JP4449001B2 - グラウト注入方法 - Google Patents

Description

本発明は、軟弱地盤の止水や地盤強化を目的として酸性シリカゾルグラウトを地盤内で中性化させるグラウト注入方法に関するものである。

一般に、高アルカリの水ガラス溶液に酸を加えていくと、図１に示すようにＰＨが低下すると共にゲル化能力が生じ、ＰＨ8.5付近で最もゲルタイムが短くなり、さらに酸を加えていくと今度は逆にＰＨの低下と共にゲルタイムが徐々に長くなるというゲル化曲線を示すことが知られている。

そして、ＰＨ8.5付近より左側をアルカリ領域またはアルカリ系と、またＰＨ8.5付近より右側を中性−酸性領域または非アルカリ系と区別して称している。

そして、水ガラスに硫酸を加えて得られるゲルタイムが約３分以上の酸性シリカゾルグラウトは、図２に示すように極少量の硫酸の増減でＰＨが大きく変動し、このＰＨの変動によりゲルタイムは大きく変化する。

このため、水ガラスに硫酸を加えて直接目的の酸性側のゲルタイムに調整する直接法により、現場でゲルタイムを調整して注入施工することは極めて困難であり、現在に至ってもこのような施工方法は行われていない。

さらに問題となるのは、酸性シリカゾルを注入した場合、地盤が酸性を呈して水質汚染の原因となる。

「薬液注入工法の設計と施工」株式会社山海堂出版 昭和５２年７月発行２３３〜２３９頁

酸性シリカゾルグラウト、例えば、水ガラスに硫酸を加えてＰＨ4.5に調整したグラウト自体はゲル化後もそのままＰＨ値を維持し、その酸性分を包含した状態で地中に残されることになる。

このような性質を持つ酸性シリカゾルを注入した場合、稀には地盤が酸と反応する物質を含有した砂質土、貝殻を多く混入した土、鉄分を多く含んだ土である場合には、シリカゾル中の酸性分がこれらと中和反応して中性側に移行することが考えられる。

しかし、注入する地盤がこのような酸と反応する物質を多く含んだ地盤は極稀であり、多くの場合殆ど含んでいないことから酸性分を包含した状態のシリカゾルにより、地盤が酸性を呈して水質汚染の問題を生じている。

そこで、このシリカゾルの酸性分を処理する方法として、前処理にアルカリ性物質（水中でアルカリ性を示す苛性ソーダ、炭酸ソーダ、消石灰、水ガラス系アルカリ性グラウト）を注入する方法が考えられるが、その絶対アルカリ量を見込んだ注入量と、シリカゾルグラウト中の酸性分の中和総量を正確に設定することは不可能である。

すなわち、シリカゾルの酸性分に対してアルカリ物質が不足すれば地盤はそのまま酸性になり、逆にアルカリ物質が過剰になればアルカリ性になり、いずれにしても地盤を確実に中和することは施工上極めて困難で、現在、シリカゾルグラウトを用いた注入方法において地盤の酸性化に対する有効な解決策が望まれている。

本発明は、酸性シリカゾルグラウトを注入した後に残存する酸性分を確実に中和して地盤を中性化するために、シリカゾルグラウトに水中に投入した場合に中性領域（ＰＨ5.8〜8.6）のＰＨ値を安定して呈する酸中和剤を作用（反応）させて酸性シリカゾル中の酸性分を中和して中性領域（ＰＨ5.8〜8.6）で固結させることを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、地盤に注入したシリカゾルグラウト中の酸性分を確実に中和して、中性領域で固結させることが可能となる。

さらに酸性シリカゾルは必要以上に長いゲルタイム（１８０分以上）では地下流水による注入地点（注入範囲）からのグラウトの移動やグラウトの希釈及び沈降（グラウトの比重は水よりも重いため）によるグラウトの拡散を防止するため、図１に示すようにＰＨ4.3〜5.8でゲルタイム３〜１８０分の実用範囲とした。

酸性シリカゾル中の酸性分を確実に中和して、中性領域で固結させるという目的を、水中に投入した場合に中性領域（ＰＨ5.8〜8.6）のＰＨ値を安定して呈する酸中和剤をシリカゾルに作用させるという簡易な方法で実現した。

本発明の主たる注入方法は、酸性シリカゾルを注入する前に、あらかじめ地盤中に特異な性質を持つ酸中和剤を注入することにより、シリカゾル中の酸性分を確実に中和して中性領域で固結させる方法である。

本発明の酸中和剤は難溶性微粉末であるため、水を加えた懸濁液として使用する。

本発明で用いる酸中和剤としては、代表的には炭酸カルシウム、水酸化マグネシウムが挙げられるが、その他調合液のＰＨが中性領域を示し、酸を中和する能力がある物質であれば、本発明の酸中和剤として採用することができる。

なお、酸中和剤は中性領域を示す物質であるが、製造時に不純物として微量のアルカリ物質を混入する場合があり、この場合絶対的アルカリ量は微量であって酸中和剤としての作用効果は何ら変わらないので、このような場合も本発明の酸中和剤とみなす。

この酸中和剤は、水中に投入した場合に中性領域（ＰＨ5.8〜8.6）のＰＨ値を安定して呈するもので、例えば炭酸カルシウムは硫酸と反応してほぼ同量を中和する能力があり、注入後のシリカゾルグラウト中に残存する酸性分を少量で中和することができる（アルカリとは反応しない）。

そしてこの酸中和剤は、その注入量が注入したシリカゾルグラウトに残存する酸性分を中和するのに必要な総量以上に過剰となっても、それ自体は中性領域を保持しているために、地盤を酸性あるいはアルカリ性に汚染することは全くなく、そのため酸性分を中和するに必要な量以上であれば、シリカゾルグラウトに対する添加量または注入量をさほど厳密に設定する必要が無く、その調整は容易である。

本発明のシリカゾルに用いる水ガラス（珪酸ソーダ、珪酸カリおよびこれらの混合物）としてはその品質を特に限定するものではないが、モル比2.8〜４程度のものが好ましい。

また、本発明のシリカゾルに用いるゲル化剤である硫酸としては取り扱い上から約75％以下の希硫酸が望ましい。さらに、硫酸にリン酸等の硫酸よりも酸の力が弱い物質を加えたものであってもよい。

本発明の酸性シリカゾルの注入方法は特に限定するものではないが、主に次の方法を採用することができる。

すなわち、水ガラス溶液（Ａ液）と硫酸（Ｂ液）とを調合して注入管により別々に圧送し、注入管の吐出口手前あるいは注入管の先端でＡ，Ｂ両液を合流混合して得られた酸性シリカゾルグラウトを、予め酸中和剤を注入しておいた地盤に注入し、地盤内で中性領域で固結させ、地盤を中性化する方法、あるいは予め酸性シリカゾルを地盤に注入した後に、酸中和剤を注入する方法があるが、好ましくは前者の方法である。

そして、酸性シリカゾルと酸中和剤とを作用させる方法としての施工順序は、
１）シリカゾルグラウトの注入範囲全体にあらかじめ酸中和剤を注入しておき、その後に順次シリカゾルグラウトを注入する。
２）注入管を利用して先ず酸中和剤を圧送して周辺地盤に注入した後、この注入管を通じてシリカゾルグラウトを圧送して地盤に注入し、この工程を注入管を順次移動しながら注入範囲全体に繰り返して注入する。

以上の二通りの方法をあげることができる。

以下実験例を挙げてさらに詳しく説明する。
「実験−１」 注入対象地盤に相当する数種の試料土を用意し、これに酸中和剤の懸濁液を浸透させた後、この酸中和剤を浸透させた試料土に製造したシリカゾル溶液を浸透注入した。
１）試料土の採取
シリカゾルグラウトを注入する地盤に見立てた表１に示す数種の試料土（中・細砂）を採取し、そのＰＨ値を測定したところ、全て中性領域（ＰＨ5.8〜8.6）の値を示すものであった。

各試料土のＰＨ値は、自然乾燥した試料土300gに、ＰＨ7.0に調整した水70mlを加えて測定した。

なお、試料土−６のガラス微粉末は、酸と全く反応しないものであるが、本発明に対する比較実験例として用いた。

２）シリカゾルの製造
水60mlに水ガラス40mlを加えたＡ液に、水94.5mlに硫酸5.5mlを加えたＢ液を混合してシリカゾルを製造した。

水ガラスはSi0₂ 24.6％、Na₂O 7.4％、モル比 3.3のものを、また硫酸は工業用75％硫酸を用い、水はＰＨ7.0に調整したものを用いた。

製造したシリカゾルのゲルタイムを測定したところ、47分であった。

なお、ゲルタイムの測定は、後の実験工程と同じ条件とするために、Ａ・Ｂ両液の混合液を入れたビニール袋の底部近くの側面に小孔を設け、ここからシリカゾル溶液を水滴状に流出させ、この流出が止まった時点をゲルタイムとした。

次に、このシリカゾルのゲル化後、このゲルを細かく砕いて水100mlに加えてよく攪拌して30分後にＰＨ値を測定したところ、ＰＨ4.5であった。

さらに３日後に同様にＰＨ値を測定したところ、ＰＨ4.5で全く変化が見られなかった。このことから、シリカゾルのＰＨ値はゲル化後においてそのままの状態で変化しないことがわかる。

３）試料土へのシリカゾルの注入
シリカゾルグラウト中に残存した酸性分が土と反応して酸を中和し、中性領域に移行するかどうかを確認するために次の実験を行った。

底部に複数の小孔を、かつ底部近くの側面に小孔を設けた直径5cm、長さ40cmのビニール袋に表１の各試料土600gを入れ、その上部からシリカゾルグラウトを浸透させ、底部からグラウトが流出してきたところで小孔を閉じ、側面の小孔からの流出が止まった時点でゲルタイムを測定し、表２の結果を得た。

表２より試料土−５の関東ロームは、これに多く含まれている酸化鉄がシリカゾルグラウト中の酸性分と反応して中性領域（ＰＨ6.5）に移行しており、ゲルタイムは2.5分と大きく短縮されていた。

試料土−４の貝殻混じりの土は、貝殻がシリカゾルグラウト中の酸性分と反応してＰＨ4.9と変化しているものの、中性領域までに至っていない。

これはシリカゾルグラウト中の酸性分を中和するのに充分な貝殻が混入されていなかったためである。

一方、ゲルタイム45分から32分と短縮しているが、前記試料土−５に比べるとそれ程大きくなっていない。

これに対して一般的で最も注入対象地盤の土の性状に近い試料土１〜３の試料土のＰＨ値はごく僅かしか変化しておらず、またゲルタイムもごく僅かしか短縮されていないことが分かる。

これは土中に酸性分に反応する物質がごく僅かしか含まれていないことを意味している。

なお、比較例として掲げた試料土−６のガラス微粉末は酸と全く反応しないため、当然のことながらＰＨ値もゲルタイムも変化していない。
４）予め酸中和剤を注入した試料土へのシリカゾルグラウトの注入
上記３）の実験と同様のビニール袋を用いて試料土−１〜試料土−４に酸中和剤を浸透させた。

この酸中和剤としては、表３に示す配合量の異なる２種の炭酸カルシウム（軽質の片山工業株式会社製）懸濁液を用いた。

注入された炭酸カルシウム粒子は土粒子間隙に少しずつ目詰まりを起こしながら浸透していき、袋底部の小孔から流出した液には炭酸カルシウム粒子が少量残っていることが確認できた。

また、比較例の消石灰粒子（JIS特号品）も炭酸カルシウム粒子と同様の状況が見られた。

このようにして各試料土に酸中和剤および消石灰を含浸させた状態で、これに上記シリカゾルグラウト（ＰＨ4.5）を上記３）の実験と同様に浸透させ、それらのゲルタイムと３日後のサンドゲルのＰＨ値を測定した結果を表３に示す。

表３より、実施例−１，３，５，７では、それぞれの試料土の種類が異なっているにもかかわらず、いずれもサンドゲルのＰＨ値が変化し、中性領域に移行していることが分かる。

また、実施例−２，４，６では、実施例−１，３，５，７よりも２倍の炭酸カルシウムの量を加えているにもかかわらず、ＰＨ値はほとんど変化せず、中性領域を保持していることが分かる。

この結果から明らかなように、本発明に用いる酸中和剤は水中では中性領域のＰＨ値を示すが、酸とは中和反応して中性領域に移行させることができ、しかも大量に加えてもアルカリ側に変化させることはないので、ＰＨ調整の困難性なく地盤を確実に中性領域に安定的に保持して、水質汚染の問題を解消することができる。

一方、一般的なアルカリ剤である消石灰を用いる場合は、表３の比較例−１に示すように、ＰＨ4.5のシリカゾルにごく少量を加えることで中性を示すものの、消石灰の量をそれ以上に過剰に加えた比較例−２においてはＰＨ値が大きく変化し、強アルカリ（ＰＨ11.1）に移行していることが分かる。

このように消石灰のようなアルカリ剤では、少量の添加でＰＨ値が大幅に変化するために、シリカゾルグラウトに残存する酸性分を確実に中性領域に保持させることは極めて困難であることが分かる。

酸性シリカゾルグラウトの各種の注入工法に適用できる。

水ガラスグラウトのＰＨとゲルタイムの関係を示す線図である。 水ガラスグラウトへの硫酸の添加量とゲルタイムの関係を示す線図である。

Claims (1)

1. 水ガラス（Ａ液）と硫酸（Ｂ液）とを混合してＰＨ４．３〜５．８でゲルタイム３〜１８０分の酸性シリカゾルに、水中に投入した場合に中性領域（ＰＨ５．８〜８．６）のＰＨ値を安定して呈する酸中和剤を作用させ、地盤内で中性領域で固結させて地盤を中性化するようにした軟弱地盤の止水や地盤強化を目的としたグラウト注入工法であって、予め前記酸中和剤を注入した地盤に前記酸性シリカゾルを注入することを特徴とするグラウト注入工法。

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