JP2001098271A

JP2001098271A - 地盤固結材

Info

Publication number: JP2001098271A
Application number: JP27647399A
Authority: JP
Inventors: Motomu Miwa; 求三輪; Kenji Kashiwabara; 健二栢原; Shunsuke Shimada; 俊介島田
Original assignee: Kyokado Engineering Co Ltd
Current assignee: Kyokado Engineering Co Ltd
Priority date: 1999-09-29
Filing date: 1999-09-29
Publication date: 2001-04-10
Anticipated expiration: 2019-09-29
Also published as: JP3721289B2

Abstract

(57)【要約】【課題】浸透可使時間を長く調整して浸透性に優れ、
しかも固結強度を大きくし、かつアルカリの溶脱が少な
い中性シリカゾル・微粒子セメント系の懸濁型地盤固結
材を提供する。【解決手段】水ガラスのアルカリの大部分をイオン交
換樹脂で除去して得られた中性シリカゾルと、微粒子セ
メントとを主成分とする地盤固結材であって、上記中性
シリカゾルを特定量使用することによって増粘時間を長
くした地盤固結材。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は中性シリカゾル・微
粒子セメント系の懸濁型地盤固結材に係り、特に、浸透
可能時間が長くて浸透性に優れ、かつ高固結強度を呈す
る地盤固結材に関する。

【０００２】

【従来の技術】地盤を製造するための地盤注入用のグラ
ウトとして従来、種々のものが知られている。例えば、
モル比が小さくアルカリ度の高い水ガラスを用いるスラ
グ系のグラウトが知られている。このグラウトは固結強
度が大きいがアルカリの溶脱が懸念される。また中性シ
リカゾルに多価金属塩を加えた溶液型グラウトも知られ
ているが、これは固結強度が小さいという欠点があっ
た。この強度を解決するために近年、中性シリカゾルと
ポルトランドセメントを１．５ショットで合流して注入
する方法も知られているが、このグラウトのゲル化時間
はせいぜい１分以内と短く、浸透性に劣るものである。
さらにまた、中性シリカゾルに高炉スラグおよびポルト
ランドセメントを添加してなるグラウトも知られてい
る。しかし、このような中性シリカゾルを使用したグラ
ウトは、地上でカップ倒立法により測定したゲル化時間
が１０分以内と短いばかりか、土中ではゲル化時間がさ
らに短くなるため、浸透が悪く、土粒子間で目詰まりを
おこしてしまう。さらに、ゲル化させることの出来ない
材料を使用した地盤固結材としては、セメント／ベント
ナイト懸濁液、スラグ−アルカリ刺激剤（水ガラスを除
く）懸濁液等が知られている。しかしながら、これらは
いずれも配合液の粘度を短時間に増加させることは出来
ず、限定注入が難しいとされてきた。なお、少量の水ガ
ラスをセメント懸濁液と混合すると、１０秒程度でチク
ソ性の懸濁液となるため、このような配合液は裏込材と
して使用されていることがあるが、本発明の配合液とは
全く異なるものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは上記課題
を解決すべく鋭意研究の結果、特定の中性シリカゾル
と、微粒子セメントと、必要に応じてスラグとを所望の
条件下で配合すると、配合液は次第に増粘して可塑状態
を保持するようになるが、明確なゲル化時間を呈さなく
することが出来る。このような配合液は、増粘時間の調
整が容易であって浸透時間を長くすることもでき、従っ
て浸透性がよく、しかも注入完了後には流動性を失って
実質的に固結し、ゲル化時間を呈するグラウトと同様な
効果を奏しうることを発見し、本発明を完成するに至っ
た。本発明の目的は浸透可能時間が長くて浸透性に優
れ、しかも高固結強度を呈し、かつアルカリ溶脱が少な
いため、固結物が耐久性に優れているばかりか、環境へ
の影響も少なく、上述の公知技術に存する欠点を改良し
た中性シリカゾル・微粒子セメント系の懸濁型地盤固結
材を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
め、本発明の地盤固結材は、水ガラスのアルカリの大部
分をイオン交換樹脂で除去し、造粒して得られた中性シ
リカゾルと、微粒子セメント更に必要に応じて用いられ
るスラグを有効成分とし、前記中性シリカゾルの含有量
が全配合液中の０．５〜５容量％（ＳｉＯ₂濃度３０％
のシリカゾル換算）であることを特徴とする。

【０００５】

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的に詳述す
る。本発明に係る地盤固結材は、配合後次第に増粘し、
やがて粘度が高くなると可塑状態を保つがゲル化は起こ
さない。ここで増粘時間は１分以上、好ましくは１０〜
１２０分程度が適当であり、その後可塑状態を１０分以
上、好ましくは３０分以上保ち続ける。この様な本発明
に係る配合液を地盤に注入すると、地盤が密な場合には
増粘段階で従来のゲル化と同様の効果を発揮して、配合
液は浸透しなくなり、地盤が粗な場合には増粘段階から
可塑状態でも注入（浸透）が継続される。ここで、従来
の地盤固結材では、カップ倒立法でゲル化時間を測定
し、カップを傾けても流れ出なくなった時間を「ゲル化
時間」としているのに対し、本発明の配合液を、Ｂ型粘
度計で測定すると、概略５００ｃｐｓ（センチポイズ）
以上となるが、約１，０００ｃｐｓ以下であり、カップ
倒立法で測定してもカップから流れ出なくなるというこ
とがないため、Ｂ型粘度計で測定して、配合液調製時か
ら粘度が５００ｃｐｓとなるまでの経過時間を「増粘時
間」とする。なお、懸濁液をＢ型粘度計で測定すること
には若干の問題があるが、従来のゲル化する型の地盤固
結材は、その配合液の粘度をＢ型粘度計で測定すると、
増粘し始めると急激に２，０００ｃｐｓ以上と高粘度に
なりゲル化してしまうので、本発明ではＢ型粘度計で測
定した値を１つの目安とした。また、上記のように、
「ゲル化」とは液状である配合液が、反応により保形性
を有するようになることであり、具体的には上記のよう
にカップ倒立法で測定して、カップを傾けても流れ出な
くなった状態をいう。このような配合液はゲル化すると
全く浸透しなくなるのであり、可塑状態を保持するが、
ゲル化しない本発明の配合液とは全く異なるのである。
なお、カップ倒立法でゲル化しない配合でも土中に注入
した後、土粒子間にあって外力が加えられなければ、次
第に固化（あるいは固結）するが、これは本発明の「明
白なゲル化状態にならない」には該当しない。なお、増
粘時間が１０分以上の配合は、殆ど可塑状態が１０分以
上継続する。

【０００６】また「可塑状態」とは注入等による外力が
加えられると流動性を示すが、外力がなくなると流動性
を示さない状態をいう。配合時にこのような可塑状態に
なると浸透性が悪くなるので、このような場合は本発明
の範囲から除外し、少なくとも１分以上経過後に可塑状
態となることが必要である。また可塑状態の継続時間が
短い場合には、その後ゲル化する場合もありうるので可
塑状態が少なくとも１０分以上、好ましくは６０分以上
持続することが必要であり、その後は静置等により固化
しても本発明の目的が達成されることに変わりはない。

【０００７】上述の本発明は、中性シリカゾルと、微粒
子セメント好ましくは微粒子スラグを併用した地盤固結
材であって、中性シリカゾルの使用量が配合液を増粘さ
せるに必要な量、即ち配合液全体の０．５〜５容量％で
あり、微粒子セメントが好ましくはブレーン比表面積
４，０００cm²/g 以上であることを特徴とし、必要に応
じて増粘時間の調整剤を添加することも出来る。さらに
説明すると、配合液がゲル化しない場合は問題がない
が、見かけ上ゲル状態となっている場合には、セメント
の固化が始まらないうちにその強度を測定し0.1kgf/cm²
以下であれば、ほぼ攪拌によってこわれるような弱いゲ
ルであり、このような配合は本発明の範囲に入るものと
する。すなわち、上記中性シリカゾルの配合量は、配合
液が増粘するが水ガラス溶液型グラウトのホモゲルの様
な弾力性のあるゲルが出来ない量であり、微粒子セメン
トの粒度及び微粒子スラグの併用、更には増粘時間の調
整剤の添加量によっても異なる。

【０００８】浸透可能時間については、地盤の状況によ
り異なるため明確なことは言えないが、一般的な中性シ
リカゾルを使用した従来のシリカゾル・セメント系グラ
ウトではゲル化時間の調整剤を添加してもゲル化時間が
約１０分以下（特に夏場では３分以下であり、セメント
に超微粒子セメントを使用した場合には１０秒以下と極
めて短く、これを長くすることは殆ど不可能である）と
極めて短いばかりか、増粘開始後ゲル化が急激に起こ
り、しかもゲル化後はゲル強度が大きいためそれ以上ゲ
ルを破壊して浸透させることが出来ない。

【０００９】これに対し、本発明にかかる地盤固結材は
増粘時間を１時間以上にもすることが出来、しかもいわ
ゆるゲル強度（本発明では可塑状態となっているためゲ
ル強度とはいわない）が弱いため増粘時間経過後も地盤
によっては浸透可能であり、このように、浸透可能時間
を十分長くすることが出来る。

【００１０】またセメントを単独の懸濁液で注入する
と、セメントが目詰まりをしたり沈降するのに対し、本
発明の地盤固結材は、中性シリカゾル中のシリカがセメ
ント粒子に付着して、該セメント粒子の潤滑性（目詰ま
りしないで砂の間隙を通過すること）を良好にするため
か浸透性がよく、その後の増粘により注入液のほぼ全体
が固化する。

【００１１】本発明で用いられる中性シリカゾルは、水
ガラスをイオン交換樹脂で処理してＮａ⁺イオン等のア
ルカリを殆ど分離除去し、粒径が６〜５０ミリミクロン
の大きさに加熱造粒して得られた半透明の液体で、中性
〜弱アルカリ性、好ましくはｐＨが８．０〜１０．５の
弱アルカリ性で、比重が１．１６〜１．２４で、おおよ
そＳｉＯ₂が１０〜４０重量％、Ｎａ₂Ｏが０．０１〜
４重量％の範囲にあるものである。Ｎａ₂Ｏが４重量％
以上になると珪酸コロイドは溶けてしまい珪酸塩の水溶
液となってしまう。一方Ｎａ₂Ｏが０．０１重量％以下
になると珪酸コロイドは安定して存在し得ず凝集してし
まう。即ちＮａ₂Ｏが０．０１〜４重量％の範囲でＮａ
イオンが珪酸コロイドの表面に分布して安定したコロイ
ド状に保ちうる。この場合、珪酸コロイドの粒径はほぼ
６〜５０ミリミクロンが主となる。珪酸コロイドの粒径
が５０ミリミクロン以上になると沈澱してしまう。以上
の珪酸コロイドは、モル比（ＳｉＯ₂／Ｎａ₂Ｏ）でほ
ぼ１０〜１，０００とし、ｐＨは８〜１０がコロイドの
安定上望ましい。このようにして調製された珪酸コロイ
ドは半永久的に安定しており、これを工場から現場への
搬入並びに注入操作の際にゲル化する心配がない。

【００１２】本発明で用いられる微粒子セメントは、浸
透性の点からブレーン比表面積４，０００cm²/g 以上で
あることが好ましい。増粘時間をより長くする場合に
は、特に微粒子セメント量を少なくする。また、中性シ
リカゾルの使用量が比較的多く、ゲル化し易い場合にこ
れをゲル化しない配合とするには、微粒子スラグを併用
するとよい。併用される微粒子スラグのブレーン比表面
積は、８，０００cm²/g以上、好ましくは１０，０００c
m²/g以上である。固結物の強度は用途に応じて適宜選
択出来るが、微粒子セメントの使用量は、地盤固結材
１，０００ml当たり３０〜３００ｇが好ましい。とくに
高強度、耐久性の固結物を得るためには、微粒子セメン
トの量は地盤固結材１，０００ml当たり５０ｇ以上が好
ましく、微粒子スラグを併用することが好ましい。この
場合、微粒子セメントと微粒子スラグの比率を１００〜
２０：０〜８０で使用することが好ましい。

【００１３】また、従来懸濁型固結材のみを注入した場
合には、地下水面下では湧水のため掘削が出来ない場合
が多く、溶液型注入材を併用して止水を行っていた。と
ころが、本発明の地盤固結材は浸透性が良く、固結物の
透水係数が小さいために、単独で注入した場合でも湧水
のトラブルがなく、掘削ができるのである。

【００１４】このような本発明にかかる中性シリカゾル
・微粒子セメント系では、中性シリカゾル、微粒子セメ
ントの使用量を変えることにより増粘時間を調整するこ
とが出来るが、さらに増粘時間の調整剤を添加すること
により増粘時間を遅延せしめるとともに、配合液を低粘
度化することにより、浸透性の向上をはかることができ
る。短い時間でゲル化するような場合には、増粘時間の
調整剤を添加することにより、増粘はするがゲル化はし
なくする。

【００１５】増粘時間の調整剤の使用量は、地盤注入材
の使用条件、特に液温によって適宜選択することが出来
るが、増粘時間を３０分以上、必要に応じては数時間と
出来ることが本発明の特徴であり、そのような場合には
増粘時間の調整剤を微粒子セメントに対し０．１〜１０
重量％使用することが出来る。上述増粘時間の調整剤と
しては、アルカリ金属の重炭酸塩、炭酸塩、燐酸塩、酸
性燐酸塩、ピロ燐酸塩、クエン酸、酒石酸およびリグニ
ンスルホン酸ソーダ、ポリスルホン酸ソーダ等の（遅延
型）セメント流動化剤等が挙げられる。これらのうちで
特に、好ましい調整剤としては、固結物の強度への影響
の少ないアルカリ金属の重炭酸塩、炭酸塩等である。こ
のような増粘時間の調整剤は中性シリカゾルの側に添加
し、注入時に微粒子セメントの懸濁液と混合すると、セ
メントの凝集物が出来ず、懸濁液中の粒子の粒径が小さ
く、液の粘度も小さいため浸透性がより良好となる。

【００１６】なお、水ガラスからイオン交換樹脂で脱ア
ルカリして得られる活性シリカは、炭酸水素ナトリウム
と混合しただけでゲル化するのであり、ゲル化する前に
上記使用量の活性シリカとセメント懸濁液を混合して
も、本発明の中性シリカゾルを使用した場合のように可
塑状態とはならない。

【００１７】また、セメント流動化剤を添加する場合に
は、微粒子セメント側に添加した方が好ましく、その場
合には他の調整剤を中性シリカゾル側に添加するのが好
ましい。調整剤を添加する場合、予め水に溶解した後中
性シリカゾルを添加する方法が好ましく、その状態で均
一であるような調整剤を選択使用することが好ましい。
さらに増粘時間の調整剤を添加することにより、Ａ，Ｂ
両液混合時の粘度が小さくなり、浸透性をより高めるこ
とが出来る。

【００１８】本発明の配合液の具体的な調製法について
さらに詳述する。まず、固結物の強度からセメント、ス
ラグの比表面積およびその使用量を決定する。ついで中
性シリカゾルの使用量をシリカ濃度が０．５〜５容量％
となるようにする。中性シリカゾルのこの範囲において
も配合液がゲル化する場合には、増粘時間の調整剤を添
加する。

【００１９】本発明の地盤固結材を注入する場合に、一
次注入材としてゲル化時間の短い溶液型あるいは懸濁型
の注入材を注入して地上への漏出を防止あるいは粗な部
分に充填して本発明の固結材の逸走を防止した後、本発
明の地盤固結材を注入してもよい。

【００２０】また、本発明の地盤固結材は、低粘度で浸
透性がよいためパッカー効果の確実な二重管ダブルパッ
カー工法を採用する場合には、注入速度を大きくして、
施工効率を上げることが出来、他方一度に注入する注入
孔が多く、その注入孔が注入管の上下広い範囲に拡がっ
ているような注入管を使用する工法（ここでは多孔注入
工法とする）では、注入速度を小さくして、地盤が隆起
することなく、浸透注入させることが出来る。

【００２１】

【実施例】以下、本発明を実施例によって具体的に説明
するが、これらの実施例は本発明の一例に過ぎず、本発
明はこれらの実施例に限定されるものではない。まず、
本発明の実施例および比較例に用いた中性シリカゾル、
スラグ、セメントおよび増粘時間の調整剤を以下にまと
めて示す。（１）中性シリカゾル水ガラスをイオン交換樹脂で処理することによりアルカ
リの大部分を除去し、造粒して得られた、表１に示す組
成の中性シリカゾル（旭電化工業（株）製）を使用し
た。

【００２２】

【表１】

【００２３】（２）スラグ表２に示す組成および粉砕度の異なる３種類のスラグを
使用した。

【００２４】

【表２】

【００２５】（３）セメント表３に示す組成および粉砕度の異なるポルトランドセメ
ントと高炉セメントを使用した。

【００２６】

【表３】

【００２７】（４）増粘時間の調整剤代表的な増粘時間の調整剤として炭酸水素ナトリウム
（試薬１級：ＮａＨＣＯ₃）を使用した。

【００２８】実施例１〜９及び比較例１〜６表１の中性シリカゾルと炭酸水素ナトリウムおよび水を
Ａ液とし、Ｂ液として表２のスラグ、表３のセメントの
水懸濁液を用い、Ａ液とＢ液を表４に示す割合で混合し
各種の地盤固結材を調製した。得られた地盤固結材につ
いてＢ型粘度計により増粘時間を測定し、また土質工学
会基準「土の一軸圧縮試験方法」に準じて一軸圧縮強度
を測定した。実施例１〜９の配合は、いずれも増粘後１
０分以上可塑状態が続いた。結果を表４に示す。

【００２９】

【表４】

【００３０】・注１３時間経過後も殆ど増粘しなかっ
た。

【００３１】・注２３時間経過後も500cpsに達しなか
った。

【００３２】・増粘時間は液温２０℃で測定した。

【００３３】実施例１０〜１２及び比較例７、８上記実施例及び比較例の幾つかの配合について浸透試験
を行った。その結果を表５に示す。

【００３４】＜浸透試験＞５φ×１００ｃｍのアクリル
パイプに豊浦標準砂を相対密度約６０％となるように充
填し、水で飽和させた後、上記代表的な実施例および比
較例の配合液を注入圧１kgf/cm²で注入し浸透距離を測
定した。豊浦標準砂の充填は所定量を数回に分けて行
い、その都度パイプの側面をハンマーで叩いた。また配
合液の調製はミキサーにＡ，Ｂ両液を入れ１０秒間攪拌
により行った。なお浸透距離はパイプの外部から目視に
より明確に色の変化のある範囲を測定し浸透距離とし
た。

【００３５】

【表５】

【００３６】・＊比較例７は増粘が早いため、浸透距離
が短くなったものと思われる。

【００３７】実施例１３〜１６及び比較例９、１０上記実施例および比較例の幾つかの配合について３０℃
における増粘時間を測定した。なお増粘時間の調整剤
（炭酸水素ナトリウム）の使用量は表６のように追加
し、他の量は同じとした。その結果を表６に示す。この
結果より、高温においても増粘時間が長く、十分浸透可
能であることが分かる。なお、可塑状態は比較例を除い
て、実施例のものはいずれも３０分以上であった。

【００３８】

【表６】

【００３９】・＊のついているものはゲル化時間（カッ
プ倒立法による）である。

【００４０】実施例１７、１８及び比較例１１、１２上記実施例および比較例の幾つかの配合について土中ゲ
ル化時間、増粘時間（またはゲル化時間）を測定した。
その結果を表７に示す。＜土中ゲル化時間測定法＞ミキサーで１０秒間攪拌混合
して配合液を調製し、その中から５０ｇを直ちに豊浦標
準砂１００ｇに添加混合し静置した。そこへ竹串を刺
し、引き抜いた時に串の跡が残るように成った時間を測
定し、土中ゲル化時間とした。なお同時に残った配合液
で増粘時間（比較例の場合はゲル化時間）を測定した。

【００４１】

【表７】

【００４２】・比較例の場合（＊印）はゲル化時間であ
る。

【００４３】

【発明の効果】本発明は以上の通りであり、中性シリカ
ゾルと微粒子セメント（及び必要に応じて微粒子スラ
グ）とを有効成分とする地盤固結材は、特定量の中性シ
リカゾルを使用することにより以下のような効果を発揮
する。

【００４４】中性シリカゾルを少量添加したことによ
り微粒子セメント（および微粒子スラグ）の注入時の土
粒子間での目詰まりを低減させることが出来るため、地
盤への浸透性が極めて優れている。比較的長い注入可能時間とすることが出来るため、１
液配合として注入することも出来る。溶液型では見られない高い固結強度が得られる。中性シリカゾルは通常の水ガラスのように高アルカリ
成分を多量には含有していないため、アルカリの溶脱に
よる環境への影響が少ない。セメントを比較的多く使用した場合でも、中性シリカ
ゾルは通常の水ガラスのような高アルカリ成分を殆ど含
有していないため、固結物は耐久性がある。セメントの
カルシウム成分はアルカリにより水に溶解しやすくなる
が、中性のシリカゾルを使用しているために、これと反
応して水に溶解しにくい化合物（カルシウムシリケート
類）になるため、固結物は耐久性が良好となるのであ
る。止水効果が大きいために、掘削するような工事に対し
ても単独で目的を達することができる。浸透性が良好であるため、注入による地盤隆起がな
い。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｃ０９Ｋ 17/10 Ｃ０９Ｋ 17/10 ＰＥ０２Ｄ 3/12 １０１Ｅ０２Ｄ 3/12 １０１ //(Ｃ０４Ｂ 28/02 (Ｃ０４Ｂ 28/02 22:06 22:06 Ａ 22:10 22:10 18:14 18:14 Ａ））Ｆ 103:44 103:44 111:70 111:70 Ｃ０９Ｋ 103:00 Ｃ０９Ｋ 103:00 (72)発明者島田俊介東京都文京区本郷２丁目15番10号強化土エンジニヤリング株式会社内Ｆターム(参考） 2D040 AA01 AB01 CA01 CA02 CA04 CB03 CC01 4G012 PA29 PB04 PB08 PC08 4H026 CA03 CB02 CB03 CB07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水ガラスのアルカリの大部分をイオン交
換樹脂で除去し、造粒して得られた中性シリカゾルと、
微粒子セメントと、必要に応じて用いられるスラグとを
有効成分とする地盤固結材であって、中性シリカゾルの
含有量が、ＳｉＯ₂濃度３０％のシリカゾル換算で全配
合液中、０．５〜５容量％である地盤固結材。
【請求項２】請求項１において、微粒子セメントおよ
びスラグの使用量が、次の要件（１）および（２）のい
ずれかを具備してなる請求項１記載の地盤固結材。（１）微粒子セメント単独の場合には、微粒子セメント
の配合量が、全配合液１，０００mlあたり３０〜３００
ｇであること（２）微粒子セメントとスラグを使用する場合には、そ
れらの重量割合が、微粒子セメント：スラグ＝１００〜
２０：０〜８０であること
【請求項３】請求項１において、微粒子セメントが比
表面積４，０００cm²/g 以上である請求項１記載の地盤
固結材。
【請求項４】請求項１において、更に増粘時間の調整
剤を含有し、有効成分の使用量が以下の（３）及び
（４）を満足する範囲であり、配合液が単独でゲル状態
になった時の強度が０．１kgf/cm²以下である請求項１
記載の地盤固結材。（３）微粒子セメントの使用量が、配合液１，０００ml
あたり３０〜３００ｇであること（４）増粘時間の調整剤の使用量が、微粒子セメントに
対し０．１〜１０重量％であること