JP5769198B2 - 地盤注入用水硬性セメント組成物およびそれを用いた地盤改良工法 - Google Patents
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Description
薬液注入材には、溶液型と懸濁型があり、高い浸透性が要求される場合は溶液型を用いる場合がある。しかし、溶液型の薬液注入材は、浸透性は高いが、得られる硬化体自体の強度が小さく、硬化体の収縮も大きいことから長期的な耐久性に課題が生じる場合があった。一方、懸濁型の薬液注入材は、水硬性を示すセメントやスラグなどを成分とするものは、比較的高い強度発現が期待でき、長期的な耐久性も確保しやすいという利点はあるが、浸透性が低いといった課題が生じていた。したがって懸濁型においては、浸透性の改善の開発が中心に行われている。しかしながら、港湾や沿岸部の地盤改良においては、高浸透性の薬剤であるほど注入した薬剤が、潮の干満により逸流し易いという二律背反の問題があった。
本発明1は、高炉スラグ微粉末、分級セメント、ポリアクリル酸系分散剤、及び逸流防止剤としてのケイ酸アルカリ金属塩を含有し、前記ケイ酸アルカリ金属塩は、下記の一般式(1)におけるモル比nが3.5以上であり、前記高炉スラグ微粉末と分級セメントの合計100部に対して0.2〜7部であることを特徴とする地盤注入用水硬性セメント組成物である。
R2O・nSiO2(R:アルカリ金属) (1)
本発明2は、前記ポリアクリル酸系分散剤が下記一般式(2)の単量体を含む共重合体であることを特徴とする本発明1の地盤注入用水硬性セメント組成物である。
CH2=C(R1)COO(R2O)nR3 (2)
(式中、R1は水素原子又はメチル基、R2Oは炭素数2〜4のオキシアルキレン基、nは5〜40の整数、R3は水素原子又は炭素数1〜5のアルキル基を示す。)
本発明3は、前記高炉スラグ微粉末および前記分級セメントが、いずれも、ブレーン比表面積値で7.000〜16,000cm2/g、メジアン径で1〜7μmであることを特徴とする本発明1又は2の地盤注入用水硬性セメント組成物である。
本発明4は、本発明1〜3のいずれかの地盤注入用水硬性セメント組成物を地盤内に注入する地盤改良工法である。
本発明5は、液状化防止のための地盤改良に用いることを特徴とする本発明4の地盤改良工法である。
なお、本明細書中の部や%は、特記しない限り、質量部や質量%をいう。
高炉スラグ微粉末の粉末度はブレーン比表面積値(以下、ブレーン値という)で7,000cm2/g以上が好ましく、7,000〜16,000cm2/gがより好ましく、9,000〜13,000cm2/gが最も好ましい。7,000cm2/g未満であると、充分な浸透性を得ることができない場合があり、16,000cm2/gを超えると製造コストがかかり過ぎて実用的でない。ブレーン値はJIS R 5201のブレーン空気透過装置で測定した値である。
高炉スラグ微粉末のメジアン径は、1〜7μmが好ましく、2〜5μmがより好ましい。例えば、メジアン径はレーザー回折式粒度分布測定機により測定できる。1μm未満であると製造コストがかかりすぎ実用的でなく、7μmを超えると、浸透性を阻害するおそれがある。
分級セメントには、セメント成分以外にセメントの製造工程で加えられる二水セッコウや炭酸カルシウムを含有するものも含まれる。分級によって細かい粒子の炭酸カルシウムを含むものは強度発現性の点で有利となる。
分級セメントの粉末度は、高炉スラグ微粉末と同様にブレーン値7,000cm2/g以上が好ましく、7,000〜16,000cm2/gがより好ましく、9,000〜13,000cm2/gが最も好ましい。7,000cm2/g未満では、充分な浸透性を得ることができない場合があり、16,000cm2/gを超えると製造コストがかかり過ぎて実用的でない。
分級セメントのメジアン径は、1〜7μmが好ましく、2〜5μmがより好ましい。例えば、メジアン径はレーザー回折式粒度分布測定機により測定できる。1μm未満であると製造コストがかかりすぎ実用的でなく、7μmを超えると浸透性を阻害するおそれがある。
CH2=C(R1)COO(R2O)nR3 (2)
ここで、式(2)中、R1は水素原子又はメチル基を示し、R2Oは炭素数2〜4のオキシアルキレン基、例えば、−CH2CH2O−、−CH2CH2CH2O−、−CH2CH(CH3)O−、−CH2CH(CH2CH3)O−、及び−CH2CH2CH2CH2O−などが挙げられる。nはオキシアルキレン基の付加モル数を示し、5〜40の整数である。付加モル数nが小さすぎると分散力が不充分となる。一方、大きすぎると高融点の固体となり、ハンドリングが困難となる。
また、R3は水素原子又は炭素数1〜5のアルキル基を示し、例えばメチル基、エチル基、プロピル基、及びブチル基等が挙げられる。
単量体の例としては、アルキレンオキサイドの付加モル数nが5〜40モルのポリエチレングリコールモノ(メタ)アクリレート、ポリプロピレングリコールモノ(メタ)アクリレート、ポリブチレングリコールモノ(メタ)アクリレート、メトキシポリエチレングリコール(メタ)アクリレート、メトキシポリプロピレングリコール(メタ)アクリレート、メトキシポリブチレングリコール(メタ)アクリレート、エトキシポリエチレングリコール(メタ)アクリレート、エトキシポリプロピレングリコール(メタ)アクリレート、エトキシポリブチレングリコール(メタ)アクリレート、及びプロポキシポリエチレングリコール(メタ)アクリレートなどが挙げられ、これらの一種を単独で又は二種以上を組み合わせて用いることができる。一般式(2)で示される単量体が含まれていれば、他の化学構造を有する単量体成分と組み合わせた共重合体を使用してもよい。
これらの中では、沈降防止性能や浸透性能の面で、メトキシポリエチレングリコール(メタ)アクリレートやメトキシポリプロピレングリコール(メタ)アクリレートを含む共重合体等が好ましい。
ポリアクリル酸系分散剤の質量平均分子量は、5,000〜100,000が好ましく、20,000〜80,000がより好ましい。
ポリアクリル酸系分散剤の使用量は特に限定されるものではないが、高炉スラグ微粉末と分級セメントの合計100部に対して、0.1〜3部が好ましく、0.3〜2部がより好ましい。
本発明においては、メラミン系分散剤を本発明のポリアクリル酸系分散剤に併用して使用してもよい。
なお、チキソトロピーとは、最初は固体のように流動しにくいものであるが、力を加えると液体のように流動性が得られ、力を抜くとまた固体のようになる性質である。したがって、薬液注入工法において、注入時は注入圧により流動性が高くなり容易に地盤に浸透する高浸透性となる。そして注入後は圧力負荷がないため流動性が低下し、潮位の干満程度の動水勾配では薬剤が逸流しない。
動水勾配(水が流れる方向の単位距離あたりの水圧:動水勾配=水位差/水が流れる距離)が大きいほど薬剤が逸流しやすいが、ケイ酸アルカリ金属塩を併用しない場合は、動水勾配が0.1以上では薬剤が逸流する場合が多い。しかし、ケイ酸アルカリ金属塩を特定量併用することで、0.1以上でも薬剤の逸流を防止することができる。
R2O・nSiO2(R:アルカリ金属) (1)
ケイ酸アルカリ金属塩としては、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、及びケイ酸リチウムなどがある。この中でもケイ酸ナトリウムが供給の安定性および価格の面から最も好適である。また、ケイ酸アルカリ金属塩の形態としては、水溶液と粉末があるが、水溶液の方が市販品の種類も多く、作業性が良い理由から、薬液注入材に使用する場合は水溶液が主流である。
モル比nについては、3.5未満では逸流防止能の付与が小さく、さらにアルカリ量が多いためセメントの水和反応が抑制され圧縮強度の低下が懸念される。よってモル比nは、3.5以上である必要があり、3.7〜5.0が好ましい。また、モル比nが3.5以上になるとケイ酸アルカリ金属塩中のアルカリ量が減少し環境への負荷も低減される。
加える水の量が多くなるほど浸透性が良くなるが材料分離が助長され、圧送ホース内で閉塞するおそれがあり、少なければ、セメントミルクの粘度が大きくなりすぎて浸透性を阻害する。使用する水の最適範囲は、高炉スラグ微粉末、分級セメント、及びポリアクリル酸系分散剤の合計100部に対して、400〜1,500部が好ましく、700〜1,200部がより好ましい。
本発明の地盤注入用水硬性セメント組成物は、基本的には1ショットで注入を行なうが、地盤の状態や目的に応じて、市販されている凝結促進剤や他の各種混和材を別に圧送して1.5ショットや2ショット方式で施工することもできる。
高炉スラグ微粉末と、高炉スラグ微粉末100部に対して、20部の分級セメントと、高炉スラグ微粉末と分級セメントの合計100部に対して、1部のポリアクリル酸系分散剤と、表1に示す水を混合して、1分間グラウトミキサーで練り混ぜ、混練物とした。次に、高炉スラグ微粉末と分級セメントの合計100部に対して、固形分で、表1に示すケイ酸ナトリウムAを加え、1分間グラウトミキサーで練り混ぜ、地盤注入用水硬性セメント組成物の注入材を調製した。
調製した注入材の粘度、圧縮強度、浸透性、並びに、逸流防止能の評価指標となる流出状況、形状、及び硬化体の直径を測定する浸透流下試験の結果を表1に併記する。
比較のため、ケイ酸ナトリウムAを加えないで、高炉スラグ微粉末100部に対して、分級セメントを20部、高炉スラグ微粉末と分級セメントの合計100部に対して、ポリアクリル酸系分散剤を1.0部加えた。次に、この混合物100部に対して、966部の水を加え、2分間グラウトミキサーで練り混ぜ地盤注入用水硬性セメント組成物の注入材を調製して、同様の試験を行った。結果を表1に併記する。
高炉スラグ微粉末:市販の高炉スラグ微粉末、ブレーン値10,500cm2/g、メジアン径3.6μm
分級セメント:普通ポルトランドセメントを分級した分級セメント、ブレーン値9,700cm2/g、メジアン径4.1μm、炭酸カルシウム含有量11.3%
ポリアクリル酸系分散剤:市販のポリアクリル酸系分散剤(メトキシポリエチレングリコールメタアクリレート系)、一般式(2)において、R1はメチル基、R2Oは炭素数2のオキシエチレン基、R3はメチル基、n=23、質量平均分子量は42,000。質量平均分子量はGPC法(標準物質:ポリスチレンスルホン酸ナトリウム/水系)により測定した。
水 :清水
ケイ酸ナトリウムA:水溶液、モル比n3.97、SiO223.38%、Na2O6.07%、SiO2+Na2O濃度29.45%
ケイ酸カリウム:水溶液、モル比n3.69、SiO2濃度21.2%、K2O濃度9.0%、SiO2+K2O濃度30.2%
粘度 :
B型回転粘度計を用いて練り上がり直後の粘度を測定した。測定時の温度は25℃。
圧縮強度 :
直径50mm、高さ100mmの型枠に注入材を80ml秤量し、その後、5号珪砂を306g投入した。測定材齢は28日。
浸透性 :
JGS0831−2000に示す薬液注入による安定処理土の供試体作成方法に準拠した。直径50mm、高さ1,000mmのアクリルパイプに珪砂5号を充填して水締めした模擬地盤に0.05MPaの注入圧で注入材を注入したときの浸透状況を観察した。
浸透流下試験:流出状況、形状、硬化体の直径
JGS0311-2000に示す土の透水試験方法に準拠して行なった。試験条件は、φ10×23cmの透明なアクリル容器に5号珪砂を間隙率40.5%になるように充填し模擬地盤を作製した。なお、模擬地盤を作製するアクリル容器の底面はフィルターをセットし、水や注入材が流れ出るようにしている。作製した模擬地盤の中心付近に注入材が注入されるようにパイプをセットし、作製した模擬地盤容器ごと水を満たした容器に浸漬した。浸漬した模擬地盤容器は、模擬地盤容器上端部と水を満たした容器の水位差を3.5cmになるようにし(動水勾配=0.152)、常に水を供給することで水が入れ替わるような条件とし、パイプより注入材を120ml注入し、模擬地盤からの注入材の流出状況を観察した。また、模擬地盤内に留まった注入材硬化体の状態は、材齢7日後に模擬地盤容器を解体し、内部から硬化体を取り出し、その形状と、ほぼ球形に硬化していた場合は、硬化体の直径を確認した。なお、注入材120mlが球形になった場合、硬化体の直径は6.1cmである。
練り上がり直後の粘度は、ケイ酸ナトリウムが0.2〜7部である実験No.1- 2〜実験No.1- 8においては、29〜52mPa・sであった。一方、ケイ酸ナトリウムがない実験No.1- 1の粘度は4mPa・s、ケイ酸ナトリウムが8部の実験No.1-9においては、5mPa・sと、実施例より低い粘度であった。
圧縮強度については、実験No.1-2〜実験No.1- 8においては、0.6〜1.4N/mm2であった。一方、実験No.1-1の比較例は0.5N/mm2、実験No.1- 9の比較例は0.4N/mmであった。
浸透性について、実験No.1-2〜実験No.1- 8および比較例である実験No.1- 1においては、高さ1,000mmのアクリルパイプを全浸透した。一方、比較例である実験No.1- 9においては、全浸透せず、760mmしか浸透しなかった。
ケイ酸ナトリウムを含有しない比較例である実験No.1−1においては、浸透性は、実験No.1- 5と同様な結果が得られたが、圧縮強度はやや低下し、浸透流下試験では注入材が注入から5分後に流出し硬化体の痕跡がなく、地盤改良(補強)効果が得られなかった。
高炉スラグ微粉末と分級セメントの合計100部に対して、表2に示すケイ酸ナトリウムを固形分で1.5部使用したこと以外は実験例1と同様に行った。結果を表2に併記する。
ケイ酸ナトリウムB:水溶液、モル比n4.96、SiO2濃度19.56%、Na2O濃度4.07%、SiO2+Na2O濃度23.63%
ケイ酸ナトリウムC:水溶液、モル比n3.74、SiO2濃度24.00%、Na2O濃度6.62%、SiO2+Na2O濃度30.62%
ケイ酸ナトリウムD:水溶液、モル比n3.5、SiO2濃度25.61%、Na2O濃度7.55%、SiO2+Na2O濃度 33.16%
ケイ酸ナトリウムE:水溶液、モル比n3.16、SiO2濃度28.84%、Na2O濃度9.43%、SiO2+Na2O濃度38.27%
ケイ酸ナトリウムのモル比nが3.5未満の3.16である実験No.2- 1においては、浸透性は、実験No.1- 5と同様な結果が得られたが、圧縮強度はやや低下し、浸透流下試験では注入材が注入から10分後に流出し不定形な硬化体であった。
高炉スラグ微粉末と分級セメントの合計100部に対して、ケイ酸ナトリウムAを固形分で1.5部使用し、表3に示すポリアクリル酸系分散剤を用いたこと以外は実験例2と同様に行った。結果を表3に併記する。
高炉スラグ微粉末と分級セメントの合計100部に対して、ケイ酸ナトリウムAを固形分で1.5部使用し、表4に示す高炉スラグ微粉末、分級セメントを使用したこと以外は実験例2と同様に行った。結果を表4に併記する。
高炉スラグ微粉末と分級セメントの合計100部に対して、ケイ酸ナトリウムAを固形分で1.5部使用し、高炉スラグ微粉末100部に対して、表5に示す分級セメントを使用したこと以外は実験例2と同様に行った。結果を表5に併記する。
Claims (5)
- 高炉スラグ微粉末、分級セメント、ポリアクリル酸系分散剤、及び逸流防止剤としてのケイ酸アルカリ金属塩を含有し、前記ケイ酸アルカリ金属塩は、下記の一般式(1)におけるモル比nが3.5以上であり、前記高炉スラグ微粉末と分級セメントの合計100質量部に対して、0.2〜7質量部であることを特徴とする地盤注入用水硬性セメント組成物。
R2O・nSiO2(R:アルカリ金属) (1) - 前記ポリアクリル酸系分散剤が下記一般式(2)の単量体を含む共重合体であることを特徴とする請求項1記載の地盤注入用水硬性セメント組成物。
CH2=C(R1)COO(R2O)nR3 (2)
(式中、R1は水素原子又はメチル基、R2Oは炭素数2〜4のオキシアルキレン基、nは5〜40の整数、R3は水素原子又は炭素数1〜5のアルキル基を示す。) - 前記高炉スラグ微粉末及び前記分級セメントが、いずれも、ブレーン比表面積値で7,000〜16,000cm2/g、メジアン径で1〜7μmであることを特徴とする請求項1記載の地盤注入用水硬性セメント組成物。
- 請求項1〜3のいずれか1項記載の地盤注入用水硬性セメント組成物を地盤内に注入する地盤改良工法。
- 液状化防止のための地盤改良に用いることを特徴とする請求項4記載の地盤改良工法。
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