JP2005256379A

JP2005256379A - 人工地盤材料及びその構築方法

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Publication number: JP2005256379A
Application number: JP2004068403A
Authority: JP
Inventors: Shin Uchiyama; 伸内山
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Priority date: 2004-03-11
Filing date: 2004-03-11
Publication date: 2005-09-22

Abstract

【課題】コンクリート廃材から製造した再生微粉末を人工地盤材料として利用して、地下水位以下の掘削個所の埋め戻し部等において、容易かつ経済的な所定強度の人工固化地盤を構築する。
【解決手段】地盤改良の実施工に先立ち、評価対象の地盤特性と同等仕様の供試体を作成し、該供試体に対してせん断波速度と強度とを求める室内試験を行ってせん断波速度と強度との関係を定式化し、求めた回帰曲線に、実施工が進行する地盤に設置したベンダーエレメントを用いて求めたせん断波速度の測定結果を適用して原位置での地盤強度を推定する。
【選択図】図１

Description

本発明は人工地盤材料及びその構築方法に係り、コンクリート廃材を利用して再生された水和硬化性を有する微粉末を所定形状の透水性バッグに充填して人工地盤材料とし、それらを地下水位以下の人工地盤の施工位置に敷設、積層することで、所定強度の固化地盤を構築するようにした人工地盤材料及びその構築方法に関する。

地中構造物や基礎部分の構築のために原地盤の一部を掘削する建設工事では、地中部を構築した後の復旧地盤や、擁壁構築後の擁壁背面の埋戻し地盤や、比較的軽量な建物新設部の荷重を受ける基礎地盤など、原地盤とは異なる地盤特性（強度）を備えた半恒久的人工地盤が計画される場合がある。

従来、復旧地盤や擁壁背面の埋戻し土には、周辺掘削土や適正な品質の購入土（砂）が人工地盤として使われていた。これらの人工地盤は、支持地盤としての安定性（強度および剛性）とともに、原地盤との連続性を確保するために、適切な強度を持つことが望ましい。具体的には、土の一軸圧縮強さで１００〜４００kN/m²程度が求められている。その場合、埋戻し土砂のみでは、この程度の強度を得ることができないおそれがある。そこで、埋戻し土（現場発生土、購入土）に少量のセメント系固化材等を添加して強度向上を図る場合が多い。なお、本明細書では、「セメント系固化材」の用語は、後述する非特許文献１に詳しい記載があるように、規格セメントに対して「土あるいはこれに類するもの」の固化を目的としてＪＩＳ規格品等の固化成分が所定量添加された固化材をさすものとする。

このときのセメント系固化材と埋戻し土との混合方法としては、たとえば、「浅層地盤改良工法」に類似した方法のように、たとえば現場近くにおいて、粉体状のセメント系固化材と埋戻し土とを、撹拌アタッチメントを備えたバックホウや、スタビライザ等の混合機械などで直接混合する「原位置混合方式」で施工される場合が多い。しかし、この施工方式では粉体状の固化材による粉塵が発生し、周辺環境を悪化させてしまうという問題がある。このため、仮設のスラリー製造プラント等において、固化材に水を添加してスラリー化した固化材スラリーを用いて施工されることも多い（非特許文献１）。

また、上述のような重機によって機械的に地盤が均質になるように撹拌するには、セメント系固化材を１００kg/m³以上添加しなければならず、その結果、原地盤の想定強度の５倍程度以上の強度が発現することもあり、無駄な上、施工上の問題も多い。一方、固化材スラリーを製造する方法では、プラント設備が必要であり、スラリー状態の材料の圧送、打設のための各種搬送、打設装置も必要である。このような現状を背景に、人工的な地盤構築に際し、簡易で安価で適正な材料品質が得られる材料と、人工的な地盤構築方法が望まれていた。

この問題点に関して、地下水位が高い地盤や水中等において、その上部に構築される構造物に対して十分な強度の地盤が簡単にかつ長期間にわたって確保できるようにした、高水位・泥土箇所における地盤強化工法が提案されている（特許文献１）。この工法では、自然土に各種の土質安定材（たとえば酸化鉄、石灰、Ａｌ−Ｆｅ−Ｔｉ系酸化物等）を所定配合で添加した処理土を土嚢に詰め、地盤安定を図る場所に敷設されるようになっている。

ところで、出願人は、すでにコンクリート廃材から粗骨材、細骨材、微粉末等の所望の再生材料を得るために、公知の再生骨材製造プラントで「加熱すりもみ法」を開発している。この加熱すりもみ法では、まず破砕したコンクリート廃材（いわゆるコンクリートがら）を加熱塔の炉内に投入し、約３００℃程度に加熱する。その後、特殊磨砕設備により物理的にすりもむ（擦り揉む）ことで磨砕し、さらに公知の分級装置を介して分級し、所望の再生微粉末を得ることができる。なお、このとき同時に製造される再生細骨材、再生粗骨材は、従来の骨材と同等の品質を有するため、一般の構造コンクリートの骨材として使用することができる。特にこの加熱すりもみ法によって製造される再生微粉末（以下、微粉末と記す。）は、その比表面積が４，０００〜１０，０００cm²/g程度あり、通常のセメントより極めて細かい粒子である。また組成としてはＣａＯを単位質量当たり１０〜３０％含有することから、使用時において安定した水硬性（水和硬化性）が得られ、適度な含水比状態にある対象地盤の地盤改良材として好適である（特許文献２）。

さらに、特許文献２において、この微粉末を、たとえば人工地盤を構築するための地盤材料に添加する固化材の一部として、たとえば浅層地盤改良工法等の各種地盤改良工に適用することを提案している。この微粉末はセメントよりは弱いが、水硬性を有するので、微粉末と水とを混合して微粉末スラリーにすることで、低強度でかつばらつきが少なく、狭隘な箇所への充填が容易な人工地盤材料を提供することができる。さらに、セメントを適宜添加することで、目的（必要強度）に応じた配合設計もできる。
（社）セメント協会編，「セメント系固化材による地盤改良マニュアル［第３版］」，技報堂出版株式会社，２００３年９月，ｐ．７５〜８７。特開２００１−１４０２３６公報特開２００３−２０６５２７公報

ところで、特許文献２の微粉末スラリーは、人工地盤材料として経済的であり、力学的な特性上も優れているが、スラリー製造プラント、スラリーの搬送設備等が、従来の場合と同様の設備が必要となる。

これに対して、上述した特許文献１に開示された先行技術では、自然土と固化材とを所定混合比で固化可能な状態を詰めた土嚢等を敷設して所定の層を形成した状態で、その上部に地盤改良部を形成することを目的としている。この土嚢にはあらじめ含水調整された自然土や土質安定材が用いられ、土嚢に詰めた時点から材料硬化が開始する。このため、材料の保管期間や構築方法が制約を受け、また地盤形状への追従性に欠ける等のおそれがある。したがって、限られた構造物の埋戻し、構造物の裏込め等、形状や範囲が限られたような人工地盤のための固化材として使用した場合に、埋戻し、裏込めが十分に行えないというおそれがある。

そこで、本発明の目的は、従来の従来の技術が有する問題点を解消し、対象となる人工地盤材料が比較的限られた形状、範囲であるような場合、その形状にあわせて、人工地盤材料となる微粉末を効率よく充填でき、また所要の地盤強度を確保できるようにした人工地盤材料及びその構築方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明はコンクリート廃材を加熱、磨砕して分級する工程を経て得られた微粉末であって、透水性袋状体に充填され、人工地盤が形成される地中部に敷設され、前記袋状体内に充填された微粉末が浸透した地中水と水和硬化することを特徴とする。

このとき、前記微粉末に対して１〜１０質量％のセメント系固化材が添加された状態で前記透水性袋状体に充填することが好ましい。

また、保存時に前記微粉末が充填された袋状体が、さらに密封袋状体内に収容され、保存され、前記地中部敷設前に前記密封袋状体を取り除くようにすることが好ましい。

この人工地盤材料を構築する方法として、コンクリート廃材を加熱、磨砕して分級する工程を経て得られた微粉末が透水性袋状体に充填され、該透水性袋状体が、地下水位以下あるいは水に浸漬される地中部に、敷設、積層され、前記袋状体内に充填された微粉末が浸透した地中水と水和硬化し、前記透水性袋状体内で硬化し、前記積層された袋状体の集合体により人工地盤を形成することを特徴とする。

本発明によれば、廃コンクリートからのリサイクル副産物である微粉末を有効利用することで、環境負荷低減に効果があるとともに、人工地盤材料として、低強度で均質な材料が安価に提供でき、施工面においても、再生材料（微粉末）の回収、保管から施工の間において、その荷姿を保持でき、それらを所定位置に敷設、積層するだけで人工地盤の構築もきわめて容易に行え、施工の合理化が図られる。

また、微粉末の硬化作用に着目した場合、微粉末の吸水性が高いため、撹拌等をする必要なく、水和硬化のプロセスが均一で、微粉末自体の吸水によって材料が自硬するという作用を利用できる。

さらに、透水性を有する透水性のバッグに充填したため、地中部に敷設後、地中水が自由に浸透し、その際バッグ内の微粉体の移動は拘束されているので、バッグ形状に保持された状態で硬化が進行する。微粉末硬化前のバッグ形状は埋設個所の形状、範囲に応じて柔軟に対応させることができ、また、微粉末が水和硬化した後は、硬化した微粉末の強度とバッグの強度及び積層されたバッグ間の摩擦作用によって原地盤以上の材料強度の実現が可能になると言う効果も期待できる。

以下、本発明の人工地盤材料及びその構築方法の実施するための最良の形態として、以下の実施例を説明する。

［微粉末バッグの構成］
図１（ａ）は、「加熱すりもみ法」により再生された各種再生骨材のうち、本発明に利用される微粉末１１が充填された状態の人工地盤材料用の袋状体（バッグ）１０を示した模式斜視図である。一部に断面形状を示したように、本発明では、人工地盤材料は、扁平円筒形状の透水性（通水性と同義）を有する袋状体１２内に微粉末１１が絶乾状態を保持して充填された状態からなる。この透水性を有する袋状体１２は、本実施例ではポリエチレン繊維織布からなり、袋詰めされた微粉末が目合いからほとんど漏れない程度の密な織布が用いられている。また、織布表面は微粉末１１が充填され、積層されたバッグ１０同士の織布表面間の摩擦が十分確保されるような表面粗さとなるようにしておくことが好ましい。

この微粉末が充填された織布バッグ１０（以下、単に微粉末バッグ１０と記す。）は、製造工場で所定量の微粉末を充填して口元を機械綴じして品質の安定した規格品として供給されても良いし、人工地盤の施工現場において、乾燥状態で保管していた使用微粉末を織布バッグ１２の空袋に充填し、口元を縛って所望の大きさの微粉末バッグ１０を製造することもできる。この微粉末バッグ１０は、図２，図３に示すように、構造物１の周囲の埋め戻しや擁壁２の背面裏込めの対象としての人工地盤施工現場において、整形された地盤面（底盤）上に、たとえば縦横に複数列に敷設され、その上に複数段にわたって積層される。隅部等の変則形状部分を施工する場合には、充填容量を調整した微粉末バッグを用いて、形状調整等を容易に行える。

微粉末バッグは、設置される人工地盤の範囲や形状に応じて、従来ある土嚢程度の寸法の袋状体から、各種粉体のバラものを収容、運搬するために用いられる１辺が１ｍ以上あるような円筒状、略立方体状等の大型の既製のコンテナバッグも使用できる。またバッグの生地材料は透水性（通水性）があれば、上述の生地以外の種々の合成繊維織布等を採用することができる。また、微粉末を充填し、微粉末バッグを一定期間保管するような工程の場合には、人工地盤を施工する現場で水和硬化が進行してしまい、敷設される前に硬化しまうおそれがある。そこで、通常は、図１（ｂ）に部分的に示したように、ポリエチレン袋等の合成樹脂製の密封袋１３内に保存することが好ましい。なお、同図では、説明のために微粉末バッグ１２全体を覆う密封袋１３の一部のみを示している。

バッグの変形例として、図１（ｃ）に示したように、一重構造の密封袋１４内に微粉末１１を直接充填して微粉末バッグ１０を構成するようにしてもよい。この場合には、微粉末バッグ１０の敷設時に、多数の針状体が形成された孔開け具等を用いて密封袋１４の表面に多数の孔１５，１５…をあけることで、微粉末バッグの敷設、積層後に土中水の浸透を図り、バッグ内の微粉末の自硬を進行させる。

［微粉末の製造］
本発明において、人工地盤材料として使用する微粉末の製造工程について説明する。本発明ではコンクリート廃材から所望の微粉末を得る（再生する）ために、再生骨材製造プラントで「加熱すりもみ法」を採用している。この加熱すりもみ法では、まず破砕したコンクリート廃材（いわゆるコンクリートがら）を加熱塔の炉内に投入し、約３００℃程度に加熱する。その後、特殊磨砕設備により機械的にすりもむ（擦り揉む）ことで磨砕し、さらに公知の分級装置を介して分級し、所望の粒径の再生骨材を得ることができる。微粉末はこれらの他の再生骨材と同時に得られ、その比表面積が４，０００〜１０，０００cm²/g程度あり、通常のセメントより極めて細かい粒子であり、この微粉末を地盤改良材として水と所定混合比で混合することにより、所定強度の人工地盤材を提供することができる。なお、加熱すりもみ法によって製造された再生細骨材、再生粗骨材は絶乾状態にある。このとき再生細骨材、再生粗骨材は、従来の骨材と同等の品質を有するため、一般の構造コンクリートの骨材として使用することができる。

［微粉末の組成・自硬作用］
表−１は解体コンクリートから再生された微粉末の化学組成と物理特性の一例を示している。

微粉末は、もとのコンクリート材料によりその化学組成にはある程度の範囲を有するが、何れの組成の場合にも、その一部に十分な割合の水和硬化性材料を含み、セメント材料と比較して小さいながらも水和硬化性（自硬性）を有する。また、適当な種類のセメントを適量添加することで、必要強度が設定されたような人工地盤への適用も可能な配合設計もできる。参考として、図２に水微粉末比（Ｗ／Ｐ）を変化させた場合に得られる微粉末スラリーの材齢ごとの一軸圧縮強さの関係グラフを、図３にセメント添加率を変化させた各水結合材比（Ｗ／（Ｐ＋Ｃ）：微粉末と高炉Ｂ種セメントの合計）を変化させた場合に得られた微粉末スラリーの材齢２８日における一軸圧縮強さを示したグラフを示した。上述したように、出願人は微粉末はスラリー状とすれば、原地盤に対して過度に強固でない人工地盤を構築することができることを確認している。

［微粉末バッグ内の微粉末の自硬作用］
これに対して本願発明では、微粉末バッグ内に充填されている微粉末は、たとえば撹拌槽等において、添加水と撹拌され、スラリー状となってその後硬化するのではなく、たとえば地下水位以下の土中水がバッグ内に浸透し、その水分との水和反応を期待している。したがって、各微粉末バッグ内で所定の強度を発揮するため、各微粉末バッグ自体が所定の強度を得て、自立することができる。また、このとき微粉末バッグが多数段積層されることにより、バッグ内での微粉末の相対密度も上昇するため、粉末の固化状態以上に強度増加が期待できる。そして各所定強度を有する微粉末バッグが積層され、一体的な人工地盤が形成されることになる。なお、構造物用途によって、人工地盤としての仕様強度（要求強度）が設定されている場合で、硬化後の要求強度が微粉末のみでの発現強度より高い場合は、微粉末に対してセメント系固化材を微粉末質量比で１〜１０％程度、事前添加して、微粉末バッグ充填を行うことも好ましい。

［室内実験］
微粉末を円筒形モールド（φ５０mm，高さ１００mmのモールド表面に多数の通水孔形成）に充填し、大気圧下の水槽内で吸水させ、所定材齢（７日）での一軸強度試験測定を行った。
（試験結果）
・ケース１（微粉末のみ）一軸圧縮強さｑ_u＝１９kN/m²
（湿潤単位体積重量γ_t＝１．６８kN/m³、含水比ｗ＝４９％）
・ケース３（微粉末＋セメント５％添加) ｑ_u＝２９１kN/m²
（湿潤単位体積重量γ_t＝１．６５kN/m³、含水比ｗ＝４８％）
上記結果においてはモールド脱型後の強度を得たが、実際には微粉末バッグに充填されて土中に設置されるため、微粉末の粘着力と微粉末バッグとの効果により、通常の砂材料を充填した場合と同等以上の安定性を示すことが予想される。

［微粉末バッグの製造及び構築方法］
上述した微粉末バッグによる人工地盤の構築方法について、図４，図５を参照して簡単に説明する。図４は、山留め復旧のための建物１周囲の埋戻し土として本発明の人工地盤材料を適用した例を示した説明図、図５は擁壁２の裏込め土として本発明の人工地盤材料を適用した例を示した説明図である。
(1) 上述した微粉末を、内袋がポリエチレン織布バッグ、外袋がポリエチレンシートシート密封バッグで構成された二重構造の微粉末バッグ１０に充填する。なお、微粉末バッグが雨水等に曝されない屋内等に保管される場合は、内袋のみからなる微粉末バッグとしてもよい。なお、微粉末充填時に、要求強度に応じてセメント系固化材を微粉末質量比で１〜１０％事前に添加しておくことも好ましい。
(2) 建物１や擁壁２等の構造物が完成し、埋戻し工程となったら、保管場所から微粉末バッグを搬出し、使用現場に搬入する。
(3) 使用時には、二重構造の微粉末バッグ１０の場合は外袋を取り除き、内袋のみとしてこれを用いる。なお、密封構造の一重の微粉末バッグの場合にはこの段階で、バッグに多数の孔をあけておく（図１（ｃ）参照）。
(4) 埋戻し対象個所、裏込め対象個所に、重機あるいは人力によって微粉末バッグ１０を敷設、積層していく。このとき、地下水水位以下の作業等となる場合には、必要に応じて仮設遮水工を施した状態で敷設、積層作業を行い、作業終了後に、遮水工を撤去して微粉末バッグの積層個所での地下水位の回復を図る。このとき微粉末バッグは複数段に積層されるため、微粉末バッグ内の微粉末の相対密度が高まり、地下水がバッグ内に浸透し、硬化が進行した場合に十分な強度発現が期待できる。なお、十分な地中水の供給が見込めない場合には、敷設した層ごとに十分に散水して微粉末バッグが、各敷設段階で一時的にに滞水状態とし、敷設された各微粉末バッグに十分な水分が供給されるようにすることが好ましい。
(5) 敷設直後に、微粉末バッグが地表面に露出し、バッグの乾燥が進行しないように、適当な層厚の覆土５を行うことが好ましい。また、層状に敷設された微粉末バッグが層状に硬化することにより、所定深さ位置に不透水層として人工地盤を構築することも可能となる。

本発明の人工地盤材料の一実施例としての微粉末バッグを示した斜視図。水微粉末比を変化させた時の微粉末スラリーの一軸圧縮強さを示したグラフ。セメント添加率を変化させた各水結合材比での微粉末スラリーの一軸圧縮強さを示したグラフ。建物周囲の埋戻し土として本発明の人工地盤材料を適用した例を示した説明図。擁壁の裏込め土として本発明の人工地盤材料を適用した例を示した説明図。

符号の説明

１０微粉末バッグ
１１微粉末
１２袋状体（空袋）

Claims

コンクリート廃材を加熱、磨砕して分級する工程を経て得られた微粉末であって、透水性袋状体に充填され、人工地盤が形成される地中部に敷設され、前記袋状体内に充填された微粉末が浸透した地中水と水和硬化することを特徴とする人工地盤材料。
前記微粉末に対して１〜１０質量％のセメント系固化材が添加された状態で前記透水性袋状体に充填されたことを特徴とする請求項１記載の人工地盤材料。
前記微粉末が充填された袋状体が、さらに密封袋状体内に収容され、保存され、前記地中部敷設前に前記密封袋状体が取り除かれることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の人工地盤材料。
コンクリート廃材を加熱、磨砕して分級する工程を経て得られた微粉末が透水性袋状体に充填され、該透水性袋状体が、地下水位以下あるいは水に浸漬される地中部に、敷設、積層され、前記袋状体内に充填された微粉末が浸透した地中水と水和硬化し、前記透水性袋状体内で硬化し、前記積層された袋状体の集合体により人工地盤が形成されるようにしたことを特徴とする人工地盤の構築方法。