JP5640198B2 - 地盤注入用固結材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、地盤の液状化防止注入工事に有用なコロイダルシリカ、珪酸ソーダ及び酸を含有する地盤注入用固結材の製造方法に関する。

従来、コロイダルシリカ及び珪酸ソーダを含有する地盤注入用固結材は知られている。例えば、特許文献１の請求項１には、「コロイダルシリカと、水ガラス（珪酸ソーダ）とを含み、地盤への注入前にはそれ自体でゲル化しないアルカリ性シリカ溶液からなる地盤注入用固結材。」が記載されている。

上記特許文献１には、コロイダルシリカと水ガラスの混合物（アルカリ性シリカ溶液）に反応剤として硫酸、リン酸、塩化アルミニウム等を添加できることが記載されている。この点について、特許文献１の［0029］段落には、「例えば、アルカリ性シリカ溶液に酸性反応剤を添加して該溶液を酸性〜中性領域に調整して所定のゲル化時間を有するグラウトとすることができる。」と記載されている。

しかしながら、特許文献１のように、アルカリ性シリカ溶液を調製後に酸等の反応剤を添加する場合には、得られる地盤注入用固結材が白濁し易く、また部分ゲルと称呼される副生物が生じ易いという問題がある。得られる地盤注入用固結材が白濁したり部分ゲルが生じたりする場合には、地盤注入用固結材の均質性が十分ではなく、液状化防止注入工事に適用した際に注入全領域において十分な効果が得られない場合がある。

従って、白濁や部分ゲルの発生が抑制された均質な地盤注入用固結材を調製するための製造方法の開発が望まれている。
特開２００１−３０４７号公報

本発明は、白濁や部分ゲルの発生が抑制された均質な地盤注入用固結材の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、各原料を特定の順序で混合する場合には、上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明は、下記の地盤注入用固結材の製造方法に関する。
１．コロイダルシリカ、珪酸ソーダ及び酸を含有する地盤注入用固結材の製造方法であって、
（１）前記地盤注入用固結材を調製する容器に前記珪酸ソーダに先立って前記コロイダルシリカ又は前記酸を供給開始し、
（２）前記コロイダルシリカ、前記珪酸ソーダ及び前記酸の全てが同時に供給されている期間を有し、
（３）前記コロイダルシリカの供給速度が２０〜２００Ｌ／ｍｉｎであり、前記珪酸ソーダの供給速度が２０〜２００Ｌ／ｍｉｎであり、前記酸の供給速度が１〜１００Ｌ／ｍｉｎである、
ことを特徴とする製造方法。
２．前記コロイダルシリカを供給開始した後、前記珪酸ソーダ、前記酸の順に供給開始し、前記コロイダルシリカの供給量がその体積の２０％以内の時点で前記珪酸ソーダの供給を開始し、前記珪酸ソーダの供給量がその体積の２０％以内の時点で前記酸の供給を開始する、上記項１に記載の製造方法。
３．前記コロイダルシリカを供給開始した後、前記酸、前記珪酸ソーダの順に供給開始し、前記コロイダルシリカの供給量がその体積の２０％以内の時点で前記酸の供給を開始し、前記酸の供給量がその体積の２０％以内の時点で前記珪酸ソーダの供給を開始する、上記項１に記載の製造方法。
４．前記酸を供給開始した後、前記珪酸ソーダ、前記コロイダルシリカの順に供給開始する、上記項１に記載の製造方法。
５．前記酸を供給開始した後、前記コロイダルシリカ、前記珪酸ソーダの順に供給開始する、上記項１に記載の製造方法。
６．前記コロイダルシリカは、ＳｉＯ_２の平均粒子径が３〜３０ｎｍであり、且つ、ＳｉＯ_２濃度が３〜２５質量％である、上記項１〜５のいずれかに記載の製造方法。
７．前記珪酸ソーダは、ＳｉＯ_２／Ｎａ_２Ｏで表されるモル比が３〜５であり、且つ、ＳｉＯ_２濃度が３〜１５質量％である、上記項１〜６のいずれかに記載の製造方法。
８．前記コロイダルシリカと前記珪酸ソーダの割合は、ＳｉＯ_２の質量比に換算して１０：９０〜９０：１０である、上記項１〜７のいずれかに記載の製造方法。
９．前記酸は、硫酸及び／又はリン酸である、上記項１〜８のいずれかに記載の製造方法。
１０．前記地盤注入用固結材は、ｐＨが１〜８の範囲でありＳｉＯ_２濃度が３〜１５質量％の範囲である、上記項１〜９のいずれかに記載の製造方法。

以下、本発明の地盤注入用固結材の製造方法について詳細に説明する。

本発明の製造方法は、コロイダルシリカ、珪酸ソーダ及び酸を含有する地盤注入用固結材の製造方法であって、
（１）前記地盤注入用固結材を調製する容器に前記珪酸ソーダに先立って前記コロイダルシリカ又は前記酸を供給開始し、
（２）前記コロイダルシリカ、前記珪酸ソーダ及び前記酸の全てが同時に供給されている期間を有することを特徴とする。

上記本発明の地盤注入用固結材の製造方法（以下、「本発明の製造方法」とも言う）は、特に珪酸ソーダに先立ってコロイダルシリカ又は酸を先に供給開始した後、残りの成分を順次供給開始し、コロイダルシリカ、珪酸ソーダ及び酸（以下、これらを「３成分」とも言う）が同時供給されている期間を設定することにより、白濁及び部分ゲルの発生が抑制されている。この製造方法により得られる地盤注入用固結材は均質性が高く、地盤の液状化防止注入工事に適用した際に注入全領域において十分な効果が得られる。また、この製造方法によれば、スタティックミキサー等を用いた連続混合に適用した場合にも均質性の高い地盤注入用固結材が効率的に得られる。

上記コロイダルシリカは、コロイド状の性状を示し、それ単独では半永久的にゲル化しない安定な物質である。コロイダルシリカとしては、市販品やそれに水を加えて希釈した希釈溶液を使用できる。

コロイダルシリカに含まれるシリカ（ＳｉＯ_２）の平均粒子径としては、３〜３０ｎｍ程度が好ましく、４〜１５ｎｍ程度がより好ましい。なお、本明細書に記載の平均粒子径は窒素吸着によるＢＥＴ法（但しＢＥＴ法で測定困難な微粒子については動的光散乱法）により測定した値である。

コロイダルシリカに含まれるシリカ濃度としては、３〜２５質量％程度が好ましく、４〜１５質量％程度がより好ましい。

このようなコロイダルシリカは調製することもできる。例えば、珪酸ソーダの水希釈液をイオン交換により脱アルカリ処理し、次いで得られた活性珪酸にアルカリ剤を添加してｐＨを調整するとともに加熱により造粒することにより調製する。

上記珪酸ソーダとしても、市販品やそれに水を加えて希釈した希釈溶液を使用できる。

珪酸ソーダのモル比（ＳｉＯ_２／Ｎａ_２Ｏ）は限定されないが、３〜５程度が好ましく、汎用の珪酸ソーダが使えるため、３．１〜３．８程度がより好ましい。

珪酸ソーダに含まれるシリカ濃度としては、３〜１５質量％程度が好ましく、４〜１２質量％程度がより好ましい。

上記コロイダルシリカと珪酸ソーダの割合（混合割合）は限定されないが、ＳｉＯ_２の質量比に換算して１０：９０〜９０：１０程度が好ましく、３０：７０〜７０：３０程度がより好ましい。

上記酸としては限定されないが、硫酸及び／又はリン酸が好ましい。これらの酸は混合して使用できる。これらの酸は濃度が１０質量％以上であることが好ましい。酸の量は、地盤注入用固結材の所望のゲルタイム（即ちｐＨ）に応じて設定する。例えば、本発明の地盤注入用固結材はｐＨが１〜８の範囲が好ましく、このｐＨとなるように酸の含有量を設定することが好ましい。

本発明の製造方法では、上記３成分のうち珪酸ソーダに先立ってコロイダルシリカ又は酸を先ず調製容器に供給する。具体的には、次の供給態様が挙げられる。
（Ａ）コロイダルシリカ → 珪酸ソーダ → 酸
（Ｂ）コロイダルシリカ → 酸 → 珪酸ソーダ
（Ｃ）酸 → コロイダルシリカ → 珪酸ソーダ
（Ｄ）酸 → 珪酸ソーダ → コロイダルシリカ
つまり、本発明の製造方法は、上記（Ａ）〜（Ｄ）のいずれかの供給順序で各成分を調製容器に供給し、且つ、上記３成分が同時に供給されている期間を有する。

コロイダルシリカの供給速度は限定されないが、例えば、地盤注入用固結材を１０００Ｌ調製する場合は、２０〜２００Ｌ／ｍｉｎ程度が好ましく、５０〜１００Ｌ／ｍｉｎ程度がより好ましい。

珪酸ソーダの供給速度は限定されないが、例えば、地盤注入用固結材を１０００Ｌ調製する場合は、２０〜２００Ｌ／ｍｉｎ程度が好ましく、５０〜１００Ｌ／ｍｉｎ程度がより好ましい。

酸の供給速度は限定されないが、１〜１００Ｌ／ｍｉｎ程度が好ましく、５〜５０Ｌ／ｍｉｎ程度がより好ましい。

上記（Ａ）〜（Ｄ）の中でも、コロイダルシリカを先に供給する（Ａ）、（Ｂ）の態様が好ましい。これは、調製容器に酸を先に供給する場合には、１）酸濃度が好ましくは１０質量％以上と高いため、容器の材質が金属の場合に腐食させる可能性があること、２）酸を先に供給した状態で撹拌すると作業上の危険が高まること、３）シリカ濃度の高い地盤注入用固結材を調製する場合は、コロイダルシリカ及び珪酸ソーダのシリカ濃度を極力低くする方が部分ゲルの生成を抑えられるため高濃度（６０質量％以上）の酸を用いることが望まれるが、この場合には酸の体積が全体の１０％以下となり初期の撹拌不良となることが挙げられる。

上記（Ａ）、（Ｂ）については、最終製品の白濁を抑制する観点では珪酸ソーダの供給に先立ち、酸を供給する方（即ち（Ｂ））が好ましい。

上記（Ａ）の場合には、コロイダルシリカの供給量がその体積の２０％以内の時点で珪酸ソーダの供給を開始し、珪酸ソーダの供給量がその体積の２０％以内の時点で酸の供給を開始することが各成分の供給タイミングとして好ましい。

上記（Ｂ）の場合には、コロイダルシリカの供給量がその体積の２０％以内の時点で酸の供給を開始し、酸の供給量がその体積の２０％以内の時点で珪酸ソーダの供給を開始することが各成分の供給タイミングとして好ましい。

本発明の製造方法では３成分全て供給開始した後、３成分全てが同時に供給されている期間を確保する。なお、３成分の供給終了時は限定されないが、上記（Ａ）、（Ｂ）の場合には、コロイダルシリカの供給期間を最も長く設定し、コロイダルシリカの供給終了と同時又はそれ以前に珪酸ソーダ及び酸の供給が終了するように３成分の供給速度を設定することが調製時間の短縮の点でも好ましい。

上記３成分を供給・混合することにより地盤注入用固結材は得られる。地盤注入用固結材は白濁及び部分ゲルの発生が抑制されており均質性が高い。なお、白濁及び部分ゲルの発生の有無は目視観察による結果である。得られる地盤注入用固結材は、ｐＨが１〜８程度が好ましく、特に数時間以上のゲルタイムに調整する場合はｐＨが１．５〜５程度がより好ましい。また、地盤注入用固結材の好ましいシリカ濃度は３〜１５質量％程度であり、４〜１２質量％程度がより好ましい。シリカ濃度をこの範囲に設定することにより、液状化防止注入工事に適用した際にゲル強度を十分に確保できる。

本発明の製造方法は、特に珪酸ソーダに先立ってコロイダルシリカ又は酸を先に供給開始した後、残りの成分を順次供給開始し、コロイダルシリカ、珪酸ソーダ及び酸が同時供給されている期間を設定することにより、白濁及び部分ゲルの発生が抑制されている。この製造方法により得られる地盤注入用固結材は均質性が高く、地盤の液状化防止注入工事に適用した際に注入全領域において十分な効果が得られる。また、この製造方法によれば、スタティックミキサー等を用いた連続混合に適用した場合にも均質性の高い地盤注入用固結材が効率的に得られる。

以下に実施例及び比較例を示して本発明を具体的に説明する。但し、本発明は実施例に限定されない。

実施例1-1〜1-4及び比較例1-1〜1-2
コロイダルシリカ、珪酸ソーダ及び硫酸を混合して地盤注入用固結材を調製した。

地盤注入用固結材は、シリカ濃度１０質量％、全量５００ｇ、シリカ中のコロイダルシリカ由来のシリカ分５０質量％、シリカ中の珪酸ソーダ由来のシリカ分５０質量％となるように設定した。各成分の詳細、供給順序、固結材の性状、ｐＨを表１に示す。

本実施例・比較例では、１番目の成分を調製容器に２０ｇ程度供給した時点で２番目の成分の供給を開始し、２番目の成分２０ｇ程度供給した時点で３番目の成分の供給を開始した。表１に示すように、最初にコロイダルシリカ又は硫酸の供給を開始する方法では良好な混合液（部分ゲルや白濁が認められない）が得られたが（実施例1-1〜1-4）、最初に珪酸ソーダを供給する方法では部分ゲルの生成が見られた（比較例1-1〜1-2）。

実施例2-1〜2-2及び比較例2-1
コロイダルシリカ、珪酸ソーダ及び硫酸を混合して地盤注入用固結材を調製した。

地盤注入用固結材は、シリカ濃度１０質量％、全量５００ｇ、シリカ中のコロイダルシリカ由来のシリカ分３０質量％、シリカ中の珪酸ソーダ由来のシリカ分７０質量％となるように設定した。各成分の詳細、供給順序、固結材の性状、ｐＨを表２に示す。

本実施例・比較例では、１番目の成分を調製容器に２０ｇ程度供給した時点で２番目の成分の供給を開始し、２番目の成分２０ｇ程度供給した時点で３番目の成分の供給を開始した。表２に示すように、コロイダルシリカ由来のシリカ分３０質量％、珪酸ソーダ由来のシリカ分７０質量％の配合の場合、最初にコロイダルシリカの供給を開始する方法を用いれば良好な混合液（部分ゲルや白濁が認められない）が得られたが（実施例2-1〜2-2）、最初に珪酸ソーダを供給する方法では部分ゲルの生成が見られた（比較例2-1）。

実施例３及び比較例３
コロイダルシリカ、珪酸ソーダ及び硫酸を混合して地盤注入用固結材を調製した。

地盤注入用固結材は、シリカ濃度９．６質量％、全量８００Ｌ、シリカ中のコロイダルシリカ由来のシリカ分５０質量％、シリカ中の珪酸ソーダ由来のシリカ分５０質量％となるように設定した。各成分の詳細、供給順序、固結材の性状、ｐＨを表３に示す。
（実施例３）
シリカ濃度１０．３質量％に希釈した平均粒径１２ｎｍの市販のコロイダルシリカ３９３Ｌを流速５７Ｌ／ｍｉｎで調製容器に供給開始し、撹拌を開始した。コロイダルシリカが５０Ｌ程度供給された時点で、シリカ濃度９．２質量％に希釈した市販の５号珪酸ソーダ（モル比３．７）３９３Ｌを流速６７Ｌ／ｍｉｎで供給開始した。珪酸ソーダが５０Ｌ程度供給された時点で７０質量％硫酸１７．９Ｌを６Ｌ／ｍｉｎで供給開始した。硫酸、珪酸ソーダ、コロイダルシリカの順に供給が終わり、シリカ濃度９．６質量％の良好な地盤注入用固結材（部分ゲルや白濁が認められない）約８００Ｌを得た。
（比較例３）
シリカ濃度１０．３質量％に希釈した平均粒径１２ｎｍの市販のコロイダルシリカ３９３Ｌを流速５７Ｌ／ｍｉｎで調製容器に供給開始し、撹拌を開始した。コロイダルシリカが５０Ｌ程度供給された時点で、シリカ濃度９．２質量％に希釈した市販の５号珪酸ソーダ（モル比３．７）３９３Ｌを流速６７Ｌ／ｍｉｎで供給開始し、コロイダルシリカと珪酸ソーダを調製容器に全量供給した。その後で７０質量％硫酸１７．９Ｌを６Ｌ／ｍｉｎで供給した。シリカ濃度９．６質量％の地盤注入用固結材約８００Ｌを得たが、部分ゲルの多いものとなった。

実施例4-1〜4-3
コロイダルシリカ、珪酸ソーダ及び酸を混合して地盤注入用固結材を調製した。

地盤注入用固結材は、シリカ濃度１０質量％、全量５００ｇ、シリカ中のコロイダルシリカ由来のシリカ分５０質量％、シリカ中の珪酸ソーダ由来のシリカ分５０質量％となるように設定した。各成分の詳細、供給順序、固結材の性状、ｐＨを表４に示す。

本実施例では、１番目の成分を調製容器に２０ｇ程度供給した時点で２番目の成分の供給を開始し、２番目の成分２０ｇ程度供給した時点で３番目の成分の供給を開始した。表４に示すように、珪酸ソーダとして３号珪酸ソーダ（モル比３．１６）を使用した場合（実施例4-1）、酸としてリン酸を使用した場合（実施例4-2）、コロイダルシリカとして粒径の小さなもの（平均粒径５ｎｍ）を使用した場合（実施例4-3）のいずれにおいても良好な混合液（部分ゲルや白濁が認められない）が得られた。

Claims (10)

1. コロイダルシリカ、珪酸ソーダ及び酸を含有する地盤注入用固結材の製造方法であって、
   （１）前記地盤注入用固結材を調製する容器に前記珪酸ソーダに先立って前記コロイダルシリカ又は前記酸を供給開始し、
   （２）前記コロイダルシリカ、前記珪酸ソーダ及び前記酸の全てが同時に供給されている期間を有し、
   （３）前記コロイダルシリカの供給速度が２０〜２００Ｌ／ｍｉｎであり、前記珪酸ソーダの供給速度が２０〜２００Ｌ／ｍｉｎであり、前記酸の供給速度が１〜１００Ｌ／ｍｉｎである、
   ことを特徴とする製造方法。
2. 前記コロイダルシリカを供給開始した後、前記珪酸ソーダ、前記酸の順に供給開始し、前記コロイダルシリカの供給量がその体積の２０％以内の時点で前記珪酸ソーダの供給を開始し、前記珪酸ソーダの供給量がその体積の２０％以内の時点で前記酸の供給を開始する、請求項１に記載の製造方法。
3. 前記コロイダルシリカを供給開始した後、前記酸、前記珪酸ソーダの順に供給開始し、前記コロイダルシリカの供給量がその体積の２０％以内の時点で前記酸の供給を開始し、前記酸の供給量がその体積の２０％以内の時点で前記珪酸ソーダの供給を開始する、請求項１に記載の製造方法。
4. 前記酸を供給開始した後、前記珪酸ソーダ、前記コロイダルシリカの順に供給開始する、請求項１に記載の製造方法。
5. 前記酸を供給開始した後、前記コロイダルシリカ、前記珪酸ソーダの順に供給開始する、請求項１に記載の製造方法。
6. 前記コロイダルシリカは、ＳｉＯ_２の平均粒子径が３〜３０ｎｍであり、且つ、ＳｉＯ_２濃度が３〜２５質量％である、請求項１〜５のいずれかに記載の製造方法。
7. 前記珪酸ソーダは、ＳｉＯ_２／Ｎａ_２Ｏで表されるモル比が３〜５であり、且つ、ＳｉＯ_２濃度が３〜１５質量％である、請求項１〜６のいずれかに記載の製造方法。
8. 前記コロイダルシリカと前記珪酸ソーダの割合は、ＳｉＯ_２の質量比に換算して１０：９０〜９０：１０である、請求項１〜７のいずれかに記載の製造方法。
9. 前記酸は、硫酸及び／又はリン酸である、請求項１〜８のいずれかに記載の製造方法。
10. 前記地盤注入用固結材は、ｐＨが１〜８の範囲でありＳｉＯ_２濃度が３〜１５質量％の範囲である、請求項１〜９のいずれかに記載の製造方法。