JP3714589B2

JP3714589B2 - 地盤注入用薬液

Info

Publication number: JP3714589B2
Application number: JP25656099A
Authority: JP
Inventors: 健二栢原; 求三輪; 正木嶋
Original assignee: 強化土エンジニヤリング株式会社
Priority date: 1999-09-10
Filing date: 1999-09-10
Publication date: 2005-11-09
Anticipated expiration: 2019-09-10
Also published as: JP2001081462A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はゲル化時間、特に土中におけるゲル化時間の短縮が少なく、このため地盤の液状化防止工事に適し、併せて注入薬液の漏洩を防止する、いわゆるリーク止めに適した地盤注入用薬液に関する。
【０００２】
【従来の技術】
地盤の液状化防止工事に適用される地盤注入用薬液は一般に、広範囲な地盤を固結するために、長時間にわたって連続注入できることが必要であり、このためには薬液のゲル化時間を長くすることが必要である。この種の薬液として従来、水ガラスと酸（主として硫酸）とからなる酸性シリカゾルが知られている。このシリカゾルのゲル化時間を長くするには、シリカ濃度を低く、かつ酸性度を強くしなければならない。
【０００３】
しかし、この種の酸性シリカゾルは強酸性のもとでは安定した長いゲル化時間を確保できるが、ｐＨの上昇とともにゲル化時間が急激に短縮し、ゲル化時間の調整が極めて困難となる。また、強酸性のもとでは長いゲル化時間が保持し得るものの、土中では土の性状にもよるが、多くの場合、ゲル化時間が大幅に短縮する。したがって、この種のシリカゾルを地盤の液状化防止工事に適用するには、長時間連続注入して広範囲の地盤を固結するという点で問題があった。
【０００４】
すなわち、シリカ系グラウトを地盤に注入して液状化防止を行う場合、広大な範囲を経済的に処理する必要から耐久性と浸透性に優れたシリカ系グラウトを用い、注入孔間隔を通常、２〜４ｍとして長時間にわたって注入を続けなくてはならない。（通常の注入では注入孔間隔は１ｍ以内である。）
【０００５】
たとえば、注入孔間隔を２ｍの正方向配置にする場合、
▲１▼注入管の埋設間隔Ｐ＝２ｍ×２ｍの正方形配置にし、
▲２▼注入速度ｆ＝２０ｌ／min とすると、
▲３▼注入管１孔当り改良平面積はＡｐ＝２ｍ×２ｍ＝４m²であり、
▲４▼１ステージ当り改良土量（m³) をＶ＝２ｍ（改良高さ）×４m²＝８m³とすると、

である。（0.３５〜0.４０：注入率）。したがって、

と長時間による注入を行わなくてはならない。
【０００６】
また、注入孔間隔を４ｍの正方向配置にする場合、

の注入を行わなければならない。
【０００７】
このように、液状化防止に使用する注入用薬液（注入材）は長時間連続注入できることが必要である。ところが注入材は地盤中で長時間土粒子と接触しつづけると、その間に土との反応によってゲル化時間が短縮し、長時間の連続注入が不可能になりやすい。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
通常、地盤の液状化防止工事に適したシリカゾルグラウトとしては、土中でのゲル化時間の短縮ができるかぎり少ないこと、および生成する塩の量が少ないことが必要である。また、同時に、注入薬液（グラウト）の漏洩を防止する、いわゆるリーク止めに適した地盤注入用薬液であることが必要である。
【０００９】
非アルカリ性シリカゾルがゲル化時間を長く保持するためには、従来、上述のとおり、シリカ濃度が低いこと、および酸性度が強いことと考えられていた。
【００１０】
本発明者等はさらに研究を進めた結果、水ガラスのアルカリを酸で除去してシリカゾルを生成するに当たって、シリカ以外の塩の生成量を少なくすることがゲル化時間を長く保持するために極めて有効であることと考え、そのためには、モル比の高い水ガラスを用いること、および酸の量を少なくすることが重要であると考えた。
【００１１】
酸としては強酸である硫酸を用いると、反応生成物であるシリカ以外の塩が少なくてすむ。すなわち、本発明者等はシリカ濃度の低い領域で、かつ弱酸性の領域で、高モル比の水ガラスと硫酸を用いると、一定のｐＨ値で長いゲル化時間を得ることを見いだした。その理由はシリカ分以外の生成塩の存在はシリカコロイドを塩析によってゲル化を促進するため、生成塩を少なくすることによってゲル化時間を長く保持できるものと思われる。
【００１２】
さらに、本発明者等は、この領域のシリカゾルは地盤中に浸透した場合、土粒子との接触にともなうゲル化の促進が少なくてすみ、長時間の連続注入が可能になることも見いだし、本発明を完成したものである。
【００１３】
そこで、本発明の目的はゲル化時間、特に土中におけるゲル化時間の短縮が少なく、このため地盤の液状化防止工事に適し、併せて注入薬液の漏洩を防止する、いわゆるリーク止めに適し、上述の公知技術に存する欠点を改良した地盤注入用薬液を提供することにある。
【００１４】
【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、水ガラスと硫酸とからなる地盤注入用薬液において、前記水ガラスがモル比 3. ５〜 5. ０の高モル比水ガラスであり、シリカ濃度が２〜７パーセントの低濃度であり、かつＰＨ値が３〜６である非アルカリ性シリカゾルとすることにより、地盤に注入の後、土粒子との接触にともなうゲル化の促進が少なく、このため、長時間の連続注入によって長い浸透距離が可能になって、地盤の液状化防止に利用されることを特徴とする。
【００１５】
さらに、上述の目的を達成するため、本発明によれば、前記非アルカリ性シリカゾルは２乃至４ｍの注入孔間隔で地盤に注入することを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の態様】
以下、本発明を具体的に詳述する。
【００１７】
一般に、酸性シリカゾルでは、ｐＨ値を高くすると、ゲル化時間は当然早くなる。この場合、水ガラスのモル比の変化がｐＨ値とゲル化時間の関係にどのように影響するかを、ＳｉＯ₂濃度が４％の場合について調べ、結果を図１に示した。図１から明らかなように、同一のｐＨ値に対応するゲル化時間は水ガラスのモル比が高くなる程遅くなる。
【００１８】
また、ＳｉＯ₂濃度が４％および６％、ｐＨ値が４および５の場合、水ガラスのモル比とゲル化時間の関係にどのように影響するかについて調べ、結果を図２に示した。図２から明らかなように、同一のｐＨではＳｉＯ₂濃度が薄い程相対的にゲル化時間は遅く、また、水ガラスのモル比が大きくなる程ゲル化時間は長びく。
【００１９】
以上から、ｐＨが酸性領域にある酸性シリカゾルにおいて、ゲル化時間を長くするには水ガラス中のＳｉＯ₂濃度、すなわち、水ガラスの濃度を稀薄にして水ガラスのモル比を大きくすることが好ましいことになる。したがって、水ガラスの濃度はＳｉＯ₂として７％以下、好ましくは６％以下であるが、２％以下では、ゲル化時間は長くびくが、強度的には極めて軟弱となって不適である。
【００２０】
なお、固結強度としては、通常、固結砂の一軸圧縮強度が0.５〜1.０kgf/cm²程度あれば、地震時のくり返し剪断応力に対し、砂粒子間隙のゲルが破壊せず、負のダイラタンシーを生じないため、液状化が生じないと考えられている。
【００２１】
また、水ガラスのモル比としては、3.１〜3.３のＪＩＳ３号水ガラスが一般に広く使用されているが、本発明では、ゲル化時間を長びかせるために3.５〜5.０の高モル比の水ガラスを使用する。したがって、これはアルカリ分が相対的に少量であるため、アルカリと反応する硫酸の量も少量で足りる。このことは反応によって生成する塩の量も自ら少なくなり、土中におけるゲル化時間の短縮が少なくなる。アルカリのさらに少ないモル比5.０以上の水ガラスは製造が困難で工業的生産が不向きで実用上使用は難しい。
【００２２】
本発明にかかる非アルカリ性シリカゾルはｐＨ値が３〜６の酸性シリカゾルである。このようなｐＨ値のものを地盤中に注入すると、一般に、ｐＨは上昇し、中性に近づく。注入土壌の性状にもよるが、ｐＨ３以下の注入では中性領域まで上昇しない場合があり、また、６以上となると一般にゲル化が速くなって充分浸透しない場合がある。
【００２３】
以上のとおり、本発明にかかる地盤注入用薬液は使用する水ガラスのモル比を3.５〜5.０と高くし、混合液中のＳｉＯ₂濃度を２〜７％、さらに好ましくは３〜６％と比較的稀薄にし、かつｐＨを３〜６の範囲におさまるように混合した酸性シリカゾルである。
【００２４】
これを地盤中に注入して該地盤の液状化を防止するに当たり、ゲル化時間が長く、特に、土中ゲル化時間の短縮は少なく、極めて優れた浸透性を示し、液状化防止用としては非常に好ましいものである。
【００２５】
このような本発明にかかる薬液はゲル化時間が長いため、同時に上記の薬液が漏洩した場合には、これを防止する必要がある。それにはゲル化時間が瞬結から数分位に配合された薬液が必要となる。これには上記の条件をできる限り適用することが便利である。したがって、水ガラスのモル比、濃度は変化せしめることなく、そのままにして水ガラスと硫酸に、さらにアルカリ剤を添加してｐＨを４〜９に上昇せしめてゲル化時間を早めんとするものである。
【００２６】
ｐＨを９以上にまで上昇せめしると、瞬結域を通過するので、ゲルが不均一になり易く、アルカリの使用量も多くなる。また、この程度のＳｉＯ₂濃度でｐＨを４以下にすると数分以下という短時間のゲル化時間を得ることは難しくなる。
【００２７】
上述に用いられるアルカリ剤としては、炭酸水素ナトリウムのような可溶性のアルカリ剤、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウムのような難溶性のアルカリ剤等が挙げられる。アルカリ剤の添加によりｐＨをあげてゲル化時間の短縮調整をはかることができるが、難溶性のアルカリ剤の場合は、溶解性の点から特に弱酸性〜中性域での調整が比較的容易である。
【００２８】
なお、本発明において、ゲル化時間の調整のために、他の酸、塩類、例えば、リン酸、酸性リン酸塩、硫酸アルミニウム等を併用したり、ヘキサメタリン酸ソーダ等の金属イオン封鎖剤、あるいはセメント、スラグ等を併用することもできる。
【００２９】
【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。
【００３０】
１．使用材料
（１）水ガラス
（ａ）５号水ガラス
比重（２０℃）1.３２、ＳｉＯ₂２5.５％、Ｎａ₂Ｏ7.０３％、モル比3.７５
（ｂ）ＪＩＳ３号水ガラス
比重（２０℃）1.３９、ＳｉＯ₂２9.２％、Ｎａ₂Ｏ9.５％、モル比3.１７
【００３１】
（２）硫酸
７５％工業用硫酸
【００３２】
（３）アルカリ剤
可溶性のアルカリ剤として炭酸水素ナトリウム、難溶性のアルカリ剤として水酸化マグネシウムを一例として取りあげた。
（ａ）炭酸水素ナトリウム試薬一級ＮａＨＣＯ₃
（ｂ）水酸化マグネシウム試薬一級Ｍｇ（ＯＨ)₂
【００３３】
（４）砂
細砂として豊浦標準砂、シルト質砂として千葉県産海砂を使用。
【００３４】
２．測定法
（１）ｐＨガラス電極ｐＨ計にて測定。
【００３５】
（２）ゲル化時間
（ａ）ホモゲルのゲル化時間
２０℃のカップ倒立法により測定。
（ｂ）土中ゲル化時間
２０℃でグラウト液を砂と混合、静止し、上澄を捨て、砂に竹串を刺して引き抜き、跡が残ったときを土中ゲル化時間として測定。
【００３６】
（３）サンドゲル一軸圧縮強度
豊浦標準砂によるサンドゲルを１０日間ポリ塩化ビニリデン密閉養生（２０℃）して、土質工学会基準「土の一軸圧縮試験方法」により測定。
【００３７】
３．実施例
（１）水ガラス・硫酸からなる系
水ガラス水溶液をＡ液、硫酸水溶液をＢ液として、Ａ、Ｂ合流液のＳｉＯ₂（％）、ｐＨ、ゲル化時間（ホモゲル、土中）、サンドゲル一軸圧縮強度を測定。本発明にかかる実施例を比較例と対比して検討し、結果を表１に示した。
【００３８】
【表１】

【００３９】
実施例No.1ではゲル化時間は長く、固結強度も高い。これに比べＳｉＯ₂濃度を同じにして、３号水ガラスを使用した比較例No.1は土中ゲル化時間の短縮が大きく、また、使用硫酸量も多い。
【００４０】
水ガラス濃度を薄くした（ＳｉＯ₂量が低い）実施例No.2とＳｉＯ₂量は同一にしてｐＨを本発明の範囲以上に高くした比較例No.2と比べると、比較例No.2ではゲル化時間が非常に早くなっている。
【００４１】
水ガラス濃度を濃厚にした（ＳｉＯ₂量が高い）実施例No.3とＳｉＯ₂量は同一にしてｐＨを本発明の範囲以下に低くした比較例No.3とを比べてみると、比較例No.3ではｐＨが低すぎて土中においても中性域にまで達し得ない懸念があり、好ましくない。
【００４２】
比較例No.4はＳｉＯ₂濃度が本発明の範囲以下の場合で、強度が非常に軟弱で使用は不適である。
【００４３】
比較例No.5はＳｉＯ₂濃度が本発明の範囲以上の場合で、ゲル化時間が比較的早く、硫酸量も自ら多量を必要とするので好ましくない。
【００４４】
以上の結果から、実施例のNo.1〜No.3ではホモゲルのゲル化時間が長く、かつ土中でのゲル化時間の短縮が少なく、依然として長い時間を保持できる。また、強度的にも満足でき、液状化防止用としては適当な地盤注入用薬液である。
【００４５】
（２）浸透試験
上記実施例および比較例から本発明は優れた浸透性が期待されるが、念のため、図３の注入試験装置に示す内径５０mm、長さ５ｍのアクリル製パイプ１内にモデル地盤としての砂２を６０％の相対密度になるように締め固める。注入圧0.８kgf/cm²で注入材を注入口３から圧入し、注入口３から浸透した各距離と浸透延長の延びと強度との関係を観察した。図３中、４はオーバーフロータンク、５は排出口である。結果を表２に示す。
【００４６】
【表２】

【００４７】
表２より、豊浦標準砂の場合、本発明にかかる浸透注入No.1〜No.3はすべて全長に均一に浸透した。したがって、強度も全長にわたり略均一であった。比較例にかかる浸透試験ではNo.6以外のNo.4、５、７、８では中途までしか浸透し得ず、固結強度も下部から上部に向かって低下がみられた。千葉県産海砂の場合は豊浦標準砂の場合より全般にゲル化時間が短いので浸透は劣化している。しかし、本発明の浸透試験No.1〜No.3は、本発明外の浸透試験No.4〜No.8に比べると浸透距離、強度分布状態ともに非常に優れている。
【００４８】
（３）水ガラス−硫酸−アルカリ剤からなる系
水ガラス−硫酸からなる酸性シリカゾルをＡ液、アルカリ剤水溶液または水懸濁液をＢ液として、Ａ、Ｂ合流液のｐＨ、ゲル化時間、サンドゲルの一軸圧縮強度を測定。水ガラスとして本発明にかかる５号水ガラスと対照として３号水ガラスの場合を表３に示す。
【００４９】
【表３】

【００５０】
表３において、５号水ガラスおよび比較例としての３号水ガラスの場合ともにＳｉＯ₂濃度は総て同一に配合した。比較例No.6、７はアルカリ剤を添加しない酸性シリカゾル自体でゲル化時間は当然長い。これにアルカリ剤を添加した実施例No.4〜10は５号水ガラスの場合であり、比較例No.7〜12は３号水ガラスの場合である。いずれもゲル化時間は数分から瞬結にまで短縮される。
【００５１】
しかし、この両者を比べてみると、実施例No.4〜６は比較例No.8〜９（何れも炭酸水素ナトリウムの場合）に比べてゲル化時間の変動は緩慢である。また、実施例No.7〜10は比較例No.10 〜12（何れも水酸化マグネシウムの場合）に比べてゲル化時間の変動は緩慢である。また、全般に水酸化マグネシウムの方が炭酸水素ナトリウムよりゲル化時間の変動が緩やかである。したがって、５号水ガラスすなわち、高モル比水ガラスを使用する方が、また、アルカリ剤としては難溶性のものを使用する方がゲル化時間の調整が容易であることが伺える。
【００５２】
すなわち、本発明の薬液は注入薬液の漏洩を防止するリーク止めに適しており、かつ調整が容易である。強度的にも実施例は比較例に比べて相対的に若干高いようである。
【００５３】
以上、実施例ならびに浸透試験から本発明にかかる酸性シリカゾルは、従来の酸性シリカゾルに比べると液状化防止用の薬液としては明らかに優れていることが伺える。また、リーク止めとしても適当であることが伺える。
【００５４】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明にかかる地盤注入用薬液は次の効果を奏し得るものである。
【００５５】
１．ゲル化時間が長く、特に土中におけるゲル化時間の短縮が少ない。
【００５６】
２．浸透性に優れる。
【００５７】
３．硫酸量が少量で足りる。
【００５８】
４．したがって、地盤の液状化防止工事に適した地盤注入用薬液である。
【００５９】
５．薬液の漏洩を防止するリーク止めとして適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＳｉＯ₂濃度が４％のときの水ガラスのモル比の変化がｐＨ値とゲル化時間の関係にどのように影響するかを表したグラフである。
【図２】ＳｉＯ₂濃度が４％および６％、ｐＨ値が４および５のとき、水ガラスのモル比と、ゲル化時間の関係にどのように影響するかを表したグラフである。
【図３】本発明薬液の注入実験装置の断面図である。
【符号の説明】
１パイプ
２砂
３注入口
４オーバーフロータンク
５排出口

Claims

水ガラスと硫酸とからなる地盤注入用薬液において、前記水ガラスがモル比 3. ５〜 5. ０の高モル比水ガラスであり、シリカ濃度が２〜７パーセントの低濃度であり、かつＰＨ値が３〜６である非アルカリ性シリカゾルとすることにより、地盤に注入の後、土粒子との接触にともなうゲル化の促進が少なく、このため、長時間の連続注入によって長い浸透距離が可能になって、地盤の液状化防止に利用される地盤注入用薬液。
請求項１において、前記非アルカリ性シリカゾルは２乃至４ｍの注入孔間隔で地盤に注入する請求項１に記載の地盤注入用薬液。