｢材料｣ (Journal of the Society of Materials Science, Japan), Vol. 68, No. 7, pp. 572-577, July 2019

論文

既存杭の引抜孔を対象とした
炭酸ナトリウム混合セメントベントナイト系充填材†
稲積

真哉＊

桑原

秀一＊＊ 橋本功＊＊＊

Cement-Bentonite Fillings Mixing Sodium Carbonate forHoles Formed by Pulling-Out Piles
by

Shinya INAZUMI*, Shuichi KUWAHARA** and Ko HASHIMOTO***In a series of studies, it is aimed to develop fillings for holes formed by pulling-out piles. Cement-bentonite is used
as a filling in general. Although cement-bentonite has an advantage of being able to perform blending according tocircumstance of work on site, cement and water cause segregation, so uniform filling is difficult. In addition, there is a
disadvantage that cement-bentonite cannot perform a predetermined strength when diluted by penetration of groundwaterand so on. Sodium carbonate (Na2CO3) is a substance expected to suppress the segregation of cement-bentonite and to
speed up the development of strength. In this study, we conducted an indoor mixing test on fillings mixed with Na2CO3
into cement-bentonite which is a mixture consisting of water, cement and bentonite, and examined various characteristics
from the viewpoint of physical and chemical aspects. The following two points were clarified; (i) by mixing Na2CO3,
bleeding of cement-bentonite is suppressed and (ii) by mixing Na2CO3, the strength development time of the cementbentonite becomes faster and the long-term strength also increases. These two points are considered to be due to theimprovement of the swelling property of bentonite, the early strength development of cement and the formation of
calcium carbonate (CaCO3).
Key words:
Bleeding, Cement bentonite, Early strength, Sodium carbonate1

緒言の開発を目的としている．具体的には，セメントベント

構造物の建て替えに伴う既存杭の撤去については，一ナイト系充填材に対して炭酸ナトリウム（Na2CO3）を混般に引抜き工法が採用される．既存杭の引抜き後には地合することで，材料分離の抑制および早急なゲル化を図

盤内に引抜孔が形成されるため，充填材による埋戻しがった充填材を開発し，さらに充填材としての有用性を物行われる．既存杭の抜き跡などの地盤内に形成された空

理試験によって検討している．また，セメントベントナ洞に対する充填材として，セメントベントナイト系充填

イト系充填材に対し Na2CO3 を混合することで得られる材が一般的に用いられる．セメントベントナイト系充填

諸特性の発現機構を物理試験および X 線回折（XRD）分

材は水，セメントおよびベントナイトによって構成され析の実施によって検討する．
2

る材料であり，それらの配合を調整することで，力学的既往の知見な品質管理が容易である．また，汎用のプラント設備に2･1

よって混錬作業を行い，現場の施工状況に合わせて適時

ベントナイトはスメクタイト系の粘土鉱物であるモ作製可能という利点がある．しかしながら，実際に地盤

ンモリロナイトを主成分とする粘土材料であり，モンモ

内空洞に充填した場合，想定以上の地下水の浸入によっ

リロナイトは薄い板状結晶が積み重なった層状構造をて所定の強度が発揮されない問題や，水とセメントの材

もつ．板状結晶は負電荷を帯びており，結晶層間に陽イ

料分離によって不均一な強度発現を引き起こすなど，配オンを吸着することによって電気的な平衡を保ってい

合調整のみでは管理できない問題がある．充填材の役割る．さらに，層間陽イオンが水分子を吸着することで，は対象地盤の復元性を高めることにある．適切な充填がベントナイトは膨潤性を発揮する．膨潤したベントナイ

行われず，原地盤と充填箇所の強度に大きな差異が生じ

トは結晶層間の電気的な反発により分散効果を発揮し，た場合，周辺地盤において沈下等の現象が生じる可能性

セメントと水の材料分離を抑制する．また，セメントベがある 1)．

ントナイト系充填材の粘性を高め，自己充填性を向上さ

本研究では，セメントベントナイト系充填材に対する

ベントナイトと炭酸ナトリウム（Na2CO3）せる 2)．

上記の課題を解決し，対象の原地盤毎に強度調整が容易

ベントナイトの性質はモンモリロナイトの層間陽イに行え，早急かつ確実に所定の強度を確保できる充填材

オンの種類によって異なる．大きくは 2 種類に大別され，† 原稿受理 平成30年10月13日 Received Oct. 13, 2018 ©2019 The Society of Materials Science, Japan* 正 会 員 芝浦工業大学 〒135-8548 東京都江東区 Shibaura Institute of Technology, Koto-ku, Tokyo, 135-8548.
** 賛助会員 一般社団法人日本杭抜き協会 〒152-0004 東京都目黒区 Japan Association for Pulling-out Existing Piles, Meguro-ku, Tokyo 152-0004.
*** 明石工業高等専門学校
明石工業高等専門学校
明石市魚住町
National
Institute of Technology,
AkashiCollege, Uozumi-cho,
Akashi, 674-8501.
〒674-8501 〒674-8501
明石市魚住町
National Instituteof Technology,
Akashi College,
Uozumi-cho,
Akashi, 674-8501.

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ナトリウムイオン（Na+）を多く吸着している場合を Naめ，本研究においても以上の条件内で供試体を作製する．

型，カルシウムイオン（Ca2+）を多く吸着している場合

すなわち，Na2CO3 については一律で 20 kg/m3 投入し，そを Ca 型と呼ぶ 3)．Ca 型と比較して Na 型は単位層間のの他の構成材の配合量をパラメータとして変化させ，各電気的な引力が弱いため，Na 型の膨潤性は Ca 型と比較

試験結果の比較を行う．各試験結果は 3 個の供試体の平して高い．Na2CO3 は水に溶解して電離することで Na+が均値によって示す．

発生し，ベントナイト中の層間陽イオンに含まれる Ca2+

充填材の目標強度は 0.3〜0.5 N/mm2 と設定している．

とイオン交換される．層間陽イオンのイオン交換性は

これは「公共建築工事標準仕様書（建築工事編）」9)で規定Na+ < K+ < Ca2+ < Mg2+の順に増し，1 価陽イオンよりもされている既製杭打設工法であるセメントミルク注入工

2 価陽イオンの選択性が高い 4)．しかしながら，Na+と Ca2+

法において杭周固定液の材齢 4 週の一軸圧縮強さ 0.5のイオン交換は可逆反応であり Na+濃度が高い環境下でN/mm2 が地盤と同程度の強度であるとみなされているこは層間陽イオンに Na+が選択されやすくなる 5)．よって，とから，一般に標準強度として採用されている値である．

水中で炭酸ナトリウム（Na2CO3）とベントナイトを混合

供試体は，あらかじめ水を加えた攪拌機に適当な順序でした場合，Na 型としての性質を強め，ベントナイトの膨その他の構成材を投入し，各構成材を投入するごと一定

潤性が増加する．

の時間および速度で攪拌を行い作製する．

以上のことから，セメントベントナイト系充填材に
Na2CO3 を混合することで，材料分離抑制の性質向上が期

3･2 試験方法
3･2･1

一軸圧縮試験および簡易貫入試験

充填材の初期・長期強度および強度発現の傾向について検討する

待される．
2･2 セメントと炭酸ナトリウム（Na2CO3）ため，日本工業規格（JIS A 1216）「土の一軸圧縮試験方法」

セメントは水との水和反応によりエトリンガイトに準じて試験を実施する．各構成材を混合攪拌し，直径 50（3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O）や珪酸カルシウム水和物

mm および高さ 100 mm のモールドに流し込み供試体を作（C-S-H）を生成して強度を発現するため，セメントベン

製する．その後 20°C の恒温室で所定の日数養生を行い，トナイト系充填材において硬化性能を発揮する主成分で各養生日数において，ひずみ速度 1%/min で連続的に供試ある．具体的には，セメントは水と混合することでエーラ体を圧縮する．また，各構成材の混合攪拌直後から 24 時

イト（3CaO·SiO2）とアルミネート相（3CaO·Al2O3）の溶間後までのゲル化について，Na2CO3 を配合することによ解反応が生じ，数分で緩慢となった後に水和反応が停滞る変化を評価するため，簡易的な貫入試験を実施する．各する水和潜伏期に入る．その後数時間で加速度期に入る

構成材の混合攪拌後バット上に供試体を厚さ 20mm で広と，エーライトが再度活発に水和反応を起こし，C-S-H やげ，簡易測定器の測定部を供試体表面に鉛直に設置し，加水酸化カルシウム（Ca(OH)2）が生成される．重ねて石膏速度がかからないように自重で貫入させる．混合直後，30の消費に伴うアルミネート相の水和反応が生じ，エトリ

分，1，2，3，4，5，6，7，8，12 および 24 時間におけるンガイトが生成される 6), 7)．炭酸ナトリウム（Na2CO3）を

貫入抵抗値を簡易測定器（IMADA 社製 DPRSX-5T）によ混合することで，初期水和後のエーライトと水の接触をって測定する．

妨げることなく水和潜伏期間を見かけ上省くため，エー

3･2･2

ブリージング試験

充填材における水とセメ

ライトおよびアルミネート相の水和反応が促進される 8)．

ントの材料分離性について検討するため，土木学会規準

以上のことから，セメントベントナイト系充填材に（JSCE F 522）
「プレパックドコンクリートの注入モルタ

Na2CO3 を混合することで，早急なゲル化および早期強度

ルのブリージング率および膨張率試験方法（ポリエチレ

発現性能が期待される．

ン袋方法）」に準じて試験を実施する．直径 50 mm のポリ3充填材の物理特性

エチレン袋に 200 mm の高さまで各構成材を混合攪拌し

3･1 供試体の配合・作製た供試体を投入し，1，3，24 時間後のブリージング水量

本研究で作製する充填材の構成材は水（W），ベントナを測定し，式(1)によりブリージング率を求める．

イト（B），普通ポルトランドセメント（C）および Na2CO3��Br＝ � × 100（S）である．ベントナイトについて，A.C.C.法（American(1)

Colloid Company 規格）における膨潤度 4 の低膨潤ベント

ここで，Br：ブリージング率（%），Wb：各経過時間にナイトを用い，ベントナイトの種類による比較を行う際おけるブリージング水量（mL），V：供試体の体積（mL）には膨潤度 20 の高膨潤ベントナイトを用いる．一般的なである．

セメントベントナイト系充填材ではセメント（C）とベン

3･2･3

流動性試験

充填材の流動性について検討すトナイト（B）の重量比：C/B = 4〜6 程度，水（W）とセるため，土木学会基準（JSCE F 521）
「プレパックドコン

メント（C）の重量比：W/C = 300〜500%程度の範囲で用クリートの注入モルタルの流動性試験方法（P 漏斗によるいられる．なお，予備試験の結果，充填材の総重量に対し方法）」に準じて試験を実施する．流出管内径 13 mm，流て 50%以上 90%以下の水，1%以上 10%以下のベントナイ

出管長 38 mm および漏斗部高さ 192 mm の P 漏斗試験器

ト，10%以上 40%以下のセメントおよび 0.5%以上 3%以下に各構成材を混合攪拌した供試体を満たし，流出管からの Na2CO3 を用いることで，適度な流動性，強度および材

指を離して充填材を流下させ，充填材の流れが初めて途

料分離抵抗性が発揮されることを確認している．そのた切れるまでの流下時間をストップウォッチで計測する．

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真哉，桑原

秀一，橋本

功

Table 1

3･3 試験結果と考察
3･3･1 配合条件の変化(1) 各構成材の投入順序
Table 1 は，各構成材の投入手順による充填材のブリー
ジング率とゲル化時間の変化を示している．ここで，A-1
は水（W）に対しベントナイト（B），セメント（C），Na2CO3（S）の順で投入している．A-2，A-3，A-4 および A-5 については Table 1 に示すとおりの投入手順である．各構成
材はいずれの配合においても同量加える．
以上の配合について比較を行うと，A-1 および A-2 のブリージング率が低く，初めにベントナイトを投入している点で共通する．加えて，A-2 と A-4 の比較より，ベント
ナイトを水中に分散させてから Na2CO3 を投入することが，ブリージング抑制に重要であるといえる．また，A-1，A-

No.
A-1
A-2
A-3
A-4
A-5

Order of Bleeding ratio (%)
mixing1 hour 3 hours
B→C→S
1.4
1.9
B→S→C
9.0
15.0
C→B→S 25.0
32.0
S→B→C 25.0
31.0
C→S→B 38.0
44.0

Table 2

3 hours

24 hours

B-1
B-2
B-3

1500
1500
500

3
1
3

1.0
2.0
2.5

0.0
1.5
2.0

・C/B = 4.8
・W/C = 3746%

C-1

C-2

D-1

D-2

ト，Na2CO3 の投入順序で充填材を作製するケースが最も

Unconfined cimpressive
strength (N/mm2)1.20以上より，A-1 と同様に水に対しベントナイト，セメン
早急にゲル化し，最もブリージングが発生しない投入順

0.80
0.60
0.40
0.20
0

20

40

Table 2 は Na2CO3 を配合したセメントベントナイト系

0.70

リージング率の変化を示している．高速で長時間攪拌す

0.60

攪拌する B-3 を比較すると，3 時間後と 24 時間後のいず
れも B-2 のブリージング率の方が低い．すなわち，ブリー
ジングを抑制するには低速で長時間の攪拌を行うよりも，回転速度を大きくすることで各構成材を十分に分散させることが重要であると考えられる．以降の各試験に用いる供試体は B-1 と同じ攪拌翼の回転速度および攪拌時間

Penetration resistance (N/mm2 )充填材について，攪拌翼の回転速度と攪拌時間によるブグが抑制されたと考えられる．また，B-2 と低速で長時間

80

100

120

140

Fig. 1 Results of the unconfined compression test.
(Open : with Na2CO3，Closed : without Na2CO3)(2) 攪拌時間および回転数

い．撹拌時間が長い方がより分散されるため，ブリージン

60

Elapsed time (days

投入順序で作製する．

る B-1 と高速で短時間攪拌する B-2 を比較すると，3 時間

Remarks

1.00

0.00

序である．以降の各試験に用いる供試体は A-1 と同様の後と 24 時間後のいずれも B-1 のブリージング率の方が低Bleeding ratio (%)

Mixingduration(min.)

1.40

投入することが，早急なゲル化に重要であるといえる．

Bleeding ratio due to difference of mixing conditions.

Rotation
speed
(rpm)

あるが，最後に Na2CO3 を投入している A-1 および A-3 にナイトおよびセメントを十分に分散させた後に Na2CO3 を

CuringRemarks(hours)1
・C/B = 5.6
6.5 ・W/C = 316%
・Rotation speed =11500 rpm
1.5 ・Mixing duration =3 minutes
1.25

No.

3，A-4 および A-5 はゲル化に要する時間が 1〜1.5 時間でおいて最も早急なゲル化を起こしている．よって，ベント

Difference due to order of mixing.

C-1

C-2

D-1

D-2

0.50
0.40
0.30
0.20
0.10
0.00

0

3

6

9
12
15
Elapsed time (hours)

18

21

24

Fig. 2 Results of the penetration test.
(Open : with Na2CO3，Closed : without Na2CO3)で作製する．
3･3･2 強度特性
(1) 初期強度

イト系充填材の初期強度が増加すると考えられる．

Fig. 1 は Na2CO3 の有無によるセメントベントナイト系

Fig. 2 は Na2CO3 の有無によるセメントベントナイト

充填材の一軸圧縮強さの経時変化を示している．
C は W/C

系充填材の簡易貫入試験結果（抵抗値）の経時変化を示し≒ 375%，
D は W/C ≒ 295%であり，それぞれ No. 1 は Na2CO3ている．これより，C-1 および D-1 では混合攪拌後約 8 時無し，No. 2 は Na2CO3 有りである．これより，Na2CO3 の間が経過してから抵抗値が上昇しているが，
C-2 および D-

有無による充填材の初期圧縮強度を比較する．C-1 の材齢

2 では混合攪拌後約 1 時間が経過してから抵抗値が上昇

7 日強度が 0.09 N/mm2 であるのに対して，C-2 では材齢 7している．すなわち，ゲル化開始時間が早期化しており，

日強度が 0.30 N/mm2 となっており，Na2CO3 を配合した場

Na2CO3 の配合がセメントベントナイト系充填材の材齢 1合の方が大きい．D-1 と D-2 の比較においても同様に，D-

日レベルでの強度発現性能を向上させている．

1 の材齢 7 日強度が 0.37 N/mm2，D-2 の材齢 7 日強度が混合攪拌後 1 時間でゲル化が生じることは地盤内にお0.59 N/mm2 であり，Na2CO3 を配合した場合の方が大きい．

いて地下水の浸入を防ぎ，セメントベントナイト系充填

よって，Na2CO3 を配合することによりセメントベントナ

材が安定した強度を発現する一助となり得る．また，深さ

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既存杭の引抜孔を対象とした炭酸ナトリウム混合セメントベントナイト系充填材

1.40

複数の充填材を深度ごとに分割して埋め戻し作業を行う

1.20

ことで原地盤の再現性は高くなるが，各充填材が互いに混合することなく鉛直方向に整列した状態で，大きな時間のロスなく充填することが可能となる．以上より，セメントベントナイト系充填材への Na2CO3 の配合は，混合直Resistance ratio (q/q 28)

によって強度が異なる原地盤に対しては，強度の異なる

1.00
0.80
0.60
0.40

後からゲル化を促進し，地盤内空洞を対象とした充填材

0.20として有用な効果を発揮する．

0.00

C-1
0

(2) 材齢による強度変化
Fig. 1 より，Na2CO3 の有無によるセメントベントナイ
ト系充填材のを比較する．C-1 と C-2，D-1 と D-2 を比較

Fig. 3

すると，いずれの材齢においても Na2CO3 を配合した場合してはいずれの配合においても材齢 28 日程度まで強度が増加し，それ以降はほぼ強度増加しない傾向が確認できる．
Fig. 3 は，Fig. 1 を基本として材齢 28 日の一軸圧縮強さで正規化した値（以下，圧縮強度比とする）でまとめている．Fig. 3 の圧縮強度比より各配合を比較すると，材齢 28

E-1 (W/C=509)
E-3 (W/C=410)
E-5 (W/C=343)

0.100を示した Fig. 5 より，E-1 を除いていずれの配合においては長期の強度発現挙動に関与していないと考えられる．
E-

配合よりも促進されたと考えられる．
3･3･3 材料分離性 Table 3 は Na2CO3 の有無によるセ
メントベントナイト系充填材のブリージング試験と流動性試験の結果を示している．C-1 および D-1 では時間の経過とともにブリージング率が大きくなる傾向に対し，C-2
および D-2 では混合攪拌 1 時間後に約 0.5%のブリージン
グ現象が確認されたのみであり，その後はブリージング現象が生じていない．よって，Na2CO3 を混合することによりセメントベントナイト系充填材の材料分離性が抑制されると考えられる．
3･3･4 流動性 Table 3 における流動性試験の結果より，各配合においてフロー値は 7.7 秒程度であり，Na2CO3

80

100

Results of the unconfined compression test.
(Open : with Na2CO3)

1.00
0.80
E-1 (W/C=509,C/B=3.6)
E-2 (W/C=455,C/B=4)E-3 (W/C=410,C/B=4.4)
E-4 (W/C=358,C/B=5)E-5 (W/C=343,C/B=5.2)

0.60
0.40
0.20
0.00

0

Fig. 520

Table 3

80

100

Results of bleeding and fluidity test.

No.

C/B

W/C
(%)

C-1
C-2
D-1
D-2

4.8
4.8
6
6

377
374
295
293

Table 4

flowing
Bleeding ratio (%)
down time
1 hour 3 hours 24 hours
(s)
7.7
3.6
9.3
9.5
7.6
0.5
0.0
0.0
7.8
4.0
9.5
9.8
7.6
0.4
0.0
0.0

Bleeding ratio due to difference in degree of swelling.

No.

C/B

F-1
F-2

4.4
5.6
4.4
5.6

G-1
G-2

40
60
Elapsed time (days)

Resistance ratio based on the unconfined compression test.
(Open : with Na2CO3)

1 については，最も水セメント比が大きくセメント量に対する Na2CO3 の割合が高いことから，水和反応がその他の

40
60
Elapsed time (days)

1.20も強度発現の傾向に大きな違いがなく，材齢 90 日における圧縮強度比は 1.15 程度である．よって，Na2CO3 の配合

20

E-2 (W/C=455)
E-4 (W/C=358)

1.40
Resistance ratio (q/q28)

として材齢 28 日の一軸圧縮強さで正規化した圧縮強度比

140

0.20

Fig. 4できない．

軸圧縮強さが大きくなる傾向がある．また，Fig. 4 を基本

120

0.30

0.00

イト系充填材の材齢 28 日以降の強度発現への影響は確認

は水セメント比の小さいものから順に各材齢における一

60
80
100
Elapsed time (days)

0.40

よって，Na2CO3 を配合することによるセメントベントナ

経時変化を示している．E-1，E-2，E-3，E-4 および E-5 で

D-2

0.50

な違いは確認されず，圧縮強度比は 1.0 付近の値である．

填材における水セメント比の違いによる一軸圧縮強さの

40

D-1

Resistance ratio based on the unconfined compression test.
(Open : with Na2CO3，Closed : without Na2CO3)日以降の強度発現挙動において Na2CO3 の有無による大きFig. 4 は Na2CO3 を配合したセメントベントナイト系充

20

C-2

0.60
Unconfined compressive
strength (N/mm2 )の方が大きな強度を示している．一方，強度発現の傾向と

575

W/C
(%)
410
316
416
320

1hour
2.0
1.4
1.0
1.0

Bleeding ratio (%)
3hour
24hour
2.5
2.5
1.9
1.4
1.0
0.0
1.0
0.0

を混合することによるセメントベントナイト系充填材の流動性は生じない．強度試験結果より混合攪拌から 1 時
間程度でゲル化が始まっているが，打設時の流動性に影合は粘性が低くなり材料分離を生じやすくなるが，流動響を及ぼさないことが考えられる．また，流動性が高い場

性試験結果より，Na2CO3 を配合した場合セメントベント

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真哉，桑原

秀一，橋本

功

ナイト系充填材はブリージングがほぼ発生せず材料分離

ントベントナイト系充填材の強度発現機構について考察が生じない．よって，Na2CO3 を配合したセメントベント

する．ここで，(株)リガク製 Smart Lab を用いた粉末 X 線

ナイト系充填材は，材料分離を引き起こすことなく充填回折法を行っており，使用する X 線は CuKα（λ＝1.5418Å）

材としての作業性が確保されている適度な粘性を有してである．Fig. 6 に粉末 X 線回折法による XRD 分析の結果いると考えられる．

を示す．供試体 No. 1 には Na2CO3 を未配合の充填材，No.

3･3･5 ベントナイトの膨潤度 Table 4 は Na2CO3 を配

2 には Na2CO3 を配合した充填材，No. 3 には高膨潤度ベン

合したセメントベントナイト系充填材について，膨潤度

トナイトを使用し Na2CO3 を配合した充填材を用いる（No.

の異なる 2 種類のベントナイトを用いた場合のブリージ

1 は C-1，No. 2 は C-2，No. 3 は G-1 と同様）．

ング率の変化を示している．F では膨潤度 4 の低膨潤ベン

材齢 3 時間において，No. 1 では水酸化カルシウム

トナイト，G では膨潤度 20 の高膨潤ベントナイトを用い（Ca(OH2)）が検出されているのに対し，No. 2，No.3 ではている．F-1 と G-1，F-2 と G-2 を比較すると，いずれも検出されていない．しかしながら，材齢１日においてはG のブリージング率が低い値を示す．F のブリージング率

No.1 で Ca(OH2)は検出されず，No. 2，No. 3 では検出されは時間経過に伴い一定あるいは増加する傾向が見られるている．Ca(OH2)が検出されていない場合には，46°付近にのに対し，G は時間経過に伴い増加することなく 24 時間

炭酸カルシウム（CaCO3）のピークが現れており，Na2CO3

後には 0%を示している．これより，膨潤度が高いベントから電離する炭酸イオン（CO32-）によって Ca(OH2)が炭酸ナイトを使用することで，セメントベントナイト系充填化し，CaCO3 を生成した可能性が考えられる．また，CaCO3

材において高いブリージング抑制効果を発揮する．

はベントナイト中の層間陽イオンに含まれるカルシウム

4 充填材の諸特性発現メカニズム
4･1 強度発現メカニズム

電離する CO32-と結合することで生成された可能性も考え

X 線回折（XRD）分析を行い，Na2CO3 を配合したセメ

られる．CaCO3 は非水溶性の物質であり，分子同士が結び

M E CF

0

E

CH
C

E

5000
0

E
A

10

20

30

40

CH
A

50

A

60

E
A

10000

M

0

2θ (deg)

CSH
E
A
M

5000
0

E

E

E

0

10

20

CH
A

40

15000

50

60

E
E

0

70

C
A

10000

A

E

M E

0

10

20

30

0

10

CH
A

E
A

30

40

50

60

A

10000

0

70

CH
A

Intensity (counts)

15000

CH
C

E

CH

0

10

M

20

30

C4 AHx
E

30

40

60

0

10

20

30

40

40

50

60

C
A

20000

C4 AHx
15000

M

10000

E

CSH
C
A

20000
15000
10000

M

0

70

0

E

0

10

CH
A

C4 AHx
E

0

E

CH
E

10

E：Ettringite
C：Calcium Carbonate
CH：Calcium Hydroxide
CSH：C-S-H
CSH A：Alite
CH C4AHx ：Calcium Aluminate Hydrate
A M：Montmorillonite
A
CSH
CH
E
CH A
A
C

20

30

40

50

60

70

50

60

E：Ettringite

CH

20000

C
A

A

C4 AHx
M E

10000

0

70

CH
A

15000

E

E

E

5000

0

10

CH C：Calcium
Carbonate
A
CH：Calcium
Hydroxide
A：AliteCH
M：MontmorilloniteCC 4AHx ：Calcium
Aluminate
Hydrate
A

20

30

40

50

60

70

2θ (deg)

E：Ettringite
C：Calcium Carbonate
CH：Calcium Hydroxide
A：AliteC4 AHx ：Calcium Aluminate Hydrate
M：Montmorillonite
CH
C
CH
A

30

A

CSH

25000

A

A

20

70

(f) No.3 (Na2CO3, High Swelling), 1day

CH
C

E

5000

70

CH

CH
A

60

2θ (deg)

E
A

E

50

A

(c) No.3 (Na2CO3, High Swelling), 3hours(h) No.2 (Na2CO3, Low Swelling), 7days(j) No.1 (No Na2CO3, Low Swelling), 28days

40

50

60

(i) No.3 (Na2CO3, High Swelling), 7daays
CH

25000
20000

C
C4 AHx

15000

M

10000

E

0

CH CH
C

E
E

5000

70

E：Ettringite
C：Calcium Carbonate
CH：Calcium Hydroxide
C 4 AHx ：Calcium Aluminate Hydrate
CH M：Montmorillonite

0

10

20

30

40

50

60

70

2θ (deg)2θ (deg)(k) No.2 (Na2CO3, Low Swelling), 28days(l) No.3 (Na2CO3, High Swelling), 28days

Fig. 6576

50E

2θ (deg)

07-2018-0120-(p.572-577).indd

CH
A
A

25000

A

E

5000
0

E：Ettringite
C：Calcium Carbonate
CH：Calcium Hydroxide
A：AliteC4 AHx：Calcium Aluminate Hydrate
M：MontmorilloniteCA

C4 AHxM E

20

2θ (deg)

Intensity (counts)

CH
20000

10

5000

E：Ettringite
C：Calcium Carbonate
CH：Calcium Hydroxide
A：AliteC4 AHx ：Calcium Aluminate Hydrate
M：Montmorillonite

C
A

15000

(g) No.1 (No Na2CO3, Low Swelling), 7days

10000

CH

20000

2θ (deg)

25000

0

25000

(e) No.2 (Na2CO3, Low Swelling), 1day

5000

20

40

C

2θ (deg)

A

CSH

25000

E

5000
0

E：Ettringite
C：Calcium Carbonate
CH：Calcium Hydroxide
A：AliteC4 AHx：Calcium Aluminate Hydrate
CH M：Montmorillonite
A
CH
C

C4 AHx

15000

0

70

A

C
E

2θ (deg)

Intensity (counts)

Intensity (counts)

20000

60

CSH
E
A
CH
C

CH

M E

5000

(d) No.1 (No Na2CO3, Low Swelling), 1day
CH

M E

5000

E：Ettringite
C：Calcium Carbonate
CH：Calcium Hydroxide
CSH：C-S-H
A：AliteC4 AHx：Calcium Aluminate Hydrate
M：Montmorillonite

A

C4AHx
10000

2θ( deg)

25000

50

E
A

E
10000

A

40

CSH
C CSH
CH

20000

CSH

C

30

30

25000

Intensity (counts)

E：Ettringite
C：Calcium Carbonate
CSH：C-S-H
A：AliteM：Montmorillonite

CSH
C CSH
AA

10000

20

15000

(b) No.2 (Na2CO3, Low Swelling), 3hours(a) No.1 (No Na2CO3 Low Swelling), 3hours

15000

10

E：Ettringite
C：Calcium Carbonate
A：AliteM：MontmorilloniteAA2θ (deg)

25000
20000

C

E

0

70

E

E

5000

A

Intensity (counts)

CH

A
15000

20000

Intensity (counts)

10000

20000

C
A

25000

Intensity (counts)

Intensity (counts)

15000

A

Intensity (counts)CA A CHA

20000

E：Ettringite
C：Calcium Carbonate
A：AliteM：Montmorillonite

C
A

25000

Intensity (counts)

E：Ettringite
C：Calcium Carbonate
CH：Calcium Hydroxide
A：Alite
CF：Ferrite
M：Montmorillonite

25000

Intensity (counts)

イオン（Ca2+）が，陽イオン交換反応の中で Na2CO3 から

Results of XRD analysis.

2019/05/30

17:32:27

既存杭の引抜孔を対象とした炭酸ナトリウム混合セメントベントナイト系充填材

つくことによって硬化体を形成する．Na2CO3 を配合する

577

ル化は地下水の浸入を防ぎ，充填材が安定して所定の強度を発揮することが可能となる．

ことによるセメントベントナイトの初期強度発現は，混合攪拌直後から生成される CaCO3 による硬化体形成に起(3) Na2CO3 を配合することでセメントベントナイト系充因する可能性が考えられる．また，CaCO3 の形成に伴う初填材のブリージング現象が抑制される．深度方向によ

期強度の増加分は，Na2CO3 を配合したセメントベントナ

る強度の違いが生じにくくなる．

イト系充填材の材齢 28 日以降の強度の増加分としても現(4) Na2CO3 を配合することによってセメントベントナイ

れていると考えられる．

ト系充填材の流動性は失われず，作業性は確保される．

材齢 1 日において No. 2 および No. 3 で現れている(5) 水に対してベントナイト，セメント，Na2CO3 の順にCa(OH2)に関しては，エーライト（3CaO·SiO2）のピークが混合し，各材料の投入ごとに十分攪拌することで，材小さくなり，珪酸カルシウム水和物（C-S-H）の鋭いピー

料分離抑制効果および早急なゲル化を発揮する．

クが現れていることから，エーライトの水和反応が進行(6) Na2CO3 によるベントナイトの膨潤性増加ならびにセしたために出現したものと考えられる．また，No. 2 およ

メントの早急なゲル化が材料分離抑制に起因し，炭酸

び No. 3 では材齢 1 日からカルシウムアルミネート系水和カルシウム（CaCO3）の生成が強度増加の要因である物（4CaO·Al2O3·XH2O）が確認できるのに対し，No. 1 で可能性が示唆される．

は材齢 7 日から確認できることから，Na2CO3 を加えてい今後の取り組みとして，更なる分析試験を重ね，材料

る場合，水和反応が促進され，緻密な結晶化がされると考分離抑制，早急なゲル化，強度増加のメカニズムを明らえられる．材齢 7 日，28 日では No. 1 に比べて No. 2 およ

かにし，化学的根拠を明確にする必要がある．

び No. 3 の方が水和生成物のピークがより鋭く現れており，水和反応が十分に進んでいることが判る．特に高膨潤

参
1)

考

文 献

K. Nosho, T. Torigoe, S. Inazumi and S. Kuwahara “Dynamic

ベントナイトを用いた No. 3 で明瞭に鋭いピークが現れanalysis on influence of pull-out holes of pile foundations toている．すなわち，結晶性の高い物質が生成されることが，dynamic behaviors of surrounding grounds”, 51st Japan National

Na2CO3 を混合することで強度が増加した要因の一つと考Conference on Geotechnical Engineering, pp.1201-1202 (2016).
2)

えられる．

K. Horii, T. Yamazaki, J. Sakemoto, D. Michimae, M. Nishi and

4･2 ブリージング抑制メカニズム

Y. Udaka, “Development of stuffing material using crushed

Na2CO3 の配合によるセメントベントナイト系充填材のcement bentonite slurry”, Summaries of technical papers of

ブリージング率の減少は，ベントナイトの Na 型化による膨潤性増加，およびセメントベントナイト系充填材の早annual meeting by AIJ, pp.487-488 (2007).
3)

期ゲル化性能が要因として挙げられる．加えて，CaCO3 がpowder X-ray regression method”, Geotech Forum 2011 by
JGCA, No. 40 (2011).

生成されることで早急に硬化体が形成されるためセメン
ト粒子の沈降を抑制する．また，セメントとの水和反応に

Y. Takashi, “Estimation of smectite exchangeable cations by

4)

O. Masanobu, “Characteristics and application of bentonite”,

水分子が消費されることから水量が減少する．これらのJournal of the Clay Science Society of Japan, Vol.46, No.2,

複数の現象が関係して，Na2CO3 を配合したセメントベン

pp.131-138 (2007).

トナイト系充填材では混合攪拌直後から数時間以内にブ

5)

5

結

言

6)

本論文では，Na2CO3 を配合したセメントベントナイト

Japan Cement Association, “Ground Improvement Manual with
Cement-based Solidifying material”, GIHODO SHUPPAN Co.,
Ltd., pp.23-32 (2003).

系充填材について強度特性，材料分離特性および流動性を検討し，既存杭の引抜孔に対する充填材として，有用な

H. Koshimizu and R. Otsuka, “Ion exchange of clay minerals”,
Gypaum & Lime, No.204, pp.72-79 (1986).

リージング現象が生じなくなったと考えられる．

7)

T. Miyagawa and K. Okamoto, “Illustration easy to understand

性質を発揮することを明らかにした．また，既往知見なら

materials

びに分析試験より，発揮される性質の発現メカニズムに

infrastructure facilities”, Gakugei Publishing, pp.19-26 (2013).

ついて考察した．得られた知見を以下に示す．

8)(1) Na2CO3 を配合することでセメントベントナイト系充填材の強度が増大する．初期強度増大効果より，早急に地盤を安定化させることが可能である．
(2) Na2CO3 を配合することでセメントベントナイト系充

(Make

civil

engineering,

environment

andE. Handa, “Cement-concrete and inorganic industrial chemicals,
CREATIVE Technical Report, No.4, pp.23-31 (2003).

9)

Ministry of Land, “Standard specification of public building
construction (Construction work session) (ver.H.25)”, pp.15-24(2014).

填材は打設後 1 時間程度からゲル化する．早急なゲ

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