JP5783633B2

JP5783633B2 - 注入工法

Info

Publication number: JP5783633B2
Application number: JP2012003808A
Authority: JP
Inventors: 田中　秀弘; 秀弘田中; 一行水島; 英哉西野; 雄一繁木; 浩小野寺; 大野　康年; 康年大野
Original assignee: Toa Corp; Denki Kagaku Kogyo KK; Fuji Chemical Co Ltd
Current assignee: Denka Co Ltd; Toa Corp; Fuji Chemical Co Ltd
Priority date: 2012-01-12
Filing date: 2012-01-12
Publication date: 2015-09-24
Anticipated expiration: 2032-01-12
Also published as: JP2013142137A

Description

本発明は、注入工法に関し、特に、ゲルタイムが短く、固化後の強度が地盤に近い強度になる注入工法に関する。

一般の地盤注入材を地盤に注入するときは、注入管を用いて注入を行う。
注入は、まず、削孔を行い、その孔の中に注入管を挿入して注入を行う。注入管は、通常、先端以外にも注入口があり、そのまま行うと、その注入口から漏れ出て、注入管と地山の隙間に注入材が流れでて、本来必要な地盤に注入しにくくなる。そのため注入管の周りをシールする必要がある。そのシール材には、施工後、シールした箇所以外に流れ出ず、硬化後の強度が本注入を阻害しない、即ち、本注入が可能なように、硬すぎない強度であるなどの特性が必要である。本発明の注入材はこのシール材にも適している。

地盤注入用の薬液として、SiO₂/Na₂Oモル比が1.5〜2.8の範囲にある水ガラスと、平均粒子径が10μｍ以下で比表面積が5,000cm²/g以上の微粒子スラグとを有効成分として含有する地盤注入用薬液が提案された（特許文献１）。

しかしながら、この薬液は、ゲルタイムが非常に長く（５分以上）、高強度の固結体を得る地盤注入用薬液である。そのため、硬化後の強度が高すぎたりして、地盤と一体化がはかれないで、元の地盤との馴染みが悪くなったり、シール材として使用すると本注入をしにくくするなど、本注入を阻害するおそれがある。また、湧水の無い場所等の特定な現場のみに限られるなど限定的であるなどの課題があった。

また、カルシウムアルミネートとスラグとを主成分とし、セメントを実質的に含まない懸濁型地盤固結材と溶液型シリカ固結材とを併用する地盤固結工法が提案された（特許文献２）。

しかしながら、この固結材のゲルタイムも60分前後と非常に長いため、固結材が逸流しやすいなどの課題があった。

また、スラグとｐＨ９以上のアルカリ材を主成分とする地盤固結材を高圧噴射して、地盤の固結を行う工法で、アルカリ材として、消石灰、アルミン酸アルカリ金属塩、苛性アルカリ、水ガラス、及びカルシウムアルミネートからなる群から選択される少なくとも１種又は複数種を使用する地盤固結工法が提案された（特許文献３）。

しかしながら、この地盤固結工法は、高圧噴射して注入するもので、特許文献３には、カルシウムアルミネート、石膏、ベントナイト、及び消石灰を併用した具体的な記載はない。

特開平０７−１６６１６３号公報特開２００２−０６０７４８号公報特開２００２−０８８７５２号公報

本発明は、限定注入が可能なゲルタイム（例えば、30秒以下）、及び固化後の強度が地盤に近い強度（例えば、0.5ｍPa以下）を有し、シール材等に適した注入材の注入工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、カルシウムアルミネート、石膏、ベントナイト、及び消石灰と、珪酸ソーダとを用いれば、ゲルタイムが短いなどの、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。

本発明は、上記の課題を解決するために、以下の手段を採用する。
（１）カルシウムアルミネート、石膏、ベントナイト、及び消石灰を含むＡ液と、珪酸ソーダを含むＢ液とを注入直前に混合する注入工法である。
（２）前記ベントナイトが、カルシウムアルミネートと石膏の合計100質量部に対して、30〜100質量部である前記（１）の注入工法である。
（３）前記消石灰が、カルシウムアルミネートと石膏の合計100質量部に対して、50〜300質量部である前記（１）又は（２）の注入工法である。
（４）前記珪酸ソーダが、カルシウムアルミネートと石膏の合計100質量部に対して、固形分換算で30〜250質量部である前記（１）〜（３）のうちの１の注入工法である。

本発明の注入工法により、注入材のゲルタイムが短く、湧水による注入材の逸流が少なく、必要な箇所に限定的に注入することができ、しかもその強度が地盤に近い強度となる。また、注入管周りの地山との間隙に注入してシール材とすることも可能である。

以下、本発明の注入工法について詳細に説明する。
なお、本発明における部や％は、特に断らない限り質量規準で示す。

本発明の注入工法は、カルシウムアルミネート、石膏、ベントナイト、及び消石灰を含むＡ液と、珪酸ソーダを含むＢ液とを注入直前に混合することを特徴とする。

上記した特徴を有する本発明の注入工法は、カルシウムアルミネート、石膏、ベントナイト、及び消石灰を主成分としており、セメントを含有していないため、固化後の強度が本注入を阻害しない適切な強度を有する。そのため、シール材として最適である。また、湧水による注入材の逸流が少なくなり、必要な箇所に限定的に注入することができ、しかもその強度が地盤に近い強度となり、再掘削が容易である。

本発明に用いるカルシウムアルミネートと石膏は、エトリンガイドを生成するもので有れば良く特に限定されるものではない。

本発明で使用するカルシウムアルミネートは、カルシア原料とアルミナ原料等を混合して、キルンでの焼成或いは電気炉での溶融等の熱処理をして得られるCaOとAl₂O₃とを主成分とする水和活性を有する物質の総称である。CaOをC、Al₂O₃をAと略記すると、C₃A、C₁₂A₇、C₁₁A₇・CaF₂、CA、及びC₂Aなどが挙げられる。
カルシウムアルミネート中のカルシウムとアルミニウムの組成は、モル比で、CaO：Al₂O₃＝１：１〜３：１の割合のものが好ましい。
カルシウムアルミネートの形態は、結晶質、非晶質のいずれも使用可能である。これらの中では、反応活性の面で、非晶質のカルシウムアルミネートが好ましく、C₁₂A₇組成に対応する熱処理物を急冷した非晶質のカルシウムアルミネートがより好ましい。
カルシウムアルミネートの粒度は、急結性や初期強度発現性の面で、ブレーン比表面積値（以下、ブレーン値という）で3,000cm²/g以上が好ましく、4,000〜8,000cm²/gがより好ましい。

本発明で使用する石膏としては、無水石膏、半水石膏、及び二水石膏が使用可能である。これらの中では、ゲル強度の面から無水石膏が好ましい。また、天然石膏、副生石膏、又は排脱石膏を用いることができる。
石膏の粒度は、通常、セメントなどに使用される程度で良いが、ブレーン値3,000cm²/g以上が好まししく、4,000〜8,000cm²/gがより好ましい。

カルシウムアルミネートと石膏の混合割合は、カルシウムアルミネート100部に対して、石膏50〜200部が好ましい。

カルシウムアルミネートと石膏の使用量は、カルシウムアルミネートと石膏の合計で、１ｍ^３当たり10〜50kgである。10kg未満ではゲル強度が弱くなり、50kgを超えると必要以上の強度になる場合がある。

本発明で使用するベントナイトは特に限定されるものではないが、モンモリロナイトを含む粘土鉱物を粉砕したものが用いられる。特に高膨潤性のナトリウムベントナイトが、少ない使用量でゲル化時間を短くすることができ好ましい。ベントナイトは、例えば、100メッシュ以上の篩通過品が用いられる。
ベントナイトの使用量は、カルシウムアルミネートと石膏の合計100部に対して、30〜100部が好ましく、40〜80部がより好ましい。30部未満だと材料分離が生じ易く、ゲル強度が弱くなる場合があり、100部を超えるとＡ液の粘性が強くなり練り混ぜが困難になる場合がある。

さらに、本発明では、消石灰を用いる。消石灰は特に限定されるものではないが、一般市販品も使用可能である。例えば、100メッシュ以上の篩通過品が用いられる。生石灰を水で消化させて用いることも可能である。
消石灰の平均粒径は、0.1〜50μｍが好ましく、１〜10μｍがより好ましい。
消石灰の使用量は、カルシウムアルミネートと石膏の合計100部に対して、50〜300部が好ましく、100〜200部がより好ましい。50部未満ではゲルタイムが30秒以下になりにくく、300部を超えるとゲルタイムが短くなりにくい。

本発明では、カルシウムアルミネート、石膏、ベントナイト、消石灰、及び水を配合してＡ液を調製する。

Ａ液に配合する水の量は、カルシウムアルミネートと石膏の合計100部に対して、1,000〜3,000部が好ましい。

本発明では、さらに、作業性向上の面から、Ａ液に、凝結遅延剤や分散剤を使用することが可能である。

凝結遅延剤としては、クエン酸類、グルコン酸類のオキシカルボン酸類や、リン酸類や炭酸塩の無機系を使用することができる。

分散剤としては、メラミン系分散剤やポリカルボン酸系分散剤等の市販品の使用が可能である。

本発明では、Ａ液と、珪酸ソーダを含有するＢ液を混合する。

本発明の珪酸ソーダは特に限定されるものではないが、SiO_２／Na_２Oモル比が、3.2〜5.3である珪酸ソーダの使用が好ましい。
たとえば、SiO_２／Na_２Oモル比3.2以上の市販の水ガラスをそのまま使用することができる。また、低モル比の珪酸ソーダにシリカ源を溶解するか、あるいは所定のモル比となるように苛性ソーダ（水酸化ナトリウム）とシリカ源を反応させたものを使用することもできる。
モル比が3.2より低くなると、ゲルタイムを30秒以下にするのが困難になる。また、モル比が5.3を超える珪酸ソーダも使用可能であるが、モル比が5.3を超えると安定性が悪く短期間に白濁したり、沈殿したり、Ａ液と混合する前にゲルを生成するため取り扱い上好ましくない。
水ガラスに含まれるシリカ濃度は特に限定されるものではないが、５〜50％程度が好ましく、10〜30％がより好ましい。これによって、適切な瞬結性を有し、かつ必要なゲル強度を有する注入工法を得ることができる。
珪酸ソーダの使用方法は、水ガラスの原液で用いても良いが、さらに、水で希釈して用いると、施工性、混合性が良くなる。また、粉末珪酸ソーダを水に溶解して用いても良い。
珪酸ソーダの使用量は、Ａ液中のカルシウムアルミネートと石膏の合計100部に対して、固形分換算で30〜250部が好ましく、35〜200部がより好ましい。30部未満では、ゲルタイムが30秒以下になりにくく、250部を超えると施工性が悪くなる場合がある。

Ｂ液中の水の量は特に限定されるものではなく、珪酸ソーダ固形分換算100部に対して、200〜1,000部が好ましい。

本発明の注入工法は、カルシウムアルミネート、石膏、ベントナイト、及び消石灰を水に懸濁させてＡ液とする。一方、珪酸ソーダとして、粉末珪酸ソーダを水に溶解したもの、溶液の水ガラス、もしくは、水ガラスを水に希釈してＢ液とする。これらのＡ液とＢ液を注入直前に混合しながら注入する工法である。
Ａ液とＢ液を混合することによって、ゲルタイムを短くすることができる。
Ａ液とＢ液の割合は特に限定されるものではないが、容積比で、Ａ：Ｂ＝１：0.5〜0.2が混合性の面から好ましい。

本発明は、例えば、二重管ストレーナ工法、二重管ダブルパッカー工法等の公知の方法に適用することができる。

二重管ストレーナ工法は、例えば、複数の注入口を有する二重管ロッドを用いて所定の位置まで削孔後、エトリンガイド生成物を含有する配合液（Ａ液）と、珪酸ソーダを含有する配合液（Ｂ液）を、それぞれ別の流路から送液して別々に注入管の先端まで送り、Ａ液とＢ液を合流し、注入管の先端部で地盤に注入する方式である。

二重管ダブルパッカー工法は、例えば、削孔と注入管設置（シール材注入含む）、及び注入作業を分離して行う工法である。具体的には、地盤注入を必要とする箇所に、ケーシングパイプを取り付けた削孔機を用いて所定の深度まで削孔する。ケーシングパイプの内側に、シール材を流し込み、さらに、その中に二重管ダブルパッカー用外管（注入管）を挿入してケーシングパイプを引き抜く。又は、ケーシングパイプを引き抜いた後、二重管ダブルパッカー用外管を挿入し、シール材を孔に流し込んだり、ポンプで注入したりしてもよい。シール材の硬化後、ダブルパッカーを装着した注入管を所定の位置にセットし、２次注入材を注入する。

本発明の注入工法で、注入管周りの空隙をシールする方法としては、先端にダブルパッカーを装着した注入ホースで、Ａ液とＢ液をそれぞれ別の流路から送液して、注入管の先端まで送り、Ａ液とＢ液を合流させながら注入する方法が好ましい。

本発明の注入工法は、ゲルタイムが１〜30秒である。そのため、注入材の漏出を防げるので、前記注入管周りの間隙にシール材として使用することが可能である。また、本発明の注入工法は、湧水による注入材の逸流が少なく、必要な箇所に限定的に注入することができる。しかも、その強度を0.01〜0.5ｍPaにできることから、地盤に近い強度となる。注入管周りのシール材として使用する場合は、0.1ｍPa以下になる配合を選定するのが好ましい。

以下、実施例を示して本発明を具体的に説明する。但し、本発明は、この実施例に限定されるものではない。

実験例１
カルシウムアルミネート、石膏、ベントナイト、及び消石灰を水に懸濁させてＡ液とし、珪酸ソーダを含有する液をＢ液とした。
Ａ液は、カルシウムアルミネート50部と石膏50部、カルシウムアルミネートと石膏の合計100部に対して、表１に示すベントナイト、消石灰、及び水を配合した。また、Ｂ液は、カルシウムアルミネートと石膏の合計100部に対して、表１に示す水ガラスと水を配合した。
液温を20℃に調整したＡ、Ｂ両液を混合してゲルタイムを測定した。また、Ａ、Ｂ両液を混合して、ゲル化後に圧縮強度を測定した。結果を表１に併記する。

＜使用材料＞
カルシウムアルミネート：C₁₂A₇組成の非晶質カルシウムアルミネート、ブレーン値5,900cm²/g品
石膏：市販無水石膏、ブレーン値6,000cm²/g、粉砕品
ベントナイト：一般市販品、250メッシュ品
消石灰：一般市販品、平均粒径６μｍ品
珪酸ソーダ：一般市販品、５号水ガラス、SiO_２／Na_２Oモル比3.75、固形分32％

＜測定方法＞
ゲルタイム：カップ倒立法を用いて測定した。
まず、Ａ液400ml、Ｂ液200mlをそれぞれ別のビーカーａ、ｂに秤取る。Ａ液が入ったビーカーａに、Ｂ液を速やかに流し入れる。直ちに空いたビーカーｂに、ビーカーａ中の全量を速やかに入れ、次に空いたビーカーａに、ビーカーｂから全量を流し入れる。この操作を速やかに繰り返し、Ａ液にＢ液を全量投入した時点から、液が流動しなくなった時点までをゲルタイムとする。
圧縮強度：液温を20℃に調整したＡ、Ｂ両液を混合後、ゲル化前に、直径50mm、高さ100mmの一端を密閉したアクリルパイプモールドの中に流し入れ、速やかにもう一端を密閉し、供試体とする。作製した供試体を、20℃の恒温に保たれた室内に、28日間養生後、モールドから取り出し、一軸圧縮強度試験機を用いて圧縮強度を測定した。

Claims

カルシウムアルミネート、石膏、ベントナイト、及び消石灰を含むＡ液と、珪酸ソーダを含むＢ液とを注入直前に混合することを特徴とする注入工法。
前記ベントナイトが、カルシウムアルミネートと石膏の合計100質量部に対して、30〜100質量部であることを特徴とする請求項１に記載の注入工法。
前記消石灰が、カルシウムアルミネートと石膏の合計100質量部に対して、50〜300質量部であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の注入工法。
前記珪酸ソーダが、カルシウムアルミネートと石膏の合計100質量部に対して、固形分換算で30〜250質量部であることを特徴とする請求項１〜請求項３のうちのいずれか１項に記載の注入工法。