JP2007197559A - 懸濁型地盤改良材 - Google Patents

Abstract

【課題】注入液の安定性と地盤への浸透性に優れ、地盤注入後に土壌中のアルカリ金属又はアルカリ土類金属により硬化反応が進行して、高強度の地盤改良ができる懸濁型地盤改良材を提供することである。
【解決手段】水砕スラグを主成分とし、アルカリ金属及び分散剤を含有する懸濁型地盤改良材において、アルカリ金属／二酸化ケイ素の重量比が０．１５〜０．２５であり、懸濁液中のカルシウムイオンは分散剤により捕獲された状態で、かつ地盤に注入された後、土壌中のアルカリ金属及びアルカリ土類金属の作用により、カルシウムイオンが関与するスラグ成分の水和反応を促進し、軟弱地盤を高強度に改良することができる。
【選択図】なし

Description

本願発明は、懸濁型地盤改良材に関する。さらに詳しくは、水砕スラグを主成分とし、アルカリ金属及び分散剤を含有する懸濁型地盤改良材において、ナトリウム／二酸化珪素の重量比が０．１５〜０．２５であり、懸濁液中のカルシウムイオンは分散剤により捕獲された状態で、該懸濁液の安定性、地盤への浸透性に優れ、地盤に注入された後、土壌中のアルカリ金属及びアルカリ土類金属によって硬化反応が進行することを特徴とする懸濁型地盤改良材に関する。
本願発明の懸濁型地盤改良材は、懸濁液それ自体単独では、１日以上固化することはなく、懸濁液は低粘性を維持するが、地盤中に注入すると土壌中のアルカリ金属及びアルカリ土類金属成分によって水和反応が促進され、地盤を高強度に固化改良することができる。

軟弱地盤の強化や安定化のために地盤改良材が使用されている。特に、構造物の基礎地盤の安定化を図るため高い強度を発現する点で、水砕スラグを主成分とする懸濁型地盤改良材が用いられる。
しかし、これらの地盤改良材は高強度を発揮するものの、注入液の安定性および特にシルト分が少しでも含有されている地盤では浸透し難く、十分な地盤改良ができないという問題点があった。
この点を改良する懸濁型地盤改良材を提供するため、本出願人は、水、水砕スラグ、アルカリ刺激剤及び硬化剤を含有してなる組成物の調製に際し、水砕スラグ及びアルカリ刺激剤の合計量に対する水の量を０．３〜１（重量比）の高濃度で分散剤の存在下に激しく混練して懸濁液を調製することにより、地盤への浸透性に優れ、ゲル化までの液粘性が低く安定で、かつゲル化後の固結体強度が高い懸濁型地盤改良材の調製法を開示した（特許公開２００５−９７４１３）。また、同様な水砕スラグを主成分とする懸濁型地盤改良材に、更に粘性を与える高分子物質を含有させてシルト質土を多く含む粒度分布の広い土質の地盤においても優れた浸透性を示す懸濁型地盤改良材を提案した（特願２００４−１６８７３３号）。
しかし、懸濁液の安定性に優れ、シルト質土を含有する地盤に対して十分浸透し、均一で高強度の地盤へ改良ができる懸濁型地盤改良材は、未だ要請されている。

この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては次のものがある。
特開２００５−９７４１３号公報

本願発明の課題は、地盤改良材懸濁液の調合が容易であり、調合後、地盤注入までの間の保存安定性に優れ、またシルト分を含有した地盤への浸透性に優れ、注入後、地盤を高強度の地盤へと改良できる懸濁型地盤改良材を提供することである。

本願発明者らは、上記課題を解決するため鋭意検討し、水砕スラグを主成分とし、アルカリ金属及び分散剤を含有する懸濁型地盤改良材において、ナトリウム／二酸化珪素の重量比が０．１５〜０．２５であり、懸濁液中のカルシウムイオンが分散剤によって捕獲された状態にある懸濁型地盤改良材が、懸濁液中でのスラグ粒子の凝集が抑制されて放置安定性及び地盤への浸透性に優れ、地盤に注入された後、土壌中のアルカリ金属及びアルカリ土類金属によって硬化反応が進行し、上記の課題を解決できることを見出し、本願発明に至った。
すなわち、本願の発明は、水砕スラグを主成分とし、アルカリ金属及び分散剤を含有する懸濁型地盤改良材において、ナトリウム／二酸化珪素の重量比が０．１５〜０．２５であり、懸濁液中のカルシウムイオンは分散剤によって捕獲された状態で、かつ地盤に注入された後、土壌中のアルカリ金属及びアルカリ土類金属によって硬化反応が進行することを特徴とする懸濁型地盤改良材である。

本願発明の懸濁型地盤改良材は、水砕スラグを主成分とし、アルカリ金属及び分散剤を含有するものであり、アルカリ金属を該水砕スラグ中の二酸化珪素成分に対する重量比、すなわち、ナトリウム／二酸化珪素の重量比で０．１５〜０．２５の特定量を用いる。
該特定量のナトリウムを用いることにより、水砕スラグ中の二酸化珪素の鎖状結合は、徐々に切断され、セメント同様の水和反応の原料となるカルシウムの懸濁液中への溶出は抑制される。
一方、懸濁液中に溶出したカルシウムイオンは、分散剤により捕獲されて、カルシウムイオン濃度は増大しないので、懸濁液中で水砕スラグ中成分の水和反応が進行しない。
しかし、この懸濁液を地盤に注入すると、土壌中のアルカリ金属及び／又はアルカリ土類金属により、懸濁液中のアルカリ濃度が上昇し、水砕スラグ中の二酸化珪素の鎖状結合が切断され、スラグ中のカルシウムの溶出が促進され、急速に水和反応が進行し、地盤を高強度に硬化する。
このように、本願発明の懸濁型地盤改良材は、懸濁液の安定性及び地盤中への浸透性に優れ、地盤中に注入した後、地盤を高強度に改良することができる。

本願発明の懸濁型地盤改良材は、水砕スラグを主剤として含有する懸濁型地盤改良材である。この懸濁型地盤改良材は、シルト質土の含有率が高い、粒度分布の広い土質である地盤は、勿論、シルト質土、砂礫が混ざり合った地盤への適用性にも優れ、かかる地盤を高強度に改良できる懸濁型地盤改良材である。
水砕スラグは、銑鉄と同時に生成する高炉溶融スラグを圧力水で急冷して製造される砂状のスラグで、セメント・コンクリート用材料や地盤改良用材料などのほか多方面に使用でき、優れた特性を有するものとして商品化され市販されている。
このような水砕スラグの成分は、スラグ製造メーカが各スラグの商品特性として、その化学成分等を公表しているので知ることができる。
公表される成分によると、水砕スラグは、その化学成分としてＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ｓ、ＭｎＯ、Ｆｅ_２Ｏ_３などを含有している。
本願発明で使用される水砕スラグは、ＣａＯ、ＳｉＯ_２及びＡｌ_２Ｏ_３を少なくとも必須の成分として含有するものであり、また、本願発明で好ましく使用される水砕スラグは、このブレーン値が７，０００ｃｍ^２／ｇ以上であり、更に好ましくは８，０００〜１２，０００ｃｍ^２／ｇの範囲である。さらに、水砕スラグは懸濁型地盤改良材１ｍ^３あたり、４０〜５００ｋｇ、好ましくは、５０〜３００ｋｇが用いられる。

本願発明の懸濁型地盤改良材に用いられるアルカリ刺激剤は、水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム又は硫酸ナトリウムであり、好ましくは硫酸ナトリウムが用いられる。硫酸ナトリウムは、懸濁液中に溶出したカルシウムイオンを、硫酸根が捕獲する効果を奏するためかスラグ粒子の凝集を抑えるものとして好ましい。
これらのアルカリ刺激剤は、アルカリ金属として水砕スラグ中の二酸化珪素分に対して、重量比で０．１５〜０．２５の量が用いられる。この特定された範囲では、調製される注入材の性能及び地盤改良効果が全般的に優れている。
上記範囲未満又は超えると、注入液としての粘度、安定性、地盤への浸透性が不適切であり、または強度が不十分であるなど改良剤としての性能に満足できない点がある。

本願発明に用いられる分散剤は、懸濁液中でスラグ粒子の界面に吸着し、スラグ粒子を分散させると共に懸濁液中に溶出したカルシウムイオンを捕獲する機能を有するものである。例えば、水溶性ポリカルボン酸化合物やそれらのアルカリ塩類等のポリカルボン酸系分散剤が挙げられ、これらは１種又は２種以上を併用してもよい。本願発明において、好ましく用いられる分散剤は、オレフィン−マレイン酸共重合体の塩である。本願発明の懸濁型地盤改良材において、分散剤の使用量は、懸濁型地盤改良材１ｍ^３あたり、０．１〜２０ｋｇ、好ましくは０．１〜８ｋｇである。

本願発明の懸濁型地盤改良材は、得られる懸濁液１ｍ^３当たり、４０〜５００ｋｇ、好ましくは５０〜３００ｋｇの水砕スラグを所要量の水に加え、該水砕スラグ中の二酸化珪素（市販品の化学特性組成により知ることができる）に対して、上記特定量の１種以上のアルカリ刺激剤を水に溶解又は分散して加え、更に分散剤を添加して水中で混練し、更にその後、懸濁液を所望組成となるように水を加えて調整し製造することができる。

本願発明の懸濁型地盤改良材は、地盤改良施工現場において、調合設備などで調製された懸濁液を施工する地盤中にストレーナー工法、ダブルパッカー工法等の施工に適合する工法で目的の地盤中に注入し、該地盤を強固に改良することができる。
通常、水砕スラグを主剤とする地盤改良材では、それ自体単独では殆ど硬化能力がなく、硬化剤、増強剤等のアルカリ分の作用により水砕スラグのカルシウムイオンが溶出し、スラグ中のクリンカー化合物が水和反応を起し、水和物を生成しこれらが土粒子間に架橋結合し、地盤を硬化するとされている。
したがって、水砕スラグを主剤とする懸濁型地盤改良材では、スラグの硬化性を発現させるために硬化剤や増強剤等のアルカリ性の化合物を加えて改良材を調合すると、調合後直ちに、スラグ含有成分であるＣａＯ，ＳｉＯ_２，Ａｌ_２Ｏ_３などの成分が、調合された懸濁液において溶出するカルシウムイオンにより水和反応がおこり、調合された注入液を施工に十分な時間安定に保持することが出来なかった。その結果、調合された注入液を地盤中に十分に浸透させることが困難であった。

本願発明の懸濁型地盤改良材では、懸濁液中のナトリウム量が本願発明で見出された特定の量であるため、スラグ中の二酸化珪素の鎖状結合が徐々に切断され、かつスラグ中のカルシウムが懸濁液中に溶出するのが抑制されて、懸濁液中のカルシウムイオン濃度が増大しない。一方、懸濁液中に溶出したカルシウムイオンは分散剤に捕獲され、また、ナトリウム源として硫酸ナトリウムを使用した場合、硫酸カルシウムがスラグ粒子の凝集を防ぐ効果を奏し、スラグ中成分の水和反応は進行せず、調製された懸濁液の安定性を保つことができる。
一方、注入液は改良を要する地盤中に優れた浸透性を有する。通常、土壌中の地下水には、塩素、硫酸根、カルシウム、ナトリウム、マグネシウム、カリウムや珪酸などの化学成分が溶けている（地表環境の地学−地形と土壌：新版地学教育講座３巻、東海大学出版会、１９９８年３月２０日発行、１１７頁）。懸濁液がこのような化学成分を含有する地盤に注入されると、地盤中のアルカリ金属及び／又はアルカリ土類金属により懸濁液のアルカリ濃度が増大し、スラグ中の二酸化珪素の鎖状結合が更に切断され、スラグ中のカルシウムイオンの溶出が多くなり、スラグ中から溶出したカルシウムイオンが水砕スラグ含有成分の水和反応を促進し、急速に硬化反応が進行する。水和生成物を生成し、土壌粒子間の架橋により軟弱地盤の固化反応が進行し、高強度の固結体を形成する。

以下、本願発明を実施例及び比較例により説明する。
実施例１
高炉水砕スラグ（スミットメント スーパー１０、ブレーン値 １０，０００ｃｍ^２／ｇ；住金鉱化株式会社；ＣａＯ ４２．５重量％、ＳｉＯ２ ３３．５重量％） ２００ｇ及び消石灰(秩父石灰工業株式会社)５０ｇの合計量に対して、１２５ｍＬの水を用い、分散剤（オレフィン−マレイン酸共重合体塩：日本ゼオン株式会社）５．０ｇの存在下に攪拌槽中でプロペラ型羽根付き攪拌機（モーター：ＨＥＤＩＯＮスリーワンモーター６００Ｇ）で２０℃、５分間激しく攪拌混練して、ペースト状の混練物を得た。
調製した注入液の初期粘度、流動消失時間、サンドゲル強度、一次元浸透距離を測定した。結果を表１に示す。
なお、試験方法は次の通りである。
１）初期粘度
調製直後の注入材を２０℃に保ち、Ｂ型粘度計６０ｒｐｍで粘度を測定した。
２）流動消失時間
調製した注入材を静置状態で放置し、時々傾斜させて懸濁液部の流動性が失われるまでに要した時間又は日数。
３）サンドゲル強度
豊浦砂と注入材を重量比で３１０：８３の割合で混和し、成型用円筒モールド容器（内径５０ｍｍ、高さ１００ｍｍ）に充填放置し、径日の強度変化を測定した。１日、３日、１４日の養生条件をそれぞれ経過後、脱型し、得られたサンドゲルを１軸圧縮強度試験に供した。そして、単位面積あたりの降伏破壊強度を求め、サンドゲル強度とした。
４）一次元浸透距離
ＪＧＳ０８１２（安定処理土静的締固めによる供試体作成方法の２）の試験用具に規定する注入装置に準じる試験用具、懸濁液を経て最終的に調製された懸濁型地盤改良材を圧力容器に充填し、これを空隙率４１％で豊浦砂を詰めたφ５ｃｍ、長さ１ｍの試料管に、コンプレッサーにより下方から加圧注入し、管を上昇する調製液の高さを計測した。

実施例２〜３及び比較例１〜４
実施例１と同様の方法においてＢ/Ａが表１に示すように変えて試験を行い、同様に各性能を評価した。結果を表１に纏めて示す。

本願発明の懸濁型地盤改良材は、注入液の分離安定性が優れ、シルト質土の含有率の高い、粒度分布の広い土質の地盤への浸透性が良好である。固結体強度も高く、懸濁型地盤改良材としての適用性を拡大するものであり、産業上極めて有用である。

Claims (1)

1. 水砕スラグを主成分とし、アルカリ金属及び分散剤を含有する懸濁型地盤改良材において、ナトリウム／二酸化珪素の重量比が０．１５〜０．２５であり、懸濁液中のカルシウムイオンは分散剤によって捕獲された状態で、かつ地盤に注入された後、土壌中のアルカリ金属及びアルカリ土類金属によって硬化反応が進行することを特徴とする懸濁型地盤改良材。