JPH06145662A

JPH06145662A - 地盤注入剤及びその注入工法

Info

Publication number: JPH06145662A
Application number: JP29598292A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Baba; 英明馬場; Hiromitsu Takegami; 広光岳上; Akira Sekine; 彰関根; Seiichi Shimobayashi; 清一下林; Eiji Miyoshi; 栄治三好; Keiichi Karatsu; 啓一唐津
Original assignee: Nippon Chemical Industrial Co Ltd; Nittetsu Cement Co Ltd
Current assignee: Nippon Chemical Industrial Co Ltd; Nippon Steel Cement Co Ltd
Priority date: 1992-11-05
Filing date: 1992-11-05
Publication date: 1994-05-27

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明の目的は、砂層や軟弱地盤に対し優れ
た硬化能を有する無公害耐久性の地盤注入剤及びその注
入工法を提供することにある。【構成】本発明に係る地盤注入剤は、高炉スラグ粉
末７５〜９０重量部及びポルトランドセメントクリンカ
ー粉末１０〜２５重量部からなり、ブレーン比表面積が
７０００〜８５００ｃｍ²／ｇの範囲内にある超微細な
混合粉末である混合高炉スラグ粉末のスラリーと、シリ
カゾルを基本成分とすることを特徴とし、更に、その注
入工法を提供するにある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、水性コロイダルシリカ
(以下、「シリカゾル」という)と、超微粒子の高炉スラ
グ及びポルトランドセメントクリンカーからなる超微細
な混合粉末である混合高炉スラグ粉末とを主剤に用いる
地盤注入用薬液であって、浸透性に非常に優れ、砂地盤
の強化、軟弱地盤の強化などに用いられる地盤注入剤及
びその注入工法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の地盤注入剤としては水ガラスを主
剤としたものが多用され、その硬化剤(ゲル化剤)にはポ
ルトランドセメント、消石灰、鉄鋼スラグ等のカルシウ
ム塩類や、硫酸水素ナトリウム、硫酸マグネシウム、リ
ン酸等の各種酸類、グリオキザール、エチレンカーボネ
ートなどの有機酸、エステル類が使用されてきた。ま
た、水ガラスのアルカリを嫌ってシリカゾルを主剤とし
た地盤注入剤も幾つか提案されている。

【０００３】例えば、シリカゾルに、消石灰やセメント
(特開昭57−164186号公報、特開昭59−66482号公報)、
スルファミン酸マグネシウム等のアルカリ土類金属塩
(特開昭63−168485号公報)、塩化ナトリウムや硫酸水素
ナトリウム等のアルカリ金属塩(特開昭59−152985号公
報)、アルミニウム塩等の３価の金属塩(特開昭59−1529
84号公報)、等の電解質を加えて硬化させる方法が提案
されている。

【０００４】また、セメントにゼオライトを添加するセ
メントの硬化促進法が特開平２−8981号公報に記載され
ている。

【０００５】また、セメントのゲルタイム調節剤につい
ては既に多くの文献に紹介されており、アルカリ金属炭
酸塩、アルカリ金属リン酸塩、アルカリ金属カルボン酸
塩が実用化されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】水ガラスを使用する方
法は、既に多数の文献で紹介されているように、注入し
た材料に含まれる多量のナトリウム塩の存在のため耐久
性に問題があり、仮設材としての価値しか認められてい
ない。

【０００７】更に、溶出してくる塩類のために地下水の
汚染や地下埋設物の腐食が問題になる。酸性水ガラスを
使用した場合にもこれらの欠点は全く同じである。

【０００８】そこで、アルカリ金属塩を実質的に含まな
いか、全く含まないシリカゾルの利用が注目されてきて
いるが、電解質としての金属塩類はシリカゾルをゲル化
させ、流動性のない固体に変えることはできるが、ゲル
強度は通常１ｋｇ／ｃｍ²以下であって、このゲルには
経時的な強度の増加はないため流水や地盤の変動に対す
る耐久性は期待できない。

【０００９】また、耐久性に実績のあるセメント物質
と、セメントに対して有害物質を実質的に含まないシリ
カゾルの２成分よりなる地盤注入剤は、耐久性注入剤と
して期待されている。

【００１０】通常、セメントとシリカゾルよりなる地盤
注入剤は空洞充填を行うことによる地盤強化に有効であ
る。しかし、地震による砂地盤の液状化現象を防止する
ための砂層注入剤としては有効ではない。

【００１１】この理由は通常のセメント粒子が３０〜４
０μｍもあるため、砂層の細かい間隙への浸透性が悪い
ためであると思われる。従って、微粉化したセメントス
ラリーを１ショットで砂層に浸透注入する試みも行われ
ているが、セメントが強度を発現するまでの固化時間が
数１０時間を要するため、地下水の流れがあるときは有
効でなかった。

【００１２】従って、本発明の目的は、砂層や軟弱地盤
に対し優れた硬化能を有する無公害耐久性の地盤注入剤
及びその注入工法を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、以上の事
実に注目してシリカゾルを用いる無公害の耐久性地盤注
入剤につき鋭意研究した結果、シリカゾルに対し、高炉
スラグ粉末とこれに少量のセメントクリンカー粉末を配
合した混合高炉スラグ粉末のブレーン比表面積を高める
ことにより、砂層や軟弱地盤に対し浸透性が優れ、かつ
スラグ配合率を一定の範囲で高めることにより実用強度
を示す地盤注入性能を発揮することを知見し、本発明を
完成した。

【００１４】即ち、本発明により提供される地盤注入剤
は、高炉スラグ粉末７５〜９０重量部及びポルトランド
セメントクリンカー粉末１０〜２５重量部からなり、ブ
レーン比表面積が７０００〜８５００ｃｍ²／ｇである
超微細な混合粉末である混合高炉スラグ粉末のスラリー
と、シリカゾルを基本成分とすることを構成上の特徴と
するものである。

【００１５】以下、本発明を詳述する。本発明に使用す
るシリカゾルは、水ガラスを原料としてイオン交換法、
解膠法、酸中和法、電気透析法等で製造され、製造法の
例としては米国特許第2,577,484号明細書、米国特許第
3,711,419号明細書、米国特許第2,572,578号明細書、特
開昭52−33899号公報、米国特許第3,668,088号明細書、
特開平１−317115号公報等の方法がある。

【００１６】他にも、例えば米国特許第3,650,977号明
細書や特公昭46−7367号公報記載の金属シリコンの酸化
による製法や、米国特許第2,951,044号明細書や特開昭6
2−127216号公報記載の微細シリカ粉末の水分散による
製法に係るシリカゾルも使用できる。

【００１７】シリカゾルは、粒子径の大きいものはゲル
強度が弱く、多くの場合、実用的には３〜１００ｎｍの
平均粒子径を有するものが使用できるが、平均径５０ｎ
ｍ以下、通常１０〜２０ｎｍのものが実用上好ましい。
特に、３〜１０ｎｍの小粒子グレードのシリカゾルはゾ
ル強度が高く特に好ましい。なお、３ｎｍ未満の平均粒
子径を有するグレードのシリカゾルは水ガラスのように
アルカリ安定化剤の含有量が多く、本発明の目的には適
合し難い。

【００１８】なお、シリカゾルは通常コロイドの安定化
のため微量のアルカリイオン(または水素イオン)を含有
するが、本発明に使用するシリカゾルのアルカリ含有量
は、ＳｉＯ₂／Ｍ₂Ｏ(Ｍはアルカリ金属を表す)のモル比
で５〜５００のものが好ましい。

【００１９】本発明は、上記シリカゾルに対して、高炉
スラグ粉末に比較的少量のポルトランドセメントクリン
カー粉末を配合した超微細な混合粉末である混合高炉ス
ラグ粉末のスラリーを用いることが重要なところであ
る。

【００２０】ここで、高炉スラグ粉末とは、急冷高炉ス
ラグであり、地盤注入剤の強度面からみてガラス化率９
０％以上、塩基度１.６以上が好ましい。また、ポルト
ランドセメントクリンカーとは、普通ポルトランドセメ
ント前駆体として得られるクリンカーをいい、これに石
膏を混合して得られるポルトランドセメントを意味しな
い。尤も、必要に応じ、ＪＩＳに定める石膏量を許容す
ることを妨げない。

【００２１】このような混合高炉スラグ粉末は、その原
料選択と下記の混合比率の許容し得る範囲との設定によ
って、地盤の性状に応じ、注入剤の浸透性、ゲルタイム
の安定性及び強度発現性からみて、使用条件の自由度が
あって、実用性の点で極めて信頼性が高い。

【００２２】この混合高炉スラグ粉末の配合割合は、地
盤の性状によって変化し得るが、高炉スラグ粉末７５〜
９０重量部で、残部すなわち１０〜２５重量部がポルト
ランドセメントクリンカーである。

【００２３】高炉スラグ粉末の配合量を増やすことによ
り、ポルトランドセメントクリンカーの影響が少なくな
るため、ミルクの撹拌条件によるゲルタイムの安定性、
ミルクの分散性、地盤注入剤の浸透性が向上する。

【００２４】更に、所要ゲルタイムに必要なゲルタイム
調節剤の使用量が低減できるため、より一層耐久性も改
善される。しかし、高炉スラグ粉末の配合量が９０重量
部を超えると、ゲルの初期強度が急激に低下するため実
用的ではない。

【００２５】また、この混合高炉スラグ粉末は、ブレー
ン比表面積による粉末度が７０００〜８５００ｃｍ²／
ｇの範囲にある超微粉末でなければならない。

【００２６】混合高炉スラグ粉末のブレーン比表面積を
大きくすると、相対的に粒子径が小さくなり、砂層への
浸透性、地盤注入剤強度が向上する。なお、ブレーン比
表面積７０００ｃｍ²／ｇ未満では粒子径が大きいた
め、物理的に良好な浸透性が得られないばかりか、ゲル
タイムを延ばすと地盤注入剤の材料分離も大きくなる。

【００２７】逆に、ブレーン比表面積が８５００ｃｍ²
／ｇを越えると、ミルクの粘性も高く、ポルトランドセ
メントクリンカー粉末の活性が強くなり、粒子間の凝集
を助長するため、浸透性の改善効果が得られないばかり
でなく、ゲルタイムの安定性にも欠ける。また、粉砕能
力も工業的にみて難しくなる。

【００２８】このような混合高炉スラグ粉末は、ポルト
ランドセメントと高炉スラグの混合物である高炉セメン
トとも異なり、通常のセメントＪＩＳ規格にない組成の
ものであるが、上記の諸特性のゆえに、これをスラリー
としてシリカゾルに対して用いると、通常のセメントス
ラリー系のものに比べて優れた地盤注入剤が得られる。
特に、海岸に近い砂状地盤の液状化防止に良好な耐海水
性、長期強度増進が期待できる。

【００２９】本発明に係る地盤注入剤は、以上の成分で
構成されるが、必要に応じて、公知のセメント分散剤
や、平均粒子径が１μｍ以下の合成シリカや合成ゼオラ
イトの如き無機微粉末を配合したものであってもよい。
特に、無機微粉末を配合した場合には、地盤注入剤のゲ
ル強度をより改善させるために適用範囲が拡大するので
好ましい。

【００３０】また、地盤の性状や作業条件に対応して必
要に応じ硬化反応を調整するために、ゲルタイム調節剤
と呼ばれる薬剤を使用することが多い。ゲルタイム調節
剤は特に限定するものではないが、例えばアルカリ金属
炭酸塩、アルカリ金属重炭酸塩、アルカリ金属セスキ炭
酸塩、アルカリ金属リン酸塩などの無機塩またはクエン
酸、酒石酸、グルコン酸などのカルボン酸またはそのア
ルカリ金属塩が使用できる。また、界面活性剤も使用で
きる。

【００３１】シリカゾルと混合高炉スラグ粉末等の使用
割合は、地盤の性状に応じて適宜設定すべきであるが、
多くの場合、シリカゾル(ＳｉＯ₂換算)：混合高炉スラ
グ粉末：ゲルタイム調節剤の重量比は１：１〜１０：０
〜０.５が実用的範囲であり、特に１：２〜５：０.０５
〜０.３の範囲が好ましい。ただし、ゲルタイム調節剤
の量は混合高炉スラグ粉末１重量部に対して多くとも
０.２重量部である。

【００３２】上記の地盤注入剤を用いる本発明の注入工
法は、シリカゾルと、混合高炉スラグ粉末及び必要に応
じて用いる無機微粉末やゲルタイム調節剤の混合物とか
らなるスラリーの両液を混合して一液一系統式で加圧注
入する１ショット方式、二液一系統式で注入する１.５
ショット方式、二液二系統式で注入する２ショット方式
のいずれかで行われ、好ましくは１.５ショット方式が
よい。なお、注入圧は地盤の性状により異なるけれど
も、多くの場合、０.１〜１.０ｋｇ／ｃｍ²の範囲にあ
る。

【００３３】本発明に係る地盤注入剤の硬化反応に関す
る作用機構の詳細は明確ではないが、恐らく次のような
ことが推定される。即ち、シリカゾルは混合高炉スラグ
粉末から遊離してくるＣａ²⁺またはＭｇ²⁺がシリカゾル
のゲル化反応に基づく硬化により初期強度を発現し、次
いで、混合高炉スラグ粉末の水和反応によりその強度を
漸次増大させ、長期強度を維持するものと思われる。

【００３４】また、これらの反応は、混合高炉スラグ粉
末のブレーン比表面積を大きくすることにより、一層効
果的に行われるが、一方、ゲルタイムの長短とは無関係
に高炉スラグの配合量を増加して十分な実用強度を得る
ことを可能にする。更に、ゲルタイム調節剤のアルカリ
金属炭酸塩は、高炉スラグの水和促進剤としての作用も
あって、ゲル強度を増進させ、他方、水和物がアルカリ
を固定するためセメントクリカー量が著しく少ないにも
拘わらず、強度のある硬化物、耐久性を維持することが
できる。

【００３５】

【実施例】以下、実施例及び比較例を挙げて本発明を更
に具体的に説明する。実施例１〜６、比較例１〜１８高炉スラグ(ガラス化率＝９８％、塩基度＝１.８８：新
日本製鐡室蘭製鐡所製)と普通ポルトランドセメントク
リンカー(日鐡セメント製)を用いて、高炉スラグの配合
割合を６５、７０、７５、８０、９０、９２重量部と
し、ブレーン比表面積６６００、７０５０、８４００、
８８００ｃｍ²／ｇを目標にタワーミルＫＤ−２５０(久
保田鉄工所製)で粉砕し、計２４種類の混合高炉スラグ
粉末を試製した。各試製粉末とシリカゾル(シリカドー
ル３０：日本化学製)を用いて下記の条件の地盤注入剤
を調製し、下記注入条件と注入方法にて砂層への浸透
性、サンドゲルの強度、耐久性試験を行った。

【００３６】(１)地盤注入剤条件水混合高炉スラグ粉末比：４６７％シリカゾル濃度(ＳｉＯ₂) ：６％分散剤：マイティ１５０Ｒ(花王
製)粉末に対し１重量％ゲルタイム調節剤：炭酸水素ナトリウム容積比：１：１(各２００ｃｃ) ミルクの撹拌時間：３、３０分

【００３７】(２)注入方法浸透性は予めφ５.４×４０ｃｍのアクリル管下部に間
隙率ｎ＝４３.８％、透水係数２.３×１０^-2ｃｍ／秒を
有する長さ１０ｃｍの豊浦標準砂(０.３〜０.１ｍｍ)層
を作り、所要時間ミルクを撹拌後、シリカゾル溶液を同
量入れて１０秒撹拌し、アクリル管上部より地盤注入剤
を流し、自然浸透させた。

【００３８】(３)評価方法 (3.1)ゲルタイム成分混合した地盤注入剤をビーカーに入れ、マグネチッ
クスターラーで撹拌を続けると粘度が次第に増大する。
この際、地盤注入剤をビーカーに入れた時点から、粘度
が増大し、やがてゲル化してビーカーを９０度傾けても
流動性が消失して流下しなくなるまでの時間をゲルタイ
ムとして測定する。

【００３９】(3.2)浸透性浸透性の評価は以下の基準で行った。評価１０ｃｍ層を浸透し、かつ１分以上浸透が継続する ◎ １０ｃｍ層を浸透するが、１分未満で浸透が停止する ○ ５〜１０ｃｍの部分浸透しかできない △ ５ｃｍ未満の浸透しか得られない ×

【００４０】(3.3)圧縮強度サンドゲルの圧縮強度は３分の撹拌時間で１０ｃｍの浸
透長が得られた条件について、２４時間後に脱型し、水
中養生(２０℃)を行い、上下１ｃｍカットしたφ５.４
×８ｃｍの供試体について、アームスラー型強度試験機
を用い、材令３、７日で一軸圧縮強度を測定した。

【００４１】(3.4)耐久性試験１０ｃｍの浸透長が得られたサンドゲルの供試体につい
て、材令７日で１０％の硫酸マグネシウム溶液(２０℃)
に浸漬し、浸漬期間３０日以前に膨張性ひび割れが発生
した場合は不良、異常のない場合を良として耐久性を評
価した。

【００４２】

【表１】

【００４３】本実施例及び比較例の結果を表１に示し
た。上の結果から判るように、高炉スラグ粉末の配合量
を増やすと浸透性は向上し、かつその安定性も改善され
る。また、良好な浸透性を得るには適正なブレーン比表
面積の範囲が存在する。しかし、高炉スラグ粉末の配合
量が９０重量％を超えると極端に強度が低下し、材令７
日で目標とした強度５ｋｇｆ／ｃｍ²が確保できない。
ポルトランドセメントクリンカーの配合量が多い場合は
ゲルタイム調節剤の量も多くなるため、耐久性が低下す
る。本実施例から、本発明の地盤注入剤を用いれば、砂
層への安定した浸透性、所要強度及び耐久性が良好であ
ることが明らかとなった。

【００４４】実施例７〜９、比較例１９〜２１シリカゾル(ＳｉＯ₂：３０重量％、ｐＨ９.８、平均粒
子径：１３ｎｍ)の液(Ａ液)と混合高炉スラグ粉末(試料
１−１６)及びゲルタイム調節剤(炭酸水素ナトリウム)
との混合物からなるＢ液を表２の組成割合で配合して各
種地盤注入剤を調製した。得られた各種地盤注入剤につ
いてＡ液とＢ液とを混合して標準砂(豊浦産)に０.２５
ｋｇ／ｃｍ²の注入圧で注入して硬化供試体を作成し、
そのときのゲルタイム及び圧縮強度を測定した地盤注入
剤の性能を評価したところ表２の結果が得られた。

【００４５】

【表２】

【００４６】表２の結果から、本発明の地盤注入剤は粒
子が超微粒子であるため砂層へ均一に浸透し、硬化する
ため供試体の圧縮強度が大きい。一方、ポルトランドセ
メントは粒子が大きく、また、反応が速いために砂層に
浸透せず、砂層の外側にたまった状態を呈していた。そ
のため硬化体が生成せず、圧縮強度が測定できない状態
であった。

【００４７】実施例１０〜１１実施例７で用いたと同じシリカゾル、混合高炉スラグ粉
末及びゲルタイム調節剤を配合して得られる地盤注入剤
について、Ａ液とＢ液とに分けて同様に標準砂(豊浦産)
に注入して硬化体を作成し、そのときのゲルタイム及び
圧縮強度を測定して地盤注入剤の性能を評価したとこ
ろ、表３の結果が得られた。

【００４８】

【表３】

【００４９】実施例１２〜１９実施例７で用いたと同じシリカゾル、混合高炉スラグ粉
末、ゲルタイム調節剤及び実施例１１で用いたと同じ分
散剤の各薬剤に微粉ゼオライトＡ(平均粒子径０.８μ
ｍ)を用いて調節して得られた地盤注入剤につき、Ａ液
及びＢ液に分けて、これを混合した。そのときの地盤注
入剤のゲルタイム及び水中養生のホモゲル圧縮強度を測
定したところ表４の結果が得られた。

【００５０】

【表４】

【００５１】実施例２０〜２２海水で浸水した豊浦標準砂に表５に示す薬剤で調製され
た地盤注入剤を注入圧０.４ｋｇ／ｃｍ²で注入した。そ
のときの評価結果を同じく表５に示す。

【００５２】

【表５】

【００５３】上記の結果から判るように、本発明に係る
地盤注入剤は、海水に浸水している砂層であっても十分
対応できるものであることが明らかとなった。

【００５４】実施例２３実施例７の地盤注入剤を次の１.５ショット工法により
砂層に注入した。透水係数８.３５×１０^-3ｃｍ／秒、
間隙率４２.５％の砂層に地盤注入剤をプランジャー型
ポンプ(商品名ダブコンポンプ、ＤＰＯ４型、島崎製作
所)を用いて注入圧０.５ｋｇ／ｃｍ²にて２４リットル
注入した。注入段階では何ら問題もなく、砂層に浸透注
入できた。注入３日後の改質砂層は透水係数３.５×１
０^-7ｃｍ／秒であり、圧縮強度(サンドゲル)は８.２ｋ
ｇ／ｃｍ²であった。この結果から本発明の地盤注入剤
が実用においても充分性能を満足するものであることが
確認できた。

【００５５】

【発明の効果】本発明に係る地盤注入剤は、ポルトラン
ドセメント系のものに比べて、低粘性で地盤への浸透性
が改善できると共に初期強度において実用強度が確保で
き、また、長期強度も得られる。ゲルタイムが安定し、
そのゲルタイム調節剤は少なくてすむ。従って、このよ
うな地盤注入剤を砂状地盤に適用すると、地盤による砂
地盤の液状化現象の防止は勿論のこと、軟弱地盤を強化
改良することができる。また、本発明の都市土木の大深
度土木工事において公害問題の少ない実用性の高いもの
として期待できる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者関根彰東京都江東区亀戸９丁目15番１号日本化学工業株式会社研究開発本部内 (72)発明者下林清一北海道室蘭市仲町64番地日鐵セメント株式会社研究開発部内 (72)発明者三好栄治東京都江東区亀戸９丁目15番１号日本化学工業株式会社研究開発本部内 (72)発明者唐津啓一北海道室蘭市仲町64番地日鐵セメント株式会社研究開発部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高炉スラグ粉末７５〜９０重量部及びポ
ルトランドセメントクリンカー粉末１０〜２５重量部か
らなり、ブレーン比表面積が７０００〜８５００ｃｍ²
／ｇの範囲内にある超微細な混合粉末である混合高炉ス
ラグ粉末のスラリーと、シリカゾルを基本成分とするこ
とを特徴とする地盤注入剤。
【請求項２】ゲルタイム調節剤を配合してなる請求項
１記載の地盤注入剤。
【請求項３】シリカゾル(ＳｉＯ₂換算)：混合高炉ス
ラグ粉末：ゲルタイム調節剤が重量比で１：１〜１０：
０〜０.５の割合の組成を有する請求項１または２記載
の地盤注入剤。
【請求項４】請求項１ないし３のいずれか１項に記載
の地盤注入剤の注入工法において、シリカゾルと混合高
炉スラグ粉末のスラリーとを１ショット方式または１.
５ショット方式で地盤に加圧注入することを特徴とする
地盤注入剤の注入工法。