JP6981725B2 - 掘削泥水の劣化抑制剤及び劣化抑制方法 - Google Patents

Description

本発明は、土木掘削工事において、掘削泥水の使用時の劣化を抑制する技術に関し、より詳しくは、掘削泥水の劣化抑制剤、及びこれを用いた掘削泥水の劣化抑制方法に関する。

地中連続壁工事や杭工事、ボーリング工事、シールド工事等の地盤掘削工事において、掘削溝壁の安定化や掘削土砂の排出促進等のために、掘削泥水を用いる工法がある。掘削泥水は、掘削溝壁の安定化やコンクリートとの良好な置換性、掘削土砂粒子の良好な運搬性等の機能が求められる。

掘削泥水の一種である安定液は、一般的には、ベントナイトを主成分とし、水に、ベントナイト、カルボキシメチルセルロース（以下、ＣＭＣと略称する。）及び分散剤等が混練されることにより作製される。安定液は、掘削工事の進行に伴って、掘削溝に供給され、掘削土砂とともに掘削溝からポンプで排出される。そして、土砂分離機、循環槽及びデカンター等での処理工程を経て回収槽に移送される。回収槽に回収された掘削泥水は、品質試験の結果、再利用可能と判定されれば、再度、掘削溝に供給して使用される。

しかしながら、掘削土砂中に粘土やシルト等の微粒子を多く含む場合、粘土は、デカンターでも十分に除去されず、掘削泥水中で水和膨潤し、比重や粘性が変化する。これに伴い、掘削泥水が上記機能を果たせなくなる程にまで劣化する場合もある。このような掘削泥水は、掘削工事の安全性の低下や工期遅延等にも影響を及ぼすため、品質をチェックしながら調整されるが、再利用不可と判定されると、廃液として処理される。水和膨潤により劣化した掘削泥水の増大は、その廃液処理のための作業やコストの負担、また、新たな安定液の作製のための時間やコストの増大等を招くこととなる。

一方、現場における安定液の品質管理は、主に、比重や粘性（ファンネル粘度）等の測定試験により行われている。従来は、これらの管理基準値を満たすように、安定液の構成成分であるＣＭＣ、分散剤、炭酸ナトリウム及び水等を、必要に応じて適宜追加添加して調整していた。あるいはまた、掘削泥水の劣化要因である混入粘土を、別途、薬剤を添加して除去したりする等の試みもなされていた。
しかしながら、安定液の各品質管理項目についての調整を行うために、所定の成分の添加量を特定した上で追加添加する作業は煩雑である。

これに対しては、例えば、特許文献１に、掘削に適した比重、粘性、降伏値及びゲルストリングス等を維持しやすい安定液として、構成モノマーとしてアクリルアミド及びアクリル酸を所定の割合で含有するポリマーを含む安定液が開示されている。具体的には、アクリルアミド、アクリル酸ナトリウム及びアクリルアミドプロパンスルホン酸ナトリウムを構成モノマーとし、ポリエチレンオキシド換算での重量平均分子量が２００万であるポリマーを、水溶液中の濃度が０．５％となるように、不撹乱粘土に添加した実施例が記載されている。

特開平１０−１５８６３６号公報

上記特許文献１においては、前記ポリマーを不撹乱粘土に添加すると、粘土の分散抑制効果が大きく、Ｂ型粘度が低下するとしている。しかしながら、前記不撹乱粘土の粒子は、粒径が２０μｍ未満であるものの、粒径２μｍ以上の粒子が９４質量％、粒径２μｍ未満の粒子が６質量％である。実際の掘削工事においては、掘削土砂中に、粒径が２μｍ未満の粒子が２０質量％を超えるような、より微細な膨潤性の高い粘土が含まれる場合も多い。

このような場合には、特許文献１に記載されているような高分子量のポリマーによる安定液では、粘性が急上昇する傾向が見られ、必ずしも、掘削泥水の劣化を十分に抑制できるとは言えなかった。特に、ファンネル粘度が上昇するような場合、掘削泥水中での粘土粒子の沈降性が低下するため、その他の品質管理項目でも管理基準値を満たさなくなり、掘削泥水の劣化が顕著となる。なお、特許文献１に記載されているポリマーは、３０℃の水溶液における固有粘度から求めた重量平均分子量が３５０万を超えるものである。

本発明は、このような技術的課題を解決するためになされたものであり、掘削泥水への添加により、混入粘土の水和膨潤を抑制して、該掘削泥水の粘性上昇の抑制及び比重の低減を図ることができる、掘削泥水の劣化抑制剤、及びこれを用いた掘削泥水の劣化抑制方法を提供することを目的とするものである。

本発明は、所定の構成モノマーからなり、かつ、所定の固有粘度を有する共重合体によるポリマー剤を掘削泥水に添加することにより、掘削泥水の性状を良好に保つことができることを見出したことに基づいてなされたものである。

すなわち、本発明は、次の［１］〜［３］を提供する。
［１］（メタ）アクリルアミドである化合物（Ａ）と、（メタ）アクリル酸及びその塩のうちから選ばれる少なくともいずれか１種の化合物（Ｂ）とを構成モノマーとして含む共重合体を含有し、前記化合物（Ａ）と前記化合物（Ｂ）の合計に対する前記化合物（Ｂ）の割合が１０〜９０モル％であり、前記共重合体の３０℃の水溶液における固有粘度が０．５〜１０．０ｄＬ／ｇである、掘削泥水の劣化抑制剤。
［２］掘削工事中の掘削泥水の劣化を抑制する方法であって、上記［１］に記載の劣化抑制剤を、安定液プラント及び安定液循環設備のうちの少なくとも１箇所に添加する、掘削泥水の劣化抑制方法。
［３］前記劣化抑制剤を、掘削泥水中に混入している粘土に対する前記共重合体の添加量が０．１〜１．０質量％となるように、前記掘削泥水に添加する、上記［２］に記載の掘削泥水の劣化抑制方法。

本発明の掘削泥水の劣化抑制剤は、掘削泥水に添加することにより、混入粘土の水和膨潤が抑制され、該掘削泥水の粘性上昇の抑制及び比重の低減を図ることができる。
前記劣化抑制剤を用いた本発明の掘削泥水の劣化抑制方法によれば、掘削泥水の再利用頻度を増加させることができ、これに伴い、廃液量が低減するとともに、新たに作製する安定液の使用量を低減させることができる。さらに、掘削泥水の品質の劣化が抑制されることにより、掘削工事の安全性の向上にも寄与し得る。

以下、本発明の掘削泥水の劣化抑制剤、及びこれを用いた掘削泥水の劣化抑制方法を詳細に説明する。

［掘削泥水の劣化抑制剤］
本発明に係る掘削泥水の劣化抑制剤は、（メタ）アクリルアミドである化合物（Ａ）と、（メタ）アクリル酸及びその塩のうちから選ばれる少なくともいずれか１種の化合物（Ｂ）とを構成モノマーとして含む共重合体を含有するものである。そして、前記共重合体中の化合物（Ａ）と化合物（Ｂ）の合計に対する化合物（Ｂ）の割合が１０〜９０モル％である。また、前記共重合体は、３０℃の水溶液における固有粘度が０．５〜１０．０ｄＬ／ｇであることを特徴としている。
このような共重合体によるポリマー剤は、掘削泥水に対して優れた劣化抑制効果を発揮する。

前記共重合体の構成モノマーである化合物（Ａ）は、（メタ）アクリルアミドである。
なお、本発明で言う「（メタ）アクリル」とは、アクリル又はメタクリル（メタアクリルとも言う。）であってもよいことを意味する。これらは、いずれか一方であっても、両方を含むものであってもよい。すなわち、化合物（Ａ）は、アクリルアミド及びメタクリルアミドのうちから選ばれる少なくともいずれか１種である。

一方、前記共重合体の構成モノマーである化合物（Ｂ）は、（メタ）アクリル酸及びその塩のうちから選ばれる少なくともいずれか１種である。これらの化合物は、１種単独でも、２種以上を含んでいてもよい。より好ましくは、該共重合体によるポリマー剤の分散性の観点から、アクリル酸ナトリウム及びアクリル酸カリウムのうちから選ばれる少なくともいずれか１種であることが好ましい。

前記共重合体中の化合物（Ｂ）の含有量は、化合物（Ａ）の凝集性能及び化合物（Ｂ）の分散性能のバランスの観点から、化合物（Ａ）と化合物（Ｂ）の合計に対して、１０〜９０モル％であり、好ましくは１１〜８０モル％、より好ましくは５０〜８０モル％である。
化合物（Ｂ）の含有量が１０モル％未満の場合、粘土粒子が凝集し、掘削泥水がゲル化して粘性上昇を引き起こすおそれがある。一方、９０モル％を超える場合、掘削泥水中の混入粘土に対する十分な凝集性が得られず、掘削泥水の比重が増加することとなるため好ましくない。

前記共重合体における構成モノマーは、化合物（Ａ）及び（Ｂ）のみであることが好ましいが、掘削泥水の比重及び粘性を調整する劣化抑制剤の機能を妨げない範囲において、化合物（Ａ）及び（Ｂ）以外の構成モノマーを含んでいてもよい。このような構成モノマーとしては、例えば、２−（メタ）アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸及びその塩等のスルホン酸基含有化合物が挙げられる。
前記共重合体中の化合物（Ａ）及び（Ｂ）以外の構成モノマーの含有量は、該共重合体の全構成モノマーの合計に対して、１０モル％以下であることが好ましく、より好ましくは５モル％以下である。

前記共重合体は、３０℃の水溶液における固有粘度が０．５〜１０．０ｄＬ／ｇであり、好ましくは０．７〜８．０ｄＬ／ｇ、より好ましくは１．０〜４．０ｄＬ／ｇである。
このような固有粘度を有する共重合体によるポリマー剤であれば、掘削泥水の粘性上昇を抑制することができると同時に比重の低減も抑制されるため、掘削泥水の劣化を効果的に防止することができる。
前記固有粘度が０．５ｄＬ／ｇ未満の場合、掘削泥水中の混入粘土に対する十分な凝集性が得られない。一方、１０．０ｄＬ／ｇを超える場合、該劣化抑制剤の少量の添加でも、掘削泥水がゲル化するおそれがある。
なお、固有粘度は、後述する実施例に記載の方法により求めるものとする。

前記共重合体の製造方法は、特に限定されるものではなく、公知の方法により行うことができる。例えば、前記共重合体の構成モノマーを、水やアルコール等の水系溶媒に添加し、重合開始剤等を添加し、常圧又は加圧下、２０〜１５０℃の温度で、２〜５時間かけて共重合を行う、溶液重合法により製造することができる。
また、前記共重合体としては、市販品を使用してもよく、例えば、市販の（メタ）アクリルアミド・（メタ）アクリル酸ナトリウム共重合体であって、３０℃の水溶液における固有粘度が０．５〜１０．０ｄＬ／ｇであるものが好適に使用される。

前記劣化抑制剤は、掘削泥水中に均一に混合させる観点から、液剤であることが好ましく、水溶液又は水系エマルションの形態であることがより好ましい。水溶液重合後の共重合体エマルションをそのまま、劣化抑制剤として使用することもできる。水中又は水系中における前記共重合体の濃度は、掘削泥水中への均一混合性、添加の作業容易性等の観点から、２〜３５質量％であることが好ましく、より好ましくは２〜２５質量％、さらに好ましくは１５〜２５質量％である。前記共重合体の濃度が２質量％以上であれば、該劣化抑制剤の添加量を抑制することができ、薬品タンク等の設備のコンパクト化を図ることができる。また、３５質量％以下であれば、ゲル化を招くことなく、取り扱いが容易である。

前記劣化抑制剤は、本発明の効果を損なわない範囲において、必要に応じて、前記共重合体以外の添加剤成分を含んでいてもよい。

［掘削泥水の劣化抑制方法］
本発明に係る掘削泥水の劣化抑制方法は、掘削工事中の掘削泥水の劣化を抑制する方法である。そして、前記劣化抑制剤を、安定液プラント及び安定液循環設備のうちの少なくとも１箇所に添加するものである。これらのいずれの箇所に添加した場合においても、本発明の劣化抑制剤の添加による掘削泥水の劣化抑制効果が発揮される。
掘削工事においては、上記の所定箇所の掘削泥水に前記劣化抑制剤を添加する以外は、通常の工程からの作業変更を要することなく、工事を進行させることができる。

前記劣化抑制剤は、掘削泥水の新液である安定液の作製時又は作製後に、安定液を掘削工事に使用する前に添加してもよく、あるいはまた、掘削工事中に粘土が混入した掘削泥水に添加してもよい。添加箇所は、安定液作製ミキサー、良液槽、回収槽、デカンター入口部、デカンター出口部と回収槽との間、及び回収槽と良液槽との間のうちのいずれかであることが好ましい。これらのうち、１箇所であっても、２箇所以上であってもよい。これらのうち、劣化抑制剤の必要添加量の算出のしやすさの観点から、安定液作製ミキサー、良液槽、回収槽、及びデカンター入口部のうちのいずれかであることが好ましい。特に、デカンター入口部であることが好ましく、１〜９０分間程度、より好ましくは１〜３０分間程度、緩速撹拌する。
なお、掘削泥水の新液である安定液の配合組成は、特に限定されるものではなく、掘削工事に一般的に使用される配合組成のものでよい。例えば、水１００質量部、ベントナイト１〜１０質量部、及びＣＭＣ０〜１質量部の混合液が挙げられ、また、これに、分散剤０〜１質量部、イオン封鎖剤である炭酸ナトリウム０〜１質量部が添加されたものも汎用されている。

劣化抑制剤の添加量は、掘削泥水中の粘土の混入量や性状の変動に応じて適宜設定されるが、掘削泥水中に混入している粘土に対して、前記共重合体が０．１〜１．０質量％となるようにすることが好ましい。より好ましくは０．２〜１．０質量％、さらに好ましくは０．３〜１．０質量％である。
共重合体の量が０．１質量％未満である場合、比重の低減効果が十分に得られない。一方、１．０質量％を超える場合、掘削泥水の粘性上昇の抑制効果が十分に得られず、粘土粒子の沈降が妨げられ、比重の十分な低減効果も得られなくなる。
なお、掘削泥水中の混入粘土の量は、劣化抑制剤を添加しようとする掘削泥水の比重から推定して求められる。掘削工事の現場では、掘削泥水の評価試験において、通常、管理項目である比重の測定値から、簡易的に混入粘土量を求めることが行われている。

前記劣化抑制剤を、掘削泥水の新液である安定液に添加する場合には、該安定液に対して共重合体の量が０．００５〜０．２質量％となるように添加することが好ましく、より好ましくは０．０１〜０．１５質量％、さらに好ましくは０．０５〜０．１質量％である。前記共重合体の量が０．００５質量％以上であれば、安定液の劣化を十分に抑制することができる。また、０．２質量％以下であれば、取り扱い上、好適な粘性の安定液とすることができる。

以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明は下記実施例により限定されるものではない。
下記実施例及び比較例に示す各種ポリマー剤について、掘削泥水の模擬液を用いて、掘削泥水の劣化抑制の評価試験を行った。

［掘削泥水試料液］
掘削泥水試料液に使用した添加物は、下記のとおりである。
・ベントナイト（「クニゲルＶ２」、クニミネ工業株式会社製）
・ＣＭＣ（「ＤＫハイポリマー２００」、第一工業製薬株式会社製）
・粘土Ａ（粒径２μｍ未満：４１質量％、粒径２μｍ以上５μｍ未満：９質量％、粒径５μｍ以上：５０％）
・粘土Ｂ（粒径２μｍ未満：２０質量％、粒径２μｍ以上５μｍ未満：１０質量％、粒径５μｍ以上：７０％）
なお、粘土Ａ及びＢの粒径は、レーザー回折式粒度分布測定装置により測定した値である。

［評価試験］
（１）純水１Ｌを入れたポリビーカーに、ベントナイト２０ｇを添加し、１０分間撹拌した後、ＣＭＣ２ｇを加え、１０分間撹拌した。
（２）純水１Ｌを入れた別のポリビーカーに、下記実施例及び比較例に示す各種ポリマー剤を所定量（０．１〜２．０ｇ）添加し、３０分間撹拌した。
（３）（１）及び（２）で調製した各液を２Ｌポリビーカーに移して混合し、５分間撹拌した後、２４時間静置し、ＣＭＣを完全に溶解させた。
（４）これに、粘土Ａ及びＢを各２００ｇ添加し、３００ｒｐｍで９０分間撹拌した後、目開き１５０μｍの篩に通し、通過した液について、下記に示す方法により、比重及び粘性の評価測定を行った。なお、ポリマー剤を添加しない場合についても、比較対照のため、比重の評価測定を行った。
（５）測定後の溶液を２Ｌポリビーカーに戻し、上記（４）の操作を２回繰り返した。
粘土分（粘土Ａ及びＢ）に対するポリマー剤の添加量を０．０２〜１．０質量％の範囲で変化させて、各添加量ごとに、比重及び粘性の評価測定を行った。

（評価項目）
＜比重＞
ファンネル粘度計の容器（容量５００ｍＬ）に純水を満たし、純水の重量を秤量した。同様にして、前記容器に測定試料液を満たし、該測定試料液の重量を秤量した。この重量を前記純水の重量で除して、比重を算出した。
比較対照（ポリマー剤未添加）よりも比重が低くなった場合に、比重の低減効果が得られたものと判定した。
＜粘性（ファンネル粘度）＞
ファンネル粘度計の底穴を指で塞ぎ、測定試料液５００ｍＬを注いだ。ファンネル粘度計の下に容器をセットし、底穴から指を離した時点から、ファンネル粘度計の容器内の測定試料液が流下し終わるまでの時間を測定した。この時間をファンネル粘度とした。
掘削工事現場における管理基準に鑑みて、ファンネル粘度が３５秒以下である場合を、粘性上昇の抑制効果が得られたものと判定した。

［ポリマー剤］
ポリマー剤として、下記表１に示すような固有粘度及び重量平均分子量を有するアクリルアミド・アクリル酸ナトリウム共重合体を準備した。これらの各ポリマー剤の固有粘度及び重量平均分子量は、以下のようにして求めた。

（固有粘度）
各ポリマー剤の０．０２〜０．０８％（質量／体積）の５段階のポリマー濃度の試料液を調製した。
３０℃の恒温槽中にセットしたウベローデ粘度計に、試料液１０ｍｌをホールピペットで注入した。試料液の液面を測定球の上標線より５〜１０ｍｍ上まで上昇させた後、自然流下させ、液面が測定球の上標線と下標線との間を通過するのに要する時間を測定した。この操作を各ポリマー濃度について３回繰り返し、各測定値の平均値ｔを求めた。１Ｎ塩化ナトリウム水溶液についても、同様の測定を行い、ブランク値ｔ₀とした。

相対粘度η_rel、比粘度η_sp及び還元粘度η_redは、以下の関係式が成り立つ。
相対粘度η_rel＝ｔ／ｔ₀
比粘度η_sp＝（ｔ−ｔ₀）／ｔ₀＝η_rel−１
還元粘度η_red＝η_sp／ｃ＝（ｔ−ｔ₀）／（ｔ_0・ｃ）
（ここで、ｃはポリマー濃度である。）

したがって、η_ｓｐ／ｃとｌｎ η_rel／ｃとの関係をプロットし、下記の関係式に基づいて、回帰直線（近似直線）の切片を求め、この値を固有粘度［η］とした。

（重量平均分子量）
重量平均分子量Ｍｗは、上記で求めた固有粘度［η］の値を用いて、ポリアクリルアミド系高分子の粘度式：［η］＝３．７３×１０^-4Ｍｗ^0.66から算出した（「ラジカル重合ハンドブック」、株式会社エヌ・ティー・エス、p.558（1999）参照）。

下記表１に、上記各実施例及び比較例のポリマー剤の共重合体の固有粘度、重量平均分子量、全構成モノマー中のアクリル酸ナトリウムの含有量をまとめて示す。

実施例１〜６においては、粘土分に対するポリマー剤の添加量が０．１〜１．０質量％の場合に、粘性上昇が抑制され、また、比重が低減することが認められた。
比較例１については、添加量が０．１質量％未満であっても、測定試料液がゲル化した。比較例２については、添加量が０．２質量％では、測定試料液の粘度が高くなり、添加量が０．４質量％の場合に、測定試料液がゲル化した。比較例３も、比較例１及び２と同様に、固有粘度が高く、添加量が０．２質量％以上になると、粘性が急上昇する傾向が見られた。このため、比較例１〜３については、いずれも、添加量の適性範囲を設定することが困難であり、実用性に欠ける。
比較例４のポリマー剤は分散剤として機能するものであり、粘性の上昇は認められなかったが、添加量の増量に伴い、粘土分の分散性が高まり、比重が増加する傾向が見られた。

Claims (4)

1. アクリルアミドである化合物（Ａ）と、アクリル酸ナトリウムである化合物（Ｂ）との共重合体を含有し、前記共重合体の３０℃の水溶液における固有粘度が０．５〜１０．０ｄＬ／ｇであり、（ｉ）前記共重合体の重量平均分子量が１４０，０００〜４１０，０００で、前記化合物（Ａ）と前記化合物（Ｂ）の合計に対する前記化合物（Ｂ）の割合が１１〜６０モル％であるか、又は、（ｉｉ）前記共重合体の重量平均分子量が２，７９０，０００〜３，１１０，０００で、前記化合物（Ａ）と前記化合物（Ｂ）の合計に対する前記化合物（Ｂ）の割合が６０〜８０モル％である、掘削泥水の劣化抑制剤。
2. 掘削工事中の掘削泥水の劣化を抑制する方法であって、請求項１に記載の劣化抑制剤を、安定液プラント及び安定液循環設備のうちの少なくとも１箇所に添加する、掘削泥水の劣化抑制方法。
3. 前記劣化抑制剤を、掘削泥水中に混入している粘土に対する前記共重合体の添加量が０．１〜１．０質量％となるように、前記掘削泥水に添加する、請求項２に記載の掘削泥水の劣化抑制方法。
4. 前記劣化抑制剤の添加箇所が、安定液作製ミキサー、良液槽、回収槽、及びデカンター入口部のうちのいずれかである、請求項２又は３に記載の掘削泥水の劣化抑制方法。