JP6488511B2

JP6488511B2 - 地盤固結用薬液組成物

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Publication number: JP6488511B2
Application number: JP2014246543A
Authority: JP
Inventors: 安克松下; 伸行安藤; 田中　一幸; 一幸田中; 直考泉
Original assignee: Nichiyu Giken Kogyo Co Ltd; Tosoh Corp
Current assignee: Nichiyu Giken Kogyo Co Ltd; Tosoh Corp
Priority date: 2014-12-05
Filing date: 2014-12-05
Publication date: 2019-03-27
Anticipated expiration: 2034-12-05
Also published as: JP2016108430A

Description

本発明は、高含水状態の軟弱地盤に注入しても、地盤を十分に安定化できる地盤固結用薬液組成物に関するものである。

従来、トンネル工事等の土木工事において、軟弱地盤に地盤固結用薬液を注入し地盤を固結させて安定化することが行われている。この地盤固結用薬液として、下記特許文献１に、ポリオール、触媒、発泡剤及び粘度低下剤としての特定のモノオールを含有するＡ液と、ポリイソシアネートを含有するＢ液とからなるものが記載されている。

特開２００２−３２７１７４

上記特許文献１によれば、地盤固結用薬液の粘度を低下して地盤への浸透性を向上でき、二液が混合されて発泡が開始されるまでの時間が長く且つ発泡が開始されると速やかに硬化して硬質ポリウレタンとなって地盤を十分に固結し、軟弱地盤の安定化に有効であるとされている。

しかし、本発明者等の検討によれば、粘度低下剤としてモノオールを用いた地盤固結用薬液は、空気中での反応性に対し水中での反応性が大幅に低下するため、雨水が浸透した程度の低含水状態の軟弱地盤の固結には有効であるものの、自然湧水が発生しているような高含水状態の軟弱地盤に注入しても、地盤を十分に固結できないことがわかった。

本発明は前記の課題を解決するためになされたもので、高含水状態の軟弱地盤に注入しても、地盤を十分に固結できる地盤固結用薬液組成物及び地盤固結工法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するためになされた本発明に係る地盤固結用薬液組成物は、自然湧水が発生している含水状態の軟弱地盤に注入され、前記軟弱地盤を固結する薬液組成物が、ポリオール、触媒としての三級アミン触媒及び三量化触媒、粘度低下剤並びに発泡剤を含有するＡ液と、ポリイソシアネートを含有するＢ液とからなり、前記粘度低下剤が水酸基を含有しないものであり、前記Ａ液とＢ液との各々の２５℃での粘度が２００ｍＰａ・ｓ以下であって、前記Ａ液と前記Ｂ液とを空気中で混合した混合液について、その混合開始から発泡による液面上昇が停止するまでのライズタイムＴａが４０〜１２０秒であり、前記Ａ液と前記Ｂ液とを水中で混合した混合液について、その混合開始から発泡による液面上昇が停止するまでのライズタイムをＴｗ（秒）としたとき、Ｔｗ−Ｔａ≦６０（秒）であるように前記触媒の配合量が調整され、且つ混合液中のイソシアネート基濃度（［ＮＣＯ］）と水酸基濃度（［ＯＨ］）との下記数式（１）で表されるＮＣＯ比が２３０〜４００であることを特徴とするものである。
ＮＣＯ比＝（［ＮＣＯ］／［ＯＨ］）×１００・・・（１）

このように調整された薬液組成物は、高含水状態の軟弱地盤に注入しても、ライズタイムを大幅に遅らせることなく地盤を十分に固結できる。

前記粘度低下剤が、マレイン酸エステル、トリメリット酸エステル、アジピン酸エステル、リン酸エステル、及びトリメチルペンタニルジイソブチレートからなる群から選ばれた少なくとも一種であるであることが好ましい。

前記Ａ液の１００重量部に対し、前記粘度低下剤の配合量が５〜５０重量部であることが好ましい。

前記ポリオールが、プロピレンオキシドを付加重合したポリエーテルポリオールを含むことが好ましい。

前記ポリオールが、アミンポリオールを含むことが好ましい。

前記三級アミン触媒の配合量が前記Ａ液１００重量部に対して０．５〜１０重量部であり、前記三量化触媒の配合量が前記前記Ａ液１００重量部に対して５〜１０重量部であることが好ましい。

また、本発明に係る地盤固結工法は、自然湧水が発生している含水状態の軟弱地盤に、前述した地盤固結用薬液組成物を注入し、前記軟弱地盤を固結することを特徴とするものである。

本発明に係る地盤固結用薬液組成物によれば、粘度低下剤として水酸基を含有しないものを用いたことから、空気中での反応性に対し水中での反応性が大幅に低下することがないため、雨水が浸透した程度の低含水状態の軟弱地盤は勿論、自然湧水が発生しているような高含水状態の軟弱地盤中でもＡ液とＢ液は反応が進行しつつ拡散して硬質ポリウレタンを形成し、地盤を十分に固結して安定化することができる。

本発明を適用する地盤固結用薬液組成物を用いたトンネル工事の地盤改良例の配管図である。

以下、本発明を詳細に説明するが、本発明の範囲はこれらに限定されるものではない。

本発明の地盤固結用薬液組成物は、ポリオール、粘度低下剤、触媒、及び発泡剤を含有するＡ液と、ポリイソシアネートを含有するＢ液とからなる。Ａ液に用いるポリオールとしては、例えば、ブタンジオール、ヘキサンジオール等の２価アルコール；エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、ブチレングリコール、グリセリン、トリメチロールプロパン、ジグリセリン、ひまし油、ソルビトール、蔗糖等の単独若しくは混合物；これらにプロピレンオキシドやエチレンオキシド等のアルキレンオキシドを付加重合したポリオールを挙げることができる。また、Ａ液として、エチレンジアミン、アニリン、トリレンジアミン、モノ、ジ又はトリエタノールアミン等にプロピレンオキシドやエチレンオキシド等のアルキレンオキシドを付加重合したアミンポリオール類を含んでいてもよい。アミンポリオール類は触媒の役割を奏することができ有効である。特に、プロピレンオキシドを付加重合したポリオール又はアミンポリオール類を好適に用いることができ、エチレンオキシドを付加重合したポリオール又はアミンポリオール類が１５重量％以下含有されていてもよい。

また、粘度低下剤としては、水酸基を含有しないものを用いる。この粘度低下剤としては、例えば、ジオクチルマレエート、ジブチルマレエート等のマレイン酸エステル；トリメリット酸トリス（２−エチルヘキシル）、トリメリット酸トリイソデシル等のトリメリット酸エステル；ジイソブチルアジペート、ジブチルアジペート、ジオクチルアジペート、ジイソノニルアジペート、ビス（ジブチルグリコール）アジペート、ビス（ジブチルグリコール）アジペート等のアジピン酸エステル；トリメチルホスフェート、トリエチルホスフェート、トリクレジルホスフェート、トリキシレニルホスフェート、クレジルジフェニルホスフェート、トリス（クロロプロピル）ホスフェート等のリン酸エステル；２，２，４−トリメチルー１，３−ペンタンジオールジイソブチラート等のトリメチルペンタニルジイソブチレートからなる群から選ばれた少なくとも一種を好適に用いることができる。このような粘度低下剤は、ポリオールを含有するＡ液の２５℃での粘度が２００ｍＰａ・ｓ以下（好ましくは１５０ｍＰａ・ｓ以下）となるように添加する。通常、Ａ液１００重量部に対して粘度低下剤の添加量は５〜５０重量部の範囲とすることが好ましい。尚、Ａ液の２５℃での粘度が２００ｍＰａ・ｓを超えると、Ａ液とＢ液との混合液の粘度が高くなって、混合液の地盤中への拡散が遅くなり、地盤中に広く硬質ポリウレタンを形成できなくなる。

触媒としては三級アミン触媒及び三量化触媒とを併用する。三級アミン触媒としては、例えば、トリエチレンジアミン、２−メチルトリエチレンジアミン、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチルヘキサメチレンジアミン、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチルプロピレンジアミン、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチルエチレンジアミン、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’，Ｎ’’−ペンタメチルジエチレントリアミン、トリメチルアミノエチルピペラジン、ビス−（ジメチルアミノエチル）エーテル、ヘキサヒドロ−Ｓ−トリアジン、Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノエチルモルホリン、ジメチルアミノプロピルイミダゾール、ヘキサメチルトリエチレンテトラミン、ヘキサメチルトリプロピレンテトラミン、Ｎ，Ｎ，Ｎ−トリス（３−ジメチルアミノプロピル）アミン等の第三級アミンが挙げられ、これらは単独、若しくは２種以上併せて用いることができる。特に好ましい三級アミン触媒はトリエチレンジアミンである。トリエチレンジアミンは固体であるため、ジプロピレングリコール等のポリオールに溶解して用いることが好ましい。

三量化触媒としては、例えば、アルカリ性脂肪酸塩、第４級アンモニウム塩等のイソシアネートを三量化させる触媒が用いられる。特に好ましい三量化触媒はオクチル酸のアルカリ金属塩であり、より具体的にはオクチル酸カリウムである。オクチル酸カリウムは固体であるためトリエチレングリコール等のポリオールに溶解して用いることが好ましい。

このような三級アミン触媒及び三量化触媒の添加量は、Ａ液とＢ液とを空気中で混合した混合開始から発泡による液面の上昇が停止するまでのライズタイムが４０〜１２０秒（好ましくは６０〜７０秒）となる量とする。三級アミン触媒の添加量は、特に限定するものではないが、Ａ液１００重量部に対して０．１〜５重量部の範囲とすることが好ましく、三量化触媒の添加量はＡ液１００重量部に対して０．５〜１０重量部の範囲とすることが好ましい。ここで、ライズタイムが４０秒未満の触媒量では、触媒量が過大なため、Ａ液とＢ液の反応速度が速過ぎ、地盤中に広く均質な硬質ポリウレタンを形成し難くなる。他方、ライズタイムが１２０秒を超える触媒量では、触媒量が過少なため、Ａ液とＢ液の反応速度が遅過ぎ、地盤中に十分な硬質ポリウレタンを形成し難くなる。

発泡剤としては、特に限定するものではないが、水が好適である。水はＢ液のポリイソシアネートと反応して炭酸ガスを発生することから発泡剤として作用する。水の配合量は、特に限定するものではないが、Ａ液１００重量部に対して０．５〜５重量部の範囲とすることが好ましい。

更に、Ａ液には、均一なセル構造を持つ硬質ポリウレタンを得るべく、整泡剤を配合することが好ましい。整泡剤としては、特に限定するものではないが、シリコーン整泡剤が好適であり、硬質ポリウレタンに通常用いられるポリオキシアルキレンジメチルポリシロキサンコポリマーが特に好ましい例として挙げられる。整泡剤の配合量は、通常、Ａ液１００重量部に対して０．１〜２重量部の範囲である。

また、Ｂ液に用いるポリイソシアネートとしては、特に限定するものではないが、ポリメリックＭＤＩが好適である。特に、二核体や異性体を含む低粘度のポリメリックＭＤＩが好ましい。このようなポリイソシアネートを含有するＢ液は、２５℃での粘度が２００ｍＰａ・ｓ以下（好ましくは１５０ｍＰａ・ｓ以下）となるように調整される。Ｂ液には、必要に応じ、低粘度化や難燃性を付与するため、ポリメリックＭＤＩにハロゲン化リン酸エステル等の難燃剤や可塑剤を配合してもよい。尚、Ｂ液の２５℃での粘度が２００ｍＰａ・ｓを超えると、Ａ液とＢ液との混合液の粘度が高くなって、混合液の地盤中への拡散が遅くなり、地盤中に広く硬質ポリウレタンを形成できなくなる。

このようなＡ液とＢ液とは、その混合液中のイソシアネート基濃度（［ＮＣＯ］）と水酸基濃度（［ＯＨ］）との下記数式（２）で表されるＮＣＯ比が２３０〜４００、好ましくは３００〜４００、特に好ましくは３４０〜４００となるように混合する。具体的には、Ａ液とＢ液との混合重量比（Ａ液／Ｂ液）は１／１〜１／３の範囲とすることが好ましい。
ＮＣＯ比＝（［ＮＣＯ］／［ＯＨ］）×１００・・・（２）

ここで、ＮＣＯ比が２３０未満の場合、Ａ液とＢ液との混合液中に水酸基（ＯＨ）が過剰に存在し、イソシアネート基（ＮＣＯ）との反応により発熱し易く、フリーの反応が速まり、触媒を多用できなくなり、且つ触媒として用いる三級アミン触媒及び三量化触媒は水溶性であることも相俟って、水中での反応が遅くなり、自然湧水が発生しているような高含水状態の軟弱地盤での施工で固結不良になる。一方、ＮＣＯ比が４００を超えた場合、Ａ液とＢ液との混合液中にイソシアネート基（ＮＣＯ）が過剰に存在し、未反応のイソシアネート基（ＮＣＯ）が残存し、反応が完結し難くなる。

Ａ液とＢ液との混合液中のＮＣＯ比は、Ａ液に水酸基を含有しない粘度低下剤を用いたことにより、モノオール等の水酸基を有する粘度低下剤を用いた従来の場合に比較して、Ａ液中の水酸基濃度（［ＯＨ］）が低下し、ＮＣＯ比が高くなる。また、Ａ液とＢ液とを空気中で混合した混合液のライズタイムが４０〜１２０秒の範囲内となるように触媒としての三級アミン触媒及び三量化触媒の添加量等で調整していることから、雨水が浸透した程度の低含水状態の軟弱地盤に注入することにより、混合液が地盤中を拡散しつつ反応が進行し硬質ポリウレタンを形成して地盤を十分に固結できる。更に、Ａ液とＢ液とを水中で混合した混合液のライズタイム（Ｔｗ）と、空気中で混合した混合液のライズタイム（Ｔａ）との差が６０秒以内であると（ただし、Ｔｗ≧Ｔａ）、混合液を水中に投入しても、反応速度が著しく低下することなく反応が完結して硬質ポリウレタンを生成できることから、自然湧水が発生しているような高含水状態の軟弱地盤に注入しても、地盤を十分に固結できる。

本発明の地盤固結用薬液組成物には、上記した各成分の他に、必要に応じて、顔料、無機充填材、スコーチ防止剤等の安定剤等を添加することができる。

本発明の地盤固結用薬液組成物を用いた地盤固結方法を、図１に示すトンネル工事の地盤固結例で説明する。トンネル１０を掘削する地盤１８に複数本の注入管１２が設けられている。注入管１２には、地盤固結用薬剤組成物の注入装置２０と接続されている。注入装置２０では、ポリオール、粘度低下剤、触媒、及び発泡剤を含有するＡ液が貯留されたタンク２２と、ポリイソシアネートを含有するＢ液が貯留されたタンク２４とから、サクションホース２６、２６を介してＡ液とＢ液とが別々に注入ポンプ２８に送液される。また、注入ポンプ２８からも、デリバリホース３０、３０を介してＡ液とＢ液とが別々にＹ字管３２に送液される。Ｙ字管３２で両者を混合して混合液とする。混合液は、反応が混合直後から開始し、注入管１２内で発泡しつつ、地盤１８内に注入される。注入された混合液は、地盤内を更に発泡しつつ浸透し、混合されてから数分で完全硬化して、樹脂である硬質ポリウレタンとなり、地盤を固結する。

以下、本発明を適用する地盤固結用薬液組成物を調整した例を実施例に示し、本発明適用外の薬液組成物を調整した例を比較例に示す。

（実施例１）
下記表１に示す原料及び配合量で準備したＡ液とＢ液とを、容積比（Ａ液／Ｂ液）で１／２で空気中又は水中で混合し、その反応性としてクリームタイム、ライズタイム及び発泡率を測定した。

空気中でのクリームタイム、ライズタイム及び発泡倍率は次のように測定した。すなわち、液温を１５℃に調整したＡ液３５ｇとＢ液８２ｇを１リットルのポリカップに採り、スリーワンモーター（攪拌機）で１０秒間攪拌した。攪拌による混合開始から発泡による液面上昇が開始されるまでの時間をクリームタイム、攪拌による混合開始から発泡による液面上昇が停止するまでの時間をライズタイム、発泡後の体積を発泡前の体積で除したものを発泡倍率とした。

また、水中でのクリームタイム、ライズタイム及び発泡倍率は次のように測定した。すなわち、液温を１５℃に調整したＡ液３５ｇとＢ液８２ｇを１リットルのポリカップに採り、スリーワンモーターで１０秒間攪拌した（攪拌までは空気中での場合と同様）。攪拌直後の液を、５００ｃｃの水が入った１リットルのポリカップに投入し、攪拌による混合開始から発泡による液面上昇が開始されるまでの時間をクリームタイム、攪拌による混合開始から発泡による液面上昇が停止するまでの時間をライズタイム、発泡後の体積を発泡前の体積で除したものを発泡倍率とした。

その結果を表１に併せて示す。尚、表１には、Ａ液とＢ液との混合液のＮＣＯ比（（［ＮＣＯ］／［ＯＨ］）×１００）も併せて示した。

表１中のポリオールは三洋化成工業株式会社製のサンニックスＨＳ−２１１、難燃化剤は大八化学工業株式会社製のＴＭＣＰＰ、粘度低下剤Ａはポリオキシエチレンジメチルエーテル（三洋化成工業株式会社製のＤＭ−２００）、粘度低下剤Ｂはトリメチルペンタニルジイソブチレート（イーストマンケミカルジャパン株式会社製のＴＸＩＢ）、整泡剤はＴＥＧＯＳＴＡＢＢ−８１１０（エボニック・ジャパン株式会社製）、三級アミン触媒は東ソー株式会社製のＴＯＹＯＣＡＴＬＥ９１、三量化触媒はエアプロダクツジャパン株式会社製のＤＡＢＣＯＴＭＲ−７、ポリイソシアネートは東ソー株式会社製のＭＲ−２００を用いた。尚、粘度の測定はＢ型回転粘度計にて計測した。

Ａ液とＢ液との混合液の水中でのクリームタイム及びライズタイムで表される反応速度は、空気中でのものよりも遅くなるものの、その差が６０秒以内であり、許容される範囲内である。また、水中での発泡率は、空気中よりも増大し、Ａ液とＢ液とは水中で十分に反応していることを示す。このことから表１に示すＡ液とＢ液とからなる地盤固結用薬液組成物は、自然湧水が発生しているような高含水状態の軟弱地盤の地盤固結用薬液として用いることが可能である。

（比較例）
表１に示すＡ液の粘度低下剤Ａ，Ｂを下記表２に示す粘度低下剤Ｃ〜Ｆに変更し、三級アミン触媒及び三量化触媒の添加量を表２に示すように変更した他は、表１に示すと同様にしてＡ液及びＢ液を準備した。また、実施例と同様にしてＡ液とＢ液との混合液の空気中及び水中での反応性を測定し表２に併せて示した。

表２において、粘度低下剤Ｃは日油株式会社製のＰＫＡ−５００１（ＥＯ付加アリルアルコール）、粘度低下剤Ｄは日本乳化剤株式会社製のＢｚＧ−２０（ＥＯ付加ベンジルグリコール）、粘度低下剤Ｅは日本乳化剤株式会社製のＥＨＤＧ（ＥＯ付加２−エチルヘキシルジグリコール）、粘度低下剤Ｆは三洋化成工業株式会社製のＬＢ−６５（ＰＯ付加ポリオキシプロピレンモノブチルエーテル）を用いた。尚、表２のポリオール、難燃剤、整泡剤、三級アミン触媒、三量化触媒、ポリイソシアネートは表１に示すもの同様なものを用いた。

表２に示すＡ液とＢ液との混合物は、空気中では表１に示すＡ液とＢ液との混合物と同様な反応性を示すものの、水中では表１に示すＡ液とＢ液との混合物の反応性、特にライズタイムが大幅に低下する。このような表２に示すＡ液とＢ液とは、自然湧水が発生しているような高含水状態の軟弱地盤の地盤固結用薬液として用いることはできない。

本発明の地盤固結用薬液組成物は、雨水が浸透した程度の低含水状態の軟弱地盤の地盤固結用薬液として用いることができ、また、自然湧水が発生しているような高含水状態の軟弱地盤の地盤固結用薬液として用いることができる。従って、本発明の地盤固結用薬液組成物は、トンネル工事等の湧水が発生し易い土木工事に用いることができる。

１０：トンネル、１２：注入管、１８：地盤、２０：注入装置、２２，２４：タンク、２６：サクションホース、２８：注入ポンプ、３０：デリバリホース、３２：Ｙ字管

Claims

自然湧水が発生している含水状態の軟弱地盤に注入され、前記軟弱地盤を固結する薬液組成物が、ポリオール、触媒としての三級アミン触媒及び三量化触媒、粘度低下剤並びに発泡剤を含有するＡ液と、ポリイソシアネートを含有するＢ液とからなり、
前記粘度低下剤が水酸基を含有しないものであり、前記Ａ液とＢ液との各々の２５℃での粘度が２００ｍＰａ・ｓ以下であって、
前記Ａ液と前記Ｂ液とを空気中で混合した混合液について、その混合開始から発泡による液面上昇が停止するまでのライズタイムＴａが４０〜１２０秒であり、前記Ａ液と前記Ｂ液とを水中で混合した混合液について、その混合開始から発泡による液面上昇が停止するまでのライズタイムをＴｗ（秒）としたとき、Ｔｗ−Ｔａ≦６０（秒）であるように前記触媒の配合量が調整され、
且つ前記混合液中のイソシアネート基濃度（［ＮＣＯ］）と水酸基濃度（［ＯＨ］）との下記数式（１）で表されるＮＣＯ比が２３０〜４００であることを特徴とする地盤固結用薬液組成物。
ＮＣＯ比＝（［ＮＣＯ］／［ＯＨ］）×１００・・・（１）
前記粘度低下剤が、マレイン酸エステル、トリメット酸エステル、アジピン酸エステル、リン酸エステル、及びトリメチルペンタニルジイソブチレートからなる群から選ばれた少なくとも一種であることを特徴とする請求項１に記載の地盤固結用薬液組成物。
前記Ａ液の１００重量部に対し、前記粘度低下剤の配合量が５〜５０重量部であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の地盤固結用薬液組成物。
前記ポリオールが、プロピレンオキシドを付加重合したポリエーテルポリオールを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の地盤固結用薬液組成物。
前記ポリオールが、アミンポリオールを含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の地盤固結用薬液組成物。
前記三級アミン触媒の配合量が前記Ａ液１００重量部に対して０．５〜１０重量部であり、前記三量化触媒の配合量が前記前記Ａ液１００重量部に対して５〜１０重量部であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の地盤固結用薬液組成物。
自然湧水が発生している含水状態の軟弱地盤に、請求項１〜６のいずれか一項に記載の地盤固結用薬液組成物を注入し、前記軟弱地盤を固結することを特徴とする地盤固結工法。