(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カルシウムアルミネート、セッコウ、スケール発生防止剤、強度促進剤の炭酸カリウム、及び水を混練してなるＡ剤と、セメントと水とを混練してなるＢ剤からなる注入材であって、カルシウムアルミネートとセッコウの合計100重量部に対して、前記スケール発生防止剤が0.1〜10重量部であり、前記強度促進剤が１〜５重量部である注入材。
【請求項２】
前記強度促進剤が３〜５重量部である請求項１に記載の注入材。
【請求項３】
さらに、前記Ａ剤に、凝結遅延剤を混練してなる請求項１又は請求項２に記載の注入材。
【請求項４】
前記スケール発生防止剤が、カリウムミョウバンであり、カルシウムアルミネートとセッコウの合計100重量部に対して、0.5〜５重量部である請求項１〜請求項３のうちのいずれか一項に記載の注入材。
【請求項５】
前記Ａ剤が、カルシウムアルミネート、セッコウ、スケール発生防止剤、及び強度促進剤の合計100重量部に対して、水が466〜633重量部である請求項１〜請求項４のうちのいずれか一項に記載の注入材。
【請求項６】
前記Ｂ剤が、セメント100重量部に対して、水が94〜135重量部である請求項５に記載の注入材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、トンネルと地山の間に生じた空洞や亀裂のある岩盤へ充填し、地盤掘削時の湧水を防止し、軟弱な地盤を強固に改良する目的で使用する注入材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
セメントミルクは、圧縮強度が高く、又、その成分が地下水等へ溶出することがないために耐久性のある注入材として使用されている。しかしながら、ゲル化時間が数時間と長く、注入範囲以外にも注入材が漏れて逸流してしまうおそれがあり、又、ブリージング量が大きいために充填効果が期待できない等の課題があった。
【０００３】
そこで、カルシウムアルミネート、セッコウ、グルコン酸やクエン酸ナトリウム等の凝結調整剤、及び水からなるミルクをＡ液とし、セメントと水からなるミルクをＢ液とする注入材が提案されている(特公昭５７−１００５８号公報)。この注入材は、硬化するまでの時間を１分〜数十分の範囲内に調整できる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、Ａ液は、エトリンガイトやモノサルフェート等の水和物がミルク中で生成しやすく、実際の施工では、ミキサー、ポンプ、ホース、及び注入管の壁面に、これらの水和物がスケールとして付着するために、注入作業時に注入を中断し、スケールを掻き落とさなければならないという課題があった。
【０００５】
本発明者は種々検討した結果、Ａ剤にカルシウムアルミネート、セッコウ、スケール発生防止剤、及び必要に応じて使用する強度促進剤を併用することにより、Ａ剤が固化物として確認されるまでの時間（以下、練り置き時間という）を長くでき、Ａ剤とＢ剤を混合した後は、数分以内、好ましくは１０秒以内にゲル化できる注入材を完成するに至った。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、カルシウムアルミネート、セッコウ、スケール発生防止剤、強度促進剤の炭酸カリウム、及び水を混練してなるＡ剤と、セメントと水とを混練してなるＢ剤からなる注入材であって、カルシウムアルミネートとセッコウの合計100重量部に対して、前記スケール発生防止剤が0.1〜10重量部であり、前記強度促進剤が１〜５重量部である注入材であり、また、前記強度促進剤が３〜５重量部である前記注入材であり、さらに、前記Ａ剤に、凝結遅延剤を混練してなる前記注入材であり、前記スケール発生防止剤が、カリウムミョウバンであり、カルシウムアルミネートとセッコウの合計100重量部に対して、0.5〜５重量部である前記注入材であり、前記Ａ剤が、カルシウムアルミネート、セッコウ、スケール発生防止剤、及び強度促進剤の合計100重量部に対して、水が466〜633重量部である前記注入材であり、前記Ｂ剤が、セメント100重量部に対して、水が94〜135重量部である前記注入材である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
【０００８】
本発明では、カルシウムアルミネート、セッコウ、スケール発生防止剤、水、及び必要に応じて使用する強度促進剤を混合してＡ剤を調製することが好ましい。
【０００９】
本発明のカルシウムアルミネートとは、カルシアを含む原料と、アルミナを含む原料とを混合して、キルンでの焼成や、電気炉での溶融等の熱処理をして得られる、ＣａＯとＡｌ2Ｏ3とを主たる成分として、水和活性を有する物質の総称であって、ＣａＯ及び／又はＡｌ2Ｏ3の一部が、アルカリ金属酸化物、アルカリ土類金属酸化物、酸化ケイ素、酸化チタン、酸化鉄、アルカリ金属ハロゲン化物、アルカリ土類金属ハロゲン化物、アルカリ金属硫酸塩、及びアルカリ土類金属硫酸塩等と置換した化合物、あるいは、ＣａＯとＡｌ2Ｏ3とを主成分とするものに、これらが固溶した物質である。鉱物形態としては、結晶質、非晶質いずれであってもよい。これらの中では、反応活性の点で、非晶質のカルシウムアルミネートが好ましく、１２ＣａＯ・７Ａｌ2Ｏ3（Ｃ12Ａ7）組成に対応する熱処理物を急冷した非晶質のカルシウムアルミネートがより好ましい。
【００１０】
カルシウムアルミネートの粒度は浸透性の点で、ブレーン値で３０００ｃｍ2／ｇ以上が好ましく、５０００ｃｍ2／ｇ以上がより好ましい。３０００ｃｍ2／ｇ未満だと浸透性が悪くなるおそれがある。
【００１１】
本発明のセッコウとしては、無水セッコウ、半水セッコウ、及び二水セッコウ等が挙げられ、又、天然産のセッコウや、リン酸セッコウ、排脱セッコウ、及びフッ酸セッコウ等の化学セッコウ、又はこれらを熱処理して得られたセッコウも挙げられる。これらの中では、強度が大きい点で、無水セッコウが好ましい。
【００１２】
セッコウの粒度は浸透性の点で、ブレーン値で３０００ｃｍ2／ｇ以上が好ましく、５０００ｃｍ2／ｇ以上がより好ましい。３０００ｃｍ2／ｇ未満だと浸透性が悪くなるおそれがある。
【００１３】
セッコウの使用量は、カルシウムアルミネート１００重量部に対して、５０〜３００重量部が好ましく、９０〜２００重量部がより好ましい。５０重量部未満だと初期強度が小さくなるおそれがあり、３００重量部を越えると長期強度が小さくなるおそれがある。
【００１４】
本発明のスケール発生防止剤とは、カルシウムアルミネートとセッコウの水和反応により、Ａ剤中にエトリンガイトが生成するのを抑制するものをいう。
【００１５】
スケール発生防止剤としては、ミョウバン類（Ｘ2ＳＯ4・Ｙ2（ＳＯ4）3・２４Ｈ2Ｏ、但し、Ｘ＝Ｎａ、Ｋ、ＮＨ4、又はＬｉ等、Ｙ＝Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｔｉ、又はＭｎ等）、焼ミョウバン類（Ｘ2ＳＯ4・Ｙ2（ＳＯ4）3、但し、Ｘ、Ｙはミョウバン類の場合と同じ）、硫酸鉄(ＩＩ)、硫酸鉄(ＩＩＩ)、硫酸鉄(ＩＩ)水和物、硫酸鉄(ＩＩＩ)水和物、塩化アルミニウム、塩化アルミニウム水和物、塩化鉄(ＩＩ)、塩化鉄(ＩＩＩ)、塩化鉄(ＩＩ)水和物、塩化鉄(ＩＩＩ)水和物、硝酸アルミニウム水和物、硝酸鉄(ＩＩＩ)水和物、リン酸アルミニウム、及びリン酸アルミニウム水和物等が挙げられる。これらを単独又は２種以上を使用してもよい。これらの中では、スケールの発生を防止し、練り置き時間が長く、Ａ剤とＢ剤を混合してからのゲル化時間を短くできる点で、カリウムミョウバン、硫酸鉄(ＩＩ)水和物、及び硫酸鉄(ＩＩＩ)水和物からなる群の１種以上が好ましく、強度が大きい点で、カリウムミョウバンがより好ましい。
【００１６】
スケール発生防止剤の使用量は、カルシウムアルミネートとセッコウの合計１００重量部に対して、０.１〜１０重量部が好ましく、０.５〜５重量部がより好ましい。０.１重量部未満だと、Ａ剤の混練後エトリンガイトやモノサルフェートが生成し、練り置き時間が短くなるおそれがあり、１０重量部を越えると注入材のゲル化時間が長くなるおそれがある。
【００１７】
さらに、本発明では、ゲル化後の初期強度を向上する点で、強度促進剤を使用する。
【００１８】
本発明の強度促進剤としては、ゲル化後の初期強度が大きい点で、炭酸カリウムを使用する。
【００１９】
強度促進剤の粒度は特に限定されるものではなく、通常市販されているものであれば充分使用できる。
【００２０】
強度促進剤の使用量は、カルシウムアルミネートとセッコウの合計100重量部に対して、１〜５重量部である。１重量部未満だとゲル化後の初期強度が小さくなるおそれがあり、５重量部を越えるとＡ剤の練り置き時間が短くなるおそれがある。
【００２１】
さらに、本発明では、必要とするゲル化時間に調整するために、凝結遅延剤を使用することが好ましい。
【００２２】
凝結遅延剤としては、クエン酸、グルコン酸、酒石酸、及びリンゴ酸等の有機酸類、有機酸類のナトリウム塩、カリウム塩、リチウム塩、及びカルシウム塩、リン酸類又はこれらの塩類、ホウ酸、アルカリ金属ホウ酸塩、ケイフッ化物、澱粉、並びに糖類等が挙げられる。これらの中では、ゲル化時間が長いためにゲル化時間を広い範囲で調整可能な点で、クエン酸及び／又は酒石酸が好ましい。
【００２３】
凝結遅延剤の粒度は特に限定されるものではないが、通常市販されているものであれば充分使用できる。
【００２４】
凝結遅延剤の使用量は、必要とするゲル化時間により調整するが、カルシウムアルミネート、セッコウ、スケール発生防止剤、及び必要に応じて使用する強度促進剤の合計１００重量部に対して、１０重量部以下が好ましく、０．０５〜５重量部がより好ましい。１０重量部を越えるとＡ剤とＢ剤を混合してもゲル化せず、強度が小さくなるおそれがある。
【００２５】
本発明では、セメントと水を混合してＢ剤を調製することが好ましい。
【００２６】
セメントとしては、普通、早強、及び超早強等の各種ポルトランドセメント、これらポルトランドセメントに高炉スラグ又はフライアッシュ等を混合した各種混合セメント、微粒子セメント、並びに超微粒子セメント等が挙げられる。これらの中では、浸透性の点で、微粒子セメント及び／又は超微粒子セメントが好ましい。
【００２７】
セメントの粒度は浸透性の点で、ブレーン値で６０００ｃｍ2／ｇ以上が好ましく、９０００ｃｍ2／ｇ以上がより好ましい。６０００ｃｍ2／ｇ未満だと浸透性が悪くなるおそれがある。
【００２８】
本発明の注入用セメント混和材の使用にあたっては、カルシウムアルミネート、セッコウ、スケール発生防止剤、及び必要に応じて使用する強度促進剤を予め混合したものを現場で水と混練してもよく、それぞれ単独のものを現場で水と混練時に混入してもよい。
【００２９】
本発明では、Ａ剤とＢ剤を混合して注入材とする。
【００３０】
凝結遅延剤は、作業性の点で、Ａ剤に混合することが好ましいが、Ｂ剤に凝結遅延剤を混合しても良い。
【００３１】
Ａ剤の水量は、初期強度を増大させる場合には少なくし、初期強度がそれほど必要でない場合には多くするが、カルシウムアルミネート、セッコウ、スケール発生防止剤、及び必要に応じて使用する強度促進剤の合計１００重量部に対して、３０〜３０００重量部が好ましく、２００〜１０００重量部がより好ましい。３０重量部未満だとＡ剤の粘性が高く作業性が悪くなるおそれがあり、３０００重量部を越えると初期強度が小さくなるおそれがある。
【００３２】
Ｂ剤の水量は、長期強度を増大させるには少なくし、長期強度がそれほど必要でない場合には多くするが、セメント１００重量部に対して、３０〜１０００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Ｂ剤の粘性が高く作業性が悪くなるおそれがあり、１０００重量部を越えると長期強度が小さくなるおそれがある。
【００３３】
Ａ剤とＢ剤の混合方法としては、それぞれのミキサーで混練、調製した後に、Ａ剤とＢ剤を別々に圧送し、Ｙ字管で混合する方法や、二重管を用い内管と外管に別々に圧送し、二重管の先端部で合流させる方法等いずれの方法も使用できる。即ち、単管ロッド工法、単管ストレーナ工法、二重管単相ストレーナ工法、及び二重管複相ストレーナ工法等の現在使用されている注入工法に本発明の注入材が使用できる。これらの中では、単管ロッド工法や単管ストレーナ工法に比べ、均一な改良体を形成できる点で、二重管単相ストレーナ工法又は二重管複相ストレーナ工法を使用することが好ましい。
【００３４】
Ａ剤とＢ剤の混合比率は、容積比で、１：２０〜５：１が好ましく、１：１０〜２：１がより好ましい。Ａ剤が多いと長期強度が小さくなるおそれがあり、Ｂ剤が多いと初期強度が小さくなるおそれがある。
【００３５】
さらに、本発明においては、減水剤、分散剤、起泡剤、発泡剤、消泡剤、及び増粘剤等を、本発明の目的を実質的に阻害しない範囲で、Ａ剤、Ｂ剤、Ａ剤やＢ剤の両方に使用してもよい。
【００３６】
【実施例】
以下、実施例に基づき詳細に説明する。
【００３７】
実験例１
カルシウムアルミネート１００重量部、セッコウ１００重量部、及びカルシウムアルミネートとセッコウの合計１００重量部に対して表１に示す重量部のスケール発生防止剤を混合して注入用セメント混和材とした。この注入用セメント混和材に、カルシウムアルミネート、セッコウ、及びスケール発生防止剤の合計１００重量部に対して、水６３３重量部を添加、混練してＡ剤とした。一方、セメント１００重量部と水１３５重量部を混練してＢ剤とした。
Ａ剤とＢ剤を容積比１：１の割合で混合し、注入材とし、Ａ剤の練り置き時間、ゲル化時間、及び圧縮強度を評価した。結果を表１に示す。
なお、試験温度は２０℃とした。
【００３８】
（使用材料）
カルシウムアルミネート：Ｃ12Ａ7の組成に対応するもの、非晶質、ブレーン値５６００ｃｍ2／ｇ
セッコウ：無水セッコウ、ブレーン値５３００ｃｍ2／ｇ
スケール発生防止剤ア：カリウムミョウバン、市販品
スケール発生防止剤イ：ナトリウムミョウバン、市販品
スケール発生防止剤ウ：硫酸鉄(ＩＩ)、市販品
スケール発生防止剤エ：硫酸鉄(ＩＩＩ)、市販品
スケール発生防止剤オ：硫酸鉄(ＩＩ)水和物、市販品
スケール発生防止剤カ：硫酸鉄(ＩＩＩ)水和物、市販品
スケール発生防止剤キ：塩化アルミニウム水和物、市販品
スケール発生防止剤ク：硝酸アルミニウム水和物、市販品
スケール発生防止剤ケ：リン酸アルミニウム、市販品
セメントＰ：普通ポルトランドセメント、ブレーン値３３４０ｃｍ2／ｇ、市販品
水：水道水
【００３９】
（測定方法）
Ａ剤の練り置き時間：Ａ剤をビニール袋に採取してから、流動性が無くなるまでの時間。
ゲル化時間：Ａ剤とＢ剤を混合して容器に入れてから、流動性が無くなるまでの時間。
圧縮強度：ＪＩＳ  Ｒ  ５２０１に準じて測定。
【００４０】
【表１】
0004180212.tif 000002
【００４１】
実験例２
カルシウムアルミネート１００重量部、セッコウ１００重量部、及びカルシウムアルミネートとセッコウの合計１００重量部に対して３重量部のスケール発生防止剤アと表２に示す重量部の強度促進剤を混合して注入用セメント混和材とし、この注入用セメント混和材に、カルシウムアルミネート、セッコウ、スケール発生防止剤、及び強度促進剤の合計１００重量部に対して、水６３３重量部を添加、混練してＡ剤としたこと以外は、実験例１と同様に行った。結果を表２に示す。
【００４２】
（使用材料）
強度促進剤α：炭酸カリウム、市販品
強度促進剤β：炭酸ナトリウム、市販品
【００４３】
【表２】
0004180212.tif 000003
【００４４】
実験例３
カルシウムアルミネート１００重量部、セッコウ１００重量部、及びカルシウムアルミネートとセッコウの合計１００重量部に対して表３に示す重量部のスケール発生防止剤アと強度促進剤αを混合して注入用セメント混和材とし、この注入用セメント混和材に、カルシウムアルミネート、セッコウ、スケール発生防止剤、及び強度促進剤の合計１００重量部に対して、水６３３重量部を添加、混練してＡ剤とし、表３に示すセメントを使用してＢ剤としたこと以外は、実験例１と同様に行った。結果を表３に示す。
【００４５】
（使用材料）
セメントＱ：微粒子セメント、ブレーン値６１００ｃｍ2／ｇ、市販品
セメントＲ：超微粒子セメント、ブレーン値９２５０ｃｍ2／ｇ、市販品
【００４６】
【表３】
0004180212.tif 000004
【００４７】
実験例４
カルシウムアルミネート１００重量部、セッコウ１５０重量部、及びカルシウムアルミネートとセッコウの合計１００重量部に対してスケール発生防止剤ア３重量部と強度促進剤α１重量部を混合して注入用セメント混和材とし、この注入用セメント混和材に、カルシウムアルミネート、セッコウ、スケール発生防止剤、及び強度促進剤の合計１００重量部に対して、水４６６重量部と表４に示す重量部の凝結遅延剤を添加、混練してＡ剤とし、セメント１００重量部と水９４重量部を混練してＢ剤としたこと以外は、実験例１と同様に行った。結果を表４に示す。
【００４８】
（使用材料）
凝結遅延剤ａ：クエン酸ナトリウム
凝結遅延剤ｂ：クエン酸
凝結遅延剤ｃ：酒石酸
【００４９】
【表４】
0004180212.tif 000005
【００５０】
実験例５
カルシウムアルミネート１００重量部、セッコウ１５０重量部、及びカルシウムアルミネートとセッコウの合計１００重量部に対して表５に示す重量部のスケール発生防止剤アと強度促進剤α１重量部を混合して注入用セメント混和材とし、この注入用セメント混和材に、カルシウムアルミネート、セッコウ、スケール発生防止剤、及び強度促進剤の合計１００重量部に対して、水４６６重量部と凝結遅延剤ｃ１重量部を添加、混練してＡ剤とし、セメント１００重量部と水９４重量部を混練してＢ剤とし、試験温度を表５に示す温度にして、ゲル化時間を評価したこと以外は、実験例１と同様に行った。結果を表５に示す。
【００５１】
【表５】
0004180212.tif 000006
【００５２】
実験例６
実験Ｎｏ．３−６の注入材を、二重管単相ストレーナ工法により地盤に注入した。１日後に地盤を掘り起こしたところ、均一な改良体の生成が認められた。
【００５３】
本発明の注入材を使用することにより、以下の効果が発現できた。
（１）スケールの発生を防止することができる。
（２）練り置き時間を好ましくは１時間以上と長くできる。
（３）ゲル化時間を１分以内、好ましくは10秒以内にできる。そのために、ゲル化時間が１分を越えた従来のセメント系材料では使用できなかった二重管単相ストレーナや二重管複相ストレーナ工法を用いることができる。この工法は、均一な改良体を形成できるために、より強固な地盤改良ができる。
（４）ゲル化時間の温度依存性が少ない。実際の注入材の注入では気温や水温が常に変化しているので、注入材としては温度が変化した場合にゲル化時間へ及ぼす影響が小さいことが好ましいが、本発明の注入用セメント混和材は、この条件に適うので、温度によって凝結遅延剤の使用量を調整する煩雑さが軽減される。