JP6032830B2

JP6032830B2 - セメント系注入材

Info

Publication number: JP6032830B2
Application number: JP2011288178A
Authority: JP
Inventors: 了三吉田; 英典礒田; 則雄高橋
Original assignee: Taiheiyo Materials Corp
Current assignee: Taiheiyo Materials Corp
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2016-11-30
Anticipated expiration: 2031-12-28
Also published as: JP2013136669A

Description

本発明は、地盤や岩盤等を不透水・強固なものに改質したり、建設物の基礎強化等に用いるセメント系注入材に関する。

地盤や岩盤等を不透水なものや強固なものに改質するため、セメント等の水硬性物質を主成分とする注入材が使用されている。特に、粒子間隙の微小な地盤や微小亀裂が入った岩盤のような浸透性の低い地盤等の強化用には、当該間隙を通過できる大きさに水硬性物質を微細化した超微粒子系注入材が用いられる。超微粒子系注入材としては、スラグ等の潜在水硬性物質が使用されるケースも多く、具体的には水硬性物質に粒径を規定したセメント微粉とスラグ微粉を用いた注入材（例えば、特許文献１〜２参照。）等が知られている。一方、昨今ではセメント製造原料の一部に産業廃棄物が使用されることが増えている。このような原料から製造されたセメントには一般に微量の重金属が含まれる。この重金属の中にはクロムが含まれる。硬化後のセメント組成物も水と接するとクロムが有害な６価クロム（Ｃｒ⁶⁺）となって溶出する虞があるが、通常の使用では溶出する６価クロムの量は極微量である。しかしながら、超微粒子系注入材に使用されるようなセメントは、微細化したセメントであり、比表面積が大きいため、６価クロムが溶出し易く、溶出量も増加し易い。このため、微粒セメント系注入材において、スラグとカルシウムアルミネートを特定量加えることで、注入材を数分程度の短時間でゲル化させれば、６価クロムの溶出量を抑制できることが知られている。（例えば、特許文献３参照。）

しかるに、特許文献３に開示されたような微粒セメントにスラグとカルシウムアルミネートを特定量加えた注入材では、数分程度でゲル化は完了するものの、生成された６価クロムの固定化が十分可能となる初期強度まで到達するにはなお時間がかかる為、その間に６価クロム溶出は進み易く、初期からの実効性のある６価クロム溶出防止には、例えば注入材そのものの性状に影響を及ぼす虞がある還元剤との併用が不可欠であった。

特開平９−２５５３７８号公報特開２００４−２３１８８４号公報特開２００２−４７４８９号公報

本発明は、浸透性の低い地盤等に対しても容易に注入できる微粒セメント系の注入材であって、注入性や注入後の硬化性に支障を及ぼすことなく、６価クロム（Ｃｒ⁶⁺）の溶出を十分抑制することのできるセメント系注入材を提供する。

本発明者等は、前記課題解決のため鋭意検討を重ねた結果、微粒セメント系の注入材を特定の配合組成とすることで、注入性や注入後の硬化性に実質影響を及ぼさずに接水によるゲル化直後の初期強度を飛躍的に高めることができ、その結果、６価クロム（Ｃｒ⁶⁺）の溶出を著しく低減できたことから本発明を完成するに至った。

即ち、本発明は、次の（１）〜（３）で表される低浸透性地盤注入用セメント系地盤用注入材である。（１）セメント微粉１００質量部、高炉水砕スラグ微粉１００質量部未満（０質量部を含む。）、カルシウムアルミネート１０〜３００質量部、アルカリ金属硫酸塩０．１〜１０質量部、アルミン酸ナトリウム０．１〜１０質量部及び石膏類１０〜３００質量部を含み、ＪＩＳＡ１２１６に準じた方法による材齢６時間の圧縮強度が１．９Ｎ／ｍｍ ² 以上である低浸透性地盤注入用セメント系注入材。（２）セメント微粉、アルカリ金属硫酸塩及び高炉水砕スラグ微粉を含有する水性スラリーＡ並びにカルシウムアルミネート、アルミン酸ナトリウム及び石膏類を含有する水性スラリーＢからなる前記（１）の低浸透性地盤注入用セメント系注入材。（３）セメント微粉と高炉水砕スラグが何れも粒径１２．５μｍ以下であって、石膏類が粒径２１μｍ以下である前記（１）又は（２）の低浸透性地盤注入用セメント系注入材。

本発明によれば、低浸透性地盤等への注入使用に適したセメント系注入材としての基本性能は何等損なうことなく、６価クロム溶出量が著しく低減されたセメント系注入材が得られる。

本発明のセメント系注入材に含有使用するセメントの種類は、水硬性のセメントであれば特に限定されない。具体的には、例えば、普通、早強、超早強、中庸熱、低熱等の各種ポルトランドセメント、エコセメント、シリカセメントやフライアッシュセメント等の混合セメントを挙げることができる。また、使用するセメント微粉の粒度は、ブレーン比表面積で５０００ｃｍ²／ｇ以上とする。好ましくは６０００ｃｍ²／ｇ以上、最も好ましくは７０００ｃｍ²／ｇ以上とする。粒度の上限は特に制限されないが、粉砕コストが高騰するため２００００ｃｍ²／ｇ程度とする。セメントの粒度がブレーン比表面積で５０００ｃｍ²／ｇ未満の場合、粒径も過大となる傾向があって微小間隙を対象とした地盤注入には適さないことがある為適当ではない。本発明のセメント系注入材においてセメントは、強固な地盤を形成させる為の地盤粒子間の主たる結合相を形成する。

本発明のセメント系注入材に含有されるスラグ粉末は、例えば高炉スラグ、製鋼スラグ、転炉スラグ、脱珪スラグ等の金属資材製造過程で発生するような鉱滓が推奨される。下水汚泥や都市ゴミ、ペーパースラッジ等の廃棄物を発生起源とする溶融スラグなどは重金属類が濃縮含有されている虞があるので使用を避けるのが望ましい。好ましくは、初期強度発現性が高くなることから高ガラス化率のスラグが良く、例えば高炉水砕スラグなどが適当である。スラグの粒度は微小化されたものほど地盤の微細な粒子間を通り易く、また反応活性も高くなる、従って、好ましくはブレーン比表面積で５０００ｃｍ²／ｇ以上とする。上限は特に制限されないが、粉砕コストが高騰するため１５０００ｃｍ²／ｇ程度とする。本注入材のスラグ含有量は、含有するセメント１００質量部に対し、１００質量部未満とする。無含有であっても良い。好ましくは５０〜９９質量部とする。また１００質量部以上では初期の固結力が低下し、カルシウムアルミネートを用いても凝結終結直後付近での初期強度が高くなり難く、この間の６価クロム（Ｃｒ⁶⁺）の溶出を十分防ぐことができないので好ましくない。

また本発明のセメント系注入材に含まれる石膏類は、無水石膏、半水石膏、二水石膏等の石膏を挙げることができる。また、天然石膏でも化学石膏と称されているものの何れでも良い。好ましくは、比較的高い強度発現作用を有することから、無水石膏を使用する。石膏は、中長期にわたって強固な地盤を安定して維持するのに貢献する。またカルシウムアルミネートと併用されることで水和鉱物エトリンガイトの生成が促進されるため初期強度発現性が向上する。使用する石膏の粒度は、微少間隙への浸透性を考慮し、ブレーン比表面積で好ましくは４０００ｃｍ²／ｇ以上、より好ましくは６０００ｃｍ²／ｇ以上とする。上限は特に制限されないが、粉砕コストが高騰するため２００００ｃｍ²／ｇ程度とする。また、石膏の含有量（ポルトランドセメント中に予め含まれている分を除く。）は、含有するセメント１００質量部に対し、１０〜３００質量部とする。好ましくは１０〜１００質量部とする。１０質量部未満では初期強度発現性が小さくなり、所望の６価クロム溶出抑制効果が得られない虞があるので好ましくない。３００質量部を超えるとゲル化時間が遅延したり、過膨張を起こす虞があるので好ましくない。

本発明のセメント系注入材に含有されるカルシウムアルミネートは、主要化学成分としてＣａＯとＡｌ₂Ｏ₃を含む水和活性物質であれば何れのものでも良く、化合物、固溶体又はガラス質等として、さらには左記何れかのものの混合物が例示でき、アルミナセメントでも良い。より具体的には、例えば１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃、ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃、３ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃、ＣａＯ・２Ａｌ₂Ｏ₃、ＣａＯ・６Ａｌ₂Ｏ₃等が挙げられる。またＣａＯとＡｌ₂Ｏ₃に加えて他の化学成分が加わったものでも良く、他の化学成分も単体で、或いはＣａＯやＡｌ₂Ｏ₃の何れか又は両者と反応した生成物であっても良い。具体的には、例えば４ＣａＯ・３Ａｌ₂Ｏ₃・ＳＯ₃、１１ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃・ＣａＦ₂、Ｎａ₂Ｏ・８ＣａＯ・３Ａｌ₂Ｏ₃等が挙げられる。また、例示以外のＣａＯとＡｌ₂Ｏ₃の含有モル比となるカルシウムアルミネートでも良く、ＣａＯとＡｌ₂Ｏ₃の含有モル比の値は特に制限されるものではない。カルシウムアルミネートの含有量は、含有セメント量１００質量部に対し、１０〜３００質量部含有する。１０質量部未満では速硬性が低下する虞があるため好ましくなく、３００質量部を超えると中長期の強度発現性が阻害される虞があるので好ましくない。カルシウムアルミネートの粒度は、微少間隙への浸透性を考慮し、ゲル化時間短縮と早期強度発現性を円滑に得る上で、ブレーン比表面積で４０００〜１００００ｃｍ²／ｇのものを使用するのが好ましい。

本発明のセメント系注入材は、さらにアルカリ金属硫酸塩を含有することが好ましい。アルカリ金属としては、リチウム、ナトリウム、カリウムの何れか１種又は２種以上の何れのものでも良い。アルカリ金属硫酸塩は、常温付近では水に溶解し、水性スラリー中で大量に含まれる微小なセメント粒子やスラグ粒子の擬凝結を抑制し、またこれら微粒子の分散性を高めて注入浸透性向上に寄与する他、初期強度を高める作用を有する。アルカリ金属硫酸塩の含有量は、セメント含有量１００質量部に対し、０．１〜１０質量部が好ましい。０．１重量％未満では含有効果が殆ど得られず、ゲル化が早まらない虞があるので適当でない。また、１０重量部を超えると、硬化促進作用が過大となり、練り置き時間の低下や注入浸透性の低下を引き起こすことがあるので適当でない。前述の通りアルカリ金属硫酸塩は易水溶性である為、配合時の粒度は何等制限されない。

本発明のセメント系注入材は、上記以外の成分も本発明の効果を実質喪失させない限り含有使用することができる。このような成分として、例えば、何れもモルタルやコンクリートに使用できる分散剤類、凝結促進剤、凝結遅延剤、増粘剤などを挙げることができるが、これらの例示に限定されない。好ましくは、分散剤及び／又は凝結促進剤を含有使用する。分散剤類は、減水剤、高性能減水剤、高性能ＡＥ減水剤、ＡＥ減水剤又は流動化剤等と称されているものでも良い。分散剤の使用で、セメント微粒子やスラグ微粒子の凝集を抑制でき、微細な地盤間隙でも凝集塊形成による目詰まりが発生しない。分散剤類はセメント含有量１００質量部に対し、０．１〜１０質量部とする。０．１質量部未満では配合効果が得られないことがあり、１０質量部を超えると、凝結遅延や硬化不良を起こす虞がある。また、凝結促進剤としては、例えば、アルカリ金属の炭酸塩、硝酸塩、アルミン酸塩等が挙げられる。凝結促進剤の含有量は含有するセメント１００質量部に対し、０．１〜１０質量部とする。０．１質量部未満では配合効果が得られず、ゲル化が早まらない虞があり、また１０質量部を超えても凝結促進作用は殆ど向上しないので適当ではない。より好ましくは、さらに凝結遅延剤を含有する。凝結遅延剤を加えることによって、注入材としての可使時間を確保することができる。また、後述する水性スラリーの練り置き時間もより長くすることができる。凝結遅延剤の有効成分種は、特に限定されない。一例を示すとオキシカルボン酸又はその塩を挙げることができる。、凝結遅延剤の含有量は含有セメント１００質量部に対し、概ね０．１〜１０質量部とする。０．１質量部未満だと配合効果が実質得られず、また１０質量部を超える注入材では地盤中に固まらずに流冒することがあるので適当ではない。

また、本発明のセメント系注入材は、好ましくは、粒径１０．５μｍ以下の粒子が９０体積％以上（１００体積％を含む）、かつ粒径２．２μｍ以下の粒子が４５体積％以下（０体積％を含む）の注入材とする。このような粒度構成の注入材とすることで、例えばシルト、粘土等の間隙が微細な粒子構造の、浸透係数が特に低いと云われる地盤に対しても、良好な浸透性を示すことができる。粒径１０．５μｍ以上の粒子が１０体積％を超える注入材は粗大粒により地盤中の注入経路が閉塞され、注入に支障をきたす虞がある。また、２．２μｍ以下の粒子が４５体積％を超えて存在すると、微粒子凝集体が形成され易く、比較的浸透係数の低い地盤への注入浸透性が低下する虞れがある。

また、本発明のセメント系注入材は、上記の含有成分と水が全て一括で含まれた状態の水性スラリーである所謂一剤型注入材であっても、特定の成分群からなる二種類の水性スラリーから構成される所謂二剤型注入材の何れであっても良い。好ましくは練り置き時間を確保しやすいことから二剤型注入材とする。二剤型注入材の場合、一方の水性スラリー（水性スラリーＡ）にはセメント微粉及びスラグ微粉を含有し、もう一方の水性スラリー（水性スラリーＢ）にはカルシウムミネート及び石膏類を含有する。個々の成分の含有量は一材型にしたときと同様とする。各水性スラリーの水の配合量は、それぞれ含有する全固形分（粉体分）質量１００質量部に対し、概ね５０〜１０００質量部とする。また、二剤型注入材でアルカリ金属硫酸塩を含有する場合は水性スラリーＡに、分散剤を含有する場合も水性スラリーＡに、また凝結促進剤や遅延剤を含有する場合は水性スラリーＢに、それぞれ所定量を配合する。これら以外の任意配合成分については、その目的、作用効能等に応じて適宜配合先を決定すれば良い。二剤型注入材は、例えば公知の１．５ショット又は２ショット用の注入設備を用い、注入直前又は注入時に両スラリーを十分混合する。

常温環境下で次のＣ〜Ｇから選定される材料と水を使用し、表１で表される配合となるようグラウトミキサで混合し、表１で表される配合となるよう同様に水性スラリーＢを作製した。尚、使用材料の粒度調整はボールミルと分級機を用いて行った。尚、以下に記した注入材「本発明品６」及び「本発明品１２」は、本願の特許請求の範囲に包含されない参考品である。

Ｃ；普通ポルトランドセメント微粉（ブレーン比表面積９５００ｃｍ²／ｇ、最大粒径１２．５μｍ、太平洋セメント社製）
Ｄ；高炉水砕スラグ微粉（ブレーン比表面積９５００ｃｍ²／ｇ、最大粒径１２．５μｍ、市販品）
Ｅ１；硫酸ナトリウム（市販試薬）
Ｅ２；硫酸リチウム（市販試薬）
Ｆ；硫酸第一鉄（市販試薬）
Ｇ；分散剤（商品名「太平洋コアフロー５５」、太平洋マテリアル社製）
Ｈ；ＩＩ型無水石膏（ブレーン比表面積７０００ｃｍ²／ｇ、最大粒径２１μｍ、市販品）
Ｉ；カルシウムアルミネート（構成化学成分ＣａＯ／Ａｌ₂Ｏ₃のモル比１２／７、ガラス化率＞９９％、ブレーン比表面積５５００ｃｍ²／ｇ、試製品）
Ｊ１；アルミン酸ナトリウム（市販試薬）
Ｊ２；クエン酸（市販試薬）

作製した水性スラリーＡ及びＢを用い、注入材として次の評価を行った。尚、各評価結果は表２に纏めて表す。

［ゲル化時間］常温環境の屋内で、水性スラリーＡ及びＢを作製後、別個の計量カップに等容積量ずつ採取した。採取後の両者を混合し、混合スラリーを直ちに２００ｃｃの円筒計量カップに充満させた。該混合スラリー入りカップを水平に傾倒しても、スラリーがカップから流れでなくなるまでの時間をもってゲル化時間とした。

［圧縮強度］常温環境の屋内で、水性スラリーＡ及びＢを作製後、両者を等容積量混合して得た混合スラリーを用い、ＪＩＳＡ１２１６「土の一軸圧縮試験方法」に準じた方法で混合スラリーが硬化した試験体を作製し、材齢６時間の圧縮強度を計測した。

［６価クロム溶出量］水性スラリーＡ及びＢを作製後、両者を等質量混合して得た混合スラリーに対し、環境庁告示第４６号に準じた方法で材齢６時間のＣｒ⁶⁺の溶出量を測定した。

［注入浸透性］常温環境の屋内で、水性スラリーＡ及びＢを作製後、両者を等容積量混合して得た混合スラリー２００ｃｃを、ＪＳＣＥ−Ｆ５２２で規定された砂を充満させた直径５ｃｍ×高さ１５ｃｍの円筒状ポリエチレンチューブに流し込み、該ポリエチレンチューブを垂直に吊した状態で２時間静置した。静置後、ポリエチレンチューブから硬化した部分を慎重に取り出し、その長さを測定し、浸透長さとした。浸透長さが７．５ｃｍ以上となった注入材を浸透性「良好」と判断し、それ以外の状況となったものを浸透性「不良」と判断した。

表２の結果から、本発明の注入材は、超微粒子セメント系注入材としての要求性状は何等損なうことなく、従来のものよりも高い初期強度発現性とより強力な６価クロム抑制効果が得られていることがわかる。

Claims

セメント微粉１００質量部、高炉水砕スラグ微粉１００質量部未満（０質量部を含む。）、カルシウムアルミネート１０〜３００質量部、アルカリ金属硫酸塩０．１〜１０質量部、アルミン酸ナトリウム０．１〜１０質量部及び石膏類１０〜３００質量部を含み、ＪＩＳＡ１２１６に準じた方法による材齢６時間の圧縮強度が１．９Ｎ／ｍｍ ² 以上である低浸透性地盤注入用セメント系注入材。
セメント微粉、アルカリ金属硫酸塩及び高炉水砕スラグ微粉を含有する水性スラリーＡ並びにカルシウムアルミネート、アルミン酸ナトリウム及び石膏類を含有する水性スラリーＢからなる請求項１記載の低浸透性地盤注入用セメント系注入材。
セメント微粉と高炉水砕スラグが何れも粒径１２．５μｍ以下であって、石膏類が粒径２１μｍ以下である請求項１又は２記載の低浸透性地盤注入用セメント系注入材。