JP6313697B2

JP6313697B2 - 低水セメント比のセメントスラリーを用いた高圧噴射撹拌工法

Info

Publication number: JP6313697B2
Application number: JP2014235301A
Authority: JP
Inventors: 佐久間　孝夫; 孝夫佐久間; 喜代孝大野; 宙岡田
Original assignee: 東興ジオテック株式会社
Priority date: 2014-11-20
Filing date: 2014-11-20
Publication date: 2018-04-18
Anticipated expiration: 2034-11-20
Also published as: JP2016098537A

Description

本発明は、低水セメント比のセメントスラリーを用いた高圧噴射撹拌工法に関する。

対象地盤を固結し強固にする工法として、高圧噴射撹拌工法が知られている。これらの工法では、対象地盤にソイルセメントを造成するためにスラリー状硬化材であるセメントスラリーを注入する。セメントスラリーは、セメントと水の混合物である。これらの工法においては、セメントスラリーの注入量に比例して発生する排泥量が増加する。排泥量が多いとその処理作業の負担が大きく、施工コストを上昇させることとなる。そこで、排泥の発生をできるだけ抑制する必要がある。

排泥の発生を抑制するためには、セメントスラリーの注入量を低減する必要があるが、セメントスラリーの注入量を低減しながら、造成するソイルセメントの強度を保持するには、セメントスラリーの水セメント（Ｗ／Ｃ）比を小さくして、水の割合を少なくセメントの割合を多くする必要がある。

しかし、水セメント比が小さくなると粘性が大きくなり、セメントスラリーが圧送ポンプ、配管及び吐出口等に詰まり易くなる、特に噴射ノズルが小口径の高圧噴射撹拌工法では施工不能となる。通常、圧送や噴射における詰まりを防止するべく、セメントスラリーの粘性を低下させて流動性を確保するために混和剤を添加している。液体である混和剤は、通常、セメントスラリーの混練り用の水に混合される。

このような混和剤として、ナフタリンスルホン酸系ポリマー、カルボン酸系ポリマー等が知られている。これらの混和剤は、セメント粒子の表面に吸着してセメント粒子同士の凝集を阻止することでセメント粒子の水中での分散性を確保し、粘性を低下させる作用がある。また、セメントスラリーの調製から地盤注入までの期間、分散性を維持する必要もあるのでその作用の持続性も重要である。ナフタリンスルホン酸系ポリマーは、高分散性を長時間維持することが難しいなどの理由から、カルボン酸系ポリマーの混和剤が主流となっている。

特許文献１では、メラミン、フェノール尿素、アニリンのメチロール化合物及びスルホン化物から選ばれた一種又は二種以上のホルマリン縮合物の水溶塩と、不飽和モノカルボン酸および不飽和ジカルボン酸から選ばれた不飽和カルボン酸塩との単重合物又は二種以上の共重合物の水溶塩の二成分からなる超高圧噴流注入工法用セメント添加剤が開示されている。
特許文献２では、ナフタリンスルホン酸ホルマリン縮合物の水溶塩と、不飽和モノカルボン酸および不飽和ジカルボン酸から選ばれた不飽和カルボン酸塩との単重合物又は二種以上の共重合物の水溶塩の二成分からなる超高圧噴流注入工法用セメント添加剤が開示されている。
非特許文献１には、カルボン酸系ポリマーのＡＥ減水剤（混和剤）であって、アクリル酸塩の部分と、アクリル酸エステルの部分とを有する共重合体が開示されており、ポリアクリル酸の主鎖が短い方が高分散性に寄与すること、及び、側鎖であるアクリル酸エステルの部分が長い方が高分散性保持性に寄与することが記載されている。

特開平４−３３８１４４号公報特開平４−３６７５４８号公報

土木学会論文集Ｎｏ．６６２／Ｖ−４９，１７−２７，２０００．１１「セメント粒子の分散性に及ぼすカルボン酸ポリマーの分子構造の影響」

特許文献１、２に比較例として記載されたカルボン酸系ポリマー単独のものは、粘度が高く強度発現性も不十分とされている。なお、特許文献１、２に記載の試験におけるセメントスラリーの水セメント比は０．８である。非特許文献１では、カルボン酸系ポリマーの構造とセメント粒子の分散性との関係が示されているが、コンクリートやモルタルを想定しているため、地盤改良工法に用いるセメントスラリーにおける最適な混和剤の構成は提示されていない。

従来のカルボン酸系ポリマーを含む混和剤では、５〜４０ＭＰａでセメントスラリーを圧送する高圧噴射撹拌工法の場合、セメントスラリーの水セメント比を小さくすることは困難であり、通常は、１．０程度で施工されていた。従来は、セメントスラリーの水セメント比を０．８より小さくすることは、圧送が困難となるためできなかった。

本発明は、低水セメント比のセメントスラリーを用いた高圧噴射撹拌工法であって、セメントスラリーの水セメント比０．８〜０．６の範囲で施工が可能なものを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は、以下の構成を提供する。
本発明の態様は、水セメント比が０．６〜０．８である低水セメント比のセメントスラリーを用いた高圧噴射撹拌工法であって、
前記セメントスラリーを超高圧で圧送し、ジェット噴流により周辺地盤を切削して土砂を地上に排出しながらセメントスラリーと撹拌混合することで地中に柱状の固化改良体を造成する工法であり、
前記セメントスラリーに添加される混和剤は、セメント粒子への吸着が速く早期分散性の向上に寄与する低分子量ポリマーとセメント粒子への吸着が遅く分散性保持性に寄与する高分子量ポリマーの２種類を組合せこれらを混合した、分子量１０００〜５００００の範囲内のカルボン酸系ポリマーのみからなり、かつ、硬化材であるセメント系材料に対し０．５〜３．０重量％添加して水セメント比０．６のセメントスラリーとしたときは、前記セメントスラリーのＪＳＣＥ−Ｆ５２１規格（社団法人土木学会団体規格）による当初の流動性が１０秒以下でありかつ３時間後の流動性が１０．５秒以下となるように前記低分子量ポリマーと前記高分子量ポリマーとが混合されていることを特徴とする。

本発明によれば、以下の効果を奏することができる。
・従来型の混和剤（例えばメトロエイド（登録商標）Ｆ等）では、水セメント比０．６では十分な流動性が得られないが、本発明では所定の混和剤を用いることで水セメント比１．０と同等な流動性を確保できる。
・本発明で用いる混和剤と、セメント系材料と、水とを混合して得られるセメントスラリーは、低い水セメント比においても高い流動性を保つことができることから、圧送ポンプや配管、噴射ノズル(吐出口)における詰まりを防ぐことができる。
・高圧噴射攪拌工法において、所定の混和剤を加えることで、低い水セメント比のセメントスラリーが使用できるようになり、このセメントスラリーの比重増加によって切削能力を向上させ、施工効率の向上が図れる。
・切削能力の向上に伴い、単位対象土量当たりの噴射注入量が少なくなり、排泥として排出される量が低減される。
・高圧噴射攪拌工法では、低い水セメント比で施工が可能となることで高強度の改良体が得られることによって、同一の改良面積であれば使用本数を削減することができるために発生する排泥量を減らすことが可能となる。

本発明に係る低セメント比のセメントスラリーを用いた高圧噴射攪拌工法で用いるセメントスラリーの混和剤は、カルボン酸系ポリマーを主体とする。カルボン酸系ポリマー以外の硬化材、例えばナフタレンスルホン酸系、メラミンスルホン酸系、アミノスルホン酸系の硬化材は成分として含まない。

カルボン酸系ポリマーは、基本的には、アクリル酸、メタクリル酸等の不飽和モノカルボン酸モノマー、又は、マレイン酸、フマル酸、イタコン酸等の不飽和ジカルボン酸モノマーの単重合物又は共重合物である。水溶前には塩の形態をとる。

混和剤におけるカルボン酸系ポリマーの種類は、以下の化１の化学式で表されるものを含む。

カルボン酸モノマーがアクリル酸、メタクリル酸等の不飽和カルボン酸の場合は、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３は、水素原子、メチル基等のアルキル基である。
カルボン酸モノマーがマレイン酸、フマル酸等の不飽和ジカルボン酸の場合は、Ｒ２又はＲ３はカルボキシル基を含む。Ｍｅは、ナトリウム等の金属である。

また、カルボン酸系ポリマーは、上記化１で表される部分と、以下の化２で表される部分の共重合物でもよい。

化２において（ＥＯ）ｍは、カルボキシル基をエステル化したポリエチレンオキサイドのグラフト鎖であり、この部分は主鎖に対する側鎖となる。

セメントスラリーに添加する混和剤のカルボン酸ポリマーと分散性との関係はおおよそ次の通りとなることが知られている。カルボン酸系ポリマーの主鎖と分散性及び分散性保持性（分散性を長時間保持する特性）との関係は、主鎖が長いほど分散性及び分散性保持性が低く、主鎖が短いほど分散性及び分散性保持性が高くなる。また、化２に表されるような側鎖と分散性及び分散性保持性との関係は、側鎖が短いほど分散性及び分散性保持性が低く、側鎖が長いほど分散性及び分散性保持性が高くなる。このように主鎖や側鎖の長さにより、所望する分散性と分散性保持性を設計することが可能である。

しかしながら、従来の分散性と分散性保持性の設計可能な範囲は、上述した通り、水セメント比が０．８以上のセメントスラリーについてであり、水セメント比が０．８以下の範囲では高圧噴射撹拌工法の適用を可能とする流動性は実現できなかった。

本発明は、カルボン酸系ポリマーの分子量による分散剤としての機能の違いに着目し、混和剤の組成を最適に設計する手法を提示する。分散剤としての機能を発揮するカルボン酸系ポリマーの分子量の範囲は、広く捉えれば１０００〜５００００程度である。これ以上の分子量になると増粘性が生じてくるので流動性を低下させてしまう。この範囲内において、分子量の小さいものはセメント粒子への吸着が速いため、添加後、早期に分散性の向上に寄与する。一方、分子量の大きいものはセメント粒子への吸着が遅いため、遅れて分散性の向上に寄与することとなり、すなわち分散性保持性に寄与することとなる。

本発明では、分散剤としての機能を発揮する分子量の範囲から、２つの異なる分子量を選択し、選択した低分子量ポリマーと高分子量ポリマーの２種類のカルボン酸ポリマーの混合割合を調整することで、早期の分散性と分散性保持性のいずれにも優れた混和剤を実現するものである。一定の合成法で得られたカルボン酸ポリマーは、通常、１つのピークをもつ分子量分布を有するので、ここでは分子量分布のピーク値をそのカルボン酸ポリマーの分子量とみなすこととする。

従って、本発明で用いるセメントスラリーの混和剤は、分子量分布が２つのピークを有するように低分子量ポリマーと高分子量ポリマーとを組合せて混合されたカルボン酸系ポリマーからなるものである。低分子量ポリマーと高分子量ポリマーの２種類のカルボン酸系ポリマーは、化学式が同じものでも異なるものでもよい。

このような混和剤は、硬化材であるセメント系材料に対し０．５〜３．０重量％添加される。セメント系材料は、例えば、普通ポルトランドセメント、高炉セメント等である。液体である混和剤は、セメントスラリーの調製においてセメント系材料と水を根練りする際に、混練り用の水に添加される。従って、セメントスラリーは、セメント系材料と、混和剤と、水とからなる。水とセメント系材料との比が「水セメント比」である。

本発明によれば、水セメント比が０．６のセメントスラリーを高圧噴射撹拌工法（グラウト工法ともいう）に適用することが可能であることが、以下の試験により確認された。高圧噴射撹拌工法は、地上から地中（３０ｍ〜５０ｍ）まで直径１５ｃｍ程度の削孔を行い、孔内に管を通してセメントスラリーを超高圧（５〜４０ＭＰａ）で圧送し、ジェット噴流により周辺地盤を切削して土砂を地上に排出しながらセメントスラリーと撹拌混合することで地中に柱状の固化改良体を造成する地盤改良工法である。

また、高圧噴射撹拌工法に適用することが可能であるので、機械式撹拌工法（セメント系深層混合処理工法ともいう）に適用することも当然に可能である。機械式撹拌工法は、撹拌翼を用いて地盤を切削しながらセメントスラリーを注入して固化改良体を造成する地盤改良工法である。

以下の試験では、最も低い水セメント比を０．６として試験を行ったが、水セメント比０．６においても良好な噴射を行うことができたことから、水セメント比が０．５程度までは十分に施工可能と考えられる。

＜試験方法＞
（１）試験試料
・セメントスラリーの使用材料
(i)硬化材（セメント系材料）：普通ポルトランドセメント
(ii)混和剤：比較例（メトロエイド（登録商標）−Ｆ（(株)菱晃）
実施例（分子量の異なる２種のカルボン酸系ポリマーの混合物）
・水／セメント（Ｗ／Ｃ）比：１．０、０．８、０．６の３種
（２）実機を用いた噴射試験方法
・工法：高圧噴射攪拌工法
・混和剤添加量：硬化材（セメント系材料）の１重量％
・硬化材噴射圧力Ｐ：４０（ＭＰａ）
・硬化材吐出量ｑｃ：１３０（リットル／分）
（３）セメントスラリーの特性試験方法
・流動性試験：ＪＳＣＥ−Ｆ５２１規格（社団法人土木学会団体規格）による。Ｐ漏斗を用いたフロー試験であり、流出口から流出し始めた流体が初めて途切れるまでの流下時間を測定した。
・粘性試験：ＶＧメーター（回転粘度計）を用いて粘性を測定した。
・ブリーディング試験：ＪＳＣＥ−Ｆ５２２規格（社団法人土木学会団体規格）による。ポリエチレン袋に充填したセメントスラリーの３時間後及び２４時間後の水の分離の程度を測定した。
・密度試験：マッドバランスを用いて噴射直前に密度を測定した。
・圧縮強度試験：コンクリートの圧縮強度試験方法ＪＩＳＡ１１０８によりセメントミルクの固化後の圧縮強度を測定した。

＜試験結果＞
（１）実機を用いた噴射試験結果
表１に示すように、実施例０．８及び実施例０．６において良好に噴射することができた。これに対し、比較例は、比較例１．０のみ良好に噴射できた。

（２）セメントスラリーの特性試験結果
（２−１）流動性試験結果
表２に示すように、実施例０．６では、零時間後（当初）の流下時間が９．７５秒であり、３時間後の流下時間が１０．１２秒であったのに対し、比較例０．６ではそれぞれ１０．７８秒及び１１．７７秒であった。
この結果から、実施例では、セメントスラリーの零時間後（当初）の流下時間を１０秒以下とし、３時間後の流下時間を１０．５秒以下とすることができることが確認できた。

（２−２）粘性試験結果
表３に示すように、実施例０．８及び実施例０．６は、それぞれ比較例０．８及び比較例０．６より粘性が低いことが判る。

（２−３）ブリーディング試験結果
表４に示すように、実施例０．８及び実施例０．６は、それぞれ比較例１．０よりも時間経過後のブリーディング率が小さいことから、セメントスラリーが分離し難い、すなわち分散性がよく、分散性保持性もよいことが判る。

（２−４）密度試験結果
表５は、密度試験結果を示す。水セメント比が小さいほど、セメント系材料の割合が多くなるため密度は高くなっている。

（２−５）圧縮強度試験結果
表６は、圧縮強度試験結果を示す。実施例０．８及び実施例０．６は、比較例１．０に比べてセメントミルク固化体の圧縮強度が大きいことが確認された。

＜試験結果についての総括＞
試験結果から、所定の混和剤を含みかつ低水セメント比のセメントスラリー（例えばＷ／Ｃが０．６〜０．８）を用いた高圧噴射撹拌工法が実施可能であることが確認された。この試験結果により、従来の高水セメント比（例えばＷ／Ｃが１．０）のセメントスラリーを用いた高圧噴射撹拌工法による地盤改良工法に比べ、本発明による高圧噴射撹拌工法による地盤改良工法を行った場合、固化改良体の強度が向上すること、並びに、排泥を抑制できることが裏付けられたといえる。

Claims

水セメント比が０．６〜０．８である低水セメント比のセメントスラリーを用いた高圧噴射撹拌工法であって、
前記セメントスラリーを超高圧で圧送し、ジェット噴流により周辺地盤を切削して土砂を地上に排出しながらセメントスラリーと撹拌混合することで地中に柱状の固化改良体を造成する工法であり、
前記セメントスラリーに添加される混和剤は、セメント粒子への吸着が速く早期分散性の向上に寄与する低分子量ポリマーとセメント粒子への吸着が遅く分散性保持性に寄与する高分子量ポリマーの２種類を組合せこれらを混合した、分子量１０００〜５００００の範囲内のカルボン酸系ポリマーのみからなり、かつ、硬化材であるセメント系材料に対し０．５〜３．０重量％添加して水セメント比０．６のセメントスラリーとしたとき、前記セメントスラリーのＪＳＣＥ−Ｆ５２１規格（社団法人土木学会団体規格）による当初の流動性が１０秒以下でありかつ３時間後の流動性が１０．５秒以下となるように前記低分子量ポリマーと前記高分子量ポリマーとが混合されていることを特徴とする、低水セメント比のセメントスラリーを用いた高圧噴射撹拌工法。