JP2014051564A

JP2014051564A - 盛土空隙部用充填材及び充填工法

Info

Publication number: JP2014051564A
Application number: JP2012195566A
Authority: JP
Inventors: Kazuyuki Mizushima; 一行水島; Takumi Kushihashi; 巧串橋
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2012-09-05
Filing date: 2012-09-05
Publication date: 2014-03-20
Anticipated expiration: 2032-09-05
Also published as: JP5930918B2

Abstract

【課題】盛土部への１ショット方式での注入が可能となる充填材及び充填工法を提供する。
【解決手段】セメント、ベントナイト、カルシウムアルミネート、石膏、凝結調整剤、及び水を含有してなり、混練り時から３０分までの流動性がＰロート値で９〜１２秒、硬化時間が４０〜９０分である１ショット方式の盛土空隙部用充填材であり、凝結調整剤が、有機酸類とアルカリ金属炭酸塩類を含有してなり、ベントナイトが、セメント７５〜９０質量部に対して２５〜１０質量部であり、石膏が、カルシウムアルミネート１００質量部に対して５０〜２００質量部であり、盛土部の空隙部へ、セメント、ベントナイト、カルシウムアルミネート、石膏、凝結調整剤、及び水を含有してなる該盛土空隙部用充填材を１ショット方式で充填するに際し、混練り時から３０分までの流動性がＰロート値で９〜１２秒、硬化時間が４０〜９０分である盛土空隙部の充填工法、である。
【選択図】なし

Description

本発明は、各種土木工事における盛土部、特にトンネル工事で発生したズリ等を盛土に使用した地盤改良工事に用いられる、盛土空隙部用充填材及び充填工法に関する。

従来、盛土部を補強・補修するためにセメントを用いた注入工法で、地盤の補強や止水効果を得るため、微粉スラグを主成分とした注入材やセメントとカルシウムアルミネ−ト等を含む急硬材を用いた注入材が用いられている（特許文献１、２、３、４参照）。

しかしながら、微粉スラグを使用した注入材は凝結が非常に遅く、注入したミルクが盛土部より溢れたり、地下水に流され、または、所定の注入位置から流れて逸脱する場合があった。

カルシウムアルミネートを使用した注入材は、セメントミルクと急硬材スラリーを別々に混練りし、注入直前に混合するので、ミキサやポンプが各２台必要とし、２材型（１．５ショット，２ショット方式）であるため施工性が煩雑という課題があった。施工性を簡便にすべく、セメントと急硬材を混合し同時練りした場合、硬化時間の制御が難しく、ミキサやポンプを固めてしまうトラブルが発生する場合があった。
また、地盤がトンネル掘削時のズリの場合は充填材の浸透性が大きいため、充填材の盛土部周辺への逸脱が大きく、道路や河川を汚したり、所定量の何倍もの注入が必要となる場合があった。

また、注入の際、地盤からの逸脱を防ぐ目的で水量を減らす場合があるが、その結果、硬化が早くなり過ぎ、ミキサやポンプを固めてしまうトラブル等のおそれがあるばかりか、単位水量の減少により単位セメント量が増し、経済的ではなかった。

特開平６−３３０５７号公報特公昭５７−１００５８号公報特開２００４−１４９６８５号公報特開２００６−０１６５４３号公報

本発明は、上記課題を解決すべく種々検討した結果、特定の充填材を使用することにより、従来、問題の多かった盛土部への充填を可能とすることを見出し、さらに、充填材の１ショット方式での注入が可能となるという知見を得て本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、（１）セメント、ベントナイト、カルシウムアルミネート、石膏、凝結調整剤、及び水を含有してなり、混練り時から３０分までの流動性がＰロート値で９〜１２秒、硬化時間が４０〜９０分である１ショット方式の盛土空隙部用充填材、（２）凝結調整剤が、有機酸類とアルカリ金属炭酸塩類を含有してなる（１）の盛土空隙部用充填材、（３）ベントナイトが、セメント７５〜９０質量部に対して２５〜１０質量部である（１）又は（２）の盛土空隙部用充填材、（４）石膏が、カルシウムアルミネート１００質量部に対して５０〜２００質量部である（１）〜（３）のいずれかの盛土空隙部用充填材、（５）セメントとベントナイトの合計量９０〜９７質量部に対して、カルシウムアルミネートと石膏の合計量が１０〜３質量部である（１）〜（４）のいずれかの盛土空隙部用充填材、（６）盛土部の空隙部へ、セメント、ベントナイト、カルシウムアルミネート、石膏、凝結調整剤、及び水を含有してなる（１）〜（６）のいずれかの盛土空隙部用充填材を１ショット方式で充填するに際し、混練り時から３０分までの流動性がＰロート値で９〜１２秒、硬化時間が４０〜９０分である盛土空隙部の充填工法、である。

本発明の盛土空隙部用充填材を用いることにより、盛土部への充填材の１ショット方式での充填が可能という効果が得られる。

以下、本発明を詳細に説明する。
なお、本発明で使用する部、％は、特に規定しない限り質量基準である。

本発明で使用するセメントとしては、普通、早強及び中庸熱等の各種ポルトランドセメント、及びこれらポルトランドセメントに高炉スラグ又はフライアッシュ等を混合した各種混合セメント、並びに、通常市販されている各種微粒子セメント、エコセメント等が挙げられる。これらの中では、経済性や作業性が良く、スランプロスが少ない点で、普通ポルトランドセメントを使用することが好ましい。

本発明で使用するベントナイトとは、例えば、モンモリロナイト粘土鉱物の一種で膨潤性を有するものである。そして、ベントナイトの膨潤性は産地や鉱床により異なるが、ＡＣＣ法（American colloid Company規格）による膨潤度が５以上であり、この膨潤度が大きければ大きいほど好ましく、通常、１０以上が好ましく、１５〜４０程度がより好ましい。膨潤度が５未満では所定のＰロート値が得られなく、盛土部周辺への逸脱を防ぐ効果が得にくい場合がある。

ベントナイトの使用量は、セメントとベントナイトの割合が、セメント７５〜９０部：ベントナイト２５〜１０部である。ベントナイトの使用量が２５部を超えると、盛土部への充填が悪くなり、１０部未満では流動性が高くなり、盛土部周辺への逸脱を防ぐ効果が得にくい場合がある。

本発明で使用するカルシウムアルミネート（以下、ＣＡという）は、ＣａＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、及びＳｉＯ_２を含有するものであり、石膏との併用により主として短期強度の発現に寄与するものである。
ＣＡの組成は、ＣａＯ含有率２０〜６０％、Ａｌ_２Ｏ_３含有率２０〜７０％が好ましく、ＣａＯ含有率３０〜５５％、Ａｌ_２Ｏ_３含有率３０〜６０％、及びＳｉＯ_２含有率０〜２０％がより好ましい。この範囲外では短期強度が小さくなる場合がある。
ＣＡは、石灰石等のカルシア原料、アルミナ、ボーキサイト、長石、及び粘土等のアルミナ原料に、更には、ケイ石、ケイ砂、石英、及びケイ藻土等のシリカ原料等を配合した後、ロータリーキルンなどで焼成、又は、電気炉や高周波炉等で溶融することにより製造される。
ＣＡとしては、１２ＣａＯ・７Ａｌ_２Ｏ_３、ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３、３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３、２ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・ＳｉＯ_２やＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２などの結晶性化合物を使用することも可能であるが、短期強度が大きい点で、溶融物を急冷して得られるガラス質のものが好ましい。
ＣＡのガラス化率は、ＣＡを１，４００℃で２時間加熱後、５℃／分の冷却速度で徐冷し、粉末Ｘ線回折法により結晶鉱物のメインピークの面積Ｓ_０を求め、ＣＡの結晶のメインピークＳから、Ｘ（％）＝１００×（１−Ｓ／Ｓ_０）として求められるもので、短期強度の点から５０％以上が好ましく、８０％以上がより好ましく、９０％以上が最も好ましい。５０％未満では短期強度が小さい場合がある。
ＣＡの粉末度は、ブレーン比表面積で３０００ｃｍ^２／ｇ以上、好ましくは４０００〜７０００ｍ^２／ｇで、３０００ｃｍ^２／ｇ未満では、初期の強度発現性の向上を十分示さないので好ましくない。

本発明で使用する石膏は、無水石膏、半水石膏、及び二水石膏が挙げられ、さらに天然石膏や、リン酸副生石膏、排脱石膏、及びフッ酸副生石膏等の化学石膏、又はこれらを熱処理して得られる石膏等が含まれる。これらの中で強度発現性が大きい点で無水石膏が好ましい。
使用する石膏の粉末度は、ブレーン比表面積で３０００ｃｍ^２／ｇ以上、好ましくは４０００〜７０００ｃｍ^２／ｇで、３０００ｃｍ^２／ｇ未満では、初期の強度発現性の向上を十分示さないので好ましくない。
ＣＡと石膏の使用量は、ＣＡ１００部に対して、５０〜２００部が好ましく、７０〜１５０部がより好ましい。５０部未満では短期強度が小さく、特に低温時に強度発現不良の場合があり、２００部を超えても短期強度が小さい場合がある。

セメントとベントナイトの合計量とＣＡと石膏の合計量（以下、急硬材という）の配合割合は、セメントとベントナイトの合計９０〜９７部に対して、急硬材１０〜３部で、セメントとベントナイトの合計が９２〜９６部に対して、急硬材８〜４部がより好ましい。急硬材が１０部を超えると、硬化開始から硬化までの時間が短すぎて、充填性が悪くなる場合があり、急硬材が３部未満であると、初期の硬化不良の原因となる場合がある。

本発明では、所要の硬化時間が得られるように、凝結調整剤を使用する。
凝結調整剤としては、有機酸類やアルカリ金属炭酸塩類等が挙げられる。これらの中では、硬化時間をコントロールでき、ホース等の閉塞がなく、硬化後の強度発現性が良好な点で、有機酸類とアルカリ金属炭酸塩類を併用することが好ましい。

有機酸類としては、クエン酸、酒石酸、リンゴ酸、及びグルコン酸等のオキシカルボン酸又はこれらの塩（ナトリウム塩やカリウム塩等）等が挙げられる。これらの中では、硬化時間をコントロールでき、ホース等の閉塞がない点で、オキシカルボン酸及び／又はこれらの塩が好ましく、クエン酸ナトリウムがより好ましい。

アルカリ金属炭酸塩類としては、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、及び炭酸カリウム等の炭酸塩や、炭酸水素ナトリウムや炭酸水素カリウム等の重炭酸塩が挙げられる。これらの中では、硬化後の強度発現性が良好な点で、アルカリ金属炭酸塩が好ましく、炭酸カリウムがより好ましい。

有機酸類とアルカリ金属炭酸塩類を併用した場合の両者の混合割合は、アルカリ金属炭酸塩類１００部に対して、有機酸類５〜２００部が好ましく、１０〜１００部がより好ましい。５部未満だと硬化時間をコントロールできず、ホース等の閉塞が発生するおそれがあり、２００部を越えると初期強度発現性が低下するおそれがある。

凝結調整剤の使用量は、温度と練置き時間に応じて調整するため特に限定されるものではないが、セメントとベントナイトと急硬材の合計１００部に対して０．１〜３部が好ましく、０．３〜２部がより好ましい。０．１部未満では、練置き時間が確保しにくい場合があり、３部を超えると硬化時間が異常に長くなり、不均一な固化状態となる場合がある。本発明では、硬化時間は４０〜９０分であることが好ましい。

充填材を作製する場合の水の使用量は、盛土部への充填が可能であり、かつ、盛土部周辺への逸脱を防ぐ効果が得られる混練り時から３０分までの流動性がＰロート値で９〜１２秒であり、その製造方法は、充填材１００部に対して、水量は８０〜１５０部が好ましく、９０〜１２５部がより好ましい。８０部未満では充填材の粘度が高くＰロート値で１２秒以上となり、充填性が小さくなる場合があり、１５０部を超えると流動性が高くＰロート値で９秒以下となり、盛土部周辺への逸脱の原因となる場合がある。

充填材の練り混ぜ方法や充填方法は、特に限定されるものではないが、練り混ぜ方法としては、ハンドミキサやグラウトミキサ等の高速ミキサが好ましく、充填方法は、１ショット方式で盛土部上部より流し込むか単管等で盛土部中に圧充填等、現在使用されている工法に適用可能である。

以下実験例により本発明を詳細に説明する。

実験例１
セメント８０部とベントナイト１５部と、ＣＡ２．５部と石膏２．５部からなる急硬材５部および凝結調整剤０．７部を混合し、表１に示す水量の充填材を作製した。
充填材を作製後、試験型枠中に模擬粗骨材層を用い、充填率の測定を行った。結果を表１に示した。

＜使用材料＞
セメント：普通ポルトランドセメント
ベントナイト：メーカー公称ＡＣＣ法による膨潤度２０、２００メッシュパス９０％
ＣＡ：ＣａＯ４５％、Ａｌ_２Ｏ_３４０％、及びＳｉＯ_２１５％の組成
石膏：無水石膏
凝結調整剤：クエン酸１００部と炭酸カリウム３００部からなる混合物
水：水道水

＜使用装置＞
試験型枠：断面が２００ｍｍ×２００ｍｍで高さ８００ｍｍの直方形の型枠（底面はφ２０ｍｍの円形の穴が等間隔で縦横５カ所の計２５カ所開いている）に、５〜２５ｍｍの砕石と２５〜４０ｍｍの砕石を等量混合した盛土を空隙率３８％になるように充填した。
盛土（別名ズリ）：トンネルの掘削によって掘り出される土石、岩石
のくずは、通常、５〜４０ｍｍ程度であり、これを模擬したもの。

＜測定方法＞
硬化時間：充填材の温度測定により、混練りから１℃上昇した時を硬化時間とした。
Ｐロート値：ＪＳＣＥ−Ｆ５２１「Ｐ漏斗による方法」に準拠し、混練りから３０分経過した時の流動性を評価した。
充填性試験：前記骨材が充填された型枠に１２リットル（空隙率３８％に相当）の充填材を上部から流し込み、充填せず上部に残留した充填材の量と、下部より流れ出た充填材の量から、型枠内に留まった量（充填率）を測定した。

表１の結果から、Ｐロート値の範囲内の充填率は良好であるが、水比の低いＰロート値が高い充填材は下部へ充填されなく、水比の高いＰロート値が低い場合は、充填材が骨材中に留まらず、底面の穴より漏れ出る量が多い。

実験例２
表２に示すセメントとベントナイトの割合を変え、水量を１００部一定とした以外は、実験例１と同様に充填材を作製し、試験を実施した。結果を表２に示した。

表２より、セメントとベントナイトの配合割合が適量な場合、高い充填性が得られることが判った。

実験例３
ＣＡ１００部と石膏１００部からなる急硬材を、セメントとベントナイトと急硬材の合計１００部中、表３に示す部を使用し、充填材を作製したこと以外は、実験例１と同様に充填材を作製し、試験を実施した。結果を表３に示した。

表３より、急硬材が適量な場合、高い充填性が得られることが判った。また、充填材の１材状態のゲル化時間を確保できるので、一定の作業時間を有することができ、充填後は速やかに硬化することが判った。

実験例４
セメントとベントナイトと急硬材の合計１００部に対して表４に示す凝結調整剤を使用し、充填材を作製したこと以外は、実験例１と同様に充填材を作製し、試験を実施した。結果を表４に示した。

表４より、凝結調整剤が適量な場合、高い充填性が得られることが判った。充填材の１材状態のゲル化時間を確保できるので、一定の作業時間を有することができ、充填後は速やかに硬化することが判った。

実験例５
ベントナイトの膨潤度を変えたこと以外は、実験例１と同様に充填材を作製し、試験を実施した。結果を表５に示した。

表５の結果から、Ｐロート値の範囲内の充填率は良好であるが、膨潤度が高くＰロート値が高い充填材は下部へ充填されなく、膨潤度が低くＰロート値が低い場合は、充填材が骨材中に留まらず、底面の穴より漏れ出る量が多い。膨潤度が適正な場合、高い充填性が得られることが判った。

本発明の充填材を盛土部の充填に用いることにより、充填性が良好で、充填材の盛土部からの逸脱を極端に減ずることができ、１ショット方式での充填が可能となる。充填材の１材状態のゲル化時間を確保した場合にも、充填後速やかに硬化し、高い強度発現性か得られる。

各種土木工事における、地盤改良工事の盛土部で用いられる地盤充填材に本充填材を使用した場合、十分な施工時間が取れ、充填性に優れているため、充填性が向上し、従来空隙率の過多や逸脱等で適応困難だった地質の地盤への充填が可能となる。充填後の硬化が速やかで、充填個所の移動が速やかで施工性が大幅に改善される。

Claims

セメント、ベントナイト、カルシウムアルミネート、石膏、凝結調整剤、及び水を含有してなり、混練り時から３０分までの流動性がＰロート値で９〜１２秒、硬化時間が４０〜９０分であることを特徴とする１ショット方式の盛土空隙部用充填材。
凝結調整剤が、有機酸類とアルカリ金属炭酸塩類を含有してなる請求項１に記載の盛土空隙部用充填材。
ベントナイトが、セメント７５〜９０質量部に対して２５〜１０質量部である請求項１又は２に記載の盛土空隙部用充填材。
石膏が、カルシウムアルミネート１００質量部に対して５０〜２００質量部である請求項１〜３のいずれか１項に記載の盛土空隙部用充填材。
セメントとベントナイトの合計量９０〜９７質量部に対して、カルシウムアルミネートと石膏の合計量が１０〜３質量部である請求項１〜４のいずれか１項に記載の盛土空隙部用充填材。
盛土部の空隙部へ、セメント、ベントナイト、カルシウムアルミネート、石膏、凝結調整剤、及び水を含有してなる請求項１〜５のいずれか１項に記載の盛土空隙部用充填材を１ショット方式で充填する際に、混練り時から３０分までの流動性がＰロート値で９〜１２秒、硬化時間が４０〜９０分であることを特徴とする盛土空隙部の充填工法。