(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
間隙もしくは空洞に、セメントをグラウト１ｍ３あたり約２００〜５００ｋｇ含有したセメント懸濁液と、塩基性硫酸バン土溶液とを主材として、下記の〔ａ〕および〔ｂ〕の条件を満たすように混合して注入し、水酸化アルミニウムゾルを生成させることを特徴としたグラウト注入工法。
〔ａ〕硫酸バン土の塩基度が２以上であること。
【数１】
0003618275.tif 000016
の値が１．３３以上であること。
【請求項２】
セメントをグラウト１ｍ３あたり約２００〜５００ｋｇ含有したセメント懸濁液と、塩基性硫酸バン土溶液とを、下記の〔ａ〕および〔ｂ〕の条件を満たすように調整して主材とし、間隙もしくは空洞に注入することを特徴とするグラウト注入材。
〔ａ〕硫酸バン土の塩基度が２以上であること。
【数２】
0003618275.tif 000017
の値が１．３３以上であること。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、地盤中の空洞や砂れき層等の大きな間隙、地盤と構造物との境界面の空洞（例えば、トンネルの裏込め）などに充填するグラウト注入工法に関するものである。また、このために用いるグラウト注入材に関するものである。
詳しくは、セメントを主材とし、これに塩基性硫酸バン土（硫酸アルミニウム）を加えて生成した膠状沈澱物の水酸化アルミニウム（以下、水酸化アルミニウムゾルという）の粘着性グラウトを用いたグラウト注入工法である。
【０００２】
【従来の技術】
前記の空洞充填に用いるグラウトは、ブリージング（離漿水）が少なく（通常２〜５％以下）、材料分離（骨材を加えた場合、粒子の沈降）を防止し、注入ポンプでの圧送性ならびに充填性を良くするため、流動性が求められ、さらに一定以上（通常２〜３０ｋｇｆ／ｃｍ２程度）の強度が要求される。
これらの目的で使用する充填用グラウトとしては、
（１）強度、耐久性ならびに経済的にも優れた材料としてセメントが用いられている。
（２）グラウトのブリージング、材料分離の防止ならびに流動性、充填性を保持するため、粘着性をもつ材料が用いられる。
以上のうち、本発明の対象とするのは（２）の粘着性の材料である。
【０００３】
粘着性材料として、従来から最も多く使われているのがモンモリロナイト粘土鉱物（一般にはベントナイトという）である。
このベントナイト粉末は、水中（特に清水）では、分散、膨潤し粘着性（粘稠性ともいう）を有する粘性液が得られる。
これにセメントを加えると、反応して一種のゲル化反応を起こし、ベントナイト特有の膨潤性を失うが、急激に粘性が増大してブリージングの少ないグラウトが得られる。
しかし、ベントナイトは粉末であるため、現場で水を加えて混合する必要があり、また水との接触時間によって膨潤度（長い程大となる）が異なるため施工、ならびに管理上問題がある。
また、ベントナイトは清水以外の電解質イオンを含有した水（海水やセメントが混入したアルカリ水）では膨潤度が極端に低下することから（多量のベントナイトを必要とする）、施工性、経済性にも問題が生じる欠点がある。
【０００４】
一方、もう一つの粘着剤としてアルミニウム塩溶液があり、本願発明者によって既に出願され公表されている（特願昭４８−８８０１５号）。
この粘着剤は、アルカリ性のセメント懸濁液に酸性のアルミニウム塩溶液を加えると、両者が反応を起こし、粘着性の水酸化アルミニウムゾルを生成し、ベントナイトと同様なグラウトが得られる。
しかし、この反応はアルカリと酸の中和反応、すなわち、セメント中のアルカリ分（主に水酸化カルシウム）を硫酸バン土（硫酸アルミニウム）の酸性分が消費（中和）することである。
【０００５】
一方、粘着性グラウトは、通常、目的の強度からセメントを１ｍ３あたり２００〜５００ｋｇ（強度２〜３０ｋｇｆ／ｃｍ２程度）含有するようにして用いられる。
このため、このセメント量に対して硫酸バン土を加えてブリージングが２〜５％以下のグラウトにするのに必要な硫酸バン土を加えると、セメントが硬化能力を失うという欠点がある。（前述の既先出願によれば、セメント懸濁液の初期ｐＨ値が１１．５程度またはそれ以上であることが必要であると言っている。）
このため、前述の既出願では、セメントに石灰、炭酸ソーダ等のアルカリ分を加えることにより、対処しているのが実情である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、上述したような従来の課題を解決するためになされたもので、セメントを主材とし、これに塩基性の硫酸バン土を添加することにより、この塩基性の硫酸バン土を所望量加えることが可能となり、その結果、材料分離を防止でき、流動性と充填性を保持する粘着性を有し、さらにブリージングが少なく、しかも硬化能力を失うことなく十分な強度を発揮することができるグラウトを得ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明のグラウト注入工法は、間隙もしくは空洞に、セメントをグラウト１ｍ３あたり約２００〜５００ｋｇ含有したセメント懸濁液と、塩基性硫酸バン土溶液とを主材として、次の〔ａ〕および〔ｂ〕の条件、すなわち、
〔ａ〕硫酸バン土の塩基度が２以上であること。
【０００８】
【数３】
0003618275.tif 000002
【０００９】
の値が１．３３以上であること。
を満たすように混合して注入し、水酸化アルミニウムゾルを生成させることを特徴としたものである。
【００１０】
また、この発明のグラウト注入材は、セメントをグラウト１ｍ３あたり約２００〜５００ｋｇ含有したセメント懸濁液と、塩基性硫酸バン土溶液とを、次の〔ａ〕および〔ｂ〕の条件、すなわち、
〔ａ〕硫酸バン土の塩基度が２以上であること。
【００１１】
【数４】
0003618275.tif 000003
【００１２】
の値が１．３３以上であること。
を満たすように調整して主材とし、間隙もしくは空洞に注入することを特徴とするものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の実施の形態について説明する。
この発明は、セメントと硫酸バン土を組合せた粘着性グラウトに関する。
硫酸バン土等（水溶性アルミニウム塩）のアルミニウムイオン（Ａｌ３＋）は、他の鉄等のイオンと異なり、水溶液中では〔Ａｌ（ＯＨ２）６〕３＋の形で存在しており、裸のＡｌ３＋は水溶液中には存在しない。アルミニウム塩水溶液にアルカリ剤（本発明ではセメント）を加えると白色の膠状沈澱が生成する。
【００１４】
【数５】
0003618275.tif 000004
【００１５】
Ａｌ（ＯＨ）３（水酸化アルミニウム）は簡単な分子でなくＡｌの周囲に６個のＯＨ−（水酸基イオン）を有する正六面体の錯基がＯＨ−を共有して多数重合した大きい分子で次のように示すべきである。
【００１６】
【数６】
0003618275.tif 000005
【００１７】
水酸化アルミニウム溶液が膠状沈殿、すなわち水酸化アルミニウムゾルとなるのは、このような大きい分子ができるからである。
【００１８】
これにより、硫酸バン土水溶液にアルカリ剤としてセメントを加えて粘着性の水酸化アルミニウムゾルを生成させ、ブリージングの少ないグラウトを作ることができる。
しかしながら、本発明のようにセメントが１ｍ３あたり２００〜５００ｋｇの範囲では、一般の酸性硫酸バン土では酸の絶対量が多いため、ブリージングを２〜５％以下にするのに必要な量を加えると、セメントの硬化能力を失い、強度の発現が得られない。
【００１９】
本願発明者は、この問題を解決すべき種々の実験を行った結果、酸性硫酸バン土の代わりに酸の絶対量が少ない塩基性の硫酸バン土を用いることにより従来の課題を解決（究明）することができた。
すなわち、塩基性硫酸バン土を用いることにより、セメントのアルカリ分の消費（中和）が少なくて済み、この結果多くの量を加えることが可能となり、ブリージングの少ない、しかも硬化能力を失うことなく十分な強度を発揮することができるグラウトを完成した。
【００２０】
本発明はセメントがグラウト１ｍ３あたり約２００〜５００ｋｇ含有したグラウトにおいて、次の２つの条件を満たすことが必要である。
（１）セメントが硬化能力失うことなく、十分に強度を発揮すること。
（２）ブリージングが５％以下のグラウトが得られること。
【００２１】
これらの条件を満たすには、硫酸バン土の塩基度の度合いとその量、およびセメント量により決まることが判明した。
すなわち、〔ａ〕の条件：
硫酸バン土の塩基度が２以上であること。
塩基度が２以下で通常の酸性硫酸バン土に近づくと、酸性度が強くなるためセメントを硬化させるには少量の硫酸バン土しか加えることができないため、ブリージング（水酸化アルミニウムゾルの生成量に反比例）が大となりグラウトとしては不適となる。
なお、硫酸バン土の塩基度は、２以上あればよく、好ましくは２．５以上あればよい。
【００２２】
【数７】
0003618275.tif 000006
【００２３】
ここで、「セメント」はセメント重量を意味し、「Ａｌ２Ｏ３」は硫酸バン土中のＡｌ２Ｏ３の重量を意味し、「塩基度」は硫酸バン土の塩基度を意味する。
このような、硫酸バン土の塩基度の度合いとその量、およびセメント量の関係が、〔ｂ〕式の条件の１．３３以上であれば、セメントは十分に硬化することが判明した。
【００２４】
すなわち、本発明では、セメントを１ｍ３あたり約２００〜５００ｋｇ含有したグラウトにおいて、硫酸バン土の塩基度が２以上という条件（〔ａ〕の条件）と、硫酸バン土の塩基度の度合いとその量、およびセメント量の関係の条件（〔ｂ〕の条件）とを満たすことにより、ブリージングが２〜５％以下で、かつ、セメントの硬化が十分に発揮できる粘着性グラウトを得ることができる。
なお、硫酸バン土の塩基度は、分析値から次式により求めた。
【００２５】
【数８】
0003618275.tif 000007
【００２６】
また、本発明でアルミニウム塩の中で硫酸バン土に特定したのは次の理由からである。
すなわち、硫酸バン土とセメントとが反応すれば、不溶性の中性の硫酸カルシウムとなり、グラウトから溶出しない安全な物質となる。また、硫酸バン土は、アルミニウム塩の中で最も安価で多量に生産されている。
【００２７】
これに対して、同様に多量に生産されているポリ塩化アルミニウムは、セメントとの反応により可溶性の塩化ナトリウムを生成し、グラウト硬化体外に溶出し、コンクリート構造物等に悪影響を与えることになるため、本発明の範囲より除外した。
【００２８】
本発明に用いるセメントは、一般にセメントと称されているもので、代表的には普通ポルトランドセメントである。
また、本発明に加えることができる骨材（または、増量材）として、砂、フライアッシュ、石灰、一次鉱物微粉末（岩石、石英、石灰石、ドロマイトなど）、粘土鉱物（ベントナイト、陶土等）や、現場発生土（シルト、粘土分を含んだ土およびシールド泥水など）等をあげることができ、また、これらの骨材の一種または二種以上を組合せることができる。
さらに、従来のグラウトに添加している発泡剤（起泡剤等）、分散剤、遅延剤、早期強度発現材等を目的に合わせて、添加することができる。
【００２９】
本発明のグラウトの施工は、次の２つの方法によって行われる。
（１）一液性方式
硫酸バン土が、比較的少なく、ブリージングが１〜５％程度で粘着（高粘性）度合いがあまり強くない場合、グラウトは流動性を保持している。本発明では、このような流動性を保持したグラウトを流動状グラウトという。
この流動状グラウトの施工は、一液性方式で行う。すなわち、ミキサー等の調合容器に、水、セメント、硫酸バン土あるいは必要に応じて骨材、添加剤を加えて水酸化アルミニウムゾルとセメントを主成分とした粘着性グラウトを一度に調合して１台の注入ポンプで圧送し、目的の空洞等に注入する方法で行う。
【００３０】
（２）二液性方式
一方、硫酸バン土を多く用い、ブリージングがなく（０％）、粘着（超高粘性）度合いが非常に強い場合、グラウトは非流動性を保持した状態となる。
本発明では、このような非流動性を保持したグラウトを可塑状グラウトという。
この可塑状グラウトとは、グラウト自体は流動しないが、加圧（ポンプ等にて）すれば容易に流動化する性質をいう。
可塑状グラウトの施工は、二液性方式で行う。すなわち、セメントあるいは必要に応じて骨材や添加剤を加えた懸濁液をＡ液とし、硫酸バン土溶液をＢ液とし、それぞれ別々の注入ポンプで圧送し、注入口付近でＡ，Ｂ液を合流混合することにより、前記セメントと硫酸バン土との反応により水酸化アルミニウムゾルとセメントを主成分とした可塑状グラウトに変質させたグラウトを目的の空洞等に注入する。
【００３１】
なお、一液性の流動状から非流動性の可塑状に変質したか否かの判定は、グラウトの性質に若干左右されるが、本発明では円筒フローコン測定（アクリル板に内径８０ｍｍ、高さ８０ｍｍの円筒を置き、この中にグラウトを満たした後、円筒を静かに持ち上げ、そのときのグラウトの広がり、即ち直径を測定し、ｃｍの単位をもって表した）に準じた目安として、グラウトの下部の広がりが約１３ｃｍ以下の場合を可塑状グラウトとした。
【００３２】
以上を要約すると、この発明の粘着性グラウト注入工法は、地盤中の間隙や空洞、あるいは地盤と構造物の境界面の大間隙や空洞の充填注入工法に用いるグラウトであって、セメントをグラウト１ｍ３あたり約２００〜５００ｋｇ含有したセメント懸濁液と、塩基性硫酸バン土溶液とを、下記の〔ａ〕〔ｂ〕の条件を満たすように混合して、水酸化アルミニウムゾルを生成させることに特徴を有するものである。
〔ａ〕硫酸バン土の塩基度が２以上であること。
【００３３】
【数９】
0003618275.tif 000008
【００３４】
ただし、Ａｌ２Ｏ３は硫酸バン土中のアルミナ重量。
【００３５】
以下、この発明の実施例をあげて詳しく説明する。
実験に用いた塩基性硫酸バン土は、表１に示すように、塩基度の異なる５種類、セメントは普通ポルトランドセメントである。硫酸バン土溶液１リットル中に含まれるＡｌ２Ｏ３重量はおおよそ１００ｇ前後である。
【００３６】
【表１】
0003618275.tif 000009
【００３７】
実験−Ｉ
一定量のセメント（グラウト１ｍ３あたり２００ｋｇに相当）に対して、表１に示した各塩基度の硫酸バン土を加えた場合のセメントの硬化を確認するための実験を行い、表２の結果を得た。
実験は、グラウトをビニール袋（直径５ｃｍ、長さ３０ｃｍ）内で調合し、３日後の硬化の状態を手触りで確認した。
【００３８】
【表２】
0003618275.tif 000010
【００３９】
表２に示すように、各実験（Ｎｏ．１〜１８）では、セメント６０ｇ（重量を記号Ｃで表す）を水約２００〜２７０ｍｌに溶解し、塩基度（記号Ｂで表す）の異なる硫酸バン土をそれぞれ約３〜５０ｍｌ添加した。水とセメントと硫酸バン土との混合物全体で３００ｍｌとなるようにした。添加した硫酸バン土中のＡｌ２Ｏ３の重量（ｇ単位の重量を記号Ａで表す）は、約０．３〜５ｇとなる。
表２の右から２番目の欄に、下記の［ｂ］式の値を示す。
【００４０】
【数１０】
0003618275.tif 000011
【００４１】
また、表２の最右欄に、グラウト（セメント）の硬化の判定結果を示す。
【００４２】
表２の実験結果より、硫酸バン土の塩基度（Ｂ）が小さい程、硫酸バン土の量が少量でもセメントが硬化せず（比較例−２）、硬化させるためには硫酸バン土の量をさらに減らす必要があることが判った（比較例−１）。比較例−２のような場合には、セメントが硬化能力を失い、強度が発揮できないものとなる。
これに対して、硫酸バン土の塩基度（Ｂ）が大きい程、多くの硫酸バン土を加えてもセメントが硬化することも判った。このセメントに硫酸バン土の塩基度（Ｂ）およびその量（Ａｌ２Ｏ３の添加量Ａで表わす）を変化させて加えた時に、硬化するかどうかについて、実験結果を整理すると、次の［ｂ］式を導きだすことができた。
すなわち、セメント重量（Ｃ）、硫酸バン土の塩基度（Ｂ）およびＡｌ２Ｏ３の添加重量（Ａ）の関係は、
【００４３】
【数１１】
0003618275.tif 000012
【００４４】
書き換えれば、
【００４５】
【数１２】
0003618275.tif 000013
【００４６】
で表すことができる。
この〔ｂ〕式の値を基準として、１．３３以上になるとセメントが十分に硬化することが確認できた。
なお、〔ｂ〕式は、セメントが増減しても硬化の判定ができる。
なおまた附言すると、表２の実験において、硫酸バン土の塩基度（Ｂ）は、表１に示すとおり２．５から５８．０の範囲のものを使用した。また、グラウトの硬化が良好と判定されたもの（表２中の○印）は、［ｂ］式の値が１．３３から２．７３の範囲にわたっている。
【００４７】
実験−ＩＩ
表２よりセメントが十分に硬化するための〔ｂ〕式の値が、１．３３以上の配合（グラウト１ｍ３あたりセメント２００〜５００ｋｇの範囲）の場合に、グラウトとして実用できるかについて、ブリージング、フロー値および一軸圧縮強度の測定を行い表３の結果を得た。
【００４８】
【表３】
0003618275.tif 000014
【００４９】
表３に示すように、各実験（Ｎｏ．１９〜２６）では、セメントを約６０〜１５０ｇ（記号Ｃ）の範囲で、水約２４０ｍｌに溶解し、塩基度（記号Ｂ）の異なる硫酸バン土をそれぞれ約８〜９０ｍｌ添加した。水とセメントと硫酸バン土との混合物全体で３００ｍｌとなるようにした。
表３の中に、［ｂ］式の値を示す。また、ブリージング、フロー値および一軸圧縮強度の測定結果を示す。
【００５０】
表３の実験結果によると、実験Ｎｏ．１９（比較例−１１）では、表２（比較例−１）においてはセメントが十分に硬化する配合（グラウト１ｍ３あたり、セメント５００ｋｇ、〔ｂ〕式の値  １．４７）であるが、硫酸バン土（塩基度０．５）の添加量が少なく、十分な水酸化アルミニウムゾルの生成ができないため、ブリージングが非常に多くなっている。このため、グラウトとしては不適であるので、本発明の範囲より除外した。
【００５１】
これに対して、実験Ｎｏ．２０〜２６（実施例９〜１５）に示すように、硫酸バン土の塩基度が２以上で、かつ、〔ｂ〕式の値が１．３３以上（実施例−９〜１４でグラウト１ｍ３あたりセメント２００〜５００ｋｇの範囲）では、ブリージングが５％以下であり、固結強度も２〜２５ｋｇｆ／ｃｍ２と十分に期待できるグラウトであることがわかる。
また、塩基性硫酸バン土の添加量が比較的少ない場合は、フロー値が約１３ｃｍ以上で流動状グラウトであり（実施例９、１１、１３、１５）、逆に多い場合は可塑状グラウトとなることがわかる（実施例１０、１２、１４）。
以上から、本発明では、ブリージングが約２〜５％以下であり、かつ、十分な強度が得られるのは硫酸バン土の塩基度が２以上であることも確認された。
なお、実験例には示さないが、表３の実施例に骨材および添加剤を加えた場合もブリージングが２〜５％以下で、かつ、セメントが十分に硬化する良好な流動状および可塑状グラウトが得られた。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したとおり本発明によれば、地盤中の空洞や、地盤と構造物の境界の空洞等に充填注入するグラウトとして、セメントがグラウト１ｍ３あたり約２００〜５００ｋｇ含有したセメント懸濁液と塩基性硫酸バン土とを〔ａ〕硫酸バン土の塩基度２以上で、かつ、
【００５３】
【数１３】
0003618275.tif 000015
【００５４】
になる様に調整することにより、ブリージングが２〜５％以下で、かつ、十分な強度が得られる粘着性グラウトを得ることが可能となった。
また、この発明によれば、セメントを主材とし、これに塩基性の硫酸バン土を添加することにより、この塩基性の硫酸バン土を所望量加えることが可能となった。これにより、材料分離を防止でき、流動性と充填性を保持する粘着性を有し、さらにブリージングが少なく、しかも硬化能力を失うことなく十分な強度を発揮することができるグラウトを得ることができる。
また、このようなグラウト注入材およびこれを用いたグラウト注入工法を得ることができる。