JP5687869B2

JP5687869B2 - 注入材及び注入工法

Info

Publication number: JP5687869B2
Application number: JP2010190597A
Authority: JP
Inventors: 一行水島; 秀朗石田; 亮悦吉野; 田中　秀弘; 秀弘田中; 巧串橋
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2010-08-27
Filing date: 2010-08-27
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2030-08-27
Also published as: JP2012046651A

Description

本発明は、各種土木工事におけるトンネル工事、地盤改良工事や土木工事で用いられる地盤注入及び基礎部の補強等の空隙充填に使用する、注入材及び注入工法に関する。

従来、セメントを用いた注入工法では、地盤の補強や止水効果および充填効果を得るため、微粉スラグを主成分とした注入材やセメントとカルシウムアルミネ−ト等を含む急硬材を用いた注入材が用いられている（特許文献１、２、３、４参照）。

しかしながら、微粉スラグを使用した注入材は凝結が非常に遅く、注入したミルクが地下水に流され、または、所定の注入位置から流れて逸脱する場合があった。また、この注入材は、粒子の沈降、すなわち、ブリーディングが多く、ミキサ内および圧送ホース内での沈降が生じ、閉塞等のトラブルが生じることがあった。

カルシウムアルミネートを使用した急硬性の注入材は、セメントミルクと急硬材スラリーを別々に混練りし、注入直前に混合するので、ミキサやポンプが各２台必要であり、施工性が煩雑という課題があった。また、前記した沈降による閉塞等のトラブルが生じることがあった。
施工性を簡便にすべく、セメントと急硬材を混合し同時練りした場合、硬化時間の制御が難しく、ミキサやポンプを固めてしまうトラブルが発生することがあった。また、地盤が細砂、シルト、あるいは粘土の場合は、浸透性が小さく、注入が不可能となる場合や、空隙充填材として使用する場合、ブリーディングによる表面劣化や、屋外での充填では表面に無数の亀裂が発生する場合があった。さらに、注入の際、ポンプ圧送性の向上や、地盤中への浸透性を増す目的で水量を増す場合があるが、その結果、硬化が遅れ、強度が低くなることがあった。

微粒子セメント、微粒子スラグ、アルミノケイ酸カルシウム、石膏、凝結調整剤、及び減水剤を含有する注入材が提案されている（特許文献５参照）。しかしながら、凝結調整剤、及び減水剤の使用は、硬化時間の制御の難しさや、ブリーディング率が増加する場合があった。

特開平６−３３０５７号公報特公昭５７−１００５８号公報特開２００４−１４９６８５号公報特開２００６−０１６５４３号公報特開２００２−８８３６４号公報

本発明者は、上記課題を解決すべく種々検討した結果、特定の材料を使用することにより、混練り後にセメントミルクに可塑性を生じ、従来、問題の多かったブリーディング、すなわち、粒子の沈降を無くすことが可能となり、１ショット方式での注入を可能となるという知見を得て本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、
（１）セメント、高炉水砕スラグ、再乳化型粉末樹脂、合成ゴムラテックスや樹脂エマルジョンであるセメント用ポリマー、アルミノケイ酸カルシウムガラス、石膏、並びに含水物である硫酸アルミニウム及び／または炭酸ナトリウムである炭酸塩を以下の割合で含有してなる注入材。
（Ａ）セメントと高炉水砕スラグの割合が、セメント２０〜８０質量部に対して高炉水砕スラグ８０〜２０質量部
（Ｂ）セメント用ポリマーの使用量が、セメントと高炉水砕スラグの合計１００質量部に対して０．５〜７質量部
（Ｃ）石膏の使用量が、アルミノケイ酸カルシウムガラス１００質量部に対して５０〜２００質量部
（Ｄ）セメントと高炉水砕スラグの合計とアルミノケイ酸カルシウムガラスと石膏の合計の割合が、セメントと高炉水砕スラグの合計９５〜９９．５質量部に対してアルミノケイ酸カルシウムガラスと石膏の合計５〜０．５質量部
（Ｅ）含水物である硫酸アルミニウム及び／または炭酸ナトリウムである炭酸塩の使用量が、セメント、高炉水砕スラグ、アルミノケイ酸カルシウムガラス、及び石膏の合計１００質量部に対して０．０５〜１質量部
（２）平均粒子径が２０μｍ以下である（１）の注入材、
（３）消泡剤を混合してなる（１）または（２）の注入材、
（４）セメント、高炉水砕スラグ、再乳化型粉末樹脂、合成ゴムラテックスや樹脂エマルジョンであるセメント用ポリマー、アルミノケイ酸カルシウムガラス、石膏、並びに含水物である硫酸アルミニウム及び／または炭酸ナトリウムである炭酸塩及び消泡剤を（１）の割合で予め混合し、注入及び充填してなる注入工法、である。

本発明の注入材を用いることにより、ブリーディングが少なく、閉塞等のトラブルを無くし、注入または充填後に可塑性を生じ、不要な逸脱を防ぐ、１ショットでの注入が可能という効果が得られる。

以下、本発明を詳細に説明する。

本発明で使用するセメントは、普通、早強、及び超早強などの各種ポルトランドセメントであり、平均粒子径２０μｍ以下が好ましい。
なお、本発明の粒子径は、レーザ回折式粒度分布測定装置で測定したものである。

本発明で使用する高炉水砕スラグは、鉄鋼製造の過程で高炉から排出される溶融状態のスラグを水等で急冷してガラス質にし、粉砕して微粉末化したもので、潜在水硬性を有しており、アルカリの刺激作用により硬化する性質を持つものである。これ以外の、例えば、都市ゴミや下水汚泥等を溶融したスラグ、脱燐スラグ、徐冷スラグなども使用することができる。

高炉水砕スラグを含有することで高い注入性と長期強度の発現性が付与される。スラグの粉末度は、好ましくは平均粒子径２０μｍ以下、より好ましくは１０μｍ以下である。２０μｍを超えると、注入時の浸透性が低下することに加え、短・長期の強度発現性の向上を十分に示さない場合がある。

セメントと高炉水砕スラグの割合は、セメント２０〜８０質量部に対して高炉水砕スラグ８０〜２０質量であり、セメント３０〜７０質量部に対して高炉水砕スラグ７０〜３０質量部がより好ましい。セメントの使用量が２０質量部未満では短期強度が小さい場合があり、８０質量部を超えると注入材を懸濁液としたときの粘度が大きくなり、浸透性が低下する場合がある。

本発明のセメント用ポリマーとは、空隙充填においては、硬化体の亀裂防止として耐久性のある地盤改良を可能とする効果を得る。また、施工において、ミキサ、ポンプ、ホース、及び注入管の壁面に、スケールの付着を防ぐものである。
セメント用ポリマー（以下、ポリマーという）としては、水性ポリマーディスバージョン、再乳化形粉末樹脂、水溶性ポリマー、液状ポリマーなどが挙げられるが、特に限定されるものではない。水性ポリマーディスバージョンとしては、天然ゴムラテックスやアクリルゴム、スチレン・ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）などの合成ゴムラテックスやエチレン・酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）、ポリアクリル酸エステル（ＰＡＥ）などの樹脂エマルジョンなどが挙げられる。ポリマーの形態としては、再乳化型粉末タイプや液体タイプなどがある。
ポリマーの使用量は、セメントと高炉水砕スラグ(以下、主材という)の合計１００質量部に対して、固形分換算で０．５〜７質量部が好ましくは、１〜５質量部がより好ましい。０．５質量部未満では、空隙充填においては、硬化体の亀裂防止としての抑制、耐久性のある地盤改良の期待ができ無く、７質量部を超えると、長期の強度発現が落ち、その効果の向上が期待できないばかりか経済的でなくなる。

ポリマーの混合方法は、特に限定されるものではないが、粉体の場合、予め主材と混合、若しくは混練り時に他の材料と同時投入するか、水に懸濁又は溶解すること等が挙げられ、液体の場合は、混練り時に他の材料と同時投入するか、水に混合して使用する方法などがある。

本発明で使用するアルミノケイ酸カルシウム（以下、ＣＡＳという）は、ＣａＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、及びＳｉＯ_２を含有するものであり、石膏との併用により主として、セメントミルクに可塑性を生じさせ、緩やかな凝結促進およびブリーディング低下、粒子の沈降防止に寄与するものである。
ＣＡＳの組成は、ＣａＯ含有率２０〜６０質量％、Ａｌ_２Ｏ_３含有率２０〜７０質量％、及びＳｉＯ_２含有率５〜３０質量％が好ましく、ＣａＯ含有率３０〜５５質量％、Ａｌ_２Ｏ_３含有率３０〜６０質量％、及びＳｉＯ_２含有率１０〜２０質量％がより好ましい。この範囲外では短期強度が小さくなる場合がある。
ＣＡＳは、石灰石等のカルシア原料、アルミナ、ボーキサイト、長石、及び粘土などのアルミナ原料、並びに、ケイ石、ケイ砂、石英、及びケイ藻土などのシリカ原料等を所定の割合で配合した後、ロータリーキルン等で焼成、又
は、電気炉や高周波炉等で溶融することにより製造する。
ＣＡＳとしては、２ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・ＳｉＯ_２やＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２などの結晶性化合物を使用することも可能であるが、短期強度が大きい点で、溶融物を急冷して得られるガラス質のものが好ましい。
ＣＡＳの粉末度は、好ましくは平均粒子径２０μｍ以下で、２０μｍを超えると、セメントミルクの可塑性が低下したり、注入時の浸透性が低下し、短期の強度発現性の向上が不良な場合がある。

本発明で使用する石膏としては、無水石膏、半水石膏、及び二水石膏が挙げられる。さらに、天然石膏や、リン酸副生石膏、排脱石膏、及びフッ酸副生石膏などの化学石膏、または、これらを熱処理して得られる石膏など挙げられる。これらの中では、強度発現性が大きい点で無水石膏が好ましい。
石膏の粉末度は、平均粒子径２０μｍ以下で、２０μｍを超えると注入時の浸透性が低下する場合がある。
石膏の使用量は、ＣＡＳ１００質量部に対して、５０〜２００質量部が好ましく、７０〜１５０質量部がより好ましい。５０質量部未満では短期強度が小さい場合があり、２００質量部を超えるとブリーディングが生じる場合がある。

セメントと高炉水砕スラグ（主材）の合計と、ＣＡＳと石膏の合計（以下促進材という）の割合は、主材９５〜９９．５質量部に対して促進材５〜０．５質量部が好ましく、主材９７〜９９質量部に対して促進材３〜１質量部がより好ましい。促進材が０．５質量部未満ではブリーディング防止効果が無く、凝結が遅くなり、短期強度の発現が不良の場合があり、促進材が５質量部を超えると短時間での硬化が発生し、ミキサやポンプを固めてしまい、浸透性が悪くなる場合がある。

本発明では、さらに、ブリーディングを減じ、可塑性が得られるように、硫酸アルミニウム及び／または炭酸塩(以下、添加剤という)を使用する。

本発明で使用する硫酸アルミニウムとしては、無水物と含水物があるが、本発明ではどちらでも使用できる。硫酸アルミニウム無水物は、空気中の水分により潮解するので、保管場所やセメントに吸着する可能性があり、効果が低減しないように吸水しないようにする必要がある。一方、硫酸アルミニウム含水物は吸水力が弱く、比較的作業性や溶解性もよい。
硫酸アルミニウムは溶解性が高いので、その粒子径は大きな問題では無いが、最大粒子径は１ｍｍ以下が好ましい。１ｍｍを越えると溶解性が低下する。

本発明で使用する炭酸塩としては、炭酸ナトリウムや炭酸カリウムが挙げられ、溶解性などから炭酸ナトリウムが好ましい。

硫酸アルミニウムと炭酸塩の使用量は、硫酸アルミニウム０〜１００質量部に対して炭酸塩１００〜０質量部、好ましくは、硫酸アルミニウム３０〜１００質量部に対して炭酸塩７０〜０質量部である。

添加剤の使用量は、水比に応じて調整するため特に限定されるものではないが、セメント、高炉水砕スラグ、アルミノケイ酸カルシウムガラス、及び石膏の合計１００質量部に対して、０．０５〜１質量部、０．１〜０．７質量部がより好ましい。０．０５質量部未満ではブリーディング防止や可塑性の確保がしにくい場合があり、１質量部を超えると凝結時間が短くなり、注入に不具合が生ずる場合がある。

本発明では、消泡剤を使用することにより、ポリマーの種類による泡立ちを抑えることが可能となる。
本発明で使用する消泡剤としては、シリコーン系、ノニオン系、アルコール系、脂肪酸、エーテル、脂肪酸エステル、リン酸エステル、ポリエーテル系、及びフッ素系などが挙げられる。
具体的には、シリコーン系は、オイル型若しくはそのオイル型をトルエンなどの溶剤で溶かした溶液型、シリコーンオイルに無機質の微粉末を添加したコンパウンド型、並びに、各種の乳化剤を用いたエマルジョン型などが挙げられ、消泡効果やセメントモルタル物性面からシリコーン系やノニオン系が好ましい。
消泡剤の使用量は、通常、主材１００質量部に対して、０．５質量部以下が好ましく、０．０５〜０．３質量部がより好ましい。０．５質量部を超えるとセメントミルク中の空気量の低減効果の向上が期待できないばかりか、短期強度や長期強度が低下する場合がある。
消泡剤の混合方法は、コンパウンド型を予め、主材と混合するか、若しくは主材混練り時にセメントミルクに混合する方法いずれでも可能である。

注入材を懸濁液とする場合の水の使用量は、ポンプで圧送できれば特に限定されるものではないが、主材１００質量部に対して、８０〜３００質量部が好ましく、１００〜２００質量部がより好ましい。８０質量部未満では懸濁液の粘度が高くなり、浸透性や充填性が小さくなる場合があり、３００質量部を超えるとブリーディングを抑えることが難しく、凝結が極端に遅れ、硬化しない場合がある。

本発明では、地盤中への浸透性を向上させるため、減水剤を使用することが可能である。
減水剤としては、ナフタレンスルホン酸ホルマリン縮合物塩系、リグニンスルホン酸系、メラミンスルホン酸ホルマリン縮合物塩系、ポリカルボン酸塩系、及びポリエ−テル系の高性能減水剤が挙げられる。
減水剤の使用量は、注入材１００質量部に対して、固形分概算で１質量部以下が好ましい。ただし、減水剤の使用は、ブリーディング過多の原因となるので、使用に際しては、水比の管理や施工法等に注意を払う必要がある。

注入材の練り混ぜ方法や注入・流し込み方法は、特に限定されるものではない。注入管の種類により、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、二重管ダブルパッカ−工法など、現在使用されている工法に適用可能である。

懸濁液を地盤内に注入する方法の違いにより、１ショット方式、１．５ショット方式、２ショット方式に適用可能である。１ショット方式とは、本発明の１材状態の懸濁液を圧送して地盤に注入する方式である。１．５ショット方式は、主材と硬化材をポンプで個別に注入管に送り、注入管の頭部で２材を混合し、混合した懸濁液を注入管の先端から吐出して地盤に注入する方式である。２ショット方式とは、１．５ショット方式と同様に、主材と急硬材をポンプで個別に注入管に送り、注入管の先端から吐出される瞬間に２材を混合する方式である。本発明は、１材状態のゲル化時間を確保でき、ミキサやポンプを固めないので、１ショット方式に適用できる。１ショット方式の場合、ミキサやポンプが１台で済み、施工性が簡便という利点を有する。
注入材の凝結時間は、限定されるものではないが、６０分以上が好ましく、６０分から１８０分がより好ましい、６０分未満だと、機械のトラブルによる注入管の閉塞や、充填性や注入性が不良となる場合が発生し、１８０分を超えるとブリーディングが多くなる場合がある。

以下、実験例により本発明を詳細に説明する。

「実験例１」
セメント１００質量部に対して高炉水砕スラグ１００質量部の割合で配合した主材を９９質量部と、ＣＡＳ１００質量部に対して石膏１００質量部の割合で配合した促進材を１質量部とからなる注入材１００質量部において、主材１００質量部に対して、ポリマー２．５質量部と消泡剤０．０５質量部とを混合し、さらに、主材と促進材からなる注入材１００質量部に対して表１に示す添加剤と、主材１００質量部に対して水１５０質量部を混合し、懸濁液を作製した。
懸濁液を作製後、ブリーディングおよび凝結時間の測定を行った。結果を表１に示した。

＜使用材料＞
セメント：早強ポルトランドセメント
高炉水砕スラグ：高炉水砕スラグ粉砕品、平均粒子径８μｍ
ＣＡＳ：ＣａＯ＝４５質量％、Ａｌ_２Ｏ_３＝４０質量％、及びＳｉＯ_２＝１５質量％のガラス化率９５％、平均粒子径７μｍ
石膏：天然無水石膏粉砕品、平均粒子径１１μｍ
ポリマー：酢酸ビニル・バーサティック酸ビニル・アクリル共重合体粉末状樹脂、ＷＲ４６０００（ＥＬＯＴＥＸ社製）
硫酸アルミニウム：市販品、含水物（１６水塩）
炭酸ナトリウム：市販品
消泡剤：アデカネートＢ−１１５Ｆ（（株）ＡＤＥＫＡ社製）、ノニオン系
水：水道水

＜測定方法＞
粒子径：レーザ回折／散乱式粒度分布測定装置、型式ＬＡ−９２０、堀場製作所社製
ブリーディング率：ＪＳＣＥ−Ｆ５２２「プレパックドコンクリートの注入モルタルのブリーディン
グ率および膨張率試験方法（ポリエチレン袋法）」に準じ、３時間後に測定。
凝結時間：懸濁液をカップに入れてから、懸濁液を入れたカップを傾けた時点で、懸濁液表面に粘度上
昇による「しわ」が出来る状態までの時間。

表１より、添加剤を混和することによりブリーディング率が抑えられることが分かる。また、凝結時間が調整されることが分かる。

「実験例２」
表２に示すように、主材と促進材の配合割合を変えた注入材を使用し、懸濁液を作製したこと以外は、実験例１と同様に懸濁液を作製し、試験を実施した。結果を表２に示した。

表２より、本願発明の主材と促進材の配合割合において、ブリーディング率が抑えられることが分かる。また、凝結時間が調整されることが分かる。

「実験例３」
表３に示すように、ポリマーの添加量（固形分換算）と消泡剤の使用量を変えたこと以外は、実験例１と同様に懸濁液を作製し、試験を実施した。結果を表３に示す。

＜測定方法＞
クラック発生時期と量：３０×３０ｃｍのコンクリート板に厚さ５ｍｍに懸濁液を流し込み、２０℃−６０％ＲＨ恒温恒湿室で養生し、クラックの発生日（打設後の日数）と材齢７日でのクラック本数を観察した。

表３より、本願発明において、クラックの発生日が遅く、クラックの発生本数が少ないことが分かる。

本発明の注入材は、ブリーディングが抑制されるため、沈降による施工時の閉塞等のトラブルが無く、１材状態でのゲル化時間を確保できるので、１ショット方式での注入および流し込みが可能となる。また、コンクリート基礎部等に流し込んだ、本発明品は、表面状態が良好（クラックの発生が少なく）で、基礎部との一体化が可能となり、長期耐久性に優れた効果が得られる。

Claims

セメント、高炉水砕スラグ、再乳化型粉末樹脂、合成ゴムラテックスや樹脂エマルジョンであるセメント用ポリマー、アルミノケイ酸カルシウムガラス、石膏、並びに含水物である硫酸アルミニウム及び／または炭酸ナトリウムである炭酸塩を以下の割合で含有してなる注入材。
（Ａ）セメントと高炉水砕スラグの割合が、セメント２０〜８０質量部に対して高炉水砕スラグ８０〜２０質量部
（Ｂ）セメント用ポリマーの使用量が、セメントと高炉水砕スラグの合計１００質量部に対して０．５〜７質量部
（Ｃ）石膏の使用量が、アルミノケイ酸カルシウムガラス１００質量部に対して５０〜２００質量部
（Ｄ）セメントと高炉水砕スラグの合計とアルミノケイ酸カルシウムガラスと石膏の合計の割合が、セメントと高炉水砕スラグの合計９５〜９９．５質量部に対してアルミノケイ酸カルシウムガラスと石膏の合計５〜０．５質量部
（Ｅ）含水物である硫酸アルミニウム及び／または炭酸ナトリウムである炭酸塩の使用量が、セメント、高炉水砕スラグ、アルミノケイ酸カルシウムガラス、及び石膏の合計１００質量部に対して０．０５〜１質量部
平均粒子径が２０μｍ以下である請求項１に記載の注入材。
消泡剤を混合してなる請求項１または２に記載の注入材。
セメント、高炉水砕スラグ、再乳化型粉末樹脂、合成ゴムラテックスや樹脂エマルジョンであるセメント用ポリマー、アルミノケイ酸カルシウムガラス、石膏、並びに含水物である硫酸アルミニウム及び／または炭酸ナトリウムである炭酸塩及び消泡剤を請求項１に記載の割合で予め混合し、注入及び充填してなる注入工法。