(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セメント、スラグ及び石膏を主成分とする強度発現材と、水ガラスを主成分とする反応材とからなる凍結工法用沈下防止用注入剤。
【請求項２】
凍結工法の解凍時に、請求項１記載の凍結工法用沈下防止用注入剤を注入することを特徴とする沈下防止方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、凍結工法における地盤解凍時の沈下防止注入に使用する地盤注入剤に関する。
【０００２】
【従来の技術】
凍結工法は、軟弱な地盤や滞水性の地盤を一時的に人工凍結させ、その工学的性質の改善をはかり、地盤の強度や安全性を増加させる地盤改良工法であり、本体構造物工事を完成させる仮設工法として用いられている。
【０００３】
具体的には、本体構造物を建設する地盤に凍結管を挿入し、これに冷媒を連続的に通して地下水を凍結させる工法である。本体構造物工事完成後は、同凍結管に温水を通して強制的に凍結地盤を解凍して工事を完了する。
【０００４】
該工法は、地盤中の温度管理によって確実に目標の止水性、改良強度が得られるので、近年の施工条件である大深度、大断面化に伴う施工の確実性を要求される地盤改良に適している。また、一般の地盤改良とは異なり、単に地下水を凍結、融解させるだけなので、地盤環境に負荷がかからない等の利点から広く採用されている。
【０００５】
しかし、該工法においては、凍結、融解時における地下水の膨張、収縮を伴うため、地盤隆起、地盤沈下という問題が発生する。特に、本体構造物工事完成後、凍結した地盤を解凍して地盤を復元する過程で凍結範囲が体積収縮し、土粒子間に空隙が生じるため、本体構造物の地盤が沈下し、本体構造物自体に影響を与えるという問題が発生する。
【０００６】
したがって、該工法を用いる際、地盤表面や既設構造物に影響を与えないように、充填後固結する注入剤を空隙部分へ充填注入することが実施されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記の地盤沈下対策の注入剤としては、一般的にセメントとベントナイトの混合懸濁液（以下、ＣＢ液ともいう）または水ガラス系注入剤が用いられている。
【０００８】
しかしながら、ＣＢ液を用いた場合は、ＣＢ剤の流動時間が長いため、ＣＢ液中のセメント分と水とが固結するまでに分離（以下、ブリーディングともいう）し、結果として固結体積が注入量の６０％程度となって、注入後に再び沈下が見られるという問題点がある。
【０００９】
また、水ガラス系注入剤においては、明確なゲル化時間を得ることができ、所定の注入範囲に注入できるものの、固結後、固結体中から水ガラスに起因するアルカリが溶脱し、強度低下が生じるため長期間に亘って注入効果が持続しないという問題点がある。
【００１０】
したがって、該工法における地盤解凍時において、限定された範囲に注入できるゲル化時間を有すると伴に、解凍効率を高めるためゲル化時に発熱量が多いこと、固結体が長期に亘って体積変化、強度低下など変化を起こさない注入剤が望まれてきた。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意研究を行なってきた。その結果、特定比率のセメント、スラグ及び石膏を主成分とする強度発現材と、固結体の長期安定性を損なわず明確なゲル化時間が得られるだけの量の水ガラスを主成分とする反応材とからなる注入剤が、ＣＢ剤に比べて明確なゲル化時間を有し、かつブリーディングが少なく、強度発現性、長期間の寸法安定性が優れること、また、セメントと水ガラスとの反応が大量の発熱を伴なうことを見出し、さらに研究を続け、本発明を完成するに至った。
【００１２】
即ち、本発明は、セメント、スラグ及び石膏を主成分とする強度発現材と、水ガラスを主成分とする反応材とからなる凍結工法用沈下防止用注入剤、および該注入材を用いた、凍結工法の解凍時における沈下防止方法を提供するものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明において強度発現材に用いるセメントとしては、特に限定されず、例えば、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメント等のポルトランドセメント、高炉セメント（Ａ種、Ｂ種、Ｃ種）、フライアッシュセメント（Ａ種、Ｂ種、Ｃ種）、シリカセメント（Ａ種、Ｂ種、Ｃ種）等の混合セメント、その他コロイドセメント、アルミナセメント等の公知のセメントを、適宜選択して用いればよい。
【００１４】
強度発現材中のセメントの割合は、特に制限されないが、強度発現材中に３０〜５０重量％の範囲で用いるのが好ましい。この範囲であれば、水ガラスとの荷電置換によるゲル化により、明確なゲル化時間が得られる。この範囲を超えると、ゲル化後の固結体中に残留する水ガラスに起因するアルカリの劣化を受け、固結体の長期安定性に欠ける。また、この範囲未満では、固結体の強度発現性が低下する傾向にある。
【００１５】
本発明において強度発現材に用いる石膏は、特に限定されず、無水石膏（Ｉ型、ＩＩ型、ＩＩＩ型）、半水石膏、２水石膏等の公知の石膏を、適宜選択して用いればよい。
【００１６】
強度発現材中の石膏の割合は、強度発現材中に７〜１７重量％の範囲で用いるのが好ましい。この範囲であれば、明確なゲル化時間が得られ、硬化後の寸法変化が少なく長期に亘る寸法安定性が得られ、また十分な初期強度の発現性が得られる。この範囲を超えると、ゲル化後のエトリンガイドの生成による固結体の膨張破壊の原因となる。また、この範囲未満では、注入剤のゲル化時間が長くなるため注入剤が所定の注入範囲外に逸脱したり、固結体の長期に亘る寸法安定性、強度発現性が低下する傾向にある。
【００１７】
本発明において強度発現材に用いるスラグは、特に制限されず、セメント混和材、土木用として一般に使用されている高炉水砕スラグ等の公知のスラグを、適宜選択して用いればよい。
【００１８】
本発明者らの検討によると、スラグは、本発明の注入材において、以下の効果を有していることが判明している。すなわち、スラグは、セメント、石膏に起因するＣａ（ＯＨ）2、水ガラスに起因するＮａＯＨ等のアルカリ塩類との反応によって生ずる潜在水硬性を有しているので、地盤注入剤中のアルカリを減少させる効果があり、結果としてアルカリによる固結体の劣化を防止し、固結体の長期安定性を向上させる効果を有している。また、石膏に対するアルミナ源としてエトリンガイド硬化物を生成する性質を有しており、強度の発現性を向上させる効果を有している。また、酸および海水、下水等の塩類または有機酸を含む水に対する化学抵抗性が大きいことから、地盤環境より受ける固結体への劣化の影響を低減させる効果を有している。したがって、これらの効果により、固結体の長期安定性を向上させる事ができ、施工後の注入効果を長期に亘って保持させることができる。
【００１９】
本発明において強度発現材にスラグの割合は、強度発現材中に３０〜５０重量％の範囲で用いるのが好ましい。この範囲であれば、潜在水硬性が十分発揮され、固結体中のアルカリと反応して、固結体の長期安定性を向上させることができる。この範囲を超えると、注入剤のゲル化時間が長くなり所定の範囲外に逸脱してしまう可能性がある。また、この範囲未満では、固結体の長期安定性が低下する傾向にある。
【００２０】
本発明において強度発現材は、特に順序等制限されず、セメント、スラグ及び石膏を適宜混合することによって得ることができる。
【００２１】
また、上記強度発現材は、さらに水と混合して懸濁液として用いるのが好適である。該懸濁液の製造方法としては、特に制限されず、たとえば、セメント、スラグ及び石膏を、１つずつ水と混合する方法、あらかじめ２種又は２種以上を混合した後、水と混合する方法等の方法によって、適宜、懸濁液を調製すればよい。
【００２２】
上記懸濁液中に含まれる強度発現材は、懸濁液１ｍ3中に４００〜６００ｋｇの範囲が好ましい。この範囲を超えると、懸濁液の粘性が増加してしまい、浸透範囲が狭くなったり、反応材水溶液との混合が不充分となり均一な固結体を形成できなくなる可能性がある。また、この範囲未満では、固結体の強度が低下したり、相対的に注入剤中の水量が増加し、固結体のブリーディングを引き起こす原因となり、地盤中において均一な固結体が得られず、所定の注入効果を得られない可能性がある。
【００２３】
一方、本発明で用いられる水ガラスは、特に制限されず、従来の液注入工法で用いられている水ガラス等を、適宜選択して採用すればよい。具体的には、ＪＩＳＫ１４０８で規定されている１号珪酸ソーダ、２号珪酸ソーダ、３号珪酸ソーダおよび一般に製造されている高モル比および低モル比の珪酸ソーダを、適宜用いればよい。
【００２４】
本発明において用いられる反応材は、上記水ガラスが主成分であれば、特に制限はされない。
【００２５】
上記反応材中の水ガラスの配合量は、特に制限されないが、好ましくは、注入剤のゲル化時間が十数秒から数分の範囲となる配合となるように、地盤の性状、要求される性能等によって適宜設定される。
【００２６】
一般的には、水ガラスが反応材水溶液１ｍ3中に１４０〜２８０ｋｇとなるようにしたものが好ましい。この範囲に設定するため、必要に応じて水で希釈してもよい。この範囲であれば、セメントとの荷電置換によるゲル化により、明確なゲル化時間が得られる。この範囲を超えると、水ガラス中のアルカリ（ＮａＯＨ）に起因する固結体の劣化が進行し、長期に亘る固結体の安定性が得られない傾向にある。また、この範囲未満では、薬液のゲル化時間が遅くなり所定の注入範囲から注入剤が逸脱してしまう可能性がある。
【００２７】
本発明において強度発現材と反応材との配合比率は、特に制限されず適宜設定すればよい。通常は、前記に示した範囲で調製された強度発現材を含む懸濁液と反応材水溶液とを等量ずつ用いるのが好適である。
【００２８】
本発明の注入剤は、特に凍結工法の解凍時において、用いることにより好適に地盤沈下を防止することができる。
【００２９】
本発明において強度発現材と反応材とを地盤中に混合注入する際の混合方式は、特に制限されず、従来から確立している公知の混合方式、例えば、前記強度発現材懸濁液と反応剤水溶液とを２ショット等により混合する方法を適宜採用すればよい。
【００３０】
本発明において強度発現材と反応剤とを地盤中に混合注入する工法も、特に制限されるものではなく、従来から確立している公知の注入工法、例えば二重管ロッド等を用いた各種の施工態様が対象とされる。
【００３１】
本発明のように、注入剤として、セメント等を主成分とする強度発現材と、水ガラスを主成分とする反応材とを用いることによって、固化発熱反応による発熱が大量に発生し、ＣＢ液による注入剤と比較して、約半分以下のセメント量で、ほぼ同程度の発熱量が得られるので、少ないセメント量でＣＢ液を注入したものと同じ解凍助長効果が得られるという効果が発現する。
【００３２】
また、本発明のように、水ガラスを主材としてではなく、セメント、スラグ及び石膏等の強度発現材を主材とし、水ガラスをゲル化時間の調整剤として、少量配合することにより、水ガラスを主成分とした地盤注入剤のようにゲル体の骨格であるシロキサン結合に水ガラス中のアルカリイオンが再度反応してシロキサン結合を切断し、ゲル体の強度低下、体積収縮を引き起こすことなく、固結体の強度低下、体積減少を低減し、長期安定性を保持することができる。
【００３３】
【実施例】
本発明を更に具体的に説明するため、以下に実施例及び比較例を挙げて説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
実施例１
強度発現材として、セメント４４ｇ、スラグ４４ｇおよび石膏１２ｇを水と混合した２００ｍｌの懸濁液を用い、反応材として水ガラス５６ｇを水と混合した２００ｍｌの水溶液を用いて、これらを注入剤として用いた。
【００３４】
次に以下に示す方法によって注入剤の性能評価を行った。
【００３５】
上記両液を混合し、この混合液が混合直後からゲル化するまでの時間を注入剤のゲルタイムとして測定した。
【００３６】
ゲル化したゲル体を密封して２８日間保存した後、ゲル体の体積を計測し体積減少率（体積減少量／元の注入剤量）とした。
【００３７】
直径５ｃｍ、高さ１０ｃｍのモールド中に上記配合の注入剤を流し入れ、ホモゲルを作製し、材齢１日、７日、２８日後に地盤工学会「土の一軸圧縮試験」ＪＳＦＴ５１１−１９９０に準じて一軸圧縮強度を測定した。
【００３８】
水和発熱量はコンダクションカロリーメーターを用いて、２０℃で７２時間までの発熱量を測定した。
【００３９】
これらの測定結果を表１に示す。両液を混合してゲル化するまでの時間は、４５秒であった。また、体積減少を起こさず、得られた固結体のホモゲルの一軸圧縮強度は材齢２８日において２．１９Ｎ／ｍｍ2であった。水和発熱量は４，３０６Ｊ／ｌであった。
実施例２
強度発現材としてセメント４４ｇ、スラグ４４ｇ、石膏１２ｇを水と混合した２００ｍｌの懸濁液を用い、反応材として水ガラス２８ｇを水と混合した２００ｍｌの水溶液を用いた以外は、実施例１と同一の条件で評価を行った。
【００４０】
結果を表１に示す。両液を混合してゲル化するまでの時間は、２分であった。また、体積減少を起こさず、得られた固結体のホモゲルの一軸圧縮強度は材齢２８において１．９９Ｎ／ｍｍ2であった。
実施例３
強度発現材としてセメント３５．２ｇ、スラグ３５．２ｇ、石膏９．６ｇを水と混合した２００ｍｌの懸濁液を用い、反応材として水ガラス５６ｇを水と混合した２００ｍｌの水溶液を用いた以外は実施例１と同一の条件で評価を行った。
【００４１】
結果を表１に示す。両液を混合してゲル化するまでの時間は、２分であった。また、体積減少を起こさず、得られた固結体のホモゲルの一軸圧縮強度は材齢２８日において１．６８Ｎ／ｍｍ2であった。
実施例４
強度発現材としてセメント３５．２ｇ、スラグ３５．２ｇ、石膏９．６ｇを水と混合した２００ｍｌの懸濁液を用い、反応材として水ガラス２８ｇを水と混合した２００ｍｌの水溶液を用いた以外は実施例１と同一の条件で評価を行った。
【００４２】
結果を表１に示す。両液を混合してゲル化するまでの時間は、３分であった。また、体積減少を起こさず、得られた固結体のホモゲルの一軸圧縮強度は材齢２８日において１．５５Ｎ／ｍｍ2であった。
比較例１
強度発現材としてセメント１００ｇを水と混合した２００ｍｌの懸濁液を用い、反応材として水ガラス２８ｇを水と混合した２００ｍｌの水溶液を用いた以外は実施例１と同一の条件で評価を行った。
【００４３】
結果を表１に示す。両液を混合して後の明確なゲル化時間は見られなかったので、注入剤が注入範囲外へ逸脱する可能性がある。
【００４４】
また、固化後ブリーディングが３０％発生し、均一な固結体が得られず、固化部分の体積が打設量の７０％となった。固結部の一軸圧縮強度は材齢２８日において４．１４Ｎ／ｍｍ2で十分な強度であったが、上記したように体積収縮により、注入後に地盤沈下の可能性がある。
比較例２
強度発現材としてセメント１００ｇ、ベントナイト１０ｇを水と混合した４００ｍｌの懸濁液のみを注入剤として用いた以外は実施例１と同一の条件で評価を行った。
【００４５】
結果を表１に示す。両液を混合して後の明確なゲル化時間は見られなかったので、注入剤が注入範囲外へ逸脱する可能性がある。
【００４６】
また、固化後ブリーディングが５０％発生し均一な固結体が得られず、固化部分の体積が打設量の５０％となった。固結部の一軸圧縮強度は材齢２８日において１．６７Ｎ／ｍｍ2で十分な強度であったが、上記したように体積収縮により注入後に地盤沈下の可能性がある。
【００４７】
なお、水和発熱量は４，２８２Ｊ／ｌであり、実施例１よりもセメント量が２倍以上であるにもかかわらず、同程度しかなかった。
【００４８】
【表１】
0004268297.tif 000002
【００４９】
【発明の効果】
本発明によれば、凍結工法の解凍時に発生する地盤沈下対策用の地盤注入剤として、明確なゲル化時間が得られ、ブリーディングが非常に少なく均一な固結体が得られる。結果として、固結体は長期に亘って体積変化、強度低下を起こさないという効果を有している。