JP7368405B2 - 地盤造成用充填材料 - Google Patents
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Description
本発明は、地盤中や地盤と構造物隙間、水中の地盤や地盤と構造物の隙間に存在する空洞の充填材料に関する。
既設構造物と沈下した地盤の間に発生した空洞や、橋台や護岸背面に生じた空洞、樋門や樋管構造物周辺に生じた空洞を充填するために用いられる充填材料には、注入圧力の作用によるせん断力が加わると容易に変形・流動するが、圧力作用がない場合には形状保持する能力により高い施工性と充填性を有することが必要である。さらに、無希釈性能による水際での充填においても、充填後の流下や希釈が存在しないことも必要である。
このような充填材料としては、例えば、特許文献１に、水平に置かれたガラス板の上にフローコーンを置き、フローコーンに、主原料となる水とセメントに添加材を加えたグラウト材を連続的に流し込み、フローコーンを垂直に引き上げ、ガラス板上に広がったグラウト材の最大幅とその垂直方向の幅の平均値であるフロー値が１００～２００ｍｍであり、且つ密閉容器内に格納され、先端の流出口が密閉容器から露出した漏斗内に、前記グラウト材を充填し、密閉容器内に圧縮空気を送り込み、大気圧の状態から０．１ＭＰａの圧力を加えたときの漏斗内のグラウト材が漏斗の流出口から流下しきるまでの流下時間が０．５～３．０秒であるチクソトロピー性を有するグラウト材が開示されている。
ところが、既設構造物と沈下した地盤の間に発生した空洞や、橋台や護岸背面に生じた空洞、樋門や樋管構造物周辺に生じた空洞に充填される地盤造成用の充填材料には、打設時には十分な流動性を有していることが必要であり、圧力が作用しないときは、その場に留まる必要がある。加えて、水中に打設しても水中で分離し難く、水中での安定性が高いことが必要である。
しかしながら、特許文献１に用いられている充填材料では、セメントと水を混合したグラウト材がほとんどであり、充填後に高強度となる問題がある。充填域が高強度となる場合、工事の後工程の支障になることがある。高強度となる充填域は、原地盤との間に境界が発生し、新たな水みちを形成し、弱部となる可能性がある。加えて、これらの充填域の強度はコントロールすることが困難であり、構造物としてみなすことが難しい。
従って、本発明の目的は、さまざまな空洞を充填するための充填材料を提供することであり、圧送ポンプ打設時には十分な流動性を有しており、圧力が作用しないときは、流動しない性質を持ち、且つ、水中で分離せず、高い安定性を有している地盤造成用充填材料を提供することにある。
上記本発明の課題は、以下の本発明によって、解決される。
すなわち、本発明（１）は、少なくとも、砂粒子と、モンモリロナイト粒子と、分子鎖中にアニオン性官能基を有する高分子化合物と、水と、を含有し、
テクスチャー試験における変形性が０．７００以上であり、
テクスチャー試験における減衰性が０．７００以上であること、
を特徴とする地盤造成用充填材料を提供するものである。
すなわち、本発明（１）は、少なくとも、砂粒子と、モンモリロナイト粒子と、分子鎖中にアニオン性官能基を有する高分子化合物と、水と、を含有し、
テクスチャー試験における変形性が０．７００以上であり、
テクスチャー試験における減衰性が０．７００以上であること、
を特徴とする地盤造成用充填材料を提供するものである。
また、本発明（２）は、圧縮クリープ試験における直列弾性率Ｅ１が９００Ｐａ以上であり、並列弾性率Ｅ２が１，０００Ｐａ以上であり、並列部粘度η１が１０，０００Ｐａ・ｓ以上であり、直列部粘度η２が、２００，０００Ｐａ・ｓ以上であることを特徴とする（１）の地盤造成用充填材料を提供するものである。
また、本発明（３）は、水中投下試験における上澄濁度が５０以下であることを特徴とする（１）又は（２）の地盤造成用充填材料を提供するものである。
また、本発明（４）は、前記分子鎖中にアニオン性官能基を有する高分子化合物が、アクリル酸とアクリルアミドの共重合体である直鎖型のアニオン性高分子化合物であることを特徴とする（１）～（３）いずれかの地盤造成用充填材料を提供するものである。
また、本発明（５）は、前記モンモリロナイト粒子に対する前記分子鎖中にアニオン性官能基を有する高分子化合物の質量比（分子鎖中にアニオン性官能基を有する高分子化合物／モンモリロナイト粒子）が、０．０２０～０．５０であることを特徴とする（１）～（４）いずれかの地盤造成用充填材料を提供するものである。
また、本発明（６）は、前記砂粒子に対する前記モンモリロナイト粒子の質量比（モンモリロナイト粒子／砂粒子）が、０．０１０～０．２０であることを特徴とする（１）～（５）いずれかの地盤造成用充填材料を提供するものである。
また、本発明（７）は、前記砂粒子に対する前記分子鎖中にアニオン性官能基を有する高分子化合物の質量比（分子鎖中にアニオン性官能基を有する高分子化合物／砂粒子）が、０．００５０～０．０２０であることを特徴とする（１）～（６）いずれかの地盤造成用充填材料を提供するものである。
また、本発明（８）は、前記地盤造成用充填材料中の水に対する前記モンモリロナイト粒子の質量比（モンモリロナイト粒子／地盤造成用充填材料中の水）が、０．０１０～０．３０であることを特徴とする（１）～（７）いずれかの地盤造成用充填材料を提供するものである。
また、本発明（９）は、前記地盤造成用充填材料中の水に対する前記分子鎖中にアニオン性官能基を有する高分子化合物の質量比（分子鎖中にアニオン性官能基を有する高分子化合物／地盤造成用充填材料中の水）が、０．００５０～０．０２５であることを特徴とする（１）～（８）いずれかの地盤造成用充填材料を提供するものである。
本発明によれば、さまざまな空洞を充填するための充填材料を提供することであり、圧送ポンプ打設時には十分な流動性を有しており、圧力が作用しないときは、流動しない性質を持ち、且つ、水中で分離せず、高い安定性を有している地盤造成用充填材料を提供することができる。また、本充填材料は砂材料を主材としているので高強度を発現するものではない。
本発明の地盤造成用充填材料は、少なくとも、砂粒子と、モンモリロナイト粒子と、分子鎖中にアニオン性官能基を有する高分子化合物と、水と、を含有し、
テクスチャー試験における変形性が０．７００以上であり、
テクスチャー試験における減衰性が０．７００以上であること、
を特徴とする地盤造成用充填材料である。
また、本発明の地盤造成用充填材料は、好ましくは直列弾性率Ｅ１が９００Ｐａ以上であり、並列弾性率Ｅ２が１，０００Ｐａ以上であり、並列部粘度η１が１０，０００Ｐａ・ｓ以上であり、直列部粘度η２が、２００，０００Ｐａ・ｓ以上である。
また、本発明の地盤造成用充填材料は、好ましくは水中投下試験における上澄濁度が５０以下である。
テクスチャー試験における変形性が０．７００以上であり、
テクスチャー試験における減衰性が０．７００以上であること、
を特徴とする地盤造成用充填材料である。
また、本発明の地盤造成用充填材料は、好ましくは直列弾性率Ｅ１が９００Ｐａ以上であり、並列弾性率Ｅ２が１，０００Ｐａ以上であり、並列部粘度η１が１０，０００Ｐａ・ｓ以上であり、直列部粘度η２が、２００，０００Ｐａ・ｓ以上である。
また、本発明の地盤造成用充填材料は、好ましくは水中投下試験における上澄濁度が５０以下である。
本発明の地盤造成用充填材料は、少なくとも、砂粒子と、モンモリロナイト粒子と、分子鎖中にアニオン性官能基を有する高分子化合物と、水と、を含有する。
砂粒子は、特に制限されず、例えば、砂、シルトや礫を含む砂、砕石及びスラグ、現場発生土等であればよい。また、砂粒子の粒径は、特に制限されず、好ましくは、粒径が０．０７４～２．０ｍｍ程度を主体としたものであり、最大粒径は、好ましくは９．５ｍｍ以下である。
モンモリロナイト粒子は、複数のモンモリロナイト単位結晶が、層状に重なったものである。このモンモリロナイト単位結晶は、ケイ素原子と酸素原子により形成される四面体がシート状に連なった四面体シートと、アルミニウム原子と水酸基の八面体がシート状に連なった八面体シートと、からなっており、１枚の八面体シートが２枚の四面体シートに挟まれたサンドウィッチ構造を有している。
モンモリロナイト粒子は、平板状の形状であり、水中飽和時の径が５～１０μｍ程度である。
モンモリロナイト単位結晶は、ベントナイト、酸性白土等の主成分である。ベントナイトは、凝灰岩の一種であり、熱変遷、応力変遷を長時間受けて、化学的に変化したモンモリロナイトを主成分とした岩石である。本発明の地盤造成用充填材料のモンモリロナイト粒子の原料としては、ベントナイトが好ましい。そして、本発明の地盤造成用充填材料の原料としては、ベントナイトを粉砕し、粉末状にされたものが好適に用いられる。
分子鎖中にアニオン性官能基を有する高分子化合物は、分子鎖中にアニオン性の官能基を有し、モンモリロナイト粒子の側部と静電気的に結合できるものであれば、特に制限されない。分子鎖中にアニオン性官能基を有する高分子化合物としては、例えば、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、マレイン酸、アクリルアミド２－メチルプロパンスルフォン酸、ビニルスルフォン酸、スチレンスルフォン酸等の単独重合物、あるいは、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、マレイン酸、アクリルアミド２－メチルプロパンスルフォン酸、ビニルスルフォン酸及びスチレンスルフォン酸のうちの１種以上とアクリルアミドとの共重合物等が挙げられる。例えば、分子鎖中にアニオン性官能基を有する高分子化合物としては、アクリル酸とアクリルアミドとの共重合物である直鎖型のアニオン性高分子化合物が挙げられる。
分子鎖中にアニオン性官能基を有する高分子化合物の分子量は、特に制限されないが、好ましくは２００万以上、１０００万以下である。分子鎖中にアニオン性官能基を有する高分子化合物は、イオン化度が０～１００モル％のアクリル系高分子からなる粉末状と分散粒子径が１００μｍ以下の油中水型エマルジョン形態のものである。なお、高分子化合物の分子量は、特公昭３４－１０６４４号公報などに記載の公知の方法で製造することができる。
本発明の地盤造成用充填材料は、水を含有している。水は、モンモリロナイト粒子の平板状結合体が繋がる間隙中に存在し、間隙の大きさを保持するために添加される。
本発明の地盤造成用充填材料のテクスチャー試験における変形性は、０．７００以上、好ましくは０．７００～１．４００、より好ましくは０．８００～１．３５０、特に好ましくは１．０００～１．３５０である。地盤造成用充填材料のテクスチャー試験における変形性が、上記範囲にあることにより、荷重を加えられても、大変形若しくは破損せず、元の形状に復元する弾性の性質を有する。本発明の地盤造成用充填材料は、この粘弾性体としての性質が高いことで、打設時には十分な流動性を有し、圧力が作用しない場合は、その場に留まることで高い充填性を有する。一方、地盤造成用充填材料のテクスチャー試験における変形性が、上記範囲未満だと、施工時の圧力の増減などによって、材料が劣化し、充填性が損なわれ、また、上記範囲を超えると、施工時の圧力などに対する反力が異常に大きくなり、施工性が失われる可能性がある。
本発明の地盤造成用充填材料のテクスチャー試験における減衰性は、０．７００以上、好ましくは０．７００～１．２００、より好ましくは０．８００～１．２００、特に好ましくは１．０００～１．２００である。地盤造成用充填材料のテクスチャー試験における減衰性が、上記範囲にあることにより、荷重を加えられても、大変形若しくは破損せず、元の形状に復元する弾性の性質を有する。本発明の地盤造成用充填材料は、この粘弾性体としての性質が高いことで、打設時には十分な流動性を有し、圧力が作用しない場合は、その場に留まることで高い充填性を有する。一方、地盤造成用充填材料のテクスチャー試験における減衰性が、上記範囲未満だと、施工時の圧力の増減などによって、材料が劣化し、充填性が損なわれ、また、上記範囲を超えると、施工時の圧力などに対する反力が異常に大きくなり、施工性が失われる可能性がある。
テクスチャー試験は、食品の物性検査などで使用される周知の試験である。室温下、所定容器に試料（充填材）を充填し、試験装置にセットした後、「変形性」を確認する場合、先ず、シリンダーを一定速度で上下させて、試料上面から２０ｍｍの貫入及び引抜を行い（１回目）、次いで、１回目と同様に、シリンダーを一定速度で上下させ、試料上面から２０ｍｍの貫入及び引抜を行い（２回目）、その試験力の変化曲線を求め、また、「減衰性」を確認する場合、先ず、シリンダーを一定速度で上下させて、試料上面から４ｍｍの貫入及び引抜を行い（１回目）、次いで、これを９回繰り返すことで、その試験力の変化を求める。テクスチャー試験における「貫入応力」は、貫入時の最大荷重ｈａを応力に換算して貫入応力（Ｐａ）としたものである。なお、テクスチャー試験においては、試験毎に変化曲線を描かせなくとも、各物性値を自動的に表示することができる。
一般に試料に負荷（荷重）を加えると、試料は変形若しくは破損したりする。テクスチャー試験における「変形性」であるが、負荷を２回連続で加えて、１回目と２回目の負荷面積（エネルギー）の比を「変形性」とする。従って、「変形性＝１」とは、１回目で変形はするものの、元の形状に復元し、２回目も同様の挙動を示す弾性の性質を持ったものである。
また、テクスチャー試験における「減衰性」であるが、負荷を９回連続で加えて、１回目の貫入応力（Ｐａ）に対する、各回の貫入応力（Ｐａ）の比（貫入応力２回目／貫入応力１回目、貫入応力３回目／貫入応力１回目、貫入応力４回目／貫入応力１回目、・・・貫入応力９回目／貫入応力１回目）を求め、それらの平均値を「減衰性」とする。従って、「減衰性＝１」とは、１回目で変形はするものの、元の形状に復元し、９回目の貫入時も同様の挙動を示す弾性の性質をもったものである。
また、テクスチャー試験における「減衰性」であるが、負荷を９回連続で加えて、１回目の貫入応力（Ｐａ）に対する、各回の貫入応力（Ｐａ）の比（貫入応力２回目／貫入応力１回目、貫入応力３回目／貫入応力１回目、貫入応力４回目／貫入応力１回目、・・・貫入応力９回目／貫入応力１回目）を求め、それらの平均値を「減衰性」とする。従って、「減衰性＝１」とは、１回目で変形はするものの、元の形状に復元し、９回目の貫入時も同様の挙動を示す弾性の性質をもったものである。
本発明の地盤造成用充填材料の直列弾性率Ｅ１は、９００Ｐａ以上、好ましくは１，５００Ｐａ以上、特に好ましくは２，０００Ｐａ以上であり、並列弾性率Ｅ２は、１，０００Ｐａ以上、好ましくは１，３００Ｐａ以上であり、特に好ましくは１，５００Ｐａ以上である。本発明の地盤造成用充填材料の並列部粘度η１は、１０，０００Ｐａ・ｓ以上、好ましくは５０，０００Ｐａ・ｓ以上、特に好ましくは６０，０００Ｐａ・ｓ以上であり、直列部粘度η２は、２００，０００Ｐａ・ｓ以上、好ましくは５００，０００Ｐａ・ｓ以上、特に好ましくは６００，０００Ｐａ・ｓ以上である。
地盤造成用充填材料の直列弾性率Ｅ１、並列弾性率Ｅ２、並列部粘度η１及び直列部粘度η２が、上記範囲にあることにより、荷重を加えられても、大変形若しくは破損せず、元の形状に復元する弾性の性質を有する。本発明の地盤造成用充填材料は、この粘弾性体としての性質が高いことで、打設時には十分な流動性を有し、圧力が作用しない場合は、その場に留まることで高い充填性を有する。一方、地盤造成用充填材料の直列弾性率Ｅ１、並列弾性率Ｅ２、並列部粘度η１又は直列部粘度η２が、上記範囲未満だと、施工時の圧力の増減によって、材料が劣化し、充填性が損なわれる可能性がある。
地盤造成用充填材料の直列弾性率Ｅ１、並列弾性率Ｅ２、並列部粘度η１及び直列部粘度η２が、上記範囲にあることにより、荷重を加えられても、大変形若しくは破損せず、元の形状に復元する弾性の性質を有する。本発明の地盤造成用充填材料は、この粘弾性体としての性質が高いことで、打設時には十分な流動性を有し、圧力が作用しない場合は、その場に留まることで高い充填性を有する。一方、地盤造成用充填材料の直列弾性率Ｅ１、並列弾性率Ｅ２、並列部粘度η１又は直列部粘度η２が、上記範囲未満だと、施工時の圧力の増減によって、材料が劣化し、充填性が損なわれる可能性がある。
本発明において、地盤造成用充填材料の弾性率Ｅ（Ｐａ）及び粘度η（Ｐａ・ｓ）は、ＴＡ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製 粘弾性測定装置 ＡＲＥＳ－Ｇ２（ＪＩＳＫ７１３２:１９９９「硬質発泡プラスチック 規定荷重および温度条件下における圧縮クリープの測定方法」４．３荷重装置に準拠）による圧縮クリープ試験における圧縮クリープコンプライアンス Ｊ(ｔ)をＢｕｒｇｅｒｓモデル近似から測定される。
本発明の地盤造成用充填材料の水中投下試験における上澄濁度は、５０以下、好ましくは２０以下である。地盤造成用充填材料の水中投下試験における上澄濁度が、上記範囲にあることにより、水に対する安定性が高く、水中に直接落下させても水中で分離し難い。一方、地盤造成用充填材料の水中投下試験における上澄濁度が、上記範囲を超えると、水に対する安定性が低く、水中に直接落下させると分離してしまったり、充填後の水の流れによって、希釈されたり、消失してしまう。
本発明において、地盤造成用充填材料の水中投下試験における上澄濁度は、室温下、１０００ｍｌのメスシリンダーに、水道水を７００ｍｌ入れ、開口部に最小径が４０ｍｍの漏斗をセットし、４０２．１２ｍｌ（Ｘ）の充填材Ａ１の塊状物を漏斗を通して、水道水中に重力投下する。投下後、塊状物は水中を落下し、底に沈降、充填される。充填材静置後、塊状物の体積（Ｙ）を読み取り、充填性（（Ｙ）／（Ｘ））を測定する。その後、上澄み３００ｍｌを採取し、濁水の色調を目視観察すると共に、濁度計（共立理化学研究所 製；型番ＤＰＭ２－ＴＢ５００）により、濁度を測定し、確認される。
本発明の地盤造成用充填材料の充填性（（Ｙ）／（Ｘ））は、１．００～１．２０、好ましくは１．００～１．１０、特に好ましくは１．００～１．０５である。地盤造成用充填材料の充填性（（Ｙ）／（Ｘ））が、上記範囲にあることにより、充填中に充填材料同士が結合し、自重によって充填材料の間の隙間を充填することができ、高い充填性を得る。一方、地盤造成用充填材料の充填性（（Ｙ）／（Ｘ））が、上記範囲未満だと、空洞充填時に充填した体積に対して、充填後の体積が小さくなるため、確実な充填ができず、また、上記範囲を超えると、充填時にできた間隙を充填することができない。
本発明の地盤造成用充填材料中、モンモリロナイト粒子に対する分子鎖中にアニオン性官能基を有する高分子化合物の質量比（分子鎖中にアニオン性官能基を有する高分子化合物／モンモリロナイト粒子）は、好ましくは０．０２０～０．５０、特に好ましくは０．１７～０．１９である。モンモリロナイト粒子に対する分子鎖中にアニオン性官能基を有する高分子化合物の質量比（分子鎖中にアニオン性官能基を有する高分子化合物／モンモリロナイト粒子）が上記範囲にあることにより、モンモリロナイト粒子の平板状結合物が作成でき、高い弾性の性質と水中での安定性を得ることができる。
本発明の地盤造成用充填材料中、砂粒子に対するモンモリロナイト粒子の質量比（モンモリロナイト粒子／砂粒子）は、好ましくは０．０１０～０．２０、特に好ましくは０．０６０～０．０８０である。砂粒子に対するモンモリロナイトの質量比（モンモリロナイト粒子／砂粒子）が、上記範囲にあることにより、モンモリロナイト粒子の平板状結合物からなる積層構造の中に砂粒子を内包することができ、一体な充填材料となる。
本発明の地盤造成用充填材料中、砂粒子に対する分子鎖中にアニオン性官能基を有する高分子化合物の質量比（分子鎖中にアニオン性官能基を有する高分子化合物／砂粒子）は、好ましくは０．００５０～０．０２０、特に好ましくは０．０１０～０．０１５である。砂粒子に対する分子鎖中にアニオン性官能基を有する高分子化合物の質量比（分子鎖中にアニオン性官能基を有する高分子化合物子／砂粒子）が、上記範囲にあることにより、モンモリロナイト粒子の平板状結合物からなる積層構造の中に砂粒子を内包することができ、一体な充填材料となる。
本発明の地盤造成用充填材料中、水（地盤造成用充填材料中の水分）に対するモンモリロナイト粒子の質量比（モンモリロナイト粒子／水）は、好ましくは０．０１０～０．３０、特に好ましくは０．０７０～０．１０である。水に対するモンモリロナイト粒子の質量比（モンモリロナイト粒子／水）が、上記範囲にあることにより、充填材料が施工可能な硬さとなる。
本発明の地盤造成用充填材料中、水（地盤造成用充填材料中の水分）に対する分子鎖中にアニオン性官能基を有する高分子化合物の質量比（分子鎖中にアニオン性官能基を有する高分子化合物／水）は好ましくは０．００５０～０．０２５、特に好ましくは０．０１３～０．０１９である。水に対する分子鎖中にアニオン性官能基を有する高分子化合物の質量比（分子鎖中にアニオン性官能基を有する高分子化合物／水）が、上記範囲にあることにより、充填材料が施工可能な硬さとなる。
本発明の地盤造成用充填材料は、上記以外に、適宜、地盤造成用充填材料に用いられる他の成分を含有することができる。本発明の地盤造成用充填材料に適宜含有される他の成分としては、例えば、ポリカルボン酸塩アニオン系界面活性剤等の分散剤が挙げられる。
本発明の地盤造成用充填材料は、モンモリロナイト粒子が結合することにより形成されているモンモリロナイト粒子の平板状結合物を有する。モンモリロナイト粒子の平板状結合物は、形状が平板状であり、且つ、三次元方向に繋がっている。なお、三次元方向に繋がるとは、二次元方向に広がった平板状のものが層状に重なった構造ではなく、二次元方向に広がる平板状の結合物の側部が、他の二次元方向に広がる平板状の結合物の平坦部に繋がっている構造を指す。
また、本発明の地盤造成用充填材料では、モンモリロナイト粒子の平板状結合物が、砂粒子を覆っている。そして、本発明の地盤造成用充填材料では、三次元方向に広がっているモンモリロナイト粒子の平板状結合物に、砂粒子が覆われることにより、砂粒子が、本発明の地盤造成用充填材料に保持されている。
本発明の地盤造成用充填材料において、モンモリロナイト粒子の平板状結合物は、モンモリロナイト粒子と、分子鎖中にアニオン性官能基を有する高分子化合物と、からなる。そして、モンモリロナイト粒子の側部に存在するプラスの電荷と、分子鎖中にアニオン性官能基を有する高分子化合物の分子鎖に点在するマイナスの電荷とにより、モンモリロナイト粒子の側部が、分子鎖中にアニオン性官能基を有する高分子化合物の分子鎖と、静電気的に結合する。このことにより、複数のモンモリロナイト粒子が、分子鎖中にアニオン性官能基を有する高分子化合物を介して結合し、モンモリロナイト粒子の平板状結合物を形成している。
本発明の地盤造成用充填材料は、チクソトロピー性が高く、空洞への打設性に優れている。また、本発明の地盤造成用充填材料は、水に対する安定性が高く遮水性に優れている。また、本充填材料は砂材料を主材としているので高強度を発現するものではない。
本発明の地盤造成用充填材料を製造する方法は、特に制限されず、如何なる製造方法で製造されたものであってもよい。以下に、本発明の地盤造成用充填材料を製造する方法の一例を示すが、本発明は当該方法により製造されたものに限定されない。
本発明の地盤造成用充填材料を製造する方法としては、例えば、砂粒子と、ベントナイト粉末（モンモリロナイト粒子）と、必要に応じて水と、を混合し、撹拌する第一工程と、第一工程を行い得られる混合物（１）に、分散剤を溶解させた調整水を混合し、撹拌する第二工程と、第二工程を行い得られる混合物（２）に、分子鎖中にアニオン性官能基を有する高分子化合物を溶解させた高分子化合物溶液を混合し、撹拌する第三工程と、を有する地盤造成用充填材料の製造方法が挙げられる。
通常、砂粒子は、湿潤状態であることが多く、第一工程では、そのような湿潤状態のものを、砂粒子として用いることができる。また、第一工程では、乾燥状態の砂粒子や湿潤状態の砂粒子を、予め水と混合することにより、適度に湿潤させたものを、砂粒子として用いることもできる。そして、第一工程では、水で湿潤させた砂粒子と、ベントナイト粉末と、必要に応じ水と、を混合し、例えば、６０～１２０秒間撹拌することにより、砂粒子中にベントナイト粉末を拡散させる。砂粒子とベントナイト粉末の混合比は、砂粒子（水を除く。）に対するベントナイト粉末の質量比（ベントナイト粉末／砂粒子）が、好ましくは０．０１０～０．２０、より好ましくは０．０５０～０．０９０、特に好ましくは０．０６０～０．０８０となる混合比である。
第二工程に係る分散剤は、本発明の地盤造成用充填材料に係る分散剤と同様である。第二工程では、予め、分散剤を調整水に溶解させて、分散剤を溶解させた調整水を調製し、第一工程を行い得られる混合物（１）に、分散剤を溶解させた調整水を混合し、例えば、６０～２４０秒間撹拌する。分散剤を溶解させた調整水中の分散剤の含有量は、適宜選択されるが、分散剤の含有率は好ましくは０．１～１．５質量％である。第二工程において、混合物（１）と分散剤を溶解させた調整水の混合量は、調整水（分散剤を除く。）に対するベントナイト粉末の質量比（ベントナイト粉末／地盤造成用充填材料中の水）が、好ましくは０．０１０～０．３０、より好ましくは０．０３０～０．１２、特に好ましくは０．０７０～０．１０となる混合量である。
第三工程に係る分子鎖中にアニオン性官能基を有する高分子化合物は、本発明の地盤造成用充填材料に係る分子鎖中にアニオン性官能基を有する高分子化合物と同様である。第三工程に係る高分子化合物溶液中、分子鎖中にアニオン性官能基を有する高分子化合物の含有率は、適宜選択されるが、好ましくは０．５～１５．０質量％である。第三工程では、第二工程を行い得られる混合物（２）に、高分子化合物溶液を混合し、例えば、６０～３６０秒間撹拌する。第三工程において、高分子化合物の混合量は、第一工程で混合した水分量（混合前の砂粒子が含水している水分も含む。）と、第二工程で混合した分散剤を溶解させた調整水中の水分量と、高分子化合物溶液中の水分量の合計に対する高分子化合物の質量比（高分子化合物／第一工程、第二工程及び第三工程で用いられた水分量の合計）が、好ましくは０．００５０～０．０２５、より好ましくは０．０１１～０．０２１、特に好ましくは０．０１３～０．０１９となる混合量である。また、高分子化合物の混合量は、ベントナイト粉末に対する分子鎖中にアニオン性官能基を有する高分子化合物の質量比（高分子化合物／モンモリロナイト粒子）が、好ましくは０．０２０～０．５０、より好ましくは０．１３～０．２４、特に好ましくは０．１７～０．１９となる混合量である。また、高分子化合物の混合量は、砂粒子に対する分子鎖中にアニオン性官能基を有する高分子化合物の質量比（高分子化合物／砂粒子）が、好ましくは０．００５０～０．０２０、より好ましくは０．００７０～０．０１８、特に好ましくは０．０１０～０．０１５となる混合量である。
そして、上記本発明の地盤造成用充填材料を製造する方法を行うことにより、本発明の地盤造成用充填材料が得られる。
本発明の地盤造成用充填材料は、適宜の方法により調製された後、そのまま、地盤造成対象の地中に打設されてもよいし、あるいは、セメント溶液が混合及び撹拌された後、得られる混合物が、地盤造成対象の地中に打設されてもよい。
セメント溶液とは、粉体のセメント固化材を水に溶解させたものである。本発明において、セメント固化材と地盤造成用充填材料中の砂粒子との混合比は、特に制限されず、適宜選択されるが、通常、５０：１０００～１５０：１０００である。
以下に実施例を挙げて、本発明を更に具体的に説明するが、本発明にそれに限定されるものではない。
（実施例１）
（第一工程）
麻生砂（含水比：１０．８質量％、茨城県産 山砂、土粒子の密度ρs ２．６９２ｇ／ｃｍ３、細粒分含有率４．０％）１０００ｇに、ベントナイト粉末（ホージュン社製、乾式フルイ残分 １０．０％／５３μｍ以下）７０ｇを混合し、６０秒間撹拌し、混合物（１）を得た。
（第二工程）
次いで、水４９２ｇに、分散剤（ポリカルボン酸塩アニオン系界面活性剤）５.０ｇを溶解させて、分散剤を溶解させた調整水を調製した。次いで、上記で得た混合物（１）に分散剤を溶解させた調整水の全量を混合し、１２０秒間撹拌し、混合物（２）を得た。
（第三工程）
次いで、水２００ｇに、アクリル酸とアクリルアミドの共重合物（ハイモ株式会社製、商品名ＳＡＶＥ－ＳＰ工法用添加剤 Ｌ１号）１２．８ｇを溶解させて、高分子化合物溶液を調製した。次いで、上記で得た混合物（２）に高分子化合物溶液の全量を混合し、３００秒間撹拌し、地盤造成用充填材料を得た。
次いで、得られた地盤造成用充填材料のＳＥＭ観察を行い、ＳＥＭ写真を得た。その結果を図１（１００倍）及び図２（２００倍）に示す。また、粘弾性率の測定、テクスチャー試験、水中投下試験を行った。その結果を表１に示す。
次いで、得られた地盤造成用充填材料の以下の性能評価を行った。その結果を表１に示す。
（第一工程）
麻生砂（含水比：１０．８質量％、茨城県産 山砂、土粒子の密度ρs ２．６９２ｇ／ｃｍ３、細粒分含有率４．０％）１０００ｇに、ベントナイト粉末（ホージュン社製、乾式フルイ残分 １０．０％／５３μｍ以下）７０ｇを混合し、６０秒間撹拌し、混合物（１）を得た。
（第二工程）
次いで、水４９２ｇに、分散剤（ポリカルボン酸塩アニオン系界面活性剤）５.０ｇを溶解させて、分散剤を溶解させた調整水を調製した。次いで、上記で得た混合物（１）に分散剤を溶解させた調整水の全量を混合し、１２０秒間撹拌し、混合物（２）を得た。
（第三工程）
次いで、水２００ｇに、アクリル酸とアクリルアミドの共重合物（ハイモ株式会社製、商品名ＳＡＶＥ－ＳＰ工法用添加剤 Ｌ１号）１２．８ｇを溶解させて、高分子化合物溶液を調製した。次いで、上記で得た混合物（２）に高分子化合物溶液の全量を混合し、３００秒間撹拌し、地盤造成用充填材料を得た。
次いで、得られた地盤造成用充填材料のＳＥＭ観察を行い、ＳＥＭ写真を得た。その結果を図１（１００倍）及び図２（２００倍）に示す。また、粘弾性率の測定、テクスチャー試験、水中投下試験を行った。その結果を表１に示す。
次いで、得られた地盤造成用充填材料の以下の性能評価を行った。その結果を表１に示す。
＜評価方法＞
（走査型電子顕微鏡観察（ＳＥＭ））
試料を、１瞬間凍結、２フリーズドライ、３乾燥試料の切片採取の手順で前処理した。
次いで、走査型電子顕微鏡（ＪＳＭ－ＩＴ５００ＨＲ、日本電子株式会社製）を用いて、信号ＳＥＤ、入射電圧３．０ｋＶ、ＷＤ５０．０ｍｍ、倍率：１００倍及び２００倍の条件で、測定した。
（走査型電子顕微鏡観察（ＳＥＭ））
試料を、１瞬間凍結、２フリーズドライ、３乾燥試料の切片採取の手順で前処理した。
次いで、走査型電子顕微鏡（ＪＳＭ－ＩＴ５００ＨＲ、日本電子株式会社製）を用いて、信号ＳＥＤ、入射電圧３．０ｋＶ、ＷＤ５０．０ｍｍ、倍率：１００倍及び２００倍の条件で、測定した。
（弾性率Ｅ（Ｐａ）と粘度η（Ｐａ・ｓ））
ＴＡ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製粘弾性測定装置 ＡＲＥＳ－Ｇ２（ＪＩＳＫ７１３２：１９９９「硬質発泡プラスチック 規定荷重および温度条件下における圧縮クリープの測定方法」４．３荷重装置に準拠）による圧縮クリープ試験における圧縮クリープコンプライアンス Ｊ（ｔ）をＢｕｒｇｅｒｓモデル近似から、弾性率Ｅ（Ｐａ）と粘度η（Ｐａ・ｓ）を求めた。
ＴＡ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製粘弾性測定装置 ＡＲＥＳ－Ｇ２（ＪＩＳＫ７１３２：１９９９「硬質発泡プラスチック 規定荷重および温度条件下における圧縮クリープの測定方法」４．３荷重装置に準拠）による圧縮クリープ試験における圧縮クリープコンプライアンス Ｊ（ｔ）をＢｕｒｇｅｒｓモデル近似から、弾性率Ｅ（Ｐａ）と粘度η（Ｐａ・ｓ）を求めた。
（テクスチャー試験 「変形性」）
テクスチャー試験装置（山電社製、卓上式物性測定器）を用いて、室温下、所定容器に試料（充填材）を充填し、試験装置にセットした後、先ず、シリンダーを一定速度で上下させて、試料上面から２０ｍｍの貫入及び引抜を行い（１回目）、次いで、１回目と同様に、シリンダーを一定速度で上下させ、試料上面から２０ｍｍの貫入及び引抜を行い（２回目）、貫入応力（Ｐａ）、貫入エネルギー（Ｊ／ｍ３）、変形性（Ａ２／Ａ１）を求めた。なお、変形性（Ａ２／Ａ１）とは、１回目と２回目の負荷面積（エネルギー）の比を指す。
テクスチャー試験装置（山電社製、卓上式物性測定器）を用いて、室温下、所定容器に試料（充填材）を充填し、試験装置にセットした後、先ず、シリンダーを一定速度で上下させて、試料上面から２０ｍｍの貫入及び引抜を行い（１回目）、次いで、１回目と同様に、シリンダーを一定速度で上下させ、試料上面から２０ｍｍの貫入及び引抜を行い（２回目）、貫入応力（Ｐａ）、貫入エネルギー（Ｊ／ｍ３）、変形性（Ａ２／Ａ１）を求めた。なお、変形性（Ａ２／Ａ１）とは、１回目と２回目の負荷面積（エネルギー）の比を指す。
（テクスチャー試験 「減衰性」）
テクスチャー試験装置（山電社製、卓上式物性測定器）を用いて、室温下、所定容器に試料（充填材）を充填し、試験装置にセットした後、先ず、シリンダーを一定速度で上下させて、試料上面から４ｍｍの貫入及び引抜を行い（１回目）、次いで、１回目と同様に、シリンダーを一定速度で上下させ、試料上面から４ｍｍの貫入及び引抜を行い（２回目）、貫入応力（Ｐａ）、貫入エネルギー（Ｊ／ｍ３）、貫入応力比（貫入応力２回目／貫入応力１回目）を求めた。この動作を９回繰り返した。次いで、１回目の貫入応力（Ｐａ）に対する、各回の貫入応力（Ｐａ）の比（貫入応力２回目／貫入応力１回目、貫入応力３回目／貫入応力１回目、貫入応力４回目／貫入応力１回目、・・・貫入応力９回目／貫入応力１回目）を求め、それらの平均値を「減衰性」とした。
テクスチャー試験装置（山電社製、卓上式物性測定器）を用いて、室温下、所定容器に試料（充填材）を充填し、試験装置にセットした後、先ず、シリンダーを一定速度で上下させて、試料上面から４ｍｍの貫入及び引抜を行い（１回目）、次いで、１回目と同様に、シリンダーを一定速度で上下させ、試料上面から４ｍｍの貫入及び引抜を行い（２回目）、貫入応力（Ｐａ）、貫入エネルギー（Ｊ／ｍ３）、貫入応力比（貫入応力２回目／貫入応力１回目）を求めた。この動作を９回繰り返した。次いで、１回目の貫入応力（Ｐａ）に対する、各回の貫入応力（Ｐａ）の比（貫入応力２回目／貫入応力１回目、貫入応力３回目／貫入応力１回目、貫入応力４回目／貫入応力１回目、・・・貫入応力９回目／貫入応力１回目）を求め、それらの平均値を「減衰性」とした。
（水中投下試験）
室温下、１０００ｍｌのメスシリンダーに、水道水を７００ｍｌ入れ、開口部に最小径が（４０ｍｍ）の漏斗をセットし、４０２．１２ｍｌ（Ｘ）の充填材Ａ１の塊状物を漏斗を通して、水道水中に重力投下した。投下後、塊状物は水中を落下し、底に沈降、充填された。充填材静置後、塊状物の体積（Ｙ）を読み取り、充填性（（Ｙ）／（Ｘ））を測定した。また、上澄み３００ｍｌを採取し、濁水の色調を目視観察すると共に、濁度計（共立理化学研究所製、型番ＤＰＭ２－ＴＢ５００）により、濁度を測定した。
室温下、１０００ｍｌのメスシリンダーに、水道水を７００ｍｌ入れ、開口部に最小径が（４０ｍｍ）の漏斗をセットし、４０２．１２ｍｌ（Ｘ）の充填材Ａ１の塊状物を漏斗を通して、水道水中に重力投下した。投下後、塊状物は水中を落下し、底に沈降、充填された。充填材静置後、塊状物の体積（Ｙ）を読み取り、充填性（（Ｙ）／（Ｘ））を測定した。また、上澄み３００ｍｌを採取し、濁水の色調を目視観察すると共に、濁度計（共立理化学研究所製、型番ＤＰＭ２－ＴＢ５００）により、濁度を測定した。
＜性能評価＞
（空洞への打設性能評価）
テクスチャー試験における変形性が０．７００上であり、テクスチャー試験における減衰性が０．７００以上であり、直列弾性率Ｅ１が９００Ｐａ以上であり、並列弾性率Ｅ２が１，０００以上でＰａであり、且つ、並列部粘度η１が、１０，０００Ｐａ・ｓ以上であり、直列部粘度η２が、２００，０００Ｐａ・ｓ以上である場合、空洞への打設性能が良好「〇」とし、テクスチャー試験における変形性、テクスチャー試験における減衰性、直列弾性率Ｅ１及び並列弾性率Ｅ２のうちのいずれか１つでも、上記範囲を満たさない場合、空洞への打設性能が不良「×」とした。
（水中安定性評価）
水中投下試験における上澄濁度が５０以下である場合、水中安定性が良好「〇」とし、水中投下試験における上澄濁度が５０を超える場合、水中安定性が不良「×」とした。
（空洞への打設性能評価）
テクスチャー試験における変形性が０．７００上であり、テクスチャー試験における減衰性が０．７００以上であり、直列弾性率Ｅ１が９００Ｐａ以上であり、並列弾性率Ｅ２が１，０００以上でＰａであり、且つ、並列部粘度η１が、１０，０００Ｐａ・ｓ以上であり、直列部粘度η２が、２００，０００Ｐａ・ｓ以上である場合、空洞への打設性能が良好「〇」とし、テクスチャー試験における変形性、テクスチャー試験における減衰性、直列弾性率Ｅ１及び並列弾性率Ｅ２のうちのいずれか１つでも、上記範囲を満たさない場合、空洞への打設性能が不良「×」とした。
（水中安定性評価）
水中投下試験における上澄濁度が５０以下である場合、水中安定性が良好「〇」とし、水中投下試験における上澄濁度が５０を超える場合、水中安定性が不良「×」とした。
（実施例２～３、比較例１～２）
各配合材の混合量を、表１に示す通りとすること以外は、実施例１と同様に行い、粘弾性率の測定、テクスチャー試験、水中投下試験、地中への打設性評価、水中安定性評価を行った。その結果を表１に示す。
各配合材の混合量を、表１に示す通りとすること以外は、実施例１と同様に行い、粘弾性率の測定、テクスチャー試験、水中投下試験、地中への打設性評価、水中安定性評価を行った。その結果を表１に示す。
図１に示すように、実施例１の地盤造成用充填材料は、モンモリロナイト粒子が結合することにより形成されているモンモリロナイト粒子の平板状結合物を有する。モンモリロナイト粒子の平板状結合物は、形状が平板状であり、且つ、三次元方向に繋がっている。また、モンモリロナイト粒子の平板状結合物が、砂粒子を覆っている。そして、三次元方向に広がっているモンモリロナイト粒子の平板状結合物に、砂粒子が覆われることにより、砂粒子が、本発明の地盤造成用充填材料に保持されている。
Claims (9)
- 少なくとも、砂粒子と、モンモリロナイト粒子と、分子鎖中にアニオン性官能基を有する高分子化合物と、水と、を含有し、
テクスチャー試験における変形性が０．７００以上であり、
テクスチャー試験における減衰性が０．７００以上であること、
を特徴とする地盤造成用充填材料。 - 圧縮クリープ試験における直列弾性率Ｅ１が９００Ｐａ以上であり、並列弾性率Ｅ２が１，０００Ｐａ以上であり、並列部粘度η１が１０，０００Ｐａ・ｓ以上であり、直列部粘度η２が、２００，０００Ｐａ・ｓ以上であることを特徴とする請求項１記載の地盤造成用充填材料。
- 水中投下試験における上澄濁度が５０以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の地盤造成用充填材料。
- 前記分子鎖中にアニオン性官能基を有する高分子化合物が、アクリル酸とアクリルアミドの共重合体である直鎖型のアニオン性高分子化合物であることを特徴とする請求項１～３いずれか１項記載の地盤造成用充填材料。
- 前記モンモリロナイト粒子に対する前記分子鎖中にアニオン性官能基を有する高分子化合物の質量比（分子鎖中にアニオン性官能基を有する高分子化合物／モンモリロナイト粒子）が、０．０２０～０．５０であることを特徴とする請求項１～４いずれか１項記載の地盤造成用充填材料。
- 前記砂粒子に対する前記モンモリロナイト粒子の質量比（モンモリロナイト粒子／砂粒子）が、０．０１０～０．２０であることを特徴とする請求項１～５いずれか１項記載の地盤造成用充填材料。
- 前記砂粒子に対する前記分子鎖中にアニオン性官能基を有する高分子化合物の質量比（分子鎖中にアニオン性官能基を有する高分子化合物／砂粒子）が、０．００５０～０．０２０であることを特徴とする請求項１～６いずれか１項記載の地盤造成用充填材料。
- 前記地盤造成用充填材料中の水に対する前記モンモリロナイト粒子の質量比（モンモリロナイト粒子／地盤造成用充填材料中の水）が、０．０１０～０．３０であることを特徴とする請求項１～７いずれか１項記載の地盤造成用充填材料。
- 前記地盤造成用充填材料中の水に対する前記分子鎖中にアニオン性官能基を有する高分子化合物の質量比（分子鎖中にアニオン性官能基を有する高分子化合物／地盤造成用充填材料中の水）が、０．００５０～０．０２５であることを特徴とする請求項１～８いずれか１項記載の地盤造成用充填材料。
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