专利名称：浇注地基用的灰浆和浇注地基的施工方法
技术领域：
本发明是关于在地基中，即使和砂土接触，也不会显著缩短胶化时间，能够长时间保持呈现出高浸透性，而且能很容易调整在土中的凝胶化时间的烧注地基用的灰浆，因此适于改进大容量地基，并防止地基的液状化施工等，以及使用这种灰浆浇注地基的施工方法。
倾斜的和较深地下的周边地基等，由于存在地下水，而使地基带有流动性，作为防止地基液状化而注入的灰浆材料，通常适于广泛应用的浇注材料最好是凝胶化时间长，特别是能减少在土中凝胶化时间的缩短，呈现出高浸透性，确确实实凝固，而且，凝固物最好是尽量能接近于中性的浇注材料。
作为这种凝胶化时间长的灰浆，过去开发了使用非碱性硅溶胶溶液型的水玻璃系灰浆。
然而，这种使用非碱性硅溶胶的溶液型水玻璃系灰浆，在向地基浸透中，和砂土接触，PH值由酸性转变成中性，因此，显著缩短了在土中的凝胶化时间，作为用来防止地基液状化的灰浆，不可能得到广泛范围的烧注，而且也不适用。
因此，本发明的目的是改进上述公知技术中存在的缺点，提供一种在地基中即使和砂土接触，也不会显著缩短凝胶化时间，能够长时间保持呈现高浸透性的浇注地基用的灰浆，因此，作为用来防止地基液状化的灰浆是非常有效的，以及使用这种灰浆浇注地基的施工方法。
为达到上述目的，依照本发明，其特征是含有有效成分水玻璃和磷酸，同时还要满足以下(1)、(2)和(3)的条件(1)水玻璃的摩尔比(n)为3.6～5.0。
(2)SiO2的浓度为，3(％)＜SiO2(％)＜1.7n(％)(3)液性为酸性～中性。
进而，为达到上述目的，依照本发明，其特征是含有水玻璃、磷酸、以及从可溶性多价金属盐、碱金属氯化物和氨基磺酸中选出的一种或数种，作为有效成分，同时要满足以下(1)、(2)和(3)的条件。
(1)水玻璃的摩尔比(n)为3.6～5.0，(2)SiO2的浓度为，3(％)＜SiO2(％)＜10.0(％)，(3)液性为酸性～中性。
进而，为达到上述目的，依照本发明，其特征是在地基中作为一次注入材料，注入瞬时凝结性灰浆或悬浊性灰浆，在填充地基的粗糙部分后，作为二次注入材料，再注入上上述浇注地基用的灰浆。
发明的实施形式以下具体叙述本发明一般讲，通常在城市土建中，注入间距取为1m，单位承受面积取为1m2，1个分级为0.5m，注入率为0.35，注入量为(1×1×0.5)×0.35＝175L，注入速度取为10L/min，则注入时间需要17.5分钟。因而，在土中需要的凝胶化时间，最长也不过17～20分钟。
对此，在因防止液状化而带来大容量土的地基改进中，注入间距取为4m，单位承受面积取为4×4＝16m2，1个注入分级要加长、取为2m，注入量则为(4×4×2)×0.35(注入率)＝11200L，每分钟吐出量即使大到20L/min，所需要的时间为11200/20＝560分钟＝9.3小时。
因而，土中需要的凝胶化时间为9～10小时，或者要求比以上注入时间更长的凝胶化时间。不用说，像进行偏移那样的砂砾地基，虽然有时以较短的1分钟凝胶化时间进行注入，尽管如此，仍要保持所需要的凝胶化时间，在注入中大幅度缩短凝胶化时间，会妨碍充分的浸透凝固、广范围的浸透、低压浸透注入。
鉴于上述事实，本发明的浇注地基用灰浆和用它浇注地基的施工方法，使土中的凝胶化时间从短时间(1分钟)到10小时，或者更长，可防止凝胶化时间缩短，并能在防止地基液状化中有效改进大容量土的地基，以下详细叙述本发明。
1.水玻璃-磷酸系将非碱性硅溶胶的PH和匀(ホモ)凝胶、粗(サンド)凝胶(丰浦标准砂和千叶县产海砂)的凝胶化时间的关系图，过去的水玻璃-硫酸系示于
图1，水玻璃-磷酸(精制)系示于图2。图1、2的水玻璃浓度实例，SiO2的含量均为约5％。
在图1、2中，曲线(a)(A)表示匀凝胶(ホモゲル)、曲线(b)(B)表示用丰浦标准砂制得的粗凝胶(サンドゲル)、曲线(c)(C)表示用千叶县产海沙制提的粗凝胶。不用多说，这时的凝胶化时间，水玻璃浓稠时，相对的短，稀薄时则向长时间转变。因而，在加长凝胶化时间时，要使水玻璃浓度本身稀薄。
当将图1的非碱性硅溶胶和图2的本发明由这种水玻璃-磷酸系形成的非碱性硅溶胶进行比较时，匀凝胶的曲线a和A中，在低PH范围内，曲线a的凝胶化时间要远远长于曲线A的凝胶化时间，随着PH升高，曲线A的凝胶化时间反而长于曲线a的凝胶化时间。即，曲线A的曲线倾斜度比曲线a的曲线倾斜度要缓慢的多。可以认为产生这种状况的原因是磷酸的电离常数远远小于硫酸，在和水玻璃的反应中诱发了缓冲作用。
当观察产生问题的土中凝胶化时间时，图1中丰浦标准砂时的曲线b明显短于曲线a，而千叶县产海沙时的曲线c明显的更短。
然而，图2中曲线B不比曲线A短，常常是长于曲线A。曲线C的缩短程度也非常的小，从而可知在土中的凝胶化时间能维持很长。曲线的倾斜也很缓慢，在高PH下也能维持相当长的凝胶化时间。可以认为这种状况是除了上述磷酸的电离、缓冲外，在土中还起到了封锁金属的作用，掩蔽了土中的金属。如上述，可以判明，当使用磷酸制造非碱性硅溶胶时，与用硫酸时比较，显著降低了土中凝胶化时间的缩短。这就是说作为防止液状化用的灰浆，发现了极大的划时代的现象。虽然如此，但一般讲，水玻璃的浓度变浓稠时，凝胶化时间缩短，变稀薄时，会延长。
为了保持适宜防止液状化的凝胶化时间与水玻璃的浓度、即SiO2含量和水玻璃的种类，即，水玻璃的摩尔比有关。作为水玻璃的种类，已查明，最好是摩尔比为3.6～5.0范围的高摩尔比的。摩尔比为5以上的水玻璃，一般给制造带来麻烦，费用增高，目前还没有使用。
本发明中，使用这种摩尔比为3.6～5.0的高摩尔比水玻璃，可很好地达到上述目的，除此之外，作为反应剂的酸量、添加剂的用量也要少量，因此可获得的效果是反应生成物的量也很少，并减少了从凝胶化物中溶出盐类的量等。
作为水玻璃的浓度，从凝胶化时间和凝固强度两个方面考虑，硅溶胶中的SiO2(％)下限为3％，上限与使用时的水玻璃摩尔比有关，发现其上限限度最好是摩尔比(n)的1.7倍。即，SiO2(％)的浓度范围最好是3(％)＜SiO2(％)＜1.7n(％)。n表示水玻璃的摩尔比。当在3％以下时，浸透性虽然好，但凝固的确实性存在问题，凝固强度显著降低。当在1.7n％以上时发现凝胶化时间很快，浸透性和在土中的均匀凝固很难。因此，本发明最好同时满足上述各条件。
2.水玻璃-磷酸-添加剂系从上述中明确判断发现了水玻璃-磷酸系中凝胶化时的特殊现象。因此可调整凝胶化时间，获得凝固物强度的增强，若提高所用水玻璃的浓度，可进一步提高防止液状化的效果。
本发明者们还发现，使由水玻璃-磷酸形成的硅溶胶中所用水玻璃的摩尔比、硅溶胶液性范围保持上述规定，通过添加水溶性多价金属盐、碱金属氯化物、氨基磺酸，可获得凝胶化的调整，SiO2浓度(水玻璃的浓度)的上限可提高到10％，并能获得强度的增强。
水溶性多价金属盐和磷酸反应，形成多价金属和磷酸以不溶性复盐形式存在的酸性液。这种液体与水玻璃产生中和反应，引发二氧化硅的交联反应和二氧化硅的析出，我们认为这时，二氧化硅在溶液中以悬浮的多价金属磷酸盐为中心而析出成为溶胶，最终形成磷酸多价金属硅酸盐的不溶性坚硬固化物。结果，带来了强度的增加。进而提供了一种注入材料组合物大体上作为不溶性盐，从硅溶胶中溶出的成分很少，对环境影响也很小的注入液剂。
作为水溶性多价金属盐，具体有氯化铝、聚氯化铝、硫酸铝、明矾等铝盐、氯化钙、氯化镁等碱土金属盐、氯化铁、硫酸铁等铁盐。
碱金属氯化物通过少量碱金属离子的作用，一般具有加快凝胶化时间的效果。因此，具有瞬时凝结的效果，即使凝胶化时间非常长，对需花费过多时间的场合也是有加速凝结效果的。而且对凝固强度也能获得一定的效果。具体讲例如，有氯化钠和氯化钾。
即使用氨基磺酸代替一部分磷酸，对凝胶化时间的变动影响也很小，可以相应的减少磷酸的使用。
多少也能获得凝固体强度的强化效果。若将一部分磷酸置换成硫酸，则作为整体接近于硫酸体系，结果是磷酸的特性明显消失。对此，使用氨基磺酸，这种倾向非常小，表现出上述的效果。
3.粗磷酸上述1、2中使用的磷酸是通常工业用精制磷酸，但可以用精制处理前的粗磷酸代替它。对于磷酸的制造，有干式法和湿式法。在任何一种方法中也要使用精制处理前的粗磷酸。粗磷酸通常含有一些SO3、Fe2O3、Al2O3、SiO2等杂质。其中铁成分主要以磷酸铁的形式存在，这种磷酸铁对溶胶(胶体)的凝结有促进作用，可以认为带来了很好的效果。
4.液性作为本发明浇注地基用灰浆材料的液性，酸性时，凝胶化时间长，浸透性很好，以瞬时凝结配合，为了获得大强度凝固的PH，可以使用中性范围，作为中性范围，可使用的PH为5～9。
5.使用上述浇注地基用的灰浆材料，浇注地基的施工方法可以利用地基注入施工法复合浇注上述本发明的浇注地基用的灰浆材料。即，在需要浇注的地基中，首先注入一次注入材料瞬时凝结性灰浆或水泥等悬浊型灰浆(例如，凝胶化时间在30秒以内)。这时的一次注入材料也可以是如本发明中所述的灰浆材料。利用这种方法向地基中填充粗糙部分。
接着，向上述一次注入的地基中，作二次注入材料，注入如本发明中所述的灰浆材料。这时，作为二次注入材料，由于在过去的灰浆材料中存在一次注入材料，虽然缩短了凝胶化时间，但作为二次注入材料，若使用上述的本发明灰浆，则不会发生这样的情况，使大范围的注入成为可能。
发明的实施例以下利用实施例详细讲述本发明，但本发明不受这些实施例所限定。
1.使用材料(1)水玻璃使用由表1所示组成形成的高摩尔比水玻璃和通常的JIS3号水玻璃。
表1
(2)磷酸(a)精制磷酸75％的工业用精制磷酸，比重(20℃)1.58(b)粗磷酸在磷酸制造中，精制前呈黄褐色，磷酸含量约75％的粗制磷酸，比重(20℃)＝1.65(3)硫酸75％的工业用硫酸(4)聚氯化铝(ポリ塩化アルミニウム)JIS规定的聚氯化铝(5)氯化钙(2水盐)试剂一级(6)氯化钠试剂一级
(7)氨基磺酸(HOSO2NH2)试剂一级(8)砂作为细砂使用丰浦标准砂，作为粉砂使用千叶县的海沙。
2.测定方法(1)粗凝胶的轴向压缩强度将用丰浦标准砂制成的粗凝胶进行7天和28天的聚偏二氯乙烯密闭养护(20℃)，利用土质工学会基准「土の一轴压缩试验方法」进行测定。
(2)凝胶化时间(a)匀凝胶的凝胶化时间在20℃利用杯的倒置法(カツプ倒立法)进行测定。
(b)土中的凝胶化时间在20℃将灰浆液和砂混合，静置、弃去上清液，向砂中插入竹串，然后拔出，将残留痕迹时作为土中凝胶化时间进行测定。
(3)PH用玻璃电极PH计进行测定。
3.实施例(1)配合试验本发明中的配合例和比较配合例一并示于表2中表2
<p>从表2可知，使SiO2浓度相同，将水玻璃一硫酸体系(比较例No.1、2)和本发明的体系(实施例No.1～7)进行比较，在同等PH下，匀凝胶的凝胶化时间，比较例虽然非常长，而土中凝胶化时间，却相反；实施例都相当长。当比较粗磷酸和精制磷酸的情况时(实施例No.6、7和实施例No.2、3)，所有粗磷酸的凝胶化时间稍长，强度也稍高。这样，本发明在PH为酸性～中性中，使在土中能够调整凝胶化时间，从短时间变化到长时间。
当降低SiO2浓度时(实施例No.8)，当然凝胶化时间增长，但强度却降低了。当SiO2浓度超出本发明范围低于3％时(比较例No.3)，强度降低的相当多。反之，当浓度SiO2超过1.7n(1.7×3.75＝6.4)％时(比较例No.4)，即使在低PH下，凝胶化时间也相当快，强度也不会相应地增强。
加入添加剂的实施例9～13，与未添加添加剂的对照实施例No.8比较，匀凝胶的凝胶化时间一般稍有缩短，但土中的凝胶化时间，与此相反，显示出稍有增长的趋势。强度明显地得到增强。但是，比较例No.5，如看到的那样，增稠水玻璃的浓度，当SiO2达到10％以上时即使在低PH下，土中的凝胶化时间也加快，而且容易产生部分凝胶化。
根据以上，按照本发明范围配合的灰浆，当PH高、接近于中性时，土中的凝胶化时间也加快，当降低PH时，可以增长，并能在广泛范围内调整土中的凝胶化时间。特别是，在低PH下，能保持土中相当长的凝胶化时间，并能获得浸透性的提高。
(2)浸透试验正如从上述配合试验结果所明确的那样，本发明能容易地调整土中的凝胶化时间，特别是能保持长时间的凝胶化时间，获得优良的浸透性，为了慎重起见，使用图3所示实验室中的浸透注入试验装置进行了浸透试验。
图3中，向具有通过压力计2、3与压缩机1相连接的搅拌器4的水槽5中，填充注入材料6。7是内径50mm、高1m的丙烯制管子，将其中的丰浦标准砂(以下记为标准砂)8分成九层，各层通过水平打击进行夯实，使其相对密度达到60％。
接着，由压缩机1以0.5kgf/cm2的注入压力，将填充在水槽5中的注入材料6压入到管7中的标准砂8中。注入材料浸透到标准砂8中，观察浸透距离。图3中的9、10为切换阀门，11、12是金属网，13是量筒，试验中所用的有代表性的注入材料和试验结果示于表3。
表3
从表3的结果可知，本发明的实施例中，PH在4以下的低PH时，充分地浸透到整个长度，而水玻璃-硫酸系(试验No.7，8)即使在低PH下，也没有观察到充分的浸透。水玻璃的浓稠浓度若在本发明的范围之外(试验No.9)，即使在低PH下，也不可能获得充分的浸透。
发明效果本发明的浇注地基用灰浆，可获得如下效果1.在酸性～中性中，土中的凝胶化时间缩短很小。
2.在低PH范围内可以维持土中很长的凝胶化时间。
3.在酸性～中性范围内很容易调整土中的凝胶化时间。
4.根据以上，可适于改进像防止液状化施工工事那样的大容量地基。
附图的简单说明图1是水玻璃-硫酸系的非碱性硅溶胶的PH与匀凝胶、粗凝胶(丰浦标准砂和千叶县产海沙)的凝胶化时间的相关图。
图2是水玻璃一磷酸体系的非碱性硅溶胶的PH与匀凝胶、粗凝胶(砂凝胶)(丰浦标准砂和千叶县产海砂)的凝胶化时间的相关图。
图3是实验室用注入试验装置的简意图。
符号说明1 压缩机7丙烯制管2、3压力计8丰浦标准砂4 搅拌器9、10切换阀门5 水槽 11、12金属网6 注入材料 13 量筒
权利要求
1.一种浇注地基用的灰浆材料，特征是含有水玻璃和磷酸有效成分，并同时满足以下(1)、(2)和(3)的条件，(1)水玻璃的摩尔比(n)为3.6～5.0(2)SiO2浓度为3(％)＜SiO2(％)＜1.7n(％)(3)液性为酸性～中性。
2.一种浇注地基用的灰浆材料，特征是含有水玻璃、磷酸、以及从可溶性多价金属盐、碱金属氯化物和氨基磺酸中选出的一种或数种作为有效成分，并同时满足以下(1)、(2)和(3)的条件，(1)水玻璃的摩尔比(n)为3.6～5.0(2)SiO2浓度为3(％)＜SiO2(％)＜10.0(％)(3)液性为酸性～中性
3.根据权利要求1或2任一项记载的浇注地基用的灰浆材料，特征是权利要求1或2中的磷酸是粗磷酸。
4.一种浇注地基的施工方法，特征是向地基中，作为一次注入材料，注入瞬时凝结性灰浆或悬浊型灰浆，填充地基的粗糙部分后，作为二次注入材料，注入以下浇注地基用的灰浆材料，该灰浆材料含有水玻璃和磷酸有效成分，并同时满足以下(1)、(2)和(3)的条件，即(1)水玻璃的摩尔比(n)为3.6～5.0(2)SiO2浓度为3(％)＜SiO2(％)＜1.7n(％)(3)液性为酸性～中性。
5.一种浇注地基的施工方法，特征是向地基中，作为一次注入材料，注入瞬时凝结性灰浆或悬浊型灰浆，填充地基的粗糙部分后，作为二次注入材料，注入以下浇注地基用的灰浆材料，该灰浆材料含有水玻璃、磷酸、以及从可溶性多价金属盐、碱金属氯化物和氨基磺酸中选出的一种或数种作为有效成分，并同时满足以下(1)、(2)和(3)的条件，即(1)水玻璃的摩尔比(n)为3.6～5.0(2)SiO2浓度为3(％)＜SiO2(％)＜10.0(％)(3)液性为酸性～中性。
全文摘要
浇注地基用的灰浆和浇注地基的施工方法,该灰浆在地基中即使与砂土接触,也不会缩短凝胶化时间,能维持长时间呈现高浸透性而且容易调整凝胶化时间适于改进大容量地基,防止地基液状化施工。该灰浆含有水玻璃和磷酸有效成分,并同时满足以下条件(1)水玻璃的摩尔比(n)为3.6～5.0,(2)SiO
文档编号C09K17/02GK1264686SQ0010278
公开日2000年8月30日 申请日期2000年2月22日 优先权日1999年2月24日
发明者岛田俊介, 柏原健二, 三轮求 申请人:强化土工程株式会社