JP6278442B2 - 地盤注入材 - Google Patents

Description

本発明は、地盤や岩盤等を強固なものに改質したり、建設物の基礎強化等に用いられるセメント系の地盤注入材に関する。

地盤や岩盤等を不透水・強固なものに改質したり、液状化を防ぐために、セメント等の水硬性物質を結合成分にしたスラリー状の地盤注入材が用いられている。セメント系地盤注入材には配合成分を全て加えた水性のスラリーからなる一剤タイプのものと、セメントを有効成分とするスラリーと急硬剤を有効成分とするスラリーを注入時に混合させる二剤タイプのものがある。一剤タイプのセメント系地盤注入材として、セメント及びスラグを粉砕して最大粒径をかなり小さくすることで地盤への浸透性を向上させた、所謂超微粒子系の注入材が知られている。（例えば、特許文献１参照。）また、スラリー注入時の浸透性を改善するために、セメントクリンカ粉砕物、スラグ、石膏および可溶性硫酸塩等を含有し、含有粒子を特定の粒径以下の粒度構成にした注入材も知られている。（特許文献２参照。）

これらのセメント系地盤注入材は含有成分の微細化によって浸透し易くはなるが、例えば造り置き等による静置時間の経過に伴って材料分離が発生・進行し易く、施工浸透性の経時低下や注入地盤の強度が低迷する等、地盤改質性に支障を及ぼすことがあった。分散剤を使用すれば固型粒子の凝集を抑制できるので固液分離が起き難くなり材料分離抵抗性を向上することができる。しかし、分散されたセメント粒子は粒子径が小さいために水和反応活性が非常に高く、水和物を早期に生成し易く、地盤等へ十分浸透する前に固化したり、浸透経路中で水和物塊の目詰まりが起こり易く、逆に浸透性が低下するという問題が生じる。水和物自体の凝集防止のため、分散剤の配合量を増やし過ぎると水硬性物質の凝結時間が遅延化し、注入した地盤中に留まらずに地下水や湧水等によって流冒し易く、止水作用も弱く、また初期強度発現性が不足するなどの問題も起こる。

特開平９−２５５３７８号公報 特開２００４−２３１８８４号公報

高浸透性のセメント系の地盤注入材において材料分離抵抗性を高めるには、分散剤配合量を増やすことが有効ではあるが、一方で前記のような問題があった。本発明は、このような問題を解決することを課題とするものであり、セメント系の地盤注入材であって、良好な注入浸透性と強度発現性を具備し、分散剤の配合量を増やさずとも材料分離による地盤改質性低下が起こらない地盤注入材を提供する。

本発明者は、前記課題解決のため検討した結果、セメント並びにスラグ及び分散剤を含む特定の粉末度の水硬性組成物であって、この質量の３．０倍の水を加えたものの密度変化が特定の変化率になるようにせしめた水硬性組成物を含む水性スラリーからなる地盤注入材が、良好な注入浸透性や強度発現性を具備できることを見出し、しかも凝結性や硬化性状に支障を及ぼすほどの量の分散剤を配合せずとも材料分離による地盤改質性低下を防げたことから本発明を完成させた。

即ち、本発明は、（Ａ）セメント、（Ｂ）スラグ及び（Ｃ）ナフタレンスルホン酸ホルマリン縮合物又はポリカルボン酸を有効成分とする分散剤を、セメントとスラグの質量比（Ｂ／Ａ）＝１〜１００且つスラグとセメントの合計質量と分散剤質量（固型分換算）の比（Ｃ／（Ａ＋Ｂ））＝０．０００１〜０．０２で含有するブレーン比表面積５０００ｃｍ²／ｇ以上の水硬性組成物の固型分濃度が３．２〜４３質量％の水性スラリーからなる地盤注入材であって、前記水硬性組成物にその質量（固型分換算）の３．０倍量の水を加えて作製した２０℃のスラリーの密度浮ひょうによる作製直後の密度と作製から１時間静置後の密度の次式に表す変化率が５０％以下（０を含む。）であることを特徴とする地盤注入材である。
変化率（％）＝（１−（ρｆ−１）／（ρ０−１））×１００
ここで、ρ０；スラリー作製直後の密度浮ひょうの示度、ρｆ；スラリー作製１時間静置後の密度浮ひょうの示度。

また、本発明は、水硬性組成物の固型分濃度が３．２〜４０質量％の水性スラリーからなることを特徴とする前記の地盤注入材である。

本発明によれば、少なくとも従来に勝るとも劣らない注入浸透性や強度発現性を具備しつつ、材料分離による地盤改質作用の低下を十分防いだ地盤注入材を常に安定して得ることができるため、強固な地盤・岩盤への改質が容易に行える。さらに、本発明の地盤注入材は注入した地盤の透水性も抑制でき、止水作用もあるため、液状化対策や止水工事にも十分適用できる。

本発明の地盤注入材は、セメントとスラグと分散剤を特定の割合で含有する水硬性組成物を水性スラリー化したものである。前記水硬性組成物に含有使用するセメントは、水硬性のセメントなら何れのものでも良い。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、フライアッシュセメントやシリカセメント等の混合セメント、白色セメント、アルミナセメントやエコセメント等の特殊セメントなどが挙げられ、２種以上を併用しても良い。好ましくは、普通又は早強ポルトランドセメントを使用する。またアルミナセメントを使用する際は何れかのポルトランドセメントと併用し、急硬性を調整するのが望ましい。また、高炉セメントを使用する際は、高炉セメント中のスラグ量を地盤注入材中のスラグ量として考慮する必要がある。また、注入浸透性を高めるため、好ましくはブレーン比表面積で５０００ｃｍ²／ｇ以上のセメントを使用する。より好ましくはブレーン比表面積で７０００ｃｍ²／ｇ〜２００００ｃｍ²／ｇのセメントを使用する。以上は推奨される使用セメントの粉末度であって、ブレーン比表面積で５０００ｃｍ²／ｇ未満のセメント粒子の使用や混在を不可とするものではない。

また、前記水硬性組成物に含有使用するスラグは、具体的には、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挙げられるが、掲示例に限定されるものではない。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有害物質が濃縮含有されている可能性が払拭できない場合は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。スラグの潜在水硬性挙動によって地盤を強固に改質できると共に、注入材が注入中に早期固結して浸透経路を閉塞し、浸透性が低下するのを防ぐことができる。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。含有するスラグは好ましくはブレーン比表面積で５０００ｃｍ²／ｇ以上とする。より好ましくはブレーン比表面積で７０００ｃｍ²／ｇ〜２００００ｃｍ²／ｇとする。以上は推奨される使用スラグの粉末度であって、ブレーン比表面積で５０００ｃｍ²／ｇ未満のスラグ粒子の使用や混在を不可とするものではない。スラグを含有使用すると、凝結時間を遅延させずに地盤や岩盤でのスラリー浸透経路中での固結による目詰まりと、注入管や輸送管中での閉塞を抑制できる。水性スラリー中のスラグ含有量はセメント含有量１質量部に対し、１〜１００質量部とする。好ましくは１．５〜５０質量部とする。１質量部未満では浸透性が著しく低下することがあるので好ましくなく、また１００質量部を超えると初期強度が低下するので好ましくない。

また、前記水硬性組成物に含有使用する分散剤は、モルタルやコンクリートなどのセメント系水硬性組成物で使用できるものなら何れのものでも良く、特に制限されない。また、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も分散剤として使用でき、液状のものでも粉末状のものでも良い。分散剤の使用で、微小なセメント粒子やスラグ粒子の凝集を抑制でき、微細な地盤や岩盤間隙でも凝集体形成による目詰まりが発生しない。分散剤の含有量は固型分換算でセメントとスラグの合計含有量１質量部に対し、０．０００１〜０．１質量部にする。好ましくは０．００１〜０．０５質量部にする。０．０００１質量部未満では含有効果が得られず浸透性が低下するので好ましくない。また、０．１質量部を超えると、凝結遅延や硬化不良を起こす虞があり、注入材の流冒や十分な改質強度が得られないことがあるので好ましくない。

また、前記水硬性組成物には本発明の効果を実質喪失させるものでない限り、セメント、スラグ及び分散剤以外の成分も含有することができる。このような成分が水性スラリーに実質溶解しない固型粒子の場合は、好ましくは使用するセメントと概ね同程度かそれより高いブレーン比表面積のものを使用すると、高い浸透性を確保し易くなる。含有可能な成分例として、何れもモルタルやコンクリートなどのセメント系水硬性組成物に使用できる凝結促進剤、増粘剤、ポゾラン反応性物質、急硬剤、石膏、増量剤などが挙げられるが、掲示例に限定されるものではない。

また、前記水硬性組成物は、高い注入浸透性を具備させる上で、ブレーン比表面積５０００ｃｍ²／ｇ以上とする。好ましくはブレーン比表面積７０００ｃｍ²／ｇ〜２００００ｃｍ²／ｇとする。前記水硬性組成物が水性スラリー作製の際に実質溶解してしまう粒子や液状減水剤等の液状混和物を含む場合は、これらを除いた含有粒子全体に対するブレーン比表面積をもって水硬性組成物のブレーン比表面積とする。従って、個々の含有粒子が全てブレーン比表面積５０００ｃｍ²／ｇ以上の粒子である必要はない。ブレーン比表面積５０００ｃｍ²／ｇ未満の水硬性組成物では、これを水性スラリー化した地盤注入材は、粒子間隙が狭い低浸透性の地盤や岩盤等への注入が困難になるので好ましくない。

また、本発明の地盤注入材は前記水硬性組成物を水性スラリー化したものである。水性スラリー化に要す前記水硬性組成物に添加する水の量は、所望する改質性状や対象地盤の状態等の施工状況に応じて適宜決定することができる。好ましくは、地盤等への注入施工に適した施工性と良好な強度発現性を得易くするため、前記水硬性組成物１００質量部に対し１５０〜３０００質量部の水を添加する。即ち、水硬性組成物のスラリー濃度が３．２〜４０質量％の水性スラリーにする。より好ましくはスラリー濃度が４．７〜３３質量％の水性スラリーにする。ここで、例えば水硬性組成物に液状の混和剤類を用いる場合は、水硬性組成物のスラリー濃度には、液状の混和剤類の固型分換算質量を含むものの濃度とするが、固型分換算質量を差し引いた溶媒分の質量は含まない。尚、前記溶媒分の質量が添加する水の質量の概ね１％以下であれば、添加水の量は前記溶媒分の質量を考慮しなくても実質的な支障はないが、概ね１％を超えると、溶媒質量を考慮するのが望ましく、水硬性組成物に添加する水の質量は前記溶媒分質量を差し引いた値とする。水硬性組成物の固型分濃度が４０質量％を超える水性スラリーは流動性が低過ぎて注入装置へのスラリー輸送を円滑に行うに支障が生じる虞があり、均一に注入し難いことがあるので適当でなく、また、水硬性組成物の固型分濃度が３．２質量％未満の水性スラリーでは、地盤浸透性が高いものの、十分な改質強度が得られないことがあるため、適当ではない。

また、本発明の地盤注入材は、前記水硬性組成物にその質量（固型分換算）の３．０倍量の水を加えて作製した２０℃のスラリーの、スラリー作製直後の密度浮ひょうで測定した密度とスラリー作製から１時間静置後の密度浮ひょうで測定した密度の次式に表す変化率が５０％以下（０を含む。）であることを必須とする地盤注入材である。好ましくは次式に基づく変化率が３０％以下（０を含む。）にする。
変化率（％）＝（１−（ρｆ−１）／（ρ０−１））×１００
ここで、ρ０；スラリー作製直後の密度浮ひょうの示度、ρｆ；スラリー作製１時間静置後の密度浮ひょうの示度。

また、使用する密度浮ひょうは、ＪＩＳ Ｂ ７５２５；１９９７密度浮ひょうの付属書４（規定）比重浮ひょうの表３に定める番号３のものが推奨される。密度浮ひょうの２０℃での示度の前記式に基づく変化率を５０％以内にしたものは、材料分離が進行し難く、材料分離が生じても注入浸透性や改質強度などの地盤改質性に支障をきたすことなく地盤注入材を得ることができる。また、変化率が５０％を超えるものは材料分離が進行し易く、過度に不均質状態の濃度のバラつきのある地盤注入剤になって、所望の地盤改質を安定して行うことが困難になるので好ましくない。この変化率は、水硬性組成物の成分組成に大きく依存することから、材料分離を起こしても高い強度発現性と良好な浸透性を具備できる地盤注入材の有効成分の選定と配合組成の決定に関し必要である。本発明では、このような浮ひょうによる密度変化率にすべく、前記の含有範囲内で水硬性組成物中の含有各成分の配合割合を調整することで、より最適な地盤改質作用を有する地盤注入材が得られる。好適にはスラリー濃度が３．２〜４０質量％の水性スラリーからなる地盤注入材に対し、より最適な地盤改質作用を有する地盤注入材を見出すことができる。また、本発明の地盤注入材は１剤タイプの地盤注入材、即ち所謂１ショット型の注入施工法に好適な地盤注入材ではあるが、１．５ショットや２ショット型の施工法の地盤注入材として使用することもできる。

密度浮ひょうの示度の変化率を求める具体的な手順の一例を示すと、使用する前記水硬性組成物の質量を測定し、当該水硬性組成物が液体分散剤や他の液状配合物を含む場合はこれらの質量は固型分換算した質量を用いて測定質量を補正する。次いで、必要により補正した水硬性組成物の質量の３．０倍の質量の水を加え、例えば市販の高速グラウトミキサ等を用いて混合し、２０℃の恒温に保たれた水性スラリーを作製する。このスラリー温度は以後の密度計測時まで維持する。温度誤差の許容範囲は可能な限り±１℃以内にする。また、混合時間は混合量や混合装置の能力にもよるが、概ね１〜２分程度とする。得られたスラリーは直ちに約１０００ｍｌのメスシリンダー２本にそれぞれ１リットル程度入れ、そのうちの１本は直ぐに前記の推奨密度浮ひょうを用いてその示度（ρ０）を計測する。示度は、使用した浮ひょうの密度目盛の値とする。また、別のメスシリンダーに入れた水性スラリーは２０℃に温度調整した室内に静置し、１時間経過後に同様に密度浮ひょうによる示度（ρｆ）を計測する。これら２つの示度の値から前記式を用いて変化率（％）を算出する。以上は推奨される例ではあるが、これに限定されるものではない。

以下、本発明を実施例によって詳しく説明するが、本発明は記載した実施例に限定されない。

［水硬性組成物の作製］
以下に示すＡ１〜Ｄ２から選定される材料を使用し、表１で表す配合量（但し、Ｃ１は固型分換算質量）の水硬性組成物を作製した。作製に際し、液状分散剤（Ｃ１）以外の材料はヘンシェルミキサーに一括投入して混合し、液状分散剤の配合は後述する水性スラリー作製時に水と共に加えるようにした。また、液状材料や水溶性材料であるＣ１、Ｃ２及びＤ２を除いた水硬性組成物のブレーン比表面積をＪＩＳ Ｒ５２０１の規定に基づいたブレーン空気透過装置を用いて測定した。その結果も併せて表１に示す。
Ａ１；普通ポルトランドセメント（粉末度；３２００ｃｍ²／ｇ、太平洋セメント社製）
Ａ２；普通ポルトランドセメント（粉末度；７５００ｃｍ²／ｇ、太平洋セメント社製）
Ａ３；普通ポルトランドセメント（粉末度；９２００ｃｍ²／ｇ、太平洋セメント社製）
Ｂ１；高炉水砕スラグ（粉末度；４１００ｃｍ²／ｇ、市販品）
Ｂ２；高炉水砕スラグ（粉末度；７２００ｃｍ²／ｇ、市販品）
Ｂ３；高炉水砕スラグ（粉末度；９０００ｃｍ²／ｇ、市販品）
Ｃ１；ナフタレンスルホン酸ホルマリン縮合物を有効成分とする液状分散剤（固型分濃度４０質量％、市販品）
Ｃ２；ポリカルボン酸を有効成分とする粉末分散剤（太平洋マテリアル社製「コアフローＮＦ−１００」）
Ｄ１；ＩＩ型無水石膏（粉末度；７２００ｃｍ²／ｇ、市販品）
Ｄ２；可溶性硫酸塩（硫酸ナトリウム；市販試薬）

［浮ひょうによる水硬性組成物のスラリー密度の測定］
前記の水硬性組成物１００質量部に対し、２０℃の水３００質量部を加え、ハンドミキサーで約９０秒間混合してスラリーを得た。得られたスラリー１リットルを容量１リットルのメスシリンダーに直ぐに移し、ＪＩＳ Ｂ ７５２５；１９９７密度浮ひょうの付属書４（規定）比重浮ひょうの表３に定める有効目盛範囲１．０００〜１．２００の浮ひょう（株式会社横田計器製作所製）を前記メスシリンダー内のスラリーに浮かべ、その密度を測定した。この密度として計測された浮ひょうの目盛をスラリー作製直後の示度；ρ０とした。また、同様に得られたスラリー１リットルを容量１リットルのメスシリンダーに直ぐに移し、これを２０℃の恒温室で静置させ、１時間経過後のスラリー密度を同様の浮ひょうを用いて測定した。ここでの密度として計測された浮ひょうの目盛をスラリー作製１時間経過後の示度；ρｆとした。各示度の値から１時間における２０℃でのスラリー密度の変化率を次式で求めた。
変化率（％）＝（１−（ρｆ−１）／（ρ０−１））×１００
各示度と算出した変化率を表２に表す。

［スラリーの浸透性と浸透模擬地盤の強度に関する評価］
直径約０．５ｍｍの脱気穴を無作為に１００個程設けた底面を具備する内径５０ｍｍ、高さ５００ｍｍの円筒状のポリエチレン製管を該底面が地面と接するように垂直に設置し、この管内に６号珪砂を高さが１５０ｍｍになるよう流し込み、模擬地盤を作製した。この模擬地盤に、スラリー作製から１時間経過後の密度を測定した前記スラリーのメスシリンダー内のスラリーを上面から上部２００ｍｌを慎重に採取し、これを模擬地盤に上面から静かに流し込んだ。そのまま７日間２０℃の恒温室に放置した後、ポリエチレン製管内の硬化した部分（硬化物）を取り出し、その長さを測定してスラリー浸透長さとした。また、該硬化物を直径５０ｍｍ、長さ１００ｍｍの円柱形状に加工して供試体とした。この供試体の材齢２８日における一軸圧縮強度を、ＪＩＳ Ａ １２１６で規定する「土の一軸圧縮試験方法」に準じて測定した。スラリー浸透長さと硬化物の一軸圧縮強度の値を表３に表す。また、スラリー浸透長さが１００ｍｍ以上、かつ一軸圧縮強度が１Ｎ／ｍｍ²以上となったものを地盤改質効果が良好と判断し、それ以外の値又は硬化不良となったものは全て地盤改質作用が不良と判断した。前記良好と判断したものについては○、その中で特に優れていたものには◎、また前記不良と判断されたものは×を付し、評価結果を表２に併せて表す。

［スラリー濃度と浸透性等に関する評価］
表１の水硬性組成物Ｎｏ．１及びＮｏ．９に対し、表３に表すスラリー濃度となるよう２０℃の水を添加し、ハンドミキサーで約９０秒間混合して水性スラリーを作製した。得られた水性スラリー１リットルを容量１リットルのメスシリンダーに直ぐに移し、これを２０℃の恒温室で１時間静置させた。次いで、メスシリンダー内のスラリーを上面から上部２００ｍｌを慎重に採取し、これを模擬地盤に上面から静かに流し込んだ。そのまま７日間２０℃の恒温室に放置した後、ポリエチレン製管内の硬化した部分（硬化物）を取り出し、その長さを測定してスラリー浸透長さとした。また、該硬化物を直径５０ｍｍ、長さ１００ｍｍの円柱形状に加工して供試体とし、材齢２８日における一軸圧縮強度を、前記と同様の方法で測定した。以上の結果と前記と同様の基準で判断した地盤改質効果の評価結果を表３に表す。

目視観察の結果、スラリー作製から静置１時間後には、何れの水硬性組成物（但し、Ｎｏ．２３を除く。）のスラリーも程度の差はあるものの沈降物と上澄み液を概ね識別でき、多少の材料分離が見られた。しかし、表２の結果から、本発明の地盤注入材は、全て模擬地盤末端まで浸透し（浸透長さ１５ｃｍ）、深い場所まで浸透し易いことがわかる。また、その浸透部の硬化物の一軸圧縮強度も比較的高く、強固な硬化物が形成され、優れた地盤改質性を具備することがわかる。これに対し本発明外の水硬性組成物の水性スラリーからなる地盤注入材は模擬地盤の末端まで浸透できないものが多く、また模擬地盤末端まで注入浸透できたものでも浸透部の強度発現性は低いものとなった。尚、水硬性組成物Ｎｏ．２３のスラリーは模擬地盤下端まで容易に浸透できたものの、全く硬化しなかったため模擬地盤を固められなかった。さらに、表３の結果から、本発明の地盤注入材は対象地盤等の施工環境に応じてスラリー濃度を変化させても、良好な浸透性と改質強度が安定して得られることもわかる。

Claims (2)

1. （Ａ）セメント、（Ｂ）スラグ及び（Ｃ）ナフタレンスルホン酸ホルマリン縮合物又はポリカルボン酸を有効成分とする分散剤を、セメントとスラグの質量比（Ｂ／Ａ）＝１〜１００且つスラグとセメントの合計質量と分散剤質量（固型分換算）の比（Ｃ／（Ａ＋Ｂ））＝０．０００１〜０．０２で含有するブレーン比表面積５０００ｃｍ²／ｇ以上の水硬性組成物の固型分濃度が３．２〜４３質量％の水性スラリーからなる地盤注入材であって、前記水硬性組成物にその質量（固型分換算）の３．０倍量の水を加えて作製した２０℃のスラリーの密度浮ひょうによる作製直後の密度と作製から１時間静置後の密度の次式に表す変化率が５０％以下（０を含む。）であることを特徴とする地盤注入材。
   変化率（％）＝（１−（ρｆ−１）／（ρ０−１））×１００
   ここで、ρ０；スラリー作製直後の密度浮ひょうの示度、ρｆ；スラリー作製１時間静置後の密度浮ひょうの示度。
2. 水硬性組成物の固型分濃度が３．２〜４０質量％の水性スラリーからなることを特徴とする請求項１記載の地盤注入材。