JP5744373B2

JP5744373B2 - 土質安定化薬液

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Publication number: JP5744373B2
Application number: JP2008045945A
Authority: JP
Inventors: 健司澤田
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp; Mitsubishi Rayon Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp; Mitsubishi Rayon Co Ltd
Priority date: 2008-02-27
Filing date: 2008-02-27
Publication date: 2015-07-08
Anticipated expiration: 2028-02-27
Also published as: JP2009203318A

Description

本発明は、地盤改良のためのアルカリ珪酸塩水溶液を主剤とした土質安定化薬液およびその土質安定化薬液に用いる硬化剤に関する。

従来、軟弱地盤を強化したり、漏水地盤を止水したりするために、種々の薬液を地盤内に注入して地盤内でゲル化させる地盤安定化工法が知られている。薬液としては、安価であることから、アルカリ珪酸塩水溶液を主剤とし、これに硬化剤成分の水溶液ないし水懸濁液とを組合せた薬液である水ガラス系土質安定化薬液が広く使用されている。

水ガラス系土質安定化薬液に含まれる硬化剤としては、例えば、消石灰、生石灰などの石灰類と２水石膏、半水石膏、無水石膏などの石膏類を組合せた硬化剤が知られている。
このうち、本出願人は、特許文献１にて、石灰類と石膏類に界面活性剤を添加した硬化剤を提案した。特許文献１の硬化剤における石灰類は消石灰および／または生石灰であり、石膏類は２水石膏、α半水石膏、β半水石膏、II型無水石膏からなる群から選ばれた少なくとも１種であり、石灰類：石膏類の量比は１：３〜３：１（質量比）の割合であり、界面活性剤はノニオン系またはアニオン系界面活性剤である。
この硬化剤を含む土質安定化薬液では、硬化時間が数秒ないし十数秒である、いわゆる瞬結工法での施工を行った際に、初期強度が高く、硬化剤の水懸濁液が不均質化し難いという効果を奏する。

また、特許文献１には、上記硬化剤の粒度や使用量、およびノニオン系またはアニオン系界面活性剤の使用量に関して、以下のように記載されている。
・硬化剤の粒度は、ブレーン法による比表面積で３０００〜９０００ｃｍ^２／ｇの範囲に粉砕したものを用いるのが好ましい。
・硬化剤の使用量は、薬液の硬化時間を短くする場合は多くし、硬化時間を長くする場合には少なくする。例えば、ＪＩＳ３号珪酸ソーダ１００リットルと水１００リットルからなる主剤液２００リットルと、これと等容量の硬化剤液２００リットルとの混合物からなる薬液４００リットルにより地盤を安定化させる場合には、硬化剤液に硬化剤を６０〜１８０ｋｇの範囲で含有させると、薬液は数秒ないし十数秒で硬化する。換言すれば、ＪＩＳ３号珪酸ソーダ１００リットルと水１００リットルからなる主剤液２００リットルと、これと等容量の硬化剤液２００リットルとの混合物からなる薬液４００リットルを十数秒で硬化させるには、硬化剤が６０ｋｇ必要である。
・ノニオン系またはアニオン系界面活性剤の使用量は、通常、硬化剤液２００リットル当たり０．４〜１．５ｋｇの範囲で含有させると充分な効果が得られる。
特公昭６２−９１５５号公報

ところで、硬化剤の現場への搬入作業や、施工現場での硬化剤液の調製作業等での作業効率性を考慮すると、所望の硬化時間や強度を得るための硬化剤使用量は少ない程よい。また、硬化剤の水懸濁液である硬化剤液の均質性は高い程よい。そのため、特許文献１に記載の硬化剤より少ない使用量で所望の硬化時間や強度が得られ、水懸濁液とした際に高い均質性が得られる土質安定化薬液用硬化剤が求められていた。
本発明の目的は、アルカリ珪酸塩水溶液と混合した際に少ない使用量で所望の硬化時間や強度が得られ、水懸濁液とした際の均質性が高い土質安定化薬液用硬化剤を提供することにある。また、少ない硬化剤使用量で所望の硬化時間や強度が得られる土質安定化薬液を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決したとするには、硬化時間（ゲルタイム）、硬化体（ホモゲル体）の強度、硬化剤液（Ｂ液）の均質性が下記基準の全てを同時に満たすこととした。
（１）薬液の硬化時間及び硬化体強度
アルカリ珪酸塩として日本工業規格（ＪＩＳＫ−１４０８）に規定されている３号珪酸ソーダを用い、３号珪酸ソーダ１００リットルおよび水１００リットルを混合して調製した主剤液（Ａ液）２００リットルと、硬化剤５５ｋｇを水に懸濁して調製した硬化剤液（Ｂ液）２００リットルとを等容量ずつ混合して得た薬液が温度２０℃において；
・硬化時間：１２秒以内で硬化（ゲル化）すること。
・硬化体強度：薬液が硬化して６０分経過した後、形成された硬化体の一軸圧縮強度値が、０．３Ｎ／ｍｍ^２以上であること。
（２）硬化剤液の均質性
（１）における硬化剤液の５０ｍｌをメスシリンダー（容量５０ｍｌ）に分取し、３０分間静置後に硬化剤液上部に生じた硬化剤粒子を含まない透明液体部分を目視により判定し、その高さ（沈降高さ）が１０ｍｍ以下であること。
本発明者らが、上記の基準の全てを満たす硬化剤について検討した結果、（ａ）硬化剤の構成成分である石灰類、石膏類、界面活性剤として特定のものを使用すること、（ｂ）従来は、石灰類と石膏類とが組合わされた状態においてブレーン法による比表面積で特定されていた硬化剤の粉末度を、粉末度としてはブレーン法とは別の概念である粒子径で石灰類および石膏類について各々個別に特定すること、（ｃ）石膏類および界面活性剤の含有量を石灰類に対して特定の範囲とすることで、上記基準の全てを同時に満たすことを見出した。そして、その知見により、以下の土質安定化薬液用硬化剤および土質安定化剤を発明した。

すなわち、本発明は、以下の態様を包含する。
［１］主剤であるアルカリ珪酸塩水溶液と、土質安定化薬液用硬化剤の水懸濁液とを含有する土質安定化薬液であって、
前記土質安定化薬液用硬化剤は、
最大粒子径６００μｍ以下の消石灰（（ａ）成分）と、最大粒子径９０μｍ以下のII型無水石膏（（ｂ）成分）と、アニオン系界面活性剤（（ｃ）成分）とを含有し、
（ａ）成分１００質量部に対して、（ｂ）成分の含有量が４０質量部以上７０質量部以下、（ｃ）成分の含有量が０．２５質量部以上０．８５質量部以下であり、
該土質安定化薬液４００リットル中に４０〜８０ｋｇ含まれるものであることを特徴とする土質安定化薬液。
［２］（ｃ）成分がリグニンスルホン酸塩である、［１］に記載の土質安定化薬液。

本発明の土質安定化薬液用硬化剤では、アルカリ珪酸塩水溶液と混合した際に少ない使用量で所望の硬化時間や強度が得られ、水懸濁液とした際の均質性が高い。
本発明の土質安定化薬液では、少ない硬化剤使用量で所望の硬化時間や強度が得られる。

（土質安定化薬液用硬化剤）
本発明の土質安定化薬液に用いる硬化剤は、アルカリ珪酸塩水溶液を主剤とした土質安定化薬液に用いる硬化剤であって、消石灰（（ａ）成分）と、II型無水石膏（（ｂ）成分）と、アニオン系界面活性剤（（ｃ）成分）とを含有する。

［消石灰］
本発明における消石灰は、最大粒子径が６００μｍ以下、好ましくは１５０μｍ以下のものである。消石灰の最大粒子径が前記上限値以上であると、硬化時間が長くなる。このような消石灰は、例えば、工業用消石灰等の市販品を、最大粒子径が６００μｍ以下、好ましくは１５０μｍ以下になるように粉砕・分級することにより得られる。
消石灰の最大粒子径の下限値には特に制限はないが、最大粒子径が１０μｍ未満の消石灰を用いた場合には、粉砕・分級に長時間を要し不経済であるから、１０μｍ以上であることが好ましい。

なお、本発明の硬化剤において、消石灰の代わりに、例えば生石灰等の消石灰以外の石灰類を用いた場合には、硬化時間が長くなるため、本発明の目的を達成できない。

［II型無水石膏］
II型無水石膏としては、例えば、２水石膏や半水石膏等を４００℃以上の温度で焼成して得られるものが挙げられ、安価で入手容易であることから、湿式リン酸製造時や排煙脱硫操作時等に副生する２水石膏や半水石膏等を４００℃以上で焼成して得られるものが好適である。
また、天然に産出するII型無水石膏等を用いることもできる。

II型無水石膏の最大粒子径は９０μｍ以下、好ましくは４５μｍ以下である。II型無水石膏の最大粒子径が前記上限値以上であると、硬化時間が長くなる。このようなII型無水石膏は、例えば、最大粒子径が９０μｍ以下、好ましくは４５μｍ以下になるように、粉砕・分級することにより得られる。
II型無水石膏の最大粒子径の下限値には特に制限はないが、最大粒子径が５μｍ未満のII型無水石膏を用いた場合には、粉砕・分級に長時間を要し不経済であるから、５μｍ以上であることが好ましい。

なお、本発明の硬化剤において、II型無水石膏の代わりに２水石膏を用いた場合には硬化時間が長くなり、半水石膏を用いた場合には硬化剤液の均質性が不充分になるため、本発明の目的を達成できない。

硬化剤におけるII型無水石膏の含有量は、消石灰１００質量部に対して４０質量部以上、好ましくは５０質量部以上であり、７０質量部以下、好ましくは６０質量部以下である。II型無水石膏の含有量が前記下限値より少ないと、硬化体強度が不足し、前記上限値より多いと、硬化時間と硬化体強度の両性能が不充分になる。

［アニオン系界面活性剤］
アニオン系界面活性剤としては公知のものを使用できるが、通常コンクリート用減水剤として市販されているもの、例えば、リグニンスルホン酸塩系界面活性剤、オキシポリカルボン酸塩系界面活性剤、メラミンスルホン酸塩系界面活性剤、ナフタレンスルホン酸塩系界面活性剤等が好適である。
リグニンスルホン酸塩系界面活性剤は、リグニンスルホン酸のアルカリ（土類）金属塩またはこれらのホルマリン縮合物等の各種誘導体であり、市販品としては、例えば、サンエキスＰ２５２（日本製紙ケミカル（株）製）が挙げられる。
オキシポリカルボン酸塩系界面活性剤は、カルボキシ基を有する化合物のアルカリ（土類）金属塩の付加または縮合重合物等の各種誘導体であり、市販品としては、例えば、フローリックＳＦ（（株）フローリック製）が挙げられる。
メラミンスルホン酸塩系界面活性剤は、メラミンスルホン酸のアルカリ（土類）金属塩またはこれらのホルマリン縮合物等の各種誘導体であり、市販品としては、例えば、ＳＭＦ−ＰＤ（日産化学工業（株）製）が挙げられる。
ナフタレンスルホン酸塩系界面活性剤は、ナフタレンスルホン酸やアルキルアリルスルホン酸のアルカリ（土類）金属塩またはこれらのホルマリン縮合物等の各種誘導体であり、市販品としては、例えば、マイティ１００（花王（株）製）が挙げられる。
これらの中でも、硬化剤液の均質性により優れることから、リグニンスルホン酸塩系界面活性剤が特に好ましい。

硬化剤におけるアニオン系界面活性剤の含有量は、消石灰１００質量部に対して０．２５質量部以上、好ましくは０．５０質量部以上であり、０．８５質量部以下、好ましくは０．８２質量部以下である。アニオン系界面活性剤の含有量が前記下限値より少なくても、前記上限値より多くても、硬化剤液の均質性が不充分になる。

なお、本発明の硬化剤において界面活性剤として、アニオン系界面活性剤の代わりに、ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル系界面活性剤やポリエチレングリコールアルキルエーテル系界面活性剤等のノニオン系の界面活性剤を用いた場合は、硬化剤液の均質性が不充分になり、本発明の目的を達成できない。

［消泡剤］
本発明の硬化剤は、必要に応じて、通常セメント混和剤として用いられる消泡剤を含有することができる。
消泡剤としては、高級アルコール系、アルキルフェノール系、ジエチレングリコール系、ジブチルフタレート系、非水溶性アルコール系、トリブチルホスフェート系、ポリグリコール系、シリコーン系、酸化エチレン−酸化プロピレン共重合体系などの各種の消泡剤が挙げられる。

［硬化剤の作用効果］
本発明者らが調べた結果、上記の土質安定化薬液用硬化剤は、硬化時間が１２秒以内、硬化体の一軸圧縮強度値が０．３Ｎ／ｍｍ^２以上、硬化剤液の沈降高さが１０ｍｍ以下になることが判明した。よって、本発明の土質安定化薬液用硬化剤は、アルカリ珪酸塩水溶液と混合した際に少ない使用量で所望の硬化時間や強度が得られ、水懸濁液とした際の均質性が高いものである。

（土質安定化薬液）
本発明の土質安定化薬液は、上述した硬化剤と、主剤液（Ａ液）であるアルカリ珪酸塩水溶液とを含有する。
アルカリ珪酸塩としては、例えば、ＳｉＯ_２／Ｎａ_２Ｏモル比が２〜４の珪酸ソーダ、ＳｉＯ_２／Ｎａ_２Ｏモル比が４〜６の範囲であるシリカゾル等を用いることができる。中でも、日本工業規格（ＪＩＳＫ−１４０８）に規定されている１〜３号珪酸ソーダが好ましく、３号珪酸ソーダがより好ましい。

アルカリ珪酸塩水溶液のアルカリ珪酸塩濃度は、強度を大きくという点では高い程よいが、施工方法等に応じて適宜調整してもよい。例えば、珪酸ソーダとして日本工業規格（ＪＩＳＫ−１４０８）に規定されている３号珪酸ソーダを用いて調製したＡ液と、硬化剤を含む水懸濁液からなる硬化剤液とを等容量ずつ混合しながら地盤中に注入する施工方法では、３号珪酸ソーダ６０〜１２０容量部を水で希釈して２００容量部とすることが好ましい。

土質安定化薬液における硬化剤の含有量は、土質安定化薬液の硬化時間を短くする場合には多くし、硬化時間を長くする場合には少なくする。
日本工業規格（ＪＩＳＫ−１４０８）に規定されている３号珪酸ソーダ１００リットルと水１００リットルからなる主剤液（２００リットル）と、これと等容量の本発明の硬化剤を含む水懸濁液からなる硬化剤液（２００リットル）との混合物からなる薬液（４００リットル）により地盤を安定化させる場合には、硬化剤液中に本発明の硬化剤を４０ｋｇ〜８０ｋｇ含有させることが好ましい。

土質安定化薬液の地盤内への注入に際しては、単管式、二重管式、多重管式などの各種注入管を用いることができる。
また、土質安定化薬液の注入方法としては、Ａ液とＢ液を予め混合して注入管に導く方法、Ａ液とＢ液とを注入管の基部に設けた混合部、例えば、Ｙ字管において混合して注入管に導く方法、Ａ液とＢ液とをそれぞれ独立に注入管に導いて注入管内で混合する方法、Ａ液とＢ液とをそれぞれ独立に注入管に導いて、注入管から地盤内に注入しながら地盤内にて合流・混合させる方法等が挙げられる。これらの方法は、薬液の硬化時間や施工性に応じて適宜採用することができる。
上記土質安定化薬液用を含む本発明の土質安定化薬液では、いずれの注入方法においても、硬化剤使用量が少なくても、地盤に注入した後に所望の硬化時間や強度が得られる。

以下に、実施例および比較例を示して本発明を更に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
＜実施例および比較例（試験番号１〜２９）＞
下記の主剤液（Ａ液）と硬化剤液（Ｂ液）を用い、硬化時間、硬化体の強度、硬化剤液の均質性を以下のように評価した。その評価結果を表２に示す。
主剤液：日本工業規格（ＪＩＳＫ−１４０８）に規定されている３号珪酸ソーダ１００リットルと水１００リットルの割合で混合して調製した。
硬化剤液：表１に示す条件（石灰および石膏の種類・最大粒子径・含有量、界面活性剤の種類・含有量）で調製した硬化剤５５ｋｇを容量が２００リットルになるように水に懸濁して調製した。
なお、硬化剤成分として使用した石灰（消石灰、生石灰）と石膏（２水石膏、半水石膏、II型無水石膏）は、いずれも工業用市販品を用い、種々の最大粒子径になるように粉砕と篩による分級を行って調製した。
界面活性剤としては以下のものを用いた。
・アニオン系界面活性剤：
リグニンスルホン酸塩：サンエキスＰ２５２（日本製紙ケミカル（株）製）
オキシポリカルボン酸塩：フローリックＳＦ（（株）フローリック製）
メラミンスルホン酸塩：ＳＭＦ−ＰＤ（日産化学工業（株）製）
ナフタレンスルホン酸塩：マイティ１００（花王（株）製）
・ノニオン系界面活性剤：
ポリオキシエチレンノニフェニルエーテル系：ＮＩＫＫＯＬ（日光ケミカルズ（株）製）

なお、試験番号１〜２は石灰の種類の影響、試験番号３〜７は石灰の最大粒子径の影響、試験番号８〜１０は石膏の種類の影響、試験番号１１〜１５は石膏の最大粒子径の影響、試験番号１６〜２１は石膏含有量の影響、試験番号２２〜２３は界面活性剤の種類の影響、試験番号２４〜２９は界面活性剤含有量の影響を示している。

（１）硬化時間：液温２０℃において、主剤液と硬化剤液の当容量を混合した後に静置し、混合液の流動性が消失するまでの所要時間を測定した。
評価○：硬化時間が、１２秒以内であった。
評価×：硬化時間が、１２秒を超えて長かった。
（２）硬化体強度：液温２０℃において、主剤液と硬化剤液の当容量混合液を円柱型の型枠（径５ｃｍ×高さ１０ｃｍ）内に流し込み、形成された硬化体の材令６０分の一軸圧縮強度を測定した。
評価○：硬化体の一軸圧縮強度値が、０．３０Ｎ／ｍｍ^２以上であった。
評価×：硬化体の一軸圧縮強度値が、０．３０Ｎ／ｍｍ^２未満であった。
（３）硬化剤液の均質性：液温２０℃において、硬化剤液の５０ｍｌをメスシリンダー（容量５０ｍｌ）に分取し、３０分間静置した後、Ｂ液上部に生じた硬化剤粒子を含まない透明液体部分を目視により判定し、その高さ（沈降高さ）を測定した。この沈降高さが低い程、均質性に優れる。
評価○：沈降高さが、１０ｍｍ以下であった。
評価×：沈降高さが、１０ｍｍを超えて長かった。
（４）総合評価：
総合評価○：硬化時間、硬化体強度、Ｂ液の均質性の評価がいずれも○であった。
総合評価×：評価項目の少なくとも一つが×であった。

表２から明らかなように、硬化剤が、最大粒子径６００μｍ以下の消石灰と、最大粒子径９０μｍ以下のII型無水石膏と、アニオン系界面活性剤とを含有し、無水石膏の含有量が４０〜７０質量部、アニオン系界面活性剤の含有量が０．２５〜０．８５質量部である試験番号２，４〜８，１２〜１５，１７〜２０，２２，２５〜２８の実施例では、硬化時間、硬化体強度、Ｂ液の均質性の性能基準を全て同時に満たしていた。
これに対し、石灰類として生石灰を用いた試験番号２の例では、硬化時間が長かった。
消石灰の最大粒子径が６００μｍを超えていた試験番号３の例では、硬化時間が長かった。
石膏として２水石膏を用いた試験番号９の例では、硬化時間が長かった。
石膏として半水石膏を用いた試験番号１０の例では、硬化剤液の均質性が低かった。
II型無水石膏の最大粒子径が９０μｍを超えていた試験番号１１の例では、硬化時間が長かった。
II型無水石膏の含有量が４０質量部未満であった試験番号１６の例では、硬化体の強度が低かった。
II型無水石膏の含有量が７０質量部を超えていた試験番号２１の例では、硬化時間が長く、しかも硬化体の強度が低かった。
界面活性剤としてノニオン系界面活性剤を用いた試験番号２３の例では、硬化剤液の均質性が低かった。
界面活性剤の含有量が０．２５質量部未満であった試験番号２４の例では、硬化剤液の均質性が低かった。
界面活性剤の含有量が０．８５質量部を超えていた試験番号２９の例では、硬化剤液の均質性が低かった。

Claims

主剤であるアルカリ珪酸塩水溶液と、土質安定化薬液用硬化剤の水懸濁液とを含有する土質安定化薬液であって、
前記土質安定化薬液用硬化剤は、
最大粒子径６００μｍ以下の消石灰（（ａ）成分）と、最大粒子径９０μｍ以下のII型無水石膏（（ｂ）成分）と、アニオン系界面活性剤（（ｃ）成分）とを含有し、
（ａ）成分１００質量部に対して、（ｂ）成分の含有量が４０質量部以上７０質量部以下、（ｃ）成分の含有量が０．２５質量部以上０．８５質量部以下であり、
該土質安定化薬液４００リットル中に４０〜８０ｋｇ含まれるものであることを特徴とする土質安定化薬液。
（ｃ）成分がリグニンスルホン酸塩である、請求項１に記載の土質安定化薬液。