JP5818077B2

JP5818077B2 - 懸濁グラウト薬液

Info

Publication number: JP5818077B2
Application number: JP2011170221A
Authority: JP
Inventors: 瀬谷　昌明; 昌明瀬谷; 健司澤田
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp; Mitsubishi Rayon Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp; Mitsubishi Rayon Co Ltd
Priority date: 2011-08-03
Filing date: 2011-08-03
Publication date: 2015-11-18
Anticipated expiration: 2031-08-03
Also published as: JP2013035884A

Description

本発明は、軟弱地盤の止水や地盤強化等の地盤改良のための懸濁グラウト薬液に関する。

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、種々のグラウト薬液を地盤内に注入し地盤内でゲル化させる地盤安定化工法が知られている。
グラウト薬液は、主材に珪酸ナトリウム水溶液を使用した溶液型と、セメントやスラグを使用した懸濁型に大別できる。

溶液型のグラウト薬液は、地盤への浸透性に優れるものの、グラウト薬液が硬化した硬化体（以下、単に「硬化体」という。）の強度（ゲル強度）が低く、耐久性にも乏しかった。
一方、懸濁型のグラウト薬液は、硬化体の強度が高く、耐久性にも優れるものの、地盤への浸透性に乏しかった。

近年、浸透性を高めた懸濁型のグラウト薬液として、スラグ粒子、セメント粒子、珪酸ナトリウム水溶液、および水を混合して製造するグラウト薬液が提案されている。
例えば特許文献１には、グラウト材中の水分１００ｍｌに対して珪酸ナトリウム水溶液中のＳｉＯ_２量（Ｓ）が１．６〜５．８ｇ、セメント量（Ｃ）が１．５〜３．２ｇで、かつＣ／Ｓが０．４２以上である懸濁型のグラウト材が開示されている。該グラウト材によれば、スラグ粒子を硬化させるためのアルカリ刺激剤としてセメント粒子を用い、珪酸ナトリウム水溶液とセメント量を規定することで、浸透性に優れるとともに、スラグ粒子の硬化発現が早く、かつゲルタイムが長くなるとしている。

また、ゲルタイムを長くする方法のひとつとして、リン酸３ナトリウムを使用することが知られている。例えば、特許文献２では、水ガラス・セメント系の懸濁グラウトへリン酸３ナトリウムを添加することにより、ゲルタイムが遅延されることが記載されている。
但し、本検討では、ゲルタイムへの影響が小さい高炉水砕スラグを使用していないため、そのゲルタイムは１０℃にもかかわらず実施例で７分が最大であり、浸透性を考慮すると不十分である。

そのような中、特許文献３では、珪酸ナトリウム、高炉水砕スラグを使用した系で、リン酸ナトリウムを添加することによりゲルタイムが遅延されること。アルカリ刺激剤として、セメントが挙げられることが記載されている。実施例中、リン酸水素２ナトリウム添加系の記載があるが、セメント粉末は使用されていない。ここでは、リン酸水素２ナトリウムの添加により、粘度の立ち上がりが遅くなることが記載されている。

特開２００１−４９２５６号公報特公昭４５−１９２１７号公報特許第２９６１４８４号公報

しかしながら、グラウト薬液には、硬化体の強度向上はもちろんのこと、さらなるゲルタイムの確保が求められており、特許文献１、２、３に記載の懸濁型のグラウト薬液では、必ずしも強度とゲルタイムの両方を十分に満足するものでなかった。

本発明の目的は、珪酸ナトリウム濃度を変化させることなく、ゲルタイムが長く、かつ硬化体の強度が高い懸濁グラウト薬液を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、セメント粉末とリン酸３ナトリウムの比率を、特定割合とすることで、珪酸ナトリウム濃度を変更せずに、ゲルタイムが長く、かつ硬化体の強度が高い懸濁グラウト薬液が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、以下の態様を包含する。
［１］珪酸ナトリウム、高炉水砕スラグ粉末、セメント粉末、リン酸３ナトリウムおよび水を含有し、前記リン酸３ナトリウムに対する前記セメント粉末の質量比（セメント粉末／リン酸３ナトリウム）が、６〜１２である懸濁グラウト薬液。

本発明によれば、珪酸ナトリウム濃度を変化させずに、ゲルタイムが長く、かつ硬化体の強度が高い懸濁グラウト薬液が得られる。

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の懸濁グラウト薬液は、珪酸ナトリウム、高炉水砕スラグ粉末、セメント粉末、リン酸３ナトリウムおよび水を含有する。

＜珪酸ナトリウム＞
珪酸ナトリウムは、ＳｉＯ_２／Ｎａ_２Ｏのモル比が２．５〜３．８が好ましい。モル比が２．５以上であれば、懸濁グラウト薬液のブリージング（硬化体の表面に水が浮いてくる現象）を抑制できるとともに、硬化体の初期の強度（初期のゲル強度）が高くなる。また、アルカリ度が低いことからアルカリによる地下水汚染が生じにくくなる。一方、モル比が３．８以下であれば、セメント粉末のアルカリ刺激による高炉水砕スラグ粉末の硬化が発現しやすく、セメント粉末量を低減できる。モル比は２．８以上が好ましく、３．０以上がより好ましい。また、３．５以下が好ましく、３．３以下がより好ましい。

珪酸ナトリウムとしては、粉末品を用いてもよいし、珪酸ナトリウム水溶液（水ガラス）を用いてもよい。
珪酸ナトリウム水溶液を用いる場合、輸送コストが下がる点、ミキサーへの添加時間が短くなる点で、高濃度の珪酸ナトリウム水溶液を用いるのが好ましい。具体的には、珪酸ナトリウム水溶液１００質量％中のＳｉＯ_２の比率（濃度）が２０質量％以上であることが好ましく、２５質量％以上であることがより好ましい。
このような珪酸ナトリウム水溶液としては、ＪＩＳＫ１４０８で定められる３号水ガラス（ＳｉＯ_２の濃度：２８〜３０質量％）などが挙げられる。

懸濁グラウト薬液中の珪酸ナトリウムの含有量はＳｉＯ_２換算で、懸濁グラウト薬液の全量を４００Ｌとしたときに、４ｋｇ以上が好ましく、６ｋｇ以上がより好ましく、８ｋｇ以上が特に好ましい。また、５０ｋｇ以下が好ましく、３０ｋｇ以下がより好ましい。珪酸ナトリウムの含有量が上記下限値以上であれば、ブリージングを抑制できるとともに、硬化体の初期の強度が向上する。また、アルカリ全体量としては多くなるため、強度の発現に必要なセメント粉末が添加されていれば、強度発現は促進される。一方、珪酸ナトリウムの含有量が上記上限値以下であれば、セメント粉末から発生するアルカリ刺激成分（水酸化カルシウム等）の消費を抑制でき、少ないセメント粉末量で高炉水砕スラグ粉末の硬化が十分に進行し、高強度の硬化体が得られやすくなる。

＜高炉水砕スラグ粉末＞
高炉水砕スラグ粉末は、例えば高炉セメント等の製造用原料に用いられる高炉水砕スラグを、好ましくは後述するブレーン値に粉砕調製したものである。
なお、高炉水砕スラグは、銑鉄を作るときに生じる溶融状態のスラグをガラス状態となるように急冷して作製される。

高炉水砕スラグ粉末のブレーン値は、４０００ｃｍ^２／ｇ以上が好ましく、６０００ｃｍ^２／ｇ以上がより好ましく、８０００ｃｍ^２／ｇ以上が特に好ましい。また、１５０００ｃｍ^２／ｇ以下が好ましく、１２０００ｃｍ^２／ｇ以下がより好ましく、１００００ｃｍ^２／ｇ以下が特に好ましい。高炉水砕スラグ粉末のブレーン値が４０００ｃｍ^２／ｇ以上であれば、反応性が高くなり、懸濁グラウト薬液の浸透性が向上する。一方、高炉水砕スラグ粉末のブレーン値が１５０００ｃｍ^２／ｇ以下であれば、凝集が起こりにくくなり、目詰まりが抑制される。
ここで、「ブレーン値」は、ＪＩＳＲ５２０１「セメントの物理試験方法」の比表面積試験に準拠し、ブレーン空気透過装置により測定した値である。

懸濁グラウト薬液中の高炉水砕スラグ粉末の含有量は、懸濁グラウト薬液の全量を４００Ｌとしたときに、１０ｋｇ以上が好ましく、３０ｋｇ以上がより好ましい。また、１００ｋｇ以下が好ましく、５０ｋｇ以下がより好ましい。高炉水砕スラグ粉末の含有量が上記下限値以上であれば、硬化体の最終強度が向上するという観点から好ましい。一方、高炉水砕スラグ粉末の含有量が上記上限値以下であれば、浸透性が向上するという観点から好ましい。

＜セメント粉末＞
セメント粉末は、未硬化、あるいは、硬化後のセメントを、好ましくは後述するブレーン値に粉砕調製したものである。
例えば普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、超早強ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメント、耐硫酸塩ポルトランドセメント、白色ポルトランドセメント等のポルトランドセメント類や、アルミナセメントなどが挙げられる。
また、セメント硬化体粉末として、コンクリート構造物を解体する際に発生するコンクリート廃材を粉砕したものや、コンクリート廃材中に含まれる微粉末を用いてもよい。

セメント粉末のブレーン値は４０００ｃｍ^２／ｇ以上が好ましく、６０００ｃｍ^２／ｇ以上がより好ましく、８０００ｃｍ^２／ｇ以上が特に好ましい。また、１５０００ｃｍ^２／ｇ以下が好ましく、１２０００ｃｍ^２／ｇ以下がより好ましく、１００００ｃｍ^２／ｇ以下が特に好ましい。セメント粉末のブレーン値が４０００ｃｍ^２／ｇ以上であれば、懸濁グラウト薬液の浸透性が向上する。一方、セメント粉末のブレーン値が１５０００ｃｍ^２／ｇ以下であれば、凝集が起こりにくくなり、目詰まりが抑制される。

セメント粉末の含有量は、懸濁グラウト薬液の全量を４００Ｌとしたときに、２ｋｇ以上が好ましく、４ｋｇ以上がより好ましい。また、２０ｋｇ以下が好ましく、１０ｋｇ以下がより好ましい。セメント粉末の含有量が上記下限値以上であれば、高炉水砕スラグ粉末の硬化が十分に促進され、強度発現が早い薬液が得られやすくなる。一方、セメント粉末の含有量が上記上限値以下であれば、珪酸ナトリウムのゲルタイムへの影響が抑制されるため、リン酸３ナトリウムの使用量を減らしてもゲルタイムが長い懸濁グラウト薬液が得られやすくなる。

＜リン酸３ナトリウム＞
リン酸３ナトリウムは、無水の粉末、結晶水和物、水溶液いずれでもかまわない。高炉水砕スラグ、セメントを含有した粉体中に混入できるという観点から、無水の粉末が好ましい。
また、珪酸ナトリウム水溶液に添加することを考えると、結晶水和物、水溶液でもかまわない。

＜セメント粉末／リン酸３ナトリウム＞
本発明ではリン酸３ナトリウムに対するセメント粉末の比率をある特定の値とすることが、非常に効果的であることを見出したものであり、その比率は、セメント粉末／リン酸３ナトリウム（無水）＝６〜１２である。
この比率が６よりも小さい場合、遅延効果が大きすぎ、２８日では高炉水砕スラグ粉末の硬化が発現しない。また、この比率が１２よりも大きい場合、リン酸３ナトリウムの効果が極端に小さくなってしまう。

＜水＞
水としては、例えば上水、工業用水、地下水、河川水、海水などが挙げられる。これらの中でも、本発明の効果を十分に発揮させるためには、上水や工業用水が好ましい。
また、珪酸ナトリウムとして珪酸ナトリウム水溶液（水ガラス）を用いる場合、この水溶液中に含まれる水も、本発明の懸濁グラウト薬液中の水に含むものとする。

＜その他の成分＞
さらに、本発明の懸濁グラウト薬液は、本発明の効果を損なわない範囲内で、必要に応じて分散剤（減水剤）、消泡剤など、グラウト薬液に通常用いられる各種セメント混和剤を含有してもよい。
分散剤としては、リグニンスルホン酸塩またはその誘導体、ポリカルボン酸系高性能減水剤、オキシ有機酸塩、アルキルアリルスルホン酸塩、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオール複合体、高級多価アルコールスルホン酸塩、メラミンホルマリン縮合物スルホン酸塩、ナフタレンスルホン酸塩のホルマリン縮合物等を主成分とする各種の減水剤、分散剤、高性能減水剤、流動化剤、あるいは、通常洗剤等でも使用される界面活性剤、例えば、アルファオレフィンスルホン酸塩、アルキル硫酸エステル塩、アルキルエーテル硫酸エステル塩等のアニオン界面活性剤、ポリエチレングリコール型等の非イオン性界面活性剤、アミン塩型等のカチオン性界面活性剤などを挙げることができる。
中でも、浸透性を向上させる点で、リグニンスルホン酸塩が好ましく、特に、リグニンスルホン酸ナトリウムが好ましい。

なお、分散剤としてリグニンスルホン酸塩を用いる場合、懸濁グラウト薬液を調製する際に泡立つ場合がある。このような場合には、消泡剤を併用するのが好ましい。
消泡剤としては、例えば高級アルコール系、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が挙げられる。

＜懸濁グラウト薬液の製造方法＞
本発明の懸濁グラウト薬液は、例えば、高炉水砕スラグとセメント粉末とリン酸３ナトリウム、水を混合した分散液（Ａ液）と、珪酸ナトリウムと水を混合した珪酸ナトリウム水溶液（Ｂ液）とに分けて調合し、任意のタイミングで両液を混合することで得られる。
なお、リン酸３ナトリウムは珪酸ナトリウム水溶液側に添加してもかまわない。
また、本発明の懸濁グラウト薬液は、その他の製造方法や施工方法を用いて製造することも可能である。
例えば、１液型として地上にて、セメント粉末、リン酸３ナトリウムを分散させた後に、珪酸ナトリウム水溶液を添加して、その後、ポンプにより地盤中に注入しても良い。本発明の懸濁グラウトはゲルタイムが長いことから、作業性の面では本方法でも優れた効果を発揮する。

また、分散剤を用いる場合には、分散液（Ａ液）に分散剤を添加しておくのが好ましい。分散液（Ａ液）に分散剤を添加しておくことで、高炉水砕スラグやセメント硬化体粉末が水中で分散しやすくなり、珪酸ナトリウム水溶液（Ｂ液）と混合したときに凝集物が生じにくくなる。よって、得られる懸濁グラウト薬液の浸透性がより向上する。
さらに、消泡剤を併用する場合には、分散剤と同時または分散剤の添加の前に、分散液（Ａ液）に消泡剤を添加しておくのが好ましい。

本発明の懸濁グラウト薬液は、例えば地盤に注入されて使用される。
地盤への注入方法には特に制限はなく、従来行われている地盤改良工法の中から、地盤条件、施工の目的、作業性などの現場条件に応じて適宜選択して採用できる。ダブルパッカー工法、二重管複相注入工法への適用に特に有用である。

以下に本発明を実施例や比較例を用いて更に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
実施例、比較例で用いた材料、および各種測定・評価方法は以下の通りである。

［使用材料］
・珪酸ナトリウム水溶液：珪酸ナトリウムを水に溶解させた珪酸ナトリウム水溶液（ＳｉＯ_２／Ｎａ_２Ｏのモル比：３．２、ＳｉＯ_２の濃度：２５質量％）。
・高炉水砕スラグ粉末（１）：ブレーン値：８０００ｃｍ^２／ｇ
・高炉水砕スラグ粉末（２）：ブレーン値：１２０００ｃｍ^２／ｇ
・セメント粉末（１）：ブレーン値：８０００ｃｍ^２／ｇ
・セメント粉末（２）：ブレーン値：６０００ｃｍ^２／ｇ
・セメント粉末（３）：ブレーン値：１２０００ｃｍ^２／ｇ
・水：水道水。

［ゲルタイムの測定］
水に高炉水砕スラグ粉末と、セメント粉末を添加、混合して分散液を調製し、これをＡ液とした。
別途、珪酸ナトリウム水溶液に水を加えて希釈し、これをＢ液とした。
Ａ液（分散液）と、Ｂ液（珪酸ナトリウム水溶液）を同容量づつ混合後の液について、ＢＬ型粘度計（Ｎｏ．１ローター、６０ｒｐｍ）を用いて粘度を測定し、粘度が１００ｍＰａ・ｓを超えた時点をゲルタイムとした。
なお、懸濁液は、マグネチックスターラーを用いて、温度２０℃、回転数７００ｒｐｍの条件で攪拌を継続した。

［硬化体の着色および強度評価］
ゲルタイムを測定した試験体の入ったディスポカップの上部をポリ塩化ビニリデンフィルムで密閉し、２０℃で２８日間放置した後に、着色の状況を目視で確認した。なお、手でつぶして確認したところ、着色していないものは軽くつぶれるのに対し、着色をしているものは強く握ってもつぶれず、大幅に強度が高くなっていた。

［硬化体の強度測定］
円柱型枠（内径５ｃｍ×高さ１０ｃｍ）内に、懸濁グラウト薬液を入れた後、直ちに豊浦砂を振動締固しながら充填し、７日間２０℃で密閉養生した。その後、脱型し、ポリ塩化ビニリデンのフィルムで水が蒸発しないように包んだ状態（密閉養生）で、作製から２８日経過まで２０℃で養生し、得られた硬化体の一軸圧縮強度を測定した。

［実施例１］
全量が２００ｍＬになる量の水に、高炉水砕スラグ粉末（１）３９ｇと、セメント粉末（１）８ｇとリン酸３ナトリウム（無水）粉末０．８ｇを添加、混合して分散液を調製し、これをＡ液とした。
別途、珪酸ナトリウム水溶液２８．４ｍＬに、全量が２００ｍＬになるように水を加えて希釈し、これをＢ液とした。
得られたＡ液とＢ液とを、比率が１：１となるように混合し、懸濁グラウト薬液を得た。得られた懸濁グラウト薬液について、ゲルタイムの測定、並びに硬化体の着色および強度の評価を行った。これらの結果を表１に示す。
なお、表１〜３において「残部」とは、Ａ液およびＢ液の全量が、それぞれ２００ｍＬとなる量のことである。また、表１〜３において「Ｎａ」とは、ナトリウムを意味する。

［実施例２］
リン酸３ナトリウム（無水）粉末の量を１ｇに変更した以外は、実施例１と同様にしてＡ液およびＢ液を調製し、これらを用いて懸濁グラウト薬液を製造し、各種測定・評価を行った。結果を表１に示す。

［比較例１〜３］
リン酸３ナトリウム（無水）を表１の量に変更した以外は、実施例１と同様にしてＡ液およびＢ液を調製し、これらを用いて懸濁グラウト薬液を製造し、各種測定・評価を行った。結果を表１に示す。

表１より明らかなように、実施例１，２では、得られた懸濁グラウト薬液は、リン酸３ナトリウムの添加により、急激にゲルタイムが長くなることが分かった。但し、リン酸３ナトリウムを添加しすぎると、２８日では着色がなく強度を発現しないことが分かった。

このリン酸３ナトリウム添加量の範囲は、セメント粉末／リン酸３ナトリウム＝６〜１２の範囲内であり、ゲルタイムへの影響が少ないもの、強度の発現が小さいものは、その範囲外であった。

［実施例３］
セメント粉末（２）を１０ｇ使用し、リン酸３ナトリウム（無水）粉末の量を０．９ｇに変更した以外は、実施例１と同様にしてＡ液およびＢ液を調製し、これらを用いて懸濁グラウト薬液を製造し、ゲルタイムおよび一軸圧縮強度の測定を行った。結果を表２に示す。

［比較例４〜７］
リン酸３ナトリウム（無水）粉末の量を変更した以外は、実施例３と同様にしてＡ液およびＢ液を調製し、これらを用いて懸濁グラウト薬液を製造し、各種測定・評価を行った。結果を表２に示す。

［実施例４、５］
高炉水砕スラグ粉末（２）を７８ｇ、セメント粉末（３）を４ｇ使用し、リン酸３ナトリウム（無水）粉末の量を表３記載の量に変更した以外は、実施例１と同様にしてＡ液およびＢ液を調製し、これらを用いて懸濁グラウト薬液を製造し、ゲルタイムおよび一軸圧縮強度の測定を行った。結果を表３に示す。

［比較例８〜１０］
リン酸３ナトリウム（無水）粉末の量を変更した以外は、実施例４と同様にしてＡ液およびＢ液を調製し、これらを用いて懸濁グラウト薬液を製造し、各種測定・評価を行った。結果を表３に示す。

表２、表３より明らかなように、実施例３，４，５では、得られた懸濁グラウト薬液は、リン酸３ナトリウムの添加により、急激にゲルタイムが長くなることが分かった。但し、リン酸３ナトリウムを添加しすぎると、２８日では強度を発現しないことが分かった。
また、その強度は、実施例３でリン酸３ナトリウム無添加の比較例４に比べ強度が１．４倍強となった。同様に、実施例５では、リン酸３ナトリウム無添加の比較例８に比べ、強度が１．４倍強となった。

Claims

珪酸ナトリウム、高炉水砕スラグ粉末、セメント粉末、リン酸３ナトリウムおよび水を含有し、前記リン酸３ナトリウムに対する前記セメント粉末の質量比（セメント粉末／リン酸３ナトリウム）が、６〜１２である懸濁グラウト薬液。