(57)【要約】【課題】本発明の課題は、高圧噴射撹拌工法に好適に用いることができ、引張強度の高い地盤改良体を造成することができる固化材組成物、およびその固化材組成物を用いた地盤改良体の造成方法を提供することにある。【解決手段】セメントを含む乾燥灰分１００重量部に対して、０．０１重量部以上１．０重量部以下の側鎖に芳香環を有する非イオン性高分子界面活性剤と５０重量部以上１４０重量部以下の水とを含む固化材組成物。上記固化材組成物はさらに０．４重量部以上２０重量部以下の炭素繊維を含んでいてもよい。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
セメントを含む組成物であって、
乾燥灰分１００重量部に対して、０．０１重量部以上１．０重量部以下の、側鎖に芳香環を有する非イオン性高分子界面活性剤及び５０重量部以上１４０重量部以下の水を含む高圧噴射撹拌工法用固化材組成物。
【請求項２】
０．４重量部以上２０重量部以下の炭素繊維をさらに含む、請求項１記載の高圧噴射撹拌工法用固化材組成物。
【請求項３】
上記高分子界面活性剤が、アルキレンオキサイド及びフェニルグリシジルエーテルのランダム共重合体であって、その重量平均分子量が５０，０００以上１５０，０００以下である、請求項１または２記載の高圧噴射撹拌工法用固化材組成物。
【請求項４】
上記高分子界面活性剤が、エチレンオキサイド、プロピレンオキサイド及びフェニルグリシジルエーテルのランダム共重合体である請求項３記載の高圧噴射撹拌工法用固化材組成物。
【請求項５】
高圧噴射撹拌工法により、固化材組成物及び原地盤を撹拌混合して地盤改良体を形成する地盤改良体の造成方法であって、
地下に上記固化材組成物を供給する工程、及び
上記固化材組成物を高圧のジェットで地盤改良域に噴射する工程を含み、
上記固化材組成物はセメントを含み、乾燥灰分１００重量部に対して、０．０１重量部以上１．０重量部以下の側鎖に芳香環を有する非イオン性高分子界面活性剤、及び５０重量部以上１４０重量部以下の水を含むものである、
地盤改良体の造成方法。
【請求項６】
上記固化材組成物はさらに０．４重量部以上２０重量部以下の炭素繊維を含むものである、請求項５記載の地盤改良体の造成方法。
【請求項７】
上記高分子界面活性剤が、エチレンオキサイド、プロピレンオキサイド及びフェニルグリシジルエーテルのランダム共重合体であって、その重量平均分子量が５万以上１５万以下である、請求項５または６記載の地盤改良体の造成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地盤改良工事において用いられる固化材組成物およびそれを用いた地盤改良体の造成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
軟弱地盤改良工事において地盤の崩落を防止するために、地盤を硬化させる、強度を増加させる、透水性を減少させる等の地盤の安定化を図るための地盤改良工法として、セメントミルク等の固化材を地中深く高圧噴射し、土と撹拌混合する高圧噴射撹拌工法が採用されている。この工法はジェットグラウト工法とも呼ばれ、地盤に多重管を挿入し、管を回転させながら、これらの管先端付近から固化材を地中に高圧噴射し、地盤の土と撹拌混合することで、地盤中に地盤改良体を造成して、地盤の安定化を図るものである。
【０００３】
地中に高圧噴射される固化材として、添加剤を含む固化材組成物が提案されている。たとえば特許文献１には、粉状のセメント系固化材１００質量部に対し、リグニンスルホン酸ナトリウム、炭酸アルカリ金属塩、ポリエチレングリコールとポリプロピレングリコールのブロック共重合体、及び多孔性シリカ粉末からなる添加剤を０．５〜１５質量部含み、固化材と生成するスライムの流動性、スライムの硬化体が発現する早期強度に優れるとされる固化材組成物が開示されている。
【０００４】
また、従来の地盤改良体は、原位置土と固化材との混合体であるため、一般に軟弱な原地盤の圧縮強度やせん断強度を向上させることができるが、未改良部分の存在や強度のばらつきがあるので、引張強度の向上はほとんど期待できない。そこで、原位置土と固化材に加え、繊維を混合した地盤改良体を形成する方法が提案されているが、高圧噴射撹拌工法においては、直径数ｍｍの小型のノズルから高圧（数１０ＭＰａ）の固化材を噴射するため、そのノズルを利用して繊維材を固化材と混合した状態で地盤中に噴射することは困難であることが指摘され、その解決策として、高圧噴射ノズルの直近の負圧領域に別配管で繊維材を送り込む方法（特許文献２）や、繊維を圧入してから固化材を高圧噴射する方法（特許文献３）などが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２８６６５５号公報
【特許文献２】特開２００２−１５５５２８号公報
【特許文献３】特開２０１４−６２３６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、高圧噴射撹拌工法に用いることができ、引張強度の高い地盤改良体を造成することができる固化材組成物、およびその固化材組成物を用いた地盤改良体の造成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、前記の課題を解決すべく研究した結果、セメントを含む乾燥灰分１００重量部に対して、０．０１重量部以上１．０重量部以下の側鎖に芳香環を有する非イオン性高分子界面活性剤と５０重量部以上１４０重量部以下の水とを含む固化材組成物が高圧噴射撹拌工法に適しており、その固化材組成物を用いて造成した硬化体の引張強度が優れていることを見出し、発明を完成させた。
【０００８】
上記高分子界面活性剤は、アルキレンオキサイド及びフェニルグリシジルエーテルのランダム共重合体であることが好ましく、エチレンオキサイド、プロピレンオキサイド及びフェニルグリシジルエーテルのランダム共重合体であることがさらに好ましい。また、上記高分子界面活性剤は、重量平均分子量が５０，０００以上１５０，０００以下であることが好ましい。上記固化材組成物はさらに０．４重量部以上２０重量部以下の炭素繊維を含んでいてもよい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、セメントを含む乾燥灰分１００重量部に対して、０．０１重量部以上１．０重量部以下の側鎖に芳香環を有する非イオン性高分子界面活性剤と５０重量部以上１４０重量部以下の水とを含む固化材組成物であることにより、流動性に優れ、高圧噴射撹拌工法に適した固化材組成物を得ることができる。また、上記固化材組成物を地盤改良に用いることで、引張強度の高い地盤改良体を造成することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の固化材組成物は、側鎖に芳香環を有する非イオン性高分子界面活性剤を含む。上記高分子界面活性剤は主鎖と側鎖とを含む分岐型ポリマーであり、側鎖は芳香環を有するものである。本発明の固化材組成物から造成した地盤改良体の強度が向上することから、側鎖の構造は芳香環を有しているかぎり特に限定されない。地盤改良体の強度向上の作用機序は定かではないが、上記高分子界面活性剤の側鎖が有する芳香環の電子豊富なπ電子系が、セメントの成分である種々のアルカリ金属塩や金属酸化物と相互作用し、バインダーとして機能していると推測する。また、上記高分子界面活性剤を構成する分岐型ポリマーの主鎖の構造としては、上記高分子界面活性剤が非イオン性界面活性剤として機能することができる構造であるかぎり特に限定されず、エステル型、エーテル型、エステル・エーテル型又はアミド型のいずれでもよいが、アルキレンオキサイドの繰り返し単位をもつエーテル型の主鎖であることが好ましい。
【００１１】
上記高分子界面活性剤は、具体的にはアルキレンオキサイドとフェニルグリシジルエーテルのランダム共重合体であることが好ましい。特に、エチレンオキサイドおよびフェニルグリシジルエーテルのランダム共重合体、またはエチレンオキサイドおよびプロピレンオキサイドおよびフェニルグリシジルエーテルのランダム共重合体であることが好ましい。上記高分子界面活性剤は、より具体的にはフェニルグリシジルエーテル（ＰＧＥ）、エチレンオキサイド（ＥＯ）およびプロピレンオキサイド（ＰＯ）に基づき、下記化学式：
【００１２】
【化１】
2019094414.tif 000002
【００１３】
［式中、ｌおよびｎは１以上の整数であり、ｍは０以上の整数であり、ＰＧＥ、ＥＯおよびＰＯの配列順序はランダムである。］
で示される構造単位を有することが好ましい。
【００１４】
ｌは、１以上の整数であり、ｍは、０以上の整数である。ｎは１以上の整数であり、好ましくは６０以上であり、特に好ましくは１５０以上である。
【００１５】
エチレンオキサイドとフェニルグリシジルエーテルの共重合比（質量比）ＥＯ：ＰＧＥは、好ましくは７０：３０〜９９.５：０.５、より好ましくは８０：２０〜９９.５：０.５、特に好ましくは８０：２０〜９９：１である。また、プロピレンオキサイドを含む場合、その共重合比（質量比）は、好ましくは３０以下、より好ましくは２０以下、特に好ましくは１０以下である。
【００１６】
上記高分子界面活性剤の共重合比が上記範囲内であると、上記高分子界面活性剤を含む本発明の固化材組成物を用いて造成した地盤改良体における引張強度の向上効果が良好に発揮されやすい。
【００１７】
上記高分子界面活性剤の重量平均分子量Ｍｗは、本発明の固化材組成物から形成した地盤改良体の引張強度向上の観点からは大きいほうが好ましいが、大きすぎると上記固化材組成物の高圧噴射が困難になる。重量平均分子量Ｍｗの範囲としては、好ましくは４，０００〜１０，０００，０００、より好ましくは４，０００〜１，０００，０００、特に好ましくは５，０００〜１５０，０００である。
【００１８】
重量平均分子量Ｍｗは、例えば、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー（ＧＰＣ）を用いて下記測定条件下で測定することができる。
＜測定条件＞
装置：製品名「ＬＣ−１０ＡＤ」（株式会社島津製作所製）
検出器：示差屈折率検出器（ＲＩＤ）
カラム：製品名「ＳＨＯＤＥＸ ＫＦ−８０４」（昭和電工株式会社製）
測定温度：３０℃
溶離液：ＴＨＦ
流速：１．０ｍＬ／ｍｉｎ
サンプル濃度：０．２質量％（ＴＨＦ）
サンプル注入量：１００μＬ
換算標準：ポリエチレンオキサイド
上記高分子界面活性剤の分子量分布（重量平均分子量Ｍｗ／数平均分子量Ｍｎ）は、特に限定されないが、好ましくは５以下、より好ましくは３以下、特に好ましくは２以下である。数平均分子量Ｍｎは、上記した重量平均分子量Ｍｗの測定と同様、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー（ＧＰＣ）を用いて測定することができる。上記高分子界面活性剤の分子量分布が上記範囲内であると、例えば、上記高分子界面活性剤を含む固化材組成物が高圧噴射に適した粘度を有することができ、上記固化材組成物から形成した地盤改良体における引張強度の向上効果が良好にもたらされやすい。
【００１９】
上記高分子界面活性剤のランダム度は、特に限定されない。
【００２０】
本発明の固化材組成物は、セメントなどの硬化材を含む乾燥灰分の重量に対し、芳香環を側鎖に有する非イオン性高分子界面活性剤および水を特定の量比含む組成物である。
【００２１】
上記高分子界面活性剤の含有量は上記固化材組成物の乾燥灰分１００重量部に対し、０．０１重量部以上、１．０重量部以下、好ましくは０．０３重量部以上、０．９重量部以下、より好ましくは０．０５重量部以上、０．７重量部以下である。ここで「乾燥灰分」とは、セメントなどの硬化材および他の固体骨材充填材材料を含み、上記高分子界面活性剤および後述する炭素繊維は含まない。
【００２２】
上記高分子界面活性剤の含有量が少ないと、本発明の固化材組成物を用いた地盤改良体への引張強度向上の効果が低く、特に０．０１重量部未満である場合は引張強度向上の効果が見られない。いっぽう、上記ポリアルキレンオキサイドの含有量が多すぎると、本発明の固化材組成物の粘度が高くなって高圧噴射が困難となり、１．０重量部を超過すると高圧噴射が不可能となる。
【００２３】
本発明の固化材組成物はスラリーを形成するための水を含む。水の含有量は、固化材組成物の乾燥灰分１００重量部あたり５０重量部以上、１４０重量部以下であり、好ましくは６０重量部以上、１３０重量部以下、より好ましくは７０重量部以上、１２０重量部以下である。固化材組成物への水の含有量が少ないと、固化材組成物の粘度が高くなるため、圧送ラインでの閉塞が起きやすくなるとともに、高圧噴射が困難となる。特に５０重量部未満である場合は、高圧噴射が不可能となる。いっぽう、水の含有量が多いと固化材組成物の硬化に時間がかかるため、地盤改良体の造成の初期強度の発現が不十分なものとなる。加えて、固化材組成物の粘度が低いことで固化材組成物の逸走が起きやすくなり、地盤改良体を好適に造成できないこともある。
【００２４】
本発明の固化材組成物に含まれる硬化材としては、１）普通セメント、早強セメント、超早強セメント、中庸熱セメント等の各種ポルトランドセメント、２）高炉セメント、フライアッシュセメント、シリカセメント等の各種混合セメント等が挙げられ、これらの１種又は２種以上を適宜使用できる。なかでも、粉状のセメント系固化材としては、各種ポルトランドセメントと、その７０質量％以下の範囲内で高炉スラグ微粉末、フライアッシュ、シリカヒューム微粉末、石灰石微粉末、石膏等の微粉末混和材料とを混合したものが好ましく、普通ポルトランドセメント及び高炉セメントＢ種から成り、且つ普通ポルトランドセメントを１０〜４０質量％及び高炉セメントＢ種を６０〜９０質量％（合計１００質量％）の割合で含有するものがより好ましい。
【００２５】
本発明の固化材組成物には、さらに炭素繊維を含むことが好ましい。炭素繊維の含有量は、固化材組成物の乾燥灰分１００重量部に対して０．４重量部以上、２０重量部が好ましく、０．５重量部以上、１０重量部以下が特に好ましい。炭素繊維としては、例えば、例えばポリアクリロニトリル系（ＰＡＮ系）炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、又はカイノール炭素繊維、又はレーヨン系炭素繊維が挙げられる。これらのうち、メソフェーズピッチを紡糸原料とした炭素繊維が好適に用いられる。このメソフェーズピッチ系炭素繊維には、石炭系、石油系あるいは合成ピッチ系など従来公知のメソフェーズピッチからの炭素繊維が使用できる。本発明の固化材組成物が任意で上記炭素繊維を含むことにより、造成した地盤改良体がさらに優れた引張強度を示す。
【００２６】
本発明の固化材組成物に任意に含まれる炭素繊維は、平均繊維径が３〜２０μｍ、好ましくは５〜１８μｍの炭素繊維である。炭素繊維の繊維径が２０μｍを超過すると、繊維径に対する繊維長の比であるＬ／Ｄが一般的に小さくなる傾向にあるため、地盤改良体への引張強度向上効果が十分に得られない。繊維径が小さすぎると固化材組成物中に均一に分散させることが難しくなる傾向にある。また、炭素繊維の長さは１〜１０ｍｍ程度であり、好ましくは２〜７ｍｍである。炭素繊維の繊維長が長すぎると固化材組成物の高圧噴射の際にノズルを閉塞させる恐れがあり、短すぎると固化材組成物から形成した地盤改良体の引張強度向上効果が十分に得られない。なお、繊維径に対する繊維長の比（Ｌ／Ｄ）は、１００以上が好ましい。Ｌ／Ｄが小さすぎると、地盤改良体への引張強度向上効果が十分に得られない。繊維は一本一本が分散されたものでも、集束剤で集束したものであっても良く、任意に適宜選択される。
【００２７】
本発明の固化材組成物には、本発明の効果を阻害しない範囲で、さらに任意の骨材、充填材、減水剤、増粘剤、流動性調整剤、消泡剤、防腐剤、凝結遅延剤、凝結促進剤などを含むことができる。
【００２８】
以上説明した本発明の固化材組成物は、公知の方法で製造できる。たとえば、上記高分子界面活性剤水溶液に、任意で上記炭素繊維を添加、混合した後、セメントなどの上記硬化剤を添加して混練する方法である。
【００２９】
また、本発明の固化材組成物は各種の地盤改良工事、なかでも高圧噴射撹拌工法に有用である。高圧噴射撹拌工法は、地上から地中（３０ｍ〜５０ｍ）まで直径１５ｃｍ程度の削孔を行い、孔内に供給管を通して切削用固化材組成物を超高圧（５〜５０ＭＰａ）で圧送、供給し、先端に設置されたノズルからジェット噴流により周辺地盤を切削する。切削した土砂を地上に排出しながら、次いで噴射する硬化用固化材組成物と撹拌混合することで地中に柱状の地盤改良体を造成する。なお、上記切削用固化材組成物と上記硬化用固化材組成物は同一組成でもよいが、異なった組成でもよい。本発明の固化材組成物は、優れた引張強度を有する地盤改良体を形成することが可能であることから、特に硬化用固化材組成物として用いることが好ましい。
【００３０】
さらに、本発明の炭素繊維を含む固化材組成物は、上述の高分子界面活性剤を含むため、組成物中での炭素繊維の分散性が高いことが特徴である。炭素繊維の分散性が高いことにより、地盤改良体としたときに強度が発現しやすく、また、固化材組成物を地中に噴射する際にノズルを閉塞することが無いため、単一の供給管による地中への圧送が可能である。
【実施例】
【００３１】
以下、本発明を実施例により更に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００３２】
〔実施例１〕
撹拌ボウルに水５．６ｋｇと水で４倍に希釈したＡＥ減水剤（ＢＡＳＦ社製「ポゾリスＮｏ．８」）７０ｇを投入し、次いで高分子界面活性剤（明成化学工業製「アルコックスＣＰ−Ｂ２（エチレンオキサイド、プロピレンオキサイド及びフェニルグリシジルエーテルのランダム共重合体）」）を３．７８ｇ添加して、攪拌機（愛工舎製作所製「マイティＳ２０」、撹拌羽としてビータータイプを使用）を用いて６０秒間攪拌した。さらに消泡剤（明成化学工業製「フォームレス」）を数滴と炭素繊維（クレハ製「ＫＣＦ−１００  Ｃ−１０３Ｓ」）６３ｇを添加し、１５０秒間攪拌した。炭素繊維が凝集せず分散していることを目視で確認し、ポルトランドセメントを少しずつ投入後、９０秒間攪拌した。撹拌ボウルから内容物を別の容器に移し、ボウル底に残った沈殿物をヘラで破砕した後、内容物を別の容器からボウルに戻してさらに９０秒間撹拌し、固化材組成物とした。
【００３３】
金属製供試体型（直径１００ｍｍ、高さ２００ｍｍ）に上記固化材組成物を詰め、型枠の上部にガラス板を乗せて、恒温室において２０℃で１週間養生後、型抜きをして供試体を得た。この供試体の割裂引張強度（ＪＩＳ  Ａ  １１１３：２００６）を、全自動圧縮試験機（マルイ製  Ｈｉ−ＡＣＴＩＳ−２０００（２０００Ｎ））を用いて測定した。割裂引張破断強度は１．５５Ｎ／ｍｍ２であった。
【００３４】
〔比較例１〕
撹拌ボウルに水５．６ｋｇと水で４倍に希釈したＡＥ減水剤（ＢＡＳＦ社製「ポゾリスＮｏ．８」）７０ｇを投入し、ポルトランドセメントを少しずつ投入後、実施例１と同じ攪拌機を用いて９０秒間攪拌した。撹拌ボウルから内容物を別の容器に移し、ボウル底に残った沈殿物をヘラで破砕した後、内容物を別の容器からボウルに戻してさらに９０秒間撹拌し、固化材組成物とした。
【００３５】
この固化材組成物を用い、実施例１と同様にして測定した供試体の割裂引張破断強度は０．９０Ｎ／ｍｍ２であった。
【００３６】
〔参考例１〕
高分子界面活性剤に加え、ポリエーテル型ポリウレタン（明成化学工業製「パルセットＨＡ」）を３．７８ｇ添加したこと以外は実施例１と同様にして供試体を得た。この供試体の割裂引張破断強度は１．５０Ｎ／ｍｍ２であった。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は、高圧噴射撹拌工法において引張強度の高い地盤改良体を造成することができる固化材組成物を提供し、その固化材組成物を用いた地盤改良体の造成方法を提供することができるため産業上の利用可能性を有する。