JP3345680B2

JP3345680B2 - 裏込め注入材

Info

Publication number: JP3345680B2
Application number: JP34444198A
Authority: JP
Inventors: 俊介島田; 求三輪; 健二栢原
Original assignee: 強化土エンジニヤリング株式会社
Priority date: 1998-12-03
Filing date: 1998-12-03
Publication date: 2002-11-18
Anticipated expiration: 2018-12-03
Also published as: JP2000170153A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は軟弱地盤の強化や止
水、地震や掘削工事等による地盤沈下で傾斜した建造物
の復元（ビル起こし）、トンネル等の裏込め、空洞の充
填、海底、水中等の水面下での固結等（これらを総称し
て「裏込め」という）に用いられる裏込め注入材に係
り、特に、急速にゲル化し、強度の立ち上がりが早く、
固結物の耐久性に優れ、しかも、周辺の地下水等に影響
されずに固化し、かつ、周辺にアルカリ公害やカルシウ
ムの溶出を起こさない脱アルカリシリカ−セメント系裏
込め注入材に関する。

【０００２】本発明において「ゲル化」とは可塑状を呈
する状態を言い、これを「一次ゲル化」と称する。ま
た、可塑状を有していないゲル化を「二次ゲル化」と称
する。

【０００３】

【従来の技術】裏込め注入材として、従来、それぞれの
用途に応じた性能を有する種々のものが知られている。
例えば、ビル起こし用裏込め注入材として用いられるコ
ロイダルシリカ−セメント系裏込め注入材が知られてい
る。これは水ガラスから脱アルカリして得られるコロイ
ダルシリカと、セメントを含む注入材であって、ゲル化
時間の調整が十分にできず、急速固結が困難なため、ビ
ル起こし用以外の用途には不適である。

【０００４】さらに、ＪＩＳ３号水ガラス−セメント系
からなる、ゲル化時間が２〜３０秒に調整された裏込め
注入材も知られている。しかし、この系の注入材は立ち
上がり強度が小さいという欠点を有している。また、水
ガラス−セメント系のＬＷと比較して水ガラス量は少な
いものの、やはりアルカリの影響で耐久性に劣る。な
お、水ガラス−セメント系において、水ガラスとセメン
トを等量で混合すると、ゲル化時間が３０秒前後から短
くならない。

【０００５】さらにまた、酸性シリカゾル、セメント、
および必要に応じて、均一なゲルを得るために重曹を添
加した系からなる裏込め注入材も知られている。しか
し、この注入材は耐久性に劣るのみならず、急速強度増
加に問題がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】シールド工事等のトン
ネル工事では、掘削後、周辺地山がゆるむ前に覆工コン
クリート板と地山の空間を直ちに固結物で填充する必要
がある。さらに填充後、ゲル強度が弱いと、自重あるい
は施工中のセグメントの揺動により固結物に亀裂が発生
することもある。

【０００７】また、構造物（トンネル）ができ上がった
後、固結物の固結並びに止水が半永久的に保持できれ
ば、トンネルのメンテナンスが安くすむため、極めて経
済的である。しかし、従来の上述裏込め注入材ではビル
起こし用のものを除いてすべて耐久性に劣り、数年後に
は漏水現象を起こすことが普通であった。

【０００８】そこで、本発明の目的は固結物の耐久性に
優れることはもちろん、急速にゲル化して立ち上がり強
度が大きく、しかも、注入作業時や、固結後も、周辺に
アルカリ公害やカルシウム溶出を起こさず、このため、
例えばシールド工法において、連続的にセグメントを組
み立て得るばかりか地山がゆるまず、さらには、周辺の
地下水等に影響されずに固化し、例えば、トンネル裏側
の空洞等に地下水が充満していても希釈されずに固化
し、上述の公知技術に存する欠点を改良した裏込め注入
材を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
め、本発明によれば、水ガラスからナトリウムイオンの
一部または全部を除去して得られる脱アルカリシリカ
と、セメントとを有効成分として含有し、前記脱アルカ
リシリカ中のシリカの含有量が配合液１０００ml当たり
４〜３５ｇ、前記セメントの含有量が配合液１０００ml
当たり１５０〜４００ｇとなるように脱アルカリシリカ
とセメントを混合して可塑状態を呈するようにしたこと
を特徴とする。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的に詳述す
る。

【００１１】本発明の上述裏込め注入材は、脱アルカリ
シリカおよびセメントを使用することにより、ゲル化
時間が短く、立ち上がり強度が大きく、長期間にわ
たって固結物が耐久性に優れるという効果を奏し得る。

【００１２】本発明では、脱アルカリシリカを有効成分
とする液（Ａ液）と、セメントを有効成分とする液（Ｂ
液）を混合する場合、Ａ液とＢ液の混合比率や、ゲル化
時間調整剤を添加することにより、ゲル化時間を自由に
調整できる。

【００１３】本発明の裏込め注入材がビル起こし用とし
て用いる場合には、セメントのほかに、スラグ、消石灰
等が使用され、ゲル化時間を数秒以下のように極めて短
くすることができ、また、立ち上がり強度が３０分後に
は0.５kgf/cm²以上と大きいばかりでなく耐久性にも優
れている。

【００１４】また、トンネルのシールド工法における裏
込め注入材として用いる場合には、セメントにベントナ
イトを使用することにより短時間（例えば２〜２０秒)
で一次ゲル化し、１時間後には0.５kgf/cm²以上とな
る。

【００１５】なお、可塑状態の保持時間は、固結体の立
ち上がり強度をどれだけ必要とするかによって決定され
るが、通常１０〜８０分が好ましい。

【００１６】さらに、軟弱地盤の強化、止水で使用する
配合では、ゲル化時間を１０〜６０分のように長くする
こともできるのである。また、大断面、大深度および長
距離掘進等を必要とするシールド等のトンネルに用いる
裏込め注入材は、可塑状態が３０分以上保持されるのが
好ましく、しかも、立ち上がり強度が大きいことが要求
されるのであるが、本発明の裏込め注入材も遅延剤の選
択により可能となるのである。

【００１７】さらに、本発明では、脱アルカリシリカを
使用することにより、懸濁しているセメント等の粒子の
表面にシリカの一部が析出してこれらの粒子の沈降を抑
え、水に接しても希釈されにくくなるのである。したが
って、海底あるいは水中等の水面下であっても有効に固
結する。

【００１８】本発明に用いられる脱アルカリシリカは、
水ガラスから、該水ガラス中に存在するナトリウムイオ
ンの一部または全部を除去して得られ、具体的には、例
えばイオン交換樹脂やイオン交換膜で処理して得られ
る。

【００１９】イオン交換樹脂による処理の場合には、ま
ず、水ガラスを水で希釈して希釈水ガラスとし、この希
釈水ガラスをイオン交換樹脂の充填された塔に通過さ
せ、水ガラス中のアルカリを除去することにより、脱ア
ルカリシリカを得る。

【００２０】イオン交換膜による処理の場合には、上述
の水で希釈された希釈水ガラスを陰陽両電極間にイオン
交換膜を複数枚、間隔をあけて設置された電気透析槽に
充填し、両電極間に通電して水ガラスの電気透析を行
い、水ガラス中の陽イオンを除去することにより脱アル
カリシリカを得る。

【００２１】上述のようにして得られる脱アルカリシリ
カは、ｐＨを例えば次のようにして調整し、工業的に安
定で使用可能なものとする。

【００２２】（１）脱アルカリによって得られるｐＨ２
〜４の活性珪酸およびｐＨ７〜１２の低アルカリシリカ
を得る。（２）この活性珪酸に酸類を添加してｐＨ0.５
〜４の安定化した活性珪酸を得る。（３）この活性珪酸
にアルカリ類を添加してｐＨ７以下の安定化した活性珪
酸またはｐＨ７〜１２の低アルカリシリカを得る。
（４）この低アルカリシリカに酸類を添加してｐＨ７〜
１０の低アルカリシリカを得る。

【００２３】本発明の脱アルカリシリカは、ｐＨ２〜１
０、シリカ濃度１〜１５％のものが工業的には有利であ
り、また、安定性および環境汚染の面からも上記ｐＨの
ものが、裏込め注入材の有効成分としては適当である。

【００２４】また、ｐＨ７〜１２の上述低アルカリシリ
カは、水ガラスの部分的脱アルカリ処理により直接得ら
れたもの、あるいはこれをさらにｐＨ調整したもの、さ
らには、酸性の活性珪酸にアルカリ類、特に、コロイダ
ルシリカ、水ガラスを添加して、高モル比、高シリカ濃
度としたもの、等である。

【００２５】上述低アルカリシリカは脱アルカリ処理の
直後では、原料水ガラスのシリカと同じ分子量であっ
て、活性が高いが、アルカリの減少により次第に重合し
て安定化する。安定化された低アルカリシリカは脱アル
カリの程度、シリカの濃度にもよるが、１〜６ケ月間は
安定である。例えば、３号水ガラスを脱アルカリ処理し
て得られた、シリカ濃度約６％、ｐＨ１0.９の低アルカ
リシリカはモル比が約１５の高モル比であって、２ケ月
以上も安定である。

【００２６】なお、活性珪酸に特定のアルカリ類を添加
して得られるｐＨ７以下の活性珪酸もまた、安定化され
たものである。

【００２７】また、活性珪酸およびそのｐＨ調整された
ものは、酸性を呈するとはいえ、含有している酸は極め
て少量であり、セメントの強度発現を阻害することはな
い。

【００２８】本発明に使用されるセメントについは、特
に限定はないが、ポルトランドセメント、アルミナセメ
ント、高炉セメント等が挙げられ、セメント懸濁液の流
動性を重視する場合には比表面積３０００〜７０００cm
²/ｇのセメントが好ましい。

【００２９】さらに、初期強度を大きくする場合には、
比表面積４０００cm²/ｇ以上のコロイドセメントや、超
微粒子セメントが好ましい。

【００３０】また、ゲル化時間を長くしたり、耐久性を
良くしたい場合には、スラグを併用するのが好ましく、
その場合、比表面積３０００cm²/ｇ以上のものが好まし
い。比表面積が大きくなるほど強度が著しく、かつ急速
に強度増加する。

【００３１】本発明では、さらに増粘剤を使用すること
もできる。この増粘剤としては、粘土鉱物としてモンモ
リロナイト系粘土であるベントナイト、カオリン系陶
土、その他の粘土鉱物が用いられる。

【００３２】さらに、砂分として、現場で掘削したシル
ト、シルト混じり砂、その他の砂分等も使用できる。そ
の他増強材あるいは増量材としてフライアッシュ、石炭
灰、炭酸カルシウム、ホワイトカーボン、石灰類、その
他のポゾラン類等を使用することができる。

【００３３】特に、ビル起こし用裏込め注入材では、消
石灰を大量に使用することにより立ち上がり強度を大き
くすることができる。

【００３４】なお、固結物の初期強度を大きくする場合
には、石灰類を多くすることが好ましいが、逆にＢ液を
長距離圧送する場合には、石灰類を少なくすることが好
ましい。

【００３５】さらに、本発明では、Ａ、Ｂ液混合時に均
一なゲルができるように、あるいはゲル化時間を長くす
るために、アルカリ金属重炭酸塩、アルカリ金属炭酸塩
等を使用できる。

【００３６】本発明の配合液を１ショットで使用する場
合や、長距離圧送する場合には、遅延剤を使用すること
ができる。このような遅延剤としては、特に限定するも
のではないが、リグニンスルフォン酸を主成分とする遅
延型流動化剤、クエン酸、酒石酸等のヒドロキシカルボ
ン酸が好ましい。

【００３７】本発明の配合液の充填性を高めるには、流
動化剤を必要に応じて添加することもできる。また逆
に、本発明の配合液のセメント、骨材等の沈降分離を防
止するためには、必要に応じてカルボキシセルロース、
ヒドロキシエチルセルロース等の高分子系増粘剤を添加
することもできる。

【００３８】これらの添加剤は、裏込め注入材の用途、
注入個所の状況（空洞に水が充満しているかどうか
等）、材料の種類、使用量等により適宜選択使用されな
ければならない。

【００３９】Ａ液中のシリカ濃度は１〜１５％が好まし
い。またシリカの使用量は、ビル起こし用裏込め注入材
として使用する場合には、配合液１０００ml当たりＳｉ
Ｏ₂として８〜３５ｇが好ましく、トンネル等の裏込め
注入材として使用する場合には、配合液１０００ml当た
りＳｉＯ₂として４〜３０ｇが好ましく、軟弱地盤の強
化、止水に使用する場合は、それ以上の量を使用しても
かまわない。

【００４０】Ｂ液中のセメント含量は固結物の強度によ
るが、ビル起こし用の場合には配合液１０００ml当たり
セメント２００〜３３０ｇが好ましく、さらにセメン
ト、スラグ、消石灰の合計量が２２０〜４００ｇが好ま
しい。トンネル用の場合には、配合液１０００ml当たり
セメント１５０〜４００ｇが好ましい。

【００４１】また、Ａ液とＢ液の比率は特に限定される
ものではなく、Ａ液中のシリカ濃度と所望するゲル化時
間によって決定されるが、例えばＡ：Ｂ＝１：１〜５０
（容量）である。なお、従来から裏込め注入材の分野で
は比例注入が一般的であり、この方法は、ゲル化時間を
より短くすることができ、固結物の初期強度をより大き
くすることができるので好ましい。ゲル化時間調整剤を
添加する場合には、Ｂ液に添加し、その使用量は、配合
液１０００ml当たり１０ｇ以下が好ましく、初期強度発
現の点から必要最小限の量に止めるのが好ましい。

【００４２】本発明の裏込め注入材に起泡剤を添加し
て、エアモルタルとしても使用することもできる。ここ
に起泡剤としては、エアにより発生させた気泡を安定に
保持するために添加するものであり、動物性たんぱく質
や、発泡剤といわれているような界面活性剤等が挙げら
れる。さらに、気泡に代えてあるいは気泡に追加する形
で軽量骨材あるいは軽量発泡体を添加して、トンネル覆
工に作用する荷重を軽減した裏込め注入材とすることも
出来る。

【００４３】本発明の注入方式は、特に限定されるもの
ではないが、一次ゲル生成後は、そのゲルをさらに混合
（練り殺し）しないような方式が好ましい。ゲル化時間
が長い場合（２０〜３０分以上）は、１ショット方式、
ゲル化時間が短い場合は1.５ショット方式として、Ａ、
Ｂ液を別々に調合して、２台のポンプで圧送し、注入口
の手前で合流させ、好ましくはラインミキサーで混合し
て注入する方式とがある。

【００４４】

【発明の実施例】以下、本発明を実施例によって詳述す
るが、本発明はこれらの実施例によって限定されるもの
ではない。

【００４５】１．使用材料（１）脱アルカリシリカ表１に示す組成の脱アルカリシリカを使用した。

【００４６】

【表１】

【００４７】表１中、No.1〜３は原料として３号水ガラ
スを使用した。備考にはｐＨを調整するのに使用した材
料を示す。No.3は、３号水ガラスの水希釈液をイオン交
換樹脂で処理して、ｐＨ＝2.８の活性珪酸を作り、３号
水ガラスでｐＨ調整して、上記ｐＨ値とした。電気透析
法により得られる脱アルカリシリカは、イオン交換樹脂
法で得られる脱アルカリシリカと同一シリカ濃度、ｐＨ
のものを、本発明に適用した場合、本質的な差がないの
で、これを用いた実施例を省略する。

【００４８】（２）セメント表２に示す組成および粉砕度の異なるポルトランドセメ
ントと高炉セメントを使用した。

【００４９】

【表２】

【００５０】（３）スラグ表３に示す組成のスラグを使用した。

【００５１】

【表３】

【００５２】（４）ベントナイト（２００メッシュ）

【００５３】（５）消石灰平均粒径３.6ミクロンの微粒子消石灰を使用した。

【００５４】（６）水ガラス（ａ）３号水ガラス比重（２０℃）1.３９、ＳｉＯ₂
２9.２％、Ｎａ₂Ｏ9.５％、モル比3.１７のＪＩＳ３号
水ガラスを用いた。

【００５５】（７）酸性シリカゾル水ガラス−硫酸系であって、ｐＨ：1.８、ＳｉＯ₂濃
度：8.９％、ゲル化時間：約５０時間の酸性シリカゾル
を用いた。

【００５６】（８）コロイダルシリカ水ガラスをイオン交換樹脂で処理することによりアルカ
リの大部分を除去し、造粒して得られた、比重1.２０、
ＳｉＯ₂濃度３0.５％、ｐＨ9.５、粒子径１０〜２０ミ
リミクロンのコロイダルシリカを使用した。（旭電化工
業（株）製）

【００５７】（９）重曹試薬１級

【００５８】（１０）クエン酸試薬１級

【００５９】実施例１〜３および比較例１表１のNo.3の脱アルカリシリカをＡ液とした。また、表
２のNo.1のポルトランドセメント４０ｇ、表３のスラグ
２５ｇおよび消石灰１２.5ｇを水１４５mlに家庭用ミキ
サーで混合し、得られた懸濁液をＢ液とした。

【００６０】Ａ、Ｂ液を混合したところゲル化時間（一
次）は約１秒であった。配合液は全くブリージングしな
かった。３０分後の強度は2.５kgf/cm²であった。

【００６１】これらの結果より、裏込め注入材としての
適否を以下の基準で判定し実施例とした。判定基準は、
３０秒以内に可塑状態となること、ブリージング２％以
下、３０分強度0.５kgf/cm²以上となる配合を合格とし
た。その結果を表４に示す。

【００６２】以下同様にして、脱アルカリシリカ、セメ
ントその他の材料を変えた配合について行った結果を表
４に示す。また、比較例についても同様に実験を行い、
その結果を表４に示した。表４中、＊印は二次ゲル化
し、ゲル強度は大きく、裏込め注入材としては不適当で
あることを示す。

【００６３】

【表４】

【００６４】実施例４〜８および比較例２〜５表１のNo.3の脱アルカリシリカをＡ液とした。ベントナ
イト１００ｇを水１７８０mlに家庭用ミキサーで混合
し、次いで表２のNo.1のポルトランドセメント５００ｇ
を添加し、得られた懸濁液をＢ液とした。なお、表５に
は、Ｂ液の量を９０mlとしたときの各材料の使用量で表
示した。

【００６５】Ａ、Ｂ両液を表５に記載の比率で混合しゲ
ル化時間を測定した。また、同時に５φ×１０cmのモー
ルドで供試体を作成し、１時間強度を測定した。また、
ブリージングは、配合液調合後すぐに静置し３時間後に
判定した。これらの結果より、裏込め注入材としての適
否を判定し実施例とした。

【００６６】判定基準は、ブリージング２％以下、１時
間強度0.５kgf/cm²以上となる配合を合格とした。その
結果を表５に示す。以下同様にして、脱アルカリシリ
カ、セメントその他の材料を変えた配合について行った
結果を表５に示す。また、比較例についても同様に実験
を行い、その結果を表５に示した。

【００６７】

【表５】

【００６８】表５において、Ａ液／Ｂ液の比率により、
Ａ液の量は異なっている。また、＊１印は二次ゲル化し
たことを示す。

【００６９】実施例９〜１２および比較例６ゲル化時間の長い配合を表６に示す。実施例１と同様に
してＡ、Ｂ液を調製し、ゲル化時間、ブリージング、４
時間強度を測定した。なお、遅延剤としてクエン酸を使
用した。

【００７０】判定基準は、ブリージング３％以下、４時
間強度0.１kgf/cm²以上となる配合を合格とした。ま
た、比較例についても同様に実験を行い、その結果を表
６に示した。

【００７１】

【表６】

【００７２】実施例１３、１４および比較例７固結物の長期強度を測定した。その結果は表７のとおり
である。養生条件は水中養生とした。なお、比較例７の
ゲル化時間は３５秒であった。

【００７３】

【表７】

【００７４】

【発明の効果】以上のとおり、水ガラスをイオン交換樹
脂またはイオン交換膜で処理して得られる脱アルカリシ
リカをベースとして、これにセメントあるいはさらにス
ラグ、消石灰、ベントナイトを添加した裏込め注入材
は、次の効果を奏し得るものである。

【００７５】１．立ち上がり強度が大きい。トンネルの
シールド工法においては連続的にセグメントを組み立て
ることができ、地山のゆるみもない。２．固結物は高強度であり、耐久性に優れている。使用
する脱アルカリシリカが従来使用されている水ガラスよ
りアルカリが少ないため、耐久性が期待できるのであ
る。３．水質保全性、環境保全性に優れている。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平８−183956（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) E02D 3/12 101 E21D 11/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】水ガラスからナトリウムイオンの一部ま
たは全部を除去して得られる脱アルカリシリカと、セメ
ントとを有効成分とし、前記脱アルカリシリカ中のシリ
カの含有量が配合液１０００ml当たり４〜３５ｇ、前記
セメントの含有量が配合液１０００ml当たり１５０〜４
００ｇとなるように脱アルカリシリカとセメントを混合
して可塑状態を呈するようにしたことを特徴とする裏込
め注入材。
【請求項２】請求項１において、さらにスラグ、消石
灰およびベントナイトのうちの一種または複数種を添加
する請求項１に記載の裏込め注入材。