鉄塩等が存在すると、当該スラリー自体の可使時間はより長くできるものの、時間経過に連れてカルシウムアルミートと石膏と水が徐々に水和反応するため、ゲルタイムが短くなり、注入浸透性と強度発現性が低下する等の問題があった。
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、混合前の各スラリーではそれぞれ硬化時間が遅く、従って可使時間が長く、それぞれを混合することにより一定時間経過後に急速に反応して可塑状態になり、良好な初期強度および長期強度発現性を示し、また地盤中への高い浸透性も有し、対象地盤全体を強固に安定させることができる地盤注入材を提供することを課題とする。

本発明者らは、課題解決のため鋭意検討を重ねた結果、急硬性物質を主成分とするスラリーと、セメント等の水硬性無機物質を主成分とするスラリーを注入箇所で混合し注入する地盤注入材において、従来は性状変化が激しい急硬性物質含有スラリー側のみに凝結遅延剤を配合し、可使時間の確保を図っていたが、更にセメント含有スラリー側にも凝結遅延剤を配合することで、注入材が浸透途中で急速に凝結してこれが目詰まりの原因となって対象地盤の深部まで十分到達できなくなるのを防ぎ、且つ３０分以上経過したものでもゲルタイムの変動が少なく、高い強度発現性が得られたことから本発明を完成するに至った。

即ち、本発明は、次の（１）〜（３）に表す地盤注入材である。（１）（Ａ）カルシウムアルミネート、（Ｂ）石膏、（Ｃ）凝結遅延剤を含有してなる水性スラリー（Ｉ）と、（Ｄ）水硬性無機物質及び（Ｅ）凝結遅延剤を含有してなる水性スラリー（ＩＩ）とを混合してなる地盤注入材。（２）前記（１）の水性スラリー（Ｉ）が、さらに（Ｆ）アルミン酸塩、水酸化アルミニウム、アルカリ金属硫酸塩から選ばれる１種又は２種以上を含むスラリーである地盤注入材。（３）カルシウムアルミネートが１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃を５０質量％以上含有するカルシウムアルミネートである前記（１）又は（２）の地盤注入材。

本発明によれば、急硬成分を含有する水性スラリー（Ｉ）とセメント等の水硬性成分を含有する水性スラリー（ＩＩ）は、それぞれ単独状態では凝結・硬化反応は著しく遅く、また強度も低いが、両スラリーを混合することにより急硬成分によって硬化が適度な急速性を呈する反応になることに加え、特に難浸透性の砂質地盤等で注入浸透中で急速に凝結して目詰まりを起こすことを防げるため、注入材が対象地盤深部まで満遍なく浸透できると共に、一定時間経過後は早期に強度発現を得ることができる。

本発明の地盤注入材は、別個に作製した二種類の水性スラリー（以下、スラリー（Ｉ），スラリー（ＩＩ）と称す。）を混合することによって形成されるものである。このうち、本発明の地盤注入材を形成するスラリー（Ｉ）は、急硬成分を主体とする水性スラリーであって、具体的には（Ａ）カルシウムアルミネート、（Ｂ）石膏及び（Ｃ）凝結遅延剤を含有し、水でスラリー化したものである。

スラリー（Ｉ）に含有するカルシウムアルミネート（Ａ）は、本発明では急硬成分として用いる。ここで、カルシウムアルミネートとは、ＣａＯとＡｌ₂Ｏ₃を主要化学成分とする化合物、固溶体、ガラス質若しくはこれらの何れかが混合した物の総称であって、多少とも水和活性を有するものなら限定されず、例えば、化学成分としての鉱物組成が１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃、ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃、３ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃、１１ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃・ＣａＦ₂、４ＣａＯ・３Ａｌ₂Ｏ₃・ＳＯ₃などのものを挙げることができ、これらの２種以上が共存するものでも良い。特に、１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃の含有量が５０質量％以上のカルシウムアルミネートは、注入材としてより活用し易い適度な急硬性状を付与することができ、高い浸透性も得やすいので好ましい。

またスラリー（Ｉ）に含有する石膏（Ｂ）は、特に限定されず、例えば無水石膏、半水石膏、二水石膏の１種又は２種以上を用いることができるが、水への溶解度が最も小さい無水石膏を用いるのが好ましい。スラリー（Ｉ）に使用する石膏の配合質量；ａは、カルシウムアルミネートの配合質量；ｂに対し、ａ／ｂ＝３／７〜７／３が好ましく、ａ／ｂ＝４／６〜７／３がより好ましい。この範囲内にあればカルシウムアルミネートと反応してエトリンガイトを生成し得るに足る量の石膏が確保でき、水硬性成分を含むスラリー（ＩＩ）と混合させた際に水硬性成分によるアルカリ刺激によって急速に反応し、注入材としての早期のゲル化を実現する。

また、スラリー（Ｉ）に含有する凝結遅延剤（Ｃ）は、当該スラリー中でのエトリンガイトやモノサルフェート生成反応を抑制することに加え、セメントと急硬成分との反応時間を調整する作用を有する。凝結遅延剤としては、特に限定されず、例えばモルタルやコンクリートに使用されているクエン酸、グルコン酸、酒石酸等のカルボン酸やグルコース、マントース、デキストリン等の単糖類、二糖類、多糖類等を挙げることができ、これらの二種以上を併用しても良い。スラリー（Ｉ）に使用する凝結遅延剤の配合量は、セメントと石膏の合計配合量１００質量部に対し、０．１〜５質量部が好ましく、０．２〜１質量部がより好ましい。０．１質量部未満の配合ではスラリー（Ｉ）の安定性が低下し、スラリー（Ｉ）の可使時間を長く確保することが困難となることがあるので適当ではなく、また５質量部を超える配合量にすると注入材としての急硬性状が失われたり、早期強度発現性が低下するので適当ではない。

また、本発明の地盤注入材は、スラリー（Ｉ）が前記（Ａ）〜（Ｃ）の必須成分に加えて、さらに（Ｆ）アルミン酸塩、水酸化アルミニウム、アルカリ金属硫酸塩から選ばれる１種又は２種以上を含むものである。スラリー（Ｉ）に含有するアルミン酸塩、水酸化アルミニウム、アルカリ金属硫酸塩から選ばれる１種又は２種以上（Ｆ）は、水性スラリー中ではアルミニウムイオンやアルカリ金属イオンを放出し、これらのイオンは水の存在下でカルシウムアルミネートと石膏によるエトリンガイト生成反応やモノサルフェート生成反応を抑制する作用を有する為、セメントと反応する有効成分がエトリンガイトやモノサルフェート生成反応に費やされるのを妨げることから、作製後時間が経ったスラリー（Ｉ）を使用しても注入材としての硬化特性や強度発現性を殆ど低減させずに済む。アルミン酸塩は、水溶性のものなら何れのものでも良く、例えば硫酸アルミニウム、ナトリウムミョウバン、カリウムミョウバン、アルミン酸ナトリウム等を挙げることができる。また、アルカリ金属硫酸塩としては、硫酸リチウム、硫酸カリウム、硫酸ナトリウムを挙げることができる。スラリー（Ｉ）に使用するアルミン酸塩、水酸化アルミニウム、アルカリ金属硫酸塩から選ばれる１種又は２種以上の配合量は、カルシウムアルミネートと石膏の合計配合量１００質量部に対し、０．５〜１０質量部が好ましく、０．７５〜５質量部がより好ましい。０．５質量部未満の配合ではスラリー（Ｉ）中でエトリンガイト生成反応が速く進むため、セメントとの反応有効成分が減少し、注入材の硬化特性や強度特性が十分発揮されないことがあるので適当ではなく、１０質量部を超える配合では注入材の硬化が遅延し、早期の強度発現性が低下することがあるので適当ではない。

また、水性スラリー（Ｉ）の作製に用いる水の配合量は、セメントと石膏の合計配合量１００質量部、さらに前記（Ｆ）成分を使用するものではこれを加えた合計配合量１００質量部に対し、概ね１００〜１０００質量部が好ましい。１００質量部未満ではスラリーの粘性が上昇し、施工性が著しく低下するので適当でなく、また１０００質量部を超えると注入材が未硬化のまま流冒したり、初期から長期に渡って強度発現が低迷するので適当ではない。

本発明の地盤注入材を前記スラリー（Ｉ）と共に形成するスラリー（ＩＩ）は、セメント等の水硬性成分を主体とする水性スラリーであって、急硬成分や急結成分を実質含まないものであり、具体的には（Ｄ）水硬性無機物質及び（Ｅ）凝結遅延剤を含有し、水でスラリー化したものである。

スラリー（ＩＩ）に含有する水硬性無機物質（Ｄ）は、水と反応して硬化する無機物質であって、急硬成分や急結成分を実質含まないものであれば何れのものでも良く、例えば普通、早強、超早強、低熱、中庸熱等の各種ポルトランドセメント、高炉セメントやフライアッシュセメントのような混合セメント、スラグを主成分とする特殊セメント等を挙げることができる。一方、有効成分がカルシウムアルミネートであるアルミナセメントは好ましくない。また、使用する水硬性無機物質の粒径は、良好な地盤浸透性を確保する観点からは、概ねブレーン比表面積が５０００〜１００００ｃｍ²／ｇが望ましく、例えば微粒子又は超微粒子ポルトランドセメント等が適する。本発明に於いて水硬性無機物質は、前記スラリー（Ｉ）と混合した時にカルシウムアルミネートと石膏と水がエトリンガイト等に急速に反応させるための刺激剤としての作用を有すると共に、自ら水和反応により硬化し、地盤形成粒子を結合させて強固な地盤にする。

また、スラリー（ＩＩ）に含有する凝結遅延剤（Ｅ）は、スラリー（ＩＩ）をスラリー（Ｉ）と混合させた時のエトリンガイト等を生成させる反応刺激作用を遅延させることができるため、反応時間を調整するのに有用であることに加え、スラリー（ＩＩ）の性状変化を遅らせ、可使時間を長くするのに優れた作用を付与することができる。スラリー（ＩＩ）に含有する凝結遅延剤（Ｅ）は、スラリー（Ｉ）で用いた凝結遅延剤（Ｃ）と同一種の凝結遅延剤であっても、異なる凝結遅延剤であっても何れでも良い。スラリー（ＩＩ）に使用する凝結遅延剤の配合量は、水硬性無機物質の配合量１００質量部に対し、０．０１〜２質量部が好ましく、０．０５〜１質量部がより好ましい。０．０１質量部未満の配合ではスラリー（ＩＩ）の安定性が低下し、長い可使時間の確保が困難となるので適当ではなく、また２質量部を超える配合量にするとゲルタイムが過度に長くなったり、注入材が硬化不良となったり、強度発現性が低下するので適当ではない。

また、水性スラリー（ＩＩ）の作製に用いる水の配合量は、水硬性無機物質（Ｅ）と凝結遅延剤（Ｆ）の合計配合量１００質量部に対し、概ね６０〜１０００質量部が好ましく、１００〜５００質量部がより好ましい。６０質量部未満ではスラリーの粘性が上昇し、施工性が著しく低下するので適当でなく、また１０００質量部を超えると注入材が未硬化のまま流冒したり、低い強度発現しか得られないので適当ではない。

また、スラリー（ＩＩ）に分散剤を添加すると、セメント粒子の分散性が強まり、本発明の効果をより一層高めることができるので好ましい。分散剤としては、モルタルやコンクリートに使用できるものなら何れのものでも良く、また減水剤、高性能減水剤、高性能ＡＥ減水剤、流動化剤と称されているものを用いても良い。当該効果が期待できる分散剤の添加量は、水硬性無機物質の配合量１００質量部に対し、液状又は粉末状で約０．５〜３質量部が好ましい。また、スラリー（ＩＩ）には必須含有成分と分散剤以外にもモルタルやコンクリートで使用できる混和材・剤を本発明の効果を実質喪失させない範囲で配合使用しても良く、このような混和材・剤として、例えばシリカフューム、石粉、樹脂エマルジョン、膨張材、起泡剤、発泡剤、防錆剤、繊維、顔料、防水剤、撥水剤、硬化促進剤、消泡剤、分離防止剤、増粘剤、凍害防止剤、抗菌剤等が挙げられる。

また、本発明の地盤注入材はスラリー（Ｉ）とスラリー（ＩＩ）を混合させたものである。スラリー（Ｉ）とスラリー（ＩＩ）の混合は、所望のゲルタイムを確保し、且つ良好な施工性を得る上で、容積比でスラリー（Ｉ）：スラリー（ＩＩ）＝２５：７５〜７５：２５となるよう混合したものを注入材として使用するのが好ましく、４０：６０〜６０：４０に混合したものがより好ましい。混合手段は特に限定されるないが、混合後はできるだけ速やかに地盤注入するのが望ましい。この条件に適った手法として、例えば、個々の供給タンク等に貯留されたスラリー（Ｉ）とスラリー（ＩＩ）を別々にポンプ圧送し、Ｙ字管や二重管を用いて合流混合させる方法が挙げられる。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、二重管複相ストレーナ工法等の公知注入工法を用いて本発明の地盤注入材を注入施工することができるが、ここに示した以外の混合方法でも良く、例えばスラリー（Ｉ）とスラリー（ＩＩ）を別個且つほぼ同時に地盤注入し、地盤中で混合させることもできる。

以下、実施例により本発明を具体的に詳しく説明する。
［水性スラリー（Ｉ）の作製］ 次に表すＡ１〜Ａ２、Ｂ、Ｃ、Ｆ１〜Ｆ４から選定される材料と水を、表１に記した配合量となるようミキサーに投入し、約２０℃の温度下で１分間混合し、水性スラリー（Ｉ）を作製した。
Ａ１；カルシウムアルミネート（ＣａＣＯ₃とＡｌ₂Ｏ₃をモル比で１．７：１となるよう配合した混合粉末を電気炉で１４００℃加熱して得た試製品，１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃含有量５５質量％、ブレーン比表面積６２００ｃｍ²／ｇ）
Ａ２；カルシウムアルミネート（ＣａＣＯ₃とＡｌ₂Ｏ₃をモル比で１．７：１となるよう配合した混合粉末を電気炉で１４００℃加熱して得た試製品，１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃含有量２５質量％、ブレーン比表面積６２００ｃｍ²／ｇ）
Ｂ；無水石膏（セントラル硝子株式会社製、ブレーン比表面積８１００ｃｍ²／ｇ）
Ｃ；クエン酸（市販試薬）
Ｆ１；アルミン酸ナトリウム（市販試薬）
Ｆ２；ナトリウムミョウバン（市販試薬）
Ｆ３；水酸化アルミニウム（市販試薬）
Ｆ４；硫酸第二鉄（市販試薬）

［水性スラリー（ＩＩ）の作製］ 次に表すＤ１〜Ｄ２、Ｅ１〜Ｅ２及びＧから選定される材料と水を、表２に記した配合量となるようミキサーに投入し、約２０℃の温度下で１分間混合し、水性スラリー（ＩＩ）を作製した。

Ｄ１；超微粒子セメント（商品名「太平洋アロフィクスＭＣ」、太平洋マテリアル株式会社製）
Ｄ２；微粒子セメント（商品名「太平洋アロフィクスＤＳ」、太平洋マテリアル株式会社製）
Ｅ１；クエン酸（水性スラリー（Ｉ）の作製で使用したＣと同じもの。）
Ｅ２；デキストリン（市販試薬）
Ｇ；ナフタレンスルフォン酸系高性能減水剤（商品名「マイティ１５０」、花王株式会社製）

［地盤注入材の評価］ 水性スラリー（Ｉ）作製直後に、作製から約５分間経過後の水性スラリー（ＩＩ）１０００ｃｃを水性スラリー（Ｉ）１０００ｃｃに加えて約５秒間ミキサー混練し、混練物を秤量し、ゲル性状を５分ごとに確認し、ゲル化開始までのゲルタイムを測定した。同様に作製から３０分放置経過した水性スラリー（Ｉ）１０００ｃｃに、作製から約５分間経過後の水性スラリー（ＩＩ）１０００ｃｃを加えて約５秒間ミキサー混練し、混練物のゲルタイムを測定した。また、これらの混練物を混練後直ちにモールドに充填し、湿空養生した後脱型した供試体の材齢１日の一軸圧縮強度をＪＩＳ Ａ１２１６に準じた方法で測定した。以上の結果を表３に表す。

表３の結果より、水性スラリー（Ｉ）及び水性スラリー（ＩＩ）にそれぞれ凝結遅延剤を添加すると、作製直後の水性スラリー（Ｉ）に水性スラリー（ＩＩ）を混合してなる地盤注入材のゲルタイムが、作製から３０分経過後の水性スラリー（Ｉ）に水性スラリー（ＩＩ）を混合させて得た地盤注入材のゲルタイムに比べて、ゲルタイムの変化量が少なくなることから、地盤注入材としての性状の変化が非常に小さなものであることがわかる。

Claims (3)

1. （Ａ）カルシウムアルミネート、（Ｂ）石膏、（Ｃ）凝結遅延剤を含有してなる水性スラリー（Ｉ）と、（Ｄ）水硬性無機物質及び（Ｅ）凝結遅延剤を含有してなる水性スラリー（ＩＩ）とを混合してなる地盤注入材。
2. 請求項１記載の水性スラリー（Ｉ）が、さらに（Ｆ）アルミン酸塩、水酸化アルミニウム、アルカリ金属硫酸塩から選ばれる１種又は２種以上を含むスラリーである地盤注入材。
3. カルシウムアルミネートが１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃を５０質量％以上含有するものである請求項１又は２記載の地盤注入材。