JP5407112B2

JP5407112B2 - 高圧噴射工法用セメント系固化材および高圧噴射工法

Info

Publication number: JP5407112B2
Application number: JP2007075818A
Authority: JP
Inventors: 修米田; 行雄田坂
Original assignee: Ube Industries Ltd
Current assignee: Ube Corp
Priority date: 2007-03-23
Filing date: 2007-03-23
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2027-03-23
Also published as: JP2008230934A

Description

本発明は、地盤改良に使用する高圧噴射工法用セメント系固化材および高圧噴射工法に係るものである。さらに詳しくは、施工性および固化特性に優れた高圧噴射工法用セメント系固化材および高圧噴射工法に関するものである。

近年、地盤改良工法において、断面形状の異なる既設構造物に接して改良体を形成することや改良目的に応じて改良土直径を深度方向に適正に変えることを目的に、種々の高圧噴射工法が開発されている（特許文献１）。この工法では、固化材に水を加えてスラリーとし、大量のスラリーを超高圧（例えば、数十MPa以上）で地盤に噴射するため、噴射までの管路、フィルターやノズル部での固化材粒子あるいはその初期水和物からなるフロック、凝集物および架橋現象に伴う閉塞や、固化材粒子によるノズル部の磨耗が問題となっていた。

このような閉塞が生じると、改良工事を中断し、さらに回転翼部分を深部の貫入位置から地上部分に引き揚げ、閉塞物を取り除く必要性も生じ、連続的な改良作業に支障をきたしていた。このようなフロックは、通常、“ダマ”と呼称され、この“ダマ”は主として固化材スラリー調整時および溶解槽、すなわち固化材と水との接触時から初期水和段階において前駆体を形成し、時間の経過とともに硬化するケースが多い。“ダマ”の大きさは大きいもので直径５ｍｍ程度、通常１〜２ｍｍ程度である。“ダマ”の抑制方法として、固化材中のセメントの初期水和反応を適正に制御する目的で水溶性アルカリ量や半水石膏量を制限する方法（特許文献２）が開示されている。

特開平７−１８６５８号公報特開２００１−１３１５４７号公報

一方、セメント系固化材は、対象地盤の土質性状や目標改良強度に応じて固化材の材料配合設計（石膏添加量等）を適時変更する場合があり、その際には、改良工事現場に近い場所にある混合設備で材料を混合する。セメント系固化材は、一般に土木建築用セメントに比べて石膏添加量が多く、特にセメント工場での通常のセメント粉砕工程で、ポルトランドセメントクリンカーと多量の二水石膏とを混合粉砕すると、石膏の部分脱水（半水化）が起こり、固化材粉体あるいは固化材スラリーの流動性の著しい低下、さらには“ダマ”の多量発生に繋がるため好ましくない状況となっていた。

本発明は、地盤改良施工機械の管路、スクリーンまたはノズル部分での閉塞やノズル部の磨耗低減を図り、円滑な改良工事を達成する高圧噴射工法用セメント系固化材及びそれを用いた高圧噴射工法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討した結果、セメント系固化材に含まれる無水石膏のキャラクターを最適化することによって、固化材スラリー中の“ダマ”発生を抑制出来ることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、ポルトランドセメントとII型無水石膏粉末とを含む高圧噴射工法用セメント系固化材であって、II型無水石膏粉末／ポルトランドセメントの質量比が０．５／９９.５〜８／９２、II型無水石膏粉末の水分量が０．０３〜２質量％である高圧噴射工法用セメント系固化材に関する。

また、本発明は、ポルトランドセメントと水分量が０．０３〜２質量％であるII型無水石膏粉末とを、II型無水石膏粉末／ポルトランドセメントの質量比が０．５／９９.５〜８／９２となるように混合しセメント系固化材を調製した後、得られたセメント系固化材１００質量部に対して水７０〜１２０質量部を混合し、固化材スラリーを調製する高圧噴射工法用セメント系固化材スラリーの製造方法に関する。

また、本発明は、複数の高圧液を噴射するノズルを先端部に設けた注入管を、予め掘削した地中孔内の下方に挿入し、次いで、前記高圧噴射工法用セメント系固化材スラリーを高速で回転させるノズル先端部から掘削孔内壁に噴射しつつ注入管を上昇させ、掘削孔内壁に地盤改良壁を形成する高圧噴射工法に関する。

本発明の高圧噴射工法用セメント系固化材は、軟弱地盤の高圧噴射改良工法において、固化材スラリー中での“ダマ”発生量が少なく施工機械の配管部分での閉塞や、配管またはノズル等の金属部分での磨耗を抑制でき、改良工事の中断・補修頻度を低減し、改良施工計画をより効率的に推進することができるという効果を奏する。

以下、本発明に係る高圧噴射工法用セメント系固化材、高圧噴射工法用セメント系固化材スラリー、高圧噴射工法用セメント系固化材スラリーの製造方法、およびそれを用いた高圧噴射工法の好適な実施形態について説明する。

＜高圧噴射工法用セメント系固化材＞

本発明の高圧噴射工法用セメント系固化材は、ポルトランドセメントとII型無水石膏粉末とを含む。ポルトランドセメントは、JIS R 5210：2003「ポルトランドセメント」に規定されている普通、中庸熱、早強、低熱および耐硫酸塩ポルトランドセメント等が使用できる。これらのポルトランドセメントのうち、特に、高圧噴射の施工機械の管内やノズルの閉塞・摩擦の抑制、対象地盤との混合精度等の点から普通ポルトランドセメントの使用が好ましい。なお、固化材スラリーの特性を改善するために、ポルトランドセメントおよび無水石膏以外の第三構成成分としての粉体材料を使用する場合、硬度が大きいかまたは粒子形状が角張っている材料、例えば、高炉スラグ粉は極力避けることが好ましい。

石膏は、国内での調達のし易さ、硫酸カルシウムの純度、少量成分量（例えば、ふっ化物、燐酸塩）、結合水の有無（安定性）から、II型無水石膏が好ましい。II型無水石膏粉末をポルトランドセメントと混合する場合、石膏粉末中の水分量がセメントとの良好な粉体混合性、固化材スラリー調製時のダマ発生，ノズルの磨耗，あるいは分散剤添加効果、さらには固化改良土の強度に大きく影響する。この水分量は、JIS R 9101：1995「セッコウの化学分析方法」に規定の方法で求められるものであって、その水分量は０.０３〜２質量％、好ましくは０.０５〜１.５質量％、更に好ましくは０.１〜１.０質量％に管理する必要がある。

II型無水石膏は、天然に産出するもの、またはふっ酸、りん酸製造時や排煙脱硫工程等で副生するものであり、これらの石膏は、通常、何らかの乾燥あるいは仮焼操作が加わり、水分が調製されている。本発明において、この無水石膏中の水分量が大きな影響を及ぼすことおよびその適正値が存在することを、実験室実験および実機の改良機による試験で新たに見出したものである。この水分量が固化材スラリーの諸物性に及ぼす原因は、明らかではないが、石膏の過度の乾燥（水分量０.０５質量％未満）は石膏結晶粒子の固結（一部焼結を含む）、一方、不十分な乾燥（水分量1．0質量％超過）は石膏結晶粒子の凝集によって、“ダマ”の核となる凝集物を形成し、その凝集物が成長して１〜２ｍｍ程度の“ダマ”を形成すると考えられる。セメントの用途として一般的なコンクリートであればこの程度の大きさの“ダマ”は問題とならないが、本発明の用途である高圧噴射工法用として用いる場合は上記したように改良施工機械の管路、スクリーンまたはノズル部分での閉塞やノズル部の磨耗の原因となる。

通常、セメント系固化材の石膏の添加量は、固化強度向上の目的から、エトリンガイト（３CaO・Al₂O₃・３CaSO₄・32H₂O）の生成量を増加させることを狙いとし、ポルトランドセメント１００質量部に対して、少なくとも１０質量部以上（無水石膏として換算した場合）添加されている。しかし、本発明の高圧噴射工法用セメント系固化材においてはII型無水石膏を使用するが、この種の石膏は中・長期的に固化強度の発現に大きく寄与するものの、反面、結晶形状（稜角の角張り）も関係し、施工機械の管路や高圧ノズルの磨耗が著しくなり、許容量上限値が存在する。その結果、セメント固化材中の適正無水石膏量は、II型無水石膏粉末／ポルトランドセメントの質量比が０.５／９９.５〜８／９２である。０.５／９９.５未満であれば無水石膏添加による固化強度の向上効果が小さく、また８／９２を超過すると特に金属部（ノズル）の磨耗が著しくなる。固化材スラリーでの“ダマ”の生成抑制をも考慮すると、より好ましい範囲は１／９９〜６／９６である。

また、II型無水石膏の粉末度は、石膏結晶によるノズルの磨耗量低減のためには、例えば、ブレーン比表面積を２００００ｃm２/ｇ以上に微粉砕することで可能となるが、それでは微粉砕コストが大幅に上昇して改良工事の経済性が損なわれることのほかに、石膏粉体自体の粉体流動性が著しく低下するため輸送、貯蔵、供給・排出時に閉塞等が生じる等、実用上困難さが増す。そのため、無水石膏は、ブレーン比表面積で概ね３５００〜５０００cm²/gであることが好ましい。

本発明の高圧噴射工法用セメント系固化材は、更に分散剤を含めても良い。分散剤としては市販のセメント用分散剤であるナフタレンスルホン酸系、リグニンスルホン酸系（改質系を含む）やポリカルボン酸系およびそれらの混合物が該当する。分散剤を添加することにより、ダマの発生を抑制でき、その結果、固化材粒子間の摩擦減少や固化材粒子による配管やノズルの磨耗防止に有効となる。分散剤がダマ発生量低減に有効な理由は明らかでないが、石膏の水分量を制御するの同様、セメントが十分分散することによりダマの核形成が起こりにくくなることによるものと推察される。

分散剤の添加量は、ポルトランドセメントとII型無水石膏粉末の総量１００質量部に対して、溶液基準で０.５〜３質量部、好ましくは１〜２質量部である。０.５質量部未満では、ダマの発生を十分抑制出来なくなる。

また、II型無水石膏の全フッ素含有量は５０００〜３００００ｍｇ/ｋｇである。３００００ｍｇ/ｋｇを超えると凝結遅延の要因となる。ＳＯ_３含有量は５０〜６０質量％、好ましくは５５〜５８質量％である。この範囲であればセメントと水和反応する石膏としての機能を十分に満足する。全Ｐ_２Ｏ_５含有量は０.１質量％未満、好ましくは０.０５質量％未満である。０.１質量％を超えると全フッ素と同様に凝結遅延の要因となる。

また、必要に応じて、固化材補助剤（生石灰、消石灰、石灰石微粉末、ベントナイト、増粘剤（ＭＣ、ＣＭＣ））、分散剤以外の化学混和剤（水和促進剤・遅延剤、消泡剤）を添加することもできる。
＜高圧噴射工法用セメント系固化材スラリー＞
本発明の高圧噴射工法用セメント系固化材スラリーは、上記の高圧噴射工法用セメント系固化材１００質量部に対して水７０〜１２０質量部、好ましくは７５〜１１５質量部を含む。上記分散剤量を加える場合、水量は分散剤を含めた量である。

これらの結果として、高圧噴射工法による地盤改良を管路での閉塞やノズル部の磨耗等による施工を中断することなく、より円滑に施工でき、またセメント系固化材の約５０〜３００kg/m³の添加で、砂質土で約５００〜６０００ｋN/m²、粘性土で約１００〜３０００kN/m²の固化強度を得ることができる。

＜高圧噴射工法用セメント系固化材スラリーの製造方法＞
次に、本発明に係る高圧噴射工法用セメント系固化材スラリーの製造方法について説明する。

まず、ポルトランドセメントと水分量が０．０３〜２質量％に調整したII型無水石膏粉末とをII型無水石膏粉末／ポルトランドセメントの質量比が０．５／９９.５〜８／９２となるように混合する。II型無水石膏粉末の水分量の調製は天日干し、乾燥機を用いた強制乾燥などで行ない、セメントとの混合直前の水分量が０．０３〜２質量％になるようにする。セメントと石膏の混合に用いる粉体混合装置は特に限定されないが、機械攪拌式（リボン、スクリュー、パドル型）、容器回転式（円筒、V型、立法、S字型）およびこれらの複合型等の混合機が使用できる。

得られた粉体（ポルトランドセメントとII型無水石膏粉末の混合物）１００質量部に対して水７０〜１２０質量部を加えグラウトミキサー等の混合機で混合し、スラリーを調製する。分散剤を添加する場合は予め練混ぜ水に加えておく。

＜高圧噴射工法＞
次に、本発明に係る高圧噴射工法用セメント系固化材スラリーを使用した高圧噴射工法について説明する。

図１及び２において、１は注入管、２は噴射ノズル、３は噴射ノズル口、４は掘削刃である。注入菅先端部は、図１及び２に示すように、地盤を掘削し孔を空けるための掘削刃４、セメント系固化材スラリーを地盤掘削孔に圧送するための注入管１、掘削孔壁面にセメント系固化材スラリーを噴射するための噴射ノズル２から構成される。噴射ノズル２は複数備えている。

図３に高圧噴射工法の一実施形態を示す。まず、掘削刃によって設けた掘削孔５の低部に注入管１を挿入する。次に、グラウトミキサー（図示せず）で調製した固化材スラリーを高圧ポンプ（図示せず）により注入管１に圧送する。この送圧は高圧ポンプの元圧で１０〜５０ＭＰａ、噴射量は５０〜２００Ｌ/ｍｉｎにするのが好ましい。固化材スラリーは注入管１を経由し噴射ノズル２に設けられた噴射ノズル口３から噴射され、掘削孔内壁に地盤改良壁を形成する。噴射ノズル口３の直径は通常３〜１０ｍｍである。なお、地盤改良対象の土質は、特に限定されるものではなく、礫質土、砂質土、粘性土（火山灰粘性土を含む）および有機質土等に適用可能である。

以下に，実施例および比較例を挙げて本発明の効果を説明する。
［１.使用材料］
・普通ポルトランドセメント：
粉末度：３２６０cm²/g 、セメント中のＳＯ₃ ２．０質量％（半水石膏量２．２質量％）
セメント鉱物組成（質量基準）：C₃S ５８％、C₂S １５％、C₃A１０％、C₄AF ９％
・II型無水石膏粉末：
II型無水石膏粉末としては表１に示す５種類のふっ酸無水石膏を使用した。
・分散剤：
ナフタレンスルホン酸ホルマリン縮合物、商品名マイティHS（固形分濃度34質量％）

［３．評価試験］
（ダマ発生量の測定）
セメント系固化材の“ダマ”発生量は、表２に示す割合で水にセメント系固化材粉体を投入し、ファンタービン型の回転翼で３０分間攪拌し固化材スラリーを調製した。その後、固化材スラリーを１．２mmの篩に通し、その残分の１１０℃乾燥重量を計量することによって求めた。また、水、セメント系固化材粉体に分散剤を添加した場合も調製した。
（金属磨耗量の測定）
セメント系固化材スラリーによる金属の磨耗量は、表３に示す割合でセメント系固化材粉体と水を、攪拌時の回転数を一定に保つことができるアメリカ石油協会規定の油井セメント試験用ワーリングブレンダーに投入し、２０分間高速攪拌し（１２０００r.p.m）し、攪拌羽根の重量減少を測定した。

［実施例１〜９、比較例１〜３］
普通ポルトランドセメント９６．５質量％、これに水分量が異なるふっ酸無水石膏を３．５質量％添加混合してセメント系固化材スラリーを調製し、ダマ発生量を測定した。結果を表２に示す。表２から分かるように、セメント系固化材スラリーのダマ発生量は使用した無水石膏の水分量によって異なり、ダマ発生量を低減させるための石膏の適正水分量範囲が存在することが分かる。また、ダマ発生量は、分散剤の添加によって低減できることも分かる。

［実施例１１〜１６、比較例４〜７］
普通ポルトランドセメントと無水石膏との配合割合を変えてセメント系固化材粉体を調製し、それらの固化材スラリーによる金属磨耗量を測定した。結果を表３に示す。表３より、固化材スラリーによる金属部分の磨耗量は、セメント系固化材中の無水石膏配合量が多くなると増加した。

高圧噴射工法に用いる注入菅先端部の断面図である。高圧噴射工法に用いる注入菅先端部の平面図である。高圧噴射工法の一実施形態である。

符号の説明

１注入管
２噴射ノズル
３噴射ノズル口
４掘削刃
５掘削孔
６高圧噴射工法用セメント系固化材スラリー
７地盤改良壁

Claims

ポルトランドセメントとII型無水石膏粉末とを含む高圧噴射工法用セメント系固化材であって、II型無水石膏粉末／ポルトランドセメントの質量比が０．５／９９.５〜８／９２、II型無水石膏粉末の水分量が０．０３〜２質量％及び全Ｆ含有量が８０４０〜１２７２０ｍｇ／ｋｇであることを特徴とする高圧噴射工法用セメント系固化材。
更に分散剤を含むことを特徴とする請求項１に記載の高圧噴射工法用セメント系固化材。
ポルトランドセメントとII型無水石膏粉末の総量１００質量部に対して分散剤を溶液基準で０.５〜３質量部含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の高圧噴射工法用セメント系固化材。
II型無水石膏粉末のＳＯ_３含有量が５０〜６０質量％、全Ｐ２Ｏ５含有量が０.１質量％未満であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の高圧噴射工法用セメント系固化材。
II型無水石膏粉末の水分量が０．０５〜０．９８質量％及びＳＯ_３含有量が５６．６〜５７．０質量％であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の高圧噴射工法用セメント系固化材。
請求項１〜５の何れか１項に記載の高圧噴射工法用セメント系固化材と、水とを含む高圧噴射工法用セメント系固化材スラリーであって、高圧噴射工法用セメント系固化材中のポルトランドセメントとII型無水石膏粉末の総量１００質量部に対して、水７０〜１２０質量部を含むことを特徴とする高圧噴射工法用セメント系固化材スラリー。
ポルトランドセメントと水分量が０．０３〜２質量％であるII型無水石膏粉末とを、II型無水石膏粉末／ポルトランドセメントの質量比が０．５／９９.５〜８／９２となるように混合しセメント系固化材を調製した後、得られたセメント系固化材１００質量部に対して水７０〜１２０質量部を混合し、請求項６に記載の高圧噴射工法用セメント系固化材スラリーを調製することを特徴とする高圧噴射工法用セメント系固化材スラリーの製造方法。
複数の高圧液を噴射するノズルを先端部に設けた注入管を、予め掘削した地中孔内の底部に挿入し、次いで、請求項６に記載の高圧噴射工法用セメント系固化材スラリーを、高速で回転させるノズル先端部から掘削孔内壁に噴射しつつ注入管を上昇させ、掘削孔内壁に地盤改良壁を形成することを特徴とする高圧噴射工法。