JP6450573B2

JP6450573B2 - 地盤注入材

Info

Publication number: JP6450573B2
Application number: JP2014245483A
Authority: JP
Inventors: 了三吉田; 英典礒田
Original assignee: Taiheiyo Materials Corp
Current assignee: Taiheiyo Materials Corp
Priority date: 2014-12-04
Filing date: 2014-12-04
Publication date: 2019-01-09
Anticipated expiration: 2034-12-04
Also published as: JP2016108402A

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られるセメント系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主成分とするセメントスラリーの地盤注入材が使用されている。このような注入材として、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により地盤への浸透性が向上した、所謂超微粒子系の注入材が知られている。（特許文献１参照）
また、最近では粉砕・分級技術の向上により従来の超微粒子系の注入材よりもさらに粒径を小さくして地盤への浸透性の向上が図られている。（特許文献２及び３参照）。

特開２００４−２３１８８４号公報特開２００３−３３６０６６号公報特開２０１１−７９９９０号公報

しかしながら、このような注入材でもスラリー中において凝集して粗大粒子となり浸透性が低下しやすくなるため、十分な浸透性や止水性が得られない場合が多かった。
そこで凝集を防ぐために分散剤を過剰に添加したり、水セメント比を高めたり、セメント配合比率を減らすことにより良好な浸透性が得られるが、一方で初期強度発現性が低下するため、施工効率が低下したり、湧水によって施工後に注入材が流失しやすくなる等の問題点があった。
従って、本発明の課題は、スラリー中において凝集し易い微粒子が多く含まれても分散性を高めることが出来るため地盤への浸透性が良好で、かつ初期強度発現性の高い注入材を提供することにある。

本発明者らは前記課題解決のため鋭意検討を重ねた結果、超微粒子のセメント−スラグ系地盤注入材において、セメント、スラグ粉末及び石膏の粒径を規定し、セメントに対する石膏の含有量を特定の範囲としたものを水性スラリー化することによって、これまで難しいとされていた水性スラリー中での粒径１μｍ以下のセメント粒子の過度な水和反応による粒子の粗大化や凝集の抑制が可能となるため、透水性の低い地盤に対して極めて高い浸透性と初期強度発現性を示し、更に石膏に対する水溶性硫酸塩の重量比を特定することによって、高い浸透性を維持したまま初期〜長期の強度発現性を確保することができることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、次の〔１〕〜〔３〕を提供するものである。
〔１〕（Ａ）ポルトランドセメント、（Ｂ）スラグ粉末、（Ｃ）石膏（セメント中の石膏を含む）、（Ｄ）水溶性硫酸塩、及び（Ｅ）分散剤を含有し、成分（Ａ）及び成分（Ｃ）中の成分（Ｃ）（ＳＯ ₃ 換算）の重量比（（Ｃ）（ＳＯ ₃ 換算）／（（Ａ）＋（Ｃ）））が、０．１〜０．３５であり、かつ成分（Ｄ）及び成分（Ｅ）以外の全無機粒子の最大粒径が１４μｍ以下、粒径１．０μｍ以下の粒子が４〜４０体積％であることを特徴とする地盤注入材。
〔２〕成分（Ｃ）（ＳＯ ₃ 換算）と成分（Ｄ）（ＳＯ ₃ 換算）の重量比（（Ｃ）（ＳＯ ₃ 換算）／（Ｄ）（ＳＯ ₃ 換算））が、２．５〜８である前記〔１〕記載の地盤注入材。
〔３〕成分（Ａ）の含有率が、成分（Ｄ）及び成分（Ｅ）以外の全無機粒子中１〜１０重量％である前記〔１〕又は〔２〕記載の地盤注入材。

本発明の地盤注入材を用いれば、従来のセメント−スラグ系地盤注入材では困難であった細粒分を多く含む透水性の低い地盤への浸透性が極めて良好となり、浸透後の改良地盤の初期強度発現性も良好となる。従って、本発明の地盤注入材は、初期強度が必要となる地盤改良工事や液状化対策や止水工事などの施工に適する。

本発明で使用する（Ａ）ポルトランドセメントは、例えば、普通、早強、超早強、低熱、中庸熱等の各種ポルトランドセメント、高炉セメントやフライアッシュセメントのような混合セメント、スラグを主成分とする特殊セメント等のセメントが挙げられ、このようなセメントの石膏を含まないクリンカであっても良い。ポルトランドセメント含有率は、（Ｄ）水溶性硫酸塩及び（Ｅ）分散剤以外の全無機粒子中１〜１０重量％が好ましく、１〜８重量％がさらに好ましい。ポルトランドセメントの含有量をこの範囲とすることにより、凝結遅延が防止でき、かつ地盤への浸透性が良好である。

本発明で使用する（Ｂ）スラグ粉末は、例えば、高炉スラグや転炉スラグなどが挙げられるが、これらのうち、高炉スラグを急冷し非晶質としたものが、強度発現性の面から好ましい。

本発明で使用する（Ｃ）石膏は、例えば、無水石膏、二水石膏等の天然石膏の他、化学石膏等を挙げることができ、２種類以上を併用しても良い。好ましくは無水石膏を使用する。なお、本発明において石膏には、成分（Ａ）ポルトランドセメント中の石膏も含まれる。石膏の含有量は、成分（Ａ）及び成分（Ｃ）中の成分（Ｃ）（ＳＯ ₃ 換算）の重量比（（Ｃ）（ＳＯ ₃ 換算）／（（Ａ）＋（Ｃ）））が、０．１〜０．３５とすることによって、水溶性硫酸塩と分散剤との相乗効果により粒径１μｍ以下の粒子に対して、スラリー中での分散性が著しく高まるため、細粒分を多く含む透水性の低い地盤に対して極めて高い浸透性を示す地盤注入材が得られる。重量比（（Ｃ）（ＳＯ ₃ 換算）／（（Ａ）＋（Ｃ）））は、特に０．２〜０．３が好ましい。重量比（（Ｃ）（ＳＯ ₃ 換算）／（（Ａ）＋（Ｃ）））が０．１未満では、粒径１μｍ以下のセメント粒子の水和反応による粒子の粗大化や凝集し易くなるため浸透性が著しく低下し、初期強度発現性も低下する。また、０．３５を超えると、耐久性が低下する虞がある。

本発明で使用する（Ｄ）水溶性硫酸塩としては、例えば、硫酸ナトリウム、硫酸カリウム、硫酸リチウム、硫酸水素ナトリウム、硫酸水素カリウム等を挙げることができ、２種以上を併用しても良い。好ましくは硫酸ナトリウムを使用する。水溶性硫酸塩は溶解して、石膏、分散剤と相乗効果を発揮して、水性スラリー中での粒径１μｍ以下の微粒子の分散性を高めて地盤への浸透性向上に寄与する他、注入材ゲル化後の初期強度発現性を大幅に高める作用を有する。

本発明で使用する（Ｅ）分散剤により、水性スラリー中での微粒子の凝集を防ぎ、地盤への浸透性を高めることができる。本発明で使用する分散剤は特に限定されず、何れもモルタルやコンクリートに使用される高性能減水剤、高性能ＡＥ減水剤、流動化剤と称されるものでもよく、また液体でも可溶性粉体からなる減水剤でも良い。このような分散剤の成分としては、例えば、ナフタレンスルホン酸ホルマリン縮合物塩系、リグニンスルホン酸塩系、メラミンスルホン酸ホルマリン縮合物塩系、ポリカルボン酸塩系、及びポリエーテル系の分散剤が挙げられる。分散剤の使用量は（固形分として）、水溶性硫酸塩と分散剤を除くセメントとスラグと石膏の合計量に対して、０．０１〜５質量％が好ましく、０．１〜３質量％がより好ましい。分散剤の含有量をこの範囲とすることにより、スラリー中の微粒子の凝集が抑制され、浸透性が良好になり、また凝結時間が遅延せず、初期強度発現性も良好となる。

本発明の地盤注入材は、（Ｄ）水溶性硫酸塩、及び（Ｅ）分散剤以外の全無機粒子の最大粒径が１４μｍ以下であり、好ましくは１０μｍ以下である。また、（Ｄ）水溶性硫酸塩、及び（Ｅ）分散剤以外の全無機粒子に占める体積割合で、粒径１．０μｍ以下の粒子が４〜４０体積％であり、好ましく５〜４０体積％である。このような粒度構成とすることにより、細粒分を多く含む透水性の低い地盤に対して極めて高い浸透性を示す地盤注入材が得られる。最大粒径が１４μｍを超えると、粗粒分が多く含まれる可能性が高くなり、土壌粒子間隙を粗粒分で閉塞し易くなって浸透性が低下することがあるので好ましくない。また粒径１．０μｍ以下の粒子が４体積％未満では、細粒分を多く含む透水性の低い地盤に対して浸透性が低下し、水和反応も遅延するため初期強度発現性も低下する。粒径１．０μｍ以下の粒子が４０体積％を超えると、スラリー中で粒子の凝集化が生じ易くなり、浸透性が低下するので好ましくない。

本発明の地盤注入材は、（Ｃ）石膏（ＳＯ ₃ 換算）と（Ｄ）水溶性硫酸塩（ＳＯ ₃ 換算）の重量比（（Ｃ）（ＳＯ ₃ 換算）／（Ｄ）（ＳＯ ₃ 換算））が、２．５〜８の範囲が好ましく、より好ましくは２．５〜６である。成分（Ｃ）（ＳＯ ₃ 換算）と成分（Ｄ）（ＳＯ ₃ 換算）をこのような重量比とすることにより、石膏、水溶性硫酸塩、分散剤との相乗効果が高まり、スラリー中の粒径１μｍ以下のセメント粒子の水和反応による粒子の粗大化や凝集の抑制がさらに高くなるため、細粒分を多く含む透水性の低い地盤に対して浸透性が大幅に向上し、かつ初期強度発現性を高めることが可能となる。重量比（Ｃ）（ＳＯ ₃ 換算）／（Ｄ）（ＳＯ ₃ 換算）が小さすぎると、硬化促進作用が過大となり、粒子の粗大化により浸透性の低下を引き起こしたり、中〜長期強度発現性が低下するので好ましくない。また、重量比が大きすぎると、十分な初期強度発現性を得ることが困難となることがあるので好ましくない。

本発明に用いる地盤注入材には、前記成分及び水の他、浸透性や注入後の強度発現性、更には可使時間等に支障を及ぼさない範囲で、必要により他のモルタル・コンクリートに使用される混和剤、例えば、消泡剤、増粘剤、膨張材、収縮低減剤、防錆剤、顔料等を配合することができる。

本発明の地盤注入材は、前記成分を水性スラリー化したものである。スラリー化には水を使用する。水の配合量は、水溶性硫酸塩と分散剤を除くセメントとスラグと石膏の合計量に対して、概ね５０〜３０００重量％が望ましい。水の配合量が少なすぎると、浸透性が乏しくなるので適当ではなく、また多すぎると、施工効率が低下するので適当ではない。スラリー化の方法は特段限定されるものではなく、一例を示すとグラウトミキサー等に水に分散剤を添加したあと地盤注入材を投入し、適度に混練を行なえば良い。また、本発明の地盤注入材は、一材化のスラリーとしての使用に適しているが、例えば、急硬性セメントや水ガラスやコロイダルシリカを有効成分とするスラリー等と併用して、二材型の注入材スラリーとしても使用しても良い。

以下、実施例により本発明を具体的に詳しく説明する。

普通ポルトランドセメント（太平洋セメント株式会社製、ＳＯ₃含有率２．０％）、高炉水砕スラグ（新日本製鉄株式会社製）、無水石膏（セントラル硝子株式会社製）、中性無水ボウ硝（市販試薬）、ナフタレンスルホン酸系減水剤（商品名「マイティ１５０Ｒ」、花王株式会社製）から選定される材料と水を用い、表１に示す含有量及び含有無機粒子の粒度分布となる水性スラリーを作製した。尚、粒度分布の調整は、普通ポルトランドセメント、高炉水砕スラグ、無水石膏を表１の配合量となるようチューブミルに入れて粉砕し、(株)セイシン企業社製のレーザー回折・散乱式粒度分布測定装置を併用して粒度確認を行いながら遠心分離機により分級を行った。また、水性スラリーは、減水剤及び水溶性硫酸塩を除く粒度調整を施した粉砕物に対して、水３００重量％としてグラウトミキサーで混合・混練して作液した。

２０℃環境下で作液した水性スラリーは、地盤工学会基準ＪＧＳ０８３１「薬液注入による安定処理土の供試体作製方法」とＪＩＳＡ１２１８「土の透水試験方法」を参考として浸透性試験を行った。具体的には、φ５×１００ｃｍのアクリル円筒管に、硅砂７号、および硅砂７・８号（細粒分１０重量％含有）を間隙率４０％で充填させた供試体を作製し、攪拌機能が付与された加圧タンクに投入した水性スラリーを垂直に設置した供試体の底部から注入した。水性スラリーが供試体の砂層間隙を通過し上部から流出したスラリー量を浸透量として測定し、この値をもって浸透性を評価した。各供試体は、注入に先立ち、水で飽和し、透水係数を測定した結果、硅砂７号は約９×１０^-3ｃｍ／秒、硅砂７・８号は約５×１０^-3ｃｍ／秒であった。水性スラリーを注入してから２４時間放置した後、アクリル管内で固結した充填物を抜き取り、φ５×１０ｃｍに成形した固結体の一軸圧縮試験を、ＪＩＳＡ１２１６「土の一軸圧縮試験方法」に準拠して測定した。硅砂７号で浸透量が２０００ｃｃ未満、あるいは強度が１Ｎ/ｍｍ²未満となった地盤注入材を、地盤改良評価「不良」とし、浸透量が２０００ｃｃ以上、かつ強度が１Ｎ/ｍｍ²以上となった地盤注入材については、さらに硅砂７・８号による浸透性試験を行い、浸透量が５００ｃｃ未満、あるいは強度が０．５Ｎ/ｍｍ²未満となった地盤注入材を、地盤改良評価「不良」とし、浸透量が５００ｃｃ以上、かつ強度が０．５Ｎ/ｍｍ²以上となったものを地盤改良評価「良好」とした。以上の各測定結果・評価は、表１に纏めて表す。

表１の結果から、セメントや水溶性硫酸塩を含まない場合（比較例１、６）、ＳＯ₃含有率が範囲外の場合（比較例２）、粒径１μｍ以下の含有率や最大粒径が範囲外の場合（比較例３、４、５）には、十分な浸透性が得られなかったり、浸透性が良好であっても十分な初期強度発現性が得られなかったり、初期強度発現性が良好であっても十分な浸透性が得られないものとなった。なお、比較例３は、特許文献３記載の注入材に相当するものであり、成分（Ｄ）及び成分（Ｅ）以外の全無機粒子の最大粒径は１１μｍであったが、粒径２．２μｍ以下の粒子が３０．０体積％存在し、１μｍ以下の粒子は３．０体積％であった。
これに対し、本発明の地盤注入材は、従来の対象砂地盤だけでなく、細粒分を多く含む透水性の低い地盤に対しても、これまでスラリー中での分散が困難とされていた粒径１μｍ以下の粒子を分散できるため、十分な浸透性と初期強度発現性を有することがわかる。

Claims

（Ａ）ポルトランドセメント、（Ｂ）スラグ粉末、（Ｃ）石膏（セメント中の石膏を含む）、（Ｄ）水溶性硫酸塩、及び（Ｅ）分散剤を含有し、成分（Ａ）及び成分（Ｃ）中の成分（Ｃ）（ＳＯ ₃ 換算）の重量比（（Ｃ）（ＳＯ ₃ 換算）／（（Ａ）＋（Ｃ）））が、０．１〜０．３５であり、かつ成分（Ｄ）及び成分（Ｅ）以外の全無機粒子の最大粒径が１４μｍ以下、粒径１．０μｍ以下の粒子が４〜４０体積％であることを特徴とする地盤注入材。
成分（Ｃ）（ＳＯ ₃ 換算）と成分（Ｄ）（ＳＯ ₃ 換算）の重量比（（Ｃ）（ＳＯ ₃ 換算）／（Ｄ）（ＳＯ ₃ 換算））が、２．５〜８である請求項１記載の地盤注入材。
成分（Ａ）の含有率が、成分（Ｄ）及び成分（Ｅ）以外の全無機粒子中１〜１０重量％である請求項１又は２記載の地盤注入材。