JPH01224254A - 固結用材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は水ガラスと、石灰類と、アルカリ剤とを含有し
、主として地盤注入用集材として利用される固結用材料
に係り、特に長いゲル化時間でも高強度を得、しかも長
期固結強度が大きい固結用材料に関する。

（従来の技術〕 地盤注入用藁材として、従来、水ガラスにセメントのよ
うな懸濁性反応材を加えてなる水ガラスグラウト（懸濁
型グラウト）、あるいは水ガラスに有機系反応剤や、無
機塩のような溶液性反応剤を加えてなる水ガラスグラウ
トが知られている。

このうち、溶液性反応剤を用いた水ガラスグラウトは懸
濁性反応剤を用いたものよりも浸透性に優れているとい
う利点を有するが、強度が低く、特にゲル化時間を長く
調整する場合には反応剤を少なくすることになり、した
がって水ガラス中に未反応のＳｉｎ１分が多く残存し、
このため強度が一層低くなり、かつ長期固結用強度も得
られないという問題があった。

さらに、セメントを用いる懸濁型グラウトもまた、ゲル
化時間を長く調整した場合には前述と同様の問題が生じ
た。

そこで、ゲル化時間を長く調整する水ガラスグラウトと
して、低モル比の水ガラスを用いるセメント水ガラスグ
ラウトが提案されている。（特公昭５１−８４８６号公
報）、シかし、この場合でも、ゲル化時間はせいぜい数
分から１０分程度しか長くならず、これでは水ガラスと
反応剤をミキサー中で充分に攪拌混合してから注入する
という事はできず、両者を注入管で合流してそのまま注
入するという手段をとらざるを得なかった。したがって
、このような合流注入では、充分な浸透効果が得られな
いのみならず、注入剤の混合が不充分であって反応が不
完全となり、このため地盤中の固結物は長期間安定した
ものとはならなかった。

また、水ガラスとアルミン酸ソーダあるいは塩化カルシ
ウムとからなる水ガラスグラウトも知られている。この
うち、塩化カルシウムの場合は、水ガラスに対して少量
の添加量でも瞬結になってしまう、また、アルミン酸ソ
ーダの場合は、通常、１分あるいはそれ以下でゲル化し
、特に、２０℃以上の温度では急激にゲル化時間が短縮
され、氷を入れて冷やさなくては使用できなくなる。さ
らに、水ガラスとアルミン酸ソーダ系の場合、この中に
まだらな沈澱を生じやすいため、これを防ぐために水ガ
ラスに苛性ソーダを加えることも提案されているが、こ
の場合、ゲル化時間に関しては苛性ソーダの添加により
多少長くなる程度であり、これを多量に添加してもゲル
化時間はそれ稈長くはならない、そこでアルミン酸ソー
ダの添加量を少なくしてゲル化時間の延長を試みても、
数十分あるいは６０分以上のゲル化時間にすることは困
難であり、アルミン酸ソーダが過少になれば強度が大幅
に低下するという新たな問題が起こる。

また、地盤中にあらかじめ反応剤を注入しておき、その
後、この注入個所に低モル比の水ガラスを注入する工法
も提案されているが、この工法では地盤中において両液
を一定の比率で反応させることが事実上不可能であり、
このため充分な固結効果あるいは長期固結効果を期待す
ることは困難である。

また、ゲル化時間を長く設定するために、まず水ガラス
と少量のセメントを混合し、この上ずみ液を地盤中に注
入する工法、あるいはカルシウム化合物を水と混合し、
て静置し、その上ずみ液を低モル比の水ガラスと混合し
て掻めて少量の水溶性カルシウム化合物を含む水ガラス
グラウトを地盤中に注入する工法が知られている。

しかし、これらの工法に用いられるグラウトは１０ミク
ロン程度のカルシウム化合物の微粒子を含むものの、実
質的には溶液型水ガラスグラウトと同じであり、水ガラ
ス中に含まれるＳｉＯ□分に対するカルシウム分が極め
て少なく、このため未反応のＳｉｎ、が多く残存し、固
結強度が低くなるとともに耐久性にも劣るものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述の従来工法における水ガラスグラウトは水ガラス中
のＳｉｎｇに対する反応剤の量を少なくしてゲル化時間
を長くするものであり、このため固結強度が小さくなり
、かつ耐久性も劣下することになる。また、あらかじめ
水ガラスか反応剤を地盤中に注入しておいてから、他方
をその後に注入して地盤中で反応させる上述工法では、
反応が不充分となって固結強度あるいは耐久性が得られ
ない。

そこで、本発明の目的は水ガラス中の５ｉ０１分を反応
せしめるに充分な量の反応剤を用いて長期間の耐久性を
得る一方、水ガラスと反応剤をミキサー中で混合してゆ
っくりと地盤中に注入するに充分な長いゲル化時間を保
持し得、すなわち、長いゲル化時間で高固結強度を得、
かつ浸透性ならびに長期間耐久性をも保持し、前述の公
知技術に存する欠点を改良した固結用材料を提供するこ
とにある。

〔問題点を解決するための手段〕

前述の目的を達成するため、本発明固結用材料によれば
、水ガラスと、石灰類と、アルカリ剤とを含有してなる
ことを特徴とする。

上述の本発明固結用材料はまた、次の（Ａ）乃至（Ｄ）
の要件を具備することが好ましい。

（Ａ）Ｓ　ｉ（ｈ／　Ｍｅ、Ｏ（Ｍ　ｅはアルカリ金属
）がモル比で２．５以下、好ましくは０．５〜２．５、
さらに好ましくは１．５〜２．２の範囲内であること。

（Ｂ）石灰Ｒ／　Ｓ　ｉｏ、の比率がモル比で０．２以
上であること。

（Ｃ）ＳｔＯ，の含有量が前記材料１００ｃｃ当たり０
．０７モル以上であること。

（Ｄ）石灰類の含有量が前記材料１００ｃｃ当たり１ｇ
以上であること。

前述の本発明固結材料における水ガラスとアルカリ剤の
含有比率は任意であるが、通常は５ｉｆｔ／　Ｍ　ｅｘ
　Ｏ（Ｍ　ｅはアルカリ金属）の比率がモル比で２．５
以下、好ましくは０．５〜２．５、更に好ましくは１．
０〜２．２の範囲である。ただし、ＳｉＯ□は水ガラス
のシリカ分に起因するものであり、ＭｅｔＯは水ガラス
のアルカリ分とアルカリ剤の両方に起因するものである
。

前述の石灰類は生石灰または消石灰である。これら消石
灰または生石灰は他の難溶性多価金属化合物と併用して
用いることができる。難溶性多価金属化合物としては、
たとえば珪酸カルシウム、炭酸カルシウム、ドロマイト
等の１ｉ８性力ルシウム化合物、さらに、石膏、Ｍｇ、
Ａｌ、Ｆｅ等の水酸化物、酸化物、炭酸塩、硫酸塩等を
あげることができる。

また、上述の難溶性カルシウム化合物のうち、炭酸カル
シウムは消石灰とは異なる挙動を示す。

すなわち、消石灰は３ｉ０．／Ｍｅよ０のモル比が２．
５以下の全ての頭載でゲル化現象を起こし、特にモル比
が１．０〜２．５付近、あるいは１，５〜２．２で最も
優れた固結性を示す、一方、炭酸カルシウムはモル比が
ほば１付近かあるいはそれ以下でないと多量添加しても
ゲル化を起こさない、炭酸カルシウムは本来、水ガラス
とは反応しないものであるが、モル比が１付近、あるい
はそれ以下の水ガラス中では、遊離の苛性ソーダの作用
によってＣａ（ＯＨ）２を形成し、これが水ガラスの５
ｉ（ｈと反応するものと思われる。これに対して、消石
灰はモル比が２付近でも、シリカ分と当量の添加により
充分に長いゲル化時間を得るため、アルカリ分の添加量
が少なくすみ、しかも遊離の苛性ソーダを生じることが
ない、このため、消石灰は経済的にもよく、作業性もす
ぐれ、かつ水質保全の面からも効果的である。

さらに、本発明に用いられるアルカリ剤とじては苛性ソ
ーダ、苛性カリ、炭酸ナトリウム、炭酸カリ等の水溶性
アルカリが挙げられるが、特に苛性アルカリが最も効果
的である。

なお、本発明において、水ガラスとアルカリ剤の配合比
率はＳｔＯ□／Ｍｅｍｏがモル比で２．５以下であり、
これが１に近づ（につれて水ガラスとアルカリ剤の反応
により分子量の小さいＮ　ａ　ＨＳ　ｉ　Ｏｓあるいは
Ｎａｇ　Ｓ　ｉ０３が多くなり、１よりも小さくなるに
つれて遊離のアルカリ分が多くなり、特に０．５以下に
なると遊離のアルカリ分が多くなり過ぎてゲル化しにく
くなり、注入地盤をアルカリ汚染しやすくなるので好ま
しくない。

また、本発明にかかる水ガラスは高モル比の水ガラス、
例えばモル比が３．８の水ガラスでもよく、この場合、
アルカリ剤の存在によりモル比は低モル比となり、これ
により本発明は長期強度を増大させることができる。

〔作用〕

上述の本発明にかがろ水ガラス、石灰類およびアルカリ
剤の三成分系において、水ガラスの珪酸分と反応するに
充分な量の石灰類が存在しても、数十分乃至数時間とい
う長いゲル化時間をもって強固に固結する。水ガラスは
通常、溶融法あるいは湿式法という方法によって製造さ
れる。前者は珪砂とソーダ灰を溶融し、冷却して得られ
る珪酸ソーダガラスを水に溶解して製造され、後者は原
料として液体苛性ソーダおよび珪砂粉末を用い、珪酸ソ
ーダガラスとして取り出すことなく、直接珪酸ソーダ溶
液を得ることにより製造される。このようにして得られ
た水ガラスは低モル比のものであるが、このような低モ
ル比の水ガラスに石灰類を含有させても上述の本発明効
果、すなわち、数十分乃至数時間という長いゲル化時間
をもって強固に固結するという効果は得られない。例え
ば、溶融法であれ、湿式法であれ、モル比が２．０の水
ガラスを用い、これに石灰類をシリカ分の当量加えても
、ゲル化は数秒で生じる。この理由は水ガラスの分子量
が大きく、コロイド珪酸の含有量が多いため、水ガラス
がゲル化しやすい状態にあるためであり、したがって、
ゲル化物の結合も弱く、強度も小さくなる。

これに対して、水ガラスと石灰類の系にさらにアルカリ
剤が存在すると、コロイド珪酸の殆どが低分子の珪酸ア
ルカリ金属塩になってゲル化が起こりにくい状態となり
、このため、石灰類が存在してもただちにゲル化せず、
充分に混合されてゆるやかに反応し、最終的には完全に
反応して高強度の固結体を得る。すなわち、本発明は水
ガラスと、石灰類と、アルカリ剤を懸濁状態で配合させ
て、−時に反応が進行しないようにし、かつ配合液中の
Ｓｉｎ、量、Ｓｉｎ、とＭｅｚＯのモル比、石灰量、Ｓ
ｉｎ、とＣａＯのモル比等を特定の範囲に定めることに
よりゲル化時間を数秒から長時間に調整し、高強度なら
びに長期耐久性を得る。

さらに、本発明の水ガラスは高モル比のものがアルカリ
剤の存在により低モル比となり、これにより本発明は長
期強度を増大させることができる。

〔実施例〕

以下、本発明を次の実験例によって詳述する。

〔実験−１〕 市販３号水ガラス（モル比２．９４、Ｓ　ｉ（ｈ：　２
８．２９％、Ｎａ、Ｏ：　９．９４％、比重１．４ｍｍ
性法よって製造）と消石灰系のゲル化時間を測定し、結
果を表−１に示す。

表−１ Ｓｉｆｔ　：　０．１６５モル／混合液１００ｃｃ表−
１より、３号水ガラスではＣａ（ＯＨ）ｚのいずれの量
でもゲル化時間が短いことがわかる。また、強度も小さ
く、例えば試料ぬ３の場合、固結標準砂は３０日後で１
．５ｋｇ／ｃｄ、１ケ月水中養生後で０．８ｋｇ／−程
度である。

〔実験−２〕 水ガラス−セメント−アルカリ剤系の実験結果を表−２
に示す。

アルカリ剤として苛性ソーダを用いた。水ガラスとアル
カリ剤の混合比率は表−２中のモル比になるように定め
た。混合液（Ａ液とＢ液）　１００　ｃｃ当たり、５ｉ
Ｏ１含有量は０．１６５モルである。

表−２ 表−２よりモル比が低くなれば、水ガラス−セメント系
はゲル化時間が長くなるが、固結性が極めて悪く、ゲル
化が不安定になる事が判る。

〔実験−３〕 水ガラス−セメントあるいは石灰の上ずみ液−アルカリ
剤系の実験結果を表−３に示す。

なお、Ａ液は実験−１の水ガラス２５ｃｃとアルカリ剤
（苛性ソーダ）と水との混合液であり、このモル比を表
−３に示した。また、Ｂ液は水１００　ｃｃにセメント
あるいは石灰をそれぞれ２０ｇづつ混合し、１時間静止
してのち、上ずみ液を５０ｃｃと゛った。

表−３ 表−３における固結標準砂の一軸圧縮強度（ｋｇ／−）
は３日後で、それぞれ、試料陽順に、０．８０４、−１
０．５．１ケ月後で０．５．０．４、−１０．３を示し
、注入目的のための強度としては弱すぎることがわかっ
た。

〔実験−４〕 実験−１の３号水ガラス（モル比２．９４）を混合ＷＬ
１００ｃｃ当たり２５ｃｃ　（０，１６５モル）配合し
、これに苛性ソーダを加えて５ｉＯｔ／ＮａｘＯのモル
比を調整した。また、消石灰の添加量を混合液１００　
ｃｃ当たり０．５　ｇ　（０，００７モル）〜２５　ｇ
　（０，３３８モル）の範囲で変化させ、これらについ
てそれぞれゲル化時間を測定し、結果を表−４に示した
。

表−４より、混合液１００　ｃｃ当たり、Ｃａ（ＯＨ）
ｚが１ｇ以上で、かつＳ　ｉｏ、／Ｎａｎｏ　（モル比
）が２．５以下、ＣａＯ／５ｉＯｚ（モル比）が０．１
以上、好ましくは０．２以上ではゲル化時間が１０秒〜
数分はもちろんのこと、数十分〜数１００分の長いゲル
化領域が存在することがわかる。

〔実験−５〕 Ｓ　ｉ　Ｏｘ／　Ｎａｎｏ　（モル比）が２．０、Ｃａ
Ｏ／ＳＬＯ，（モル比）が１．０の条件下で、混合液１
００　ｃｃ当たりのＳｉｎ、の含有量を変化させ、ゲル
化実験を行った。また、Ｓ　ｉ　Ｏｘ　／　Ｎ　ａｘ　
Ｏ（モル比）１．５に定め、ＣａＯ／５ｉＯｚ（モル比
）と混合液１００代当たりの５ｉＯ１の含有量を変化さ
せ、ゲル化実験を行った。これらの結果を表−５、表−
６および表−７に示す、また、Ｓ　ｉＯｘ　／　Ｎ　ａ
ｔ　Ｏ−、Ｃａ　Ｏ／Ｓｉｎ！を変化させて長期強度試
験を行い、測定結果を表−８に示す。

表−８ Ｓｉｎｇ　：　０．１６５モル／混合液１００ｃｃ上述
の測定結果から、５ｉＯｔ含有量が大きい程またＣａＯ
／５ｉ（ｈ（モル比）が大きい程、ゲル化時間が短いこ
とがわかる。特に、ＳｉＯ□／Ｎａよ０（モル比）が２
．２付近から１．５付近において、ＣａＯ／５ｉｎ、の
比率が１前後の十分大きな値にもかかわらず、充分に長
いゲル化時間の領域があることがわかる。すなわち、水
ガラス中の５ｉＯ１と充分に反応し得る量のＣａ（ＯＨ
）ｘを用いて、充分長いゲル化時間が得られるので、大
きな固結強度を得るとともに、耐久性に優れた長期固結
強度を得ることができる。

また、表−５、表７７および表−８より、水ガラスのモ
ル比が低くなると長期強度が大きくなることがわかる。

さらに、３号水ガラス（モル比２．９４）（３号水ガラ
ス−消石灰系）とモル比が２．５の水ガラス（３号水ガ
ラス−消石灰−アルカリ剤系）の場合を比較すると、前
者では長期強度が低下するのに対し、後者では長期強度
が増加することがわかる。さらにまた、長期強度はモル
比が１．５〜２．０付近（水ガラスとアルカリ剤の混合
比率の範囲）で最も高いこともわかる。

なお、本発明は、実験−２における消石灰の上ずみ液を
用いたものと比較すると、大きな強度を得るものである
が、これは難溶性カルシウム化合物をそのまま用いるこ
とに依存する０例えば、消石灰は比表面積がほぼ１０．
ＯＯＭ／　ｇ　（溶解度０．１１７ｇ／１００ｇ）の粉
体であり、これを充分な量前記水ガラスに懸濁させると
、消石灰粉末のまわりに５ｉ０２が吸着して反応し、ゲ
ルの内部に強固な構造を形成しなから土粒子間を填充す
る。また、難溶性カルシウム化合物は長期間にわたって
水ガラス中のＳｉＯ□にＣａイオンを供給して珪酸カル
シウムを形成しつづけるため、上ずみ液の場合に比べて
強度が大きく、かつ長期強度に優れた効果を発揮する。

また、ＳｉＯ□／Ｍｅｍｏのモル比が２．５付近ではゲ
ル化時間は短いが、これ以上の場合に比べて長期強度が
優れるようになり、さらにモル比がほぼ２．２以下にな
ると、カルシウム化合物を当量付近加えても、数十分〜
数時間というきわめて長いゲル化時間を得る特異な領域
が出現する。

〔実験６〕 表−９Ａに示すように、各種モル比の市販水ガラス（溶
融法で製造）と苛性ソーダを含む配合液をＡｆｉとし、
消石灰と水を含む配合液をＢ液とした。これらＡＢ液の
混合液についてゲル化実験を行い、結果を表−９Ｂに示
した。

混合液１００ｃｃ中のＳｉＯ，１度は０．１６５モル、
ＣａＯ／ＳｉＯ□（モル比）は１．０とした。

表−９Ａ 表−９Ｂ 表−９Ａ、Ｂより、水ガラス−消石灰−アルカリ剤系は
水ガラス−消石灰系（ｆとｇ）に比べて、配合液のモル
比が同じで、かつＳｉＯｘ、Ｃａｂ／５ｔｙｘが一定で
も、長期強度が増加し、また、混合液のモル比が同じ２
．０でも、非常に長いゲル化時間を得ることがわかる。

〔実験−７〕 各種の水ガラス−消石灰−アルカリ剤系についてゲル化
試験を行い、結果を表−１０に示した。なお、比較のた
めに、消石灰を含まない系についても実験を行った。

表−１０より、水ガラス−アルカリ剤−反応剤系では反
応剤としてセメントを単独で加えてもゲル化しないか、
あるいはゲル化の機能が極めて低く、珪酸カルシウムは
単独でゲル化しないが、石灰類との併用によりゲル化促
進効果を発揮し、塩化カルシウム、アルミン酸ソーダ等
の水溶性多価金属塩は瞬結になりやすくてゲル化の調整
が困難であり、また、アルカリ金属化合物単独で用いて
も、Ｎ　ａ　ＨＣＯｓのようにゲル化しにくいことがわ
かる。また、反応剤としてセメントやゲル化促進剤を併
用すると、ゲル化時間の調整が極めて容易であり、強度
も増加することがわかる。

また、Ｃａ　ＣＯｓは水ガラスのモル比が１．０付近の
高アルカリでなくては反応しないが、消石灰は１．０付
近のみならず、０．５〜２．５、特に１．５〜２．０の
モル比の水ガラスと反応して極めて長いゲル化時間を得
、それに他の反応剤を加えてゲル化時間の調整を容易と
することもわかる。

〔実験８〕 水ガラス−石灰類（消石灰）−アルカリ剤（苛性ソーダ
）系のゲル化時間の長い配合液を基本素材（Ａ液）とし
、これにゲル化促進剤、強度増強剤等（Ｂ液）を合流あ
るいは添加して任意のグラウトを調整し、これらについ
てゲル化時間を測定し、結果を表−１１に示した。前記
基本素材はＳｉＯ２：　０．１６５モル、Ｓ　ｉ　ｏｘ
／　Ｎａｎｏ　：　２、Ｃａｂ／ＳｉＯ□：１．０であ
る。（実験−４参照）表−１１ 前記ＡＢ液は実際の注入に際して、これらを合流して地
盤中に注入される。なお、本発明は表−１１のＢ液成分
のほかにポゾラン、アルカリ金属塩、酸性水ガラス水溶
液、モル比の高い（例えばモル比３〜４）水ガラス水溶
液等、任意の反応剤を併用し、ゲル化時間を数秒〜数十
分に調整することができる。また、本発明は前記基本素
材（Ａ液）に急結性ゲル化促進剤（Ｂ液）を合流注入し
てのち、ゲル化時間の長い基本素材を注入するという複
合注入にも応用できる。注入に使用される注入管は多重
管、単管等であり、本発明はこれらの注入管を用いて二
重管ダブルパフカー工法、二重管ロッド複合注入工法、
ストレーナ注入工法、二重前瞬結工法等、広範囲の注入
工法に利用される。

なお、本発明は地盤注入以外に、土との噴射混合、攪拌
混合等による地盤改良にも利用される。

〔発明の効果〕

以上のとおり、本発明にがかる固結用材料はゲル化時間
を長くしても固結強度を得るとともに長期耐久性にも優
れ、地盤固結用の注入薬液とじて蔽適な固結用材料であ
る。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）水ガラスと、石灰類と、アルカリ剤とを含有して
   なる固結用材料。
2. （２）請求項第１項の固結用材料において、石灰類が消
   石灰または生石灰である固結用材料。
3. （３）請求項第１項の固結用材料において、次の（Ａ）
   乃至（Ｄ）を具備してなる固結用材料。 （Ａ）ＳｉＯ＿２／Ｍｅ＿２Ｏがモル比で２．５以下の
   範囲内であること。ただし、Ｍｅはアルカリ金属である
   。 （Ｂ）石灰類／ＳｉＯ＿２がモル比で０．２以上である
   こと。 （Ｃ）ＳｉＯ＿２の含有量が前記材料１００ｃｃ当たり
   ０．０７モル以上であること。 （Ｄ）石灰類の含有量が前記材料１００ｃｃ当たり１ｇ
   以上であること。
4. （４）請求項第３項の固結用材料において、前記（Ａ）
   に示されるモル比が０．５〜２．５の範囲内である固結
   用材料。
5. （５）請求項第１項の固結用材料において、石灰類は他
   の難溶性多価金属化合物と併用して用いられる固結用材
   料。
6. （６）請求項第５項の固結用材料において、石灰類およ
   び難溶性多価金属化合物／ＳｉＯ＿２がモル比で０．２
   以上である固結用材料。
7. （７）請求項第５項の固結用材料において、難溶性多価
   金属化合物はマグネシウム、カルシウム、アルミニウム
   または鉄の化合物である固結用材料。