JP2007332618A

JP2007332618A - 地盤改良方法

Info

Publication number: JP2007332618A
Application number: JP2006164277A
Authority: JP
Inventors: Shunsuke Shimada; 俊介島田; Tadao Koyama; 忠雄小山; Rei Terajima; 麗寺島
Original assignee: Kyokado Engineering Co Ltd
Current assignee: Kyokado Engineering Co Ltd
Priority date: 2006-06-14
Filing date: 2006-06-14
Publication date: 2007-12-27

Abstract

【課題】地盤の固結に際して有害物質を発生せず、このため環境への悪影響を与えることがなく、しかも、大掛かりな装置や有害な薬品を必要とせず、液状化対策工事、構造物基礎下の耐震補強等に適した地盤改良方法を得る。
【解決手段】地盤中に活性シリカ、コロイダルシリカおよび水ガラスから選択されるシリカ化合物、およびアルコール類を投入し、シリカ個化合物がアルコールと反応し、脱水縮合され、地盤を固化する。さらには地盤中に活性シリカ、コロイダルシリカおよび水ガラスから選択されるシリカ化合物、および微生物を投入し、嫌気性条件下で微生物が嫌気代謝によりエタノールを生成し、エタノールとシリカ化合物の反応により固結する。
【選択図】なし

Description

本発明は地盤中でシリカ化合物とアルコールとを反応して地盤を固結する地盤改良方法に係り、特に、地盤の固結に際して有害物質を発生せず、このため環境への悪影響を与えることがなく、しかも、大掛りな装置や有害な薬品を必要とせず、液状化対策工事、構造物基礎下の耐震補強等に適した地盤改良方法に関する。

注入材により地盤を固結して地盤改良を図る方法として、従来、地盤中に注入材として水ガラスや、セメントを注入して地盤を固結する方法が採用されていた。

しかし、この方法では注入材が強アルカリであったり、あるいは強酸を使用したり等、環境へ悪影響を与える恐れがあり、さらに取り扱いに注意が必要であり、また、使用できる地盤が限定されていた。

また、液状化対策工事等では、構造物直下の地盤改良となるため、ガス、水道、電気等の埋設管が多い条件となり、環境保全に優れた地盤改良が要求される。

また、地盤中で水ガラスグラウトと、反応剤としてエステル類、アルデヒド類、アミド塁、アルコール類、アルカリ類を別々に注入し、これらをそれぞれ地盤中で反応させることによりゲルを生成して地盤を固結する注入工法が本出願人により開発されている。しかし、この場合、反応生成物が無い事、長期耐久性に問題がある事、地盤下の水のＰＨ等、水質に影響がない事、あるいは反応剤が均一に反応せず、部分的なゲルを起こしやすい事等の課題があった。

本発明者らはシリカ化合物として、活性シリカ、コロイダルシリカまたは水ガラスを選定し、これにより酸やアルカリの使用量を少なくしても長いゲル化時間と安定したゲルを得、環境に悪影響を及ぼさない工法を開発し、本発明を完成するに至った。
特開昭６１−１５９４８４号公報特開昭６０−１８８５１７号公報

本発明の課題はシリカ化合物に強酸や弱アルカリを添加することなく固結して自然の状態で存在する物質だけを使用し、改良地盤やその周辺にも有害な物質を発生させず、さらに地盤改良後でも有害な物質を発生させず、上述の公知技術に存する欠点を改良した地盤改良方法を提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明の地盤改良方法によれば、地盤中に活性シリカ、コロイダルシリカおよび水ガラスから選択されるシリカ化合物、およびアルコール類を投入し、シリカ化合物がアルコールと反応し脱水縮合され、地盤を固化することを特徴とする。

さらに、上述の目的を達成するため、本発明の地盤改良方法によれば、地盤中に活性シリカ、コロイダルシリカおよび水ガラスから選択されるシリカ化合物、および微生物を投入し、嫌気性条件下で微生物が嫌気代謝によりエタノールを生成し、エタノールによるシリカ化合物の誘電率の低下からシリカ粒子の粒子間架橋を形成して地盤を固結することを特徴とする。

本発明は地盤中でシリカ化合物とアルコールとを反応することにより、あるいはシリカ化合物と微生物とを地盤中に投入し、微生物の嫌気代謝によりエタノールを生成し、このエタノールとシリカ化合物と反応することにより、シリカ化合物に強酸やアルカリを添加することなく固結し、自然の状態で存在する物質だけを使用し、改良地盤やその周辺にも有害物質を発生させず、さらに地盤改良後でも有害な物質を発生させることがないという効果を奏し得る。

本発明ではシリカ化合物がアルコールと反応しゲル化することからシリカ化合物が脱水縮合され、固結し地盤を改良する。シリカ化合物としては活性シリカ、コロイダルシリカ、水ガラス等を用いることができるが、特に、活性シリカやコロイダルシリカ等を使用すると、水ガラスよりもコロイド化しているため、反応剤は高いシリカ濃度でもゲルタイムが長く確実にゲル化させることができる。

また、微生物の嫌気性条件下では、アルコール発酵を行うことより、本発明ではシリカ化合物と微生物を地盤中に注入し、嫌気性条件下では微生物が嫌気代謝によりエタノールを生成し、エタノールによるシリカ溶液中の誘電率の低下からシリカ粒子の粒子間架橋を形成し、地盤を固結する。

さらに、微生物と栄養分を同時に注入することで、あるいは微生物を多く含む地盤においては栄養分を地盤中に注入することで、微生物のアルコール発酵を促進し、アルコールの発生量を促進し、シリカ化合物の強度増加やゲル化時間を調節する。

また、同様に嫌気性条件下では微生物は乳酸発酵を行い、乳酸を生成しシリカ化合物のゲル化時間を調整する。

本発明で使用されるシリカ化合物は水ガラス、活性シリカ、コロイダルシリカ等のいかなるものでも良い。また、２種以上のシリカ化合物を混合することで、ゲルタイムや強度を調整することができる。

さらに、注入材として微生物を併用する場合、微生物が活性化するＰＨに調整する必要がある。このため、少量のＰＨ調整材を用いても良い。

本発明に用いられる活性シリカは陽イオン交換樹脂またはイオン交換膜によって水ガラス中のＮａの一部または全てを除去して得られる。

コロイダルシリカはコロイド化されており、活性シリカをアルカリまたは水ガラスを加え濃縮重合して、弱アルカリ領域に安定化して製造する。これらＮａ含有量が少ないことより中性付近のＰＨで長時間安定し、また少ない反応剤によってゲル化することから、固結後も反応生成物の地下水への溶出が少なく、周囲の環境負荷が少ないため、本発明に適している。

本発明に用いられるシリカ化合物は水ガラス、活性シリカ、コロイダルシリカ、中性ないしは酸性シリカゾル等である。また、水ガラスとしては水ガラス水溶液、これに酸、塩あるいは有機酸反応剤、例えば、グリオキザール等のアルデヒド化合物、酢酸エステル、ジエステル、トリエステル、炭酸エステル等のエステル類を加えた水ガラス水溶液、あるいは水ガラスのアルカリを酸で中和して得られる中性〜酸性シリカ溶液、活性シリカ、シリカコロイド、ホワイトカーボン水溶液等が挙げられる。

活性シリカは水ガラスをイオン交換樹脂、またはイオン交換膜で処理して水ガラス中のアルカリの一部または全部を除去して得られる。また、水ガラスと酸を混合してなる酸性水ガラスをイオン交換樹脂、またはイオン交換膜に通過させ、水ガラス中の塩の一部または全部を脱塩して得られたものであってもよい、なお、活性シリカのシリカ濃度が低い場合には、加熱濃縮したり、コロイダルシリカ、水ガラス等を適宜に添加してシリカ濃度を上げることもできる。活性シリカのシリカ濃度は１〜８重量％、ＰＨは２〜４である。

このような活性シリカはシリカ粒径が１〜５ｎｍに成長して数日後にはゲル化するが、苛性アルカリや水ガラス等のアルカリを加えてアルカリ側のＰＨにすることにより安定化される。この安定化した活性シリカに現場で酸や塩を加えてＰＨやゲル化時間を調整し、使用に供される。また、活性シリカに酸を加え、可使時間を長くしてゲル化時間を調整することもできる。この種の活性シリカはゲル化時間を長く調整できるのみならず、低濃度でもゲル化し、かつ固結後の耐久性にも優れている。粘度は水とほとんど変わらず、２ｃｐｓ以下である。

コロイダルシリカは上述の活性シリカを加熱することにより濃縮増粒し、ＰＨを９〜１０に調整して安定化して得られるが、ＰＨが酸性〜中性であってもよい。このようにして得られたコロイダルシリカはシリカ濃度が５％以上、通常は３０％程度でありことができる。

酸性〜中性シリカゾルは水ガラスを過剰またはほぼ当量の酸と混合し、水ガラス中のアルカリ分を中和除去して得られるＰＨが酸性ないしは５〜９程度の中性シリカ水溶液である。これは通常、注入現場で調整され、通常の地盤注入ではシリカ濃度３〜１０％で使用される。このシリカゾルもまたアルカリが除去されているため、耐久性に優れ、シリカ濃度が１％以下でもゲル化する、粘度は水とほとんど同じであり、２ｃｐｓ以下である。

本発明に用いられるアルコール類としては、エチルアルコール、メチルアルコール、アミルアルコール、グリセリン、ポリビニールアルコール等、１価、多価のアルコール、あるいは合成高分子アルコールを用いても良い。あるいは下記に示すエステル類、アルデヒド類、アミド類を用いることもできる。

本発明に用いられる微生物は人体や環境に影響を与えにくいものならば、使用可能である。特に、乳酸菌やイースト菌等の従来より食品に利用されているものや、嫌気性菌アルコール発酵もしくは乳酸発酵を行い、地盤中に多く存在するものであれば良い。また、自然界に存在する微生物を用いることもできる。

一般の土壌には１ｇ当り１０^７〜１０^９個の微生物が存在しており、細菌、真菌、藻類、原生動物、藻等が挙げられる。そのうち本発明に有効に働く微生物としては糖、脂肪族、乳酸のエーテル結合やエステル結合を加水分解する酵素をもつセルロ−ス分解菌が特に有効である。

地中で活性化する微生物として、爆気、攪拌による空気を送る必要のない通性嫌気性菌である醗酵菌、腐敗菌が挙げられる。特に酵母菌、乳酸菌はアンモニア、メタン等の有毒物質を生成せず、同時に注入する堆肥中の有機物を用いて増殖し生物分解性プラスチックスの分解を促進する働きを持つ。

特に、ラクトバチルス（乳酸菌）のような嫌気性菌は全ての無胞子の嫌気性菌であって、酵素を消耗しない状態でアルコールや有機酸を生成する。好気性担子菌や、糸状菌は地表面から１〜１０ｃｍ位にある土中の草木を腐らす。また、ラクトバチルス菌群は表層、中層、下層に分布される。したがって、本発明では、たとえ空気が殆どない地中５〜１０ｍ、あるいはそれ以深に埋設されていても、同時にこれらの嫌気性菌を注入し、あるいは填充することにより、二酸化炭素を発生しシリカ化合物を固化せしめることが出来る。上述菌として、具体的には、ラクトバチルスで醗酵させた植物性有毒物（油かす、米ぬか）、動物性有機物、あるいは埴土、汚泥、コンポスト等、植物繊維の腐蝕したもの、あるいは醗酵したもの等が使用される。

本発明に用いられる栄養分は微生物の栄養源となるものであり、好ましくは土壌中の微生物によって代謝分解される糖類である。例えばグルコースやフラクトースなどの単糖類、スクロース、マルトースあるいはガラクトースなどの２糖類、その他、オリゴ糖、でんぷんやマルトデキストリンなどの多糖類、その他の糖類を例示することができる。なかでも、微生物によって容易に代謝されやすいグルコース、あるいはスクロースの利用が好ましい。

本発明に用いられる硬化剤としては酸類、無機塩（酸性塩、中性塩、塩基性塩など）、有機塩、生石灰、アルミナ、酸化鉄、酸化マグネシウム、等の金属酸化物、スラグ、フライアッシュ、カルシウムシリケート、セメント等のＣａ、Ａｌ、Ｍｇ塩、炭酸ガスなどが挙げられ、これを一種または複数種を併用して用いても良い。

エタノールによる凝集を確認する実験
シリカ化合物とエタノールによる硬化実験を行った。
試験管にシリカ化合物５ｍｌを測りとり、表１の５種類の濃度に希釈した５ｍｌのエタノール溶液を混合した後、室温で２５℃で２４時間静置した。２４時間後に試験管を上下逆さにして、溶液がゲル化しているかどうかを観察した。結果を表１に示した。

水ガラス：比重（２０℃）１.３２、ＳｉＯ_２濃度２５.５％、Ｎａ_２Ｏ濃度７.２３％、
モル比３.７５、ＰＨ１.５のものを使用。
コロイダルシリカ：陽イオン交換樹脂で処理した水ガラス水溶液にアルカリを添加し、加熱して縮合安定化せしめ、濃縮した無水珪酸のこう質溶液であって、ＳｉＯ_２約３０％、Ｎａ_２Ｏ：０．７％以下、比重（２０℃）：１.２１〜１.２２、ＰＨ９〜１０の物性を呈するコロイダルシリカ。
Ｎａ_２Ｏ：０.７％以下、比重（２０℃）：１.２１〜１.２２、ＰＨ：９〜１０の物性を呈するコロイダルシリカ。
活性シリカ：ＪＩＳ３号水ガラスを水で希釈した液を陽イオン交換樹脂に通過して処理し、得られるＰＨ２.７、比重１.０３、ＳｉＯ_２＝４.０％の活性シリカ。

コロイダルシリカは濃度１００％のエタノールを加えたときのみ全体がゲル化した。活性シリカについても１００、８０％のエタノールを加えたときのみゲル化した。水ガラスはエタノール溶液と接触面で急速にゲル化し、不均一なゲル化物ができた。

エタノールにさらに硬化剤を添加した凝集を確認する実験
シリカ化合物にエタノールと硬化剤を加えたときの硬化実験を行った。
試験管にシリカ化合物５ｍｌを測りとり硬化剤、水を混合した後、５ｍｌのエタノー溶液を加え溶液がゲル化しているかどうかを観察した。
シリカ化合物は実施例１で用いたコロイダルシリカ、水ガラスを用いた。
硬化剤はＫＣｌ、燐酸を用いた。
４％ＡＳ：上記水ガラスに少量の７５％燐酸を加えてシリカ濃度４％に調節したもの。
８％ＡＳ：上記水ガラスに少量の７５％燐酸を加えてシリカ濃度８％に調節したもの。
結果を表２に示す。

以上より、本発明における次のことが検証された。
１．コロイダルシリカにエタノールを加えるとゲル化する。（Ｎｏ.Ａ−１）
２．コロイダルシリカにＫＣｌあるいは水とアルコールを加えた場合、瞬結ではゲル化しないが（Ｎｏ.Ａ−３、Ａ−４）、さらにエタノールを加えることでゲル化する。（Ｎｏ.Ａ−５）
３．希釈した水ガラスそのものは瞬結ではゲル化しないが、エタノールを加えたことでゲル化する。（Ｎｏ.Ａ−６、Ｎｏ.Ａ−７、Ｎｏ.Ａ−８）

地盤中でシリカ化合物とアルコールとを反応して地盤を固結することにより、有害物質
を発生せず、このため環境への悪影響を与えることがなく、しかも、大掛かりな装置や有害な薬品を必要とせず、液状化対策工事、構造物基礎下の耐震補強等に適し、土木技術分野における利用性が高い。

Claims

地盤中に活性シリカ、コロイダルシリカおよび水ガラスから選択されるシリカ化合物、およびアルコール類を投入し、シリカ化合物がアルコールと反応し、脱水縮合され、地盤を固化することを特徴とする地盤改良方法。
地盤中に活性シリカ、コロイダルシリカおよび水ガラスから選択されるシリカ化合物、および微生物を投入し、嫌気性条件下で微生物が嫌気代謝によりエタノールを生成し、エタノールとシリカ化合物の反応により固結する地盤改良方法。
請求項２において、さらに微生物の栄養分を投入する請求項２の地盤改良方法。
請求項１または２において、さらに硬化剤を投入する請求項１または２の地盤改良方法。
請求項１において、さらに微生物および／または微生物の栄養分を投入する請求項１の地盤改良方法。
請求項２において、嫌気性条件下で微生物が乳酸発酵を行い、乳酸を生成してシリカ化合物のゲル化を促進する請求項２の地盤改良方法。
請求項１または２において、さらにカルシウム塩、多価金属塩、カルシウム水酸化物、微粒子石灰、微粒子セメント、微粒子スラグ、石膏および炭酸カルシウムの群から選択される多価金属化合物を投入する請求項１または２の地盤改良方法。