JP2019011473A - 地盤注入用固結材 - Google Patents

Abstract

【課題】良好な固結強度を有し、従来品に比して環境に優しくエコノミーな地盤注入用固結材を提供する。【解決手段】珪酸ソーダ、コロイダルシリカ及び酸成分を含有する地盤注入用固結材であって、当該コロイダルシリカは、シリカ含有地熱水由来のシリカを含有する、ことを特徴とする地盤注入用固結材。【選択図】なし

Description

本発明は、地盤改良、液状化現象の防止、耐震補強等の幅広い用途に有用な地盤注入用固結材に関し、特にコロイダルシリカがシリカ含有地熱水由来のシリカを含有する、環境に優しくエコノミーな地盤注入用固結材に関する。

従来、コロイダルシリカ及び珪酸ソーダを含有する地盤注入用固結材は知られている。例えば、特許文献１の請求項１には、「コロイダルシリカと、水ガラス（珪酸ソーダ）とを含み、地盤への注入前にはそれ自体でゲル化しないアルカリ性シリカ溶液からなる地盤注入用固結材。」が記載されている。

上記特許文献１には、コロイダルシリカと水ガラスの混合物（アルカリ性シリカ溶液）に反応剤として硫酸、リン酸等の酸性反応剤を添加し、液状化防止用の注入用固結材として使用できることが記載されている。この点について、特許文献１の［0029］段落には「例えば、アルカリ性シリカ溶液に酸性反応剤を添加して該溶液を酸性〜中性領域に調整して所定のゲル化時間を有するグラウトとすることができる。」と記載されている。

特開２００１−３０４７号公報

従来の地盤注入用固結材に含まれるコロイダルシリカは、珪酸ソーダをイオン交換して製造するため、ナトリウム、中和後の芒硝（硫酸ナトリウム１０水和物）などの廃棄物が大量に副生するという問題がある。また、金属珪素（Ｓｉ）から製造する方法もあるが、製造時に水素が発生し、安全管理の点から商業ベースの製造ではコスト的に不利であり、前者の製法が主流である。

このような廃棄物を大量に副生することなく、コスト的にも有利にコロイダルシリカを調製することができれば、環境に優しくエコノミーな地盤注入用固結材が得られると考えられるが、未だそのような要求を満足する製品は得られていない。

よって、本発明は、良好な固結強度を有し、従来品に比して環境に優しくエコノミーな地盤注入用固結材を提供することを主な目的とする。

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、地盤注入用固結材の調製に使用するコロイダルシリカに含まれるシリカとして特定のシリカを用いる場合には、上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明は、下記の地盤注入用固結材に関する。
１．珪酸ソーダ、コロイダルシリカ及び酸成分を含有する地盤注入用固結材であって、当該コロイダルシリカは、シリカ含有地熱水由来のシリカを含有する、
ことを特徴とする地盤注入用固結材。
２．前記酸成分は、硫酸、リン酸及び有機酸からなる群から選択される少なくとも一種である、上記項１に記載の地盤注入用固結材。
３．前記シリカ含有地熱水由来のシリカの平均粒子径は１０〜２０ｎｍである、上記項１又は２に記載の地盤注入用固結材。
４．前記シリカ含有地熱水由来のシリカの動的光散乱法により求めた体積分布の尖度が０．０〜６．０の範囲である、上記項１〜３のいずれかに記載の地盤注入用固結材。
５．前記珪酸ソーダは、ＳｉＯ_２／Ｎａ_２Ｏで表されるモル比が３〜５であり、且つ、ＳｉＯ_２濃度が１０〜３０質量％である、上記項１〜４のいずれかに記載の地盤注入用固結材。
６．前記コロイダルシリカは、ＳｉＯ_２濃度が２０〜５０質量％である、上記項１〜５のいずれかに記載の地盤注入用固結材。

本発明の地盤注入用固結材は、珪酸ソーダ、コロイダルシリカ及び酸成分を含有する地盤注入用固結材であって、当該コロイダルシリカはシリカ含有地熱水由来のシリカを含有することにより、従来品に比して環境に優しくエコノミーである。特にシリカ含有地熱水由来のシリカは、地熱発電所の生産井から噴出する多量の地熱水中のシリカを限外濾過で濾過することにより簡便に得ることができるため、従来品のような大量の廃棄物を発生させないばかりか、むしろ天然資源を有効利用するものである。また、地熱水中のシリカを濾過により回収することにより、地熱発電所の地熱水配管において熱水が冷却された際に析出するシリカを含むスケールの付着を抑制できる点でも多大な利点がある。また、本発明の地盤注入用固結材を用いた固化体は、従来品と同等の良好な一軸圧縮強さを発揮するとともに従来品よりも顕著に大きい三軸強度（粘着力）を有しており、各種用途に幅広く適用することができる。

水ガラスをイオン交換することにより得られる従来品のコロイダルシリカ（シリカ濃度４０質量％）と本発明で用いるコロイダルシリカ類似品（ＧｅｏＳｏｌ、シリカ濃度３０質量％）の粒子径の体積分布及び累積頻度分布を示す図である。 （ａ）前記従来品のコロイダルシリカの乾燥物の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：型番「ＳＵ８００」、株式会社日立製作所製）による観察像を示す図である。（ｂ）本発明で用いるコロイダルシリカ類似品（ＧｅｏＳｏｌ）の乾燥物のＳＥＭによる観察像を示す図である。

以下、本発明の地盤注入用固結材について詳細に説明する。

本発明の地盤注入用固結材は、珪酸ソーダ、コロイダルシリカ及び酸成分を含有する地盤注入用固結材であって、当該コロイダルシリカは、シリカ含有地熱水由来のシリカを含有することを特徴とする。

上記特徴を有する本発明の地盤注入用固結材は、当該コロイダルシリカがシリカ含有地熱水由来のシリカを含有することにより、従来品のようにコロイダルシリカの調製に際し大量の廃棄物を発生させないばかりか、むしろ天然資源を有効利用するものであり、従来品に比して環境に優しくエコノミーである。

本発明の地盤注入用固結材は、コロイダルシリカに含まれるシリカとしてシリカ含有地熱水由来のシリカを含有する限り、その他の構成は限定的ではなく、珪酸ソーダ、酸成分等については従来の地盤注入用固結材に使用しているものが幅広く使用できる。

珪酸ソーダとしては、市販品やそれに水を加えて希釈した希釈溶液を使用できる。

珪酸ソーダのモル比（ＳｉＯ_２／Ｎａ_２Ｏ）は限定されないが、３〜５程度が好ましく、汎用の珪酸ソーダが使えるため、３．１〜３．８程度がより好ましい。

珪酸ソーダに含まれるシリカ濃度（ＳｉＯ_２濃度）としては、１０〜３０質量％程度が好ましく、２０〜３０質量％程度がより好ましい。

珪酸ソーダとしては、ＪＩＳ Ｋ１４０８に示されている１号〜３号珪酸ソーダに加えて、モル比（ＳｉＯ_２／Ｎａ_２Ｏ）３．１〜４程度の工業品が知られている。その中でも、高モル比の珪酸ソーダを用いることにより、部分ゲルの発生をより抑制することができ、得られる地盤注入用固結材の固結後の強度向上及び収縮抑制の効果が得られ易い。本発明では高モル比の珪酸ソーダの中でも、モル比が３．７、ＳｉＯ_２濃度が２５．６質量％である珪酸ソーダを使用することが好ましい。なお、モル比が３．５〜３．８、ＳｉＯ_２濃度が２４〜３０質量％の珪酸ソーダを用いる場合には、上記珪酸ソーダと同様の良好な効果が得られ易い。

コロイダルシリカは、コロイド状の性状を示し、それ単独では長期的にゲル化しない安定な物質である。本発明では、当該コロイダルシリカとして、シリカ含有地熱水由来のシリカを含有するものを用いる。

シリカ含有地熱水由来のシリカ（ＳｉＯ_２）の平均粒子径としては、１０〜２０ｎｍが好ましく、１０〜１５ｎｍがより好ましい。なお、本明細書に記載の平均粒子径は、ＳＴＥＭによる観察により測定した値である。但し、ＳＴＥＭにより測定困難な微粒子はＢＥＴ法、シアーズ滴定法又は動的光散乱法による測定値とし、測定法を明記する。また、シリカ含有地熱水由来のシリカ（ＳｉＯ_２）の粒子径の体積分布は＜１００ｎｍにわたり広く分布している。幅広い体積分布の尖度は０．０〜６．０の範囲であることが好ましく、２．０〜４．０の範囲であることがより好ましい。この粒子径の体積分布及び尖度の点でシリカ含有地熱水由来のシリカは、水ガラスをイオン交換することにより得られる従来品のコロイダルシリカとは明確に区別される。

シリカ含有地熱水由来のシリカは、地熱流体である地熱水に含まれるシリカを回収及び精製することにより得られるものが例示でき、具体的には、地熱発電所の生産井から噴出する多量の地熱水中のシリカを限外濾過で濾過することにより簡便に得ることができる。

本発明では、例えば、上記手法により得られたシリカ含有地熱水由来のシリカに水などの分散媒を混合することによりコロイダルシリカを調製してもよく、地熱発電所の生産井から噴出するシリカを含む多量の地熱水を回収し、それを粒子成長及び濃縮し、粒径及び固形分濃度を調整することによりコロイダルシリカを調製してもよい。

シリカ含有地熱水由来のシリカを含有するコロイダルシリカ（又は類似品）の公知品としては、例えば、商品名「ＧｅｏＳｏｌ」（Geo40 Limited製）がある。このように、地熱流体である地熱水に含まれる天然資源のシリカを回収して地盤注入用固結材の材料とし、施工現場で地盤に戻すことにより地盤改良などを行う点で、本発明の地盤注入用固結材は非常に環境に優しくエコノミーである。

コロイダルシリカに含まれるＳｉＯ_２濃度としては限定的ではないが、２０〜５０質量％が好ましく、２０〜４０質量％がより好ましい。

酸成分としては限定されず、例えば、塩酸、硫酸、硝酸、リン酸、その他の鉱酸等、クエン酸、グリコール酸、リンゴ酸、酒石酸、その他の有機酸等を幅広く使用することができるが、その中でも硫酸、リン酸及び有機酸の少なくとも一種が好ましい。これらの酸は単独で使用してもよく、複数種類を混合して使用することもできる。これらの酸は、市販の酸原液又はそれを水希釈した酸水溶液がそのまま使用できる。

上記酸成分及び水の混合割合は、地盤注入用固結材の所望のＳｉＯ_２含有量、ｐＨ及びゲルタイムに応じて適宜設定することができる。本発明では、地盤注入用固結材のＳｉＯ_２含有量は限定的ではないが、２〜１５質量％が好ましく、３〜１２質量％がより好ましい。また、ｐＨとゲルタイムは関連しており、地盤注入用固結材の用途が液状化防止用である場合には、ｐＨ２〜４程度、ゲルタイム１０時間以上に設定することが好ましい。他方、地盤注入用固結材が瞬結〜緩結タイプ（ゲルタイム１０秒〜１時間程度）の場合には、ｐＨ４〜８程度に設定することが好ましい。なお、当該ゲルタイムは、室温下、５００ｍｌビーカーに地盤注入用固結材１５０ｍｌ及び３８．４ｍｍ×φ８ｍｍ回転子を入れて、初速４０ｒｐｍで回転させ、回転が停止した時間を意味する。

よって、水の混合割合は地盤注入用固結材のＳｉＯ_２含有量の調整の点で設定し、酸成分の混合割合はｐＨ及びゲルタイムの調整の点で設定すればよい。なお、水は酸成分の希釈のみならず、前述の珪酸ソーダ及び／又はコロイダルシリカの希釈にも使用できる。

本発明の地盤注入用固結材は、従来から地盤注入用固結材の技術分野で公知の添加剤を適宜含有することができる。添加剤の種類及び含有量は常法に従って選択できる。

本発明の地盤注入用固結材の粘度は限定されないが、１〜１０ｍＰａ・ｓ以下が好ましく、４ｍＰａ・ｓ以下程度がより好ましい。

本発明の地盤注入用固結材は、地盤改良（地盤補強も含む）、液状化現象の防止、耐震補強等の幅広い用途に適用することができる。また、特に地盤注入用固結材のＳｉＯ_２濃度が１０質量％を超える場合には大きな固結強度を発揮でき、液状化現象の防止の用途よりも高強度を要求される既存の岸壁、護岸又は構造物の耐震補強及び／又は周囲の地盤改良（特に海辺地域などの海水の影響を受ける砂質地盤）に適用することもできる。

より具体的には、既存の岸壁、護岸又は構造物（タンク、建造物、橋脚、滑走路等）の耐震補強（レベル２地震動対応）、岸壁増深時の岸壁前面の地盤改良、岸壁背面地盤の土圧低減、既存の構造物の下部地盤の支持力増加などの用途に適用できる。なお、「レベル２地震動」とは、土木学会が定義する構造物の耐震設計に用いる入力地震動であり、「現在から将来にわたって当該地点で考えられる最大級の強さをもつ地震動」を意味する。

本発明の地盤注入用固結材の製造方法は限定的ではないが、例えば、調製用容器に水の一部を入れておき、当該水を撹拌しながら酸成分、珪酸ソーダ及びコロイダルシリカを順不同で添加・混合することにより調製することが好ましい。このような混合方法を採用することにより、各成分を効率的に混合することができるとともに酸成分の供給による調製用容器の腐食等の発生を効果的に抑制することができる。

以下に実施例、比較例及び試験例を示して本発明を具体的に説明する。但し、本発明は実施例に限定されない。

実施例１及び比較例１（地盤注入用固結材の調製）
下記表１に示す配合でＡ液、Ｂ液及びＣ液を混合して実施例１及び比較例１の地盤注入用固結材（全シリカ濃度は１０質量％）を調製した。実施例１はコロイダルシリカとして、シリカ含有地熱水由来のシリカを含有するコロイダルシリカ類似品（ＧｅｏＳｏｌ、シリカ濃度３０質量％、Geo40 Limited製）を使用し、比較例１はコロイダルシリカとして、水ガラスをイオン交換することにより得られる従来品のコロイダルシリカ（シリカ濃度４０質量％）を使用して地盤注入用固結材を調製した。以下、各コロイダルシリカは「ＧｅｏＳｏｌ」及び「従来品のコロイダルシリカ」と略記する。

上記で使用した珪酸ソーダの物性は次の通りである。

ＳｉＯ_２：２５．６質量％、Ｎａ_２Ｏ：７．１質量％、モル比：３．７
上記で使用したＧｅｏＳｏｌ及び従来品のコロイダルシリカについて、粒径測定システム（大塚電子製：ＥＬＳＺ−２０００）を用いて各液中のシリカ粒子の体積分布を動的光散乱法により測定した。

体積分布（粒子径の体積分布及び累積頻度分布）の測定結果を図１に示す。また、図１のヒストグラムから求めた体積分布の尖度を下記表２に示す。

図１及び表２の結果から明らかなように、シリカ含有地熱水由来のシリカは、水ガラスをイオン交換することにより得られる従来品のコロイダルシリカと比べて幅広い体積分布を持つことが分かった。特に体積分布の鋭さを示す尖度については、シリカ含有地熱水由来のシリカは従来品のコロイダルシリカと比べて１／４程度であり、このことからもシリカ含有地熱水由来のシリカが幅広い体積分布を持つことが分かる。

また、従来品のコロイダルシリカとＧｅｏＳｏｌとを走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ；型番「ＳＵ８００」、株式会社日立製作所製）により観察した。具体的には、従来品のコロイダルシリカとＧｅｏＳｏｌのサンプルをＳＥＭのステージ上に滴下し、乾燥させて観察を行った。各観察像をそれぞれ図２（ａ）及び（ｂ）に示す。

図２（ａ）の結果から分かるように、従来品のコロイダルシリカの乾燥物は球形の一次粒子が凝集した構造であり、粒子間の隙間も確認された。これは、体積分布が鋭い点で粒子径が揃っており、凝集すると粒子間の隙間が認められ易いからと考えられる。これに対して、図２（ｂ）の結果から分かるように、シリカ含有地熱水由来のシリカの乾燥物は一次粒子が密に充填されており、隙間は殆ど認められなかった。これは、体積分布が幅広い点で、凝集すると幅広い粒径の一次粒子が密に充填した凝集物が得られ易いからと考えられる。かかる密な凝集構造が、後記の優れた粘着力の発現に寄与すると考えられる。

試験例１（実施例１及び比較例１の地盤注入用固結材を用いた供試体の固結強度）
実施例１及び比較例１で調製した地盤注入用固結材及び豊浦砂を用いて、内径５ｃｍ×高さ１０ｃｍ、相対密度５０％の供試体を作製した。この供試体の材齢１週間のサンドゲルの一軸圧縮強さを測定した。

供試体の作製方法及び一軸圧縮強さの測定方法は次の通りとした。
（１）円柱の型（内径５ｃｍ、高さ１０ｃｍ）からその円柱の体積を求める。
（２）豊浦砂を、上記体積に対して相対密度５０％になるように計量する。相対密度は砂の種類により異なり、相対密度１００％はその砂を限界まで密に詰めた状態、０％はできる限り緩く詰めた状態であり、５０％はその中間の状態である。
（３）上記円柱の型に地盤注入用固結材を入れ、そこに計量した豊浦砂が均一になるように流し込む。
（４）地盤注入用固結材がゲル化して材齢１週間となるまで静置して待つ。
（５）ゲル化した後、円柱を高さ１０ｃｍになるように整えて供試体とする。
（６）供試体を圧縮強さ測定機で圧縮し、供試体が壊れた時の一軸圧縮強さを測定する。一軸圧縮強さの単位は（圧力／単位面積）である。

強度測定結果を表３に示す。両者はほぼ同等であり、コロイダルシリカとしてシリカ含有地熱水由来のシリカを含有するコロイダルシリカを用いる場合でも、従来品のコロイダルシリカを用いる場合と同等の固結強度（一軸圧縮強さ）を発現することが分かった。

実施例２及び比較例２、３（地盤注入用固結材の調製）
下記表４に示す配合でＡ液、Ｂ液及びＣ液を混合して実施例２及び比較例２、３の地盤注入用固結材（全シリカ濃度は７質量％）を調製した。実施例２はコロイダルシリカとして、シリカ含有地熱水由来のシリカを含有するコロイダルシリカ類似品（ＧｅｏＳｏｌ、シリカ濃度３０質量％、Geo40 Limited製）を使用し、比較例２はコロイダルシリカとして、水ガラスをイオン交換することにより得られる従来品のコロイダルシリカ（シリカ濃度４０質量％）を使用して地盤注入用固結材を調製した。前記同様、各コロイダルシリカは「ＧｅｏＳｏｌ」及び「従来品のコロイダルシリカ」と略記する。

試験例２（実施例２及び比較例２、３の地盤注入用固結材を用いた供試体の三軸強度（ＣＤ）試験）
実施例２及び比較例２、３で調製した地盤注入用固結材及び豊浦砂を用いて、浸透注入法により内径５ｃｍ×高さ１０ｃｍ、相対密度５０％の供試体を作製した。具体的には、豊浦砂をモールドに充填後、炭酸ガス、水の順で流した後に地盤注入用固結材を通液し、脱型後、乾燥しないように湿潤状態で２８日間養生した。

三軸強度（ＣＤ）試験の条件を下記表５に示す。

下記表６に三軸強度（ＣＤ）試験の結果を示す。

地盤の強度ｑ_ｕは、下記式（１）により、内部摩擦角φ（°）と粘着力ｃ_ｄ（kN/m²）により付与される。

ｃ_ｄ＝ｑ_ｕ／２×ｔａｎ（４５°−φ／２） （１）
ここで、内部摩擦角φに由来する強度は、剪断時に砂の粒子同士が擦れるときの摩擦により発現し、粘着力ｃ_ｄは砂の粒子間に働く静電引力、付着力等により発現する。溶液型注入材を用いた薬液注入工法では砂の間隙をゲルで満たすことで付着力が高まり、粘着力が増加する。これによって改良地盤は強度発現するため、粘着力を検討することは固結材の性能を評価する上で重要であり、粘着力が大きいと地盤の強度が大きくなる。

表６の結果から明らかなように、実施例２で作製した供試体は、比較例２、３で作製した供試体と比べて粘着力が顕著に大きく、シリカ含有地熱水由来のシリカを用いることにより地盤改良により地盤の強度を大きく改善することができる。よって、シリカ含有地熱水由来のシリカは特に液状化対策に用いる地盤注入用固結材に含まれるシリカ成分として好適であることが分かる。

即ち、本発明は、下記の地盤注入用固結材に関する。
１．珪酸ソーダ、コロイダルシリカ及び酸成分を含有する地盤注入用固結材であって、
（１）前記コロイダルシリカは、シリカ含有地熱水由来のシリカを含有し、
（２）前記シリカ含有地熱水由来のシリカの動的光散乱法により求めた体積分布の尖度が０．０〜６．０の範囲である、
ことを特徴とする地盤注入用固結材。
２．前記酸成分は、硫酸、リン酸及び有機酸からなる群から選択される少なくとも一種である、上記項１に記載の地盤注入用固結材。
３．前記シリカ含有地熱水由来のシリカの平均粒子径は１０〜２０ｎｍである、上記項１又は２に記載の地盤注入用固結材。
４．前記珪酸ソーダは、ＳｉＯ_２／Ｎａ_２Ｏで表されるモル比が３〜５であり、且つ、ＳｉＯ_２濃度が１０〜３０質量％である、上記項１〜３のいずれかに記載の地盤注入用固結材。
５．前記コロイダルシリカは、ＳｉＯ_２濃度が２０〜５０質量％である、上記項１〜４のいずれかに記載の地盤注入用固結材。

Claims (6)

1. 珪酸ソーダ、コロイダルシリカ及び酸成分を含有する地盤注入用固結材であって、当該コロイダルシリカは、シリカ含有地熱水由来のシリカを含有する、
   ことを特徴とする地盤注入用固結材。
2. 前記酸成分は、硫酸、リン酸及び有機酸からなる群から選択される少なくとも一種である、請求項１に記載の地盤注入用固結材。
3. 前記シリカ含有地熱水由来のシリカの平均粒子径は１０〜２０ｎｍである、請求項１又は２に記載の地盤注入用固結材。
4. 前記シリカ含有地熱水由来のシリカの動的光散乱法により求めた体積分布の尖度が０．０〜６．０の範囲である、請求項１〜３のいずれかに記載の地盤注入用固結材。
5. 前記珪酸ソーダは、ＳｉＯ_２／Ｎａ_２Ｏで表されるモル比が３〜５であり、且つ、ＳｉＯ_２濃度が１０〜３０質量％である、請求項１〜４のいずれかに記載の地盤注入用固結材。
6. 前記コロイダルシリカは、ＳｉＯ_２濃度が２０〜５０質量％である、請求項１〜５のいずれかに記載の地盤注入用固結材。