JPH07116437B2

JPH07116437B2 - 固結用材料

Info

Publication number: JPH07116437B2
Application number: JP63016198A
Authority: JP
Inventors: 健二栢原
Original assignee: 強化土エンジニヤリング株式会社
Priority date: 1988-01-27
Filing date: 1988-01-27
Publication date: 1995-12-13
Anticipated expiration: 2010-12-13
Also published as: JPH01190786A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は水ガラスと、少なくとも石灰を必須成分とする
反応剤とを含有し、主として地盤注入用薬材として利用
される固結用材料に係り、特にゲル化時間の調整が容易
であり、かつ長いゲル化時間でも高強度を得、しかも長
期固結強度に優れた固結用材料に関する。

〔従来の技術〕

地盤注入用薬材として、従来、水ガラスにセメントのよ
うな懸濁性反応剤を加えてなる水ガラスグラウト（懸濁
型グラウト）、あるいは水ガラスに有機系反応剤や、無
機の塩のような溶液性反応剤を加えてなる水ガラスグラ
ウトが知られている。

このうち、溶液性反応剤を用いた水ガラスグラウトは懸
濁性反応剤を用いたものよりも浸透性に優れているとい
う利点を有するが、強度が低く、特にゲル化時間を長く
調整する場合には反応剤を少なくすることになり、した
がって水ガラス中に未反応のSiO₂分が多く残存し、この
ため強度が一層低くなり、かつ長期固結用強度も得られ
ないという問題があった。

さらに、セメントを用いる懸濁型グラウトもまた、ゲル
化時間を長く調整した場合には前述と同様の問題が生じ
た。

そこで、ゲル化時間を長く調整する水ガラスグラウトと
して、低モル比の水ガラスを用いるセメント水ガラスグ
ラウトが提案されている。（特公昭51-8486号公報）。

しかし、この場合でも、ゲル化時間はせいぜい数分から
10分程度しか長くならず、これでは水ガラスと反応剤を
ミキサー中で充分に攪拌混合してから注入するというこ
とはできず、両者を注入管で合流してそのまま注入する
という手段をとらざるを得なかった。

このような合流注入では、注入材の混合が不充分なため
反応が不完全となり、しかも、充分な浸透効果が得られ
ず、このため地盤中の固結物は長期間安定したものとは
ならなかった。

また、地盤中にあらかじめ反応剤を注入しておき、その
後この注入個所に低モル比の水ガラスを注入する工法も
提案されているが、この工法では地盤中において両液を
一定の比率で反応させることが事実上不可能であり、こ
のため充分な固結効果あるいは長期固結効果を期待する
ことは困難である。

また、ゲル化時間を長く設定する手段として、まず水ガ
ラスと少量のセメントを混合し、この上ずみ液を地盤中
に注入する工法、あるいはカルシウム化合物を水と混合
して静置し、その上ずみ液を低モル比の水ガラスと混合
して極めて少量の水溶性カルシウム化合物を含む水ガラ
スグラウトを地盤中に注入する工法が知られている。

しかし、これらの工法に用いられるグラウトは10ミクロ
ン程度のカルシウム化合物の微粒子を含むものの、実質
的には溶液型水ガラスグラウトと同じであり、水ガラス
中に含まれるSiO₂分に対するカルシウム分が極めて少な
く、このため未反応のSiO₂が多く残存し、固結強度が低
くなるとともに耐久性にも劣るものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述の従来工法における水ガラスグラウトは要するに水
ガラス中のSiO₂に対する反応剤の量を少なくしてゲル化
時間を長くするものであり、このため固結強度が小さく
なり、かつ耐久性も劣化することになる。また、反応剤
の量を多くするとゲル化時間が早くなってしまい、ミキ
サー中での充分な混合ができなくなり、このため、注入
管ロッドで合流するか、あらかじめ水ガラスか反応剤の
いずれか一方を地盤中に注入しておいてから、他方をそ
の後に注入して地盤中で反応させることになる。したが
って、この場合、反応が不充分となって固結強度あるい
は耐久性が得られなくなる。

そこで、本発明の目的は水ガラス中のSiO₂分を反応せし
めるに充分な量の反応剤を用いるにもかかわらず、水ガ
ラスと反応剤をミキサー中で混合してゆっくりと地盤中
に注入するに充分な長いゲル化時間を保持に得、すなわ
ち、10分以上の長いゲル化時間で高固結強度を得、かつ
浸透性ならびに長期間耐久性を保持し、しかもゲル化時
間の調整が容易であり、前述の公知技術に存する欠点を
改良した固結用材料を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

前述の目的を達成するため、本発明の固結用材料によれ
ば、水ガラスと、反応剤とを含み、以下の要件を満たし
てなることを特徴とする。

（Ａ）SiO₂/Na₂Oがモル比で0.5〜2.2の範囲内であるこ
と。

（Ｂ）SiO₂の含有量が前記材料100cc当り0.07モル以上
であること。

（Ｃ）反応剤が石灰を必須成分とし、これとアルカリ金
属化合物および／または石灰以外の多価金属化合物との
併用であること。

（Ｄ）反応剤が石灰以外の多価金属化合物を含まない場
合には石灰／SiO₂がモル比で0.2以上であり、また、石
灰以外の多価金属化合物を含む場合には石灰＋石灰以外
の多価金属化合物／SiO₂がモル比で0.2以上であるこ
と。

（Ｅ）ゲル化時間が10分以上であること。

前述の本発明において、水ガラスはモル比が0.5〜2.2、
好ましくは1.0〜2.2、さらに好ましくは1.5〜2.0の液状
あるいは粉状水ガラス、あるいは液状水ガラスに苛性ソ
ーダ、炭酸ソーダ等のアルカリを添加して上記モル比に
調整された水ガラス等である。モル比が0.5以下になる
と、シリカ分が析出されやすくなり、安定したグラウト
を得にくくなるのみならず、強度も低下し、カルシウム
分を増やしても固結しにくくなる。また、モル比が2.2
以上になると、長いゲル化時間が得られなくなり、さら
に2.5以上になると、長期固結強度が低下し、耐久性が
得られにくくなる。

さらに、ゲル化時間が10分以下になると、SiO₂分との反
応に充分な量のカルシウム分を混入できなくなる。これ
に対して、本発明では、ゲル化時間が10分以上であっ
て、浸透性に優れるのみならず、ミキサー中でSiO₂分と
の反応に充分な量のカルシウム分を混合して水ガラスと
反応させるに充分な時間の余裕ができ、この結果、均質
で高強度の固結体を得ることができる。

また、本発明に用いられる前記石灰は生石灰、消石灰、
またはドロマイト（消石灰や生石灰が含まれる）等であ
る。

さらに、本発明において、反応剤が石灰以外の多価金属
化合物を含まない場合には、すなわち、石灰とアルカリ
金属化合物の場合には、石灰／SiO₂がモル比で0.2以上
であり、また、石灰以外の多価金属を含む場合には、す
なわち、石灰と、アルカリ金属化合物と、石灰以外の多
価金属化合物との場合、または石灰と石灰以外の多価金
属化合物との場合には、石灰＋多価金属化合物／SiO₂が
モル比で0.2以上である。

アルカリ金属化合物は具体的にはNaCl、NaHCO₃、KHC
O₃、KCl等であり、また石灰以外の多価金属化合物は具
体的にはカルシウム、マグネシウム、アルミニウム、鉄
等の塩化物、炭酸塩、酸化物、水酸化物（ただし、消石
灰、生石灰を除く）、珪酸塩、セメント等である。

以下、本発明を次の実験例によって詳述する。

〔実験−１〕３号水ガラス（モル比2.94、SiO₂:28.29％、Na₂O:9.94
％、比重1.4）と消石灰系のゲル化時間を測定し、結果
を表−１に示す。

表−１より、３号水ガラスではCa(OH)₂のいずれの量で
もゲル化時間が短いことがわかる。また、強度も小さ
く、例えば、試料No.3の場合、固結標準砂は30日後で1.
5kg/cm²、１ケ月水中養生後で0.8kg/cm²程度である。

〔実験−２〕水ガラス水溶液−セメント系の実験結果を表−２に示
す。

水ガラス水溶液は実験−１の水ガラスに苛性ソーダを加
えてモル比を調整した。混合液（Ａ液とＢ液）100cc当
り、SiO₂含有量は0.165モルである。

表−２よりモル比が低くなれば、水ガラス−セメント系
はゲル化時間が長くなるが、固結生が極めて悪く、ゲル
化が不安定になることが判る。

〔実験−３〕モル比2.0あるいは1.0の水ガラス水溶液−セメントある
いは消石灰の上ずみ液系の実験結果を表−３に示す。

なお、水ガラス水溶液は実験−１の水ガラスをＡ液50cc
当り25cc用い、苛性ソーダを加えてモル比を調整した。
また、セメントあるいは消石灰の上ずみ液を水100ccに
セメントあるいは消石灰をそれぞれ20gづつ混合し、１
時間静止してのち、上ずみ液を50ccとり、Ｂ液とした。

表−３における固結標準砂の一軸圧縮強度(kg/cm²)は３
日後で、それぞれ、試料No.順に、0.8、0.7、−、0.5、
１カ月後で0.5、0.4、−、0.3を示し、注入目的のため
の強度としては弱すぎることがわかった。

〔実験−４〕実験−１の３号水ガラスを混合液100cc当り25cc（SiO₂:
0.165モル）配合し、これに苛性ソーダを加えてSiO₂/Na
₂Oモル比を0.5〜2.94に調整した。また、消石灰の添加
量を混合液100cc当り0.5g（0.007モル）〜25g（0.338モ
ル）の範囲で変化させてCaO/SiO₂モル比を0.04〜2.0に
調整した。これらについてそれぞれゲル化時間を測定
し、結果を表−４に示した。

表−４より、混合液100cc当り、Ca(OH)₂が1g以上で、か
つSiO₂/Na₂O（モル比）が0.5〜2.2、CaO/SiO₂（モル
比）が0.2以上では数十分〜数100分の長いゲル化時間領
域が存在することがわかる。しかし、ゲル化時間を10分
付近に短縮するために、消石灰(Ca(OH)₂)を多く添加し
ても、これのみの添加では効果的なゲル化時間の短縮が
困難である。すなわち、消石灰のみの添加では、Ca(OH)
₂を0.338モル加えても、SiO₂/Na₂Oが2.2モルのとき、ゲ
ル化時間は20分までしか短縮しない。

〔実験−５〕 SiO₂/Na₂O（モル比）が2.0、CaO/SiO₂（モル比）が1.0
の条件下で、混合液100cc当りのSiO₂の含有量を変化さ
せ、ゲル化実験ならびに長期強度試験を行った。この測
定結果を表−５に示した。また、SiO₂/Na₂O（モル比）
1.5に定め、CaO/SiO₂（モル比）と混合液100cc当りのSi
O₂の含有量を変化させ、ゲル化実験を行った。この測定
結果を表−６に示した。さらに、SiO₂/Na₂O（モル比）
を1.5、SiO₂の含有量を混合液100cc当り0.176モルにそ
れぞれ定め、CaO/SiO₂のモル比を変化させて、長期強度
試験を行った。この測定結果を表−７に示した。さらに
また、SiO₂の含有量を混合液100cc当り、0.165モルに定
め、SiO₂/Na₂OおよびCaO/SiO₂のモル比をそれぞれ変化
させてゲル化実験および長期強度試験を行った。これら
の測定結果を表−８に示した。上記長期強度試験はいず
れも、７日水中養生および３ケ月水中養生後の固結標準
砂一軸圧縮強度(kg/cm²)を測定することにより行った。

表−５から次のことがわかる。SiO₂/Na₂Oのモル比を2.
0、CaO/SiO₂のモル比を1.0と定め、この条件下で混合液
100cc当りのSiO₂含有量（SiO₂モル）を変化させると、S
iO₂モルが0.07よりも小さい場合、すなわち、0.05で
は、混合液は沈澱を起こしてゲル化しなかった。

これに対して、SiO₂モルが0.07では、混合液はゲル化を
起こし、SiO₂モルがこれよりも大きくなるにつれてゲル
化時間は徐々に短縮される。しかし、ゲル化時間を10分
付近に短縮するために、SiO₂モルを大きくしても、これ
のみの増加では効果的なゲル化時間の短縮が困難であ
る。（表−５では、SiO₂モルが0.18でゲル化時間は77
分）。

また、固結標準砂一軸圧縮強度は、７日水中養生および
３ケ月水中養生のいずれもSiO₂モルが0.07のとき、それ
ぞれ2.1および2.3(kg/cm²)と、かなり大きな値を呈し、
SiO₂モルが大きくなるにつれて前記強度は大きくなる。

以上のとおり、SiO₂/Na₂Oのモル比2.0、CaO/SiO₂のモル
比1.0の条件下で、SiO₂モルが混合液100cc当り0.07以上
であれば、水ガラス中のSiO₂と充分に反応し得る量の反
応剤を用いても、混合液は充分に長いゲル化時間を呈
し、かつ大きな固結強度を得るとともに、耐久性に優れ
た長期固結強度を得ることができる。しかし、SiO₂モル
の増加のみでは効果的なゲル化時間の短縮は困難であ
る。

また、表−６から次のことがわかる。SiO₂/Na₂O（モル
比）を1.5と定めて、CaO/SiO₂（モル比）、および混合
液100cc当りのSiO₂の含有量（SiO₂モル）を変化させる
と、SiO₂モルが0.05では、混合液は沈澱を起こしてゲル
化しないが、0.07およびこれよりも大きい場合には、ゲ
ル化が起こり、この値が大きくなるにつれてゲル化時間
は短縮される傾向を示す。また、CaO/SiO₂のモル比は0.
2よりも大きくなるにつれてゲル化時間が短縮される傾
向を示す。すなわち、混合液のゲル化時間はSiO₂モルお
よびCaO/SiO₂モル比が両方とも大きくなるにつれて、ゲ
ル化時間は短縮され、両方とも小さくなるにつれて、ゲ
ル化時間は長くなる傾向を示す。換言すると、SiO₂/Na₂
Oのモル比が一定の場合、SiO₂モルおよびCaO/SiO₂モル
比の値を任意に定めることにより、所望のゲル化時間を
選定することができる。しかし、ゲル化時間を10分付近
に短縮するために、消石灰量を増加しても、ゲル化時間
はせいぜい50分までであり、これのみの添加ではゲル化
時間の効果的な短縮は困難である。

さらに、表−７から次のことがわかる。SiO₂/Na₂O（モ
ル比）を1.5、SiO₂の含有量を混合液100cc当り0.176モ
ルにそれぞれ定めて、CaO/SiO₂のモル比を変化させ、固
結標準砂の一軸圧縮強度(kg/cm²)を測定すると、CaO/Si
O₂のモル比が0.1では７日水中養生、３ケ月水中養生の
いずれも小さな強度を呈した。これに対してCaO/SiO₂の
モル比が0.2およびこれよりも大きい場合には強度は大
きく、特に0.5〜2.0の範囲内で非常に大きな強度を呈し
た。このことから、SiO₂/Na₂O（モル比）が1.5、SiO₂モ
ルが0.176の条件下では、CaO/SiO₂のモル比が0.2以上の
場合に、固結強度ならびに長期強度が大きいことがわか
る。

さらにまた、表−８から次のことがわかる。SiO₂モルを
0.165に定めて、SiO₂/Na₂OおよびCaO/SiO₂のモル比をそ
れぞれ変化させると、SiO₂/Na₂Oのモル比が0.5〜2.2、C
aO/SiO₂のモル比が0.2以上の両方の条件を満たしたとき
に、すなわち、表−８において、SiO₂/Na₂Oのモル比
と、CaO/SiO₂のモル比の組み合わせがそれぞれ、2.2と
1.0、2.0と1.0、1.5と1.0、1.0と1.0、0.5と1.0のとき
に、ゲル化時間が長くなるにもかかわらず、７日水中養
生および３ケ月水中養生後の固結標準砂の一軸圧縮強度
が大きな値を呈し、長期固結強度にも優れている。

しかし、ゲル化時間を10分付近に短縮するために、Ca(O
H)₂の添加量を多くしても、これのみの添加ではゲル化
時間の短縮はせいぜい60分程度であり、効果的なゲル化
時間の短縮は困難である。

以上の実験結果を総評すると、モル比2.94の３号水ガラ
スでは、ゲル化時間が短くなり（実験−１）、反応剤と
してポルトランドセメントを用いたのでは、ゲル化時間
は長くなるものの、固結性が極めて悪く（実験−２）、
反応剤としてセメント上澄液または消石灰上澄液を用い
たのでは、固結標準砂の一軸圧縮強度が弱く（実験−
３）、SiO₂/Na₂O（モル比）が0.5〜2.2、CaO/SiO₂（モ
ル比）が0.2以上では数十分〜数100分の長いゲル化時間
領域が存在し（実験−４）、水ガラス−石灰系のグラウ
トにおいて、SiO₂/Na₂O:0.5〜2.2、SiO₂モル:0.07モル
以上、CaO/SiO₂:0.2以上の条件下では、ゲル化時間が長
いにもかかわらず、高強度の固結体が得られ、かつ長期
強度にも優れている（実験−５）。しかし、上述の実験
−４および実験−５において、ゲル化時間を10分付近に
短縮するために、Ca(OH)₂の添加量を多くしても、これ
のみの添加ではゲル化時間の効果的な短縮ができず、し
たがって、10分またはそれ付近のゲル化時間の調整は困
難である。

〔実験−６〕水ガラスと、消石灰と、他の反応剤との混合系につい
て、ゲル化時間を測定し、結果を表−９に示した。表−
９において、水ガラスのSiO₂/Na₂Oはモル比で0.5〜2.2
の範囲内、特に、1.0、1.5および2.0であり、混合液100
cc当りのSiO₂含有量は0.07モル以上、特に、0.165およ
び0.198モルであり、CaO/SiO₂はモル比で0.2以上であ
る。

なお、比較のために、反応剤として消石灰のみの系およ
び消石灰を含まない系についても実験を行った。

表−９中、本発明にかかる試料は試料No.1〜12である。
これら試料はいずれも、水ガラスと、消石灰と、他の反
応剤（アルカリ金属化合物、多価金属化合物等）との三
成分混合系である。すなわち、これら試料はいずれも、
反応剤として、石灰（消石灰）と他の化合物（珪酢カル
シウム、炭酸カルシウム(CaCO₃)、塩化カルシウム(CaCl
₂)、ポルトランドセメント、ドロマイト、炭酸水素ナト
リウム(NaHCO₃)、塩化アルミニウム(AlCl₃)、塩化第２
鉄等）との併用物を用いてなるものである。

これらの本発明試料はいずれもゲル化時間が10分〜250
分の範囲内であって長いにもかかわらず、固結強度が大
きく、かつ長期強度にも優れている。

しかも、本発明試料では、試料No.1に示されるように、
ゲル化時間を10分に調整したり、試料No.2に示されるよ
うに20分に調整したり、試料No.3に示されるように27分
に調整したり、試料No.4および５に示されるようにそれ
ぞれ30分に調整したり、試料No.6に示されるように、50
分に調整したり、試料No.7に示されるように、60分に調
整したり、試料No.8に示されるように、65分に調整した
り、試料No.9に示されるように、70分に調整したり、試
料No.10に示されるように、80分に調整したり、試料No.
11に示されるように、120分に調整したり、試料No.12に
示されるように250分に調整したり等、ゲル化時間の調
整が自由であり、かつ容易である。

すなわち、本発明試料では、反応剤としてCa(OH)₂と上
述に示される他の反応剤との併用物を用い、かつ、この
反応剤のCaO/SiO₂モル比を0.2以上の範囲におさめれ
ば、前記他の反応剤の種類を変化させたり、これら併用
物の配合割合を変化させたり、水ガラスのモル比を0.5
〜2.2の範囲で変化させたり、SiO₂含有量を試料100cc当
り0.07以上の範囲で変化させたり、等の手段により、ゲ
ル化時間を10分付近まで容易に短縮することができ、換
言すればゲル化時間は10分付近から自由かつ容易に調整
される。

なお、試料No.5および６における反応剤のCaO/SiO₂モル
比はいずれも3.79である。この計算は次のようにして行
った。ポルトランドセメントはCaO含有量が64.0％であ
る。CaO1モルは28gであり、したがって、ポルトランド
セメント20g中のCaO含有量はモル数で表すと、0.46モル
になる。したがって、Ca(OH)₂0.165モルおよびポルトラ
ンドセメント20gからなる反応剤のCaO/SiO₂モル比は3.7
9となる。

上述のとおり、本発明は反応剤として石灰とアルカリ金
属化合物および／または多価金属化合物を併用すること
により、ゲル化時間の調整が極めて容易となり、強度も
増加することがわかる。

これに対して、反応剤がCa(OH)₂単独からなる試料No.13
〜18では、ゲル化時間が長くなるにもかかわらず、７日
水中養生および３ケ月水中養生後の固結標準砂の位置軸
圧縮強度はいずれも、大きな値を呈し、長期固結強度に
優れているものの、ゲル化時間を10分付近に短縮するこ
とがむづかしく、したがって、ゲル化時間の短い範囲で
の調整は困難である。

さらに、反応剤がCa(OH)₂を含まず、他の反応剤単独か
らなる試料No.19〜25、すなわち、反応剤がCaCl₂単独か
らなる試料No.19〜20では、瞬結してしまい、強度測定
も不能であり、また、反応剤がCaCO₃単独からなる試料N
o.21〜23では、ゲル化時間が非常に長いか、あるいはゲ
ル化せず、さらに、反応剤が珪酸カルシウム単独あるい
はNaHCO₃単独からなる試料No.24および25では、いずれ
もゲル化しなかった。

なお、CaCO₃は水ガラスのモル比が1.0付近の高アルカリ
でなくては反応し得ない。しかし、消石灰は1.0付近の
みならず、1.5〜2.0のモル比の水ガラスと反応して極め
て長いゲル化時間を得、それに他の反応剤を加えてゲル
化時間の調整を容易とすることもわかる。

これは消石灰が単に難溶性であることのみならず、溶解
度が最適であることに起因するものと思われる。すなわ
ち、Ca(OH)₂の溶解度は0.117g/100gであり、CaCO₃（溶
解度0.0065％/100g）や珪酸カルシウム等にくらべて比
較的大きいものであり、このように、あまり溶解度が小
さすぎても反応性が少なくなり、本発明のカルシウム化
合物として好ましくなくなるものと思われる。

したがって、消石灰はCaCO₃よりも少ない水ガラスのア
ルカリ量で注入に適したゲル化時間を得ることができ、
経済的にも、また地盤中のアルカリ度を大きくしない点
からも極めて優れているものと云うことができる。

〔作用〕

本発明は水ガラスに石灰と他の反応剤を懸濁状態で存在
させて一時に反応が進行しないようにし、かつ混合液中
のSiO₂量、SiO₂とNa₂Oのモル比、SiO₂とCaOのモル比、
ゲル化時間を前述のような特定の範囲に定めることによ
り、従来の低モル比水ガラス−セメントグラウトでは考
えられないような長いゲル化時間、高固結強度ならびに
長期耐久性を得、かつゲル化時間の調整が容易となる。

〔発明の効果〕

以上のとおり、本発明にかかる固結用材料はゲル化時間
を長くしても固結強度を得るとともに長期耐久性にも優
れ、かつゲル化時間の調整が容易であり、地盤固結用の
注入薬液として最適な固結用材料である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水ガラス水溶液と、反応剤とを含み、以下
の要件（Ａ）乃至（Ｅ）を具備してなる固結用材料。（Ａ）SiO₂/Na₂Oがモル比で0.5〜2.2の範囲内であるこ
と。（Ｂ）SiO₂の含有量が前記材料100cc当り0.07モル以上
であること。（Ｃ）反応剤が石灰を必須成分とし、これとアルカリ金
属化合物および／または石灰以外の多価金属化合物との
併用であること。（Ｄ）反応剤が石灰以外の多価金属化合物を含まない場
合には石灰／SiO₂がモル比で0.2以上であり、また、石
灰以外の多価金属化合物を含む場合には石灰＋石灰以外
の多価金属化合物／SiO₂がモル比で0.2以上であるこ
と。（Ｅ）ゲル化時間が10分以上であること。