JPH0320430B2

JPH0320430B2 -

Info

Publication number: JPH0320430B2
Application number: JP58127142A
Authority: JP
Inventors: Shunsuke Shimada; Satoshi Myaji; Motomu Miwa; Shuichi Tada
Original assignee: Asahi Denka Kogyo KK
Current assignee: Adeka Corp
Priority date: 1983-07-13
Filing date: 1983-07-13
Publication date: 1991-03-19
Also published as: JPS6020992A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は強度、耐久性に優れた無公害化された
地盤改良剤に関するものである。軟弱地盤の改良には水ガラスを主剤とする薬材
を注入する方法が一般的にとられている。水ガラス系薬材は安価であり、ゲル化時間の調
節も容易であるが大きな欠点が２つある。１つは水ガラスが強アルカリ性物質であるため
酸性反応剤を用いても実用上可能なゲル化時間を
得るには硬化物はアルカリ性にならざるを得ず、
溶脱したアルカリにより地下水が汚染されること
である。理論上は水ガラスに含まれるアルカリ量と当量
の酸性物質を加えて中和すれば中性の硬化物が得
られるが、この様な量の酸性物質を加えると瞬時
に不均一なゲル体を生じ実用上使用不能なため一
般的にはアルカリ相当量以下の酸性物質を硬化剤
として使用しており、従つて上記の様な地下水の
アルカリ汚染という問題がついて廻る。もう１つ
の大きな欠点は硬化物の耐久性が劣るという問題
である。硬化物から徐々に未反応水ガラス及び、硬化剤
と水ガラスとの反応により生じた塩が溶出し、結
果として硬化物の強度が低下してくる。従つて、短期間の地盤改良を目的とする場合は
問題ないが例えばダム建設時の地盤改良の様に耐
久性が必要とされる場合には好ましくない。これら水ガラス系薬材の欠点を改良した次の様
な方法がある。１つは硫酸の様な強酸中に水ガラ
スを加え酸性活性珪酸をつくり、これを主剤とし
てアルカリ性硬化剤で中和硬化させる方法であ
る。この方法は地下水のアルカリ汚染を改良した好
ましい方法であるが主剤中には酸と水ガラスのア
ルカリにより生成したNa₂SO₄の様な塩を多量に
含有しているため、この塩の溶出に伴なう地下水
の水質変化に難点がある。又、上記酸性活性珪酸水溶液は、酸性域では長
いゲル化時間を保持するが、これにアルカリを加
えて中性領域でゲル化せしめる場合には、ゲル化
時間が大巾に短縮してしまい、PHが５〜８付近の
間では、ゲル化時間が数分〜数秒となり、充分な
浸透性が得られないという問題があつた。別の方法として中性コロイダルシリカを主剤と
する方法もある。この方法は一般に中性シリカゾ
ルとして市販されている商品、即ち、イオン交換
樹脂を通して得られる活性珪酸水溶液を加熱等に
より分子量数万あるいはそれ以上に縮合安定化
し、次いでSiO₂含量20〜30％に濃縮したもので
あり、直径10mμ程度の粒子の分散体を主剤とす
る方法である。この中性コロイダルシリカは従来繊維処理剤、
紙のスベリ防止剤、塗料添加剤等を主用途とした
商品であるためこの目的に合致した、安定性、粒
子径、濃度に調整され、安定化されている。本発明者等の研究によれば、このような安定化
された中性コロイダルシリカを地盤固結剤として
用いようとする場合、SiO₂濃度を非常に高くし
なければ注入目的を達するだけの強度を得ること
が出来ず、特に初期強度が小さいために流水によ
りゲルが流されてしまうという欠点がある。即
ち、地盤注入の目的のためには通常固結砂の一軸
圧縮強度が２Kg／cm²以上を必要とするが、通常の
水ガラスグラウトは、そのために水ガラス濃度と
して30（重量）％以上を用いている。これはSiO₂
濃度に換算すると、ほゞ９（重量）％以上に相当
する。ところが、上述した中性コロイダルシリカ
を用いて上記強度を得るにはSiO₂濃度が20（重
量）％以上を要することが判つた。本発明は上記各技術の欠点を補い、公害の心配
がなく強度、耐久性に優れた経済的な地盤改良剤
を提供するものである。即ち本発明の地盤改良剤は実質的に塩を含まな
い分子量1000以下の活性珪酸水溶液（PH２〜４）
を主剤とすることを特徴とするものである。ここ
で実質的に塩を含まない活性珪酸水溶液とは、実
質的に塩を含まず、SiO₂／Na₂Oモル比50以上、
PH２〜４を有し、水溶液中の全珪酸の珪素原子の
実質的全量が縮合に関与できるシラノール基を少
なくとも１ケ有しており、しかもそのシラノール
基が縮合反応時に立体的な障害となつていない分
子量1000以下の珪酸の水溶液で、そのSiO₂の濃
度が12重量％以下、好ましくは２〜10（重量）％
の溶液であるものが好ましい。この活性珪酸水溶液のPHは、注入液の製造、注
入準備中或は注入時にゲル化せずに安定している
ために、PH４〜２とする。かかる活性珪酸水溶液を得る方法としては、水
溶性珪酸塩すなわち、珪酸ソーダ、珪酸カリ、珪
酸アンモニウム等をイオン交換法、電気泳動法、
透析法等により脱アルカリして活性状態にあるも
のを得る方法が挙げられる。上記水溶性珪酸塩としてはモル比１〜５のもの
を用いるのがよく、工業的にはJIS ３号珪酸ソー
ダを用いるのが好ましい。また脱アルカリ法とし
てはイオン交換法、特にイオン交換樹脂によるの
が、高濃度の活性珪酸溶液が得られるので特に好
ましい。尚この活性珪酸水溶液は、製造後何ら安定化処
理を行なわず、短時間の間に使用するものである
が、放置によつて、縮合反応が一部おこつても、
本発明の目的を達成できる程度のものであればさ
しつかえない。又、ここで原料として用いられる水溶性珪酸塩
は、脱アルカリ工程の容易さ及び得られる活性珪
酸水溶液の安定性から、通常市販の水溶性珪酸塩
を希釈して使用するのが好ましく、その濃度は得
られる活性珪酸水溶液のSiO₂含量が２〜10％と
なるように希釈するのが好ましい。本発明の活性珪酸水溶液は、前述した市販中性
コロイダルシリカと異なり、分子量も低く、粒径
も微小で反応性が良好であり、短時間のうちにゲ
ル化するため、使用時間に応じた安定性のものを
つくるほか、注入現場かその付近で製造する方法
が好ましい。例えばJIS ３号珪酸ソーダを陽イオン交換樹脂
を通して得られるSiO₂ ５％、PH3.4の水溶液は、
ゲル化するまで約１日を要するため、十分グラウ
ト材として使用できる。本発明の地盤改良剤は上記活性珪酸水溶液を主
剤とし、目的に応じて通常知られているPH調整剤
又は（及び）硬化剤を適宜含有する。更に本発明の地盤改良剤中の活性珪酸水溶液
は、目的に応じて適宜の割合で使用できるが、本
液中のSiO₂濃度が２〜10重量％となるように活
性珪酸水溶液を使用すれば、従来使用されている
水ガラスグラウトにおけるSiO₂濃度よりも低濃
度で従来の水ガラスグラウトと同程度の強度が得
られ、しかも耐久性に優れたものが得られる。勿
論、中性コロイダルシリカを用いる場合にくらべ
ずつと薄いSiO₂濃度で高い強度を得ることがで
きる。更に本発明の注目すべき点は、従来の酸性液中
に水ガラスを加えて得られる酸性珪酸水溶液を用
いたグラウトにくらべて、中性領域で長いゲルタ
イムが得られる点と、同一のゲル化時間とSiO₂
濃度の配合で、より高い固結強度が得られる点に
ある。又、ゲル化時間調整剤又はゲル化反応剤とし
て、本発明の目的が達せられる限度内で無機塩等
を使用することが出来、本液のゲル化時間の短縮
及び強度の増加からは使用量の少なくてすむ多価
金属の無機塩が好ましい。かかる無機塩としては
硫酸アルミニウム、塩化マグネシウム、炭酸水素
ナトリウム、硫酸マグネシウム、硝酸アルミニウ
ム、リン酸アルミニウム、塩化カルシウム等を挙
げることができる。本発明の活性珪酸は低分子量で反応性が大きい
ため、硬化物の添加率は少なくてよく、２価の金
属塩では0.1〜１重量％の添加量で３価の金属塩
では更に少ない量でゲル化時間を数分以内にする
ことができる。又、本発明の地盤改良剤は、中性で注入される
のが好ましく、活性珪酸水溶液が酸性の場合には
アルカリ剤、アルカリ性の場合には酸剤をPH調整
剤として少量注入時に用いればよい。本発明の地盤改良剤は前記の如く公害上の問題
点を解決したばかりでなく、低濃度のシリカ含量
で地盤を強度でき、その耐久性において優れてい
る。即ち、通常の水ガラス系グラウトでは経日的に
強度低下がおこるのに対し、本発明の地盤改良剤
では、得られたサンドゲルの強度が徐々に向上す
るので、ダム建設時の地盤改良の如く耐久性を必
要とする用途にも使用できる。例えば水ガラス系グラウトと同程度のサンドゲ
ル強度を得るのに、中性シリカゾルを用いる場合
には、注入液中のSiO₂濃度が20％以上必要であ
るのに対して、本発明の地盤改良剤では５％程度
で済むのである。本発明の活性珪酸水溶液は、その製法が容易で
あり、含まれる珪酸が低分子量のものであるため
硬化性及び強度においてばらつきの少ない注入液
が得られる。又、本発明の地盤改良剤は、硫酸の如き強酸酸
性液を使用しないため、注入機器の腐蝕の問題が
ない。また酸性シリカゾルを用いる場合に比較し
て塩の溶出が少なく地下水の水質変化が小さい。
又、本発明の地盤改良剤は使用される活性珪酸の
分子量が小さく、低濃度であるため初期の粘度が
低く浸透性が良好である。更に本発明の地盤改良剤は、中性コロイダルシ
リカを用いる場合にくらべ、SiO₂低濃度で大き
い強度が得られ水希釈によるゲル化時間の変化が
小さいという利点がある。本発明の活性珪酸水溶液は例えばイオン交換樹
脂塔にJIS ３号珪酸ソーダの希釈液を通すだけで
簡単に得られ、その上SiO₂含量が少なくても高
強度の硬化体が得られることから市販の中性コロ
イダルシリカよりはるかに経済的である。尚、本発明における地盤改良剤は上記活性珪酸
水溶液自体を地盤中に加圧注入したりあるいは土
砂と混合したりして地盤の強度増加や水密液を付
与せしめることも出来るし、更に上記活性珪酸水
溶液にセメント、石灰、あるいは粘土の様な懸濁
性物質を混入して用いることも出来る。又、上記活性珪酸水溶液やそれを用いた懸濁物
は注入や混合の他に吹付あるいはヘドロ等の凝
集、沈澱、固化等に用いることが出来る。以下に本発明の実施例を示す。（活性珪酸水溶液の調製）調製例１珪酸ソーダJIS ３号品（旭電化工業(株)製品
SiO₂ 29.0％、Na₂O 9.0％）を水で希釈しSiO₂
5.8％、Na₂O 1.8％の希釈珪酸ソーダ水溶液をつ
くつた。この水溶液をあらかじめ10％塩酸を用い
て通常の方法で調整された水素型陽イオン交換樹
脂（オルガノ(株)製品、アンバーライトIR−120B）
塔に通液しSiO₂ 5.8％の活性珪酸水溶液を得た。
この活性珪酸水溶液のPHは2.5であつた。 SiO₂／Na₂O＝1500、この液は室温で３日間ゲ
ル化しなかつた。又、この活性珪酸水溶液をモリブデン酸アンモ
ン法（JIS−Ｋ−0101−44.1.2）で分析したとこ
ろ、SiO₂分の100％が分子量1000以下であつた。調製例２調製例１の希釈珪酸ソーダ水溶液の代りに、
SiO₂ 7.2％、Na₂O 2.2％のものを使用し、同様
にして、SiO₂ 7.1％の活性珪酸水溶液を得た。こ
の活性珪酸水溶液のPHは3.0であつた。 SiO₂／Na₂O＝1000、この液は室温で２日間ゲ
ル化しなかつた。又、この活性珪酸水溶液をモリブデン酸アンモ
ン法（JIS−Ｋ−0101−44.1.2）で分析したとこ
ろ、SiO₂分の100％が分子量1000以下であつた。実施例１〜５、比較例１〜４調製例１，２で製造した活性珪酸水溶液を使用
してゲルタイムの測定、サンドゲルの圧縮強度の
測定、ホモゲルからのSiO₂の溶出を測定した。処方は表−１に示す通りである。

【表】表−１中で使用されている原料は以下の通りで
ある。１中性シリカゾル：旭電化工業(株)製アデライト
AT−30 ２酸性シリカゾル：95％硫酸6.3ｇ、水53.7ｇ
の水溶液を激しく撹拌しながら、珪曹JIS ３号
（旭電化工業(株)製）30ｇに水18ｇの溶液を注ぎ入
れた。SiO₂濃度8.0％、PH1.8 ３珪曹（JIS ３号）：旭電化工業(株)製その他の原料は試薬１級を使用した。上記例の薬液中のSiO₂濃度、PH及びゲルタイ
ムは表−２の通りである。

【表】前記処方の薬液を5.0mmφ×10cmＬの金型に流
しこみ豊浦標準砂で固めて強度測定用サンドゲル
とした。強度測定は、JISA1216の土質の一軸圧縮強度
測定に準じて行なつた。材令は表中に記す（水中
養生）。サンドゲルの圧縮強度は表−３の通りで
ある。

【表】表−３より本発明の地盤改良剤は中性シリカゾ
ルグラウト（比較例３，４）に較べ低濃度の
SiO₂で格段に大きな強度が得られることが判る。又、表−２、表−３より本発明の地盤改良剤は
酸性シリカゾルグラウト（比較例２）に較べ、地
中への浸透が充分なゲル化時間に調節しうること
がわかる。又、アルカリ領域の水ガラスグラウト（比較例
１）に較べ強度が大きくかつ長期強度にも優れる
ことが判る。。硬化物の耐久性の１つの尺度であるSiO₂の溶
出量の測定結果は表−４の通りである。供試体の調製法は、前記処方の薬液で200ｇの
ホモゲルを作成し、10倍量の蒸留水中に浸漬し
た。所定日数後に200ｇ検水をとり、新たに蒸留
水200ｇを加えた。 SiO₂の分析は蒸発乾固し重量を測定する方法
に従つた。

【表】 SiO₂の溶出率は、比較例１を除いて、30日後
には一定量を示し、その後の溶出は殆んど認めら
れなかつた。これより本発明品は溶出率が低く、
耐久性に優れていることが判る。次に本発明による活性珪酸水溶液と酸性シリカ
ゾルのグラウトとしての特性を比較するために
SiO₂濃度を両者同一とし、PH値とゲル化時間、
固結砂強度との関係を測定した。その結果を表
５、表６に示す。尚、活性珪酸水溶液は、前述の活性珪酸水溶液
の調製例２によるものを苛性ソーダで調整してPH
値を変化させ、SiO₂濃度は５重量％と一定にし
た。一方酸性シリカゾルは表−１に示す酸性シリカ
ゾルを用いて苛性ソーダでPHを変化させて、
SiO₂の濃度は５重量％と一定にした。表−５，６より本発明の活性珪酸水溶液は中性
領域においても充分浸透に必要なゲル化時間が得
られ、且固結強度が高いことが判る。

【表】

【表】次に本発明による活性珪酸水溶液と中性シリカ
ゾルのグラウトとしての特性を比較するために、
PHを一定値（ほゞ６）、且、ゲル化時間を一定値
（ほゞ10分）とし、SiO₂濃度を変化させ固結標準
砂の一軸圧縮強度（１日湿室養生後の強度）を測
定した。上記調製法は活性珪酸水溶液の場合は、活性珪
酸水溶液の調製例２で得られたものに、水を加え
てSiO₂濃度を変化させると共に、苛性ソーダを
加えてPH値をほゞ６にし、NaClを加えてゲル化
時間をほゞ10分になるようにして得た。又、中性シリカゾルの場合は、表−１に示す中
性シリカゾルを用いて水を加えて、SiO₂濃度を
変化させると共に、硫酸を加えてPH値をほゞ６に
し、硫酸アルミニウムを加えてゲル化時間をほゞ
10分になるようにして得た。結果を表−７に示すが、これより活性珪酸水溶
液の場合は、SiO₂濃度が2.0重量％以上で２Kg／
cm²以上の固結砂強度を得るのに対し、中性シリカ
ゾルの場合は、SiO₂濃度が20重量％以上でない
と２Kg／cm²以上の強度をうることが出来ない事が
判る。

【表】現場施工例透水系数がほゞＫ＝10^-3cm／secの砂地盤で試
験注入を行なつた。注入液の種類は、活性珪酸水溶液、中性シリカ
ゾル、酸性シリカゾルの三種とし、それぞれ20ｍ
ずつ離れた地点に注入した。注入深度は地表面下
５〜３ｍとし、0.5ｍの注入ステージで各ステー
ジ毎に250ずつ、合計1000注入した。注入液の配合は、SiO₂濃度がいずれも5.0重量
％となるようにした。活性珪酸水溶液並びに中性
シリカゾルについては、表−７の記号８と同一配
合にし、ゲル化時間10分、PH値６とした。又、酸
性シリカゾルについては、表−６に示すようにPH
６、ゲル化時間50秒配合とした。以上示すように三種の配合液は、PH値とSiO₂
濃度は一定に出来るが、ゲル化時間は、酸性シリ
カゾルはゲル化時間が中性領域では早くなつてし
まうため、他と同一にすることは不可能である。
注入に際しては注入地点より10ｍ離れた地点に観
測井を設け、注入前（１月前）、注入中、注入後
（３日並びに１周間後）の地下水を採取し、地下
水の水質変化を調査した。又、注入前後の透水係数を測定し、かつ注入後
掘削して固結状況を観察し、並びに固結体を採取
して一軸圧縮強度を測定した。その結果は以下の通りである。水質試験結果は表−８の通りであるが、活性珪
酸水溶液は酸性シリカゾルに較べて、注入前、
中、後にかけて殆んど変化を生じない事が判る。

【表】注入前後の透水係数を比較すると、表−９の通
りになつたが、これより活性珪酸水溶液の場合は
極めて透水係数の改善がすぐれている事が判る。

【表】又、掘削調査による固結状況は、活性珪酸水溶
液の場合、直径ほゞ１ｍの半円柱状の固結体が得
られ、固結砂の一軸圧縮強度は、ほゞ5.4Kg／cm²
であつた。中性シリカゾルの場合は直径はほゞ80
cm程度の円柱体が得られたが、固結体の強度は、
0.8Kg／cm²程度であつた。酸性シリカゾルの場合
は、ゲル化時間が短いため脈状注入がかなりみら
れ、0.5〜1.5ｍの直径で固結し、その強度は4.5
Kg／cm²であつた。

Claims

【特許請求の範囲】

１実質的に塩を含まない分子量1000以下の活性
珪酸水溶液（PH２〜４）を主剤とする地盤改良
剤。