JP5234539B2 - 水中柱の構築方法 - Google Patents

Description

本発明は、水中柱の構築方法および該構築方法に利用可能な水中施工用セメント系硬化物に関するものである。例えば、採石などによりできた地下空間の崩壊を防止するために水中に柱を構築して補強する場合などに利用することができる。

良質の石材が採れる場所では、採掘により地下に大きな空洞ができており、それに起因して起こる崩落事故が問題となっている。

このような崩落を防止する方法として、コンクリートで空洞を埋めるなどの対策が採られているが、空洞部分のほとんどが水没してしまっており、大規模な作業を要し、多大なコストがかかっている。

この問題に対し、セメント系硬化物による柱を構築して空洞上部の地盤を支えることが考えられるが、上述のように空洞が水没している場合、水中に型枠を組み、水中コンクリートを打設することは容易ではない。

一方、本願の発明者等は、特許文献１に記載されているように、主としてコンクリート構造物においてプレストレスの導入に使用されるＰＣ鋼材の保護のためにシ−スに充填されるグラウト材について、水とセメントを主原料とするグラウト材に粘土質添加材等の添加材を添加し、大気圧下では先流れ等の充填不良が発生しない程度に粘性が高く、加圧下では粘性が低く高い流動性を有するチクソトロピー性を持たせたグラウト材を開発している。

その場合の基準としては、ＪＩＳ規格のフローコーンを用いたフロー試験のフロー値が１００〜２００ｍｍであり、かつ０．１ＭＰａの圧力を加えたときのグラウト材の流下時間が０．５〜３．０秒となるようにグラウト材の粘性を調整している。

特許文献２には、トンネル等の裏込めや、擁壁、護岸等の背面の空洞充填に適した、流動性、固結性を有するとともに、水中分離抵抗性にも優れた空洞充填材として、フライアッシュ、スラグ、焼却灰、粘土、現場発生の土砂、珪砂等を主材とし、これにセメントまたは石灰、石膏、スラグ等のカルシウム系硬化発現材と水を配合し、さらにベントナイトや少量の吸水性樹脂を添加するなどして、目的に応じた流動特性、固結特性、水中抵抗性を与え、空洞充填材や裏込め材として用いることが記載されている。

また、特許文献３には、水が存在する空洞、特に、護岸壁等の海洋構造物、港湾構造物等の海水に接する空洞や隙間等への注入に用いても、高い水中不分離性と高いチクソトロピー性を有する水中施工用グラウト材として、セメント、水、架橋アクリル系高分子粒子、およびセルロース樹脂を含み、セメントに対する水の重量割合が４０／１００〜６０／１００であり、水に対する架橋アクリル系高分子粒子の重量割合が１／４００〜１／１００であり、かつ水に対するセルロース樹脂の重量割合が１／１０００〜１／１００となるように配合した水中施工用グラウト材が記載されている。

特開２００４−２８４９３０号公報 特開２００７−０７７３９２号公報 特開２００７−２６１９２１号公報

前述のように、水没した空洞内に型枠を組み、水中コンクリートを打設することは現実的ではない。そこで、本願の発明者等は、特許文献１に示されるような高いチクソトロピー性を有するセメント系硬化物を利用して、水中に柱を構築することを考えた。

しかしながら、チクソトロピー性を有するセメント硬化物は、一般にそれ自体が多少の水中不分離性を有しているものの、従来のグラウト材では水中に柱を構築するには必ずしも十分でない。

本発明は上述のような背景のもとに開発されたものであり、型枠を組まなくても水中にセメント系硬化物による必要な強度を有する柱を構築することできる水中柱の構築方法および該構築方法に利用可能な水中施工用セメント系硬化物を提供することを目的としたものである。

本願の請求項１に係る水中柱の構築方法は、水中不分離性とチクソトロピー性を備えたセメント系硬化物により、地下にできた空洞内の水中に自立して前記空洞の上部の地盤を支える柱を構築する方法であって、ポンプに接続したホースまたはパイプの先端部を水底近傍まで送り出し、前記ポンプにより圧送した前記セメント系硬化物を前記ホースまたはパイプの先端部より吐出させながら、前記ホースまたはパイプを徐々に引き上げて行き、吐出された前記チクソトロピー性を備えたセメント系硬化物が圧力の開放により粘性が高まり、流動性を失って積み上がって行くことを利用して、水中に前記セメント系硬化物による柱を構築することを特徴とするものである。

チクソトロピー性を有するセメント系硬化物を用いることで、加圧した状態ではセメント系硬化物の粘性が低下し、高い流動性を示すため、ポンプによる長距離の圧送も可能であり、また比較的細いホースまたはパイプの先端部から限られた範囲に吐出させることができる。

また、ホースまたはパイプの先端部から限られた範囲に吐出されたチクソトロピー性を有するセメント系硬化物は圧力が開放されることで、粘性が高まり、流動性を失うため、水中でほとんど分散することなく水底に積み上がって行き、ホースまたはパイプを徐々に引き上げながら、このチクソトロピー性を有するセメント系硬化物を吐出させることで、水中にセメント系硬化物による柱を形成させることができる。

なお、水中であるため、大気圧ではなく水圧がかかった状態にあり、チクソトロピー性を有するセメント系硬化物は水圧に応じた配合に調整する必要がある。

請求項２は、請求項１記載の水中柱の構築方法において、柱構築位置にあらかじめ芯材を設置し、前記セメント系硬化物を該芯材に沿って吐出させ、前記セメント系硬化物と芯材を一体化した柱を構築することを特徴とするものである。

チクソトロピー性を有するセメント系硬化物は、ホースまたはパイプの先端部から限られた範囲に吐出され、圧力が開放されることで、粘性が高まり、流動性を失うが、未硬化の状態であるため、単にホースまたはパイプを引き上げながら吐出させるだけでは、水圧によりある程度広がって行き、下部の断面が大きく、上部に行くに従って断面が縮小する柱となる。

空洞および柱の高さが低い場合は、それほど問題ではないが、空洞および柱の高さが高い場合には、柱構築位置にあらかじめ芯材を設置し、セメント系硬化物を芯材に沿って吐出させ、セメント系硬化物と芯材を一体化させながら柱を構築して行くことで、柱断面の縮小が図れる。また、芯材をセメント系硬化物の補強材とすることもできる。

芯材の材質や形状は特に限定されず、セメント系硬化物と一体化しやすいように凹凸あるいは突起を有するものを用いることもできる。また、芯材として型枠的なものをあえて排除するものではないが、その場合も、コンクリート用の型枠のように組み立てて密閉するようなものは必要はなく、例えば多数の空隙を有する筒状のものなど、水中に簡単に設置できるものが好ましい。

請求項３は、請求項１または２に係る水中柱の構築方法において、前記芯材が鉄筋籠であることを特徴とするものである。

芯材が鉄筋籠の場合、チクソトロピー性を有するセメント系硬化物を鉄筋籠の内側に吐出させて行くことで、ある程度、柱断面を鉄筋籠で規定することができ、また鉄筋籠による補強で、高い柱強度を確保することができる。

請求項４は、請求項１〜３に係る水中柱の構築方法において、前記セメント系硬化物が、少なくともセメントと、水と、シリカヒュームと、水中不分離性混和材とを含むセメント系硬化物であることを特徴とするものである。

チクソトロピー性を有するセメント系硬化物は、一般に、それ自体、ある程度高い水中不分離性を有しているが、水中に柱を構築するためには、気中で用いられるものより高い水中不分離性が要求される。

そのための配合としては、セメント、水以外の配合として、高いチクソトロピー性が期待できるシリカヒュームの配合に加え、水中不分離性混和材、また必要に応じ流動性を改善するための高性能減水剤等を適量配合することが好ましい。

請求項５は、請求項４に係る水中柱の構築方法において、前記シリカヒュームを７０〜１５０ｇ／ｌ、前記水中不分離性混和材を１．５〜３．５ｇ／ｌ配合することを特徴とするものである。

シリカヒュームは、チクソトロピー性の付与に大きく寄与するものである。シリカヒュームが７０ｇ／ｌより少ないと、、水中施工用セメント系硬化物として十分なチクソトロピー性が得られない可能性がある。また、１５０ｇ／ｌより多いと、粘性が高くなりすぎ充填性が低下するおそれがある。

水中不分離性混和材としては、市販品として、例えば商品名「アスカクリーン」、「太平洋エルコン」がが挙げられる。１．５ｇ／ｌより少ないと、水中施工用セメント系硬化物としては水中不分離性が不十分となる可能性がある。３．５ｇ／ｌより多いと、粘性が高くなりすぎ充填性が低下するおそれがある。

また、必要に応じ、流動性を改善するために高性能減水剤を適量用いるが、配合量が多すぎると、流動性が高くなりすぎ、構築する柱が、自立できなくなるおそれがある。

請求項６は、請求項５に係る水中柱の構築方法において、さらにベントナイトを配合することを特徴とするものである。

ベントナイトは、チクソトロピー性の付与に寄与するものであるが、本発明は乾燥環境の場合と異なり、水中環境であることから、比較的コストが低い、ベントナイトを配合することにより、シリカヒュームの量を抑えることができる。配合量が多くなると強度の低下が問題となる可能性があるため、配合する場合の配合量は、５０ｇ／ｌ以内程度が適当である。

請求項７は、請求項５または６に係る水中柱の構築方法において、さらに補強繊維を配合することを特徴とするものである。

補強繊維は主として、硬化後のせん断に対する補強効果を期待したものである。材質は特に限定されないが、ポリアミド系樹脂繊維（ナイロン繊維）が比較的安価で取り扱いも容易である。

本発明の水中施工用セメント系硬化物においては、この他、混和剤として無水和物である炭酸ナトリウムを適量配合することで、膨潤性を活性化することができる。

また、起泡剤を適量配合して比重を低下させることで、水中での自立性を改善することができる。

また、強度の向上のため、混和材として、高炉スラグ微粉末や無水石膏などを適量配合してもよい。

本発明の構築方法によれば、セメント系硬化物が水中でほとんど分離することなく、自立が可能な柱を構築することができる。

また、本発明の構築方法を、採掘などによってできた空洞の崩落防止に利用した場合、水没した空洞内において、使用材料も作業スペースも縮小できるので、コスト削減につながる。

高いチクソトロピー性を有するセメント系硬化物は、小さなポンプで大量に送ることができ、送られた材料は筒先で自立させることができる。

また、本発明の水中施工用セメント系硬化物は、チクソトロピー性による効果を水中でも十分発揮することができ、水中柱の構築方法にも適した材料である。

図１は、採石によりできた水没した空洞内に、本発明の構築方法により水中柱を構築することで、空洞の崩落を防止する場合の一実施形態を示したものであり、以下の手順で施工を行うことができる。

(1) 採掘後の空洞１の上の地盤２（図１(a)参照）に、ボーリングで穴３を開ける（図１(b)参照）。

(2) その穴３より、芯材としての鉄筋籠４を挿入し、空洞１の下の地盤５に根入れする（図１(c)参照）。

(3) 次に、ポンプ６に接続したホース７を鉄筋籠４の下端部まで下ろす（図１(d)参照）。

(4) ポンプ６によりチクソトロピー性を有する本発明のセメント系硬化物８を打設し（図１(e)参照）、徐々にホース７を上に引き上げて柱９を完成させる（図１(f)参照）。

なお、上記実施形態は、水中柱による水没した空洞の補強を目的としたものであるが、本発明の水中柱の構築方法は、これに限定されず、水中に所定の強度を有するセメント系硬化物の柱を構築する場合一般に対し、適用することができる。

次に、本発明の水中施工用セメント系硬化物に関する試験およびその結果について説明する。

〔試験概要〕
チクソトロピー性を有するセメント系硬化物は、それ自体が多少の水中不分離性を有しているが、そのままでは水中柱の構築に不十分であると判断し、水中不分離性混和剤を混合することとし、本発明の材料を用いて水中柱の構築が可能か検討した。また、水質汚濁の抑制も図った。

〔使用材料〕
試験の使用材料および物性、使用目的を表１に示す。

チクソトロピー性の向上に関与するのは、主にシリカヒューム、ベントナイト、炭酸ナトリウムなどである。チクソトロピー性に関する考え方は、基本的には特許文献１の場合と同様であるが、本発明は乾燥環境の場合と異なり、水中環境であることから、比較的コストが低い、ベントナイトの使用により、シリカヒュームの量を抑えることができる。

また、水中環境に対応させるため、水中不分離性混和材を用いることとした。

起泡剤は、主として比重の低下を目的としたものである。水中での自立を考慮すると、セメント系硬化物の比重が小さい方が有利であることから配合したものである。

その他、各材料の効果は表１の物性、使用目的に対応する。

〔配合条件〕
配合条件を表２に示す。水粉体比は３４％とし、繊維（ポリアミド系樹脂繊維＝ナイロン繊維）混入率は体積比で、全体の０．１％とした。また、表２中のＰは、（Ｃ＋ＳＦ＋ＢＳ＋ＡＧ）を示す。

（ＮＡ⁺は、ＣＮ中のナトリウムイオンのモル量）

〔試験項目〕
試験項目と目標値を表３に示す。

モルタルフロー試験は「ＪＩＳ Ｒ ５２０１−１９９７ セメントの物理試験方法」に準じて行う。練り混ぜたモルタルを乾燥した布でよくぬぐったフローテーブル上の中央の位置に正しく置いたフローコーンに２層詰める。
各層は、突き棒の先端がその層の約１／２の深さまで入るよう，前面にわたって各々１５回突き、最後に不足分を補い表面をならす。直ちにフローコーンを正しく上の方に取り去り、モルタルが広がった後の径を最大と認める方向と、これに直角な方向とで測定し、その平均値を０打フロー値とした。その後１５秒間に１５回の落下運動を与え、モルタルが広がった後の径を最大と認める方向と、これに直角な方向とで測定し、その平均値を１５打フロー値とした。

また、筒先０打フロー値は、ポンプにより圧送した後の硬化材料において行うものである。すなわち、ポンプにより圧送した後の硬化材料において、上記のモルタルフロー試験を行い、０打フロー値を筒先０打フロー値、１５打フロー値を筒先１５打フロー値とした。

練り上がり０打フロー値の目標値を、１１５ｍｍ以下としたのは、それより大きいと流動性が高くなり、水中不分離性が低下するためである。ただし、ここでの目標値は試験における目安として使用したものであり、本発明がこれに限定されるものではない（他の試験項目についても同様である。）。

また、練り上がり１５打フロー値を１２５±５ｍｍとしたのは、小さすぎると流動性が低く、充填性が低下し、また、大きすぎると流動性が高くなり、水中不分離性が低下する
ためである。

筒先０打フロー値の目標値を、１１５ｍｍ以下としたのは、それより大きいと流動性が高くなり、水中不分離性が低下するためである。また、筒先１５打フロー値を１４５±５ｍｍとしたのは、小さすぎると流動性が低く、充填性が低下し、また、大きすぎると流動性が高くなり、水中不分離性が低下するためである。

加圧ＪＰ漏斗流下時間は、特許文献１に記載されているように、密閉容器内に格納され、先端の流出口が密閉容器から露出したＪＰ漏斗内に、調合したセメント系硬化物を充填し、密閉容器内に圧縮空気を送り込み、大気圧の状態から０．１ＭＰａの圧力を加えたときのＪＰ漏斗内のセメント系硬化物が漏斗の流出口から流下しきるまでの流下時間を求めたものである。

前述のように、特許文献１記載の発明は、プレストレスの導入に使用されるＰＣ鋼材用のにシ−スに充填されるグラウト材を対象とするものであり、０．１ＭＰａの圧力を加えたときの流下時間を０．５〜３．０秒としているが、水中での使用を前提とした本発明では、水中での分離が生じにくい範囲で目標値を４０秒以下と設定した。なお、大型模型実験において、４０秒以下であれば、ポンプに過大な負荷を与えずに圧送が行えることを確認している。

水中自立性試験は、水槽中に鉄筋籠を入れた縮小モデルで、セメント系硬化物の材料を鉄筋籠の下部から上部に充填して行き、水中柱の形成を目視で確認した。

〔試験結果〕
試験結果を表４に示す。

試験の結果、本発明により、十分に水中で柱が構築可能であることが分った。本発明では鉄筋籠を用いているが、鉄筋籠を用いなくても柱を構築できることが確認されている。また、強度的にも十分な性能を有しているため、実用性が非常に高い。

採石によりできた水没した空洞内に、本発明の構築方法により水中柱を構築することで、空洞の崩落を防止する場合の一実施形態における施工手順を示す断面図である。

符号の説明

１…空洞
２…上の地盤
３…穴
４…鉄筋籠
５…下の地盤
６…ポンプ
７…ホース
８…セメント系硬化物
９…柱

Claims (7)

1. 水中不分離性とチクソトロピー性を備えたセメント系硬化物により、地下にできた空洞内の水中に自立して前記空洞の上部の地盤を支える柱を構築する方法であって、ポンプに接続したホースまたはパイプの先端部を水底近傍まで送り出し、前記ポンプにより圧送した前記セメント系硬化物を前記ホースまたはパイプの先端部より吐出させながら、前記ホースまたはパイプを徐々に引き上げて行き、吐出された前記チクソトロピー性を備えたセメント系硬化物が圧力の開放により粘性が高まり、流動性を失って積み上がって行くことを利用して、水中に前記セメント系硬化物による柱を構築することを特徴とする水中柱の構築方法。
2. 柱構築位置にあらかじめ芯材を設置し、前記セメント系硬化物を該芯材に沿って吐出させ、前記セメント系硬化物と芯材を一体化した柱を構築することを特徴とする請求項１記載の水中柱の構築方法。
3. 前記芯材が鉄筋籠であることを特徴とする請求項１または２記載の水中柱の構築方法。
4. 前記セメント系硬化物が、少なくともセメントと、水と、シリカヒュームと、水中不分離性混和材とを含むセメント系硬化物であることを特徴とする請求項１、２または３記載の水中柱の構築方法。
5. 前記シリカヒュームを７０〜１５０ｇ／ｌ、前記水中不分離性混和材を１．５〜３．５ｇ／ｌ配合することを特徴とする請求項４記載の水中柱の構築方法。
6. 請求項５記載の水中柱の構築方法において、さらにベントナイトを配合することを特徴とする水中柱の構築方法。
7. 請求項５または６記載の水中柱の構築方法において、さらに補強繊維を配合することを特徴とする水中柱の構築方法。

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