(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（１）カルシウムアルミネート及び潜在水硬性物質、並びに、（２）アルカリ金属炭酸塩、（３）トリポリリン酸ナトリウム、及び（４）有機酸類を含有してなる地盤安定化用セメント混和材とポルトランドセメントと水を含有してなるセメントミルクを地盤中に高圧噴射注入し、切削された土とセメントミルクが混合されたスライムを地上へ排出しながら、前記セメントミルクを土と混合して硬化させることを特徴とする地盤安定化工法。
【請求項２】
前記地盤安定化用セメント混和材が、さらに（５）硫酸塩類を含有してなることを特徴とする請求項１記載の地盤安定化工法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地中にセメントミルクを高圧噴射し、地盤を硬化、安定化させる地盤安定化用セメント混和材、セメント組成物、及び地盤安定化工法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シールド工法のように、地中にボーリングしてトンネルを掘削するためには、掘削の際に地盤が崩落しないことが重要であり、そのためには軟弱な地盤を硬化、安定化させなければならない。この地盤安定化工法としては、セメントミルクを地中深く高圧噴射し、土と混合する工法が挙げられる。
この工法は、地中に一重管、二重管、又は三重管を挿入し、管を回転させながら、これらの管先端付近からセメント、セメントミルク、圧縮空気、及び水を地中に高圧噴射し、地中の土を切削すると同時に、切削された土とセメントミルクが混合されたスライムを地上へ排出しながら、一定速度で管を上昇させ、地中をスライムで置換して硬化させ、地盤を安定化させる工法である。
【０００３】
この工法は、切削によりセメントミルクと土を混合した場合に、セメント粒子と土の粒子が電気的作用により互いに凝集するために、セメントミルクと土を混合したスライムの粘性が上昇し、スライムを地上へ排出しにくくなるという欠点があった。スライムの粘性を低下させるためには、ナフタレンスルホン酸塩ホルマリン縮合物、メラミンスルホン酸塩ホルマリン縮合物、及び／又はポリカルボン酸系化合物等を含有する地盤安定化用セメント混和材（特開平６−１２７９９３号公報）が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの地盤安定化用セメント混和材は砂質土や砂分の多いシルト地盤では、その結果がある程度認められるが、粘性土地盤においては、粘性低下の効果が小さいために多量に添加する必要があり、強度発現性が向上しにくいという課題があった。
本発明者は、地盤安定化工法において、前記課題を解決すべく種々検討を行った結果、特定の地盤安定化用セメント混和材を使用することにより前記課題を解決できる知見を得て本発明を完成するに至った。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、（１）カルシウムアルミネート及び潜在水硬性物質、並びに、（２）アルカリ金属炭酸塩、（３）トリポリリン酸ナトリウム、及び（４）有機酸類を含有してなる地盤安定化用セメント混和材とポルトランドセメントと水を含有してなるセメントミルクを地盤中に高圧噴射注入し、切削された土とセメントミルクが混合されたスライムを地上へ排出しながら、前記セメントミルクを土と混合して硬化させることを特徴とする地盤安定化工法であり、前記地盤安定化用セメント混和材が、さらに（５）硫酸塩類を含有してなることを特徴とする該地盤安定化工法である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
【０００７】
本発明では成分（１）として、カルシウムアルミネートや潜在水硬性物質を使用する。
【０００８】
本発明で使用するカルシウムアルミネートとは、初期にセメントの凝結を起こさせる急結成分をいい、スライムを数分から数時間以内にゲル化させ、流動性を低下させることができる。従って、地上へ排出されるスライムの量を少なくでき、廃棄物であるスライムを処理する費用を安くできる。
カルシウムアルミネートはＣａＯ原料やＡｌ2 Ｏ3 原料等を使用して、キルンで焼成したり、電気炉で溶融させたり等の熱処理を行うことにより得られる。
その鉱物成分としては、ＣａＯをＣ、Ａｌ2 Ｏ3 をＡとすると、Ｃ3 Ａ、Ｃ12Ａ7 、ＣＡ、及びＣＡ2 等で示されるカルシウムアルミネート熱処理物を粉砕したもの等が挙げられる。更に、その他の鉱物成分として、ＳｉＯ2 を含有するアルミノケイ酸カルシウム、Ｃ12Ａ7 の１つのＣａＯをＣａＦ2 等のハロゲン化物で置き換えたＣ11Ａ7 ・ ＣａＸ2 （Ｘはフッ素等のハロゲン）、ＳＯ3 成分を含むＣ4 Ａ3 ・ ＳＯ3 、並びに、ナトリウム、カリウム、及びリチウム等のアルカリ金属が一部固溶したカルシウムアルミネート等が挙げられ、結晶質や非晶質いずれも使用可能である。これらの中では、反応活性の点で、Ｃ12Ａ7 組成に対応する熱処理物を急冷した非晶質カルシウムアルミネートが好ましい。
カルシウムアルミネートの粒度は、急結性や初期強度発現性の点で、ブレーン値で３０００cm2/g 以上が好ましく、４０００cm2/g 以上がより好ましい。３０００cm2/g 未満だと急結性や初期強度発現性が低下するおそれがある。
【０００９】
本発明では、長期強度発現性が良好になり、スライムにチキソトロビー性を付与し、流動性を低下する点で潜在水硬性物質を使用する。潜在水硬性物質とは、アルカリの存在で水硬性を示す物質であり、シリカフューム、高炉スラグ、及びフライアッシュ等が挙げられる。これらの中では、強度発現性やチキソトロビー性の点で、シリカフュームが好ましい。
潜在水硬性物質の粒度は、特に限定されるものではないが、強度発現性の点で３０００cm2/g 以上が好ましく、４０００cm2/g 以上がより好ましい。３０００cm2/g 未満だと長期強度が向上しないおそれがある。
【００１０】
成分（１）のカルシウムアルミネートや潜在水硬性物質の中では、初期や長期の強度発現性が向上し、流動性を早く低下させる点で、カルシウムアルミネートと潜在水硬性物質を併用することが好ましい。この場合、潜在水硬性物質の使用量は、カルシウムアルミネート１００重量部に対して、１０〜１００重量部が好ましく、２０〜８０重量部がより好ましい。１０重量部未満だと効果がなく、１００重量部を越えると初期強度発現性を阻害するおそれがある。
【００１１】
本発明では成分（２）として、アルカリ金属炭酸塩、リン酸塩、及び有機酸類からなる群より選ばれた１種又は２種以上の物質を使用する。
【００１２】
本発明で使用するアルカリ金属炭酸塩は、スライムの初期強度増進と粘性低下の効果がある。アルカリ金属炭酸塩としては、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸リチウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム、及び炭酸水素リチウム等が挙げられ、これらの１種又は２種以上を使用してもよい。これらの中では、初期強度発現性の点で炭酸ナトリウムが好ましい。
【００１３】
アルカリ金属炭酸塩の使用量はカルシウムアルミネートを使用する場合には、カルシウムアルミネート１００重量部に対して１〜５００重量部が好ましく、２０〜３００重量部がより好ましい。１重量部未満だと強度増進や粘性低下の効果が小さく、５００重量部を越えるとセメントミルクと土を混合した時に擬凝結を起こすおそれがある。
【００１４】
潜在水硬性物質を使用する場合には、アルカリ金属炭酸塩の使用量は潜在水硬性物質１００重量部に対して１〜５００重量部が好ましく、２０〜１００重量部がより好ましい。１重量部未満だと強度増進や粘性低下の効果が小さく、５００重量部を越えるとセメントミルクと土を混合した時に擬凝結を起こすおそれがある。
【００１５】
カルシウムアルミネートと潜在水硬性物質を併用する場合には、アルカリ金属炭酸塩の使用量はカルシウムアルミネートと潜在水硬性物質の合計１００重量部に対して１〜５００重量部が好ましく、２０〜２００重量部がより好ましい。１重量部未満だと強度増進や粘性低下の効果が小さく、５００重量部を越えるとセメントミルクと土を混合した時に擬凝結を起こすおそれがある。
【００１６】
本発明で使用するリン酸塩は、粘性低下の効果がある。リン酸塩としては、リン酸一ナトリウム、リン酸二ナトリウム、リン酸三ナトリウム、トリポリリン酸ナトリウム、ピロリン酸ナトリウム、トリメタリン酸ナトリウム、ヘキサメタリン酸ナトリウム、テトラポリリン酸ナトリウム、及びこれらのナトリウム塩をカリウム塩やリチウム塩等で置換したもの等が挙げられ、これらの１種又は２種以上を使用してもよい。これらの中では、初期凝結防止や経済性の点でトリポリリン酸ナトリウムが好ましい。
【００１７】
リン酸塩の使用量はカルシウムアルミネートを使用する場合には、カルシウムアルミネート１００重量部に対して０．５〜１００重量部が好ましく、２〜８０重量部がより好ましい。０．５重量部未満だと粘性低下の効果が小さく、５００重量部を越えると強度発現性を阻害するおそれがある。
【００１８】
潜在水硬性物質を使用する場合には、リン酸塩の使用量は潜在水硬性物質１００重量部に対して０．５〜１００重量部が好ましく、１〜５０重量部がより好ましい。０．５重量部未満だと粘性低下の効果が小さく、１００重量部を越えると強度発現性を阻害するおそれがある。
【００１９】
カルシウムアルミネートと潜在水硬性物質を併用する場合には、リン酸塩の使用量はカルシウムアルミネートと潜在水硬性物質の合計１００重量部に対して０．５〜１００重量部が好ましく、１〜５０重量部がより好ましい。０．５重量部未満だと粘性低下の効果が小さく、１００重量部を越えると強度発現性を阻害するおそれがある。
【００２０】
本発明で使用する有機酸類は、スライムの粘性を低下させ、セメントミルクの硬化時間を制御するという効果がある。有機酸類としては、クエン酸、リンゴ酸、酒石酸、グルコン酸、及びこれらのナトリウム塩やカリウム塩等が挙げられ、これらの１種又は２種以上を使用してもよい。これらの中では、強度発現性の点でクエン酸やグルコン酸ナトリウムが好ましい。
【００２１】
有機酸類の使用量はカルシウムアルミネートを使用する場合には、カルシウムアルミネート１００重量部に対して１〜５０重量部が好ましく、２〜３０重量部がより好ましい。１重量部未満だとセメントミルクの硬化時間を延長させることが難しく、５０重量部を越えると強度発現性を阻害するおそれがある。
【００２２】
潜在水硬性物質を使用する場合には、有機酸類の使用量は潜在水硬性物質１００重量部に対して０．５〜３０重量部が好ましく、１〜２０重量部がより好ましい。０．５重量部未満だとセメントミルクの硬化時間を延長させることが難しく、３０重量部を越えると強度発現性を阻害するおそれがある。
【００２３】
カルシウムアルミネートと潜在水硬性物質を併用する場合には、有機酸類の使用量はカルシウムアルミネートと潜在水硬性物質の合計１００重量部に対して１〜５０重量部が好ましく、２〜３０重量部がより好ましい。１重量部未満だとセメントミルクの硬化時間を延長させることが難しく、５０重量部を越えると強度発現性を阻害するおそれがある。
【００２４】
成分（２）のアルカリ金属炭酸塩、リン酸、及び有機酸類の中では効果が大きい点で、アルカリ金属炭酸塩とリン酸を併用することが好ましく、アルカリ金属炭酸塩、リン酸、及び有機酸類を併用することがより好ましい。
【００２５】
本発明ではさらに、強度発現性が良好となる点で成分（３）として、硫酸塩類を使用することが好ましい。硫酸塩類としては、硫酸カルシウム、硫酸ナトリウム、硫酸カリウム、及び硫酸マグネシウム等の硫酸塩、亜硫酸カルシウム、亜硫酸ナトリウム、硫酸カリウム、及び亜硫酸マグネシウム等の亜硫酸塩、並びに、亜硫酸水素カルシウム、亜硫酸水素ナトリウム、亜硫酸水素カリウム、及び亜硫酸水素マグネシウム等の亜硫酸水素塩等が挙げられ、これらの１種又は２種以上を使用してもよい。これらの中では、強度発現性の点で硫酸塩が好ましく、硫酸カルシウムがより好ましい。
【００２６】
硫酸塩類の使用量はカルシウムアルミネートを使用する場合には、カルシウムアルミネート１００重量部に対して１０〜４００重量部が好ましく、５０〜３００重量部がより好ましい。１０重量部未満だと長期強度増進の効果が小さく、４００重量部を越えると長期間経過すると硬化体が膨張し、クラックが生じるおそれがある。
【００２７】
潜在水硬性物質を使用する場合には、硫酸塩類の使用量は潜在水硬性物質１００重量部に対して１０〜４００重量部が好ましく、５０〜３００重量部がより好ましい。１０重量部未満だと長期強度増進の効果が小さく、４００重量部を越えると長期間経過すると硬化体が膨張し、クラックが生じるおそれがある。
【００２８】
カルシウムアルミネートと潜在水硬性物質を併用する場合には、硫酸塩類の使用量はカルシウムアルミネートと潜在水硬性物質の合計１００重量部に対して２０〜５００重量部が好ましく、５０〜３００重量部がより好ましい。２０重量部未満だと長期強度増進の効果が小さく、５００重量部を越えると長期間経過すると硬化体が膨張し、クラックが生じるおそれがある。
【００２９】
地盤安定化用セメント混和材（以下本セメント混和材という）の使用量は、セメント１００重量部に対して、１〜５０重量部が好ましく、２〜１０重量部がより好ましい。１重量部未満だと粘性低下の効果が小さく、３０重量部を越えると初期強度発現を阻害するおそれがある。
【００３０】
本発明で使用するセメントとしては、普通、早強、超早強、及び中庸熱等の各種ポルトランドセメント、並びに、市販されている微粒子セメント等が挙げられ、各種ポルトランドセメントを微粉末化して使用してもよい。
【００３１】
本発明で使用する水の量は、土の含水比等で異なり、限定することは難しいが、セメント組成物（以下本セメント組成物という）１００重量部に対して、３０〜５００重量部が好ましく、５０〜３００重量部がより好ましい。３０重量部未満だとスライムの粘性が大きく、５００重量部を越えると強度発現性を阻害するおそれがある。
【００３２】
本セメント混和材を使用した場合、スライムの粘度はセメント混和材を使用しない場合と比べて、通常粘度が１０％以上低下する。
又、本発明では、土の状態や施工上の理由により、減水剤、特に高性能減水剤を使用してもよい。
本セメント混和材は、粘性土に限らず、砂質土や腐食土等の土にも効果を有する。
本発明の混合や撹拌の条件は、地中に高圧噴射する前に本セメント組成物と水を混合していれば特に限定するものではないが、本セメント組成物と水を、回転数１０〜１０００rpm 程度で回転するグラウトミキサーにより混合するバッチ混合方式や、管内に羽根を設置しているラインミキサーにより混合する連続混合方式等が挙げられる。
【００３３】
次に、本発明の地盤安定化工法について説明する。
まず、地盤改良が必要な箇所を削孔する。削孔径は特に限定されないが注入ロッドが挿入できる大きさであればよい。
削孔の深さは、改良したい領域により変更し、特に限定することはできないが、１０〜５０ｍ程度が通常である。
次に、二重管や三重管構造の注入ロッドを挿入し、セメントミルクをグラウトポンプ、超高圧ポンプ、又はコンプレッサ−等を用いて圧送し、二重管又は三重管のノズルから噴射する。
セメントミルクの圧送圧力は大きい方が好ましいが、二重管、三重管、及びこれらのノズルの磨耗等を考慮すると５０〜７００kg/cm2程度が通常である。セメントミルクの送液量は、特に限定されるものではないが、３０〜２００リットル／分程度が好ましい。
このように地中で高圧噴射されたセメントミルクは土と一緒に混合撹拌され、又、注入ロッドは回転しながら一定速度で地上へ上昇するので、最終的には円柱状の杭が地中に形成される。この杭の直径は、地盤の硬さを示すＮ値等の土の条件や噴射の圧送圧力等の施工条件により変化し、特に限定されるものではないが、０．５〜２０ｍが適当である。
【００３４】
【実施例】
以下、実施例に基づき詳細に説明する。
【００３５】
比較例１
表１に示すカルシウムアルミネート１００重量部、並びに、表１に示す量のアルカリ金属炭酸塩、リン酸塩、及び有機酸類を混合して本セメント混和材とし、次いで本セメント混和材をセメント１００重量部に対して１０重量部混合して本セメント組成物とし、そして水を本セメント組成物１００重量部に対して１５０重量部混合してセメントミルクを調製した。このセメントミルクを土１m3に対して１m3の割合になるように加え、容量３リットルのミキサ−により混合撹拌してスライムを得た。このスライムの粘度と圧縮強度を測定した。結果を表１に示す。
【００３６】
（使用材料）
カルシウムアルミネートＡ：主成分Ｃ12Ａ7 、非晶質、
ブレーン値５９００cm2/g 、比重２．９０
カルシウムアルミネートＢ：主成分Ｃ4 Ａ3・ＳＯ3 、ブレーン値３１００cm2/g 、比重２．９３
セメント：普通ポルトランドセメント、市販品、比重３．１６
アルカリ金属炭酸塩ａ：炭酸ナトリウム、市販品
アルカリ金属炭酸塩ｂ：炭酸水素ナトリウム、市販品
リン酸塩〔１〕：トリポリリン酸ナトリウム、市販品
リン酸塩〔２〕：リン酸一ナトリウム、市販品
有機酸類ア：グルコン酸ナトリウム、市販品
有機酸類イ：クエン酸、市販品
粘性土：火山灰質粘性土（神奈川県横浜市の工事現場で採取）、湿潤密度１．４８g/cm2
【００３７】
（測定方法）
粘度：得られたスライムを温度２０℃、湿度８０％、回転数２０rpm の条件下でＢ型粘度計により測定した。
圧縮強度：得られたスライムを４cm×４cm×１６cmの型枠に流し込み、硬化後脱型して供試体を得た。供試体を温度２０℃で水中養生を行い、所定材齢における圧縮強度を測定した。
【００３８】
【表１】
0004105777.tif 000002
【００３９】
比較例２
表２に示す潜在性水硬性物質１００重量部、並びに、表２に示す量のアルカリ金属炭酸塩、リン酸塩、及び有機酸類を混合して本セメント混和材としたこと以外は、比較例１と同様に行った。結果を表２に示す。
（使用材料）
潜在性水硬性物質ｉ：高炉スラグ、ブレーン値４０００cm2/g 、市販品
潜在性水硬性物質ｉｉ：フライアッシュ、ブレーン値４２００cm2/g 、市販品
【００４０】
【表２】
0004105777.tif 000003
【００４１】
実施例１
カルシウムアルミネートＡ１００重量部、潜在性水硬性物質ｉ３０重量部、並びに、カルシウムアルミネートと潜在性水硬性物質の合計１００重量部に対して表３に示す量のアルカリ金属炭酸塩、リン酸塩、及び有機酸類を混合して本セメント混和材としたこと以外は、比較例１と同様に行った。結果を表３に示す。
【００４２】
【表３】
0004105777.tif 000004
【００４３】
実施例２
カルシウムアルミネートＡ１００重量部、表４に示す量の潜在性水硬性物質ｉ、並びに、カルシウムアルミネートと潜在性水硬性物質の合計１００重量部に対してアルカリ金属炭酸塩ａ５０重量部、リン酸塩〔１〕２０重量部、及び有機酸類ア１０重量部を混合して本セメント混和材としたこと以外は、比較例１と同様に行った。結果を表４に示す。
【００４４】
【表４】
0004105777.tif 000005
【００４５】
比較例３
カルシウムアルミネートＡ１００重量部、アルカリ金属炭酸塩ａ５０重量部、リン酸塩〔１〕２０重量部、有機酸類ア１０重量部、及び表５に示す量の硫酸塩類を混合して本セメント混和材としたこと以外は、比較例１と同様に行った。結果を表５に示す。
（使用材料）
硫酸塩類α：無水セッコウ、市販品
硫酸塩類β：亜硫酸ナトリウム、市販品
【００４６】
【表５】
0004105777.tif 000006
【００４７】
比較例４
潜在水硬性物質ｉ１００重量部、アルカリ金属炭酸塩ａ５０重量部、リン酸塩〔１〕２０重量部、有機酸類ア１０重量部、及び表６に示す量の硫酸塩類を混合して本セメント混和材としたこと以外は、比較例１と同様に行った。結果を表６に示す。
【００４８】
【表６】
0004105777.tif 000007
【００４９】
実施例３
カルシウムアルミネートＡ１００重量部、潜在水硬性物質ｉ３０重量部、並びに、カルシウムアルミネートと潜在性水硬性物質の合計１００重量部に対してアルカリ金属炭酸塩ａ５０重量部、リン酸塩〔１〕２０重量部、有機酸類ア１０重量部、及び表７に示す量の硫酸塩類を混合して本セメント混和材としたこと以外は、比較例１と同様に行った。結果を表７に示す。
【００５０】
【表７】
0004105777.tif 000008
【００５１】
実施例４
カルシウムアルミネートＡ１００重量部、潜在水硬性物質ｉ３０重量部、並びに、カルシウムアルミネートと潜在性水硬性物質の合計１００重量部に対してアルカリ金属炭酸塩ａ５０重量部、リン酸塩〔１〕２０重量部、有機酸類ア１０重量部、及び硫酸塩類α１００重量部を混合した本セメント混和材を、セメント１００重量部に対して表８に示す量を混合したこと以外は、比較例１と同様に行った。結果を表８に示す。
【００５２】
【表８】
0004105777.tif 000009
【００５３】
実施例５
カルシウムアルミネートＡ１００重量部、潜在水硬性物質ｉ３０重量部、並びに、カルシウムアルミネートと潜在性水硬性物質の合計１００重量部に対してアルカリ金属炭酸塩ａ５０重量部、リン酸塩〔１〕２０重量部、有機酸類ア１０重量部、及び硫酸塩類α１００重量部を混合して本セメント混和材とし、水を本セメント組成物１００重量部に対して表９に示す量を混合したこと以外は、比較例１と同様に行った。結果を表９に示す。
【００５４】
【表９】
0004105777.tif 000010
【００５５】
比較例５
地盤安定化用セメント混和材として市販のナフタレンスルホン酸塩系ホルマリン縮合物を、セメント１００重量部に対して１０重量部使用したこと以外は、比較例１と同様に行った。その結果、スライムの粘性低下がみられなかった。その圧縮強度を測定したところ、１日で０．２N/mm2 、２８日で３．２N/mm2 であった。
【００５６】
実施例６
実施例３の実験Ｎｏ．７−３の組成により調製したセメントミルクを、深さ２０ｍ、注入圧力２００kg/cm2の条件下で、火山灰質粘性土の地中へ高圧噴射して注入した。その結果、スライムの上昇が極めて良く、順調に施工できた。施工１日後に施工箇所を掘削したところ、約２ｍの硬化体が形成されており、その圧縮強度を測定したところ、１日で０．９N/mm2 、２８日で４．６N/mm2 であった。
【００５７】
比較例６
比較例１の実験Ｎｏ．１−１の組成により調製したセメントミルクを使用したこと以外は、実施例６と同様に行った。その結果、スライムの粘性が大きく、地中からスライムを排出することが困難であった。
【００５８】
実施例７
実施例３の実験Ｎｏ．７−３の組成により調製したセメントミルクを、深さ１０ｍ、注入圧力２００kg/cm2の条件下で地中へ高圧噴射して注入したこと以外は実施例６と同様に実施し、地中へ高圧噴射した際に地上へ排出したスライムをピットに溜め、その量を測定した。その結果、地上へ排出したスライムの量は１．８ｍ3 であった。
【００５９】
比較例７
アルカリ金属炭酸塩ａ１００重量部、リン酸塩〔１〕１００重量部、及び硫酸塩類α３００重量部からなる地盤安定化用セメント混和材により調製したセメントミルクを、深さ１０ｍ、注入圧力２００kg/cm2の条件下で地中へ高圧噴射して注入したこと以外は実施例７と同様に実施した。その結果、地上へ排出したスライムの量は４．３ｍ3 であった。
【００６０】
【発明の効果】
本発明の地盤安定化用セメント混和材を使用することにより、スライムの粘性を低下でき、土を容易に地上へ排出できるので、地盤の盛り上がり等の変状がない。又、強度発現性が良好になり、強固に地盤改良でき、地上へ排出されるスライム量を低減できる。