JP5519148B2 - 注入材及びそれを用いた注入工法 - Google Patents

Description

本発明は、注入材に関する。例えば、各種土木工事における地盤改良工事や止水工事等の微細空隙に注入する注入材に関する。

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コンクリートひび割れ部位の止水を行なう注入工法が用いられている。

しかしながら、細砂、粘土、岩盤からなる地盤に生じる、極めて小さな亀裂部や、コンクリートクラックに代表される微細空隙部では、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。懸濁液型注入材のように材料の粒子が水に溶けずに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。

注入材の粘度が高いほど、浸透性は悪くなる。注入材は、施工時間を短縮し、透水性を改良する点で、なるべく強度を高めることが好ましい。粒子径が小さく、高濃度のスラリーであり、かつ、低粘性な注入材が求められている。

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。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。いずれの特許文献も、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い（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］）。いずれの特許文献も、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。

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 特開平２００８−１２０８９２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の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に、浸透性能を発揮できない等の課題がある。特許文献７は、増粘を抑制する方法を提案しているが、硬化に時間を有し、微粒子消石灰の粒径が大きく、十分な浸透性が得られない課題がある。

本発明は、上記の課題を解決するものである。

本発明は、非晶質微粒子シリカ、アルカリ金属化合物、塩化カルシウム、増粘抑制剤を含有してなる注入材であり、増粘抑制剤の使用量が、非晶質微粒子シリカの固形分質量１００部に対し、固形分換算で、０．１〜５.０部であり、アルカリ金属化合物と塩化カルシウムの混合割合が、アルカリ金属化合物／塩化カルシウムの固形分のモル比で０.２５〜５.０であり、アルカリ金属化合物と塩化カルシウムの合計の使用量が、固形分換算で、非晶質微粒子シリカ１００質量部に対して３〜６０部である注入材であり、増粘抑制剤がメタクリル酸ナトリウムと
メトキシポリオキシエチレンメタクリレートの共重合体である該注入材であり、該注入材と、注入材の固形分１００部に対して８０〜１０００部の水を含有してなる注入材懸濁液であり、 非晶質微粒子シリカ、アルカリ金属化合物、塩化カルシウム、増粘抑制剤、及び水を混合し、注入してなる注入工法であり、増粘抑制剤の使用量が、非晶質微粒子シリカの固形分質量１００部に対し、固形分換算で、０．１〜５.０部であり、アルカリ金属化合物と塩化カルシウムの混合割合が、アルカリ金属化合物／塩化カルシウムの固形分のモル比で０.２５〜５.０であり、アルカリ金属化合物と塩化カルシウムの合計の使用量が、固形分換算で、非晶質微粒子シリカ１００質量部に対して３〜６０部であり、水量が、本注入材の固形分１００部に対して、５０〜１０００部である注入工法であり、非晶質微粒子シリカと可溶性カルシウム塩と増粘抑制剤を予め混合してスラリーを調製し、次いでアルカリ金属化合物と水を混合してなる注入工法であり、増粘抑制剤の使用量が、非晶質微粒子シリカの固形分質量１００部に対し、固形分換算で、０．１〜５.０部であり、アルカリ金属化合物と可溶性カルシウム塩の混合割合が、アルカリ金属化合物／可溶性カルシウム塩の固形分のモル比で０.２５〜５.０であり、アルカリ金属化合物と可溶性カルシウム塩の合計の使用量が、固形分換算で、非晶質微粒子シリカ１００質量部に対して３〜６０部であり、スラリー中の水量が、スラリー中の固形分１００部中、５０〜１０００部であり、アルカリ金属化合物と水の混合物中のアルカリ金属化合物の濃度が、固形分換算で、２０〜６０％である注入工法である。

本発明は、浸透性が向上し、硬化性に優れるため十分な改良効果が得られる。

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。

以下、本発明を詳細に説明する。

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）を捕集する方法により得られるものである。非晶質微粒子シリカとしては、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方法等の、いわゆる、湿式法で製造されるもの等が挙げられる。その中では、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)が少ない点で、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。
非晶質微粒子シリカの粒子径は、１０μｍ以下が好ましい。

本発明で使用する増粘抑制剤としては、特に限定されるものではなく、メタクリル酸ナトリウムとメトキシポリオキシエチレンメタクリレートの共重合体、ナフタレンスルホン酸塩ホルムアルデヒド縮合物、メラミンスルホン酸塩ホルムアルデヒド縮合物、ポリカルボン酸もしくはそのエステルもしくはその塩、オキシカルボン酸もしくはその塩、ポリスチレンスルホン酸塩、フェノール系ホルムアルデヒド縮合物（例えば、フェノールスルホン酸と共縮合可能な他の単量体とのホルムアルデヒド共縮合物）、及び、アニリンスルホン酸系ホルムアルデヒド縮合物（例えば、アニリンスルホン酸と共縮合可能な他の単量体とのホルムアルデヒド共縮合物）からなる群のうちの１種又は２種以上が好ましい。

本発明で使用する増粘抑制剤の使用量は、非晶質微粒子シリカの固形分質量１００部に対し、固形分換算で、０．１〜５.０部が好ましく、０.５〜４.０部がより好ましい。０.１部未満ではスラリーの増粘を抑制する効果が低い可能性があり、５.０部を超えると硬化遅延する可能性がある。

本発明で使用する硬化材は、アルカリ金属化合物と可溶性カルシウム塩の反応により生成する消石灰を用いる。すなわち、非晶質微粒子シリカと可溶性カルシウム塩を予めスラリーとして混合し、次いでアルカリ金属化合物溶液を注入直前に組み合わせることで、微細な消石灰が注入中に生成できると考えられる。硬化材溶液は、硬化材懸濁液であってもよい。

本発明で使用するアルカリ金属化合物は、消石灰が生成できるものであれば、特に限定されるものではない。アルカリ金属化合物としては、アルミン酸アルカリ、アルカリ金属塩化物、及び、水酸化アルカリ等が挙げられる。これらを組み合わせて使用することも可能である。水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム、アルミン酸ナトリウム、及び、アルミン酸カリウムからなる群のうちの１種又は２種以上が好ましく、水酸化ナトリウムがより好ましい。

本発明で使用する可溶性カルシウム塩はアルカリ金属化合物と組み合わせ、消石灰を生成できるものであれば、特に限定されるものではない。これらの中では、溶解性が高い点で、酢酸カルシウム、硝酸カルシウム、及び、塩化カルシウムからなる群のうちの１種又は２種以上好ましく、環境負荷低減の点で、塩化カルシウムがより好ましい。

アルカリ金属化合物と可溶性カルシウム塩の混合割合は、アルカリ金属化合物／可溶性カルシウム塩の固形分のモル比が０.２５〜５.０が好ましく、１.０〜３.０がより好ましい。０.２５未満ではカルシウム濃度が高く、混合後のスラリーが増粘し、硬化しない可能性があり、５.０を超えるとカルシウム濃度が低く、十分な強度が得られない可能性がある。

アルカリ金属化合物と可溶性カルシウム塩の合計の使用量は、固形分換算で、非晶質微粒子シリカ１００質量部に対して３〜６０部が好ましく、５〜３０部がより好ましい。３部未満では浸透性が悪くなり、硬化しない可能性があり、６０部を超えるとスラリーの粘性が高く、浸透性に劣る可能性がある。

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、本注入材の固形分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、浸透性が悪くなる可能性があり、１０００部を超えると硬化しない可能性がある。

本発明の注入順序としては、非晶質微粒子シリカと可溶性カルシウム塩と水と必要に応じて増粘抑制剤を予め混合してスラリーを調製し、次いでアルカリ金属化合物と水を混合することが好ましい。

この場合、スラリー中の水量は、スラリー中の固形分１００部中、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、浸透性が悪くなる可能性があり、１０００部を超えると硬化しない可能性がある。

アルカリ金属化合物と水の混合物中のアルカリ金属化合物の濃度は、固形分換算で、２０〜６０％が好ましく、３０〜５０％がより好ましい。２０％未満では、懸濁液の増粘が速くなり、浸透性が悪くなる可能性があり、６０％を超えると硬化しない可能性がある。

本発明で使用する注入材においては、硬化体の強度向上を目的でセメント促進材を併用することができる。

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いが、非晶質微粒子シリカと可溶性カルシウム塩と増粘抑制剤と水を混合し、注入直前にアルカリ金属化合物を混合する方法が好ましい。施工工法としては、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が挙げられる。注入方法としては、全ての材料を配合後注入する１ショット、非晶質微粒子シリカと硬化材と水を別々のポンプで圧送し合流して注入する１.５ショット、非晶質微粒子シリカと硬化材と水を別々のポンプで圧送し、地山中で合流して注入する２ショット方式が挙げられる。

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

実験例１
非晶質微粒子シリカ、表１に示す可溶性カルシウム塩、増粘抑制剤、水を予め混合してスラリーを調製し、次いで、表１に示すアルカリ金属化合物溶液を混合して懸濁液を作製し、注入材とした。各成分の使用量は以下の通りである。アルカリ金属化合物／可溶性カルシウム塩の固形分のモル比は２.０である。アルカリ金属化合物と可溶性カルシウム塩の合計の使用量は、非晶質微粒子シリカ１００部に対して、固形分換算で、１５部である。増粘抑制剤の使用量は、非晶質微粒子シリカ１００部に対して、固形分換算で、１.０部である。スラリー中の水量は、スラリー中の固形分１００部中、１３０部である。注入材作製直後の粘度、固化日数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：電気化学工業製、球状シリカ（平均粒子径０．５μｍ、ＳｉＯ_２成分95％以上）
アルカリ金属化合物溶液Ａ：市販品、水酸化ナトリウム(固形分４０%水溶液)
アルカリ金属化合物溶液Ｂ：市販品、水酸化カリウム(固形分４０%水溶液)
アルカリ金属化合物溶液Ｃ：市販品、アルミン酸ナトリウム(固形分４０%水溶液)
可溶性カルシウム塩：市販品、塩化カルシウム(固形分４０%溶液)
増粘抑制剤Ａ：市販品、グルコン酸
増粘抑制剤Ｂ：市販品、ナフタレンスルホン酸系、花王社製「マイティ１５０」
増粘抑制剤Ｃ：市販品、ポリアクリル酸ナトリウム、重量平均分子量５,０００、重量平均分子量５,０００、日本触媒社製「アクアリックＤＬ３６５」
増粘抑制剤Ｄ：市販品、メタクリル酸ナトリウムとメトキシポリオキシエチレンメタクリートの共重合体、花王社製「マイティ２１Ｐ」
水：水道水

＜測定方法＞
平均粒子径の平均粒子径：レーザー回折散乱式粒度分布測定装置にて測定した。試料に超音波をかけて測定した。
粘度: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した。
硬化日数：懸濁液を作製してから固化するまでに要する日数を測定した。

表１に示されるように、可溶性カルシウム塩を使用する場合、硬化時間が短くなり硬化性に優れる。アルカリ金属化合物と増粘抑制剤を併用する場合、スラリーの増粘を抑制し、かつ、硬化性に優れることが確認された。増粘抑制剤として、メタクリル酸ナトリウムとメトキシポリオキシエチレンメタクリレートの共重合体を使用する場合、硬化性に優れることが確認された。

実験例２
表２に示すアルカリ金属化合物溶液を用い、非晶質微粒子シリカ１００部に対して、増粘抑制剤Ｄを固形分換算で表２に示す割合で混合し、スラリー中の固形分１００部中、スラリー中の水量を２００部となるように調製したこと以外は、実施例１と同様に注入材を作製した。作製した注入材の浸透性評価試験と硬化日数を測定した結果を表２に示す。

＜測定方法＞
浸透長さ：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２に示されるように増粘抑制剤を適量使用する場合、浸透性が向上し、硬化性に優れることが確認された。

実験例３
可溶性カルシウム塩、増粘抑制剤、水を予め混合してスラリーを調製し、次いで、アルカリ金属化合物溶液を混合して懸濁液を作製し、注入材とした。各成分の使用量は以下の通りである。アルカリ金属化合物／可溶性カルシウム塩の固形分のモル比は２.０である。増粘抑制剤の使用量は、アルカリ金属化合物と可溶性カルシウム塩の合計１００部に対して、固形分換算で、１.０部である。スラリー中の水量は、スラリー中の固形分１００部中、２００部である。作製した注入材の浸透性評価試験と硬化日数を測定した結果を表３に示す。

表３に示されるように非晶質微粒子シリカを適量使用する場合、浸透性が向上し、硬化性に優れることが確認された。

実施例から以下のことが判る。本発明は、スラリーの増粘を抑制し、浸透性が向上し、硬化性に優れる。これは、空隙部への注入時にアルカリ金属化合物と可溶性カルシウム塩が反応し、微細な消石灰が生成することに起因すると考えられる。

本発明は、従来の懸濁液型注入材より、浸透性が向上し、硬化性に優れるために、十分な地盤改良効果が期待できる。

Claims (5)

1. 非晶質微粒子シリカ、アルカリ金属化合物、塩化カルシウム、増粘抑制剤を含有してなる注入材であり、増粘抑制剤の使用量が、非晶質微粒子シリカの固形分質量１００部に対し、固形分換算で、０．１〜５.０部であり、アルカリ金属化合物と塩化カルシウムの混合割合が、アルカリ金属化合物／塩化カルシウムの固形分のモル比で０.２５〜５.０であり、アルカリ金属化合物と塩化カルシウムの合計の使用量が、固形分換算で、非晶質微粒子シリカ１００質量部に対して３〜６０部である注入材。
2. 増粘抑制剤がメタクリル酸ナトリウムと
   メトキシポリオキシエチレンメタクリレートの共重合体である請求項１記載の注入材。
3. 請求項１又は２記載の注入材と、注入材の固形分１００部に対して８０〜１０００部の水を含有してなる注入材懸濁液。
4. 非晶質微粒子シリカ、アルカリ金属化合物、塩化カルシウム、増粘抑制剤、及び水を混合し、注入してなる注入工法であり、増粘抑制剤の使用量が、非晶質微粒子シリカの固形分質量１００部に対し、固形分換算で、０．１〜５.０部であり、アルカリ金属化合物と塩化カルシウムの混合割合が、アルカリ金属化合物／塩化カルシウムの固形分のモル比で０.２５〜５.０であり、アルカリ金属化合物と塩化カルシウムの合計の使用量が、固形分換算で、非晶質微粒子シリカ１００質量部に対して３〜６０部であり、水量が、本注入材の固形分１００部に対して、５０〜１０００部である注入工法。
5. 非晶質微粒子シリカと可溶性カルシウム塩と増粘抑制剤を予め混合してスラリーを調製し、次いでアルカリ金属化合物と水を混合してなる注入工法であり、増粘抑制剤の使用量が、非晶質微粒子シリカの固形分質量１００部に対し、固形分換算で、０．１〜５.０部であり、アルカリ金属化合物と可溶性カルシウム塩の混合割合が、アルカリ金属化合物／可溶性カルシウム塩の固形分のモル比で０.２５〜５.０であり、アルカリ金属化合物と可溶性カルシウム塩の合計の使用量が、固形分換算で、非晶質微粒子シリカ１００質量部に対して３〜６０部であり、スラリー中の水量が、スラリー中の固形分１００部中、５０〜１０００部であり、アルカリ金属化合物と水の混合物中のアルカリ金属化合物の濃度が、固形分換算で、２０〜６０％である注入工法。