JPS5829346B2 - 土質安定強化工法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、粉状のウレタンプレポリマーを湿潤した土質
材料に混合して該湿潤土質材料を固結させることによる
土質安定強化工法に関する。

我が国の土質は、その３分の２が新生代のものであって
、軟らかいしらす、ロームを主とした粘性土や火山灰土
である。

そのため地盤沈下、根切工事や、盛土の崩壊、噴泥など
の問題を起こしやすい。

従ってこれまで多種多様の土質改良の工法が行なわれて
いる。

例えば、単なる物理的な土質材料の締固め工法を始めと
して、使用材料別にみると、不良上を良質土と置き換え
る置換工法、不良上に無機質材料（セメント、生石灰な
ど）またはｍＷ質材料（アスファルトなど）を混合安定
化する工法、不良土表面をゴム、プラスチック、合成繊
維等の成形品で被覆する工法、不良上に高分子系の薬液
（アクリルアミド、クロムリグニン、尿素、ウレタン系
など）を注入する工法などが知られている。

上記の方法のうち、良質土置換工法は、元来良質土の少
ない我が国では良質土の運搬や捨土の処理が困難である
。

従って不良上自体を改良、改質する工法が盛んになって
きている。

無機材料を使用する場合、この葉材の中にはセメント、
生石灰等の水硬化性のものがあり、湿潤上を硬化させる
のに有効であるが、固結した土質材料は弾性に乏しく、
亀裂を生じて破壊する欠点があり、特に鉄道線路の路盤
などでは土質本来の弾性が失なわれ、軌道に振動防止の
手段を講じる必要がある。

また、瀝青質で改良する方法は、適度の弾性を有してい
るが、瀝青質は本質的に疎水性で湿潤上との相溶性に欠
けるので、土質材料と混合するには乳化剤によりエマル
ジョン化して使用され、そのため湿潤した土質材料に更
に水性エマルジョンとしての水か加わることになり、好
ましい紹来が得られない。

従って一般にはアスファルト舗装のように、土質材料の
表面層のみに使用されているが、この場合には内層の根
本的な改質束とはなり得ず、特に軌道の場合には横すべ
りの原因となり、内部に水がたまり軟弱化して支持力が
低下する。

近年、高分子系の薬液注入工法が発達し、アクリルアミ
ド系等が使用されるようになった。

この工法は上記薬剤を主剤とし、これに助剤、硬化剤、
安定剤などを加えた薬液を地盤に注入するのであるが、
薬液が二液型であって工事現場で薬液を調合する手順が
煩雑であり、また薬液を均質に注入できないので効果の
判定が不確実であり、更に地盤中に水が多い場合には注
入した薬液が固結前に流失してしまうなどの欠点があり
、更にまた近年アクリルアミドの薬毒も問題になってい
る。

ポリウレタンによる薬液注入工法は、液状の親水性ウレ
タンプレポリマーが使用される。

一般にポリオールと過剰の有機インシアネート化合物と
を反応させて得られるウレタンプレポリマーは、特殊な
ポリオールを使用しない限り、親水性に乏しいため水と
の反応は容易に進行しない。

親水性ウレタンプレポリマーを使用する方法として、末
端に２個以上のヒドロキシル基を有し、分子量１０００
〜２００００のポリエチレンオキシド化合物と、末端に
２個以上のインシアネート基を有する水溶性ウレタンプ
レポリマーとを地盤に注入して、水を主体とする固結物
を地盤中に形成させるようにした地盤安定処理工法（特
公昭４８−２５２０５号公報参照）が知られている。

しかしながら上記公知の工法においては、注入液の粘度
をさげるために、水溶性ウレタンプレポリマーに多量の
水を混合したものを地盤中に注入するものであるから、
余分の水をも固結するに必要なウレタンプレポリマーを
必要とし、また水を作業現場まで運搬しなければならな
いという厄介さがあった。

上記の液状ウレタンプレポリマーによる工法の問題点を
解決するものとして、粉体状のウレタンプレポリマーを
使用することが提案されている（特公昭５３−２９１８
４号公報、特公昭５３−２９３４９号公報参照）。

これらの工法によれば、土質材料との混合が容易で確実
であり、不必要な水を使用しない等の利点があるが、従
来の親水性ウレタンプレポリマーと同様に、エチレンオ
キシド化合物を使用しているために、可使時間が短かく
、圧縮強度が小さいという欠点があった。

本発明におけるウレタンプレポリマーは、分子鎖中に第
４級アンモニウム塩を含有することによって、ウレタン
プレポリマーに親水性を付与したものであり、本発明は
この親水性ウレタンプレポリマーが湿潤した土質材料中
の水との反応性が容易であることの知見に基いてなされ
たものである。

すなわち本発明は、有機イソシアネート化合物と、少な
くとも１個の水酸基を有しオキシアルキレン基を有して
いない低分子量の第３級アミン化合物との反応生成物に
、反応中または反応後に第４級化剤を加えて得られた、
末端に少なくとも２個のＮＣＯ基を有し分子鎖中に第４
級アンモニウム塩を含有する粉状のウレタンプレポリマ
ーを湿潤した土質材料に混合し、該湿潤土質材料を固結
させることを特徴とする土質安定強化工法である。

上記有機イソシアネート化合物は、通常のウレタンプレ
ポリマーの製造に使用されている脂肪族、芳香族、脂環
族等のジイソシアネートおよびトリイソシアネートなど
のポリイソシアネート化合物テアって、好適なものとし
てトリレンジイソシアネート（ＴＤＩ）、フェニレンジ
イソシアネート、４．４′−ジフェニルメタンジイソシ
アネート（ＭＤＩ）、■、６−へキサメチレンジイソシ
アネート、イソホロジイソシアネート（ＩＰＤＩ）、４
．４′−ジシクロヘキシルメタンジイソシアネートなど
が例示される。

また上記第３級アミン化合物は、上記有機インシアネー
ト化合物のＮＣＯ基と反応する少なくとも１個のＯＨ基
を末端に有するもので、下記の化学式で表わされる。

上記式中、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３はアルキレン基であり、Ｒ
４、Ｒ５はアルキル基である。

上式のうち、ジオール型の（ＩＩ）式が特に好ましく、
（Ｉ）式は単独でもしくはウレタンプレポリマーの反応
停止剤を兼ねて上記（ＩＩ）式と併用されるものであり
、またトリオール型の（ロ）式は、三次元反応するため
硬化物の耐熱性を付与するのに適している。

上記第３級アミン化合物の具体例は、（１）式ではジメ
チルエタノールアミン、ジエチルエタノールアミン、ジ
−ｎ−ブチルエタノールアミンなどの低分子化合物であ
り、（１）式ではエチルジェタノールアミン、ｎ−ブチ
ルジェタノールアミンなどの低分子化合物であり、また
（１）式では、トリエタノールアミン、トリイソプロパ
ツールアミンなどの低分子化合物である。

なお、上記第３級アミン化合物はいずれもアルキレンオ
キシドを付加しないものであるが、これら第３級アミン
化合物に、アルキレンオキシドを付加した第３級アミン
化合物を本発明の目的を阻害しない程度に少量混合して
もよい。

上記第３級アミン化合物の第３級アミン基を、第４級ア
ンモニウム塩に変化させるための第４級化剤は、ハロゲ
ン化アルキル、ハロゲン化有機酸および硫酸エステルな
どであって、具体的化合物としては、塩化プロピル、塩
化ベンジル、モノクロル酢酸、臭化ブチル、ジメチル硫
酸、ジエチル硫酸などが例示される。

上記の第４級化剤によって分子鎖中に第４級アンモニウ
ム塩が生成さ札ウレタンプレポリマーに親水性が付与さ
れる。

親水性の程度は、第４級アンモニウム塩の濃度に左右さ
れ、第４級アンモニウム塩に含まれる第４級窒素の濃度
は次式によって算出される。

ただし上式中、Ｍは配合物中の第３級アミン化合物のモ
ル数、Ａは第３級アミン化合物に対する第４級化剤のモ
ル比（ただしＡが１．０より大きい場合は１．０として
計算する）、Ｗは配合物中のイソシアネート化合物、第
３級アミン化合物およびポリオールの全重量（り）であ
る。

なお、ポリオールは第３級アミン化合物と併用した場合
の量であって、ポリオールの併用については後述する。

上記（ＩＶ）式で算出される第４級窒素濃度は０．２〜
５８０％であることが好ましく、０，２幅未満であると
ウレタンプレポリマーの親水性に乏しく、５幅を越える
と固結された土質の耐水性が低下して実用性に劣る。

第３級アミン化合物に対する第４級化剤の添加量は、当
モルかまたは理論値より若干少ないことが好ましい。

第４級化剤は一般に刺激性または特異な臭気を有するも
のであるから、第４級化剤の量が多過ぎると得られたウ
レタンプレポリマーに特異な臭気が残るので好ましくな
い。

上記の第４級化剤は、プレポリマーの生成反応時に添加
してもよく、またプレポリマー生成後に添加してもよい
。

第４級化剤による第４級化反応条件は、第４級化剤の種
類によって異なるが、室温〜１３０℃の温度範囲で行な
うことができる。

第４級化剤のうち、硫酸エステル、モノクロル酢酸は比
較的低温で行なわれ、塩化ベンジルは１００℃前後で行
なわれる。

上記のようにして得られたプレポリマーは固体状であり
、その遊離ＮＣＯ％は５〜２５幅であることが好ましい
。

そしてこのウレタンプレポリマーを本発明の工法に使用
するには、得られた固状体を粉砕して粉体とする。

本発明のウレタンプレポリマーを製造するに際し、上記
の第３級アミン化合物および第４級化剤のほかに更にポ
リオールを添加することができる。

特に、本発明は低分子量の第３級アミン化合物を使用す
るので、イオン基の濃度を調節し、かつイオン基の分布
を広げるためにポリオールを併用することが好ましい。

ただし第３級アミン化合物とポリオールとを併用すると
、第３級アミン化合物の方がインシアネート化合物に対
する反応性が大きいため、第３級アミン化合物だけがイ
ンシアネート化合物と反応し、得られたウレタンプレポ
リマー中のイオン基が均一に分布されない。

それ故、ポリオールをあらかじめインシアネート化合物
と反応させてプレポリマーを作成し、次いで第３級アミ
ン化合物を添加して反応させる２段法を採用すべきであ
る。

上記の低分子量の第３級アミン化合物とポリオールを併
用する方法は、多品種のウレタンプレポリマーを少量生
産する場合に便利である。

上記のポリオールはポリウレタン製造に通常使用される
ものである。

エーテル型ポリオールとしてはプロピレングリコール系
、ブチレングリコール系、テトラメチレングリコール系
で平均分子量２５００以下のもの、その他ジオール、ト
リオールが使用できる。

またエステル型ポリオールとしてはアジピン酸と各種グ
リコール（例えばエチレングリコール、フロピレンクリ
コール、ジエチレンクリコールなど）の重縮合物、ポリ
カプロラクトンなどの平均分子量２５００以下のもの、
または１，４−ブタンジオール、エチレングリコールな
どの鎖延長剤が使用できる。

上記のウレタンプレポリマーを製造するに際しプレポリ
マーの反応に直接関与しない力＼有効なものとして充填
剤および溶剤を添加することができる。

上記のウレタンプレポリマーは、湿潤した土質材料の固
結剤として使用されるが、充填剤を混合することによっ
てプレポリマーが充填剤の表面に被覆されるので、充填
剤に被覆されたプレポリマーを使用する方が、プレポリ
マー粉状体のみを使用する場合に比べてプレポリマー量
が少なくてよく、しかも充填剤によって硬化物の強度が
大きくなる場合がある。

充填剤の作用は硬化させる湿潤土の粒子の大きさに関係
するため、充填剤の粒度は超微粒子より数−ｒ−の大き
さのものが広く使用できる。

充填剤の材質は、プレポリマー製造の原料成分に反応、
溶解しないものであれば、無機質、有機質のいずれでも
よく、具体的には超微粒子状シリカ、炭酸カルシウム、
けい酸アルミニウム、けいそう土、ガラスピーズ、しら
すバルーン、フェノール樹脂粉末などである。

プレポリマー製造時に添加される溶剤は、本発明のプレ
ポリマーがイオン結合によって固化し易いのでプレポリ
マー生成反応の途中で固化するのを防止したり、または
上記充填剤表面にプレポリマーを溶液として被覆する際
にプレポリマー液の粘度を低下させたりする場合に使用
される。

有用な溶剤としてはプレポリマーと反応せず、プレポリ
マーに対する溶解性がよく、かつ沸点が低くて飛散し易
いものであり、具体的にはアセトン、メチルエチルケト
ンなどが例示される。

プレポリマー製造に際して、上記充填剤、溶剤のほかに
、ポリウレタンに一般的に使用される老化防止剤、紫外
線吸収剤、反応促進剤、反応遅延剤、顔料などを適宜に
添加することができる。

以上のようにして得られた粉状のウレタンプレポリマー
を土質安定化工法に使用する場合、土質材料中に含有す
る水分の一部と速やかに反応し、ウレタンプレポリマー
が樹脂化して、土粒子と結合固結し、弾性を有する強固
な固結体となり、これに残りの水が分子鎖中のイオン基
（第４級アンモニウム塩）により抱水される状態になる
ものと考えられる。

従って土質材料は、含水の状態であることが必要であり
実際には水飽和上に近いもの、またはそれ以上に含水さ
れた土質材料に有効である。

更に関東ロームなと極めて含水比（湿潤土に於ける水分
量と乾燥上との比率）の高い湿潤土では、本発明に係か
るウレタンプレポリマーを若干多量に使用すれば十分に
固結するが、さらに固結助剤として無機質の水硬性の化
合物を併用することにより一層有効である。

一般に無機質のものは固結物に弾性がない欠点があるが
、本発明のようにウレタンプレポリマーに併用する場合
には、その欠点がないことが認められた。

上記の固結助剤としてはセメント、生石灰、石膏、水滓
などが例外される。

本発明に係かる土質安定強化工法の施工手段としては、
湿潤土とウレタンプレポリマーを所定の量で均一に混合
し、素早く転圧することによってウレタンプレポリマー
のインシアネート基が水と反応し固結するものであるか
ら、少量の場合には手攪拌によっても可能であり、また
大量の場合には機械による混合転圧が好ましい。

本発明によれば、従来の親水性ウレタンプレポリマーに
よる工法に比べて次の点に勝れている。

（１）分子鎖中に第４級アンモニウム塩のイオン基を含
有するため、イオン架橋により固体状になり易い。

（２）固結時間が長いので硬化するに至るまでに湿潤さ
れた土質材料と混合し易い。

（３）固結物の一軸圧縮強度が大きく、かつ適度な弾性
を有している。

（４）固結物の断熱性が高い。

（５）第４級アンモニウム塩による殺菌効果により土中
での菌の発生が防止され、長時間強度が安定である。

以下に本発明を実施例によって具体的に説明する。

なお実施例中、配合量り「部」は１重量部」である。

実施例 １〜２ （１）第４級化アンモニウム塩の製造 攪拌機、温度計、滴下漏斗を備えた三ツロフラスコに、
メチルジェタノールアミン１１９部を加え、このフラス
コを氷水冷却槽で冷却して液を攪拌しながら滴下漏斗よ
りジメチル硫酸１２６部（当モル量）を、液温か３０〜
３５℃に保持されるように滴下速度を調節して滴下させ
る。

滴下終了後、上記冷却槽を取外し、液温を７０℃まで昇
温しで１時間反応させたのち、室温まで徐冷して淡黄色
の透明粘稠な第４級化アンモニウム塩を得た。

（２）プレポリマーの製造 攪拌機、温度計、窒素ガス導入口を備えた三ツロフラス
コに、上記の第４級化アンモニウム塩、インシアネート
化合物、必要に応じて１゜４−ブタンジオールを加え、
窒素ガスを導入しながら攪拌し、室温より７０℃まで昇
温させ、更にジブチルチンジラウレートを触媒として加
えて昇温を続けさせると、１２０℃で透明、均一な液と
なり、１５０℃まで加温すると約１分間で急激に粘稠と
なり、直ちにこの粘稠液を密閉容器に移して室温で１日
間熟成させると、淡褐色透明な固形物となった。

この固形物を乳鉢で粉砕して第４級アンモニウム塩含有
の粉状ウレタンプレポリマーを得た。

上記各成分の配分量、プレポリマーの性質を下記第１表
に示す。

実施例 ３ 攪拌機、温度計、滴下漏斗および窒素ガス導入口を備え
た四ツロフラスコに、平均分子量２０００のポリプロピ
レングリコール２０００部とＴＤＩ８０の５２２部とを
加えて９０〜１００°Ｃ１約１時間加熱し、次いで３０
〜３５℃に冷却してメチルジェタノールアミン１１９部
および溶剤とじてのメチルエチルケトン１１９部を滴下
漏斗より滴下して６０〜７０℃に昇温させて約１時間反
応させる。

次いで液温を４０〜５０℃として、ＴＤＩ −８０の６
３５部を加えて上記液温で約３０分間保持したのち、液
温をさらに５０−０℃に昇温しでモノクロル酢酸９０部
、メチルエチルケトン９０部を徐々に加え、約１時間保
持する。

得られたプレポリマーは紫褐色粘稠液で、第４級窒奏濃
度０．４ ％、遊離ＮＣ０９，９％であった。

上記プレポリマー８０部を含水率０．５幅のしらすバル
ーン１００部に攪拌しながら徐々に加えて均一に分散さ
せると、メチルエチルケトンが飛散して充填剤の表面を
被覆した状態のプレポリマー粉状体を得た。

実施例 ４ 土質安定強化試験 上記実施例１〜３で作成したウレタンプレポリマーと、
各種湿潤上とを混合し固結しその特性を判定した。

（ａ）湿潤上 湿潤上として、湿潤豊浦標準砂、荒木田、しらす、関東
ロームを使用した。

豊浦標準砂は含水量が低いため、噴霧状の水を均一に散
布して、数日間放置し、含水比２０幅程度の湿潤砂とし
た。

その他の湿潤上は現地で採取したのち直ちに密封したも
のを使用した。

（ｂ）−軸圧縮試験 圧縮試験は土質工学会の「安定処理土締固め及び−軸圧
縮試験方法」に準じて行なった。

すなわち、湿潤上にウレタンプレポリマー（場合によっ
ては助剤も同時に添加したもの）の所定量を加えて約２
分間攪拌し、小型モールドに上記混合物を素早く押込み
プランジャーで加圧して充填する。

約２時間後、固形物を取り出し、２０Ｃ相対湿度１００
％の場所で７日間放置したのち、−軸圧縮試験をした。

余分の混合物はそのまま室内に放置しプレポリマーと水
との反応によって硬化する状態を観察し、モールドで成
型できなくなる状態を指触で判断して可使時間とした。

なお、混合量と物性の関係は次の第２表に示す。

比較として従来の親水性ウレタンによる値も併記した。

以上のように本発明のウレタンプレポリマーによる固結
物は、従来の親水性ウレタンプレポリマーによる固結物
に比べて、可使時間が長く、現場作業にｌより適してい
る上に、−軸圧縮強度がｌ同じ湿潤砂で数倍大きいこと
が認められる。

（ｃ） 熱伝導率の測定
斗上記圧縮試験における湿潤豊浦標準砂（含水比１９．
８％）を圧縮試験と同様の操作で固結したものの熱伝導
率を測定しその結果を下記第３表に示した。

なお比較として、従来の親水性ウレタンプレポリマーで
固結したもの、および湿潤砂のみの測定も行ない、その
結果を併記した。

上記第３表に示すように、本発明による固結物は熱伝導
率が小さく、断熱性に勝れている。

これはイオン基を導入することにより抱水の状態が変化
しているものと想像される。

固結物の断熱性が勝れていることは、路盤の凍結防止等
に好ましく本発明工法の特長である。

（ｄ） 耐菌性試験 豊浦標準砂を池の水で約２０幅の含水比になるように湿
潤させ、ウレタンプレポリマーによって固結させたもの
を作り、３５℃、相耐湿度１００幅の槽で長期間（約４
ケ月）放置した。

その際、従来の親水性プレポリマーで固結したものは、
約２週開目より黒色、白色のかびの斑点が表面にでき、
約１ケ月でほぼ全面に発生した。

一方、本発明によるプレポリマーで固結したものは、４
ケ月後でもかび発生の兆候が現われていない。

このことは本発明のウレタンプレポリマーがかびの発生
に対して抵抗性をもっていることを示している。

第４級アンモニウム塩の窒素原子に長鎖（０８〜Ｃ３５
）のアルキル基が付いたものは、殺菌性であることは既
に知られており、本発明の場合もある程度予測しうるこ
とではあったが、地中に長期間放置されても、かびの発
生がなくて、かびによる劣化がないとすると、土構造物
の長期安定性を保つことになり、このことは本発明の特
長の一つである。

本発明の土質安定強化工法を道路、鉄道の路盤構造に使
用した場合は、支持力の増加、凍土の防止、雨水の浸入
防止等の効果があり、特に地下道での凍土防止効果に勝
れている。

またダム、堤防の堤体構造に使用した場合は、支持力の
増加、 水の防止、侵食の防止に効果がある。

更に、金属もしくはゴム等を土中に埋設するテールアル
メ工法や地下パイプライン、地下電線等に対しては、殺
菌効果により金属、ゴムの腐食防止に役立つのでその使
用範囲が広い・

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 有機イソシアネート化合物と、少なくとも１個の水
   酸基を有しオキシアルキレン基を有していない低分子量
   の第３級アミン化合物との反応生成物に、反応中または
   反応後に第４級化剤を加えて得られた、末端に少なくと
   も２個のＮＣＯ基を有し分子鎖中に第４級アンモニウム
   塩を含有する粉状のウレタンプレポリマーを湿潤した土
   質材料に混合し、該湿潤土質材料を固結させることを特
   徴とする土質安定強化工法。 ２ 粉状のウレタンプレポリマーが無機質粉体の表面に
   被覆されたものである特許請求の範囲第１項記載の土質
   安定強化工法。 ３ 粉状のウレタンプレポリマーを水硬化性の無機質粉
   体と共に湿潤した土質材料に混合する特許請求の範囲第
   １項または第２項記載の土質安定強化工法。