JP5294371B2

JP5294371B2 - 注入材

Info

Publication number: JP5294371B2
Application number: JP2007009874A
Authority: JP
Inventors: 了三吉田; 達雄花田; 則雄高橋
Original assignee: Taiheiyo Materials Corp
Current assignee: Taiheiyo Materials Corp
Priority date: 2007-01-19
Filing date: 2007-01-19
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2027-01-19
Also published as: JP2008174651A

Description

本発明は、軟弱地盤や微細亀裂のある岩盤等に注入することによって強固なものにし、当該地盤や岩盤などに構築する建設物の基礎強化等を行うために用いる注入材に関する。

既設の地盤や岩盤をより強固・堅牢なものにしたり、液状化を防ぐために、水硬性物質を主成分とするスラリーを注入材として軟弱地盤等に注入することが行われている。注入材の施工方法として、製造から注入施工時までの期間はスラリー中での水硬性物質の凝結を抑制し、注入後は速やかに固結させるために、水硬性物質と硬化促進成分を別個のスラリーで製造し、注入時に両者を混合して使用する方法がある。一方、施工の繁雑さや二種類のスラリー製造による製造・管理上の負荷から、一種類のスラリーだけで注入施工可能な注入材（以下、「一液型注入材」という。）も開発されている。このような注入材として、スラリー中で凝結の進行を抑えるためにセメントの一部を潜在水硬性物質であるスラグで置換し、さらに注入浸透性を高めるためセメントおよびスラグを粉砕して最大粒径を小さくし、間隙の小さい箇所でも容易に注入できるようにした微粒子系のものが知られている。（例えば、特許文献１参照。）しかしながら、微粒化すればスラリー中で凝集が生じ易くなり、注入時の浸透性が低下するので分散剤の添加が必要となる。分散剤としては、モルタルやコンクリートで使用されている減水剤、高性能減水剤及び高性能ＡＥ減水剤などを用いることができるが、微粒子の凝集化を十分抑制させるのに必要な量を加えると、初期〜中期の強度発現性が低下する。このため、微粒子セメント−スラグ系スラリーにおいて、エトリンガイト相生成による初期強度増進作用がある石膏とゲル化促進作用のある石膏以外の硫酸塩類を加えて初期〜中期の強度発現性を向上させ、且つ分散能力の強いナフタレンスルホン酸系の減水剤類を用い、少ない添加量で分散性を高めた注入材が提案されている。（例えば、特許文献２参照。）
特開平５−２０８８５３号公報特開２００４−２３１８８４号公報

しかるに、前記特許文献２に開示された注入材は浸透係数の低い地盤、即ち注入材が浸透できる間隙が非常に狭い地盤に適用するため開発されたものであるため、初期〜中期の強度発現性は改善されるものの、高い浸透性を確保する上で分散剤の使用が必要とされることから凝結が多少とも遅延化することは避けられない。このような注入材を浸透間隙が広い浸透係数の高い地盤に用いると、注入スラリーが対象地盤中に留まり難くなり、容易に地盤下部まで到達し、注入後は地盤下部に高濃度で蓄積して表層に近づくほど希薄に存在したり、固化する前に流冒する虞があった。また、浸透係数の低い地盤に対しても初期強度発現性は改善されるものの、短時間で工期を完結させる必要のあるものに対しては必ずしも適しているとは云い難かった。このため、本発明では、一液型注入材として用いることができ、製造後は高い注入浸透性を一定時間安定して確保できることが可能であって、浸透係数の低い地盤に注入しても高い浸透性を示し、注入後は短時間で強固な地盤に改質でき、また浸透係数の高い地盤に注入しても満遍なく地盤全体を短時間で強固に固化させることができる注入材の提供を課題とする。

本発明者等は、前記課題解決のため鋭意検討を重ねた結果、微粒化したセメント及びスラグに、減水剤類とゲル化促進作用のあるアルカリ金属の硫酸塩を特定範囲の重量比に調整したものを加えることによって、これらを含む水性スラリーが製造から時間が経過しても高い浸透性能を安定して保つことが可能であり、浸透係数が低い地盤から高い地盤まで支障なく容易に注入浸透でき、また注入後は短時間でゲル化が起こり、浸透係数が高い地盤でも短時間で地盤全体を強固に改質せしめることができたことから、本発明を完成させた。

即ち、本発明は、ポルトランドセメント、スラグ、アルカリ金属の硫酸塩及び減水剤を含有してなるスラリー状注入材であって、液分を除く注入材中のポルトランドセメント含有率が５〜２５００／１０２．８質量％及び液分を除く注入材中のスラグ含有率が５０〜９０質量％であり、アルカリ金属の硫酸塩（ＡＳ）と減水剤（ＲＲ）をＡＳ：ＲＲ＝４：１〜１００：１の質量比かつポルトランドセメントとスラグの合計含有量１００質量部に対する合計量（ＡＳ＋ＲＲ）が１〜４０質量部で含有し、注入材中のアルカリ金属の硫酸塩を除く無機粒子に占める粒径２．２μｍ未満の粒子含有率が４５体積％以下であり、且つアルカリ金属の硫酸塩を除く含有無機粒子の最大粒径が４３μｍ未満であることを特徴とする注入材である。

本発明による注入材は、浸透係数の高い地盤から低い地盤まで広範囲に適用でき、また一液型注入材のため、製造や施工面での負荷を軽減できる。更に、製造時点から注入施工時までの可使時間も確保することが可能なため作業性に優れ、しかも工期がより短時間で完結できるので、緊急性が要求される地盤強化改質工事や漏水岩盤等に対する止水工事にも十分対応できる。

本発明の注入材に使用するポルトランドセメントは、例えば普通、早強、超早強、中庸熱、低熱などの何れの種類のポルトランドセメントでも良い。また、ポルトランドセメントと共に本発明の効果を実質喪失させない範囲で他のセメント類を併用することもできる。本発明の注入材のポルトランドセメント含有量は、他のセメント類を併用する場合はこれを加えたセメント量として、液分を除く注入材中５〜５０質量％が好ましい。ポルトランドセメント含有量が５質量％未満では、凝結が遅延し過ぎたり、強固な地盤に改質できないことがあるため適当ではなく、５０質量％を超えるとスラリー中での含有粒子の凝集化抑制が困難になり注入浸透性が著しく低下することがあるので適当ではない。

本発明の注入材に使用するスラグは、特に限定されず、例えば高炉スラグ、下水汚泥溶融スラグ、都市ゴミ溶融スラグ等を挙げることができる。好ましくは、高ガラス化率のスラグが良く、例えば急冷した高炉水砕スラグなどが適当である。潜在水硬性作用のあるスラグを使用することで固結力が十分付与されることに加え、一液型注入材にしてもスラリーの急速なゲル化が起こらず、製造後の可使時間の確保が容易になる。本注入材のスラグ含有率は、液分を除く注入材中５０〜９５質量％が好ましく、６０〜９０質量％がより好ましい。５０質量％未満では浸透性が低下するので適当ではなく、９５質量％を超えると地盤への固結力が低下することがあるので適当ではない。

本発明の注入材に使用するアルカリ金属の硫酸塩は、リチウム、ナトリウム、カリウムの何れか１種又は２種以上の硫酸化合物であれば何れのものでも良い。また、本発明の注入材製造時は粉末状のアルカリ金属の硫酸塩を使用するのが望ましいが粒径は特に制限されない。アルカリ金属の硫酸塩は、常温付近では水に溶解し、スラリー中に含まれるの微細なセメント粒子やスラグ粒子の擬凝結を抑制して分散性の向上に寄与する他、ゲル化を促進し、初期強度発現性を大幅に高める作用を有する。

本発明の注入材で使用する減水剤は特に限定されず、何れもモルタルやコンクリートに使用できる高性能減水剤、高性能ＡＥ減水剤、分散剤、流動化剤と称されるものでも良く、また液体でも可溶性粉体からなる減水剤でも良い。このような減水剤の成分としては、例えば、ナフタレンスルホン酸ホルマリン高縮合物塩を有効成分とするもの、ナフタレンスルホン酸ソーダのホルマリン縮合物を有効成分とするもの、ナフタレンスルホン酸ナトリウム塩ホルマリン重縮合物を有効成分とするもの、高縮合芳香族スルホン酸を有効成分とするもの、変性リグニンと高縮合芳香族スルホン酸複合体を有効成分とするもの、アルキルアリルスルホン酸を有効成分とするもの、アルキルアリルスルホン酸塩を有効成分とするもの、アルキルアリルスルホン酸高縮合物を有効成分とするもの、アルキルアリルスルホン酸塩高縮合物を有効成分とするもの、アルキルナフタレンスルホン酸ホルマリン縮合物を有効成分とするもの、ナフタレンスルホン酸変性リグニン縮合物を有効成分とするもの、ナフタレンスルホン酸変性リグニン縮合物とリグニンを有効成分とするもの、変性リグニンとアルキルアリルスルホン酸と活性持続ポリマーの複合物を有効成分とするもの、ポリアルキルスルホン酸と反応性高分子を有効成分とするもの、アルキルアリルスルホン酸高縮合物とカルボキシル基含有多価ポリマーを有効成分とするもの、アルキルアリルスルホン酸塩変性リグニン共縮合物と変性リグニンを有効成分とするもの、リグニン誘導体とアルキルアリルスルホン酸塩を有効成分とするもの、ポリアルキルアリルスルホン系界面活性剤を有効成分とするもの、アルキルアリルスルホン酸ホルマリン縮合物を有効成分とするもの、ポリアルキルアリルスルホン酸化合物を有効成分とするもの、メラミンスルホン酸系縮合物を有効成分とするもの、メラミンスルホン酸系化合物を有効成分とするもの、メラミンスルホン酸系化合物とポリオール複合体を有効成分とするもの、高縮合トリアジン系化合物を有効成分とするもの、トリアジン環系高縮合物塩の界面活性剤を有効成分とするもの、メチロールメラミン縮合物を有効成分とするもの、変性メチロールメラミン縮合物を有効成分とするもの、変性メチロールメラミン縮合物とカルボン酸系化合物を有効成分とするもの、スルホン化メラミン高縮合物塩を有効成分とするもの、ポリカルボン酸又はその塩を有効成分とするもの等を挙げることができ、この何れのものでも良く、また２種以上を併用しても良い。減水剤の使用により水性スラリー中でのセメントやスラグ粒子の凝集を防ぎ、特に浸透係数の低い地盤などへの浸透性を高めることができる。

本発明の注入材では、前記アルカリ金属の硫酸塩と減水剤との含有比率が規定される。即ち、アルカリ金属の硫酸塩（ＡＳ）と減水剤（ＲＲ）をＡＳ：ＲＲ＝４：１〜１００：１の質量比で含有することを必須とする。ここで、減水剤の質量は固型分で換算する。このような質量比にすることで、スラリー中での粒子凝集化に対する安定した抑制作用が確保されると共に、可使時間経過後は速やかにゲル化し、より短時間で高い強度を発現することが可能となる。質量比で減水剤１に対してアルカリ金属の硫酸塩が４未満では、注入施工に適した注入浸透性が得難くなったり、注入後のゲル化が遅くなり、注入材の流冒や初期強度発現性が低下し易くなるので好ましくない。また、質量比で減水剤１に対してアルカリ金属の硫酸塩が１００を超えると、凝結が促進され可使時間が殆ど確保できないことがあるので好ましくない。本発明の注入材に用いるアルカリ金属の硫酸塩と減水剤の総含有量はセメントとスラグの含有量１００質量部に対し、１〜４０質量部が好ましい。１質量部未満では含有効果が殆ど得られず、また４０質量部を超えると長期強度発現性が低下し、強固な地盤を形成できないので適当でない。

また、本発明の注入材には前記以外の成分を浸透性や強度発現性等の性状に支障を及ぼさない範囲で適宜含有することができる。このような成分として、例えば、フライアッシュやシリカフューム等のポゾラン反応性物質、炭酸カルシウム、水酸化カルシウム等を挙げることができる。

また、本発明の注入材は、注入材中に含まれるアルカリ金属の硫酸塩を除く全無機粒子中２．２μｍ未満の粒子含有率が４５体積％以下（０体積％を含む。）であって、且つアルカリ金属の硫酸塩を除く含有無機粒子の最大粒径が４３μｍ未満、好ましくは３６μｍ未満、であることを必須とする。このような粒径のものを用いることにより、浸透係数が低い地盤での粗大粒や凝集粒による浸透経路途中の目詰まりを軽減することができ、良好な浸透性が得られる。アルカリ金属の硫酸塩を除く全無機粒子中２．２μｍ未満の粒子含有率が４５体積％を超えると、スラリー中での粒子凝集化が進み易くなり浸透性が低下し、また凝結が促進されて可使時間の確保が困難になることがあるので好ましくない。また、最大粒径が４３μｍ以上になると粗大粒による浸透経路閉塞の虞が強まり、注入浸透に支障が生じることがあるので好ましくない。

本発明の注入材は、前記各使用材料を配合し、これをスラリー化してなる一液型の注入材である。スラリー化には水を使用し、水の配合量は、セメントとスラグの合計含有量１００質量部に対し、概ね５０〜１５００質量部が望ましい。約５０質量部未満の水量では浸透性が低下するので適当ではなく、１５００質量部を超えると注入しても地盤等を強固なものに改質することが困難になるので適当ではない。また、スラリー化の方法は特段限定されるものではなく、一例を示すとグラウトミキサーに水以外の各成分を入れて乾式混合し、次いで水を添加して湿式混合すれば良い。また、本発明の注入材は、アルカリ金属の硫酸塩のみを他の使用材料からなるスラリーに注入時に混合させて施工することもでき、より長い可使時間を確保したり、予め可使時間を考慮することなく注入施工を行いたい場合には特に好適である。さらに、本発明の注入材は、一液型の注入材として単独で使用できることは勿論ではあるが、水ガラスやシリカゾルなどの液状硬化剤と注入時に混合して注入に供する二液型注入材の構成材としても使用することができる。

［注入用スラリーの作製］
普通ポルトランドセメント（太平洋セメント株式会社製）、高炉水砕スラグ（新日本製鉄株式会社製）、無水硫酸ナトリウム（市販試薬）、ナフタレンスルホン酸系高性能減水剤（商品名「マイティ１５０」、花王株式会社製）、ポリカルボン酸系高性能ＡＥ減水剤（商品名「コアフローＮＰ５５Ｒ」、太平洋マテリアル株式会社製）から選定される材料と水を用い、表１に示す配合量でグラウトミキサーで混合し、スラリー（本発明品１〜６及び８〜９、本発明から外れる参考品１１〜１８）を作製した。また、同様に、無水硫酸ナトリウム以外の材料を混合し、注入時に無水硫酸ナトリウムを添加混合したスラリー（本発明品７）も作製した。尚、普通ポルトランドセメントと高炉水砕スラグは予めチューブミルに入れて粉砕し、レーザー回析式粒度分布測定装置を併用して粒度確認を行いながら遠心分離機で分級を行い、粒径を調整したものを使用した。

［スラリーの可使時間の評価］
作製したスラリーの可使時間保持性に対する評価として、ＲＢ８０形デジタル粘度計（東機産業株式会社製）を用い、２０℃でのスラリーの粘度を測定し、スラリー作製時の混合終了時点から粘度が１００ｍＰａ・ｓに達するまでの時間をゲル化時間として把握した。

［スラリーのモデル地盤への浸透性評価］
地盤工学会基準「薬液注入による安定処理土の供試体作製方法」ＪＧＳ０８３１に準拠し、地盤モデルとして珪砂からなる充填間隙形態の異なる２種類供試体を作製した。この供試体に、前記の如く作製したスラリーを注入し、２０℃の温度下でスラリー浸透性を把握する試験を行った。具体的には、内径φ５×５０ｃｍのアクリル円筒管に、珪砂４号（平均粒径約８００μｍ）を間隙率４０％調整して充填させた供試体（高浸透性地盤モデル）及び珪砂７号（平均粒径約１５０μｍ）を間隙率４０％に調整して充填させた供試体（低浸透性地盤モデル）を作製した。次いで、撹拌機能が付いた加圧タンクに投入したゲル化開始３０分前のスラリーを、垂直に設置した各供試体の底部から１ｋｇｆ／ｃｍ²の圧力で注入し、１０分間で注入できたスラリー量で各スラリーの注入浸透性を評価した。尚、各供試体は、スラリーを注入する前に、ＪＩＳＡ１２１８「土の透水試験方法」に準じた方法で、水を飽和充填して透水係数を測定した結果、高浸透性地盤モデルに相当する供試体では約３×１０^-1ｃｍ／秒、低浸透性地盤モデルに相当する供試体では約９×１０^-3ｃｍ／秒であった。

［スラリーが注入された地盤の強度発現性の評価］
ゲル化開始３０分前のスラリーを前記各供試体の底部から１ｋｇｆ／ｃｍ²の圧力にて、供試体上部から溢れ出るまで注入した。このスラリーが注入された供試体を２０℃の温度下で２４時間放置した後、アクリル管内で固結した充填物を抜き取り、φ５×１０ｃｍに成形した。成形体の一軸圧縮強度を、ＪＩＳＡ１２１６「土の一軸圧縮試験方法」に準じた方法で測定した。尚、注入が不良であったものは供試体を硬化できなかったため、一軸圧縮強度の測定は不能であった。以上の各測定・評価結果は、表２に纏めて表す。

表２から、本発明によるスラリーは何れの地盤モデルに対しても、高い注入浸透性を示し、また、何れの地盤モデルに対しても、注入後２４時間という短時間で既に高い強度発現性を呈し、短時間で強固な地盤を得ることが可能であることがわかる。これに対し、従来技術のスラリー（比較品１３）は、何れの地盤に対しても高い注入浸透性を示すものの、浸透係数の高い地盤に対しては、固結作用が弱くなり、少なくとも注入後２４時間では本発明品と比べると低い強度となった。また、本発明から外れる他のスラリーでは、ゲル化時間が短か過ぎて低浸透性地盤への注入浸透性が著しく低下したり（比較品１４、１５及び１８）、凝集化により注入浸透性の著しい低下（比較品１１）や、粗大粒子による浸透間隙の閉塞（比較品１２）等の原因によって、スラリーが十分注入できず硬化できなかったものが見られた。また凝結が遅延し、高浸透性地盤への注入では地盤中で十分留まれず、強固な硬化体が形成できなかったもの（比較品１６及び１７）も見られた。

Claims

ポルトランドセメント、スラグ、アルカリ金属の硫酸塩及び減水剤を含有してなるスラリー状注入材であって、液分を除く注入材中のポルトランドセメント含有率が５〜２５００／１０２．８質量％及び液分を除く注入材中のスラグ含有率が５０〜９０質量％であり、アルカリ金属の硫酸塩（ＡＳ）と減水剤（ＲＲ）をＡＳ：ＲＲ＝４：１〜１００：１の質量比かつポルトランドセメントとスラグの合計含有量１００質量部に対する合計量（ＡＳ＋ＲＲ）が１〜４０質量部で含有し、注入材中のアルカリ金属の硫酸塩を除く無機粒子に占める粒径２．２μｍ未満の粒子含有率が４５体積％以下であり、且つアルカリ金属の硫酸塩を除く含有無機粒子の最大粒径が４３μｍ未満であることを特徴とする注入材。