(57)【要約】【課題】工事終了後の改良地盤周辺環境を復元可能とし、且つ掘削残土も再利用可能となる、生分解性地盤改良材を提供する。【解決手段】生分解性地盤改良材は、生分解性ポリマーと、前記生分解性ポリマーの硬化剤とを含有するものである。前記生分解性ポリマーと前記硬化剤とが水溶性であることが好ましい。前記生分解性ポリマーがポリビニルアルコール又はその誘導体であることが好ましい。生分解性地盤改良材は、前記生分解性ポリマーと前記硬化剤とを対象地盤に注入する直前に混合することが好ましい。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
生分解性ポリマーと、前記生分解性ポリマーの硬化剤とを含有することを特徴とする生分解性地盤改良材。
【請求項２】
前記生分解性ポリマーと前記硬化剤とが水溶性であることを特徴とする請求項１に記載の生分解性地盤改良材。
【請求項３】
前記生分解性ポリマーがポリビニルアルコール又はその誘導体であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の生分解性地盤改良材。
【請求項４】
前記生分解性ポリマーの重合度が３００〜３０００であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の生分解性地盤改良材。
【請求項５】
前記硬化剤の生分解性ポリマーに対する添加量が５〜７０ｗｔ％であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の生分解性地盤改良材。
【請求項６】
前記生分解性ポリマーが、重合度３００〜３０００のポリビニルアルコール又はその誘導体であり、その水溶液の粘度が３００ｍＰａ・秒（２５℃）以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の生分解性地盤改良材。
【請求項７】
前記生分解性ポリマーと前記硬化剤とが、対象地盤に注入される直前に混合されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の生分解性地盤改良材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は地盤中で硬化して一定期間所定の強度及び止水性を保持できる生分解性地盤改良材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
掘削工事等の土木工事の際に、工事対象の地盤の強度や止水性を高めて工事をし易くすべく、地盤改良材を対象地盤に注入することが行われている。この地盤改良材としては、水ガラス系注入材が使用されている（下記非特許文献１参照）。水ガラス系注入材を用いたオープンカット工法では、予め掘削対象の地盤に水ガラス系注入材を注入し、掘削対象の地盤の強度及び止水性を向上した後、掘削工事を行う。その後、必要に応じて土止め壁、支保工の設置をして、建築工事を行う。掘削土は建築工事終了後に埋め戻され、オープンカット周辺の改良地盤は、水ガラス系注入材を含んだままの状態で、残存し続ける。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】土木学会論文集Ｖｏｌ.３，２０００年，Ｎｏ．６５２，１９５−２０５頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
地盤改良材としての水ガラス系注入材が注入された地盤は、その強度が増加し且つ止水性も向上されており、安全に且つ簡便な掘削工事等の土木工事を実施できる。しかし、水ガラス系注入材が注入された改良地盤は注入された水ガラス系注入材が分解せずに残存し続けており、その周辺は地下水の移動経路が変わって以前の環境に戻らず、地下水の経路変化が恒久的に続く。そのため井戸水の枯渇が生じる場合もある。更に、水ガラス系注入材が注入された地盤の掘削残土は、残存している非分解性の水ガラス系注入材のために、再利用ができずに産業廃棄物となり社会的に大きな問題となっている。このように、水ガラス系注入材を注入する地盤改良は、工事終了後の改良地盤周辺環境の復元は考慮されていない。
【０００５】
そこで、本発明は、水ガラス系注入材を使用した従来の地盤改良材の課題を解決し、工事終了後の改良地盤周辺環境を復元可能とし、且つ掘削残土も再利用可能にできる生分解性地盤改良材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】
【０００６】
前記の目的を達成するためになされた、特許請求の範囲の請求項１に記載された生分解性地盤改良材は、生分解性ポリマーと、前記生分解性ポリマーの硬化剤とを含有することを特徴とする。
【０００７】
請求項２に記載された生分解性地盤改良材は、請求項１に記載されたものであって、前記生分解性ポリマーと前記硬化剤とが水溶性であることを特徴とする。
【０００８】
請求項３に記載された生分解性地盤改良材は、請求項１又は請求項２に記載されたものであって、前記生分解性ポリマーがポリビニルアルコール又はその誘導体であることを特徴とする。
【０００９】
請求項４に記載された生分解性地盤改良材は、請求項１〜３のいずれかに記載されたものであって、前記生分解性ポリマーの重合度が３００〜３０００であることを特徴とする。
【００１０】
請求項５に記載された生分解性地盤改良材は、請求項１〜４のいずれかに記載されたものであって、前記硬化剤の生分解性ポリマーに対する添加量が５〜７０ｗｔ％であることを特徴とする。
【００１１】
請求項６に記載された生分解性地盤改良材は、請求項１〜５のいずれかに記載されたものであって、前記生分解性ポリマーが、重合度３００〜３０００のポリビニルアルコール又はその誘導体であり、その水溶液の粘度が３００ｍＰａ・秒（２５℃）以下であることを特徴とする。
【００１２】
請求項７に記載された生分解性地盤改良材は、請求項１〜６のいずれかに記載されたものであって、前記生分解性ポリマーと前記硬化剤とが、対象地盤に注入される直前に混合されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る生分解性地盤改良材は、地盤中で硬化して地盤の強度及び止水性を向上でき、安全且つ簡単に工事を実施できる。また、地盤中で硬化した生分解性ポリマーは、地盤中で次第に分解されて、地盤を元に復元でき、地下水の移動経路も元に復元できる。従って、土壌が非分解性の改良剤で汚染されない。更に、掘削残土中の硬化した生分解性ポリマーも分解されるため、掘削残土は、自然再生して再度建設材料として、再利用可能であり、産業廃棄物とならない。従って、この生分解性地盤改良材を用いれば、産業廃棄物の減量に資する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の生分解性地盤改良材を用いた地盤の状態を説明する部分断面図である。
【図２】本発明の生分分解性地盤改良材の地盤への注入装置の概略図である。
【図３】注入固結砂の変水位透水試験を行う装置の概略図である。
【図４】注入固結砂の強度の経時変化を示すグラフである。
【図５】注入固結砂の強度の経時変化と予測値を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための形態を詳細に説明するが、本発明の範囲はこれらの形態に限定されるものではない。
【００１６】
本発明の生分解性地盤改良材は、生分解性ポリマーと、その生分解性ポリマーを硬化させるための硬化剤とを有するものである。生分解性地盤改良材は、生分解性ポリマーと硬化剤とで硬化し地盤を改良したのち、微生物等の働きにより徐々に分解し、一定期間経過後に、水と二酸化炭素と無機塩とのような無機物となるものである。本発明で用いる生分解性ポリマーは、地盤中で硬化し、硬化した生分解性ポリマーが地盤中で分解するものであれば用いることができる。特に生分解性ポリマーは硬化前に液体で硬化後に固体となるよう制御できるものが好ましい。この生分解性ポリマーとしては、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）又はその誘導体を挙げることができる。生分解性ポリマーとしては、環境保全の観点から有機溶媒溶解性よりも水溶性のものが好ましい。水溶性の生分解性ポリマーであると水に溶かして地盤中に注入でき好ましい。特に、水溶性の生分解性ポリマーとしては、ポリビニルアルコール又はその誘導体を好適に用いることができる。ポリビニルアルコール又はその誘導体としては、
[CH2CH(OH)]ｘ、
[CH2CH(OH)]ｘ-[CH2CH(OCOCH3)]ｙ、
[CH2CH(OH)]ｘ-[CH2CH(OCOCH3)]ｙ-[CH(COONa)-CH(COOR1)]ｚ、
[CH2CH(OH)]ｘ-[CH2CH(OCOCH3)]ｙ-[CH2-CH(CH2(C2H4O)sH)]ｚ、
[CH2CH(OH)]ｘ-[CH2CH(OCOCH3)]ｙ-[G]ｚ、
[CH2CH(OH)]ｘ-[CH2CH(OCOCH3)]ｙ-[R2]ｚで表されるものを使用できる。式中のx,y,zは、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）又はその誘導体の重合度が３００〜３０００となる繰り返し単位数である。また、式中のＲ１は水素、メチル基等の低級アルキル、ナトリウム等のアルカリ金属を表す。式中のＧやＲ２はポリビニルアルコールを変性させた誘導体を成す繰返し単位であって、Ｇはビニルアルコールや酢酸ビニルと共重合し得る不飽和モノマー由来の繰返し単位、Ｒ２は[CH2CH(OCOCH2COCH3)]のような反応活性基置換繰返し単位を表す。これらのポリビニルアルコールの誘導体は、繰返し単位がブロック、ランダムの何れでもよく、模式的に表わしたものである。具体的には、ゴーセノール、ゴーセナール、エコマティ、ニチゴーＧポリマー（いずれも商品名であり、日本合成化学工業株式会社製）、クラレポバール、クラレエクセバール（いずれも商品名であり、株式会社クラレ製）、ドロンＶＡ（商品名、アイセロ化学株式会社製）、Ｊ−ポバール（商品名、日本酢ビ・ポバール株式会社製）を挙げることができる。ポリビニルアルコール誘導体としては、後述する硬化剤による架橋反応を活性化させるために、水酸基をアセトアセチル基といった反応活性基に置換したものを使用することができる。
【００１７】
生分解性ポリマーとしては、重合度が３００〜３０００、特に５００〜２５００のものを好適に用いることができる。生分解性ポリマーとして特に好ましいものは、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）又はその誘導体であり、重合度が３００〜３０００のものが特に好ましく、５００〜２５００のものであるとより一層好ましい。重合度が３００未満のものでは、注入した地盤の強度及び止水性の向上が不充分となる傾向があり、分子量が３０００を超えるものでは、地盤中での分解に時間がかかる傾向がある。
【００１８】
上述した生分解性ポリマーと併用する、生分解ポリマーの硬化剤としては、水溶性のものが、水に溶かして地盤中に注入でき好ましい。生分解性ポリマーとして用いるポリビニルアルコール又はその誘導体の硬化剤としては、分子鎖間の架橋を促進したり、硬化剤を介して架橋を形成したりするものが好ましい。この硬化剤としては、硝酸ジルコニル、塩基性塩化ジルコニル、炭酸ジルコニルアンモニウム、酢酸ジルコニル、硫酸ジルコニル、四塩化チタン、乳酸チタンアンモニウム、ジイソプロポキシチタンビス(トリエタノールアミネート)、硫酸アルミニウム、硝酸アルミニウム、水溶性アルミニウムキレート、グリオキザール、メタキシレンジアミン、アジピン酸ジヒドラジド等の架橋剤を挙げることができる。硬化剤の生分解性ポリマーに対する添加量は５〜７０ｗｔ％（重量％）、特に２０〜５０ｗｔ％とすることが好ましい。硬化剤の生分解性ポリマーに対する添加量が５％未満である場合には、生分解性ポリマーの硬化が遅くなる傾向にあり、添加量が７０ｗｔ％を超える場合には、生分解性ポリマーの硬化速度は飽和に達している傾向にある。架橋剤の存在下で、生分解性ポリマーは、その分子同士が直接架橋したり硬化剤を介して架橋したりして、網目構造を形成する。
【００１９】
これらの生分解ポリマーと硬化剤とを図１（ａ）に示すように地盤１０の土壌と混ぜ合わせた部分では、生分解ポリマーが硬化剤によって硬化されて網目構造を形成し土壌と一体化して補強され且つ地下水を透過しないサンドゲルからなる改良地盤１２となる。これによって生分解ポリマーがゲル内に土壌の砂等の粒子を保持するように地盤を固結させ、掘削現場での切羽の安定化が図られ、且つ地盤内の微生物が生息して生分解ポリマーを分解できる適度な粒子間隙が構築される。このサンドゲルの初期強度は、水ガラス系注入材と同等以上である８０ｋＰａ以上であることが好ましい。地下水を透過しない改良地盤１２を含む地盤１０中では、地下水の流れは矢印Ｗに示すように、改良地盤１２を回避する流れとなる。
【００２０】
このように改良地盤１２は、地下水の流入を防止でき、予め止水工事を実施することなく或いは簡単な止水工事で掘削工事が可能となり、図１（ｂ）に示すように、そばに掘削土１６を積み上げつつ溝１４を掘削できる。溝１４は、下水本管１８を設置した後、図１（ｃ）に示すように掘削土１６で埋め戻される。このとき掘削残土１７が発生することがある。掘削残土１７は、交通等の邪魔にならなければそのまま放置してもよい。図１（ａ）〜図１（ｃ）に示す状態では、改良地盤１２の止水性が維持されており、地盤１０中の地下水の流れは、矢印Ｗに示すように改良地盤１２を回避する流れとなっている。
【００２１】
溝１４が埋め戻された図１（ｃ）に示す状態で所定期間が経過すると、改良地盤１２中の硬化した生分解ポリマーが分解し、図１（ｄ）に示すように生分解ポリマーと土壌とが一体化したサンドゲルの強度が低下した地盤１２’となり、透水性が復活する。このため、地盤１２’内には、下水本管１８の近傍を除いて、地盤１０と同様に地下水が流れるようになる。このような硬化した生分解ポリマーの分解は、掘削残土１７中でも進行し、掘削残土１７は地盤１０の他の部分と同様な土壌となる。硬化した生分解ポリマーの土壌中での分解は、例えば硬化したポリビニルアルコールの場合は、地盤中に生息する微生物中のデヒトロゲナーゼ、オキシナーゼ、ヒドロラーゼ等の酸化還元酵素、加水分解酵素及び／又はアルドラーゼによって主鎖が解裂して低分子化し、硬化したポリビニルアルコールの網目構造が分解して次第に生分解ポリマーが低分子化し形状維持能が低下するものと考えられる。尚、図１中の▽は地下水面を示す。
【００２２】
生分解ポリマーと硬化剤とは、粉末状で対象地盤の土壌と混ぜ合わせもよいが、水溶性の生分解ポリマーと水溶性の硬化剤との各々を水溶液として対象地盤に注入することが好ましい。この場合には、生分解ポリマーの水溶液が対象地盤に浸透注入できるように生分解ポリマーと水との比率を調整することが必要である。生分解ポリマーの水溶液が水ガラス系注入材と同等以上の浸透性を呈すには、ダルシーの法則で表される浸透係数が１０−３ｃｍ／秒以下に浸透可能であることを要する。また、生分解ポリマーの水溶液と硬化剤の水溶液とは、既存のポンプで圧送できるように粘度を５〜３００、好ましくは１０〜２００ｍＰａ・秒（２５℃）とすることが好ましい。更に、生分解ポリマーの水溶液と硬化剤の水溶液とが混合されて硬化するまでのゲルタイムは、その取扱い性や対象地盤中に浸透する時間を考慮して１〜２０分、好ましくは２〜５分程度にすることが好ましい。
【００２３】
このような条件に適用するように、生分解ポリマーの水溶液中の濃度、硬化剤の水溶液中の濃度及び生分解ポリマーと硬化剤との配合比を調整する。生分解ポリマーがポリビニルアルコール又はその誘導体である場合には、ポリビニルアルコール又はその誘導体の水溶液中の濃度を１０〜４０ｗｔ％とする。ポリビニルアルコール又はその誘導体の濃度が４０％を超えると、水溶液の粘度が高くなり過ぎる傾向にあり、硬化したポリビニルアルコール又はその誘導体の分解に時間がかかる傾向にある。また、ポリビニルアルコール又はその誘導体の硬化剤の水溶液中の濃度を５〜２０ｗｔ％とし、ポリビニルアルコール又はその誘導体と硬化剤との配合比を重量比で１：１〜３：１とすることが好ましい。
【００２４】
生分解ポリマーと硬化剤との水溶液の対象地盤への注入は、生分解ポリマーと硬化剤との水溶液を別々のタンクに貯留し、スタティックミキサー等のミキシングユニットを有し、且つ両水溶液の流入量、配合比、流速等をコントロールできる注入ポンプを用いることによってできる。具体的な注入装置を図２に示す。タンク２０に貯留されている生分解ポリマーの水溶液とタンク２２に貯留されている硬化剤の水溶液とは、各々サクションホース２６で注入ポンプ２４に送液される。注入ポンプ２４では、生分解ポリマーの水溶液と硬化剤の水溶液とは別々に昇圧された後、デリベリホース２８を経由してＹ字管３０で混合され、固定ミキサーを封入した注入用鋼管３２の後端部に供給される。注入用鋼管３２は、その後端部を除いて地盤１０内に挿入されている。注入用鋼管３２に供給された生分解ポリマーと硬化剤との混合水溶液は、注入用鋼管３２内で更に混合されて地盤１０内に注入される。地盤１０内で混合水溶液は、地盤１０中に浸透しつつ、生分解ポリマーが硬化剤によって硬化し土壌と一体化してサンドゲルを形成し、土壌を改良する。
【００２５】
硬化した生分解ポリマーで補強され且つ止水性が向上されたサンドゲルからなる改良地盤１２は、安全に且つ掘削工事を行うことができる。工事後に埋め戻された掘削土を含む改良地盤１２中のサンドゲルは、硬化した生分解ポリマーが所定期間経過後に分解し、元の地盤１０と同様な土壌に復帰する。また、埋め戻されなかった掘削残土１７中のサンドゲルも、その硬化した生分解ポリマーが所定期間経過後に分解するため、掘削残土も再利用可能である。
【実施例】
【００２６】
以下、本発明の実施例を詳細に説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００２７】
（実施例１、実施例２、比較例１）
下記表１の配合比で、生分解性ポリマーとして下記化１で示されるＰＶＡ１（重合度６００）とＰＶＡ２（重合度１２００）とを、水に溶解してＡ液とした。また、表１の配合比で、硬化剤として硬化剤１（チタンジイソプロピポキシビス（トリエタノールアミネート））と硬化剤２（アジピン酸ジヒドラジド）を、水に溶解してＢ液とした。更に、Ａ液とＢ液とを表１の記載の配合比として混合して生分解性地盤改良材であるＰＶＡ注入材とした。
【００２８】
【化１】
2014047337.tif 000002
【００２９】
【表１】
2014047337.tif 000003
【００３０】
ＰＶＡ注入材の浸透性の評価
表１に記載の配合比で混合した混合液の土壌への浸透性を評価した。その評価方法は、円筒形の容器に入れた砂に水を浸透させて飽和砂とした後に、ＰＶＡ注入材を浸透させて浸透性を調査した。浸透性の評価は、ＪＩＳＡ１２１８の「土の透水試験方法」に準拠してダルシーの法則で表される透水係数を求めた。表１の各ＰＶＡ注入材の浸透性は、いずれも水ガラス系注入材とほぼ同等の浸透係数１０−３ｃｍ／秒の砂に浸透可能であり、浸透性は良好であった。
【００３１】
注入固結砂の評価
（１）注入固結砂の作製
プラスチック製の直径５ｃｍの透明円筒内に標準砂を乾燥密度が１．５ｇ／ｃｍ３となるように充填した後、水で飽和させた砂に、表１に示すＰＶＡ注入材０．２リットルを圧力０．１ｋｇ／ｃｍ２で圧力浸透した。次いで、２日間モールド養生して脱型して試供品を得た。得た試供品は水の入っているビニール袋に入れて最長３００日間養生した。
（２）強度測定
所定の期間間養生した試供品の強度をＪＩＳＡ１２１６の「土の一軸圧縮試験法」に準拠して測定し、表１に併記した。表１から明らかなように実施例１、２の水準は共に十分に硬化し、十分な強度のサンドゲルが得られた。ポリビニルアルコールの側鎖が硬化剤によって架橋して十分な網目構造が形成されたものと考えられる。これに対し、比較例１の水準は、ポリビニルアルコールの硬化が不充分であり、サンドゲルの強度測定は不可能であった。
（３）止水性
実施例１，２の試供品について透水性の評価を行った。上記（１）で２日間モールド養生した試供品を脱型することなく図３に示す変水位透水試験法（ＪＩＳＡ１２１８の「土の透水試験方法」に準拠）で透水係数を求めた。注入固結砂の試供品が収納されている透明円筒３４内に、水をマノメータ３６の水中高さがｈ１となるまで充填した。次いで、透明円筒３４内の水を排出し、マノメータ３６の水中高さがｈ２となるまでの時間を測定して透水係数を求めた。実施例１，２の試供品の透水係数は８×１０−８ｃｍ／秒であった。一般的に不透水地盤の透水係数は１０−７ｃｍ／秒以下であり、実施例１，２の試供品は十分な止水性を呈するものである。
【００３２】
注入固結砂の強度の経時変化
（１）温度の影響
実施例１で得た試供品について、強度の経時変化を調査した。この試供品は高さ１０ｃｍ、直径５ｃｍのものである。試供品の養生は、水の入っているビニール袋に入れて２０℃と５５℃とで行い、試供品の強度をＪＩＳＡ１２１６の「土の一軸圧縮試験法」に準拠して測定した。その結果を図４に示す。図４中のＣ線は５５℃で養生したものであり、２０１０年に測定したデータに基づく破線と２０１１年に測定したデータに基づく点線とを重ね合わせて示した。また、Ｄ線（実線）は、２０℃で養生したものであり、２０１０年に測定したデータに基づくものである。５５℃で養生した試供品は、その強度変化を促進するためのものであり、２０℃で養生した試供品は、その基本的な強度変化をみるためのものである。２０℃で養生した試供品の強度の経時変化は、測定した範囲内（最大６０日）で、その強度が経時的に高くなっている。他方、５５℃で養生した試供品の強度の経時変化は、ピークを持つ曲線となっている。
【００３３】
（２）２０℃で養生した試供品の強度の予測経時変化
図４のＣ線（５５℃で養生）を利用しアレニウスの式を用いて２０℃で６０日以上養生した場合の試供品の強度を推定した。その結果を図５に示す。図５では、図４に示すＤ線を実線で示し、推定値をＤ−１線とＤ−２線との点線で示す。Ｄ−１線は２０１０年に測定したデータに基づくものであり、Ｄ−２線は２０１１年に測定したデータに基づくものである。更に、図５には、２０１１年に得られた２０℃で１００日以上養生した試供品の実測強度も併せて示す。点線で示した推定値と実測値とはよい一致を見た。図５から明らかなように、２０℃で養生した場合、試供品の強度は１８０又は１９０日当たりでピークに到達し、その後強度が低下して約５００日付近で強度が３０〜８０ｋＮ／ｍ２まで低下することが予測できる。更に、図５の予測結果から、試供品は約１０００日経過で強度が０．０５Ｎ／ｍｍ２又は０．０７Ｎ／ｍｍ２まで低下する。このことから実施例１，２の注入固結砂を２０℃で養生した場合、試供品中のＰＶＡが完全に分解し試供品の強度が０〜５０ｋＮ／ｍ２程度に低下するには、１０００日程度の日数が必要であることが判った。尚、試供品を５５℃で養生した場合の強度の経時変化は、試供品を２０℃で養生した場合の強度の経時変化に比較して約１５倍であった。
【００３４】
このようなアレニウスの式を用い反応速度式を利用した外捜法による強度変化の予測は、長期強度の予測を可能とするものである。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明に係る生分解性地盤改良材は、土木工事を施す地盤の強度及び止水性の向上を図ることができ、地盤の掘削工事やトンネルの掘削工事に利用できる。
【符号の説明】
【００３６】
１０，１２’は地盤、１２は改良地盤、１４は溝、１６は掘削土、１７は掘削残土、１８は下水本管、２０，２２はタンク、２４は注入ポンプ、２６はサクションホース、２８はデリベリホース、３０はＹ字管、３２は注入用鋼管、３４は透明円筒、３６はマノメータである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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