(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水ガラスのアルカリの大部分をイオン交換樹脂で除去して得られたシリカゾルと、微粒子スラグと微粒子セメントを主成分とする地盤固結材であって、微粒子スラグの微粒子セメントの混合物がブレーン比表面積約9000cm2／ｇ以上であり、且つ水硬率が0.9〜2.0、塩基度が1.9〜2.9であることを特徴とする地盤固結材。
【請求項２】
ゲル化調整剤を含有する請求項１記載の地盤固結材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はスラグ・セメント系の地盤固結材の改良に係り、具体的には水ガラスのアルカリの大部分をイオン交換樹脂で除去して得られた中性〜弱アルカリ性のシリカゾル（以下中性シリカゾルと称する）と、特定の条件範囲にある微粒子スラグ、微粒子セメントを使用することにより、高い固結強度が得られると共に、ゲル化時間が長くてかつゲル化時間の調整が容易で、懸濁型地盤固結材としては浸透性にも優れ、かつ通常の水ガラス系懸濁型よりもアルカリの溶脱が少ないスラグ・セメント系の地盤固結材に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
地盤を固結するための地盤注入用のグラウトが種々知られている。例えば、スラグ系の水ガラスグラウトとして、従来モル比が小さくアルカリ度の高い水ガラスを用いることが知られている。このグラウトは固結強度が大きいがアルカリの溶脱が懸念される。また水ガラスと酸を混合して得られる酸性シリカゾルとセメント系からなるグラウトではゲル化時間が短く、フロック状の沈澱が出来易いため浸透性が悪い。また普通スラグ（ブレーン比表面積３５００〜４４００  ｃｍ２／ｇ）では、上記酸性シリカゾルに対しては中和剤として作用してゲル化時間の促進剤にはなりうるが、強度的にはほとんど効果はなく、中性シリカゾルに対しては反応性をほとんど示さず強度発現もない。中性シリカゾルとポルトランドセメントを１．５  ショットで合流して注入する方法も知られている。しかしこのグラウトはゲル化時間がせいぜい１分以内と短く浸透性が悪い。また中性シリカゾルに多価金属塩またはアルカリ金属塩を加えたグラウトは強度が低いという欠点があった。
この強度の問題を解決するために近年、中性シリカゾルに高炉スラグ粉末７５〜９０重量部及びポルトランドセメントクリンカー粉末２５〜１０重量部からなりブレーン比表面積が７０００〜８５００  ｃｍ２／ｇの範囲内にある混合高炉スラグ粉末のスラリーを加えた注入材も開示されている（特開平６−１４５６６２号）。しかしこのグラウトは細粒土への浸透が悪く、土粒子間で目づまりをおこしてしまい、また、ゲル化時間も、長いゲル化時間での調整がむずかしいという欠点を有する。
【０００３】
このように懸濁型の地盤注入材として用いられている水ガラス−スラグ系、シリカゾル−セメントまたはスラグ系および中性シリカゾル−セメントまたはスラグ系にはそれぞれの欠点がある。
従って、本発明の目的は、ゲル化時間を長く調整して浸透性に優れ、しかも固結強度を大きくし、かつアルカリの溶脱が少ないシリカゾル−微粒子スラグ・微粒子セメント系の懸濁型地盤固結材を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記課題を解決するために鋭意研究の結果、中性シリカゾルと微粒子スラグ、微粒子セメントを主成分とする地盤固結材、あるいはさらにゲル化調整剤を配合した地盤固結材を見出し、本発明を完成するに到った。
即ち、本発明は、水ガラスのアルカリの大部分をイオン交換樹脂で除去して得られたシリカゾルと、微粒子スラグと微粒子セメントを主成分とする地盤固結材であって、微粒子スラグの微粒子セメントの混合物がブレーン比表面積約9000cm2／ｇ以上であり、且つ水硬率が0.9〜2.0、塩基度が1.9〜2.9であることを特徴とする地盤固結材、及びこれらに更にゲル化調整剤を配合してなる地盤固結材を提供するものである。
【０００５】
本発明で用いられる中性シリカゾルは、水ガラスをイオン交換樹脂で処理してＮａ＋  イオン等のアルカリをほとんど分離除去し、中性〜弱アルカリ性、好ましくはｐＨが  ８．０〜１０．５の弱アルカリ性に調整し、比重が１．１６〜１．２４で、おおよそＳｉＯ２が１０〜６０重量％、Ｎａ２Ｏが０．０１〜４重量％の範囲にあるものである。従って通常の強アルカリの水ガラスを使用した固結材に比べるとアルカリの溶脱が非常に少なくなることが期待できる。
【０００６】
本発明において、中性シリカゾルに配合する微粒子スラグや微粒子セメントおよびこれらそれぞれの併用あるいは混合物は、微粒子スラグ、微粒子セメント又はこの両者の混合物の少なくともいずれかがブレーン比表面積約９０００  ｃｍ２／ｇ以上であることが必要であるが、微粉化を極端に行うと懸濁液中で再凝集を起こすこともあって、それほどの効果は期待できず、また粉砕費用も高価につく。このような点を考慮すれば、ブレーン比表面積は９０００〜２００００ｃｍ２／ｇ程度の範囲のものが好ましい。
また微粒子スラグ、微粒子スラグ・微粒子セメントの併用あるいは微粒子スラグ・微粒子セメントの混合物を使用する場合、これらの水硬率は  ０．９〜２．０  、塩基度は  １．９〜２．９  の範囲にあることが望ましい場合が多い。ここで水硬率とは微粒子スラグ・微粒子セメントの  ＣａＯ／（ＳｉＯ２＋Ａｌ２Ｏ３＋Ｆｅ２Ｏ３）、塩基度とは（ＣａＯ＋ＭｇＯ＋Ａｌ２Ｏ３）／ＳｉＯ２を表す（尚、ＣａＯ，  ＳｉＯ２，  Ａｌ２Ｏ３，  Ｆｅ２Ｏ３，  ＭｇＯはセメント・スラグ中のそれぞれの含有百分率を示す）。
【０００７】
この中性シリカゾル−微粒子スラグ、微粒子セメントの系では一般にゲル化時間が短い（数秒〜２分ぐらい）のでゲル化調整剤によってゲル化時間を遅延せしめて浸透性の向上をはかることができる。この場合、微粒子スラグ、微粒子セメントのブレーン比表面積が約９０００  ｃｍ２／ｇ近辺を境としてこれ以下でも遅延効果を示すもののゲル化調整剤の添加量を増やしてもせいぜい１０分程度までである。これに対して約９０００  ｃｍ２／ｇ以上に超微粒子化することによりゲル化調整剤の遅延効果が著しく発揮されるようになり、ゲル化時間を６０分程度にまで遅延せしめることができ、その間の粘性上昇も少ないことがわかった。しかも地盤固結材の強度は劣化することなく増大することがわかった。
【０００８】
本発明に用いられるゲル化調整剤としては、アルカリ金属やアルカリ土類金属の重炭酸塩、炭酸塩、リン酸塩、酸性リン酸塩、ピロリン酸塩等があげられるが、中でも水に易溶性のものが好ましい。これらゲル化調整剤は予め水に混合溶解し、その後に微粒子スラグ、微粒子セメントや中性シリカゾルを添加することもできるし、微粒子スラグや微粒子セメントと同時に水に添加することもできるが、効果を充分発揮させるには、予め水に溶解しておくのが好ましい。
【０００９】
本発明に用いられる微粒子セメントとしてはポルトランドセメントや高炉セメント等や、これらのクリンカーの粉砕物でも、これに石膏等を混合したセメントの微粒子でもよい。さらにこれらと微粒子スラグの混合物は混合前にブレーン比表面積が約９０００  ｃｍ２／ｇ以上となるように粉砕されたものを混合しても、ある程度粉砕されたものを混合し、さらにブレーン比表面積が約９０００  ｃｍ２／ｇ以上になるまで粉砕したものでもよい。さらに懸濁液状として微粒子状のものを分級して微粒子懸濁液として使用することもできる。
【００１０】
本発明の地盤固結材において、中性シリカゾルの配合量は地盤固結材（グラウト）１０００ｇ当たり５０〜３００  ｇが好ましく、これ以上多くすると溶液型グラウトのホモゲルに近い弾力性を有するゲルとなり、強度上昇はほとんどみられない。また微粒子スラグ、微粒子セメントあるいはこれらの混合物の配合量はグラウト１０００ｇ当たり２０〜４００  ｇが好ましく、これより少ないと固結材の強度が小さく、これ以上多くなると液の粘性が高くなり、凝固時間も長くすることができなくなる。
また本発明の地盤固結材において、ゲル化調整剤を配合する場合には、その配合量は、ゲル化調整剤の種類、他の成分組成等により一概に規定することは難しいが、一般には全配合液中の１０重量％以下が好ましい。
【００１１】
【作用】
本発明はブレーン比表面積が約９０００  ｃｍ２／ｇ以上の微粒子スラグ、微粒子セメントを使用するので土中への浸透性がよく、硬化反応が活性化し、固結物の強度発現が優れ、高強度となる。またゲル化調整剤との反応性も活性化され、ゲル化調整剤としての本来の機能、即ちゲル化時間の遅延効果が著しく発揮されるものと思われる。また本発明においては、シリカゾルとして水ガラスからＮａ＋  イオン等のアルカリの大部分を除去し加熱重合してつくられた中性〜弱アルカリ性のコロイダルシリカを使用するので、硬化時間が長く、しかもフロック状の沈澱を生成することなく均質にして浸透性の向上をより助長するものと思われる。
又、一般にセメント中の遊離しやすい硬分あるいは石膏分は溶液中で懸濁液の分散性を阻害し、粒子を微粒子化してもそれを懸濁液中で電気的に凝集せしめ粘度を上げ浸透性を阻害するが、ブレーン比表面積が約９０００  ｃｍ２／ｇ以上でゲル化調整剤を使用するとこのような成分による性質が妨げられ、浸透性が向上するものと思われる。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明を実施例によって具体的に説明するが、これらの実施例は本発明の一例にすぎず、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
尚、以下の実施例及び比較例に用いた中性シリカゾル、スラグ、セメント、スラグ−セメント混合物及びゲル化調整剤を以下にまとめて示す。
【００１３】
（１）  中性シリカゾル
水ガラスを陽イオン交換樹脂で処理することによりアルカリの大部分を除去して得られた、表１に示す組成の中性シリカゾルを使用した。
【００１４】
【表１】
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【００１５】
（２）  スラグ
表２に示す２種類のスラグをそれぞれ粉砕度を異にして使用した。
【００１６】
【表２】
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【００１７】
（３）  セメント
表３に示す粉砕度を異にしたポルトランドセメントと高炉セメントを使用した。
【００１８】
【表３】
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【００１９】
（４）  スラグ−セメント混合物
グラウトの配合にあたり表２のスラグと表３のセメントを予め混合した表４に示す混合物を使用した。
【００２０】
【表４】
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【００２１】
（５）  ゲル化調整剤
代表的なゲル化調整剤として炭酸水素ナトリウム（試薬一級：ＮａＨＣＯ３）  を使用した。他のゲル化調整剤は添加量の差はあるがゲル化遅延効果を示すものの、重炭酸のアルカリ金属塩又は炭酸のアルカリ金属塩が特に優れた効果が得られた。又、重炭酸のアルカリ金属塩と炭酸のアルカリ金属塩は殆ど同じ効果を示した。
【００２２】
実施例１〜６及び比較例１〜４（中性シリカゾル−スラグ系）
表１の中性シリカゾルの水溶液をＡ液とし、Ｂ液として表２のスラグと炭酸水素ナトリウムとの水懸濁液を用い、Ａ液とＢ液を表５に示す割合で混合し各種の地盤固結材を調製した。得られた地盤固結材について、カップ倒立法によりゲル化時間を測定し、また土質工学会基準「土の一軸圧縮試験方法」により一軸圧縮強度を測定した。結果を表５に示す。
【００２３】
【表５】
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【００２４】
表５において比較例１及び実施例１〜２のスラグは塩基度が１．７８、水硬率が０．８２と何れも低く、ゲル化時間は極めて長く、固結強度は弱いが、スラグのブレーン比表面積が本発明の範囲内にある実施例１及び２は比較例１に比べてゲル化時間は短縮し、固結強度は上昇している。比較例２及び実施例３〜４のスラグの塩基度、水硬率は共に上記の好ましい範囲にあるが、このうち比較例２はブレーン比表面積が本発明範囲外の粒子で他の実施例３及び４に比べると、ゲル化時間は速くなり、強度は明らかに見劣りする。
実施例４〜６及び比較例２〜４ではゲル化調整剤としての炭酸水素ナトリウムの添加量の効果を試験した。実施例５、４及び６は本発明の微粒子スラグで炭酸水素ナトリウムの添加量を変化させた例である。これに対して比較例３、２及び４はブレーン比表面積が本発明の範囲外の粒子のスラグを使用したもので明らかに実施例５、４及び６ではゲル化調整剤の添加量が多くなるに従いゲル化時間の遅延効果は著しく、これに反して比較例３、２及び４ではゲル化調整剤の添加量が多くなってもゲル化時間の遅延効果は著しくない。さらに実施例５、４及び６ではゲル化調整剤の添加量が多くなるに従い明らかに強度も向上している。
【００２５】
実施例７〜１０及び比較例５〜８（中性シリカゾル−セメント系）
表１の中性シリカゾルの水溶液をＡ液とし、Ｂ液として表３のセメントと炭酸水素ナトリウムの水懸濁液を用い、Ａ液とＢ液を表６に示す割合で混合し各種の地盤固結材を調製した。得られた地盤固結材について、実施例１と同様にゲル化時間及び一軸圧縮強度を測定した。結果を表６に示す。
【００２６】
【表６】
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【００２７】
表６において、固結強度は一般に表５のスラグの場合に比べて高い。これに反してゲル化時間は全般に速く、かつ粘性的には高いようである。しかし、ブレーン比表面積が本発明の範囲内にある実施例７及び８は比較的ゲル化時間が長く、固結強度は優れている。炭酸水素ナトリウムはスラグの場合と同様にゲル化時間の遅延と強度増強に効果がみられる。即ち実施例９，  ７及び１０はブレーン比表面積が本発明の範囲内にある微粒子セメントを使用した例で、比較例７，  ５及び８はブレーン比表面積が本発明の範囲外の粒子のセメントを使用した例で、前者の方が明らかにゲル化時間の遅延効果、強度の増強共に優れていることがわかる。
【００２８】
実施例１１〜１８及び比較例９〜１０（中性シリカゾル−スラグ・セメント併用系）
表１の中性シリカゾルの水溶液をＡ液とし、Ｂ液として表２のスラグと表３のセメントをそれぞれ併用し、更に炭酸水素ナトリウムを添加した水懸濁液を用い、Ａ液とＢ液を表７に示す割合で混合し各種の地盤固結材を調製した。得られた地盤固結材について、実施例１と同様にゲル化時間及び一軸圧縮強度を測定した。結果を表７に示す。
【００２９】
【表７】
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【００３０】
表７において、比較例９及び１０はスラグ、セメント共にブレーン比表面積が本発明の範囲外の粒子を用いた例で、比較的粘性が高く、強度的にも見劣りがする。実施例１１〜１４はスラグまたはセメントの一方のみがブレーン比表面積が本発明の範囲内の微粒子であるが、実施例１１と１３はスラグ・セメント併用の塩基度、水硬率が本発明の好ましい範囲からはずれており、実施例１１は固結強度が弱く、実施例１３ではゲル化時間が速すぎる。スラグまたはセメントの一方のみのブレーン比表面積が本発明の範囲内にある実施例１２及び１４、特にスラグ、セメント共ブレーン比表面積が本発明の範囲内にある実施例１５及び１６ではゲル化時間が長くそのわりに固結強度も優れている。実施例１７、１６及び１８はブレーン比表面積が本発明の範囲内にある配合で炭酸水素ナトリウムの添加量を変化させた場合で、添加量が増えるに従って明らかにゲル化時間は遅延し、固結強度は増強している。
【００３１】
実施例１９〜２４及び比較例１１〜１２（中性シリカゾル−スラグ・セメント混合物系）
表１の中性シリカゾルの水溶液をＡ液とし、Ｂ液として、表４のスラグ−セメント混合物と炭酸水素ナトリウムの水懸濁液を用い、Ａ液とＢ液を表８に示す割合で混合し各種の地盤固結材を調製した。得られた地盤固結材について、実施例１と同様にゲル化時間及び一軸圧縮強度を測定した。結果を表８に示す。
【００３２】
【表８】
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【００３３】
表８におけるスラグ・セメント混合物の比率は表７の比較例９〜１０及び実施例１１〜１６が表８の比較例１１〜１２及び実施例１９〜２４に全く比適したものである。結果は表７とほとんど対応したものが得られ、スラグ、セメントはそれぞれ別個に併用しても、また予め混合物としたものを配合しても大差のないことを示している。しかし、細かく観察すると３０日後強度は誤差範囲で変化はみられないが、表８では表７の場合より７日後強度は若干高いようで、ゲル化時間は相対的に若干短縮しているようである。
【００３４】
実施例２５〜３０及び比較例１３〜１５（浸透試験）
上記実施例１〜２４及び比較例１〜１２の結果から中性シリカゾル−微粒子スラグ・微粒子セメント−ゲル化調整剤の系において本発明の条件を満たせば高い固結強度と比較的長いゲル化時間が得られ、また中性シリカゾルの使用で通常の水ガラスの場合に比べて粘性的にも一般に低いことが観察され、従って浸透性にも優れることが期待される。そこで実際に浸透性を確かめるために次のような浸透試験を実施した。結果を表１０に示す。
【００３５】
＜浸透試験＞
５φ×１００ｃｍ  のアクリルパイプに９０ｃｍの豊浦標準砂の層（上下に５ｃｍずつ細砂の層）をつくり、上記の代表的な実施例及び比較例の配合液を注入圧０．５ｋｇｆ／ｃｍ２で注入し、浸透の程度を測定した。豊浦標準砂の充填は所定量を数回に分けて行い、その都度パイプの側面をハンマーで叩いた。
配合液の調製はミキサー中に炭酸水素ナトリウムを溶解した水溶液とスラグ、セメントを入れて３０秒間攪拌後、中性シリカゾルの水溶液を入れ１０秒間攪拌することにより行った。
浸透性の評価は、固結材注入１日後に脱型し固結の長さを測定し、表９に示す基準で評価した。
【００３６】
【表９】
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【００３７】
【表１０】
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【００３８】
表１０において、実施例２５、２９及び３０はブレーン比表面積が総て本発明の範囲内にある微粒子のスラグまたは微粒子のスラグと微粒子のセメントを使用した例で優れた浸透性を示した。実施例２６は微粒子セメントの例で微粒子スラグの実施例２５に比べると浸透性は幾分劣っている。実施例２７及び２８は、スラグ、セメントのいずれか一方のブレーン比表面積が本発明の範囲内である例で浸透性はよいが双方ともブレーン比表面積が本発明の範囲内にある実施例２９及び３０に比べると幾分劣っている。比較例１３のブレーン比表面積が本発明範囲内にない粒子のスラグの場合は浸透性に劣るが、比較例１４のブレーン比表面積が本発明の範囲内ではない粒子のセメントに比べると幾分良好である。比較例１４のブレーン比表面積が本発明の範囲内ではない粒子のセメント、比較例１５のブレーン比表面積が本発明の範囲内ではない粒子のスラグとセメントの併用系では殆ど浸透性はみられなかった。
以上からブレーン比表面積が本発明の範囲内にある地盤固結材は懸濁型としては優れた浸透性を示すことが確認された。
【００３９】
【発明の効果】
中性シリカゾルと、上記特定のブレーン比表面積を有する微粒子スラグ、微粒子セメントを配合した本発明の懸濁型地盤固結材、更にゲル化調整剤を配合した本発明の地盤固結材は次のような効果を発揮する。
▲１▼    比較的長いゲル化時間の調整が可能で、懸濁型としては極めて優れた浸透性を示す。
▲２▼    溶液型ではみられない高い固結強度が得られる。
▲３▼    中性シリカゾルは通常の水ガラスのような高アルカリを示さないため、アルカリの溶脱が少ない期待がもてる。