JP4145310B2 - ソイルセメントスラリーの流動化方法 - Google Patents

Description

本発明はソイルセメントスラリーの流動化方法に関する。ソイルセメントを利用する山留め工事、地下止水工事、軟弱地盤改良工事等では、工事現場において、セメントミルクと原位置の土壌とを攪拌混合して硬化させるソイルセメント壁工法が広く採用されている。かかる工法では、１）一定の作業時間内における応力負担材（Ｈ鋼）の挿入性を確保しつつ、地中へのセメントミルクの注入率を下げて廃棄することとなる建設汚泥の発生量を抑えるため、セメントミルクと土壌とを混合したソイルセメントスラリーに充分な流動性及び流動保持性を持たせること、２）起泡性を抑え、セメントミルクと土壌との均一混合を促して、ソイルセメント壁に充分な止水性及び強度等を発現させることが要求されている。本発明はかかる要求に応えるソイルセメントスラリーの流動化方法に関する。

従来、ソイルセメントスラリーの流動化方法として、ソイルセメントスラリーの調製時にベントナイトを用いたり、各種の流動化剤を添加する方法が知られている（例えば特許文献１〜５参照）。しかし、これらの従来法では、ソイルセメント壁工法における前記した要求に充分に応えることができないという問題がある。
特開平１０−９５９７６号公報 特開平１１−２５４４２５号公報 特開２００１−１７２６２９号公報 特開２００２−３８４３号公報 特開２００２−１１４５５０号公報

本発明が解決しようとする課題は、ソイルセメントスラリーに充分な流動性及び流動保持性を持たせることができ、同時に該ソイルセメントスラリーを硬化させたソイルセメント壁に充分な止水性及び強度等を発現させることができるソイルセメントスラリーの流動化方法を提供する処にある。

本発明者らは、前記の課題を解決するべく研究した結果、特定の３成分から成る流動化剤を、土壌に対して所定割合となるよう、セメントミルクに含有させて用いる方法が正しく好適であることを見出した。

すなわち本発明は、下記のＡ成分、Ｂ成分及びＣ成分から成り、該Ａ成分を５０〜９７質量％、該Ｂ成分を２〜４９質量％及び該Ｃ成分を０．０１〜３質量％含有して成る流動化剤を、土壌１ｍ^３当たり０．５〜２５ｋｇの割合となるよう、セメントミルクに含有させて用いることを特徴とするソイルセメントスラリーの流動化方法に係る。

Ａ成分：イソブチレンと無水マレイン酸との共重合物をアルカリ加水分解した質量平均分子量２０００〜５００００の水溶性ビニル共重合体
Ｂ成分：糖類、オキシカルボン酸及びオキシカルボン酸の塩から選ばれる一つ又は二つ以上
Ｃ成分：下記の化１で示されるポリエーテル系消泡剤

化１において、
Ｒ：炭素数８〜２０の脂肪族炭化水素基
Ａ：分子中に合計２３〜７０個のオキシエチレン単位とオキシプロピレン単位とで構成され、且つ該オキシエチレン単位と該オキシプロピレン単位とがブロック状に付加したポリオキシアルキレン基を有するポリアルキレングリコールから全ての水酸基を除いた残基

本発明に係るソイルセメントスラリーの流動化方法（以下単に本発明の流動化方法という）では、セメントミルクと土壌を混合してソイルセメントスラリーとするときに、該セメントミルクに流動化剤を含有させて用いる。かかるセメントミルクにおいて、セメントとしては、普通ポルトランドセメント、高炉セメント、フライアッシュセメント等が挙げられるが、なかでも高炉セメントＢ種が好ましい。セメントの使用量は、セメントミルクと土壌を混合してソイルセメントスラリーとするときに、土壌１ｍ^３当たり通常は１００〜５００kgとなるようにするが、好ましくは２００〜４００kgとなるようにする。セメントミルクの調製時には、セメントの他に、セメントミルクの分離防止やソイルセメントスラリーの水分逸散防止等の目的で更にベントナイトを用いるのが好ましいが、この場合、その使用量は、土壌１ｍ^３当たり通常は１〜５０kgとなるようにし、好ましくは３〜３０kgとなるようにする。セメントミルクの水／セメント比は、これと混合する土壌の性状によっても異なるが、７０〜１５０％にすることができる。

本発明の流動化方法において、以上説明したようなセメントミルクに含有させて用いる流動化剤はＡ成分、Ｂ成分及びＣ成分から成るものである。Ａ成分は、イソブチレンと無水マレイン酸との共重合物をアルカリ加水分解した質量平均分子量２０００〜５００００の水溶性ビニル共重合体である。ここで質量平均分子量は、ゲル浸透クロマトグラフ法（以下単にＧＰＣ法という）で測定したプルラン換算の質量平均分子量を意味する。

イソブチレンと無水マレイン酸との共重合物のアルカリ加水分解は、公知の方法で行なうことができる。例えば、溶媒としてエチルベンゼン、無水マレイン酸、ラジカル連鎖移動剤及びラジカル開始剤をオートクレーブに仕込み、反応系を窒素置換した後、イソブチレンを圧入し、温度６０〜１２０℃で圧力２〜５kg／cm^２の条件下に２〜１０時間ラジカル重合させて、共重合物を沈殿物として得た後、この共重合物をアルカリ水溶液で加水分解する方法が挙げられる。

所望の共重合物を得るためには、ラジカル開始剤やラジカル連鎖移動剤の種類及び使用量、溶媒の種類及び使用量、重合温度、重合時間等を適宜選択する。ここで用いるラジカル開始剤としては、アゾビスイソブチロニトリル、２，２’−アゾビス（４−メトキシ−２，４−ジメチルバレロニトリル）等のアゾ系開始剤、過酸化ベンゾイル、過酸化ラウロイル、クメンハイドロパーオキサイド等の非水系の開始剤等が挙げられる。

イソブチレンと無水マレイン酸との共重合物において、双方の共重合比率は、イソブチレン／無水マレイン酸＝４５〜５５／５５〜４５（モル比）となるようにするのが好ましく、できるだけ５０／５０（モル比）に近い比率となるようにするのがより好ましい。

イソブチレンと無水マレイン酸との共重合物をアルカリ加水分解するときのアルカリとしては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム等のアルカリ金属水酸化物が好ましく、工業的見地から安価な水酸化ナトリウムの水溶液がより好ましい。アルカリ加水分解は、結果として部分中和物が得られる場合であっても又は完全中和物が得られる場合であってもよい。

Ａ成分は、イソブチレンと無水マレイン酸との共重合物をアルカリ加水分解した質量平均分子量２０００〜５００００の水溶性ビニル共重合体であるが、質量平均分子量５０００〜３５０００の水溶性ビニル共重合体とするのが好ましい。

Ｂ成分は、糖類、オキシカルボン酸及びオキシカルボン酸の塩から選ばれる一つ又は二つ以上である。糖類としては、ショ糖、グルコース、フラクトース、ガラクトース、オリゴ糖、糖蜜類等が挙げられる。またオキシカルボン酸としては、グルコン酸、クエン酸等が挙げられ、かかるオキシカルボン酸の塩としては、グルコン酸ナトリウム、クエン酸ナトリウム塩等が挙げられる。なかでもＢ成分としては、Ａ成分との溶解安定性や腐敗防止性の観点から、ショ糖が好ましい。

Ｃ成分は、化１で示されるポリエーテル系消泡剤である。化１中のＲとしては、１）オクチル基、ノニル基、デシル基、ウンデシル基、ドデシル基、トリデシル基、テトラデシル基、ペンタデシル基、ヘキサデシル基、オクタデシル基、イソオクタデシル基、イコシル基等の炭素数８〜２０の脂肪族炭化水素基が挙げられるが、なかでも炭素数１０〜２０の脂肪族炭化水素基が好ましく、炭素数１２〜１８の不飽和脂肪族炭化水素基がより好ましい。

化１中のＡは、分子中にオキシエチレン単位とオキシプロピレン単位とで構成され且つ該オキシエチレン単位と該オキシプロピレン単位とがブロック状に付加したポリオキシアルキレン基を有するポリアルキレングリコールから全ての水酸基を除いた残基である。Ａを構成するオキシエチレン単位及びオキシプロピレン単位の繰り返し数は合計で２３〜７０とするが、２５〜６０とするのが好ましい。以上説明した化１で示されるポリエーテル化合物は、炭素数８〜２０の脂肪族アルコール１モルに対してエチレンオキサイド及びプロピレンオキサイドを合計で２３〜７０モルの割合でブロック状に付加させる公知の方法で合成できる。

本発明の流動化方法において、セメントミルクに含有させて用いる流動化剤は、以上説明したＡ成分、Ｂ成分及びＣ成分から成るものである。Ａ成分、Ｂ成分及びＣ成分の含有割合は、Ａ成分５０〜９７質量％、Ｂ成分２〜４９質量％及びＣ成分０．０１〜３質量％（Ａ成分、Ｂ成分及びＣ成分の合計１００質量％）とするが、Ａ成分６０〜９０質量％、Ｂ成分９〜３９質量％及びＣ成分０．１〜２質量％（Ａ成分、Ｂ成分及びＣ成分の合計１００質量％）とするのが好ましい。流動化剤中のＡ成分、Ｂ成分及びＣ成分の含有割合は、以上のような含有割合の範囲内にて、それを含有させたセメントミルクと混合する土壌の性状との関係で適宜選択するのが好ましい。

以上説明した流動化剤は、その水溶液がアルカリ領域でより優れた効果を発揮する。したがって、流動化剤は、その固形分濃度１質量％水溶液のｐＨが７〜１１の範囲で使用するのが好ましく、７．５〜１０の範囲で使用するのがより好ましい。かかる流動化剤のｐＨの調整は例えばアルカリ金属水酸化物を用いて行なうことができる。

本発明の流動化方法では、予め流動化剤を含有させておいたセメントミルクを調製しておき、かかるセメントミルクと土壌とを混合して、ソイルセメントスラリーとする。この場合、流動化剤の使用量は、土壌１ｍ^３当たり０．５〜２５kgの割合となるようにするが、１〜１０kgの割合となるようにするのが好ましい。

本発明の流動化方法では、流動化剤の使用に際して、合目的的に他の剤を併用することができる。かかる他の剤としては、防腐剤、凝結促進剤、防水剤等が挙げられる。

本発明の流動化方法によると、ソイルセメントスラリーに充分な流動性及び流動保持性を持たせることができ、同時に該ソイルセメントスラリーを硬化させたソイルセメント壁に充分な止水性及び強度等を発現させることができる。これらの効果は、土壌が粘土分やシルト分を多く含む粘性のものであっても発揮される。

以下、本発明の構成及び効果をより具体的にするため、実施例等を挙げるが、本発明が該実施例に限定されるというものではない。なお、以下の実施例等において、別に記載しない限り、％は質量％を、また部は質量部を意味する。

試験区分１（Ａ成分としての水溶性ビニル共重合体の合成）
・水溶性ビニル共重合体（ａ−１）の合成
無水マレイン酸９８ｇ（１モル）、溶媒としてエチルベンゼン６４０ｇ、分子量調節剤として３−メルカプトプロピオン酸０．４ｇ及び重合開始剤としてアゾビスイソブチロニトリル２ｇをオートクレーブに仕込み、攪拌しながら均一に溶解した後、雰囲気を窒素置換した。次に、イソブチレン５９ｇ（１．０５モル）を圧入した後、反応系の温度を８５℃まで加温し、８５℃に保ちながらラジカル重合反応を６時間継続して反応を完結した。重合反応終了後、反応系の温度を室温まで冷却し、脱気後、攪拌を止めて沈殿した共重合物を取り出し、濾過乾燥して、淡黄色粉末状の共重合物１４４ｇを得た。この共重合物を分析したところ、無水マレイン酸／イソブチレン＝５０／５０（モル比）の割合で共重合したものであった。この共重合物５０ｇ、３０％水酸化ナトリウム水溶液５１ｇ及び水道水１０２ｇを攪拌装置及び冷却コンデンサーのついたフラスコに入れ、攪拌ながら加温して、共重合物をアルカリ加水分解した水溶性ビニル共重合体（ａ−１）の３０％水溶液を得た。この水溶性ビニル共重合体をＧＰＣで分子量測定したところ、質量平均分子量が２０３００（プルラン換算）であった。

・水溶性ビニル共重合体（ａ−２）、（ａ−３）及び（ａｒ−１）〜（ａｒ−３）の合成
水溶性ビニル共重合体（ａ−１）の合成と同様にして、水溶性ビニル共重合体（ａ−２）、（ａ−３）及び（ａｒ−１）〜（ａｒ−３）を合成した。以上で合成した各水溶性ビニル共重合体の内容を表１に示した。

試験区分２（流動化剤の調製）
・流動化剤（Ｐ−１）の調製
Ａ成分として試験区分１で合成した水溶性ビニル共重合体（ａ−１）の３０％水溶液２５０部、Ｂ成分としてショ糖（ｂ−１）の３０％水溶液８０部及びＣ成分としてポリエーテル系消泡剤（ｃ−１）の３０％水懸濁液３．３部を混合して流動化剤（Ｐ−１）の３０％水溶液を調製した。流動化剤（Ｐ−１）の固形分濃度１％水溶液のｐＨを測定したところ、８．５であった。

・流動化剤（Ｐ−２）〜（Ｐ−７）及び（Ｒ−１）〜（Ｒ−７）の調製
流動化剤（Ｐ−１）の調製と同様にして、流動化剤（Ｐ−２）〜（Ｐ−７）及び（Ｒ−１）〜（Ｒ−７）を調製した。以上で調製した各流動化剤の内容を表２にまとめて示した。

表２において、
＊１：固形分濃度１％水溶液のｐＨ
ａ−１〜ａ−３，ａｒ−１〜ａｒ−３：試験区分１で合成した水溶性ビニル重合体
ｂ−１：ショ糖
ｂ−２：グルコース
ｂ−３：グルコン酸ナトリウム
ｂ−４：グルコン酸
ｃ−１：α−オレイル−ω−ヒドロキシ−ポリオキシエチレン（６モル）ポリオキシプロピレン（３２モル）
ｃ−２：α−ラウリル−ω−ヒドロキシ−ポリオキシエチレン（３モル）ポリオキシプロピレン（３２モル）

試験区分３（ソイルセメントスラリーの調製）
高炉セメントＢ種（密度＝３．０４ｇ／cm^３）２７７ｇ、水６９３ｇ及びベントナイト５ｇをホバートミキサーに入れて均一に混合し、セメントミルクを調製した。このセメントミルクに表４に記載の物性値を有する掘削土１５９０ｇ（１ｍ^３）を加えて混合し、ソイルセメントスラリーを調製した。調製したソイルセメントスラリーは、試験区分４の物性評価におけるフロー値が２００mm以上のもので、流動化剤を添加しなくても施工現場でＨ鋼が挿入可能な流動性を有するソイルセメントスラリーであった。

・実施例１〜１０及び比較例２〜１０
高炉セメントＢ種（密度＝３．０４ｇ／cm^３）２５０ｇ、水３２５ｇ、ベントナイト５ｇ及び表５に記載の使用量となる量の流動化剤をホバートミキサーに入れて均一に混合し、セメントミルクを調製した。このセメントミルクに表４に記載の物性値を有する掘削土１５９０ｇ（１ｍ^３）を加えて混合し、ソイルセメントスラリーを調製した。

・実施例１１〜１７及び比較例１１、１２
高炉セメントＢ種（密度＝３．０４ｇ／cm^３）２３０ｇ、水２７４ｇ、ベントナイト３ｇ及び表６に記載の使用量となる量の流動化剤をホバートミキサーに入れて均一に混合し、セメントミルクを調製した。このセメントミルクに表４に記載の物性値を有する掘削土１５９０ｇ（１ｍ^３）を加えて混合し、ソイルセメントスラリーを調製した。

・実施例１８〜２４及び比較例１３、１４
高炉セメントＢ種（密度＝３．０４ｇ／cm^３）２５０ｇ、水３２５ｇ及び表６に記載の使用量となる量の流動化剤をホバートミキサーに入れて均一に混合し、セメントミルクを調製した。このセメントミルクに表４に記載の物性値を有する掘削土１５９０ｇ（１ｍ^３）を加えて混合し、ソイルセメントスラリーを調製した。

試験区分４（調製したソイルセメントスラリーの物性評価）
試験区分３で調製した各例のソイルセメントスラリーについて、フロー値、フロー残存率、空気量を次のように求め、結果を表５及び表６にまとめて示した。また各例のソイルセメントスラリーの硬化体について、透水比及び一軸圧縮強度を次のように求め、結果を表５及び表６にまとめて示した。

・フロー値：ＪＩＳ−Ｒ５２０１に準拠し、練り混ぜ直後と１８０分後にフロー試験を行い、フロー値（mm）を測定した。
・フロー残存率：（３時間静置後のフロー値／練り混ぜ直後のフロー値）×１００で求めた。
・空気量：ＪＩＳ−Ａ６２０１（１９７７年版）に準拠して求めた。

・透水比：ＪＩＳ−Ａ１４０４に準拠し、直径１５０mm×高さ４０mmの金属製型枠にソイルセメントスラリーを充填した後、ポリエチレンフィルムで表面を覆って、温度２０℃、湿度８０％の恒温室で２８日間養生し、脱型後に表面を平滑に仕上げして、試験体を作製した。この試験体の上下両面の中央に、直径５cmの円孔をもつ厚さ１cmのゴムガスケットを当て、均一に締め付けた後、上面から９．８ｋＰａの水圧を１時間かけて透水試験を行った。透水の目安として、下記の透水比を算出した。ここで透水比の数値が小さいほど遮水性が優れていることを意味する。
透水比＝各実施例又は比較例のソイルセメントスラリーから作製した試験体の透水量（ｇ）／比較例１のソイルセメントスラリーから作製した試験体の透水量（ｇ）
・一軸圧縮強度：ＪＩＳ−Ａ１１０８に準拠し、直径５０mm×高さ１００mmの型枠を用いて成形したソイルセメントスラリーの成形品について、材齢２８日の圧縮強度（Ｎ／mm^２）を測定した。

表５及び表６において、
＊２：土壌１ｍ^３当たりの使用した流動化剤の固形分換算値（kg）
＊３：材齢２８日
Ｒ−８：ポリアクリル酸ナトリウム（質量平均分子量２２０００）

Claims (6)

1. 下記のＡ成分、Ｂ成分及びＣ成分から成り、該Ａ成分を５０〜９７質量％、該Ｂ成分を２〜４９質量％及び該Ｃ成分を０．０１〜３質量％含有して成る流動化剤を、土壌１ｍ^３当たり０．５〜２５kgの割合となるよう、セメントミルクに含有させて用いることを特徴とするソイルセメントスラリーの流動化方法。
   Ａ成分：イソブチレンと無水マレイン酸との共重合物をアルカリ加水分解した質量平均分子量２０００〜５００００の水溶性ビニル共重合体
   Ｂ成分：糖類、オキシカルボン酸及びオキシカルボン酸の塩から選ばれる一つ又は二つ以上
   Ｃ成分：下記の化１で示されるポリエーテル系消泡剤
   

   

   （化１において、
   Ｒ：炭素数８〜２０の脂肪族炭化水素基
   Ａ：分子中に合計２３〜７０個のオキシエチレン単位とオキシプロピレン単位とで構成され且つ該オキシエチレン単位と該オキシプロピレン単位とがブロック状に付加したポリオキシアルキレン基を有するポリアルキレングリコールから全ての水酸基を除いた残基）
2. 流動化剤が、Ａ成分を６０〜９０質量％、Ｂ成分を９〜３９質量％及びＣ成分を０．１〜２質量％含有して成るものである請求項１記載のソイルセメントスラリーの流動化方法。
3. Ａ成分が、質量平均分子量５０００〜３５０００の水溶性ビニル共重合体である請求項１又は２記載のソイルセメントスラリーの流動化方法。
4. Ｂ成分が、ショ糖である請求項１〜３のいずれか一つの項記載のソイルセメントスラリーの流動化方法。
5. セメントミルクが、セメントとして高炉セメントＢ種を用いたものである請求項１〜４のいずれか一つの項記載のソイルセメントスラリーの流動化方法。
6. 更にベントナイトをセメントミルクに含有させて用いる請求項１〜５のいずれか一つの項記載のソイルセメントスラリーの流動化方法。