JP2014109012A

JP2014109012A - 地盤注入材

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Publication number: JP2014109012A
Application number: JP2012264913A
Authority: JP
Inventors: Ryozo Yoshida; 了三吉田; Norio Takahashi; 則雄高橋; Hidenori Isoda; 英典礒田
Original assignee: Taiheiyo Materials Corp
Current assignee: Taiheiyo Materials Corp
Priority date: 2012-12-04
Filing date: 2012-12-04
Publication date: 2014-06-12
Anticipated expiration: 2032-12-04
Also published as: JP6040016B2

Abstract

【課題】２液タイプのセメント系注入材であって、施工性や注入後の硬化性に支障を及ぼすことなく、任意のゲル化時間の調整が可能であって、ゲル化直後の強度発現性が優れるセメント系注入材を提供する。
【解決手段】カルシウムアルミネート１００質量部、石膏類２０〜３００質量部、アルカリ金属の炭酸塩、炭酸水素塩又は硫酸塩の群から選ばれる１種以上０．５〜１５質量部、アルミン酸ナトリウム０．５〜１５質量部および凝結遅延剤０．１〜１０質量部を含有する水性スラリーＡと、セメント１００〜２２００質量部を含有する水性スラリーＢとの混合物である注入材。
【選択図】なし

Description

本発明は、地盤や岩盤等を不透水・強固なものに改質したり、建設物の基礎強化等に用いられるセメント系注入材に関する。

地盤や岩盤等を不透水・強固なものに改質するため、セメント等の水硬性物質を主成分とするセメントスラリーの地盤注入材が使用されており、注入施工直後から改良効果が必要とされる場合には、通常短時間にスラリーを促進硬化させる急硬成分が配合される。しかしながら、これにより、スラリーの流動性状が短時間に変化し易く、施工時の作業性、特に作業時間等が著しく制約されるという問題が生じていた。
これに対しては、注入材がゲル状態になるまでの時間（ゲル化時間）を調整し、ほぼ一定のスラリー性状で使用できる可使時間を十分確保するため、凝結遅延剤を添加することが知られている。例えば、特許文献１や特許文献２においては、凝結遅延剤或いは急硬促進剤を急硬成分からなるセメント急硬材に加えてスラリー状にし、別にセメントを主成分として調製したスラリーとを施工前に混合して地盤に注入することでゲル化時間を任意に調整できる２液タイプのセメント系注入材が開示されている。

特公昭５７−１００５８号公報特開２００７−１３７７４５号公報

２液タイプのセメント系注入材においてトンネル工事や止水工事など注入施工直後からの早期の地盤改良効果を高めようとする場合、セメント急硬材のスラリーを高濃度とすることが最も有効である。しかし、急硬材を高濃度とすると、凝結遅延剤の配合量が少ない場合はゲル化直後の初期強度発現性は良好であるが、急硬材スラリー自体の反応が進みやすく、急硬材スラリーの可使時間が極端に短くなるため、２液タイプであっても作業時間を確保することが困難となる問題が生じていた。また、凝結遅延剤の配合量を高めれば急硬材スラリーの可使時間を長くすることができるが、それに伴って初期強度発現性が低下したり、ゲル化時間が延びるため、材料分離、注入材の逸走、湧水による注入材の流冒が課題となっていた。
一方、セメントを主成分としたスラリーの配合量を高めれば中長期強度発現性には有効であるが、ゲル化直後の初期強度発現性が不十分という課題があった。

従って本発明の課題は、２液タイプのセメント系注入材であって、施工性や注入後の硬化性に支障を及ぼすことなく、任意のゲル化時間の調整が可能であって、ゲル化直後の強度発現性が優れるセメント系注入材を提供することにある。

本発明者は、前記課題解決のため鋭意検討を重ねた結果、２液タイプのセメント系注入材において、急硬材成分としてカルシウムアルミネート、石膏、アルミン酸ナトリウムに加えてアルカリ金属の炭酸塩、炭酸水素塩又は硫酸塩を配合し、かつそれらの成分の配合量を特定の範囲とすることで、急硬材スラリーが高濃度であっても施工性に支障を及ぼさず、ゲル化時間の任意の調整が可能であって、ゲル化直後（５分後）の強度発現を飛躍的に高めることができるという知見を得て、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明は、カルシウムアルミネート１００質量部、石膏類２０〜３００質量部、アルカリ金属の炭酸塩、炭酸水素塩又は硫酸塩の群から選ばれる１種以上０．５〜１５質量部、アルミン酸ナトリウム０．５〜１５質量部および凝結遅延剤０．１〜１０質量部を含有する水性スラリーＡと、水性スラリーＡ中のカルシウムアルミネート１００質量部に対してセメント１００〜２２００質量部を含有する水性スラリーＢとの混合物であることを特徴とする注入材を提供するものである。

本発明の注入材を用いれば、施工時の作業性が良好で、ゲル化時間の調整が容易にでき、ゲル化直後から十分な強度に達するまでの時間が短いため、止水工事や緊急工事などゲル化直後から強度を求められる施工に適する。

本発明の注入材の水性スラリーＡは、カルシウムアルミネート１００質量部、石膏類２０〜３００質量部、アルカリ金属の炭酸塩、炭酸水素塩又は硫酸塩の群から選ばれる１種以上０．５〜１５質量部、アルミン酸ナトリウム０．５〜１５質量部および凝結遅延剤０．１〜１０質量部を含有する。

本発明で使用するカルシウムアルミネートは、主要化学成分としてＣａＯとＡｌ₂Ｏ₃を含む水和活性物質であれば何れのものでも良く、化合物、固溶体又はガラス質等として、さらにはこれらの任意の混合物が例示でき、アルミナセメントでも良い。より具体的には、例えば１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃、ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃、３ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃、ＣａＯ・２Ａｌ₂Ｏ₃、ＣａＯ・６Ａｌ₂Ｏ₃等が挙げられる。またＣａＯとＡｌ₂Ｏ₃に加えて他の化学成分が加わっても良く、他の化学成分単体で、或いはＣａＯやＡｌ₂Ｏ₃の何れか又は両者と反応した生成物であっても良い。具体的には、例えば４ＣａＯ・３Ａｌ₂Ｏ₃・ＳＯ₃、１１ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃・ＣａＦ₂、Ｎａ₂Ｏ・８ＣａＯ・３Ａｌ₂Ｏ₃等が挙げられる。また、例示以外のＣａＯとＡｌ₂Ｏ₃の含有モル比となるカルシウムアルミネートでも良く、ＣａＯとＡｌ₂Ｏ₃の含有モル比の値は特に制限されるものではない。カルシウムアルミネートの粒度は、ゲル化直後の強度発現性の点から、ブレーン値で４，０００cm²／ｇ以上が好ましく、５，０００cm²／ｇ以上がより好ましい。

本発明で使用する石膏類とは、天然石膏及び化学石膏を含むものである。石膏類としては、例えば、無水石膏、半水石膏、二水石膏等の天然石膏の他、化学石膏等を挙げることができ、２種類以上を併用しても良い。好ましくは無水石膏を使用する。
石膏類は、主にエトリンガイト生成による初期強度発現性増進作用を付与するため使用される。
石膏類の粒度は、ゲル化直後の強度発現性の点から、ブレーン値で４，０００cm²／ｇ以上が好ましく、５，０００cm²／ｇ以上がより好ましい。
石膏類の使用量は、カルシウムアルミネート１００質量部に対して、２０〜３００質量部必要であり、２５〜２５０質量部が好ましく、５０〜２００質量部がより好ましい。２０質量部未満では初期強度発現性が小さくなる虞があり、３００部を超えるとゲル化が遅れ、高い初期強度発現性が得られないことがある。

本発明で使用するアルカリ金属の炭酸塩、アルカリ金属の炭酸水素塩、アルカリ金属の硫酸塩のアルカリ金属としては、リチウム、ナトリウム、カリウムの何れか１種又は２種以上の何れのものでも良い。これらの塩は、ゲル化直後の強度を高める作用を有する他、水性スラリーＡの流動性を長時間確保できるので可使時間を延ばすことが出来る。これら塩の使用量は、カルシウムアルミネート１００質量部に対して、０．５〜１５質量部必要であり、１〜１２．５質量部が好ましく、２〜１０質量部がより好ましい。０．５質量部未満では水性スラリーＡの可使時間が極端に短くなりゲル化直後の強度発現性も小さくなる虞があり、１５質量部を超えるとゲル化時間が遅れ、中長期強度発現性が低下する。

本発明で使用するアルミン酸ナトリウムは、アルミニウムイオンとナトリウムイオンのイオンの作用により水性スラリーＡのカルシウムアルミネートと石膏の反応を抑制することができ、さらに、前記アルカリ金属の炭酸塩、炭酸水素塩、硫酸塩のアルカリ金属のイオンとの相乗効果によって、水性スラリーＡが高濃度であってもゲル化有効成分が長時間にわたり残存することができる。アルミン酸ナトリウムの使用量は、カルシウムアルミネート１００質量部に対して、０．５〜１５質量部必要であり、１〜１２．５質量部がより好ましく、２〜１２質量部がより好ましい。０．５質量部未満では水性スラリーＡの可使時間が極端に短くなりゲル化直後の強度発現性も小さくなる虞があり、１５質量部を超えるとゲル化時間が遅れ、中長期強度発現性が低下する。

本発明で使用する凝結遅延剤は、セメントに使用できるものであれば何れも限定されない。例えば、クエン酸、グルコン酸、酒石酸、及びリンゴ酸等の有機酸類又はそのナトリウム塩、カリウム塩、リチウム塩、及びカルシウム塩、並びに、グルコース、マルトース、デキストリン等の糖類が挙げられ、１種または２種以上を使用することができる。凝結遅延剤の使用量は、カルシウムアルミネート１００質量部に対して、０．１〜１０質量部必要であり、０．２〜８質量部が好ましく、０．５〜８質量部がより好ましい。０．１質量部未満では水性スラリーＡの可使時間が極端に短くなり、１０質量部を超えるとゲル化時間が遅れ、ゲル化直後の強度発現性が著しく低下する。

本発明の水性スラリーＡは、特に制限されないが、前記成分の混合物と含有水の質量比（水／急硬材）が０．５〜１０が好ましく、０．５〜８がより好ましい。

本発明に用いる水性スラリーＡには、前記成分及び水の他、注入性状や注入物の可使時間、更には注入後の強度発現性等に支障を及ぼさない範囲で、必要により他のモルタル・コンクリート用の公知の混和剤、例えば、消泡剤、セメント分散剤、増粘剤、膨張材、収縮低減剤、防錆剤、有機繊維、無機繊維、顔料等を配合することができる。

本発明の注入材の水性スラリーＢは、前記水性スラリーＡ中のカルシウムアルミネート１００質量部に対してセメント１００〜２２００質量部を含有する。

水性スラリーＢに使用するセメントとしては、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の公知のセメントが挙げられる。セメントの使用量は、水性スラリーＡ中のカルシウムアルミネート１００質量部に対して１００〜２２００質量部必要であり、１４０〜２０００質量部が好ましく、１５０〜１５００質量部がより好ましい。１００質量部未満では中長期の強度発現性が低下し、２２００質量部を超えるとゲル化直後の強度発現性が著しく低下する。

水性スラリーＢのセメントと含有水の質量比（水／セメント）は、スラリーＢの流動性及び中長期の強度発現性の点から、０．５〜１．５が好ましく、０．６〜１．４がより好ましい。

本発明の水性スラリーＢには、注入性状や注入物の可使時間、更には注入後の強度発現性等に支障を及ぼさない範囲で、必要により他のモルタル・コンクリート用の公知の混和剤、例えば、消泡剤、セメント分散剤、増粘剤、膨張材、収縮低減剤、防錆剤、有機繊維、無機繊維、顔料等を配合することができる。これらの任意成分は、水性スラリーＡにも配合できるが、スラリーＢに配合することが好ましい。

また、本発明の注入材は水性スラリーＡと水性スラリーＢを混合させたものであるが、所望の強度発現性とゲルタイムを確保するため、容積比で水性スラリーＡ：水性スラリーＢ＝１０：９０〜７０：３０、より好ましくは３０：７０〜６０：４０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い。

スラリー化の方法は特段限定されるものではなく、一例を示すと、急硬成分と水を含有する水性スラリーＡと、セメント及び水を含有する水性スラリーＢとを別々にグラウトミキサーで混合し、二つのスラリーをＹ字管で混合して注入する、いわゆる、１．５ショットの注入方法、また、二つのスラリーを別々に圧送し注入用二重管の先端で混合して注入する、いわゆる、２ショットで地盤に注入することができる。
また、例えば、急硬成分とセメント、及び水を一つのミキサーで混合し、ゲル化までの可使時間を凝結遅延剤によって確保して地盤へ注入する、いわゆる、１ショットで使用してもよい。
本注入材は、単管ロッド工法、単管ストレーナ工法、二重管単相工法、二重管複相工法、及び二重管ダブルパッカー工法等、現在使用されている注入工法に使用することが可能である。

以下、実施例により本発明を具体的に詳しく説明する。

以下に示すＡ〜Ｋから選定される材料を表１の配合割合となるよう作製した。即ち、本注入材は、２０℃でカルシウムアルミネート、II型無水石膏、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素ナトリウム、硫酸ナトリウム、アルミン酸ナトリウム、クエン酸、および水からなる水性スラリーＡと、普通ポルトランドセメント、および水からなる水性スラリーＢを表１に示す容積比で混合し、ゲル化時間、ゲル化５分後と材齢１日と２８日の強度、およびスラリーＡの可使時間を測定した。結果を表２に記する。なお、水性スラリーＢのみ配合割合を変更し、同配合割合で測定済みのスラリーＡの可使時間の測定は、結果が重複するため「測定せず」とした（本発明品１５〜２０、比較例７）。
また、配合使用したカルシウムアルミネートは製造品であり、次のように製造した。即ち、カルシウムアルミネートは所望の化学成分比（モル比）となるようＣａＯとＡｌ₂Ｏ₃の配合量を調整した混合物を電気炉にて約１４００℃加熱し、これを急冷操作して得たものを粉砕分級した。

＜使用材料＞
Ａ；カルシウムアルミネート（１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃組成のガラス、ブレーン値５，５００cm²／ｇ、試製品）
Ｂ；II型無水石膏（セントラル硝子株式会社製、ブレーン値７，０００cm²／ｇ）
Ｃ１；炭酸ナトリウム（市販試薬）
Ｃ２；炭酸カリウム（市販試薬）
Ｄ；炭酸水素ナトリウム（市販試薬）
Ｅ；硫酸ナトリウム（市販試薬）
Ｆ；アルミン酸ナトリウム（市販試薬）
Ｇ；クエン酸（市販試薬）
Ｈ；普通ポルトランドセメント（太平洋セメント株式会社製）
Ｉ；高炉Ｂ種セメント（太平洋セメント株式会社製）
Ｊ；超微粒子セメント（商品名「アロフィクスＭＣ」、太平洋マテリアル社製）
Ｋ；分散剤（商品名「マイティ１５０」、花王社製）

＜試験方法＞
ゲル化時間；スラリーＡ・Ｂをカップで混合して、傾倒してもスラリーが流れなくなるまでの時間。
強度試験；ＪＩＳＡ１１４７「コンクリートの凝結時間試験方法」に準じて測定。供試体は材齢まで封緘養生とする。測定材齢ゲル化５分後。
ＪＩＳＡ１２１６「土の一軸圧縮試験方法」に準じて測定。測定材齢１日、２８日。
水性スラリーＡ可使時間；土木学会規格品Ｊ₁₀ロートを使用して、作液から４時間経過時点の水性スラリーＡの流下時間を測定し、８秒未満を可使時間「良好」とし、８秒以上を可使時間「不良」と評価した。

表２の結果から、水性スラリーＡにおける石膏類の量が２０〜３００質量部の範囲外（比較品１）、アルカリ金属の炭酸塩、炭酸水素塩又は硫酸塩を含まないか、その量が０．５〜１５質量部の範囲外（比較品２、３）、アルミン酸ナトリウムを含まない場合（比較品４）、凝結遅延剤の量が０．５〜１５質量部の範囲外（比較品５、６）の場合、及び水性スラリーＢにおけるセメントの量が１００〜２２００質量部の範囲外（比較品７）の場合には、ゲル化時間の調整が容易でなく、ゲル化直後（５分後）の強度発現性が十分でないか、中長期の強度が十分でないか、又はスラリーＡの可使時間が短いものであった。
これに対し、本発明の注入材は２液タイプのセメント系注入材としての要求性能を何ら損なうことなく、ゲル化時間の調整が容易にでき、従来のものよりもゲル化直後（５分後）からの強度発現性が良好であることがわかる。

Claims

カルシウムアルミネート１００質量部、石膏類２０〜３００質量部、アルカリ金属の炭酸塩、炭酸水素塩又は硫酸塩の群から選ばれる１種以上０．５〜１５質量部、アルミン酸ナトリウム０．５〜１５質量部および凝結遅延剤０．１〜１０質量部を含有する水性スラリーＡと、水性スラリーＡ中のカルシウムアルミネート１００質量部に対してセメント１００〜２２００質量部を含有する水性スラリーＢとの混合物であることを特徴とする注入材。
水性スラリーＢの含有水と含有セメントの質量比（水／セメント）が０．５〜１．５である請求項１記載の注入材。