JP3945722B2

JP3945722B2 - 固化材の地盤注入工法

Info

Publication number: JP3945722B2
Application number: JP24494596A
Authority: JP
Inventors: 木重孝鈴; 本哲郎榎
Original assignee: Chemical Grouting Co Ltd; Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Chemical Grouting Co Ltd; Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 1996-09-17
Filing date: 1996-09-17
Publication date: 2007-07-18
Anticipated expiration: 2016-09-17
Also published as: JPH1088131A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地盤改良工法、液状化対策工、裏込充填工、高止水性地中連続壁工等に使用される固化材の地盤注入工法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
各種基礎工法や地盤改良工法等で一般的に使用されている固化材は、通常セメントをベースとし、添加剤として界面活性剤等が添加されている。また、築造される地中固結体の発現強度を低強度にすることが要求されるシールド発進・到達防護工法や、液状化対策として対象地盤全体を固結化する工法等の場合には、発現強度低下材としてベントナイトや粘土を混合することで対応していた。
【０００３】
しかし、普通セメントにベントナイトや粘土を混合すると、それにより製造される固化材が高粘度となり、地盤に固化材を圧送する時や、土と混合する時や、余剰の土或いは固化材を地表に回収するとき等には、以下に述べる様な種々の問題を有している。
【０００４】
例えば、基礎工法の内、各種地盤改良工法やソイルセメント壁工法、又は注入工法に限って言えば、従来の固化材には次に述べる様な問題点がある。
【０００５】
まず、普通セメント単体（以下「セメントミルク」という）の場合、その配合の一般的使用範囲は、水：セメント比で５０〜１５０％前後である。この場合、ブリーディング（分離：この場合は「遊離水」のこと）による固結体の縮小化や、設定した以上の強度が発現する（セメント粒子の沈降による密度増に基づく）等の問題が存在する。
【０００６】
次に、セメントミルクにベントナイトを添加した固化材であるセメント・ベントナイト（以下「ＣＢ」という）の場合について説明する。
【０００７】
このＣＢは、ブリーディングの傾向を小さくしたり、低発現強度に設定するためのものであるため、その特性として、低ブリーディング・低強度である。しかし、その反面、高粘度スラリーとなる。
【０００８】
ベントナイトを構成している粘土鉱物のモンモリナイトが、水と接触すると著しく膨張・分解してコロイド（粒径０．００１〜１．０μｍ）になる。この充分に膨張したベントナイト溶液にセメントを加えると、電気化学的作用を起こし、セメントの水和反応の際に生じたＣａ²⁺イオンがマイナスに帯電したベントナイト粒子表面に吸着し（荷電置換という）、ベントナイトだけの時よりも急激に粘度が増加し、流動性を失う。
【０００９】
仮にセメント懸濁液中にベントナイト粉末を添加した場合には、ベントナイトが水により膨張・分散化してコロイド化する過程において、セメント懸濁液中のＣａ²⁺イオンがベントナイト粒子の表面に吸着されてしまい、その後の膨張を妨げてベントナイト本来の性質を生かすことができなくなり、それと共にセメント自体の硬化も阻害される。その結果として低強度・高粘度スラリーとなる。
【００１０】
そして、ポンプ圧送能力や地盤内の受け入れ抵抗、地盤隆起等の問題に関連して、正常な施工状態を確保するためには、セメントに対するベントナイトの添加量は重量比で７〜１２％が限界となっている。
【００１１】
また、要求品質を満足させるためには、水・ＣＢ比を大幅に増加する必要がある。そのため、ＣＢ注入により築造された地中固結体は、注入加圧によるＣＢスラリーの脱水により縮小化すると共に、水とＣＢとの比率の変化により、固結体の発現強度が向上してしまうという問題があった。
【００１２】
さらに、従来の固化材では殆ど全てがセメントを主材とし、築造されるべき地中固結体に要求される強度により、粘土・ベントナイト・石粉等を混合したスラリーに粘性低化剤（コンクリート流動化剤）を添加している。しかし、施工後１年を経過した後には、設計強度の３〜６倍まで地中固結体の強度が増加し、結果として、地盤改良工法に対して要求される品質に対して過剰品質をもたらすこととなる。また、高強度改良地盤となってしまうため、将来において該改良箇所で削孔或いは掘削等の施工を行なう際に大きな問題となる可能性を示している。
【００１３】
次に、従来の各種工法において固化材に対して要求される事項について説明する。
【００１４】
高圧噴射攪拌混合工法（ジェットグラウト工法を指す）では、固化材スラリーは、超高圧ポンプでの圧送抵抗を低減し、ノズルから噴射される固化材スラリーの拡散を防止し、改良地盤と均一な攪拌・混合を保証し、そして余剰スラリーとスライムの地上回収時の抵抗を少なくさせる等の理由から、低粘性であること｛例えば、プレパックドコンクリートの注入モルタルの流動性試験方法（Ｐロートによる方法：ＪＳＣＥ−Ｆ５２１−１９９４）で、およそ９秒以下｝が要求される。また、改良固結体のブリーディングによる縮小化防止のため、低ブリーディング性であることが要求される。さらに、改良強度、即ち築造される地中固結体の設定強度の調整（強度調整）を自由に行なえること（例えば、１軸圧縮強度で５〜１００ｋｇｆ／ｃｍ²の範囲）や、懸濁粒子が均一で微粉末であること（ブレーン値で３０００ｃｍ²／ｇ以上）、或いは、凝固開始時間の事前設定が１〜４時間の範囲で可能であることが要求される。
【００１５】
機械攪拌混合工法の場合については、ポンプによる圧送に対する抵抗の低減、改良地盤との均一な攪拌・混合、攪拌翼のトルクの低減、という理由から、低粘性であることが要求される。そして、改良固結体のブリーディングによる縮小化防止のため、低ブリーディングであることが要求され、改良強度、即ち築造される地中固結体の設定強度の調整（強度調整）を自由に行なえることや、回転トルクを低減するため長深度施工では固化材凝固時間が自在に調整できること、等も要求される条件である。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
以上、述べたことを要約すると、低粘性、低ブリーディングで、且つ、任意の設定強度が得られるという性質を有する固化材が、従来から要請されていた。
【００１７】
しかし、その様な３つの条件を全て満足する性質を有する固化材は、従来は提供されていなかった。
【００１８】
本発明は、上述した様な要請に対処するべく提案されたもので、低粘性で、低ブリーディング性で、任意の設定強度が得られる固化材の地盤注入工法の提供を目的としている。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明の固化材の地盤注入工法は、焼成温度２００〜７００℃で焼成し、粉末度をブレーン値で５０００〜９０００ｃｍ^２／ｇとし、膨潤度を３．５ｃｃ／ｇ以下とした焼成微粉末粘土を準備し、施工に先立って焼成微粉末粘土とセメントとの重量割合の混合比率を事前に設定する混合比率設定工程と、混合比率設定工程で設定された混合比率に従い焼成微粉末粘土とセメントとを、生産工場において１：９〜８：２の混合比率に混合して固化材を調整する混合工程と、調整された固化材を施工するべき地盤に注入する注入工程とを有している。
【００２０】
ここで、当該粘土は、例えばモンモリナイト系またはカオリナイト系の粘度を２００〜７００℃の温度範囲で焼成し、その膨潤度が３．５ＣＣ／ｇ以下になるように調整され、且つ当該粘土の粉末度は、ブレーン値で５０００〜９０００ｃｍ²／ｇの範囲になるように調整されているのが好ましい。
【００２１】
本発明の固化材に用いられるセメントは、普通ポルトランドセメント、フライアッシュセメント、高炉セメント、中庸熱セメント等珪酸カルシウム系のセメントであれば種類を問わず使用可能であるが，入手の容易さおよび価格の面から普通ポルトランドセメントを使用することが好ましい。
【００２３】
本発明における、セメントと焼成微粉末非膨潤性粘土との混合比は、重量割合で焼成微粉末非膨潤性粘土：セメント＝１：９〜８：２で混合されるのが好ましい。ここで、当該混合比を上記範囲内で変えることにより、本発明の固化材を用いた築造物について、要求強度を事前に設定することができるのである。
【００２４】
そして、粘土を高温で焼成することによって、粘土中の膨潤性粘土が非膨潤性粘土に変化し且つ電荷が無くなり、セメトのＣａ²⁺イオンと電気化学的作用（電荷置換）が生じなくなるため、増粘現象は発生せず、低粘性が達成できる。
【００２５】
また、本発明の固化材に用いる焼成微粉末非膨潤性粘土はブレーン値５０００〜９０００の微粉末粘土であり、粉末の単位重量もポルトランドセメントに比べ小さい等の理由により、スラリー状態での粒子の沈降が殆ど生じることなく凝固してしまうので、低ブリーディング化が達成される。
【００２６】
ここで、以下の表１と添付された図１は、本発明における焼成微粉末非膨潤性粘土の焼成温度と、そのときの本発明の固化材の流動性及びブリーディング率の相関関係について示したものである。
【００２７】

表１及び図１から明らかな様に、流動性を示すフロー値及びブリーディング率は、共に２００〜７００℃の範囲では大きく変化はしないが、当該範囲を外れると急激に変化する。
【００２８】
また、下表２及び添付された図２は、本発明における焼成微粉末非膨潤性粘土のブレーン値と、そのときの本発明の固化材の流動性及びブリーディング率との相関関係を示したものである。
【００２９】

表２及び図２から明らかな様に、ブレーン値が５０００〜９０００ｃｍ²／ｇの範囲では、フロー値は多少の変動は認められるが、ブリーディング率は安定している。
【００３０】
さらに、下表３と添付された図３は、本発明の焼成微粉末非膨潤性粘土のブレーン値が、３０００、６０００、及び９０００（いずれも単位はｃｍ²／ｇ）のそれぞれの場合において、セメントと前記粘土との混合比（粘土：セメント）を重量割合で１：９から９：１に変化させたときの強度との相関関係を示したものである。
【００３１】

表３及び図３から明らかな様に、混合比が１：９〜８：２の範囲にある場合には、強度は緩やかに変動し、その範囲を外れると強度は急激に上昇する。即ち、上記範囲内では要求強度に設定することが容易であることが理解される。
【００３２】
これに加えて、下表４及び添付された図４は、本発明の焼成微粉末非膨潤性粘土の膨潤度とＰロートによるフロー値（流動性）及び強度との相関関係について示している。
【００３３】

表４及び図４から明らかな様に、膨潤度が３．５ｃｃ／ｇ以上になると、流動性が急激に低下すると共に、強度も極端に低下してしまうので、地盤改良材としては不適当である。一方、３．５ｃｃ／ｇ以下では、高流動性及び安定した低強度が得られる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
図５に本発明の固化材に含有される焼成微粉末非膨潤性粘土の一例の化学成分、比重、比表面積が示されている。また、その製造方法が図６に示されている。先ず、原料をホッパ１に入れ、そのホッパ１からでた原料はふるい２で分級される。そして分級された所定の粒度以上のものはクラッシャ３で粉砕され、ドライヤ４で焼成乾燥される。乾燥された原料は、ミル５で再度所定粒度まで粉砕され、バグフィルタ７を通して製品となる。なお、符号６、および８は原料あるいは製品を移送するためのブロワである。
【００３５】
図７−９は、本発明に係る固化材を用いた場合と、従来の普通ＰＣ（ポルトランドセメント）及び高炉セメント−Ｂ種との比較結果を表にして示すものであり、本発明（の実施形態）に係る固化材を用いて施工した現場でボーリング調査を行なった場合の結果を表現している。
【００３６】
図７は、空隙調査の結果を示しており、本発明に係る固化材を用いた施工部分、従来の普通ＰＣを用いた施工部分、及び高炉セメント−Ｂ種を用いた施工部分をボーリングして、施工天場部分のブリーディングによって生ずる空隙の有無を確認した。なお、施工対象土は砂質土である。
図７から分かる様に、普通ＰＣ或いは高炉セメント−Ｂ種を用いた場合には空隙が存在する様な現場であっても、本発明に係る固化材を用いた場合には、空隙は生じなかった。すなわち、本発明に係る固化材は低ブリーディング性であることが分かる。
【００３７】
図８は、強度試験の結果を示している。すなわち、本発明に係る固化材を用いた施工部分、従来の普通ＰＣを用いた施工部分、及び高炉セメント−Ｂ種を用いた施工部分をボーリングして、得られたコアを供試体に成形して強度試験を実施した。この場合も、施工対象土は砂質土である。
図８から分かる様に、従来の普通ＰＣ或いは高炉セメント−Ｂ種から成る供試体は、本発明に係る固化材から成る供試体と比較して、その強度（一軸圧縮試験結果：Ｋｇｆ／ｃｍ²）が非常に大きい。換言すれば、従来の普通ＰＣ或いは高炉セメント−Ｂ種の場合は必要以上の強度を有していたことが理解される。そして、必要以上の強度を有する場合には、固化材を用いた後の施工工程に費やされるコストが嵩むという問題を有している。
これに対して、図８で示す様に必要以上の強度を発現しない本発明の固化材であれば、その後の施工コストが低く且つ適正な範囲に抑えられる。
【００３８】
図９は粘性を示す試験結果である。本発明に係る固化材を用いた施工部分、従来の普通ＰＣを用いた施工部分、及び高炉セメント−Ｂ種を用いた施工部分をボーリングして、得られたコアに対して透水試験を実施した。
図９から明らかな様に、透水試験の結果（ｃｍ／ｓｅｃ）は本発明の固化材の透水性が、従来の普通ＰＣ或いは高炉セメント−Ｂ種の場合に比較して、極めて低いことが理解出来る。
ここで、使用された固化材の粘性が小さいと充填性が良好となり、水を通し難くなるので、透水性が低くなる。従って、本発明の固化材の透水性が低いという事は、粘性が小さく、充填性が良好であることを意味している。そして、粘性が小さく充填性が良好であるという性質は、固化材として極めて望ましい性質である。
【００３９】
次に、本発明の地盤改良方法の具体的適用工法を例示する。
（ａ）微粒子セメント系固化材による岩盤グラウト（コンソリデーション・カーテン）に使用：
微粒子のためヘアクラックへの注入、及び高遮水性が可能であると共に、低粘性スラリーのため注入プラントから長距離圧送が可能となる。
【００４０】
（ｂ）二重管ダブルパッカー注入工法（シールグラウト材・一次注入材）に使用：
超低強度安定固化材のため、シールグラウト材として最適である。また、微粒子のため一次注入剤として最適の材料である。
【００４１】
（ｃ）ジェットグラウト工法に使用（強度抑制型固化材として任意強度設定可能）：
シールド発進・到達防護の改良で、発現強度を事前にしかも任意に設定できる特長を生かすことができる。また、要求強度の数倍の発現強度により、改良造成体が地中に残置され障害物となる場合が数多く発生しているが、本発明の固化材の使用によりかかる問題は生じないようになる。なお、各種ジェットグラウト工法の施工で最も重要な造成時のスライム回収でも低粘性のため、施工管理上も大きなメリットがでる。
【００４２】
（ｄ）機械撹拌工法に使用（低回転トルク・長深度施工）：
任意の設定強度で、しかも低粘性のスラリーで圧送注入できるため、撹拌翼の回転抵抗と貫入・引抜き抵抗等が低減されるため、施工効率と撹拌効率の向上による品質向上が可能となる。
【００４３】
（ｅ）連続止水壁造成工法に使用（高遮水性壁・低回転トルク・長深度施工）：
低粘性固化材のため、撹拌翼による地盤と固化材スラリーとの混合撹拌が容易となるため品質が向上すると共に、上記機械撹拌工法の施工効率も向上する。
【００４４】
（ｆ）長深度・大深度施工で、施工機械の回転トルク等限界能力と固化材の凝固時間により施工時間が限定されることを防止することができる。
【００４５】
但し、上記（ａ）−（ｆ）に使用（或いは施工）が限定されるのでは無く、その他の全ての地下工法に本発明は適用可能である。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による固化材は、セメントに焼成微粉末非膨潤性粘土を添加混合することにより、低ブリーディング性及び低粘性が同時に達成され、且つその混合割合を変化させることによって、固化強度を事前に配合設定で超低強度から高強度まで自由にコントロールできるので、以下に列挙する様な優れた効果を奏する。
【００４７】
（１）超低強度から高強度まで事前設定可能。
（２）低ブリーディング。
（３）長期発現強度の増加勾配が少ない。
（４）低粘性スラリーである。
（５）流動化剤等の添加は不要である。
（６）有害物質を含まない。
（７）品質管理のため要求強度を生産工場で配合が可能。
（８）高い遮水性が得られる（通常は遮水性Ｋ＝１０^-5ｃｍ／ｓｅｃであるが、本願の固化材はＫ＝１０^-6〜１０^-7ｃｍ／ｓｅｃ）。
なお、上述した効果は、本発明の工法によって奏される効果でもある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における焼成微粉末非膨潤性粘土の焼成温度と、本発明の固化材の流動性及びブリーディング率の相関関係について示す特性図。
【図２】本発明における焼成微粉末非膨潤性粘土のブレーン値と、そのときの本発明の固化材の流動性及びブリーディング率との相関関係を示す特性図。
【図３】本発明の焼成微粉末非膨潤性粘土とセメントとの混合比と強度との相関関係を示す特性図。
【図４】本発明の焼成微粉末非膨潤性粘土の膨潤度とＰロートフロー値（流動性）及び強度との相関関係について示す特性図。
【図５】本発明の一実施例の微粉末粘土の成分を示す図。
【図６】図１に示した微粉末粘土の製造工程の説明図。
【図７】本発明に係る固化材を用いた場合の低ブリーディング性を示す図。
【図８】本発明に係る固化材を用いた場合に強度が適正となることを示す図。
【図９】本発明に係る固化材を用いた場合に、粘性が低く且つ充填性が良好となることを示す図。
【符号の説明】
１・・・ホッパ
２・・・ふるい
３・・・クラシャ
４・・・ドライヤ
５・・・ミル
６、８・・・ブロワ
７・・・バグフィルタ

Claims

焼成温度２００〜７００℃で焼成し、粉末度をブレーン値で５０００〜９０００ｃｍ^２／ｇとし、膨潤度を３．５ｃｃ／ｇ以下とした焼成微粉末粘土を準備し、施工に先立って焼成微粉末粘土とセメントとの重量割合の混合比率を事前に設定する混合比率設定工程と、混合比率設定工程で設定された混合比率に従い焼成微粉末粘土とセメントとを、生産工場において１：９〜８：２の混合比率に混合して固化材を調整する混合工程と、調整された固化材を施工するべき地盤に注入する注入工程とを有することを特徴とする固化材の地盤注入工法。