(57)【要約】      （修正有）【課題】固結時の収縮率が小さい地盤注入用固結材及びその製造方法を提供する。【解決手段】特定の成分を含有する地盤注入用固結材により、コロイダルシリカを含有せずに固結時の収縮を抑制する。特定の成分としては、珪酸ソーダ、特に２号珪酸ソーダ、酸成分、特に硫酸、及び二価金属、特にマグネシウム及び／又はカルシウムを含有する。【選択図】図１
2020060072.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
珪酸ソーダ、酸成分及び二価金属を含有することを特徴とする地盤注入用固結材。
【請求項２】
前記二価金属は、アルカリ土類金属である、請求項１に記載の地盤注入用固結材。
【請求項３】
前記二価金属は、当該金属元素の種類が一種又は二種である、請求項１又は２に記載の地盤注入用固結材。
【請求項４】
前記二価金属は、マグネシウム及び／又はカルシウムである、請求項１〜３のいずれかに記載の地盤注入用固結材。
【請求項５】
前記珪酸ソーダは、２号珪酸ソーダである、請求項１〜４のいずれかに記載の地盤注入用固結材。
【請求項６】
前記酸成分は、硫酸である、請求項１〜５のいずれかに記載の地盤注入用固結材。
【請求項７】
コロイダルシリカを含有しない、請求項１〜６のいずれかに記載の地盤注入用固結材。
【請求項８】
前記固結材中のＳｉＯ２濃度が２〜１５質量％である、請求項１〜７のいずれかに記載の地盤注入用固結材。
【請求項９】
前記固結材の調製時点での濁度が、ＪＩＳ  Ｋ０１０１（工業用水試験方法）に定められた濁度において５以下である、請求項１〜８のいずれかに記載の地盤注入用固結材。
【請求項１０】
酸成分と二価金属化合物との混合物を調製する工程１、当該混合物を撹拌しながら当該混合物に珪酸ソーダを添加する工程２を順に有することを特徴とする地盤注入用固結材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地盤改良、液状化現象の防止、耐震補強等の幅広い用途に有用な、固結時の収縮率が小さい地盤注入用固結材及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、地盤の液状化防止注入工事に有用な地盤注入用固結材としては、例えば、珪酸ソーダと酸成分を含有する地盤注入用固結材が知られている。珪酸ソーダ（水ガラス）としては、ＳｉＯ２／Ｎａ２Ｏで表されるモル比が３．７程度の工業品、３号珪酸ソーダ（ＳｉＯ２／Ｎａ２Ｏで表されるモル比が３．２程度）等が用いられている。また、地盤注入用固結材のＳｉＯ２含有量を増加するため、又は固結後の収縮率を小さくするために水ガラスにコロイダルシリカを配合したものも知られている。
【０００３】
具体的には、特許文献１には、コロイダルシリカと水ガラスの混合物（アルカリ性シリカ溶液）に反応剤として硫酸、リン酸、塩化アルミニウム等を添加することにより得られるグラウト（地盤注入用固結材）が記載されている。特に［0029］段落には、「例えば、アルカリ性シリカ溶液に酸性反応剤を添加して該溶液を酸性〜中性領域に調整して所定のゲル化時間を有するグラウトとすることができる。」と記載されている。
【０００４】
しかしながら、上記従来の地盤注入用固結材には次のような問題がある。即ち、従来の地盤注入用固結材は、例えば固結時の収縮率を小さくするために水ガラスにコロイダルシリカを混合する場合があるが、コロイダルシリカは、珪酸ソーダをイオン交換して製造するため、ナトリウム、中和後の芒硝（硫酸ナトリウム１０水和物）などの廃棄物が大量に副生するという問題がある。また、金属珪素（Ｓｉ）から製造する方法もあるが、製造時に水素が発生し、安全管理の点から商業ベースの製造ではコスト的に不利である。
【０００５】
そこで、これらの問題を改善し、コロイダルシリカを含有しなくても固結時の収縮率が小さい地盤注入要固結の開発が望まれているが、未だそのような製品は得られていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−３０４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、固結時の収縮率が小さい地盤注入用固結材及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、特定の成分を含有する地盤注入用固結材によれば、コロイダルシリカを含有しなくても固結時の収縮を抑制でき、上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
即ち、本発明は、下記の地盤注入用固結材及びその製造方法に関する。
１．珪酸ソーダ、酸成分及び二価金属を含有することを特徴とする地盤注入用固結材。
２．前記二価金属は、アルカリ土類金属である、上記項１に記載の地盤注入用固結材。
３．前記二価金属は、当該金属元素の種類が一種又は二種である、上記項１又は２に記載の地盤注入用固結材。
４．前記二価金属は、マグネシウム及び／又はカルシウムである、上記項１〜３のいずれかに記載の地盤注入用固結材。
５．前記珪酸ソーダは、２号珪酸ソーダである、上記項１〜４のいずれかに記載の地盤注入用固結材。
６．前記酸成分は、硫酸である、上記項１〜５のいずれかに記載の地盤注入用固結材。
７．コロイダルシリカを含有しない、上記項１〜６のいずれかに記載の地盤注入用固結材。
８．前記固結材中のＳｉＯ２濃度が２〜１５質量％である、上記項１〜７のいずれかに記載の地盤注入用固結材。
９．前記固結材の調製時点での濁度が、ＪＩＳ  Ｋ０１０１（工業用水試験方法）に定められた濁度において５以下である、上記項１〜８のいずれかに記載の地盤注入用固結材。
１０．酸成分と二価金属化合物との混合物を調製する工程１、当該混合物を撹拌しながら当該混合物に珪酸ソーダを添加する工程２を順に有することを特徴とする地盤注入用固結材の製造方法。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の地盤注入用固結材は、珪酸ソーダ、酸成分及び二価金属を含有し、特に二価金属を含有することにより、コロイダルシリカを含有しなくても固結時の収縮が抑制されている（収縮率が小さい）。この本発明の地盤注入用固結材は、地盤改良、液状化現象の防止、耐震補強等の幅広い用途に有用であり、特にコロイダルシリカを含有しない場合には地盤への浸透性が高いという効果も得られる。本発明の製造方法は、本発明の地盤注入用固結材を白濁を生じさせることなく製造できる点で有用である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】比較例１、２（比較例１、２はともに珪酸ソーダとして５号珪酸ソーダを使用）と、珪酸ソーダとして２号珪酸ソーダを使用し、二価金属としてＭｇＣｌ２・６Ｈ２Ｏを用いた実施例１〜４のゲルの収縮率（％）の測定結果を示す図である。
【図２】比較例１、２（比較例１、２はともに珪酸ソーダとして５号珪酸ソーダを使用）と、珪酸ソーダとして２号珪酸ソーダを使用し、二価金属としてＭｇＳＯ４・７Ｈ２Ｏを用いた実施例５〜８のゲルの収縮率（％）の測定結果を示す図である。
【図３】比較例１、２（比較例１、２はともに珪酸ソーダとして５号珪酸ソーダを使用）と、珪酸ソーダとして２号珪酸ソーダを使用し、二価金属としてＣａＣｌ２・２Ｈ２Ｏを用いた実施例９、１０のゲルの収縮率（％）の測定結果を示す図である。
【図４】比較例１、２（比較例１、２はともに珪酸ソーダとして５号珪酸ソーダを使用）と、珪酸ソーダとして５号珪酸ソーダを使用し、二価金属としてＭｇＳＯ４・７Ｈ２Ｏを用いた実施例１１〜１４のゲルの収縮率（％）の測定結果を示す図である。
【図５】比較例１、実施例２、６、１０の養生２８日目における一軸圧縮強度測定の結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の地盤注入用固結材及びその製造方法について詳細に説明する。
【００１３】
１．地盤注入用固結材
本発明の地盤注入用固結材は、珪酸ソーダ、酸成分及び二価金属を含有することを特徴とし、特に二価金属を含有することにより、コロイダルシリカを含有しなくても固結時の収縮が抑制されている（収縮率が小さい）。
【００１４】
珪酸ソーダとしては、市販品やそれに水を加えて希釈した希釈溶液を使用できる。
【００１５】
珪酸ソーダのモル比（ＳｉＯ２／Ｎａ２Ｏ）は限定されないが、２．０〜５．０程度が好ましく、汎用の珪酸ソーダが使えるため、２．０〜４．０程度がより好ましく、更に２．３〜２．６程度がより好ましい。
【００１６】
珪酸ソーダに含まれるシリカ濃度（ＳｉＯ２濃度）としては、５〜３０質量％程度が好ましく、１０〜１５質量％程度がより好ましい。
【００１７】
珪酸ソーダとしては、ＪＩＳ  Ｋ１４０８に示されている１号〜３号珪酸ソーダに加えて、モル比（ＳｉＯ２／Ｎａ２Ｏ）３．１〜４程度の工業品が知られている。その中でも、低モル比の珪酸ソーダを用いることにより、固結後の収縮抑制の効果が得られ易い。本発明では、収縮抑制の所定の効果の得られ易さ及びハンドリングの容易性の観点から珪酸ソーダとして２号珪酸ソーダ（モル比が２．５３、ＳｉＯ２濃度が１１．８質量％）を使用することが好ましい。
【００１８】
酸成分としては限定されず、例えば、塩酸、硫酸、硝酸、リン酸、その他の鉱酸等、クエン酸、グリコール酸、リンゴ酸、酒石酸、その他の有機酸等を幅広く使用することができるが、その中でも硫酸及び塩酸の少なくとも一種（特に硫酸）が好ましい。硫酸、塩酸の中でも硫酸を用いることにより固結時の収縮抑制の効果が得られ易い。これらの酸は単独で使用してもよく、複数種類を混合して使用することもできる。これらの酸は、市販の酸原液又はそれを水希釈した酸水溶液がそのまま使用できる。
【００１９】
上記酸成分及び水の混合割合は、地盤注入用固結材の所望のＳｉＯ２含有量、ｐＨ及びゲルタイムに応じて適宜設定することができる。本発明では、地盤注入用固結材のＳｉＯ２含有量は限定的ではないが、２〜１５質量％が好ましく、３〜１２質量％がより好ましい。また、ｐＨとゲルタイムは関連しており、地盤注入用固結材の用途が液状化防止用である場合には、ｐＨ２〜４程度、ゲルタイム１０時間以上に設定することが好ましい。他方、地盤注入用固結材が瞬結〜緩結タイプ（ゲルタイム１０秒〜１時間程度）の場合には、ｐＨ４〜８程度に設定することが好ましい。なお、当該ゲルタイムは、室温下、５００ｍｌビーカーに地盤注入用固結材１５０ｍｌ及び３８．４ｍｍ×φ８ｍｍ回転子を入れて、初速４０ｒｐｍで回転させ、回転が停止した時間を意味する。
【００２０】
よって、水の混合割合は地盤注入用固結材のＳｉＯ２含有量の調整の点で設定し、酸成分の混合割合はｐＨ及びゲルタイムの調整の点で設定すればよい。なお、水は酸成分の希釈のみならず、前述の珪酸ソーダの希釈にも使用できる。
【００２１】
本発明の地盤注入用固結材は、上記成分以外に二価金属を含有することを特徴とし、当該二価金属が固結時の収縮抑制の効果をもたらす。二価金属の種類は二価の価数を有する金属であれば良いが、特にアルカリ土類金属（Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ及びＲａの少なくとも一種）であることが好ましく、その中でもマグネシウム（Ｍｇ）及びカルシウム（Ｃａ）の少なくとも一種がより好ましい。なお、本発明の地盤注入用固結材は、含有する二価金属の元素の種類が一種又は二種であることが好ましく、例えば、上記の通り、Ｍｇ及びＣａの少なくとも一種であることが好ましい。
【００２２】
上記二価金属の含有態様は限定的はないが、固結材中に二価金属イオンの状態で含まれていてもよく、シリカ骨格に二価金属が取り込まれた状態で含まれていてもよい。なお、二価金属の含有量は固結材の固結時の収縮抑制の効果が得られる限り限定的ではないが、例えば、二価金属がマグネシウムの場合には、ＳｉＯ２１００ｍｏｌに対してＭｇ２＋が１．３〜１３ｍｏｌが好ましく、５．３〜１３ｍｏｌがより好ましい。また、二価金属がカルシウムの場合には、ＳｉＯ２１００ｍｏｌに対してＣａ２＋が０．４〜１．８ｍｏｌが好ましく、１．０〜１．８ｍｏｌがより好ましい。
【００２３】
本発明の地盤注入用固結材を調製する際は、二価金属の原料（二価金属化合物）として二価金属塩を使用すればよく、水和水を有するものであってもよい。例えば、二価金属がマグネシウムの場合には、ＭｇＣｌ２・６Ｈ２Ｏ、ＭｇＳＯ４・７Ｈ２Ｏ等が使用でき、二価金属がカルシウムの場合には、ＣａＣｌ２・２Ｈ２Ｏなどが使用できる。マグネシウムとカルシウムとの対比ではマグネシウムを用いる方が固結時の収縮抑制の効果が得られ易い点で好ましく、更にＭｇＣｌ２・６Ｈ２ＯとＭｇＳＯ４・７Ｈ２Ｏとの対比ではＭｇＳＯ４・７Ｈ２Ｏを用いる方が固結時の収縮抑制の効果が得られ易い点で好ましい。なお、二価金属としてカルシウムを用いる場合には酸成分との混合による白濁の発生を抑制するために酸成分として塩酸を組み合わせて用いることが好ましい。
【００２４】
本発明の地盤注入用固結材は、従来から地盤注入用固結材の技術分野で公知の添加剤を適宜含有することができる。添加剤の種類及び含有量は常法に従って選択できる。添加剤としては、例えば、ｐＨ緩衝剤、ゲルタイム調整剤、凍結防止剤等が挙げられる。
【００２５】
本発明の地盤注入用固結材は白濁につながる不溶性成分を含有しないことが好ましく、固結材の濁度（少なくとも調製時点での濁度）はＪＩＳ  Ｋ０１０１（工業用水試験方法）に定められた濁度において５以下であることが好ましい。
【００２６】
本発明の地盤注入用固結材の粘度は限定されないが、１〜１０ｍＰａ・ｓ以下が好ましく、４ｍＰａ・ｓ以下程度がより好ましい。
【００２７】
本発明の地盤注入用固結材は、地盤改良（地盤補強も含む）、液状化現象の防止、耐震補強等の幅広い用途に適用することができる。また、特に地盤注入用固結材のＳｉＯ２濃度が１０質量％を超える場合には大きな固結強度を発揮でき、液状化現象の防止の用途よりも高強度を要求される既存の岸壁、護岸又は構造物の耐震補強及び／又は周囲の地盤改良（特に海辺地域などの海水の影響を受ける砂質地盤）に適用することもできる。
【００２８】
より具体的には、既存の岸壁、護岸又は構造物（タンク、建造物、橋脚、滑走路等）の耐震補強（レベル２地震動対応）、岸壁増深時の岸壁前面の地盤改良、岸壁背面地盤の土圧低減、既存の構造物の下部地盤の支持力増加などの用途に適用できる。なお、「レベル２地震動」とは、土木学会が定義する構造物の耐震設計に用いる入力地震動であり、「現在から将来にわたって当該地点で考えられる最大級の強さをもつ地震動」を意味する。
【００２９】
２．地盤注入用固結材の製造方法
本発明の地盤注入用固結材の製造方法は限定的ではないが、例えば、酸成分と二価金属化合物との混合物を調製する工程１、当該混合物を撹拌しながら当該混合物に珪酸ソーダを添加する工程２を順に有する製造方法により調製する場合には、白濁の発生を抑制しながら本発明の地盤注入用固結材を好適に調製することができる。
【００３０】
本発明の地盤注入用固結材は、上記二価金属（原料時は二価金属化合物）を用いることにより、従来、固結時の収縮を抑制するために添加していたコロイダルシリカを混合する必要がない。通常、地盤注入用固結材に用いられるコロイダルシリカに含まれるシリカ（ＳｉＯ２）の平均粒子径は５〜３０ｎｍであり、従来この大きな平均粒子径が地盤への浸透性を不十分とする原因になっていたが、本発明ではコロイダルシリカを添加する必要がないため固結材の地盤注入時に地盤への浸透性が良好である。
【実施例】
【００３１】
以下に実施例及び比較例を示して本発明を具体的に説明する。但し、本発明は実施例に限定されない。
【００３２】
実施例及び比較例で使用した材料、試薬は下記の通りである。
２号珪酸ソーダ（ＳｉＯ２：２８．９２％，ＮａＯ２：１１．８０％，モル比：２．５３，ｄ＝１．４５６）
いわゆる５号珪酸ソーダ（ＳｉＯ２：２５．４３％，ＮａＯ２：７．０７％，モル比：３．７１，ｄ＝１．３１７）
コロイダルシリカ（日産化学工業社製，ＳｉＯ２：４０％，ｄ＝１．３０３）
７８％硫酸（工業用，ｄ＝１．７１）
３６％塩酸（富士フィルム和光純薬社製試薬，ｄ＝１．１８）
ＭｇＣｌ２・６Ｈ２Ｏ（富士フィルム和光純薬社製試薬）
ＭｇＳＯ４・７Ｈ２Ｏ（富士フィルム和光純薬社製試薬）
ＣａＣｌ２・２Ｈ２Ｏ（富士フィルム和光純薬社製試薬）
２５０ｍＬメスフラスコ（アズワン社製）
豊浦砂
【００３３】
実施例１〜１４及び比較例１〜２
実施例及び比較例で調製した地盤注入用固結材（以下「薬液」ともいう）の成分組成を下記表１及び表２に示す。
【００３４】
薬液については全てＳｉＯ２濃度が８％程度，ゲルタイムが２０時間程度となるように設定した。表１（比較例１）の薬液については先ずＡ液，Ｂ液，Ｃ液をそれぞれ調製し，次にＣ液を撹拌しながらＡ液を添加し，更にそこにＢ液を添加することにより調製した。表２の薬液についてはまずＡ液，Ｂ液をそれぞれ調製し，次にＢ液を撹拌しながらそこにＡ液を添加することにより調製した。
【００３５】
薬液の収縮率は、地盤工学会に準拠したガラス製メスフラスコを使用した測定法により評価した。具体的には、ガラス製２５０ｍＬメスフラスコに１００ｍＬの薬液を加えてゲル化させた後、標線まで純水を加え、経時的に水を採取し、重量及び比重から水の体積を求めてゲルの収縮率を算出した。
【００３６】
また、固化体の一軸圧縮強度の測定は豊浦砂を用いてＤｒ＝５０の強度を測定した。
【００３７】
【表１】
2020060072.tif 000003
【００３８】
【表２】
2020060072.tif 000004
【００３９】
＜ゲルの収縮率及び固化体の一軸圧縮強度に関する考察＞
（１）比較例１、２（比較例１、２はともに珪酸ソーダとして５号珪酸ソーダを使用）と、珪酸ソーダとして５号珪酸ソーダを使用し、二価金属としてＭｇＳＯ４・７Ｈ２Ｏを用いた実施例１１〜１４のゲルの収縮率（％）の結果を図４に示す。二価金属を含有しない比較例１、２と比べて、実施例１１〜１４は二価金属の量が増えるに従って収縮率が小さくなることが分かった。
【００４０】
（２）比較例１、２（比較例１、２はともに珪酸ソーダとして５号珪酸ソーダを使用）と、珪酸ソーダとして２号珪酸ソーダを使用し、二価金属としてＭｇＳＯ４・７Ｈ２Ｏを用いた実施例５〜８のゲルの収縮率（％）の結果を図２に示す。二価金属を含有しない比較例１、２と比べて、実施例５〜８は二価金属を含有することによって収縮率が小さくなることが分かった。また、実施例１１〜１４との対比からは、珪酸ソーダとして５号珪酸ソーダよりも２号珪酸ソーダを用いる方が収縮抑制の効果が得られ易いことが分かった（特に実施例５と実施例１２との対比、及び実施例７と実施例１４との対比）。
【００４１】
（３）比較例１、２（比較例１、２はともに珪酸ソーダとして５号珪酸ソーダを使用）と、珪酸ソーダとして２号珪酸ソーダを使用し、二価金属としてＭｇＣｌ２・６Ｈ２Ｏを用いた実施例１〜４のゲルの収縮率（％）の結果を図１に示す。二価金属を含有しない比較例１、２と比べて、実施例１〜４は二価金属を含有することによって収縮率が小さくなることが分かった。また、実施例５〜８との対比からは、二価金属としてＭｇＣｌ２・６Ｈ２ＯよりもＭｇＳＯ４・７Ｈ２Ｏを用いる方が収縮抑制の効果が得られ易いことが分かった。
【００４２】
（４）比較例１、２（比較例１、２はともに珪酸ソーダとして５号珪酸ソーダを使用）と、珪酸ソーダとして２号珪酸ソーダを使用し、二価金属としてＣａＣｌ２・２Ｈ２Ｏを用いた実施例９、１０のゲルの収縮率（％）の結果を図３に示す。二価金属を含有しない比較例１、２と比べて、実施例９、１０は二価金属を含有することによって収縮率が小さくなることが分かった。図３の収縮率の結果は、比較例１は６．２７％、比較例２は６．６４％、実施例９は６．２６％、実施例１０は６．１７％であった。
【００４３】
（５）比較例１、実施例２、６、１０の養生２８日目における一軸圧縮強度測定の結果を図５に示す。二価金属を添加した実施例２、６、１０においても従来品の比較例１と同等以上の強度性能が得られることが分かった。
【図１】
2020060072.tif 000005
【図２】
2020060072.tif 000006
【図３】
2020060072.tif 000007
【図４】
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【図５】
2020060072.tif 000009