地盤改良工法
【課題】地盤改良領域全体におけるシリカ注入材の反応生成物の影響を低減し、コンクリート構造物または土中埋設物に接する硫酸イオンを減少させることにより、コンクリート構造物等を保護すると共に、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。
【解決手段】コンクリート構造物の近接部或いは掘削後コンクリート構造物を構築する予定部の近接部に硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ系注入材系注入材を注入することにより地盤改良領域２を形成する地盤改良工法である。地盤改良領域の地下水面下２の固結土、或いは地盤開領域全体の硫酸イオン濃度の平均が１００００ｐｐｍ以下部分的になるように硫酸系非アルカリ性シリカ注入材を注入する。
【解決手段】コンクリート構造物の近接部或いは掘削後コンクリート構造物を構築する予定部の近接部に硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ系注入材系注入材を注入することにより地盤改良領域２を形成する地盤改良工法である。地盤改良領域の地下水面下２の固結土、或いは地盤開領域全体の硫酸イオン濃度の平均が１００００ｐｐｍ以下部分的になるように硫酸系非アルカリ性シリカ注入材を注入する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンクリート構造物や土中埋設物の近傍部の耐震補強や、注入後掘削してコンクリート構造物を構築する地盤改良工法に関し、詳しくは、液状化対策工等の半永久的に耐久性が要求されると共にコンクリート構造物や土中埋設物に永続的に接触するため地中構造物に悪影響を及ぼさないことが要求される地盤改良に関する。特に、地盤改良領域全体におけるシリカ注入材の反応生成物の影響を低減し、コンクリート構造物または土中埋設物に接する硫酸イオンを減少させることにより、コンクリート構造物等を保護すると共に、地下水中における反応生成物を少量におさえて水質保全を可能にする地盤改良工法であって液状化対策工や河川付近の地盤注入等に優れた改良工法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリカを主剤とした薬液注入による地盤改良工事において、液状化対策工等、構造物近傍部を中心として広範囲に経済的に地盤改良を行う場合、長いゲル化時間で長期耐久性を得る事が必要となる。このためには水ガラス注入材（水ガラスグラウト）の劣化要因であるアルカリを酸で除去した酸性シリカ溶液を用いる事が必要となる。このため水ガラス中のアルカリを除去してシリカを固結する為の硬化剤として硫酸が使用されている。硫酸は、他の酸や塩に比べ添加量が少なくてもｐＨを変化させることができる。そのため、シリカ以外の水溶性反応副生成物の少ない地盤改良を行えることから、反応生成物の量から考えると周囲の環境に影響を与えにくいという利点を有している。
【０００３】
しかし、建造物の液状化対策における薬液注入において、非アルカリ性の注入材を用いた地盤改良を行う際、ゲル化物中の水溶性反応副生成物である硫酸ソーダや過剰硫酸にかかわる硫酸根が溶出して、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、コンクリート構造物や水質に悪影響を及ぼすことがある。ここで、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マンホール等や地中間等の地中埋設コンクリートを挙げることができる。
【０００４】
図１０にシリカ系溶液とｐＨの関係を示す。従来非アルカリ領域のシリカ溶液を得るためにそこで、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注入材、或いは活性シリカを増粒したシリカコロイド系注入材、或いはシリカコロイドと水ガラスと酸を混合した非アルカリ性シリカ注入材、水ガラスと酸を混合してなる酸性シリカ注入材、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注入材が提案されている。
【０００５】
かかるシリカ注入材は、ゲル化時間が長く、広範囲な浸透性に優れ、かつ、水ガラス注入材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、広範囲にわたって耐久性の優れた固結領域を得る点で、他のアルカリ領域の水ガラス注入材では得られない特異な特性を有している。
【０００６】
上記酸としては、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、あるいは硫酸塩、リン酸塩、アルミニウム塩等の酸性塩が用いられる。その際、硫酸は２価の酸であり、酸性領域では１価で反応するリン酸と比べ、少量の添加によりｐＨが調整できることから、注入材のｐＨ調整剤として利便性に優れている。
【０００７】
また、これら以外にも、水ガラス系注入材を用いた地盤の改良技術として、特許文献１には、水ガラスに金属イオン封鎖剤やリン酸系化合物を含有させる技術が開示されている。これによれば、コンクリート構造物等からのアルカリの溶出を防止し、水ガラスのゲル化物がアルカリによって溶解することを防止することができるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第２５５２６１２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、硫酸イオンは、セメント硬化物中の水酸化カルシウムと反応してセッコウを生成し、生成したセッコウは、セメント硬化体中のカルシウムアルミネートやアルミン酸三カルシウム（Ｃ３Ａ）の水和によりエトリンガイトを生成し、生成したエトリンガイトは、結晶を生成する際に大きな体積膨張を示し、この際の膨張圧によりコンクリートは損傷を受けることがすでに知られている。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、硫酸を用いながら地盤改良領域全体におけるシリカ注入材の反応生成物の影響を低減しつつ、コンクリート構造物または土中埋設物に接する硫酸イオンを減少させることにより、コンクリート構造物等を保護すること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】
【００１１】
本発明者らは、上記課題を解決するために以下の点につき鋭意検討を行った。
すなわち、本発明の地盤改良工法は、コンクリート構造物の近接部或いは掘削後コンクリート構造物を構築する予定部の近接部に硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ系注入材を注入するに当たって、硫酸を使用しながらコンクリートに悪影響を与えないことにより地盤改良領域を形成する地盤改良工法に関わる。
【００１２】
従来、水ガラスを酸性領域でゲル化せしめに当たって酸として、硫酸やリン酸、或いは硫酸とリン酸を併用して、水ガラス中のアルカリを除去して得られた酸性〜中性の水ガラスグラウトを地盤に注入する方法はすでに本出願人によって発明されている。また、リン酸やリン酸塩等の金属イオン封鎖材を含む酸性水ガラスグラウトがコンクリート表面に被覆層を形成しコンクリートのアルカリの溶出を防ぐ事も本出願人によって報告されている。
【００１３】
また本発明者は注入対象地盤において、非アルカリ性シリカ溶液に用いる酸として硫酸が最も効率的かつ経済的で反応生成物が少ない事に着目して中和剤として硫酸を有効成分として用いながら地下水面下の注入地盤における硫酸イオンの含有量がコンクリート構造物に悪影響を及ぼさない濃度とすることが重要となる。
【００１４】
このため本出願人は長年にわたる種々の研究の結果、硫酸イオンの水溶液のコンクリートに対する影響、非アルカリ性シリカ溶液により固結した固結土の硫酸イオンの限度とコンクリートへの影響を明らかにし、かつ地盤中の固結土ならびに注入対象地盤全体における硫酸イオンのコンクリートに影響を生ずる濃度を明らかにした。コンクリートに対する硫酸イオンを含む注入材の影響は、単に硫酸や硫酸ナトリウム水溶液中に養生した場合の影響とは異なること、コンクリートに対する硫酸イオンの影響は注入材に含まれる硫酸イオンで決まるものではなく固結土（サンドゲル）から溶出される硫酸イオン濃度で決まること、さらに、硫酸を用いた非アルカリ性シリカ系注入材による固結土を水中に養生した場合の反応生成物である硫酸塩が遅かれ早かれ養生水中に殆んど全量溶出し、その速度は地盤条件や地下水条件、コンクリート構造物の位置関係や構造物に関係があることを見出した。
【００１５】
即ち本発明者らは従来の酸性水ガラスグラウトのコンクリート構造物に対する影響を酸性水ガラスグラウトの組成即ち水ガラスと硫酸やリン酸の濃度や配合比率のみに着目していたことから発想を転換して、コンクリートに対する影響は酸性水ガラスによる固結土（サンドゲル）の硫酸イオンの濃度によるものであり更にそのサンドゲルから地盤改良領域の地下水中に溶出した水溶性反応生成物の濃度によるものであり、かつその濃度は注入条件、土質条件、地下水条件やコンクリート構造物との位置関係と関係があり、更にこれらとの関連のもとに経時的に濃度が変化することに着目した。そして、地下水面下における固結土の硫酸イオン濃度とコンクリート構造物への影響、並びに地盤改良領域全体における地下水中の硫酸イオン濃度の変化も考慮して本発明を完成した。またこれらの研究結果に基づいて硫酸イオンを含有する非アルカリ性シリカ系注入材を注入するに当たって、コンクリートに悪影響を与えない注入設計法と注入工法を発明するに至った。
【００１６】
以上の考えに基づいて本出願人は地盤中における硫酸イオン濃度がコンクリートに影響を生じないようにする以下の手法を見出した。すなわち、
（１）非アルカリ性シリカ溶液を処方するに当たって硫酸以外の酸を用いて硫酸使用量を少なくする例えば塩化アルミニウム等の非硫酸系酸性塩等やリン酸やリン酸塩等でを硫酸単独で用いた場合、その水ガラス濃度で所定のゲルタイムを得るために必要な硫酸の量の一部を置き換えて硫酸と併用する。
（２）充分な量の硫酸を有効成分とする非アルカリ性シリカグラウトを地盤中に注入して地盤全体として注入対象地盤における地下水の硫酸イオンがコンクリートに影響を与えない濃度になるようにする。
【００１７】
具体的には、（ｉ）地盤改良領域に部分的に注入する。即ち、固結部の間に非固結部を介在させる。その後固結砂から注入していない部分に水溶性反応生成物である硫酸イオンが経時的に溶出して地下水により地盤改良領域全体に拡散、希釈する。これによって注入当時の固結部の硫酸イオン濃度に比べて全体の地盤改良領域では硫酸イオンの濃度が低くなる。この結果、注入液そのものの硫酸イオン濃度は高くても地盤全体の地下水の硫酸イオン濃度がコンクリートに悪影響を及ぼさない濃度まで低減する。
【００１８】
（ｉｉ）上記（ｉ）の硫酸系シリカグラウトを注入していない部分には非硫酸系シリカグラウト或いはより硫酸含有量の少ない低濃度硫酸系シリカグラウト或いはアルカリ系シリカグラウトを注入して地盤改良領域全体としてコンクリートに悪影響を及ぼさない硫酸イオン濃度となり、かつ地盤改良領域全体の注入固結効果を確保する。
【００１９】
この場合、アルカリ性シリカ系注入材はゲル中に過剰のアルカリや未反応水ガラスが残存しているため耐久性は得られないが、硫酸系酸性シリカ注入材固結領域から溶出した過剰の酸がアルカリ性シリカ注入材の注入領域に侵入してきて過剰のアルカリを中和して耐久性を改善することができる。その結果、地盤改良領域全体を耐久性のある固結領域をとすることができる。また、硫酸イオンを含まないシリカ系注入材としては、リン酸で水ガラス中のアルカリを除去したリン酸性シリカ系注入材が挙げられ、また、硫酸含有量の少ない低硫酸性シリカ系注入材としては、そのシリカ濃度で硫酸のみで所定のゲルタイムを得るために必要な硫酸の一部をリン酸に置き換えたものや、塩化アルミニウムや酸性リン酸ソーダ等の酸性塩に置換えた酸性シリカ系注入材、等を用いる事ができる。
【００２０】
また、地盤改良領域が貝殻やコーラルサンド等石灰質の多い地盤であれば、そのカルシウム分が硫酸イオンと反応して硫酸カルシウムとなり硫酸イオンを固定する。また、硫酸イオンを含む酸性シリカ系注入材に硫酸イオンを固定する反応剤を加えて注入するか、注入前の地盤に、予めまたは注入後に硫酸イオンを固定する反応剤の水溶液を地盤中に注入する。この場合、地盤中にカルシウム塩が存在すると硫酸と反応して硫酸イオンが固定されて硫酸イオンが低減させることができる。上記反応剤としてはカルシウムやマグネシウムの炭酸塩や水酸化物を挙げることができる。
【００２１】
硫酸系非アルカリ性シリカによる固結土が長期にわたって接触する可能性のある特にコンクリート近傍部あるいは接触部は、不透水性の固結領域によって拘束されている状態になっているため地下水によってサンドゲル中の硫酸イオンは溶出しにくく希釈されにくい。このため、コンクリート構造物と上記改良部にはさまれた領域にはコンクリート保護機能を有するリン酸系非アルカリ性シリカ系注入材の固結体や硫酸イオンを含まないシリカ系注入材による固結領域で硫酸イオンの影響を遮断する方法をとるこができる。特に、トンネルや共同溝のように中空コンクリート構造物はゲル化物の溶出水はコンクリートや亀裂を通して中空部に侵入した場合、注入液の硫酸イオン濃度が低くてもコンクリートも内部溶出水が蒸散して硫酸イオン濃度が濃縮する危険があるので外周部にはリン酸系非アルカリ性シリカ系注入材を注入することが好ましい。
【００２２】
以下に本出願人による実証試験結果を説明する。通常水ガラスを有効成分として硫酸のみで水ガラス中のアルカリを除去する場合、水ガラスのモル比が２．８〜５．０で水ガラスに起因するシリカ濃度が２〜１５質量％でゲル化時間が１時間〜２０時間の場合、硫酸イオンの濃度は１６００００ｐｐｍ〜８５００ｐｐｍである。そこで硫酸イオンで５００００ｐｐｍ、１００００ｐｐｍ、８０００ｐｐｍ、５０００ｐｐｍ、３０００ｐｐｍ、０ｐｐｍ（ブランク）の濃度の硫酸ナトリウム水溶液の養生水にコンクリート供試体（直径５ｃｍ×１０ｃｍ）を浸漬し、一定期間養生後、ダイヤモンドカッターで切断しフェノールフタレインにて浸食深さを測定した。その結果、５００００〜１００００ｐｐｍのものは明らかに浸食深さが認められた、それに対し、５０００ｐｐｍ以下は殆ど浸透がみられなかった。８０００ｐｐｍは１年後にいくらかに浸食がみられた。
【００２３】
図１に硫酸ナトリウム水溶液にコンクリート供試体を浸漬し、硫酸イオンの濃度によるコンクリートの影響を観察した結果を示す。これより、１年以内でコンクリート構造物に影響を与える硫酸イオン濃度は１００００以上が著しく、５０００ｐｐｍ以下は１年以上でも殆んどなく、１年後にコンクリートに影響を与える硫酸イオンの濃度は１００００ｐｐｍ〜５０００ｐｐｍの間にある事がわかった。このため本出願人はさらに。３ヶ月、６ヶ月、１年後においてそれぞれの濃度のコンクリート供試体表面の状況を確認したところ硫酸イオン濃度が５０００ｐｐｍ以下ならば１年後でも変化はない。硫酸イオン濃度が１００００ｐｐｍの場合では３ヶ月までは変化がないが６ヶ月後には膨張剥離が現れ１年後には顕著になる（表１）。
【００２４】
【表１】
○：外観形状に異常なし
△：表面は膨張し、一部表面が剥離している
×：表面は膨張し、表面の剥離が著しい
【００２５】
さらに本出願人は径５ｃｍ×高さ１０ｃｍのモルタル供試体を埋めこんだ同一体積の酸性硫酸系シリカグラウト（硫酸イオン濃度５００００ｐｐｍ）で固めたサンドゲルの供試体３００ｍＬ（間隙率０．４、充填率１）をつくりこれを１０倍の養生水中に養生して養生水中に溶出した硫酸イオン濃度を測定した。また溶出した硫酸イオンからサンドゲル中の硫酸イオン濃度を計算したものを図２に示す。これよりこのサンドゲルの大きさと養生条件下では３ヶ月以内にサンドゲル中のほぼ全量の硫酸イオンが溶出することが判った。
【００２６】
上記結果により、固結体（サンドゲル）から硫酸イオンが地下水中に溶出して最終的には全体的に注入時の固結体が含有する硫酸イオン濃度より地盤改良領域全体の硫酸イオン濃度は低くなる事が判った。実際の現場ではその固結体中の硫酸イオンの低減速度は固結体の大きさ、土質の透水性、地下水流の速度、建造物との位置関係等によるが最終的に硫酸イオンは地盤改良領域全体に拡散して均一化することが判る。一方固結体（サンドゲル）ゲル中に残存する硫酸イオン濃度の低減は地下水中の硫酸イオンの濃度の増大を意味する。そして最終的には地盤改良領域の硫酸イオン濃度は平均化することになる。したがって、注入対象地盤全体の地下水の硫酸濃度とコンクリートの影響が問題となる。
【００２７】
コンクリート構造物の接触部等の直近部ではコンクリート構造物と周辺部の注入による不透水性の固結部で拘束されているためゲル中の硫酸イオンは希釈の程度が少なく長期間ゲル中に残存すると思われるが徐々に地盤改良領域の外周部から硫酸イオンが周辺地下水中に溶出して、地盤改良領域全体の硫酸イオン濃度は低下し、それにつけてコンクリート構造物直近部の固結体中の硫酸イオンは少なくなる。しかしながら、コンクリート直近部の硫酸イオン濃度の低減速度は前述の要件によって異なるので不明確である。このため、コンクリート直近部や接触部では硫酸系非アルカリ性シリカグラウトの固結部分とコンクリート構造物の間の領域にリン酸系非アルカリ性シリカグラウトによる固結部を介在させることが好ましい。この場合、コンクリートを硫酸イオンがアタックする前にリン酸イオンがコンクリートに到達してコンクリートのカルシウム分と反応してシリカ分と共にキレート効果による防護皮膜をコンクリート表面に形成して硫酸イオンを遮断する。以上より本出願人は施工時の注入地盤全体の硫酸イオンが１００００ｐｐｍ以下にしておけば式１の各種要因により１年経るうちに地盤改良領域の硫酸イオン濃度はほぼ１／２に低減するものとした。そしてコンクリートに対する硫酸イオンの悪影響は半年〜１年で表れるので、地盤改良領域全体の平均硫酸イオン濃度が５０００ｐｐｍの濃度に１年以内に低減すればコンクリートには悪影響をもたらさない事が推測された。
なお、発明に示される地盤改領域の硫酸イオン濃度は
地盤の単位体積中の硫酸イオン濃度Ｘ（ｐｐｍ）＝硫酸イオン量（ｍｇ）／地盤の単位体積１０ｃｍ３（１Ｌ）
で表わされる。
【００２８】
かかる知見に基づき、本発明者らはさらに鋭意検討をした結果、下記構成とすることにより、上記課題を解消することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００２９】
本発明の地盤改良工法は、コンクリート構造物の近接部或いは掘削後コンクリート構造物を構築する予定部の近接部に硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ系注入材を注入することにより地盤改良領域を形成する地盤改良工法において、
地下水面下の硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ注入材による固結土または地盤改良領域全体の硫酸イオン濃度の平均値によりコンクリート構造物への影響を評価することを特徴とするものである。
【００３０】
また、本発明の他の地盤改良工法は、コンクリート構造物の近接部或いは掘削後コンクリート構造物を構築する予定部の近接部に硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ系注入材を注入することにより地盤改良領域を形成する地盤改良工法において、
前記地盤改良領域の地下水面下に含まれる硫酸イオン濃度の平均が１００００ｐｐｍ以下になるように注入することを特徴とするものである。ここで、非アルカリとはｐＨが８以下を意味する。
【００３１】
本発明においては、水ガラスに起因するシリカ分が２〜１５質量％であり、かつ、ｐＨが１〜８であることが好ましい。また、本発明においては、前記地盤改良領域に含まれる硫酸イオン濃度の平均が８０００ｐｐｍ以下であることが好ましい。さらに、本発明においては、前記硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ系注入材が、硫酸の他に非硫酸の酸性成分を含み硫酸イオン濃度の平均が２００００ｐｐｍ以下であることが好ましい。さらにまた、本発明においては、前記硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ系注入材を、地盤改良領域に部分的に注入することが好ましい。また、本発明においては、硫酸イオンを含まないシリカ系注入材または硫酸イオン含有量が前記硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ系注入材より少ない酸性シリカ系注入材を、前記硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ系注入材が注入されていない部分に注入することが好ましい。さらに本発明においては、さらに硫酸イオンの固定化材としてカルシウム塩を有効成分とする注入材を注入することが好ましい。さらにまた、本発明においては、前記硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ系注入材が、活性シリカまたはコロイダルシリカを含むことが好ましい。また、本発明においては、前記硫酸イオンを含まない非アルカリ性シリカ系注入材または硫酸イオン含有量が前記硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ系注入材より少ない酸性シリカ系注入材が、リン酸またはリン酸化合物を有効成分として含むことが好ましい。さらに、本発明においては、コンクリート構造物と前記硫酸イオンを含むシリカ系注入材を注入する領域の間の領域にリン酸若しくはリン酸化合物を有効成分とする注入材またはアルカリ系シリカ注入材を注入することが好ましい。
【００３２】
以上の研究結果に基づき本発明者らは、上記課題を解決するために、鋭意検討した結果、コンクリート構造物を構築する予定部の近接部に硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ系注入材を以下の注入設計で注入することにより地盤固結領域を形成する地盤注入工法において、コンクリートに接する硫酸イオンを低減することでコンクリート保護構造を保護することを可能にした。
【００３３】
地盤中に注入された注入液のゲル化物中における硫酸イオンのコンクリートに対する影響は容器中におけるコンクリートと硫酸イオンの関係とは異なる。本出願人は永年にわたる研究の結果、地盤中におけるゲル中の硫酸イオンの挙動を研究した。容器中における硫酸イオンのコンクリートに対する影響を基本にして以下の要因を考慮して地盤注入の設計を行って注入することが可能である事を見出し本発明を完成した。即ち、本出願人は硫酸イオンのコンクリートに対する影響は注入対象地盤における固結土、あるいは地盤改良領域全体の硫酸イオン濃度であり、その濃度として以下の式（１）のＸであることを見出し、コンクリートに対する要因を明らかにした。これにより硫酸系非アルカリ性シリカ注入材による固結土の注入後の改良地盤中の硫酸イオン濃度Ｘ（ｐｐｍ）を次式を満たす地盤改良設計方法、およびそれを用いた非アルカリ性シリカ系注入材の注入方法の実用化が可能になった。
Ｘ１＝ｎ×Ａ×ａ・・・式（１）
Ｘ１：地盤改良領域全体の硫酸イオン濃度（ｐｐｍ）
ｎ：土の間隙率（％）／１００
Α：注入材による間隙充填率（％）／１００
ａ：ホモゲルの硫酸イオン含有量（ｐｐｍ）
Ｘ１≦Ｗ１・・・式（２）
【００３４】
硫酸イオンの変動Ｙを考慮する場合は
Ｘ２＝ｎ×Ａ×ａ×Ｙ・・・式（３）
Ｘ２：地盤改良領域全体の硫酸イオン濃度（ｐｐｍ）
ｎ：土の間隙率（％）／１００
Α：注入材による間隙充填率（％）／１００
ａ：ホモゲルの硫酸イオン含有量（ｐｐｍ）
Ｙは下記パラメータのいずれか一つまたは複数
Δ１：改良領域中の注入部分の割合（％）
Δ２：地下水中への硫酸イオンの溶出による経時的変化率（＝α）Δ２＝１−α
Δ３：地盤中への硫酸イオンの固定率（＝β）Δ３＝１−β
Δ４：注入材中の非硫酸系反応材による硫酸イオンの置換率
Ｘ≦Ｗ２・・・式（４）
Ｗ１，２は構造物の重要度、地盤条件、地下水条件、地中構造物との位置関係、地中構造物の構造によって定める。
【００３５】
さらに、式（２）、式（４）においてＷ１，２≦１００００ｐｐｍとする。
式１〜４においてｎ×Ａを注入率Ｂ（単位土量当たりの注入量）としてもよい。例えば１ｍ３の土を改良するのに用いる注入量が０．４ｍ３とすると注入率Ｂ＝０．４となる。
【００３６】
＜具体例＞
硫酸系非アルカリ性シリカ注入材の注入後の改良地盤中の硫酸イオン濃度Ｘ（ｐｐｍ）は、式（１）より求めることができる。
Ｘ１＝ｎ×Ａ×ａ
ここで、ｎは土の間隙率（％）／１００、Ａは注入材による間隙充填率（％）／１００、ａはホモゲル（注入液に相当する）の硫酸イオン含有量（ｐｐｍ）である。
例えばｎ＝０．４、Ａ＝１、ａ＝２５０００ｐｐｍ、とすると、
Ｘ１＝０．４×１×２５０００（ｐｐｍ）
＝１００００（ｐｐｍ）
【００３７】
また、地盤改良領域の硫酸イオン濃度Ｘ（ｐｐｍ）は以下の式で求められる。
Ｘ２＝ｎ×Ａ×ａ×Ｙ・・・式（３）
において、例えば、Δ１＝４０％に、上記の硫酸系シリカ注入材を使用した場合、改良地盤領域の硫酸イオンは、
Ｙ＝０．４×１×２５０００×０．４
＝４０００ｐｐｍ
【００３８】
これより、改良地盤中の固結土の硫酸イオン濃度は、１００００ｐｐｍとなる。通常、水ガラスのシリカ濃度が４〜５質量％の場合、硫酸単独で用いる場合、硫酸イオン濃度が５００００〜３００００ｐｐｍ必要である。従ってａ＝２５０００ｐｐｍにするには硫酸の不足分をリン酸やＡｌＣｌ３等で置換えれば良い事が判る。
ａ＝２００００ｐｐｍ、ｎ＝０．４、Ａ＝１．０１．０
Ｘ１＝２００００×０．４×０．１＝８０００ｐｐｍ
一年後において硫酸イオンは４０％低減すると、
Δ２＝１−０．４＝０．４
Ｘ２＝２００００×０．４×１．０×０．６＝４８００ｐｐｍ＜５０００ｐｐｍ
となり、５０００ｐｐｍを下回り、コンクリート構造物に影響を与えない。
Ａ＝３００００ｐｐｍ、ｎ＝０．４、Ａ＝１．０、Δ２＝１−０．４（リン酸又は塩化アルミニウムを硫酸イオンで４０％置き換え）とすると、
Ｘ２＝３００００×０．４×１．０×（１−０．４）＝７２００ｐｐｍ
上式においてΔ２＝１−０．６（リン酸又は塩化アルミニウムを硫酸イオンで６０％置き換え）とすると、
Ｘ２＝３００００×０．４×１．０×（１−０．６）＝４８００ｐｐｍ≦５０００ｐｐｍ
【００３９】
すなわち、本発明の地盤改良設計方法は、コンクリート構造物の近接部或いは掘削後コンクリート構造物を構築する予定部の近接部に硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ系注入材を注入することにより地盤改良領域を形成する地盤改良設計方法において、
下記式（１）表わされる前記地盤改良領域の地下水面下の固結土の硫酸イオン濃度Ｘ（ｐｐｍ）を、下記式（２）で評価することを特徴とする地盤改良設計方法である。
Ｘ＝ｎ×Ａ×ａ・・・（１）
Ｘ≦Ｗ・・・（２）
ｎ：土の間隙率（％）／１００
Α：注入材による間隙充填率（％）／１００
ａ：ホモゲルの硫酸イオン含有量（ｐｐｍ）
ｎ×Ａを注入率Ｂ（単位土量当たりの注入量）としてもよい
Ｗ：目的とする地盤改良領域中の硫酸イオンの平均濃度。
【００４０】
硫酸イオンの変動Ｙを考慮する場合は、下記式（３）で表わされる改良地盤中の硫酸イオン濃度Ｘ（ｐｐｍ）を、下記式（４）で評価することを特徴とする地盤改良設計方法。
Ｘ＝ｎ×Ａ×ａ×Ｙ・・・（３）
Ｘ≦Ｗ・・・（４）
ｎ：土の間隙率（％）／１００
Α：注入材による間隙充填率（％）／１００
ａ：ホモゲルの硫酸イオン含有量（ｐｐｍ）
Ｙは下記パラメータΔ１〜Δ４のいずれか一つまたは複数であって、
Δ１：地盤改良領域中の改良地盤率（％）／１００
Δ２：１−地下水中への硫酸イオンの溶出による経時的変化率α（％）／１００
Δ３：１−地盤中への硫酸イオンの固定率β（％）／１００
Δ４：非アルカリ性シリカ系注入材中の非硫酸系反応材による硫酸イオンの交換率（％）／１００
ｎ×Ａを注入率Ｂ（単位土量当たりの注入量）としてもよい
Ｗ：目的とする地盤改良領域中の硫酸イオンの平均濃度。
【００４１】
具体的には、図３に示す様に、地盤改良領域２を未改良領域３と改良領域４とが等しくなるように区切ることで、硫酸イオンを拡散させ５０００ｐｐｍ以下とすることもできる。また図３の未改良領域３に非硫酸系シリカ溶液を注入しても良い。例えば水ガラス−重ソー系のアルカリ系水ガラスグラウトやその他の水ガラス―無機塩、無機酸、有機系反応財等を未改良領域に注入してもよい。この場合、アルカリ系水ガラスグラウトはアルカリ領域で未反応水ガラスやアルカリが残存しているため耐久性はないが周辺部の過剰の酸がゲル中に侵入してアルカリを中和して耐久性を向上することができる。
【００４２】
本発明においては、以上よりコンクリートに影響を与えない前記地盤改良領域全体の硫酸イオン濃度の平均Ｘの値はＷ以下であるとすると、Ｗは１００００ｐｐｍ以下、好ましくは８０００ｐｐｍ以下さらに好ましくは５０００ｐｐｍ以下である。このＸの値は地盤条件、地下水条件、コンクリート構造物の構造と位置関係、水質条件、土質条件等によって定める事ができる。また、前記地盤改良領域の硫酸系非アルカリ性シリカ注入材が注入されていない領域に、非硫非アルカリ性シリカ注入材或いはリン酸系注入材のように金属イオン封鎖材を含む注入材やアルカリ系シリカ注入材を注入することが好ましく、さらに、前記硫酸系非アルカリ性シリカ注入材はリン酸化合物または金属封鎖剤を含んでもよく、さらにまた、前記硫酸系非アルカリ性シリカ注入材に用いられるシリカ化合物は、水ガラス、活性シリカ或いはコロイダルシリカからなる群から選ばれる１種以上であることが好ましい。
【００４３】
また、本発明の非アルカリ性シリカ系注入材の注入方法は、地盤改良設計方法を用いて算出した前記Ｘが前記Ｗを満足するように注入条件を設計して非アルカリ性シリカ系注入材を注入することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００４４】
本発明によれば、地盤改良領域全体におけるシリカ注入材の反応生成物の影響を低減し、コンクリート構造物または土中埋設物に接する硫酸イオンを減少させることにより、コンクリート構造物等地中埋設物を保護すると共に、反応生成物を少なくすることによって水質保全性にすぐれた地盤改良工法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】硫酸イオン濃度とコンクリートの浸食深さとの関係を示すグラフである。
【図２】サンドゲルからの硫酸イオンの濃度変化を示すグラフである。
【図３】本発明の一好適な実施の形態を示す断面図である。
【図４】本発明の他の好適な実施の形態を示す断面図である。
【図５】シリカ注入材のゲルタイムとｐＨとの関係を表したグラフである。
【図６】硫酸イオンの移動の説明図である。
【図７】硫酸イオンの移動の説明図である。
【図８】硫酸イオンの移動の説明図である。
【図９】サンドゲル硫酸イオン濃度の変化を示すグラフである。
【図１０】シリカグラウトのｐＨ領域と水ガラス濃度とゲル化時間の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
以下、本発明の実施の形態につき、図面を用いて詳細に説明する。図３は、本発明の一好適実施の形態を示す断面図である。図示するように、コンクリート構造物１の近傍の地盤改良領域２は、所定の幅を有する未改良地盤３と改良地盤４とに区切られている。図示例では、コンクリート構造物１に接する区画を未改良地盤３とし、未改良地盤３の外側に改良地盤４を設けており、これ以降、未改良地盤３と改良地盤４とが交互に設けられている。本発明の地盤改良工法においては、改良地盤４のみに硫酸系非アルカリ性シリカ注入材を注入する。なお、未改良地盤３および改良地盤４の幅は、硫酸系非アルカリ性シリカ注入材中の硫酸イオンの濃度、注入量、硫酸イオンの土壌中の拡散の程度を考慮して、適宜設定することができる。なお、未改良領域３に非硫酸系グラウトを用い固結することができる。
【００４７】
図４は、本発明の他の好適実施の形態を示す断面図である。図３では、未改良地盤３と改良地盤４とを深さ方向のみに区切っているが、図４に示す様に、コンクリート構造物１１の近傍の地盤改良領域１２を、さらに鉛直方向に区切って、未改良地盤１３と改良地盤１４としてもよい。なお、未改良地盤１３および改良地盤１４の鉛直方向の幅についても、やはり、硫酸系非アルカリ性シリカ注入材中の硫酸イオンの濃度、注入量、硫酸イオンの土壌中の拡散の程度を考慮して、適宜設定すればよい。
【００４８】
前記硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ系注入材は、図１０に示すように、長いゲル化時間により、地盤中において広範囲に浸透し、かつ、改良地盤において高い強度を得るためには水ガラスと硫酸を有効成分として含有し、水ガラスに起因するシリカ分が２〜１５質量％であり、かつ、ｐＨが１〜８であることが好ましい。
【００４９】
従来コンクリートに対する注入液の影響は注入材そのものの硫酸イオンや配合処方が主であった。それに対し、本発明者は永年にわたる研究の結果コンクリートに対する地盤中に注入された硫酸系注入材の硫酸イオンの影響は（１）硫酸系注入材の組成（２）コンクリートとの位置関係、地盤改良領域全体中の非注入部分の割合、硫酸イオンの地下水中の挙動、地下水状況と関係があることを見出し、本発明を完成した。即ち本発明者はゲル中の水溶性反応生成物は地下水中に溶出して地盤条件、施工条件によって濃度が経時的に増減してコンクリートの劣化も濃度と経時的に変化するからである。具体的には、図４に示す様に、地盤改良領域２を未改良領域３と改良領域４とが等しくなるように区切ることで、硫酸イオンを拡散させ５０００ｐｐｍ以下とすることができる。
【００５０】
また、本発明においては、図３および４における未改良地盤３、１３にアルカリ系シリカ注入材を注入することができる。図５に、シリカ注入材のゲルタイムとｐＨとの関係を表したグラフを示す。シリカ注入材は、図５に示すとおり、酸性、アルカリ領域では長時間のゲルタイムが得られるが、アルカリ領域でのゲル化は未反応のシリカが残るため強度発現が低い。これに対し、中性領域ではゲルタイムは短いが、反応副生成物が少なく強度の発現が高い。アルカリ系シリカ注入材である重曹系（非硫酸系）シリカ注入材は、シリカを塩による凝集効果によりゲル化させるものであり、アルカリ領域でゲル化し、かつ、硫酸イオンを含まない為コンクリートへの影響の少ない注入材である。しかし、アルカリ領域でゲル化する為、長期においてはシリカの溶脱が発生し、ゲルの強度低下が起こる。
【００５１】
そこで、図３および図４の未改良地盤３、１３にアルカリ系シリカ注入材を注入することにより、硫酸イオンを低減するとともに、改良地盤全体を固結できる。さらに、硫酸系シリカ注入材のゲル化物中の過剰の酸とアルカリ系シリカ注入材ゲル化物中に浸入し、アルカリシリカグラウトのゲル化物中の過剰アルカリとの中和が起き、経日的にｐＨが中性領域に移行して未反応シリカのゲル化が進み強度増加をもたらすことになる。
【００５２】
本発明に係る硫酸系非アルカリ性シリカ注入材は、これに反応剤（硬化剤）を添加して所定のゲル化時間に調整してもよい。このようにして製造される水ガラス系注入材は地盤中に注入され、該地盤を固結する。このとき、この水ガラス系注入材は、同時に地盤中に先行して存在するコンクリート構造物やセメント硬化物（以下、コンクリート等という）の表面に防護被膜を形成し、コンクリート等の外部から内部への上述反応剤はもちろん、海水等の侵入を遮断し、かつコンクリート等の内部から外部へのアルカリの溶出を遮断する。この結果、上述の水ガラス系注入材に含有される反応剤によるコンクリート等の劣化や中性化が防止されるとともに、水ガラス系注入材ゲル化物もまた、セメント等からのアルカリによる影響も防止される。さらに、セメント等と前記水ガラス系注入材ゲル化物はその接触面で強固に結合するため、セメント等の中性化も防止するものである。
【００５３】
上述の反応剤としては、酸性塩、炭酸塩、重炭酸塩、炭酸ガス、炭酸水、塩化物、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、スラグ等も反応剤として単独で、または上記反応剤に併用して用いることができる。
【００５４】
さらに、本発明においては、硫酸系非アルカリ性シリカ注入材がリン酸化合物または金属封鎖剤を含むことが好ましい。リン酸化合物または金属封鎖剤は、地盤中に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み、コンクリート構造物の表面に、シリカ溶液中のシリカおよびリンと、マグネシウムおよびカルシウムとからなる防護被膜（マスキングシリカ）を形成する。これにより、コンクリート構造物内部への硫酸イオンの浸入を防ぎ、かつ、コンクリート内部から外部へのアルカリの流出を防止することができる。その結果、コンクリートの劣化を抑制することができる。
【００５５】
本発明に用いられるリン酸系化合物または金属封鎖剤は、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コンクリート表面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、金属封鎖剤としては、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マスキングシリカを形成する。
【００５６】
さらにまた、本発明においては、硫酸系非アルカリ性シリカ注入材に用いられるシリカ化合物が、水ガラス、活性シリカおよびコロイダルシリカからなる群から選ばれる１種以上であることが好ましい。ここで、水ガラスとしては水ガラス水溶液、これに酸、塩あるいは有機系反応剤、例えば、グリオキザール等のアルデヒド化合物、酢酸エステル、ジエステル、トリエステル、炭酸エステル等のエステル類を加えた水ガラス水溶液、あるいは水ガラスのアルカリを酸で中和して得られる中性〜非アルカリ性シリカ溶液、活性シリカ、シリカコロイド、ホワイトカーボン水溶液等が挙げられる。
【００５７】
本発明において注入材に含まれる硫酸イオンを低減する方法としては、イオン交換法にて水ガラスよりＮａイオンを除去した活性シリカや、活性シリカを濃縮することで得られるコロイダルシリカを用いることにより、シリカに由来するアルカリ成分であるＮａイオンを少なくすることでｐＨを中性化する為に用いる硫酸の量を減らすことができる。コロイダルシリカはＮａイオンを除去することにより、帯電しコロイド状に凝集するため、ｐＨ９付近を呈し、分子量が大きいため、少量の酸にてｐＨを中性付近に調整しても、水ガラスに比べ長いゲル化時間を保持することができる。
【００５８】
活性シリカは、水ガラスをイオン交換樹脂またはイオン交換膜で処理して、水ガラス中のアルカリの一部または全部を除去して得られる。また、水ガラスと酸を混合してなる酸性水ガラスを、イオン交換樹脂またはイオン交換膜に通過させ、水ガラス中の塩の一部または全部を脱塩して得られたものであってもよい。さらに、活性シリカのシリカ濃度が低い場合には、加熱濃縮したり、コロイダルシリカ、水ガラス等を適宜に添加して、シリカ濃度を上げることもできる。活性シリカのシリカ濃度は、１〜８質量％、ｐＨは２〜４である。
【００５９】
かかる活性シリカは、シリカ粒径が１〜５ｎｍに成長して数日後にはゲル化するが、苛性アルカリや水ガラス等のアルカリを加えて、アルカリ側のｐＨにすることにより安定化される。この安定化した活性シリカに、現場で酸や塩を加えてｐＨやゲル化時間を調整し、使用に供される。また、活性シリカに酸を加え、可使時間を長くしてゲル化時間を調製することもできる。この種の活性シリカはゲル化時間を長く調整できるのみならず、低濃度でもゲル化し、かつ固結後の耐久性にも優れている。粘度は水とほとんど変わらず、２ｃｐｓ以下である。
【００６０】
また、コロイダルシリカはコロイド化されており、活性シリカをアルカリまたは水ガラスを加えて濃縮重合して、弱アルカリ領域に安定化して製造する。これにより、Ｎａ含有量が少ないことから中性付近のｐＨでも、ゲル化せず長時間安定し、また少ない反応剤でもゲル化することから、本発明に適している。
【００６１】
かかるコロイダルシリカは、上記活性シリカを加熱することにより濃縮増粒し、ｐＨを９〜１０に調製して安定化して得られるが、ｐＨが酸性〜中性であってもよい。このようにして得られたコロイダルシリカはシリカ濃度が５質量％以上、通常は３０質量％程度であり、また、粒径は５〜２０ｎｍであるが、それ以上、例えば、１００ｎｍ程度まで大きくすることができる。
【００６２】
また、本発明における硫酸イオンの固定化剤としてはマグネシウム塩やカルシウム塩を一種または複数用い、好ましくはマグネシウム、カルシウムの、水酸化塩、またはカルシウム塩を用いる。
【実施例】
【００６３】
以下、本発明を実施例を用いて詳細に説明する。
＜実施例１＞
地盤中で、未改良地盤と改良地盤を併設する場合の硫酸イオンの移動を模型地盤にて測定した。図６に示すように、水中にて長期養生したモルタル供試体（直径５ｃｍ×高さ１０ｃｍ）を、直径１１ｃｍの密閉容器内に領域Ａとして、表２に示す非アルカリ性シリカ系注入材を豊浦砂に混合し、間隙０．４、非アルカリ性シリカ系注入材による間隙充填率を１に調整したもので、厚さｍｃｍで囲んだ。さらにその周辺を領域Ｂとして、湿砂にて厚さｎｃｍで囲み間隙０．４に調整した後、１年間室温養生した。非アルカリ性シリカ系注入材のシリカ溶液は３号水ガラスを用いた。領域Ａの厚みｍと領域Ｂの厚みｎは表３に示す組合せで行った。
【００６４】
【表２】
【００６５】
【表３】
【００６６】
１年経過後、コンクリート供試体を回収し一軸圧縮試験を行い、同期間水養生したコンクリート供試体と試験結果を比較した結果。表３に示す実施例１−１〜１−３においては同等の強度を発現し、実施例１−４においては強度の低下が若干見られたもののコンクリート供試体の外観に変化はなかった。比較例１−１、１−２はコンクリート表面にヒビ割れがみられ水養生したコンクリート供試体に比べ低い結果が得られた。領域Ａ、Ｂそれぞれに含有する硫酸イオンを測定したところ、ほぼ同量の硫酸イオン量を示したことから、接した領域Ａ，Ｂにおいて硫酸イオンの拡散が起こり、一年経過後において密閉容器内で硫酸イオン濃度が均一になったことがわかる。
【００６７】
尚、この結果を下記式（１）に当てはめると、
Ｘ＝ｎ×α×ａ×Ａ×Ｙ・・・（１）
Ｙ＝Δ１
とすると
実施例１−１の場合
ｎ＝１、Ａ＝１、ａ＝２６１５０ｐｐｍ、Δ１＝３４．５％となるため、
Ｘ＝０．４×１×２６１５０×０．３４５＝３６０８．７ｐｐｍとなる。
同様に実施例１−２〜１−４、比較例１−１、１−２について、結果を表３に併記する。
【００６８】
この結果より、地盤改良領域に部分的に硫酸系注入材を注入しても、硫酸イオンの拡散が経時的に起こり、硫酸イオン濃度が領域全体において均一化され、コンクリートへの影響を低減することがわかる。
【００６９】
＜実施例２＞
さらに、実施例１において領域Ｂを下記表４に示す非アルカリ性シリカ系注入材を用い同様の実験を行った結果、実施例１−１と同様に実施例２−１〜２−３において強度低下がみられず、実施例２−４は外観に変化はないが強度低下がみられた。比較例２−１、２−２においてはヒビ割れがみられ強度低下がみられた。この実験により、地盤改良領域において一部を硫酸系注入材とし、それ以外を非アルカリ性シリカ系注入材を用いることで地盤改良領域全体を改良でき、かつ、硫酸イオンの影響を低減することができる。
【００７０】
【表４】
【００７１】
また、図６と実施例１，２の結果より、コンクリート供試体に接する地盤が一年経過後までに硫酸イオンが５０００ｐｐｍ以下に拡散することでコンクリートへ供試体の影響が低減できることがわかる。このためにはコンクリート近傍にリン酸化合物を含む非アルカリ性シリカ系注入材等の固結ゾーンを設けることで、硫酸イオンが拡散するまでの過程で、大量の硫酸イオンをコンクリート供試体が接することを回避できる。
【００７２】
＜実施例３＞
厚さ１０ｃｍ高さ３０ｃｍ奥行き３０ｃｍのコンクリート供試体に接するように直径１０ｃｍの立方体に成形した非アルカリ性シリカ系注入材（配合２）を用いたサンドゲルのブロックと、硫酸イオンを含まないシリカ系注入材（配合３）を用いたサンドゲルのブロックを図７のように、縦方向に３、横方向に３、深さ方向に３の合計２７ブロック使用し、図格子状に組合せた。非アルカリ性シリカ系注入材を用いたブロックは１４個、硫酸イオンを含まないシリカ系注入材を用いたブロックは１３個で、非アルカリ性シリカ系注入材の領域は１４０ｃｍ３、硫酸イオンを含まないシリカ系注入材の領域は１３０ｃｍ３である。各注入材の配合を表５に示す。この時のブロックの間隙率は０．４、注入率は１００％とした。
【００７３】
【表５】
※１：硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ系注入材
※２：硫酸イオンを含まないシリカ系注入材
【００７４】
１年後にコンクリートを地盤改良領域に接する位置と、地盤改良領域から離れた位置において直径５ｃｍ、高さ１０ｃｍの円筒に成形し供試体を作成し一軸圧縮強度測定を行った結果、地盤改良領域に接した位置のコンクリート供試体は同じコンクリートを水養生したものに比べ若干強度低下がみられたが、地盤改良領域から離れた位置の供試体は強度低下がみられなかった。ＹをΔ１として、得られた結果を式（１）に当てはめると、
ｎ＝１、Ａ＝１、ａ＝３５３７９．４ｐｐｍ、Δ１＝５１．９％であるため、
Ｘ＝０．４×１×３５３７９．４×０．５１９＝７３４４．８ｐｐｍとなる。
さらに、コンクリートへの影響を低減する為に非硫酸系注入材に７５％リン酸を１６ｍｌ加えｐＨ３に調整したところ、コンクリートへの影響は水養生のものと同程度の強度が得られた。これより、リン酸のコンクリート保護効果によりコンクリートへの影響を低減できることがわかる。
【００７５】
＜実施例４＞
拡散の経時変化による硫酸イオンの予測
図８に示すように実施例１の実験装置を横６０ｃｍ、奥行き３０ｃｍの水槽に設置し、コンクリート遠方に開放領域として厚さ２０ｃｍ高さ３０ｃｍ奥行き３０ｃｍ、間隙率０．４の未改良地盤の湿砂を設けた。この時、非アルカリ性シリカ系注入材の領域は１４０ｃｍ３、硫酸イオンを含まないシリカ系注入材の領域は１３０ｃｍ３、未改良地盤は１８０ｃｍ３である。また、コンクリートと周辺にサンドゲルのブロックで囲まれている非アルカリ性シリカ系注入材ブロックＡにおける硫酸イオンの変化を１、６、１２ヶ月後に測定した結果を図９に示す。
【００７６】
図９よりブロックＡの硫酸イオンは初期値において約１４１００ｐｐｍ、１ヶ月目において約１０４５０ｐｐｍに低下し低減率は７４．１％、６ヶ月目において約５１００ｐｐｍに低下し低減率は３６．２％、１２ヶ月目においては約４４００ｐｐｍに低下し低減率は３１．２％であった。十分に硫酸の拡散が起きた一年後においては、
ｎ＝１、Ａ＝１、ａ＝３５３７９．４ｐｐｍ、Δ１＝１４０／（１４０＋１３０＋１８０）＝３１．１％となるため、
Ｘ＝０．４×１×３５３７９．４×０．３１１＝４４０１．２ｐｐｍとなる。
【００７７】
また、１ヶ月目および６ヶ月目の低減率を用いてＹ＝Δ２を算出し、式（１）に適用すると、１カ月目においては、
Δ２＝７４．１％であり、
Ｘ＝０．４×１×３５３７９．４×０．７４１＝１０４８６．５ｐｐｍとなる。
養生開始６ヶ月後においては
Δ２＝３６．２％であり、
Ｘ＝＝０．４×１×３５３７９．４×０．３６２＝５１２２．９ｐｐｍとなる。
【００７８】
１年後にコンクリートを改良地盤に接する位置と、改良地盤から離れた位置において直径５ｃｍ高さ１０ｃｍの円筒に成形し供試体を作成し一軸圧縮強度測定を行った結果、改良地盤に接した位置のコンクリート供試体、改良地盤から離れた位置の供試体は同じコンクリートを水養生したものに比べ同様の強度が得られ、強度低下がみられなかった。
【００７９】
＜実施例５＞
硫酸イオン固定材を用いることにより硫酸イオンを低減する方法
炭酸カルシウムは硫酸イオンを含まないシリカ系注入材中では反応に影響しないが、硫酸イオンと結合することで硫酸カルシウムを生成しコンクリート構造物への影響を低減する。図７において硫酸イオンを含まないシリカ系注入材に硫酸イオン固定材として炭酸カルシウム１０ｇを混合した。配合を表６に示す。
【００８０】
【表６】
※２：硫酸イオンを含まない非アルカリ性シリカ系注入材
※３：炭酸カルシウム
【００８１】
室内試験において等量の炭酸カルシウムと硫酸イオンが反応すると硫酸イオンの５０〜７０％程度が固定化される実験結果が得られたことより、式（１）に当てはめると、
Ｙ＝Δ１×Δ３
Δ１：地盤改良領域中の改良地盤率（％）／１００
Δ３：１−地盤中への硫酸イオンの固定率β（％）／１００
ｎ＝１、Ａ＝１、ａ＝３５３７９．４ｐｐｍ、Δ１＝５１．９％、Δ３＝５０〜７０％となるため、
Ｘ＝０．４×１×３５３７９．４×０．５１９×０．５〜０．７＝３６７２．４〜５１４１．３ｐｐｍとなる。
【００８２】
本実施例において一年後にコンクリートを改良地盤に接する位置と、改良地盤から離れた位置において直径５ｃｍ高さ１０ｃｍの円筒に成形し供試体を作成し一軸圧縮強度測定を行った結果、改良地盤に接した位置のコンクリート供試体、改良地盤から離れた位置の供試体は同じコンクリートを水養生したものに比べ同様の強度が得られ、強度低下がみられなかった。
【００８３】
＜実施例６＞
注入材中の硫酸イオンを含まないシリカ系注入材により硫酸イオンの交換することにより硫酸イオンを低減する方法
表４の非アルカリ性シリカ系注入材において、非アルカリ性シリカ系注入材を硫酸イオン量で５０％減らし５．７５ｍＬとし、非硫酸系反応剤として７５％リン酸１０ｍｌを用いで同様のｐＨとゲルタイムに調整した。配合は下記表７に示すとおりである。
【００８４】
【表７】
※１：硫酸イオンを含まない非アルカリ性シリカ系注入材
【００８５】
式（１）にあてはめると、
Ｙ＝Δ１×Δ４
Δ１：地盤改良領域中の改良地盤率（％）／１００
Δ４：：非アルカリ性シリカ系注入材中の非硫酸系反応材による硫酸イオンの交換率（％）／１００
ｎ＝１、Ａ＝１、ａ＝３５３７９．４ｐｐｍ、Δ１＝５１．９％、Δ３＝５０％となるため、
Ｘ＝０．４×１×３５３７９．４×０．５１９×０．５＝３６７２．４となる。
【００８６】
本実施例において一年後にコンクリートを改良領域に接する位置と、改良地盤から離れた位置において直径５ｃｍ高さ１０ｃｍの円筒に成形し供試体を作成し一軸圧縮強度測定を行った結果、改良地盤に接した位置のコンクリート供試体、改良地盤から離れた位置の供試体は同じコンクリートを水養生したものに比べ同様の強度が得られ、強度低下がみられなかった。
【００８７】
以上の結果から、本発明によれば、地盤改良領域全体における非アルカリ性シリカ系注入材の反応生成物の影響を低減し、コンクリート構造物または土中埋設物に接する硫酸イオンを減少させることにより、コンクリート構造物等を保護すると共に、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であることが確かめられた。
【００８８】
１、１１ コンクリート構造物
２、１２ 地盤改良領域
３、１３ 未改良地盤
４、１４ 改良地盤
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンクリート構造物や土中埋設物の近傍部の耐震補強や、注入後掘削してコンクリート構造物を構築する地盤改良工法に関し、詳しくは、液状化対策工等の半永久的に耐久性が要求されると共にコンクリート構造物や土中埋設物に永続的に接触するため地中構造物に悪影響を及ぼさないことが要求される地盤改良に関する。特に、地盤改良領域全体におけるシリカ注入材の反応生成物の影響を低減し、コンクリート構造物または土中埋設物に接する硫酸イオンを減少させることにより、コンクリート構造物等を保護すると共に、地下水中における反応生成物を少量におさえて水質保全を可能にする地盤改良工法であって液状化対策工や河川付近の地盤注入等に優れた改良工法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリカを主剤とした薬液注入による地盤改良工事において、液状化対策工等、構造物近傍部を中心として広範囲に経済的に地盤改良を行う場合、長いゲル化時間で長期耐久性を得る事が必要となる。このためには水ガラス注入材（水ガラスグラウト）の劣化要因であるアルカリを酸で除去した酸性シリカ溶液を用いる事が必要となる。このため水ガラス中のアルカリを除去してシリカを固結する為の硬化剤として硫酸が使用されている。硫酸は、他の酸や塩に比べ添加量が少なくてもｐＨを変化させることができる。そのため、シリカ以外の水溶性反応副生成物の少ない地盤改良を行えることから、反応生成物の量から考えると周囲の環境に影響を与えにくいという利点を有している。
【０００３】
しかし、建造物の液状化対策における薬液注入において、非アルカリ性の注入材を用いた地盤改良を行う際、ゲル化物中の水溶性反応副生成物である硫酸ソーダや過剰硫酸にかかわる硫酸根が溶出して、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、コンクリート構造物や水質に悪影響を及ぼすことがある。ここで、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マンホール等や地中間等の地中埋設コンクリートを挙げることができる。
【０００４】
図１０にシリカ系溶液とｐＨの関係を示す。従来非アルカリ領域のシリカ溶液を得るためにそこで、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注入材、或いは活性シリカを増粒したシリカコロイド系注入材、或いはシリカコロイドと水ガラスと酸を混合した非アルカリ性シリカ注入材、水ガラスと酸を混合してなる酸性シリカ注入材、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注入材が提案されている。
【０００５】
かかるシリカ注入材は、ゲル化時間が長く、広範囲な浸透性に優れ、かつ、水ガラス注入材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、広範囲にわたって耐久性の優れた固結領域を得る点で、他のアルカリ領域の水ガラス注入材では得られない特異な特性を有している。
【０００６】
上記酸としては、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、あるいは硫酸塩、リン酸塩、アルミニウム塩等の酸性塩が用いられる。その際、硫酸は２価の酸であり、酸性領域では１価で反応するリン酸と比べ、少量の添加によりｐＨが調整できることから、注入材のｐＨ調整剤として利便性に優れている。
【０００７】
また、これら以外にも、水ガラス系注入材を用いた地盤の改良技術として、特許文献１には、水ガラスに金属イオン封鎖剤やリン酸系化合物を含有させる技術が開示されている。これによれば、コンクリート構造物等からのアルカリの溶出を防止し、水ガラスのゲル化物がアルカリによって溶解することを防止することができるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第２５５２６１２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、硫酸イオンは、セメント硬化物中の水酸化カルシウムと反応してセッコウを生成し、生成したセッコウは、セメント硬化体中のカルシウムアルミネートやアルミン酸三カルシウム（Ｃ３Ａ）の水和によりエトリンガイトを生成し、生成したエトリンガイトは、結晶を生成する際に大きな体積膨張を示し、この際の膨張圧によりコンクリートは損傷を受けることがすでに知られている。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、硫酸を用いながら地盤改良領域全体におけるシリカ注入材の反応生成物の影響を低減しつつ、コンクリート構造物または土中埋設物に接する硫酸イオンを減少させることにより、コンクリート構造物等を保護すること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】
【００１１】
本発明者らは、上記課題を解決するために以下の点につき鋭意検討を行った。
すなわち、本発明の地盤改良工法は、コンクリート構造物の近接部或いは掘削後コンクリート構造物を構築する予定部の近接部に硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ系注入材を注入するに当たって、硫酸を使用しながらコンクリートに悪影響を与えないことにより地盤改良領域を形成する地盤改良工法に関わる。
【００１２】
従来、水ガラスを酸性領域でゲル化せしめに当たって酸として、硫酸やリン酸、或いは硫酸とリン酸を併用して、水ガラス中のアルカリを除去して得られた酸性〜中性の水ガラスグラウトを地盤に注入する方法はすでに本出願人によって発明されている。また、リン酸やリン酸塩等の金属イオン封鎖材を含む酸性水ガラスグラウトがコンクリート表面に被覆層を形成しコンクリートのアルカリの溶出を防ぐ事も本出願人によって報告されている。
【００１３】
また本発明者は注入対象地盤において、非アルカリ性シリカ溶液に用いる酸として硫酸が最も効率的かつ経済的で反応生成物が少ない事に着目して中和剤として硫酸を有効成分として用いながら地下水面下の注入地盤における硫酸イオンの含有量がコンクリート構造物に悪影響を及ぼさない濃度とすることが重要となる。
【００１４】
このため本出願人は長年にわたる種々の研究の結果、硫酸イオンの水溶液のコンクリートに対する影響、非アルカリ性シリカ溶液により固結した固結土の硫酸イオンの限度とコンクリートへの影響を明らかにし、かつ地盤中の固結土ならびに注入対象地盤全体における硫酸イオンのコンクリートに影響を生ずる濃度を明らかにした。コンクリートに対する硫酸イオンを含む注入材の影響は、単に硫酸や硫酸ナトリウム水溶液中に養生した場合の影響とは異なること、コンクリートに対する硫酸イオンの影響は注入材に含まれる硫酸イオンで決まるものではなく固結土（サンドゲル）から溶出される硫酸イオン濃度で決まること、さらに、硫酸を用いた非アルカリ性シリカ系注入材による固結土を水中に養生した場合の反応生成物である硫酸塩が遅かれ早かれ養生水中に殆んど全量溶出し、その速度は地盤条件や地下水条件、コンクリート構造物の位置関係や構造物に関係があることを見出した。
【００１５】
即ち本発明者らは従来の酸性水ガラスグラウトのコンクリート構造物に対する影響を酸性水ガラスグラウトの組成即ち水ガラスと硫酸やリン酸の濃度や配合比率のみに着目していたことから発想を転換して、コンクリートに対する影響は酸性水ガラスによる固結土（サンドゲル）の硫酸イオンの濃度によるものであり更にそのサンドゲルから地盤改良領域の地下水中に溶出した水溶性反応生成物の濃度によるものであり、かつその濃度は注入条件、土質条件、地下水条件やコンクリート構造物との位置関係と関係があり、更にこれらとの関連のもとに経時的に濃度が変化することに着目した。そして、地下水面下における固結土の硫酸イオン濃度とコンクリート構造物への影響、並びに地盤改良領域全体における地下水中の硫酸イオン濃度の変化も考慮して本発明を完成した。またこれらの研究結果に基づいて硫酸イオンを含有する非アルカリ性シリカ系注入材を注入するに当たって、コンクリートに悪影響を与えない注入設計法と注入工法を発明するに至った。
【００１６】
以上の考えに基づいて本出願人は地盤中における硫酸イオン濃度がコンクリートに影響を生じないようにする以下の手法を見出した。すなわち、
（１）非アルカリ性シリカ溶液を処方するに当たって硫酸以外の酸を用いて硫酸使用量を少なくする例えば塩化アルミニウム等の非硫酸系酸性塩等やリン酸やリン酸塩等でを硫酸単独で用いた場合、その水ガラス濃度で所定のゲルタイムを得るために必要な硫酸の量の一部を置き換えて硫酸と併用する。
（２）充分な量の硫酸を有効成分とする非アルカリ性シリカグラウトを地盤中に注入して地盤全体として注入対象地盤における地下水の硫酸イオンがコンクリートに影響を与えない濃度になるようにする。
【００１７】
具体的には、（ｉ）地盤改良領域に部分的に注入する。即ち、固結部の間に非固結部を介在させる。その後固結砂から注入していない部分に水溶性反応生成物である硫酸イオンが経時的に溶出して地下水により地盤改良領域全体に拡散、希釈する。これによって注入当時の固結部の硫酸イオン濃度に比べて全体の地盤改良領域では硫酸イオンの濃度が低くなる。この結果、注入液そのものの硫酸イオン濃度は高くても地盤全体の地下水の硫酸イオン濃度がコンクリートに悪影響を及ぼさない濃度まで低減する。
【００１８】
（ｉｉ）上記（ｉ）の硫酸系シリカグラウトを注入していない部分には非硫酸系シリカグラウト或いはより硫酸含有量の少ない低濃度硫酸系シリカグラウト或いはアルカリ系シリカグラウトを注入して地盤改良領域全体としてコンクリートに悪影響を及ぼさない硫酸イオン濃度となり、かつ地盤改良領域全体の注入固結効果を確保する。
【００１９】
この場合、アルカリ性シリカ系注入材はゲル中に過剰のアルカリや未反応水ガラスが残存しているため耐久性は得られないが、硫酸系酸性シリカ注入材固結領域から溶出した過剰の酸がアルカリ性シリカ注入材の注入領域に侵入してきて過剰のアルカリを中和して耐久性を改善することができる。その結果、地盤改良領域全体を耐久性のある固結領域をとすることができる。また、硫酸イオンを含まないシリカ系注入材としては、リン酸で水ガラス中のアルカリを除去したリン酸性シリカ系注入材が挙げられ、また、硫酸含有量の少ない低硫酸性シリカ系注入材としては、そのシリカ濃度で硫酸のみで所定のゲルタイムを得るために必要な硫酸の一部をリン酸に置き換えたものや、塩化アルミニウムや酸性リン酸ソーダ等の酸性塩に置換えた酸性シリカ系注入材、等を用いる事ができる。
【００２０】
また、地盤改良領域が貝殻やコーラルサンド等石灰質の多い地盤であれば、そのカルシウム分が硫酸イオンと反応して硫酸カルシウムとなり硫酸イオンを固定する。また、硫酸イオンを含む酸性シリカ系注入材に硫酸イオンを固定する反応剤を加えて注入するか、注入前の地盤に、予めまたは注入後に硫酸イオンを固定する反応剤の水溶液を地盤中に注入する。この場合、地盤中にカルシウム塩が存在すると硫酸と反応して硫酸イオンが固定されて硫酸イオンが低減させることができる。上記反応剤としてはカルシウムやマグネシウムの炭酸塩や水酸化物を挙げることができる。
【００２１】
硫酸系非アルカリ性シリカによる固結土が長期にわたって接触する可能性のある特にコンクリート近傍部あるいは接触部は、不透水性の固結領域によって拘束されている状態になっているため地下水によってサンドゲル中の硫酸イオンは溶出しにくく希釈されにくい。このため、コンクリート構造物と上記改良部にはさまれた領域にはコンクリート保護機能を有するリン酸系非アルカリ性シリカ系注入材の固結体や硫酸イオンを含まないシリカ系注入材による固結領域で硫酸イオンの影響を遮断する方法をとるこができる。特に、トンネルや共同溝のように中空コンクリート構造物はゲル化物の溶出水はコンクリートや亀裂を通して中空部に侵入した場合、注入液の硫酸イオン濃度が低くてもコンクリートも内部溶出水が蒸散して硫酸イオン濃度が濃縮する危険があるので外周部にはリン酸系非アルカリ性シリカ系注入材を注入することが好ましい。
【００２２】
以下に本出願人による実証試験結果を説明する。通常水ガラスを有効成分として硫酸のみで水ガラス中のアルカリを除去する場合、水ガラスのモル比が２．８〜５．０で水ガラスに起因するシリカ濃度が２〜１５質量％でゲル化時間が１時間〜２０時間の場合、硫酸イオンの濃度は１６００００ｐｐｍ〜８５００ｐｐｍである。そこで硫酸イオンで５００００ｐｐｍ、１００００ｐｐｍ、８０００ｐｐｍ、５０００ｐｐｍ、３０００ｐｐｍ、０ｐｐｍ（ブランク）の濃度の硫酸ナトリウム水溶液の養生水にコンクリート供試体（直径５ｃｍ×１０ｃｍ）を浸漬し、一定期間養生後、ダイヤモンドカッターで切断しフェノールフタレインにて浸食深さを測定した。その結果、５００００〜１００００ｐｐｍのものは明らかに浸食深さが認められた、それに対し、５０００ｐｐｍ以下は殆ど浸透がみられなかった。８０００ｐｐｍは１年後にいくらかに浸食がみられた。
【００２３】
図１に硫酸ナトリウム水溶液にコンクリート供試体を浸漬し、硫酸イオンの濃度によるコンクリートの影響を観察した結果を示す。これより、１年以内でコンクリート構造物に影響を与える硫酸イオン濃度は１００００以上が著しく、５０００ｐｐｍ以下は１年以上でも殆んどなく、１年後にコンクリートに影響を与える硫酸イオンの濃度は１００００ｐｐｍ〜５０００ｐｐｍの間にある事がわかった。このため本出願人はさらに。３ヶ月、６ヶ月、１年後においてそれぞれの濃度のコンクリート供試体表面の状況を確認したところ硫酸イオン濃度が５０００ｐｐｍ以下ならば１年後でも変化はない。硫酸イオン濃度が１００００ｐｐｍの場合では３ヶ月までは変化がないが６ヶ月後には膨張剥離が現れ１年後には顕著になる（表１）。
【００２４】
【表１】
○：外観形状に異常なし
△：表面は膨張し、一部表面が剥離している
×：表面は膨張し、表面の剥離が著しい
【００２５】
さらに本出願人は径５ｃｍ×高さ１０ｃｍのモルタル供試体を埋めこんだ同一体積の酸性硫酸系シリカグラウト（硫酸イオン濃度５００００ｐｐｍ）で固めたサンドゲルの供試体３００ｍＬ（間隙率０．４、充填率１）をつくりこれを１０倍の養生水中に養生して養生水中に溶出した硫酸イオン濃度を測定した。また溶出した硫酸イオンからサンドゲル中の硫酸イオン濃度を計算したものを図２に示す。これよりこのサンドゲルの大きさと養生条件下では３ヶ月以内にサンドゲル中のほぼ全量の硫酸イオンが溶出することが判った。
【００２６】
上記結果により、固結体（サンドゲル）から硫酸イオンが地下水中に溶出して最終的には全体的に注入時の固結体が含有する硫酸イオン濃度より地盤改良領域全体の硫酸イオン濃度は低くなる事が判った。実際の現場ではその固結体中の硫酸イオンの低減速度は固結体の大きさ、土質の透水性、地下水流の速度、建造物との位置関係等によるが最終的に硫酸イオンは地盤改良領域全体に拡散して均一化することが判る。一方固結体（サンドゲル）ゲル中に残存する硫酸イオン濃度の低減は地下水中の硫酸イオンの濃度の増大を意味する。そして最終的には地盤改良領域の硫酸イオン濃度は平均化することになる。したがって、注入対象地盤全体の地下水の硫酸濃度とコンクリートの影響が問題となる。
【００２７】
コンクリート構造物の接触部等の直近部ではコンクリート構造物と周辺部の注入による不透水性の固結部で拘束されているためゲル中の硫酸イオンは希釈の程度が少なく長期間ゲル中に残存すると思われるが徐々に地盤改良領域の外周部から硫酸イオンが周辺地下水中に溶出して、地盤改良領域全体の硫酸イオン濃度は低下し、それにつけてコンクリート構造物直近部の固結体中の硫酸イオンは少なくなる。しかしながら、コンクリート直近部の硫酸イオン濃度の低減速度は前述の要件によって異なるので不明確である。このため、コンクリート直近部や接触部では硫酸系非アルカリ性シリカグラウトの固結部分とコンクリート構造物の間の領域にリン酸系非アルカリ性シリカグラウトによる固結部を介在させることが好ましい。この場合、コンクリートを硫酸イオンがアタックする前にリン酸イオンがコンクリートに到達してコンクリートのカルシウム分と反応してシリカ分と共にキレート効果による防護皮膜をコンクリート表面に形成して硫酸イオンを遮断する。以上より本出願人は施工時の注入地盤全体の硫酸イオンが１００００ｐｐｍ以下にしておけば式１の各種要因により１年経るうちに地盤改良領域の硫酸イオン濃度はほぼ１／２に低減するものとした。そしてコンクリートに対する硫酸イオンの悪影響は半年〜１年で表れるので、地盤改良領域全体の平均硫酸イオン濃度が５０００ｐｐｍの濃度に１年以内に低減すればコンクリートには悪影響をもたらさない事が推測された。
なお、発明に示される地盤改領域の硫酸イオン濃度は
地盤の単位体積中の硫酸イオン濃度Ｘ（ｐｐｍ）＝硫酸イオン量（ｍｇ）／地盤の単位体積１０ｃｍ３（１Ｌ）
で表わされる。
【００２８】
かかる知見に基づき、本発明者らはさらに鋭意検討をした結果、下記構成とすることにより、上記課題を解消することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００２９】
本発明の地盤改良工法は、コンクリート構造物の近接部或いは掘削後コンクリート構造物を構築する予定部の近接部に硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ系注入材を注入することにより地盤改良領域を形成する地盤改良工法において、
地下水面下の硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ注入材による固結土または地盤改良領域全体の硫酸イオン濃度の平均値によりコンクリート構造物への影響を評価することを特徴とするものである。
【００３０】
また、本発明の他の地盤改良工法は、コンクリート構造物の近接部或いは掘削後コンクリート構造物を構築する予定部の近接部に硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ系注入材を注入することにより地盤改良領域を形成する地盤改良工法において、
前記地盤改良領域の地下水面下に含まれる硫酸イオン濃度の平均が１００００ｐｐｍ以下になるように注入することを特徴とするものである。ここで、非アルカリとはｐＨが８以下を意味する。
【００３１】
本発明においては、水ガラスに起因するシリカ分が２〜１５質量％であり、かつ、ｐＨが１〜８であることが好ましい。また、本発明においては、前記地盤改良領域に含まれる硫酸イオン濃度の平均が８０００ｐｐｍ以下であることが好ましい。さらに、本発明においては、前記硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ系注入材が、硫酸の他に非硫酸の酸性成分を含み硫酸イオン濃度の平均が２００００ｐｐｍ以下であることが好ましい。さらにまた、本発明においては、前記硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ系注入材を、地盤改良領域に部分的に注入することが好ましい。また、本発明においては、硫酸イオンを含まないシリカ系注入材または硫酸イオン含有量が前記硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ系注入材より少ない酸性シリカ系注入材を、前記硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ系注入材が注入されていない部分に注入することが好ましい。さらに本発明においては、さらに硫酸イオンの固定化材としてカルシウム塩を有効成分とする注入材を注入することが好ましい。さらにまた、本発明においては、前記硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ系注入材が、活性シリカまたはコロイダルシリカを含むことが好ましい。また、本発明においては、前記硫酸イオンを含まない非アルカリ性シリカ系注入材または硫酸イオン含有量が前記硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ系注入材より少ない酸性シリカ系注入材が、リン酸またはリン酸化合物を有効成分として含むことが好ましい。さらに、本発明においては、コンクリート構造物と前記硫酸イオンを含むシリカ系注入材を注入する領域の間の領域にリン酸若しくはリン酸化合物を有効成分とする注入材またはアルカリ系シリカ注入材を注入することが好ましい。
【００３２】
以上の研究結果に基づき本発明者らは、上記課題を解決するために、鋭意検討した結果、コンクリート構造物を構築する予定部の近接部に硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ系注入材を以下の注入設計で注入することにより地盤固結領域を形成する地盤注入工法において、コンクリートに接する硫酸イオンを低減することでコンクリート保護構造を保護することを可能にした。
【００３３】
地盤中に注入された注入液のゲル化物中における硫酸イオンのコンクリートに対する影響は容器中におけるコンクリートと硫酸イオンの関係とは異なる。本出願人は永年にわたる研究の結果、地盤中におけるゲル中の硫酸イオンの挙動を研究した。容器中における硫酸イオンのコンクリートに対する影響を基本にして以下の要因を考慮して地盤注入の設計を行って注入することが可能である事を見出し本発明を完成した。即ち、本出願人は硫酸イオンのコンクリートに対する影響は注入対象地盤における固結土、あるいは地盤改良領域全体の硫酸イオン濃度であり、その濃度として以下の式（１）のＸであることを見出し、コンクリートに対する要因を明らかにした。これにより硫酸系非アルカリ性シリカ注入材による固結土の注入後の改良地盤中の硫酸イオン濃度Ｘ（ｐｐｍ）を次式を満たす地盤改良設計方法、およびそれを用いた非アルカリ性シリカ系注入材の注入方法の実用化が可能になった。
Ｘ１＝ｎ×Ａ×ａ・・・式（１）
Ｘ１：地盤改良領域全体の硫酸イオン濃度（ｐｐｍ）
ｎ：土の間隙率（％）／１００
Α：注入材による間隙充填率（％）／１００
ａ：ホモゲルの硫酸イオン含有量（ｐｐｍ）
Ｘ１≦Ｗ１・・・式（２）
【００３４】
硫酸イオンの変動Ｙを考慮する場合は
Ｘ２＝ｎ×Ａ×ａ×Ｙ・・・式（３）
Ｘ２：地盤改良領域全体の硫酸イオン濃度（ｐｐｍ）
ｎ：土の間隙率（％）／１００
Α：注入材による間隙充填率（％）／１００
ａ：ホモゲルの硫酸イオン含有量（ｐｐｍ）
Ｙは下記パラメータのいずれか一つまたは複数
Δ１：改良領域中の注入部分の割合（％）
Δ２：地下水中への硫酸イオンの溶出による経時的変化率（＝α）Δ２＝１−α
Δ３：地盤中への硫酸イオンの固定率（＝β）Δ３＝１−β
Δ４：注入材中の非硫酸系反応材による硫酸イオンの置換率
Ｘ≦Ｗ２・・・式（４）
Ｗ１，２は構造物の重要度、地盤条件、地下水条件、地中構造物との位置関係、地中構造物の構造によって定める。
【００３５】
さらに、式（２）、式（４）においてＷ１，２≦１００００ｐｐｍとする。
式１〜４においてｎ×Ａを注入率Ｂ（単位土量当たりの注入量）としてもよい。例えば１ｍ３の土を改良するのに用いる注入量が０．４ｍ３とすると注入率Ｂ＝０．４となる。
【００３６】
＜具体例＞
硫酸系非アルカリ性シリカ注入材の注入後の改良地盤中の硫酸イオン濃度Ｘ（ｐｐｍ）は、式（１）より求めることができる。
Ｘ１＝ｎ×Ａ×ａ
ここで、ｎは土の間隙率（％）／１００、Ａは注入材による間隙充填率（％）／１００、ａはホモゲル（注入液に相当する）の硫酸イオン含有量（ｐｐｍ）である。
例えばｎ＝０．４、Ａ＝１、ａ＝２５０００ｐｐｍ、とすると、
Ｘ１＝０．４×１×２５０００（ｐｐｍ）
＝１００００（ｐｐｍ）
【００３７】
また、地盤改良領域の硫酸イオン濃度Ｘ（ｐｐｍ）は以下の式で求められる。
Ｘ２＝ｎ×Ａ×ａ×Ｙ・・・式（３）
において、例えば、Δ１＝４０％に、上記の硫酸系シリカ注入材を使用した場合、改良地盤領域の硫酸イオンは、
Ｙ＝０．４×１×２５０００×０．４
＝４０００ｐｐｍ
【００３８】
これより、改良地盤中の固結土の硫酸イオン濃度は、１００００ｐｐｍとなる。通常、水ガラスのシリカ濃度が４〜５質量％の場合、硫酸単独で用いる場合、硫酸イオン濃度が５００００〜３００００ｐｐｍ必要である。従ってａ＝２５０００ｐｐｍにするには硫酸の不足分をリン酸やＡｌＣｌ３等で置換えれば良い事が判る。
ａ＝２００００ｐｐｍ、ｎ＝０．４、Ａ＝１．０１．０
Ｘ１＝２００００×０．４×０．１＝８０００ｐｐｍ
一年後において硫酸イオンは４０％低減すると、
Δ２＝１−０．４＝０．４
Ｘ２＝２００００×０．４×１．０×０．６＝４８００ｐｐｍ＜５０００ｐｐｍ
となり、５０００ｐｐｍを下回り、コンクリート構造物に影響を与えない。
Ａ＝３００００ｐｐｍ、ｎ＝０．４、Ａ＝１．０、Δ２＝１−０．４（リン酸又は塩化アルミニウムを硫酸イオンで４０％置き換え）とすると、
Ｘ２＝３００００×０．４×１．０×（１−０．４）＝７２００ｐｐｍ
上式においてΔ２＝１−０．６（リン酸又は塩化アルミニウムを硫酸イオンで６０％置き換え）とすると、
Ｘ２＝３００００×０．４×１．０×（１−０．６）＝４８００ｐｐｍ≦５０００ｐｐｍ
【００３９】
すなわち、本発明の地盤改良設計方法は、コンクリート構造物の近接部或いは掘削後コンクリート構造物を構築する予定部の近接部に硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ系注入材を注入することにより地盤改良領域を形成する地盤改良設計方法において、
下記式（１）表わされる前記地盤改良領域の地下水面下の固結土の硫酸イオン濃度Ｘ（ｐｐｍ）を、下記式（２）で評価することを特徴とする地盤改良設計方法である。
Ｘ＝ｎ×Ａ×ａ・・・（１）
Ｘ≦Ｗ・・・（２）
ｎ：土の間隙率（％）／１００
Α：注入材による間隙充填率（％）／１００
ａ：ホモゲルの硫酸イオン含有量（ｐｐｍ）
ｎ×Ａを注入率Ｂ（単位土量当たりの注入量）としてもよい
Ｗ：目的とする地盤改良領域中の硫酸イオンの平均濃度。
【００４０】
硫酸イオンの変動Ｙを考慮する場合は、下記式（３）で表わされる改良地盤中の硫酸イオン濃度Ｘ（ｐｐｍ）を、下記式（４）で評価することを特徴とする地盤改良設計方法。
Ｘ＝ｎ×Ａ×ａ×Ｙ・・・（３）
Ｘ≦Ｗ・・・（４）
ｎ：土の間隙率（％）／１００
Α：注入材による間隙充填率（％）／１００
ａ：ホモゲルの硫酸イオン含有量（ｐｐｍ）
Ｙは下記パラメータΔ１〜Δ４のいずれか一つまたは複数であって、
Δ１：地盤改良領域中の改良地盤率（％）／１００
Δ２：１−地下水中への硫酸イオンの溶出による経時的変化率α（％）／１００
Δ３：１−地盤中への硫酸イオンの固定率β（％）／１００
Δ４：非アルカリ性シリカ系注入材中の非硫酸系反応材による硫酸イオンの交換率（％）／１００
ｎ×Ａを注入率Ｂ（単位土量当たりの注入量）としてもよい
Ｗ：目的とする地盤改良領域中の硫酸イオンの平均濃度。
【００４１】
具体的には、図３に示す様に、地盤改良領域２を未改良領域３と改良領域４とが等しくなるように区切ることで、硫酸イオンを拡散させ５０００ｐｐｍ以下とすることもできる。また図３の未改良領域３に非硫酸系シリカ溶液を注入しても良い。例えば水ガラス−重ソー系のアルカリ系水ガラスグラウトやその他の水ガラス―無機塩、無機酸、有機系反応財等を未改良領域に注入してもよい。この場合、アルカリ系水ガラスグラウトはアルカリ領域で未反応水ガラスやアルカリが残存しているため耐久性はないが周辺部の過剰の酸がゲル中に侵入してアルカリを中和して耐久性を向上することができる。
【００４２】
本発明においては、以上よりコンクリートに影響を与えない前記地盤改良領域全体の硫酸イオン濃度の平均Ｘの値はＷ以下であるとすると、Ｗは１００００ｐｐｍ以下、好ましくは８０００ｐｐｍ以下さらに好ましくは５０００ｐｐｍ以下である。このＸの値は地盤条件、地下水条件、コンクリート構造物の構造と位置関係、水質条件、土質条件等によって定める事ができる。また、前記地盤改良領域の硫酸系非アルカリ性シリカ注入材が注入されていない領域に、非硫非アルカリ性シリカ注入材或いはリン酸系注入材のように金属イオン封鎖材を含む注入材やアルカリ系シリカ注入材を注入することが好ましく、さらに、前記硫酸系非アルカリ性シリカ注入材はリン酸化合物または金属封鎖剤を含んでもよく、さらにまた、前記硫酸系非アルカリ性シリカ注入材に用いられるシリカ化合物は、水ガラス、活性シリカ或いはコロイダルシリカからなる群から選ばれる１種以上であることが好ましい。
【００４３】
また、本発明の非アルカリ性シリカ系注入材の注入方法は、地盤改良設計方法を用いて算出した前記Ｘが前記Ｗを満足するように注入条件を設計して非アルカリ性シリカ系注入材を注入することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００４４】
本発明によれば、地盤改良領域全体におけるシリカ注入材の反応生成物の影響を低減し、コンクリート構造物または土中埋設物に接する硫酸イオンを減少させることにより、コンクリート構造物等地中埋設物を保護すると共に、反応生成物を少なくすることによって水質保全性にすぐれた地盤改良工法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】硫酸イオン濃度とコンクリートの浸食深さとの関係を示すグラフである。
【図２】サンドゲルからの硫酸イオンの濃度変化を示すグラフである。
【図３】本発明の一好適な実施の形態を示す断面図である。
【図４】本発明の他の好適な実施の形態を示す断面図である。
【図５】シリカ注入材のゲルタイムとｐＨとの関係を表したグラフである。
【図６】硫酸イオンの移動の説明図である。
【図７】硫酸イオンの移動の説明図である。
【図８】硫酸イオンの移動の説明図である。
【図９】サンドゲル硫酸イオン濃度の変化を示すグラフである。
【図１０】シリカグラウトのｐＨ領域と水ガラス濃度とゲル化時間の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
以下、本発明の実施の形態につき、図面を用いて詳細に説明する。図３は、本発明の一好適実施の形態を示す断面図である。図示するように、コンクリート構造物１の近傍の地盤改良領域２は、所定の幅を有する未改良地盤３と改良地盤４とに区切られている。図示例では、コンクリート構造物１に接する区画を未改良地盤３とし、未改良地盤３の外側に改良地盤４を設けており、これ以降、未改良地盤３と改良地盤４とが交互に設けられている。本発明の地盤改良工法においては、改良地盤４のみに硫酸系非アルカリ性シリカ注入材を注入する。なお、未改良地盤３および改良地盤４の幅は、硫酸系非アルカリ性シリカ注入材中の硫酸イオンの濃度、注入量、硫酸イオンの土壌中の拡散の程度を考慮して、適宜設定することができる。なお、未改良領域３に非硫酸系グラウトを用い固結することができる。
【００４７】
図４は、本発明の他の好適実施の形態を示す断面図である。図３では、未改良地盤３と改良地盤４とを深さ方向のみに区切っているが、図４に示す様に、コンクリート構造物１１の近傍の地盤改良領域１２を、さらに鉛直方向に区切って、未改良地盤１３と改良地盤１４としてもよい。なお、未改良地盤１３および改良地盤１４の鉛直方向の幅についても、やはり、硫酸系非アルカリ性シリカ注入材中の硫酸イオンの濃度、注入量、硫酸イオンの土壌中の拡散の程度を考慮して、適宜設定すればよい。
【００４８】
前記硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ系注入材は、図１０に示すように、長いゲル化時間により、地盤中において広範囲に浸透し、かつ、改良地盤において高い強度を得るためには水ガラスと硫酸を有効成分として含有し、水ガラスに起因するシリカ分が２〜１５質量％であり、かつ、ｐＨが１〜８であることが好ましい。
【００４９】
従来コンクリートに対する注入液の影響は注入材そのものの硫酸イオンや配合処方が主であった。それに対し、本発明者は永年にわたる研究の結果コンクリートに対する地盤中に注入された硫酸系注入材の硫酸イオンの影響は（１）硫酸系注入材の組成（２）コンクリートとの位置関係、地盤改良領域全体中の非注入部分の割合、硫酸イオンの地下水中の挙動、地下水状況と関係があることを見出し、本発明を完成した。即ち本発明者はゲル中の水溶性反応生成物は地下水中に溶出して地盤条件、施工条件によって濃度が経時的に増減してコンクリートの劣化も濃度と経時的に変化するからである。具体的には、図４に示す様に、地盤改良領域２を未改良領域３と改良領域４とが等しくなるように区切ることで、硫酸イオンを拡散させ５０００ｐｐｍ以下とすることができる。
【００５０】
また、本発明においては、図３および４における未改良地盤３、１３にアルカリ系シリカ注入材を注入することができる。図５に、シリカ注入材のゲルタイムとｐＨとの関係を表したグラフを示す。シリカ注入材は、図５に示すとおり、酸性、アルカリ領域では長時間のゲルタイムが得られるが、アルカリ領域でのゲル化は未反応のシリカが残るため強度発現が低い。これに対し、中性領域ではゲルタイムは短いが、反応副生成物が少なく強度の発現が高い。アルカリ系シリカ注入材である重曹系（非硫酸系）シリカ注入材は、シリカを塩による凝集効果によりゲル化させるものであり、アルカリ領域でゲル化し、かつ、硫酸イオンを含まない為コンクリートへの影響の少ない注入材である。しかし、アルカリ領域でゲル化する為、長期においてはシリカの溶脱が発生し、ゲルの強度低下が起こる。
【００５１】
そこで、図３および図４の未改良地盤３、１３にアルカリ系シリカ注入材を注入することにより、硫酸イオンを低減するとともに、改良地盤全体を固結できる。さらに、硫酸系シリカ注入材のゲル化物中の過剰の酸とアルカリ系シリカ注入材ゲル化物中に浸入し、アルカリシリカグラウトのゲル化物中の過剰アルカリとの中和が起き、経日的にｐＨが中性領域に移行して未反応シリカのゲル化が進み強度増加をもたらすことになる。
【００５２】
本発明に係る硫酸系非アルカリ性シリカ注入材は、これに反応剤（硬化剤）を添加して所定のゲル化時間に調整してもよい。このようにして製造される水ガラス系注入材は地盤中に注入され、該地盤を固結する。このとき、この水ガラス系注入材は、同時に地盤中に先行して存在するコンクリート構造物やセメント硬化物（以下、コンクリート等という）の表面に防護被膜を形成し、コンクリート等の外部から内部への上述反応剤はもちろん、海水等の侵入を遮断し、かつコンクリート等の内部から外部へのアルカリの溶出を遮断する。この結果、上述の水ガラス系注入材に含有される反応剤によるコンクリート等の劣化や中性化が防止されるとともに、水ガラス系注入材ゲル化物もまた、セメント等からのアルカリによる影響も防止される。さらに、セメント等と前記水ガラス系注入材ゲル化物はその接触面で強固に結合するため、セメント等の中性化も防止するものである。
【００５３】
上述の反応剤としては、酸性塩、炭酸塩、重炭酸塩、炭酸ガス、炭酸水、塩化物、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、スラグ等も反応剤として単独で、または上記反応剤に併用して用いることができる。
【００５４】
さらに、本発明においては、硫酸系非アルカリ性シリカ注入材がリン酸化合物または金属封鎖剤を含むことが好ましい。リン酸化合物または金属封鎖剤は、地盤中に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み、コンクリート構造物の表面に、シリカ溶液中のシリカおよびリンと、マグネシウムおよびカルシウムとからなる防護被膜（マスキングシリカ）を形成する。これにより、コンクリート構造物内部への硫酸イオンの浸入を防ぎ、かつ、コンクリート内部から外部へのアルカリの流出を防止することができる。その結果、コンクリートの劣化を抑制することができる。
【００５５】
本発明に用いられるリン酸系化合物または金属封鎖剤は、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コンクリート表面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、金属封鎖剤としては、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マスキングシリカを形成する。
【００５６】
さらにまた、本発明においては、硫酸系非アルカリ性シリカ注入材に用いられるシリカ化合物が、水ガラス、活性シリカおよびコロイダルシリカからなる群から選ばれる１種以上であることが好ましい。ここで、水ガラスとしては水ガラス水溶液、これに酸、塩あるいは有機系反応剤、例えば、グリオキザール等のアルデヒド化合物、酢酸エステル、ジエステル、トリエステル、炭酸エステル等のエステル類を加えた水ガラス水溶液、あるいは水ガラスのアルカリを酸で中和して得られる中性〜非アルカリ性シリカ溶液、活性シリカ、シリカコロイド、ホワイトカーボン水溶液等が挙げられる。
【００５７】
本発明において注入材に含まれる硫酸イオンを低減する方法としては、イオン交換法にて水ガラスよりＮａイオンを除去した活性シリカや、活性シリカを濃縮することで得られるコロイダルシリカを用いることにより、シリカに由来するアルカリ成分であるＮａイオンを少なくすることでｐＨを中性化する為に用いる硫酸の量を減らすことができる。コロイダルシリカはＮａイオンを除去することにより、帯電しコロイド状に凝集するため、ｐＨ９付近を呈し、分子量が大きいため、少量の酸にてｐＨを中性付近に調整しても、水ガラスに比べ長いゲル化時間を保持することができる。
【００５８】
活性シリカは、水ガラスをイオン交換樹脂またはイオン交換膜で処理して、水ガラス中のアルカリの一部または全部を除去して得られる。また、水ガラスと酸を混合してなる酸性水ガラスを、イオン交換樹脂またはイオン交換膜に通過させ、水ガラス中の塩の一部または全部を脱塩して得られたものであってもよい。さらに、活性シリカのシリカ濃度が低い場合には、加熱濃縮したり、コロイダルシリカ、水ガラス等を適宜に添加して、シリカ濃度を上げることもできる。活性シリカのシリカ濃度は、１〜８質量％、ｐＨは２〜４である。
【００５９】
かかる活性シリカは、シリカ粒径が１〜５ｎｍに成長して数日後にはゲル化するが、苛性アルカリや水ガラス等のアルカリを加えて、アルカリ側のｐＨにすることにより安定化される。この安定化した活性シリカに、現場で酸や塩を加えてｐＨやゲル化時間を調整し、使用に供される。また、活性シリカに酸を加え、可使時間を長くしてゲル化時間を調製することもできる。この種の活性シリカはゲル化時間を長く調整できるのみならず、低濃度でもゲル化し、かつ固結後の耐久性にも優れている。粘度は水とほとんど変わらず、２ｃｐｓ以下である。
【００６０】
また、コロイダルシリカはコロイド化されており、活性シリカをアルカリまたは水ガラスを加えて濃縮重合して、弱アルカリ領域に安定化して製造する。これにより、Ｎａ含有量が少ないことから中性付近のｐＨでも、ゲル化せず長時間安定し、また少ない反応剤でもゲル化することから、本発明に適している。
【００６１】
かかるコロイダルシリカは、上記活性シリカを加熱することにより濃縮増粒し、ｐＨを９〜１０に調製して安定化して得られるが、ｐＨが酸性〜中性であってもよい。このようにして得られたコロイダルシリカはシリカ濃度が５質量％以上、通常は３０質量％程度であり、また、粒径は５〜２０ｎｍであるが、それ以上、例えば、１００ｎｍ程度まで大きくすることができる。
【００６２】
また、本発明における硫酸イオンの固定化剤としてはマグネシウム塩やカルシウム塩を一種または複数用い、好ましくはマグネシウム、カルシウムの、水酸化塩、またはカルシウム塩を用いる。
【実施例】
【００６３】
以下、本発明を実施例を用いて詳細に説明する。
＜実施例１＞
地盤中で、未改良地盤と改良地盤を併設する場合の硫酸イオンの移動を模型地盤にて測定した。図６に示すように、水中にて長期養生したモルタル供試体（直径５ｃｍ×高さ１０ｃｍ）を、直径１１ｃｍの密閉容器内に領域Ａとして、表２に示す非アルカリ性シリカ系注入材を豊浦砂に混合し、間隙０．４、非アルカリ性シリカ系注入材による間隙充填率を１に調整したもので、厚さｍｃｍで囲んだ。さらにその周辺を領域Ｂとして、湿砂にて厚さｎｃｍで囲み間隙０．４に調整した後、１年間室温養生した。非アルカリ性シリカ系注入材のシリカ溶液は３号水ガラスを用いた。領域Ａの厚みｍと領域Ｂの厚みｎは表３に示す組合せで行った。
【００６４】
【表２】
【００６５】
【表３】
【００６６】
１年経過後、コンクリート供試体を回収し一軸圧縮試験を行い、同期間水養生したコンクリート供試体と試験結果を比較した結果。表３に示す実施例１−１〜１−３においては同等の強度を発現し、実施例１−４においては強度の低下が若干見られたもののコンクリート供試体の外観に変化はなかった。比較例１−１、１−２はコンクリート表面にヒビ割れがみられ水養生したコンクリート供試体に比べ低い結果が得られた。領域Ａ、Ｂそれぞれに含有する硫酸イオンを測定したところ、ほぼ同量の硫酸イオン量を示したことから、接した領域Ａ，Ｂにおいて硫酸イオンの拡散が起こり、一年経過後において密閉容器内で硫酸イオン濃度が均一になったことがわかる。
【００６７】
尚、この結果を下記式（１）に当てはめると、
Ｘ＝ｎ×α×ａ×Ａ×Ｙ・・・（１）
Ｙ＝Δ１
とすると
実施例１−１の場合
ｎ＝１、Ａ＝１、ａ＝２６１５０ｐｐｍ、Δ１＝３４．５％となるため、
Ｘ＝０．４×１×２６１５０×０．３４５＝３６０８．７ｐｐｍとなる。
同様に実施例１−２〜１−４、比較例１−１、１−２について、結果を表３に併記する。
【００６８】
この結果より、地盤改良領域に部分的に硫酸系注入材を注入しても、硫酸イオンの拡散が経時的に起こり、硫酸イオン濃度が領域全体において均一化され、コンクリートへの影響を低減することがわかる。
【００６９】
＜実施例２＞
さらに、実施例１において領域Ｂを下記表４に示す非アルカリ性シリカ系注入材を用い同様の実験を行った結果、実施例１−１と同様に実施例２−１〜２−３において強度低下がみられず、実施例２−４は外観に変化はないが強度低下がみられた。比較例２−１、２−２においてはヒビ割れがみられ強度低下がみられた。この実験により、地盤改良領域において一部を硫酸系注入材とし、それ以外を非アルカリ性シリカ系注入材を用いることで地盤改良領域全体を改良でき、かつ、硫酸イオンの影響を低減することができる。
【００７０】
【表４】
【００７１】
また、図６と実施例１，２の結果より、コンクリート供試体に接する地盤が一年経過後までに硫酸イオンが５０００ｐｐｍ以下に拡散することでコンクリートへ供試体の影響が低減できることがわかる。このためにはコンクリート近傍にリン酸化合物を含む非アルカリ性シリカ系注入材等の固結ゾーンを設けることで、硫酸イオンが拡散するまでの過程で、大量の硫酸イオンをコンクリート供試体が接することを回避できる。
【００７２】
＜実施例３＞
厚さ１０ｃｍ高さ３０ｃｍ奥行き３０ｃｍのコンクリート供試体に接するように直径１０ｃｍの立方体に成形した非アルカリ性シリカ系注入材（配合２）を用いたサンドゲルのブロックと、硫酸イオンを含まないシリカ系注入材（配合３）を用いたサンドゲルのブロックを図７のように、縦方向に３、横方向に３、深さ方向に３の合計２７ブロック使用し、図格子状に組合せた。非アルカリ性シリカ系注入材を用いたブロックは１４個、硫酸イオンを含まないシリカ系注入材を用いたブロックは１３個で、非アルカリ性シリカ系注入材の領域は１４０ｃｍ３、硫酸イオンを含まないシリカ系注入材の領域は１３０ｃｍ３である。各注入材の配合を表５に示す。この時のブロックの間隙率は０．４、注入率は１００％とした。
【００７３】
【表５】
※１：硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ系注入材
※２：硫酸イオンを含まないシリカ系注入材
【００７４】
１年後にコンクリートを地盤改良領域に接する位置と、地盤改良領域から離れた位置において直径５ｃｍ、高さ１０ｃｍの円筒に成形し供試体を作成し一軸圧縮強度測定を行った結果、地盤改良領域に接した位置のコンクリート供試体は同じコンクリートを水養生したものに比べ若干強度低下がみられたが、地盤改良領域から離れた位置の供試体は強度低下がみられなかった。ＹをΔ１として、得られた結果を式（１）に当てはめると、
ｎ＝１、Ａ＝１、ａ＝３５３７９．４ｐｐｍ、Δ１＝５１．９％であるため、
Ｘ＝０．４×１×３５３７９．４×０．５１９＝７３４４．８ｐｐｍとなる。
さらに、コンクリートへの影響を低減する為に非硫酸系注入材に７５％リン酸を１６ｍｌ加えｐＨ３に調整したところ、コンクリートへの影響は水養生のものと同程度の強度が得られた。これより、リン酸のコンクリート保護効果によりコンクリートへの影響を低減できることがわかる。
【００７５】
＜実施例４＞
拡散の経時変化による硫酸イオンの予測
図８に示すように実施例１の実験装置を横６０ｃｍ、奥行き３０ｃｍの水槽に設置し、コンクリート遠方に開放領域として厚さ２０ｃｍ高さ３０ｃｍ奥行き３０ｃｍ、間隙率０．４の未改良地盤の湿砂を設けた。この時、非アルカリ性シリカ系注入材の領域は１４０ｃｍ３、硫酸イオンを含まないシリカ系注入材の領域は１３０ｃｍ３、未改良地盤は１８０ｃｍ３である。また、コンクリートと周辺にサンドゲルのブロックで囲まれている非アルカリ性シリカ系注入材ブロックＡにおける硫酸イオンの変化を１、６、１２ヶ月後に測定した結果を図９に示す。
【００７６】
図９よりブロックＡの硫酸イオンは初期値において約１４１００ｐｐｍ、１ヶ月目において約１０４５０ｐｐｍに低下し低減率は７４．１％、６ヶ月目において約５１００ｐｐｍに低下し低減率は３６．２％、１２ヶ月目においては約４４００ｐｐｍに低下し低減率は３１．２％であった。十分に硫酸の拡散が起きた一年後においては、
ｎ＝１、Ａ＝１、ａ＝３５３７９．４ｐｐｍ、Δ１＝１４０／（１４０＋１３０＋１８０）＝３１．１％となるため、
Ｘ＝０．４×１×３５３７９．４×０．３１１＝４４０１．２ｐｐｍとなる。
【００７７】
また、１ヶ月目および６ヶ月目の低減率を用いてＹ＝Δ２を算出し、式（１）に適用すると、１カ月目においては、
Δ２＝７４．１％であり、
Ｘ＝０．４×１×３５３７９．４×０．７４１＝１０４８６．５ｐｐｍとなる。
養生開始６ヶ月後においては
Δ２＝３６．２％であり、
Ｘ＝＝０．４×１×３５３７９．４×０．３６２＝５１２２．９ｐｐｍとなる。
【００７８】
１年後にコンクリートを改良地盤に接する位置と、改良地盤から離れた位置において直径５ｃｍ高さ１０ｃｍの円筒に成形し供試体を作成し一軸圧縮強度測定を行った結果、改良地盤に接した位置のコンクリート供試体、改良地盤から離れた位置の供試体は同じコンクリートを水養生したものに比べ同様の強度が得られ、強度低下がみられなかった。
【００７９】
＜実施例５＞
硫酸イオン固定材を用いることにより硫酸イオンを低減する方法
炭酸カルシウムは硫酸イオンを含まないシリカ系注入材中では反応に影響しないが、硫酸イオンと結合することで硫酸カルシウムを生成しコンクリート構造物への影響を低減する。図７において硫酸イオンを含まないシリカ系注入材に硫酸イオン固定材として炭酸カルシウム１０ｇを混合した。配合を表６に示す。
【００８０】
【表６】
※２：硫酸イオンを含まない非アルカリ性シリカ系注入材
※３：炭酸カルシウム
【００８１】
室内試験において等量の炭酸カルシウムと硫酸イオンが反応すると硫酸イオンの５０〜７０％程度が固定化される実験結果が得られたことより、式（１）に当てはめると、
Ｙ＝Δ１×Δ３
Δ１：地盤改良領域中の改良地盤率（％）／１００
Δ３：１−地盤中への硫酸イオンの固定率β（％）／１００
ｎ＝１、Ａ＝１、ａ＝３５３７９．４ｐｐｍ、Δ１＝５１．９％、Δ３＝５０〜７０％となるため、
Ｘ＝０．４×１×３５３７９．４×０．５１９×０．５〜０．７＝３６７２．４〜５１４１．３ｐｐｍとなる。
【００８２】
本実施例において一年後にコンクリートを改良地盤に接する位置と、改良地盤から離れた位置において直径５ｃｍ高さ１０ｃｍの円筒に成形し供試体を作成し一軸圧縮強度測定を行った結果、改良地盤に接した位置のコンクリート供試体、改良地盤から離れた位置の供試体は同じコンクリートを水養生したものに比べ同様の強度が得られ、強度低下がみられなかった。
【００８３】
＜実施例６＞
注入材中の硫酸イオンを含まないシリカ系注入材により硫酸イオンの交換することにより硫酸イオンを低減する方法
表４の非アルカリ性シリカ系注入材において、非アルカリ性シリカ系注入材を硫酸イオン量で５０％減らし５．７５ｍＬとし、非硫酸系反応剤として７５％リン酸１０ｍｌを用いで同様のｐＨとゲルタイムに調整した。配合は下記表７に示すとおりである。
【００８４】
【表７】
※１：硫酸イオンを含まない非アルカリ性シリカ系注入材
【００８５】
式（１）にあてはめると、
Ｙ＝Δ１×Δ４
Δ１：地盤改良領域中の改良地盤率（％）／１００
Δ４：：非アルカリ性シリカ系注入材中の非硫酸系反応材による硫酸イオンの交換率（％）／１００
ｎ＝１、Ａ＝１、ａ＝３５３７９．４ｐｐｍ、Δ１＝５１．９％、Δ３＝５０％となるため、
Ｘ＝０．４×１×３５３７９．４×０．５１９×０．５＝３６７２．４となる。
【００８６】
本実施例において一年後にコンクリートを改良領域に接する位置と、改良地盤から離れた位置において直径５ｃｍ高さ１０ｃｍの円筒に成形し供試体を作成し一軸圧縮強度測定を行った結果、改良地盤に接した位置のコンクリート供試体、改良地盤から離れた位置の供試体は同じコンクリートを水養生したものに比べ同様の強度が得られ、強度低下がみられなかった。
【００８７】
以上の結果から、本発明によれば、地盤改良領域全体における非アルカリ性シリカ系注入材の反応生成物の影響を低減し、コンクリート構造物または土中埋設物に接する硫酸イオンを減少させることにより、コンクリート構造物等を保護すると共に、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であることが確かめられた。
【００８８】
１、１１ コンクリート構造物
２、１２ 地盤改良領域
３、１３ 未改良地盤
４、１４ 改良地盤
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンクリート構造物の近接部或いは掘削後コンクリート構造物を構築する予定部の近接部に硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ系注入材を注入することにより地盤改良領域を形成する地盤改良工法において、
地下水面下の硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ注入材による固結土または地盤改良領域全体の硫酸イオン濃度の平均値によりコンクリート構造物への影響を評価することを特徴とする地盤改良工法。
【請求項２】
コンクリート構造物の近接部或いは掘削後コンクリート構造物を構築する予定部の近接部に硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ系注入材を注入することにより地盤改良領域を形成する地盤改良工法において、
地下水面下の硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ注入材による固結土または地盤改良領域全体の硫酸イオン濃度の平均が１００００ｐｐｍ以下になるように注入することを特徴とする地盤改良工法。
【請求項３】
前記硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ系注入材が、水ガラスと硫酸を有効成分として含有し、水ガラスに起因するシリカ分が２〜１５質量％であり、かつ、ｐＨが１〜８である請求項１または２記載の地盤改良工法。
【請求項４】
前記地盤改良領域に含まれる硫酸イオン濃度の平均が８０００ｐｐｍ以下である請求項１〜３記載の地盤改良工法。
【請求項５】
前記硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ系注入材を、地盤改良領域に部分的に注入する請求項１〜４のうちいずれか一項記載の地盤改良工法。
【請求項６】
硫酸イオンを含まないシリカ系注入材または硫酸イオン含有量が前記硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ系注入材より少ないシリカ系注入材を、前記硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ系注入材が注入されていない部分に注入する請求項５記載の地盤改良工法。
【請求項７】
さらに硫酸イオンの固定化材としてカルシウム塩を有効成分とする注入材を注入する請求項１〜６のうちいずれか一項記載の地盤改良工法。
【請求項８】
前記硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ系注入材が、活性シリカまたはコロイダルシリカを含む請求項１〜７のうちいずれか一項記載の地盤改良工法。
【請求項９】
前記硫酸イオンを含まない非アルカリ性シリカ系注入材または硫酸イオン含有量が前記硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ系注入材より少ないシリカ系注入材が、リン酸またはリン酸化合物を有効成分として含む請求項６〜８のうちいずれか一項記載の地盤改良工法。
【請求項１０】
前記コンクリート構造物と前記硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ系注入材を注入する領域の間の領域にリン酸若しくはリン酸化合物を有効成分とする注入材またはシリカ系注入材を注入する請求項４〜９のうちいずれか一項記載の地盤改良工法。
【請求項１１】
コンクリート構造物の近接部或いは掘削後コンクリート構造物を構築する予定部の近接部に硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ系注入材を注入することにより地盤改良領域を形成する地盤改良設計方法において、
下記式（１）表わされる前記地盤改良領域の地下水面下の固結土の硫酸イオン濃度Ｘ（ｐｐｍ）を、下記式（２）で評価することを特徴とする地盤改良設計方法。
Ｘ＝ｎ×Ａ×ａ・・・（１）
Ｘ≦Ｗ・・・（２）
ｎ：土の間隙率（％）／１００
Α：注入材による間隙充填率（％）／１００
ａ：ホモゲルの硫酸イオン含有量（ｐｐｍ）
ｎ×Ａを注入率Ｂ（単位土量当たりの注入量）としてもよい
Ｗ：目的とする地盤改良領域中の硫酸イオンの平均濃度。
【請求項１２】
コンクリート構造物の近接部或いは掘削後コンクリート構造物を構築する予定部の近接部に硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ系注入材を注入することにより地盤改良領域を形成する地盤改良設計方法において、
下記式（３）で表わされる改良地盤中の硫酸イオン濃度Ｘ（ｐｐｍ）を、下記式（４）で評価することを特徴とする地盤改良設計方法。
Ｘ＝ｎ×Ａ×ａ×Ｙ・・・（３）
Ｘ≦Ｗ・・・（４）
ｎ：土の間隙率（％）／１００
Α：注入材による間隙充填率（％）／１００
ａ：ホモゲルの硫酸イオン含有量（ｐｐｍ）
Ｙは下記パラメータΔ１〜Δ４のいずれか一つまたは複数であって、
Δ１：地盤改良領域中の改良地盤率（％）／１００
Δ２：１−地下水中への硫酸イオンの溶出による経時的変化率α（％）／１００
Δ３：１−地盤中への硫酸イオンの固定率β（％）／１００
Δ４：非アルカリ性シリカ系注入材中の非硫酸系反応材による硫酸イオンの交換率（％）／１００
ｎ×Ａを注入率Ｂ（単位土量当たりの注入量）としてもよい
Ｗ：目的とする地盤改良領域中の硫酸イオンの平均濃度。
【請求項１３】
前記Ｗが１００００ｐｐｍである請求項１１または１２記載の地盤改良設計方法。
【請求項１４】
請求項１１〜１３のうちいずれか一項記載の地盤改良設計方法を用いて算出した前記Ｘが前記Ｗを満足するように注入条件を設計して非アルカリ性シリカ系注入材を注入することを特徴とする非アルカリ性シリカ系注入材の注入方法。
【請求項１】
コンクリート構造物の近接部或いは掘削後コンクリート構造物を構築する予定部の近接部に硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ系注入材を注入することにより地盤改良領域を形成する地盤改良工法において、
地下水面下の硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ注入材による固結土または地盤改良領域全体の硫酸イオン濃度の平均値によりコンクリート構造物への影響を評価することを特徴とする地盤改良工法。
【請求項２】
コンクリート構造物の近接部或いは掘削後コンクリート構造物を構築する予定部の近接部に硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ系注入材を注入することにより地盤改良領域を形成する地盤改良工法において、
地下水面下の硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ注入材による固結土または地盤改良領域全体の硫酸イオン濃度の平均が１００００ｐｐｍ以下になるように注入することを特徴とする地盤改良工法。
【請求項３】
前記硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ系注入材が、水ガラスと硫酸を有効成分として含有し、水ガラスに起因するシリカ分が２〜１５質量％であり、かつ、ｐＨが１〜８である請求項１または２記載の地盤改良工法。
【請求項４】
前記地盤改良領域に含まれる硫酸イオン濃度の平均が８０００ｐｐｍ以下である請求項１〜３記載の地盤改良工法。
【請求項５】
前記硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ系注入材を、地盤改良領域に部分的に注入する請求項１〜４のうちいずれか一項記載の地盤改良工法。
【請求項６】
硫酸イオンを含まないシリカ系注入材または硫酸イオン含有量が前記硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ系注入材より少ないシリカ系注入材を、前記硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ系注入材が注入されていない部分に注入する請求項５記載の地盤改良工法。
【請求項７】
さらに硫酸イオンの固定化材としてカルシウム塩を有効成分とする注入材を注入する請求項１〜６のうちいずれか一項記載の地盤改良工法。
【請求項８】
前記硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ系注入材が、活性シリカまたはコロイダルシリカを含む請求項１〜７のうちいずれか一項記載の地盤改良工法。
【請求項９】
前記硫酸イオンを含まない非アルカリ性シリカ系注入材または硫酸イオン含有量が前記硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ系注入材より少ないシリカ系注入材が、リン酸またはリン酸化合物を有効成分として含む請求項６〜８のうちいずれか一項記載の地盤改良工法。
【請求項１０】
前記コンクリート構造物と前記硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ系注入材を注入する領域の間の領域にリン酸若しくはリン酸化合物を有効成分とする注入材またはシリカ系注入材を注入する請求項４〜９のうちいずれか一項記載の地盤改良工法。
【請求項１１】
コンクリート構造物の近接部或いは掘削後コンクリート構造物を構築する予定部の近接部に硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ系注入材を注入することにより地盤改良領域を形成する地盤改良設計方法において、
下記式（１）表わされる前記地盤改良領域の地下水面下の固結土の硫酸イオン濃度Ｘ（ｐｐｍ）を、下記式（２）で評価することを特徴とする地盤改良設計方法。
Ｘ＝ｎ×Ａ×ａ・・・（１）
Ｘ≦Ｗ・・・（２）
ｎ：土の間隙率（％）／１００
Α：注入材による間隙充填率（％）／１００
ａ：ホモゲルの硫酸イオン含有量（ｐｐｍ）
ｎ×Ａを注入率Ｂ（単位土量当たりの注入量）としてもよい
Ｗ：目的とする地盤改良領域中の硫酸イオンの平均濃度。
【請求項１２】
コンクリート構造物の近接部或いは掘削後コンクリート構造物を構築する予定部の近接部に硫酸イオンを含む非アルカリ性シリカ系注入材を注入することにより地盤改良領域を形成する地盤改良設計方法において、
下記式（３）で表わされる改良地盤中の硫酸イオン濃度Ｘ（ｐｐｍ）を、下記式（４）で評価することを特徴とする地盤改良設計方法。
Ｘ＝ｎ×Ａ×ａ×Ｙ・・・（３）
Ｘ≦Ｗ・・・（４）
ｎ：土の間隙率（％）／１００
Α：注入材による間隙充填率（％）／１００
ａ：ホモゲルの硫酸イオン含有量（ｐｐｍ）
Ｙは下記パラメータΔ１〜Δ４のいずれか一つまたは複数であって、
Δ１：地盤改良領域中の改良地盤率（％）／１００
Δ２：１−地下水中への硫酸イオンの溶出による経時的変化率α（％）／１００
Δ３：１−地盤中への硫酸イオンの固定率β（％）／１００
Δ４：非アルカリ性シリカ系注入材中の非硫酸系反応材による硫酸イオンの交換率（％）／１００
ｎ×Ａを注入率Ｂ（単位土量当たりの注入量）としてもよい
Ｗ：目的とする地盤改良領域中の硫酸イオンの平均濃度。
【請求項１３】
前記Ｗが１００００ｐｐｍである請求項１１または１２記載の地盤改良設計方法。
【請求項１４】
請求項１１〜１３のうちいずれか一項記載の地盤改良設計方法を用いて算出した前記Ｘが前記Ｗを満足するように注入条件を設計して非アルカリ性シリカ系注入材を注入することを特徴とする非アルカリ性シリカ系注入材の注入方法。
【図１】
【図２】
【図５】
【図９】
【図１０】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図５】
【図９】
【図１０】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１４９３９７（Ｐ２０１２−１４９３９７Ａ）
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７３６４（Ｐ２０１１−７３６４）
【出願日】平成２３年１月１７日（２０１１．１．１７）
【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〕 社団法人地盤工学会 〔刊行物名〕 第４５回地盤工学研究発表会−平成２２年度発表講演集（２分冊の１）− 〔発行年月日〕 平成２２年７月１５日
【出願人】（５０９０２３４４７）強化土株式会社 (31)
【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２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月１７日（２０１１．１．１７）
【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〕 社団法人地盤工学会 〔刊行物名〕 第４５回地盤工学研究発表会−平成２２年度発表講演集（２分冊の１）− 〔発行年月日〕 平成２２年７月１５日
【出願人】（５０９０２３４４７）強化土株式会社 (31)
【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）】
[ Back to top ]