JP6548378B2 - 増粘剤 - Google Patents
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Description
また、セメントスラリーの混練時には、増粘剤を添加して粘度を上げることにより、スラリー中の骨材の分離を防いでいる。
上記増粘剤としては、例えば、ポリアクリルアミド、ポリアクリル酸ソーダ等の合成系増粘剤、カルボキシメチルセルロース等の半合成系増粘剤、グアーガム、澱粉等の天然系増粘剤が用いられている。上記増粘剤の中でも環境負荷の少ない天然系増粘剤を用いることが望まれている。
上記工法では、礫分を含む地盤の掘削においても、高い止水性が得られ、掘削中に地盤の性状が変化してもキサンタンガムの濃度を変えるのみで掘削工程を中断することなく容易に対応できることが記載されている。
また、特許文献1には、キサンタンガム増粘液では、微生物の繁殖による増粘液の粘度低下が生じ難いため、キサンタンガムを用いることにより、気泡材の作り置きが可能になり、気泡シールド工法の作業性を向上させることがきると記載されている。
例えば、土木掘削時には、地盤の性状等により、泥水等のpHは強酸から強アルカリの広い範囲で変化し、海に近い場所であれば塩化物等の影響を受けることもある。また、掘削場所によっては、泥水が高温又は低温となることもある。さらに、掘削用途では、各種掘削機械の発熱、掘削工具と被掘削物(岩盤)との摩擦熱等に起因する加熱の影響を受けることもある。そして、pHや温度変化、塩化物の影響を受けて、増粘剤の増粘効果が低減し、泥水等の粘度が低下すると流動性や止水性に支障が発生し、掘削トラブル等の原因になる可能性もある。
また、セメントスラリーは、通常pH11.5〜12.5で、水和反応により発熱するため、セメント用増粘剤には、強アルカリ条件や高温条件下でも安定した増粘効果を維持することが求められる。
このように、土木建築等の建設用増粘剤の使用条件は用途よって異なるため、物理的化学的変化の影響を受けにくく、安定して高粘度を維持できる増粘剤が求められる。
天然系増粘剤として一般的なグアーガムを使用した場合、アルカリ領域で急激な粘度低下が生じるため、建設用としての使用範囲は限られる。一方、上記特許文献1に記載のキサンタンガムからなる増粘剤では、グアーガムに比べてアルカリ領域での粘度低下は抑制されるが、上記のような建設分野の多様な環境変化に対応して十分な増粘効果を得るのが難しいことがわかってきた。
(1)本発明の建設用増粘剤は、キサンタンガムとローカストビーンガムを含有することを特徴とする。
本発明の建設用増粘剤は、キサンタンガムとローカストビーンガムを含有することを特徴とする。キサンタンガムにローカストビーンガムを加えることにより、キサンタンガム単独では粘度低下が認められる条件でも優れた増粘効果を発揮し、建設用増粘剤として好適に用いることが可能となる。
トウモロコシの栽培地域は世界各地に広がっているため、一部地域で天候不良等により収穫量が低減しても代用品の入手が比較的容易であり、安定的な供給が可能である。この点では、後述するグアーガムのように、一部の地域(インド、パキスタン地方)に生息地が限られた原料(グアー)から得られる多糖類を用いるより有利である。
本発明では、市販のキサンタンガムを用いることもできる。市販品としては、ネオソフトXC(太陽化学株式会社製)、SATIAXANE CX90(Cargil社製)等があげられる。
ローカストビーンガムの構造は、主としてβ−D−マンノースとα−D−ガラクトースからなるガラクトマンナンであり、D−マンノースに対するD−ガラクトースの割合(D−マンノース:D−ガラクトース)はおよそ4:1である。主鎖は1,4結合のβ−D−マンノースであり、側鎖に1,6結合のα−D−ガラクトースが結合した構造を有する。ローカストビーンガム中の上記ガラクトマンナン含有量は、製品にもよるが、食品添加用であれば通常80質量%程度である。
ローカストビーンガムの製造方法は、カロブの実から外皮を取り除き、粉砕したものを高温の水で抽出し、ろ過後、イソプロピルアルコールなどのアルコール類にて沈殿させ、そのアルコールを取り除き、乾燥、粉砕する方法などが知られている。性状は白色をした粉末である。ローカストビーンガムは水とコロイドを形成し、水が80℃〜90℃の温度であると最適な可溶化状態に達する。得られた溶液はかすかに濁っており、高い粘性を有する。
本発明では、市販のローカストビーンガムを用いることもできる。市販品としては、SESALPINIA L.B.G LN-1/200(Tate&Lyle社製)、VISCOGUM BJ(Cargil社製)等があげられる。
本発明の建設用増粘剤は、上記キサンタンガムとローカストビーンガムの組成比を変えたり、第3成分を添加することにより、目的とする用途により適した増粘効果を得ることができる。
本発明の第1の実施形態の増粘剤では、広いpH領域及び塩化物の存在下において加熱後もゲル化しにくく優れた増粘効果を維持することができる。特に、従来のグアーガムの課題であった高アルカリ領域における増粘効果に優れる。さらに、本実施形態の増粘剤では、特許文献1に記載されたキサンタンガムからなる増粘剤の課題である強アルカリ領域における加熱後の粘度低下が効果的に改善される。このような増粘剤は、地盤掘削時の泥水用増粘剤や長距離圧送するセメント系組成物用増粘剤として好適に用いられる。特に、前述のとおり、地盤掘削時には、地盤の性状により泥水のpHは強酸から強アルカリの広い領域で変化し、塩化物が混入することもある。さらに掘削装置等の発熱や地盤とドリル等との摩擦熱により、泥水は高温に曝されることもある。そして、このような状況で、泥水の粘度が低下したり、ゲル化により泥水の流動性が失われると、各種掘削トラブルの原因となる。そのため、本実施形態では、広いpH領域及び塩化物の存在下においても、温度変化の影響を受けにくく、高粘度を維持し、且つゲル化しにくい増粘物を得るための増粘剤を提供することを目的とする。
ローカストビーンガムとキサンタンガムとの配合比を上記範囲にすることにより、従来の課題である強アルカリ領域における加熱後の粘度変化を効果的に抑制することができる。また、上記範囲では、酸性からアルカリ性までの広いpH領域において、ゲル化が抑制され、且つ高粘度を維持できる。
ここで、ローカストビーンガムとキサンタンガムとの配合割合は、ローカストビーンガムを質量比で1とした場合に、キサンタンガムが45以上であることがより好ましい。この範囲では、さらに広いpH領域及び塩化物の存在下でもゲル化することなく高粘度の増粘物を得ることができる。一方、ローカストビーンガムとキサンタンガムとの配合割合は、ローカストビーンガムを質量比で1とした場合に、キサンタンガムが100以下であることがより好ましい。この範囲では、より広いpH領域で、より高粘度の増粘物を得ることができる。
ローカストビーンガムとキサンタンガムとの配合割合を上記範囲とすることにより、特に加熱後のゲル化及び粘度変化が効果的に抑制される。このため、建設用途の過酷な条件で使用した場合でも、安定して泥水やセメント系組成物を搬送することができる。
さらに、上記(A)及び(B)の配合比を最適化して、増粘剤含有量0.5質量%のpH11の水溶液の25℃における粘度が300mPa・s以上となるように、調整することにより、特にアルカリ領域における加熱後の粘度低下が効果的に抑制されて好ましい。
ここで、上記(A)の多糖類を含み、(B)の多糖類を含まない増粘剤を用いて、同様に、pH11の0.5質量%水溶液の25℃における粘度を300mPa・s以上とすることもできるが、このような増粘剤では、アルカリ領域において加熱後に急激な粘度低下が生じる。このことからも、(A)の多糖類と(B)の多糖類を含有する本発明の増粘剤の効果が確認される。
キサンタンガム及びローカストビーンガムを表1に示す配合割合にて、アイボーイ広口びん(250ml用)に量り取り、ハンドシェイクにより15分間混合し、実施例1〜実施例4、参考例5の増粘剤を得た。
比較例1及び比較例2は、それぞれ、市販のキサンタンガム及びローカストビーンガムを増粘剤としてそのまま用いた。また、参考例1では、市販のグアーガムを増粘剤としてそのまま用いた。
水道水に塩酸又は水酸化ナトリウムを加えて、pHをそれぞれ、4、7、11、12に調製したpH調整水を準備した。上記pH調整水に各実施例、比較例及び参考例の増粘剤を増粘剤の濃度が0.5質量%となるように添加して、30分間スターラー(アズワン社製、MULTI MAGNETIC STIRRER HSD−6)で撹拌し、増粘物を得た。この増粘物の25℃における粘度をB型粘度計(東機産業株式会社製)を用いて、回転速度60rpmで測定した結果を表1(加熱なし)に示す。
その後、それぞれの増粘物を85℃のウォーターバス中で30分間加熱した。増粘物を冷却後、再び25℃における粘度をB型粘度計(東機産業株式会社製)を用いて、回転速度60rpmで測定した。結果を表1(加熱後)に示す。
上述のとおり異なるpHのpH調整水で調製した実施例、比較例及び参考例それぞれの増粘物の加熱後のゲル化の有無を目視により評価した結果を表2に示す。また、各実施例、比較例及び参考例の増粘物に対する塩化物の影響を確認するため、8質量%NaCl溶液に各実施例、比較例及び参考例の増粘剤を、増粘剤濃度が0.5質量%となるように添加して、撹拌することにより増粘物を調製した。得られた増粘物を85℃で30分間加熱した後、ゲル化の有無を同様に評価した結果を表2に示す(NaCl)。
なお、それぞれのゲル化の有無の評価結果は、以下のとおり、3段階で示す。
○:ゲル化なし(粘性溶液)
△:一部ゲル化
×:完全にゲル化(流動性なし)
これに対して、ローカストビーンガムを添加した実施例1〜実施例4、参考例5では、加熱後のアルカリ領域での粘度低下が効果的に抑制されることがわかった。また、実施例1〜実施例4のpH12の増粘物の加熱前後の粘度比(加熱後の粘度/加熱前の粘度)は、0.8〜1.17と小さいことがわかった。本実施例では、アルカリ領域においても加熱後の粘度変化(特に粘度低下)が効果的に抑制され、泥水やセメント系組成物の流動性が一定に保たれるため、環境が変化しても安定的に増粘物を搬送することができる。上記結果より、本実施形態においては、ローカストビーンガムを質量比で1とした場合に、キサンタンガムが30〜200の範囲であることが好ましいといえる。また、ローカストビーンガムを質量比で1とした場合に、キサンタンガムが199の実施例1に比べ、上記値が99の実施例2では、アルカリ領域における加熱後の粘度低下が明らかに抑制されている。このことから、ローカストビーンガムを質量比で1とした場合に、キサンタンガムを100以下とするのがより好ましいことがわかった。
また、表1より、キサンタンガムとローカストビーンガムを含有する実施例では、pH11の0.5質量%水溶液の25℃における粘度(加熱なし)を300mPa・s以上とすることにより、アルカリ領域における加熱後の急激な粘度低下を効果的に抑えられることがわかる。これに対して、キサンタンガム単独の比較例1では、同様に、pH11の0.5質量%水溶液の25℃における粘度を300mPa・s以上としても、アルカリ領域における加熱後の急激な粘度低下を抑えることができない。このことから、キサンタンガムとローカストビーンガムを含有する本発明の増粘剤を上記粘度となるように調製することが有効であることが確認された。
一方、ローカストビーンガム単独の比較例2の増粘剤を用いた増粘物では、全てのpH領域で、比較例1及び実施例の増粘物の粘度より明らかに低い粘度しか得られないことがわかった。また、グアーガム単独の参考例1では、加熱しない状態でもpH12で比較例1よりさらに顕著な粘度低下が認められた。
以上の結果より、キサンタンガム及びローカストビーンガムを含有する本実施形態の増粘剤の効果が確認された。
以上の結果より、ローカストビーンガムとキサンタンガムとの配合割合は、ローカストビーンガムを質量比で1とした場合に、キサンタンガムが、30以上が好ましく、45以上がより好ましいといえる。
上記第1の実施形態では、比較的低粘度で、広いpH、温度領域及び塩化物の存在下でもゲル化しにくい増粘物が得られ、特に地盤掘削時の泥水用増粘剤として好適に用いられる増粘剤について述べた。本実施形態では、第1の実施形態より高粘度で、且つ塩化物の存在下でも高粘度を維持できる増粘物を得るための増粘剤を提供することを目的とする。このような増粘剤をセメントスラリーに用いることにより、骨材の分離や沈降を効果的に抑えることができる。また、本実施形態の増粘剤では、塩化物の存在下でも粘度変化が少ないため、作業環境等により海水等が混入したり、海水を用いる場合でも同様の効果が得られる。
上記値は、0.3〜2.3の範囲であることがより好ましい。増粘剤のローカストビーンガムとキサンタンガムとの配合比をこの範囲とすることにより、増粘剤濃度0.5質量%水溶液の25℃における粘度がpH4からpH11の範囲で550mPa・s以上となり、増粘物中の骨材等の分離をより有効に抑制することができる。
また、塩化物の影響を考慮すると、ローカストビーンガムとキサンタンガムとの配合比は、ローカストビーンガムを質量比で1とした場合に、キサンタンガムが0.8以上で9以下であることが好ましく、1以上9以下であることがより好ましい。ローカストビーンガムとキサンタンガムとの配合比を上記範囲とすることにより、塩化物存在下での粘度低下が抑えられるため、海水が混入したり、海水を使用する場合であっても安定して高粘度の増粘物が得られる。
pH及び塩化物の影響を考慮すると、ローカストビーンガムとキサンタンガムとの配合比は、ローカストビーンガムを質量比で1とした場合に、キサンタンガムが0.8以上4以下が好ましく、0.8以上2.3以下、1以上4以下がより好ましく、1以上2.3以下が特に好ましい。
ここで、上記(A)及び(B)の配合比を最適化して、増粘剤の0.5質量%水溶液の25℃における粘度がpH4〜11の範囲で450mPa・s以上となるように、調整することにより、pH変化や塩化物の混入による粘度低下が効果的に抑制されて好ましい。
また、上記(A)及び(B)の多糖類に加えて、(C)マンノース2分子に1分子のガラクトースの側鎖をもつ多糖類をさらに添加することもできる。
キサンタンガム、ローカストビーンガム及びグアーガムを表3に示す配合割合にて、アイボーイ広口びん(250ml用)に量り取り、ハンドシェイクにより15分間混合し、参考例6〜参考例16の増粘剤を得た。
上述のとおり、比較例1及び比較例2は、それぞれ市販のキサンタンガム及びローカストビーンガムを増粘剤としてそのまま用いた。また、参考例1では、市販のグアーガムを増粘剤としてそのまま用いた。
水道水に塩酸又は水酸化ナトリウムを加えて、pHをそれぞれ、4、7、11に調製したpH調整水を準備した。上記pH調整水に各実施例、比較例及び参考例の増粘剤を増粘剤の濃度が0.5質量%となるように添加して、30分間スターラー(アズワン社製、MULTI MAGNETIC STIRRER HSD−6)で撹拌し、増粘物を得た。この増粘物の25℃における粘度をB型粘度計(東機産業株式会社製)を用いて、回転速度60rpmで測定した結果を表3(pH依存性)に示す。
また、各実施例、比較例及び参考例の増粘物に対する塩化物の影響を確認するため、8質量%NaCl溶液に各実施例、比較例及び参考例の増粘剤を、増粘剤濃度が0.5質量%となるように添加して、撹拌することにより増粘物を得た。得られた増粘物の25℃における粘度をB型粘度計(東機産業株式会社製)を用いて、回転速度60rpmで測定した結果を同様に表3((2)NaCl 8%溶液)に示す。また、NaCl 8%溶液で調製した試料の粘度((2)NaCl 8%溶液)と上記pH7のpH調整水で調製した試料の粘度((1)pH7(NaClなし)、pH依存性のpH7と同じ値)の比((2)/(1))も表3に示す。
また、上記値が0.3〜2.3である参考例8から参考例16では、pH4〜pH11の範囲で、増粘剤0.5質量%水溶液の25℃における粘度が550mPa・s以上となることがわかった。ローカストビーンガムを質量比で1とした場合に、キサンタンガムが上記範囲となる増粘剤では、このような高粘度の増粘物が得られるため、骨材等の分離をさらに有効に防止できる。
上記pHによる影響と塩化物による影響を考慮すると、ローカストビーンガムとキサンタンガムとの配合比は、ローカストビーンガムを質量比で1とした場合に、キサンタンガムが0.8以上が好ましく、1.0以上がさらに好ましい。また、ローカストビーンガムを質量比で1とした場合に、キサンタンガムが4以下が好ましく、2.3以下がさらに好ましい。
なお、本発明の建設用増粘剤は、上記具体例の他、各種建設工事の安定液や裏込材、さらには、残土改良剤用の増粘剤としても好適に用いることができる。
Claims (7)
- キサンタンガムとローカストビーンガムを含有し、前記ローカストビーンガムとキサンタンガムとの配合割合は、ローカストビーンガムを質量比で1とした場合に、キサンタンガムが、30〜200の範囲であることを特徴とする建設用増粘剤。
- 前記ローカストビーンガムとキサンタンガムとの配合割合は、ローカストビーンガムを質量比で1とした場合に、キサンタンガムが、45〜100の範囲であることを特徴とする請求項1に記載の建設用増粘剤。
- 前記ローカストビーンガムとキサンタンガムとの配合割合は、ローカストビーンガムを質量比で1とした場合に、キサンタンガムが、100〜200の範囲であることを特徴とする請求項1に記載の建設用増粘剤。
- 前記増粘剤の0.5質量%水溶液の25℃における粘度がpH11で300mPa・s以上であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の建設用増粘剤。
- (A)主鎖がβ―1,4結合のD―グルコースで、主鎖のD―グルコース残基1つおきにD―マンノース2分子とD―グルクロン酸が結合した側鎖の一次構造を有する多糖類及び(B)β−D−マンノースとα−D−ガラクトースからなり、D−マンノースに対するD−ガラクトースの割合(D−マンノース:D−ガラクトース)は4:1であり、主鎖が1,4結合のβ−D−マンノースで、側鎖に1,6結合のα−D−ガラクトースが結合したガラクトマンナンを含有することを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の建設用増粘剤。
- (C)マンノース2分子に1分子のガラクトースの側鎖をもつ多糖類をさらに含有することを特徴とする請求項5に記載の建設用増粘剤。
- 前記増粘剤の0.5質量%水溶液の25℃における粘度がpH4〜11の範囲で450mPa・s以上であることを特徴とする請求項6に記載の建設用増粘剤。
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