(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
改良地盤を形成するために用いられるシリカ含有量が１〜５０質量％の水ガラスおよび／またはシリカコロイドを有効成分とする非アルカリ性シリカ溶液であって、
下記（１）および（２）のうちから選択される１種または複数種を下記の（３）の濃度で含有し、
ｐＨが地盤中で中性方向に移行することにより、コロイドを地盤中に形成せしめることによってシリカゲルの収縮を低減し、それによって、注入された地盤の長期耐久性を維持することを特徴とする地盤注入材。
（１）二価または三価の鉄化合物
（２）多価金属系凝集剤および／または高分子系凝集剤
（３）前記二価または三価の鉄化合物の含有量についてはＦｅ２Ｏ３に換算して、また、前記多価金属系凝集剤の含有量については多価金属の酸化物に換算して、０．１ｗ／ｖ％〜２．０ｗ／ｖ％の範囲であり、前記高分子系凝集剤の含有量は０．０５ｗ／ｖ％〜２．０ｗ／ｖ％の範囲である。
【請求項２】
ｐＨ値（ｐＨ０）が前記鉄化合物、または、前記多価金属系凝集剤および／または高分子系凝集剤の水溶液にアルカリを加えて白濁または部分ゲルを生ずるｐＨ値（ｐＨｘ）よりも低いｐＨ値に設定され、該シリカ溶液のｐＨ０値よりもｐＨが高い地盤に注入される請求項１記載の地盤注入材。
【請求項３】
凝集剤である疎水コロイドと、親水コロイドであるシリカゾルとを有効成分として含むことによって、該疎水コロイドと該シリカゾルとが保護コロイドを形成して収縮を低減した安定したシリカゲルを形成し、それによって上記非アルカリ性シリカ溶液が注入された地盤の長期耐久性を維持する請求項１記載の地盤注入材。
【請求項４】
前記多価金属系凝集剤および／または高分子系凝集剤として、鉄系凝集剤、アルミニウム系凝集剤、マグネシウム系凝集剤および高分子系凝集剤のうちから選択される１種または複数種を有効成分とする請求項１〜３のうちいずれか一項記載の地盤注入材。
【請求項５】
前記二価または三価の鉄化合物とともに、マグネシウム化合物、アルミニウム化合物、カルシウム化合物および金属イオン封鎖剤のうちから選択される少なくとも１種を併用する請求項１〜４のうちいずれか一項記載の地盤注入材。
【請求項６】
ｐＨｘ値よりもｐＨが高い地盤に注入される請求項２記載の地盤注入材。
【請求項７】
注入後における土中ｐＨ値（ｐＨｓ）がｐＨｘ以上になるよう設定されている請求項２または６記載の地盤注入材。
【請求項８】
前記二価または三価の鉄化合物が、硫酸鉄、塩化鉄、ポリ硫酸鉄、鉄ミョウバンまたは鉄の水酸化物である請求項１〜７のうちいずれか一項記載の地盤注入材。
【請求項９】
前記非アルカリ性シリカ溶液が、有機反応剤または粉体を含む請求項１〜８のうちいずれか一項記載の地盤注入材。
【請求項１０】
前記非アルカリ性シリカ溶液が、以下の特性（ｉ）および（ｉｉ）を示す請求項１〜９のうちいずれか一項記載の地盤注入材。
（ｉ）前記二価または三価の鉄化合物および前記多価金属系凝集剤の水溶液は、ｐＨを高めると多価金属の水酸化物のコロイド液になる。
（ｉｉ）前記二価または三価の鉄化合物および前記多価金属系凝集剤の水溶液は、塩を加えると凝析するが、前記非アルカリ性シリカ溶液中にあっては凝析することなくゲル化する。
【請求項１１】
前記非アルカリ性シリカ溶液のゲルの収縮が、ガラス製メスフラスコでは２０％以内であって、プラスチック製円柱モールドでは２５％以内に収束する請求項１〜１０のうちいずれか一項記載の地盤注入材。
【請求項１２】
前記非アルカリ性シリカ溶液が、チンダル現象またはブラウン運動を生ずる請求項１〜１１のうちいずれか一項記載の地盤注入材。
【請求項１３】
前記非アルカリ性シリカ溶液が、セメント、スラグ、フライアッシュ、シリカヒューム、ベントナイト、粘土およびマイクロバブルのうちの一種以上を含有する請求項１〜１２のうちいずれか一項記載の地盤注入材。
【請求項１４】
請求項１〜１３のうちいずれか一項記載の地盤注入材を地盤に注入することを特徴とする地盤改良工法。
【請求項１５】
請求項１〜１３のうちいずれか一項記載の地盤注入材を、マイクロバブル液および／または空気と併用して地盤に注入することを特徴とする地盤改良工法。
【請求項１６】
請求項１〜１３のうちのいずれか一項記載の地盤注入材を地盤に注入して地盤内でｐＨを中性方向に移行させることにより、コロイドを含むシリカゲルで地盤を固結することを特徴とする地盤改良工法。
【請求項１７】
請求項１〜１３のうちいずれか一項記載の地盤注入材を、セメント、スラグ、フライアッシュ、シリカヒューム、ベントナイトおよび粘土のうちの１種または複数種を注入した地盤に注入することを特徴とする地盤改良工法。
【請求項１８】
液状化対策工に用いられる請求項１４〜１７のうちいずれか一項記載の地盤改良工法。
【請求項１９】
請求項１〜１３のうちいずれか一項記載の地盤注入材がリン酸化合物および／または金属イオン封鎖剤を含有し、コンクリート構造物の劣化を防止することを特徴とする請求項１４〜１７のうちいずれか一項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、地盤注入材（以下、単に「注入材」とも称する）および地盤改良工法の改良に関する。
【０００２】
また、本発明は、非アルカリ性シリカ溶液のゲルの収縮を低減して固結土の長期耐久性を向上する地盤改良材ならびに地盤注入工法に関する。特に軟弱あるいは漏水地盤に金属塩を含む非アルカリ性シリカグラウト配合液を注入して該地盤を耐久性のある地盤とする（以下、単に固結という）地盤注入材および地盤改良工法に関し、詳細には、金属塩を含む非アルカリ性ケイ酸水溶液を地盤中に注入することにより、地盤中でゲルの収縮の少ないコロイドを生成して地盤を固結することにより、地盤強化、地盤水密化、廃棄物の密封化、止水壁の構築、液状化対策工等、長期耐久性に優れた改良地盤を形成する地盤注入材および地盤改良工法に関する。
従来、本出願人によって耐久性に優れたシリカ溶液を注入する地盤注入工法において、水ガラスの劣化要因となるアルカリを中和除去して得られた非アルカリ性シリカゾルを用いた注入材ならびに注入工法が開発されている。また、シリカゾルにイオン交換法や金属シリカを加え、非アルカリ性複合シリカも本出願人によって開発されている。本出願人の研究によれば非アルカリ性シリカゾルはシリカの溶脱が極めて少なく長期固結性にすぐれているが、収縮が大きいためサンドゲルの強度が低下する問題があった。このためシリカゾルのゲルの収縮を低減するためにシリカコロイドを加えて複合シリカにするなど、シリカ（水ガラスやコロイドや両方を併用したシリカ等）のモル比を高くしたり、またはコロイドの比率を多くしたり、シリカ濃度を上げることによって、あるいは粉体あるいは難溶性反応剤を加えることにより収縮を抑える方法が、本発明者らによって開発されている。本発明者らは永年にわたる研究によってシリカグラウトのゲルの収縮による強度の低減の課題を従来のように主材であるシリカの種類や組成のみに求めるのではなく、添加剤または反応剤に着目してゲルの収縮を低減させることを見出して、本発明を完成させた。
本発明は、二価または三価の鉄化合物や凝集剤を含む非アルカリ性シリカグラウトであって、特に二価や三価の鉄塩や鉄ミョウバン、水酸化鉄等の鉄化合物、あるいは更に、Ｆｅ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃａ等の多価金属化合物を含む凝集剤を有効成分とする非アルカリ性シリカ溶液を用いた地盤注入材並びに地盤注入工法に関する。
【背景技術】
【０００３】
本発明は非アルカリ性シリカグラウトゲルの収縮の問題を改良発展せしめたもので、地盤の間隙中に充填されたゲルの収縮を低減して改良地盤の耐久性を向上させたシリカグラウトならびに地盤注入工法に関する。
【０００４】
非アルカリシリカゾルグラウトは、本発明者らの実験より、図１に示すように、非アルカリ領域で長結から瞬結まで広範囲なゲル化領域が存在し、地下水で希釈しても（０．５質量％まで）シリカの全量がゲル化にあずかり、かつ地盤中でｐＨが酸性から中性方向に移行して長結でもゲル化が促進して確実に固結するという特性があることを見出した。
シリカゾルグラウトは劣化要因となる水ガラスのアルカリ成分を酸性反応剤により中和除去するため、シリカの溶脱が極めて少なく長期固結性に優れることがわかった。但し、ゲル化後も継続するシリカの縮合重合に伴う脱水による体積収縮によってサンドゲルの強度は増大するものの収縮量が大きく、最終的には２０〜３０％になり、ゲルの収縮がほぼ２０％に至った時点より、土粒子間に充填されたゲルのネットワークが剥離、切断され、改良強度が低下する傾向があることが判った（図２Ａ〜２Ｃ，図３）。よって、非アルカリシリカゾルグラウトは、一般的には仮設補助工法に採用されている。なお、図２は、本出願人による溶液型シリカグラウトの耐久性に関わる試験例であり、シリカゾルは酸性領域でホモゲルからはシリカの溶脱がほとんどないこと、また、シリカゾルグラウトのゲルがほぼ２００日経過すると収縮が２０〜３０％に達し、サンドゲルの強度の低下がはじまることを示している。
【０００５】
一方、活性シリカコロイドグラウトは、水ガラスグラウトの劣化要因となるアルカリ成分をイオン交換法により除去することにより得られた活性シリカを縮合重合し、コロイド状まで増粒したものを主剤としている。その結果、シリカの溶脱と体積収縮量が極めて少ない特性があり、この注入材による改良体の強度低下は全くないという特徴がある。なお、上記のコロイドとして金属シリカを水と反応させて得たシリカコロイドを用いることもできる。
以上より、水ガラスグラウトの耐久性は、脱アルカリと増粒によって得られることが分かった。本発明は以上の水ガラスグラウトの耐久性の原理に基づき鉄化合物や凝集剤（沈降剤）を有効成分とする非アルカリ性シリカ溶液がゲルの収縮が極めて少なく従って強度低下が生じにくいという特性を見出して本発明を完成したものである。
ここで、活性シリカコロイドの活性とは、シリカコロイド自体はほとんど反応性がないが、それに反応剤を加えると反応性を生じ活性化するので活性という言葉を用いている。また、シリカコロイドとシリカゾルからなる複合シリカも同様に反応性を生ずる理由で活性複合シリカと表現している。
【０００６】
しかし、活性シリカコロイドグラウトはゲルの収縮がほとんどないが強度の立ち上がりが遅い傾向にある。そこで、このシリカコロイドをシリカゾルグラウトに含有させることによってゲルの収縮を低減して固結土の長期強度の低下を低減し、かつ強度発現を早くする方法が本出願人によって開発され、液状化対策工に多く用いられている（図２Ａ〜２Ｃ）。しかし、イオン交換法や金属シリカ法は製造工程が多いところから、また粉体や難溶性反応剤の使用は地盤への浸透性を阻害するところから、またＣＯ２削減という時代の要請の点から、本出願人は溶液性の添加剤や反応剤によってゲルの収縮を低減する非アルカリ性シリカグラウトの開発を進めた。
【０００７】
液状化対策工に地盤注入工法を適用する場合、液状化の可能性のある地盤の粒径分布を考慮する必要がある。通常、薬液注入は、細かい粒径への浸透可能性を問題にしているが、図４に示すように、液状化は粗い地盤においても生ずる。しかし、粗い地盤は空隙が大きいため、充填されたシリカゲルの収縮が大きい場合、耐久性が得られにくい。粒径の大きい地盤は比表面積が小さく、ゲルとの接触面が少ないため、ゲルの収縮の影響が大きいからである（表１，図１８）。本発明は、このような課題を解決するためのものであって、溶液性反応剤を用いて浸透性を阻害することなく、またゲル化時間を短縮させることなく、ゲルの収縮を低減せしめ長期耐久性の向上を可能にしたものである。
【０００８】
【表１】
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＊）土の比表面積を示す表である。
【０００９】
地盤改良に係る先行技術として、例えば、特許文献１には、シリカ化合物として水ガラスとアルミン酸ソーダなどのアルミン酸アルカリ金属塩と多価金属化合物からなる地盤改良用注入材が開示されている。また、多価金属化合物としてはカルシウムやマグネシウム化合物の他、硫酸鉄、塩化鉄、鉄ミョウバン等が記載されている。しかし、アルミン酸アルカリ金属塩は高アルカリであって、また、水ガラスもアルカリであって、このグラウトはアルカリ性水ガラスグラウトである。従って、耐久性の点からはゲル化後の残存アルカリでゲルのシリカが溶出して長期耐久性が得られない。（なお、現在アルミン酸ソーダは劇毒物として使用を禁じられている。）また、アルカリ領域の溶液型の水ガラスグラウトは長いゲル化時間ではゲル化が不安定で未固結あるいは強度が弱く実用に適しえない（図１）。また、硫酸第一鉄を多くいれればゲルタイムは数分以内となり浸透性が得られなくなるという問題があった。すなわち、水ガラスを用いて長いゲル化時間で浸透性と固結強度を得るには、脱アルカリによる非アルカリ性シリカ溶液にすることが必要である。特許文献２では、ヒ素で汚染された地盤中のヒ素を不溶化してヒ素拡散を防止するためのヒ素拡散防止用注入薬液であり、硫化第二鉄及び／又はポリ硫酸第二鉄と、硫酸と、非アルカリシリカゾルを混合した第１液と珪酸ナトリウムを含む第２液の混合液のｐＨが３．５〜４．５である注入液が提案されている。すなわち、硫化第二鉄やポリ硫酸第二鉄は、ヒ素を不溶化するために用いられている。
特許文献３には、土壌や焼却灰等に含まれる有害物を無害化するための有害物の不溶化剤として酸化マグネシウムと珪酸アルカリ金属塩が提示されており、不溶化剤として、還元剤が二価の硫化鉄、塩化鉄、水酸化鉄、金属鉄粉が記載されている。
特許文献４には、汚染物質を含む土壌に対して、硫酸第一鉄、硫酸第二鉄を用いて、汚染物質を不溶化する方法が提案されている。
以上の公知文献では、上記鉄塩は、それ単独で或いは非アルカリ性シリカ溶液と共に用いて鉄塩の還元作用によって重金属等の有害物を不溶化する技術である。
それに対して、本発明では、鉄化合物や鉄系、アルミニウム系、カルシウム系等の多価金属凝集剤あるいは高分子系凝集剤が、地盤注入の耐久性の点から以下の作用効果を有することを見出し、本発明を完成するに到ったものである。
（１）それ自体では水溶液がコロイド状になり、ｐＨを中性方向に移行したりあるいは塩を加えると凝集する。
（２）非アルカリ性溶液中ではコロイドが凝集することなく時間の経過とともにゲル化する。その結果、収縮の極めて少ないシリカゲルを形成する。
（３）そのゲルが土粒子間に充填されて固結した地盤は長期間にわたって強度低下を生じにくく不透水性も維持しうる地盤改良効果を得る。
このような新しい知見を見出し、従来の非アルカリ性シリカグラウトの欠点を改良した本発明に到ったものである。
従って、本発明は、先行発明とはその目的も作用効果も異なるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１３−０１０８２９号公報（特許第５８５５８５９号）
【特許文献２】特許第５２０９１２８号公報
【特許文献３】特開２００７−３０２８８５号公報
【特許文献４】特開２００４−３１３８１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
水ガラスのアルカリを酸で中和除去した酸性シリカゾルグラウトは長いゲル化時間でもシリカの全量がゲル化に預かりかつ細粒土への浸透固結性と希釈固結性に優れ（図１）、さらに、ゲルからのシリカの溶脱が少なく１０年以上の固結の持続性が優れているが、ゲルの過大な収縮により固結土の強度低下を生ずるという問題がある（図２Ａ〜２Ｃ，図３）。一方、シリカコロイドは収縮がほとんどないので強度低下がないが、強度発現が遅いという問題とコロイドが手間をかけて製造されているという問題がある（価格が高く、またＣＯ２抑制の社会的課題の点から製造にあたってかなりの量のＣＯ２を発生させるという問題がある）。本発明はこれらの課題を解決しようとしたものである。
【００１２】
そこで本発明の目的は、上記問題を解消して、水ガラスを含む非アルカリ性シリカグラウト（シリカゾル液や水ガラスとコロイドを含む複合シリカグラウト）のゲルの収縮を低減し、あるいは、水ガラスとシリカコロイドを用いた非アルカリ性シリカ溶液においてコロイドの使用量を少なくして収縮を抑制し、ゲルの収縮による長期強度の低下を防ぐ注入材ならびに地盤改良工法を提供するものである。さらに言えば、注入地盤の固結後における土粒子間隙中のゲルの収縮を抑制するとともに強度発現を速くして、強度低下と透水性の低下を防ぎ、注入地盤の長期耐久性を向上した地盤注入材、および、それを用いた地盤改良工法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
まず、本発明者らは、二価や三価の鉄化合物や多価金属を含む凝集剤を用いるものとし、その例として鉄塩をあげれば、鉄塩の水溶液はそれ自体は真の溶液であるがその水酸化物はコロイド溶液になること、そのコロイドは塩を加えるかアルカリを加えてｐＨを中性方向に移行すると凝析することに着目した。次に、鉄塩等の金属塩を含む酸性珪酸溶液は中性方向に移行すると、ほとんど凝析することなく十分な時間後にゲル化し（図５）、そのゲル化物は収縮の極めて少ない特徴を持つことを見出した（図６、図７）。そのゲルの収縮は図２Ｃのシリカゾルのゲルの収縮にくらべて極めて少なく、シリカコロイドの収縮に近いことが分かった（図６、７）。このことから本発明のシリカ溶液は地盤中に浸透するにつれ三価の水酸化鉄を含むコロイドを形成することが推測された。その理由は正確には不明であるが、おそらく水酸化鉄のコロイドは疎水コロイドでありシリカゾルは親水コロイドでありその両者が保護コロイドを生成して凝析しにくい状態になってゲル化にいたったものと思われる。そして、鉄塩を含む酸性シリカゾルグラウトを地盤中に注入すると、地盤のｐＨは酸性珪酸水溶液より中性側にあるため、シリカ溶液は中性に近づくにつれて、あるいは、地盤中の塩の作用で沈殿を生ずることなく金属コロイドを含むシリカ溶液となり、土粒子間に充填されて、収縮の少ないゲル化物となって土粒子を固結することを見出して、浸透性と耐久性に優れた地盤注入材および地盤改良工法の発明に至った。
【００１４】
さらに、本発明者らは上記鉄塩が凝集剤でもあることから、上記現象は凝集剤を用いることによっても生じうることに着目した。シリカゾルは親水コロイド、凝集剤は疎水コロイドであるところから、シリカゾルに凝集剤を適切な量を加えると疎水コロイドと親水コロイドが保護コロイドになって、安定してコロイドが内在したシリカゾルがゲル化に到るものと推定される。また更に、異なる粒径のシリカ粒子（表２）を併用することにより、広範囲な地盤条件に対応した耐久地盤の形成を可能にすることができることを見出した。
【００１５】
すなわち、本発明者らは、このような特徴をもつ地盤注入材は、改良地盤を形成するために用いられるシリカ含有量が１〜５０質量％の水ガラスおよび／またはシリカコロイドを有効成分とする非アルカリ性シリカ溶液であって、下記（１）および（２）のうちから選択される１種または複数種を下記の（３）の濃度で含有し、ｐＨが地盤中で中性方向に移行することにより、コロイドを地盤中に形成せしめることによってシリカゲルの収縮を低減し、それによって上記非アルカリ性シリカ溶液が注入された地盤の長期耐久性を維持する特性が得られることを見出して、本発明を完成したものである。
（１）二価または三価の鉄化合物
（２）多価金属系凝集剤および／または高分子系凝集剤  
（３）前記二価または三価の鉄化合物の含有量についてはＦｅ２Ｏ３に換算して、また、前記多価金属系凝集剤の含有量については多価金属の酸化物に換算して、０．１ｗ／ｖ％〜２．０ｗ／ｖ％の範囲であり、前記高分子系凝集剤の含有量は０．０５ｗ／ｖ％〜２．０ｗ／ｖ％の範囲である。
【００１６】
本発明の地盤注入材は、ｐＨ値（ｐＨ０）が前記鉄化合物、または、前記多価金属系凝集剤および／または高分子系凝集剤の水溶液にアルカリを加えて白濁または部分ゲルを生ずるｐＨ値（ｐＨｘ）よりも低いｐＨ値に設定され、該シリカ溶液のｐＨ０値よりもｐＨが高い地盤に注入されることが好ましい。この場合、本発明の地盤注入材は、ｐＨｘ値よりもｐＨが高い地盤に注入することができ、注入後における土中ｐＨ値（ｐＨｓ）がｐＨｘ以上になるよう設定することもできる。
【００１７】
また、本発明の地盤注入材においては、凝集剤である疎水コロイドと、親水コロイドであるシリカゾルとを有効成分として含むことによって、疎水コロイドとシリカゾルとが保護コロイドを形成して収縮を低減した安定したシリカゲルを形成し、それによって上記非アルカリ性シリカ溶液が注入された地盤の長期耐久性を維持することができる。
【００１８】
本発明の地盤注入材は、水ガラスおよび／またはシリカコロイドを含むシリカ溶液と、硫酸やリン酸や酸性塩などの酸性反応剤を有効成分として含むことによって非アルカリ性シリカ溶液とするものとする。また、本発明の地盤注入材においてはゲルの収縮を低減する成分として、二価または三価の鉄の塩や水酸化鉄や凝集剤のうちの少なくとも１種を含むこととする。また、鉄化合物が、凝集剤であってもよいし、鉄化合物を他の凝集剤と共に用いてもよい。前記多価金属系凝集剤および／または高分子系凝集剤として、鉄系凝集剤、アルミニウム系凝集剤、マグネシウム系凝集剤および高分子系凝集剤のうちから選択される１種または複数種を有効成分とすることもでき、前記二価または三価の鉄化合物とともに、マグネシウム化合物、アルミニウム化合物、カルシウム化合物および金属イオン封鎖剤のうちから選択される少なくとも１種を併用することもできる。さらに、本発明の地盤注入材においては、上記二価または三価の鉄化合物の少なくとも１種が、鉄塩や水酸化鉄であって、前記鉄塩としては、硫酸鉄、塩化鉄または鉄ミョウバンや鉄の水酸化物、ポリ硫酸第二鉄、ポリ硫酸第一鉄を好適に用いることができる。前記非アルカリ性シリカ溶液は、前記二価または三価の鉄化合物を、Ｆｅ２Ｏ３に換算して０．１ｗ／ｖ％〜２．０ｗ／ｖ％の範囲で含有することができる。他にマグネシウムやアルミニウム、ミョウバン、カルシウムなどの塩や水酸化物を併用してもよい。
【００１９】
さらにまた、本発明の地盤注入材においては、前記非アルカリ性シリカ溶液が、有機反応剤または粉体を含んでもよい。前記非アルカリ性シリカ溶液は、ｐＨが１〜１１であってシリカ濃度が１〜５０質量％であり、前記二価または三価の鉄化合物および前記多価金属系凝集剤の含有量が、多価金属の酸化物に換算して０．１ｗ／ｖ％〜２．０ｗ／ｖ％の範囲であるものとすることができる。また、前記非アルカリ性シリカ溶液は、以下の特性（ｉ）および（ｉｉ）を示すことが好ましい。
（ｉ）前記二価または三価の鉄化合物および前記多価金属系凝集剤の水溶液は、ｐＨを高めると多価金属の水酸化物のコロイド液になる。
（ｉｉ）前記二価または三価の鉄化合物および前記多価金属系凝集剤の水溶液は、塩を加えると凝析するが、前記非アルカリ性シリカ溶液中にあっては凝析することなくゲル化する。
【００２０】
前記非アルカリ性シリカ溶液は、ゲルの収縮がガラス製メスフラスコでは２０％以内であって、プラスチック製円柱モールドでは２５％以内に収束するように設定することができる。また、前記非アルカリ性シリカ溶液が、チンダル現象またはブラウン運動を生ずるように設定することができる。さらに、本発明においては、前記非アルカリ性シリカ溶液が、セメント、スラグ、フライアッシュ、シリカヒューム、ベントナイトおよび粘土のうちの一種以上を含有するものとすることができる。さらにまた、本発明の地盤注入材は、マイクロバブルを含むものとすることができる。この場合、シリカゲルの収縮の減少は、マイクロバブルや空気の、ゲルが収縮した間隙から地表面への逸脱を防ぐ効果がある。
【００２１】
本発明の地盤改良工法は、上記本発明の地盤注入材を地盤に注入することを特徴とするものである。また、本発明の地盤改良工法は、前記地盤注入材を、セメント、スラグ、フライアッシュ、シリカヒューム、ベントナイトおよび粘土のうちの１種または複数種を注入した地盤に注入することを特徴とするものである。
【００２２】
本発明の地盤改良工法においては、前記地盤注入材を注入中に地盤内でｐＨを中性方向に移行させることにより、あるいは地盤中の塩が作用することにより、二価または三価の鉄化合物コロイドを含むシリカゲルで地盤を固結することができる。本発明の地盤改良工法は、長期にわたって、所定の強度の持続性を要求される耐久地盤改良や液状化対策工に好適に用いることができる。前記地盤注入材とともに、マイクロバブル液および／または空気を併用して地盤に注入してもよい。また本注入材はゲルの収縮が少ないところから、リン酸化合物および／または金属イオン封鎖剤を含ませることによってコンクリート表面を密実に被覆し、或いはコンクリートの亀裂に浸透させてコンクリートのＣａと反応させて強固な保護膜を形成してコンクリートの劣化を防ぐことができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、固結後におけるゲルの収縮を抑制するとともに強度発現を速くして、耐久性を向上した地盤注入材、および、それを用いた地盤改良工法を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】非アルカリ性シリカグラウトのゲル化特性の例を示すグラフである。
【図２Ａ】各種シリカグラウトの室内試験結果と強度発現と強度低下のメカニズムを示すグラフである（各種シリカグラウトのシリカの溶脱）。
【図２Ｂ】各種シリカグラウトの室内試験結果と強度発現と強度低下のメカニズムを示すグラフである（各種シリカグラウトの固結砂の一軸圧縮強度）。
【図２Ｃ】各種シリカグラウトの室内試験結果と強度発現と強度低下のメカニズムを示すグラフである（各種シリカグラウトのシリカゲルの体積収縮）。
【図３】砂間隙中の薬液ゲルの収縮による拘束効果による強度発現と過大な収縮による強度の劣化のイメージを示す説明図である。
【図４】液状化の可能性のある土の粒径分布を示すグラフである。
【図５】注入液の練り上がりゲルタイム（ＧＴ０）とｐＨと土中ゲルタイム（ＧＴＳ０）との関係を示すグラフである。
【図６】注入液のゲルの体積変化（ガラス製メスフラスコ法）と経過時間（日）との関係を示すグラフである。
【図７】ゲルの体積変化（プラスチック製円柱モールド法）と経過日数との関係を示すグラフである。
【図８】サンドゲルの経過時間（日）と一軸圧縮強度との関係を示すグラフである。
【図９】浸透距離と一軸圧縮強度との関係を示すグラフである。
【図１０】硫酸鉄（ＩＩＩ）のみの練り上がりｐＨ２．２４の液Ａにライトを当てた際の様子を示す写真図である。
【図１１】硫酸鉄（ＩＩＩ）のみの練り上がりｐＨ２．２４の液に水酸化ナトリウム水溶液を添加してｐＨ２．６に調整した液Ｂにライトを当てた際の様子を示す写真図である。
【図１２】硫酸鉄（ＩＩＩ）のみの練り上がりｐＨ２．２４の液に水酸化ナトリウム水溶液を添加してｐＨ２．７に調整した液Ｃにライトを当てた際の様子を示す写真図である。
【図１３】硫酸鉄（ＩＩＩ）のみの練り上がりｐＨ２．２４の液に水酸化ナトリウム水溶液を添加してｐＨ２．８に調整した液Ｄにライトを当てた際の様子を示す写真図である。
【図１４】硫酸鉄（ＩＩＩ）のみの練り上がりｐＨ２．２４の液Ａをろ紙に通過させた際の様子を示す写真図である。
【図１５】硫酸鉄（ＩＩＩ）のみの練り上がりｐＨ２．２４の液に水酸化ナトリウム水溶液を添加してｐＨ２．６に調整した液Ｂをろ紙に通過させた際の様子を示す写真図である。
【図１６】硫酸鉄（ＩＩＩ）のみの練り上がりｐＨ２．２４の液に水酸化ナトリウム水溶液を添加してｐＨ２．７に調整した液Ｃをろ紙に通過させた際の様子を示す写真図である。
【図１７】硫酸鉄（ＩＩＩ）のみの練り上がりｐＨ２．２４の液に水酸化ナトリウム水溶液を添加してｐＨ２．８に調整した液Ｄをろ紙に通過させた際の様子を示す写真図である。
【図１８】シリカ溶液のシリカ成分の粒子径および土の粒子径を示す説明図である。
【図１９】鉄塩を含む非アルカリ性シリカ溶液を示す写真図である。
【図２０】鉄塩を含む非アルカリ性シリカ溶液を地盤に通した様子を示す写真図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
本発明者らは、非アルカリ性シリカグラウトを地盤に注入して耐久性のある地盤を形成するために検討した結果、以下の点に着目した。
【００２６】
（１）非アルカリ性シリカグラウト（図１）を地盤に注入した場合、シリカゲルの収縮によってサンドゲルの強度が増加するが、その後の過大なゲルの収縮は、サンドゲルの強度の低下を招く（図２Ａ〜２Ｃ，３）。（２）地盤中に注入するシリカ溶液は、粒径の小さいシリカゾルのゲル化物よりも粒径の大きいシリカコロイドの方が、収縮が少なく耐久性に優れている（図２Ａ〜２Ｃ，図１８）。（３）硫酸鉄の水溶液は真の溶液であるので、ライトを当ててもチンダル現象は見られなかった（図１０）。（４）鉄塩の水溶液を中性方向に移行させると、ライトを当てた際にチンダル現象が見られることから、コロイドを生じていることが判った（図１１〜１３）。コロイドを生ずるｐＨをｐＨｘとする。（５）鉄塩等の金属塩の水酸化物はコロイドを形成する。このコロイド液を中性方向に移行させたり、塩を加えると凝析する（図１５，１６，１７）。このコロイド液をろ紙に通過させるとコロイドが残った。図１０の真の溶液はそのままろ紙を通過した（図１４）。（６）鉄塩を含む酸性シリカ溶液にアルカリを加えて中性方向に移行させると、このコロイド液は凝析することなく、所定範囲経過後、均質なゲルを形成する（図１９）。（７）鉄塩を含む酸性シリカ溶液を地盤に注入すると、地盤は注入液よりも中性に近いため、シリカ液のｐＨが中性方向に移行し、あるいは地盤中の塩の作用により、地盤中で三価の水酸化鉄のコロイドを含むシリカゲルを形成して地盤を固結する（図２０）。（８）鉄塩のコロイドを含むシリカゲルの収縮は、シリカゾルの収縮に比べて極めて少ない（図６，７）。またその収縮量は最終的に一定値に収束する。（９）鉄塩のコロイドを含むシリカ溶液で注入したサンドゲルは経時的に強度が増加した後、強度低下は殆ど生じない。（１０）サンドゲルの耐久性はゲルの収縮に依存し、ゲルの収縮量が過大になると、通常、２０％を超えた時点で土粒子間中のシリカゲルが破断し、強度低下が生ずる（図２Ａ〜２Ｃ、図３）。（１１）これらのことから、本発明者らは、鉄塩等の金属塩を含有する非アルカリ性シリカグラウトを地盤に注入すると、注入初期には分子量の小さいシリカ溶液でありながら地盤中に注入している過程でｐＨが中性方向に移行し、コロイド状になって、地盤の土粒子間隙に充填され、かつ土粒子間の間隙中でゲル化物が実質的に収縮をほとんど生じないことを見出して、本発明を完成した。その結果、本発明の地盤注入材は、注入して単に固結性を持続させるだけでなく、長期にわたって強度低下を生ずることなく所定の強度を持続したまま固結性を維持する長期耐久性を維持する地盤改良を可能にすることが判った。さらに、本発明者らは、鉄塩が凝集剤でもあるところから、鉄塩を含む非アルカリ性シリカ溶液のゲル化に到るまでのメカニズムから、他の凝集剤においても同様のメカニズムで収縮の少ないゲルが形成されることに想到して本発明に到った。
【００２７】
本発明の地盤注入材は、軟弱地盤に注入して耐久性のある改良地盤を形成するために用いられる、シリカ溶液と、二価または三価の鉄化合物、あるいは、多価金属系凝集剤および／または高分子系凝集剤のうちから選択される１種または複数種を有効成分とする非アルカリ性の地盤注入材である。また、本発明におけるシリカ溶液とは、水ガラスおよび／またはシリカコロイドを含む非アルカリ性シリカ溶液である。特に、水ガラスを有効成分として含む非アルカリ性シリカグラウトにおける、水ガラスに適用するシリカゲルの収縮を低減する効果がある。従って、水ガラスとシリカコロイドを有効成分とする非アルカリ性複合シリカグラウトにおいては、従来シリカコロイドの比率を高くして、或いはモル比を高くしてゲルの収縮を低減していたが、上記二価または三価の鉄化合物、或いは、多価金属系凝集剤および／または高分子系凝集剤を加えることによって、高価なシリカコロイドの添加量を少なくしても、或いはモル比を低くしても、ゲルの収縮を低減して強度低下を生じないか、強度低下が生じても一定の値に収束して必要とする所定の強度を維持できる地盤改良が可能になる。この注入材のゲルの収縮が少ない理由は、二価または三価の鉄塩は土中で鉄の水酸化物になってコロイド化した非アルカリ性シリカ溶液がゲル化するためと思われる。なお、ここで非アルカリ性水溶液とは、水ガラスのアルカリを酸で除去した酸性から中性（ｐＨが８．５まで。図１参照）を呈するシリカ溶液（シリカゾル）あるいはイオン交換法により水ガラスのアルカリを除去して微量のアルカリを加えて増粒したシリカコロイドのｐＨ１１までのｐＨ領域を示す。従って、本発明の地盤注入材は、酸性ないし中性からｐＨが１１までを呈する。但し、水ガラスのアルカリは、酸またはイオン交換法で実質的に除去されている。
【００２８】
本発明者らの研究によれば、鉄塩が極めて顕著にゲルの収縮を低減させることが分かったが、その他の二価または三価の多価金属化合物を併用しても、ゲルの収縮を低下する機能のあることがわかった。本発明に用いる凝集剤（沈降剤、または、沈降凝集剤や凝集沈降剤ともいう）としては、鉄系凝集剤、アルミニウム系凝集剤、カルシウム系凝集剤などを挙げることができ、鉄系としては、ポリ硫酸第二鉄、ポリ硫酸第一鉄、塩化第二鉄などが挙げられ、アルミニウム系としては硫酸バンド（硫酸アルミニウム）およびポリ塩化アルミニウムなどが挙げられる。また、鉄ミョウバンも凝集剤として挙げることができる。また、有機系凝集剤としては天然高分子系と合成高分子系があるが、高分子系凝集剤としてはポリアクリルアミド系やカチオン系やアニオン系の凝集剤が挙げられる。無機系の凝集剤はフロックが小さく壊れやすいという特徴があるが、高分子系凝集剤と組み合わせることによって、高分子系凝集剤の長い分子構造によって、フロックを絡めて大きな壊れにくいフロックが作られやすい。これらが非アルカリ性シリカのシリカゾルとイオン結合して安定したコロイドとなり、シリカゾルのゲル化に伴いコロイドを含むシリカゲルが形成されるものと思われる。二価または三価の金属の塩や多価金属化合物の併用や凝集剤の種類および使用量の選定は、シリカ濃度との関係があるため、また、凝集剤は少なすぎても多すぎても凝集作用に違いがあり適切な範囲があるため、以下の範囲が好ましいことがわかった。非アルカリ性シリカ溶液は、二価または三価の鉄化合物を、Ｆｅ２Ｏ３に換算して０．１ｗ／ｖ％〜２．０ｗ／ｖ％の範囲で含有する。また、多価金属系凝集剤を、多価金属の酸化物に換算して０．１ｗ／ｖ％〜２．０ｗ／ｖ％の範囲で含有する。また、高分子系凝集剤を、０．０５ｗ／ｖ％〜２．０ｗ／ｖ％の範囲で含有する。さらに、以下の１）、２）または両方の条件を満たす組成と配合を用いるものとした。
１）ゲルの収縮がガラス製メスフラスコでは２０％以内であって、プラスチック製円柱モールドでは２５％以内に収束し、固結砂の強度低下がないか、あっても一定値に収束する。
２）上記注入材がチンダル現象またはブラウン運動を生ずる。
【００２９】
上述したようにシリカゾルグラウトは、固結後における収縮が大きいという問題があったが、シリカ溶液とともに二価または三価の鉄化合物（鉄塩や鉄の水酸化物）や凝集剤のうちの少なくとも１種を併用することで、収縮が大幅に低減して、耐久性の向上が可能となった。また、二価または三価の鉄塩のうちの少なくとも１種を併用することで緩衝作用が生じ、ｐＨの大幅な変動が起きなくなることを見出した。その結果、安定したゲル化時間が得られる利点があることが分かった。さらに、注入後には、地盤中の土質やｐＨの影響で、二価または三価の鉄塩がコロイドに変化することにより、或いは凝集剤がコロイドとなることにより、これらを含む非アルカリ性シリカゲルの収縮が低減し、固結土の強度や透水性の低減が抑制され、シリカグラウトの劣化要因が取り除かれる。
【００３０】
本発明に用いる二価または三価の金属の塩としては、酸性金属塩であることが好ましく、具体的には、鉄塩、ならびに鉄塩と併用してマグネシウム塩、アルミニウム塩やカルシウム塩および金属イオン封鎖剤を用いることができる。シリカ溶液に含有する鉄塩、或いは鉄の水酸化物の使用量は、二価または三価の鉄化合物をＦｅ２Ｏ３に換算して０．１ｗ／ｖ％〜２．０ｗ／ｖ％が適切である。また、高分子系凝集剤は、０．０５ｗ／ｖ％〜２．０ｗ／ｖ％が適切である。この量より少なければゲルの収縮の低減の効果が少なくなり、また、多ければ粘性が高くなり、浸透性が低下する。上記二価または三価の鉄塩のうち三価の鉄塩が極めて効果があることが分かった（図６）。鉄塩としては、硫酸鉄、塩化鉄および鉄ミョウバンや鉄の水酸化物、ポリ鉄等を挙げることができる。これらは、注入することにより土中でコロイド化する。
【００３１】
鉄塩とマグネシウム塩やアルミニウム塩、カルシウム塩等の多価金属塩を併用する場合、その使用量は鉄塩と多価金属塩の酸化物に換算して上述した範囲内にあることが望ましい。また、凝集剤を用いる場合も多価金属の酸化物に換算して上記範囲内にあることが望ましい。
【００３２】
本発明においては、以下の特性により上記二価または三価の鉄塩または鉄の水酸化物あるいはさらに多価金属塩化合物、或いは凝集剤を含む非アルカリ性シリカを地盤中に注入して、大きな粒子径からなるシリカコロイドで地盤を固結することができる（図１８）。非アルカリ性シリカの地盤中におけるゲル化促進作用によって移流拡散させないように、非アルカリ性シリカを所定領域にゲル化固結させることができる。
（１）三価の水酸化鉄は水溶液中でコロイドを形成する。二価の水酸化鉄も容易に三価の水酸化鉄となる。
（２）上記コロイドは疎水コロイドであって塩を加えれば直ちに凝析する。
（３）二価または三価の酸性鉄塩は水溶液中で水酸化鉄のコロイドとなる。
（４）酸性シリカゾル中に含まれる酸性鉄塩はｐＨが中性方向に進むにつれて（図１）水酸化鉄のコロイド（コロイドになるｐＨをｐＨｘとする）になるが、水酸化鉄が疎水コロイドであるのに対してシリカゾルは親水コロイドなので、疎水コロイドに親水コロイドが吸着して大きな保護コロイドを形成して凝析することなく安定し、長いゲル化時間で地盤中に浸透し時間とともに土粒子間に填充されて、ゲル化するものと思われる。
【００３３】
本発明において収縮の少ないゲルを作る理由は正確には不明であるが、鉄塩の例より、凝集剤も含めておそらく以上と同様の理由と思われる。
二価または三価の金属塩の中でも、鉄塩は、アルミニウム塩やカルシウム塩、これらの水酸化物、マグネシウム塩等に比べてゲルの収縮は極めて少ない。シリカゾルグラウトにおいてマグネシウム塩やアルミニウム塩、カルシウム塩を用いてゲル化時間を調整することは公知である。しかし、鉄化合物や凝集剤を用いてシリカゾルのゲルの収縮を低減することは、本発明者らによって初めて見出されたものである。また、鉄化合物や凝集剤、併用する多価金属化合物の配合量の設定は、そのゲルの収縮量がシリカ濃度や金属塩の種類や配合量によって異なるので、ゲルの収縮が一定の値以下に収束する配合で設定すればよいことが分かった。すなわち、ゲルの収縮が最終的にガラスメスフラスコで２０％以内、プラスチック製円柱モールドで２５％以内に収束する配合を設定すればよいことが分かった。ここで一定値に収束するという意味は、経時的に収縮カーブが一定の値に収束することをいう。なお、併用する多価金属塩は水溶性塩が適している。
【００３４】
上述したように、本発明の地盤注入材は、ホモゲルのゲルの収縮が上記収縮量の範囲内で一定値に収束することによってサンドゲルの強度の低減を抑え、耐久性を保持することができる。
また、前記二価または三価の鉄化合物を例にとれば、Ｆｅ２Ｏ３に換算して地盤注入液あたり０．１ｗ／ｖ％〜２．０ｗ／ｖ％の範囲とする。
例えば、後述する表７の配合１では、（１０ｍｌ×１．５×１５．７％）／４００ｍｌ＝０．６ｗ／ｖ％であり、上記の範囲に入る。  
【００３５】
本発明に用いるシリカ溶液としては、水ガラスおよびシリカコロイドのうちのいずれか一方または両方を含むシリカ溶液に用いることができる。さらに、活性シリカ（水ガラスをイオン交換処理してアルカリを除去したシリカ溶液）、金属シリカ（金属シリカを水と反応させて得たシリカコロイド）等のシリカの他、シリカコロイドに水ガラス溶液を含有させた非アルカリ性シリカ溶液を使用することもでき、これらから選択される複数種を併用してもよい。
【００３６】
本発明の地盤注入材には、さらに、酸性反応剤を配合することができる。酸性反応剤としては、硫酸、リン酸、硝酸、塩酸、スルファミン酸等の無機酸、および、これらの混酸等を用いることができる。また酢酸、クエン酸、コハク酸などの有機酸を使用することもでき、また、公知のリン酸塩や無機または有機の金属イオン封鎖剤を配合することもできる。さらに、具体的な名称は、テトラポリリン酸塩、ヘキサメタリン酸塩（特にナトリウム塩がよい）、トリポリリン酸塩、ピロリン酸塩、酸性ヘキサメタリン酸塩、酸性ピロリン酸塩などの縮合リン酸塩類、エチレンジアミン四酢酸、ニトリロトリ酢酸、グルコン酸、酒石酸、クエン酸またはこれらの塩類などが挙げられ、実用的には縮合リン酸塩類が好ましい。
また、リン酸系化合物ではリン酸、各種酸性リン酸、中性リン酸、塩基性リン酸塩も挙げられる。
【００３７】
また、水ガラスの存在下で加水分解により酸を形成して水ガラスのアルカリを中和してゲル化する有機酸材、たとえば酢酸エチレングリコールやトリアセチンなどの酢酸エステル、ジエチレンカーボネイトなどの炭酸エステル、また、水ガラスをゲル化するために劇毒物でない安全性の高い有機反応剤として、酢酸エチル、ギ酸エチルのようなエステル類、フォルムアマイド、ギ酸アマイドのようなアミン類、グリオキザール、コハク酸ジアルデヒド、フルフラールジアルデヒド、グルタルジアルデヒドのようなジアルデヒド化合物やエチレングリコールジアセテート、トリアセチンのような多価アルコール酢酸エステル、炭酸エチレンのような炭酸アルキレン類、γ‐ブチルラクトンのようなラクトン類などを用いることができ、これらを併用することも可能である。その他、各種無機塩や、地盤状況に応じてセメント、スラグ、石膏、粘土などのアルカリ性材料や表２の粉体を用いてゲル化時間の調整や強度増加を図ることもでき、各種分散剤を用いることもできる。
【００３８】
ここで、様々な細粒子の粒径を比較した結果を、下記の表２に示す。本発明の地盤注入材には、さらに、ホワイトカーボン、フライアッシュ、シリカヒューム、粉末シリカ、ベントナイト、石膏、石灰、セメント、スラグ、水溶性アルミニウム塩等の粉体の少なくとも一種以上を含有させることができる。粘土としては、ベントナイトの他にカオリナイトなどアルミニウムを含む任意の材料を用いることもできる。これら粉体や粘土を注入した地盤に、本発明の地盤注入材を注入してもよい。
【００３９】
【表２】
0006764177.tif 000003
【００４０】
本発明の地盤注入材には、さらに、二価または三価の金属の塩以外の塩を含有させてもよい。また、本発明の地盤注入材においては、海水を練り混ぜ水として用いることもできる。
【００４１】
本発明の地盤注入材には、マイクロバブルまたはマイクロバブル水等のマイクロバブルを混合した配合液を使用してもよい。ここで、本発明においては、マイクロバブルおよびナノバブルを含む微小バブルを「マイクロバブル」と総称する。また、本発明の地盤注入材と、マイクロバブル液や空気などの気体とを、併用して地盤に注入することもできる。マイクロバブルまたはマイクロバブル液を併用することにより、液状化対策等に使用でき、経済的にも従来の注入材より優れたものとなる。マイクロバブル水や空気は、地震動に伴う間隙水圧の上昇を空気が収縮することにより抑制する効果を有することが、実験によって確認されている。しかし、実地盤においては、地下水流があることや、地下水流の影響を排除すべく格子状に閉鎖して行った実験では、浸透したマイクロバブル水が上方に移動する現象等が確認されるなど、長期的な耐久性については明確な結論が出るには至っていないが、シリカ溶液と併用すれば、長期的なマイクロバブルの上方への逸脱を防ぐことができる。マイクロバブルが長期間地盤中に固定されていれば非常に経済的な技術である。また、上記鉄化合物を含むシリカ溶液をマイクロバブルと併用すればシリカのゲルの収縮が低減されているので、マイクロバブルの地上への逸脱を防ぐことができる。上記において併用とはマイクロバブルを混入した上記シリカ溶液を注入する方法や上記シリカ溶液の注入とマイクロバブルの注入を異なる注入ステージや時間差をもって注入してマイクロバブルの逸脱を防ぐ方法等をさす。
【００４２】
本発明の地盤注入材において、非アルカリ性シリカ溶液のシリカゲル後の組成は、ｐＨが１〜１１のシリカ溶液であってかつ練り上がりシリカ濃度が１〜５０質量％であり、二価または三価の鉄化合物をＦｅ２Ｏ３に換算して地盤注入液において０．１ｗ／ｖ％〜２．０ｗ／ｖ％含み、シリカとして水ガラスまたは水ガラスおよびシリカコロイドを含み、水ガラスのモル比は２〜６であって、鉄塩を例にとれば、以下の特性（ｉ）および（ｉｉ）を示すことが好ましい。上記において鉄塩以外の多価金属塩の凝集剤を用いる場合も、その多価金属の酸化物に換算した使用量は上記と同様の範囲で用いることができる。
（ｉ）二価または三価の鉄化合物および多価金属系凝集剤の水溶液は、ｐＨを高めると多価金属の水酸化物のコロイド液になる。そのときのｐＨを「ｐＨｘ」とする。
（ｉｉ）二価または三価の鉄化合物および多価金属系凝集剤の水溶液は、塩を加えると凝析するが、非アルカリ性シリカ溶液中にあっては凝析することなくゲル化する。
【００４３】
本発明の地盤注入材の配合手順は、特に制限されず、順不同で配合することが可能である。また、１液式や２液式などの制約はなく、混合の制限がなく、作業者の手間をとらないメリットを有する。
【００４４】
本発明の地盤改良工法は、上記本発明の地盤注入材を地盤に注入することを特徴とするものであり、これにより、耐久性に優れた改良地盤を形成することができる。二価または三価の鉄塩または鉄の水酸化物、或いは多価金属を含む凝集剤のうちの少なくとも１種を含む非アルカリ性注入材を地盤に注入することによって、注入中に地盤内でｐＨを中性方向に移行させることにより、二価または三価の水酸化鉄等の金属塩のコロイドを形成したシリカゲルで地盤を固結することができる。本発明のシリカ溶液は、水ガラスを有効成分とする配合で、水ガラスのアルカリを中和除去するため酸性側になるため、この場合、地盤のｐＨは酸性シリカ溶液のｐＨより中性側にあるので、注入した注入液は中性方向に移行してゲル化時間を短縮するが、本発明のシリカ溶液はｐＨ緩衝作用があるので、急激なゲルタイムの短縮を抑えることができ、浸透性に優れている。
【００４５】
本発明においては、上記本発明の地盤注入材は、溶液型シリカグラウトまたは懸濁型グラウトを併用して地盤に注入してもよい。この場合に使用できる溶液型シリカグラウトとは、例えば、シリカを含む注入材であって、例えば、水ガラスやコロイダルシリカなどを含むものであり、また、懸濁型グラウトとは、例えば、スラグ、セメント、シリカヒューム、石灰、石膏など粉体を含むものである。
【００４６】
また、本シリカ溶液は上記金属塩とともに金属イオン封鎖剤（リン酸、ヘキサメタリン酸ソーダなどのリン酸塩、クエン酸、などの有機酸）などと共に含有させれば地中コンクリート表面にカルシウムとともに不溶性保護膜を形成し、注入材中の酸や酸性雨などによるコンクリート劣化を防ぐことができる。また、コンクリート表面にゲルの収縮のほとんどない被覆膜を形成して強固な鉄を含むハイドロキシアパタイトやリン酸カルシウムの被覆膜または有機酸カルシウムの被覆膜の保護膜を形成して、酸によるコンクリートの劣化を防いだり亀裂の補修を行うことができる。
【００４７】
本発明は、軟弱地盤の強化や、地盤水密化、廃棄物の密封化、止水壁の構築、液状化対策工、コンクリート構造物の補修等に適用することができ、また液状化対策工にも有用である。
【実施例】
【００４８】
以下、本発明を、実施例を用いてより詳細に説明する。なお、本発明がこれらの例によて制限されるものでないのはもちろんである。
【００４９】
以下の実施例で使用した試薬等を、下記の表３に示す。
【００５０】
【表３】
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【００５１】
さらに、上記硫酸鉄（ＩＩＩ）を用いて、下記表４に示す配合に従い、注入材を作液した。使用した薬品の物性値としては、５号水ガラスは比重１．３２、シリカ濃度２５．５質量％であり、７５％硫酸は比重１．６７４であった。ゲルの経日的体積変化を試験した体積収縮率の例を、図６（ガラス製メスフラスコ法）および図７（プラスチック製モールド法）に示す。  
【００５２】
【表４】
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【００５３】
配合アルミ１では体積変化率が多かったが、配合アルミ２ではガラスメスフラスコ法にて２０％以内に数値が収束した。
【００５４】
【表５】
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【００５５】
硫酸鉄（ＩＩ）を用いた場合でも、硫酸鉄（ＩＩＩ）とほぼ同じ傾向の結果が得られた。
【００５６】
【表６】
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【００５７】
硫酸マグネシウムと硫酸鉄（ＩＩＩ）を併用した配合でも収縮量を抑えることができた。メスフラスコ法にて測定した体積変化はコロイドを含む配合と同等の数値を示した。また、一軸圧縮強度もコロイドを含む配合と近い数値を示した（図６）。
【００５８】
【表７】
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【００５９】
【表８】
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【００６０】
配合Ａ〜Ｄは、水ガラスにコロイダルシリカを併用した配合である。非アルカリ性シリカ中のシリカ分において水ガラスの量が多いほどゲルの収縮量は大きくなりコロイドの量が多いほど収縮量が少なくなる。硫酸鉄を加えると水ガラスの量が多くても収縮量を低減できるし、硫酸鉄を加えることによってコロイドの量を少なくしてゲルの収縮を低減できる。配合Ａ〜Ｄでは硫酸鉄を加えることによって硫酸鉄を入れていなかったときに比べ収縮量が１〜２％少なくなった。
配合Ｅは、硫酸が含まれていなくてもほとんど収縮はないが、硫酸を加えた場合も同様にほとんど収縮がないことが分かり使用になんら問題がなかった。配合Ｆでも、配合Ｅと同様にほとんど収縮がなく併用するのに問題はなかった。
【００６１】
【表９】
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【００６２】
配合１４は鉄ミョウバンを用いた配合である。鉄塩とアルミニウム塩が含まれている鉄ミョウバンでも硫酸鉄同様に収縮を低減できることが分かった。
配合１４はＦｅ２Ｏ３相当では０．６ｗ／ｖ（％）である。
【００６３】
【表１０】
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【００６４】
配合１５はカリミョウバンを用いた配合である。アルミニウム塩が含まれているカリミョウバンでも硫酸鉄同様に収縮を低減できることが分かった。しかし、鉄塩ほどの収縮を大幅に抑えらえてはいない。
配合１５はＡｌ２Ｏ３相当では０．２３２ｗ／ｖ（％）である。
【００６５】
（配合液の練り上がりゲル化時間（ＧＴ０）と土中ゲルタイム（ＧＴＳ０））
薬液としては、上記表７に示す配合１１の薬液を、シリカ濃度９％とし、硫酸の量を調整して用いた。
【００６６】
１）配合液のゲルタイム（ＧＴ０）
上記表７より、本発明の注入材のゲルタイムは、図１のシリカゾルのゲルタイム（ＧＴ０）とほとんど同じであることが分かった。
２）土中ゲルタイム（ＧＴＳ０）
土中ゲルタイムの測定においては、乾燥した現場砂をカップに５０ｇ計り取り、配合した薬液を２０ｍｌ入れて、よく混合したものを測定試料とした。これに、所定時間ごとに串を刺し、引抜いたときに孔が塞がらない状態になった時点をもって土中ゲルタイムとした。土中における注入液のｐＨ（ｐＨＳ０）は、図１より、土中ゲルタイムに対応したゲル化時間から推定できる。土中ゲルタイム（ＧＴＳ０）は土のｐＨ以外に細粒土分や塩の含有量も関係しているが、図１からほぼ推定できる。
【００６７】
これらの結果を、下記表１１および図５のグラフに示す。
表７の配合１１の酸の量を変動させるかアルカリ剤を添加して練り上がりｐＨを変えた配合を作製した。この得られた注入液のｐＨとゲル化時間（ＧＴ０）の関係と現場砂（現場砂のｐＨは通常中性付近にある）を用いた土中ゲルタイム（ＧＴＳ０）の関係を示した（図５）。
表１１には、練上がり（ｐＨ０）とゲルタイム（分）（ＧＴ０）と現場砂における土中ゲルタイム（ＧＴＳ０）とＧＴＳ０と図１から推定したｐＨＳ０を示す。
【００６８】
【表１１】
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【００６９】
（収縮率の測定）
ガラス製メスフラスコ（２００ｍｌ）に薬液（表７中の配合１（硫酸鉄（ＩＩＩ）１０ｍｌ））を１００ｍｌ入れ、完全固化したのち純水を標線まで入れた。所定の日数毎に純水を取り出し、ホモゲルの体積を測定して、新しい純水を入れて養生した。表６の配合１−２も同様に試験を行い、体積収縮率を測定した（図６）。
【００７０】
これらの結果を、図６のグラフに示す。
【００７１】
また、アクリルモールドの円柱型容器（５ｃｍ×１０ｃｍ）の中に同様に薬液（表７中の配合１（硫酸鉄（ＩＩＩ）１０ｍｌ）、表４中の配合アルミ１（アルミニウム塩）およびシリカゾル）を入れて固化した後、所定の期間、乾燥しないように湿潤状態の中で保存し、経過日数ごとにホモゲルの体積を測定した。また、ゲルの収縮についての上記２種の測定法において、後者はプラスチック製容器を用いているので、前者のガラス製容器を用いている場合と比べてゲルとの接着力が小さいことから、収縮が大きめになるために、前者が２０％、後者が２５％としている。
【００７２】
これらの結果を、図７のグラフに示す。
【００７３】
また、円柱型容器（５ｃｍ×１０ｃｍ）の中に薬液（表７中の配合１（硫酸鉄（ＩＩＩ）１０ｍｌ）および配合３（硫酸鉄（ＩＩＩ）２０ｍｌ））を入れて固化し、その後、所定の期間、乾燥しないように湿潤状態の中で保存し、経過日数ごとに、サンドゲルの強度の測定を行った。
【００７４】
これらの結果を、図８のグラフに示す。硫酸鉄（ＩＩＩ）を用いた配合では強度の低下が見られなかった。
【００７５】
（浸透試験）
乾燥砂を１ｍモールドに詰めて、薬液（表７中の配合１）を下から浸透させ、７日および２８日強度を測定した。
【００７６】
これらの結果を、図９のグラフに示す。浸透距離が１ｍであっても大きな強度低下がなかった。また、７日強度と２８日強度では２８日強度すべてが強度増加が見られた。
【００７７】
（コロイドの生成確認試験）
ｐＨを変えた硫酸鉄（ＩＩＩ）のみの練り上がり液について、コロイドが形成されているか否かを確認した。
【００７８】
図１０に示す硫酸鉄のみの練り上がりｐＨ２．２４の液Ａでは、ライトを当てても光の筋（光の反射）が見えず、コロイドは形成されていないことがわかる。これに対し、硫酸鉄のみの練り上がりｐＨ２．２４の液にアルカリ調整剤として水酸化ナトリウム水溶液を少量添加してｐＨ２．６に調整した液Ｂでは、図１１に示すように、ライトを当てることにより光の筋（光の反射）が確認された。同様に、図１２，１３に示すように、ｐＨ２．７およびｐＨ２．８に調整した液Ｃ，Ｄにおいても、コロイドが形成されていることが確認できた。これらのコロイドの生成によるチンダル現象によると考えることができる。上記にてコロイドが形成されるｐＨを（ｐＨｘ）とすると、ｐＨｘは２．６である。
【００７９】
また、図１０〜１３の液をろ紙に通過させると、図１４に示すように、図１０の液は真の溶液であるためろ紙に残る物質はなかったのに対し、図１５〜１７に示すように、図１０の液に水酸化ナトリウムを加えてｐＨが上昇するに従ってコロイドが凝析してろ紙には凝析物が残っている様子が確認された。
【００８０】
しかし、硫酸鉄を含む酸性シリカ溶液は、表４〜表９内に示すように凝析することなく安定したシリカ溶液を形成し、時間の経過とともにゲル化することが確認された。
【００８１】
このように得られた鉄塩を含む酸性シリカ溶液は図５に示すように安定した練り上がりｐＨ（ｐＨ０）と土中ゲル化時間（ＧＴＳ０）を有し、図２Ａ〜２Ｃおよび図６，図７に示すようにシリカゾルに比べゲルの収縮が極めて小さく、かつ、図８に示すようにサンドゲルの強度低下がほとんど生じない優れた耐久性を有することが分かった。また、図９の浸透試験の強度より十分な浸透距離が得られ、図９かつ浸透先端部においても浸透底部にくらべて強度が十分に維持でき、注入液の土粒子間への充填性が得られることが判明した。
【要約】
【課題】固結後におけるゲルの収縮を抑制するとともに強度発現を速くして、耐久性を向上した地盤注入材、および、それを用いた地盤改良工法を提供する。
【解決手段】改良地盤の形成に用いられるシリカ含有量１〜５０質量％の水ガラスおよび／またはシリカコロイドを有効成分とする非アルカリ性シリカ溶液である。（１）二価または三価の鉄化合物、および、（２）多価金属系凝集剤および／または高分子系凝集剤から選択される１種または複数種を、（３）二価または三価の鉄化合物の含有量についてはＦｅ２Ｏ３に換算して、多価金属系凝集剤の含有量については多価金属の酸化物に換算して、０．１〜２．０ｗ／ｖ％、高分子系凝集剤の含有量は０．０５〜２．０ｗ／ｖ％の濃度で含有し、ｐＨが地盤中で中性方向に移行することにより、コロイドを地盤中に形成せしめることによってシリカゲルの収縮を低減し、それによって、注入された地盤の長期耐久性を維持する。
【選択図】なし【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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