JP4680178B2 - ジェットグラウト操作からのスラリー混合物の脱水方法およびそれに用いる水性懸濁液 - Google Patents

Description

本発明は、ジェットグラウト工法および、ジェットグラウト工法において用いるための化学組成物に関する。
ジェットグラウト工法は、多くの土木工学用途に広く用いられる地盤固結技術である。例えば、建築する構造物の基礎を提供するため、現存する構造物を支持するため、低透水率の防壁を形成するため、保持または支持構造物を形成するため、地盤塊を強化するため、および他の地質構造物を補完するために用いることができる。ジェットグラウト法は、地盤または弱い岩盤を分解すること、および、それをセメント剤、一般にはセメントベースのグラウトと混合して部分的に置き換えることからなり、この分解は、用いるシステムにより、水またはグラウト自体でもよい流体の高エネルギー噴流により達成される。

まず、一般的には直径９０〜１５０ｍｍの穴を固化したい深さまで地盤にあける。適当な深さに到達したらロッドをその場所で回転させ、流体（水またはセメントグラウトそのもの）を高圧で、該ロッドの端に設置したノズルを介して注入する。これは、存在している土を切り出し、硬化する土−グラウト混合物と置き換える効果を有する。ロッドをゆっくりと引き抜きながら、回転するロッドを介した注入を続ける。その結果固結地盤の円柱カラムが生成され、これは硬化して固結地盤成分を形成する。操作の間ロッドの動きは制御することができ、例えば円柱またはパネル状など異なる幾何形状の地盤塊を形成できる。

固結には多くの土が用いられるが、大量の土は、土、セメントおよび水の混合物であるスラリーの形態で取り除かれる。スラリーは、ジェットグラウト操作を行う場所から通常はポンプ輸送され、従って、スラリーが水圧式の従来のポンプを用いたポンプ輸送に十分なほど流体状でない場合は、通常はさらに水が添加される。その結果、大量の水を、多くの場合８０％を越える水を含有するスラリーとなる。スラリーの典型的な内容は、（重量ベースで）６０〜８５％の水、ならびにそれぞれ５〜２５％のセメントおよび土（後者は一般に粘土またはシルト質砂）である。しかし、これらの範囲を超える組成物を有するスラリーについても知られている。さらに、かかるスラリーは、グラウトの特性を改良するために添加した他の成分、例えば可塑剤、スーパー可塑剤、急結剤および抑制剤を含む場合がある。

生成されるスラリーの量は、処理する土の種類により変化する。ジェットグラウト操作が一般に非常に遅くなる粘土質土壌においては、処理する土１ｍ^３当たり生成されるスラリー量は５ｍ^３までになる。かかるスラリーは、例えば埋め戻しなどに利用できる場合もあるが、通常は大量のスラリーを埋め立て処分する必要があり、これはジェットグラウト施工業者にとって高価である。
今回、かかるスラリー混合物から、簡単で有効な処理により脱水が可能であることが見出された。本発明は、ジェットグラウト操作により生成されたスラリー混合物の脱水方法であって、高ＭＷポリエチレンオキシドポリマーを該混合物に均一に分散するような様式で添加することを含む、前記方法を提供する。

ポリエチレンオキシドは一般的な市販材料であり、機能する多くの種類が存在する。「高ＭＷ」とは、重量平均ＭＷが少なくとも１，０００，０００のものを意味する。好適な材料の典型的な例は、Union Carbide Corporationからの各種Polyox（登録商標）に見出すことができ、これは、１，０００，０００〜８，０００，０００の範囲のＭＷを有する各種高分子量ポリエチレンオキシドを有する。

ポリエチレンオキシドポリマーは、スラリー中に、溶液、懸濁液または固体の形態で、その中に均一に分散するような様式で導入することができる。「均一に分散する」とは、スラリー中にポリエチレンオキシドの集塊または凝縮がないことを意味する。これは一般に、これが容易に可能であるような形態、例えば溶液または分散形態での添加が最適であることを意味する。固体形態が用いられた場合、ポリエチレンオキシドがスラリーと接触すると不所望の集塊が容易に生じて、これによって有効性が低減し、操作上の問題が生じる。従って、ポリエチレンオキシドはゆっくりと攪拌しつつ添加して、かかる集塊をさけねばならない。分子量が高くなるとこの問題は増大し、より高分子量の材料を用いる場合には特に注意が必要である。

懸濁液の場合、懸濁液の性質は期待される貯蔵寿命に完全に依存する。例えば、懸濁液がその場で作製され直ちに使用される場合、長期の安定性は明らかに重要ではない。しかし、商業的な状況ではよくあるように、（数ヶ月単位の）輸送および保存には長期の保存寿命が必要とされ、これを保証するための対策が必要である。直面する２つの問題は、ゲル化および沈殿である。

当分野において、ポリエチレンオキシド懸濁液は、ある種の塩基および塩を水に加えることによって、ゲル化から適切に安定化させることができることが知られている。好適な濃度で存在する場合、これらはポリエチレンオキシドを不溶性にして、懸濁液を形成させる。用いられている代表的な材料は、水酸化ナトリウム、塩化ナトリウム、水酸化ナトリウム／塩化ナトリウム混合物、水酸化アンモニウム、硫酸マグネシウム、硫酸ナトリウム、リン酸ナトリウム、亜硫酸ナトリウムおよびリン酸二水素ナトリウムを含む。本発明の実施においては、ある種の塩が特によく機能することが見出された。これらはギ酸ナトリウム、ギ酸カリウム、酢酸ナトリウム、酢酸カリウム、炭酸カリウムおよび塩化ナトリウム／炭酸カリウム混合物である。従って、本発明は、本明細書に記載されている方法であって、ポリエチレンオキシドが水性懸濁液の形態をとり、該水性懸濁液がまた、ギ酸ナトリウム、ギ酸カリウム、酢酸ナトリウム、酢酸カリウム、炭酸カリウムおよび炭酸カリウム／塩化ナトリウム混合物からなる群から選択される塩の安定化量を含む、前記方法を提供する。本発明はまた、物質の組成物としての、ポリエチレンオキシドの安定な水性懸濁液であって、ギ酸ナトリウム、ギ酸カリウム、酢酸ナトリウム、酢酸カリウム、炭酸カリウムおよび炭酸カリウム／塩化ナトリウム混合物からなる群から選択される塩の安定化量が添加された、前記懸濁液を提供する。

任意の与えられたポリエチレンオキシド懸濁液を安定化するのに必要な塩または塩基の量は、存在するポリエチレンオキシドのＭＷ、濃度、および必要な貯蔵寿命によって変化する。かかる項目は、ルーチンの試験によって容易に決定できるが、一般的な量（塩＋水における塩の重量％）は次の表に示される。

炭酸カリウム／塩化ナトリウム混合物の場合、炭酸カリウムが主要材料であり、なぜならば塩化ナトリウム単体では本発明の目的に対して適切な安定性を、特に高温の場合に提供できないからである。しかし、炭酸カリウムの塩化ナトリウムとの組み合わせがこの問題を克服することが見出された。２つの材料の割合はかなりの程度変化することが可能である。従って、塩化ナトリウムの飽和溶液に対しては、非常の多量の炭酸カリウムを飽和レベルに達する前に添加することができる。逆に、炭酸カリウムの飽和溶液に対しては、比較的少ない割合の塩化ナトリウムを飽和レベルに達する前に添加することができる。これらのレベルは温度によって変化するが、典型的には、室温で、飽和塩化ナトリウム溶液は約２５重量％の塩化ナトリウムを含有する。これに対して、飽和する前に添加できる炭酸カリウムの量は全溶液（水＋ＮａＣｌ＋Ｋ_２ＣＯ_３）の約２０％である。逆の場合、飽和炭酸カリウム（約５１％）に対して、塩化ナトリウムは水＋ＮａＣｌ＋Ｋ_２ＣＯ_３の約２．４％まで飽和前に添加できる。これらの割合は、飽和レベルを用いない場合には当然変化するが、当業者は簡単な試験により、任意の状況に対する好適な割合を容易に決定することができる。

上記の塩を用いて形成された懸濁液はゲル化に対して安定であるが、長期間（複数時間または複数日間）放置された場合は沈降が生じ得る。これは、レオロジー調節剤を塩の添加に先立って水に添加して用いることにより、予防することができる。これに有効であることが見出されているレオロジー調節剤はキサンタンガムであり、市場で入手できる物質の例はPkelcoのKELZAN（登録商標）である。キサンタンガムを０．０５〜０．５％、好ましくは０．１〜０．２５％含む懸濁液は、実験室で３ヶ月以上安定であることが見出された。

ポリエチレンオキシド自体については、幾つかの市場で入手可能なポリエチレンオキシド等級についての一般的な用量割合を下の表に示す：

上記の用量割合において、透明水をスラリーから分離することができ、元のスラリーから５０％を超える体積減少、および、スラリーの粘稠度の堅いモルタルの粘稠度への変化をもたらす。当然ながら、ジェットグラウト工法の性質によりスラリーの組成はかなり変化し、従って脱水ポリマーの正確な用量割合もいくらか変化し、上記の用量割合の値は代表的な値のみであり、上記以外の用量割合も同様に効果的でありえる。当業者は簡単な実験により、あるスラリーに対してどれだけのポリマーが必要であるかを容易に確認することができる。

本発明による方法において、ポリエチレンオキシドは攪拌しつつ添加される。これは、土−セメントスラリーから水を分離する効果を有し、スラリーの粘稠度を、液体のそれから堅いモルタル様のそれへと変化させる。分離は、いくらかの攪拌を用いれば通常１０分未満で起こり、分離された水は簡単に排水でき、またはいくらかの圧力を用いて押し出すことができる。排水された水は通常透明で、適切な中和により簡単に下水システムに排水することができ、または容認されている場合は環境中に排水できる。その結果、上記スラリーに対する例えば埋め立てなどによる廃棄のコストは大幅に低減され、なぜならば、脱水によってスラリーの体積が低減することと、乾燥した物質の方が液体の物質より処分費用が安いからである。

本発明による方法が最適に機能するためには、処理すべきスラリーの重量ベースの固体含有量は、オーブンにて１０５℃で試料を乾燥させて測定した場合に、最大４０％、好ましくは最大３５％である。これらの含有量の数字は、スラリー中の粘土、シルト、セメント等の粒径の比較的均一な分布に基づいたものである。しかし、かかるスラリーが大きな粒径の物質、例えば、砂および粘土塊を少量含む場合（実際に生じる場合のように）、与えられた試料の測定された固体含有量はかなり高くなり得る。かかる場合に本発明の方法の性能が影響されることはなく、本発明の目的に対してかかるスラリーは、本明細書に示された固体含有量の限界内であると考えられる。

以下の非限定的例を参照し、本発明をさらに説明する。
例１
ジェットグラウトスラリーに類似し、以下の組成を有するスラリー組成物を作製した：水７０％、セメント１５％、ボドマー粘土（乾燥固体）１５％。このスラリーは液体の粘稠度を有し、安定であった。このスラリー２００ｇに対し、２重量％のPOLYOX WSRN-60Kポリエチレンオキシドの溶液６ｇを加えた。この混合物を攪拌してポリマーをスラリーへ混合した。ゆっくりと攪拌を続けると、固体の凝集が起こり、透明な水が固体から分離された。水９０ｇがスラリーから分離された。残留固体は堅いモルタルであった。

例２
ジェットグラウトスラリーに類似し、以下の組成を有するスラリー組成物を作製した：水７０％、セメント１５％、ボドマー粘土（乾燥固体）１５％（全て重量％）。このスラリーは液体の粘稠度を有し、安定であった。このスラリー２００ｇに対し、１重量％のPOLYOX WSR301ポリエチレンオキシドの懸濁液６．６ｇを加え、この混合物を軽く攪拌してポリマーをスラリーへ混合した。ゆっくりと攪拌を続けると、水が固体から分離された。透明な水９２ｇがスラリーから分離された。残留固体は堅いモルタルであった。

例３
高分子量ポリエチレンオキシドの安定な懸濁液を次のようにして作製した：
キサンタンガム０．５ｇ（Kelzan（登録商標）、PKELCOより入手可能）を、攪拌しながらゆっくりと水５４４．５ｇに加えた。キサンタンガムが完全に溶解するまで攪拌を続けた。ギ酸ナトリウム２５５ｇ（Flukaより入手可能）を添加し、ナトリウム塩が全て溶解するまで攪拌を続けた。最後に２００ｇのPOLYOX WSR301（Union Carbideより入手可能）を加え、さらに数分間攪拌を続けた。最終懸濁液は、ゲル化および沈降に対し２０℃で４５日以上安定であった。

例４
ジェットグラウトスラリーに類似し、以下の組成を有するスラリー組成物を作製した：水７０％、セメント１５％、ロンドン粘土（乾燥固体）１５％（全て重量％）。このスラリーは液体の粘稠度を有し、安定であった。このスラリー２００ｇに対し、例３で調製した、２０重量％のPOLYOX WSR301懸濁液０．３２ｇを加え、この混合物を軽く攪拌した。ポリマーが溶解するまで約２分間待機した後、混合物を再度攪拌した。ゆっくり攪拌を続けると、透明な水が固体から分離された。透明な水９２ｇがスラリーから分離され、残留固体は堅いモルタルであった。

Claims (1)

1. ジェットグラウト操作により生成された、スラリーの重量ベースの固体含有量がオーブンにて１０５℃で試料を乾燥させて測定した場合に最大３５％であるスラリー混合物の脱水方法であって、高ＭＷポリエチレンオキシドポリマーを、ギ酸ナトリウム、ギ酸カリウム、酢酸ナトリウム、酢酸カリウム、炭酸カリウム、および炭酸カリウム／塩化ナトリウム混合物からなる群から選択される少なくとも１種の塩の安定化量を添加した安定な水性懸濁液として添加することを含む、前記方法。