JP4270903B2 - 地盤改良工法用スラリー、該スラリーによって形成された地盤改良体及び地盤改良工法用スラリー分散剤 - Google Patents

地盤改良工法用スラリー、該スラリーによって形成された地盤改良体及び地盤改良工法用スラリー分散剤 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、石炭灰などの焼却灰含有率の高いスラリーを用いた地盤改良工法用スラリー、該スラリーによって形成された地盤改良体及び地盤改良工法用スラリー分散剤に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、地盤改良工法は、軟弱地盤を固化剤にて固め、構造物を支持できる地盤に改良する技術であり、軟弱地盤地域の基礎地盤対策工法として広く用いられている。近年、陸上の軟弱地盤にも利用されるようになり、建築・土木構造物の基礎として、支持力増強や地震時の液状化対策のために広く使用されている。
【0003】
最近、従来の地盤改良工法に用いられている代表的な固化剤であるセメントに、焼却灰の一種である石炭灰や石膏を適当な混合比で加えることによる、低経済的な地盤改良工法が開発されつつある。
【0004】
しかしながら、セメントの一部を石炭灰等の焼却灰で置き換えたスラリーは、石炭灰等の置換率が大きくなるに伴い、スラリーの流動性が低下する傾向がある。そのため、石炭灰等の焼却灰を用いたスラリーを製造し、安定した圧送を行うためには多くの水を必要とするため、普通強度から高強度領域において利用することができないという課題があった。
【0005】
一方、土、石炭灰、ごみ焼却灰、スラグ粉末等の微粒子集合体にセメント、石灰等の硬化材及び水を混合すると共に、アクリル酸塩若しくはポリアクリル酸塩又はそれらの誘導体を主成分とする添加剤を更に添加混合することを特徴とする土質改良方法が知られている(特許文献1参照)。
【0006】
【特許文献1】
特開平8−239662号公報(特許請求の範囲、実施例等)
【0007】
しかしながら、上記特許文献1に記載される土質改良方法では、アクリル酸塩若しくはポリアクリル酸塩等を主成分とする添加剤を更に添加混合することにより、流動性をわずかな水量で十分に高めることを記載しているが、石炭灰などの焼却灰を多量に配合した場合等、その流動性、並びに、改良された土質の圧縮強度は未だ不十分であり、また、使用するアクリル酸塩若しくはポリアクリル酸塩等と本願発明のポリカルボン酸系分散剤とは、その化学構造自体が全く異なるものである。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来の課題等に鑑み、これを解消しようとするものであり、焼却灰、特に石炭灰を高配合で用いた地盤改良工法用スラリーでも普通強度から高強度領域で利用可能にすることにより、焼却灰、特に石炭灰の有効利用を促進することができる地盤改良工法用スラリー、該スラリーによって形成された地盤改良体及び地盤改良工法用スラリー分散剤を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記従来の課題等について、鋭意検討を重ねた結果、特定のスラリー構成等によって、上記目的の地盤改良工法用スラリー等が得られることを見い出し、本発明を完成するに至ったのである。
すなわち、本発明は、次の(1)〜(4)に存する。
(1) 練り上りスラリーの構成が、(P)水硬性無機質粉体100質量部、(F)焼却灰50〜100質量部、(PC)ポリカルボン酸系分散剤0.03〜1.0質量部、(W)水60〜140質量部であり、かつ、水、水硬性無機質粉体及び焼却灰の関係式(W)/〔(P)+(F)〕が0.4(質量比)以上である地盤改良工法用スラリーにおいて、該ポリカルボン酸系分散剤が下記一般式(I)で示されるポリアルキレングリコールモノ(メタ)アクリル酸エステル系単量体(イ)、下記一般式(II)で示される(メタ)アクリル酸系単量体(ロ)及びこれらの単量体と共重合可能な単量体(ハ)を、ポリアルキレングリコールモノ(メタ)アクリル酸エステル系単量体(イ)10〜95モル%、(メタ)アクリル酸系単量体(ロ)5〜90モル%及びこれらの単量体と共重合可能な単量体(ハ)0〜50モル%〔但し、(イ)、(ロ)及び(ハ)の合計は100モル%である。〕の割合で共重合することにより得られる共重合体(A)及び/又はその塩(B)からなることを特徴とする地盤改良工法用スラリー。
CH2=C(R1)COO(AO)n2 ………(I)
〔式(I)中、R1は水素原子またはメチル基、AOは炭素数2〜4のオキシアルキレン基、nは5〜40の数、R2は水素原子または炭素数1〜5のアルキル基を示す。〕
CH2=C(R3)COOM1 ………(II)
〔式(II)中、R3は水素原子又はメチル基、M1は水素原子、1価又は2価の有機ないし無機カチオンを示す。〕
(2) 焼却灰が石炭灰からなる上記(1)記載の地盤改良工法用スラリー。
(3) 上記(1)又は(2)記載の地盤改良工法用スラリーによって形成されたことを特徴とする地盤改良体。
(4) 上記(1)記載のポリカルボン酸系分散剤からなることを特徴とする地盤改良工法用スラリー分散剤。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を詳しく説明する。
本発明の実施の形態に係る地盤改良工法用スラリーは、(P)水硬性無機質粉体、(F)焼却灰、(PC)ポリカルボン酸系分散剤、及び(W)水から構成されるものである。
本発明で用いられる(P)水硬性無機質粉体の種類は、任意であり、例えば、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、中庸熱セメント、低発熱ポルトランドセメント、高炉セメント、及び、エコセメントを使用することができる。
また、本発明で用いられる(F)焼却灰としては、例えば、ごみ焼却灰、下水汚泥焼却灰、石炭灰などが挙げられる。特に、好ましい石炭灰については、その種類は任意であり、燃焼前の石炭種、燃焼後の未燃カーボン量によらず、いずれのものでも使用することができ、例えば、火力発電所等で発生する石炭灰、具体的には、ブレアゾール灰、エンシャム灰、大同灰、ツグヌイ灰、ボンタン灰等、並びに、これらの混合物などが利用できる。
【0011】
本発明において、上記(F)焼却灰の使用量は、(P)水硬性無機質粉体100質量部に対して、50〜100質量部である。
この焼却灰の使用量が50質量部未満であると、焼却灰を使用するという本発明の主旨に反することとなり、また、均一な改良体を製造することが難しくなる。一方、焼却灰の使用量が100質量部を越えて多いと、スラリーの流動性が低下し、施工に支障をきたす恐れがあるばかりでなく、地盤改良時の単位注入スラリー量が多くなり、処理すべき排出残土量が多くなる。
なお、本発明においては、他の成分として、シリカ質または、シリカ及びアルミナ質の微粉末、火山灰、珪酸白土、珪藻土などの無機質混和材を本発明の効果を損なわない範囲において適宜配合することもできる。
【0012】
本発明で用いられる(PC)ポリカルボン酸系分散剤(本発明の地盤改良工法用スラリー分散剤)は、下記一般式(I)で表されるポリアルキレングリコールモノ(メタ)アクリル酸エステル系単量体(イ)、下記一般式(II)で示される(メタ)アクリル酸系単量体(ロ)、及び、これらの単量体と共重合可能な単量体(ハ)を、ポリアルキレングリコールモノ(メタ)アクリル酸エステル系単量体(イ)10〜95モル%、(メタ)アクリル酸系単量体(ロ)5〜90モル%及びこれらの単量体と共重合可能な単量体(ハ)0〜50モル%(但し、(イ)、(ロ)及び(ハ)の合計は100モル%である。)の割合で重合することにより得られる共重合体(A)及び/又はその塩(B)から構成されるものである。
【0013】
本発明において、前記単量体(イ)は、下記一般式(I)で表されるものである。
CH2=C(R1)COO(AO)n2 ………(I)
上記式(I)中、R1は水素原子またはメチル基であり、AOは炭素数2〜4のオキシアルキレン基、例えば、−CH2CH2O−、−CH2CH(CH3)O−、−CH2CH(CH2CH3)O−、−CH2CH2CH2CH2O−等が挙げられる。
また、nは、オキシアルキレン基の付加モル数を示し、この付加モル数(n)は5〜40の数であり、好ましくは、7〜35、より好ましくは9〜30である。更に、R2は水素原子又は炭素原子1〜5のアルキル基を示し、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基などが挙げられる。
この単量体(イ)の使用量は、(イ)、(ロ)及び(ハ)の全体量(100モル%、以下同様)に対して、10〜95モル%であり、好ましくは、10〜50モル%、より好ましくは、10〜40モル%である。
この単量体(イ)の使用量が10モル%未満であると、流動性の低下となり、また、95モル%を越えても、コストアップとなり、やはり流動性の低下となり、好ましくない。
【0014】
また、本発明において、前記単量体(ロ)は、下記一般式(II)で表されるアクリル酸ないしメタアクリル酸またはこれらの塩である。
CH2=C(R3)COOM1 ………(II)
上記式(II)中、R3は水素原子又はメチル基であり、M1は水素原子、1価又は2価の有機ないし無機カチオンを示し、これらの1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
この単量体(ロ)の使用量は、単量体(イ)、(ロ)及び(ハ)の全体量に対して、5〜90モル%、好ましくは、50〜90モル%、より好ましくは60〜90モル%である。
この単量体(ロ)の使用量が5モル%未満であると、流動性の低下となり、また、95モル%を越えると、経時での流動性の保持が困難となり、好ましくない。
【0015】
本発明において、用いることができる単量体(ハ)は、単量体(イ)及び単量体(ロ)と共重合可能な単量体である。
用いることができる単量体(ハ)としては、例えば、(メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリルアミド、2−メチルプロパンスルホン酸(メタ)アクリルアミド、イソブチレン、スチレン、スチレンスルホン酸、マレイン酸、及びこれらの1価金属塩、2価金属塩、アンモニウム塩、有機アミン塩などを挙げられ、これらの1種を単独で又は、2種以上を組み合わせて用いることができる。
用いることができる単量体(ハ)は、得られる共重合体(A)及びその塩(B)が、水溶性となる範囲の量であれば良く、この単量体(ハ)の使用量は(イ)、(ロ)及び(ハ)の全体量に対しては0〜50モル%であり、好ましくは、0〜30モル%、より好ましくは、5〜25モル%である。
【0016】
本発明では、上記単量体(ハ)を使用せずに、得られる共重合体(A)及びその塩(B)が、水溶性となる場合は、この単量体(ハ)の使用量は0モル%となるものであるが、この単量体(ハ)を使用する場合の使用量は、(イ)、(ロ)及び(ハ)の全体量に対して、50モル%以下であり、好ましくは、0〜30モル%、より好ましくは、5〜25モル%である。
この単量体(ハ)の使用量が50モル%を越えると、流動性の低下となり、好ましくない。
特に、単量体(ハ)として、(メタ)アクリル酸メチルを用いる場合、共重合体を粉体化する際に粉体化が容易であり、かつ、粉体のブロッキングがないので好ましいが、この場合(メタ)アクリル酸メチルを5〜25モル%、単量体(イ)を10〜30モル%、単量体(ロ)を60〜85モル%を用いた共重合体が好適である。
【0017】
上記単量体(イ)、(ロ)及び必要に応じて(ハ)を共重合してなる共重合体(A)及びその塩(B)から構成されることとなるポリカルボン酸系分散剤の重量平均分子量は、好ましくは、5,000〜100,000(ゲルパーミエーションクロマトグラフィー法、ポリエチレングリコール換算、以下同様)、より好ましくは、10,000〜70,000の範囲のものである。
本発明において、上記共重合体(A)及びその塩(B)は、通常の水系ラジカル重合により容易に製造することができる。
得られる共重合体(A)及び/又はその塩(B)は、そのまま焼却灰混合地盤改良工法用スラリー分散剤として使用することができるが、他の公知のセメント混和剤と組み合せて使用することもできる。
このような公知のセメント混和剤としては、例えば、従来のセメント分散剤、空気連行剤、防水剤、強度増進剤、硬化促進剤等を挙げることができる。
また、得られる共重合体(A)及び/又はその塩(B)は、水溶液として予め混練水中に配合して用いることができるが、粉末状に加工して水硬性無機粉体や焼却灰中に予め混和して用いてもよい。好ましくは、粉末状に粉体化したものを用いることが望ましい。
【0018】
本発明に用いられる上記共重合体(A)及び/又はその塩(B)である(PC)ポリカルボン酸系分散剤の使用量は、(P)水硬性無機質粉体100質量部に対して、0.03〜1.0質量部である。
このポリカルボン酸系分散剤の使用量が上記範囲内(0.03〜1.0)であれば、スラリー温度が0〜40℃の範囲で、Pロート流下時間(土木学会基準;JSCE−F−521−1994に準拠)が9〜20秒である良好な流動性を備えており、十分な施工性が確保できるばかりでなく、スラリーを30分以上放置しても流動性を維持することができることから安定した圧送が可能となり、また、段取り換え等による施工停止後も安定的に施工を再開することができる。
一方、ポリカルボン酸系分散剤の使用量が、1.0質量部を越えて多いと、流動性が過剰となり水硬性無機質粉体及び焼却灰の沈降を引き起こし、施工上悪影響を及ぼす恐れがあるばかりか、経済的にも好ましくない。また、0.03質量部未満であると、スラリーの流動性が不充分となる。
【0019】
本発明に用いられる(W)水の量は、(P)水硬性無機質粉体100質量部に対して60〜140質量部であり、かつ、水、水硬性無機質粉体及び焼却灰の関係式(W)/〔(P)+(F)〕が0.4(質量比)以上であることが必要である。
この水の量が60質量部未満であると、スラリーの流動性が低下することとなり、また、140質量部を越えて多いと、単位改良土当たりの注入スラリー量が多くなり、施工上好ましくない。
更に、上記(W)/〔(P)+(F)〕は、0.4(質量比)以上となることが必要である。この値が0.4未満の水の量では、スラリーの流動性が低下して好ましくない。なお、本発明での最大の水の量は、(W)/〔(P)+(F)〕=140/〔100+50〕=0.93となる。従って、(W)/〔(P)+(F)〕=0.4〜0.93の(質量比)範囲内に水の量を入れることとなり、本発明では、従来よりも、非常に少ない水の量で流動性のよいスラリーが得られることとなる。
【0020】
更に、本発明の地盤改良工法用スラリーには、流動性及び地盤改良体の硬化体物性に悪影響を及ぼさない範囲において、下記に示す任意成分(添加剤)を配合してもよい。
例えば、アルミニウム粉末のような発泡剤や起泡剤等を併用してもよいし、スラリーのブリーディング抑制を目的としてセルロース系水溶性高分子、ポリアクリルアミド系水溶性高分子等からなる増粘剤を添加してもよい。
また、本発明の地盤改良工法用スラリーは、通常使用されるミキサーで製造することが可能である。
【0021】
このように構成される本発明の地盤改良工法用スラリーは、特に軟弱地盤の地盤改良工法に好適に使用することができる。例えば、軟弱地盤の深層混合処理工法(10m以上の深い所)に適用した場合には、製造される地盤改良体の硬化体物性は、焼却灰を高配合したスラリーを用いるにもかかわらず、28日一軸圧縮強度において、1000〜5000kN/m2の高い値を示すものとなる。
本発明の地盤改良体は、上記構成の地盤改良工法用スラリーによって形成されたことを特徴とするものであり、焼却灰を高配合したスラリーを用いても、優れた圧縮強度を有する地盤改良体となるものである。
また、本発明の地盤改良工法用スラリー分散剤は、上述の如く、上記構成のポリカルボン酸系分散剤、すなわち、上記単量体(イ)、(ロ)及び必要に応じて(ハ)を共重合してなる共重合体(A)及び/又はその塩(B)から構成されるものであり、本発明の地盤改良工法用スラリーに好適に用いられるものである。
【0022】
【実施例】
次に、実施例及び比較例により本発明を更に詳しく説明するが、本発明は下記実施例に限定されるものではない。
【0023】
〔実施例1〜7及び比較例1〜2〕
下記及び下記表1に使用材料、調合及び混和剤添加量をそれぞれ示す。
1.使用材料
(1)水硬性無機粉体;普通ポルトランドセメント(太平洋セメント社製)
(2)焼却灰;加圧流動床式石炭火力発電所より発生した石炭灰(PFBC灰)を分級を行わずにそのまま使用(中国電力社製)
(3)ポリカルボン酸系分散剤;
S:メタクリル酸ナトリウム、メタクリル酸メチル及びメトキシ-ポリエチレングリコール-メタクリレート(エチレンオキサイド付加モル数;25)を70/15/15(モル比)において重合した共重合体のカルシウム塩(重量平均分子量;28,000)からなる粉末状ポリカルボン酸系分散剤
W:メタクリル酸ナトリウム、メトキシ-ポリエチレングリコール-メタクリレート(エチレンオキサイド付加モル数;25)を75/25(モル比)において重合した共重合体のナトリウム塩(質量平均分子量;26,000、乾燥固形分;40.5質量%)からなるポリカルボン酸系分散剤水溶液
(4)水;上水道水
【0024】
2.スラリーの調製方法及び配合
前記各材料を使用して下記表1に示す配合によりスラリーを調製した。
スラリ−の調製は、水、ポリカルボン酸系分散剤を容器に予め量り採り、次いでセメント、石炭灰を順に投入した後に、モルタルミキサーを使用し、60秒間練り混ぜを行い調製した。なお、下記1の水の量は、Wの水量も換算した値である。
【0025】
【表1】
Figure 0004270903
【0026】
上記で得られた実施例1〜7及び比較例1〜2のスラリーを用いて、下記方法によりスラリー流動性を評価した。
これらの結果を下記表2に示す。
(スラリー流動性の評価方法)
スラリ−の流動性を評価するため、Pロート試験(土木学会基準;JSCE−F−521−1994に準拠)を行い、流下時間を測定した。
【0027】
【表2】
Figure 0004270903
【0028】
上記表2の結果から明らかなように、本発明範囲となる実施例1〜7のスラリーは良好な流動性を示し、地盤改良工事で通常使用されるスラリー(比較例1)と比較し、同等の流動性を有することが判った。
一方、本発明の範囲外となる比較例2では、Pロート流下時間は直後は16秒であるが30分以後は20秒を上回り、流動性は不十分であった。
【0029】
(深層混合処理工法での施工性の評価)
上記実施例1〜2及び比較例1のスラリーを用いて、深層混合処理工法での施工性を評価するため、千葉県習志野市内で試験施工を行った。
この試験施工において、試験施工を行った地点の地盤条件は地表面(GL)から−3m付近までは粘土質ローム層、GL−3m〜GL−6m付近は深さに伴ってローム成分が少なくなっている粘性土層、GL−7m以深は細砂層である。
掘削は、削孔混練機によりφ1000mm、深度−15mまで行った。また、スラリ−は,プランジャーポンプ(最大吐出量350L/分)2台を使用して約100m圧送し、削孔混練機先端から吐出させ掘削を行った。
スラリー注入量は、改良体1m3当たり159kgのセメントが配合させるよう調整した。
また、施工性の評価は、地下10mまでの掘削に要した時間を計測し、掘削速度を求め、指標とした。
更に、改良体の強度を確認するため、施工後15日目に地表からGL−5m付近の粘土質ローム層においてφ86mmのコアボーリングを行い、各12本の供試体を採取した。採取した供試体は、材齢28日まで養生を行いJIS A 1216−1993に準拠して一軸圧縮試験を実施し、平均一軸圧縮強度を求めた。
これらの結果を下記表3に示す。
【0030】
【表3】
Figure 0004270903
【0031】
上記表3の結果から明らかなように、本発明範囲となる実施例1〜2においては、掘削速度は通常の焼却灰を用いない深層混合処理工法(比較例1)と同等であり、良好な施工性を有していることが確認できた。また、平均一軸圧縮強度は比較例1に比べ優れており、優れた地盤改良体が施工できたことが確認できた。
【0032】
【発明の効果】
本発明によれば、焼却灰、特に石炭灰を高配合しているにもかかわらず、少ない水の量で流動性の良好なスラリーとなるため、従来の地盤改良工法に用いられるセメントスラリーと比較し、地盤改良体の高強度を発揮するものであり、また、改良体内部の圧縮強度の変動を低減させ、更にセメント使用量を低減させることができ、経済的にも有利であり、特に軟弱地盤の深層混合処理工法に好適に使用することができる地盤改良工法用スラリー、並びに、該スラリーによって形成された地盤改良体及び地盤改良工法用スラリー分散剤が提供される。

Claims (4)

  1. 練り上りスラリーの構成が、(P)水硬性無機質粉体100質量部、(F)焼却灰50〜100質量部、(PC)ポリカルボン酸系分散剤0.03〜1.0質量部、(W)水60〜140質量部であり、かつ、水、水硬性無機質粉体及び焼却灰の関係式(W)/〔(P)+(F)〕が0.4(質量比)以上である地盤改良工法用スラリーにおいて、該ポリカルボン酸系分散剤が下記一般式(I)で示されるポリアルキレングリコールモノ(メタ)アクリル酸エステル系単量体(イ)、下記一般式(II)で示される(メタ)アクリル酸系単量体(ロ)及びこれらの単量体と共重合可能な単量体(ハ)を、ポリアルキレングリコールモノ(メタ)アクリル酸エステル系単量体(イ)10〜95モル%、(メタ)アクリル酸系単量体(ロ)5〜90モル%及びこれらの単量体と共重合可能な単量体(ハ)0〜50モル%〔但し、(イ)、(ロ)及び(ハ)の合計は100モル%である。〕の割合で共重合することにより得られる共重合体(A)及び/又はその塩(B)からなることを特徴とする地盤改良工法用スラリー。
    CH2=C(R1)COO(AO)n2 ………(I)
    〔式(I)中、R1は水素原子またはメチル基、AOは炭素数2〜4のオキシアルキレン基、nは5〜40の数、R2は水素原子または炭素数1〜5のアルキル基を示す。〕
    CH2=C(R3)COOM1 ………(II)
    〔式(II)中、R3は水素原子又はメチル基、M1は水素原子、1価又は2価の有機ないし無機カチオンを示す。〕
  2. 焼却灰が石炭灰からなる請求項1記載の地盤改良工法用スラリー。
  3. 請求項1又は2記載の地盤改良工法用スラリーによって形成されたことを特徴とする地盤改良体。
  4. 請求項1記載のポリカルボン酸系分散剤からなることを特徴とする地盤改良工法用スラリー分散剤。
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