(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水ガラスと硫酸と酸性を呈するアルミニウム塩とからなる非アルカリ性シリカゾルであって、前記水ガラスのモル比を３.5〜５.0と高くし、ＳｉＯ2 濃度を２〜７パーセントと希薄にし、ＰＨ値を２〜６とし、かつ、純硫酸重量／アルミニウム塩のアルミニウム重量１０〜１００とすることにより、土中ゲル化時間の短縮か少なく、極めて優れた浸透性により長い浸透距離が可能な、液状化防止に利用される地盤注入用薬液。
【請求項２】
請求項１において、前記非アルカリ性シリカゾルは２〜４ｍの注入孔間隔で地盤に注入する請求項１に記載の地盤注入用薬液。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はゲル化時間、特に土中におけるゲル化時間の短縮が少なく、このため地盤の液状化防止工事に適し、併せて注入薬液の漏洩を防止する、いわゆるリーク止めに適した地盤注入用薬液に関する。
【０００２】
【従来の技術】
地盤の液状化防止工事に適用される地盤注入用薬液は一般に、広範囲な地盤を固結するために、長時間にわたって連続注入できることが必要であり、このためには薬液のゲル化時間を長くすることが必要である。この種の薬液として従来、水ガラスと酸（主として硫酸）とからなる酸性シリカゾルが知られている。このシリカゾルのゲル化時間を長くするには、シリカ濃度を低く、かつ酸性度を強くしなければならない。
【０００３】
しかし、この種の酸性シリカゾルは強酸性のもとでは安定した長いゲル化時間を確保できるが、ｐＨの上昇とともにゲル化時間が急激に短縮し、ゲル化時間の調整が極めて困難となる。また、強酸性のもとでは長いゲル化時間が保持し得るものの、土中では土の性状にもよるが、多くの場合、ゲル化時間が大幅に短縮する。したがって、この種のシリカゾルを地盤の液状化防止工事に適用するには、長時間連続注入して広範囲の地盤を固結するという点で問題があった。
【０００４】
すなわち、シリカ系グラウトを地盤に注入して液状化防止を行う場合、広大な範囲を経済的に処理する必要から耐久性と浸透性に優れたシリカ系グラウトを用い、注入孔間隔を通常、２〜４ｍとして長時間にわたって注入を続けなくてはならない。（通常の注入では注入孔間隔は１ｍ以内である。）
【０００５】
たとえば、注入孔間隔を２ｍの正方向配置にする場合、
▲１▼注入管の埋設間隔  Ｐ＝２ｍ×２ｍの正方形配置にし、
▲２▼注入速度  ｆ＝２０ｌ／min とすると、
▲３▼注入管１孔当り改良平面積は  Ａｐ＝２ｍ×２ｍ＝４m2であり、
▲４▼１ステージ当り改良土量（m3) を  Ｖ＝２ｍ（改良高さ）×４m2＝８m3とすると、
0003714590.tif 000002
である。（0.３５〜0.４０：注入率）。したがって、
0003714590.tif 000003
と長時間による注入を行わなくてはならない。
【０００６】
また、注入孔間隔を４ｍの正方向配置にする場合、
0003714590.tif 000004
の注入を行わなければならない。
【０００７】
このように、液状化防止に使用する注入用薬液（注入材）は長時間連続注入できることが必要である。ところが注入材は地盤中で長時間土粒子と接触しつづけると、その間に土との反応によってゲル化時間が短縮し、長時間の連続注入が不可能になりやすい。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
地盤の液状化防止工事に適したシリカゾルグラウトとしては、通常、ゲル化時間を長く保持し得、特に土中におけるゲル化時間の短縮をできる限り少なくし得、併せて生成する塩の量を少なくし得ることが必要であり、同時に注入薬液の漏洩を防止する、いわゆるリーク止めに適した地盤注入用薬液を得ることが必要である。
【０００９】
そこで、本発明の目的はゲル化時間、特に土中におけるゲル化時間の短縮が少なく、このため地盤の液状化防止工事に適し、併せて注入薬液の漏洩を防止する、いわゆるリーク止めに適し、上述の公知技術に存する欠点を改良した地盤注入用薬液を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するため、本発明によれば、水ガラスと硫酸と酸性を呈するアルミニウム塩とからなる非アルカリ性シリカゾルであって、前記水ガラスのモル比を３.5〜５.0と高くし、ＳｉＯ2 濃度を２〜７パーセントと希薄にし、ＰＨ値を２〜６とし、かつ、純硫酸重量／アルミニウム塩のアルミニウム重量１０〜１００とすることにより、土中ゲル化時間の短縮か少なく、極めて優れた浸透性により長い浸透距離が可能で、液状化防止に利用されることを特徴とする。
【００１１】
上述において、非アルカリ性シリカゾルは地盤中、２〜４ｍの注入孔間隔で注入される。
【００１２】
【発明の実施の態様】
以下、本発明を具体的に詳述する。
【００１３】
非アルカリ性シリカゾルのゲル化時間を長くするには、従来、シリカ濃度を低く、酸性度を強くすることが考えられていた。
【００１４】
これに対して、本発明者らは酸性を呈するアルミニウム塩を併用することによりゲル化時間を長くすることを開発し、本発明を完成するに至った。これはシリカ粒子中の一部がアルミニウムに置き換えられるために、アルミニウムがＯＨイオンを液中に吸着してシリカゾルの安定性を高めるためと思われる。
【００１５】
また、生成するシリカ以外の塩の量を少なくするためには、高いモル比の水ガラスを使用すると一層効果的である。
【００１６】
酸としては、強酸である硫酸を用いると反応生成物であるシリカ以外の塩が少なくてすむ、すなわち、シリカ濃度が低く、非アルカリ性領域で高モル比の水ガラスと、硫酸とを用いることにより、同一のｐＨで長いゲル化時間を得ることができる。その理由は、この領域のシリカゾルはシリカ分以外の生成塩の存在がシリカコロイドを塩析によってゲル化を促進するため、生成塩を少なくすることによってゲル化時間を長く保持できるものと思われる。
【００１７】
さらに本発明は、この領域のシリカゾルは地盤中に浸透した場合、土粒子との接触にともなうゲル化の促進が少なくてすみ、長時間の連続注入が可能になることを見出し本発明を完成したものである。
【００１８】
非アルカリ性シリカゾルに関し、水ガラスのモル比の変化および酸性を呈するアルミニウム塩の添加がｐＨとゲル化時間の関係にどのように影響するかを一例としてＳｉＯ2 濃度が４％の場合について調べ、結果を図示すると図１のような傾向が得られた。すなわち、同一のｐＨ値に対応するゲル化時間は水ガラスのモル比が大きくなる程遅延し、さらに酸性を呈するアルミニウム塩の添加によっても遅延する。
【００１９】
以上から、非アルカリ領域の非アルカリ性シリカゾルに関し、ゲル化時間を遅延せしめるには、水ガラスの濃度を稀薄にして、水ガラスのモル比を大きくし、さらに酸性を呈するアルミニウム塩を含有しせめることが望ましい。
【００２０】
また、従来の酸性シリカゾルでは土中におけるゲル化時間は著しく短縮するが、上記のような非アルカリ性シリカゾルは土中におけるゲル化時間の短縮が軽減され、土中においても長いゲル化時間が保持されて浸透性に優れる。
【００２１】
したがって、本発明は水ガラスと硫酸と酸性を呈するアルミニウム塩の混合系において水ガラスの濃度はＳｉＯ2 として７％以下、好ましくは６％以下と稀薄にするが、２％以下ではゲル化時間は長びくが、強度的に極めて軟弱となり不適である。
【００２２】
強度的には通常固結砂の一軸圧縮強度が0.５〜1.０Kgf/cm2 程度あれば、地震時の繰り返し剪断力に対し、砂粒子間隙のゲルが破壊せず、負のダイラタンシーを生じないため、液状化が生じないと考えられている。
【００２３】
水ガラスのモル比としては、3.１〜3.３のＪＩＳ３号水ガラスが一般に広く使用されているが、さらに効果的にゲル化時間を長びかせるために3.５〜5.０の高モル比の水ガラスを使用する。高モル比であるため、アルカリ分が少なくアルカリと反応する硫酸の量も少量で足りる。このことは反応によって生成する塩の量も自ら少なくなり、土中におけるゲル化時間の短縮が少なくなる。アルカリのさらに少ないモル比5.０以上の水ガラスは製造が困難で工業的生産が不向きで実用上使用は難しい。
【００２４】
酸性を呈するアルミニウム塩の量は硫酸量と関連し、硫酸（純Ｈ2 ＳＯ4 ：重量）／アルミニウム塩の酸化アルミニウム換算量（重量）の値（以下Ｈ2 ＳＯ4 ／Ａｌ2 Ｏ3 値と記す）が１０〜１00の範囲になるように加えることが望ましい。Ｈ2 ＳＯ4 ／Ａｌ2 Ｏ3 値が１０以下、すなわち硫酸量が少なくアルミニウム塩の量が多すぎると、ゲル化時間の遅延には役立つが、水ガラス−アルミニウム塩からなる水酸化アルミニウムの糊状沈澱の発生が多くなり、生成ゲルは軟弱なものとなる。逆に１00以上になるとアルミニウム塩添加の効果が顕著でなくなる。
【００２５】
酸性を呈するアルミニウム塩としては、硫酸アルミニウム、塩化アルミニウム、ポリ塩化アルミニウム等があげられ、これらの添加は使用する硫酸量を減少させる効果もある。
【００２６】
酸性としてｐＨ２〜６の非アルカリ性シリカゾルを注入すると一般にｐＨは上昇し、中性に近づく。注入土壌の性状にもよるが、ｐＨ２以下の注入では中性領域まで上昇しない場合があり、また６以上となると一般にゲル化が早くなって充分浸透しない場合がある。
【００２７】
以上から、水ガラスと硫酸と酸性を呈するアルミニウム塩とからなる非アルカリ性シリカゾルを地盤に注入して該地盤の液状化を防止するにあたり、使用する水ガラスのモル比を3.５〜5.０と高くし、混合液中のＳｉＯ2 濃度を２〜７％さらに好ましくは３〜６％と比較的稀薄にし、酸性を呈するアルミニウム塩の量をＨ2 ＳＯ4 ／Ａｌ2 Ｏ3 値が１０〜１00の範囲内になるように調整し、かつｐＨを２〜６の範囲におさまるように混合した比アルカリ性シリカゾルを地盤に注入する。
【００２８】
これによりゲル化時間が長く、特に土中ゲル化時間の短縮は少なく、極めて優れた浸透性を示し、液状化防止用としては非常に好ましい地盤注入用薬液を得ることができる。このような薬液はゲル化時間が長いため、同時に上記の薬液が漏洩した場合には、これを防止する必要がある。それにはゲル化時間が瞬結から数分位に配合された薬液が必要となる。
【００２９】
これには上記の条件をできる限り適用することが便利である。したがって、水ガラスのモル比、濃度、アルミニウム塩の量は変化せしめることなく、そのままにし、さらにアルカリ剤を添加してｐＨ３〜９に上昇せしめてゲル化時間を早めんとするものである。ｐＨを９以上にまで上昇せしめると瞬結域を通過するのでゲルが不均一になり易く、アルカリの使用量も多くなる。また、この程度のＳｉＯ2 濃度ではｐＨを３以下にすると数分以下という短時間のゲル化時間を得ることは難しくなる。
【００３０】
アルカリ剤としては、炭酸水素ナトリウムのような可溶性のアルカリ剤、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム、炭酸カルシウム、炭酸マクネシウムのような難溶性のアルカリ剤、その他、水ガラス等があげられる。アルカリ剤の添加によりｐＨをあげてゲル化時間の短縮調整をはかることができるが、難溶性のアルカリ剤の場合は溶解性の点から、特に弱酸性〜中性域での調整が比較的容易である。
【００３１】
なお、本発明において、ゲル化時間の調整のために、他の酸、例えばリン酸や酸性リン酸塩、アルミニウム塩等を併用したり、ゲル化促進剤としてカルシウム塩、任意の水溶性、難溶性アルカリ剤、任意の金属イオン封鎖剤、あるいはセメント、スラグ等を併用してもよいのは勿論である。
【００３２】
【発明の実施例】
以下本発明を実施例によって詳述するが本発明は、これらの実施例によって限定されるものではない。
【００３３】
１．使用材料
（１）水ガラス
５号水ガラスとＪＩＳ３号水ガラスを使用。
（ａ）５号水ガラス
比重（２０℃）1.３２、  ＳｉＯ2 ２5.５％、  Ｎａ2 Ｏ  7.０３％
モル比  3.７５
（ｂ）ＪＩＳ３号水ガラス
比重（２０℃）1.３９、  ＳｉＯ2 ２9.２％、  Ｎａ2 Ｏ  9.５％
モル比  3.１７
【００３４】
（２）硫酸
７５％工業用硫酸
【００３５】
（３）酸性を呈するアルミニウム塩
硫酸アルミニウムと塩化アルミニウムを使用。
（ａ）硫酸アルミニウム
比重1.３２、  Ａｌ2 Ｏ3 換算量８％の硫酸アルミニウム溶液。
（ｂ）塩化アルミニウム
純度９７％の６水塩（ＡｌＣｌ3 ・６Ｈ2 Ｏ）の塩化アルミニウム。
したがって、Ａｌ2 Ｏ3 換算量としては
（１０1.９６／２４1.４５×２）×0.９７×１００＝２0.５％のＡｌ2 Ｏ3 に相当する。
【００３６】
（４）アルカリ剤
可溶性のアルカリ剤として炭酸水素ナトリウム、難溶性のアルカリ剤として水酸化マグネシウムを一例として取上げた。
（ａ）炭酸水素ナトリウム  試薬一級  ＮａＨＣＯ3 
（ｂ）水酸化マグネシウム  試薬一級  Ｍｇ（ＯＨ）2 
【００３７】
（５）砂
細砂として豊浦標準砂、シルト質砂として千葉県産海砂を使用。
【００３８】
２．測定法
（１）ｐＨ  ガラス電極ｐＨ計で測定。
【００３９】
（２）ゲル化時間
（ａ）ホモゲルのゲル化時間
２０℃のカップ倒立法により測定。
（ｂ）土中ゲル化時間
２０℃でグラウト液を砂と混合、静止し、上澄みを捨て、砂に竹串を刺して引き抜き、跡が残ったときを土中ゲル化時間として測定。
【００４０】
（３）サンドゲル一軸圧縮強度
豊浦標準砂によるサントゲルを10日間ポリ塩化ビニリデン密閉養生（２０℃）して土質工学会基準「土の一軸圧縮試験方法」により測定。
【００４１】
３．実施例
（１）水ガラス−硫酸−酸性を呈するアルミニウム塩からなる系
水ガラス水溶液をＡ液、硫酸・酸性を呈するアルミニウム塩水溶液をＢ液として、ＡＢ合流液のＳｉＯ2 （％）、ｐＨ、Ｈ2 ＳＯ4 ／Ａｌ2 Ｏ3 値、ゲル化時間（ホモゲル、土中）、サンドゲル一軸圧縮強度を測定。
【００４２】
本発明の範囲内の実施例を範囲外の比較例と対比して結果を表１に示す。
【００４３】
【表１】
0003714590.tif 000005
【００４４】
表１において、実施例NO.1〜６および比較例NO.1〜６はすべてＳｉＯ2 濃度を同一とした。比較例NO.1、２はそれぞれ３号水ガラス、５号水ガラスと硫酸の系でなり、実施例NO.1〜６はそれにアルミニウム塩を添加した例である。これらの系ではｐＨの値にも左右されるが相対的に土中ゲル化時間の短縮は少なくなっている。また、強度的にも若干優れている。
【００４５】
比較例NO.3はｐＨが２以下で土中においても中性域まで達しないおそれが考えられる。
【００４６】
比較例NO.4はｐＨが６以上でゲル化時間が早く液状化防止用としては不適と思われる。
【００４７】
比較例NO.5はアルミニウム塩の量に対して硫酸量が少なく（Ｈ2 ＳＯ4 ／Ａｌ2 Ｏ3 ＜１０）、水酸化アルミニウムの糊状沈澱を発生して強度が極めて弱体である。逆に硫酸量が多くした比較例NO.6（Ｈ2 ＳＯ4 ／Ａｌ2 Ｏ3 ＞１00）ではアルミニウム塩の添加効果が殆ど発揮されず土中ゲル化時間の短縮が大きい。（実施例NO.2と比較）。
【００４８】
比較例NO.7、８は実施例NO.7、８に対応し、上記とＳｉＯ2 濃度を異にしてもアルミニウム塩の添加効果が明らかに表れている。
【００４９】
比較例NO.9はＳｉＯ2 濃度が稀薄（2.０％以下）で強度が極端に劣化している。
【００５０】
比較例NO.10 はＳｉＯ2 濃度が濃厚すぎて（７％以上）ｐＨを低くしても土中においても長いゲル化時間を保持することは難しい。
【００５１】
以上から本発明の条件下にある地盤注入用薬液は液状化防止用として適切である期待が充分にもてる。
【００５２】
（２）浸透試験
上記実施例および比較例から本発明は優れた浸透性が期待されるが、念のため、図２の注入試験装置に示す内径５０ｍｍ、長さ５ｍのアクリル製パイプ１内にモデル地盤としての砂２を６０％の相対密度になるように締め固める。注入圧0.８Kgf/cm2 で注入材を注入口３から圧入し、注入口３から浸透した各距離と浸透延長の延びと強度との関係を観察した。図２中、４はオーバーフロータンク、５は排出口である。結果を表２に示す。
【００５３】
【表２】
0003714590.tif 000006
【００５４】
表２より全長に均一に浸透している系は、固結強度も全域にわたりほぼ均一であった。中途までしか浸透しきれない系では当然のことながら、下部から上部に向かって固結強度は低下している。千葉県産海砂の場合は豊浦標準砂の場合より全般にゲル化時間が短いので浸透は劣っている。
【００５５】
ここで浸透試験NO.1と２、３と４、５と６、７と８はそれぞれ実施例と比較例の内容がほぼ近似している。
【００５６】
そこで、実施例にかかる浸透試験NO.1、３、５、７をそれぞれに対応する比較例にかかる浸透試験NO.2、４、６、８と比較すると、実施例にかかる系、すなわち、本発明では、浸透距離、固結強度特に浸透性において明らかに優れている。
【００５７】
（３）アルカリ剤の添加からなる系
液状化防止用として上記の薬液を注入するが、該薬液の漏洩を防止するリーク止めとして上記薬液にアルカリ剤を添加してｐＨを上昇せしめ、ゲル化時間を短縮し、出来得れば、数分〜瞬結で固結するように調整する。
【００５８】
一例として表１の実施例NO.1と比較例NO.1をとりあげて表３に示す。
【００５９】
【表３】
0003714590.tif 000007
【００６０】
表３において、何れもアルカリ剤によってゲル化を短縮しせめ、数秒〜数分にすることは容易である。固結強度は全般に実施例の方が比較例より相対的に大きいようである。また、アルカリ剤として不溶性の水酸化マグネシウムの方が可溶性の炭酸水素ナトリウムよりゲル化時間は長く、固結強度は若干大きいようである。
【００６１】
以上実施例ならびに浸透試験から本発明にかかる非アルカリ性シリカゾルは、従来の酸性シリカゾルに比べると液状化防止用の薬液としては、明らかに優れていることがうかがえる。またリーク止めとしても適当であることがうかがえる。
【００６２】
【発明の効果】
以下のとおり、本発明にかかる地盤注入用薬液は次の効果を奏しうるものである。
【００６３】
１．ゲル化時間が長く、特に土中におけるゲル化時間の短縮が少ない。
２．浸透性に優れる
３．硫酸量が少量で足りる。
４．したがって、地盤の液状化防止工事に適した地盤注入用薬液である。
５．薬液の漏洩を防止するリーク止めとして適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】水ガラスのモル比がｐＨとゲル化時間の関係におよぼす影響を示したグラフである。
【図２】本発明薬液の注入実験装置の断面図である。
【符号の説明】
【符号の説明】
１  パイプ
２  砂
３  注入口
４  オーバーフロータンク
５  排出口
【図１】
0003714590.tif 000008
【図２】
0003714590.tif 000009