JPH0672222B2 - 地盤注入材 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 本発明はホワイトカーボンを用いた地盤注入材であっ
て、固結強度が大であり、特にゲル強度並びに固結物の
恒久性に優れた地盤注入材に関する。

〔従来技術とその問題点〕

従来、本出願人による先願昭59−172583のように水ガラ
ス−反応剤−珪酸コロイド溶液系を用いた注入工法が知
られている。

この注入工法における珪酸コロイド溶液は水ガラスをイ
オン交換樹脂に通して水ガラスのNaイオンを除去して得
られたSiO₂の粒子径をほぼ６〜50mμに増粒して安定化
処理した溶液である。この珪酸コロイド溶液はセメント
や石灰類等の多価金属の電解質と急激に反応して豆腐状
にゲル化してしまい、或いは酸等に対してはゆるやかに
反応する等（数時間〜数十時間）、反応剤との反応性が
極めて高い。

このため、上記の水ガラス−反応剤−珪酸コロイド系グ
ラウトは注入剤のPH、反応剤の種類、珪酸コロイドの含
有量ががゲル化時間に大きく影響する。

しかるに、本来、地盤注入材は地盤に応じた反応剤の選
定（懸濁性、溶液性等）施工条件に応じたゲルタイムの
選定、目的に応じた強度の選定がそれぞれ独立してなさ
れるべきである。ところが従来の注入工法ではこれらが
互いに関連しあうため最も理想的な選定が困難であっ
た。

〔発明の目的〕 本発明の目的はゲル化時間や反応剤の選定のいかんにか
かわらず所望の強度が得られ、かつ固結強度に優れ、特
にゲル強度にすぐれ、さらに固結物の恒久性にも優れた
地盤注入剤を提供することにある。

〔発明の要点〕

前述の目的を達成するため、本発明によれば、水ガラス
と反応剤と、ホワイトカーボンとの三成分系配合液から
なることを特徴とする。

〔発明の具体的説明〕

本発明におけるホワイトカーボンは、微粉末あるいは超
微粒子の無水あるいは水和珪酸および珪酸塩である。

ホワイトカーボンは、一般にその組成によって次の４種
類に分類されている。

１） 無水珪酸（SiO₂） SiO₂が約98％以上で付着水分や結合水はきわめて少な
い。微量の水を含んではいるが、以下の２）の含水珪酸
に対比して無水珪酸と称されている。

２） 含水珪酸（SiO₂・nH₂O） SiO₂が約80〜90％で付着水分、結合水が多い、水和珪酸
とも言う。

３）含水珪酸カルシウム（xSiO₂・CaO・nH₂O） SiO₂が約55〜65％で、水和珪酸カルシウムとも言う。

４）含水珪酸アルミニウム（xSiO₂・Al₂O₃・nH₂O） SiO₂が約60〜70％で、水和珪酸アルミニウムとも言う。

微粉アルミノ珪酸塩もこの中に入る。

また、ホワイトカーボンは以下のようにして製造され
る。

乾式法＝A.有機ケイ素化合物の分解 B.ハロゲン化ケイ素の分解 C.ケイフッ化水素酸の分解 D.ケイ砂およびコークス混合物のアークによる加熱 湿式法＝A.ケイ酸ナトリウムの酸による分解 B.ケイ酸ナトリウムのアンモニウム塩による分解 C.ケイ酸ナトリウムのイオン交換樹脂による分解 D.ケイ酸ナトリウムから誘導したアルカリ土類の酸によ
る分解 E.その他ケイ酸のオルガノゲルからオートクレーブでエ
アロゲルをつくるオルガノゲル法がある ホワイトカーボンのPHは無水珪酸:3〜７、含水珪酸:5〜
11、含水珪酸カルシウム:9.5〜10.5、含水珪酸アルミニ
ウム:9.5〜10.5である。

ホワイトカーボンの単粒子径は10〜100mμが普通である
が、これが軽く集合して１〜５μ程度の凝集粒になって
いる。また、平均粒径が１〜100μのものもある。

本願発明者はホワイトカーボンを注入材として用いた場
合、ホワイトカーボンの有する以下の特性が注入材とし
てきわめて有用である事に着目した。

粒子径が小さくかつ軽い。

（真比重：約2.0見掛比重:0.15〜0.35g/cc） 比表面積が大きく（BET表面積:50〜300m²/g）粒子表
面の吸着活性が強い。

粒子同志がストラクチヤー（網目構造）を構成する。

ホワイトカーボンのストラクチヤーの測定は吸油量の測
定によるが、吸油量はほぼ120〜280cc/100gの値を例と
してあげる事が出来る。

即ち、水ガラス−反応剤−ホワイトカーボン系と注入液
はホワイトカーボンが沈澱する事なく、液中全体に分散
してストラクチヤーを形成し、時間と共に水ガラス−反
応剤の反応によって析出したシリカ分がストラクチヤー
に吸着してゲル化が進行する。ストラクチヤーはゲルに
引張応力を与え、かつ硬さの増大に寄与する。

また、ホワイトカーボンは前記珪酸コロイド溶液のシリ
カのように反応剤との反応が急速に行われる事はなく、
ゲル化時間には殆ど影響しない。

すなわち、ホワイトカーボンの分散したコロイド溶液に
反応剤を加えてもゲル化しない。

したがって、水ガラス−反応剤−ホワイトカーボン系に
おいてホワイトカーボンの濃度が増減してもゲル化時間
に殆ど影響をしないが強度が増大し、ホワイトカーボン
の濃度が大きくなる程大きな強度を示す。又、反応剤が
石灰類やセメント等の場合ホワイトカーボンはゲルタイ
ムには殆ど影響しないものの珪酸カルシウムの形成によ
りゲル強度が大幅に増大する。又ストラクチヤーの作用
によりゲルの収縮がきわめて少なくなりまたSiO₂の溶脱
も大幅に減少するため、止水性、固結性の低下がなく恒
久性がきわめて向上する。

なお、ホワイトカーボンとしての含水珪酸カルシウムや
含水珪酸アルミニウムと通常グラウト工法では用いられ
ている珪酸カルシウムとは異なる。即ちグラウトに使用
されている珪酸カルシウムは銑鉄等の製造の際に副生す
るスラグを粉末にしたもので、可溶性ケイ酸、石灰、苦
土を含み、石灰との硬化性があるが、水溶液はすぐに沈
澱してしまい、ホワイトカーボンのように水中に分散し
てストラクチヤーを形成しないし、比表面積も小さく、
又吸着活性もない。

これはホワイトカーボンが含水珪酸（含水珪酸カルシウ
ム、含水珪酸アルミニウム）粒子の内部および表面にOH
基が多く存在し、水素結合により水を吸着するためであ
る。

したがって、本発明においてはホワイトカーボンと通常
の珪酸カルシウムや珪酸アルミニウムとは区別するもの
である。

また、同じく、SiO₂粒子としてフライアッシュ、珪藻
土、シリカフユーム珪華等のポソランがあるがこれらは
水と混合して放置するた沈澱する。

すなわち、表面活性、表面吸着、見掛比重等の特性がホ
ワイトカーボンと異なり、ホワイトカーボンのように水
中全体に分散してストラクチヤーを形成できない。した
がって、本発明におけるホワイトカーボンとは区別する
ものとする。

表−１にホワイトカーボンの一般的な例を示す。

以下に本発明を実験によって示す。

本実験においては表−２に示すホワイトカーボンを用い
た。（シオノギ製薬（株）製、カープレックス） 実験−１ 水ガラス−反応剤系 水ガラス−反応剤−珪酸コロイド系 水ガラス−反応剤−ホワイトカーボン系 の比較実験を行い、結果を表−４に示す。実験に用いた
珪酸コロイド液を表−３に示す。

表−４より以下の事が判る。

ホワイトカーボンはゲル化時間に関係する事なく添加
量に応じて強度が大幅に増加する。

水ガラス−反応剤−ホワイトカーボン系は他の系に比
べてSiO₂の合計量が少ないにもかかわらず強度が大き
く、かつ長期強度もすぐれ、またSiO₂の溶脱量も少な
い。これはホワイトカーボンの網状構造を中心にしてそ
の内部に水ガラスと反応剤のゲルが填充されるため密実
なゲルが出来、強度が大きく、SiO₂の溶脱が少なくなる
ものと思われる。又ホワイトカーボンの添加はゲルの収
縮を少なくする。即ち、反応剤が水溶性のものは１週間
後のゲルの収縮が20VOl％を呈するが、ホワイトカーボ
ンが含まれる場合、ゲルの収縮は５％以内におさまる。
この事は水密性の恒久性を示すもので、長期強度の増大
現象も含めて本発明の固結物の恒久性がきわめて大きい
ことを示している。

本発明における水ガラスはモル比が1.5〜5.0までの任意
の液状または結晶性水ガラスを用いる事が出来る。

又、反応剤としては酸、塩、セメント、石灰、金属酸化
物、エステル、グリオキザール、その他の電解物質等を
用いることができる。特にアルカリ金属、Ca、Mg、Al、
セメント等の多価金属の電解物質は水ガラスの反応剤に
なると共に、珪酸コロイドのゲル化促進剤として効果的
である。

実際の注入においては、水ガラスと反応剤とホワイトカ
ーボンを同時に混合してもよいし、水ガラスと反応剤の
混合液にホワイトカーボンを混合してもよいし、水ガラ
ス液と、ホワイトカーボンと反応剤の混合液を合流混合
してもよい。

次に長いゲル化時間で高強度を得るための本発明の具体
例を説明する。

それは水ガラス、ホワイトカーボン、石灰類系であっ
て、水ガラスのSiO₂/Me₂Oがモル比で2.5以下である処法
である。

さらに、上記処法において石灰類の含有量は石灰類/SiO
₂がモル比で2.0以上となるような量である事が好まし
い。ただしSiO₂は水ガラスとホワイトカーボンに起因す
る。

従来の各種水ガラスグラウトは長いゲル化時間で水ガラ
ス濃度を濃くして高強度を得ようとしても不可能で、か
つ固結物の耐久性、すなわち長期間固結強度が得られな
かった。この理由はゲル化時間を長くするには反応剤の
量が少なくなり、水ガラスのシリカ分と反応しきれない
ためであり、また固結物の主成分が水ガラスに起因する
シリカのみであり、この水ガラスは殆ど完全な溶液であ
るため、水ガラス中に含まれているシリカ分の分子量が
極めて小さく、これによって生じるゲルも不安定なシリ
カ分を多く含み、このため、長時間のうちにシリカ分が
固結物から溶出してしまい、長期強度が低下するためで
ある。

そこで、本発明はシリカ分として水ガラスに加えて、さ
らにホワイトカーボンを用い、かつ、水ガラスのSiO₂/M
e₂Oをモル比で2.5以下に定め、これによりシリカ分の固
結物が安定化して高固結強度を呈するのみならず、長期
間固結強度をも増大せしめ、さらには浸透性を向上せし
め、また、ゲル化時間の調整をも容易とし、特にゲル化
時間を長く調節して高固結強度を得、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ものであ
る。

本発明に用いられる石灰類は生石灰、消石灰、石灰石、
ドロマイト等の天然カルシウム化合物粉体、あるいはこ
れらの主成分の合成カルシウム化合物粉体であり、この
うち、特に、生石灰、消石灰が好ましい。この使用量は
混合系における水ガラスとホワイトカーボンに起因する
シリカ分の合計量に対してモル比で0.2以上、すなわ
ち、石灰類/SiO₂がモル比で0.2以上となるような量が好
ましい。

上述の本発明固結用材料は地盤注入のほかに、土や砂等
と混合し、撹拌したり、土に吹き付けたり、土と置き換
えたりして、土構造物の構築や構造物そのもの等にも利
用される。特に、本発明は有機質土のように、従来セメ
ントや石灰では効果が得られない土の改良にもきわめて
優れている。

通常、モル比が2.5以上の水ガラスに石灰類を添加した
場合、ゲル化が数秒で生じてしまい、数十分とか、60分
以上というゲル化時間の延長は不可能である。

しかるに、2.5以下の水ガラスにホワイトカーボンから
のシリカ分を併用すると、シリカ分が同一濃度であるに
もかかわらず、ゲル化時間が長くなり、ゲル化物も強固
となる。

ホワイトカーボンは常温でモル比が2.5以下の低アルカ
リ水ガラス水溶液と混合すると、一部がアルカリにより
溶解し、その周辺に溶解したシリカと水ガラス中のシリ
カとがとりまいた状態となって懸濁状態を示し、しかも
ホワイトカーボンは液全体にストラクチャーを形成す
る。これはホワイトカーボンの比表面積が非常に大きく
て、しかもアルカリの作用で表面が界面活性に優れた状
態となっているためと推定される。したがって、ここに
石灰類が存在すると、ストラクチャーを中心として珪酸
カルシウムが析出して強固なネットが形成され、更にそ
の内部に水ガラスのシリカ分と石灰の反応による珪酸カ
ルシウムが填充する結果、強固な固結体が形成される。
また石灰類は難溶性粉末であるため、充分な添加量を配
合してもゲル化時間は短くならず、しかも長期間にわた
ってホワイトカーボンにCa⁺⁺を供給して長期強度を発現
させる。

なお、ホワイトカーボンと石灰類との混合液は放置して
おいても殆ど反応しないので、ゲル化する事はない。そ
して前記条件下においてはじめて長いゲル化時間で沈澱
することなく配合液全体が均質に固結し、その固結物は
ゲル強度がきわめて大きく、又収縮もなく、さらにSiO₂
の溶脱も殆どなく、長期強度がきわめて大きいため、恒
久性に優れた固結物となる。

〔実験−２〕 市販３号水ガラス（モル比2.94、SiO₂:28.29％、Na₂O:
9.94％、比重1.4溶融法によって製造）と消石灰系のゲ
ル化時間を測定し、結果を表−５に示す。

表−５より、３号水ガラスではCa（OH）_２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No.3の場合、固結標準砂は30日後で、1.
5kg/cm²1ケ月水中養生後で0.8kg/cm²程度である。

〔実験−３〕 ホワイトカーボンと、SiO₂/Na₂O（モル比）2.0の市販水
ガラスに、消石灰をCaO/SiO₂（モル比）1.0となる量添
加し、各配合液についてゲル化時間ならびに固結強度を
測定した。結果を表−６に示す。

表−６より、SiO₂濃度を高くした場合、水ガラスのみの
SiO₂に依存するとゲル化時間が短くなるが、ホワイトカ
ーボンからのSiO₂にも依存した場合、ゲル化時間が長く
なることがわかる。

また、SiO₂は水ガラスとホワイトカーボンの両方に依存
してはじめて優れた効果を呈する事、ホワイトカーボン
はポソランであるフライアッシュにくらべて固結強度が
きわめて大きい事が判る。これはホワイトカーボンの吸
着性やストラクチャーの効果によるものと思われる。

〔実験−４〕 SiO₂/Na₂O（モル比）を変化させ、これらについてゲル
化時間ならびに固結強度を測定し、結果を表−７に示し
た。シリカ分は配合液100cc当たり水ガラスから0.1モ
ル、ホワイトカーボンからら0.1モルとし、合計0.2モル
とした。

表−７より、SiO₂/Na₂Oのモル比が2.5以下で長期強度と
長いゲル化時間を得ることがわかる。

〔実験−５〕 実験−４と同様にして、CaO/SiO₂（モル比）を変化さ
せ、これらについて固結強度を測定し、結果を表−８に
示した。

ここで、SiO₂/Na₂O（モル比）は1.5とした。

表−８より、CaO/SiO₂のモル比が0.2以上で高固結強度
を呈して望ましいことがわかる。

〔実験−６〕 実験−４と同様にして、CaO/SiO₂のモル比が1.0、SiO₂/
Na₂Oのモル比2.0とし、SiO₂濃度を変化させて、それぞ
れについてゲル化時間ならびに固結強度を測定し、結果
を表−９に示した。

表−９から、SiO₂濃度が配合液100cc当たり0.10モル以
上であれば高固結強度を得て、望ましいことがわかる。

本発明において、各種反応剤を併用することができ、ま
た珪酸コロイドを併用してゲル化時間を短くする事も出
来、スラグやポゾランを併用する事も出来る。

〔発明の効果〕

以上のとおり、本発明にか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、地盤固結用の薬液として最適な固結用材料であ
る。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】水ガラスと、反応剤と、ホワイトカーボン
   との三成分系配合液からなる地盤注入材。