JP2007314725A - 地盤安定化用混和剤、地盤安定化材料、及びそれを用いた地盤安定化工法 - Google Patents

Abstract

【課題】 定量圧送が可能となり、高い粘性低減効果の付与と注入物の均一化とが可能となり、地中に高圧注入し、地盤を硬化、安定化させる地盤安定化用混和剤、地盤安定化材料、及び地盤安定化工法を提供する。
【解決手段】 リン酸塩、アルカリ金属塩化物、及びポリアクリル酸類を含有してなる地盤安定化用混和剤、リン酸塩100部に対して、アルカリ金属塩化物が20〜250部、ポリアクリル酸類が20〜200部である該地盤安定化用混和剤、さらに、有機酸を含有してなる地盤安定化用混和剤、並びに、該地盤安定化用混和剤100部中、固形分濃度が10〜55部である該地盤安定化用混和剤、セメント、該地盤安定化用混和剤、及び水を含有してなる地盤安定化材料、セメント、リン酸塩、アルカリ金属塩化物、及びポリアクリル酸類を含有してなる地盤安定化材料、該地盤安定化材料を地盤中に高圧注入し、土と混合して硬化させる地盤安定化工法を構成とする。
【選択図】 なし

Description

本発明は、地中に高圧注入し、地盤を硬化安定化させる地盤安定化用混和剤、地盤安定化材料、及び地盤安定化工法に関する。

軟弱地盤のような不良地盤を改良するためには、軟弱な地盤を硬化、安定化させなければならない。
この地盤安定化工法としては、例えば、セメントミルクを、高圧で地中深くに噴射し、土と混合して硬化させ安定化する工法が挙げられる（非特許文献１参照）。
この工法は、例えば、地中にセメントミルクを噴射する管を挿入し、管を回転させながら管先端付近からセメントミルクを高圧噴射し、地中の土を切削すると同時に、切削されたセメントミルクと土との混合物を、別の管内を通して地上へ排出しながら、一定速度で管を上昇させ、地中を、セメントミルクと土との混合物で置換して硬化させ、地盤を安定化させる工法である。
切削によりセメントミルクと土とを混合した場合に、セメント粒子と土の粒子とが電気的作用により互いに凝集するために、セメントミルクと土との混合物である混合土の粘性が上昇し、そのため、これを地上へ排出できにくくなるといった課題があった。

混合土の粘性を低下させるものとして、液状のものとしては、ナフタレンスルホン酸塩ホルマリン縮合物、メラミンスルホン酸塩ホルマリン縮合物、及び／又はポリカルボン酸系化合物等を含有する超高圧噴流注入工法用セメント添加剤が知られている（特許文献１参照）。
しかしながら、これらの超高圧噴流注入工法用セメント添加剤は、砂質土や砂分の多いシルト地盤では、その結果がある程度認められるが、粘性土地盤においては、粘性低下の効果が小さいために多量に添加する必要があり、強度発現性が向上しにくいという課題があった。

一方、混合土の粘性を低下させるものとして、リン酸塩、アルカリ金属含有物（硫酸塩、亜硫酸塩、炭酸塩、及び重炭酸塩等）、有機酸、並びに、アンモニウム塩等を含有する物質を組み合わせたものが知られている（特許文献２〜７参照）。
しかしながら、これらは、粘性土地盤において、強度発現性に優れるが粘性低下の効果が小さいという課題があった。

また、液体の地盤安定化用混和剤を使用する場合は、より高い粘性低減効果の付与と注入物との均一化が求められている。

坪井 直道著、薬液注入工法の実際、第５〜９頁、昭和56年３月25日、鹿島出版会、改訂版第２刷発行 特開平０６−１２７９９３号公報 特開平０５−２５４９０３号公報 特開平０６−２０６７４７号公報 特開平０７−２０６４９５号公報 特開平０７−０６９６９５号公報 特開２００４−１４３０４１号公報 特開平０９−１９４８３５号公報

本発明者は、地盤安定化工法において、前記課題を解決すべく種々検討を行った結果、特定の地盤安定化用混和剤を使用することにより、高い粘性低減効果が付与され、液状化によって、定量圧送が可能となり、そのうえ、優れた強度発現性を示すとの知見を得て本発明を完成するに至った。

即ち、本発明は、リン酸塩、アルカリ金属塩化物、及びポリアクリル酸類を含有してなる、地盤安定化用混和剤又は液体の該地盤安定化用混和剤であり、リン酸塩100部に対して、アルカリ金属塩化物が20〜250部、ポリアクリル酸類が20〜200部である該地盤安定化用混和剤であり、さらに、有機酸類を含有してなる該地盤安定化用混和剤であり、液体の該地盤安定化用混和剤100部中、固形分濃度が10〜55部である該地盤安定化用混和剤であり、セメントと該地盤安定化用混和剤とを含有してなる地盤安定化材料であり、セメント、リン酸塩、アルカリ金属塩化物、及びポリアクリル酸類を含有してなる地盤安定化材料であり、該地盤安定化材料を地盤中に高圧注入し、土と混合して硬化させる地盤安定化工法である。

本発明の地盤安定化用混和剤やそれを用いた地盤安定化材料を使用することにより、高い粘性低減効果が付与され、液状化によって、定量圧送が可能となり、その上、優れた強度発現性を示すといった効果を奏する。

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明で使用する部や％は特に規定のない限り質量基準である。

本発明の地盤安定化用混和剤（以下、本混和剤という）では、リン酸塩、アルカリ金属塩化物、及びポリアクリル酸類を使用する。

本発明で使用するリン酸塩は、混合土の粘性低下の効果があり、水への溶解性が高いものが好ましく、具体的に、リン酸、ピロリン酸、メタリン酸、及びヘキサメタリン酸の他、リン酸二水素塩やピロリン酸二水素二塩などこれらの塩の使用が可能であり、塩としてはナトリウム塩、カリウム塩、及びリチウム塩等が使用可能であり、これらのうちの一種又は二種以上が使用可能である。これらのうちでは、リン酸やリン酸二水素塩の使用が好ましい。

本発明ではさらに、粘性低減効果に影響を与えずにリン酸塩の遅延作用を低減して強度発現性を高める物質として、アルカリ金属塩化物（以下、本塩化物という）を使用する。

本塩化物としては、ナトリウム、カリウム、及びリチウムなどの塩化物が挙げられ、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。これらのうちでは、強度発現性の面で塩化ナトリウムの使用が好ましい。
本塩化物の使用量は、リン酸塩100部に対して、20〜250部が好ましく、30〜200部がより好ましい。20部未満では高い強度発現性が得られない場合があり、250部を超えると充分な粘性低減効果が得られない場合がある。

本発明では、ポリアクリル酸類を併用することでさらに優れた粘性を低減させる効果が得られる。
ポリアクリル酸類とは、ポリアクリル酸やその誘導体又はそれらの塩類であって、具体的には、ポリアクリル酸やポリアクリル酸エステル共重合体又はそれらのナトリウム塩、カリウム塩、及びカルシウム塩等が使用可能であるが、入手しやすさからナトリウム塩の使用が好ましく、共重合体としては架橋分岐型が好ましい。特に、本発明では、ポリアクリル酸ナトリウム、中でも低重合度の、水に可溶な重合体で、固形分が90％以上で、25℃における40％濃度のスラリー粘度が、10,000cps以下の可溶性重合度タイプのものの使用が、高い粘性低減効果が得られる面から好ましく、50〜2,000cpsの粘度のものがより好ましい。
ポリアクリル酸類の使用量は、リン酸塩100部に対して、20〜200部が好ましく、30〜150部がより好ましい。20部未満では充分な粘性低減効果が得られない場合があり、200部を超えると固結するまで多くの時間を費やし、高い強度発現性が得られない場合がある。

本混和剤を液体で使用する場合は、本混和剤100部中、リン酸塩、本塩化物、及びポリアクリル酸類の固形分の合計は、10〜55部であることが好ましく、15〜45部であることがより好ましい。10部未満では、多量の本混和剤の添加量を必要とし、施工効率が落ちる場合があり、55部を超えると本混和剤の安定性が損なわれる場合がある。

本発明では、さらに粘性低減効果や本混和剤の安定性を向上させるために有機酸類を使用することが好ましい。
有機酸類は、本混和剤中で、金属イオンを安定化させるものであり、この目的で使用可能な物質であれば特に限定されるものではなく、例えば、カルボキシル基を少なくとも１個、好ましくは１〜３個、より好ましくは２〜３個有する有機酸であり、さらに、１〜３個の水酸基及び／又は１〜３個のアミノ基を有するものの使用も可能である。
これら有機酸類の具体例としては、例えば、(1)ぎ酸、酢酸、及びプロピオン酸等のモノカルボン酸類、(2)シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、ピメリン酸、マレイン酸、フマル酸、及びフタル酸等のジカルボン酸類、(3)トリメリト酸やトリカルバリリル酸等のトリカルボン酸類、(4)クエン酸、酒石酸、グルコン酸、及びリンゴ酸等のオキシカルボン酸類、リンゴ酸のオキシジカルボン酸類、(5)アスパラギン酸やグルタミン酸等のアミノカルボン酸類、(6)エチレンジアミン四酢酸(ＥＤＴＡ)やトランス-1,2-ジアミノシクロヘキサン四酢酸(ＣｙＤＴＡ)等のアミノポリカルボン酸類、(7)エチレンジアミンテトラ（メチレンホスホン酸）〔ＥＤＴＰＯ〕、エチレンジアミンジ（メチレンホスホン酸）〔ＥＤＤＰＯ〕、ニトリロトリス（メチレンホスホン酸）〔ＮＴＰＯ〕、1-ヒドロキシエチリデン-1,1'-ジホスホン酸〔ＨＥＤＰＯ〕等のホスホン酸類、 (8)アセチルアセトンやヘキサフルオロアセチルアセトンなどのジケトン類等の錯体形成剤が挙げられ、本発明では、これら錯体形成剤のうちの一種又は二種以上の使用が可能である。また、錯体形成剤はアルカリ金属を含有するものも使用可能である。これらのうちで、粘性低減に効果があり、強度発現性が阻害されにくいクエン酸ナトリウムの使用が好ましい。
有機酸類の使用量は特に限定されるものではないが、リン酸塩100部に対して、0.1〜100部が好ましく、0.3〜60部がより好ましい。0.1部未満では粘性を低減させる効果が低下する場合があり、100部を超えると強度発現性が阻害される場合がある。

本発明ではさらに、粘性低減効果に影響を与えずにリン酸塩の遅延作用を低減して強度発現性を高める物質として、アルカリ金属硫酸塩を使用することが可能である。
アルカリ金属硫酸塩としては、硫酸ナトリウム、硫酸カリウム、及び硫酸リチウムが使用可能であり、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。これらのうちでは、強度発現性の面で硫酸ナトリウムの使用が好ましい。
アルカリ金属硫酸塩の使用量は、リン酸塩100部に対して、20〜250部が好ましく、30〜150部がより好ましい。20部未満では高い強度発現性が得られない場合があり、250部を超えると充分な粘性低減効果が得られない場合がある。

本混和剤は、リン酸塩、本塩化物、及びポリアクリル酸類と、必要に応じ有機酸類やアルカリ金属硫酸塩とを材料として使用するものであり、これらの材料の使用形態は、粉末状のもの、溶液化したものいずれも使用可能であるが、粉末状のものを使用する場合、水と混合して、必要に応じ、加熱して溶液化することが好ましい。

溶液化には、加熱して溶解することが好ましく、加熱することで溶液化する時間を短縮することが可能である。
溶解温度は40〜80℃が好ましく、溶解時間はこれらの材料が完全に溶解する時間で、10分〜３時間が好ましい。昇温速度や冷却速度は特に限定されるものではなく、あらかじめ、40〜80℃に予熱した材料や温水を使用して溶解することも可能である。
溶解時には攪拌することが好ましく、攪拌することで溶解時間を短縮することが可能である。

材料の溶解タンクへの混合順序や投入速度は特に限定されるものではない。また、溶解タンク内での貯蔵性や製造に要する時間を調整するために、リン酸、アルカリ金属水酸化物、及び炭酸塩等を用いてｐH調整をすることが可能である。

本発明では、本混和剤、セメント、及び水を混合して地盤安定化材料を調製する。

本発明で使用するセメントとしては特に限定されるものではなく、普通、早強、超早強、及び中庸熱等の各種ポルトランドセメント、これらのポルトランドセメントに、高炉スラグやフライアッシュなど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）、並びに、市販されている微粒子セメントなどが挙げられ、各種ポルトランド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。

本混和剤の使用量は、セメント100部に対して、１〜50部が好ましく、３〜30部がより好ましい。１部未満だと粘性低下の効果が小さい場合があり、50部を超えると強度発現性を阻害する場合がある。

本発明で使用する水の使用量は、土の含水比等で異なり特に限定されるものではないが、通常、セメント100部に対して、30〜500部が好ましく、50〜300部がより好ましい。30部未満ではセメントミルクと土との混合物である混合土（スライム）の流動性が小さく、500部を超えると強度発現性を阻害する場合がある。

本発明では、土の状態や施工上の理由により、減水剤、特に、高性能減水剤を使用することが可能である。
減水剤は、セメントコンクリートの流動性を改善するために使用するものをいい、液状や粉状のいずれも使用可能である。
減水剤としては、例えば、リグニンスルホン酸系、ナフタレンスルホン酸系、及びポリカルボン酸系等の公知の減水剤が使用可能である。

本混和剤は、粘性土に限らず、砂質土や腐食土等の土に対しても優れた効果がある。

本発明の混合や攪拌の条件は、地中に高圧噴射する前に本混和剤と水とが混合されていれば特に限定されるものではなく、本混和剤が液体の場合、本混和剤と水とを、回転数10〜1,000rpm 程度で回転するグラウトミキサにより混合するバッチ混合方式や、管内に羽根を設置しているラインミキサにより混合する連続混合方式等により混合や攪拌することが可能である。

次に、本発明の地盤安定化工法について説明する。

まず、地盤改良が必要な箇所を削孔する。
削孔径は特に限定されるものではないが注入ロッドが挿入できる大きさであればよい。
削孔の深さは、改良したい領域により変化し特に限定されるものではないが、10〜50ｍ程度が通常である。
次に、二重管や三重管構造の注入ロッドを挿入し、本発明の地盤安定化材料に水を加えたセメントミルクを、グラウトポンプ、超高圧ポンプ、又はコンプレッサーなどを用いて圧送し、二重管又は三重管のノズルから噴射する。
セメントミルクの圧送圧力は大きい方が好ましいが、二重管、三重管、又はこれらのノズルの磨耗等を考慮すると50〜700kg/cm²程度が通常である。
セメントミルクの送液量は特に限定されるものではないが、30〜800リットル／分程度が好ましい。

このように地中で高圧噴射されたセメントミルクは、土と一緒に混合攪拌され、また、注入ロッドは回転しながら一定速度で地上へ上昇するので、最終的にはセメントミルクと土とからなる円柱状の杭が地中に形成される。

この杭の直径は、地盤の硬さを示すＮ値等の土の条件や、噴射の圧送圧力等の施工条件により変化し特に限定されるものではないが、0.5〜20ｍが適当である。杭の長さは３〜50ｍ程度のものが形成可能である。

以下、実験例に基づき本発明を詳細に説明する。

実験例１
表１に示すリン酸塩、本塩化物、及びポリアクリル酸類を混合し、50℃で30分間撹拌して、液体の本混和剤を調製した。
次いで、セメント100部に対して、調製した本混和剤を５部混合し、さらに、水140部混合してセメントミルクを調製した。
このセメントミルクを、水／粉体質量比120％の粘土と、容積比で１：１の割合で混合してスライムを得、その粘度と圧縮強度とを測定した。結果を表１に併記する。
なお、粉末状の本混和剤を調製して、同様に実験を行った。

＜使用材料＞
セメント ：普通ポルトランドセメント、市販品、密度3.15g/cm³
リン酸塩ａ：リン酸二水素ナトリウム、市販品
リン酸塩ｂ：リン酸、市販品
本塩化物ア：塩化ナトリウム、市販品
本塩化物イ：塩化カリウム、市販品
ポリアクリル酸類：ポリアクリル酸ナトリウム、市販品、粘度1,000 cps
粘土 ：ベントナイト粉末、市販品、密度2.30g/cm³

＜測定方法＞
粘度 ：得られたスライムを温度20℃、湿度80％、回転数20rpmの条件下でＢ型粘度計により測定
圧縮強度 ：得られたスライムを４cm×４cm×16cmの型枠に流し込み、硬化後脱型して得た供試体を、温度20℃で封緘養生し、材齢７日における圧縮強度を測定

表１より、リン酸塩100部に対して、本塩化物を20〜250部、ポリアクリル酸類を20〜200部使用することで、高い粘性低減効果や高い強度値が得られることがわかる。また、本混和剤を溶液化したもの（実験No.1- 5）は、粉末形態で使用したもの（実験No.1-15）に比較し、高い粘性低減効果が認められる。

実験例２
表２に示すリン酸塩、本塩化物、及びポリアクリル酸類を混合し、表２に示す固形分濃度の本混和剤を調製したこと以外は実験例１と同様に行った。結果を表２に併記する。

実験例３
表３に示すリン酸塩、本塩化物、ポリアクリル酸類、及び有機酸類を混合し、50℃で30分間攪拌して液体の本混和剤を調製したこと以外は実験例１と同様に行った。結果を表３に併記する。

＜使用材料＞
有機酸類Ａ：クエン酸ナトリウム、市販品
有機酸類Ｂ：コハク酸、市販品

表３より、リン酸塩100部に対して、有機酸を0.1〜100部使用することで、さらに優れた粘性低減効果が得られることがわかる。

実験例４
リン酸塩ａ100部、本塩化物ア100部、及びポリアクリル酸類100部を混合し、50℃で30分間攪拌して固形分30％の液体の本混和剤を調製した。
セメント100部に対して、表４に示す量の本混和剤を水と混合して140部の溶液とし、これをセメントと混合してセメントミルクを調製した。
このセメントミルクを水／粉体質量比120％の粘土を、セメントミルクと容積比で１：１の割合で混合してスライムを得た。このスライムの粘度と圧縮強度とを測定した。結果を表４に示す。

表４より、セメント100部に対して、本混和剤を１〜50部使用することで、優れた粘性低減効果が得られることがわかる。

液状化によって、定量圧送が可能となり、そのうえ、優れた強度発現性を示すことから地盤安定化工法に好適である。

Claims (8)

1. リン酸塩、アルカリ金属塩化物、及びポリアクリル酸類を含有してなる地盤安定化用混和剤。
2. リン酸塩、アルカリ金属塩化物、及びポリアクリル酸類を含有してなる液体の地盤安定化用混和剤。
3. リン酸塩100部に対して、アルカリ金属塩化物が20〜250部、ポリアクリル酸類が20〜200部である請求項１又は請求項２に記載の地盤安定化用混和剤。
4. さらに、有機酸類を含有してなる請求項１〜請求項３のうちのいずれか一項に記載の地盤安定化用混和剤。
5. 液体の地盤安定化用混和剤100部中、固形分濃度が10〜55部である請求項２〜請求項４のうちのいずれか一項に記載の地盤安定化用混和剤。
6. セメントと、請求項１〜請求項５のうちのいずれか一項に記載の地盤安定化用混和剤とを含有してなる地盤安定化材料。
7. セメント、リン酸塩、アルカリ金属塩化物、及びポリアクリル酸類を含有してなる地盤安定化材料。
8. 請求項６又は請求項７に記載の地盤安定化材料を地盤中に高圧注入し、土と混合して硬化させる地盤安定化工法。