JP5820651B2

JP5820651B2 - 繊維入りセメントスラリー

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Publication number: JP5820651B2
Application number: JP2011164512A
Authority: JP
Inventors: 貴穂河野; 正朗小島; 智憲吉田; 澄夫津川
Original assignee: Takenaka Corp
Current assignee: Takenaka Corp
Priority date: 2011-07-27
Filing date: 2011-07-27
Publication date: 2015-11-24
Anticipated expiration: 2031-07-27
Also published as: JP2013028474A

Description

本発明は、繊維が混入された繊維入りセメントスラリーに関する。

深層混合処理工法は、建築物の基礎構造物、液状化防止用の構造体及び掘削時の山留壁等の構築に広く利用されている。通常の深層混合処理工法による地盤改良体の構築においては、セメントと水を攪拌してセメントミルク（セメントスラリー）を作成し、所定量のセメントミルクをスラリーポンプで圧送し、地盤中の土砂と攪拌、混合することによって構築している。ここに、セメントミルクにおけるセメント（Ｃ）と水（Ｗ）の配合割合を示す水セメント比（Ｗ／Ｃ）は、通常は８０％〜１００％程度とされている。

即ち、セメントミルクは、水とほぼ同等の粘性及び流動性を有しているため、スラリーポンプで圧送する際に、セメントミルクにより配管内部が閉塞されたり、吐出時にセメントミルクの品質が変化したりすることはない。しかし、地盤改良体を繊維で補強した繊維補強地盤改良体を構築する場合においては、均質な性能を確保するために、予め、セメントミルクに繊維を均質に混合させておく必要がある。

このとき、単にセメントミルクに繊維を混入させたのみでは、圧送時に繊維とセメントミルクが分離してしまい、圧送途中の配管内に繊維の塊が残り、配管を閉塞させる原因となる。更に、繊維とセメントミルクが分離した場合、吐出されたセメントミルクには必要量の繊維が混入されていないため、繊維入り地盤改良体の品質に悪影響を及ぼす。このため、スラリーポンプで圧送しても配管内を閉塞させず、圧送前と圧送後で品質に変化のない繊維入りセメントミルクの調合方法の確立が求められている。

そこで、繊維をセメントミルクに均質に分散させる方法が提案されている（特許文献１）。
即ち、特許文献１の方法は、先ず、水セメント比（Ｗ／Ｃ）を下限値（６０〜８０％）とした粘度の高いセメントミルクを作成する。この状態のセメントミルクに増粘剤、分散剤及び繊維を加え、繊維を均質に分散させる。次いで、セメントミルクを、スラリーポンプを用いて施工機に圧送する。そして、別系統の配管で施工機に圧送された加圧水を加水し、適切な水セメント比（Ｗ／Ｃ）のセメントミルクとする。これにより、繊維補強地盤改良体を構築できる。
しかし、特許文献１の方法は処理手順が複雑であり、増粘剤や分散剤などの添加量を多く必要とし、不経済である。

特開２００３−２３２０３２号公報

本発明は、上記事実に鑑み、複雑な処理手順を必要とせず、繊維をセメントスラリーに均質に分散させた繊維入りセメントスラリーを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、セメント、水及び添加剤を混合したセメントスラリーに繊維を混合した、繊維入りセメントスラリーであって、前記繊維を混合する前の、前記セメントスラリーの回転粘度計による粘度が０．１Ｐａ・ｓ〜３．８Ｐａ・ｓであり、前記セメントスラリーに前記繊維を混合した、繊維が入ったスラリーのＬフロー初速度が１３ｃｍ／ｓ〜１２０ｃｍ／ｓであり、前記セメント（Ｃ）と前記水（Ｗ）の混合比である水セメント比（Ｗ／Ｃ）が５０％〜１５０％であり、前記繊維は、ポリプロピレン、ビニロン又はナイロンの少なくとも１つであり、前記セメントスラリーへの前記繊維の混入率は、体積比で０．７％〜４．４％であることを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、繊維を入れる前のセメントスラリーの回転粘度計による粘度が０．１Ｐａ・ｓ〜３．８Ｐａ・ｓの範囲であり、かつ、繊維を混合した、繊維が入ったスラリーのＬフロー初速度が１３ｃｍ／ｓ〜１２０ｃｍ／ｓの範囲とされている。これにより、セメントスラリーの流動性が、繊維を含む場合、及び繊維を含まない場合の両方において、所定の範囲に維持される。
ここに、セメント（Ｃ）と水（Ｗ）の混合比である水セメント比（Ｗ／Ｃ）が５０％〜１５０％とされ、繊維は、ポリプロピレン、ビニロン又はナイロンの少なくとも１つであり、セメントスラリーへの繊維の混入率は、体積比で０．７％〜４．４％とされている。

この結果、複雑な処理手順を必要とせず、繊維をセメントスラリーに均質に分散させた繊維入りセメントスラリーを提供することができる。繊維をセメントスラリーに均質に分散させることにより、配管が繊維で閉塞される可能性を低減できる。また、繊維入りセメントスラリーを、途中で分離させることなく圧送することができるため、品質の均一な繊維混入地盤改良体を構築することができる。
即ち、有機系の繊維（ポリプロピレン、ビニロン又はナイロン）を適正量（体積比で０．７％〜４．４％）混合させることで、地盤改良体の靭性を向上させる繊維入りセメントスラリーを提供することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の繊維入りセメントスラリーにおいて、前記添加剤は、セルロース系増粘剤又はミセル形成型増粘剤であり、前記セメントスラリーへの前記添加剤の混入率は、重量比で０．３％〜２．０％であることを特徴としている。

即ち、適切な添加剤（セルロース系増粘剤又はミセル形成型増粘剤）を適正量（重量比で０．３％〜２．０％）添加することで、複雑な処理手順を必要とせず、繊維をセメントスラリーに均質に分散させる繊維入りセメントスラリーを提供することができる。
更に、適切な配合でセメント、水、繊維及び添加剤が調合されているため、スラリーポンプによる圧送のために、従来、余分に混入させていた増粘剤や分散剤などの添加量を削減することができる。

本発明は、上記構成としてあるので、複雑な処理手順を必要とせず、繊維をセメントスラリーに均質に分散させた繊維入りセメントスラリーを提供することができる。

本発明の実施の形態に係る繊維入りセメントスラリーの調合方法を示す概念図である。本発明の実施の形態に係る繊維入りセメントスラリーの試験用の調合割合表を示す図である。本発明の実施の形態に係る繊維入りセメントスラリーの物理性状を示す図である。本発明の実施の形態に係る繊維入りセメントスラリーのスラリー粘度とブリージング試験における脱水量との関係を示す図である。本発明の実施の形態に係る繊維入りセメントスラリーのＬフロー初速度Ｖ１と配管内の圧力との関係を示す図である。

図１に示すように、本実施の形態に係る繊維入りセメントスラリー４０は、セメント４２、水４４及び添加剤４６を混合したセメントスラリー４８に、繊維５０を混合して形成される。ここに、セメントスラリー４８は、後述する回転粘度計による粘度が０．１Ｐａ・ｓ〜３．８Ｐａ・ｓの範囲とされている。また、繊維入りセメントスラリー４０は、Ｌフロー初速度が１３ｃｍ／ｓ〜１２０ｃｍ／ｓの範囲とされている。

本実施の形態に係る繊維入りセメントスラリー４０は、セメント（Ｃ）と水（Ｗ）の混合比である水セメント比（Ｗ／Ｃ）が５０％〜１５０％の範囲内とされている。また、混入する繊維５０としては、ポリプロピレン、ビニロン又はナイロンの少なくともいずれか１つとされている。このとき、セメントスラリー４８への繊維５０の混入率は、体積比で０．７％〜４．４％の範囲とされている。

更に、本実施の形態に係る繊維入りセメントスラリー４０において、添加剤４６としては、セルロース系増粘剤又はミセル形成型増粘剤が用いられている。このとき、セメントスラリー４８への添加剤４６の混入率は、重量比で０．３％〜２．０％の範囲とされている。

本実施の形態に係る繊維入りセメントスラリー４０を上記範囲で作成することにより、繊維入りセメントスラリー４０の流動性が所定の範囲内に維持される。この結果、繊維混入セメントスラリー４０の圧送時に、圧送配管内が繊維５０で閉塞されることなく、かつ、セメントスラリー４８と繊維５０への分離を発生させない、安定した品質の繊維入りセメントミルク４０を提供できる。

更に、水セメント比（Ｗ／Ｃ）が５０％〜１５０％とされており、広い範囲で適用可能である。また、混入される繊維５０は、有機系の繊維（ポリプロピレン、ビニロン又はナイロン）とされ、適正量（体積比で０．７％〜４．４％）混合させることで、安価に地盤改良体の補強ができる。

以上説明したように、本実施の形態に基づいて繊維入りセメントスラリー４０を作成することにより、繊維５０がセメントスラリー４８に均質に分散される。この結果、図示しないスラリーポンプによる圧送時に、繊維５０で配管が閉塞される可能性を低減できる。また、繊維入りセメントスラリー４０が、途中で分離することなく圧送されるため、品質の均一な繊維混入地盤改良体を構築することができる。
更に、適切な配合でセメント４２、水４４、添加剤４６及び繊維５０が調合されているため、スラリーポンプによる圧送のために、従来、余分に混入させていた増粘剤や分散剤などの添加量を削減させることができる。

次に、繊維混入セメントスラリー４０の圧送可否判断について説明する。
図２は、圧送可否判断に用いた繊維混入セメントスラリー４０の調合割合を示している。パラメータとして、水４４とセメント４２の混合割合いを示す水セメント比（％）、セメント４２の量を示すセメント量（ｋｇ／ｍ^３）、添加剤（増粘剤）４６の添加量を示す増粘剤添加量（ｋｇ／ｍ^３）、添加剤（増粘剤）４６の添加割合を示す増粘剤添加割合（％）、繊維５０のセメントスラリー４８への混入割合を示す繊維のセメントスラリー体積比率（％）を選定した。

圧送可否の判断は、図２のケース番号に示す条件（３３条件）毎に、後述するスラリー粘度及びＬフロー初速度Ｖ１を試験で求め、物理性状に基づいて判断した。
ここに、セメント量は、１５０ｋｇ／ｍ^３〜４００ｋｇ／ｍ^３の範囲で試験した。これは、建物の基礎地盤として用いる地盤改良体の場合、設計基準強度（Ｆｃ）は、Ｆｃ＝１．０Ｎ／ｍｍ^２以上とされる場合が多い。また、地盤改良体として必要なセメント量は土質によって異なり、砂質土では８０〜３００ｋｇ／ｍ^３程度、粘性土では１００〜３００ｋｇ／ｍ^３程度である。このため、広い範囲で確認すべく上記範囲とした。

水セメント比は、一般的には８０〜１５０％の範囲で使用されている。しかし、地盤改良体をより高強度化し、性能を高めたいというニーズに対応させて、Ｆｃ＝５．０Ｎ／ｍｍ^２以上となる場合もある。この場合には、セメント添加量は粘性土で３００ｋｇ／ｍ^３程度、水セメント比は５０％程度となる。このことから、水セメント比を５０％〜１５０％の範囲で試験した。なお、セメント４２には、普通ポルトランドセメント、高炉セメントＢ種、高炉セメントＣ種、高炉スラグ高含有セメント（ＥＣＭセメント（例えば特開２０１０-２８５３０１号公報、特願２０１０-２８５３０２号公報））が含まれる。

また、添加剤（増粘剤）４６には、セルロース系増粘剤（例えば、商品名アクアセッター（（株）竹本油脂）など）、ミセル形成型増粘剤（例えば、商品名ビスコトップ（花王(株)）など）が望ましい。添加剤４６の混入率は、セメント重量比０．１％〜２．２％の範囲で試験した。

混入する繊維５０は、ポリプロピレン、ビニロン、及びナイロンが望ましい。また、繊維量は、繊維未混入の通常の地盤改良体が、一軸圧縮強度に対する曲げ強度の比が０．１〜０．２程度であるのに対して、一軸圧縮強度に対する曲げ強度の比が０．３以上となるように曲げ強度を高め、かつ、ピーク応力に至った後に変形が増大しても耐力保持するために必要な量として、一般的に、地盤改良体の体積比にして０．４％〜２．０％が提案されている。地盤改良体に混入する繊維５０の量が多いほど、曲げ性能を発揮しやすく、土質や攪拌工法の違いにより必要な量が変動する。これらから、地盤改良体の体積比にして０．７％〜７．２％の範囲で試験した。

次に、セメントスラリーの物理性状について説明する。
それぞれの調合状態として、スラリー粘度及びＬフロー初速度Ｖ１を試験で求めた。
ここに、スラリー粘度は、ＪＩＳＺ８８０３に規定する「液体の粘度測定方法（回転粘度計による粘度測定）」に基づいて試験した。試験結果は、図２のスラリー粘度の欄に示すように０．０５Ｐａ・ｓ〜４．３Ｐａ・ｓの範囲であった。なお、スラリー粘度は、繊維５０が混入されていない状態で求めた値である。

また、Ｌフロー初速度Ｖ１は、コンクリート標準示方書（ＪＳＣＥ−Ｆ５１４−１９９９）に規定する「高流動コンクリートのＬ形フロー試験方法」に基づいて試験した。試験結果は、図２のＬフロー初速度Ｖ１の欄に示すように１．０ｃｍ／ｓ〜１９３．０ｃｍ／ｓの範囲であった。なお、Ｌフロー初速度Ｖ１は、繊維５０が混入されている状態で求めた値である。

次に、圧送可否の判断結果について図３を用いて説明する。
図３は、物理性状の試験結果をプロットしたものである。横軸はスラリー粘度（Ｐａ・ｓ）であり、縦軸は、Ｌフロー初速度Ｖ１（ｃｍ／ｓ）である。
図３における○印及び×印のプロットは、図２の圧送可否の欄の判断結果を転記したものである。ここに、○印のプロットは、繊維５０の圧送が可能な調合を示している。一方、×印のプロットは、繊維５０の圧送が不可能な調合をプロットしている。
なお、×印のプロットの隣りには、試験調合条件のケース番号を付した。これにより、繊維５０の圧送が不可能な調合条件を容易に把握できる。

図３における縦軸に平行な実線８０は、繊維５０の圧送が可能なスラリー粘度の下限値を示している。即ち、スラリー粘度が０．１Ｐａ・ｓ以上でないと、繊維５０の圧送ができない。一方、縦軸に平行な実線８２は、圧送が可能なスラリー粘度の上限値を示している。即ち、スラリー粘度が３．８Ｐａ・ｓ以下でないと、繊維５０の圧送ができない。

また、図３における横軸に平行な実線８４は、繊維５０の圧送が可能なＬフロー初速度Ｖ１の下限値を示している。即ち、Ｌフロー初速度Ｖ１が１３ｃｍ／ｓ以上でないと、繊維５０の圧送ができない。一方、横軸に平行な実線８６は、圧送が可能なＬフロー初速度Ｖ１の上限値を示している。即ち、Ｌフロー初速度Ｖ１が１２０ｃｍ／ｓ以下でないと、繊維５０の圧送ができない。

以上説明したように、４本の実線８０、８２、８４、８６で囲まれた範囲（網掛け部Ｓ）が、繊維５０の圧送が可能な物理性状の範囲である。即ち、網掛け部Ｓは、セメントスラリー４８の回転粘度計による粘度が０．１〜３．８Ｐａ・ｓの範囲であり、かつ、繊維入りセメントスラリー４０のＬフロー初速度Ｖ１が１３〜１２０ｃｍ／ｓの範囲である。
一方、この４本の実線８０、８２、８４、８６で囲まれた物理性状の外側では、繊維５０の圧送ができない。

ここに、スラリー粘度の下限値８０は、ケース番号１９、２９の実測結果、及び、後述する繊維５０とセメントスラリー４８の分離に関する確認実験から求めた。また、Ｌフロー初速度Ｖ１の下限値８４は、ケース番号２４の実測結果、及び、繊維５０の圧送時の配管内圧力に関する確認実験から求めた値である。
一方、スラリー粘度の上限値８２は、ケース番号２４の実測結果から求めた値であり、Ｌフロー初速度Ｖ１の上限値８６は、ケース番号２５の実測結果から求めた値である。

次に、圧送可否の下限値の判断根拠について説明する。
図４は、スラリー粘度（Ｐａ・ｓ）と加圧ブリージング試験における脱水量（ｍｌ）の関係を示している。図４おける横軸はスラリー粘度（Ｐａ・ｓ）であり、縦軸は加圧ブリージング試験における脱水量（ｍｌ）である。実測結果が黒角印でプロットされている。
ここに、加圧ブリージング試験は、繊維入りセメントスラリー４０に一定の圧力をかけ、強制的に分離させる試験である。なお、加圧ブリージング試験は、コンクリート標準示方書（ＪＳＣＥ−Ｆ５０２−１９９９）に規定する試験方法に基づいて行った。

図４の特性５２に示すように、スラリー粘度（Ｐａ・ｓ）と加圧ブリージング試験における脱水量（ｍｌ）の間には相関関係が見られる。
ここに、実験により、配管内で繊維５０が繊維入りセメントスラリー４０から分離する配合は、加圧ブリージング試験における脱水量が２５０ｍｌを超過している範囲（矢印Ｑの方向）であることが判明した（横軸に平行な実線５６の上側）。
即ち、実測結果を結ぶ特性５２から、加圧ブリージング試験における脱水量が２５０ｍｌの時のスラリー粘度は０．１Ｐａ・ｓである。この結果から、スラリー粘度の下限値は０．１Ｐａ・ｓとした（縦軸に平行な実線５４）。

図５は、Ｌフロー初速度Ｖ１と圧送中の配管内の圧力との関係を示している。図５において、横軸はＬフロー初速度Ｖ１（ｃｍ／ｓ）であり、縦軸は配管内の圧力（ＭＰａ）である。
図５において、実線で示す特性６０は、黒角印でプロットした実測結果から求めた特性である。実験は、図示しない地盤改良施工機に接続した状態（リーダー高さが１０ｍ）で圧力特性を求めた。
一方、破線で示す特性５８は、白角印でプロットした実測結果から求めた特性である。実験は、地盤改良施工機には接続せず、水平配管の状態で圧力特性を求めた。

図５に示すように、Ｌフロー初速度Ｖ１（ｃｍ／ｓ）と配管内圧力（ＭＰａ）には線形の関係があり、地盤改良施工機に接続した状態の方が、リーダー高さが加わる分だけ圧力が高くなっている。図示しない地盤改良施工機は、通常リーダー部分が地表面から１０ｍ〜４０ｍ程度立ち上がっており、高さが高くなればそれに応じた圧力差が生じる。このため、試験結果から圧力上昇を類推することができる。

また、通常の地盤改良施工に用いている配管は、耐圧の上限値が２．０ＭＰａ程度のものが多い。このため、耐圧の上限値を２．０ＭＰａとした（横軸に平行な実線６４で示す値）。耐圧の上限値を示す実線６４と、実線で示す特性６０の耐圧値の関係から、Ｌフロー初速度Ｖ１の下限値は１３ｃｍ／ｓとなる。
以上から、Ｌフロー初速度Ｖ１は１３ｃｍ／ｓを下限値とした。

上述したように、本実施形態の繊維入りセメントスラリー４０を用いることにより、配管が繊維５０により閉塞される危険性が抑制され、安全に繊維混入地盤改良体を施工できる。また、繊維５０が均一に分散した繊維入りセメントスラリー４０が形成されるため、繊維５０を分離させることなく圧送することができ、品質の均一な地盤改良体を構築することができる。

４０繊維入りセメントスラリー
４２セメント
４４水
４６添加剤
４８セメントスラリー
５０繊維

Claims

セメント、水及び添加剤を混合したセメントスラリーに繊維を混合した、繊維入りセメントスラリーであって、
前記繊維を混合する前の、前記セメントスラリーの回転粘度計による粘度が０．１Ｐａ・ｓ〜３．８Ｐａ・ｓであり、
前記セメントスラリーに前記繊維を混合した、繊維が入ったスラリーのＬフロー初速度が１３ｃｍ／ｓ〜１２０ｃｍ／ｓであり、
前記セメント（Ｃ）と前記水（Ｗ）の混合比である水セメント比（Ｗ／Ｃ）が５０％〜１５０％であり、
前記繊維は、ポリプロピレン、ビニロン又はナイロンの少なくとも１つであり、
前記セメントスラリーへの前記繊維の混入率は、体積比で０．７％〜４．４％である、
繊維入りセメントスラリー。
前記添加剤は、セルロース系増粘剤又はミセル形成型増粘剤であり、前記セメントスラリーへの前記添加剤の混入率は、重量比で０．３％〜２．０％である請求項１に記載の繊維入りセメントスラリー。