(57)【要約】【課題】  地下構造物の周囲に存在する空洞や土壌に生じたひび割れを充填することにより、構造物の耐久性を向上させる充填材および充填工法を提供する。【解決手段】  ポリビニルアルコール、架橋剤、触媒、および起泡剤または気泡物を含有してなる充填材である。硬化後の充填材の密度が0.3〜1cm3/gであることが好ましく、架橋剤がアルデヒド類とメチロール基および／またはアミノ基を有する化合物からなる群の中から選ばれた少なくとも１種であることが好ましい。また、充填材を構造物の周囲に生じた空洞に充填あるいは土壌に注入する充填工法である。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポリビニルアルコール、架橋剤、触媒、および起泡剤または気泡物を含有してなる充填材。
【請求項２】
硬化後の密度が0.3〜1g/cm3である請求項１記載の充填材。
【請求項３】
架橋剤がアルデヒド類とメチロール基および／またはアミノ基を有する化合物とからなる群の中から選ばれた少なくとも１種である請求項１または２に記載の充填材。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１つに記載の充填材を地下構造物の周囲に生じた空洞に充填することを特徴とする充填工法。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１つに記載の充填材を地下構造物の周囲の土壌に注入することを特徴とする充填工法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネルや下水道管の周囲に生じた空洞を充填し、地震や地山の圧力によって構造物が破壊されるのを防止するための充填材および充填工法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
トンネルや下水管などの地下構造物の周囲には、地下水の移動によって空洞が生じる。空洞は地震や地山の圧力による応力集中の要因となり、構造物が破壊されやすくなるため、対策としてトンネルや下水管などの周囲の空洞に裏込材を注入することが有効である。
従来、セメント系材料や水ガラス系材料が主に使用されており、コンクリートポンプなどでトンネルや下水管背面に充填されている（特許文献１参照）。また、地下水の移動によって充填した材料が施工中に流されるのを防止するため、急結性を付与した材料の開発が進められている（特許文献２参照）。
一方、高分子系材料を地盤注入することも検討されている（特許文献３、４参照）。
【特許文献１】特開平11-61123号公報
【特許文献２】特許第3600155号公報
【特許文献３】特開2002-294014号公報
【特許文献４】特開2002-371278号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、地下構造物周囲の空洞を従来の材料で充填すると、地下水により空隙や水分の溶出が生じるなどの課題を有していた。そこで、これら課題を解決し、構造物の耐久性を向上させる特定の充填材および充填工法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
すなわち、本発明は、（１）ポリビニルアルコール、架橋剤、触媒、および起泡剤または気泡物を含有してなる充填材、（２）硬化後の密度が0.3〜1g/cm3である（１）の充填材、（３）架橋剤がアルデヒド類とメチロール基および／またはアミノ基を有する化合物とからなる群の中から選ばれた少なくとも１種である（１）または（２）の充填材、（４）（１）〜（３）のいずれか１つの充填材を地下構造物の周囲に生じた空洞に充填する構造物の充填工法、（５）（１）〜（３）のいずれかの充填材を地下構造物の周囲の土壌に注入する充填工法である。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、充填材をトンネルおよび下水管などの地下構造物の周囲の空洞や土壌中に充填し適度な遮水性を確保できるため、構造物の耐久性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明で使用するポリビニルアルコールは、特に限定されるものではなく、水溶性を示すものであればよい。特に平均重合度が500〜3000、鹸化度が80mol%以上のものが、硬化前の流動性、硬化後の強度や弾性、遮水性の観点から好ましい。また、本発明の効果を阻害しない範囲で、アクリル酸、クロトン酸、マレイン酸、アクリルアミドなどをポリビニルアルコールに付加した変性あるいは共重合したタイプのものでも良い。
本発明で使用されるポリビニルアルコールは、水溶液として使用しその固形分濃度は施工箇所の形状などによって適宜決定されるものであり、特に限定されるものではないが、通常、5〜25質量%程度とすることが好ましい。5質量%未満では硬化後の強度、弾性、耐水性が不足する場合があり、25質量%を超えると水溶液の粘性が高く充填に影響する場合がある。
【０００７】
本発明で使用する架橋剤は、水酸基(-OH)またはカルボキシル基（-COOH）と反応する物質であれば特に限定されるものではなく、通常、ポリビニルアルコールの架橋剤として使用されているものを使うことができる。
水酸基またはカルボキシル基と反応する物質としては、グリオキザール、ホルムアルデヒド、プロピルアルデヒド、ｎ−ブチルアルデヒド、ｔｅｒｔ−ブチルアルデヒド、アミルアルデヒド、ヘキシルアルデヒド、２−エチルヘキシルアルデヒドなどの脂肪族アルデヒド類、シクロヘキシルアルデヒドなどの脂環族アルデヒド類、ベンズアルデヒド、アルキル置換ベンズアルデヒド、ハロゲン置換ベンズアルデヒド、フェニル置換アルキルアルデヒドなどの芳香族アルデヒド類、トリメチロールメラミン、ヘキサメチロールメラミン、ジメチロール尿素、ジメチロールエチレン尿素などのメチロール基を有する化合物、ポリアクリルアミン、ポリアミドポリアミン、尿素、ポリエチレンイミンなどのアミノ基を有する化合物、エポキシ樹脂系化合物、ホウ酸などのホウ素系化合物、Ti、Zr、Alなどが有機物質と結合した金属アルコキシド類、イソシアネート基を有する化合物などが挙げられる。中でも、充填作業時間の確保や硬化後の強度、弾性、耐水性、材料の安全性の観点から、アルデヒド類とメチロール基および／またはアミノ基を有する化合物、あるいはイソシアネート基を有する化合物の中から選ばれたものを使用することが好ましく、前記物質の２種以上を併用することによってさらに良好な架橋体を合成することが可能である。
架橋剤の添加率は、ポリビニルアルコールの固形分と架橋剤の固形分の質量比によって決定され、質量比が1：0.25〜5の範囲で添加することが好ましい。水酸基と反応基の質量比が0.25よりも小さいと硬化体の強度が低く、5を超えても弾力性が向上しない。
【０００８】
本発明で使用する触媒は、ポリビニルアルコールと前記架橋剤の反応を促進するものであれば良く、酸性物質や塩基性物質を用いるのが一般的であり、反応の種類によって変化させることが好ましい。例えば、アルデヒド類や、メチロール基および／またはアミノ基、あるいはイソシアネート基を有する化合物を架橋剤として用いる場合、硫酸や塩酸などの無機酸、クエン酸、酢酸、グルコン酸、シュウ酸、ギ酸、乳酸などの有機酸を用いることが好ましい。
【０００９】
本発明で使用する起泡剤は、充填材を軽量にしたり、遮水性や透水性を調整したり、単位空間を効率的に充填する目的に使用するものである。アルキルエーテルや脂肪酸のカルボン酸塩や硫酸塩などの界面活性剤、アルカノールアミンやエタノールアミンなどのアミン類、過ホウ酸ナトリウムや過炭酸ナトリウムなどの過酸化物質などを使用することが可能である。具体的な製品の例としては、花王社製「エマールD-3-D」、セルフォーム技術研究所社製「セルフォームＬ」、ライオン社製「リポラン2800L」、電気化学工業社製「デンカSR-F」などが挙げられる。
【００１０】
本発明の充填材における気泡の導入方法は、特に限定されるものではないが、充填材中に均一に気泡を導入する観点から気泡物を先に調製し、ポリビニルアルコール水溶液、架橋剤、および触媒からなるゲル形成物質に混合する方法が好ましい。気泡物は、特に限定されるものではないが、例えば、起泡剤を添加した水溶液と空気から作ることができる。起泡装置の一例としては、1〜2mmの大きさのビーズを入れた筒状容器に圧縮空気を送るものが挙げられる。前記筒状容器内にプランジャ−形式ポンプで起泡剤含有水溶液を定量フィードすると気泡物が得られる装置である。気泡物とポリビニルアルコール水溶液、架橋剤、触媒の混合方法は、特に限定されるものではなく、種々のミキサーを利用することが可能である。また、起泡剤をポリビニルアルコール水溶液、架橋剤、および触媒からなるゲル形成物質に添加し、混合時に気泡を発生させても良い。
起泡剤の添加率は、ポリビニルアルコール水溶液の濃度や架橋剤および触媒の種類によって異なるため特に限定することはできないが、界面活性剤成分の場合、水溶液に対して0.01〜2質量%程度添加することが好ましい。0.01質量%未満では所定の気泡を導入することができない場合があり、2質量%を超えると気泡の量が多すぎてポリビニルアルコール水溶液の流動性が低下したり、硬化後の強度、弾性、耐水性が低下する場合がある。また、消泡剤を併用して気泡量をコントロールすることも可能である。
【００１１】
硬化後の充填材密度は、0.3〜1g/cm3であることが好ましい。0.3g/cm3未満では硬化体の強度、弾性、耐水性が不足する場合があり、1g/cm3を超えると遮水性が高すぎて周辺環境との調和が取れず充填箇所周辺で空洞が発生したり、充填材自体の重量が影響する場合がある。
【００１２】
本発明の充填材を土壌に注入する場合、注入した土壌の相対透水係数は、20〜100%程度が好ましい。相対透水係数とは、土壌のみの透水係数を100とした時の注入した土壌の透水係数の比である。透水係数の測定はＪＩＳ  Ａ  １２１８に準拠する。相対透水係数が20%未満では遮水性が高いために注入後の土壌界面と土壌との間で再び空洞が生じる場合があり、100%を超えると注入した土壌の強度、弾性、耐水性が低下する場合がある。
【００１３】
本発明の充填材には、硬化体の強度や弾性率、透水性や遮水性、密度をコントロールする目的でフィラーを用いることができる。フィラーは、特に限定されることはなく、無機系や有機系のものが使用可能である。無機系としては、珪石、石灰石などの骨材、ベントナイトなどの粘土鉱物、ゼオライトなどのイオン交換体などが挙げられ、有機系材料としては、ビニロン繊維、アクリル繊維、炭素繊維などの繊維状物質、イオン交換樹脂、吸水性ポリマーなどが挙げられる。これらを本発明の目的を阻害しない範囲で使用することができる。
【００１４】
本発明における充填材の混合装置としては、既存のいかなる装置も使用可能であり、例えば、傾胴ミキサー、オムニミキサー、ヘンシェルミキサー、Ｖ型ミキサー、ナウターミキサーなどが挙げられる。
【００１５】
以下、実施例で詳細に説明する。
【実施例】
【００１６】
「実施例１」
重合度1700、鹸化度99mol%のポリビニルアルコール（ＰＶＡ）と水道水を用いて、固形分濃度10質量%のポリビニルアルコール水溶液を調製した。このポリビニルアルコール水溶液1000gに対する架橋剤として表１に示す種類と量のアルデヒド類を加え、ポリビニルアルコールの固形分と架橋剤の固形分の質量比を変化させた。その後、触媒として酢酸を加えてpHを4に調整してゲル形成物質を調製した。一方、起泡剤の1質量%水溶液を調製し、0.15L/minの割合で起泡装置に送り、同時に圧縮空気によって4L/minの割合で気泡物を調製した。最後にゲル形成物質と気泡物を混合して本発明の充填材を作製した。この充填材を100×100×100mmの型枠に充填し、20℃、湿度80%RH環境下で7日間養生した。その後型枠から脱型し、硬化体の密度、耐水性、弾力性を評価した。結果を表１に示す。
【００１７】
「使用材料」
ポリビニルアルコール：電気化学工業社製 K17 重合度1700 鹸化度99.0mol%
架橋剤：テレフタルアルデヒド、市販品
起泡剤：電気化学工業社製「デンカＳＲＦ」、アルキルエーテルサルフェート塩主体
酢酸：市販品、試薬１級
【００１８】
「測定方法」
密度：硬化体の質量と体積から算出。
耐水性：プラスチック製容器に水5Lを投入して35℃に調整した。この容器に作製した100×100×100mm硬化体を浸漬して1ヶ月間放置し、硬化体の耐水性を評価した。なお、容器内の水は１週間ごとに交換した。
弾力性：材齢７日間養生した硬化体の触感によって判定した。
【００１９】
＜耐水性評価基準＞
◎：水に不溶、体積変化が殆どない。
○：水に不溶、硬化体の体積変化がある。
△：水に一部溶解、体積変化がある。
×：水に溶解。
【００２０】
＜弾力性評価基準＞
◎：弾力があり、粘りもある。
○：弾力はあるが、粘りが少ない。
△：弾力が小さく、粘りが少ない。
×：弾力がない。
【００２１】
【表１】
2006265426.tif 000002
【００２２】
表１に示すように、アルデヒド類を架橋剤に用いた本発明の充填材は密度が小さく軽量で、耐水性および弾力性に優れることが分かる。
【００２３】
「実施例２」
架橋剤をメチロール基含有化合物とし、その種類と量を表２に示すように変化させたこと以外は実施例１と同様に行った。結果を表２に示す。
【００２４】
「使用材料」
架橋剤：トリメチロールメラミン、市販品、メチロール基含有
【００２５】
【表２】
2006265426.tif 000003
【００２６】
表２に示すように、メチロール基を有する化合物を架橋剤に用いた本発明の充填材は、密度が小さく軽量で、耐水性および弾力性に優れていることが分かる。
【００２７】
「実施例３」
ポリビニルアルコールをアクリルアミド変性品、架橋剤をアミノ基含有化合物とし、架橋剤の量を表３に示すように変化させ、pHの調整は実施しなかったこと以外は実施例１と同様に行った。結果を表３に示す。
【００２８】
「使用材料」
ポリビニルアルコール：電気化学工業社製「PC100」 重合度1700 鹸化度88.0mol%、アクリルアミド変性
架橋剤：ポリエチレンイミン、市販品、アミノ基含有
【００２９】
【表３】
2006265426.tif 000004
【００３０】
表３に示すように、アミノ基を有する化合物を架橋剤に用いた本発明の充填材は、密度が小さく軽量で、耐水性および弾力性に優れることが分かる。
【００３１】
「実施例４」
使用するポリビニルアルコールの濃度、重合度、鹸化度を表４に示すように変化させたこと以外は実施例１と同様に行った。ただし、架橋剤は実施例２のトリメチロールメラミンを用い、ポリビニルアルコール水溶液1000gに対する添加量は、ポリビニルアルコール固形分と架橋剤固形分の質量比が1：2となるよう調整した。結果を表４に示す。
【００３２】
【表４】
2006265426.tif 000005
【００３３】
表４に示すように、ポリビニルアルコールの濃度は5〜25質量%、重合度は500〜3000、鹸化度が80mol%以上の場合、密度が小さく軽量で、耐水性および弾力性に優れた充填材が得られることが分かる。
【００３４】
「実施例５」
固形分濃度10質量%のポリビニルアルコール水溶液1000gに酢酸を加えてpHを4に調整し、この水溶液に起泡剤を濃度１質量%となるように添加した。この水溶液を高速攪拌混合し気泡を導入した後、架橋剤としてトリメチロールメラミン水溶液（固形分80質量%）50g加えてさらに混合して充填材を調製した。なお、充填材の物性評価は実施例１と同様に行った。結果を表５に示す。
【００３５】
「使用材料」
ポリビニルアルコール：電気化学工業社製 K17 重合度1700 鹸化度99.0mol%
酢酸：市販品、試薬１級
起泡剤：電気化学工業社製「デンカＳＲＦ」、アルキルエーテルサルフェート塩主体
架橋剤：トリメチロールメラミン、市販品、メチロール基含有
【００３６】
【表５】
2006265426.tif 000006
【００３７】
表５に示すように、起泡剤を混合し高速攪拌することによって、密度が小さく軽量で、耐水性および弾力性に優れた充填材が得られることが分かる。 
【００３８】
「実施例６」
実施例５と同様の材料を使用し、固形分濃度10質量%のポリビニルアルコール水溶液を調製し、このポリビニルアルコール水溶液1000gに架橋剤としてトリメチロールメラミンを200ｇ（固形分質量比＝1:2）、触媒として酢酸を加えてpHを4に調整した。その後、実施例１と同様に気泡物を調製し、気泡物と上記水溶液の混合比率を変化させて表６に示す密度の充填材を作製した。
一方、図１に示すような構造物をプラスチック製型枠、ヒューム管、真砂土を用いて地下に埋設された下水道管を模擬的に組み上げた。ヒューム管には直径20mmの孔を多数設け一時的に塞いだ状態とし、ヒューム管と真砂土の間には20mm程度の空洞を設けた。その後、孔を１箇所だけ開放しそこから本発明の充填材を注入した。なお、空洞に充填材を注入せず真砂土で充填した場合を比較例とする。
充填後７日経過した後、図１に示す構造体の上部から散水し、ヒューム管側面や充填材と真砂土の間に生じる空洞の有無と、ヒューム管内部に流入する水量を測定した。なお、水量は散水量に対する割合（水分溶出率）として表記する。結果を表６に示す。
【００３９】
【表６】
2006265426.tif 000007
【００４０】
表６に示すように、本発明の充填材を用いることによって、流水環境下でも空洞が生じることがなく、ヒューム管内部への地下水の侵入を抑制できることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明により、充填材をトンネルおよび下水管などの地下構造物の周囲の空洞や土壌中に充填し適度な遮水性を確保し、構造物の耐久性を向上させることができるため、土木分野などで幅広く適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の充填工法例を説明するためのヒューム管と真砂土と空洞の関係を示した概要図（（ａ）ヒューム管の径方向の断面図、（ｂ）ヒューム管の長手方向の断面図）である。
【符号の説明】
【００４３】
１：ヒューム管
２：ヒューム管の空孔
３：空洞
４：真砂土
【図１】
2006265426.tif 000008