JP4832812B2 - 石炭灰を用いた可塑性注入材及び当該可塑性注入材の注入方法 - Google Patents

Description

本発明は、石炭灰を用いた可塑性注入材及び当該可塑性注入材の注入方法に関し、特に、石炭灰を有効利用して、土木構造物の空洞充填等の裏込め、軽量盛土、埋立て等に用いることができる、可塑性注入材及び当該可塑性注入材の注入方法に関する。

従来から、電気事業などの石炭燃焼で副生される石炭灰は、埋め立ての他、セメントを焼成する際の原料である粘土の代替として用いられ、またセメント混和材などに使用されている。
しかしながら、国内においては、近年セメント及びコンクリート生産量が大幅に減少してきており、これに伴い、セメント産業で使用される石炭灰量も減少しており、新たな有効利用方法の開発が望まれている。

また、地盤、土木構造物の空洞や隙間を充填等に利用するグラウト材においては、目的の空洞充填部に効率的に確実に注入し、周辺の隙間等への漏れがないようにするため、あるいは、注入材が地下水や流水に希釈されるのを防止するため、注入材にゲル状の凝集体としての性状があることが望ましい。
そして、かかる注入材は、ポンプで圧送するのに十分な流動性を保つ必要があるとともに、また、グラウト材としての性能を発揮するために充填部において確実に硬化するものである必要がある。

このような性状、機能を有する可塑性注入材（可塑性グラウト材）は、従来から種々研究され、実用に供されている。
たとえば、特許第３３７８５０１号公報には、セメントミルクと、ベントナイトミルクとを混合攪拌して得られる空洞充填、軽量盛土、及び埋立て用の可塑性注入材が提案されており（特許文献１参照）、特許第３４３５１２２号公報には、アタパルジャイト並びにメタカオリンから選ばれる１種以上の可塑化材とリン酸塩系分散剤と水からなる可塑化液と、セメントミルクからなる硬化液とを撹拌混合して形成される可塑性注入材が提案されおり（特許文献２参照）、また、特開２００３−０８２６５３号公報には、流動性モルタルにアタパルジャイトを混入した流動性の膨潤液を加えることにより非流動性の可塑状のグラウト材を得ることが提案されている（特許文献３参照）。

しかしながら、石炭灰の添加を多くした場合には、可塑材の使用量も多くなり、注入材全体に占める石炭灰量は結局少なくなってしまい、石炭灰の大量な有効な利用を図ることは困難であり、また、従来の可塑性注入材は、高価であり経済的ではなかった。
更に、可塑材であるアタパルジャイトの使用量は下限で３０ｋｇ／ｍ^３となっており、それよりも少ないと可塑性が弱くなることが記載されているが、石炭灰を有効に多量に利用するためには、かかるアタパルジャイトの使用量を減らす方法が有効である。
従って、石炭灰を利用した安価な、そして土木構造物の空洞充填等の裏込め、軽量盛土、埋立て等に注入するにあたり、優れた性能を有する可塑性注入材はいまだ実現されていない。

一方、特開平１０−２３６８６２には、石炭灰の添加量を多くした土木構造物の空洞充填、軽量盛土、埋立等に利用できる裏込材が開発されており（特許文献４参照）、特開２００３−２６７７６３号公報には、灰スラリーの流動性を改善するための添加剤を用いた土木建築用材料が開発されている（特許文献５参照）。
しかしながら、石炭灰を使用したスラリーでは流動性が悪く、改善するとブリーディングが多量に発生したり、沈降分離などが促進し、材料分離、あるいは硬化後に変形が生じてしまう。
更に、可塑性が不十分であり、ブリーディングが発生し、体積変化を起こしたり、周辺の隙間等への漏れたり、あるいは、注入材が地下水や流水に希釈されるのを有効に防止することは困難であり、限定打設等に用いるには適切ではなくまた、滞水や多少の湧水がある箇所へは打設ができない。

また、従来の注入材は、高価となり経済的ではなく、一方、石炭灰を大量に利用した安価な可塑性注入材はいまだ実現されていない。
特許第３３７８５０１号公報 特許第３４３５１２２号公報 特開２００３−０８２６５３号公報 特開平１０−２３６８６２号公報 特開２００３−２６７７６３号公報

本発明の目的は、石炭灰を大量に有効利用して、土木構造物の空洞充填等の裏込め、軽量盛土、埋立て等に有効に利用できる、石炭灰を用いた可塑性注入材を提供することである。
更に、本発明の他の目的は、石炭灰を大量に有効利用することができるとともに、水中での濁りが少なく、ブリーディングに起因する材料分離や体積減少も少なく、注入個所に応じて、所望される可塑性を容易に変更することができる、可塑性注入材を提供することである。
また、本発明の他の目的は、上記石炭灰を用いた可塑性注入材の施工現場において、効率よく注入材の性能を発揮することが可能な、石炭灰を用いた可塑性注入材の注入方法を提供することである。

本発明は、特定の成分を組み合わせて配合することにより、含有される可塑材の量が非常に少なく、石炭灰を注入材中に非常に多く含有することができる可塑性注入材が得られることを見出し、本発明にいたったものである。
すなわち、本発明の石炭灰を用いた可塑性注入材は、石炭灰、セメント、水溶性のカチオン系高分子及び水を含有するＡ液と、アタパルジャイト及び水を含有する可塑材溶液Ｂ液とを混合することにより得られることを特徴とする可塑性注入材である。
好適には、前記本発明の可塑性注入材において、上記Ｂ液が、アタパルジャイトとリン酸塩系分散剤と水とを含有する可塑材溶液であることを特徴とする。

更に好適には、上記本発明の可塑性注入材において、上記Ａ液中の石炭灰とセメントとの配合割合は質量比で７０：３０〜９９：１であり、更に該石炭灰と該セメントとの混合物１００質量部に対して、水溶性のカチオン系高分子は０．３〜５．０質量部及び水は３５〜６０質量部配合されることを特徴とし、また、当該本発明の可塑性注入材において、上記Ｂ液中のアタパルジャイトと水との配合割合は、質量比で１：１〜１：５であることを特徴とする。
また更に好適には、上記本発明の可塑性注入材において、上記Ａ液と上記Ｂ液とを容積比率１１：１〜１００：１で混合することを特徴とする。

本発明の石炭灰を用いた可塑性注入材の注入方法は、上記別個に調製したＡ液とＢ液とを現場にて攪拌混合することにより可塑性注入材を製造し、当該本発明の可塑性注入材を施工場所に注入することを特徴とする工法である。

ここで、本発明における「石炭灰」とは、例えば、火力発電所のボイラから排出される石炭燃焼灰等、手段を問わず、石炭を燃焼させて得られた燃焼灰の総称をいい、石炭火力発電所から発生する灰であって、微粉炭燃焼によって生成し、燃焼ボイラの燃焼ガスから空気余熱器、もしくは節炭器等を通過する際に落下採取された石炭灰、電気集塵機で採取された石炭灰、更には燃焼ボイラの炉底に落下した石炭灰等が該当する。
また、上記したように、注入材がゲル状の凝集体としての状態となり、地下水や流水に希釈されることなく、その形状付与性により、周囲への逸脱が生じ難い性状を、本願明細書では「可塑性」という。

本発明の石炭灰を用いた可塑性注入材は、土木構造物の空洞充填等の裏込め、軽量盛土、埋立て等に注入する可塑性注入材として有効に機能することができる。
また、本発明の可塑性注入材は、石炭灰を多量に用いるとともに、可塑材が少なくても優れた可塑性注入材として有効に機能することができ、更に軽量化等の目的に応じた様々な配合組成とすることができる可塑性注入材を得ることができる。
すなわち、カチオン系高分子を含有する上記Ａ液と、上記可塑材溶液Ｂとを組み合わせて配合することにより可塑性を高めることができるため、使用する可塑材を少なくすることができ、これにより、石炭灰を可塑性注入材中に極めて多量に含有させることが可能となったのである。
その上、石炭灰を多量に再利用することができ、埋め立て等の処理の手間及び費用をかける必要なく、環境的にも優れ、石炭灰の極めて良好な再利用が図れることとなる。

本発明を以下の好適例により説明するが、これらに限定されるものではない。
本発明の可塑性注入材は、石炭灰、セメント、水溶性のカチオン系高分子からなる流動性改善剤および水を含むＡ液と、アタパルジャイト及び水を含有する可塑材溶液Ｂ液とを混合することにより得られるものである。
このように、石炭灰を含む懸濁液と、アタパルジャイトを含む懸濁液とを別途調製して組み合わせて配合することにより可塑性を高めることができるため、使用する可塑材を少なくすることができ、これにより、石炭灰を可塑性注入材中に極めて多量に含有させることが可能となるとともに、可塑性注入材として均一な性状が図れ、固化機能を有効に発現でき、石炭灰の多量の再利用を図れることとなる。

本発明の可塑性注入材に用いるＡ液は、石炭灰、セメント、水溶性のカチオン系高分子からなる流動性改善剤および水を含む懸濁液であり、石炭灰としては、上記したような、火力発電所のボイラ等で石炭を燃焼させることによって生成する石炭灰などの微粉炭ボイラ灰や流動床灰等の石炭を原料として得られる灰等が該当し、例えば、ボイラから直接落下するボトムアッシュ、節炭器に落下するシンダーアッシュ、電気集塵機より採取されるフライアッシュ等が挙げられる。
特に可塑性注入材が、より高い流動性及び充填性を得るためには、電気集塵機で採取され、粒度が小さく球状の粒子の含有率が高い石炭灰、フライアッシュを用いることが好ましい。

Ａ液に含有されるセメントとしては、普通、早強、超早強、白色、耐硫酸塩、中庸熱、低熱などの各種ポルトランドセメント、前記ポルトランドセメントの少なくとも一種とフライアッシュ、高炉スラグ等とを混合した混合セメント、ジェットセメント、アルミナセメントなどの特殊セメント、及びセメント系固化材から選ぶことができ、可塑性注入材に強度を付与する機能を有する。

また、Ａ液に含有される水溶性のカチオン系高分子は、流動性改善作用を有し、石炭灰を含むＡ懸濁液中の石炭灰粒子の分散性を向上させ、凝集を抑制する作用とともに、本発明の可塑性注入材が固化した状態におけるブリーディングを抑制する機能を有するものである。
かかるカチオン系高分子化合物としては、アンモニア、アルキルアミン、ポリアルキレンポリアミン等のアミン化合物の１種以上とエピクロロヒドリンの重縮合物や、カチオン性ビニル単量体の重合物、当該単量体と共重合可能な単量体との共重合物などを例示することができ、例えば特開２００３−２６７７６３号公報に開示されているカチオン系高分子を用いることができる。
特に、アルカリ性であるＡ液中でも、有効に解離してカチオン性を呈する、第４級アンモニウム基を分子内に有する水溶性のカチオン高分子化合物が好適に使用できる。

当該Ａ液中に含まれる石炭灰、セメント、カチオン系高分子化合物及び水の好適な配合割合については、まず、石炭灰とセメントとは、その配合質量比が、７０：３０〜９９：１、好ましくは８５：１５〜９９：１、より好ましくは、９０：１０〜９８：２の範囲内であることが望ましい。
かかる配合割合範囲であると、可塑性能を十分に発揮し、水中などでの分離抵抗性に優れるからである。
更に好ましくは、当該セメントと石炭灰の合計１００質量部に対して、水溶性のカチオン系高分子は０．３〜５．０質量部、好ましくは０．５〜３．０質量部で配合され、これはかかる範囲であると、石炭灰を多量に含み、水の添加量が少ない場合であっても、ダマを生じることなく、流動性が良好な均一な懸濁液とすることができることとなり好適だからである。

また、当該Ａ液における水の添加量は、特に制限はないが、通常、石炭灰やセメントの分離が生じない範囲内で使用目的に応じて適宜設定することが可能であるが、様々な配合設計を可能とするためには、Ａ液中の水の添加量を当初できるだけ少なくすることが適切でありセメントと石炭灰の合計１００質量部に対して、水を３５〜６０質量部、好ましくは４０〜５５質量部含んで配合される。
また、流動性や圧送性等を考慮して、必要に応じて、水を後ほど添加することも可能である。

更に、Ａ液には、必要に応じて起泡剤を添加し、発泡処理した気泡を混合してもよく、また、水、砂、レキ、発泡ビーズを含むように構成することもできる。
また、当該Ａ液の石炭灰懸濁液には必要に応じて、減水剤、遅延剤、分散剤などの混和剤を添加してもよく、かかる混和剤の添加によって、練り上がり後の可塑性に特に影響を与えることはない。

Ａ液の調製方法は、配合成分が均一に混合されれば特に制限されないが、例えば石炭灰、セメント、水等を含むスラリーを調製して、その中に上記カチオン系高分子化合物を添加する方法、予め石炭灰やセメント中に所定の割合のカチオン系高分子化合物を混入させておいて後ほど水と混合してスラリーとする方法、または予め水にカチオン系高分子化合物を溶解しておいて、後からこれに石炭灰やセメントを加えてスラリー化する方法等、種々の方法により、混練、攪拌してＡ液を調製することができる。

本発明の可塑性注入材において用いる、上記Ａ液とは別個に調製されたＢ液（可塑化材溶液）は、可塑材を分散させた懸濁液であり、可塑材としては、従来公知の任意の各種の可塑材を１種以上用いることができるが、好適には、アタパルジャイトが望ましい。
可塑材として用いるアタパルジャイトの品位については特に限定はなく、従来から用いられているものを適宜選択して使用できる。

当該可塑材溶液における水の添加量は、特に制限はないが、通常、可塑材の分離が生じない範囲内で使用目的に応じて適宜設定することが可能であるが、様々な配合設計を可能とするためには、可塑化液中の水の添加量を当初できるだけ少なくすることが適切であり、可塑材：水（質量比）が、１：１〜１：５、好ましくは１：２〜１：４程度の範囲とすればよい。
また、流動性や圧送性等を考慮して、必要に応じて、水を後ほど添加することも可能である。

このように、アタパルジャイトと水とを混練してＢ液を調製することにより、運搬費用を低減でき、可塑材溶液を工場で製造して施工現場に運搬し、必要に応じて、現場で水で希釈して、施工に適したフロー値、可塑材濃度等に調節して施工することによって、施工現場における可塑化液の製造プラントを簡素化することができる。

かかるアタパルジャイトは、可塑化材として十分な性能を発揮し、アタパルジャイトのマイナスイオンに荷電している懸濁液（Ｂ液）と、石炭灰やセメント等を含む懸濁液（Ａ液）とを混合した場合に、アタパルジャイト粒子表面のマイナス荷電を、石炭灰及びセメント中のカルシウムプラスイオンが中和することにより、アタパルジャイト粒子の分子間引力並びに表面積効果に基づく急激な凝集作用により、可塑化させることができる。

特に、前記可塑材としてアタパルジャイトを用いる際には、Ｂ液中にリン酸塩系分散剤を添加することが、水の量が少ない場合であっても、アタパルジャイトのダマを生じることなく、また、分離することなく、均一な懸濁液とすることができる点から好ましく、当該リン酸塩系分散剤の添加量は、アタパルジャイト１００質量部に対して１〜４質量部であることが、上記機能を有効に発揮させるために望ましい。
これにより、アタパルジャイトの分離が生じない範囲内で、使用目的に応じて適宜可塑性を任意に配合設計することが可能となる。
かかるリン酸塩系分散剤としては、ピロリン酸ナトリウム、ピロリン酸カリウム、トリポリリン酸ナトリウム、テトラポリリン酸ナトリウム等が挙げられ、市場で入手しうる任意の分散剤が使用できる。

本発明の可塑性注入材は、Ａ液とＢ液とを攪拌混合して形成される可塑性注入材であって、前記Ａ液及びＢ液の混合することにより、可塑化させることができるものである。
このように、カチオン系高分子を含有する懸濁液Ａ液と、上記可塑材溶液Ｂとを組み合わせて配合することにより可塑性を高めることができるため、使用する可塑材を少なくすることができ、これにより、石炭灰を可塑性注入材中に極めて多量に含有させることが可能となる。
そのＡ液とＢ液との混合割合は、使用目的に応じて適宜決定されるものであり、好適には、上記Ａ液と上記Ｂ液は容積比率で１１：１〜１００：１、より好適には、１１：１〜６０：１の割合で混合する。
混練時間は特に材料分離が生じなければ限定されるものではなく、例えばハンドミキサで１５秒程度以下が好適である。

得られた本発明の可塑性注入材は、日本道路公団規格試験法であるシリンダー法によって測定されたフロー値が、８０〜１５０ｍｍ、好ましくは８０〜１２０ｍｍである。ここで、内径８０ｍｍのシリンダーを使用するので、当該フロー値が８０ｍｍ未満となることはなく、１５０ｍｍ以上のものは限定注入等には適さないことから、本発明の可塑性注入材は、優れた可塑性能を有し、限定注入にも適しているものである。

本発明の石炭灰を用いた可塑性注入材の注入方法は、可塑性注入材におけるＡ液（石炭灰懸濁液）とＢ液（可塑材溶液）とを、施工現場の近くで、または施工現場とは異なる場所で予め製造し、現場で混合するものである。
これらの懸濁液の製造装置については、従来と同様でよく、グラウトミキサ、モルタルミキサ、ハンドミキサ、往復攪拌ミキサ等、通常の注入材用のセメントミルクや可塑化液を作製する際に使用されているミキサを用いることができる。
石炭灰懸濁液（Ａ液）と可塑材溶液（Ｂ液）のそれぞれの混合方法についても、例えば、ポンプ圧送により、スタッティックミキサ等で混合する等、従来の注入材を製造する際の石炭灰懸濁液と可塑材液の調製方法と同様で良い。
また、Ａ液とＢ液との混合割合は、使用目的に応じて適宜決定されるが、必要に応じて、Ｂ液の濃度を調整したり、またＡ液とＢ液との混合比率を調整したりして、水中部や滞水部には可塑性を大きく、その他の箇所は可塑性を小さくして可塑性注入材を充填する。

この様にして施工現場と別場所で製造されたＡ液とＢ液は、ミキサ車等の搬送設備やポンプ圧送設備により施工現場に搬送され、施工現場において均一攪拌混合されて可塑化され、施工場所に注入される。
この様な施工方法によれば、施工現場に注入材の製造設備を設置する必要がなく、施工現場の設備が簡素化される。特に、施工現場が狭く注入材の製造設備の設置が困難な場合にも、可塑性注入材の施工が可能となる点で有用性の高い方法である。
かかる注入により、ブリーディングに起因する材料分離や体積減少も少なく、注入個所に応じて、所望される可塑性を容易に変更することができるため、土木構造物の空洞充填、軽量盛土、埋立て等の裏込めに効率よくその性能を発揮させることができる。

本発明を以下の実施例、比較例及び試験例によりさらに説明する。
配合例
１）Ａ液の調製
石炭灰（東北電力株式会社原町火力発電所の電気集塵機より採取した石炭灰：密度２．１０ｇ／ｃｍ^３、４５μｍ篩い残分２６％、比表面積２，４８０ｃｍ^２／ｇ）と普通ポルトランドセメント（住友大阪セメント株式会社製）と水溶性のカチオン系高分子（商品名：ＤＭＣ、ハイモ株式会社製）と混練水（水道水）とを、表１に示す配合割合で配合して、ハンドミキサ（商品名：ＵＭ−１５、日立工機株式会社製）で２分間混練して、Ａ液を２種類調製した。

２）Ｂ液の調製
可塑材成分としては、住友大阪セメント株式会社製の商品名フローギュット（アタパルジャイト）及び混和剤としてピロリン酸ナトリウム（試薬、和光純薬工業株式会社製）を用い、表２に示す配合割合で配合して、往復攪拌ミキサ（商品名：アジター、島崎製作所株式会社製）で５分間混練して、Ｂ液を調製した。
なお、表２に、Ｂ液のフロー値（測定は下記試験例参照）及び、ＪＨＳ Ａ ３１３−１９９２で測定した密度の値も示す。

３）可塑性注入材の調製
上記１）で得られたＡ液に、上記２）で得られたＢ液を、表３に示す配合量で配合し（注入材１ｍ^３中の重量（ｋｇ））均一となるように、ハンドミキサ（商品名：ＵＭ−１５、日立工機株式会社製）を用いて１０〜１５秒程度攪拌混合して、それぞれ可塑性注入材を得た。
各配合割合は、容積比でＡ液：Ｂ液が１１：１、２０：１、４０：１、６０：１の４水準のものを調製した。
また、Ａ液にＤＭＣ（カチオン系高分子）を使用しない可塑性グラウト材の性状（フロー値）について、Ａ液にＤＭＣを使用した可塑性グラウト材の性状とを以下の試験例により比較する。

試験例
得られた各可塑性注入材について、以下の試験に供した。
１）フロー値
日本道路公団規格「エアモルタル及びエアミルクの試験方法（ＪＨＳ Ａ ３１３−１９９２）」のコンシステンシー試験方法のシリンダー法に準拠して、内径８ｃｍ、高さ８ｃｍのシリンダーに、上記実施例１〜４および比較例１〜６で得られた各可塑性注入材試料を入れて、引き抜き後の試料底面の直径を測定し、その結果をフロー値として表４に示す。
なお、参照のために、上記Ａ液の調製で得られたＤＭＣ添加Ａ液と、ＤＭＣを添加していないＡ液のみのフロー値も表４に示す。
なお、これらの試料の内でフロー値が小さいものに関しては、使用時に適度なフロー値となるように水で希釈して用いてもよい。

以上の結果から明らかなように、石炭灰を多量に用いても、石炭灰を含むＡ液の流動性能やＡ液とＢ液混合時の可塑化性能は良好で、石炭灰を多量に再利用できるとともに、可塑材が少なくても優れた性能を有する可塑性注入材が得られることがわかる。

本発明の可塑性注入材は、石炭灰を多量に再利用できるものであるため、石炭灰の大量有効処理に適用することができる。
また、本発明の可塑性注入材は、土木構造物の空洞充填、軽量盛土、埋立等の充填、トンネル等の裏込注入材に良好に適用できる。

Claims (6)

1. 石炭灰、セメント、水溶性のカチオン系高分子及び水を含有するＡ液と、アタパルジャイト及び水を含有する可塑材溶液Ｂ液とを混合することにより得られることを特徴とする、石炭灰を用いた可塑性注入材。
2. 請求項１記載の可塑性注入材において、上記Ｂ液が、アタパルジャイトとリン酸塩系分散剤と水とを含有する可塑材溶液であることを特徴とする、石炭灰を用いた可塑性注入材。
3. 請求項１または２記載の可塑性注入材において、上記Ａ液中の石炭灰とセメントとの配合割合は質量比で７０：３０〜９９：１であり、更に該石炭灰と該セメントとの混合物１００質量部に対して、水溶性のカチオン系高分子は０．３〜５．０質量部及び水は３５〜６０質量部配合されることを特徴とする、石炭灰を用いた可塑性注入材。
4. 請求項１〜３いずれかの項記載の可塑性注入材において、上記Ｂ液中のアタパルジャイトと水との配合割合は、質量比で１：１〜１：５であることを特徴とする、石炭灰を用いた可塑性注入材。
5. 請求項１〜４いずれかの項記載の可塑性注入材において、上記Ａ液と上記Ｂ液とを容積比率１１：１〜１００：１で混合することを特徴とする、石炭灰を用いた可塑性注入材。
6. 別個に調製した上記Ａ液と上記Ｂ液とを現場にて攪拌混合することにより請求項１〜５いずれかの項記載の可塑性注入材を製造し、当該可塑性注入材を施工場所に注入することを特徴とする、石炭灰を用いた可塑性注入材の注入方法。