JPWO2020036087A1

JPWO2020036087A1 - 地盤注入剤及びそれを用いた地盤注入工法

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Publication number: JPWO2020036087A1
Application number: JP2020537418A
Authority: JP
Inventors: 佐々木　崇; 崇佐々木; 荒木　昭俊; 昭俊荒木
Original assignee: Denka Co Ltd; Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2018-08-15
Filing date: 2019-08-05
Publication date: 2021-08-26
Also published as: WO2020036087A1

Abstract

セメントを水又は水溶液中に含有するＡ剤と、ＳｉＯ２とＮａ２Ｏとのモル比（ＳｉＯ２／Ｎａ２Ｏ）が０．５〜１．５であり、水和水の数が９以下である珪酸ソーダ粉体を水又は水溶液中に配合してなるＢ剤とからなる地盤注入剤である。

Description

本発明は、各種土木工事における地盤改良工事や止水工事で用いられる地盤注入剤およびそれを用いた地盤注入工法に関する。

従来から、トンネル土木や都市土木等で、地山や地盤の安定化を図るために、薬液型の地盤注入剤が用いられてきた。この地盤注入剤としては、セメント系粒子を含有する懸濁型地盤注入剤と、セメント系粒子を含有しない溶液型地盤注入剤とが用いられている。

懸濁型地盤注入剤は、強度発現性が優れるといったメリットを有する反面、粒子間隔の小さい密な砂質層には、薬液を浸透させることが困難であるというデメリットを有している。さらに懸濁型地盤注入剤は、硬化するまでの時間、すなわち、ゲルタイムが長いため止水に不向きであることが問題視されている。

一方、溶液型地盤注入剤として、アクリルアミドやウレタン系等の高分子系の注入剤が使用されてきたが、これらの薬液の井戸水への流入による公害問題で、旧建設省より昭和４９年に「薬液注入工法による建設工事の施工に関する暫定指針」が通達され、高分子系の注入剤の使用は凍結となり、より安全で、かつ、より性能の良い地盤注入剤が望まれてきた。

このような観点から、現在使用されている溶液型地盤注入剤は、水ガラスなどの主剤に、反応剤として、水に溶解する無機塩、有機溶液、酸、及びアルカリ溶液を、単体又は複合して使用するタイプであり、例えば、無機塩としては、炭酸塩、塩化物、硫酸塩、ホウ酸塩、及びリン酸塩が、また、有機溶液としては、エステル類と酢酸モノエーテルグリコールの混合物、プロピレンカーボネイト、アルデヒド類とホルムアルデヒドの混合物、ギ酸メチル、及びグリオキザールなどがあり、酸としては硫酸が一般的であり、アルカリ溶液としては、各種無機水酸化物等が使用されている。

このように、溶液型地盤注入剤は、溶液で粒子が無いため浸透性に優れているが、硬化後の硬化体から溶液の流出が生じやすいものがあり、寸法安定性に欠けるものが多い。また、反応剤の種類によっては対応に注意を要する物もある(特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５、及び特許文献６参照)。
さらに、アルミン酸塩や珪酸塩やカルシウムアルミネートはセメントの水和促進剤となることから、これらを含有してなる注入剤も提案されている(特許文献７〜１４参照)。さらに、珪酸塩はＳｉＯ_２とＮａ_２Ｏとのモル比（ＳｉＯ_２／Ｎａ_２Ｏ）が高く、溶液のものが提案されている。しかしながら、当該注入剤がひび割れた場合、その箇所に対してひび割れ修復作用が少なく、注入後、再度、漏水が発生する課題があった。

特開昭５２−１１３５０５号公報特開昭５７−０４７２２６号公報特開昭５２−０８７８０７号公報特開昭５１−０８２９１３号公報特開昭５２−１２０５０７号公報特開昭５７−１９５７８６号公報特開２０１３−１４７６３０号公報特開２００８−１４４０１７号公報特開２００８−１４４０１５号公報特開２００５−１３９３６８号公報特開平０９−１５７６４９号公報特公平０２−２９３３６３号公報特公平０２−２９３３６４号公報特開２００５−１４６１６１号公報

本発明は、浸透性に優れ、ゲル強度が高く、ひび割れに対して優れた修復作用を発揮できる地盤注入剤を提供することを目的とする。

本発明者らは種々検討を重ねた結果、特定の反応剤を２種類使用することにより、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明は下記のとおりである。

［１］セメントを水又は水溶液中に含有するＡ剤と、ＳｉＯ_２とＮａ_２Ｏとのモル比（ＳｉＯ_２／Ｎａ_２Ｏ）が０．５〜１．５であり、水和水の数が９以下である珪酸ソーダ粉体を水又は水溶液中に配合してなるＢ剤とからなる地盤注入剤。
［２］前記セメント１００質量部に対して、前記珪酸ソーダ粉体が０．１〜３０質量部である［１］に記載の地盤注入剤。
［３］前記Ｂ剤にミョウバンを、前記セメント１００質量部に対して０．１〜３０質量部含有してなる［１］又は［２］に記載の地盤注入剤。
［４］前記Ａ剤にアルカリ土類金属塩を、前記セメント１００質量部に対して０．１〜３０質量部含有してなる［１］〜［３］のいずれかに記載に記載の地盤注入剤。
［５］前記Ａ剤にアルカリ金属炭酸塩を、前記セメント１００質量部に対して０．１〜３０質量部含有してなる［１］〜［４］のいずれかに記載に記載の地盤注入剤。
［６］前記Ａ剤と前記Ｂ剤との混合比率が、質量比で３０：７０〜９０：１０である［１］〜［５］のいずれかに記載の地盤注入剤。
［７］地盤に注入する前又は後に、［１］〜［６］のいずれかに記載のＡ剤とＢ剤とを混合する地盤注入工法。
［８］前記地盤に注入する直前に、前記Ａ剤とＢ剤とを混合して注入する［７］に記載の地盤注入工法。

本発明によれば、浸透性に優れ、ゲル強度が高く、ひび割れに対して優れた修復作用を発揮できる地盤注入剤を提供することができる。その結果、例えば、注入後の地盤の耐久性を高くすることができる。

本発明の地盤注入剤は、セメントを水又は水溶液中に含有するＡ剤と、ＳｉＯ_２とＮａ_２Ｏとのモル比（ＳｉＯ_２／Ｎａ_２Ｏ）が０．５〜１．５であり、水和水の数が９以下である珪酸ソーダ粉体を水又は水溶液中に配合してなるＢ剤とからなる。また、本発明の地盤注入方法は、地盤に注入する前又は後に、上記のＡ剤とＢ剤とを混合する地盤注入工法である。
以下、本発明の実施形態（本実施形態）をさらに詳しく説明する。なお、本明細書における部や％は、特に規定のない限り質量基準である。

［１．地盤注入剤］
（セメント）
本実施形態に使用するセメントとは、特に限定されるものではなく、普通、早強、超早強、低熱および中庸熱等の各種セメント、これらのセメントに、高炉スラグやフライアッシュやシリカフューム等を混合した各種混合セメント、都市ゴミ焼却灰や下水汚泥焼却灰を原料として製造された環境調和型セメント（エコセメント）、市販されている微粒子セメント等が挙げられ、各種セメントや各種混合セメントを微粉末化して使用することも可能である。また、通常セメントに使用されている成分（例えば石膏等）量を増減して調整されたものも使用可能である。

（珪酸ソーダ粉末）
本実施形態で使用する珪酸ソーダ粉末は、主に極初期の流動性消失の促進効果を発揮するもので、また例えば、施工した注入剤が長い年月によりひび割れを生じた際に、例えば０．１ｍｍのひび割れに対しては流水条件下であれば、修復することができる。これは水によりゲル化した珪酸ソーダが、そのひび割れ自体を修復するように働きその幅を小さくするためと考えられる。なお、上記効果を効率よく発現させる観点から、珪酸ソーダは粉末状であり、ＳｉＯ_２とＮａ_２Ｏとのモル比（ＳｉＯ_２／Ｎａ_２Ｏ）は０．５〜１．５である。

なお、珪酸ソーダ粉末は、少なくともその配合前の状態が粉末状であり、配合後は少なくとも一部が溶解していてもよい。

地盤注入剤として、例えば極初期の流動性消失を促進するものとして、珪酸ソーダにおけるＳｉＯ_２とＮａ_２Ｏとのモル比（ＳｉＯ_２／Ｎａ_２Ｏ）は０．５〜１．５であり、０．９〜１．３が好ましい。
モル比が０．５以上であると、粉末として取り扱い性が良好であり、１．５以下であると、添加直後からの著しい流動性消失や初期強度発現性やひび割れ修復性が得られやすくなる。

珪酸ソーダ粉末における珪酸ソーダとしては、オルソ珪酸ソーダ、メタ珪酸ソーダ、セスキ珪酸ソーダ等が挙げられるが、なかでもメタ珪酸ソーダが好ましい。
珪酸ソーダ粉末としては、水和物であっても無水物であっても特に限定はされないが、水和水の数は９以下であり、５以下が好ましく、無水和物の使用がより好ましい。
珪酸ソーダ粉末のブレーン比表面積は、３００〜１０００ｃｍ^２／ｇであることが好ましく、５００〜８００ｃｍ^２／ｇであることがより好ましい。３００〜１０００ｃｍ^２／ｇであることで、初期強度発現性が得られやすい。

珪酸ソーダ粉末の使用量は、セメント１００部に対して０．１〜３０部であることが好ましく、０．２〜１０部であることがより好ましい。０．１部以上であることで、充填後の増粘効果やひび割れ修復性がより充分となりやすく、３０部以下であることで増粘効果が大き過ぎてポンプ圧送が困難になることを防ぎ、長期強度発現性をより良好にすることができる。

（アルカリ土類金属塩）
本実施形態で使用するアルカリ土類金属塩（以下、金属塩という）とは、極初期の流動性消失を促進するものであり、アルカリ土類水酸化物やアルカリ土類金属塩のことであり、これらの一種又は二種以上が使用可能である。

アルカリ土類金属塩としては、特に限定されるものではないが、カルシウムやマグネシウムの塩が好ましく、水酸化カルシウムや水酸化マグネシウムの使用がより好ましい。アルカリ土類金属塩はＡ剤に混合することが好ましく、その使用量は、セメント１００部に対して０．１〜３０部であることが好ましく、０．２〜１０部であることがより好ましい。０．１部以上であることで充填後の増粘効果がより充分となりやすく、３０部以下であることで増粘効果が大き過ぎてポンプ圧送が困難になることを防ぎ、長期強度発現性をより良好にすることができる。

（アルカリ金属炭酸塩）
本実施形態で使用するアルカリ金属炭酸塩（以下、炭酸塩という）としては、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸リチウム、重炭酸ナトリウム、重炭酸カリウム、セスキ炭酸ナトリウム等が挙げられ、これらの１種又は２種以上を使用してもよい。これらの中では、充填後の強度増進効果が大きい点で炭酸カリウムが好ましい。

炭酸塩はＡ剤に混合することが好ましく、その使用量は、セメント１００部に対して０．１〜３０部であることが好ましく、０．２〜１０部であることがより好ましい。０．１部以上であることで強度増進効果がより充分となりやすく、３０部以下であることで、長期強度発現性をより良好にすることができる。

（ミョウバン）
本実施形態で使用するミョウバンは、極初期の流動性消失の促進効果をさらに発揮することや、１日程度の強度発現性を促進するために有効である。ミョウバンとしては特に限定されないが、例えば、カリミョウバン、クロムミョウバン、鉄ミョウバン、アンモニウムミョウバン、ナトリウムミョウバン、天然ミョウバン等いずれのミョウバンも使用、併用が可能である。特にカリミョウバン、ナトリウムミョウバン、アンモニウムミョウバンからなる群から選択される少なくとも１種を含むことが好ましい。

ミョウバンはＢ剤に混合することが好ましく、その使用量は、セメント１００部に対して、０．１〜３０部であることが好ましく、０．１〜１５部であることがより好ましく、０．２〜１０部であることがさらに好ましい。含有量を０．１〜３０部とすることで、流動性消失が遅延せず、材齢１日における強度発現性を良好にすることができる。

ミョウバンのブレーン比表面積は、極初期の流動性消失の促進効果をより発揮させる観点から、３００〜１０００ｃｍ^２／ｇであることが好ましく、５００〜９００ｃｍ^２／ｇであることがより好ましい。

Ａ剤は、セメントを水又は水溶液中に含有してなり、Ｂ剤は珪酸ソーダ粉体を水又は水溶液中に配合してなるが、それぞれにおける「水溶液」とは、純粋な水だけではなく種々の液体（酸性溶液、アルカリ性溶液、有機溶液等）や添加剤が溶解したものをいう。

本実施形態では、上記各成分の他に種々の添加剤を含有させることができる。例えば、Ａ剤及び／又はＢ剤にリン酸塩、有機酸等を含有させることができる。

（リン酸塩）
本実施形態で使用するリン酸塩とは、リン酸一ナトリウム、リン酸二ナトリウム、リン酸三ナトリウム、ピロリン酸ナトリウム、トリポリリン酸ナトリウム、トリメタリン酸ナトリウム、ヘキサメタリン酸ナトリウム、ウルトラリン酸ナトリウム、及びテトラポリリン酸ナトリウム又はこれらのカリウム塩等いずれも使用可能である。これらの中で、強度発現性の観点からトリポリリン酸ナトリウムの使用が好ましい。

リン酸塩の使用量は、セメント１００部に対して０．１〜１５部であることが好ましく、０．２〜７部であることがより好ましい。０．１部以上とすることで凝結時間の調整がより充分なものとしやすくなり、１５部以下であることで、強度発現性をより良好にすることができる。

（有機酸）
本実施形態で使用する有機酸とは、凝結調整の効果がある。有機酸としては、クエン酸、酒石酸、グルコン酸、及びリンゴ酸又はそれらのナトリウムやカリウム塩等のいずれも使用可能であるが、強度発現性を阻害しにくいクエン酸ナトリウムの使用が好ましい。これらのうちの一種又は二種以上を使用することが可能である。

有機酸の使用量は、セメント１００部に対して０．１〜１５部であることが好ましく、０．２〜７部であることがより好ましい。０．１部以上とすることで凝結時間の調整がより充分なものとしやすくなり、１５部以下であることで、強度発現性をより良好にすることができる。

Ａ剤とＢ剤を混合するに先立ち、Ａ剤の固形分濃度は、水１００部に対して５０〜１５０部が好ましく、８０〜１２０％部より好ましい。Ｂ剤の固形分濃度は、水１００部に対して４〜７０部が好ましく、５〜３０部がより好ましい。また、Ａ剤とＢ剤の合計の固形分濃度は、水１００部に対して２０〜７０部が好ましく、３０〜６０部がより好ましい。上記範囲であれば、硬化後の溶液の流出が少なく、良好な硬化状態と適度な粘度が得られる。

以上のような本発明の地盤注入剤を使用することにより、既述の課題が解決され、特に、初期の硬化が早く、ゲル強度が高く、さらにひび割れ修復率が優れるなどの効果を奏する。

［２．地盤注入工法］
本実施形態に係る地盤注入方法は、地盤に注入する前又は後に既述のＡ剤とＢ剤とを混合する地盤注入工法である。例えば、Ａ剤及びＢ剤それぞれ別々に圧送し、地盤注入前又は地盤注入後に（地盤中で）混合する方法が挙げられる。本発明の効果をより発揮しやすくするため、地盤に注入する直前に、Ａ剤とＢ剤とを混合して注入することが好ましい。例えば、Ａ剤とＢ剤とを混合して０．５分以内に公知の手段で注入することが好ましい。

本実施形態において、Ａ剤とＢ剤の混合比率は、質量比で３０：７０〜９０:１０であることが好ましく、４０：６０〜８０：２０であることがより好ましい。上記の比率の範囲にあれば、より有効にゲル化させることが可能で、優れたゲル強度が得らやすくなる。また、Ａ剤とＢ剤との混合設備は均一に混合できればいかなる設備も使用可能である。

以下、実験例に基づいて本発明を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

［実験例１］
セメント１００質量部に対して、表１〜表３に示す割合で、ＳｉＯ_２とＮａ_２Ｏとのモル比（ＳｉＯ_２／Ｎａ_２Ｏ）、水和水の数を変えた珪酸ソーダ、アルカリ土類金属塩、アルカリ金属炭酸塩、ミョウバンを添加し、Ａ剤及びＢ剤を作製した（地盤注入剤の調製）。Ａ剤の固形分濃度は、水１００部に対して１００部、Ｂ剤の固形分濃度は、水１００部に対して１０部とした。
ここで、Ａ剤は、セメント１００質量部と、表１〜表３に示す割合のアルカリ土類金属塩、アルカリ金属炭酸塩、及び水を含み、Ｂ剤は、表１〜表３に示す割合の珪酸ソーダ、ミョウバン、水を含む。
また、実験Ｎｏ．１−０以外は、セメン１００質量部に対して、第一リン酸ナトリウムを０.５質量部、クエン酸ナトリウムを０.２質量部、Ａ剤に混合した。
さらに、Ａ剤としてセメント１００質量部、Ｂ剤として表１に示す割合の珪酸ソーダを含有した以外は実験Ｎｏ．１−０と同様にして地盤調整剤を作製し、これについても後述の試験を行った（実験Ｎｏ．０−０）。

Ａ剤とＢ剤とを、２０℃、相対湿度８０％の室内で６０：４０の質量比率で混合し、ゲルタイム、ゲル強度、及びひび割れ修復率を測定し、表１〜表３に併記した。

なお、使用した材料は下記のとおりである。
＜使用材料＞
セメントＡ：普通ポルトランドセメント、ブレーン比表面積値３３４０ｃｍ^２／ｇ
アルカリ土類金属塩ａ：水酸化カルシウム、市販品
アルカリ土類金属塩ｂ：水酸化マグネシウム、市販品
アルカリ土類金属塩ｃ：塩化カルシウム、市販品

アルカリ金属炭酸塩ａ：炭酸カリウム、市販品
アルカリ金属炭酸塩ｂ：炭酸ナトリウム、市販品
ミョウバンａ：カリウムミョウバン１２水和物、市販品、ブレーン比表面積値６００ｃｍ^２／ｇ
ミョウバンｂ：硫酸ナトリウムアルミニウム１２水和物、市販品、ブレーン比表面積値７００ｃｍ^２／ｇ
ミョウバンｃ：アンモニウムミョウバン１２水和物、市販品、ブレーン比表面積値６００ｃｍ^２／ｇ

第一リン酸ナトリウム：一級試薬
クエン酸ナトリウム：一級試薬
水：水道水

＜測定方法＞
（１）ゲルタイム：Ａ剤とＢ剤とを混合後、少量をカップに移し、著しく増粘して流動が困難になった時点（カップを６０度傾けて形状を保持できなくなった時点）の時間をゲルタイムとした。ゲルタイムが短いほど水を含んだ地盤へも流されず、注入性に優れるといえる。

（２）ゲル強度：ゲルタイムから６時間後の硬化体を、ＪＩＳＡ５２０１に準じ、その強度を測定した。１ｋｇｆ／ｃｍ^２以上の場合は◎、０．５ｋｇｆ／ｃｍ^２以上で１ｋｇｆ／ｃｍ^２未満の場合は○、０．５ｋｇｆ／ｃｍ^２未満の場合は△とした。◎及び○が合格である。

（３）ひび割れ修復率：４ｃｍ×４ｃｍ×１６ｃｍの型枠にＡ剤とＢ剤の混合物を流し込み試験体を作製した。材齢２８日後、試験体の曲げ試験を行い、ひび割れ幅が０．１ｍｍとなるように、０．１ｍｍのスペーサーを試験体の中心部に挟み、万力で固定した後、２０℃で水中養生を１２ヶ月間実施し、マイクロスコープで観察し、０．１ｍｍ幅の隙間に対する修復率を求めた。なお、ひび割れ修復率は、５０％以上であることが好ましい。

本発明の地盤注入剤を用いることで、初期の硬化が早く、強度発現性、さらにひび割れ修復率が優れることがわかる。

［実験例２］
実験Ｎｏ．１−４の地盤注入剤（Ａ剤とＢ剤）を使用し、さらに下記表４に示す比率でＡ剤とＢ剤を使用した以外は実験例１と同様にして、ゲルタイムとゲル強度とひび割れ修復率を測定した。結果を表４に併記する。

表４より、Ａ剤とＢ剤との混合比率が、質量比で３０：７０〜９０：１０である地盤注入剤を用いることで、初期の硬化が早く、強度発現性、さらにひび割れ修復率が特に優れることがわかる。

本発明の地盤注入剤及びそれを用いた地盤注入工法は、各種土木工事における地盤改良工事や止水工事で広範に使用することができる。

Claims

セメントを水又は水溶液中に含有するＡ剤と、ＳｉＯ_２とＮａ_２Ｏとのモル比（ＳｉＯ_２／Ｎａ_２Ｏ）が０．５〜１．５であり、水和水の数が９以下である珪酸ソーダ粉体を水又は水溶液中に配合してなるＢ剤とからなる地盤注入剤。
前記セメント１００質量部に対して、前記珪酸ソーダ粉体が０．１〜３０質量部である請求項１に記載の地盤注入剤。
前記Ｂ剤にミョウバンを、前記セメント１００質量部に対して０．１〜３０質量部含有してなる請求項１又は２に記載の地盤注入剤。
前記Ａ剤にアルカリ土類金属塩を、前記セメント１００質量部に対して０．１〜３０質量部含有してなる請求項１〜３のいずれか１項に記載に記載の地盤注入剤。
前記Ａ剤にアルカリ金属炭酸塩を、前記セメント１００質量部に対して０．１〜３０質量部含有してなる請求項１〜４のいずれか１項に記載に記載の地盤注入剤。
前記Ａ剤と前記Ｂ剤との混合比率が、質量比で３０：７０〜９０：１０である請求項１〜５のいずれか１項に記載の地盤注入剤。
地盤に注入する前又は後に、請求項１〜６のいずれか１項に記載のＡ剤とＢ剤とを混合する地盤注入工法。
前記地盤に注入する直前に、前記Ａ剤とＢ剤とを混合して注入する請求項７に記載の地盤注入工法。