JP5189274B2 - 地盤注入材及びそれを用いた地盤注入工法 - Google Patents

Description

本発明は、各種土木工事における地盤改良工事や止水工事で用いられる地盤注入材に関する。

従来、微粉砕セメントやスラグを水に分散させた懸濁液型注入材で地盤の補強や止水を行なう注入工法が用いられている。
しかしながら、地盤が細砂、粘度質、あるいは岩盤に生じている極めて小さな亀裂部では浸透性が小さく、注入が不可能となる場合があった。

これらの地盤では、高い浸透性能が要求されるため、懸濁液型注入材のように材料の粒子が水に溶けず分散しているものは、その構成粒子の粒子径の大きさにより施工結果が左右される。

また、注入材の粘度が高いほど、浸透性は悪くなるが一方で、施工時間の短縮、透水性の改良効果を得る面ではなるべく強度を高めることが好ましいため、粒子径が小さく高濃度のスラリーでも低粘性な材料が求められている。

このような背景において、粒子径が極めて小さい非晶質微粒子シリカの使用が考えられる。そこで、微粒子シリカをスラリー化し分散剤、減水剤を混和して安定的な低粘度を得る方法が提案されている（特許文献１〜４参照）。
特公平０５−８１３６号公報 特許第３４５１４０７号公報 特許第２６６１８９３号公報 特公平０１−３５７８９号公報

これらの特許文献には、微粒子シリカにカルボン酸又はその塩を主要構成単量体単位とする増粘抑制剤を含有してなる材料も示されているが、いずれもセメント混和材として使用するものであり、微粒子シリカの含有割合は、セメントよりも少なく（特許文献１の第４欄第５行〜第６行、特許文献２の段落［００２０］、特許文献３の段落［００１２］）、微粒子シリカが主体の地盤注入材に適用することは示されていない。

また、超微粒子セメント又は微粒子消石灰とシリカフュームを混合し注入材として使用する方法も提案されている（特許文献５及び６参照）。
特許第３１２９７４５号公報 特公平０５−８１６３２号公報

しかしながら、特許文献５及び６に示されているように、シリカ微粉末をアルカリ性を呈する硬化材と混合してスラリー化した場合、スラリーのｐＨが高くなり、瞬時に増粘するため浸透性能を発揮できないなどの課題がある。

本発明は、上記のような課題を解決しようとするものであり、アルカリ性の硬化材を使用したときのシリカスラリーの増粘を抑制し、従来の懸濁液型注入材以上の浸透が可能である地盤注入材及びそれを用いた地盤注入工法を提供することを課題とする。

本発明は、上記の課題を解決するために、以下の手段を採用する。
（１）非晶質微粒子シリカ、アルカリ性の硬化材、水、及び増粘抑制剤を含有してなる地盤注入材であって、前記硬化材が、微粒子消石灰で、非晶質微粒子シリカと硬化材の合計量100質量部中、２〜40質量部であり、前記増粘抑制剤が、アクリル酸とスルホン酸の共重合体のナトリウム塩で、重量平均分子量が30,000以下の重合体であり、その固形分が、非晶質微粒子シリカと硬化材の合計量100質量部に対して、0.5〜20質量部であることを特徴とする地盤注入材である。
（２）前記水の量が、前記非晶質微粒子シリカと硬化材の合計100質量部に対して、50〜1,000質量部であることを特徴とする前記（１）の地盤注入材。
（３）さらに、硬化促進剤としてアルカリ金属炭酸塩を含有してなることを特徴とする前記（１）又は（２）の地盤注入材である。
（４）前記（１）〜（３）のいずれか一項の地盤注入材を用いたことを特徴とする地盤注入工法である。

アルカリ性の硬化材を使用したときのシリカスラリーの増粘を抑制し、高濃度での注入ができ、さらに従来の懸濁液型注入材より浸透性が向上する効果が得られる。

以下、本発明を詳細に説明する。
なお、本発明における部や％は特に規定しない限り質量基準である。

本発明で使用する非晶質微粒子シリカは、金属シリコン、フェロシリコン、又はジルコニアを製造する過程で電気炉から発生するフューム（シリカフューム）を捕集する方法、例えば、金属シリコン粉末を分散させたスラリーを高温場に噴射し燃焼、酸化させる方法、並びに、例えば、四塩化ケイ素等のハロゲン化物のように、ガス化したケイ素化合物を火炎中に送り製造する方法等の、いわゆる、乾式法で製造されるもの、又は、例えば、ケイ酸塩水溶液からのゾルゲル法により沈降生成させ製造する湿式法のいずれの製法で製造されたシリカ粉末を使用することができ、特に限定されるものでない。その中でも特に乾式法で製造された微粒子シリカが凝集(ストラクチャー)が少なく好ましい。
非晶質微粒子シリカのＳｉＯ_２成分は、８５％以上が好ましく、９０％以上がより好ましい。更に使用する非晶質微粒子シリカの粒子径は、一次粒子の最大粒径が１０μｍ以下が好ましい。

本発明で使用するアルカリ性の硬化材は、カルシウムを含有し、さらにｐＨが９以上のアルカリ性を呈する無機質粉末の微粒子消石灰である。硬化材としては、消石灰などのアルカリ性無機質カルシウム塩、また、普通ポルトランドセメントなどの各種ポルトランドセメント、注入用に開発されたスラグとセメントを混合した微粒子セメントおよび微粒子セメントや普通セメントを分級した分級セメントなどの特殊セメントなどがあるが、本発明では微粒子消石灰を使用する。
硬化材の粒子径は非晶質微粒子シリカの粒子とのバランスでより微粉のものが好ましく平均粒子径が20μｍ以下がより好ましい。
硬化材の使用量は、非晶質微粒子シリカと硬化材の合計量100部中、40部以下が好ましく、２〜20部がより好ましい。40部を超えると浸透性が悪くなる場合がある。

本発明で使用する増粘抑制剤は、アクリル酸とスルホン酸の共重合体又はそのナトリウム塩である。

本発明で増粘抑制剤として用いられるアクリル酸とスルホン酸の共重合体又はそのナトリウム塩の重合体は、ポリカルボン酸（塩）を主要構成とするものであり、不飽和カルボン酸（塩）と、現地地盤で求められる流動性等に応じて、他の重合性単量体、例えば不飽和スルホン酸又はその塩が、構成単量体成分として使用される。

本発明で用いられる重合体は、分散剤、コンクリート用混和剤、洗剤ビルダーあるいはキレート剤として用いられている重合体であり、より具体的には重量平均分子量80,000程度以下のものであり、50,000以下のものが好ましい。重量平均分子量の下限は特に限定されないが、通常は250以上であり、1,000以上であることがより好ましい。重量平均分子量が上記範囲を外れると、増粘抑制効果が認められない恐れがあり、分散性も発揮されない恐れがある。なお、本発明における重量平均分子量は、標準物質としてポリアクリル酸ナトリウムを使用して、ゲルパーミエーションクロマトグラフィーにより得られた分子量をいう。
増粘抑制剤の使用量は、非晶質微粒子シリカと硬化材の合計量100部に対し、増粘抑制剤の固形分が0.1〜20部が好ましく、0.5〜10部がより好ましい。0.1部未満ではほとんど効果がない場合が多く、20部を超えると、使用材料の粒子が凝集し浸透性に悪影響を与えることと、凝結遅延が強くなり硬化しない場合がある。

本発明で使用する硬化促進剤は、アルカリ金属炭酸塩、アルミナ化合物、アルカリ金属(土類)塩化物、アルカリ金属硫酸塩、水酸化アルカリなど一般的なセメント促進剤であれば特に限定されるものではないが、難溶性カルシウム塩を生成させるアルカリ金属炭酸塩が好ましい。また、この中では溶解性が高い炭酸カリウムの使用が特に好ましい。
硬化促進剤の使用量は、非晶質微粒子シリカと硬化材の合計重量１００部に対して、０．５〜５部が好ましく、１〜３部がより好ましい。０.５部未満では硬化促進しない場合があり、５部を超えると浸透性に悪影響を与える場合がある。

注入材を懸濁液とする場合の水量はポンプで圧送できれば特に限定されるものではないが、非晶質微粒子シリカと硬化材の合計重量１００部に対して、５０〜１０００部が好ましく、８０〜５００部がより好ましい。
５０部未満では、懸濁液の増粘が速くなり浸透性が悪くなる場合があり、１０００部を超えると硬化しない場合がある。

本発明の地盤注入工法において、注入材の練り混ぜ方法や注入方法は、特に限定されるものではなく、単管ロット工法、単管ストレーナー工法、二重管単相工法、二重管複相工法、及び二重管ダブルパッカー工法等、現在使用されている工法に適用可能である。

以下、実施例により本発明を詳細に説明するが、本発明は、これら実施例に限定されるものではない。

非晶質微粒子シリカ８０部と硬化材２０部の合計重量１００部に対して、増粘抑制剤０．７部、水１３０部を混合し懸濁液を作製し注入材とした。注入材作製直後の粘度を測定した結果を表１に示す。
＜使用材料＞
非晶質微粒子シリカ：市販品、微粒子シリカ（平均粒子径０．５μｍ）
硬化材 ：市販品、微粒子消石灰（平均粒子径１６μｍ、ｐＨ１２．３）
増粘抑制剤Ａ ：クエン酸
増粘抑制剤Ｂ ：グルコン酸
増粘抑制剤Ｃ ：酒石酸
増粘抑制剤Ｄ ：ナフタレンスルフォン酸系
増粘抑制剤Ｅ ：アクリル酸、スルホン酸の共重合体ナトリウム塩、重量平均分子量 ３,０００
増粘抑制剤Ｆ ：アクリル酸、スルホン酸の共重合体ナトリウム塩、重量平均分子量 ３０,０００
増粘抑制剤Ｇ ：アクリル酸、スルホン酸の共重合体ナトリウム塩、重量平均分子量 １００,０００
増粘抑制剤Ｈ ：ポリアクリル酸ナトリウム、重量平均分子量５,０００
水 ：水道水

＜測定方法＞
作製した懸濁液をＢ型回転粘度計、音叉型振動式粘度計を用いて測定

表１に示されるように、本発明の組成範囲にある増粘抑制剤Ｅ、Ｆ及びＨを用いた実験No.1-6、No.1-7及びNo.1-9の実施例の注入材は、粘度が低く、増粘が抑制されていることが確認された。
これに対して、増粘抑制剤が、カルボン酸又はその塩を主要構成単量体単位とする重合体でない場合には、増粘抑制剤を用いない場合と比較して、増粘の抑制は十分ではなく（実験No.1-1〜No.1-5）、該重合体であっても、重量平均分子量８０，０００を超えると、増粘抑制効果が認められない（実験No.1-8）。

非晶質微粒子シリカと硬化材の合計量１００部に対して、表２に示す配合量で懸濁液を作製し、粘度、固化状態の測定を行なった。結果を表２に示す。

＜使用材料＞
非晶質微粒子シリカ：市販品、微粒子シリカ（平均粒子径０．５μｍ）
硬化材 ：市販品、微粒子消石灰（平均粒子径１６μｍ、ｐＨ１２．３）
増粘抑制剤Ｅ ：アクリル酸、スルホン酸の共重合体ナトリウム塩、重量平均分子量 ３,０００
水 ：水道水
硬化促進剤 ：米山化学社製、炭酸カリウム

＜測定方法＞
粘度の測定 ：作製直後の懸濁液をＢ型回転粘度計、音叉型振動式粘度計で測定。
固化状態の測定 ：作製した懸濁液をカップに入れ、３日経過後の状態を確認した。
流動性なしを○、流動性若干ありを△、流動性ありを×で表した。

表２に示されるように、増粘抑制剤の固形分が非晶質微粒子シリカと硬化材の合計量１００部に対して、０．１〜２０部の場合に、増粘抑制効果があり、固化状態も良好であることが確認された（実験No.1-6、No.2-6〜No.2-12、No.2-14〜No.2-17）。
これに対して、非晶質微粒子シリカと硬化材だけで、増粘抑制剤を配合しない場合には、固化状態は良好であるが、粘度が高くなってしまい好ましくない（実験No.2-2〜No.2-4）。
また、増粘抑制剤の固形分が非晶質微粒子シリカと硬化材の合計量１００部に対して、２０を超えると、増粘抑制効果は飽和し、固化状態が悪くなる（実験No.2-13）。

実施例１、２より選択した注入材、及び非晶質微粒子シリカと硬化材の配合割合を表３のように変化させた注入材について、実施例１、２と同様に懸濁液を作製し、浸透性評価試験を行なった。結果を表３に示す。

＜測定方法＞
直径５ｃｍの土木学会基準ビニル袋に豊浦硅砂を２０ｃｍになるように充填し、作製した注入材２００ｍｌを上部面より静かに注ぎ入れ自然浸透させ、その浸透長さを測定した。

表３に示されるように、硬化材が、非晶質微粒子シリカと硬化材の合計量１００質量部中、４０質量部以下であり、増粘抑制剤を配合した注入材は、浸透長さが長く、優れた浸透性を有することが確認された（実験No.1-6、No.2-6、No.2-9〜No.2-13、No.3-1〜No.3-3）。
これに対して、非晶質微粒子シリカと硬化材だけで、増粘抑制剤を配合しない場合、増粘抑制剤を配合しても、硬化材が、非晶質微粒子シリカと硬化材の合計量１００質量部中、４０質量部を超える場合には、浸透性が悪くなる（実験No.2-2、No.2-7）。

アルカリ性の硬化材を使用したときのシリカスラリーの増粘を抑制することで、従来の懸濁液型注入材以上の浸透が可能となることが期待できるから、各種土木工事における地盤改良工事や止水工事で用いられる地盤注入材として有用である。

Claims (4)

1. 非晶質微粒子シリカ、アルカリ性の硬化材、水、及び増粘抑制剤を含有してなる地盤注入材であって、前記硬化材が、微粒子消石灰で、非晶質微粒子シリカと硬化材の合計量100質量部中、２〜40質量部であり、前記増粘抑制剤が、アクリル酸とスルホン酸の共重合体のナトリウム塩で、重量平均分子量が30,000以下の重合体であり、その固形分が、非晶質微粒子シリカと硬化材の合計量100質量部に対して、0.5〜20質量部であることを特徴とする地盤注入材。
2. 前記水の量が、前記非晶質微粒子シリカと硬化材の合計100質量部に対して、50〜1,000質量部であることを特徴とする請求項１に記載の地盤注入材。
3. さらに、硬化促進剤としてアルカリ金属炭酸塩を含有してなることを特徴とする請求項１又は２に記載の地盤注入材。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の地盤注入材を用いたことを特徴とする地盤注入工法。