第 52 回地盤工学研究発表会
2017 年 7 月

1078

M - 05 （名古屋）

炭酸ナトリウムの混合によるセメントベントナイト系空洞充填材の高度化
ベントナイト 炭酸ナトリウム ブリージング

明石工業高等専門学校
明石工業高等専門学校(株)マルシン

学生会員 ○橋本 功
学生会員
嶋谷宗太
正 会 員
桑原秀一

(有)日本マテリアル(有)日本マテリアル
芝浦工業大学

非 会 員
非 会 員
国際会員

内田幸生
近藤武司
稲積真哉

1. はじめに
近年，我が国では高度経済成長期に大量に建設された建築物の老朽化が問題となっており，建替え需要が高まっている。構
造物取壊し工において既存杭を撤去する際，一般に引抜工法が採用されるが，杭引抜後の地盤内に形成される引抜孔を放置しておくと周辺地盤の沈下，軟弱化といった問題を引き起こす可能性があり，充填材を注入することで早急に地盤を安定化させる必要がある。炭酸ナトリウム（Na2CO3）はセメントベントナイト系空洞充填材に混合することで強度発現早期化およびブリージング抑制効果を発揮すると期待されている。本研究では，セメントベントナイト及び炭酸ナトリウム混合セメントベントナイトに対し室内配合試験を行うことで，強度特性および材料分離の面で比較を行い，炭酸ナトリウムを混合することによるセメントベントナイト系空洞充填材の高度化及び充填材としての有用性について検討する。
2. 配合条件
表-3に一連の試験で用いる供試体の配合条件を示す。配合条件は目標強度を0.5N/mm2として設定している。「公共建築工事標準仕様書（建築工事編）」1)における，セメントミルク注入工法の杭周固定液の4週圧縮強度0.5N/mm2が地盤と同強度とみなされていることから，一般に標準配合として採用されている値である。配合A，Bではセメント（C）とベントナイト（B）の重量比C/B=5，6のセメントベントナイトと炭酸ナトリウム混合セメントベントナイを作成し，炭酸ナトリウムの混合によるセメントベントナイトの諸特性の変化を検討する。配合C，D，E，F，Gではセメント（C）量のみを変化させて炭酸ナトリウムとセメントの相互関係について検討する。混合手順は，回転数1500rpm/minの撹拌機に水(W)とベントナイト(B)を加えて3分間撹拌した後，普通ポルトランドセメント(C)を投入して3分間撹拌，更に炭酸ナトリウム(S)を投入して3分間撹拌を行う。
3. 試験方法① 一軸圧縮試験
日本工業規格（JIS A 1216）「一軸圧縮試験」に準じて試験を行う。配合条件に従って各試料を混合し，直径 50mm，高さ100mm のモールドに流し込んで供試体を作成する。20℃の恒温室で 7，14，28，60，90，120 日間養生を行い，各養生日数において一軸圧縮試験を実施する。炭酸ナトリウム混合セメントベントナイトの強度発現について検討を行う。
② 貫入試験
簡易測定器を用いて，配合 A，B の条件で作成した供試体に対して貫入試験を行う。試料混合直後から 30 分，1，2，3，4，5，6，7，8，12，24 時間における貫入抵抗値を計測する。炭酸ナトリウム混合セメントベントナイトについて，試料の混合，撹拌から 24 時間後までの超早期強度発現性を検討する。
表-1 ベントナイトの化学成分③ ブリージング試験
土木学会規準（JSCE-F 522）「プレパックドコンクリートの注入モルタルの化学成分 SiO Al O Fe O MgO CaO Na O K2O 強熱減量
含有率(%) 67.1 16.8 3.7
3.32.72.21.32.9
ブリージング率および膨張率試験方法 （ポリエチレン袋方法）」に準じて試表-2 混和剤の化学成分験を行う。直径 50mm のポリエチレン袋に 200mm の高さまで各試料を混合，攪拌した充填材を入れ，1，3，24 時間後のブリージング水量を測定し，以下の式
化学成分 Na Co
NaClFe2O3
水不溶分 強熱減量
含有率(%)
99.41
0.35 0.0003以下 0.001以下0.15を用いてブリージング率を求める。
222𝑊𝑏
Br = () × 100𝑉
ここで，Br（％）はブリージング率，Wb（ml）は各経過時間におけるブリージング水量，V（ml）は試料全体の体積を示す。炭酸ナトリウム混合セメント
ベントナイトについて、水とセメントの材料分離性を検討する。
④ 流動性試験
土木学会基準（JSCE-F 521）「プレパックドコンクリートの注入モルタルの流動性試験方法（P 漏斗による方法）」に準じて試験を行う。流出管内径13mm，流出管長さ 38mm，漏斗部高さ 192mm の P 漏斗試験機に各材料を混合，撹拌した充填材を満たし，流出管から指を離して充填材を流化させ，充填材の流れが初めて途切れるまでの流下時間をストップウォッチで計測する。

32323

表-1 配合条件
配合
BCSW
W/C
№ （㎏/m3） （㎏/m3） （㎏/m3） （㎏/m3） （％）
A-150
240
0905
377
A-250

24020897374

B-150

300

0886295

B-250300

20878

293

C5018020916509

D5020020910455

E5022020903

410

F5025020894358

G5026020891343

Improved Effect of Cement Bentonite Typed Filling by Mixing Sodium Carbonate
Ko Hashimoto1, Souta Shimatani1, Shuichi Kuwahara2, Kousei Uchida3, Takeshi Kondo3 and Shinya Inazumi4(1National Institute of Technology, Akashi College, 2Marushin Co., Ltd., 3Japan Material Co., Ltd., 4Shibaura Institute of Technology)

2151

4. 試験結果および考察

1.20

A-1

2152

B-2

0.60
0.40

0.20
020406080
材齢(日）

1001201400.60
CDEF

G

0.50
0.40

0.30
0.20
0.10

0.00
020406080

材齢(日)図-1 一軸圧縮試験結果

表-4 ブリージング試験結果より，A-1，B-1 では時間の経過と共にブリージング率が大きくなるのに対し，A-2，B-2 ではほとんどブリージングを起こしていない。C，D，E，F，G においても同様の傾向が確認でき，炭酸ナトリウムの混合によってブリージングが抑制されている。ベントナイトはモンモリロナイトの層間陽イオンが水分子を吸着することによって膨潤性を発揮しており，Ca 型ベントナイトと比較して Na 型ベントナイトの方が膨潤しやすいという性質を持つ 3)。炭酸ナトリウムが水に溶解することで前述のイオン交換が行われ，層間陽イオンに Na+が多くなるためベントナイトの膨潤性が増加したと考えられる。加えて，炭酸カルシウムが生成されることよって早急に硬化体が形成され，セメントベントナイト中の水分子の移動が阻害される。よって，炭酸ナトリウムの混合によるベントナイトの膨潤性増加および炭酸カルシウムの生成という複数の現象が関係して，ブリージングが抑制されたと考えられる。

通省，2014．
2) 八島隆志：粉末 X 線回帰法によるスメクタイト交換性陽イオンの推定，全地連技術フォーラム 2011 講演集，No.40，2011．
3) 鬼形正伸：ベントナイトの特性とその応用，粘土科学第 46 巻，第 2 号，pp.131-138，2007．

B-10.80における強度が高くなる傾向がある。また，図-2 より C を除いてはいずれの配合においても強度発現の傾向に大きな違いは無い。セメント量の違いによる初期・長期強度発現挙動に違いがないことから，炭酸ナトリウムの混合によるセ
メントベントナイトの初期強度増加は，セメントと水の水和反応を促進しているのではなく，セメント水和物とは異なる硬化体を形成していると考えられる。ここで，炭酸ナトリウムとベントナイトに着目する。ベントナイトはモンモリロナイトの層間陽イオンの種類によって性質が異なり，他種類の陽イオンと イ オ ン 交 換 を す る こ と に よ っ て 性 質 を 変 化 す る 2) 。 炭 酸 ナ ト リ ウ ム（Na2CO3）は水に溶解すると 2Na+と CO32-に電離するため，Na+と層間陽イオンの Ca2+ がイオン交換を行い Ca2+ と CO32- が結合することで炭酸カルシウム（CaCO3）が生成される。炭酸カルシウムは分子同士が結びつき硬化体を形成するため，早期強度発現および長期強度の増加効果を発揮したといえる。

5. おわりに本研究では，セメントベントナイトに炭酸ナトリウムを混合した空洞充填材について，強度特性および材料分離の観点から有用性を検討した。炭酸ナトリ
ウムを混合することでセメントベントナイトは早期強度発現効果を発揮し，早急なゲル化は地盤内において地下水の充填材への侵入を防ぐため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。また，ブリージングを起こさないため材料は均質に充填され，強度の偏りが生じにくくなる。以上のように，炭酸ナトリウムをセメントベントナイトに混合することによって空洞充填材として有用な効果が発揮された。今後は，物理化学的観点から諸特性発現のメカニズムを検証する必要がある。
〔参考文献〕
1) 国土交通省：公共建築工事標準仕様書（建築工事編）平成 25 年版，国土交

A-2

1.000.00

一軸圧縮強さ(N/mm2)

図-1 一軸圧縮試験結果において，A-1 と A-2，B-1 と B-2 の材齢７日強度の比較から炭酸ナトリウムの混合によりセメントベントナイトの初期強度が増加する。また，長期強度の比較よりいずれの材齢においても炭酸ナトリウム混合時の方が強度は大きい。図-2 は材齢 28 日強度で正規化した値（以下，圧縮強度比とする）でまとめた結果であり，各配合の材齢 28 日以降の長期強度発現挙動に大きな違いは見られず，B-1 を除いて圧縮強度比は 1.0 付近の値である。炭酸ナトリウムの混合による長期強度発現への影響は見られないことから，初期強度の増大分が長期強度増大分となっているといえる。図-3 貫入試験結果より A-1，B-1 では試料の混合から約 8 時間後から抵抗値が上昇しているが，A-2，B-2 では約 1 時間後から抵抗値が上昇している。凝結開始が早期化していることから，炭酸ナトリウムの混合は材齢 1 日レベルの強度発現に影響しているといえる。C，
D，E，F，G では，図-1 よりセメント量が多く水セメント比の小さい順に各材齢

一軸圧縮強さ（N/mm2)

1.40

図-2

圧縮強度比

図-3 貫入試験結果
表-4 流動性・ブリージング試験結果
配合 フロー値
ブリージング率（％）№（秒） 1時間後 3時間後 24時間後
A-1
7.7
3.6
9.3
9.5
A-2

7.6

0.5

0.00.0

B-1

7.8

4.0

9.5

9.8

B-2

7.6

0.4

0.0

0.0

C

7.7

0.9

0.8

0.0

D

7.7

0.7

0.5

0.0E

7.7

0.5

0.00.0F

7.7

0.5

0.00.0

G

7.7

0.5

0.0

0.0100