工法紹介

【経年変化に伴う漏水】

周辺地盤の不等沈下、温度変化に伴う繰り返し伸縮、地震による変位、材料の劣化などにより、コンクリート打継ぎ目の目開き、目地材の劣化、新たなコンクリート亀裂の発生などがあり、これにより漏水が発生する。

【コンクリートクラックからの漏水】

地震、地盤沈下、施工不良などにより地下鉄筋コンクリート構造物にクラックが発生し、これに伴い漏水するケースが見られる。

【打継ぎ目からの漏水】

大規模な構造物では、一度に大量のコンクリートを打設することが出来ないため、構造物には打継ぎ目が生じ、一律化の不足や止水板などによる構造上の弱点が発生する。 また、躯体温度の変化に伴うコンクリートの伸縮や地震等の地盤変位により目開きが発生し、地下水が流入する場合がある。

【漏水に伴う周辺への影響】

• 構造物への漏水に伴う地盤沈下 地下水の水位が低下することにより、地盤の圧密現象等が発生し、特に粘性土では地盤沈下が発生する。
• 構造物への土砂流入による路面陥没洞道内に地下水や土砂が流入することで、地盤内に空洞が発生し、 路面陥没に繋がる。
• 前述の構造物の劣化を放置すると、構造物の耐力を低下させ、大規模補修や設備の更新を余儀なくされる。
• 構造物周辺の地盤や建物などに影響を与える場合がある。

【コンクリートへの影響例】

• クラック、コンクリートの中性化、 施工不良による鉄筋被りの不足などにより、塩分や水分などがコンクリート内に侵入し、鉄筋に錆が発生する。
• 鉄筋に錆が発生すると体積膨張が 起こりコンクリート内が圧迫され ひび割れが発生する。
• ひび割れが発生するとコンクリート内に侵入する水や塩分の量が多くなり、鉄筋の錆が発生し、コンクリートのひび割れが拡大する。 そして、鉄筋の体積膨張やコンクリートのひび割れの拡大が進むと、コンクリー ト内の膨張した鉄筋にコンクリートが押し出され浮きが発生したり、コン クリートの表面剥離が進行する。

【伸び性能】

温度変化や地震等によりクラックに変位が生じた場合でも、材料が追随できることが必要である。 そこで、塗膜系建築屋上防水材と同等の伸びを有することを要求性能とし、破断時の伸び率を200％以上とした。 破断時の伸び率200％とは、幅1㎜のクラックが補修後に地震等で幅3㎜まで拡大した場合でも、材料が追随できる性能である。

【引張強度】

地下構造物の大半は、地下50m以内に位置していることから、 水深50m以上の水圧に耐えられることを想定し、0.5N/mm2以上の引張強度とした。

【付着強度】

コンクリートと止水材の付着は、変位により材料が伸びて破断するよりも強く付着していれば、引張強度が有効に発揮できることから、付着強度200％以上≧引張強度を要求性能に設定した。

【ゲルタイム(材料硬化時間)】

ゲルタイムは単に短いだけでなく、止水材が漏水の原因となっているクラックに行きわたるまでは流動性を保ち、行きわたった後に速やかに硬化するよう、適切なゲルタイムを有することが望ましいと考えられる。したがって、クラックに行きわたるまでに必要な時間や作業効率や材料のロス分の削減等を勘案し、ゲルタイムの要求性能は5分以上20分以内に設定した。

【要求性能のまとめ】

【硬化プロセス】

アルファー・ゾルは石油樹脂ポリマーとアクリル樹脂ポリマーを高分子アルコール（ポリビニルアルコール）により乳化した水性エマルジョン分散液である。

吸水性ウレタンプレポリマーは周囲に水ポリが存在すると、これを急速に吸収して、炭酸ガスを放出しながら重合し、ウレタンになる。 アルファー・ゾルと吸水性ウレタンプレポリマーを混合すると、アルフ ァー・ゾルの水分は吸水性ウレタンプレポリマーの反応により急速に吸い取られ、脱水、濃縮されて、石油樹脂アクリル樹脂ポリマー粒子同士が密着融合し流動性のないゲル化状態になり固化する。この吸水性ウレタンプレポリマーとしてOH-1Xを使用している。

【STTG材を浸析させた水の水質分析の結果】

【STTG材の各薬品での影響の評価】

【STTG工法標準歩掛】

【止水延長当たりの構造物の相違による材料注入量】

※標準歩掛りは一般的な躯体状況や漏水量を想定しており、設計に適用する際は、現場確認による詳細な調査をする。

【機器構成】

石油樹脂・アクリル樹脂系材料(商品名：アルファー・ゾル‐ＳＴＴＧとアルファー・ゾル‐ゲル化剤)を主材とし、現場において硬化促進剤である親水性ウレタンプレポリマー（商品名：ハイセルＯＨ－１Ｘ）と混合して漏水部へ注入することで、 STTG材と硬化促進剤をそれぞれの専用ポンプで混合割合を制御しながら別々に圧送 し、注入直前に攪拌混合し、あらかじめ設置した注入ピンを介して注入対象部位に注入するものである。
※石油樹脂・アクリル樹脂系材料のアルファーゾル・STTGと硬化促進剤のウレタンプレポリマーをそれぞれ専用ポンプで圧送すると、混合割合を制御 しながら注入直前に撹拌混合することで、材料の硬化時間（ゲルタイム）を適 切に早める。

注入ピンの設置標準と注入設備概要を示す。

1. コンクリート面のひび割れ等に対し等間隔となるようにドリルで注入孔を空けて注入ビンを設置する。
2. 注入装置より、Y字混合機のノズルを注入ビンに差し込み、STTG材と硬化促進剤を同時に注入する。

【材料配合】

【注入孔削孔】

• 漏水の発生している目地やひび割れに対して直径10㎜の孔を、漏水原因の水みちと交差するように削孔する。削孔角度は目地やひび割れに対して入角30度程度とする。
• 削孔間隔、削孔深さはコンクリート躯体の形状、厚さ等で個別に検討する必要があるが、概ね削孔間隔・削孔深さ共にコンクリート躯体厚さの2/3程度を標準とする。
• 削孔は、ひび割れに対して左右に千鳥に行うことを基本とするが、打ち継ぎ目や現場状況に より千鳥削孔ができない場合は、個別に検討する。
• 削孔時に発生した切り粉はエアーブロー又は水洗いにて念入りに除去する。

【注入ピン取付け】

• 削孔した穴に注入用ピン（注入用高圧パッカー）を取り付け、回転により締め付ける。

【STTG材注入】

• 取り付けた注入ピンにＳＴＴＧ用Ｙ字ノズルをセットし、主材（アルファー・ゾル‐ＳＴＴＧとアルファー・ゾル‐ゲル化剤および水）と硬化促進剤(親水性ウレタンプレポリマー )を別々の系統でポンプ圧送し、ＳＴＴＧ用Ｙ字ノズル先端で攪拌混合しながら注入する。
• 主材に対し硬化促進剤の配合率（重量比）が5％～10％の範囲で混合できるよう、予め硬 化促進剤注入ポンプに備えた流量調節装置を調整する。
• 冬季の施工では主材の温度が20℃を下回らないよう、ウォーマー等を用いて加温する。
• 注入は、クラックからの材料のリーク状況や注入圧力の状況、漏水の減少具合等を確認しながら行う。

【注入機械】

【個別検討が必要な事例】

建物等、躯体厚が450㎜を超える場合

• 孔間隔削および削孔深さを洞道と同じ2/3Ｈにすると、削孔間隔が広すぎる等の原因 により、クラックへの止水剤の充填が不十分になることから、個別に検討する。

躯体裏への材料の流出を少なくする場合

• 止水剤を注入する躯体の裏面への材料流出を少なくする必要がある場合は、個別に削孔長の検討をする。
  ※シールド洞道のセグメントの継ぎ目を止水する場合
  シールド洞道においてリング間等、セグメントの継ぎ目を止水する場合は、通常どおり の削孔では、鉄筋に当たり施工が困難な場合が多いため、削孔方法について個別に検討する。

【注入材料の取り扱い】

注入材料の安全データシート（SDS）の概要は下記の通りである。

工種名:注入工

【コア採取箇所】

ボックスカルバート洞道

【コア採取状況】

【コア採取による注入効果確認】

【ひび割れ漏水補修結果と考察】

ひび割れ漏水補修結果

コンクリート表面ひび割れ幅0.1㎜～0.2㎜のひび割れ漏水に 対してのＳＴＴＧ工法による止水を確認した。

充填状況確認結果

• ひび割れ幅0.2㎜ではＳＴＴＧ材の充填を確認した。 ひび割れ幅0.1㎜ではコンクリート表面より50㎜までのＳＴ ＴＧ材の充填を確認した。
• コンクリート表面ひび割れ幅0.1㎜の場合、内部のひび割れ 幅は0.1㎜以下となり、ＳＴＴＧ材は入りにくくなるため注入時間が長くなり、注入圧力も高くなる。ただし、注入圧力を高く すると、注入圧力によってコンクリートが割れ、ひび割れ幅は増大する。
• ひび割れ漏水補修では、コンクリート内部のひび割れ状態（ひび割れの進行方向、貫通の有無）が不明なことから、注入ピン設 置標準（200㎜ピッチ、千鳥設置）では注入時間が長くなり、 注入圧力も高くなるため、注入ピンの設置間隔は狭くする必要がある。

考察

• コンクリート表面ひび割れ幅0.1㎜の場合、内部のひび割れ 幅は0.1㎜以下となり、ＳＴＴＧ材は入りにくくなるため注入 時間が長くなり、注入圧力も高くなる。ただし、注入圧力を高く すると、注入圧力によってコンクリートが割れ、ひび割れ幅は増 大する。
• ひび割れ漏水補修では、コンクリート内部のひび割れ状態（ひび割れの進行方向、貫通の有無）が不明なことから、注入ピン設置標準（200㎜ピッチ、千鳥設置）では注入時間が長くなり、注入圧力も高くなるため、注入ピンの設置間隔は狭くする必要がある。

【漏水延長の拡大の理由】

1. コンクリート打継ぎ目
   打継ぎ目全体が一体化の不足等により弱点となっているので、漏水箇所を止めた場合、打継ぎ目に沿って漏水が移行する可能性が高い。
2. コンクリートの目地
   目地材の経年劣化、目地近傍の一体化の不足などにより漏水箇所を止水 した場合、目地に沿って漏水が移行したり、近傍の目地に移行する可能性が大きい。
3. 新たにコンクリート躯体に発生した亀裂
   引張力、せん断力によるものであり、亀裂の延長線上はコン クリート耐力以上の力を受けた可能性が高く、漏水箇所を止水した場合、亀裂の延長線上に新たに漏水が移行する可能性が大きい。

【具体的な設計数量の着眼点】

1. コンクリート打継ぎ目の場合
   
   • 小規模円形トンネルでは、漏水延長が全周の1/4程度でも施工状況を勘案して設計数量として半断面、全断面を設計数量とする。
   • ボックスカルバート及びマンホールなどの場合、施工継ぎ目の一部が漏水しても施工継手端までを設計数量とする。
   • 断面が変化する付近での漏水延長、止水設計長を断面変化部までを設計数量とする。
2. 供用中に発生するひび割れの場合
   
   • 現状での漏水延長の周囲のコンクリート状況を確認し、微細ひび割れが集中している範囲を設計数量とする。

【注入圧力の管理】

注入圧力の上限は、コンクリートの強度を考慮して30MPaとする。圧力と注入の継続、中止の考え方に以下の通りを基本とする。

1. 出口圧力が上限に達し、そのままポンプを稼動せず保持しても、圧力が下がらな いケース
   注入孔がクラックに達していないか、または既に別の注入孔から材料が迂回充填され、これ以上材料が入らないケースのため、その注入孔からの注入は継続しないで良い。次の注入孔に移行する。
2. 出口圧力が上限に達し、そのままポンプを稼動せず保持すると圧力が徐々に低下し、やがて注入の継続が可能となるケース（標準）
   止水剤のリークが表面に見られない場合は、一 度下がった圧が上限に立ち上がるまで、断続的または継続的に注入する。 止水剤のリークが表面に見られる場合は、リークする止水剤の量と注入量が同等程度 になるまで注入する。ただし、クラックが大きい等により、止水剤のリークのほかに漏水がみられる場合は、他の注入孔からの注入や急結セメントモルタルでクラックを仮埋めする等の対策を行う。
3. はじめから圧力が立ち上がらず注入量のみ増加するケース
   クラックの空隙が大きい場合である。漏水が止まらない場合は、基本的には注入を継続して良いが、長時間注入圧力が上がらない場合は、裏側空洞等に材料が逸脱していると考えられるため、一旦注入を中止し漏水状況の変化を確認する。

【試験方法】

• 水圧試験は、クラック等からの漏水を想定し、幅0.2㎜・0.5㎜・1.0㎜の隙間を設けた試験体に各止水材を充填し、水圧0.1MP～0.5MP昇圧させ、また、0.1MP毎に30分ずつ保持し止水材の漏水を目視で確認した。
• 試験において確認する水圧については、地下水位以 下50ｍまでの構造物が受ける水圧を考慮し0.5MPまでを最大値とした。試験回数は試験体毎に１回ずつとし水圧試験を実施した。

【試験ケース・試験手順】

【ステップ1】
100☓100☓400㎜のコンクリートブロック2個に0.2㎜、0.5㎜、1.0㎜厚の板を挟んで止水 剤充填の隙間を設ける。

【ステップ2】
コンクリートブロック同志の端部を接着剤で固定した後、スペーサーを除去して、止水剤を充填する。

【ステップ3】
加圧治具を設置し加圧容器内に水を注水する。コンプレッサーで所定の圧力を掛ける。

【試験結果】

※「OK」は加圧中に漏水が無かったものを示す。

【課題と目標】

• 地下鉄の試験注入では、１時間程度の短時間施工のため、注入材料が水道深く（多漏水）まで充填できなかった（短時間による充填不備）。
• 水力発電設備では、低温のコンクリート本体に注入材料の硬化熱が急激に奪われるため、短時間で硬化できなかった（温度低下による硬化不備）。

【目標】短期施工時間並びに低温環境下で硬化できる速効型材料の開発

【新規硬化材の検討方法】

• 現状のＳＴＴＧ工法の硬化促進材は、ウレタン材料が主材の水分を吸収することにより硬化促進させるものである。新たに市場調査を行って、目標を満足する主材と相性の良い硬化促進材を机上で調査・検討した。
• 市場調査により選定した新規硬化材について、混合率と材料温度を変化させて、品質性能が確保できるか、材料試験並びに力学試験等で確認した。

∴市場調査結果：相性の良い材料として下記の3種類を選定すると共に、既存材料も含めて4種類について、混合率を5%～50%に変化させながら材料試験（ゲルタイム・膨張率）を実施
【既存1種類】OH-1X
【新規3種類】硬化剤A・硬化剤B ・硬化剤C

更に、上位2種類については、混合率5％から15％でゲルタイムや力学試験等を実施して使用材料を決定

【要求性能】

• 確認する要求性能は、従来の引張強度・付着強度・膨張率等の値を十分に満足すると共に、ゲルタイムを従来の1/2程度に早めることを要求性能とする。

【要求性能】：ゲルタイム(10分程度→5分以内)

試験概要は下記の通りである。

【材料試験方法】

4種類の材料の混合比率と材料温度を変化させて品質要求を確認。

1. 材料名：(既存)OH-1X・(新規)硬化剤A・硬化剤B・硬化剤Cの４種類
2. 混合率：主材アルファーゾル100%に対して5％・10％・15％・20 ％・30 ％・50 ％ を混合
3. 材料温度：主材アルファーゾルの材料温度を10℃・20℃・30℃に設定
4. ゲルタイム：通常の施工時のゲルタイム8から12分に対して、1/2程度の5分以内を目標
5. 膨張率：130％以下

【試験結果】

ゲルタイム並びに膨張率の品質要求に満足した硬化材は下記の通り

主材温度20℃

• OH-1X15％ と硬化剤B 10％

主材温度30℃

• 硬化剤B 10％

主材温度10℃

主材温度20℃

主材温度30℃

【力学試験方法】

• 材料試験でゲルタイムと膨張率で品質要求性能を満足した下記2種類の材料について力学試験を実施

1. 材料名：既存 OH-1X（比重1.18・粘度20℃700mPas・硬化時間20℃120秒）
   新 規：硬化剤B （比重1.10・粘度23℃2,100mPas・硬化時間23℃50秒）
2. 混合率：主材アルファーゾル100 ％に対して5％・10％・15％ を混合
3. 材料温度：主材アルファーゾルの材料温度を20℃に設定

引張強度試験 付着強度試験

【試験結果】

【試験詳細結果】2種類の品質要求性能と材料試験・力学試験の結果を下記に示す

【要求性能】ゲルタイム(5分以内)・膨張率(130%以下)

ゲルタイム試験結果（性能項目：ゲルタイム（分））

引張強度試験結果（性能項目：引張強度（Ｎ／㎜²）

【要求性能】付着強度(0.5N/㎜2)・膨張率(130%以下)

付着強度試験結果（性能項目：付着強度（Ｎ／㎜²））

膨張率（性能項目：膨張率（％））

【要求性能】伸び率(200%以上）

伸び率試験結果（性能項目：伸び率（％））

• ゲルタイム・引張・付着強度は、 OH-1Xよりも大幅に性能が上がった。膨張率は、同程度であった。
• 伸び率は、 OH-1Xよりも一部若干性能が下がったが、要求性能200％以下は確保できる。

∴硬化促進材１０％程度で採用すれば，速効型として十分な性能を持っていると判断できる

【凍結融解試験の概要】

• STTG材を寒冷地におけるコンクリート(例えばダム堤体)の漏水補修材として用いる場合を想定し、凍結融解抵抗性を把握したものである。材料の引張特性について述べる。

凍結融解試験

• 凍結融解のサイクル当たりの所要時間、凍結融解の温度設定は、コンクリート凍結融解試験JIS A 1148 に準じて実施した。
• 凍結融解の温度は、最高5℃から最低-18℃に1サイ クル3～4時間で温度を低下、上昇させた。
• 試験体の材料厚さは2㎜程度と薄いため試験片が凍結試験機内で変形し、養生条件がばらつくことが懸念 された。このためコンクリート柱 (8㎝×8㎝×40㎝)を使用し、写真の様に試験 片の上下をバンドにより固定した。また、試験体に凍 結融解を均等に与えるためにコンクリート柱から試験体を定期的に外し、試験体の裏と表を反転させた。
• 標準的な配合として硬化促進材の重量は、主材に対し5％とした。

引張試験

• 試験片は、コンクリート柱に取付けた長方形の 試験体より切り抜き、全長115㎜(標線間距離 80㎜)×幅6㎜ (引張試験JIS K 7127)として 試験速度50㎜/観minで実施した)。材料の引張試験は、凍結融解0,1,30,60,150サイクル毎に実施した。

【材料の引張強度試験結果】

材料の引張強さは、図の様に凍結融解の0～150サイクルによらず大きく変化しない結果となっ た。STTG材料中の気泡の大きさは小さく、一様に分布しているため凍結融解に伴う水分の膨張の影響は少ないと考えられた。

【凍結融解試験の概要】

• STTG材を寒冷地におけるコンクリート(例えばダム堤体)の漏水補修材として用いる場合を想定し、凍結融解作用の引張特性に引続き、付着特性を把握した。

【材料の付着強度試験結果】

1. この耐用年数を検討するために、長野県内のAダムの構造をモデル化し、日本コンクリート工学会の 解析ソフト「JCMAC3」により堤体のコンクリー ト温度分布を解析した。
2. 解析モデル
   ダム堤体の厚さ方向10㎝ピッチのコンクリー ト温度の経時変化の解析モデルを図とした。なお、前面(赤の部分)は熱伝達境界、他の5面（図中 青の部分）は断熱境界としている。熱伝達境界は 外気との熱伝達が存在する境界、断熱境界は温度 勾配が0の境界である。
3. 評価
   温度は冬季期間では0℃線の交差は1回程度となることから、60サイクルに相当する耐用年数は60年と考えられる。

以上よりダム堤体に関して、凍結融解60 サイクルは60年程度と考えられることから、付着強度の低下は実用上問題ないと考えられる。

【凍結融解を受けたSTTG材の性状】

凍結融解サイクルを与えた試験体を電子顕微鏡にて最高500倍で撮影した。この結果、写真の様に凍結融解サイクルを受けても性状には変化は見られず、凍結融解の影響は少ないと考えた。

電子顕微鏡写真

【試験方法】

海水の平均塩分濃度が3.5％程度のことから、下記の順、配合で使用する希釈水に塩分を含有して 配合実験を行い、ゲルタイムや粘度などの基本数値の相違の有無を確認する。

1. 試験ケース
   
   • 材料の比率は主剤（STTG）100に対して、ゲル化剤5、希釈水5、硬化促進剤（OH-1X）5とする。
     ※塩分濃度は水量に対して0％ 2％ 3.5％の3ケース
2. 試験方法
   
   • 練り混ぜは、はじめにゲル化剤を同量の水または塩水で希釈、撹拌し、主剤に加えて30秒間ハンドミキサーで練り混ぜる。
   • 次に、硬化促進剤（OH-1X）を加え20秒間ハンドミキサーで練り混ぜる。
   • 練り混ぜた材料を自然状態で保持し、デジタル粘度計で5分毎に粘度を測定し判定不能になるまで数値測定し、各3ケースの数値を比較する。
   • 硬化体サンプルはその後の経過観察を行うため１年間保管し、１か月ごとに目視で確認する。

【試験結果】

今回の実験では、塩分濃度の違いによる粘性の変化はみられないことから、海水がSTT材Gに与える影響は無いといえる。

【せん断特性】

せん断強度試験の結果を表に示す。また、せん断応力と変位との関係を図に示す。本試験結果から、 STTG工法硬化体のせん断特性は、幅1mの部材を貫通するひび割れをSTTG工法により補修を行うこと で、水圧0.53MPaまで耐えることができると推定される。

気中養生：1.26N/ ㎜²
湿潤養生：0.53N/ ㎜²

【付着特性】

付着特性試験結果を、図に示す。試験結果から、STTG工法硬化体の付着特性は、以下の様に推定される。

気中養生：0.96N/㎜²
湿潤養生：0.36N/㎜²