JP3448405B2 - 地山固結用薬液 - Google Patents

地山固結用薬液

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JP3448405B2 JP25193695A JP25193695A JP3448405B2 JP 3448405 B2 JP3448405 B2 JP 3448405B2 JP 25193695 A JP25193695 A JP 25193695A JP 25193695 A JP25193695 A JP 25193695A JP 3448405 B2 JP3448405 B2 JP 3448405B2
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功 夏堀
治 脇坂
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、破砕帯を有する岩
盤や砂礫層等の堆積層に代表される軟弱地盤の固結安定
化およびコンクリート中のクラックや空隙の補修等に用
いる注入薬液組成物(以下、地山固結用薬液という。)
に関する。
【0002】
【従来の技術】破砕帯を有する岩盤や砂礫層等の軟弱地
盤を固結安定化するためには、グラウトの注入を行なう
のが通常である。こうしたグラウトとしては、無機系グ
ラウト、有機系グラウト、および無機成分および有機成
分からなる無機−有機複合組成物が知られている。
【0003】このうち、無機系グラウトとしては、セメ
ントの懸濁液や水ガラスを成分とするものが代表的であ
るが、前者は地盤への浸透性が悪く、固結速度が遅い。
また、後者は、固結速度では前者に勝るものの固結強度
が低く、地盤への浸透性は充分ではない。さらに、水と
の接触によってアルカリ成分やシリカ成分が溶解して強
度低下を引き起こすという問題がある。
【0004】有機系グラウトとしては、尿素系、アクリ
ル系またはウレタン系の薬液を注入して地盤中で硬化さ
せるものが代表的であるが、尿素系薬液は、固結強度が
十分ではなく、ホルマリン等の硬化成分の溶出が問題と
なる。アクリル系またはウレタン系薬液は、固結強度は
高いものの、成分化合物が高価である上、硬化生成物が
可燃性であるという問題がある。
【0005】無機−有機複合組成物は、無機成分として
水ガラスを用い、有機成分として有機系グラウトに使用
されるような各種硬化剤を用いる系が基本的である。例
えば特開昭 55-160079号公報には、水ガラスを主成分と
する成分Aとイソシアネートからなる成分Bを含有する
硬化組成物の使用例が記載されている。こうした系で使
用可能なイソシアネートとしては、ジフェニルメタンジ
イソシアネート(MDI)等が知られている(例えば、
特開昭55-38862号、同4-283290号、同4-318096号公報
等)。クルードMDI(C−MDI)と称されるこのポ
リイソシアネートは、ベンゼン核を2個以上含む種々の
ポリイソシアネートの混合物である。C−MDIは、一
般的に無機−有機複合体を形成する上で有用であると考
えられているが、これをイソシアネート成分として用い
る場合、発泡倍率が1〜3倍程度と低いため、高い固結
強度を得るためには多くの薬液が必要となり経済性が悪
いという問題があった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、上記の
問題点を解決するため鋭意検討を行なった結果、C−M
DIの多核体の成分比、特に二核体と五核体以上の含有
比を調整することにより、ゲル化の進行と発泡とのバラ
ンスの改良された地山固結用薬液の提案を行なった(特
開平6-287557号公報および特願平6ー264583号)。これら
の地山固結用薬液では従来に優る4倍前後の発泡倍率が
実現される。本発明は、かかるC−MDI系地山固結用
薬液のさらなる改良を目的とするものであり、高い固結
強度と優れた浸透性を有し、なおかつ高い発泡倍率を有
し経済性にも優れた地山固結用薬液の提供を目的とす
る。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、先に提案
した地山固結用薬液の改良について検討する過程で、二
核体の分子構造が発泡倍率に関係しているという予想外
の事実を見出した。すなわち、二核体:
【化3】 にはメチレン基に対しオルトまたはパラ位にNCO基が
位置する3種類のジイソシアネート: (i) 2,4′−ジイソシアナトジフェニルメタン(以
下、「2,4−体」という。):
【化4】 (ii) 2,2′−ジイソシアナトジフェニルメタン(以
下、「2,2−体」という。):
【化5】 (iii) 4,4′−ジイソシアナトジフェニルメタン(以
下、「4,4−体」という。):
【化6】 が存在する(メタ置換体を含めればより多数の異性体が
存在するが、反応性の点からこれらは生成しにく
い。)。そして、特に2,4−体の含有比が一定の範囲
内にあると発泡倍率が著しく高くなることが判明し、本
発明を完成するに至った。
【0008】すなわち、本発明は、以下の地山固結用薬
液を提供する。 (1) ケイ酸ソーダ水溶液を主成分とするA液と一般
式(I):
【化7】 (式中、nは0または1以上の整数である。)で表わさ
れる有機イソシアネートを主成分とするB液とを組み合
わせた二液型地山固結用薬液組成物であって、上記イソ
シアネート全量の45〜65重量%がn=0の二核体で
あり、特に5〜35重量%が一般式(II):
【化8】 で示される2,4′−ジイソシアナトジフェニルメタン
であり、かつn≧3の有機イソシアネートが10〜45
重量%であることを特徴とする地山固結用薬液。 (2) イミダゾール類と少なくとも1種類の3級アミ
ンからなる硬化促進剤をB液成分の1〜20重量%含有
する前記(1)に記載の地山固結用薬液。 (3) 硬化促進剤が10〜70重量%のイミダゾール
類を含有するものである前記(2)に記載の地山固結用
薬液。
【0009】
【発明の実施の形態】本発明においてA液の主成分とし
て用いられるケイ酸ソーダ水溶液は、一般式Na2 O・
mSiO2 ・xH2 Oで表わされるケイ酸ソーダの水溶
液(いわゆる水ガラス)である。上記ケイ酸ソーダは市
販の製品を用いることができ、上記式においてm= 0.5
〜4の範囲のものが含まれる。水溶液の固形成分濃度と
しては、通常10〜60重量%、好ましくは20〜55
重量とする。固形分濃度が10%未満だと薬液中のケイ
酸ソーダの割合が低く充分な難燃性が得られない。固形
分濃度が60%を超えるとケイ酸ソーダが溶解しきれず
液の分離を引き起こす。
【0010】A液中にポリオールを含有させてもよい。
ポリオールを含有することで発泡倍率が高くなり、ま
た、硬化物の強度が向上する。ポリオールの例として
は、エチレングリコール、プロピレングリコール、1,
3−ブタンジオール、1,4−ブタンジオール、1,6
−ヘキサンジオールなどのジオール、グリセリン、トリ
メチロールプロパン、ペンタエリスリトールなどのトリ
オールならびにポリエチレングリコールおよびポリプロ
ピレングリコールまたはそれらの複合ポリオールなどの
ポリエーテルポリオールが挙げられる。ヒドロキシル価
150以上のポリオールが好適に用いられる。A液中に
おけるポリオールの含有量は、40重量%未満とする。
40重量%を超えると難燃性が悪くなる。また、粘度が
過大となり土中への浸透性が悪くなる。
【0011】本発明においては、B液の主成分として用
いられるC−MDIの成分比を一定範囲内にすること、
及び二核体中の異性体比を一定範囲内とすることが重要
である。具体的には、一般式(I):
【化9】 (式中、nは0または1以上の整数である。)で表わさ
れる有機イソシアネートにおいて、n=0の二核体をイ
ソシアネート全体の45〜65重量%とし、特に一般式
(II):
【化10】 で示される2,4−体を5〜35重量%、好ましくは1
0〜20重量%とする。また、n≧3の有機イソシアネ
ートを10〜45重量%、好ましくは15〜45重量%
とする。二核体が45重量%未満であると発泡倍率が低
い。一方、その含有量が65重量%を超えるとゲル化が
著しく遅れ、発泡とのバランスが崩れるため、良好な発
泡体が得られない。また、2,4−体が5重量%未満で
あると発泡倍率が低く、35重量%を超えると固結強度
が低下する。n=0の二核体が上記の条件を満たして
も、n≧3の多核体が10重量%未満であるか45重量
%以上であると、やはり実用に供し得るような良好な発
泡体が得られない。一般的に2,4−体の含有量が増え
ると固結強度が低下する傾向があるためn≧3の多核体
含有量を増やすことが好ましい。
【0012】注入薬液中には、A液とB液との反応を促
進させるための硬化促進剤を添加することが好ましい。
かかる硬化促進剤の例としては、ジメチルオクチルアミ
ン、ジメチルラウリルアミン、トリエチルアミン、エチ
レンジアミン、トリエチレンジアミン(TEDA)、テ
トラメチルヘキサメチレンジアミン(TMHD)、ジメ
チルシクロヘキシルアミン(DMCHA)エタノールア
ミン、ジエチルエタノールアミン、ジエタノールアミ
ン、トリエタノールアミン、モルホリンやピペラジンあ
るいはトリメチルアミノエチルピペラジン(TMAE
P)のようなその誘導体、イミダゾリンのような脂肪族
アミン、イミダゾール類、2,4,6−トリス(ジメチ
ルアミノメチル)フェノール−N,N,N′,N′−テ
トラメチルメタンジアミン、4,4′−ジアミノジフェ
ニルアミン等の芳香族アミン、あるいはジブチル錫ジラ
ウレート、オクチル酸錫、塩化第二錫、オクテン酸鉛、
ナフテン酸鉛等の有機金属系触媒が挙げられる。
【0013】以上の中でも、イミダゾール類と3級アミ
ンとを組み合わせて用いることが好ましい。好ましいイ
ミダゾール類の例としては、2−メチルイミダゾールや
2−メチル−イソブチルイミダゾール:
【化11】 のような環上の水素原子が低級アルキル基で置換された
イミダゾール誘導体が挙げられる。2−メチルイミダゾ
ールが特に好ましい。好ましい3級アミンの例としては
トリエチレンジアミン、テトラメチルヘキサメチレンジ
アミン、ジメチルシクロヘキシルアミン、トリメチルア
ミノエチルピペラジンが挙げられる。硬化促進剤の使用
量は、B液に対して 0.1〜20重量%、好ましくは 0.5
〜15重量%であり、このうち、イミダゾール類を好ま
しくは10〜70重量%、より好ましくは35〜60重
量%用いる。
【0014】硬化促進剤を注入液中に分散させるために
界面活性剤を用いてもよい。かかる界面活性剤の例とし
ては、アルキルサルフェート、アルキルベンゼンスルホ
ネート、エトキシアルキルサルフェート、エトキシアル
キルベンゼンサルフェート等のナトリウム塩、アミン塩
またはアンモニウム塩、アルキルリン酸塩のような陰イ
オン性界面活性剤、ポリエチレングリコールアルキルエ
ーテルのような非イオン性界面活性剤等が挙げられる。
この他、使用する硬化促進剤に応じて、陽イオン性、あ
るいは両イオン性界面活性剤を使用することもできる。
これらの界面活性剤の量は、硬化促進剤の1〜100重
量%、好ましくは10〜20重量%である。
【0015】B液は、上記の成分に加え、希釈剤を含ん
でもよい。希釈剤の例としては、酢酸ジエチレングリコ
ールモノエチルエーテル、プロピレンカーボネート、エ
チレングリコールジアセテート、ジオクチルフタレー
ト、ジブチルフタレート、ジオクチルアジペート、塩素
化パラフィン、プロセスオイル等が挙げられる。これら
は単独でも組み合わせて用いてもよい。また、発泡性を
調整するため、発泡性希釈剤を使用してもよい。ここ
で、発泡性希釈剤とは、A液とB液との反応の際発生す
る熱によって揮発し、両液の反応の結果生じる無機−有
機複合体を発泡させる有機溶媒である。発泡性希釈剤
は、希釈作用によってB液成分の岩盤への浸透性を高め
るとともに、発泡作用によって上記複合体を岩盤内によ
り深く浸透させ岩盤の強化に寄与する。発泡性希釈剤の
例としては、アセトン、メチルエチルケトン、ブタン、
ペンタン、ヘキサン、塩化メチレンなどが挙げられる。
使用が許容されるならば揮発性のハロゲン化アルキルを
用いてもよい。発泡性希釈剤の使用量は、作業環境によ
って、また、対象とする地盤等の強弱に関する考慮から
決定される。通常は、A液とB液との合計量の50重量
%以下である。
【0016】また、必要に応じて、オルガノポリシロキ
サンのような整泡剤、老化防止剤、耐熱性付与剤、抗酸
化剤のような安定化剤を用いてもよい。本発明の地山固
結用薬液は、上記A液とB液とを組み合わせたもので、
両液は使用時に混合される。混合比は、A液中の全水酸
基含有量とB液中のNCO基含有量によっても異なる
が、通常は、10:1〜1:10の範囲内、好ましくは
1:1〜1:3の範囲内とする。上記の範囲外では、い
ずれか一方の反応液が過剰となるため良好な地山固結効
果が達成されない。
【0017】本発明の地山固結用薬液は、破砕帯を有す
る岩盤や砂礫層等の堆積層に代表される軟弱地盤、ある
いは、コンクリート中のクラックや空隙に注入され、こ
れらを固結安定化するのに用いることができる。注入方
法については、注入の直前に二液の混合が確実に行なわ
れる方法であれば特に限定はなく、任意の方法が使用で
きる。典型的な方法は、以下のとおりである。まず、注
入を行なうべき岩盤等にあらかじめ所定間隔で孔を穿
ち、逆止弁および静止ミキサーを備えた有孔の注入ボル
トまたは注入ロッドのような注入管を固定する。一方、
A液とB液をそれぞれタンクに装入し、ホースおよび継
手を通して各液を上記注入管内に3〜10kg/cm2
の圧力で注入する。両液は、静止ミキサーを通して均一
混合され、地盤等の対象物中に注入される。こうした岩
盤固結方法の詳細については、例えば本出願人の出願に
かかる特開昭 62-288213号公報に記載されている。
【0018】なお、対象とする地盤等の種類または部位
に応じて注入方法や注入量は適宜変更される。例えば、
トンネルまたは坑道の天蓋部の補強を目的とする場合に
は、天蓋に沿って、例えば約2m間隔で、深さ約2〜約
3m、穿孔角度10〜20°、径4〜6cmの注入ボル
ト挿入孔を設け、各孔に全長3m程度の注入ボルトを挿
入する。こうした注入ボルトの一例として、図1に先端
閉鎖型注入ボルトを示すが、場合に応じて先端開放型
等、適当な形態を有する注入ボルトが使用できる。図に
示す注入ボルトは、中空パイプ状のパッカー部1と中空
のボルト部2をねじ継手3で連結したものである。簡便
のため図では短縮して示しているが、一般的にはボルト
部はパッカー部の2倍程度の長さを有する。薬液は逆止
弁付き継手からそれぞれ注入され、パッカー内に固定さ
れた静止ミキサー5を通して混合され、パッカーの先端
近くの外周に設けられた薬液吐出孔4から岩盤中に注入
される。薬液が確実に岩盤中に注入されるように、注入
ボルト挿入孔は注入ボルト挿入後、急結セメントまたは
発泡硬質ウレタン樹脂を塗布もしくは含浸させたウェス
等でシールしておくことが好ましい。薬液が岩盤空隙に
行き渡り固化すると、注入圧が急激の上昇するのでその
時点で注入を停止する。一般に注入ボルト1本につき2
0〜200kg程度の薬液の注入が行なわれる。
【0019】コンクリート等の補修を目的とする場合に
は、数十cm間隔で、深さ約5〜10cm、径約1cm
の注入孔を穿ち注入パイプを打ち込むか、クラック発生
箇所にUまたはV字型の凹部を設けてここに注入パイプ
を固定する。注入パイプに静止ミキサー等を備えたY字
管またはT字管の一端を接合し、比例配合ポンプ等を用
いて残りの二端から上記A液およびB液を注入する。注
入圧は 0.5〜20kg/cm2 程度とする。
【0020】
【実施例】以下、実施例および比較例を挙げて、本発明
を具体的に説明する。なお、混合液の浸透性、硬化体の
強度および発泡性は以下の試験により評価した。 [試験方法] (1) 浸透性 図2のような直径4cm、長さ30cmのガラス管に4
号硅砂を入れ、砂の上面が下がらなくなるまでバイブレ
ーターを用いて振動を与え、可能な限り堅く締めた砂柱
7を形成する。このガラス管内に本発明の薬液50gを
注ぎ、ガラス管上端を密閉する。液の流れを目視観測
し、液の流れが停止した時点での浸透深さを測定してこ
れをもって浸透性を評価した。浸透距離が15cm以上
をA、10〜15cmをB、10cm未満をCとした。 (2) 発泡倍率 A液とB液を1:1の割合で混合して、硬化後の体積を
測定し、反応前の両液の体積の合計値でこれを割って発
泡倍率とした。発泡倍率が12倍以上をA、8〜12倍
をB、6〜8倍をC、4〜6倍をD、それ以下をEとし
た。 (3) 圧縮強度 上記(1) の試験で得られた砂柱のうち、その上端面から
5〜15cmの間の部分を試料として採取し、φ40×
80mmに調整し、ストログラフにて圧縮速度5mm/
分で圧縮して破壊時の強度を測定した。最大降伏点が7
0kgf/cm2 以上をAとし、50〜70kgf/cm2 をB、3
0〜50kgf/cm2 をC、それ以下をDとした。
【0021】実施例1〜6 特2号水ガラス〔ケイ酸ソーダ(Na2 O:SiO2
1: 2.3〜2.6 )、含水率58〜62%〕98重量部と
2重量部のトリエチレンジアミン(硬化促進剤)を用い
A液を調製した。一方、表1に示すとおり、多核体比お
よび二核体の異性体比が種々のC−MDIと希釈剤(プ
ロピレンカーボネート)を用いてB液を調製した。例え
ば実施例1では、2,4-体:5重量%、他の2核体:40
重量%、5核体以上:10重量%で残部(45重量%)
が3〜4核体であるC−MDIを90重量部、減粘剤1
0重量部の合計100重量部でB液が構成されている。
他の例も同様である。上記A液とB液とを1:1の割合
で均一に混合し、上記の試験法により、A液とB液との
混合液の浸透性、硬化体の強度および発泡性を評価し
た。結果を表1下欄に示す。
【0022】
【表1】
【0023】比較例1〜7 B液中のC−MDIの多核体組成比および二核体の異性
体比を代えた他は実施例1〜6と同様にして比較用薬液
を調製した。比較例1と2は二核体(n=0)の含有量
が上限を超える例、比較例4は下限未満の例である。比
較例3と5はn≧3のイソシアネートが上限を超える
例、比較例6は下限未満の例である。また、比較例4は
2,4−体含有量が下限未満の例、比較例7は上限を超
える例である。上記A液とB液とを1:1の割合で均一
に混合し、実施例と同様に液の浸透性、硬化体の強度お
よび発泡性を評価した。結果を表2下欄に示す。
【0024】
【表2】 表1〜2の結果に示されるように、二核体の合計量がイ
ソシアナート全体の45〜65重量%を占め、2,4−
体の含有量がイソシアナート全体の5〜35重量%、か
つn≧3の多核体が10重量%という本発明の条件を満
たすことににより良好な発泡性と固結強度が実現され
る。特に実施例3と4の結果が良好であり、2,4−体
の含有量がイソシアナート全体の10〜20重量%で、
n≧3の多核体が15重量%以上で良好な発泡性が得ら
れることがわかる。
【0025】実施例7〜8 表3に示すようにA液中にポリオール(TQ−500:
三井東圧株式会社製分子量約500のポリエーテルポリ
オール)を添加して地山固結用薬液を調製した。なお、
B液組成は実施例3と4と同一とした。得られた薬液の
特性を表3下欄に示す。
【0026】
【表3】
【0027】上記結果に示されるように、ポリオールの
添加により強度が改善された。反面、粘度が増大して土
への浸透性は低下した。
【0028】実施例9〜12 表4に示すようにトリエチレンジアミンに代えて2−メ
チル−イソブチルイミダゾール(三共エアプロダクツ株
式会社DABCO(登録商標)NC-IM)、2−メチルイミダゾー
ルを用いて地山固結用薬液を調製した。なお、B液組成
は実施例3と4と同一とした。得られた薬液の特性を表
4下欄に示す。
【0029】
【表4】
【0030】上記結果に示されるように、これらの例で
はイミダゾール系の硬化促進剤を用いることにより強度
が改善されている。2−メチルイミダゾールを用いた場
合には発泡倍率が15倍となり、特に優れた結果が得ら
れた。
【0031】実施例13〜28 表5に示すように、2−メチルイミダゾールとともに種
々の非イミダゾール系アミン、すなわち、トリエチレン
ジアミン(TEDA)、テトラメチルヘキサメチレンジ
アミン(TMHD)、ジメチルシクロヘキシルアミン
(DMCHA)およびトリメチルアミノエチルピペラジ
ン(TMAEP)アミンを用いて地山固結用薬液を調製
した。なお、表中の硬化促進剤の内訳の欄の数値は硬化
促進剤中の重量比(%)であり、合計の使用量はいずれ
の実施例でも、実施例1〜6等と同様にA液の2重量%
とした。なお、B液組成は実施例4と同一とした。得ら
れた薬液の特性を表5(下欄)〜表8(下欄)に示す。
【0032】
【表5】
【0033】
【表6】
【0034】
【表7】
【0035】
【表8】
【0036】上記結果に示されるように、イミダゾール
系硬化促進剤による発泡性および強度の改善効果は非イ
ミダゾール系アミンとの量比により変化する。硬化促進
剤中のイミダゾールの使用量が10〜70重量%で良好
な結果が示され、35〜60重量%の範囲で特に優れた
結果が得られた。
【0037】
【発明の効果】本発明の薬液は、C−MDI中の多核体
の成分比及び2核体の異性体比を調整することによっ
て、浸透性や強度は従来の薬液と同等またはそれ以上で
発泡倍率が改善されている。このため、発泡の際に従来
の薬液では浸透しにくい空隙にもよく浸透して岩盤等の
固結処理をすることができ、しかも、経済的である。さ
らに、無機−有機複合体を形成するため、難燃性にも優
れている。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の地山固結用薬液の注入に使用できる
注入ボルトの断面図。
【図2】 本発明の薬液の浸透性等を試験する方法の説
明図。
【符号の説明】
1 パッカー部 2 ボルト部 3 ねじ継手 4 薬液吐出孔 5 静止ミキサー 6 ガラス管 7 砂柱 8 蓋 9 試料
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 夏堀 功 愛知県小牧市大字北外山字哥津3600番地 東海ゴム工業株式会社内 (72)発明者 脇坂 治 愛知県小牧市大字北外山字哥津3600番地 東海ゴム工業株式会社内 (72)発明者 満留 康幸 愛知県名古屋市西区鳥見町2丁目21番地 シンク化学工業株式会社内 (56)参考文献 特開 平7−41765(JP,A) 特開 昭55−160079(JP,A) 特開 平5−320645(JP,A) 特開 平6−287557(JP,A) 特開 昭52−144111(JP,A) 特開 平4−283290(JP,A) 特開 平4−132719(JP,A) 特開 平6−329903(JP,A) 特開 平8−157824(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C09K 17/00 - 17/52 C08G 18/76 E02D 3/12

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ケイ酸ソーダ水溶液を主成分とするA液
    と一般式(I) 【化1】 (式中、nは0または1以上の整数である。)で表わさ
    れる有機イソシアネートを主成分とするB液とを組み合
    わせた二液型地山固結用薬液組成物であって、上記イソ
    シアネート全量の45〜65重量%がn=0の二核体で
    あり、特に5〜35重量%が一般式(II): 【化2】 で示される2,4′−ジイソシアナトジフェニルメタン
    であり、かつn≧3の有機イソシアネートが10〜45
    重量%であることを特徴とする地山固結用薬液。
  2. 【請求項2】 イミダゾール類と少なくとも1種類の3
    級アミンからなる硬化促進剤をB液成分に対して1〜2
    0重量%含有する請求項1に記載の地山固結用薬液。
  3. 【請求項3】 硬化促進剤が10〜70重量%のイミダ
    ゾール類を含有するものである請求項2に記載の地山固
    結用薬液。
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