(57)【要約】【課題】セメントの省資源化及び石炭灰の有効活用を図ることができ、かつ、硬化した際に安定した品質の改良体を造成することができる地盤改良工法用改良材スラリー、特に、高圧噴射撹拌工法において施工性に問題のない地盤改良工法用改良材スラリー、及びそれを用いた地盤改良工法を提供すること。【解決手段】セメント１００重量部、石炭灰１４〜７００重量部、混和剤０．７５〜１２重量部、及び水を含む地盤改良工法用改良材スラリーは、硬化した際に安定した品質の改良体を造成することができることから、地盤改良工法において有用である。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
セメント１００重量部、石炭灰１４〜７００重量部、混和剤０．７５〜１２重量部、及び水を含むことを特徴とする地盤改良工法用改良材スラリー。
【請求項２】
前記水をセメントと石炭灰との合計に対して重量比で０．７〜１．０の範囲内で含むことを特徴とする請求項１に記載の地盤改良工法用改良材スラリー。
【請求項３】
石炭灰が１００重量部超〜７００重量部であることを特徴とする請求項１に記載の地盤改良工法用改良材スラリー。
【請求項４】
石炭灰が、１００μｍ以下の微粉末であり、球形をしていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の地盤改良工法用改良材スラリー。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の地盤改良工法用改良材スラリーを用いることを特徴とする地盤改良工法。
【請求項６】
前記地盤改良工法用改良材スラリーを地盤中に高圧噴射するとともに前記地盤中の土と撹拌混合し、前記地盤改良工法用改良材スラリーを固化させることを特徴とする請求項５に記載の地盤改良工法。
【請求項７】
地盤中に水を高圧噴射して地盤を切削してスライムを前記地盤中から排出するとともに、前記地盤改良工法用改良材スラリーを切削した前記地盤中に充填し、前記地盤改良工法用改良材スラリーを固化させることを特徴とする請求項５に記載の地盤改良工法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、石炭灰を使用した地盤改良工法用改良材スラリー、及びそれを用いた地盤改良工法に関する。
【背景技術】
【０００２】
軟弱地盤の改良工法として、従来、ＪＳＧ（Jumbo-Jet-Special Grout）工法、ＣＪＧ（Column Jet-Grout）工法、ＣＣＰ(Chemical-Churning-Pile)工法等の高圧噴射撹拌工法などが知られている。これらの地盤改良工法においては、セメント系の改良材スラリーを用いているが、その改良体（硬化体）の品質（特に、強度）のばらつきが大きいことから、セメント等の固化材粉体の最低添加量が施工性から定められており（非特許文献１参照）、結果的に高強度の目標配合で経済性の高い改良体を施工せざるを得なかった。
【０００３】
近年、セメントの省資源化を図るため、セメントの一部を石炭灰や石膏などに置換した改良材スラリーの開発がなされるとともに、地盤改良工法において重要となる改良材スラリーの流動性や粘性を確保するための混和剤の開発もなされている（例えば、特許文献１参照）。
【非特許文献１】ジェットグラウト工法技術資料  第１２版  日本ジェットグラウト協会出版  発行年月日  平成１６年９月
【特許文献１】特開２００４−２５６５８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、セメントの省資源化及び石炭灰の有効活用を図ることができ、かつ、硬化した際に安定した品質の改良体を造成することができる地盤改良工法用改良材スラリー、特に、高圧噴射撹拌工法において施工性に問題のない地盤改良工法用改良材スラリー、及びそれを用いた地盤改良工法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】
【０００５】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、セメントの一部を石炭灰（特に、フライアッシュ）に置換した改良材スラリーを土と混合して固化させても、所定の強度及び変形性能を満たす改良体を造成することができることを見出した。特に、石炭灰の含有量がセメントの含有量より多くても、得られた改良体が所定の強度及び変形性能を満たすことが明らかになった。また、セメントの一部を石炭灰に置換することにより、改良体の強度が材齢の進行とともに増進することを見出した。このことから、石炭灰を用いた改良材スラリーは、健全性に対して優れていることが示された。さらに、セメントの一部を石炭灰に置換することにより、品質が安定した改良体を得ることができることを見出した。
【０００６】
また、セメントの一部を石炭灰に置換しても、石炭灰をセメントの添加量（質量）より多く添加しても、スラリーの流動性や粘性に与える影響はほとんどないことを見出した。
【０００７】
さらに、現場における地盤改良試験工事から、石炭灰をセメントの添加量より多く添加した改良材スラリーを用いても所定の強度を満たし、施工性（例えば、噴射ノズル等の機器の損傷、流動性や粘性、スライムの排出など）に全く問題がないことが明らかになった。これは、使用した石炭灰が１００μｍ以下の微粉末の球形であったことによるものではないかと考えられた。
【０００８】
また、セメントの一部を石炭灰に置換した改良材スラリー、特に、セメントの含有量より石炭灰の含有量を多くした改良材スラリーは、従来のセメント、混和剤、及び水からなる改良材スラリーにおけるブリージングと比較してほとんど変化しないことが明らかになった。
【０００９】
このようにして、本発明者らは本発明を完成するに至った。  
すなわち、本発明に係る地盤改良工法用改良材スラリーは、セメント１００重量部、石炭灰１４〜７００重量部、混和剤０．７５〜１２重量部、及び水を含むことを特徴とするが、前記水は、セメントと石炭灰との合計に対して重量比で０．７〜１．０の範囲内で含ませることが好ましい。また、前記石炭灰は１００重量部超〜７００重量部であることが好ましい。さらに、本発明に係る地盤改良工法用改良材スラリーは、石炭灰、セメント、混和剤、及び水のみからなることが好ましい。なお、前記石炭灰としては、１００μｍ以下の微粉末であり、球形をしているものを用いることが好ましい。
【００１０】
本発明に係る地盤改良工法は、上述の地盤改良工法用改良材スラリーを用いることを特徴とする。なお、前記地盤改良工法用改良材スラリーを用いた施工法としては、例えば、ＣＣＰ工法、ＪＳＧ工法、ＣＪＧ工法等の高圧噴射撹拌工法を挙げることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、セメントの省資源化及び石炭灰の有効活用を図ることができ、かつ、硬化した際に安定した品質の改良体を造成することができる地盤改良工法用改良材スラリー、特に、高圧噴射撹拌工法において施工性に問題のない地盤改良工法用改良材スラリー、及びそれを用いた地盤改良工法を提供することができる。また、本発明によれば、経済性に優れた地盤改良工法用スラリーや地盤改良工法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
上記知見に基づき完成した本発明を実施するための形態を、実施例を挙げながら詳細に説明する。
【００１３】
上述のように、セメントの一部を石炭灰に置換した、セメント、石炭灰、混和剤、及び水からなる改良材スラリーは、従来のセメント、混和剤、及び水からなる改良材スラリーの流動性や粘性と同程度であって、土と撹拌混合して固化することにより所定の強度及び変形性能を獲得することができることが明らかになった。また、石炭灰を添加することにより、長期に堅固な改良体を形成し、品質が安定した改良体を得ることができることも明らかになった。さらに、石炭灰を添加してもブリージング現象が起こらないことも明らかになった。これらのことから、セメント、石炭灰、混和剤、及び水を含む改良材スラリーは地盤改良に有用であるといえる。また、本発明により、セメントの省資源化を図るとともに、石炭灰の有効活用を図ることが可能となる。
【００１４】
まず、本発明に係る地盤改良工法用改良材スラリーに含ませる成分について説明する。  
本発明に係る地盤改良工法用改良材スラリーに含ませるセメントとしては、例えば、ポルトランドセメント（例えば、普通ポルトランドセメントなど）、アルミナセメント（例えば、石灰アルミナセメントなど）、高炉セメント（例えば、高炉Ｂ種セメント（高炉セメントＢ種ともいう。）など）、若しくはポゾランセメント（例えば、フライアッシュセメント、シリカセメントなど）等の公知のセメントを用いることができるが、２種以上のセメントを用いることとしてもよい。
【００１５】
また、本発明に係る地盤改良工法用改良材スラリーに含ませる石炭灰としては、普通灰、ＰＦＢＣ（Pressurized Fluidized Bed Combustion Combined Cycle）灰など、どのようなものを用いることとしてもよいが、高い強度を発現することができる、未燃カーボン量が少ない石炭灰（例えば、ＰＦＢＣ灰など）を用いることが好ましく、施工性を損なうことがない１００μｍ以下の微粉末で球形をした石炭灰を用いることが特に好ましい。
【００１６】
本発明に係る地盤改良工法用改良材スラリーに含ませる混和剤としては、ベントナイト系の分散剤を用いることができるが、その他、施工性、経済性等を損なわせない範囲内で公知の混和剤を１又は２種以上、単独で又はベントナイト系の分散剤と組み合わせて用いることとしてもよい。
【００１７】
ここで、本発明に係る地盤改良工法用改良材スラリーに含ませるセメントと石炭灰との重量比としては１：７〜７：１の範囲内、すなわち、セメント１００重量部に対して１４〜７００重量部であれば特に制限されるものではないが、経済性、省資源化、石炭灰の有効活用等の観点から、セメントの添加量（含有量）より石炭灰の添加量の方が多いこと、すなわち、セメント１００重量部に対して１００重量部超〜７００重量部であることが好ましい。なお、石炭灰の量をセメント１００重量部に対して７００重量部を上限としたのは、セメントが固化材の総量に対して少なくとも１２．５％以上含まれていないと十分な強度が得られないのではないかと考えられたためである。また、石炭灰の量をセメント１００重量部に対して１４重量部を下限としたのは、石炭灰が固化材の総量に対して少なくとも１２．５％以上含まれていないと改良材スラリーを固化させた際に、発現強度にバラツキが生じ、安定した強度を有する改良体が得られないのではないかと考えられたためである。
【００１８】
本発明に係る地盤改良工法用スラリーに含ませる混和剤は、セメント１００重量部に対して０．７５〜１２重量部であることが望ましい。なお、混和剤の量をセメント１００重量部に対して０．７５重量部を下限としたのは、０．７５重量部未満では混和剤の効果を十分に得ることができず、また、セメント１００重量部に対して１２重量部を上限としたのは、１２重量部を超えて添加しても混和剤の効果は飽和して経済性を損ねるのではないかと考えられたためである。
【００１９】
本発明に係る地盤改良工法用スラリーに含ませる水は、例えば、セメントと石炭灰との合計に対して重量比（水／(セメント＋石炭灰)）で０．７〜１．０の範囲内であることが好ましいが、施工性を損なわない量であれば特にこの範囲内に限定されるものではない。
【００２０】
なお、本発明に係る地盤改良工法用改良材スラリーは、セメント、石炭灰、混和剤、及び水以外に、施工性を損なわせない条件下（例えば、添加量や粒径など）で骨材（例えば、砂、スラグ、鋳物廃砂など）、石膏等を固化材の一部として含んでいてもよいが、経済性、省資源化等の観点から、セメント、石炭灰、混和剤、及び水のみからなるものであることが好ましい。
【００２１】
次に、本発明に係る地盤改良工法用スラリーを用いた地盤改良工法について説明する。  
本発明に係る地盤改良工法としては、地盤改良工法用改良材スラリーを用いた施工法であればどのようなものでもよく、例えば、ＣＣＰ工法等の単管式高圧噴射撹拌工法、ＪＳＧ工法等の二重管式高圧噴射撹拌工法、ＣＪＧ工法等の三重管式高圧噴射撹拌工法などを挙げることができる。本発明に係る地盤改良工法がＪＳＧ工法によるものである場合には、本発明に係る地盤改良工法用改良材スラリーを地盤中に高圧噴射するとともに地盤中の土と撹拌混合し、地盤改良工法用改良材スラリーを地盤中で固化させる工程を含む。また、本発明に係る地盤改良工法がＣＪＧ工法によるものである場合には、地盤中に水を高圧噴射して地盤を切削してスライムを地盤中から排出するとともに、地盤改良工法用改良材スラリーを切削した地盤中に充填し、地盤改良工法用改良材スラリーを地盤中で固化させる工程を含む。
【００２２】
以上のように、本発明に係る地盤改良工法により、所定の強度及び変形性能を満たし、品質が安定した改良体を造成することが可能となる。従って、本発明に係る地盤改良工法は、軟弱地盤の改良に有用であると考えられる。
【実施例】
【００２３】
以下に本発明を実施例及び図によって具体的に説明する。
【００２４】
［実施例１］
高圧噴射撹拌工法においては、地中内で高圧噴射させる改良材スラリーの流動性が重要な鍵となる。そこで、セメントの一部を石炭灰に置換しても流動性が損なわれないかどうかを確認した。
【００２５】
表１に示すように、普通ポルトランドセメント（太平洋セメント社製）、石炭灰（普通灰；中国電力社製）、混和剤（NL4000；ポゾリス社製）、及び水を撹拌混合し、各改良材スラリーを作製した。その後、各改良材スラリーを表２に示す物性の土壌に対して流し込みながら、ミキサーにて撹拌混合し、各スラリー体を作製した。これらのスラリー体を用いて、Ｐ漏斗試験（土木学会基準のＪＳＣＥ Ｆ５２１−１９９４の方法（プレパックドコンクリートの注入モルタル流動性試験法）に準拠）を行い、さらに、ファンネル粘度計（(株)ソーキ社製）を用いてファンネル粘性を測定した。その結果を図１に示す。
【００２６】
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【００２７】
図１に示すように、セメントの一部を石炭灰に置換し、石炭灰の添加量を増大させてもスラリーの流動性や粘性には影響がないことが明らかになった。また、本実施例により、セメントの比重より低い石炭灰を用いてもスラリーの流動性や粘性が変化しないことから、施工性が損なわれることはないと考えた。
【００２８】
［実施例２］
次に、２種類の石炭灰（普通灰及びＰＦＢＣ灰）を用いて、表３に示すように、高炉セメントＢ種、石炭灰、混和剤、及び水を撹拌混合し、各改良材スラリーを作製した。その後、２０±３℃で恒温湿潤養生して固化させ、各供試体（それぞれ３個ずつ）を作製した。なお、供試体の作製は、地盤工学会基準「締め固めを伴わない安定処理土の試験方法（ＪＧＳ ０５１１）」に準じて行った。その後、材齢７日及び２８日における各供試体の室内一軸圧縮試験（地盤工学会基準「土の一軸圧縮試験方法（ＪＩＳ Ａ １２１６）」に準拠）を行い、各供試体の圧縮応力を測定した。その結果を表４及び図２に示す。
【００２９】
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【００３０】
表４及び図２に示すように、セメントの一部を石炭灰に置換し、石炭灰の添加量を増大させても、日本ジェットグラウト強化によって定められた設計基準強度（ｑｃ＝１０００ＫＮ／ｍ２）を満足できることが明らかになった。また、未燃炭素が多く、ＰＦＢＣ灰に比べて自硬性が低い普通灰を用いても十分な強度を得ることができることが明らかになった。さらに、この試験結果から、セメント１００ｋｇに対して石炭灰を７００ｋｇ添加しても設計基準強度を十分に満足することができる改良体を得ることができることが示唆された。
【００３１】
また、石炭灰添加量と強度増進率（σ２８／σ７比）との関係から（表４及び図３参照）、石炭灰の添加により、材齢の進行に伴い強度が増大することが明らかになった。このように、石炭灰は長期に堅固な改良体を形成していくことから、健全性に対して優れているといえる。
【００３２】
［実施例３］
施工現場においては、地下に埋設ケーブルが存在する場合がある。そこで、上記改良体が埋設ケーブルを防護することができるかどうかを調べるため、石炭灰として普通灰を用い、実施例２に記載の方法と同様に各供試体を作製し、各供試体の変形性能を評価した。なお、変形性能の評価は、JIA A 1106:1999  コンクリートの曲げ強度試験方法に準じて行った。その結果を図４に示す。
【００３３】
図４に示すように、全ての改良体は日本ジェットグラウト協会によって定められている所定の変形性能（Ｅ５０＝１００ＭＮ／ｍ２）を十分に満たしていることが明らかになった。このことから、各改良体は、現場において強度の低下が生じても沈下対策工として有効であることが示唆された。また、この試験結果から、セメント１００ｋｇに対して石炭灰を７００ｋｇ添加しても所定の変形性能を十分に満足することができる改良体を得ることができることが示唆された。
【００３４】
［実施例４］
次に、表３に示すように、普通灰と高炉セメントＢ種を５：３の割合で混和剤及び水と撹拌混合して改良材スラリーを作製し、表２に示す物性の土壌に対し、深さ１３．０ｍ、注入圧力２０ＭＰａの条件下でＪＳＧマシン（ＹＢＭ社製）を用いて、ジェットグラウト工法（ＪＳＧ）による地盤改良試験工事を行った。
【００３５】
施行から２８日目に各改良体からそれぞれ３本のコアを採取し、各コアの各深度部に対して一軸圧縮試験（地盤工学会基準「土の一軸圧縮試験方法（ＪＩＳ Ａ １２１６）」に準拠）を行い、各改良体の各深度における圧縮強度を調べた。その結果を表５に示す。
【００３６】
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【００３７】
表５に示すように、どの改良体も各深度において設計基準強度（１０００ＫＮ／ｍ２）を十分満たしていることが明らかになった。また、この試験工事によって、セメントの比重より低い石炭灰を用いても施工性には影響がないことが明らかになった。さらに、本実施例において使用した噴射ノズルは直径約２ｍｍ程度と非常に小さいが、本実施例において使用した石炭灰は、１００μｍ以下の微粉末で球形をしていることから、石炭灰の添加による噴射ノズルの損傷は生じないものと考えられた。
【００３８】
［実施例５］
次に、表１に示すように、普通ポルトランドセメント、普通灰、混和剤、及び水を撹拌混合して各改良材スラリーを作製し、表２に示す物性の土壌に対し、深さ１５ｍ、注入圧力２０ＭＰａの条件下でＣＪＧマシン（トーメック社製）を用いて、コラムジェットグラウト工法（ＣＪＧ）による地盤改良試験工事を行った。
【００３９】
施行から９１日目に各改良体からそれぞれ３本のコアを採取し、各コアの上部、中部、下部に対し、一軸圧縮試験（地盤工学会基準「土の一軸圧縮試験方法（ＪＩＳ Ａ １２１６）」に準拠）を行い、コアの上部、中部、下部の圧縮強度を測定し、それらの平均を算出して各改良体の圧縮強度を求めた。また、同様に、施工から１２０日目に各改良体からそれぞれ３本のコアを採取し、各改良体の圧縮強度を求めた。それらの結果を図５に示す。
【００４０】
図５に示すように、セメント、混和材、及び水のみからなる改良材スラリーを用いた場合、圧縮強度のバラツキが大きいのに対して、セメントの一部を石炭灰に置換した改良材スラリーは、固化することによって圧縮強度のバラツキが抑制されることが明らかになった。特に、セメントの含有量がセメントと石炭灰との合計量に対して５０％である場合には、改良体の圧縮強度のバラツキを効果的に抑制することが明らかになった。このことから、セメントの一部を石炭灰に置換することにより、品質が安定した改良体を得ることができることが明らかになった。
【００４１】
［実施例６］
ＣＧＪ工法においては、施行後にブリージング現象が起こって地盤沈下が伴う場合がある。そこで、セメントの一部を石炭灰に置換することにより、ブリージングが増大するかどうかを調べるため、表１に示すように、高炉セメントＢ種、石炭灰、混和剤、及び水を撹拌混合して各改良材スラリーを調製した後、固化させて改良体を作製し、JIS A 1123  コンクリートのブリージング試験方法に準じてブリージング試験を行った。
【００４２】
その結果、Ｎｏ．２〜Ｎｏ．６の改良体は、Ｎｏ．１の改良体のブリージング率とほぼ同じであることが明らかになった。このことから、セメントの一部を石炭灰に置換してもブリージングによる品質低下は生じないことが明らかになった。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の一実施例において、セメントと石炭灰との総重量に対し、石炭灰の含有量を変化させた場合の、改良材スラリーの流動性や粘性に与える影響を調べた結果を示す図である。
【図２】本発明の一実施例において、固化材粉体における石炭灰の添加量を変化させた場合の一軸圧縮強度の変化を調べた結果を示す図である。
【図３】本発明の一実施例において、固化材粉体における石炭灰の添加量を変化させた場合の強度増進率の変化を調べた結果を示す図である。
【図４】本発明の一実施例において、固化材粉体におけるセメントの添加量を変化させた場合の変形性能の変化を調べた結果を示す図である。
【図５】本発明の一実施例において、石炭灰の割合を変化させた各改良材スラリーを用いてＣＪＳ工法を行った場合に、得られた各改良体の一軸圧縮強度を調べた結果を示す図である。
【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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