JP2007161838A

JP2007161838A - 土壌固化材

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Publication number: JP2007161838A
Application number: JP2005358665A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Aramatsu; 智新松; Kenichi Ano; 憲一阿野; Hiromi Ito; 博美伊藤; Kunio Fukumitsu; 邦夫福光; Keiji Awata; 敬二粟田
Original assignee: Ube Material Industries Ltd
Current assignee: Ube Material Industries Ltd
Priority date: 2005-12-13
Filing date: 2005-12-13
Publication date: 2007-06-28
Anticipated expiration: 2025-12-13
Also published as: JP5383964B2; CN101200890A; KR20070062916A; CN101200890B; HK1120579A1

Abstract

【課題】土壌の固化能力が高い酸化マグネシウム含有土壌固化材を提供する。
【解決手段】酸化マグネシウムを２０〜６０質量％、マグネシウム、カルシウム及び／又はアルミニウムの硫酸塩を１〜５０質量％、リン酸塩を０．１〜１０質量％、そして炭酸カルシウムを１０〜６０質量％含む土壌固化材。
【選択図】なし

Description

本発明は、土壌固化材に関し、特に軟弱土壌の固化に有用な土壌固化材に関する。

酸化マグネシウムの用途の一つとして、軟弱土壌の固化材としての用途がある。酸化マグネシウムは、土壌固化材として同じく用いられる酸化カルシウムと比べて弱アルカリ性であることから、環境への負荷が少ないという利点がある。しかし、酸化マグネシウムは、固化反応速度が遅く、土壌の固化能力が酸化カルシウムと比べてやや劣るという問題がある。このため、酸化マグネシウムに、硫酸塩などを土壌固化の反応促進材として添加して土壌固化能力を高めることが検討されている。

特許文献１には、反応促進剤として硫酸塩を用いた酸化マグネシウム含有土壌固化材が開示されている。この特許文献には、硫酸塩の例として、硫酸カルシウム、硫酸マグネシウムが挙げられている。

特許文献２には、反応促進剤として、リン酸塩、硫酸塩、炭酸塩、有機酸のいずれか一種以上を用いた酸化マグネシウム含有土壌固化材が開示されている。この特許文献には、リン酸塩の例として過リン酸石灰、重過リン酸石灰、溶成リン肥、焼成リン肥が、硫酸塩の例として、無水石こう、二水石こう、硫酸カリウム、硫酸アルミニウム、硫酸アンモニウム、カリミョウバン、ナトリウムミョウバンが、炭酸塩の例として、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、有機酸の例として、クエン酸、酒石酸、乳酸、シュウ酸がそれぞれ挙げられている。
特開２００３−１９３０５０号公報特開２００３−１９３４６２号公報

酸化マグネシウムは、酸化カルシウムと比べて弱アルカリではあるが、固化処理後の環境への負荷を考慮すると、土壌固化のために添加する酸化マグネシウムの量は少ない方が好ましい。
従って、本発明の目的は、従来の酸化マグネシウム含有土壌固化材よりも土壌の固化能力が高い土壌固化材を開発して、なるべく少量の酸化マグネシウムの添加で、高い土壌固化の効果が得られるようにすることにある。

本発明者は、酸化マグネシウムと硫酸塩とを含む酸化マグネシウム含有土壌固化材について検討を進めた結果、さらに所定量のリン酸塩と炭酸カルシウムとを添加することによって、土壌の固化能力をさらに高めることが可能になることを見出した。

本発明は、酸化マグネシウムを２０〜６０質量％、マグネシウム、カルシウム及び／又はアルミニウムの硫酸塩を１〜５０質量％、リン酸塩を０．１〜１０質量％、そして炭酸カルシウムを１０〜６０質量％含む土壌固化材にある。

本発明の好ましい態様は、次の通りである。
（１）さらに、酸化マグネシウム１００質量部に対して、酸化カルシウム及び／又は軽焼ドロイマイトを１〜９０質量部の範囲にて含む。
（２）マグネシウム、カルシウム及び／又はアルミニウムの硫酸塩を、酸化マグネシウムの１／５０〜１質量倍の範囲にて含む。
（３）リン酸塩を、酸化マグネシウムの１／１００〜１／１０質量倍の範囲にて含む。
（４）炭酸カルシウムを、酸化マグネシウムの１／３〜３質量倍の範囲にて含む。
（５）酸化マグネシウムが、平均ペリクレース結晶子径が１０〜５０ｎｍの範囲にあり、ＢＥＴ比表面積が５〜２０ｍ²／ｇの範囲にあり、平均粒子径が１〜５μｍの範囲にあって、粒子径が１０μｍを超える粒子の割合が１０体積％を超えることがなく、そして見かけ密度が０．３〜０．８ｇ／ｃｍ³の範囲にある。

本発明の土壌固化材は、従来の酸化マグネシウム含有土壌固化材よりも、土壌の固化能力が高い。このため、本発明の土壌固化材を用いることによって、軟弱土壌に添加する酸化マグネシウムの量を低減することができるため、環境への負荷を軽減できる。

本発明の土壌固化材は、酸化マグネシウム、マグネシウム、カルシウム及びアルミニウムからなる群より選ばれる一もしくは二以上の金属の硫酸塩、リン酸塩そして炭酸カルシウムの四つを必須成分とする。
酸化マグネシウムの含有量は、必須成分の全体量に対して、２０〜６０質量％の範囲にあり、好ましくは２５〜６０質量％の範囲にある。酸化マグネシウムの含有量が上記の範囲よりも少ないと土壌の固化能力が低下する。

マグネシウム、カルシウム及びアルミニウムの硫酸塩、リン酸塩及び炭酸カルシウムは、酸化マグネシウムの反応促進剤として作用する。また、マグネシウム、カルシウム及びアルミニウムの硫酸塩は弱酸性で、固化処理後の土壌のｐＨの上昇を抑制する効果もある。炭酸カルシウムは酸化マグネシウムよりも弱アルカリ性であるため、固化処理後の土壌に対する負荷が少ない。

硫酸塩の含有量は、必須成分の全体量に対して、１〜５０質量％の範囲、好ましくは１０〜３０質量％の範囲にある。さらに硫酸塩の含有量は、酸化マグネシウムの１／５０〜１質量倍の範囲にあることが好ましく、１／１０〜３／４質量倍の範囲にあることがより好ましい。

リン酸塩の含有量は、必須成分の全体量に対して０．１〜１０質量％の範囲、好ましくは０．５〜５質量％の範囲にある。さらにリン酸塩の含有量は、酸化マグネシウムの１／１００〜１／１０質量倍の範囲にあることが好ましく、１／５０〜１／２０質量倍の範囲にあることがより好ましい。

炭酸カルシウムの含有量は、必須成分の全体量に対して、１０〜６０質量％の範囲、好ましくは２０〜６０質量％の範囲にある。さらに炭酸カルシウムの含有量は、酸化マグネシウムの１／３〜３質量倍の範囲にあることが好ましく、１／３〜２質量倍の範囲にあることがより好ましい。
硫酸塩、リン酸塩及び炭酸カルシウムの含有量が、上記の範囲よりも少ないと反応促進剤としての効果が不充分となる。

本発明の土壌固化材において用いる酸化マグネシウムは、軽焼酸化マグネシウムであることが好ましい。特に好ましい酸化マグネシウムは、平均ペリクレース結晶子径が１０〜５０ｎｍの範囲にあり、ＢＥＴ比表面積が５〜２０ｍ²／ｇの範囲にあり、平均粒子径が１〜５μｍの範囲にあって、粒子径が１０μｍを超える粒子の割合が１０体積％を超えることがなく、そして見かけ密度が０．３〜０．８ｇ／ｃｍ³の範囲にある酸化マグネシウムである。

酸化マグネシウムの平均ペリクレース結晶子径は、１０〜５０ｎｍの範囲、好ましくは２０〜４０ｎｍの範囲である。平均ペリクレース結晶子径は、酸化マグネシウム粒子を形成する結晶子の平均径である。平均ペリクレース結晶子径は、酸化マグネシウムの反応性を表す指標の一つとなる。平均ペリクレース結晶子径が上記の範囲にあると、酸化マグネシウムの反応性が高くなり、土壌固化の発現が速くなる。

酸化マグネシウムのＢＥＴ比表面積は、５〜２０ｍ²／ｇの範囲、好ましくは１０〜２０ｍ²／ｇの範囲である。ＢＥＴ比表面積は、酸化マグネシウムの反応性を表す指標の一つとなる。ＢＥＴ比表面積が上記の範囲にあると、酸化マグネシウムの反応性が高くなり、土壌固化の発現が速くなる。

酸化マグネシウムの平均粒子径は、１〜５μｍの範囲である。平均粒子径は、酸化マグネシウムの分散性やハンドリング性を表す指標の一つとなる。平均粒子径が上記の範囲にあると、酸化マグネシウムを固化対象土壌に分散性させやすく、またハンドリング性が向上する。

酸化マグネシウムの粒子径が１０μｍを超える粒子の割合は、１０体積％未満である。酸化マグネシウムの粒子径の分布は、分散性を表す指標の一つとなる。粒子径が１０μｍを超える粒子の割合が上記の範囲にあると、酸化マグネシウムを固化対象土壌に分散性させやすく、またハンドリング性が向上する。

酸化マグネシウムの見かけ密度は、０．３〜０．８ｇ／ｃｍ³の範囲、好ましくは０．５〜０．８ｇ／ｃｍ³の範囲である。見かけ密度は、酸化マグネシウムの分散性やハンドリング性を表す指標の一つとなる。見かけ密度が上記の範囲にあると、酸化マグネシウムを固化対象土壌に分散性させやすく、またハンドリング性が向上する。

上記の酸化マグネシウムは、海水に水酸化カルシウムなどのアルカリを加えて生成させた水酸化マグネシウム粒子を、６５０〜９００℃の温度、好ましくは６８０〜９００℃の温度にて焼成することによって製造することができる。海水から得られる水酸化マグネシウム粒子には、海水中の硫酸根が取り込まれるため、この水酸化マグネシウム粒子を上記の温度範囲にて焼成して得られる酸化マグネシウムには、通常は硫酸根が０．５〜２．５質量％の範囲の量にて含まれる。焼成時間は、焼成温度や水酸化マグネシウム粒子サイズなどの要因によって異なるが、一般に１０〜１２０分間である。

本発明の土壌固化材に用いるマグネシウム、カルシウム及びアルミニウムの硫酸塩は、無水塩でもよいし、含水塩でもよい。硫酸塩は、硫酸成分（ＳＯ₄ ^2-）を３５質量％以上含むことが好ましい。硫酸塩の例としては、無水硫酸マグネシウム、硫酸マグネシウム・７水塩、無水硫酸カルシウム（無水石こう）、硫酸カルシウム・０．５水塩（半水石こう）、硫酸カルシウム・２水塩、無水硫酸アルミニウム、硫酸アルミニウム・１８水塩などの土壌固化材用として使用されている公知の硫酸塩を挙げることができる。硫酸塩は、一種を単独で使用してもよいし、二種以上を併用してもよい。硫酸塩としては、マグネシウム及びカルシウムの硫酸塩を用いることが好ましい。

本発明の土壌固化材に用いるリン酸塩には、オルトリン酸塩、縮合リン酸塩及びこれらの混合物が含まれる。リン酸塩の例としては、リン酸ナトリウム、ピロリン酸ナトリウム、トリポリリン酸ナトリウム、ヘキサメタリン酸ナトリウム、過リン酸石灰、重過リン酸石灰、溶成リン肥、焼成リン肥を挙げることができる。リン酸塩は、一種を単独で使用してもよいし、二種以上を併用してもよい。リン酸塩としては、ヘキサメタリン酸ナトリウムを用いることが好ましい。

本発明の土壌固化材において、炭酸カルシウムには通常の粉末状あるいは粒状の炭酸カルシウムを用いることができる。炭酸カルシウムの粒度は、１００メッシュ篩下が５０質量％以上であることが好ましく、８０質量％以上であることがより好ましい。

本発明の土壌固化材には、土壌固化効果の向上及び土壌固化の発現を速めるために、酸化カルシウム及び／又は軽焼ドロイマイト［ドロマイト（マグネシウムとカルシウムの複炭酸塩）を焼成して得られる酸化マグネシウムと酸化カルシウムとの複合物］を添加してもよい。酸化カルシウム及び軽焼ドロイマイトは、酸化マグネシウムと比べて強アルカリ性であるため、酸化カルシウム及び／又は軽焼ドロイマイトの添加量は、固化処理後の環境への負荷を考慮して、酸化マグネシウム１００質量部に対して１〜９０質量部の範囲にあることが好ましい。特に、土壌固化材に酸化カルシウム及び／又は軽焼ドロイマイトを添加する場合は、土壌固化材中のアルカリ性材料（酸化マグネシウム、酸化カルシウム及び軽焼ドロイマイト）の総含有量は、２５〜８０質量％の範囲にあることが好ましい。

本発明の土壌固化材は、例えば、上記の各成分をミキサーなどの公知の混合装置を用いて混合することによって製造することができる。

本発明の土壌固化材は、固化対象の軟弱土壌に粉末の状態で添加してもよいし、水に分散させた懸濁液の状態で添加してもよい。軟弱土壌に対する土壌固化材の添加量は、土壌の軟弱度や含水率によって変動するため一律に定めることはできないが、通常は、土壌１ｍ³に対して２０〜１５０ｋｇの範囲にある。

下記の材料を用いて、土壌固化材を調製した。
（１）酸化マグネシウムＡ
海水に、１５質量％濃度の水酸化カルシウム懸濁液を、海水中のマグネシウム量に対するカルシウム量としてモル比で０．９となるように添加して、水酸化マグネシウム粒子を生成させ、水酸化マグネシウム懸濁液を得た。得られた水酸化マグネシウム懸濁液を固形分濃度が３５質量％となるように濃縮した。濃縮した水酸化マグネシウム懸濁液を工業用水にて洗浄した後、ろ過、乾燥して水酸化マグネシウムを得た。得られた水酸化マグネシウムの平均粒子径は３．３μｍであった。この水酸化マグネシウムをロータリー型キルン焼成炉にて７００℃の温度で３０分間焼成して、酸化マグネシウムを得た。
得られた酸化マグネシウムは、ペリクレース結晶子径が３１ｎｍ、ＢＥＴ比表面積が１５．８ｍ²／ｇ、平均粒子径が３．３μｍ、粒子径が１０μｍを超える粒子の割合が７体積％、見かけ密度が０．６６ｇ／ｃｍ³であり、純度が９５．８８質量％、硫酸根の含有量が１．８２質量％であった。なお、酸化マグネシウムのペリクレース結晶子径、平均粒子径、粒子径が１０μｍを超える粒子の割合、及び見かけ密度は、以下の方法により測定した。

［平均ペリクレース結晶子径］
Ｘ線回折装置を用いて、管電圧４０ｋＶ、管電流２０ｍＡの条件で酸化マグネシウムのペリクレース結晶子の（２００）面のＸ線回折パターンを測定して、平均ペリクレース結晶子径を求める。標準試料にはシリコンを使用する。

［平均粒子径、粒子径が１０μｍを超える粒子の割合］
酸化マグネシウムをイオン交換水に投入し、超音波分散処理を３０秒間行なった後、レーザ回折式粒度分布測定装置（ＳＫレーザーＬＭＳ−３０、（株）セイシン企業製）を用いて粒度分布を測定して、平均粒子径、及び粒子径が１０μｍを超える粒子の割合を求める。

［見かけ密度］
容量５０ｃｍ³メスシリンダーに、酸化マグネシウムを、メスシリンダーの５０ｃｍ³の標線まで少しずつゆっくり投入した後、メスシリンダー内の酸化マグネシウムの質量を秤量して、下記の式により見かけ密度を算出する。
見かけ密度（ｇ／ｃｍ³）＝酸化マグネシウムの質量（ｇ）／５０（ｃｍ³）

（２）酸化マグネシウムＢ
ペリクレース結晶子が５８ｎｍ、ＢＥＴ比表面積が１２．９ｍ²／ｇ、平均粒子径が１５．８μｍ、粒子径が１０μｍを超える粒子の割合が６７体積％、見かけ密度が０．６８ｇ／ｃｍ³であり、純度が９６．９４質量％、硫酸根の含有量が０．０３質量％の中国産軽焼酸化マグネシウム

（３）硫酸マグネシウム・７水塩
（４）硫酸カルシウム（無水石こう）
（５）ヘキサメタリン酸ナトリウム

（６）炭酸カルシウム（宇部マテリアルズ株式会社製）
粒子径：１００メッシュ篩９０質量％パス
（７）酸化カルシウム（宇部マテリアルズ株式会社製）
粒子径：２００メッシュ篩９５質量％パス

［実施例１〜４、比較例１〜４］
上記原料を、下記の表１及び表２に示す質量比で混合して土壌固化材を調製した。表１及び表２において、アルカリ成分含有量（質量％）は、土壌固化材に含まれているアルカリ性材料（酸化マグネシウム、酸化カルシウム）の重量百分率である。

表１
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実施例１比較例１実施例２比較例２
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酸化マグネシウムＡ３０３０４５４５
硫酸マグネシウム・７水塩１５１５５５
硫酸カルシウム５５１０１０
ヘキサメタリン酸ナトリウム１ − １ −
炭酸カルシウム４９ − ３４ −
酸化カルシウム − − ５５
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アルカリ成分含有量（質量％）３０．０６０．０５０．０７６．９
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表２
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実施例３比較例３実施例４比較例４
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酸化マグネシウムＡ４０４０ − −
酸化マグネシウムＢ − − ４０４０
硫酸カルシウム１０１０１０１０
ヘキサメタリン酸ナトリウム１１１１
炭酸カルシウム１９ − １９ −
酸化カルシウム３０３０３０３０
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アルカリ成分含有量（質量％）７０．０８６．４７０．０８６．４
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［土壌の固化処理］
軟弱土壌(関東ローム、含水率：１３３質量％、湿潤密度：１．３３１ｇ／ｃｍ³、乾燥密度：０．７９７ｇ／ｃｍ³、ｐＨ：６．５）１ｍ³に、上記で得られた土壌固化材を、それぞれ下記の表３及び表４に示す３０ｋｇ／ｍ³、７０ｋｇ／ｍ³、１００ｋｇ／ｍ³の割合で添加、混合して固化処理土壌を調製した。表３及び表４において、土壌に添加されたアルカリ性材料の量（ｋｇ／ｍ³）は、土壌に添加した土壌固化材に含まれるアルカリ性材料（酸化マグネシウム及び酸化カルシウム）の量である。この固化処理土壌の強度とｐＨの評価結果を表３及び表４に示す。土壌の強度はコーン指数により評価した。コーン指数とｐＨは、下記の方法により測定した。

［コーン指数の測定方法］
ＪＧＳ−０７１６「締固めた土のコーン指数試験方法」に準じて供試体を作製し、これを密閉容器に収納して恒温恒湿室（２０℃、８０％ＲＨ）にて保存して、材令１４日後にコーン指数（ｋＮ／ｍ²）を測定した。コーン指数の値は高い方が、土壌の強度が高いことを示す。

［ｐＨの測定方法］
固化処理土壌を、密閉容器に収納して恒温恒湿室（２０℃、８０％ＲＨ）にて保存して材令１４日後に、ＪＧＳ−０２１１「土懸濁液のｐＨ試験方法」に準拠した方法で、非乾燥法によって得られた試料１０ｇを純水５０ｇに投入して１時間攪拌後、１時間静置し、その水のｐＨを測定した。

表３
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実施例１比較例１実施例２比較例２
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土壌固化材の土壌への添加量：３０ｋｇ／ｍ³
土壌に添加されたアルカリ性材
料の量（ｋｇ／ｍ³）９．０１８．０１５．０２３．１
コーン指数（ｋＮ／ｍ²）１００５１２５２６６２５
ｐＨ（−）９．０８．９８．６８．９
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土壌固化材添加量：７０ｋｇ／ｍ³
土壌に添加されたアルカリ性材
料の量（ｋｇ／ｍ³）２１．０４２．０３５．０５３．９
コーン指数（ｋＮ／ｍ²）１１９５２３１１３３０２４１２９
ｐＨ（−）９．１８．８９．１９．０
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土壌固化材添加量：１００ｋｇ／ｍ³
土壌に添加されたアルカリ性材
料の量（ｋｇ／ｍ³）３０．０６０．０５０．０７６．９
コーン指数（ｋＮ／ｍ²）２１３８３６２０５１７２６６６２
ｐＨ（−）９．０８．９９．１９．２
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表４
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実施例３比較例３実施例４比較例４
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土壌固化材の土壌への添加量：３０ｋｇ／ｍ³
土壌に添加されたアルカリ性材
料の量（ｋｇ／ｍ³）２１．０２５．９２１．０２５．９
コーン指数（ｋＮ／ｍ²）５９６７０１５９０６１３
ｐＨ（−）９．３９．５９．５９．７
────────────────────────────────────────
土壌固化材添加量：７０ｋｇ／ｍ³
土壌に添加されたアルカリ性材
料の量（ｋｇ／ｍ³）４９．０６０．５４９．０６０．５
コーン指数（ｋＮ／ｍ²）２２５６２５３６１５１０１２３９
ｐＨ（−）１０．４１１．０１０．５１１．０
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土壌固化材添加量：１００ｋｇ／ｍ³
土壌に添加されたアルカリ性材
料の量（ｋｇ／ｍ³）７０．０８６．４７０．０８６．４
コーン指数（ｋＮ／ｍ²）４７０５３６５９２１７４１９８７
ｐＨ（−）１１．１１１．５１１．３１１．４
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図１に、実施例１と比較例１の土壌固化処理において、土壌に添加されたアルカリ性材料の量と固化処理土壌のコーン指数との関係をグラフに示す。図２に、実施例２と比較例２の土壌固化処理において、土壌に添加されたアルカリ性材料の量と固化処理土壌のコーン指数との関係をグラフに示す。図３に、実施例３と比較例３の土壌固化処理において、土壌に添加されたアルカリ性材料の量と固化処理土壌のコーン指数との関係をグラフに示す。図４に、実施例４と比較例４の土壌固化処理において、土壌に添加されたアルカリ性材料の量と固化処理土壌のコーン指数との関係をグラフに示す。
図１〜図４のグラフから明らかなように、リン酸塩と炭酸カルシウムの両方を含む土壌固化材（実施例１〜４）を添加した固化処理土壌の方が、リン酸塩と炭酸カルシウムの両方を含まない土壌固化材（比較例１〜４）を添加した固化処理土壌と比べて、土壌に添加されたアルカリ性材料の量に対するコーン指数が高い値を示す傾向にあることが分かる。

実施例１と比較例１の土壌固化処理において、土壌に添加されたアルカリ性材料の量と固化処理土壌のコーン指数との関係を示すグラフである。実施例２と比較例２の土壌固化処理において、土壌に添加されたアルカリ性材料の量と固化処理土壌のコーン指数との関係を示すグラフである。実施例３と比較例３の土壌固化処理において、土壌に添加されたアルカリ性材料の量と固化処理土壌のコーン指数との関係を示すグラフである。実施例４と比較例４の土壌固化処理において、土壌に添加されたアルカリ性材料の量と固化処理土壌のコーン指数との関係を示すグラフである。

Claims

酸化マグネシウムを２０〜６０質量％、マグネシウム、カルシウム及び／又はアルミニウムの硫酸塩を１〜５０質量％、リン酸塩を０．１〜１０質量％、そして炭酸カルシウムを１０〜６０質量％含む土壌固化材。
さらに、酸化マグネシウム１００質量部に対して、酸化カルシウム及び／又は軽焼ドロイマイトを１〜９０質量部の範囲にて含む請求項１に記載の土壌固化材。
マグネシウム、カルシウム及び／又はアルミニウムの硫酸塩を、酸化マグネシウムの１／５０〜１質量倍の範囲にて含む請求項１に記載の土壌固化材。
リン酸塩を、酸化マグネシウムの１／１００〜１／１０質量倍の範囲にて含む請求項１に記載の土壌固化材。
炭酸カルシウムを、酸化マグネシウムの１／３〜３質量倍の範囲にて含む請求項１に記載の土壌固化材。
酸化マグネシウムが、平均ペリクレース結晶子径が１０〜５０ｎｍの範囲にあり、ＢＥＴ比表面積が５〜２０ｍ²／ｇの範囲にあり、平均粒子径が１〜５μｍの範囲にあって、粒子径が１０μｍを超える粒子の割合が１０体積％を超えることがなく、そして見かけ密度が０．３〜０．８ｇ／ｃｍ³の範囲にある請求項１に記載の土壌固化材。