JP2020164361A

JP2020164361A - 充填材

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Publication number: JP2020164361A
Application number: JP2019066066A
Authority: JP
Inventors: 了三吉田; Ryozo Yoshida; 福山　誠; Makoto Fukuyama; 誠福山
Original assignee: Taiheiyo Materials Corp
Current assignee: Taiheiyo Materials Corp
Priority date: 2019-03-29
Filing date: 2019-03-29
Publication date: 2020-10-08
Anticipated expiration: 2039-03-29
Also published as: JP7282459B2

Abstract

【課題】２液タイプのセメント系充填材であって、施工性に支障を及ぼすことなく、任意のゲル化時間に調整が可能であり、２液の練置き時間によるゲル化時間への影響が小さく、充填性も良好で、さらに初期強度発現性にも優れるセメント系充填材の提供。【解決手段】ポルトランドセメントと高炉スラグを含有するスラリーＡと、カルシウムアルミネート類、石膏、可溶性硫酸塩（石膏を含まない）及び凝結調整剤を含有するスラリーＢを混合した充填材であり、次の（ａ）〜（ｃ）を具備する。（ａ）前記混合した充填材のゲル化時間が９００秒以下、（ｂ）スラリーＡ及びＢを作液後、直ちに混合した充填材のゲル化時間（ＧＴ０）と、作液後それぞれ３０分練置いた後に混合した充填材のゲル化時間（ＧＴ３０）の比（ＧＴ３０／ＧＴ０）が、０．５〜１．５、（ｃ）材齢１時間の圧縮強度が０．３Ｎ／ｍｍ２以上【選択図】なし

Description

本発明は地盤注入等に用いられる充填材に関する。

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用充填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、充填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地盤注入用充填材が開示されている。

特公昭５７−１００５８号公報特開２００７−１３７７４５号公報

本発明の課題は、２液タイプのセメント系充填材であって、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、作液した２液を直ちに混合した充填材のゲル化時間と、２液をそれぞれしばらく練り置いた後に２液を混合した充填材のゲル化時間の差が小さく、初期強度発現性が優れる充填材を提供することにある。

すなわち、本発明は、次の〔１〕〜〔３〕を提供するものである。

〔１〕ポルトランドセメントと高炉スラグを含有するスラリーＡと、カルシウムアルミネート類、石膏、可溶性硫酸塩（石膏を含まない）及び凝結調整剤を含有するスラリーＢを混合した充填材であり、次の（ａ）〜（ｃ）を具備する。
（ａ）前記混合した充填材のゲル化時間が９００秒以下、
（ｂ）スラリーＡ及びＢを作液後、直ちに混合した充填材のゲル化時間（ＧＴ_０）と、作液後それぞれ３０分練置いた後に混合した充填材のゲル化時間（ＧＴ_３０）の比（ＧＴ_３０／ＧＴ_０）が、０．５〜１．５、
（ｃ）材齢１時間の圧縮強度が０．３Ｎ／ｍｍ^２以上
〔２〕可溶性硫酸塩が硫酸アルミニウムである〔１〕に記載の充填材。
〔３〕ポルトランドセメント１００質量部に対して、高炉スラグが４０〜６００質量部、カルシウムアルミネート類が１３〜１００質量部、石膏が１３〜１００質量部、可溶性硫酸塩が０．６〜５質量部、及び凝結調整剤が０．０１〜２質量部である〔１〕または〔２〕に記載の充填材。

本発明の充填材を用いれば、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、作液した２液を直ちに混合した充填材のゲル化時間と、２液をそれぞれしばらく練り置いた後に２液を混合した充填材のゲル化時間の差を小さくすることができ、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時間の管理及びゲル化直後から強度が求められる施工に適する。

本発明の充填材のスラリーＡはポルトランドセメント及び高炉スラグを含有する。

本発明で使用するポルトランドセメントとしては、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等の公知のセメントが挙げられる。短いゲル化時間の調整が容易であること、及び初期強度発現性の点から、普通、早強、超早強ポルトランドセメントを使用することが好ましい。ポルトランドセメントの粒度は、ブレーン値で２，５００ｃｍ^２／ｇ以上が好ましく、５，０００ｃｍ^２／ｇ以上がより好ましく、７，０００ｃｍ^２／ｇ以上がさらに好ましい。

本発明で使用する高炉スラグとしては、急冷した非晶質の微粉末のものが、強度発現性の点から好ましい。高炉スラグを含有することにより、スラリーＡのポルトランドセメント及び高炉スラグと含有水の質量比（水／粉体比）を低く設定しても作液後の流動性の経時変化を小さくすることができ、かつ凝結調整剤の配合量を減らすことができるため、短いゲル化時間の調整とゲル化直後の強度発現性が両立できる。高炉スラグの使用量は、ポルトランドセメント１００質量部に対して、４０〜６００質量部が好ましく、４５〜３５０質量部がより好ましく、５０〜１５０質量部がさらに好ましい。高炉スラグの粒度は、ブレーン値で３，０００ｃｍ^２／ｇ以上が好ましく、５，０００ｃｍ^２／ｇ以上がより好ましく、７，０００ｃｍ^２／ｇ以上がさらに好ましい。

スラリーＡのポルトランドセメント及び高炉スラグと含有水の質量比（水／粉体比）は、スラリーＡの流動性及び充填材の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。

本発明のスラリーＢは、カルシウムアルミネート類、石膏、石膏を除く可溶性硫酸塩類及び凝結調整剤を含有する。

本発明で使用するカルシウムアルミネート類は、主要化学成分としてＣａＯとＡｌ_２Ｏ_３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・７Ａｌ_２Ｏ_３、ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３、３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３、ＣａＯ・２Ａｌ_２Ｏ_３、ＣａＯ・６Ａｌ_２Ｏ_３等が挙げられる。またＣａＯとＡｌ_２Ｏ_３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Ａｌ_２Ｏ_３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・３Ａｌ_２Ｏ_３・ＳＯ_３、１１ＣａＯ・７Ａｌ_２Ｏ_３・ＣａＦ_２、Ｎａ_２Ｏ・８ＣａＯ・３Ａｌ_２Ｏ_３等が挙げられる。また、例示以外のＣａＯとＡｌ_２Ｏ_３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Ａｌ_２Ｏ_３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４，０００ｃｍ^２／ｇ以上が好ましく、５，０００ｃｍ^２／ｇ以上がより好ましい。

カルシウムアルミネート類の使用量は、短いゲル化時間の調整が容易であること、ゲル化直後の強度発現性及び中長期の強度発現性の点から、スラリーＡ中のポルトランドセメント１００質量部に対して１３〜１００質量部が好ましく、１４〜８０質量部がより好ましい。

本発明で使用する石膏は、天然石膏及び化学石膏を含むものである。石膏としては、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４，０００ｃｍ^２／ｇ以上が好ましく、５，０００ｃｍ^２／ｇ以上がより好ましい。石膏の使用量は、初期強度発現性の点から、スラリーＡ中のポルトランドセメント１００質量部に対して１３〜１００質量部が好ましく、１４〜８０質量部がより好ましい。

本発明で使用する可溶性硫酸塩としては、水に可溶な硫酸塩であり、具体的には硫酸アルミニウム、硫酸ナトリウム、硫酸カリウム、硫酸リチウム等が挙げられる。但し、本発明における可溶性硫酸塩の中に石膏は含まない。これらの可溶性硫酸塩は、その溶解したイオンの作用によりカルシウムアルミネート類と石膏の水和反応を調整し、スラリーを練置いたときのゲル化時間の変動を小さくすることができる。可溶性硫酸塩の使用量は、ゲル化時間の確保及び中長期の強度発現性の点から、スラリーＡ中のポルトランドセメント１００質量部に対して、０．６〜５質量部が好ましく、０．６５〜４質量部がより好ましい。

本発明で使用する凝結調整剤は、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、アルカリ金属炭酸塩等が挙げられ、１種または２種以上を使用することができる。凝結調整剤の使用量は、スラリーＡの可使時間の確保及びゲル化直後の強度発現性の点から、スラリーＡ中のポルトランドセメント１００質量部に対して、０．０１〜２質量部が好ましく、０．０２〜１．５質量部がより好ましい。

スラリーＢのカルシウムアルミネート類、石膏、石膏を除く可溶性硫酸塩類及び凝結調整剤と含有水の質量比（水／粉体比）は、スラリーＢの流動性及び充填材の初期強度発現性の点から、０．７〜１．５が好ましく、０．８〜１．４がより好ましい。

本発明のスラリーＡは、ブレーン値５，０００ｃｍ^２／ｇ以上のポルトランドセメント、高炉スラグを使用する場合、セメント分散剤を使用することが好ましい。セメント分散剤は、粒子の凝集を抑制し、スラリーの流動性や２液を混合した充填材の充填性や地盤への浸透性を高めることができる。セメント分散剤としては、例えば、減水剤、高性能減水剤、高性能ＡＥ減水剤、流動化剤等と称されるものが使用でき、使用量は、スラリーの流動性や混合した充填材の初期強度発現性の点から、スラリーＡ中のポルトランドセメント１００質量部に対して、０．１〜１０質量部が好ましく、０．２〜８質量部がより好ましい。

本発明のスラリーＡ及びＢには、注入性状やそれぞれのスラリーの可使時間、さらには注入充填後の強度発現性等に支障を及ぼさない範囲で、必要によりモルタル・コンクリート用の公知の混和剤、先に述べたセメント分散剤の他に例えば、消泡剤、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。

また、本発明の充填材は、スラリーＡとスラリーＢを混合させたものであるが、所望の強度発現性とゲル化時間を確保するため、容積比でスラリーＡ：スラリーＢ＝４０：６０〜９０：１０となるように混合することが好ましい。より好ましくは、スラリーＡ：スラリーＢ＝４５：５５〜８５：１５である。

本発明の充填材は、（ａ）ゲル化時間が９００秒以下である。ゲル化時間が９００秒を超える場合、注入充填後に充填材が流出したり、材料分離を起こしやすくなる。より好ましくは、６００秒以下であり、さらに好ましくは４２０秒以下である。また、スラリーＡとスラリーＢを均質に混合させるため、ゲル化時間は５秒以上が好ましい。

本発明の充填材は、練置き時間によるゲル化時間への影響が小さい。具体的には、（ｂ）スラリーＡ及びＢを作液後、直ちに混合した充填材のゲル化時間（ＧＴ_０）と、作液後それぞれ３０分練置いた後に混合した充填材のゲル化時間（ＧＴ_３０）の比（ＧＴ_３０／ＧＴ_０）が、０．５〜１．５である。より好ましくは０．６〜１．４であり、さらに好ましくは０．７〜１．３である。

さらに、本発明の充填材は、（ｃ）材齢１時間の圧縮強度が０．３Ｎ／ｍｍ^２以上であり、初期強度発現性に優れる。

以上、スラリーＡとスラリーＢの混合物である本発明の充填材の特性をまとめると次のとおりである。
（ａ）前記混合した充填材のゲル化時間が９００秒以下、
（ｂ）スラリーＡ及びＢを作液後、直ちに混合した充填材のゲル化時間（ＧＴ_０）と、作液後それぞれ３０分練置いた後に混合した充填材のゲル化時間（ＧＴ_３０）の比（ＧＴ_３０／ＧＴ_０）が、０．５〜１．５、
（ｃ）材齢１時間の圧縮強度が０．３Ｎ／ｍｍ^２以上
これにより、任意のゲル化時間の調整が可能であって、スラリーＡ及びＢを作液後、直ちに混合した充填材のゲル化時間と、スラリーＡ及びＢをそれぞれしばらく練り置いた後に混合した充填材のゲル化時間の差が小さく、初期強度発現性に優れる充填材を得られる。

充填材の注入方法は特段限定されるものではなく、一例を示すと、ポルトランドセメント、高炉スラグ及び水を含有するスラリーＡ、カルシウムアルミネート類、石膏、石膏を除く可溶性硫酸塩類、凝結調整剤及び水を含有するスラリーＢを別々にグラウトミキサーで混合し、二つのスラリーを一つのミキサーで混合し、ゲル化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ショットの注入方法、または、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、あるいは、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ショットの注入方法で地盤に注入することができる。さらに、本充填材は、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、実施例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明は何らこれらに限定されるものではない。

以下に示すＡ〜Ｊから選定される材料を表１の配合割合となるようスラリーＡ及びＢを作液した。即ち、本充填材は、ポルトランドセメント、高炉スラグ及び水からなるスラリーＡと、カルシウムアルミネート類、石膏、可溶性硫酸塩、凝結調整剤及び水からなるスラリーＢとを表１に示す質量比で作液した。ゲル化時間は、スラリーＡ及びＢを作液後、直ちに混合した充填材（ＧＴ_０）と、作液後スラリーＡ及びＢをそれぞれ３０分練置いた後に混合した充填材（ＧＴ_３０）に対して測定した。材齢１時間の強度及び充填性は、作液後スラリーＡ及びＢをそれぞれ３０分練り置いた後に混合した充填材に対して測定した。結果を表２に記す。

＜使用材料＞
Ａ；ポルトランドセメント１；普通ポルトランドセメント（太平洋セメント株式会社製、ブレーン値３，２００ｃｍ^２／ｇ）
Ｂ；ポルトランドセメント２；超微粒子セメント（普通ポルトランドセメントをブレーン値９，５００ｃｍ^２／ｇに粉砕・分級、試作品）
Ｃ；高炉スラグ１；高炉水砕スラグ（株式会社デイ・シイ社製、ブレーン値４，０００ｃｍ^２／ｇ）
Ｄ；高炉スラグ２；高炉水砕スラグ（ブレーン値９，０００ｃｍ^２／ｇ、試作品）
Ｅ；分散剤；高性能減水剤（商品名「マイティ１５０」、花王社製）
Ｆ；カルシウムアルミネート類；カルシウムアルミネート（１２ＣａＯ・７Ａｌ_２Ｏ_３組成のガラス、ブレーン値５，５００ｃｍ^２／ｇ、試製品）
Ｇ；石膏；II型無水石膏（セントラル硝子株式会社製、ブレーン値７，０００ｃｍ^２／ｇ）
Ｈ；可溶性硫酸塩１；硫酸アルミニウム（市販試薬）
Ｉ；可溶性硫酸塩２；硫酸ナトリウム（市販試薬）
Ｊ；凝結調整剤；クエン酸（市販試薬）と炭酸ナトリウム（市販試薬）を等量混合

＜試験方法＞
（１）ゲル化時間；作液したスラリーＡ及びＢをカップで混合し、混合してからカップを傾倒しても流れなくなるまでの時間。
（２）圧縮強度；ＪＩＳＡ１２１６「土の一軸圧縮試験方法」に準じて測定。測定は、スラリーＡ及びＢを混合してから１時間後。
（３）充填性試験；内径５ｃｍ×長さ１２０ｃｍの透明な円筒形アクリルモールド内に、充填材を高さ１００ｃｍまで投入。充填材のゲル化後、未充填箇所の有無を目視により確認し、充填性の良否を評価。

表２の結果から、高炉スラグ、凝結調整剤、カルシウムアルミネート、石膏、可溶性硫酸塩を含まない場合（比較例１、２、３、４、５）、凝結調整剤、水が過剰に含まれる場合（比較例６、７）には、混合した充填材の強度発現が十分でなかったり、スラリーＡ及びＢを混合する前にスラリーＢのみでゲル化したり、混合した充填材が９００秒以下でゲル化しなかったり、スラリーＡ及びＢを作液後、直ちに混合した充填材のゲル化時間と、スラリーＡ及びＢを作液してからそれぞれを３０分間練り置いた後に混合した充填材のゲル化時間の差が大きいものとなった。これに対し、本発明の充填材は、スラリーＡ及びＢを作液してから直ちに混合した充填材のゲル化時間と、スラリーＡ及びＢを作液してからそれぞれを３０分間練り置いた後に混合した充填材のゲル化時間の差が小さく、充填性も良好で、さらに硬化後の強度発現も良好であることが分かる。

Claims

ポルトランドセメントと高炉スラグを含有するスラリーＡと、カルシウムアルミネート類、石膏、可溶性硫酸塩（石膏を含まない）及び凝結調整剤を含有するスラリーＢを混合した充填材であり、次の（ａ）〜（ｃ）を具備する。
（ａ）前記混合した充填材のゲル化時間が９００秒以下、
（ｂ）スラリーＡ及びＢを作液後、直ちに混合した充填材のゲル化時間（ＧＴ_０）と、作液後それぞれ３０分練置いた後に混合した充填材のゲル化時間（ＧＴ_３０）の比（ＧＴ_３０／ＧＴ_０）が、０．５〜１．５、
（ｃ）材齢１時間の圧縮強度が０．３Ｎ／ｍｍ^２以上
前記可溶性硫酸塩が硫酸アルミニウムである請求項１に記載の充填材。
前記ポルトランドセメント１００質量部に対して、高炉スラグが４０〜６００質量部、カルシウムアルミネート類が１３〜１００質量部、石膏が１３〜１００質量部、可溶性硫酸塩が０．６〜５質量部、及び凝結調整剤が０．０１〜２質量部である請求項１または２に記載の充填材。