(57)【要約】【課題】ゲルタイムの調整が容易で、硬化後の溶液の流出が少ない地盤注入剤及びそれを用いた地盤注入工法を提供する。【解決手段】アルカリ金属珪酸塩、水溶性チタン塩、及び１Ａ族元素を含むカルボン酸塩を用いた地盤注入剤である。また、アルカリ金属珪酸塩を含有するアルカリ性水溶液のＡ剤、及び水溶性チタン塩と１Ａ族元素を含むカルボン酸塩を含有する酸性水溶液のＢ剤を別々に圧送し、注入口付近で合流混合することを特徴とする地盤注入工法である。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルカリ金属珪酸塩、水溶性チタン塩、及び１Ａ族元素を含むカルボン酸塩を用いたことを特徴とする地盤注入剤。
【請求項２】
アルカリ金属珪酸塩を含有するアルカリ性水溶液のＡ剤、及び水溶性チタン塩と１Ａ族元素を含むカルボン酸塩を含有する酸性水溶液のＢ剤を用いた請求項１に記載の地盤注入剤。
【請求項３】
前記１Ａ族元素を含むカルボン酸塩が、カルボン酸のナトリウム塩又はカリウム塩である請求項１又は２に記載の地盤注入剤。
【請求項４】
前記１Ａ族元素を含むカルボン酸塩が、クエン酸ナトリウム及び／又はクエン酸カリウムである請求項３に記載の地盤注入剤。
【請求項５】
前記水溶性チタン塩１００部に対して、前記１Ａ族元素を含むカルボン酸塩を５０〜２００部含有する請求項１〜４のいずれか一項に記載の地盤注入剤。
【請求項６】
前記水溶性チタン塩が、硫酸チタンであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の地盤注入剤。
【請求項７】
前記Ｂ剤の固形分濃度が５〜５０％の溶液であることを特徴とする請求項２〜６のいずれか一項に記載の地盤注入剤。
【請求項８】
請求項２〜７のいずれか一項に記載のＡ剤とＢ剤とを別々に圧送し、注入口付近で合流混合することを特徴とする地盤注入工法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種土木工事における地盤改良工事や止水工事で用いられる地盤注入剤及びそれを用いた地盤注入工法に関する。
【背景技術】
【０００２】
トンネル土木や都市土木等で、地山や地盤の安定化を図るために、薬液型の地盤注入剤が用いられてきた。この地盤注入剤には、セメント系粒子を含有する懸濁型と、セメント系粒子を含有しない溶液型が知られている。
【０００３】
懸濁型は、強度発現性が優れるといったメリットを有する反面、薬液の浸透性が低いので粒子間隔の小さい緻密な砂質層に適さなかった。懸濁型の中でもセメント系注入剤はゲルタイムが長いため止水工事に適さなかった。
【０００４】
一方、溶液型は、薬液の浸透性が高いので粒子間隔の小さい緻密な砂質層や止水工事に適している。
溶液型注入剤は、水に溶解する化合物を用いる注入剤であり、有機溶液、酸、及びアルカリ溶液を単体又は複合して使用するものである（特許文献１〜６参照）。
【特許文献１】特開昭５２−１１３５０５号公報
【特許文献２】特公昭５７−０４７２２６号公報
【特許文献３】特開昭５２−０８７８０７号公報
【特許文献４】特開昭５１−０８２９１３号公報
【特許文献５】特開昭５２−１２０５０７号公報
【特許文献６】特開昭５７−１９５７８６号公報
【０００５】
上記のような溶液型注入剤に用いられる無機塩としては、例えば炭酸塩、塩化物、硫酸塩、ホウ酸塩、及びリン酸塩が知られている。有機溶液としては、エステル類−酢酸モノエーテルグリコール、プロピレンカーボネート、アルデヒド類−ホルムアルデヒド、ギ酸メチル、及びグリオキザール等が挙げられる。酸としては硫酸が挙げられる。
【０００６】
また、注入後、直に注入物がゲル化して地盤を安定化させるものが求められているが、「（１）ケイ酸ソーダ、（２）グリオキサール、（３）水溶性のアルミニウム塩、および（４）水溶性の有機酸、水溶性の無機酸および水溶性の酸性無機塩のうちの少なくとも一種、が添加された水性混合液」を用いた地盤注入剤の発明（特許文献７）に挙げられるように、主剤と反応剤を混合してからゲル化するまでに数分を要するようなものであった。
【特許文献７】特開昭６２−１９９６８４号公報
【０００７】
さらに、特許文献８〜１０には、水ガラスと酸性材を有効成分として含有するゲルタイムの調整可能な地盤注入剤の発明が開示され、酸として、酢酸、クエン酸、グルコン酸等の有機酸を用いることが記載されている（特許文献８の段落［００４３］、段落［００９４］の表２、特許文献９の段落［００４８］、段落［０１０３］、特許文献１０の段落［００５２］、段落［０１１７］の表２）が、ゲルタイムを調整するために、有機酸塩（カルボン酸塩）を用いることは示されていない。
【特許文献８】特開２００４−１９６９１５号公報
【特許文献９】特開２００４−１９６９２２号公報
【特許文献１０】特開２００５−７５８９９号公報
【０００８】
また、特許文献１１には、「アルカリ金属珪酸塩を含有する水溶液のＡ剤と、アルカリ金属アルミン酸塩と有機酸を含有する水溶液のＢ剤とからなる地盤注入剤。」（請求項１）の発明において、クエン酸ソーダを用いることが示されているが、このクエン酸ソーダは、クエン酸、グルコン酸、リンゴ酸、酒石酸等の有機酸と同等のものとして示されている（段落［００１４］、［００２１］、［００２７］、［００２８］）だけであり、特にゲルタイムを調整するために用いるものではなく、また、「アルカリ金属アルミン酸塩」という特定の反応剤を必須とするものであるから、アルカリ金属珪酸塩と、「アルカリ金属アルミン酸塩」以外の無機塩を用いた場合のゲルタイムを調整するために、クエン酸ソーダを用いることを示唆するものではない。
【特許文献１１】特開２００５−１４６１６１号公報
【０００９】
特許文献１２にも、「アルカリ金属珪酸塩を含有する水溶液のＡ剤と、アルカリ金属アルミン酸塩、アルカリ金属炭酸塩、及び有機酸を含有する水溶液のＢ剤とからなる地盤注入剤。」（請求項１）の発明において、クエン酸ソーダを用いることが示されているが、このクエン酸ソーダは、クエン酸、グルコン酸、リンゴ酸、酒石酸等の有機酸と同等のものとして示されている（段落［００１５］、［００２２］、［００２８］、［００２９］）だけであり、特にゲルタイムを調整するために用いるものではなく、また、「アルカリ金属アルミン酸塩、アルカリ金属炭酸塩」という特定の反応剤を必須とするものであるから、アルカリ金属珪酸塩と、「アルカリ金属アルミン酸塩、アルカリ金属炭酸塩」以外の無機塩を用いた場合のゲルタイムを調整するために、クエン酸ソーダを用いることを示唆するものではない。
【特許文献１２】特開２００５−１４６１６３号公報
【００１０】
さらに、これらの技術では、ゲルタイムを調製するのに、反応剤の種類を変えたり、主剤と反応剤の混合割合を変える必要があった。施工現場では、２連式の注入ポンプで主剤と反応剤を別々に圧送して使用することが多いが、２連式のポンプではその構造上、主剤と反応剤は等容積での圧送となり、例えば反応剤の種類は１種類で、その濃度を変えることでゲルタイムが調整できるようなものが利便性が高く、求められていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、ゲルタイムの調整が容易で、硬化後の溶液の流出が少ない地盤注入剤及びそれを用いた地盤注入工法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者は種々検討を重ねた結果、特定の反応剤を使用することにより、水ガラス系溶液型注入剤の中でもゲルタイムの調整が容易で、硬化後の溶液の流出が少ない注入剤が得られるという知見を得て本発明を完成するに至った。
【００１３】
本発明は、上記課題を解決するするために、以下の手段を採用する。
（１）アルカリ金属珪酸塩、水溶性チタン塩、及び１Ａ族元素を含むカルボン酸塩（以下、「カルボン酸塩」という。）を用いたことを特徴とする地盤注入剤である。
（２）アルカリ金属珪酸塩を含有するアルカリ性水溶液のＡ剤、及び水溶性チタン塩とカルボン酸塩を含有する酸性水溶液のＢ剤を用いた前記（１）の地盤注入剤である。
（３）前記カルボン酸塩が、カルボン酸のナトリウム塩又はカリウム塩である前記（１）又は（２）の地盤注入剤である。
（４）前記カルボン酸塩が、クエン酸ナトリウム及び／又はクエン酸カリウムである前記（３）の地盤注入剤である。
（５）前記の水溶性チタン塩１００部に対して、前記カルボン酸塩を５０〜２００部含有する前記（１）〜（４）のいずれか一項の地盤注入剤である。
（６）前記水溶性チタン塩が、硫酸チタンであることを特徴とする前記（１）〜（５）のいずれか一項の地盤注入剤である。
（７）前記Ｂ剤の固形分濃度が５〜５０％の溶液であることを特徴とする前記（２）〜（６）のいずれか一項の地盤注入剤である。
（８）前記（２）〜（７）のいずれか一項のＡ剤とＢ剤とを別々に圧送し、注入口付近で合流混合することを特徴とする地盤注入工法である。
なお、本発明における部や％は、特に規定のない限り質量基準である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の地盤注入剤及びそれを用いた地盤注入工法を採用することによって、ゲルタイムの調整が容易で、硬化後の溶液の流出が少なくなるといった効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明をさらに詳しく説明する。
（アルカリ金属珪酸塩）
アルカリ金属珪酸塩は、珪酸ナトリウムや珪酸カリウム等の水溶液である。アルカリ金属珪酸塩のＳｉＯ２／Ｒ２Ｏモル比（Ｒはアルカリ金属）は２〜５程度が好ましく、これらの混合液も使用可能である。これらの中でも安価に入手可能な珪酸ソーダ水溶液（水ガラス）を使用することが好ましい。水ガラスの中でもＪＩＳ３号珪酸ソーダがより好ましい。  
【００１６】
アルカリ金属珪酸塩溶液の固形分濃度は、水溶液１００部中、５〜４０部が好ましく、１０〜３０部がより好ましい。固形分濃度が低いと固まらない場合があり、固形分濃度が高いと粘度が高くなり、反応剤との混合性や注入作業時の圧送性が悪くなる場合がある。
【００１７】
（水溶性チタン塩）
本発明で使用する水溶性チタン塩とは、水に溶解してチタンを供給し中性から酸性を示す物質である。水溶性チタン塩の例としては、例えば硫酸チタンや、塩化チタン、ヘキサフルオロチタン酸アンモニウム等が挙げられ、これらの一種又は二種以上が使用可能である。これらの中ではアルカリ金属珪酸塩との反応性や反応後の安定性、コスト面から硫酸チタンが好ましい。
【００１８】
（カルボン酸塩）
カルボン酸塩はカルボキシル基と１Ａ族元素を含む化合物であればよく、例えばリチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウムが挙げられる。
【００１９】
カルボン酸塩としては、例えば
（１）ぎ酸塩、酢酸塩、及びプロピオン酸塩等のモノカルボン酸塩、
（２）シュウ酸塩、マロン酸塩、コハク酸塩、グルタル酸塩、アジピン酸塩、ピメリン酸塩、マレイン酸塩、フマル酸塩、及びフタル酸塩等のジカルボン酸塩、
（３）トリメリト酸塩及びトリカルバリリル酸塩等のトリカルボン酸塩、
（４）ヒドロキシ酪酸塩、乳酸塩、サリチル酸塩、及びグルコン酸塩等のオキシモノカルボン酸塩、
（５）リンゴ酸塩及び酒石酸塩等のオキシジカルボン酸、
（６）クエン酸塩等のオキシトリカルボン酸塩等が挙げられる。
１分子中に複数のカルボキシル基を有するジカルボン酸やトリカルボン酸の場合、カルボキシル基の一部が塩になっていてもよいが、すべてのカルボキシル基が塩になっていることが好ましい。カルボン酸塩は無水物であっても水和物であってよい。
【００２０】
カルボン酸塩は１分子中にカルボキシル基を１〜３個有する化合物を用いることが好ましく、カルボキシル基が２〜３個有するカルボン酸塩がより好ましい。これらのカルボン酸塩の中でもクエン酸塩、リンゴ酸塩、及びグルコン酸塩が好適に用いられる。
【００２１】
カルボン酸塩と水溶性チタン塩との混合比率は、水溶性チタン塩（結晶水を含む場合、結晶水は水として換算）１００部に対してカルボン酸塩５０〜２００部が好ましく、８０〜１５０部がより好ましい。上記範囲であれば、硬化後の溶液の流出が少なく、良好な硬化状態と適度な粘度が得られる。
【００２２】
本発明においては、各成分を一度に混合してもよく、また、アルカリ金属珪酸塩をＡ剤とし、水溶性チタン塩とカルボン酸塩の混合溶液をＢ剤とし、Ａ剤とＢ剤を混合して用いてもよい。
【００２３】
Ａ剤とＢ剤を混合する場合、Ｂ剤の固形分濃度は、５〜５０％が好ましく、７〜２５％がより好ましい。また、Ａ剤とＢ剤の合計の固形分濃度は、３〜５０％が好ましく、５〜２５％がより好ましい。上記範囲であれば、硬化後の溶液の流出が少なく、良好な硬化状態と適度な粘度が得られる。
【００２４】
本発明の地盤注入剤の混合方法及び注入方法は、例えば、Ａ剤とＢ剤を別々に調製した後、それらを別々に圧送し、地盤注入前又は地盤注入後に両者を混合して反応させる方法が挙げられる。Ａ剤とＢ剤の混合比率は容積比で２０：８０〜８０：２０とすることが好ましい。
【００２５】
Ａ剤とＢ剤を別々に調製する場合、Ｂ剤については所定量の水溶性チタン塩とカルボン酸塩と水を混合して溶解させて調製する。溶解時に加熱して溶解させることが溶解時間を短くする観点から好ましい。固形分濃度で３０〜５０％の水溶液とし、使用現場にて所定のゲルタイムを得るように数倍〜１０倍程度に希釈して使用する方法が好ましい。
【００２６】
地盤注入剤の使用方法は、例えば２連式の注入ポンプでＡ剤及びＢ剤を別々に圧送して使用する方法が挙げられる。２連式のポンプではＡ剤及びＢ剤は等容積で別々に圧送を行って注入口付近で合流混合した後に地盤に注入する。
【実施例１】
【００２７】
ＪＩＳ３号珪酸ナトリウムを水で希釈して固形分濃度２０％のｐＨ１３の水溶液を調整し、これをＡ剤とした。一方、水溶性チタン塩として硫酸チタン、カルボン酸塩としてクエン酸Ｎａを使用し、４価の硫酸チタン１００部に対してクエン酸ナトリウムを１００部混合し、６０℃まで加熱して固形分濃度５０％、ｐＨ２のＢ剤原液を調製した。Ｂ剤は表１−１に示す希釈率でＢ剤原液を希釈して使用した。
【００２８】
Ａ剤と各希釈率のＢ剤を、２０℃、相対湿度８０％の室内で５０：５０の容積比率で混合し、ゲルタイム、ゲル状態、分離水を評価した。また、比較のため、１Ａ族元素を含有しないクエン酸を用いてＢ剤を調製し、同様に試験した。結果を表１−２に併記する。
【００２９】
＜使用材料＞
３号珪酸ナトリウム：ＪＩＳ珪酸３号品、Ｎａ２Ｏ＝９．４％、ＳｉＯ２＝２８．４％、ＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３モル比＝３．１２
水溶性チタン塩    ：Ｔｉ（ＳＯ４）２、市販品、
カルボン酸塩      ：無水クエン酸ナトリウム、無水クエン酸カリウム、市販品
比較用カルボン酸  ：無水クエン酸、市販品
水                ：水道水
【００３０】
＜評価方法＞
ゲルタイム：Ａ剤１００ｍｌとＢ剤１００ｍｌを混合後、著しく増粘して流動しなくなるまでの時点の時間を測定した。
【００３１】
分離水量：ゲルタイムから１時間経過した時点での分離水をデカンテーションで採取して秤量した。
◎：分離水量が全重量中の分離水量が３％の未満
○：分離水量が３％以上で７％未満
△：分離水量が７％以上
【００３２】
ゲル状態：Ａ剤とＢ剤が均一に混合されているか否か、目視で調べた。
○：均一なゲル体が得られた
△：Ａ剤とＢ剤の混合が十分でなく、ゲル状態が不均一である
【００３３】
【表１−１】
2008144016.tif 000002
【００３４】
【表１−２】
2008144016.tif 000003
【００３５】
表１−２に示すように、クエン酸を使用した場合には、溶解度が低いために完全に溶解した溶液が得られず、希釈率を変えた場合でもゲルタイムはほとんど変わらない（実験No.1-1〜1-4）。これに対して、クエン酸ナトリウムやクエン酸カリウムを使用した場合には、完全に溶解した溶液が得られ、希釈率によってゲルタイムを調整することが可能となる（実験No.1-5〜1-10）。したがって、クエン酸等のカルボン酸ではなく、クエン酸ナトリウム、クエン酸カリウム等の１Ａ族元素を含むカルボン酸塩を用いることにより、効果を奏することが分かる。
また、クエン酸ナトリウムやクエン酸カリウムを用いた場合、固形分濃度が５〜５０％で、分離水量が少なく、硬化状態が良好で、ゲルタイムの適当な注入剤が得られ、固形分濃度が高く、ゲルタイムが短い場合でも、クエン酸ナトリウムやクエン酸カリウムを用いることにより、クエン酸を用いた場合と比較して、分離水量を少なくすることができる（実験No.1-5〜1-9）。
【実施例２】
【００３６】
水溶性チタン塩として硫酸チタン、カルボン酸塩としてクエン酸ナトリウムを使用し、硫酸チタン５部に対して表２に示すクエン酸ナトリウムを使用してＢ剤を調整したこと以外は実施例１と同様に試験した。結果を表２に併記する。
【００３７】
【表２】
2008144016.tif 000004
【００３８】
表２に示すように、水溶性チタン塩（硫酸チタン）１００部に対してカルボン酸塩を５０〜２００部含有することにより、分離水量が少なく、硬化状態が良好であり、ゲルタイムの適当な注入剤が得られ、また、カルボン酸塩の含有量が少なく、ゲルタイムが短い場合でも、カルボン酸塩を用いることにより、カルボン酸を用いた場合と比較して、分離水量を少なくすることができる（実験No.2-2、1-7、2-3）。
【実施例３】
【００３９】
水溶性チタン塩として硫酸チタン、カルボン酸塩としてクエン酸ナトリウムを使用し、硫酸チタン１００部に対してクエン酸ナトリウムを１００部使用し、固形分濃度５０％、ｐＨ２のＢ剤を調製して５倍希釈液のＢ剤を調整し、表３に示す比率のＡ剤とＢ剤を使用して、ゲルタイムとゲル状態を測定したこと以外は、実施例１と同様に試験した。結果を表３に併記する。
【００４０】
【表３】
2008144016.tif 000005
【００４１】
表３に示すように、Ａ剤とＢ剤の混合比率を容積比で２０：８０〜８０：２０の範囲で変えることにより、ゲルタイムを調整することができ、良好な硬化状態を得ることができる（実験No.3-2、1-7、3-3）。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明の地盤注入剤及びそれを用いた地盤注入工法は、例えば、トンネル土木や都市土木等で地山や地盤の安定化を図るために使用され、より安全でかつより性能の良い注入剤として利用可能である。