(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水ガラスと、リン酸と、酸性を呈する水溶性アルミニウム塩とを含む非アルカリ性シリカゾルであって、前記水ガラスのモル比を３.5〜５.0と高くし、ＳｉＯ2 濃度を２〜７パーセントと希薄にし、ＰＨ値を２〜６とし、リン酸（純Ｈ3 ＰＯ4 ）の重量／酸性を呈する水溶性アルミニウム塩のＡｌ2 Ｏ3 換算重量の比率を１０〜１００とすることにより、地盤中に注入した場合、土粒子との接触にともなうゲル化の促進が少なくてすみ、このため長時間の連続注入によって長い浸透距離が可能になって地盤の液状化防止に利用される地盤注入用薬液。
【請求項２】
水ガラスと、リン酸と、硫酸と、酸性を呈する水溶性アルミニウム塩とを含む非アルカリ性シリカゾルであって、前記水ガラスのモル比を３.5〜５.0と高くし、ＳｉＯ2 濃度を２〜７パーセントと希薄にし、ＰＨ値を２〜６とし、リン酸（純Ｈ3 ＰＯ4 ）と硫酸（純Ｈ2 ＳＯ4 ）の合計重量／酸性を呈する水溶性アルミニウム塩のＡｌ2 Ｏ3 換算重量の比率を１０〜１００とすることにより、地盤中に注入した場合、土粒子との接触にともなうゲル化の促進が少なくてすみ、このため長時間の連続注入によって長い浸透距離が可能になって地盤の液状化防止に利用される地盤注入用薬液。
【請求項３】
請求項１または２において前記非アルカリ性シリカゾルは２〜４ｍの注入孔間隔で地盤に注入する請求項１または２に記載の地盤注入用薬液。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はゲル化時間、特に土中におけるゲル化時間の短縮が少なく、このため地盤の液状化防止工事に適し、併せて注入薬液の漏洩を防止する、いわゆるリーク止めに適した地盤注入用薬液に関する。
【０００２】
地盤の液状化防止工事に適用される地盤注入用薬液は一般に、広範囲な地盤を固結するために、長時間にわたって連続注入できることが必要であり、このためには薬液のゲル化時間を長くすることが必要である。
【０００３】
この種の薬液として従来、水ガラスと酸（主として硫酸）とからなる酸性シリカゾルが知られている。このシリカゾルのゲル化時間を長くするには、シリカ濃度を低く、かつ酸性度を強くしなければならない。
【０００４】
【発明が解決すべき課題】
しかし、この種の酸性シリカゾルは強酸性のもとでは安定した長いゲル化時間を確保できるが、ｐＨの上昇とともにゲル化時間が急激に短縮し、ゲル化時間の調整が極めて困難となる。また、強酸性のもとでは長いゲル化時間が保持し得るものの、土中では土の性状にもよるが、多くの場合、ゲル化時間が大幅に短縮する。したがって、この種のシリカゾルを地盤の液状化防止工事に適用するには、長時間連続注入により広範囲の地盤を固結するという点で問題があった。
【０００５】
すなわち、シリカ系グラウトを地盤に注入して液状化防止を行う場合、広大な範囲を経済的に処理する必要から耐久性と浸透性に優れたシリカ系グラウトを用い、注入孔間隔を通常、２〜４ｍとして長時間にわたって注入を続けなくてはならない。（通常の注入では注入孔間隔は１ｍ以内である。）
【０００６】
たとえば、注入孔間隔を２ｍの正方向配置にする場合、
0003776268.tif 000002
と長時間による注入を行なわなくてはならない。
【０００７】
また、注入孔間隔を４ｍの正方向配置にする場合、
0003776268.tif 000003
の注入を行なわなければならない。
【０００８】
このように、液状化防止に使用する注入用薬液（注入材）は長時間連続注入できることが必要である。ところが注入材は地盤中で長時間土粒子と接触しつづけると、その間に土との反応によってゲル化時間が短縮し、長時間の連続注入が不可能になりやすい。
【０００９】
そこで、本発明の目的はゲル化時間、特に土中におけるゲル化時間の短縮が少なく、このため地盤の液状化防止工事に適し、併せて注入薬液の漏洩を防止する、いわゆるリーク止めに適した、上述の公知技術に存する欠点を改良した地盤注入用薬液を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するため、本発明によれば、水ガラスと、リン酸と、酸性を呈する水溶性アルミニウム塩とを含む非アルカリ性シリカゾルであって、前記水ガラスのモル比を３.5〜５.0と高くし、ＳｉＯ2 濃度を２〜７パーセントと希薄にし、ＰＨ値を２〜６とし、リン酸（純Ｈ3 ＰＯ4 ）の重量／酸性を呈する水溶性アルミニウム塩のＡｌ2 Ｏ3 換算重量の比率を１０〜１００とすることにより、地盤中に注入した場合、土粒子との接触にともなうゲル化の促進が少なくてすみ、このため長時間の連続注入によって長い浸透距離が可能になって地盤の液状化防止に利用されることを特徴とする。
【００１１】
さらに、上述の目的を達成するため、本発明によれば、水ガラスと、リン酸と、硫酸と、酸性を呈する水溶性アルミニウム塩とを含む非アルカリ性シリカゾルであって、前記水ガラスのモル比を３.5〜５.0と高くし、ＳｉＯ2 濃度を２〜７パーセントと希薄にし、ＰＨ値を２〜６とし、リン酸（純Ｈ3 ＰＯ4 ）と硫酸（純Ｈ2 ＳＯ4 ）の合計重量／酸性を呈する水溶性アルミニウム塩のＡｌ2 Ｏ3 換算重量の比率を１０〜１００とすることにより、地盤中に注入した場合、土粒子との接触にともなうゲル化の促進が少なくてすみ、このため長時間の連続注入によって長い浸透距離が可能になって地盤の液状化防止に利用されることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の態様】
以下、本発明を具体的に詳述する。
【００１３】
非アルカリ性シリカゾルのゲル化時間を長くするには、従来、シリカ濃度を低く、酸性度を強くすることが考えられていた。本発明では酸性を呈する水溶性アルミニウム塩を併用すると、さらに効果的であることがわかった。これはシリカ粒子中の一部がアルミニウムに置き換えられるために、アルミニウムがＯＨイオンを液中に吸着してシリカゾルの安定性を高めるためと思われる。また、生成するシリカ以外の塩の量を少なくするため、高いモル比の水ガラスを使用するとより効果的である。
【００１４】
酸としては、一般的には硫酸を用いるが、本発明では主としてリン酸またはリン酸と硫酸を用いる。リン酸は硫酸より酸としては弱く、また生成するリン酸塩類は緩衝作用、金属イオン封鎖作用を示すものが多く、そのために、ｐHに対するゲル化時間の変動が緩やかになる。特に、中性に近い非アルカリ性領域で比較的長いゲル化時間を示す。この現象は如何なるモル比の水ガラスでも現れるが、特に高モル比の水ガラスを用いると顕著である。
【００１５】
さらに、本発明にかかるシリカゾルは地盤中に浸透した場合、土粒子との接触にともなうゲル化の促進が少なくてすみ、長時間の連続注入が可能になることを見出し、本発明を完成するに至ったのである。
【００１６】
非アルカリ性シリカゾルにおいて、酸として硫酸、リン酸を用い、水ガラスのモル比の変化、および酸性を呈する水溶性アルミニウム塩の添加がｐＨとゲル化時間との関係にどのように影響するかを、一例としてＳｉＯ2 濃度が４％の場合について調べ、図１のような傾向が得られた。
【００１７】
図１から、硫酸とリン酸によるモル比３の水ガラスのゲル化時間の変化はわずかであるが、リン酸の場合の方が直線の傾斜は緩やかである。モル比４の水ガラスになると、その傾向は一層明らかになる。すなわち、低いｐHではあまり変わらないが、ｐHの上昇とともにゲル化時間の短縮は少なくなり、直線の傾斜は明らかに緩やかになっている。さらに酸性を呈する水溶性アルミニウム塩の添加はその傾向を強めている。
【００１８】
以上から、非アルカリ領域にある非アルカリ性シリカゾルにおいて、ゲル化時間を遅延せしめるには、酸としてリン酸またはリン酸と硫酸を用い、水ガラスの濃度を稀薄にして、水ガラスのモル比を大きくし、さらに酸性を呈する水溶性アルミニウム塩を含有せしめることが望ましい。
【００１９】
また、従来の酸性シリカゾルでは、土中におけるゲル化時間は著しく短縮するが、上記のような非アルカリ性シリカゾルは土中におけるゲル化時間の短縮が軽減される。すなわち、土中においても、長いゲル化時間が保持されて浸透性に優れる。
【００２０】
したがって、本発明は水ガラスと、リン酸と、酸性を呈する水溶性アルミニウム塩、または、水ガラスと、リン酸と、硫酸と、酸性を呈する水溶性アルミニウム塩との混合系においてリン酸と硫酸との比率はリン酸量が多い程、高いｐＨでのゲル化時間の遅延効果は大きい。しかし、経済面も考慮して任意の比率に定めることができる。リン酸としては精製リン酸はもちろん、リン酸製造工程からでる精製前の粗製リン酸を用いることもでき、コストの低下がはかれる。
【００２１】
水ガラスの濃度はＳｉＯ2 として７％以下、好ましくは６％以下と稀薄にするが、２％以下ではゲル化時間は長びくが、強度的に極めて軟弱となり不適である。
【００２２】
固結強度としては、通常、固結砂の一軸圧縮強度が0.５〜1.０kgf/cm2 程度あれば、地震時のくり返しせん断応力に対し、砂粒子間隙のゲルが破壊せず、負のダイラタンシーを生じないため、液状化が生じないと考えられている。
【００２３】
水ガラスのモル比としては、3.１〜3.３のＪＩＳ３号水ガラスが一般に広く使用れているが、さらに効果的にゲル化時間を長びかせるために、3.５〜5.０の高モル比の水ガラスを使用する。高モル比であるため、アルカリ分が少なく、アルカリと反応するリン酸または硫酸の量も少量で足りる。このことは反応によって生成する塩の量も自ら少なくなり、土中におけるゲル化時間の短縮が少なくなる。アルカリのさらに少ないモル比5.０以上の水ガラスは製造が困難で工業的生産が不向きで実用上使用は難しい。
【００２４】
酸性を呈する水溶性アルミニウム塩の量はリン酸、硫酸量と関連し、リン酸、またはリン酸と硫酸（純Ｈ3 ＰＯ4 ＋純Ｈ2 ＳＯ4 重量）／アルミニウム塩のＡｌ2 Ｏ3 換算量（重量）の値（以下（Ｈ3 ＰＯ4 ＋Ｈ2 ＳＯ4 ）／Ａｌ2 Ｏ3 値と記す）が１０〜１００の範囲になるように加えることが望ましい。（Ｈ3 ＰＯ4 ＋Ｈ2 ＳＯ4 ）／Ａｌ2 Ｏ3 値が１０以下、すなわち、リン酸または硫酸の量が少なく、アルミニウム塩の量が多すぎると、ゲル化時間の遅延には役立つが、水ガラス−アルミニウム塩からなる水酸化アルミニウムの糊状沈澱の発生が多くなり、生成ゲルは軟弱なものとなる。逆に１００以上になるとアルミニウム塩添加の効果が顕著でなくなる。
【００２５】
酸性を呈する水溶性アルミニウム塩としては、硫酸アルミニウム、塩化アルミニウム、ポリ塩化アルミニウム等があげられ、これらの添加は使用するリン酸、硫酸の量を減少せしめうる効果もある。
【００２６】
酸性としてｐＨ２〜６の非アルカリ性シリカゾルを注入すると、一般にｐＨは上昇し、中性に近づく。注入土壌の性状にもよるが、ｐＨ２以下の注入では、中性領域まで上昇しない場合があり、また６以上となると一般にゲル化が早くなって充分浸透しない場合がある。
【００２７】
以上から、水ガラスとリン酸と、硫酸と、酸性を呈するアルミニウム塩とからなる非アルカリ性シリカゾルを地盤に注入して該地盤の液状化を防止するにあたり、使用する水ガラスのモル比を3.５〜5.０と高くし、混合液中のＳｉＯ2 濃度を２〜７％、さらに好ましくは３〜６％と比較的稀薄にし、酸性を呈するアルミニウム塩の量は（Ｈ3 ＰＯ4 ＋Ｈ2 ＳＯ4 ）／Ａｌ2 Ｏ3 値が１０〜１００の範囲内になるように調整する。かつｐＨを３〜６の範囲におさまるように混合した非アルカリ性シリカゾルを地盤に注入する。
【００２８】
これにより、ゲル化時間が長く、特に土中ゲル化時間の短縮は少なく、極めて優れた浸透性を示し、液状化防止用としては非常に好ましい地盤注入用薬液を得ることができる。このような薬液はゲル化時間が長いため、同時に上記の薬液が漏洩した場合には、これを防止する必要がある。それにはゲル化時間が瞬結から数分程度になるように配合された薬液が必要となる。
【００２９】
そのためには、さらに、アルカリ剤を添加してｐＨを３〜９に上昇せしめてゲル化時間を早めんとするものである。ｐＨを９以上にまで上昇せしめると、瞬結域を通過するので、ゲルが不均一になり易く、アルカリの使用量も多くなる。また、この程度のＳｉＯ2 濃度でｐＨ３以下にすると数分以下という短時間のゲル化時間を得ることは難しくなる。
【００３０】
アルカリ剤としては炭酸水素ナトリウム、水ガラスのような可溶性のアルカリ剤、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウムのような難溶性のアルカリ剤があげられる。アルカリ剤の添加によりｐＨをあげてゲル化時間の短縮調整をはかることができるが、難溶性のアルカリ剤の場合は溶解性の点から、特に弱酸性〜中性域での調整が比較的容易である。
【００３１】
なお本発明においてゲル化の促進、調整のため、カルシウム塩、リン酸塩等を併用したり、また、任意の金属イオン封鎖剤、あるいはセメント、スラグ等を併用してもよいのはもちろんである。
【００３２】
【発明の実施例】
以下、本発明を実施例によって詳述するが、本発明は、これらの実施例によって限定されるものではない。
【００３３】
１．使用材料
（１）水ガラス
５号水ガラスとＪＩＳ３号水ガラスを使用。
（ａ）５号水ガラス
比重（２０℃）1.３２、ＳｉＯ2 ２5.５％、Ｎａ2 Ｏ7.０３％、モル比3.７５。
（ｂ）ＪＩＳ３号水ガラス
比重（２０℃）1.３９、ＳｉＯ2 ２9.２％、Ｎａ2 Ｏ9.５％、モル比3.１７。
【００３４】
（２）酸類
（ａ）リン酸
（イ）精製リン酸：７５％精製リン酸、比重（２０℃）１．５７９
（ロ）粗リン酸  ：リン酸製造における精製前のリン酸含有量約７５％の粗製リン酸比重（１５℃）１．６８０
（ｂ）硫酸
７５％工業用硫酸
【００３５】
（３）酸性を呈する水溶性アルミニウム塩
硫酸アルミニウムと塩化アルミニウムを使用。
（ａ）硫酸アルミニウム
比重１．３２、Ａｌ２Ｏ３換算量８％の硫酸アルミニウム溶液。
（ｂ）塩化アルミニウム
純度９７％の６水塩（ＡｌＣｌ３・６Ｈ２Ｏ）の塩化アルミニウム。Ａｌ２Ｏ３換算量としては、（１０１．９６／２４１．４５×２）×０．９７×１００＝２０．５％に相当する。
【００３６】
（４）アルカリ剤
可溶性のアルカリ剤として炭酸水素ナトリウム、難溶性のアルカリ剤として水溶性カルシウムを一例として取りあげた。
（ａ）炭酸水素ナトリウム
試薬一級  ＮａＨＣＯ３
（ｂ）水酸化カルシウム
試薬一級  Ｃａ（ＯＨ）２
【００３７】
（５）砂
細砂として豊浦標準砂、シルト質砂として千葉県産海砂を使用。
【００３８】
２．測定法
（１）ｐＨ
ガラス電極ｐＨ計にて測定。
【００３９】
（２）ゲル化時間
（ａ）ホモゲルのゲル化時間
２０℃のカップ倒立法により測定。
（ｂ）土中ゲル化時間
２０℃でグラウト液を砂と混合、静止し、上澄を捨て、砂に竹串を刺して引き抜き、跡が残ったときを土中ゲル化時間として測定。
【００４０】
（３）サンドゲル一軸圧縮強度
豊浦標準砂によるサンドゲルを１０日間ポリ塩化ビニリデン密閉養生（２０℃）して土質工学会基準「土の一軸圧縮試験方法」により測定。
【００４１】
３．実施例
（１）水ガラス−リン酸またはリン酸と硫酸−酸性を呈するアルミニウム塩からなる系。
水ガラス水溶液をＡ液、リン酸またはリン酸と硫酸・酸性を呈するアルミニウム塩水溶液をＢ液として、ＡＢ合流液のＳｉＯ2(％）、ｐＨ、（Ｈ3 ＰＯ4 ＋Ｈ2 ＳＯ4 ）／Ａｌ2 Ｏ3 値、ゲル化時間（ホモゲル、土中）、サンドゲルの一軸圧縮強度を測定した。
【００４２】
本発明の範囲内の実施例と範囲外の比較例とを対比し、結果を表１に示す。
【００４３】
【表１】
0003776268.tif 000004
【００４４】
表１において、相互の比較を容易にするため、比較例No.8、９以外はすべてＳｉＯ2 濃度を4.１％に統一した。比較例No.1〜３および実施例No.1はいずれもＪＩＳ３号水ガラスを使用した。比較例No.1は水ガラス−硫酸系であり、No.2、３は水ガラス−硫酸−アルミニウム塩系でNo.1に比べると土中ゲル化時間を大幅に長びかせている。
【００４５】
実施例No.1の本発明にかかる水ガラス−リン酸−アルミニウム塩系では、土中ゲル化時間をさらに遅延せしめている。比較例No.4〜11、実施例No.2〜６はいずれも５号水ガラスを使用した。比較例No.4は水ガラス−硫酸系、比較例No.5は水ガラス−硫酸−アルミニウム塩系で、前回の３号水ガラスを使用した比較例No.1〜３に比べて土中ゲル化時間は遅延している。
【００４６】
実施例No.2〜６の本発明にかかる水ガラス−リン酸−アルミニウム塩系では、さらに土中ゲル化時間が延びている。強度は今までの実施例、比較例共に同じ程度の2.０強kgf/cm2 を示している。
【００４７】
このうち、実施例No.6は粗リン酸を使用した例で、低強度気味であるが、液状化防止用としては差し支えない程度である。比較例No.6、７はｐＨが高すぎる例と、低すぎる例で、No.6では、ゲル化時間が早すぎるし、No.7では土中ゲル化時間の短縮が大きく、また、土中で中性化への移行が難しい場合が考えられる。
【００４８】
比較例No.8、９はＳｉＯ2 濃度が低すぎる例と高すぎる例で、何れもｐＨとの関連もあるが、土中ゲル化時間が早く、また、No.8では強度的に弱体である。
【００４９】
比較例No.10 、11は（Ｈ3 ＰＯ4 ＋Ｈ2 ＳＯ4 ）／Ａｌ2 Ｏ3 値が大きすぎる例と、小さすぎる例で、No.10 を実施例No.2と比較すると、土中ゲル化時間の短縮が大きく、アルミニウム塩添加の効果の現れが少ない。
【００５０】
比較例No.11はアルミニウム塩の量が多く、土中ゲル化時間は長びくが、水酸化アルミニウムの糊状沈澱の発生で強度の弱体化が著しい。
【００５１】
以上から、本発明の条件下にある地盤注入用薬液は地盤の液状化防止用として適切である期待が充分にもてる。
【００５２】
（２）浸透試験
上記実施例および比較例から本発明は優れた浸透性が期待されるが、念のため、図２の注入試験装置に示す内径５０mm、長さ５ｍのアクリル製パイプ１内にモデル地盤としての砂２を６０％の相対密度になるように締め固める。注入圧0.８kgf/cm2 で注入材を注入口３から圧入し、注入口３から浸透した各距離と浸透延長の延びと強度との関係を観察した。図３中、４はオーバーフロータンク、５は排出口である。結果を表２に示す。
【００５３】
【表２】
0003776268.tif 000005
【００５４】
表２より、全長に均一に浸透している系は、固結強度も全域にわたり略均一であった。中途までしか浸透しきれない系では、当然のことながら下部から上部に向かって固結強度は低下している。浸透の良否は何れもその系の土中ゲル化時間の長短にしたがって略決定されていることがわかる。
【００５５】
浸透試験No.1は３号水ガラス−硫酸の系で土中ゲル化時間は非常に短縮されて短くなっている。これに比べて浸透試験No.2の３号水ガラス−リン酸−アルミニウム塩の本発明にかかる系では、完全に全長にわたり浸透している。浸透試験No.3は５号水ガラス−硫酸の系で浸透試験No.1に比べるとかなりの浸透を示すが、浸透試験No.4の５号水ガラス−リン酸−アルミニウム塩の本発明にかかる系では、さらに浸透は向上している。
【００５６】
（３）アルカリ剤の添加からなる系
液状化防止用として上記の薬液を注入するが、該薬液の漏洩を防止するリーク止めとして上記薬液にアルカリ剤を添加してｐＨを上昇せしめ、ゲル化時間を短縮し、でき得れば数分〜瞬結で固結するように調整する。
【００５７】
代表的な例として表１の実施例No.2と比較例No.1をとりあげて表３に示す。
【００５８】
【表３】
0003776268.tif 000006
【００５９】
表３において、いずれもアルカリ剤によってゲル化を短縮せしめ、数秒〜数分とすることは容易である。固結強度は全般に実施例の方が比較例より相対的に大きいようである。また、アルカリ剤として不溶性の水酸化カルシウムの方が可溶性の炭酸水素ナトリウムより固結強度は若干大きいようである。
【００６０】
以上、実施例並びに浸透試験から本発明にかかる非アルカリ性シリカゾルは、従来の酸性シリカゾルに比べると液状化防止用の薬液としては、明らかに優れていることが伺える。また、リーク止めとしても適当であることが伺える。
【００６１】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明にかかる地盤注入用薬液は次の効果を奏し得るものである。
【００６２】
１．ゲル化時間が長く、特に、土中におけるゲル化時間の短縮が少ない。
【００６３】
２．浸透性に優れる。
【００６４】
３．したがって、地盤の液状化防止工事に適した地盤注入用薬液である。
【００６５】
４．薬液の漏洩を防止するリーク止めとして適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる各試料のｐＨとゲル化時間の関係を示したグラフである。
【図２】本発明薬液の注入実験装置の断面図である。
【符号の説明】
１  パイプ
２  砂
３  注入口
４  オーバーフロータンク
５  排出口
【図１】
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【図２】
0003776268.tif 000008