JP7336352B2

JP7336352B2 - グラウト材

Info

Publication number: JP7336352B2
Application number: JP2019193814A
Authority: JP
Inventors: 高明大西
Original assignee: ライト工業株式会社
Priority date: 2019-10-24
Filing date: 2019-10-24
Publication date: 2023-08-31
Anticipated expiration: 2039-10-24
Also published as: JP2021066826A

Description

本発明は、ソレタンシュ注入工法等において使用可能なグラウト材に関するものである。

ソレタンシュ注入工法等による地盤改良、硬質地盤のクラック充填、トンネル等の裏込などに使用するグラウト材としては、セメント、ベントナイト、及び水を主成分とするいわゆるＣＢ（セメントベントナイト）グラウト材が存在する（例えば、特許文献１参照。）。この注入材は、ベントナイトを使用することで粘性を出し、また、ブリージングの発生を抑制するものである。

しかしながら、従来のグラウト材は、当該グラウト材の成分となる水として海水を利用すると、グラウト材の性能が落ちるとの問題を有している。この点、特に施工場所が、例えば沿岸地域等である場合においては、グラウト材の成分となる水として海水の利用が望まれており、海水の利用可能なグラウト材の開発が望まれている。

特許第５６１４８６７号公報

本発明が解決しようとする主たる課題は、海水を利用することができるグラウト材を提供することにある。

グラウト材の成分となる水として海水を利用すると、当該グラウト材の性能が落ちる。そこで、本発明者等は、グラウト材の性能改良を模索し、種々の試験を行った。結果、海水中のナトリウムイオン、塩化物イオン、マグネシウムイオン、硫酸イオン、カルシウムイオン等の電解質がベントナイトの膨潤を阻害し、もって粘性の低下、ブリージング抑制効果の低下を招くことを知見した。このような知見を基礎として想到するに至ったのが、下記に示す手段である。

（請求項１に記載の手段）
セメントと、粒状物質と、
マグネシウムの水溶性塩を添加してマグネシウムイオン含有量４００ｍｇ／Ｌ以上とした水、
及びマグネシウムイオン含有量が４００ｍｇ／Ｌ以上のマグネシウム含有水に鉄の水溶性塩を添加した水、
の少なくともいずれか一方と、アルカリ金属炭酸塩とを含み、
前記粒状物質のＢＥＴ比表面積が０．１～３００ｍ^２／ｇである、
ことを特徴とするグラウト材。

（請求項２に記載の手段）
前記水溶性塩がマグネシウム水溶性塩である場合において、
マグネシウムイオンの含有量が８００００ｍｇ／Ｌ以下である、
請求項１に記載のグラウト材。

（請求項３に記載の手段）
前記水溶性塩が鉄の水溶性塩である場合において、
鉄イオンの含有量が２００００ｍｇ／Ｌ以下である、
請求項１に記載のグラウト材。

（請求項４に記載の手段）
前記アルカリ金属炭酸塩の含有量が前記水溶性塩の等量を超える、
請求項１～３のいずれか１項に記載のグラウト材。

（請求項５に記載の手段）
前記粒状物質の平均粒子径が２～７５μｍである、
請求項１～４のいずれか１項に記載のグラウト材。

（請求項６に記載の手段）
前記粒状物質がベントナイトである、
請求項１～５のいずれか１項に記載のグラウト材。

（請求項７に記載の手段）
前記マグネシウム含有水がマグネシウムイオン含有量１２００ｍｇ／Ｌ以上の海水である、
請求項１～６のいずれか１項に記載のグラウト材。

本発明によると、海水を利用することができるグラウト材になる。

次に、発明を実施するための形態を説明する。なお、本実施の形態は本発明の一例である。本発明の範囲は、本実施の形態の範囲に限定されない。

本形態のグラウト材は、セメント、粒状物質、マグネシウムを含有する水（以下、単に「マグネシウム含有水」ともいう。）、マグネシウム及び鉄の少なくともいずれか一方の溶解塩、及びアルカリ金属炭酸塩である炭酸ナトリウムを含む。以下、順に説明する。

（セメント）
セメントとしては、例えば、ポルトランドセメント、高炉セメント、混合セメント、シリカセメント、フライアッシュセメント、その他の特殊セメント等を使用することができ、また、セメント系固化材も使用することができる。

セメントの含有量は、グラウト材全量（１ｍ^３）に対して、好ましくは５０～７６０ｋｇ、より好ましくは１００～５００ｋｇ、特に好ましくは１２０～３００ｋｇである。セメントの含有量が５０ｋｇを下回ると、地盤改良等の使用目的での実用強度が発現できないおそれがある。他方、セメントの含有量が７６０ｋｇを上回ると、粘性が高くなり、ポンプ圧送が困難となり、施工ができなくなるおそれがある。

（粒状物質）
粒状物質（粒状の物質）としては、例えば、ベントナイト、カオリン等の粘土鉱物、スラグ、タンカル、タルク、現地発生粘土等を使用することができる。この点、前述したように、グラウト材の成分となる水としてマグネシウム含有水を使用する場合、電解質がベントナイトの膨潤能を阻害するため、ベントナイトの粘性向上効果やブリージング抑制効果が得られなくなる。しかしながら、本形態においては、ベントナイト等の粒状物質を土粒子（砂等）の間隙を埋める材料（増量材）として利用し、もって、孔壁保持材（マッドフィルムを形成）等の強度向上材として機能させるのみであり、膨潤能が阻害されることが問題にならない。したがって、海水を利用することができ、また、ベントナイトはナトリウムベントナイト以外のカルシウムベントナイト等も好適に使用することができる。

ただし、粒状物質としては、ベントナイトを使用するのが好ましい。ベントナイトを使用すると、高い比表面積の効果により粘性を高める効果があり、マグネシウムの量を少なくすることができる。

粒状物質は、ＢＥＴ比表面積が、好ましくは０．１～３００ｍ^２／ｇ、より好ましくは０．３～２００ｍ^２／ｇ、特に好ましくは０．５～１２０ｇ／ｃｍ^２である。粒状物質のＢＥＴ比表面積が０．１ｍ^２／ｇを下回ると、当該粒状物質が沈降し易くなってしまい、増量材としての機能が十分に発揮されないおそれがある。他方、粒状物質のＢＥＴ比表面積が３００ｍ^２／ｇを上回ると、粒子が凝集しやすく、水中に均一に分散できず、間隙充填効果が得られないおそれがある。

本形態において、ＢＥＴ比表面積は、ＪＩＳＺ８８３０：２０１３に準拠して測定した値である。

粒状物質は、粒子径（平均粒子径）が、好ましくは２～７５μｍ、より好ましくは３～７０μｍ、特に好ましくは４～６５μｍである。粒状物質の粒子径が２μｍを下回ると、粒子が土壌間隙に浸透してしまい、土壌表面のマッドフィルム形成能が低下してしまうおそれがある。他方、粒状物質の粒子径が７５μｍを上回ると、当該粒状物質が沈降し易くなってしまい、増量材としての機能が十分に発揮されないおそれがある。

粒状物質の含有量は、グラウト材全量（１ｍ^３）に対して、好ましくは０．１～２００ｋｇ、より好ましくは０．１～１００ｋｇ、特に好ましくは０．１～５０ｋｇである。粒状物質の含有量が０．１ｋｇを下回ると、増量材の量が不十分となり、強度向上効果が十分に得られないおそれがある。他方、粒状物質の含有量が２００ｋｇを上回ると、粒子による粘性増大が著しくなり圧送が不能となるおそれがある。

（マグネシウム含有水）
マグネシウムを含有する水（マグネシウム含有水）としては、例えば、海水等を利用することができる。マグネシウム含有水にはカルシウム等の他の成分が含まれていても良いが、少なくともマグネシウムが含まれている必要がある。したがって、単なる塩水等はマグネシウムが含まれていないため、本形態においては利用することができない。

マグネシウム含有水のマグネシウムイオンの含有量は、グラウト材に対して、好ましくは４００～８００００ｍｇ／Ｌ、より好ましくは１２００～３００００ｍｇ／Ｌ、特に好ましくは２０００～６０００ｍｇ／Ｌである。マグネシウム含有水の含有量が４００ｍｇ／Ｌを下回ると、ブリージングの増大、粘性の不足となるおそれがある。他方、マグネシウム含有水の含有量が８００００ｍｇ／Ｌを上回ると、アルカリ金属炭酸塩を添加した際に流動性を失い、施工できなくなるおそれがある。なお、セメント量は強度、マグネシウム量は粘性及びブリージング量を制御する独立した因子であり、両者の間に直接の関係性はないが、セメント粒子体積が存在するため、セメント添加量（含有量）を増量した場合、体積分のブリージング抑制効果がある。

（水溶性塩）
本形態のグラウト材は炭酸ナトリウム等のアルカリ金属炭酸塩と共にマグネシウム及び鉄の少なくともいずれか一方の水溶性塩（溶解性の塩）を含むため、塩基性の炭酸マグネシウムや水酸化鉄等が析出し、粘性向上効果及びブリージング抑制効果が発揮される。また、この際に塩基性炭酸マグネシウムや水酸化鉄が含水性のゲル状物質になるため、析出物の沈降が抑制される。この点、上記水溶性塩を含まないと、たとえ炭酸ナトリウム等を含むものとしても、粘性が十分に上がらず、また、ブリージング抑制効果が十分に発揮されない。

マグネシウムの水溶性塩及び鉄の水溶性塩は、いずれか一方又は両方を使用することができる。ただし、マグネシウムの水溶性塩を使用した方が、瞬時に粘性の向上効果が大きくなるとの特性がある。他方、鉄の水溶性塩を使用すると、粘性増大効果が遅延して発現するため、長距離圧送等で、初期低粘性時に送液し、地盤中で粘性が増大して各種効果を発揮できるといった使用方法が考えられる。

なお、アルミニウムはアルカリで溶ける両性金属であり、セメントのアルカリを消費してしまう。したがって、アルミニウムの水溶性塩を使用すると、強度低下につながるおそれがある。また、カルシウムは、炭酸ナトリウムによって炭酸カルシウムとして析出するが、経時的に粘性が減少してしまい、地盤中で十分な性能が発揮できないおそれがある。

水溶性塩がマグネシウム水溶性塩である場合において、当該マグネシウム水溶性塩の含有量（グラウト材に対する含有割合）はマグネシウムイオンとして、４００～８００００ｍｇ／Ｌで、より好ましくは１２００～３００００ｍｇ／Ｌ、特に好ましくは２０００～６０００ｍｇ／Ｌでである。マグネシウムイオンの含有量が４００ｍｇ／Ｌを下回ると、粘性が十分に上がらず、また、ブリージング抑制効果が十分に発揮されないおそれがある。他方、マグネシウムイオンの含有量が８００００ｍｇ／Ｌを上回ると、炭酸ナトリウム等を添加した際に流動性を失い、施工できなくなるおそれがある。

水溶性塩が鉄水溶性塩である場合において、当該鉄水溶性塩の含有量（グラウト材に対する含有割合）は鉄イオンとして、４００～２００００ｍｇ／Ｌ好ましくは１０００～１００００ｍｇ／Ｌ、より好ましくは２０００～７０００ｍｇ／Ｌである。鉄イオンの含有量が４００ｍｇ／Ｌを下回ると、粘性が十分に上がらず、また、ブリージング抑制効果が十分に発揮されないおそれがある。他方、鉄イオンの含有量が２００００ｍｇ／Ｌを上回ると、炭酸ナトリウムを添加した際に流動性を失い、施工できなくなるおそれがある。

マグネシウムや鉄の水溶性塩としては、例えば、硫酸塩塩化物塩硝酸塩等を、具体的には、例えば、硫酸マグネシウム、塩化マグネシウム、塩化鉄等を例示することができる。また、鉄塩では鉄イオンの価数によらず、２価鉄塩、３価鉄塩を使用することが出来る。また、ポリ塩化鉄等も使用することが出来る。

（アルカリ金属炭酸塩）
グラウト材が炭酸ナトリウム（ソーダ灰）等のアルカリ金属炭酸塩を含むことによって、塩基性炭酸マグネシウムや水酸化鉄等が析出し、粘性向上効果及びブリージング抑制効果が発揮される。

アルカリ金属炭酸塩の含有量は、水溶性塩の中和量（等量）を超えるのが好ましい。アルカリ金属炭酸塩の含有量が水溶性塩の中和量を以下であると、含有するマグネシウムイオン、鉄イオンの水酸化物の析出が十分ではなくなり、粘性上昇効果、ブリージング阻害効果が十分に発揮されないおそれがある。

アルカリ金属炭酸塩としては、例えば、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム等を使用することができる。ただし、炭酸ナトリウムを使用するのが好ましい。炭酸ナトリウムを使用すると、水への溶解度が高く安価であるため経済的である。

（その他）
本形態のグラウト材には、以上のほか、例えば、現場掘削粘土、削孔スライム等の現場発生微粒子等を配合することができる。

本形態のグラウト材は、注入外管の固定及び粗詰め一次注入材としての使用を考慮すると、ブリージングは２０％以下、好ましくは１０％以下であると好適である。

また、本形態のグラウト材は、低い強度では地盤改良効果が低下するので、５０ＫＮ/ｍ^２以上、好ましくは１００ＫＮ/ｍ^２以上の強度であると好適である。

さらに、高い強度では注入外管固定として使用した場合、注入圧によるクラックが生じず、注入外管からの薬液注入が困難となり、一次注入材としての使用においては、固化部分の注入圧による割裂が生じず、２次注入材の注入が困難となる。したがって、強度は８００ｋＮ/ｍ^２以下、好ましくは５００ｋＮ/ｍ^２以下であると好適である。

前述したように本形態においてはマグネシウム含有水として海水を使用することができるが、使用する海水は希釈されていてもよい。海水には約１２００ｍｇ／Ｌのマグネシウムイオンが含有されているが、例えば３倍に希釈された海水も使用することが出来る。

次に、本発明の実施例を説明する。
表１及び表２に記載の成分及び配合割合でグラウト材を作液し、粘度、ブリージング、及び一軸圧縮強度（材令２８日）を測定する試験を行った。具体的には、作液グラウト材をブリージング袋に入れて供試体を作成し、試験を行った。結果は、表３に示した。なお、表２中の「薬液１Ｌあたり」及び「処理作液用水１Ｌあたり」とは、それぞれ配合された薬液体積あたり、並びにセメント及び粒状物質の体積を除いた溶解塩含有水あたりを意味する。また、空欄部分は、配合なし、又は未実施を意味する。さらに、粒状物質の物性は以下のとおりである。
改質ベントナイト
膨潤性、比表面積（ＢＥＴ１点法）：４３．２５８９ｍ^２／ｇ、５０％粒径（レーザー回析法）：２０．２１μｍ
カオリン
非膨潤性、比表面積（ＢＥＴ１点法）：４．１１２８ｍ^２／ｇ、５０％粒径（レーザー回析法）：７．４６８μｍ
Ｃａベントナイト
非膨潤性、比表面積（ＢＥＴ１点法）：１０６．６２４３ｍ^２／ｇ、５０％粒径（レーザー回析法）：２５．３４μｍ
炭カル微粒子
非膨潤性、比表面積（ＢＥＴ１点法）：０．５３５２ｍ^２／ｇ、５０％粒径（レーザー回析法）：６５．１７μｍ

本発明は、ソレタンシュ注入工法等において使用可能なグラウト材として適用可能である。特にソレタンシュ工法において使用する場合においては、ケーシングロッド内に注入するスリーブグラウト材としても、地盤を粗詰めするために使用する一次注入材としても使用することができる。

Claims

セメントと、粒状物質と、
マグネシウムの水溶性塩を添加してマグネシウムイオン含有量４００ｍｇ／Ｌ以上とした水、
及びマグネシウムイオン含有量が４００ｍｇ／Ｌ以上のマグネシウム含有水に鉄の水溶性塩を添加した水、
の少なくともいずれか一方と、アルカリ金属炭酸塩とを含み、
前記粒状物質のＢＥＴ比表面積が０．１～３００ｍ^２／ｇである、
ことを特徴とするグラウト材。
前記水溶性塩がマグネシウム水溶性塩である場合において、
マグネシウムイオンの含有量が８００００ｍｇ／Ｌ以下である、
請求項１に記載のグラウト材。
前記水溶性塩が鉄の水溶性塩である場合において、
鉄イオンの含有量が２００００ｍｇ／Ｌ以下である、
請求項１に記載のグラウト材。
前記アルカリ金属炭酸塩の含有量が前記水溶性塩の等量を超える、
請求項１～３のいずれか１項に記載のグラウト材。
前記粒状物質の平均粒子径が２～７５μｍである、
請求項１～４のいずれか１項に記載のグラウト材。
前記粒状物質がベントナイトである、
請求項１～５のいずれか１項に記載のグラウト材。
前記マグネシウム含有水がマグネシウムイオン含有量１２００ｍｇ／Ｌ以上の海水である、
請求項１～６のいずれか１項に記載のグラウト材。