JP2967809B2

JP2967809B2 - 裏込め注入材料

Info

Publication number: JP2967809B2
Application number: JP8263100A
Authority: JP
Inventors: 康弘鈴木; 謙介金井; 眞悟蛇見; 裕明鈴木; 要青山; 貴宇野
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 1996-10-03
Filing date: 1996-10-03
Publication date: 1999-10-25
Anticipated expiration: 2016-10-03
Also published as: JPH10101393A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、トンネル工事等に
おいて地山の緩みと路面沈下の防止及び地下水の漏洩防
止の目的で、構造物と地山との間に充填する裏込め注入
材料に関する。

【０００２】

【従来の技術】各種工事によって発生する構造物と地山
との空間は、軟弱土質等の場合、地山のゆるみが進行
し、路面沈下等の問題が発生すため、充填性に優れ、し
かも早期に強度発現する裏込め注入材料を使用しなけれ
ばならない。

【０００３】そこで、一般に早期強度が要求される裏込
め注入材料として、セメント、水、粘土鉱物、遅延剤を
混合したものをＡ液、水ガラスをＢ液として、Ａ、Ｂ液
を種々の割合に加えてゲル化させたものが用いられる。

【０００４】たとえば下水道、共同溝、地下鉄等の工事
では、トンネル内の作業空間の確保のため、裏込め注入
材料Ａ、Ｂ液の混合装置、貯蔵タンクと実際の注入位置
とは数百メートルから数キロメートル離れる場合がほと
んどで、その間は２系統で配管して、ポンプにより圧送
し、地山への注入地点でＡ、Ｂ液を混合してゲル化さ
せ、注入している。

【０００５】それら注入材料のうち、セメント及び水ガ
ラスは強度発現材、粘土鉱物はセメントの沈降防止材と
して使用されている。

【０００６】そして、粘土鉱物としては、ほとんどの場
合ベントナイトと呼ばれる膨潤性の粘土鉱物が使用され
ており、この膨潤性はベントナイト中に含まれるモンモ
リロナイトによって決定する。モンモリロナイトは層状
構造をしており、この層間に水を取り込むことによって
膨潤し、液の粘性を上げてＡ液中のセメントの沈降を防
止している。

【０００７】また、セメントは、その種類にもよるが、
ポルトランドセメントであれば注水後、Ｃａ、ＳＯ₄、
Ｎａ、Ｋ等の各種のイオンを溶出し、飽和、過飽和溶液
から水和物として析出し、数時間から１日で硬化を開始
し、その後ゆっくりと強度が発現していく。セメントの
水和は数ケ月から１年で強度発現をほぼ完了するが、完
全ではなく、その後何年にもわたって強度発現してい
く。

【０００８】さらに、水ガラスは、二酸化ケイ素とアル
カリを融解して得られたケイ酸アルカリ塩を濃厚水溶液
としたもので、Ｎａ₂ＯとＳｉＯ₂を含む、粘着剤として
ガラスの接合等に用いられる。

【０００９】そして、このような裏込め注入材料を使用
する場合には、Ａ，Ｂ両液を混合し、ゲル化したものを
空隙に充填し、その後硬化して強度を発現していく。裏
込め注入材料のゲル化はＡ液中に含まれるセメントより
溶出したＣａイオンとＢ液の水ガラス中に含まれるＳｉ
Ｏ₃イオンとの比が１：１に近いほど鎖状、網目状にな
る確立が増し、ゲル化するまでの時間（以下、ゲルタイ
ムという）が早くなる。

【００１０】現在一般に用いられている裏込め注入材料
において、Ｃａイオンはセメントより供給されるが、溶
液中に存在するＣａイオンの量は水ガラス中のＳｉＯ₃
イオンの量と比較して非常に少ないため、セメント量を
増やすとＣａイオンが増えるのでゲルタイムは短くなる
が、水ガラス量を増やすとゲルタイムは長くなる。

【００１１】一方、ゲルの強度は極初期においては、溶
液中のＣａイオンと水ガラスのＳｉＯ₃イオンとの反応
によるため弱いものであるが、まだ反応していないＳｉ
Ｏ₃イオンがゲル化以降もセメントから溶出してくるＣ
ａイオンと反応し、強度が増加して、水ガラスの反応は
数時間から１日以内で終わる。

【００１２】このため、セメント量が多いものほど、Ｃ
ａイオンの量が増え、極初期の強度が上がり、１日以内
の初期強度は高くなる。水ガラスを増加させると、セメ
ント量が一定では溶液中のＣａイオン濃度は変わらない
ため、極初期では反応量が多くても、鎖状、網目状の反
応物になっていないため、極初期の強度は小さくなる。
しかし、数時間から１日後にはセメントから徐々に溶出
してくるＣａイオンと水ガラスのＳｉＯ₃イオンが反応
するため、強度は回復し、水ガラス量の少ないものより
も大きくなる。

【００１３】以上より裏込め注入材料における各材料の
配合と物性との関係は次表１のようになる。

【００１４】

【表１】

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】裏込め注入を行うトン
ネル工事の地盤には砂質土、粘性土等種々のものがあ
り、埋立地等の臨海部や河川の地下等では地盤が軟弱
で、地下水等の流入が多い場所、或いは地下水の流速が
速いような場所が多数ある。

【００１６】これらの空隙への裏込め注入材料の充填時
に、地下水に流されないために、ゲルタイムを短時間に
設定することが望ましく、地盤が軟弱であるために初期
強度はできるだけ高く、耐久性の面より長期の強度もよ
り高い方が望ましい。

【００１７】そこで、ゲルタイムを短くし、初期強度を
増加させ、長期強度も増加させるためには、上記従来技
術においては、配合中のセメント量を増加させることが
考えられる。

【００１８】しかしながら、セメント量を増加した場
合、裏込め注入材料Ａ液中のセメントの沈降防止のため
にベントナイトも増加させなければならず、ベントナイ
トを増加させるとＡ液中の粘度が上がり、混合装置から
注入現場への配管による圧送が困難となる。

【００１９】そのため、水ガラスを減少させることによ
ってゲルタイムを短くすることも考えられるが、この場
合は反応物の量が少なくなるので、数時間以降の強度が
小さくなるという問題がある。

【００２０】また、次の事項も重要な課題となってい
る。

【００２１】トンネルの掘進が数百メートルから数キロ
メートルになる場合、裏込め注入材料Ａ液も数百メート
ルから数キロメートルの配管内で圧送することになる。

【００２２】この場合、トンネル掘進が各種段取り替
え、掘進トラブル等により、一時的に停止することがあ
る。

【００２３】掘進停止の理由によっては、停止期間が長
期にわたることもあり、この場合、配管内のＡ液を一度
すべて排出することで、配管内の固化による配管づまり
を防止することとなる。

【００２４】しかし、実際の現場では、掘進停止（裏込
め注入停止）が半日から１日程度のごく短期であること
が多く、このような半日から１日程度の掘進停止は頻繁
に発生する。このような場合、掘進停止のごとにＡ液の
排出，清浄等を行うことは合理的でなく不経済である。

【００２５】そこで、Ａ液の硬化スピードをコントロー
ルし、半日から１日後の再圧送が可能であるように圧送
可能な粘性を保持しておく必要が生じる。

【００２６】

【課題を解決するための手段】ゲル極初期強度、数時間後の強度、長期強度を増加
し、ゲルタイムを短縮する手段そこで、セメントの沈降防止作用を持つケイ酸カルシウ
ム水和物をベントナイトの代わりにＡ液に使用すること
により、上記の問題点を解決した。

【００２７】つまり、ケイ酸カルシウム水和物はＳｉＯ
₂、ＣａＯ、Ｈ₂Ｏよりなり、水と混合すると水中にカ
ルシウムイオンを溶出するため、ベントナイトを用いた
Ａ液よりも溶液中のカルシウムイオン濃度が高くなり、
これに水ガラスの含まれたＢ液を加えると、ベントナイ
トを使用したゲルよりも強度の大きなゲルを作ることが
できる。さらにはＡ液中のカルシウム濃度が高いために
ゲルタイムも短くすることができる。

【００２８】よって、ケイ酸カルシウム水和物を使用す
ることで、ゲルの極初期強度、数時間後の強度、長期強
度を高くでき、ゲルタイムを短くすることができ、上記
問題点をすべて解決することができる。

【００２９】また、ケイ酸カルシウム水和物はＡ液１m³
中に40kgより少ない場合ではＡ液中のセメントが沈降し
てしまい、沈降防止作用がなくなり、カルシウムイオン
の濃度がそれほど上がらないためにゲルタイムの短縮及
びゲル強度の増加への影響が少なく、実用的でない。30
0kg より多い場合ではＡ液中のカルシウムイオン濃度が
高くなりすぎるために、Ｂ液と混合した場合にゲルタイ
ムが非常に短くなり、注入口付近の配管内でゲル化して
しまうため実用に供しないものとなる。

【００３０】配管内で１日程度流動性を保持する手
段一方、配管内で１日程度静置された状態で再圧送する場
合、再圧送までにＡ液の硬化進行、及び凝集等による高
粘性化を防止し、再圧送可能とする手段としてセメント
の硬化を遅延させる遅延剤を用いることとした。

【００３１】遅延剤は公知のものとして、有機系のもの
では、グルコン酸、グルコヘプトン酸等のオキシカルボ
ン酸やケトカルボン酸、脂肪酸、糖類、糖アルコール
類、リグニスルホン酸等があり、無機系のものでは、フ
ッ化物やリン酸塩、ホウ酸塩等が使用できる。

【００３２】しかし、本発明のＡ液は、セメントとケイ
酸カルシウム水和物とからなることを特徴としており、
このようなＡ液の安定性（低粘性を保持する）を与える
混和剤は未だかつて報告されておらず、本発明者が鋭意
研究を重ねた結果、サッカロースをＡ液のセメント重量
比で0.1 ％〜2.0 ％添加することで低粘性を確保し、か
つブリーディング性能も他の遅延剤に比べて優れている
ことが見出された。

【００３３】つまり、以下のような作用により、サッカ
ロースが優れていることがわかった。ケイ酸カルシウム
水和物の持つ沈降防止作用は、水溶液中の固体粒子表面
の電気二重層による反発力と、固体粒子間に働く分子間
力による引力とをコントロールして、粒子同士によるフ
ロックを形成させ、そのフロック内部に水を閉じ込めて
セメントの沈降を防いでいる。

【００３４】しかし、サッカロース以外の遅延剤は、固
体粒子表面の電気二重層に影響を与え、反発力が大きく
なるために、粒子同士によるフロックが形成しにくく、
また形成した場合でもその形成力が弱く、沈降防止の効
果が小さくなってしまうが、サッカロースの場合は電気
二重層への影響がほとんどないため、ケイ酸カルシウム
水和物の持つ沈降防止効果は変わらない。

【００３５】サッカロースの混合量は、セメント重量比
で0.1 ％よりも少ない場合では、低粘性の保持が不十分
であり、2.0 ％よりも多い場合には、固化体強度の低下
を招き、問題である。

【００３６】サッカロースの最適配合量は、セメント重
量比で0.4 ％である。

【００３７】また、上記のように水ガラスの量によって
もゲルタイム、強度等に影響を及ぼすので、実用上使用
できる範囲は、Ａ液：Ｂ液が100 ：４〜25であることが
好ましい。

【００３８】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。

【００３９】実施例１普通セメント250g、ケイ酸カルシウム水和物100g、に水
を加えて１L としたＡ液を調製し、粘度測定した後、24
時間後のブリーディング率を測定した。

【００４０】またJIS ３号水ガラスの75VOL ％水溶液10
0mL をＢ液として、Ａ液とＢ液を混合してゲルを得た。
このときのゲルタイム、１時間強度、６時間強度、２８
日強度を測定した。結果を表２に示す。

【００４１】比較例１普通セメント250g、ベントナイト100gに水を加えて１L
としたＡ液を調製し、粘度測定した後、24時間後のブリ
ーディング率を測定した。

【００４２】またJIS ３号水ガラスの75VOL ％水溶液10
0mL をＢ液として、Ａ液とＢ液を混合してゲルを得た。
このときのゲルタイム、１時間強度、６時間強度、２８
日強度を測定した。結果を表２に示す。

【００４３】比較例２普通セメント350g、ベントナイト100gに水を加えて１L
としたＡ液を調製し、粘度測定した後、24時間後のブリ
ーディング率を測定した。

【００４４】またJIS ３号水ガラスの75VOL ％水溶液10
0mL をＢ液として、Ａ液とＢ液を混合してゲルを得た。
このときのゲルタイム、１時間強度、６時間強度、２８
日強度を測定した。結果を表２に示す。

【００４５】比較例３普通セメント350g、ベントナイト130gに水を加えて１L
としたＡ液を調製し、粘度測定した後、24時間後のブリ
ーディング率を測定した。

【００４６】またJIS ３号水ガラスの75VOL ％水溶液10
0mL をＢ液として、Ａ液とＢ液を混合してゲルを得た。
このときのゲルタイム、１時間強度、６時間強度、２８
日強度を測定した。結果を表２に示す。

【００４７】比較例４普通セメント250g、ベントナイト100gに水を加えて１L
としたＡ液を調製し、粘度測定した後、24時間後のブリ
ーディング率を測定した。

【００４８】またJIS ３号水ガラスの75VOL ％水溶液70
mLをＢ液として、Ａ液とＢ液を混合してゲルを得た。こ
のときのゲルタイム、１時間強度、６時間強度、２８日
強度を測定した。結果を表２に示す。

【００４９】

【表２】

【００５０】実施例１では、従来よりブリーディング低
減材料として用いられているベントナイトを使用した裏
込め注入材料の試験結果である比較例１に比べて、混練
直後の粘度が小さく、ゲルタイムが短く、強度が大きく
なっている。

【００５１】また、比較例２ではゲルタイムを短くし、
１時間及び６時間強度を大きくするためにセメント量を
増加させているが、それに伴いブリーディングが増加し
てしまっている。

【００５２】さらに、比較例３では比較例２のブリーデ
ィングを小さくするために、ベントナイト量を増やして
いるが、粘度がそれとともに大きくなってしまい、ポン
プ圧送に問題が生じる。

【００５３】そこで、比較例４では、Ｂ液の量を減らし
て、ゲルタイムを短くし、１時間後の強度を大きくして
いるが、６時間以降の強度が小さくなり、問題である。

【００５４】以上のように、従来より用いられているベ
ントナイトを使用した裏込め注入材料では、セメント
量、水ガラス量、ベントナイト量をどのように変化させ
ても、ゲルタイムを短く、初期強度を大きくしながら、
低ブリーディング性能及び低粘性を保持することができ
ないが、ケイ酸カルシウム水和物を用いた実施例１では
ゲルタイムを短く、強度を大きくしながら低ブリーディ
ング及び低粘性の裏込め注入材料を作ることができる。

【００５５】実施例２普通セメント250g、ケイ酸カルシウム水和物をそれぞれ
40、100 、200 、300gに水を加えて１L としたＡ液を調
製し、24時間後のブリーディング率を測定した。

【００５６】またJIS ３号水ガラスの75VOL ％水溶液10
0mL をＢ液として、Ａ液とＢ液を混合してゲルタイムを
測定した。結果を表３に示す。

【００５７】比較例５普通セメント250g、ケイ酸カルシウム水和物をそれぞれ
20、400gに水を加えて１L としたＡ液を調製し、24時間
後のブリーディング率を測定した。

【００５８】またJIS ３号水ガラスの75VOL ％水溶液10
0mL をＢ液として、Ａ液とＢ液を混合してゲルタイムを
測定した。結果を表３に示す。

【００５９】

【表３】

【００６０】ケイ酸カルシウム水和物が20g/L ではブリ
ーディング率が大きく、400g/Lではゲルタイムが非常に
短くなってしまうため、実用的ではない。

【００６１】実施例３普通セメント250g、ケイ酸カルシウム水和物100 g 、遅
延剤としてサッカロース１ｇに水を加えて１L としたＡ
液を調製し、24時間後の粘度を測定した。結果を表４に
示す。

【００６２】

【表４】

【００６３】比較例６普通セメント250g、ケイ酸カルシウム水和物100 ｇに水
を加えて１L としたＡ液を調製し、24時間後の粘度を測
定した。結果を表４に示す。

【００６４】実施例のように遅延剤を使用したものは、
24時間後も十分圧送可能な低粘性を保持しており、遅延
剤を混入していないものは、高粘性となり、再圧送に問
題がある。

【００６５】実施例４普通セメント250g、ケイ酸カルシウム水和物100 g 、サ
ッカロース１ｇに水を加えて１L としたＡ液を調製し、
12時間後の粘度及び24時間後のブリーディング率、粘度
を測定した。

【００６６】またJIS ３号水ガラスの75VOL ％水溶液10
0mL をＢ液として、Ａ液とＢ液を混合してゲルを得た。
このときのゲルタイム、１時間強度、６時間強度、２８
日強度を測定した。結果を表５に示す。

【００６７】比較例７普通セメント250g、ケイ酸カルシウム水和物100 ｇ、グ
ルコン酸ナトリウム１ｇに水を加えて１L としたＡ液を
調製し、12時間後の粘度及び24時間後のブリーディング
率、粘度を測定した。

【００６８】またJIS ３号水ガラスの75VOL ％水溶液10
0mL をＢ液として、Ａ液とＢ液を混合してゲルを得た。
このときのゲルタイム、１時間強度、６時間強度、２８
日強度を測定した。結果を表５に示す。

【００６９】比較例８普通セメント250g、ケイ酸カルシウム水和物100 g 、グ
ルコース１ｇに水を加えて１L としたＡ液を調製し、12
時間後の粘度及び24時間後のブリーディング率、粘度を
測定した。

【００７０】またJIS ３号水ガラスの75VOL ％水溶液10
0mL をＢ液として、Ａ液とＢ液を混合してゲルを得た。
このときのゲルタイム、１時間強度、６時間強度、２８
日強度を測定した。結果を表５に示す。

【００７１】比較例９普通セメント250g、ケイ酸カルシウム水和物100 g 、ク
エン酸三ナトリウム１ｇに水を加えて１L としたＡ液を
調製し、12時間後の粘度及び24時間後のブリーディング
率、粘度を測定した。

【００７２】またJIS ３号水ガラスの75VOL ％水溶液10
0mL をＢ液として、Ａ液とＢ液を混合してゲルを得た。
このときのゲルタイム、１時間強度、６時間強度、２８
日強度を測定した。結果を表５に示す。

【００７３】

【表５】

【００７４】実施例４ではブリーディングは小さく、24
時間後の粘度も低く保たれ、強度にも何ら問題は見られ
ない。

【００７５】比較例７，８，９では12時間後までの粘性
は実施例４とほとんど変わりがなく、12時間程度の掘進
停止では問題なく使用できるが、実施例４で用いたサッ
カロースと比較してセメントの硬化遅延性が弱いため
に、24時間後の粘度は大きくなってしまうため、掘進停
止が24時間に及ぶ場合には使用できない。

【００７６】実施例５普通セメント250g、ケイ酸カルシウム水和物100 g 、サ
ッカロースを0.25g(セメント重量比0.1 ％）、１g(0.4
％）、2.5g（1.0 ％）、5.0g（2.0 ％）に水を加えて１
L としたＡ液を調製し、24時間後のブリーディング率、
粘度を測定した。

【００７７】またJIS ３号水ガラスの75VOL ％水溶液10
0mL をＢ液として、Ａ液とＢ液を混合してゲルを得た。
このときのゲルタイム、１時間強度、６時間強度、２８
日強度を測定した。結果を表５に示す。

【００７８】比較例10 普通セメント250g、ケイ酸カルシウム水和物100 g 、サ
ッカロースを0.1g（セメント重量比0.04％）、7.5g(3.0
％）に水を加えて１L としたＡ液を調製し、24時間後の
ブリーディング率、粘度を測定した。

【００７９】またJIS ３号水ガラスの75VOL ％水溶液10
0mL をＢ液として、Ａ液とＢ液を混合してゲルを得た。
このときのゲルタイム、１時間強度、６時間強度、２８
日強度を測定した。結果を表６に示す。

【００８０】

【表６】

【００８１】サッカロースがセメント重量比0.04％で
は、24時間後の粘性が大きく、3.0 ％では、長期強度が
低くなり実用上問題となる。

【００８２】実施例６普通セメント250g、ケイ酸カルシウム水和物100 g 、サ
ッカロース１g に水を加えて１L としたＡ液を調製し、
24時間後のブリーディング率、粘度を測定した。

【００８３】またJIS ３号水ガラスの75VOL ％水溶液4
0、100 、150 、250mL をＢ液として、Ａ液とＢ液を混
合してゲルを得た。このときのゲルタイム、１時間強
度、６時間強度、２８日強度を測定した。結果を表７に
示す。

【００８４】比較例11 普通セメント250g、ベントナイト100 g 、サッカロース
１g に水を加えて１LとしたＡ液を調製し、24時間後の
ブリーディング率、粘度を測定した。

【００８５】またJIS ３号水ガラスの75VOL ％水溶液3
0、300mL をＢ液として、Ａ液とＢ液を混合してゲルを
得た。このときのゲルタイム、１時間強度、６時間強
度、２８日強度を測定した。結果を表７に示す。

【００８６】

【表７】

【００８７】比較例11のように、Ｂ液が30mLではゲルタ
イムが非常に短く、これでは注入口でゲル化してしまう
ため、実用上使用できない。また、Ｂ液が300mL ではゲ
ルタイムが非常に長すぎることと、１時間の強度が非常
に低いため、地下水による流出や地山の緩みの危険があ
り、問題である。

【００８８】

【発明の効果】叙上のように、本発明は、裏込め注入材
料のＡ液として従来のベントナイトに代えてケイ酸カル
シウム水和物を使用したため、ベントナイトを用いたＡ
液よりも溶液中のカルシウムイオン濃度が高くなり、ま
た水ガラスの含まれたＢ液を加えることによってベント
ナイトを使用したゲルよりも強度の大きなゲルを作るこ
とができ、その結果、従来の裏込め注入材料に比べてゲ
ルタイムを短くすることができるとともに、ゲルの極初
期強度、数時間後の強度、長期強度を高くできるという
効果を得た。

【００８９】さらに、凝結遅延剤を添加した場合には、
裏込め注入材料を配管内で１日程度静置した状態で再圧
送する場合でも、粘度が不当に高くなることもなく、再
圧送に支障を生ずることもないという利点がある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＣ０４Ｂ 22:08）Ｃ０９Ｋ 103:00 (72)発明者蛇見眞悟大阪市大正区南恩加島７丁目１番55号住友大阪セメント株式会社中央研究所セメント・コンクリート研究所内 (72)発明者鈴木裕明東京都千代田区神田美土代町１番地住友大阪セメント株式会社内 (72)発明者青山要東京都千代田区神田美土代町１番地住友大阪セメント株式会社内 (72)発明者宇野貴東京都千代田区神田美土代町１番地住友大阪セメント株式会社内 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C04B 28/00 C09K 17/10 C09K 17/12

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】Ａ液及びＢ液を混合して地盤の空隙部等
の所望箇所に注入する裏込め注入材料であって、Ａ液が
Ｃａ／Ｓｉのモル比が1.0 〜4.0 であり強熱減量が５〜
３５％であるケイ酸カルシウム水和物、セメント、及び
水を混合したスラリーであり、且つＢ液が水ガラスであ
ることを特徴とする裏込め注入材料。
【請求項２】Ａ液１m³中にケイ酸カルシウム水和物40
〜300kg が含有されている請求項１記載の裏込め注入材
料。
【請求項３】凝結遅延剤がＡ液のセメントの重量比で
0.1 〜2.0 ％添加されている請求項１記載の裏込め注入
材料。
【請求項４】凝結遅延剤がサッカロースである請求項
３記載の裏込め注入材料。
【請求項５】Ａ液：Ｂ液の容積比が100 ：４〜25であ
る請求項１乃至４のいずれかに記載の裏込め注入材料。