JP2014171977A - 変形追随性遮水材、変形追随性遮水材の製造方法、および変形追随性遮水材を用いた遮水工法 - Google Patents

Abstract

【課題】遮水工として好適な施工品質を安定的に確保可能であると共に、小口径管でも閉塞や材料分離を生じずに圧送可能な変形追随性遮水材を提供する。
【解決手段】砂、フライアッシュおよびベントナイトをドライミックスし、これに水と水ガラスを加えて攪拌するとともに、ゲル状に改質してなる変形追随性遮水材を、最大粒径が２．５ｍｍ以下の前記砂を５００〜１３５０ｋｇ／ｍ^３、前記フライアッシュを１００〜２００ｋｇ／ｍ^３、前記ベントナイトを７０〜１００ｋｇ／ｍ^３、前記水を４３０〜７００ｋｇ／ｍ^３、前記水ガラスを０．５〜２．０ｋｇ／ｍ^３、配合して構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、変形追随性遮水材、変形追随性遮水材の製造方法、および変形追随性遮水材を用いた遮水工法に関するものであり、具体的には、遮水工として好適な施工品質を安定的に確保可能であると共に、小口径管でも閉塞や材料分離を生じずに圧送可能である変形追随性遮水材の技術に関する。

廃棄物処理量の増大傾向に対し、廃棄物の最終処分場等を確保することが困難になりつつあり、所定の施工環境で効率的かつ確実な遮水工を施工するニーズは高い。こうした遮水工は、遮水領域を区画する止水壁や鋼矢板におけるジョイント部などに適用され、施工材料として変形追随性及び遮水性を有する遮水材が用いられている。

こうした変形追随性遮水材に関する技術としては、以下のような技術が提案されている。すなわち、ポンプ圧送時には流動性を有し、水中打設時には材料分離が小さく、打設後はゲル化し、低透水性および変形追従性を有する遮水材であって、含水比１００〜３００％の海成粘土懸濁液に粘土鉱物を加えてゲル状物質に改質してなる変形追従型遮水材（特許文献１参照）などが提案されている。

また他に、遮水壁を構成する鋼製矢板のジョイント部における遮水処理方法として、連続立設される鋼製矢板の延長方向の一方の側に受け部材を、相対する他方の側に挿入部材を各々設け、一方の鋼製矢板の受け部材に他方の鋼製矢板の挿入部材を組み合わせて構築する遮水壁において、前記隣接させて立設する鋼製矢板の間に、前記受け部材に対して挿入部材を組み合わせて構成してなる内部に空間を有するジョイント部に、注入・流し込み時には流動性を有し、固まった状態でも塑性を発揮する遮水材を充填して、遮水性を発揮させるに際して、前記鋼製矢板の受け部材と挿入部材の遮水材に当接する面には、立設前に遮水材と同一の性質を有する材料を用いて表面被覆を施しておく遮水壁の遮水層形成方法（特許文献２参照）なども提案されている。

また、発明者らによって、砂とベントナイトをドライミックスし、これに水と水ガラスを加えてゲル状に改質した変形追随性遮水材（特許文献３参照）も提案されている。

特開２００２−３３６８１１号公報 特許第３４２５９４３号公報 特許第４６５５８７５号公報

従来の変形追随性遮水材は、高含水比で有機系材料を含む配合であり、遮水工の施工サイズによっては、土圧等による無視できない圧密沈下が生じやすく、遮水性能の低下を招く恐れがあった。一方、発明者らは、そうした課題を解決すべく新たな変形追随性遮水材（上述の特許文献３）を開発したが、施工条件として、コンクリートポンプ車等の比較的配管径が大きい圧送設備における、比較的短距離の圧送を想定したものであった。

従って、施工後の圧密沈下等を生じない配合の変形追随性遮水材であっても、そのフロー値は低く、小口径の配管にて比較的長距離を圧送しようとすれば、配管が閉塞して圧送不可能な事態となる。他方、変形追随性遮水材の含水比を増大させ、その流動性を改善するとしても、圧送に際して材料分離を生じてしまい、遮水工の品質を良好に保つことが困難であった。

そこで本発明は、遮水工として好適な施工品質を安定的に確保可能であると共に、小口径管でも閉塞や材料分離を生じずに圧送可能である変形追随性遮水材の技術の提供を目的とする。

上記課題を解決する変形追随性遮水材は、砂、フライアッシュおよびベントナイトをドライミックスし、これに水と水ガラスを加えて攪拌するとともに、ゲル状に改質してなる変形追随性遮水材であって、最大粒径が２．５ｍｍ以下の前記砂を５００〜１３５０ｋｇ／ｍ^３、前記フライアッシュを１００〜２００ｋｇ／ｍ^３、前記ベントナイトを７０〜１００ｋｇ／ｍ^３、前記水を４３０〜７００ｋｇ／ｍ^３、前記水ガラスを０．５〜２．０ｋｇ／ｍ^３、配合してなることを特徴とする。

これによれば、シリンダーフロー値１５ｃｍ以上、透水係数１×１０^−６ｃｍ／ｓｅｃ以下、密度１．５ｔ／ｍ^３以上を満足する遮水材料が得られ、遮水工施工時に土圧による圧密沈下等を生じない好適な密度と、小口径管でも適宜に圧送可能な高い流動性とを併せて発現する変形追随性遮水材を確保することが可能となる。従って、遮水工施工時に小口径管（例：１〜２インチ）にて、比較的長距離（例：５０ｍ以上）の圧送を行うとしても、変形追随性遮水材による配管の閉塞や圧送中の材料分離といった事態は発生しない。また、変形追随性遮水材において、最大粒径２．５ｍｍ以下の砂を細粒分とすることで、狭隘な施工箇所にも確実な充填が可能となり、施工性が更に向上する。

また、そうして良好な品質を保って地中に注入された変形追随性遮水材が地中で固化し遮水壁を形成する際には、砂粒子の隙間をベントナイトと水ガラスが満たしつつ一体化することで、水を通し難いマトリックス構造を実現し、１×１０^−６ｃｍ／ｓｅｃ以下の難透水性を実現できることとなる。

更に、本実施形態の変形追随性遮水材を構成するために、汎用的でない特殊機械を用いる必要は無く、なおかつ、砂に関しては、遮水工の施工現場等で容易に入手可能なスクリーニングス（０〜２．５ｍｍ）を用いることが可能であり、遮水工の施工時における資材手配のコスト、手間を低減出来る。

また、本発明の変形追随性遮水材の製造方法は、砂、フライアッシュおよびベントナイトをドライミックスし、これに水と水ガラスを加えて攪拌するとともに、ゲル状に改質する変形追随性遮水材の製造方法であって、最大粒径が２．５ｍｍ以下の前記砂を５００〜１３５０ｋｇ／ｍ^３、前記フライアッシュを１００〜２００ｋｇ／ｍ^３、前記ベントナイトを７０〜１００ｋｇ／ｍ^３、前記水を４３０〜７００ｋｇ／ｍ^３、前記水ガラスを０．５〜２．０ｋｇ／ｍ^３、配合することを特徴とする。

また、本発明の変形追随性遮水材を用いた遮水工法は、圧送装置から延びる配管を付随させた部材を地中に打設し、前記部材の引き抜きに伴って形成される地中空間に対して、前記配管より遮水材を注入し固化させることで遮水壁を形成する工法であって、砂、フライアッシュおよびベントナイトをドライミックスし、これに水と水ガラスを加えて攪拌するとともに、ゲル状に改質してなる変形追随性遮水材であって、最大粒径が２．５ｍｍ以下の前記砂を５００〜１３５０ｋｇ／ｍ^３、前記フライアッシュを１００〜２００ｋｇ／ｍ^３、前記ベントナイトを７０〜１００ｋｇ／ｍ^３、前記水を４３０〜７００ｋｇ／ｍ^３、前記水ガラスを０．５〜２．０ｋｇ／ｍ^３、配合してなる変形追随性遮水材を、前記部材の引き抜きに伴って前記圧送装置に供給し、当該圧送装置から送出される前記変形追随性遮水材を、所定径の配管を介して前記地中空間に注入し固化させることを特徴とする。

これによれば、シリンダーフロー値１５ｃｍ以上、透水係数１×１０^−６ｃｍ／ｓｅｃ以下、密度１．５ｔ／ｍ^３以上を満足する遮水材料を用いた遮水工の施工が可能となる。また、地中に注入した変形追随性遮水材が、土圧により圧密沈下等を生じることを回避できるため、施工により得られる遮水壁も良好な難透水性を発現するものとなる。また、高い流動性を備える変形追随性遮水材を用いることで、小口径管（例：１〜２インチ）にて、比較的長距離（例：５０ｍ以上）の圧送を行うとしても、変形追随性遮水材による配管の閉塞や圧送中の材料分離といった事態が発生しない。

本発明によれば、遮水工として好適な施工品質を安定的に確保可能であると共に、小口径管でも閉塞や材料分離を生じずに圧送可能な変形追随性遮水材を提供できる。

本実施形態における変形追随性遮水材の配合例と性状について示す図である。 本実施形態における変形追随性遮水材を用いた遮水工法の工程例を示す図である。

以下に本発明の実施形態について詳細に説明する。従来であれば、コンクリートポンプ車の如き配管径の比較的大きな圧送設備での使用を想定し変形追随性遮水材を構成していたが、本実施形態の変形追随性遮水材は、圧送中にあっても分離抵抗性を確保しつつ、小口径管での圧送可能な高い流動性を備えるものとなる。また、本実施形態の変形追随性遮水材は、周辺地盤からの土圧に抵抗できる強度と周囲の土層と同程度の密度を備え、地中に注入、固化した後、長期的に安定した土層として存在することが可能であり、圧密沈下が生じやすい小サイズの遮水層（例：薄い壁状）を造成する際にも使用可能である。

こうした特徴を備える変形追随性遮水材は、砂、フライアッシュおよびベントナイトをドライミックスし、これに水と水ガラスを加えて攪拌するとともに、ゲル状に改質してなる変形追随性遮水材であって、図１に示すような配合で特有の性能を有することとなる。

図１は本実施形態における変形追随性遮水材の配合例と性状について示す図である。本実施形態では、管径が１インチから２インチの配管で変形追随性遮水材の圧送を行う条件の下、シリンダーフロー値が１５ｃｍ以上、変形追随性遮水材の透水係数１×１０^−６ｃｍ／ｓｅｃ以下、配合する砂の最大粒径２．５ｍｍ以下、変形追随性遮水材の密度１．５ｔ／ｍ^３以上、の各性能を満足する配合を示している。

なお、遮水材料の施工時の流動性や分離抵抗性は、液状若しくは塑性状を呈し、外力に対し自由に形状を変えることができる状態のことをいい、シリンダーフロー値を指標としてその状態を知ることができる。シリンダーフロー値は、粘土鉱物であるベントナイト、フライアッシュ、及び水の配合量に比例して高くなる。フロー値が高い場合には液状を呈し、低い場合には塑性状態を呈する傾向にある。

上述したように、本実施形態において遮水壁の施工性の指標となるシリンダーフロー値（φ８０×８０ｍｍ）の適正値は１５ｃｍ以上とするが、特に遮水壁の施工性に好ましいのは１７〜３０ｃｍである（図１における、配合３、配合４、配合５が該当）。

他方、こうした適正値（１５ｃｍ）よりもシリンダーフロー値が小さい、すなわち流動性が悪いと、小口径の圧送管でのポンプ圧送性が著しく低下するか或いは管閉塞を生じ、遮水壁造成時の品質が低下しやすくなる。一方、上述の適正値たる１５ｃｍよりも大幅にシリンダーフロー値が大きく、例えば３０ｃｍ以上となった場合、施工上で不必要なほど高流動性となり、圧送中の変形追随性遮水材において材料分離やブリーディングが発生する恐れが大きくなる。また、造成した遮水壁において、高含水比に由来した圧密沈下が起こりやすくなり、遮水壁の圧縮変形と脱水、及び乾燥による収縮が大きくなる問題も生じる。

添加する水を少なく上述した良好な流動性を確保するため、本実施形態では水ガラスの添加とプレミキシング法を採用している。この添加剤として用いる水ガラス（例：珪酸ソーダ３号）は、変形追随性遮水材に配合するベントナイトに対し作用するものである。水ガラスを構成する珪酸ソーダは、水に溶解して多量のナトリウムイオンを放出することによってベントナイト粒子（主要な粘土鉱物はモンモリロナイト）の表面に吸着し、電気二重層の厚さを最大限に厚くし（ゼータ電位の上昇につながる）、粒子間の電気的な反発力を最大限にする。そのため、あたかも粒子間に潤滑剤があるかのようにベントナイト粒子相互がスムーズに移動することとなり、ひいては変形追随性遮水材の流動性が向上する。こうした水ガラスの配合量は、０．５〜２．０ｋｇ／ｍ^３の範囲が適正値となり、図１に示す実際の各配合例では、１ｋｇ／ｍ^３としている。

一方、上述のベントナイトは、水ガラスと結びつくことで通常よりも高い流動性を備えると共に、砂粒子の隙間に加わることで、水を通し難いマトリックス構造を実現する。本実施形態におけるベントナイトの配合量は７０〜１００ｋｇ／ｍ^３を適正値としており、実際例としては、図１の各配合１〜７にて示すように、６９〜７７ｋｇ／ｍ^３ を配合した。

なお、本実施形態における変形追随性遮水材の水の配合量は、４３０〜７００ｋｇ／ｍ^３を適正値とするが、こうした配合量の水と、本実施形態で用いたベントナイトであるＮａ型ベントナイトとの配合比、すなわち水ベントナイト比は、変形追随性遮水材の流動性確保、ブリーディング無し、透水性確保の各条件を満足する場合、最大で約７５０％であった。これは、上述のＮａ型ベントナイトの液性限界が５４０％程度であるため、液性限界に対する比率で考えると、７５０／５４０＝１．４となる。このことは、流動性とブリーディングは相互に関連性が高く、液性限界のときの水分量ではブリーディングはないこと、また、これまでの経験から液性限界の１．４倍まではブリーディングがないという考え方に基づくものとなる。

また、本実施形態の変形追随性遮水材における湿潤密度は、適正値を１．５ｔ／ｍ^３以上としており、実際の配合結果（図１における配合１〜配合７）でも、１．７〜１．９ｔ／ｍ^３の範囲に収まっている。この湿潤密度の値は、一般的な流動化処理土（粘性土＋水＋セメント）における値と比べてかなり高く、単位体積あたりの固形分がそれだけ多く、空隙（水分＋空気であるが、大部分は水分）が少ないことを意味している。従って、空隙の少なさ故に、自重による沈下（圧密）が発生しにくく、地中に造成した遮水壁に外力が及んだ際にも、外力により圧縮されて遮水壁自体が薄くなることも回避できる。

また、こうした湿潤密度の高さは、水分の少なさ、すなわち含水比の低さも示しており、図１における実際の配合１〜７でも、シリンダーフロー値が１５ｃｍ以上の場合、変形追随性遮水材における含水比が、３６．７％〜４０．８％と極めて低い値を示した。こうした値は、土質系の流動化遮水材としては極めて低い値であり、砂の空隙をベントナイトと水で過不足なく充填し、ほとんど自由水がない状態を示唆する。従って、本発明の変形追随性遮水材は、仮に脱水や乾燥の作用を受けたとしても、その体積に変化が生じにくく、自重圧密若しくはブリーディングの発生は回避されることとなる。

なお、本実施形態の変形追随性遮水材の構成にあたって配合する砂の最大粒径は２．５ｍｍ以下であり、その配合量は５００〜１３５０ｋｇ／ｍ^３の範囲にある。このような砂としては、例えばスクリーニングス（砕石砂利を作る工程において自然発生する２．５ｍｍ以下の細かい岩粉）などを採用できる。図１に示す配合１〜７の実際例では、１１３５ｋｇ／ｍ^３、１０５６ｋｇ／ｍ^３、１１３８ｋｇ／ｍ^３、１２０４ｋｇ／ｍ^３の砂をそれぞれ配合している。変形追随性遮水材における細粒分である砂の最大粒径を２．５ｍｍ以下に抑えることで、均質な土質系遮水材を狭隘な箇所に充填することも可能となり、施工性が向上する。こうした砂は、本実施形態の変形追随性遮水材の主材となるが、天然のものは入手困難で砕砂を用いる場合が多い。しかしながら、砕砂は粒形が角張っているため、流動性が良好とは言えない。
そこで本実施形態においては、粒子形状が球形で流動性を改善するベアリング効果を備えるフライアッシュを、１００〜２００ｋｇ／ｍ^３配合するものとしている。砂の粒径分布（０．１ｍｍ以上の範囲）以外の微粒子（０．１ｍｍ以下）を、このフライアッシュで補うことにより、上述の流動性改善に加えて、変形追随性遮水材における粒度構成の改善も図られることになる。

なお、ここでいうフライアッシュは、石炭火力発電所などから発生する石炭灰のフライアッシュであり、球形粒子からなり、粒子が非常に堅牢で耐久性が高く、その他の物理的化学的な品質が安定していることが特徴である。フライアッシュの配合量である１００〜２００ｋｇ／ｍ^３は、ベントナイトの２倍程度、砂の１／８程度に対応している。このようにフライアッシュを配合することで、変形追随性遮水材における粒径分布を最適化し、湿潤密度を高く維持したままで、高い流動性（１５ｃｍ以上）を確保することが可能となる。

続いて、本実施形態の変形追随性遮水材を用いた遮水工法について説明する。図２は本実施形態における変形追随性遮水材を用いた遮水工法の工程例を示す図である。本実施形態における遮水工法において、バイブロハンマーやサイレントパイラー（図示せず）などの適宜な打設手段にて、地上１から地中１０に向けて鋼矢板６を打設する（手順１）。こうして打設される鋼矢板６には、後に圧送ポンプ４から変形追随性遮水材２の供給を受ける注入管５が下端８まで付随しており、手順１における鋼矢板打設に伴い、この注入管５も地中１０に打設されることになる。注入管５の管径は１〜２インチの小口径である。また、注入管５の管路長は、例えば５０ｍ以上である。図に示す手順１の例では、すでに３本の鋼矢板６の打設がなされた後に、４本目の鋼矢板６を打設中の状況を示している。

次に、図２にて示すように、地上１に、本実施形態の変形追随性遮水材２を蓄えたタンク３、このタンク３から変形追随性遮水材２を得て、鋼矢板６の注入管５に供給する圧送ポンプ４を配置し、鋼矢板６の引き抜きに伴う、変形追随性遮水材２の地中１０への注入作業を行う（手順２）。この場合、地中１０に既に打設してある鋼矢板６の引き抜き作業を行うと共に、圧送ポンプ４を稼動させ、鋼矢板６の打設により形成されていた地中空間２０に対し、注入管５より変形追随性遮水材２を注入することとなる。

なお、上述のタンク３に蓄えられる本実施形態の変形追随性遮水材２は、砂、フライアッシュおよびベントナイトをドライミックスし、これに水と水ガラスを加えて攪拌するとともに、ゲル状に改質する装置から、一定期間毎あるいはタンク残量に応じて供給されるものとする。また、変形追随性遮水材２は、そのシリンダーフロー値が１５ｃｍ以上で、密度１．５ｔ／ｍ^３以上であるため、上述の如き小口径管でも効率良く圧送可能であり、圧送中の材料分離といった事態は発生しない。

上述の手順２の作業を行うことにより、鋼矢板６と同形状の地中空間２０に変形追随性遮水材２が充填されることになる。その後、他の打設済みの鋼矢板６に関しても、上述した地中空間２０への変形追随性遮水材２の充填作業を行い、遮水壁３０を形成する（手順３）。こうして得られる遮水壁３０は、高い湿潤密度を備えており、土圧による圧密沈下等を生じない性状と、１×１０^−６ｃｍ／ｓｅｃ以下の難透水性を実現している。

本実施形態の変形追随性遮水材によれば、遮水工として好適な施工品質を安定的に確保可能であると共に、小口径管でも閉塞や材料分離を生じずに圧送可能となる。

以上、本発明の実施の形態について、その実施の形態に基づき具体的に説明したが、これに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

１ 地上
２ 変形追随性遮水材
３ タンク
４ 圧送ポンプ
５ 注入管
６ 鋼矢板
８ 鋼矢板下端
１０ 地中
２０ 地中空間
３０ 遮水壁

Claims (3)

1. 砂、フライアッシュおよびベントナイトをドライミックスし、これに水と水ガラスを加えて攪拌するとともに、ゲル状に改質してなる変形追随性遮水材であって、
   最大粒径が２．５ｍｍ以下の前記砂を５００〜１３５０ｋｇ／ｍ^３、前記フライアッシュを１００〜２００ｋｇ／ｍ^３、前記ベントナイトを７０〜１００ｋｇ／ｍ^３、前記水を４３０〜７００ｋｇ／ｍ^３、前記水ガラスを０．５〜２．０ｋｇ／ｍ^３、配合してなることを特徴とする変形追随性遮水材。
2. 砂、フライアッシュおよびベントナイトをドライミックスし、これに水と水ガラスを加えて攪拌するとともに、ゲル状に改質する変形追随性遮水材の製造方法であって、
   最大粒径が２．５ｍｍ以下の前記砂を５００〜１３５０ｋｇ／ｍ^３、前記フライアッシュを１００〜２００ｋｇ／ｍ^３、前記ベントナイトを７０〜１００ｋｇ／ｍ^３、前記水を４３０〜７００ｋｇ／ｍ^３、前記水ガラスを０．５〜２．０ｋｇ／ｍ^３、配合することを特徴とする変形追随性遮水材の製造方法。
3. 圧送装置から延びる配管を付随させた部材を地中に打設し、前記部材の引き抜きに伴って形成される地中空間に対して、前記配管より遮水材を注入し固化させることで遮水壁を形成する工法であって、
   砂、フライアッシュおよびベントナイトをドライミックスし、これに水と水ガラスを加えて攪拌するとともに、ゲル状に改質してなる変形追随性遮水材であって、最大粒径が２．５ｍｍ以下の前記砂を５００〜１３５０ｋｇ／ｍ^３、前記フライアッシュを１００〜２００ｋｇ／ｍ^３、前記ベントナイトを７０〜１００ｋｇ／ｍ^３、前記水を４３０〜７００ｋｇ／ｍ^３、前記水ガラスを０．５〜２．０ｋｇ／ｍ^３、配合してなる変形追随性遮水材を、前記部材の引き抜きに伴って前記圧送装置に供給し、当該圧送装置から送出される前記変形追随性遮水材を、所定径の配管を介して前記地中空間に注入し固化させることを特徴とする変形追随性遮水材を用いた遮水工法。