JP5189282B2 - 地盤注入剤及びそれを用いた地盤注入工法 - Google Patents
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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剤及びそれを用いた地盤注入工法に関する。
トンネル土木や都市土木等で、地山や地盤の安定化を図るために、薬液型の地盤注入剤が用いられてきた。この地盤注入剤には、セメント系粒子を含有する懸濁型と、セメント系粒子を含有しない溶液型が知られている。
懸濁型は、強度発現性が優れるといったメリットを有する反面、薬液の浸透性が低いので粒子間隔の小さい緻密な砂質層に適さなかった。懸濁型の中でもセメント系注入剤はゲルタイムが長いため止水工事に適さなかった。
一方、溶液型は、薬液の浸透性が高いので粒子間隔の小さい緻密な砂質層や止水工事に適している。
溶液型注入剤は、水に溶解する化合物を用いる注入剤であり、有機溶液、酸、及びアルカリ溶液を単体又は複合して使用するものである（特許文献１〜６参照）。
特開昭５２−１１３５０５号公報
特公昭５７−０４７２２６号公報
特開昭５２−０８７８０７号公報
特開昭５１−０８２９１３号公報
特開昭５２−１２０５０７号公報
特開昭５７−１９５７８６号公報
溶液型注入剤は、水に溶解する化合物を用いる注入剤であり、有機溶液、酸、及びアルカリ溶液を単体又は複合して使用するものである（特許文献１〜６参照）。
上記のような溶液型注入剤に用いられる無機塩としては、例えば炭酸塩、塩化物、硫酸塩、ホウ酸塩、及びリン酸塩が知られている。有機溶液としては、エステル類−酢酸モノエーテルグリコール、プロピレンカーボネート、アルデヒド類−ホルムアルデヒド、ギ酸メチル、及びグリオキザール等が挙げられる。酸としては硫酸が挙げられる。
また、注入後、直に注入物がゲル化して地盤を安定化させるものが求められているが、「（１）ケイ酸ソーダ、（２）グリオキサール、（３）水溶性のアルミニウム塩、および（４）水溶性の有機酸、水溶性の無機酸および水溶性の酸性無機塩のうちの少なくとも一種、が添加された水性混合液」を用いた地盤注入剤の発明（特許文献７）に挙げられるように、主剤と反応剤を混合してからゲル化するまでに数分を要するようなものであった。
特開昭６２−１９９６８４号公報
さらに、特許文献８〜１０には、水ガラスと酸性材を有効成分として含有するゲルタイムの調整可能な地盤注入剤の発明が開示され、酸として、酢酸、クエン酸、グルコン酸等の有機酸を用いることが記載されている（特許文献８の段落［００４３］、段落［００９４］の表２、特許文献９の段落［００４８］、段落［０１０３］、特許文献１０の段落［００５２］、段落［０１１７］の表２）が、ゲルタイムを調整するために、有機酸塩（カルボン酸塩）を用いることは示されていない。
特開２００４−１９６９１５号公報
特開２００４−１９６９２２号公報
特開２００５−７５８９９号公報
また、特許文献１１には、「アルカリ金属珪酸塩を含有する水溶液のＡ剤と、アルカリ金属アルミン酸塩と有機酸を含有する水溶液のＢ剤とからなる地盤注入剤。」（請求項１）の発明において、クエン酸ソーダを用いることが示されているが、このクエン酸ソーダは、クエン酸、グルコン酸、リンゴ酸、酒石酸等の有機酸と同等のものとして示されている（段落［００１４］、［００２１］、［００２７］、［００２８］）だけであり、特にゲルタイムを調整するために用いるものではなく、また、「アルカリ金属アルミン酸塩」という特定の反応剤を必須とするものであるから、アルカリ金属珪酸塩と、「アルカリ金属アルミン酸塩」以外の無機塩を用いた場合のゲルタイムを調整するために、クエン酸ソーダを用いることを示唆するものではない。
特開２００５−１４６１６１号公報
特許文献１２にも、「アルカリ金属珪酸塩を含有する水溶液のＡ剤と、アルカリ金属アルミン酸塩、アルカリ金属炭酸塩、及び有機酸を含有する水溶液のＢ剤とからなる地盤注入剤。」（請求項１）の発明において、クエン酸ソーダを用いることが示されているが、このクエン酸ソーダは、クエン酸、グルコン酸、リンゴ酸、酒石酸等の有機酸と同等のものとして示されている（段落［００１５］、［００２２］、［００２８］、［００２９］）だけであり、特にゲルタイムを調整するために用いるものではなく、また、「アルカリ金属アルミン酸塩、アルカリ金属炭酸塩」という特定の反応剤を必須とするものであるから、アルカリ金属珪酸塩と、「アルカリ金属アルミン酸塩、アルカリ金属炭酸塩」以外の無機塩を用いた場合のゲルタイムを調整するために、クエン酸ソーダを用いることを示唆するものではない。
特開２００５−１４６１６３号公報
さらに、これらの技術では、ゲルタイムを調製するのに、反応剤の種類を変えたり、主剤と反応剤の混合割合を変える必要があった。施工現場では、２連式の注入ポンプで主剤と反応剤を別々に圧送して使用することが多いが、２連式のポンプではその構造上、主剤と反応剤は等容積での圧送となり、例えば反応剤の種類は１種類で、その濃度を変えることでゲルタイムが調整できるようなものが利便性が高く、求められていた。
本発明は、ゲルタイムの調整が容易で、硬化後の溶液の流出が少なく、混合後の均一性が良い溶液型注入剤である地盤注入剤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、上記課題を解決するために、以下の手段を採用する。
（１）アルカリ金属珪酸塩を含有するアルカリ性水溶液のＡ剤、及び水溶性アルミニウム塩と１Ａ族元素を含むカルボン酸塩（以下、「カルボン酸塩」という。）を含有する酸性水溶液のＢ剤を用いた地盤注入剤であって、前記水溶性アルミニウム塩が硫酸アルミニウムであり、前記カルボン酸塩がクエン酸ナトリウム及び／又はクエン酸カリウムである地盤注入剤である。
（２）前記水溶性アルミニウム塩100部に対して、前記カルボン酸塩を50〜200部含有する前記（１）の地盤注入剤である。
（３）前記Ｂ剤の固形分濃度が５〜50％である前記（１）又は（２）の地盤注入剤である。
（４）前記（１）〜（３）のいずれか一項のＡ剤及びＢ剤を別々に圧送し、注入口付近で合流混合する地盤注入工法である。
（５）前記Ａ剤と前記Ｂ剤の混合比率が容積比で20：80〜80：20である前記（４）の地盤注入工法である。
（６）前記Ａ剤と前記Ｂ剤の混合比率が容積比で20：80〜80：20で、前記Ｂ剤の希釈率によって、ゲルタイムを調整する前記（４）の地盤注入工法である。
なお、本明細書における部や％は、特に規定のない限り質量基準である。
（１）アルカリ金属珪酸塩を含有するアルカリ性水溶液のＡ剤、及び水溶性アルミニウム塩と１Ａ族元素を含むカルボン酸塩（以下、「カルボン酸塩」という。）を含有する酸性水溶液のＢ剤を用いた地盤注入剤であって、前記水溶性アルミニウム塩が硫酸アルミニウムであり、前記カルボン酸塩がクエン酸ナトリウム及び／又はクエン酸カリウムである地盤注入剤である。
（２）前記水溶性アルミニウム塩100部に対して、前記カルボン酸塩を50〜200部含有する前記（１）の地盤注入剤である。
（３）前記Ｂ剤の固形分濃度が５〜50％である前記（１）又は（２）の地盤注入剤である。
（４）前記（１）〜（３）のいずれか一項のＡ剤及びＢ剤を別々に圧送し、注入口付近で合流混合する地盤注入工法である。
（５）前記Ａ剤と前記Ｂ剤の混合比率が容積比で20：80〜80：20である前記（４）の地盤注入工法である。
（６）前記Ａ剤と前記Ｂ剤の混合比率が容積比で20：80〜80：20で、前記Ｂ剤の希釈率によって、ゲルタイムを調整する前記（４）の地盤注入工法である。
なお、本明細書における部や％は、特に規定のない限り質量基準である。
本発明の地盤注入剤及びそれを用いた地盤注入工法を採用することによって、ゲルタイムの調整が容易で、硬化後の溶液の流出が少なく、混合後の均一性が良いという効果を奏する。
以下、本発明をさらに詳しく説明する。
（アルカリ金属珪酸塩）
アルカリ金属珪酸塩は、珪酸ナトリウムや珪酸カリウム等の水溶液である。アルカリ金属珪酸塩のＳｉＯ２／Ｒ２Ｏモル比（Ｒはアルカリ金属）は２〜５程度が好ましく、これらの混合液も使用可能である。これらの中でも安価に入手可能な珪酸ソーダ水溶液（水ガラス）を使用することが好ましい。水ガラスの中でもＪＩＳ３号珪酸ソーダがより好ましい。
（アルカリ金属珪酸塩）
アルカリ金属珪酸塩は、珪酸ナトリウムや珪酸カリウム等の水溶液である。アルカリ金属珪酸塩のＳｉＯ２／Ｒ２Ｏモル比（Ｒはアルカリ金属）は２〜５程度が好ましく、これらの混合液も使用可能である。これらの中でも安価に入手可能な珪酸ソーダ水溶液（水ガラス）を使用することが好ましい。水ガラスの中でもＪＩＳ３号珪酸ソーダがより好ましい。
アルカリ金属珪酸塩溶液の固形分濃度は、水溶液１００部中、５〜４０部が好ましく、１０〜３０部がより好ましい。固形分濃度が低いと固まらない場合があり、固形分濃度が高いと粘度が高くなり、反応剤との混合性や注入作業時の圧送性が悪くなる場合がある。
（水溶性アルミニウム塩）
水溶性アルミニウム塩とは、水に溶解してアルミニウムを供給し酸性を示す物質である。水溶性アルミニウム塩としては、例えば硫酸アルミニウムや各種明礬類、塩化アルミニウム等が挙げられ、これらの一種又は二種以上が使用可能である。
水溶性アルミニウム塩とは、水に溶解してアルミニウムを供給し酸性を示す物質である。水溶性アルミニウム塩としては、例えば硫酸アルミニウムや各種明礬類、塩化アルミニウム等が挙げられ、これらの一種又は二種以上が使用可能である。
水溶性アルミニウム塩の中ではアルカリ金属珪酸塩との反応性や反応後の安定性、コスト面から硫酸アルミニウムが好適に用いられる。硫酸アルミニウムは無水や結晶水を持ったものがあり、いずれも使用可能であるが、結晶水を持ったタイプが溶液化しやすく、安価なため、好適に用いられる。
（カルボン酸塩）
本発明では、クエン酸ナトリウム及び／又はクエン酸カリウムをカルボン酸塩として使用する。
本発明では、クエン酸ナトリウム及び／又はクエン酸カリウムをカルボン酸塩として使用する。
カルボン酸塩としては、一般に、
（１）ぎ酸塩、酢酸塩、及びプロピオン酸塩等のモノカルボン酸塩、
（２）シュウ酸塩、マロン酸塩、コハク酸塩、グルタル酸塩、アジピン酸塩、ピメリン酸塩、マレイン酸塩、フマル酸塩、及びフタル酸塩等のジカルボン酸塩、
（３）トリメリト酸塩及びトリカルバリリル酸塩等のトリカルボン酸塩、
（４）ヒドロキシ酪酸塩、乳酸塩、サリチル酸塩、及びグルコン酸塩等のオキシモノカルボン酸塩、
（５）リンゴ酸塩及び酒石酸塩等のオキシジカルボン酸、
（６）クエン酸塩等のオキシトリカルボン酸塩等が挙げられる。
本発明では、クエン酸塩等のオキシトリカルボン酸塩、なかでも、クエン酸ナトリウム及び／又はクエン酸カリウムをカルボン酸塩として使用する。カルボン酸塩は無水物であっても水和物であってよい。
（１）ぎ酸塩、酢酸塩、及びプロピオン酸塩等のモノカルボン酸塩、
（２）シュウ酸塩、マロン酸塩、コハク酸塩、グルタル酸塩、アジピン酸塩、ピメリン酸塩、マレイン酸塩、フマル酸塩、及びフタル酸塩等のジカルボン酸塩、
（３）トリメリト酸塩及びトリカルバリリル酸塩等のトリカルボン酸塩、
（４）ヒドロキシ酪酸塩、乳酸塩、サリチル酸塩、及びグルコン酸塩等のオキシモノカルボン酸塩、
（５）リンゴ酸塩及び酒石酸塩等のオキシジカルボン酸、
（６）クエン酸塩等のオキシトリカルボン酸塩等が挙げられる。
本発明では、クエン酸塩等のオキシトリカルボン酸塩、なかでも、クエン酸ナトリウム及び／又はクエン酸カリウムをカルボン酸塩として使用する。カルボン酸塩は無水物であっても水和物であってよい。
カルボン酸塩と水溶性アルミニウム塩との混合比率は、水溶性アルミニウム塩（結晶水を含む場合、結晶水は水として換算）１００部に対してカルボン酸塩５０〜２００部が好ましく、８０〜１５０部がより好ましい。上記範囲であれば、硬化後の溶液の流出が少なく、良好な硬化状態と適度な粘度が得られる。
本発明においては、各成分を一度に混合してもよく、また、アルカリ金属珪酸塩をＡ剤とし、水溶性アルミニウム塩とカルボン酸塩の混合溶液をＢ剤とし、Ａ剤とＢ剤を混合して用いてもよい。
Ａ剤とＢ剤を混合する場合、Ｂ剤の固形分濃度は、５〜５０％が好ましく、７〜２５％がより好ましい。また、Ａ剤とＢ剤の合計の固形分濃度は、３〜５０％が好ましく、５〜２５％がより好ましい。上記範囲であれば、硬化後の溶液の流出が少なく、良好な硬化状態と適度な粘度が得られる。
本発明の地盤注入剤の混合方法及び注入方法は、例えば、Ａ剤とＢ剤を別々に調製した後、それらを別々に圧送し、地盤注入前又は地盤注入後に両者を混合して反応させる方法が挙げられる。Ａ剤とＢ剤の混合比率は容積比で２０：８０〜８０：２０とすることが好ましい。
Ａ剤とＢ剤を別々に調製する場合、Ｂ剤については所定量の水溶性アルミニウム塩とカルボン酸塩と水を混合して溶解させて調製する。溶解時に加熱すると、溶解時間が短かくなるため好ましい。固形分濃度で３０〜５０％の水溶液とし、使用現場にて所定のゲルタイムを得るように数倍〜１０倍程度に希釈して使用する方法が好ましい。
地盤注入剤の使用方法は、例えば２連式の注入ポンプでＡ剤及びＢ剤を別々に圧送して使用する方法が挙げられる。２連式のポンプではＡ剤及びＢ剤は等容積で別々に圧送を行って注入口付近で合流混合した後に地盤に注入する。
地盤注入剤は、下記の処方により製造した。
＜使用材料＞
３号珪酸ナトリウム ：ＪＩＳ珪酸３号品、Ｎａ２Ｏ＝９．４％、ＳｉＯ２＝２８．４％、ＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３モル比＝３．１２
水溶性アルミニウム塩：無水Ａｌ２（ＳＯ４）３、市販品
カルボン酸塩 ：無水クエン酸ナトリウム、無水クエン酸カリウム、市販品
比較用カルボン酸 ：無水クエン酸、市販品
水 ：水道水
＜使用材料＞
３号珪酸ナトリウム ：ＪＩＳ珪酸３号品、Ｎａ２Ｏ＝９．４％、ＳｉＯ２＝２８．４％、ＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３モル比＝３．１２
水溶性アルミニウム塩：無水Ａｌ２（ＳＯ４）３、市販品
カルボン酸塩 ：無水クエン酸ナトリウム、無水クエン酸カリウム、市販品
比較用カルボン酸 ：無水クエン酸、市販品
水 ：水道水
Ａ剤：ＪＩＳ３号珪酸ナトリウムを水で希釈して固形分濃度２０％、ｐＨ１３の水溶液とした。
Ｂ剤：硫酸アルミニウム１００部に対してクエン酸ナトリウムを１００部混合し、６０℃まで加熱して固形分濃度５０％、ｐＨ２としてＢ剤原液を調製した。Ｂ剤は表１−１に示す希釈率でＢ剤原液を希釈して使用した。
Ｂ剤：硫酸アルミニウム１００部に対してクエン酸ナトリウムを１００部混合し、６０℃まで加熱して固形分濃度５０％、ｐＨ２としてＢ剤原液を調製した。Ｂ剤は表１−１に示す希釈率でＢ剤原液を希釈して使用した。
Ａ剤と各希釈率のＢ剤を、２０℃、相対湿度８０％の室内で５０：５０の容積比率で混合し、ゲルタイム、ゲル状態、及び分離水量を評価した。比較のため、１Ａ族元素を含有しないクエン酸を用いてＢ剤を調製し、同様に試験した。結果を表１−２に併記する。
＜評価方法＞
ゲルタイム：Ａ剤１００ｍｌとＢ剤１００ｍｌを混合後、著しく増粘して流動しなくなるまでの時点の時間を測定した。
ゲルタイム：Ａ剤１００ｍｌとＢ剤１００ｍｌを混合後、著しく増粘して流動しなくなるまでの時点の時間を測定した。
分離水量：ゲルタイムから１時間経過した時点での分離水をデカンテーションで採取して秤量した。
◎：分離水量が全重量中の分離水量が３％の未満
○：分離水量が３％以上で７％未満
△：分離水量が７％以上
◎：分離水量が全重量中の分離水量が３％の未満
○：分離水量が３％以上で７％未満
△：分離水量が７％以上
ゲル状態：Ａ剤とＢ剤が均一に混合されているか否か、目視で調べた。
○：均一なゲル体が得られた
△：Ａ剤とＢ剤の混合が十分でなく、ゲル状態が不均一である
○：均一なゲル体が得られた
△：Ａ剤とＢ剤の混合が十分でなく、ゲル状態が不均一である
表１−２に示すように、クエン酸を用いた場合には、溶解度が低いために完全に溶解した溶液が得られず、希釈率を変えた場合でもゲルタイムはほとんど変わらない（実験No.1-1〜1-4）。一方、クエン酸ナトリウムやクエン酸カリウムを用いた場合には、完全に溶解した溶液が得られ、希釈率によってゲルタイムを調整することが可能となる（実験No.1-5〜1-10）。したがって、クエン酸等のカルボン酸ではなく、クエン酸ナトリウム、クエン酸カリウム等の１Ａ族元素を含むカルボン酸塩を用いることにより、効果を奏することが分かる。
また、クエン酸ナトリウムやクエン酸カリウムを用いた場合、固形分濃度が５〜５０％で、分離水量が少なく、硬化状態が良好で、ゲルタイムの適当な注入剤が得られ、固形分濃度が高く、ゲルタイムが短い場合でも、クエン酸ナトリウムやクエン酸カリウムを用いることにより、クエン酸を用いた場合と比較して、分離水量を少なくすることができる（実験No.1-5〜1-9）。
また、クエン酸ナトリウムやクエン酸カリウムを用いた場合、固形分濃度が５〜５０％で、分離水量が少なく、硬化状態が良好で、ゲルタイムの適当な注入剤が得られ、固形分濃度が高く、ゲルタイムが短い場合でも、クエン酸ナトリウムやクエン酸カリウムを用いることにより、クエン酸を用いた場合と比較して、分離水量を少なくすることができる（実験No.1-5〜1-9）。
水溶性アルミニウム塩として硫酸アルミニウム、カルボン酸塩としてクエン酸ナトリウムを使用し、硫酸アルミニウム５部に対して表２に示すクエン酸ナトリウムを使用してＢ剤を調整したこと以外は実施例１と同様に試験した。結果を表２に併記する。
表２に示すように、水溶性アルミニウム塩１００部に対してカルボン酸塩を５０〜２００部含有することにより、分離水量が少なく、硬化状態が良好であり、ゲルタイムの適当な注入剤が得られ、また、カルボン酸塩の含有量が少なく、ゲルタイムが短い場合でも、カルボン酸塩を用いることにより、カルボン酸を用いた場合と比較して、分離水量を少なくすることができる（実験No.2-2、1-7、2-3）。
水溶性アルミニウム塩として硫酸アルミニウム、カルボン酸塩としてクエン酸ナトリウムを使用し、硫酸アルミニウム１００部に対してクエン酸ナトリウムを１００部使用し、固形分濃度５０％、ｐＨ２のＢ剤を調製して５倍希釈液のＢ剤を調整し、表３に示す比率のＡ剤とＢ剤を使用して、ゲルタイムとゲル状態を測定したこと以外は、実施例１と同様に試験した。結果を表３に併記する。
表３に示すように、Ａ剤とＢ剤の混合比率を容積比で２０：８０〜８０：２０の範囲で変えることにより、ゲルタイムを調整することができ、良好な硬化状態を得ることができる（実験No.3-2、1-7、3-3）。
本発明の地盤注入剤及びそれを用いた地盤注入工法を採用することにより、ゲルタイムの調整が容易で、硬化後の溶液の流出が少なく、混合後の均一性が良い注入剤が得られるため、これをトンネル土木や都市土木等で地山や地盤の安定化を図る目的で好適に用いることができる。
Claims (6)
- アルカリ金属珪酸塩を含有するアルカリ性水溶液のＡ剤、及び水溶性アルミニウム塩と１Ａ族元素を含むカルボン酸塩を含有する酸性水溶液のＢ剤を用いた地盤注入剤であって、前記水溶性アルミニウム塩が硫酸アルミニウムであり、前記１Ａ族元素を含むカルボン酸塩がクエン酸ナトリウム及び／又はクエン酸カリウムであることを特徴とする地盤注入剤。
- 前記水溶性アルミニウム塩100部に対して、前記１Ａ族元素を含むカルボン酸塩を50〜200部含有する請求項１に記載の地盤注入剤。
- 前記Ｂ剤の固形分濃度が５〜50％である請求項１又は２に記載の地盤注入剤。
- 請求項１〜３のいずれか一項に記載のＡ剤及びＢ剤を別々に圧送し、注入口付近で合流混合することを特徴とする地盤注入工法。
- 前記Ａ剤と前記Ｂ剤の混合比率が容積比で20：80〜80：20であることを特徴とする請求項４に記載の地盤注入工法。
- 前記Ａ剤と前記Ｂ剤の混合比率が容積比で20：80〜80：20で、前記Ｂ剤の希釈率によって、ゲルタイムを調整することを特徴とする請求項４に記載の地盤注入工法。
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