JP2018123176A - 地盤改良材料スラリーおよび地盤改良工法 - Google Patents

Abstract

【課題】二酸化炭素排出量が低く、スライムの安定的な圧送と高い強度発現が可能な地盤改良材料スラリーおよび地盤改良工法を提供する。
【解決手段】セメントと高炉スラグ微粉末から選ばれる１種以上、並びに、ナフタレンスルホン酸塩系高性能減水剤とポリアクリル酸類から選ばれる１種以上およびアルカリ金属炭酸塩からなる粘性低減剤を含有してなる地盤改良材料スラリーであって、前記使用材料の二酸化炭素排出量の合計が１ｍ^３あたり２００ｋｇ以下であることを特徴とする環境負荷低減効果の高い地盤改良材料スラリーである。
さらに、前記地盤改良材料スラリーを用いて、噴射圧２５MPa以上、噴射量１００L/min以上で地盤に噴射することを特徴とする地盤改良工法であり、スライムの粘度が混合後４時間で３０,０００mPa・s以下であって、スライムの廃棄が容易であることを特徴とする地盤改良工法である。
【選択図】なし

Description

本発明は、地中に地盤改良材料スラリーを高圧噴射し、地盤を硬化、安定化させる地盤改良材料および地盤改良工法に関する。

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。地盤安定化工法としては、例えば、地盤改良材料スラリーを、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ある（非特許文献１）。
この工法は、地中に地盤改良材料スラリー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地盤改良材料スラリーを高圧噴射し、地中の土を切削すると同時に、切削された土と地盤改良材料スラリーとが混合された混合土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、地中を地盤改良材料スラリー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。

切削により地盤改良材料スラリーと土を混合した場合、セメント粒子と土の粒子が電気的作用により互いに凝集するため、地盤改良材料スラリー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、リン酸塩、アルカリ金属含有物（硫酸塩、亜硫酸塩、炭酸塩、重炭酸塩等）、有機酸および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１〜７）。

地球温暖化が全世界の問題となっているが、二酸化炭素排出量に関して、全産業の中で土木・建設業の占める割合は極めて大きく、環境負荷の低減が切望されている。
しかしながら、前記の超高圧噴流注入工法用セメント添加剤は、粘性土地盤において粘性を低減させる効果が小さく、セメントを多量に使用するため二酸化炭素排出量が高く、環境負荷低減効果が高い工法とは言えない。

坪井直道著、「薬液注入工法の実際」鹿島出版会、昭和56年３月25日改訂版第２刷発行、第５〜９頁、

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 特許第３５５４４９６号

本発明者は、地盤改良工法において、前記課題を解決すべく種々検討を行った結果、特定の粘性低減剤を使用し、ポルトランドセメントの使用量を下げることにより、スライムの粘性を長時間下げて安定的にスライムの排出ができ、さらに高い強度発現が可能になるとともに、二酸化炭素排出量が少なくなるとの知見を得て本発明を完成するに至った。

本発明の一側面は、セメントと高炉スラグ微粉末から選ばれる１種以上、並びに、ナフタレンスルホン酸塩系高性能減水剤とポリアクリル酸類から選ばれる１種以上およびアルカリ金属炭酸塩からなる粘性低減剤を含有してなる地盤改良材料スラリーであって、前記使用材料の二酸化炭素排出量の合計が１ｍ^３あたり２００ｋｇ以下であることを特徴とする環境負荷低減効果の高い地盤改良材料スラリーである。

本発明の他の一側面は、高炉スラグ微粉末の割合が、セメントおよび高炉スラグ微粉末の合計量のうち６０％より大きく、かつ地盤改良材料スラリー１ｍ^３あたりのセメント使用量が２３０ｋｇ以下である前記地盤改良材料スラリーである。

本発明の更に他の一側面は、前記地盤改良材料スラリーを用いて、噴射圧２５MPa以上、噴射量１００L/min以上で地盤に噴射することを特徴とする地盤改良工法であり、スライムの粘度が混合後４時間で３０,０００mPa・s以下であって、スライムの廃棄が容易であることを特徴とする地盤改良工法である。

本発明の地盤改良材料スラリーは、特定の粘性低減剤を使用し、ポルトランドセメントの使用量を下げることにより、スライムの粘性を長時間下げて安定的にスライムの排出ができ、さらに高い強度発現が可能になるとともに、二酸化炭素排出量が少なくなるという効果を奏する。

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。

本発明で使用するセメントは特に限定されるものではなく、普通、早強、超早強および中庸熱等の各種ポルトランドセメント、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、例えば石膏等の量を増減して調製されたものも使用可能である。

セメントの使用量は、地盤改良材料スラリー１ｍ^３中、２３０ｋｇ／ｍ^３以下が好ましく、１００〜２００ｋｇ／ｍ^３がより好ましい。セメントの使用量が少ないと、強度は低いが二酸化炭素排出量を高く抑えられる。一方、セメントの使用量が２３０質量部より多くなると、二酸化炭素排出量が高くなる。

本発明の高炉水砕スラグ微粉末とは、高炉から副生する高炉スラグのうち、急冷されて非晶質化したものを粉砕し、微粉末にしたものを総称するものである。高炉水砕スラグ微粉末については、JISに制定されている。高炉水砕スラグ微粉末の粉末度は、特に限定されるものではなく、JISで制定されているもので充分である。具体的には、ブレーン比表面積で4000〜8000cm²/gの範囲のものが好ましい。
高炉水砕スラグ微粉末の使用量は、スライムの粘性低減を持続させるため、さらに二酸化炭素排出量を低減させるため、セメントとの合計量に対して６０％より大きいことが好ましく、６５％以上がより好ましい。６０％以下では粘性低下の効果が小さく、二酸化炭素排出量が大きくなる。

本発明の粘性低減剤は、粘性低減効果、強度発現性を高める第一成分として、アルカリ金属炭酸塩を使用する。本発明に用いられるアルカリ金属炭酸塩としては、具体的に炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム等があげられる。本発明に好ましいものは炭酸ナトリウムおよび炭酸水素ナトリウムであり、特に好ましいものは炭酸ナトリウムである。
アルカリ金属炭酸塩の使用量は、地盤改良材料スラリー１ｍ^３中、５〜３０ｋｇが好ましく、８〜２５ｋｇ／ｍ^３がより好ましい。５ｋｇ／ｍ^３未満ではスライム粘性の低減効果と強度発現性が難しく、３０質量部より多いと粘性が直ぐ上昇する場合がある。

本発明で使用するポリアクリル酸類とは、ポリアクリル酸やその誘導体また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またはそれらのナトリウム塩、カリウム塩およびカルシウム塩等が使用可能であるが、入手し易いこと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、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点から好ましい。
ポリアクリル酸類の使用量は、地盤改良材料スラリー１ｍ^３中、５〜３０ｋｇが好ましく、８〜２５ｋｇがより好ましい。５ｋｇ／ｍ^３未満ではスライム粘性の低減が難しく、３０質量部より多いと経済性に優れない。

本発明では、ナフタレンスルホン酸塩系高性能減水剤を併用することで、さらに優れた粘性を低減させる効果が得られる。ナフタレンスルホン酸塩系高性能減水剤は、他の減水剤に比べ二酸化炭素原単位が少なく好ましい。ナフタレンスルホン酸塩系高性能減水剤は特に限定されるものでなく、市販のものが使用できる。その形状も粉末状、液体状の何れも使用可能である。
ナフタレンスルホン酸塩系高性能減水剤の使用量は、地盤改良材料スラリー１ｍ^３中、５〜３０ｋｇが好ましく、８〜２５ｋｇがより好ましい。５ｋｇ／ｍ^３が未満ではスライム粘性の低減が難しく、３０質量部より多いと経済性に優れない。

ポリアクリル酸類は一般に空気連行性がある。そのため地盤改良材料スラリーを練り混ぜた時に空気量が過大になって圧送できない可能性があるが、消泡剤の添加により所定の空気量にコントロールすることも可能である。消泡剤としては、シリコーン系、ノニオン系、アルコール系、脂肪酸系、エーテル系、脂肪酸エステル系、リン酸エステル系、ポリエーテル系及びフッ素系等のものが挙げられる。特に限定されるものではない。消泡剤の使用量は、地盤改良材料スラリー１ｍ^３中、０．０１〜１ｋｇが好ましく、０．１〜０．５ｋｇがより好ましい。

粘性低減剤の添加時期は、その使用目的に応じて適宜選択することができる。その具体的な方法としては、例えばセメントに予め混合する方法、地盤の切削時に混合する方法、セメントと水の混練時に同時添加する方法やセメントと粘土と水の混練時に同時添加する方法などが挙げられる。

粘性低減剤の使用形態は、粉末のもの、溶液化したものいずれも使用可能であるが、溶液化したものを使用する場合、水と混合して使用することが好ましい。溶解時間の短縮や均質な溶液を得ることが可能である。

粘性低減剤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、カルボン酸、アルカリ金属水酸化物および硫酸塩等を用いてｐH調整をすることも可能である。
本発明の粘性低減剤は、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。

本発明で使用する水の使用量は、土の含水比等で異なる。特に限定されるものではないが、セメントと高炉スラグ微粉末から選ばれる１種以上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部未満ではスライムの流動性が小さく、一方５００部を超えると強度発現性を阻害する場合がある。

次に、本発明の地盤改良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く、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わるが、１０〜５０ｍ程度が一般的である。

次に、二重管や三重管構造の注入ロッドを挿入し、地盤改良材料スラリーをグラウトポンプ、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。
地盤改良材料スラリー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、地盤改良材料スラリーを噴射圧２５MPa以上、噴射量１００L/min以上で地盤に噴射することが好ましい。効率的に改良半径が大きくでき、経済的である。

地盤改良材料スラリー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地盤改良材料スラリーは、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、最終的には地盤改良材料スラリー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３ｍ〜５０ｍ程度のものが形成可能である。

従来、スライムの安定した排出が困難であり、加水や減水剤の後添加により、スライムの廃棄量が多くなっていた。さらに、夏場の工事では高温時にスライムの粘性が上昇し、廃泥ピッドまで排出できないという課題があった。
本発明の地盤改良材料スラリーは、３５℃の高温環境下でも、スライムの粘度が混合後４時間で３０,０００mPa・s以下であり、スライムの廃棄が容易である。

以下、実験例に基づき本発明を詳細に説明する。

（実験例１）
セメント、高炉スラグ微粉末、炭酸ナトリウム、ナフタレンスルホン酸塩系高性能減水剤、及びポリアクリル酸類を表１に示すように組み合わせ、地盤改良材料スラリーを調製した。水は、セメントと高炉スラグ微粉末から選ばれる１種以上１００部に対して１５０部添加した。
次いで、粘性土１ｍ^３に対して地盤改良材料スラリーを１ｍ^３混合してスライムを得、粘度及び圧縮強度を測定し、地盤改良材料スラリー１ｍ^３あたりの二酸化炭素排出量を各原料のCO₂原単位を用いて算出した。結果を表１に示す。
試験は、温度３５℃、湿度８０％の環境下で行った。

＜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３．０４g/cm³、CO₂原単位765.5kg-CO₂/t
高炉スラグ微粉末：高炉スラグ微粉末、市販品、密度２．８９g/cm³、比表面積６０１０cm²/g、CO₂原単位40.36kg-CO₂/t
炭酸ナトリウム：工業品、CO₂原単位０kg-CO₂/t
ナフタレンスルホン酸塩系高性能減水剤：工業品、CO₂原単位7.9kg-CO₂/t
ポリアクリル酸類：ポリアクリル酸ナトリウム、工業品、質量平均分子量６,０００、CO₂原単位８９kg-CO₂/t
粘性土：東京湾産粘性土、含水率３０%、湿潤密度１.７３g/cm³

＜測定方法＞
粘度 ：得られたスライムを回転数20rpmの条件下でＢ型粘度計により、練混ぜから４時間まで測定した。
圧縮強度：得られたスライムを直径5cm×高さ10cmの型枠に流し込み、硬化後脱型して得た供試体を、温度３５℃で封緘養生し、材齢２８日における圧縮強度を測定した。

本発明によれば、スライムの粘性を長時間下げて安定的にスライムの排出ができ、さらに高い強度発現性が可能になるとともに、二酸化炭素排出量が少なくなる地盤改良材料スラリーが提供され、主に土木分野で好適に使用できる。

Claims (4)

1. セメントと高炉スラグ微粉末から選ばれる１種以上、並びに、ナフタレンスルホン酸塩系高性能減水剤とポリアクリル酸類から選ばれる１種以上およびアルカリ金属炭酸塩からなる粘性低減剤を含有してなる地盤改良材料スラリーであって、前記使用材料の二酸化炭素排出量の合計が１ｍ^３あたり２００ｋｇ以下であることを特徴とする環境負荷低減効果の高い地盤改良材料スラリー。
2. 高炉スラグ微粉末の割合が、セメントおよび高炉スラグ微粉末の合計量のうち６０％より大きく、かつ地盤改良材料スラリー１ｍ^３あたりのセメント使用量が２３０ｋｇ以下である請求項１に記載の地盤改良材料スラリー。
3. 請求項１または２に記載の地盤改良材料スラリーを用いて、噴射圧２５MPa以上、噴射量１００L/min以上で地盤に噴射することを特徴とする地盤改良工法。
4. スライムの粘度が混合後４時間で３０,０００mPa・s以下であって、スライムの廃棄が容易であることを特徴とする請求項３に記載の地盤改良工法。