地盤改良工法
【課題】注入領域全体におけるシリカグラウトの反応生成物の影響を最小限におさえ、コンクリート構造物または土中埋設物を保護する。
【解決手段】コンクリート構造物または土中埋設物の近傍の地盤に、リン酸化合物を含む非アルカリ性シリカ溶液を注入して、地盤を改良する。非アルカリ性シリカ溶液のシリカ濃度は次式：２ｗｔ％≦［ＳｉＯ２］≦５０ｗｔ％（式中、［ＳｉＯ２］は溶液中のシリカ濃度（％）を示す）を満たし、かつ非アルカリ性シリカ溶液のリン酸化合物によるリン酸イオン濃度は次式：３０００ｐｐｍ≦［Ｐ］≦１０００００ｐｐｍ（式中、［Ｐ］は溶液中のリン酸イオン濃度（ｐｐｍ）を示す）を満たす。コンクリート表面１ｍ２当たり３０００ｐｐｍ以上のリン酸イオン濃度になるリン酸化合物を有効成分として含み、ホモゲルに換算して１ｃｍ以上の固結層厚さになるように非アルカリ性シリカ溶液を注入する。
【解決手段】コンクリート構造物または土中埋設物の近傍の地盤に、リン酸化合物を含む非アルカリ性シリカ溶液を注入して、地盤を改良する。非アルカリ性シリカ溶液のシリカ濃度は次式：２ｗｔ％≦［ＳｉＯ２］≦５０ｗｔ％（式中、［ＳｉＯ２］は溶液中のシリカ濃度（％）を示す）を満たし、かつ非アルカリ性シリカ溶液のリン酸化合物によるリン酸イオン濃度は次式：３０００ｐｐｍ≦［Ｐ］≦１０００００ｐｐｍ（式中、［Ｐ］は溶液中のリン酸イオン濃度（ｐｐｍ）を示す）を満たす。コンクリート表面１ｍ２当たり３０００ｐｐｍ以上のリン酸イオン濃度になるリン酸化合物を有効成分として含み、ホモゲルに換算して１ｃｍ以上の固結層厚さになるように非アルカリ性シリカ溶液を注入する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地盤改良工法に関し、詳しくは、地下水中に含まれるコンクリート構造物や土中埋設物を劣化するイオン、特に海水や硫酸イオン等から既存のコンクリート構造物や土中埋設物、または掘削後建造するコンクリート構造物や土中埋設物を防護する地盤注入工法に係り、特にリン酸化合物、並びにまたは金属イオン封鎖剤を含む非アルカリ性シリカ（以下「マスキングシリカ溶液」という）によってコンクリート表面のＣａ２＋やＭｇ２＋を取り込んでコンクリート表面にシリカの防護被覆層（以下「マスキングシリカ」という）を形成して、コンクリート構造物の劣化を防ぐと共に非アルカリ性シリカの反応生成物を少なくして水質保全性と耐久性に優れた固結を可能にする地盤改良工法に関する。
【背景技術】
【０００２】
軟弱地盤の基礎の強化や、掘削時の地盤安定や液状化対策工事のため、非アルカリ性シリカグラウトによる地盤改良が知られている。非アルカリ性シリカグラウトが地盤中に注入され、固結されたときに、この固結体は、地盤中に先行して存在するコンクリート構造物や土中埋設物（各種管路、地中線、マンホール等）、またはセメントグラウト等の１次注入材と往々にして接触し、あるいは固結地盤を掘削して建造されるコンクリート構造物や土中埋設物に接触する。この場合、酸性シリカグラウト中の反応生成物が溶出して、これらコンクリート構造物や土中埋設物に接触したり、地下水に溶出してコンクリート構造物や土中埋設物に接触し、水質に影響を生ずることがある。なお、本発明において、コンクリート構造物とはコンクリートからできた構造物であり、トンネル等の地下構造物、斜面の擁壁、護岸構造物、住宅、道路、タンク等の構造物等を挙げることができ、セメントを硬化させた硬化物（セメント硬化物）を含むものである。
【０００３】
一般に、地盤中に存在するコンクリート構造物はアルカリを溶出して中性化する傾向にある。また、コンクリート構造物にアルカリ性の水ガラス系グラウトの固結体が接触すると、コンクリート構造物から溶出するアルカリによって水ガラスゲルのシリカ分が溶解する傾向がある。すなわち、水ガラス系グラウトの水ガラス材料は仮設用では問題ないが、長期耐久性からみた場合、地盤中に存在する、あるいは掘削後に構築されるコンクリート構造物のアルカリに影響されやすい。
【０００４】
そこで、水ガラスをイオン交換処理によってアルカリを除去した活性シリカグラウト、水ガラスと酸を混合してなる酸性シリカグラウト、さらには酸性シリカにｐＨ緩衡剤やアルカリ剤を加えて中性でゲル化時間を調整する非アルカリ性シリカグラウトが提案されている。かかるシリカグラウトは、ゲル化時間が長く、広範囲な浸透性に優れ、かつ水ガラスグラウトの劣化要因となるアルカリを酸で除去しているため、長いゲル化時間で長期耐久性に優れ、広範囲な耐久性の優れた固結領域をうる点で、他のアルカリ領域の水ガラスグラウトでは得られない特異な特性を持つものである。
【０００５】
しかしながら、酸性領域では酸の多少でゲル化時間が影響を受けるためのコントロールが難しく、わずかの酸の違いによりｐＨが大幅に変動してゲル化時間が大幅に変化するため、酸性反応剤（以下、「硬化剤」とも称す）を多く用いてｐＨを１〜２付近で安定した長いゲル化時間をもつシリカ用溶液を用いている。そのため、反応生成物が多く生ずる。
【０００６】
酸性シリカ溶液の酸性反応剤としては、水ガラスのアルカリの中和を効率的に行うために硫酸、リン酸またはこれらの混合物が用いられ、あるいはこれらの酸性塩が用いられる。この場合、酸性シリカ溶液の反応生成物は、不溶性のシリカと、硫酸ソーダまたはリン酸ソーダ等の水溶性の無機塩、あるいは過剰の酸である。これらの水溶性の反応生成物は、地下水の水質や地中構造物に何らかの影響が懸念される。また、酸性雨、温泉地帯や火山滞積物中のトンネル、石炭灰上の埋立地の建築物基礎等による硫酸イオンの影響、あるいは海水等の影響で、コンクリート構造物の中性化や劣化が生ずることはよく知られている。
【０００７】
また、コンクリートに対して化学物質は何らかの影響があると考えられているが、地盤注入におけるシリカグラウトについて検討すると、シリカグラウトは無限に存在する地下水面下の地盤中のある範囲に注入され、かつゲル化を伴うため、容器中の化学薬品の水溶液に直接コンクリートを養生して行う化学物質の影響実験と同列に論じられない場合もある。特殊文字
【０００８】
そこで、本発明者らは、地下水中に硫酸イオンや海水が含まれている場合、あるいは注入材を地下水面下の地盤中に注入した場合の、ゲル化したゲル中の反応生成物の挙動とコンクリート構造物に対する影響を、永年にわたって研究した結果、以下のことが判った。
（１）無限に開放された地盤条件下での地下水面下では、地下水面下の地盤中に注入された溶液型酸性シリカグラウトのゲル中に形成された反応生成物は、時間と共にゲルの中から地下水中に溶出し、拡散し、希釈され、その結果、かかる反応生成物の濃度は低減する。反応生成物の濃度の低減が、周辺構造物に対し悪影響を生ずる期間よりも早ければ問題ない。
（２）開放された地盤条件下では反応生成物の濃度の低減は早いが、閉塞された領域では反応生成物は拡散されにくく、希釈されにくい。また、濃度が濃くなる条件下では、反応生成物は周辺構造物に影響を与えやすい。
（３）コンクリート構造物等により一方が閉塞された地盤条件下では、反応生成物は拘束されやすく，地下水中で開放された領域の方向に拡散する。
【０００９】
そこで、シリカ溶液にキレート効果を持つ金属イオン封鎖剤および／またはリン酸系化合物を含有せしめてなるシリカ溶液（以下、「マスキングシリカ溶液」と称する）を地盤中に注入し、該地盤を固結するとともに、地盤中のコンクリート建造物やセメント硬化物の表面に防護被膜（以下、「マスキングシリカ」と称する）を形成する地盤注入方法が、開示されている（特許文献１参照）。
【００１０】
一方、近年、地震の多発に伴いコンクリート構造物や土中埋設物等の液状化対策工等の耐震補強が社会的問題になってきた。これを解決するには、大容量の土を経時的に土粒子間に浸透させて耐久性のある地盤を形成することが要求されている。そのために、数時間から十数時間の長いゲル化時間の耐久性グラウトを、注入孔間隔を広範囲（１．５ｍ〜４ｍ）に低吐出で土粒子間に浸透させながら固結しなくてはならない。このためには、水ガラスの劣化要因であるアルカリを酸で除去して数時間〜十数時間のゲル化時間をもちながら耐久性の優れた酸性領域のシリカ溶液であるシリカゾルや、水ガラスをイオン交換処理して脱アルカリし、更に増粒したシリカコロイドを用いる必要がある。この場合、長いゲル化時間を得るために低いｐＨの酸性値を設定しなくてはならないため、酸性領域のシリカ溶液のコンクリート構造物への影響を検討する必要があり、過剰の酸または水溶性反応生成物が地下水へ溶出することによる環境負荷や、コンクリート構造物または土中埋設物への影響が課題となる。そこで、本発明者らはリン酸化合物や金属イオン封鎖剤を含むシリカグラウトのコンクリートに対する影響を研究した結果、コンクリート表面に生ずる白色の被覆層（マスキングシリカ）がコンクリートを保護することを見出した（特許文献１参照）。かかる特許文献１記載の方法により、注入領域全体におけるシリカグラウトの反応生成物の影響を最小限におさえることができ、さらにコンクリート構造物を保護する効果のある強固な保護膜をコンクリートの表面に形成して、シリカのゲル耐久性が優れた固結を可能にすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許第３０７２３４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、近年のマグニチュードの大きな地震の発生等により、注入領域全体におけるシリカグラウトの反応生成物の影響をより最小限におさえることができ、さらにコンクリート構造物をより保護する効果のある強固な保護膜をコンクリートの表面に形成して、シリカのゲル耐久性がより優れた固結を可能にすることができるものが望まれている。
【００１３】
そこで本発明の目的は、注入領域全体におけるシリカグラウトの反応生成物の影響をより最小限におさえ、コンクリート構造物または土中埋設物をより保護する効果のある強固な保護膜をコンクリートの表面に形成すると共に、シリカのゲル耐久性がより優れた固結を可能にする地盤改良工法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者らは、上記課題を解決するために、鋭意検討した結果、特定のシリカ濃度およびリンイオン濃度に調整することにより、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１５】
即ち、本発明の地盤改良工法は、コンクリート構造物または土中埋設物の地盤に、リン酸化合物および／または金属イオン封鎖剤を含む非アルカリ性シリカ溶液を注入して、地盤を改良する地盤改良工法であって、
前記非アルカリ性シリカ溶液のシリカ濃度が、次式、
（Ａ）２ｗｔ％≦［ＳｉＯ２］≦５０ｗｔ％
（式中、［ＳｉＯ２］は溶液中のシリカ濃度（％）を示す）を満たし、
前記非アルカリ性シリカ溶液のリンイオン濃度が、次式、
（Ｂ）３０００ｐｐｍ≦［Ｐ］≦１０００００ｐｐｍ
（式中、［Ｐ］は溶液中のリンイオン濃度（ｐｐｍ）を示す）を満たし、
硫酸イオンおよび／または海水からの影響を防護することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の地盤改良工法は、前記非アルカリ性シリカ溶液が水ガラスに起因するシリカを含む場合、前記非アルカリ性シリカ溶液のシリカ濃度が、次式、
（Ａ）２ｗｔ％≦［ＳｉＯ２］≦１０ｗｔ％
（式中、［ＳｉＯ２］は溶液中のシリカ濃度（％）を示す）を満たすことが好ましく、前記非アルカリ性シリカ溶液が、次式、
［Ｐ］／［ＳｉＯ２］＝６０〜５０００
（式中、［Ｐ］は溶液中のリンイオン濃度（ｐｐｍ）を示し、［ＳｉＯ２］は溶液中のシリカ濃度（％）を示す）を満たすことが好ましい。
【００１７】
さらに、本発明の地盤改良工法は、地盤中の地下水の、硫酸イオンや塩素イオンからの影響を防護することが好ましく、前記非アルカリ性シリカ溶液が、シリカ溶液にリン酸化合物および／または硫酸化合物を加えて、非アルカリ性のｐＨ領域に調整されることが好ましい。
【００１８】
本発明の他の地盤改良工法は、コンクリート構造物または土中埋設物の地盤に、非アルカリ性シリカ溶液を注入して、地盤を改良する地盤改良工法であって、
前記非アルカリ性シリカ溶液のシリカ濃度が、次式、
（Ａ）２ｗｔ％≦［ＳｉＯ２］≦５０ｗｔ％
（式中、［ＳｉＯ２］は溶液中のシリカ濃度（％）を示す）を満たし、
前記非アルカリ性シリカ溶液のリンイオン濃度が、次式、
（Ｂ）３０００ｐｐｍ≦［Ｐ］≦１０００００ｐｐｍ
（式中、［Ｐ］は溶液中のリンイオン濃度（ｐｐｍ）を示す）を満たし、
前記コンクリート構造物または土中埋設物の近傍の地盤を、リン酸化合物および／または金属イオン封鎖剤を有効成分とする前記非アルカリ性シリカ溶液、あるいはリン酸化合物および／または金属イオン封鎖剤と、硫酸化合物を有効成分とする前記非アルカリ性シリカ溶液で固結し、
前記近傍の地盤の周りの地盤を、硫酸化合物を有効成分とするシリカ溶液、あるいは近傍の地盤よりも少ない量のリン酸化合物および／または金属イオン封鎖剤と、硫酸化合物を有効成分とする前記非アルカリ性シリカ溶液で固結することを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の地盤改良工法は、前記コンクリート構造物または土中埋設物と、固結した地盤の間を、リン酸化合物および／または金属イオン封鎖剤を有効成分とするシリカ溶液による固結領域で遮断することが好ましく、前記近傍の地盤の周りの地盤を、硫酸化合物を有効成分とするシリカ溶液で固結することが好ましい。
【００２０】
さらに、本発明の地盤改良工法は、前記非アルカリ性シリカ溶液が、コンクリート表面１ｍ２当たり３０００ｐｐｍ以上のリンイオンおよび／または金属イオン封鎖剤を有効成分として含み、ホモゲルに換算して１ｃｍ以上の固結厚さに前記非アルカリ性シリカ溶液を注入することが好ましく、前記コンクリート構造物に対して、前記非アルカリ性シリカ溶液を注入してコンクリート表面１ｍ２当り３６ｇ以上のリン酸イオンを含有する固結層を形成することが好ましい。
【００２１】
さらにまた、本発明の地盤改良工法は、前記非アルカリ性シリカ溶液の注入に際して、コンクリート表面に厚さが０．５ｍ以上の固結した遮断層を設けることが好ましく、液状化対策工に用いたことが好ましい。
【００２２】
また、本発明の地盤改良工法は、コンクリートの劣化の防止または補修することが好ましく、前記非アルカリ性シリカ溶液を注入する前に、前記コンクリート構造物または前記土中埋設物の背面に、セメント系グラウトを注入することが好ましい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明により、注入領域全体におけるシリカグラウトの反応生成物の影響をより最小限におさえ、コンクリート構造物または土中埋設物をより保護する効果のある強固な保護膜をコンクリートの表面に形成すると共に、シリカのゲル耐久性がより優れた固結を可能にする地盤改良工法を提供することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】キレート剤（リン酸）、硫酸、硫酸（キレート剤入り）の酸量とゲルタイムの関係を示す図である。
【図２】キレート剤（リン酸）、硫酸、硫酸（キレート剤入り）のｐＨとゲルタイムの関係を示す図である。
【図３】モルタル供試体に非アルカリ性シリカ溶液を注入した密閉容器を示す図である。
【図４】キレート濃度の違いによるモルタル供試体１の一軸圧縮強度への影響を示すグラフである。
【図５】実施例２の実験装置を示す図である。
【図６】模擬地盤の酸性シリカ溶液（硫酸反応剤のみ使用）を用いた配合と非アルカリ性シリカ溶液を用いた配合による固結領域５０ｃｍを接したときの水溶性反応生成物のコンクリート層への影響を示す図である。
【図７】非アルカリ性シリカ溶液を地盤に注入する方法を示す図である。
【図８】非アルカリ性シリカ溶液を地下構造物の周りの地盤に注入する方法を示す図である。
【図９】非アルカリ性シリカ溶液を住宅の周りの基礎地盤に注入する方法を示す図である。
【図１０】非アルカリ性シリカ溶液を道路の周りの地盤に注入する方法を示す図である。
【図１１】非アルカリ性シリカ溶液をタンク状構造物の周りの地盤に注入する方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。
本発明において、注入領域全体におけるリン酸化合物や金属イオン封鎖剤（以下、「キレート剤」とも称す）の使用量を最小限に抑え、かつリン酸化合物と共存する硫酸化合物の合計量を最小限に抑えるためのコンクリート構造物または土中埋設物（以下、「コンクリート構造物等」と称す）と注入領域との位置関係を考慮した酸性反応剤を含むシリカ溶液の組合せが重要である。また、マスキングシリカ溶液は硫酸や海水の存在下でもコンクリート表面のＣａやＭｇイオンと反応してキレート反応により、コンクリート表面に食い込んだ強固な被覆層を形成する。このようなコンクリート保護効果のある被覆層（マスキングシリカ）の形成には、ｐＨが非アルカリ性、好ましくは酸性であることが必要である。シリカ溶液中にアルカリが残存した場合は、コンクリート表面における被覆層の形成が不充分でコンクリートの防護効果が少なくなる。
【００２６】
そのため、本発明の地盤改良工法に使用される非アルカリ性シリカ溶液は、主剤であるシリカ溶液と酸性中和剤とを混合してｐＨ値が中性〜酸性領域にすることによりゲル化する性質を利用した薬液である。
【００２７】
地盤中に注入した薬液成分のうち、ゲルを構成しない成分や未反応で残留する成分は、ゲルの中に閉じ込められていたり、ゲルと土粒子の間隙に存在したり、あるいはそれらの表面に付着して固結物中に留まっているが、固結物が地下水中にさらされると、これらのゲル化にあずかったシリカ以外の反応生成物は地下水中に浸出し拡散する。固結物からの反応生成物の溶出の例を以下に示す。
【００２８】
（測定条件）
非アルカリ性シリカ溶液と豊浦砂を混合し、供試体を作製して養生した。２８日後に、水中に溶出した成分を測定した。反応剤として、硫酸またはリン酸を使用した場合の溶出率を測定し、結果を下記表１に示す。
【００２９】
【表１】
※１ 下記表３ 配合１
※２ 下記表３ 配合５
【００３０】
浸透２８日後の固結標準砂の養生水における溶出したＰＯ４３−、ＳＯ４２−は約４０〜５０％であった。また、ＳｉＯ２の溶出率は殆んどなく、Ｎａはほぼ全量が溶出した。実際の地盤に注入した場合、薬液成分のうち、ゲルの構成要素とならない化学成分、すなわち水ガラスのＮａや水溶性反応生成物は、比較的早く溶出し、地下水で希釈され、地下水の開放方向に拡散が早く進むが、閉鎖された地盤中ではこれらの成分が残留しやすい。
【００３１】
固結した非アルカリ性シリカ溶液が、地盤中の間隙水、特に流動している地下水などと接すると、水溶性反応生成物は短期間で溶出されやすいが、地盤条件、地下水の流動状況およびコンクリート構造物等との位置関係が影響する。
【００３２】
非アルカリ性シリカ溶液注入における改良対象地盤は、土中構造物のない地下水面下の地盤、地下水が流動している地盤、およびコンクリート構造物、土中埋設物またはコンクリート杭に阻まれたり構造物直下で遊離成分が拡散しにくい地盤に分けられる。ここで、前者を開放系地盤、後者を閉塞系地盤と称す。実際には、開放系地盤と閉塞系地盤が組合っている複合系地盤の場合が多い。
【００３３】
開放系地盤において、非アルカリ性シリカ溶液注入における地盤改良を行った場合、溶出した水溶性反応生成物は地下水や浸透水によって拡散が促され、早期に消散する。これに対し、コンクリート構造物等の近傍地盤、コンクリート構造物等で遮断された閉塞系地盤あるいは複合系地盤では、地盤中の水の流動が小さく、水溶性反応生成物は長期にわたって地盤中にとどまりやすい。
【００３４】
そのため、閉塞系地盤あるいは複合系地盤においては、地下水での希釈が少なかったりまたは遅かったりした場合、コンクリート構造物等に好ましくない。また、開放系地盤でも複合系地盤でも、水溶性反応生成物が多量なら環境負荷上好ましくない。
【００３５】
そこで、コンクリート構造物等を保護し、あるいはコンクリートからのアルカリの溶出によるシリカゲルの劣化に対して、キレート剤やリン酸系化合物を使用する水ガラスグラウトが提案されている（特許第３０７２３４６号公報）。水ガラス、活性珪酸、コロイダルシリカ等のシリカ溶液に硬化剤として、キレート剤やリン酸系化合物を使用した場合、コンクリート表面のＭｇやＣａイオンがシリカと共にコンクリート表面に強固にとりこまれた状態の被覆膜が生成され、地盤を固結する。このとき、このシリカ溶液中のシリカ分子またはシリカコロイドは、キレート剤やリン酸系化合物を含んだ状態でキレート作用によって、地盤中に先行して存在するコンクリート構造物等の主としてカルシウムやマグネシウムを取り込んで表面に、シリカ溶液中のシリカとＰとＭｇ・Ｃａからなる防護被膜を形成する。このような被覆は、注入地盤を掘削してコンクリートを打設した場合もコンクリート表面に形成される。かかる現象は地下水中或いはシリカ溶液中にＳＯ４２−やＣｌ−等が存在していても同様である（下記表２参照）。そのため、コンクリート構造物等の外部から内部へのＳＯ４２−や、海水（Ｃｌ−）等の浸入を遮断し、かつコンクリート構造物等の内部から外部へのアルカリの溶出を遮断する。このようなコンクリート表面の被覆層がコンクリート内部からのアルカリを遮断するという現象は、コンクリート表面に被覆膜が形成されている場合、養生水が長期にわたって中性値を呈することによって実証される。この結果、シリカグラウトに含有される反応生成物に硫酸イオンが存在していても、あるいは地下水中に硫酸イオンや海水が存在していても、コンクリート構造物等の劣化およびコンクリート内部からのアルカリの溶出による中性化が防止されるとともに、シリカ溶液のゲル化物もコンクリート構造物等からのアルカリの溶出によるシリカゲルの溶解を防ぎ、地下水を中性領域に保つ。キレート作用によりシリカ分とコンクリート表面に存在するＣａイオンやＭｇイオンが、コンクリート表面に刃で削り取らなくてはならないほど、このコンクリート構造物等に形成された被覆層は、きわめて強固に結合して被覆している。そのコンクリート表面の防護被覆の分析結果を下記表２に示す。
【００３６】
【表２】
【００３７】
リン酸系化合物のうちヘキサメタリン酸ソーダのような縮合リン酸塩（金属イオン封鎖剤）は、コンクリート表面上では非アルカリ性シリカと共に最も強固な被覆層を形成するが、リン酸も優れた効果を示すのは、シリカ溶液中で徐々に縮合系を形成して、縮合リン酸塩と同じような作用を示すようになるためと思われる。リン酸化合物は後述した例があり、いずれも上記と同様な効果をもつので、本発明は、リン酸化合物を、キレート効果を有するキレート剤として扱う。キレート剤としてはリン酸化合物以外に後述した化合物があるが、シリカと共存下ではリン酸化合物がコンクリート表面に強固な被覆を形成しやすい。上記効果の優れた保護膜を形成するにはシリカ溶液中のアルカリが除去されていることが必要である。そのためにはリン酸のような酸性を呈して酸性中和剤も兼ねる化合物が望ましい。リン酸以外のリン酸化合物やキレート剤を用いる場合には、他の酸、例えば、硫酸や硫酸塩のように酸性を呈する化合物を併用することが脱アルカリに効果的である。
【００３８】
リン酸は、水ガラスと混合するとそれ自体で水ガラスのアルカリを中和して酸性シリカ溶液をつくると共に、シリカ分とコンクリート表面のＣａイオン、Ｍｇイオンと共にコンクリート被覆膜を形成し、地下水中に存在するＳＯ４２−やＣｌ−からコンクリートを守ることができる。また、リン酸およびリン酸化合物は、硫酸イオンの共存下において、上述のようにコンクリート表面に保護膜をつくる。この場合、シリカ溶液中に含まれる硫酸は水ガラスのアルカリを中和する作用を分担し、リン酸化合物はアルカリを除去したシリカ分と共にコンクリート表面にキレート作用で被覆層をつくる役割を分担するものと思われる。特に、リン酸とヘキサメタリン酸ソーダの併用、あるいはリン酸と他のキレート剤と併用したシリカ溶液は、優れたキレート効果による被覆層を形成する。
【００３９】
そこで、本発明の地盤改良工法は、コンクリート構造物等の近傍に非アルカリ性シリカ溶液を注入して、地盤を改良する地盤改良工法であって、該非アルカリ性シリカ溶液が３０００ｐｐｍ以上１０００００ｐｐｍ以下のリンイオンを含むものである。これにより、シリカグラウトの水溶性反応生成物の影響を最小限におさえ、水質の環境負荷を抑えコンクリート構造物を保持すると共に耐久性に優れた固結を可能にすることができる。
【００４０】
本発明で使用される非アルカリ性シリカ溶液は、水ガラス、活性シリカ、コロイダルシリカ、あるいはこれらの混合物であり、水ガラスは通常工業用として使用されるモル比ＳｉＯ２／Ｎａ２Ｏ＝２〜６のものである。
【００４１】
また、上記非アルカリ性シリカ溶液は、水ガラスのアルカリを除去した酸性シリカ溶液、あるいは酸性シリカ溶液にアルカリを加えたものである。かかる非アルカリ性シリカ溶液は、水ガラス中のアルカリを酸で除去したシリカ溶液、水ガラスをイオン交換樹脂またはイオン交換膜で脱アルカリした酸性活性シリカ、酸性活性シリカに水ガラスを加えたアルカリ性シリカ、アルカリ性シリカを加熱増粒したコロイダルシリカ、水ガラスと酸を混合した酸性シリカの酸の一部またはすべてを、陰イオン交換樹脂または陰イオン交換膜で脱した活性シリカ、これらに水ガラスと酸を混合した酸性シリカ溶液、あるいはこれらのコロイド状のシリカ溶液に水ガラスと酸からなる酸性シリカゾル溶液を加えた酸性シリカ溶液をいう。具体的には、シリカ溶液をイオン交換樹脂またはイオン交換膜に通過させ、得られる活性珪酸水溶液を加熱等によって数万あるいはそれ以上の分子量に縮合し、アルカリまたは水ガラスを加えて弱アルカリ性に安定化し、２０〜３０％のＳｉＯ２濃度に濃縮したコロイダルシリカと酸を混合した酸性シリカ溶液、上記コロイダルシリカと水ガラスと酸の混合物からなる酸性シリカ溶液、あるいは酸性活性シリカと水ガラスと酸からなる酸性シリカを用いることができる。
【００４２】
かかるコロイダルシリカは、通常、ｐＨが中性ないしは１０付近の弱アルカリ性を呈するが、酸や酸性塩を添加することにより酸性を呈するようにすることもできる。さらに、活性珪酸（活性シリカ）とコロイダルシリカとを混合し、ｐＨが８〜１１を呈するシリカ溶液とし、それに酸を加えて酸性シリカ溶液としてもよいし、コロイダルシリカや活性珪酸に水ガラスと酸を混合した酸性水ガラスを加えても酸性シリカ溶液でもよい。また、コロイダルシリカの粒径は１ｎｍ〜８０ｎｍのもの、あるいはこれらを混在したものを用いることができ、またＡｌ変性コロイダルシリカを用いることができる。
【００４３】
また、本発明に用いられる活性珪酸は、シリカ溶液を脱アルカリ処理して得られる。かかる脱アルカリ処理としては、シリカ溶液をイオン交換樹脂またはイオン交換膜によってシリカ溶液中のアルカリの全部または一部を除去する処理、シリカ溶液を酸と混合してシリカ溶液中のアルカリを中和し、得られる酸性シリカ溶液をイオン交換樹脂またはイオン交換膜によって酸性水ガラス中の酸または塩の全部または一部を除去する処理等が挙げられる。このようなアルカリ処理によって得られる活性珪酸は、酸性ないしアルカリ性のｐＨ領域に調整され、安定化され、酸を加えて酸性シリカ溶液としてゲル化させることができる。
【００４４】
本発明におけるキレート作用のある非アルカリ性シリカ溶液としては、特に酸性シリカ溶液が好ましい。酸性シリカはｐＨが１〜７のものである。
【００４５】
また、本発明では、硫酸やリン酸でアルカリを除去した非アルカリ性シリカに、リン酸以外のキレート剤を併用してマスキングシリカをつくることが、好ましい。リン酸以外のキレート剤は酸性が弱いので、リン酸以外のキレート剤単独でアルカリを除去するには多量必要とするからである。これに対して、リン酸はアルカリを除去するのみならずリン酸単独でマスキング作用をもつので効果的なマスキングシリカを形成する。リン酸化合物やキレート剤は、シリカと共にコンクリートに被覆層（マスキングシリカ）を形成し、共存する硫酸や地下水中に存在する硫酸イオンによるコンクリートの劣化を防ぐことができる。リン酸化合物のうちヘキサメタリン酸塩はキレート剤であって、キレート作用によってコンクリート表面にマスキングシリカを形成するが、リン酸やその他のリン酸化合物も同様な効果をもつ被覆を形成するために、本発明では、リン酸化合物もキレート剤とみなし、これを含むシリカ溶液を非アルカリ性シリカ溶液（マスキングシリカ溶液）という。
【００４６】
そのため、リン酸以外のキレート剤は、リン酸または硫酸と併用して非アルカリ性シリカ溶液を形成する。かかる非アルカリ性シリカ溶液としては、リン酸またはリン酸塩を用いることが、他のキレート剤を用いるより効果的である。
【００４７】
本発明に用いられるリン酸化合物および／またはキレート剤は、キレート効果を有するものであり、例えば、リン酸、各種の酸性リン酸塩、中性リン酸塩、塩基性リン酸塩が挙げられ、テトラポリリン酸塩、ヘキサメタリン酸塩、トリポリリン酸塩、ピロリン酸塩、酸性ヘキサメタリン酸塩、酸性ピロリン酸塩等の縮合リン酸塩類等を挙げることができ、縮合リン酸塩類がナトリウム塩であることが好ましく、非アルカリ性シリカ溶液を形成するリン酸化合物としては、ヘキサメタリン酸ソーダが特に強固なマスキングシリカを形成するため、好ましい。また、キレート剤としては、上記リン酸化合物の他に、エチレンジアミン四酢酸、ニトリロトリ酢酸、グルコン酸、酒石酸またはこれらの塩類等を挙げることができ、本発明においては、リン酸化合物がシリカ溶液の存在下でコンクリート表面に最も効果的な被覆を形成する。
【００４８】
本発明において，非アルカリ性シリカ溶液は、酸による脱アルカリによって作製され、その強度はシリカ濃度で決定され、ゲル化時間はｐＨによって決定され、ｐＨは酸の種類と添加量で決まる。シリカ濃度が同一で、リン酸または硫酸によるｐＨが同一の場合、いずれもほぼ同一のゲル化時間を呈し、同一のゲルタイムを呈し、さらに同一のｐＨを得るためには、リン酸は硫酸に比べ多くの量を必要とする。また、リン酸化合物は酸性シリカ溶液中に存在してコンクリート表面にマスキングシリカを形成してコンクリートを保護する一方、硫酸イオンは、コンクリートを劣化させる性質がある。しかしながら、同一のゲルタイム、同一のｐＨを得るのに少量の硫酸量ですむため、リン酸と硫酸を比較すると水溶性反応生成物はリン酸の方が多く生成された。
【００４９】
本発明における第１の発明は、キレート作用のあるリン酸化合物を含む非アルカリ性シリカ溶液を用いてコンクリートをシリカ溶液中に共存するため、コンクリート外部の地下水や地盤中に存在するＳＯ４２−やＣｌ−から防護する被覆層を形成するため、または水溶性反応生成物を少なくして環境負荷を低減するための地盤改良工法である。本発明において、硫酸塩や塩化物等を含む地下水に対してコンクリート表面を守るシリカゲル中に含まれるリン酸化合物のリンイオンの濃度は３０００ｐｐｍ以上１０００００ｐｐｍ以下含むものである。非アルカリ性シリカ溶液中のリンイオンが３０００ｐｐｍ未満であると、硫酸イオンが１００００ｐｐｍ以上である場合の影響を最小限におさえることができないので好ましくない。一方、非アルカリ性シリカ溶液中のリンイオンが１０００００ｐｐｍより多いと、反応生成物が多くなり好ましくない。また、コンクリートに影響を及ぼす地下水中のイオンとしては硫酸イオンや塩系イオン等が代表的であるが、濃度によるが海水等に含まれる塩等よりも硫酸イオンの方が影響するので、本発明では硫酸イオンを実施例で用いている。硫酸イオンの影響を遮断するマスキングシリカは、海水の影響を容易に遮断するからである。
【００５０】
さらに、本発明におけるシリカ濃度は２ｗｔ％以上５０ｗｔ％以下であり、上記リン酸系化合物は非アルカリ性シリカ溶液中に均一に完全溶解されることが好ましく、非アルカリ性シリカ溶液が不均質なシリカ分を形成していないことが好ましい。さらにまた、リンイオンの合計量が水ガラスのＮａ２Ｏ量に対して、リン（Ｐ）として約１〜３０％の範囲であることが好ましい。リン（Ｐ）として、３０％を超えると非アルカリ性シリカ溶液の部分ゲル化が起ったり、非アルカリ性シリカ溶液が白濁状の不安定な状態となり、リン酸系化合物を完全に溶解して安定な状態を保つことが難しくなる場合があり、好ましくない。一方、リン（Ｐ）として、１％未満では本発明の所期の効果を奏しない場合があり、好ましくない。そのため，水ガラスに比べ、長期間ｐＨが中性領域であり、長いゲルタイムをもつコロイダルシリカを用いることで、非アルカリ性シリカ溶液中のシリカ濃度を２〜５０ｗｔ％とすることができる。
【００５１】
また、非アルカリ性シリカ溶液が水ガラスに起因するシリカを含む場合は、非アルカリ性シリカ溶液のシリカ濃度が、次式、
（Ａ）２ｗｔ％≦［ＳｉＯ２］≦１０ｗｔ％
（式中、［ＳｉＯ２］は溶液中のシリカ濃度（％）を示す）を満たすことが好ましい。
【００５２】
さらに、本発明において、リンイオン濃度とシリカ濃度が、次式、
［Ｐ］／［ＳｉＯ２］＝１５００〜５０００
（式中、［Ｐ］は溶液中のリンイオン濃度（ｐｐｍ）を示し、［ＳｉＯ２］は溶液中のシリカ濃度（％）を示す）を満たす非アルカリ性シリカ溶液であることが、好ましい。コンクリートをキレート溶液中に沈漬しても効果的な皮膜を形成することはできず、所定の濃度のキレート剤とシリカからなる中性〜酸性（ｐＨが１〜８付近）のシリカ溶液においてはじめて効果的な皮膜が可能になる。
【００５３】
また、本発明において、キレート効果のない硬化剤を併用することができる。かかる硬化剤としては、硫酸等の硫化物、塩酸等の塩化物、酸性塩、炭酸塩、重炭酸塩、炭酸ガス、炭酸水、アルミン酸塩、グリオキザール、エチレンカーボネートのような炭酸エステル、多価酢酸エステル等が挙げられ、さらにこの他、セメント、石灰、スラグ等も硬化剤として単独で、または他の硬化剤に併用して用いることができる。上記リン酸系化合物等のキレート効果のある化合物とキレート効果のない硬化剤を混合して、注入する地盤の環境によって混合比を選択することができる。さらに、コンクリート構造物等の周辺部に非アルカリ性シリカ溶液を注入し、その外側領域に任意のアルカリ系の水ガラス注入剤やセメント等の溶液型グラウトを注入することもできる。
【００５４】
図１は、キレート剤（リン酸）、硫酸、硫酸（キレート剤入り）の酸量とゲルタイムの関係を示す図であり、図２は、キレート剤（リン酸）、硫酸、硫酸（キレート剤入り）のｐＨとゲルタイムの関係を示す図であり、下記実施例１に基づくものである。硬化剤としてリン酸のみを使用した場合、同一ｐＨでは硫酸を使用した場合に比べ、シリカ溶液に対して多量に添加することが必要となる（図１および２参照）。ゲル化時間とｐＨの関係は、リン酸の場合も硫酸の場合も強度は殆んど同じである（図２参照）。一方、ゲル化時間を調節することはリン酸の方が硫酸よりも容易である（図１参照）。これに対し、硫酸はゲル化時間の調節が難しいが、少量の添加量の違いでｐＨを大きく動かすことができ、同一シリカ濃度、同一ｐＨ、同一ゲルタイムで単位注入地盤体積における硫酸使用量はリン酸を使用する場合よりも少なくてすむ。そのため、水溶反応生成物の量も少なくてすみ、またコストも低く抑えられる（図１参照）。従って、硫酸とのリン酸の併用において、硫酸は主に水ガラスのアルカリの中和に効果があり、リン酸（リン酸化合物）は酸性領域におけるゲル化時間の調整と、キレート効果によるコンクリート被覆膜を形成してコンクリートを保護する役割があり、これにより中和剤の使用量を少なくし水溶性反応生成物の量を少なくすることができる。例えば、硫酸とヘキサメタリン酸ソーダの併用が効果的である。
【００５５】
また、本発明の地盤改良工法において、コンクリート構造物等の背部の地盤に注入し、コンクリート構造物等の単位表面積（ｍ２）当たり３０００ｐｐｍ以上のリンイオンを含む非アルカリ性シリカ溶液を注入してコンクリート表面を覆うことが好ましく、また３０００ｐｐｍ以上のリンイオンを注入した領域の厚さが、０．５ｍ以上であることが好ましい。かかる条件におけるリンイオンの量とすることによって、シリカ分と共にコンクリート表面に防護被覆を形成して地下水中のＳＯ４２−、Ｃｌ−およびシリカ溶液中に共存しているＳＯ４２−からコンクリートを保護することができる。
【００５６】
従って、注入による地盤の改良設計に当たっては、地盤条件と目的強度からシリカ濃度、注入範囲、注入量が定まり、それらにともなって地盤改良領域が定まる。そのため、地下水の水質等、環境負荷が問題になる場合、地盤改良領域全体からの水溶性反応生成物ができるだけ少ないことが好ましくなる。本発明者らは、この問題を解決するために注入地盤の固結物からの溶出をコンクリート構造物や土中埋設物等、地中構造物の位置関係と固結領域の位置関係、地下水の拡散や地下水流や構造物による地盤の閉束条件や地盤の開放条件を考慮してコンクリートや地中埋設物を保護し、かつ水質保全から反応生成物を最も少なくする本発明の第２の発明を完成した。
【００５７】
本発明における第２の発明は、コンクリート構造物または土中埋設物の地盤に、非アルカリ性シリカ溶液を注入して、地盤を改良する地盤改良工法であって、非アルカリ性シリカ溶液のシリカ濃度が、次式、
（Ａ）２ｗｔ％≦［ＳｉＯ２］≦５０ｗｔ％
（式中、［ＳｉＯ２］は溶液中のシリカ濃度（％）を示す）を満たし、非アルカリ性シリカ溶液のリンイオン濃度が、次式、
（Ｂ）３０００ｐｐｍ≦［Ｐ］≦１０００００ｐｐｍ
（式中、［Ｐ］は溶液中のリンイオン濃度（ｐｐｍ）を示す）を満たし、コンクリート構造物または土中埋設物の近傍の地盤を、リン酸化合物および／または金属イオン封鎖剤を有効成分とする非アルカリ性シリカ溶液、あるいはリン酸化合物および／または金属イオン封鎖剤と、硫酸化合物を有効成分とする非アルカリ性シリカ溶液で固結し、近傍の地盤の周りの地盤を、硫酸化合物を有効成分とするシリカ溶液、あるいは近傍の地盤よりも少ない量のリン酸化合物および／または金属イオン封鎖剤と、硫酸化合物を有効成分とする非アルカリ性シリカ溶液で固結することを特徴とするものであり、地盤改良工法において、リン酸系化合物の濃度が、コンクリート構造物等の近傍の地盤で高く、かつ、コンクリート構造物等から離れるにしたがって低くなるものである。コンクリート構造物等の外周である近傍の地盤（近傍領域）でのリン酸系化合物の濃度を高くすることで、より確実にコンクリート構造物等の表面に被膜を形成でき、一方、近傍の地盤の周りの地盤（離れた領域）ではリン酸系化合物の濃度が低いためコストを低減でき、しかもリン酸反応生成物の量を少なくすることができ、かつ全固結領域の水溶性反応生成物を少なくできて水質の環境負荷を抑制できる。即ち、本発明は、水ガラスのアルカリを除去した非アルカリ性シリカ溶液を注入するに当たって、反応剤としてリン酸と硫酸を併用したシリカグラウトを用いるという上記従来技術（特許第３０７２３４６号公報）の考えではなく、複数のリン酸含有量の異なる酸性シリカ溶液を併用して、改良すべき注入範囲のコンクリートの位置との関連を考慮した上で、注入領域に対してリン酸量の異なる固結領域を組合せて配置を行うことにより、リン酸化合物の使用量の低減と注入対象領域の全体での全反応生成物の溶出を低減し、コンクリートの保護機能を効果的に得られるものである。
【００５８】
本発明の地盤改良工法において、コンクリート構造物等の近傍に３０００ｐｐｍ〜１０００００ｐｐｍのリンイオンを含む非アルカリ性シリカ溶液を注入し、さらに該非アルカリ性シリカ溶液を注入した近傍領域の外周に、リン酸系化合物を含まないシリカ溶液を注入することも可能である。コンクリート構造物等の外周である近傍領域にのみリン酸系化合物を有するため、より確実にコンクリート構造物表面に被膜を形成でき、一方、離れた領域ではリン酸系化合物の濃度が低いか、または含まず硫酸化合物のみであるためコストを低減でき、全反応生成物を低減するために好ましい。
【００５９】
また、本発明の地盤改良工法は、非アルカリ性シリカ溶液が、コンクリート表面１ｍ２当たり３０００ｐｐｍ以上のリンイオンおよび／または金属イオン封鎖剤を有効成分として含み、ホモゲルに換算して１ｃｍ以上の固結厚さに非アルカリ性シリカ溶液を注入することが好ましく、コンクリート構造物に対して、非アルカリ性シリカ溶液を注入してコンクリート表面１ｍ２当り３６ｇ以上のリン酸イオンを含有する固結層を形成することが好ましい。さらに、本発明の地盤改良工法は、非アルカリ性シリカ溶液の注入に際して、コンクリート表面に厚さが０．５ｍ以上の固結した遮断層を設けることが好ましく、液状化対策工に用いたことが好ましい。さらにまた、本発明の地盤改良工法は、コンクリートの劣化の防止または補修することが好ましく、非アルカリ性シリカ溶液を注入する前に、コンクリート構造物等の背面に、セメント系グラウトを注入することが好ましい。ここで、コンクリート構造物等の背面とは、コンクリート構造物の中で、地盤と接しない内側の面をいう。
【実施例】
【００６０】
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限定されるものではない。
（実施例１）
シリカ溶液（水ガラス）６２ｍｌに、硫酸、キレート剤入り硫酸、キレート剤を水で希釈し加え全量を４００ｍｌとなるよう配合し、ゲルタイムとｐＨを測定した。このときのシリカ濃度は配合液が６％となるように調整した。結果を図１および２に示す。ここでキレート剤は７５％リン酸であり硫酸は７５％硫酸である。
【００６１】
図２において、ｐＨ（２０℃）とゲルタイムの関係を示す。硫酸単独、キレート剤（リン酸）入り硫酸、キレート剤（リン酸）単独、いずれの場合も、ｐＨとゲルタイムの関係は等しく、ｐＨが低くなるほどゲルタイムが長く、ｐＨ３付近で１０００分のゲルタイムが得られる。
【００６２】
図１では、同一ｐＨ、即ち、同ゲルタイムに対してキレート剤（リン酸）単独の非アルカリ性シリカ溶液（マスキングシリカ溶液）では多い添加量を必要とし、硫酸単独では少ない添加量ですみ、キレート剤（リン酸）入りの硫酸の非アルカリ性シリカ溶液（マスキングシリカ溶液）は両者の中間となる。図１において、硫酸（キレート剤入り）は７５％硫酸と７５％リン酸を７：３の質量比で混合したものである。このことから、長いゲルタイムを調整するためには、硫酸のみ、またはキレート入り硫酸の場合は、硫酸の比率が多い方が少量の反応剤ですむ。従って、シリカ溶液の反応生成物も少なくなることがわかる。以上の試験結果より、コンクリート構造体等の周辺の注入領域を固結するに当たって、水溶性反応生成物を少なくし、かつコンクリートの劣化を防ぐためにはコンクリート構造体等の近傍領域にキレート剤含有シリカ溶液を注入し、コンクリート構造体等から離れた領域では硫酸含有非アルカリ性シリカ溶液（マスキングシリカ溶液）、またはリン酸化合物および／または金属イオン封鎖剤をコンクリート近傍よりも少なく含有するシリカ溶液で固結することによって可能である。また、硫酸イオンを含有する非アルカリ性シリカ溶液において，効果的なマスキングシリカを形成するには硫酸イオンおよびリン酸イオンが、９：１〜１：９（ｐｐｍ）が好ましい。
【００６３】
（実施例２）
コンクリート構造体等の周辺地盤中に硫酸イオンが存在している場合、リン酸系化合物を含む非アルカリ性シリカ溶液（注入剤）を注入して、リン酸化合物含有非アルカリ性シリカ溶液のゲルが硫酸イオンのコンクリートに対する影響を遮断する効果（マスキング効果）について、硫酸イオンを共存せしめたリン酸化合物を含有する非アルカリ性シリカ溶液のゲルがコンクリートに対する硫酸イオンの影響を遮断する効果を、下記実施例２で実証した。ここでいうマスキング効果とは、コンクリート表面にキレート効果のあるシリカ溶液でコンクリート表面のＣａ２＋、Ｍｇ２＋を取り込んでＳＯ４２−あるいは海水（Ｃｌ−）等、コンクリートに対して好ましくないイオンに対する防護被覆（マスキングシリカ）をコンクリート表面につくる効果をいう。
【００６４】
キレート剤を含む非アルカリ性シリカ溶液がコンクリート表面のＣａ２＋やＭｇ２＋と反応して、コンクリート表面に防護被覆（マスキングシリカ）を形成するマスキング効果の反応式は以下によると思われる。
【００６５】
（１）キレート剤（ヘキサメタリン酸塩）の反応式の例
キレート剤としてはリン酸系化合物が用いられているが、その例であるヘキサメタリン酸ソーダはリン酸―ナトリウムの溶融によって得られる（ＮａＰＯ３）６または｛（ＮａＰＯ３）ｎ，Ｎａ／Ｐ＝１｝を中心とした重合体の混合物であり、水溶性で水溶液は弱酸性を呈する。
【００６６】
ヘキサメタリン酸ソーダは、食品添加物であって、食肉魚肉安定剤やキレート剤として用いられている。また、コンクリート表面のように、Ｃａ、Ｍｇイオンが存在するとキレート作用によってＣａ、Ｍｇを封鎖してＮａイオンを放出する。
【００６７】
そして、封鎖されたＣａまたはＭｇは、Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋のイオンとしての機能を失って不動態化し、シリカ分と共に不溶性の錯体を形成して内外からのイオンの溶出並びに侵入を阻止する。
【００６８】
コンクリート表面のＣａ、Ｍｇイオンとキレート剤（金属イオン封鎖剤）を含む非アルカリ性シリカ溶液（マスキングシリカ溶液）は、以下のように反応してコンクリート表面にマスキングシリカを形成する。
【００６９】
【００７０】
さらに，非アルカリ性のシリカ溶液が作用して、つぎのような不溶性重合物の被覆（マスキングシリカ）がコンクリート表面上に形成する。
【００７１】
【００７２】
（２）リン酸（リン酸化合物）の反応式の例
同様に，リン酸をもちいた場合でもコンクリート表面のＣａ、Ｍｇイオンとキレート剤は，以下のように反応してコンクリート表面マスキングシリカを形成する。
【００７３】
２Ｈ３ＰＯ４＋Ｃａ２＋ → Ｃａ（Ｈ２ＰＯ４）２＋２Ｈ＋
Ｃａ（Ｈ２ＰＯ４）２＋Ｃａ２＋ → ２ＣａＨＰＯ４＋２Ｈ＋
（Ｈ＋はＯＨ−と反応して水になる）
（Ｍｇの場合も同様に反応する）
【００７４】
ヘキサメタリン酸ソーダ（キレート剤）もリン酸（リン酸化合物）も同様にコンクリート表面にシリカと共に強固な防護被覆をつくり、コンクリートからアルカリの溶出を防ぎ外部からのＳＯ４２−や海水の浸入を防ぎコンクリートを保護するので、いずれもキレート剤とみなす。
【００７５】
（実施例２‐１）
実験方法
図３は、コンクリート構造物への非アルカリ性シリカ溶液の影響を観察するため，容器３Ａ中にモルタル供試体の周辺を薬液２のゲルで固結し密閉した図と容器３Ａ中の固結物を密封容器３Ｂに移して養生水１９中に養生した図を重ねて示している。図３にて、直径５ｃｍ、高さ１０ｃｍで体積１９６ｃｍ３のモルタル供試体１を、体積５００ｃｍ３（直径ｍ＝７ｃｍ、高さ１３ｃｍ）の容器３Ａ中に設置し、モルタル供試体１の外周にモルタル供試体１と同体積に相当する厚み１ｃｍとなるように非アルカリ性シリカ溶液（薬液）２を充填しゲル化させた。その後、地下水存在下でのコンクリート構造物への薬液２の影響を観察するため、直径ｎ＝１７ｃｍの密閉容器３Ｂ、容器３Ａ中に固結物を入れ、ゲル周囲に養生水１９を２０００〜２００００ｍｌ充填した。１、３、１２、３６ヶ月養生しモルタル供試体１の一軸圧縮強度と、養生水（ゲル）のｐＨの変化とコンクリートへの影響を測定した。
【００７６】
図３の容器中に充填した薬液２としては、下記表３の配合のものを使用し、シリカ溶液に硬化剤として、硫酸単独、リン酸単独、硫酸・リン酸併用を配合し、ゲル化時間を約１日とした。下記表３において、硬化剤中のキレート剤としてはリン酸系化合物であるリン酸を配合し、キレート濃度（リンイオン濃度）の違いによるモルタル供試体１の一軸圧縮強度への影響を測定した。表３中、シリカ溶液は３号水ガラス、硫酸は７５％硫酸、キレート剤は７５％リン酸を使用した。
【００７７】
【表３】
※１ 容器内部のゲル化物のｐＨ
※２ キレート剤としてヘキサメタリン酸ナトリウムを使用
【００７８】
図１より同一ｐＨに対し、硬化剤か硫酸のみでは少なくてすみ（配合１）、キレート剤（リン酸）のみでは多く（配合５）必要とすることがわかる。キレート剤入り硫酸の場合はその中間となる。また、図２より、硫酸もリン酸もゲル化時間とｐＨ変化の関係はほぼ同一となる。
【００７９】
（実施例２‐２）
図４は、キレート濃度の違いによるモルタル供試体１の一軸圧縮強度への影響を示すグラフである。表３および図４より以下のことがわかる。配合１では、３ヶ月後にはゲルのｐＨは１１以上に達し、１年後にモルタル供試体１の一部が損壊した。配合２では、１年後の外観上の劣化が一部みられ、ゲルのｐＨは１０に達した。一方、配合３〜９では、養生したモルタル供試体１の表面に白色の被覆が見られ、１年後（３年後も同様）でのゲルのｐＨ値はほぼ中性値を保ち、一軸圧縮強度の経過時間に対する上昇が比較１のイオン交換水で養生したモルタル供試体１よりも上回る結果も得られた。比較２はアルカリ側でゲル化したものであるが、コンクリート表面に白色の被覆は殆んど形成されておらず、１年後の劣化がみられた。また、密閉容器３Ｂの内容物を直径１７〜５０ｃｍの密閉容器３Ａに入れ替えて２０００〜２００００ｍｌの水で養生した。配合３〜９では、養生水１９を２０００〜２００００ｍｌとした場合でも、３年以上経ても劣化はみられなかった。
【００８０】
３ヶ月後の養生水またはゲルのｐＨは、比較１、２および配合１では１１以上の強アルカリとなり、配合２ではほぼ１０になった。それに対して、配合３〜９はコンクリート表面に白色の皮膜を形成しほぼ中性値を呈した。このｐＨが中性値を示す傾向は３年後（このような現象は１０年以上続いてコンクリートの保護をする）でも継続した。これより、配合３〜９は白色の被膜によりコンクリート中のアルカリが溶出せず、同時にＳＯ４２−のコンクリートへの侵入を防ぐことがわかった。これに対して、キレート剤なしの配合１はコンクリート中のアルカリが溶出して劣化（中性化）が生じていることがわかる。これより、キレート濃度３０００ｐｐｍ未満では白色の被覆の形成が不充分で、コンクリートの劣化を抑えることができない。また、アルカリ領域ではキレート濃度が３０００ｐｐｍ以上でも白色の被覆が殆んど形成されず、または白色の被覆の形成が不充分で硫酸の存在下ではコンクリートの劣化を抑えることができない。以上から、マスキングシリカ溶液としての効果は、アルカリを除去した非アルカリ性シリカ溶液を使用した場合において著しいマスキングシリカを形成することがわかる。
【００８１】
なお、図１のモルタル供試体１を薬液２のゲルで包んだまま容器３Ａから容器３Ｂに入れ替えて、３０００ｍｌの養生水中１９に養生した場合は、配合１、２、比較例２のモルタル供試体においても劣化は１年後においても見られなかった。
【００８２】
以上から、本発明におけるマスキングシリカのコンクリートの保護効果は、上記条件下においてゲルがＳＯ４２−を含む薬液や養生水中に置かれてもそれ自体でコンクリートを長期にわたって保護し、地下水によってＳＯ４２−濃度が１０倍〜１００倍に希釈されて最終的に消滅するまでコンクリートを保護することがわかる。
【００８３】
また、ゲル中の硫酸イオンが地下水中に溶出し、地下水中に拡散して反応生成物の濃度が充分希釈されることで、コンクリートの劣化は殆んど生じないことがわかる。しかし、実際の地盤条件によっては、そのような地下水中へのＳＯ４２−の溶出や拡散が生じない場合、あるいはそれまで長期間かかる場合が生ずる。これに対して本発明では、かかる場合マスキングシリカがコンクリートの劣化を防ぐことができる。また、火山滞積物中のトンネル等において、地下水中に３００００ｐｐｍの濃度という高いＳＯ４２−が存在しても、マスキングシリカはコンクリートの劣化を抑制することがわかる。
【００８４】
さらに、以上の実験において、薬液２中にモルタル供試体１を養生してモルタル供試体１が劣化する場合は、養生水もｐＨが１０以上あるいは１１以上の高アルカリを呈することがわかった。これは劣化によってモルタル供試体１中のＣａ２＋が外側に溶出するためと思われる。しかし、キレート剤（リンイオン）を３０００ｐｐｍ以上含有した薬液２（非アルカリ性シリカ溶液）では、ゲル中に高濃度の硫酸イオンが共存しても養生水は中性値を示し、モルタル供試体１の劣化が見られないことがわかった。また、このことより、リンイオンを３０００ｐｐｍ以上含む非アルカリ性シリカ溶液によるゲル化物、あるいは固結体でコンクリートを被覆した場合、地下水または地盤中に高濃度の硫酸イオンが存在していてもコンクリートを保護する効果があることがわかった。従って、キレート効果のある３０００ｐｐｍ以上リンイオンを含む非アルカリ性シリカ溶液（マスキングシリカ溶液）でコンクリート近傍の周辺を覆った場合は、閉塞状態で地下水の希釈がなくてもコンクリートは硫酸イオンによる劣化を防ぐことができる。その間、ゲル中のＳＯ４２―は日時をかけてコンクリート構造物等より遠い領域の開放領域の方向に拡散して、コンクリートに悪影響を生じないまでに希釈される。
【００８５】
また、表３および図３より、モルタル供試体１の表面積と、薬液２中のリン酸系化合物濃度および硫酸イオン濃度から、単位表面積あたりのリン酸系化合物量および硫酸イオン量を求め、下記表４に示した。
【００８６】
【表４】
【００８７】
また、強固な被覆膜を作製するためにはシリカ濃度も重要で、薬液のシリカ濃度が２ｗｔ％≦［ＳｉＯ２］≦５０ｗｔ％であることが必要であり、さらに、リンイオン濃度とシリカ濃度の比が［Ｐ］／［ＳｉＯ２］＝６０〜５０００とすることで、金属イオン封鎖剤により強固な膜ができる。
【００８８】
上記実施例１より、コンクリート構造物等の周辺部、または掘削後コンクリート構造物等を構築する地盤の地盤改良において、使用する薬液２中の硬化剤は、表４、図４および配合３よりモルタル供試体１の単位面積当たり３６ｇ／ｍ２のキレート量以上で強固な防護層を供試体表面に形成し、コンクリートを保護することがわかる。即ち、この値はコンクリートｍ２あたり４．３Ｌに相当し、固結土（固結砂とした場合）（Ｄｒ＝６０％、間隙率０．４３、間隙充填率１００％、配合４のシリカ溶液による固結厚さ１ｃｍ／ｃｍ２）の注入量に相当する。従って、実際の注入においてコンクリート構造物１ｍ２に対して、３０００ｐｐｍ〜１０００００ｐｐｍのリンイオンを含有する非アルカリ性シリカ溶液をホモゲルに換算して１ｃｍ以上の固結厚さに注入すれば、コンクリートを地下水中のＳＯ４２−イオンあるいはゲル中のＳＯ４２−イオンからコンクリートを防護できることがわかる。
【００８９】
また、コンクリート構造物等に対して３０００ｐｐｍ以上のリンイオンを含有するシリカ溶液を注入して、コンクリート表面１ｍ２当り３６ｇ以上のリン酸イオンを含有する固結層を形成すれば、コンクリートを保護できることがわかる。また、このようなリン酸イオンを含有する固結土層をコンクリート表面に０．５ｍ以上形成すれば、コンクリートを防護することができる。実際の注入においては、コンクリート壁面に沿って削孔した注入孔から地盤中に非アルカリ性シリカ溶液を注入することもでき、コンクリート壁面から削孔してコンクリート背面の地盤中に非アルカリ性シリカ溶液を注入してコンクリート面にマスキングシリカを形成できる。
【００９０】
（実施例３）
非アルカリ性シリカ溶液のゲルが周辺に存在するＳＯ４２−のコンクリートに対する影響を遮断する効果
非アルカリ性シリカ溶液（薬液）により固結したキレート層の硫酸イオンの遮断効果について実験した。図５は、実施例３の実験装置を示す図である。実施例１で使用したものと同様のモルタル供試体１（体積１９６ｃｍ３）の周辺に、キレート剤としてリン酸系化合物を含有する注入材を用いＤｒ＝６０％となるように豊浦砂を改良した固結砂層４を、それぞれ層の厚みｍが０、１、２、３ｃｍとなるように作製した（図５参照）。このとき、実施例２の配合３のキレート剤３０００ｐｐｍを含む配合を用いた。
【００９１】
さらに、固結砂層４の周辺に、硬化剤として硫酸を用いた薬液（実施例２の配合１）を用い、Ｄｒ＝６０％となるように豊浦砂（間隙率０．４３）を用いて硫酸イオン入り固結砂層５を作製した（薬液充填率１００％）。硫酸イオン入り固結砂層５中の硫酸イオン濃度は２６，１５０ｐｐｍであり、層の厚さは１０ｃｍである。また、固結砂４の含有硫酸イオン濃度は２７，４００ｐｐｍ，リンイオン濃度は３０００ｐｐｍである。（表３、配合３）
【００９２】
上記条件で、モルタル供試体１を１年間養生し、水中養生したモルタル供試体１と一軸圧縮強度の比較を行った。結果を下記表５に示す。
【００９３】
【表５】
【００９４】
固結砂層４のない実験２−１のモルタル供試体１は亀裂が入って崩壊し、１年後の強度を測定することができなかった。固結砂層４が１ｃｍの実験２−２は、比較の水養生のモルタル供試体１に対し若干低いが、ほぼ同程度の強度が得られた。固結砂層４がそれぞれ２ｃｍ、３ｃｍの実験２−３、２−４は、比較の水養生のモルタル供試体１に対し、同じまたはやや高い強度が得られた。この結果から、固結砂層４により周辺地盤からの硫酸イオンのモルタル供試体１への影響を抑えることができることがわかった。
【００９５】
固結砂層４の厚さは、３０００ｐｐｍのリンイオンを含む薬液を用いた改良土で少なくとも１ｃｍ以上が必要と考えられる。このとき、コンクリート供試体１ｃｍ２当たりリン酸イオン３．６ｍｇ／ｃｍ２が必要であり、薬液（１Ｌあたり３ｇのリン酸イオンを含む）４．３Ｌ／ｍ２が必要である。実際の地盤では、地下水への希釈や地盤中でのリン酸系化合物の拡散が考えられることから、コンクリート構造物等に接する地盤において、硫酸イオンによる改良土の厚さである硫酸イオン入り固結砂層５の１０％以上の厚さの固結砂層４を設けることで、モルタル供試体１の表面にリン酸系化合物によるマスキング効果があり、さらに、少なくともコンクリート構造物の周辺に５ｍの改良地盤を設ける場合、５０ｃｍ程度の固結砂層４を設けることで、硫酸イオンのコンクリートへの影響を少なくすることができる。さらにまた、単位面積あたりのキレート剤量ではコンクリート表面に３．６ｍｇ／ｃｍ２（３６ｇ／ｍ２）以上のキレート剤を含有するサンドゲル層で覆うことで皮膜が形成されることがわかった。
【００９６】
（実施例４）
非アルカリ性シリカ溶液のゲルが、周辺に存在するＳＯ４２−のコンクリートに対し影響を遮断する効果を確認する実験をおこなった。図６に示すような模擬地盤（高さ３０ｃｍ×横６０ｃｍ×幅５０ｃｍ）を作製し、コンクリート領域２０の厚さ１０ｃｍの側面に固結領域２１として厚み１０ｃｍ、固結領域２２として厚み４０ｃｍで、合わせて７５Ｌの固結領域を作製し、改良層に使用した水溶性反応生成物のコンクリート層への影響を調べた。なお、改良層は豊浦砂を用いＤｒ＝６０％に調整した。また、間隙率は０．４３とした。固結領域２１および固結領域２２に使用した薬液を下記表６に示す。
【００９７】
【表６】
【００９８】
コンクリートへの影響試験は，１年後にコンクリート層から供試体（直径５ｃｍ×１０ｃｍ）を成形し強度を測定し，実施例３の比較１の水養生コンクリートモルタルの強度と比較して強度低下が見られたものを×，強度が同じであったものを○とした。
【００９９】
非アルカリ領域における注入地盤の強度は、シリカ濃度で一義的に決まることがわかっている。また、注入地盤の改良に当たっては、改良目的に対してシリカ濃度と固結範囲を定める。従って、ここでは注入領域におけるシリカ濃度と固結範囲を実施例４−１〜４−５まで一定とした。
【０１００】
実施例４−１〜４−５の硬化剤の総イオン量とコンクリート強度の比較を下記表７に示す。総イオン量は間隙率０．４３としたとき、改良層７５Ｌに注入する薬液３２．２５Ｌ中の硫酸イオンとリン酸イオンの総イオン量を示した。実施例４−１ではコンクリートの強度低下が見られたものの、実施例４−２および４−３では強度低下が見られなかった。また、実施例４−４および４−５においては、コンクリート構造物の近傍に非アルカリ性シリカ溶液による固結領域を設けたものはコンクリートの強度低下が見られず、さらに、総イオン量が実施例４−２および４−３と比べて少ないことがわかった。即ち、実施例４−４では、注入領域をコンクリート構造物から近い領域とコンクリート構造物から遠い領域に分け、それぞれ配合３の非アルカリ性シリカ溶液と配合１の非アルカリ性シリカ溶液の注入領域で固結することにより、配合３のみで全体の固結領域を固結するよりも全体の反応生成物を低減させることを可能にした。また、実験４−４、実験４−５においても、同じくいづれも水溶性反応生成物を大幅に低減させることがわかった。このように、コンクリート構造物の近傍に非アルカリ性シリカ溶液による固結領域を設けることで、硫酸のコンクリートへの影響を防ぐことができ、また総イオン量を少なくすることができる。
【０１０１】
【表７】
【０１０２】
共同溝を構築するに当たって、図７は、非アルカリ性シリカ溶液を地盤に注入して固結した図である。注入管６で掘削後構築する予定のコンクリート構造物１０周辺領域８にキレート効果のある非アルカリ性シリカ溶液を注入し、その周辺部の領域にキレート効果の弱い（またはキレート効果のない）非アルカリ性シリカグラウトの注入領域９を設けた。
【０１０３】
図８は、非アルカリ性シリカ溶液を地下構造物の周りの地盤に注入する方法を示す図である。地下水がＳＯ４２−や海水を含む地盤２４、または火山滞積物中に構築されたトンネルのコンクリート１０の劣化を防ぐために、トンネル２５内部から削孔して地下構造物１０の周りの地盤（拘束系領域）の領域８にキレート効果のある非アルカリ性シリカ溶液（マスキングシリカ溶液）を注入してコンクリートの劣化を防いだ。また、地盤中のコンクリート１０が地下水や注入液に含まれる硫酸イオンや塩素イオンによって劣化したり劣化する可能性があるため、コンクリート１０の背面の地盤に非アルカリ性シリカ溶液を注入してコンクリートの劣化の防止または補修している。さらに、非アルカリ性シリカ溶液を注入するに先立ってコンクリート１０の背面にセメント系グラウトを注入管６で注入する。なお、図中、２６は車を示す。
【０１０４】
図９は、非アルカリ性シリカ溶液を住宅の周りの基礎地盤に注入する方法を示す図である。構造物（住宅）１３の周りの基礎地盤（拘束系領域）にキレート効果のある非アルカリ性シリカ溶液（マスキングシリカ溶液）８を注入して地盤を改良した。さらに、構造物１３に接しない地盤（開放系領域）にはキレート効果の弱い（またはキレート効果のない）非アルカリ性シリカ溶液９を注入した。
【０１０５】
図１０は、非アルカリ性シリカ溶液を道路や飛行場滑走路の近傍の地盤に注入する方法を示す図である。道路１４の近傍の地盤（拘束系地盤）の下方の未固結領域１８下に、キレート効果のある非アルカリ性シリカ溶液（マスキングシリカ溶液）８を注入して地盤を改良した。また、道路１４が護岸のコンクリート構造物に相当する場合も同様である。さらに、その下の地盤９（開放系領域）にはキレート効果の弱い（あるいはキレート効果のない）非アルカリ性シリカ溶液９を注入した。
【０１０６】
図１１は、非アルカリ性シリカ溶液をタンクの基礎の地盤に注入する方法を示す図である。タンク等のタンク状構造物１５の直下の地盤（拘束系領域）にキレート効果のある非アルカリ性シリカグラウト８を注入して地盤を改良した（内部直下改良ゾーン）。さらに、タンク等の構造物１５に接しない外周並びに下方の層（開放系領域）の地盤にはキレート効果の弱い（またはキレート効果のない）非アルカリ性シリカ溶液９を注入した（外部改良ゾーン）。なお、図中、８ａはキレート効果のある非アルカリ性シリカ溶液（マスキングシリカ溶液）、１６は液状化層、１７は非液状化層を示す。
【符号の説明】
【０１０７】
１ モルタル供試体
２ 非アルカリ性シリカ溶液（薬液）
３Ａ 容器
３Ｂ 密閉容器
４ 固結砂層
５ 硫酸イオン入り固結砂層
６ 注入管
７ 共同溝
８ キレート効果のある非アルカリ性シリカ溶液
８ａ キレート効果のある非アルカリ性シリカ溶液の固結領域
９ キレート効果の弱い（又はキレート効果のない）非アルカリ性シリカ溶液の固結領域
１０ 地下構造物
１１ 構造物
１２ 斜面の擁壁
１３ 住宅
１４ 道路
１５ タンク状構造物
１６ 液状化層
１７ 非液状化層
１８ 未固結領域
１９ 養生水
２１ コンクリート領域
２２ 固結領域Ａ
２３ 固結領域Ｂ
２４ 地下水がＳＯ４２−や海水を含む地盤
２５ トンネル
２６ 車
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地盤改良工法に関し、詳しくは、地下水中に含まれるコンクリート構造物や土中埋設物を劣化するイオン、特に海水や硫酸イオン等から既存のコンクリート構造物や土中埋設物、または掘削後建造するコンクリート構造物や土中埋設物を防護する地盤注入工法に係り、特にリン酸化合物、並びにまたは金属イオン封鎖剤を含む非アルカリ性シリカ（以下「マスキングシリカ溶液」という）によってコンクリート表面のＣａ２＋やＭｇ２＋を取り込んでコンクリート表面にシリカの防護被覆層（以下「マスキングシリカ」という）を形成して、コンクリート構造物の劣化を防ぐと共に非アルカリ性シリカの反応生成物を少なくして水質保全性と耐久性に優れた固結を可能にする地盤改良工法に関する。
【背景技術】
【０００２】
軟弱地盤の基礎の強化や、掘削時の地盤安定や液状化対策工事のため、非アルカリ性シリカグラウトによる地盤改良が知られている。非アルカリ性シリカグラウトが地盤中に注入され、固結されたときに、この固結体は、地盤中に先行して存在するコンクリート構造物や土中埋設物（各種管路、地中線、マンホール等）、またはセメントグラウト等の１次注入材と往々にして接触し、あるいは固結地盤を掘削して建造されるコンクリート構造物や土中埋設物に接触する。この場合、酸性シリカグラウト中の反応生成物が溶出して、これらコンクリート構造物や土中埋設物に接触したり、地下水に溶出してコンクリート構造物や土中埋設物に接触し、水質に影響を生ずることがある。なお、本発明において、コンクリート構造物とはコンクリートからできた構造物であり、トンネル等の地下構造物、斜面の擁壁、護岸構造物、住宅、道路、タンク等の構造物等を挙げることができ、セメントを硬化させた硬化物（セメント硬化物）を含むものである。
【０００３】
一般に、地盤中に存在するコンクリート構造物はアルカリを溶出して中性化する傾向にある。また、コンクリート構造物にアルカリ性の水ガラス系グラウトの固結体が接触すると、コンクリート構造物から溶出するアルカリによって水ガラスゲルのシリカ分が溶解する傾向がある。すなわち、水ガラス系グラウトの水ガラス材料は仮設用では問題ないが、長期耐久性からみた場合、地盤中に存在する、あるいは掘削後に構築されるコンクリート構造物のアルカリに影響されやすい。
【０００４】
そこで、水ガラスをイオン交換処理によってアルカリを除去した活性シリカグラウト、水ガラスと酸を混合してなる酸性シリカグラウト、さらには酸性シリカにｐＨ緩衡剤やアルカリ剤を加えて中性でゲル化時間を調整する非アルカリ性シリカグラウトが提案されている。かかるシリカグラウトは、ゲル化時間が長く、広範囲な浸透性に優れ、かつ水ガラスグラウトの劣化要因となるアルカリを酸で除去しているため、長いゲル化時間で長期耐久性に優れ、広範囲な耐久性の優れた固結領域をうる点で、他のアルカリ領域の水ガラスグラウトでは得られない特異な特性を持つものである。
【０００５】
しかしながら、酸性領域では酸の多少でゲル化時間が影響を受けるためのコントロールが難しく、わずかの酸の違いによりｐＨが大幅に変動してゲル化時間が大幅に変化するため、酸性反応剤（以下、「硬化剤」とも称す）を多く用いてｐＨを１〜２付近で安定した長いゲル化時間をもつシリカ用溶液を用いている。そのため、反応生成物が多く生ずる。
【０００６】
酸性シリカ溶液の酸性反応剤としては、水ガラスのアルカリの中和を効率的に行うために硫酸、リン酸またはこれらの混合物が用いられ、あるいはこれらの酸性塩が用いられる。この場合、酸性シリカ溶液の反応生成物は、不溶性のシリカと、硫酸ソーダまたはリン酸ソーダ等の水溶性の無機塩、あるいは過剰の酸である。これらの水溶性の反応生成物は、地下水の水質や地中構造物に何らかの影響が懸念される。また、酸性雨、温泉地帯や火山滞積物中のトンネル、石炭灰上の埋立地の建築物基礎等による硫酸イオンの影響、あるいは海水等の影響で、コンクリート構造物の中性化や劣化が生ずることはよく知られている。
【０００７】
また、コンクリートに対して化学物質は何らかの影響があると考えられているが、地盤注入におけるシリカグラウトについて検討すると、シリカグラウトは無限に存在する地下水面下の地盤中のある範囲に注入され、かつゲル化を伴うため、容器中の化学薬品の水溶液に直接コンクリートを養生して行う化学物質の影響実験と同列に論じられない場合もある。特殊文字
【０００８】
そこで、本発明者らは、地下水中に硫酸イオンや海水が含まれている場合、あるいは注入材を地下水面下の地盤中に注入した場合の、ゲル化したゲル中の反応生成物の挙動とコンクリート構造物に対する影響を、永年にわたって研究した結果、以下のことが判った。
（１）無限に開放された地盤条件下での地下水面下では、地下水面下の地盤中に注入された溶液型酸性シリカグラウトのゲル中に形成された反応生成物は、時間と共にゲルの中から地下水中に溶出し、拡散し、希釈され、その結果、かかる反応生成物の濃度は低減する。反応生成物の濃度の低減が、周辺構造物に対し悪影響を生ずる期間よりも早ければ問題ない。
（２）開放された地盤条件下では反応生成物の濃度の低減は早いが、閉塞された領域では反応生成物は拡散されにくく、希釈されにくい。また、濃度が濃くなる条件下では、反応生成物は周辺構造物に影響を与えやすい。
（３）コンクリート構造物等により一方が閉塞された地盤条件下では、反応生成物は拘束されやすく，地下水中で開放された領域の方向に拡散する。
【０００９】
そこで、シリカ溶液にキレート効果を持つ金属イオン封鎖剤および／またはリン酸系化合物を含有せしめてなるシリカ溶液（以下、「マスキングシリカ溶液」と称する）を地盤中に注入し、該地盤を固結するとともに、地盤中のコンクリート建造物やセメント硬化物の表面に防護被膜（以下、「マスキングシリカ」と称する）を形成する地盤注入方法が、開示されている（特許文献１参照）。
【００１０】
一方、近年、地震の多発に伴いコンクリート構造物や土中埋設物等の液状化対策工等の耐震補強が社会的問題になってきた。これを解決するには、大容量の土を経時的に土粒子間に浸透させて耐久性のある地盤を形成することが要求されている。そのために、数時間から十数時間の長いゲル化時間の耐久性グラウトを、注入孔間隔を広範囲（１．５ｍ〜４ｍ）に低吐出で土粒子間に浸透させながら固結しなくてはならない。このためには、水ガラスの劣化要因であるアルカリを酸で除去して数時間〜十数時間のゲル化時間をもちながら耐久性の優れた酸性領域のシリカ溶液であるシリカゾルや、水ガラスをイオン交換処理して脱アルカリし、更に増粒したシリカコロイドを用いる必要がある。この場合、長いゲル化時間を得るために低いｐＨの酸性値を設定しなくてはならないため、酸性領域のシリカ溶液のコンクリート構造物への影響を検討する必要があり、過剰の酸または水溶性反応生成物が地下水へ溶出することによる環境負荷や、コンクリート構造物または土中埋設物への影響が課題となる。そこで、本発明者らはリン酸化合物や金属イオン封鎖剤を含むシリカグラウトのコンクリートに対する影響を研究した結果、コンクリート表面に生ずる白色の被覆層（マスキングシリカ）がコンクリートを保護することを見出した（特許文献１参照）。かかる特許文献１記載の方法により、注入領域全体におけるシリカグラウトの反応生成物の影響を最小限におさえることができ、さらにコンクリート構造物を保護する効果のある強固な保護膜をコンクリートの表面に形成して、シリカのゲル耐久性が優れた固結を可能にすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許第３０７２３４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、近年のマグニチュードの大きな地震の発生等により、注入領域全体におけるシリカグラウトの反応生成物の影響をより最小限におさえることができ、さらにコンクリート構造物をより保護する効果のある強固な保護膜をコンクリートの表面に形成して、シリカのゲル耐久性がより優れた固結を可能にすることができるものが望まれている。
【００１３】
そこで本発明の目的は、注入領域全体におけるシリカグラウトの反応生成物の影響をより最小限におさえ、コンクリート構造物または土中埋設物をより保護する効果のある強固な保護膜をコンクリートの表面に形成すると共に、シリカのゲル耐久性がより優れた固結を可能にする地盤改良工法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者らは、上記課題を解決するために、鋭意検討した結果、特定のシリカ濃度およびリンイオン濃度に調整することにより、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１５】
即ち、本発明の地盤改良工法は、コンクリート構造物または土中埋設物の地盤に、リン酸化合物および／または金属イオン封鎖剤を含む非アルカリ性シリカ溶液を注入して、地盤を改良する地盤改良工法であって、
前記非アルカリ性シリカ溶液のシリカ濃度が、次式、
（Ａ）２ｗｔ％≦［ＳｉＯ２］≦５０ｗｔ％
（式中、［ＳｉＯ２］は溶液中のシリカ濃度（％）を示す）を満たし、
前記非アルカリ性シリカ溶液のリンイオン濃度が、次式、
（Ｂ）３０００ｐｐｍ≦［Ｐ］≦１０００００ｐｐｍ
（式中、［Ｐ］は溶液中のリンイオン濃度（ｐｐｍ）を示す）を満たし、
硫酸イオンおよび／または海水からの影響を防護することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の地盤改良工法は、前記非アルカリ性シリカ溶液が水ガラスに起因するシリカを含む場合、前記非アルカリ性シリカ溶液のシリカ濃度が、次式、
（Ａ）２ｗｔ％≦［ＳｉＯ２］≦１０ｗｔ％
（式中、［ＳｉＯ２］は溶液中のシリカ濃度（％）を示す）を満たすことが好ましく、前記非アルカリ性シリカ溶液が、次式、
［Ｐ］／［ＳｉＯ２］＝６０〜５０００
（式中、［Ｐ］は溶液中のリンイオン濃度（ｐｐｍ）を示し、［ＳｉＯ２］は溶液中のシリカ濃度（％）を示す）を満たすことが好ましい。
【００１７】
さらに、本発明の地盤改良工法は、地盤中の地下水の、硫酸イオンや塩素イオンからの影響を防護することが好ましく、前記非アルカリ性シリカ溶液が、シリカ溶液にリン酸化合物および／または硫酸化合物を加えて、非アルカリ性のｐＨ領域に調整されることが好ましい。
【００１８】
本発明の他の地盤改良工法は、コンクリート構造物または土中埋設物の地盤に、非アルカリ性シリカ溶液を注入して、地盤を改良する地盤改良工法であって、
前記非アルカリ性シリカ溶液のシリカ濃度が、次式、
（Ａ）２ｗｔ％≦［ＳｉＯ２］≦５０ｗｔ％
（式中、［ＳｉＯ２］は溶液中のシリカ濃度（％）を示す）を満たし、
前記非アルカリ性シリカ溶液のリンイオン濃度が、次式、
（Ｂ）３０００ｐｐｍ≦［Ｐ］≦１０００００ｐｐｍ
（式中、［Ｐ］は溶液中のリンイオン濃度（ｐｐｍ）を示す）を満たし、
前記コンクリート構造物または土中埋設物の近傍の地盤を、リン酸化合物および／または金属イオン封鎖剤を有効成分とする前記非アルカリ性シリカ溶液、あるいはリン酸化合物および／または金属イオン封鎖剤と、硫酸化合物を有効成分とする前記非アルカリ性シリカ溶液で固結し、
前記近傍の地盤の周りの地盤を、硫酸化合物を有効成分とするシリカ溶液、あるいは近傍の地盤よりも少ない量のリン酸化合物および／または金属イオン封鎖剤と、硫酸化合物を有効成分とする前記非アルカリ性シリカ溶液で固結することを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の地盤改良工法は、前記コンクリート構造物または土中埋設物と、固結した地盤の間を、リン酸化合物および／または金属イオン封鎖剤を有効成分とするシリカ溶液による固結領域で遮断することが好ましく、前記近傍の地盤の周りの地盤を、硫酸化合物を有効成分とするシリカ溶液で固結することが好ましい。
【００２０】
さらに、本発明の地盤改良工法は、前記非アルカリ性シリカ溶液が、コンクリート表面１ｍ２当たり３０００ｐｐｍ以上のリンイオンおよび／または金属イオン封鎖剤を有効成分として含み、ホモゲルに換算して１ｃｍ以上の固結厚さに前記非アルカリ性シリカ溶液を注入することが好ましく、前記コンクリート構造物に対して、前記非アルカリ性シリカ溶液を注入してコンクリート表面１ｍ２当り３６ｇ以上のリン酸イオンを含有する固結層を形成することが好ましい。
【００２１】
さらにまた、本発明の地盤改良工法は、前記非アルカリ性シリカ溶液の注入に際して、コンクリート表面に厚さが０．５ｍ以上の固結した遮断層を設けることが好ましく、液状化対策工に用いたことが好ましい。
【００２２】
また、本発明の地盤改良工法は、コンクリートの劣化の防止または補修することが好ましく、前記非アルカリ性シリカ溶液を注入する前に、前記コンクリート構造物または前記土中埋設物の背面に、セメント系グラウトを注入することが好ましい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明により、注入領域全体におけるシリカグラウトの反応生成物の影響をより最小限におさえ、コンクリート構造物または土中埋設物をより保護する効果のある強固な保護膜をコンクリートの表面に形成すると共に、シリカのゲル耐久性がより優れた固結を可能にする地盤改良工法を提供することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】キレート剤（リン酸）、硫酸、硫酸（キレート剤入り）の酸量とゲルタイムの関係を示す図である。
【図２】キレート剤（リン酸）、硫酸、硫酸（キレート剤入り）のｐＨとゲルタイムの関係を示す図である。
【図３】モルタル供試体に非アルカリ性シリカ溶液を注入した密閉容器を示す図である。
【図４】キレート濃度の違いによるモルタル供試体１の一軸圧縮強度への影響を示すグラフである。
【図５】実施例２の実験装置を示す図である。
【図６】模擬地盤の酸性シリカ溶液（硫酸反応剤のみ使用）を用いた配合と非アルカリ性シリカ溶液を用いた配合による固結領域５０ｃｍを接したときの水溶性反応生成物のコンクリート層への影響を示す図である。
【図７】非アルカリ性シリカ溶液を地盤に注入する方法を示す図である。
【図８】非アルカリ性シリカ溶液を地下構造物の周りの地盤に注入する方法を示す図である。
【図９】非アルカリ性シリカ溶液を住宅の周りの基礎地盤に注入する方法を示す図である。
【図１０】非アルカリ性シリカ溶液を道路の周りの地盤に注入する方法を示す図である。
【図１１】非アルカリ性シリカ溶液をタンク状構造物の周りの地盤に注入する方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。
本発明において、注入領域全体におけるリン酸化合物や金属イオン封鎖剤（以下、「キレート剤」とも称す）の使用量を最小限に抑え、かつリン酸化合物と共存する硫酸化合物の合計量を最小限に抑えるためのコンクリート構造物または土中埋設物（以下、「コンクリート構造物等」と称す）と注入領域との位置関係を考慮した酸性反応剤を含むシリカ溶液の組合せが重要である。また、マスキングシリカ溶液は硫酸や海水の存在下でもコンクリート表面のＣａやＭｇイオンと反応してキレート反応により、コンクリート表面に食い込んだ強固な被覆層を形成する。このようなコンクリート保護効果のある被覆層（マスキングシリカ）の形成には、ｐＨが非アルカリ性、好ましくは酸性であることが必要である。シリカ溶液中にアルカリが残存した場合は、コンクリート表面における被覆層の形成が不充分でコンクリートの防護効果が少なくなる。
【００２６】
そのため、本発明の地盤改良工法に使用される非アルカリ性シリカ溶液は、主剤であるシリカ溶液と酸性中和剤とを混合してｐＨ値が中性〜酸性領域にすることによりゲル化する性質を利用した薬液である。
【００２７】
地盤中に注入した薬液成分のうち、ゲルを構成しない成分や未反応で残留する成分は、ゲルの中に閉じ込められていたり、ゲルと土粒子の間隙に存在したり、あるいはそれらの表面に付着して固結物中に留まっているが、固結物が地下水中にさらされると、これらのゲル化にあずかったシリカ以外の反応生成物は地下水中に浸出し拡散する。固結物からの反応生成物の溶出の例を以下に示す。
【００２８】
（測定条件）
非アルカリ性シリカ溶液と豊浦砂を混合し、供試体を作製して養生した。２８日後に、水中に溶出した成分を測定した。反応剤として、硫酸またはリン酸を使用した場合の溶出率を測定し、結果を下記表１に示す。
【００２９】
【表１】
※１ 下記表３ 配合１
※２ 下記表３ 配合５
【００３０】
浸透２８日後の固結標準砂の養生水における溶出したＰＯ４３−、ＳＯ４２−は約４０〜５０％であった。また、ＳｉＯ２の溶出率は殆んどなく、Ｎａはほぼ全量が溶出した。実際の地盤に注入した場合、薬液成分のうち、ゲルの構成要素とならない化学成分、すなわち水ガラスのＮａや水溶性反応生成物は、比較的早く溶出し、地下水で希釈され、地下水の開放方向に拡散が早く進むが、閉鎖された地盤中ではこれらの成分が残留しやすい。
【００３１】
固結した非アルカリ性シリカ溶液が、地盤中の間隙水、特に流動している地下水などと接すると、水溶性反応生成物は短期間で溶出されやすいが、地盤条件、地下水の流動状況およびコンクリート構造物等との位置関係が影響する。
【００３２】
非アルカリ性シリカ溶液注入における改良対象地盤は、土中構造物のない地下水面下の地盤、地下水が流動している地盤、およびコンクリート構造物、土中埋設物またはコンクリート杭に阻まれたり構造物直下で遊離成分が拡散しにくい地盤に分けられる。ここで、前者を開放系地盤、後者を閉塞系地盤と称す。実際には、開放系地盤と閉塞系地盤が組合っている複合系地盤の場合が多い。
【００３３】
開放系地盤において、非アルカリ性シリカ溶液注入における地盤改良を行った場合、溶出した水溶性反応生成物は地下水や浸透水によって拡散が促され、早期に消散する。これに対し、コンクリート構造物等の近傍地盤、コンクリート構造物等で遮断された閉塞系地盤あるいは複合系地盤では、地盤中の水の流動が小さく、水溶性反応生成物は長期にわたって地盤中にとどまりやすい。
【００３４】
そのため、閉塞系地盤あるいは複合系地盤においては、地下水での希釈が少なかったりまたは遅かったりした場合、コンクリート構造物等に好ましくない。また、開放系地盤でも複合系地盤でも、水溶性反応生成物が多量なら環境負荷上好ましくない。
【００３５】
そこで、コンクリート構造物等を保護し、あるいはコンクリートからのアルカリの溶出によるシリカゲルの劣化に対して、キレート剤やリン酸系化合物を使用する水ガラスグラウトが提案されている（特許第３０７２３４６号公報）。水ガラス、活性珪酸、コロイダルシリカ等のシリカ溶液に硬化剤として、キレート剤やリン酸系化合物を使用した場合、コンクリート表面のＭｇやＣａイオンがシリカと共にコンクリート表面に強固にとりこまれた状態の被覆膜が生成され、地盤を固結する。このとき、このシリカ溶液中のシリカ分子またはシリカコロイドは、キレート剤やリン酸系化合物を含んだ状態でキレート作用によって、地盤中に先行して存在するコンクリート構造物等の主としてカルシウムやマグネシウムを取り込んで表面に、シリカ溶液中のシリカとＰとＭｇ・Ｃａからなる防護被膜を形成する。このような被覆は、注入地盤を掘削してコンクリートを打設した場合もコンクリート表面に形成される。かかる現象は地下水中或いはシリカ溶液中にＳＯ４２−やＣｌ−等が存在していても同様である（下記表２参照）。そのため、コンクリート構造物等の外部から内部へのＳＯ４２−や、海水（Ｃｌ−）等の浸入を遮断し、かつコンクリート構造物等の内部から外部へのアルカリの溶出を遮断する。このようなコンクリート表面の被覆層がコンクリート内部からのアルカリを遮断するという現象は、コンクリート表面に被覆膜が形成されている場合、養生水が長期にわたって中性値を呈することによって実証される。この結果、シリカグラウトに含有される反応生成物に硫酸イオンが存在していても、あるいは地下水中に硫酸イオンや海水が存在していても、コンクリート構造物等の劣化およびコンクリート内部からのアルカリの溶出による中性化が防止されるとともに、シリカ溶液のゲル化物もコンクリート構造物等からのアルカリの溶出によるシリカゲルの溶解を防ぎ、地下水を中性領域に保つ。キレート作用によりシリカ分とコンクリート表面に存在するＣａイオンやＭｇイオンが、コンクリート表面に刃で削り取らなくてはならないほど、このコンクリート構造物等に形成された被覆層は、きわめて強固に結合して被覆している。そのコンクリート表面の防護被覆の分析結果を下記表２に示す。
【００３６】
【表２】
【００３７】
リン酸系化合物のうちヘキサメタリン酸ソーダのような縮合リン酸塩（金属イオン封鎖剤）は、コンクリート表面上では非アルカリ性シリカと共に最も強固な被覆層を形成するが、リン酸も優れた効果を示すのは、シリカ溶液中で徐々に縮合系を形成して、縮合リン酸塩と同じような作用を示すようになるためと思われる。リン酸化合物は後述した例があり、いずれも上記と同様な効果をもつので、本発明は、リン酸化合物を、キレート効果を有するキレート剤として扱う。キレート剤としてはリン酸化合物以外に後述した化合物があるが、シリカと共存下ではリン酸化合物がコンクリート表面に強固な被覆を形成しやすい。上記効果の優れた保護膜を形成するにはシリカ溶液中のアルカリが除去されていることが必要である。そのためにはリン酸のような酸性を呈して酸性中和剤も兼ねる化合物が望ましい。リン酸以外のリン酸化合物やキレート剤を用いる場合には、他の酸、例えば、硫酸や硫酸塩のように酸性を呈する化合物を併用することが脱アルカリに効果的である。
【００３８】
リン酸は、水ガラスと混合するとそれ自体で水ガラスのアルカリを中和して酸性シリカ溶液をつくると共に、シリカ分とコンクリート表面のＣａイオン、Ｍｇイオンと共にコンクリート被覆膜を形成し、地下水中に存在するＳＯ４２−やＣｌ−からコンクリートを守ることができる。また、リン酸およびリン酸化合物は、硫酸イオンの共存下において、上述のようにコンクリート表面に保護膜をつくる。この場合、シリカ溶液中に含まれる硫酸は水ガラスのアルカリを中和する作用を分担し、リン酸化合物はアルカリを除去したシリカ分と共にコンクリート表面にキレート作用で被覆層をつくる役割を分担するものと思われる。特に、リン酸とヘキサメタリン酸ソーダの併用、あるいはリン酸と他のキレート剤と併用したシリカ溶液は、優れたキレート効果による被覆層を形成する。
【００３９】
そこで、本発明の地盤改良工法は、コンクリート構造物等の近傍に非アルカリ性シリカ溶液を注入して、地盤を改良する地盤改良工法であって、該非アルカリ性シリカ溶液が３０００ｐｐｍ以上１０００００ｐｐｍ以下のリンイオンを含むものである。これにより、シリカグラウトの水溶性反応生成物の影響を最小限におさえ、水質の環境負荷を抑えコンクリート構造物を保持すると共に耐久性に優れた固結を可能にすることができる。
【００４０】
本発明で使用される非アルカリ性シリカ溶液は、水ガラス、活性シリカ、コロイダルシリカ、あるいはこれらの混合物であり、水ガラスは通常工業用として使用されるモル比ＳｉＯ２／Ｎａ２Ｏ＝２〜６のものである。
【００４１】
また、上記非アルカリ性シリカ溶液は、水ガラスのアルカリを除去した酸性シリカ溶液、あるいは酸性シリカ溶液にアルカリを加えたものである。かかる非アルカリ性シリカ溶液は、水ガラス中のアルカリを酸で除去したシリカ溶液、水ガラスをイオン交換樹脂またはイオン交換膜で脱アルカリした酸性活性シリカ、酸性活性シリカに水ガラスを加えたアルカリ性シリカ、アルカリ性シリカを加熱増粒したコロイダルシリカ、水ガラスと酸を混合した酸性シリカの酸の一部またはすべてを、陰イオン交換樹脂または陰イオン交換膜で脱した活性シリカ、これらに水ガラスと酸を混合した酸性シリカ溶液、あるいはこれらのコロイド状のシリカ溶液に水ガラスと酸からなる酸性シリカゾル溶液を加えた酸性シリカ溶液をいう。具体的には、シリカ溶液をイオン交換樹脂またはイオン交換膜に通過させ、得られる活性珪酸水溶液を加熱等によって数万あるいはそれ以上の分子量に縮合し、アルカリまたは水ガラスを加えて弱アルカリ性に安定化し、２０〜３０％のＳｉＯ２濃度に濃縮したコロイダルシリカと酸を混合した酸性シリカ溶液、上記コロイダルシリカと水ガラスと酸の混合物からなる酸性シリカ溶液、あるいは酸性活性シリカと水ガラスと酸からなる酸性シリカを用いることができる。
【００４２】
かかるコロイダルシリカは、通常、ｐＨが中性ないしは１０付近の弱アルカリ性を呈するが、酸や酸性塩を添加することにより酸性を呈するようにすることもできる。さらに、活性珪酸（活性シリカ）とコロイダルシリカとを混合し、ｐＨが８〜１１を呈するシリカ溶液とし、それに酸を加えて酸性シリカ溶液としてもよいし、コロイダルシリカや活性珪酸に水ガラスと酸を混合した酸性水ガラスを加えても酸性シリカ溶液でもよい。また、コロイダルシリカの粒径は１ｎｍ〜８０ｎｍのもの、あるいはこれらを混在したものを用いることができ、またＡｌ変性コロイダルシリカを用いることができる。
【００４３】
また、本発明に用いられる活性珪酸は、シリカ溶液を脱アルカリ処理して得られる。かかる脱アルカリ処理としては、シリカ溶液をイオン交換樹脂またはイオン交換膜によってシリカ溶液中のアルカリの全部または一部を除去する処理、シリカ溶液を酸と混合してシリカ溶液中のアルカリを中和し、得られる酸性シリカ溶液をイオン交換樹脂またはイオン交換膜によって酸性水ガラス中の酸または塩の全部または一部を除去する処理等が挙げられる。このようなアルカリ処理によって得られる活性珪酸は、酸性ないしアルカリ性のｐＨ領域に調整され、安定化され、酸を加えて酸性シリカ溶液としてゲル化させることができる。
【００４４】
本発明におけるキレート作用のある非アルカリ性シリカ溶液としては、特に酸性シリカ溶液が好ましい。酸性シリカはｐＨが１〜７のものである。
【００４５】
また、本発明では、硫酸やリン酸でアルカリを除去した非アルカリ性シリカに、リン酸以外のキレート剤を併用してマスキングシリカをつくることが、好ましい。リン酸以外のキレート剤は酸性が弱いので、リン酸以外のキレート剤単独でアルカリを除去するには多量必要とするからである。これに対して、リン酸はアルカリを除去するのみならずリン酸単独でマスキング作用をもつので効果的なマスキングシリカを形成する。リン酸化合物やキレート剤は、シリカと共にコンクリートに被覆層（マスキングシリカ）を形成し、共存する硫酸や地下水中に存在する硫酸イオンによるコンクリートの劣化を防ぐことができる。リン酸化合物のうちヘキサメタリン酸塩はキレート剤であって、キレート作用によってコンクリート表面にマスキングシリカを形成するが、リン酸やその他のリン酸化合物も同様な効果をもつ被覆を形成するために、本発明では、リン酸化合物もキレート剤とみなし、これを含むシリカ溶液を非アルカリ性シリカ溶液（マスキングシリカ溶液）という。
【００４６】
そのため、リン酸以外のキレート剤は、リン酸または硫酸と併用して非アルカリ性シリカ溶液を形成する。かかる非アルカリ性シリカ溶液としては、リン酸またはリン酸塩を用いることが、他のキレート剤を用いるより効果的である。
【００４７】
本発明に用いられるリン酸化合物および／またはキレート剤は、キレート効果を有するものであり、例えば、リン酸、各種の酸性リン酸塩、中性リン酸塩、塩基性リン酸塩が挙げられ、テトラポリリン酸塩、ヘキサメタリン酸塩、トリポリリン酸塩、ピロリン酸塩、酸性ヘキサメタリン酸塩、酸性ピロリン酸塩等の縮合リン酸塩類等を挙げることができ、縮合リン酸塩類がナトリウム塩であることが好ましく、非アルカリ性シリカ溶液を形成するリン酸化合物としては、ヘキサメタリン酸ソーダが特に強固なマスキングシリカを形成するため、好ましい。また、キレート剤としては、上記リン酸化合物の他に、エチレンジアミン四酢酸、ニトリロトリ酢酸、グルコン酸、酒石酸またはこれらの塩類等を挙げることができ、本発明においては、リン酸化合物がシリカ溶液の存在下でコンクリート表面に最も効果的な被覆を形成する。
【００４８】
本発明において，非アルカリ性シリカ溶液は、酸による脱アルカリによって作製され、その強度はシリカ濃度で決定され、ゲル化時間はｐＨによって決定され、ｐＨは酸の種類と添加量で決まる。シリカ濃度が同一で、リン酸または硫酸によるｐＨが同一の場合、いずれもほぼ同一のゲル化時間を呈し、同一のゲルタイムを呈し、さらに同一のｐＨを得るためには、リン酸は硫酸に比べ多くの量を必要とする。また、リン酸化合物は酸性シリカ溶液中に存在してコンクリート表面にマスキングシリカを形成してコンクリートを保護する一方、硫酸イオンは、コンクリートを劣化させる性質がある。しかしながら、同一のゲルタイム、同一のｐＨを得るのに少量の硫酸量ですむため、リン酸と硫酸を比較すると水溶性反応生成物はリン酸の方が多く生成された。
【００４９】
本発明における第１の発明は、キレート作用のあるリン酸化合物を含む非アルカリ性シリカ溶液を用いてコンクリートをシリカ溶液中に共存するため、コンクリート外部の地下水や地盤中に存在するＳＯ４２−やＣｌ−から防護する被覆層を形成するため、または水溶性反応生成物を少なくして環境負荷を低減するための地盤改良工法である。本発明において、硫酸塩や塩化物等を含む地下水に対してコンクリート表面を守るシリカゲル中に含まれるリン酸化合物のリンイオンの濃度は３０００ｐｐｍ以上１０００００ｐｐｍ以下含むものである。非アルカリ性シリカ溶液中のリンイオンが３０００ｐｐｍ未満であると、硫酸イオンが１００００ｐｐｍ以上である場合の影響を最小限におさえることができないので好ましくない。一方、非アルカリ性シリカ溶液中のリンイオンが１０００００ｐｐｍより多いと、反応生成物が多くなり好ましくない。また、コンクリートに影響を及ぼす地下水中のイオンとしては硫酸イオンや塩系イオン等が代表的であるが、濃度によるが海水等に含まれる塩等よりも硫酸イオンの方が影響するので、本発明では硫酸イオンを実施例で用いている。硫酸イオンの影響を遮断するマスキングシリカは、海水の影響を容易に遮断するからである。
【００５０】
さらに、本発明におけるシリカ濃度は２ｗｔ％以上５０ｗｔ％以下であり、上記リン酸系化合物は非アルカリ性シリカ溶液中に均一に完全溶解されることが好ましく、非アルカリ性シリカ溶液が不均質なシリカ分を形成していないことが好ましい。さらにまた、リンイオンの合計量が水ガラスのＮａ２Ｏ量に対して、リン（Ｐ）として約１〜３０％の範囲であることが好ましい。リン（Ｐ）として、３０％を超えると非アルカリ性シリカ溶液の部分ゲル化が起ったり、非アルカリ性シリカ溶液が白濁状の不安定な状態となり、リン酸系化合物を完全に溶解して安定な状態を保つことが難しくなる場合があり、好ましくない。一方、リン（Ｐ）として、１％未満では本発明の所期の効果を奏しない場合があり、好ましくない。そのため，水ガラスに比べ、長期間ｐＨが中性領域であり、長いゲルタイムをもつコロイダルシリカを用いることで、非アルカリ性シリカ溶液中のシリカ濃度を２〜５０ｗｔ％とすることができる。
【００５１】
また、非アルカリ性シリカ溶液が水ガラスに起因するシリカを含む場合は、非アルカリ性シリカ溶液のシリカ濃度が、次式、
（Ａ）２ｗｔ％≦［ＳｉＯ２］≦１０ｗｔ％
（式中、［ＳｉＯ２］は溶液中のシリカ濃度（％）を示す）を満たすことが好ましい。
【００５２】
さらに、本発明において、リンイオン濃度とシリカ濃度が、次式、
［Ｐ］／［ＳｉＯ２］＝１５００〜５０００
（式中、［Ｐ］は溶液中のリンイオン濃度（ｐｐｍ）を示し、［ＳｉＯ２］は溶液中のシリカ濃度（％）を示す）を満たす非アルカリ性シリカ溶液であることが、好ましい。コンクリートをキレート溶液中に沈漬しても効果的な皮膜を形成することはできず、所定の濃度のキレート剤とシリカからなる中性〜酸性（ｐＨが１〜８付近）のシリカ溶液においてはじめて効果的な皮膜が可能になる。
【００５３】
また、本発明において、キレート効果のない硬化剤を併用することができる。かかる硬化剤としては、硫酸等の硫化物、塩酸等の塩化物、酸性塩、炭酸塩、重炭酸塩、炭酸ガス、炭酸水、アルミン酸塩、グリオキザール、エチレンカーボネートのような炭酸エステル、多価酢酸エステル等が挙げられ、さらにこの他、セメント、石灰、スラグ等も硬化剤として単独で、または他の硬化剤に併用して用いることができる。上記リン酸系化合物等のキレート効果のある化合物とキレート効果のない硬化剤を混合して、注入する地盤の環境によって混合比を選択することができる。さらに、コンクリート構造物等の周辺部に非アルカリ性シリカ溶液を注入し、その外側領域に任意のアルカリ系の水ガラス注入剤やセメント等の溶液型グラウトを注入することもできる。
【００５４】
図１は、キレート剤（リン酸）、硫酸、硫酸（キレート剤入り）の酸量とゲルタイムの関係を示す図であり、図２は、キレート剤（リン酸）、硫酸、硫酸（キレート剤入り）のｐＨとゲルタイムの関係を示す図であり、下記実施例１に基づくものである。硬化剤としてリン酸のみを使用した場合、同一ｐＨでは硫酸を使用した場合に比べ、シリカ溶液に対して多量に添加することが必要となる（図１および２参照）。ゲル化時間とｐＨの関係は、リン酸の場合も硫酸の場合も強度は殆んど同じである（図２参照）。一方、ゲル化時間を調節することはリン酸の方が硫酸よりも容易である（図１参照）。これに対し、硫酸はゲル化時間の調節が難しいが、少量の添加量の違いでｐＨを大きく動かすことができ、同一シリカ濃度、同一ｐＨ、同一ゲルタイムで単位注入地盤体積における硫酸使用量はリン酸を使用する場合よりも少なくてすむ。そのため、水溶反応生成物の量も少なくてすみ、またコストも低く抑えられる（図１参照）。従って、硫酸とのリン酸の併用において、硫酸は主に水ガラスのアルカリの中和に効果があり、リン酸（リン酸化合物）は酸性領域におけるゲル化時間の調整と、キレート効果によるコンクリート被覆膜を形成してコンクリートを保護する役割があり、これにより中和剤の使用量を少なくし水溶性反応生成物の量を少なくすることができる。例えば、硫酸とヘキサメタリン酸ソーダの併用が効果的である。
【００５５】
また、本発明の地盤改良工法において、コンクリート構造物等の背部の地盤に注入し、コンクリート構造物等の単位表面積（ｍ２）当たり３０００ｐｐｍ以上のリンイオンを含む非アルカリ性シリカ溶液を注入してコンクリート表面を覆うことが好ましく、また３０００ｐｐｍ以上のリンイオンを注入した領域の厚さが、０．５ｍ以上であることが好ましい。かかる条件におけるリンイオンの量とすることによって、シリカ分と共にコンクリート表面に防護被覆を形成して地下水中のＳＯ４２−、Ｃｌ−およびシリカ溶液中に共存しているＳＯ４２−からコンクリートを保護することができる。
【００５６】
従って、注入による地盤の改良設計に当たっては、地盤条件と目的強度からシリカ濃度、注入範囲、注入量が定まり、それらにともなって地盤改良領域が定まる。そのため、地下水の水質等、環境負荷が問題になる場合、地盤改良領域全体からの水溶性反応生成物ができるだけ少ないことが好ましくなる。本発明者らは、この問題を解決するために注入地盤の固結物からの溶出をコンクリート構造物や土中埋設物等、地中構造物の位置関係と固結領域の位置関係、地下水の拡散や地下水流や構造物による地盤の閉束条件や地盤の開放条件を考慮してコンクリートや地中埋設物を保護し、かつ水質保全から反応生成物を最も少なくする本発明の第２の発明を完成した。
【００５７】
本発明における第２の発明は、コンクリート構造物または土中埋設物の地盤に、非アルカリ性シリカ溶液を注入して、地盤を改良する地盤改良工法であって、非アルカリ性シリカ溶液のシリカ濃度が、次式、
（Ａ）２ｗｔ％≦［ＳｉＯ２］≦５０ｗｔ％
（式中、［ＳｉＯ２］は溶液中のシリカ濃度（％）を示す）を満たし、非アルカリ性シリカ溶液のリンイオン濃度が、次式、
（Ｂ）３０００ｐｐｍ≦［Ｐ］≦１０００００ｐｐｍ
（式中、［Ｐ］は溶液中のリンイオン濃度（ｐｐｍ）を示す）を満たし、コンクリート構造物または土中埋設物の近傍の地盤を、リン酸化合物および／または金属イオン封鎖剤を有効成分とする非アルカリ性シリカ溶液、あるいはリン酸化合物および／または金属イオン封鎖剤と、硫酸化合物を有効成分とする非アルカリ性シリカ溶液で固結し、近傍の地盤の周りの地盤を、硫酸化合物を有効成分とするシリカ溶液、あるいは近傍の地盤よりも少ない量のリン酸化合物および／または金属イオン封鎖剤と、硫酸化合物を有効成分とする非アルカリ性シリカ溶液で固結することを特徴とするものであり、地盤改良工法において、リン酸系化合物の濃度が、コンクリート構造物等の近傍の地盤で高く、かつ、コンクリート構造物等から離れるにしたがって低くなるものである。コンクリート構造物等の外周である近傍の地盤（近傍領域）でのリン酸系化合物の濃度を高くすることで、より確実にコンクリート構造物等の表面に被膜を形成でき、一方、近傍の地盤の周りの地盤（離れた領域）ではリン酸系化合物の濃度が低いためコストを低減でき、しかもリン酸反応生成物の量を少なくすることができ、かつ全固結領域の水溶性反応生成物を少なくできて水質の環境負荷を抑制できる。即ち、本発明は、水ガラスのアルカリを除去した非アルカリ性シリカ溶液を注入するに当たって、反応剤としてリン酸と硫酸を併用したシリカグラウトを用いるという上記従来技術（特許第３０７２３４６号公報）の考えではなく、複数のリン酸含有量の異なる酸性シリカ溶液を併用して、改良すべき注入範囲のコンクリートの位置との関連を考慮した上で、注入領域に対してリン酸量の異なる固結領域を組合せて配置を行うことにより、リン酸化合物の使用量の低減と注入対象領域の全体での全反応生成物の溶出を低減し、コンクリートの保護機能を効果的に得られるものである。
【００５８】
本発明の地盤改良工法において、コンクリート構造物等の近傍に３０００ｐｐｍ〜１０００００ｐｐｍのリンイオンを含む非アルカリ性シリカ溶液を注入し、さらに該非アルカリ性シリカ溶液を注入した近傍領域の外周に、リン酸系化合物を含まないシリカ溶液を注入することも可能である。コンクリート構造物等の外周である近傍領域にのみリン酸系化合物を有するため、より確実にコンクリート構造物表面に被膜を形成でき、一方、離れた領域ではリン酸系化合物の濃度が低いか、または含まず硫酸化合物のみであるためコストを低減でき、全反応生成物を低減するために好ましい。
【００５９】
また、本発明の地盤改良工法は、非アルカリ性シリカ溶液が、コンクリート表面１ｍ２当たり３０００ｐｐｍ以上のリンイオンおよび／または金属イオン封鎖剤を有効成分として含み、ホモゲルに換算して１ｃｍ以上の固結厚さに非アルカリ性シリカ溶液を注入することが好ましく、コンクリート構造物に対して、非アルカリ性シリカ溶液を注入してコンクリート表面１ｍ２当り３６ｇ以上のリン酸イオンを含有する固結層を形成することが好ましい。さらに、本発明の地盤改良工法は、非アルカリ性シリカ溶液の注入に際して、コンクリート表面に厚さが０．５ｍ以上の固結した遮断層を設けることが好ましく、液状化対策工に用いたことが好ましい。さらにまた、本発明の地盤改良工法は、コンクリートの劣化の防止または補修することが好ましく、非アルカリ性シリカ溶液を注入する前に、コンクリート構造物等の背面に、セメント系グラウトを注入することが好ましい。ここで、コンクリート構造物等の背面とは、コンクリート構造物の中で、地盤と接しない内側の面をいう。
【実施例】
【００６０】
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限定されるものではない。
（実施例１）
シリカ溶液（水ガラス）６２ｍｌに、硫酸、キレート剤入り硫酸、キレート剤を水で希釈し加え全量を４００ｍｌとなるよう配合し、ゲルタイムとｐＨを測定した。このときのシリカ濃度は配合液が６％となるように調整した。結果を図１および２に示す。ここでキレート剤は７５％リン酸であり硫酸は７５％硫酸である。
【００６１】
図２において、ｐＨ（２０℃）とゲルタイムの関係を示す。硫酸単独、キレート剤（リン酸）入り硫酸、キレート剤（リン酸）単独、いずれの場合も、ｐＨとゲルタイムの関係は等しく、ｐＨが低くなるほどゲルタイムが長く、ｐＨ３付近で１０００分のゲルタイムが得られる。
【００６２】
図１では、同一ｐＨ、即ち、同ゲルタイムに対してキレート剤（リン酸）単独の非アルカリ性シリカ溶液（マスキングシリカ溶液）では多い添加量を必要とし、硫酸単独では少ない添加量ですみ、キレート剤（リン酸）入りの硫酸の非アルカリ性シリカ溶液（マスキングシリカ溶液）は両者の中間となる。図１において、硫酸（キレート剤入り）は７５％硫酸と７５％リン酸を７：３の質量比で混合したものである。このことから、長いゲルタイムを調整するためには、硫酸のみ、またはキレート入り硫酸の場合は、硫酸の比率が多い方が少量の反応剤ですむ。従って、シリカ溶液の反応生成物も少なくなることがわかる。以上の試験結果より、コンクリート構造体等の周辺の注入領域を固結するに当たって、水溶性反応生成物を少なくし、かつコンクリートの劣化を防ぐためにはコンクリート構造体等の近傍領域にキレート剤含有シリカ溶液を注入し、コンクリート構造体等から離れた領域では硫酸含有非アルカリ性シリカ溶液（マスキングシリカ溶液）、またはリン酸化合物および／または金属イオン封鎖剤をコンクリート近傍よりも少なく含有するシリカ溶液で固結することによって可能である。また、硫酸イオンを含有する非アルカリ性シリカ溶液において，効果的なマスキングシリカを形成するには硫酸イオンおよびリン酸イオンが、９：１〜１：９（ｐｐｍ）が好ましい。
【００６３】
（実施例２）
コンクリート構造体等の周辺地盤中に硫酸イオンが存在している場合、リン酸系化合物を含む非アルカリ性シリカ溶液（注入剤）を注入して、リン酸化合物含有非アルカリ性シリカ溶液のゲルが硫酸イオンのコンクリートに対する影響を遮断する効果（マスキング効果）について、硫酸イオンを共存せしめたリン酸化合物を含有する非アルカリ性シリカ溶液のゲルがコンクリートに対する硫酸イオンの影響を遮断する効果を、下記実施例２で実証した。ここでいうマスキング効果とは、コンクリート表面にキレート効果のあるシリカ溶液でコンクリート表面のＣａ２＋、Ｍｇ２＋を取り込んでＳＯ４２−あるいは海水（Ｃｌ−）等、コンクリートに対して好ましくないイオンに対する防護被覆（マスキングシリカ）をコンクリート表面につくる効果をいう。
【００６４】
キレート剤を含む非アルカリ性シリカ溶液がコンクリート表面のＣａ２＋やＭｇ２＋と反応して、コンクリート表面に防護被覆（マスキングシリカ）を形成するマスキング効果の反応式は以下によると思われる。
【００６５】
（１）キレート剤（ヘキサメタリン酸塩）の反応式の例
キレート剤としてはリン酸系化合物が用いられているが、その例であるヘキサメタリン酸ソーダはリン酸―ナトリウムの溶融によって得られる（ＮａＰＯ３）６または｛（ＮａＰＯ３）ｎ，Ｎａ／Ｐ＝１｝を中心とした重合体の混合物であり、水溶性で水溶液は弱酸性を呈する。
【００６６】
ヘキサメタリン酸ソーダは、食品添加物であって、食肉魚肉安定剤やキレート剤として用いられている。また、コンクリート表面のように、Ｃａ、Ｍｇイオンが存在するとキレート作用によってＣａ、Ｍｇを封鎖してＮａイオンを放出する。
【００６７】
そして、封鎖されたＣａまたはＭｇは、Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋のイオンとしての機能を失って不動態化し、シリカ分と共に不溶性の錯体を形成して内外からのイオンの溶出並びに侵入を阻止する。
【００６８】
コンクリート表面のＣａ、Ｍｇイオンとキレート剤（金属イオン封鎖剤）を含む非アルカリ性シリカ溶液（マスキングシリカ溶液）は、以下のように反応してコンクリート表面にマスキングシリカを形成する。
【００６９】
【００７０】
さらに，非アルカリ性のシリカ溶液が作用して、つぎのような不溶性重合物の被覆（マスキングシリカ）がコンクリート表面上に形成する。
【００７１】
【００７２】
（２）リン酸（リン酸化合物）の反応式の例
同様に，リン酸をもちいた場合でもコンクリート表面のＣａ、Ｍｇイオンとキレート剤は，以下のように反応してコンクリート表面マスキングシリカを形成する。
【００７３】
２Ｈ３ＰＯ４＋Ｃａ２＋ → Ｃａ（Ｈ２ＰＯ４）２＋２Ｈ＋
Ｃａ（Ｈ２ＰＯ４）２＋Ｃａ２＋ → ２ＣａＨＰＯ４＋２Ｈ＋
（Ｈ＋はＯＨ−と反応して水になる）
（Ｍｇの場合も同様に反応する）
【００７４】
ヘキサメタリン酸ソーダ（キレート剤）もリン酸（リン酸化合物）も同様にコンクリート表面にシリカと共に強固な防護被覆をつくり、コンクリートからアルカリの溶出を防ぎ外部からのＳＯ４２−や海水の浸入を防ぎコンクリートを保護するので、いずれもキレート剤とみなす。
【００７５】
（実施例２‐１）
実験方法
図３は、コンクリート構造物への非アルカリ性シリカ溶液の影響を観察するため，容器３Ａ中にモルタル供試体の周辺を薬液２のゲルで固結し密閉した図と容器３Ａ中の固結物を密封容器３Ｂに移して養生水１９中に養生した図を重ねて示している。図３にて、直径５ｃｍ、高さ１０ｃｍで体積１９６ｃｍ３のモルタル供試体１を、体積５００ｃｍ３（直径ｍ＝７ｃｍ、高さ１３ｃｍ）の容器３Ａ中に設置し、モルタル供試体１の外周にモルタル供試体１と同体積に相当する厚み１ｃｍとなるように非アルカリ性シリカ溶液（薬液）２を充填しゲル化させた。その後、地下水存在下でのコンクリート構造物への薬液２の影響を観察するため、直径ｎ＝１７ｃｍの密閉容器３Ｂ、容器３Ａ中に固結物を入れ、ゲル周囲に養生水１９を２０００〜２００００ｍｌ充填した。１、３、１２、３６ヶ月養生しモルタル供試体１の一軸圧縮強度と、養生水（ゲル）のｐＨの変化とコンクリートへの影響を測定した。
【００７６】
図３の容器中に充填した薬液２としては、下記表３の配合のものを使用し、シリカ溶液に硬化剤として、硫酸単独、リン酸単独、硫酸・リン酸併用を配合し、ゲル化時間を約１日とした。下記表３において、硬化剤中のキレート剤としてはリン酸系化合物であるリン酸を配合し、キレート濃度（リンイオン濃度）の違いによるモルタル供試体１の一軸圧縮強度への影響を測定した。表３中、シリカ溶液は３号水ガラス、硫酸は７５％硫酸、キレート剤は７５％リン酸を使用した。
【００７７】
【表３】
※１ 容器内部のゲル化物のｐＨ
※２ キレート剤としてヘキサメタリン酸ナトリウムを使用
【００７８】
図１より同一ｐＨに対し、硬化剤か硫酸のみでは少なくてすみ（配合１）、キレート剤（リン酸）のみでは多く（配合５）必要とすることがわかる。キレート剤入り硫酸の場合はその中間となる。また、図２より、硫酸もリン酸もゲル化時間とｐＨ変化の関係はほぼ同一となる。
【００７９】
（実施例２‐２）
図４は、キレート濃度の違いによるモルタル供試体１の一軸圧縮強度への影響を示すグラフである。表３および図４より以下のことがわかる。配合１では、３ヶ月後にはゲルのｐＨは１１以上に達し、１年後にモルタル供試体１の一部が損壊した。配合２では、１年後の外観上の劣化が一部みられ、ゲルのｐＨは１０に達した。一方、配合３〜９では、養生したモルタル供試体１の表面に白色の被覆が見られ、１年後（３年後も同様）でのゲルのｐＨ値はほぼ中性値を保ち、一軸圧縮強度の経過時間に対する上昇が比較１のイオン交換水で養生したモルタル供試体１よりも上回る結果も得られた。比較２はアルカリ側でゲル化したものであるが、コンクリート表面に白色の被覆は殆んど形成されておらず、１年後の劣化がみられた。また、密閉容器３Ｂの内容物を直径１７〜５０ｃｍの密閉容器３Ａに入れ替えて２０００〜２００００ｍｌの水で養生した。配合３〜９では、養生水１９を２０００〜２００００ｍｌとした場合でも、３年以上経ても劣化はみられなかった。
【００８０】
３ヶ月後の養生水またはゲルのｐＨは、比較１、２および配合１では１１以上の強アルカリとなり、配合２ではほぼ１０になった。それに対して、配合３〜９はコンクリート表面に白色の皮膜を形成しほぼ中性値を呈した。このｐＨが中性値を示す傾向は３年後（このような現象は１０年以上続いてコンクリートの保護をする）でも継続した。これより、配合３〜９は白色の被膜によりコンクリート中のアルカリが溶出せず、同時にＳＯ４２−のコンクリートへの侵入を防ぐことがわかった。これに対して、キレート剤なしの配合１はコンクリート中のアルカリが溶出して劣化（中性化）が生じていることがわかる。これより、キレート濃度３０００ｐｐｍ未満では白色の被覆の形成が不充分で、コンクリートの劣化を抑えることができない。また、アルカリ領域ではキレート濃度が３０００ｐｐｍ以上でも白色の被覆が殆んど形成されず、または白色の被覆の形成が不充分で硫酸の存在下ではコンクリートの劣化を抑えることができない。以上から、マスキングシリカ溶液としての効果は、アルカリを除去した非アルカリ性シリカ溶液を使用した場合において著しいマスキングシリカを形成することがわかる。
【００８１】
なお、図１のモルタル供試体１を薬液２のゲルで包んだまま容器３Ａから容器３Ｂに入れ替えて、３０００ｍｌの養生水中１９に養生した場合は、配合１、２、比較例２のモルタル供試体においても劣化は１年後においても見られなかった。
【００８２】
以上から、本発明におけるマスキングシリカのコンクリートの保護効果は、上記条件下においてゲルがＳＯ４２−を含む薬液や養生水中に置かれてもそれ自体でコンクリートを長期にわたって保護し、地下水によってＳＯ４２−濃度が１０倍〜１００倍に希釈されて最終的に消滅するまでコンクリートを保護することがわかる。
【００８３】
また、ゲル中の硫酸イオンが地下水中に溶出し、地下水中に拡散して反応生成物の濃度が充分希釈されることで、コンクリートの劣化は殆んど生じないことがわかる。しかし、実際の地盤条件によっては、そのような地下水中へのＳＯ４２−の溶出や拡散が生じない場合、あるいはそれまで長期間かかる場合が生ずる。これに対して本発明では、かかる場合マスキングシリカがコンクリートの劣化を防ぐことができる。また、火山滞積物中のトンネル等において、地下水中に３００００ｐｐｍの濃度という高いＳＯ４２−が存在しても、マスキングシリカはコンクリートの劣化を抑制することがわかる。
【００８４】
さらに、以上の実験において、薬液２中にモルタル供試体１を養生してモルタル供試体１が劣化する場合は、養生水もｐＨが１０以上あるいは１１以上の高アルカリを呈することがわかった。これは劣化によってモルタル供試体１中のＣａ２＋が外側に溶出するためと思われる。しかし、キレート剤（リンイオン）を３０００ｐｐｍ以上含有した薬液２（非アルカリ性シリカ溶液）では、ゲル中に高濃度の硫酸イオンが共存しても養生水は中性値を示し、モルタル供試体１の劣化が見られないことがわかった。また、このことより、リンイオンを３０００ｐｐｍ以上含む非アルカリ性シリカ溶液によるゲル化物、あるいは固結体でコンクリートを被覆した場合、地下水または地盤中に高濃度の硫酸イオンが存在していてもコンクリートを保護する効果があることがわかった。従って、キレート効果のある３０００ｐｐｍ以上リンイオンを含む非アルカリ性シリカ溶液（マスキングシリカ溶液）でコンクリート近傍の周辺を覆った場合は、閉塞状態で地下水の希釈がなくてもコンクリートは硫酸イオンによる劣化を防ぐことができる。その間、ゲル中のＳＯ４２―は日時をかけてコンクリート構造物等より遠い領域の開放領域の方向に拡散して、コンクリートに悪影響を生じないまでに希釈される。
【００８５】
また、表３および図３より、モルタル供試体１の表面積と、薬液２中のリン酸系化合物濃度および硫酸イオン濃度から、単位表面積あたりのリン酸系化合物量および硫酸イオン量を求め、下記表４に示した。
【００８６】
【表４】
【００８７】
また、強固な被覆膜を作製するためにはシリカ濃度も重要で、薬液のシリカ濃度が２ｗｔ％≦［ＳｉＯ２］≦５０ｗｔ％であることが必要であり、さらに、リンイオン濃度とシリカ濃度の比が［Ｐ］／［ＳｉＯ２］＝６０〜５０００とすることで、金属イオン封鎖剤により強固な膜ができる。
【００８８】
上記実施例１より、コンクリート構造物等の周辺部、または掘削後コンクリート構造物等を構築する地盤の地盤改良において、使用する薬液２中の硬化剤は、表４、図４および配合３よりモルタル供試体１の単位面積当たり３６ｇ／ｍ２のキレート量以上で強固な防護層を供試体表面に形成し、コンクリートを保護することがわかる。即ち、この値はコンクリートｍ２あたり４．３Ｌに相当し、固結土（固結砂とした場合）（Ｄｒ＝６０％、間隙率０．４３、間隙充填率１００％、配合４のシリカ溶液による固結厚さ１ｃｍ／ｃｍ２）の注入量に相当する。従って、実際の注入においてコンクリート構造物１ｍ２に対して、３０００ｐｐｍ〜１０００００ｐｐｍのリンイオンを含有する非アルカリ性シリカ溶液をホモゲルに換算して１ｃｍ以上の固結厚さに注入すれば、コンクリートを地下水中のＳＯ４２−イオンあるいはゲル中のＳＯ４２−イオンからコンクリートを防護できることがわかる。
【００８９】
また、コンクリート構造物等に対して３０００ｐｐｍ以上のリンイオンを含有するシリカ溶液を注入して、コンクリート表面１ｍ２当り３６ｇ以上のリン酸イオンを含有する固結層を形成すれば、コンクリートを保護できることがわかる。また、このようなリン酸イオンを含有する固結土層をコンクリート表面に０．５ｍ以上形成すれば、コンクリートを防護することができる。実際の注入においては、コンクリート壁面に沿って削孔した注入孔から地盤中に非アルカリ性シリカ溶液を注入することもでき、コンクリート壁面から削孔してコンクリート背面の地盤中に非アルカリ性シリカ溶液を注入してコンクリート面にマスキングシリカを形成できる。
【００９０】
（実施例３）
非アルカリ性シリカ溶液のゲルが周辺に存在するＳＯ４２−のコンクリートに対する影響を遮断する効果
非アルカリ性シリカ溶液（薬液）により固結したキレート層の硫酸イオンの遮断効果について実験した。図５は、実施例３の実験装置を示す図である。実施例１で使用したものと同様のモルタル供試体１（体積１９６ｃｍ３）の周辺に、キレート剤としてリン酸系化合物を含有する注入材を用いＤｒ＝６０％となるように豊浦砂を改良した固結砂層４を、それぞれ層の厚みｍが０、１、２、３ｃｍとなるように作製した（図５参照）。このとき、実施例２の配合３のキレート剤３０００ｐｐｍを含む配合を用いた。
【００９１】
さらに、固結砂層４の周辺に、硬化剤として硫酸を用いた薬液（実施例２の配合１）を用い、Ｄｒ＝６０％となるように豊浦砂（間隙率０．４３）を用いて硫酸イオン入り固結砂層５を作製した（薬液充填率１００％）。硫酸イオン入り固結砂層５中の硫酸イオン濃度は２６，１５０ｐｐｍであり、層の厚さは１０ｃｍである。また、固結砂４の含有硫酸イオン濃度は２７，４００ｐｐｍ，リンイオン濃度は３０００ｐｐｍである。（表３、配合３）
【００９２】
上記条件で、モルタル供試体１を１年間養生し、水中養生したモルタル供試体１と一軸圧縮強度の比較を行った。結果を下記表５に示す。
【００９３】
【表５】
【００９４】
固結砂層４のない実験２−１のモルタル供試体１は亀裂が入って崩壊し、１年後の強度を測定することができなかった。固結砂層４が１ｃｍの実験２−２は、比較の水養生のモルタル供試体１に対し若干低いが、ほぼ同程度の強度が得られた。固結砂層４がそれぞれ２ｃｍ、３ｃｍの実験２−３、２−４は、比較の水養生のモルタル供試体１に対し、同じまたはやや高い強度が得られた。この結果から、固結砂層４により周辺地盤からの硫酸イオンのモルタル供試体１への影響を抑えることができることがわかった。
【００９５】
固結砂層４の厚さは、３０００ｐｐｍのリンイオンを含む薬液を用いた改良土で少なくとも１ｃｍ以上が必要と考えられる。このとき、コンクリート供試体１ｃｍ２当たりリン酸イオン３．６ｍｇ／ｃｍ２が必要であり、薬液（１Ｌあたり３ｇのリン酸イオンを含む）４．３Ｌ／ｍ２が必要である。実際の地盤では、地下水への希釈や地盤中でのリン酸系化合物の拡散が考えられることから、コンクリート構造物等に接する地盤において、硫酸イオンによる改良土の厚さである硫酸イオン入り固結砂層５の１０％以上の厚さの固結砂層４を設けることで、モルタル供試体１の表面にリン酸系化合物によるマスキング効果があり、さらに、少なくともコンクリート構造物の周辺に５ｍの改良地盤を設ける場合、５０ｃｍ程度の固結砂層４を設けることで、硫酸イオンのコンクリートへの影響を少なくすることができる。さらにまた、単位面積あたりのキレート剤量ではコンクリート表面に３．６ｍｇ／ｃｍ２（３６ｇ／ｍ２）以上のキレート剤を含有するサンドゲル層で覆うことで皮膜が形成されることがわかった。
【００９６】
（実施例４）
非アルカリ性シリカ溶液のゲルが、周辺に存在するＳＯ４２−のコンクリートに対し影響を遮断する効果を確認する実験をおこなった。図６に示すような模擬地盤（高さ３０ｃｍ×横６０ｃｍ×幅５０ｃｍ）を作製し、コンクリート領域２０の厚さ１０ｃｍの側面に固結領域２１として厚み１０ｃｍ、固結領域２２として厚み４０ｃｍで、合わせて７５Ｌの固結領域を作製し、改良層に使用した水溶性反応生成物のコンクリート層への影響を調べた。なお、改良層は豊浦砂を用いＤｒ＝６０％に調整した。また、間隙率は０．４３とした。固結領域２１および固結領域２２に使用した薬液を下記表６に示す。
【００９７】
【表６】
【００９８】
コンクリートへの影響試験は，１年後にコンクリート層から供試体（直径５ｃｍ×１０ｃｍ）を成形し強度を測定し，実施例３の比較１の水養生コンクリートモルタルの強度と比較して強度低下が見られたものを×，強度が同じであったものを○とした。
【００９９】
非アルカリ領域における注入地盤の強度は、シリカ濃度で一義的に決まることがわかっている。また、注入地盤の改良に当たっては、改良目的に対してシリカ濃度と固結範囲を定める。従って、ここでは注入領域におけるシリカ濃度と固結範囲を実施例４−１〜４−５まで一定とした。
【０１００】
実施例４−１〜４−５の硬化剤の総イオン量とコンクリート強度の比較を下記表７に示す。総イオン量は間隙率０．４３としたとき、改良層７５Ｌに注入する薬液３２．２５Ｌ中の硫酸イオンとリン酸イオンの総イオン量を示した。実施例４−１ではコンクリートの強度低下が見られたものの、実施例４−２および４−３では強度低下が見られなかった。また、実施例４−４および４−５においては、コンクリート構造物の近傍に非アルカリ性シリカ溶液による固結領域を設けたものはコンクリートの強度低下が見られず、さらに、総イオン量が実施例４−２および４−３と比べて少ないことがわかった。即ち、実施例４−４では、注入領域をコンクリート構造物から近い領域とコンクリート構造物から遠い領域に分け、それぞれ配合３の非アルカリ性シリカ溶液と配合１の非アルカリ性シリカ溶液の注入領域で固結することにより、配合３のみで全体の固結領域を固結するよりも全体の反応生成物を低減させることを可能にした。また、実験４−４、実験４−５においても、同じくいづれも水溶性反応生成物を大幅に低減させることがわかった。このように、コンクリート構造物の近傍に非アルカリ性シリカ溶液による固結領域を設けることで、硫酸のコンクリートへの影響を防ぐことができ、また総イオン量を少なくすることができる。
【０１０１】
【表７】
【０１０２】
共同溝を構築するに当たって、図７は、非アルカリ性シリカ溶液を地盤に注入して固結した図である。注入管６で掘削後構築する予定のコンクリート構造物１０周辺領域８にキレート効果のある非アルカリ性シリカ溶液を注入し、その周辺部の領域にキレート効果の弱い（またはキレート効果のない）非アルカリ性シリカグラウトの注入領域９を設けた。
【０１０３】
図８は、非アルカリ性シリカ溶液を地下構造物の周りの地盤に注入する方法を示す図である。地下水がＳＯ４２−や海水を含む地盤２４、または火山滞積物中に構築されたトンネルのコンクリート１０の劣化を防ぐために、トンネル２５内部から削孔して地下構造物１０の周りの地盤（拘束系領域）の領域８にキレート効果のある非アルカリ性シリカ溶液（マスキングシリカ溶液）を注入してコンクリートの劣化を防いだ。また、地盤中のコンクリート１０が地下水や注入液に含まれる硫酸イオンや塩素イオンによって劣化したり劣化する可能性があるため、コンクリート１０の背面の地盤に非アルカリ性シリカ溶液を注入してコンクリートの劣化の防止または補修している。さらに、非アルカリ性シリカ溶液を注入するに先立ってコンクリート１０の背面にセメント系グラウトを注入管６で注入する。なお、図中、２６は車を示す。
【０１０４】
図９は、非アルカリ性シリカ溶液を住宅の周りの基礎地盤に注入する方法を示す図である。構造物（住宅）１３の周りの基礎地盤（拘束系領域）にキレート効果のある非アルカリ性シリカ溶液（マスキングシリカ溶液）８を注入して地盤を改良した。さらに、構造物１３に接しない地盤（開放系領域）にはキレート効果の弱い（またはキレート効果のない）非アルカリ性シリカ溶液９を注入した。
【０１０５】
図１０は、非アルカリ性シリカ溶液を道路や飛行場滑走路の近傍の地盤に注入する方法を示す図である。道路１４の近傍の地盤（拘束系地盤）の下方の未固結領域１８下に、キレート効果のある非アルカリ性シリカ溶液（マスキングシリカ溶液）８を注入して地盤を改良した。また、道路１４が護岸のコンクリート構造物に相当する場合も同様である。さらに、その下の地盤９（開放系領域）にはキレート効果の弱い（あるいはキレート効果のない）非アルカリ性シリカ溶液９を注入した。
【０１０６】
図１１は、非アルカリ性シリカ溶液をタンクの基礎の地盤に注入する方法を示す図である。タンク等のタンク状構造物１５の直下の地盤（拘束系領域）にキレート効果のある非アルカリ性シリカグラウト８を注入して地盤を改良した（内部直下改良ゾーン）。さらに、タンク等の構造物１５に接しない外周並びに下方の層（開放系領域）の地盤にはキレート効果の弱い（またはキレート効果のない）非アルカリ性シリカ溶液９を注入した（外部改良ゾーン）。なお、図中、８ａはキレート効果のある非アルカリ性シリカ溶液（マスキングシリカ溶液）、１６は液状化層、１７は非液状化層を示す。
【符号の説明】
【０１０７】
１ モルタル供試体
２ 非アルカリ性シリカ溶液（薬液）
３Ａ 容器
３Ｂ 密閉容器
４ 固結砂層
５ 硫酸イオン入り固結砂層
６ 注入管
７ 共同溝
８ キレート効果のある非アルカリ性シリカ溶液
８ａ キレート効果のある非アルカリ性シリカ溶液の固結領域
９ キレート効果の弱い（又はキレート効果のない）非アルカリ性シリカ溶液の固結領域
１０ 地下構造物
１１ 構造物
１２ 斜面の擁壁
１３ 住宅
１４ 道路
１５ タンク状構造物
１６ 液状化層
１７ 非液状化層
１８ 未固結領域
１９ 養生水
２１ コンクリート領域
２２ 固結領域Ａ
２３ 固結領域Ｂ
２４ 地下水がＳＯ４２−や海水を含む地盤
２５ トンネル
２６ 車
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンクリート構造物または土中埋設物の近傍の地盤に、リン酸化合物を含む非アルカリ性シリカ溶液を注入して、地盤を改良する地盤改良工法であって、
前記非アルカリ性シリカ溶液のシリカ濃度が、次式、
（Ａ）２ｗｔ％≦［ＳｉＯ２］≦５０ｗｔ％
（式中、［ＳｉＯ２］は溶液中のシリカ濃度（％）を示す）を満たし、かつ
前記非アルカリ性シリカ溶液のリン酸化合物によるリン酸イオン濃度が、次式、
（Ｂ）３０００ｐｐｍ≦［Ｐ］≦１０００００ｐｐｍ
（式中、［Ｐ］は溶液中のリン酸イオン濃度（ｐｐｍ）を示す）を満たすものであり、
前記非アルカリ性シリカ溶液が、コンクリート表面１ｍ２当たり３０００ｐｐｍ以上のリン酸イオン濃度になるリン酸化合物を有効成分として含み、ホモゲルに換算して１ｃｍ以上の固結層厚さになるように前記非アルカリ性シリカ溶液を注入して、
硫酸イオンおよび／または海水からのコンクリートへの影響を防護することを特徴とする地盤改良工法。
【請求項２】
前記コンクリート構造物に対して、前記非アルカリ性シリカ溶液を注入してコンクリート表面１ｍ２当り３６ｇ以上のリン酸イオンを含有する固結層を形成する請求項１記載の地盤改良工法。
【請求項３】
前記非アルカリ性シリカ溶液が水ガラスによるシリカを含む場合、前記非アルカリ性シリカ溶液のシリカ濃度が、次式、
（Ａ）２ｗｔ％≦［ＳｉＯ２］≦１０ｗｔ％
（式中、［ＳｉＯ２］は溶液中のシリカ濃度（％）を示す）を満たす請求項１または２記載の地盤改良工法。
【請求項４】
地盤中の地下水の、硫酸イオンや塩素イオンからのコンクリートへの影響を防護する請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の地盤改良工法。
【請求項５】
前記非アルカリ性シリカ溶液が、リン酸化合物の含有により、または更に当該非アルカリ性シリカ溶液への硫酸化合物の添加により、非アルカリ性のｐＨ領域に調整される請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の地盤改良工法。
【請求項６】
前記非アルカリ性シリカ溶液の注入により、コンクリート表面に厚さが０．５ｍ以上の固結層を設ける請求項２記載の地盤改良工法。
【請求項７】
液状化対策工に用いた請求項１〜６のうちいずれか一項に記載の地盤改良工法。
【請求項８】
コンクリートの劣化の防止または補修する請求項１〜７のうちいずれか一項に記載の地盤改良工法。
【請求項９】
前記非アルカリ性シリカ溶液を注入する前に、前記コンクリート構造物または前記土中埋設物の背面に、セメント系グラウトを注入する請求項８記載の地盤改良工法。
【請求項１】
コンクリート構造物または土中埋設物の近傍の地盤に、リン酸化合物を含む非アルカリ性シリカ溶液を注入して、地盤を改良する地盤改良工法であって、
前記非アルカリ性シリカ溶液のシリカ濃度が、次式、
（Ａ）２ｗｔ％≦［ＳｉＯ２］≦５０ｗｔ％
（式中、［ＳｉＯ２］は溶液中のシリカ濃度（％）を示す）を満たし、かつ
前記非アルカリ性シリカ溶液のリン酸化合物によるリン酸イオン濃度が、次式、
（Ｂ）３０００ｐｐｍ≦［Ｐ］≦１０００００ｐｐｍ
（式中、［Ｐ］は溶液中のリン酸イオン濃度（ｐｐｍ）を示す）を満たすものであり、
前記非アルカリ性シリカ溶液が、コンクリート表面１ｍ２当たり３０００ｐｐｍ以上のリン酸イオン濃度になるリン酸化合物を有効成分として含み、ホモゲルに換算して１ｃｍ以上の固結層厚さになるように前記非アルカリ性シリカ溶液を注入して、
硫酸イオンおよび／または海水からのコンクリートへの影響を防護することを特徴とする地盤改良工法。
【請求項２】
前記コンクリート構造物に対して、前記非アルカリ性シリカ溶液を注入してコンクリート表面１ｍ２当り３６ｇ以上のリン酸イオンを含有する固結層を形成する請求項１記載の地盤改良工法。
【請求項３】
前記非アルカリ性シリカ溶液が水ガラスによるシリカを含む場合、前記非アルカリ性シリカ溶液のシリカ濃度が、次式、
（Ａ）２ｗｔ％≦［ＳｉＯ２］≦１０ｗｔ％
（式中、［ＳｉＯ２］は溶液中のシリカ濃度（％）を示す）を満たす請求項１または２記載の地盤改良工法。
【請求項４】
地盤中の地下水の、硫酸イオンや塩素イオンからのコンクリートへの影響を防護する請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の地盤改良工法。
【請求項５】
前記非アルカリ性シリカ溶液が、リン酸化合物の含有により、または更に当該非アルカリ性シリカ溶液への硫酸化合物の添加により、非アルカリ性のｐＨ領域に調整される請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の地盤改良工法。
【請求項６】
前記非アルカリ性シリカ溶液の注入により、コンクリート表面に厚さが０．５ｍ以上の固結層を設ける請求項２記載の地盤改良工法。
【請求項７】
液状化対策工に用いた請求項１〜６のうちいずれか一項に記載の地盤改良工法。
【請求項８】
コンクリートの劣化の防止または補修する請求項１〜７のうちいずれか一項に記載の地盤改良工法。
【請求項９】
前記非アルカリ性シリカ溶液を注入する前に、前記コンクリート構造物または前記土中埋設物の背面に、セメント系グラウトを注入する請求項８記載の地盤改良工法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−２３１３２７（Ｐ２０１１−２３１３２７Ａ）
【公開日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２７３５８（Ｐ２０１１−１２７３５８）
【出願日】平成２３年６月７日（２０１１．６．７）
【分割の表示】特願２００８−２９２３９６（Ｐ２００８−２９２３９６）の分割
【原出願日】平成２０年１１月１４日（２００８．１１．１４）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 〔発行者名〕 社団法人土木学会 〔刊行物名〕 第６３回年次学術講演会講演概要集（ＣＤ−ＲＯＭ） 〔発行年月日〕 平成２０年８月１３日
【出願人】（０００１６２６５２）強化土エンジニヤリング株式会社 (116)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月７日（２０１１．６．７）
【分割の表示】特願２００８−２９２３９６（Ｐ２００８−２９２３９６）の分割
【原出願日】平成２０年１１月１４日（２００８．１１．１４）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 〔発行者名〕 社団法人土木学会 〔刊行物名〕 第６３回年次学術講演会講演概要集（ＣＤ−ＲＯＭ） 〔発行年月日〕 平成２０年８月１３日
【出願人】（０００１６２６５２）強化土エンジニヤリング株式会社 (116)
【Ｆターム（参考）】
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