JP2009079100A

JP2009079100A - 固化材

Info

Publication number: JP2009079100A
Application number: JP2007248329A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Matsuyama; 祐介松山
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2007-09-26
Filing date: 2007-09-26
Publication date: 2009-04-16

Abstract

【課題】高含水土や高有機質土等の軟弱土の固化処理に適する固化材を提供する。
【解決手段】(A)ポルトランドセメントクリンカー粉砕物と、(B)2CaO・SiO₂及び2CaO・Al₂O₃・SiO₂を含有し、2CaO・SiO₂100質量部に対して、2CaO・Al₂O₃・SiO₂+4CaO・Al₂O₃・Fe₂O₃が10〜100質量部であり、3CaO・Al₂O₃の含有量が20質量部以下である焼成物の粉砕物と、(C)石膏を含有する固化材。
さらに、高炉スラグ粉末、フライアッシュ、石灰石粉末、珪石粉末及びシリカフュームから選ばれる１種以上の無機粉末を含有することが好ましい。
【選択図】なし

Description

本発明は、地盤改良用の固化材に関し、特に、高含水土や高有機質土等の固化処理に適した固化材に関する。

従来、土木・建設の分野では、河川、湖沼、海等の近くの汚泥等よりなる軟弱地盤を有効利用するために、それらを固化材で固化することが行われている。また、河川、湖沼、海等で行われる土木建設工事の過程で生じる建設汚泥の再汚泥化を防止するためにも、固化材が使用されている。

この種の固化材の一例として、800〜900℃で焼成した製紙スラッジ灰を原料として50〜70質量％、高炉スラグ微粉末10質量％と、石灰もしくは生石灰を10〜20質量％、無水石膏もしくは半水石膏10〜20重量％を混合してなる土壌固化材が提案されている（特許文献１）。
特開２００２−８８３６２号公報

しかしながら、上記特許文献１記載の土壌固化材では、土の種類（例えば、高含水土や高有機質土等）によっては、多量に使用しても目標強度を得ることが困難な場合があった。また、固化処理した土の耐久性が低いことがあった。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、高含水土や高有機質土等の軟弱土の固化処理に適する固化材を提供することにある。

本発明者らは、斯かる実情に鑑み、鋭意検討した結果、ポルトランドセメントクリンカー粉砕物と、特定の鉱物組成を有する焼成物の粉砕物と、石膏とを組み合わせることにより、上記課題を解決することができることを見いだし、本発明を完成させたものである。

すなわち、本発明は、(A)ポルトランドセメントクリンカー粉砕物と、(B)2CaO・SiO₂及び2CaO・Al₂O₃・SiO₂を含有し、2CaO・SiO₂100質量部に対して、2CaO・Al₂O₃・SiO₂+4CaO・Al₂O₃・Fe₂O₃が10〜100質量部であり、3CaO・Al₂O₃の含有量が20質量部以下である焼成物の粉砕物と、(C)石膏を含有することを特徴とする固化材を提供するものである（請求項１）。このような構成の固化材であれば、高含水土や高有機質土等の軟弱土に使用した場合でも、高い強度を得ることができる。また、固化処理した土も耐久性に優れるものとすることができる。
また、本発明の固化材は、更に高炉スラグ粉末、フライアッシュ、石灰石粉末、珪石粉末及びシリカフュームから選ばれる１種以上の無機粉末を含むことができる（請求項２）。これらの無機粉末を含むことにより、固化処理した土の長期強度を増大させることができるうえ、Cr⁶⁺の溶出量を低減させることができる。
また、本発明においては、上記焼成物は、産業廃棄物、一般廃棄物及び建設発生土から選ばれる一種以上を原料として製造した焼成物とすることができる（請求項３）。焼成物の原料として、産業廃棄物、一般廃棄物及び建設発生土から選ばれる一種以上のものを使用することにより、廃棄物の有効利用を促進させることができる。

本発明の固化材では、高含水土や高有機質土等の軟弱土に使用した場合でも、高い強度を得ることができる。また、固化処理した土も耐久性に優れるものとすることができる。
また、高炉スラグ粉末等の無機粉末を含むことにより、固化処理した土からのCr⁶⁺の溶出量を低減させることができる。
さらに、本発明の固化材では、産業廃棄物、一般廃棄物及び建設発生土から選ばれる一種以上を原料として製造した焼成物を用いることができるので、廃棄物の有効利用を促進させることができる。

本発明の固化材は、(A)ポルトランドセメントクリンカー粉砕物と、(B)2CaO・SiO₂及び2CaO・Al₂O₃・SiO₂を含有し、2CaO・SiO₂100質量部に対して、2CaO・Al₂O₃・SiO₂+4CaO・Al₂O₃・Fe₂O₃が10〜100質量部であり、3CaO・Al₂O₃の含有量が20質量部以下である焼成物の粉砕物と、(C)石膏を含有するものである。
ポルトランドセメントクリンカーとしては、普通、早強、超早強、低熱及び中庸熱等の各種ポルトランドセメントクリンカーを使用することができるが、本発明においては、固化処理した土の強度発現性や耐久性等から、3CaO・SiO₂含有量が多い普通又は早強ポルトランドセメントクリンカーを使用することが好ましい。
ポルトランドセメントクリンカー粉砕物のブレーン比表面積は、固化処理した土の強度発現性や耐久性、さらにはコスト等から、2500〜5000cm²/gであることが好ましく、3000〜4500cm²/gであることがより好ましい。

本発明で使用する焼成物は、2CaO・SiO₂(以降、C₂Sと称す)及び2CaO・Al₂O₃・SiO₂(以降、C₂ASと称す)を含有するもので、C₂S100質量部に対して、C₂AS+4CaO・Al₂O₃・Fe₂O₃(以降、C₄AFと称す)を10〜100質量部、好ましくは15〜90質量部含有するものである。C₂AS+C₄AF含有量が10重量部未満では、焼成時に焼成温度を上げてもフリーライム量（未反応CaO量）が低下しにくく、焼成が困難になり、また、生成するC₂Sも水和活性のないγ型C₂Sである可能性が高くなり、固化処理した土の強度発現性が低下することがある。一方、C₂AS+C₄AF含有量が100質量部を超えると、高温における融液が増加するため、焼成可能温度が狭まり、またC₂Sが少ないため、固化処理した土の強度発現性が低下することがある。
なお、本発明においては、C₂AS+C₄AF質量の70質量％以下がC₄AFであるのが好ましい。
C₄AF量がこの範囲を超えると、焼成の温度範囲が狭くなり、焼成物の製造の管理が難しくなる。

焼成物は、C₂S100質量部に対する3CaO・Al₂O₃(以降、C₃Aと称す)の含有量が20質量部以下、好ましくは10質量部以下である。C₃Aの含有量が20質量部を超えると、固化処理した土の強度発現性が低下する。また、本発明の固化材をスラリー添加する際、該スラリーの作業性が低下し、可使時間を長時間確保することも困難となる。

本発明の焼成物においては、P₂O₅を0.2〜8.0質量％（より好ましくは0.5〜6.0質量％）、アルカリ（Na₂O+K₂O）を0.4〜4.0質量％（より好ましくは0.5〜3.5質量％）含有することが好ましい。P₂O₅やアルカリを前記範囲で含有した場合、固化処理した土の強度発現性や耐久性を増大させることができる。

焼成物の粉砕物のブレーン比表面積は、固化処理した土の強度発現性や耐久性、さらにはコスト等から、2500〜5000cm²/gであることが好ましく、3000〜4500cm²/gであることがより好ましい。

このような焼成物の原料としては、一般のポルトランドセメントクリンカー原料、例えば、石灰石、生石灰、消石灰等のCaO原料、珪石、粘土等のSiO₂原料、粘土等のAl₂O₃原料、鉄滓、鉄ケーキ等のFe₂O₃原料を使用することができる。
また、産業廃棄物、一般廃棄物及び建設発生土から選ばれる１種以上を原料とし、これを焼成することにより製造することができる。産業廃棄物としては、例えば、生コンスラッジ、各種汚泥（例えば、下水汚泥、浄水汚泥、建設汚泥、製鉄汚泥等）、建設廃材、コンクリート廃材、ボーリング廃土、各種焼却灰（例えば、石炭灰、焼却飛灰、溶融飛灰等）、鋳物砂、ロックウール、廃ガラス、高炉２次灰等が挙げられる。一般廃棄物としては、例えば、下水汚泥乾粉、都市ごみ焼却灰、貝殻等が挙げられる。建設発生土としては、例えば、建設現場や工事現場等から発生する土壌や残土、更に廃土壌等が挙げられる。

焼成物の鉱物組成は、使用原料中のCaO、SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃の各含有量（質量％）から、次式により求めることができる。
C₄AF＝3.04×Fe₂O₃
C₃A＝1.61×CaO−3.00×SiO₂−2.26×Fe₂O₃
C₂AS＝−1.63×CaO＋3.04×SiO₂＋2.69×Al₂O₃＋0.57×Fe₂O₃
C₂S＝1.02×CaO＋0.95×SiO₂−1.69×Al₂O₃−0.36×Fe₂O₃

従って、例えば、廃棄物原料中にカルシウムが不足する場合には、その不足分を調整するために、石灰石等を混合して用いることができる。混合割合は、廃棄物原料の組成に応じて、得られる焼成物の組成が、本発明の範囲内になるよう、適宜決定すれば良い。

焼成物の焼成温度は、好ましくは1000〜1350℃で、より好ましくは1150〜1350℃である。
焼成に用いる装置は特に限定されず、例えばロータリーキルン等を用いることができる。また、ロータリーキルンで焼成する際には、燃料代替廃棄物、例えば廃油、廃タイヤ、廃プラスチック等を使用することができる。
このような焼成により、C₂ASが生成し、その分C₃A量がBogue式から導かれる量よりも少なくなり、本発明のような組成の焼成物を得ることができる。
なお、本発明においては、焼成物中のフリーライム量は、固化処理した土の強度発現性や、スラリー添加する際のスラリーの作業性や可使時間等から、1.5質量％以下、特に1.0質量％以下であることが好ましい。

焼成物の粉砕物の量は、固化処理した土の強度発現性や耐久性等から、ポルトランドセメントクリンカー粉砕物100質量部に対して、2〜80質量部であることが好ましく、5〜60質量部であることがより好ましい。

本発明で用いる石膏としては、特に制限されず、ニ水石膏、α型又はβ型半水石膏、無水石膏等が挙げられ、１種又は２種以上を組み合わせて用いることができる。特に、固化処理した土の強度発現性や耐久性等から、無水石膏を用いることが好ましい。

本発明の固化材において、石膏の含有量は、固化処理した土の強度発現性や耐久性等から、ポルトランドセメントクリンカー粉砕物100質量部に対して、SO₃換算で1〜17質量部であることが好ましく、3〜15質量部であることがより好ましい。

石膏のブレーン比表面積は、固化処理した土の強度発現性や耐久性、さらにはコスト等から、2000〜10000cm²/gであることが好ましく、2500〜8000cm²/gであることがより好ましい。

本発明の固化材は、更に高炉スラグ粉末、フライアッシュ、石灰石粉末、珪石粉末及びシリカフュームから選ばれる１種以上の無機粉末を含有することができる。これらの無機粉末を含有することにより、固化処理した土の長期強度を増大させることができうえ、Cr⁶⁺の溶出量を低減させることができる。

本発明において、固化材中の無機粉末量は、該無機粉末の種類により異なる。例えば、高炉スラグ粉末であれば、固化処理した土の強度発現性や耐久性等から、ポルトランドセメントクリンカー粉砕物100質量部に対して、5〜150質量部であることが好ましく、10〜100質量部であることがより好ましい。フライアッシュ、石灰石粉末や珪石粉末であれば、ポルトランドセメントクリンカー粉砕物100質量部に対して、それぞれ1〜100質量部であることが好ましく、10〜80質量部であることがより好ましい。シリカフュームであれば、ポルトランドセメントクリンカー粉砕物100質量部に対して、1〜50質量部であることが好ましく、5〜30質量部であることがより好ましい。

無機粉末の比表面積は、高炉スラグ粉末、フライアッシュ、石灰石粉末、珪石粉末では、固化処理した土の強度発現性や耐久性、更には固化材のコスト等から、ブレーン比表面積が2500〜10000cm²/gが好ましく、3000〜9000cm²/gがより好ましい。シリカフュームでは、ＢＥＴ比表面積が5〜25m²/gが好ましく、5〜20m²/gであるのがより好ましい。

固化材の製造方法としては、例えば、
(1)ポルトランドセメントクリンカーと焼成物と石膏を同時に粉砕する方法、
(2)ポルトランドセメントに、焼成物と石膏の同時粉砕物を混合する方法、
(3)ポルトランドセメントに、焼成物の粉砕物と、石膏を混合する方法、
(4)上記(1)、(2)又は(3)の固化材に無機粉末を混合する方法
等が挙げられる。
混合装置としては、既存のいかなる装置も使用可能であり、例えば、傾胴ミキサ、オムニミキサ、ヘンシェルミキサ、Ｖ型ミキサ、及びナウタミキサなどの使用が可能である。
本発明の固化材のブレーン比表面積は、固化処理した土の強度発現性や耐久性、スラリー添加する際のスラリーの作業性や可使時間、さらにはコスト等から、ブレーン比表面積2500〜6000cm²/gであることが好ましく、3000〜5000cm²/gであることがより好ましい。

本発明の固化材においては、固化処理した土の強度発現性や耐久性の向上、また、本発明の固化材をスラリー添加する際のスラリーの作業性の向上や可使時間の確保のために、減水剤（ＡＥ減水剤、高性能減水剤、高性能ＡＥ減水剤も含む）等の混和剤を使用することができる。減水剤としては、リグニン系、ナフタレンスルホン酸系、メラミン系、ポリカルボン酸系の減水剤を使用できる。

本発明の固化材を用いて地盤を固化処理する際の添加量は、対象土の性状や施工条件、固化処理した土の要求強度にもよるが、一般には、対象土1m³当り50〜300kgが好ましく、100〜250kgがより好ましい。
本発明の固化材は、例えば1)対象土に固化材を粉体のまま添加・混合するドライ添加、2)水を加えてスラリーとして添加・混合するスラリー添加、により使用することができる。スラリー添加の場合には、水／固化材（質量）比は、0.5〜1.5が好ましく、0.6〜1.0がより好ましい。

次に、実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに何ら制限されるものではない。

実施例１
（１）焼成物の製造：
表１に示す化学組成の石灰石及び下水汚泥を原料として焼成物を製造した。焼成は、ロータリーキルンを用いて焼成温度1350℃で行った。なお、焼成物の鉱物組成は、C₂S:100質量部に対して、C₂AS:51質量部、C₄AF:37質量部、C₃A:0質量部、フリーライム:0.6質量部であった。

（２）固化材の材料
下記の材料を使用した。
(a)焼成物の粉砕物：上記焼成物を、ボールミルを用いてブレーン比表面積3200cm²/gに粉砕したもの。
(b)ポルトランドセメントクリンカー粉砕物：太平洋セメント(株)製の普通ポルトランドセメントクリンカーを、ボールミルを用いてブレーン比表面積3250cm²/gに粉砕したもの。
(c)石膏：ブレーン比表面積5800cm²/gの無水石膏。
(d)高炉スラグ粉末：ブレーン比表面積4500cm²/gの高炉スラグ粉末。
(e)石灰石粉末：ブレーン比表面積4000cm²/gの石灰石粉末。

（３）固化材の製造
上記各材料を表２に示す割合で混合して、固化材を製造した。

（４）評価試験１
表２のNo.１の固化材を添加した、含水率20％の砂質土、含水率60％の粘性土又は含水率115％の関東ロームの一軸圧縮強さ（７日および28日）とCr⁶⁺の溶出量（７日および28日）を測定した。一軸圧縮強さは、「JGS 0821(安定処理土の締固めをしない供試体作製方法)」に準拠して作製した供試体を、「JIS A 1216(土の一軸圧縮試験方法）」に準じて測定した。Cr⁶⁺の溶出量は、環境庁告示第46号法に準じてジフェニルカルバジト吸光光度法を用いて測定した。その結果を表３〜表５に示す。
なお、固化材の添加量は、砂質土に対しては1m³当り50kg又は150kg、粘性土に対しては1m³当り150kg又は250kg、関東ロームに対しては1m³当り200kg又は300kgとした。
また、比較として、市販普通ポルトランドセメントも使用した。

表３〜５から、本発明の固化材では、市販普通ポルトランドセメントと比べて強度発現性に優れることが分かる。また、Cr⁶⁺溶出量も少ないことが分かる。

（５）評価試験２
表２のNo.２及び３の固化材を添加した、含水率75％の関東ローム、含水率200％の有機質土又は含水率75％の粘性土の一軸圧縮強さ（７日および28日）とCr⁶⁺の溶出量（７日および28日）を測定した。一軸圧縮強さとCr⁶⁺の溶出量は、評価試験１と同じ方法で測定した。その結果を表６〜表８に示す。
なお、固化材の添加量は、関東ロームに対しては1m³当り250kg又は350kg、有機質土に対しては1m³当り150kg又は250kg、粘性土に対しては1m³当り200kg又は300kgとした。
また、比較として、市販高炉セメントＢ種も使用した。

表６〜８から、本発明の固化材では、市販高炉セメントＢ種と同等の一軸圧縮強さを発現することが分かる。また、本発明の固化材では、Cr⁶⁺溶出量が少なく、特に有機質土の材齢７日でのCr⁶⁺の溶出量が少ないことが分かる。

Claims

(A)ポルトランドセメントクリンカー粉砕物と、(B)2CaO・SiO₂及び2CaO・Al₂O₃・SiO₂を含有し、2CaO・SiO₂100質量部に対して、2CaO・Al₂O₃・SiO₂+4CaO・Al₂O₃・Fe₂O₃が10〜100質量部であり、3CaO・Al₂O₃の含有量が20質量部以下である焼成物の粉砕物と、(C)石膏を含有することを特徴とする固化材。
高炉スラグ粉末、フライアッシュ、石灰石粉末、珪石粉末及びシリカフュームから選ばれる１種以上の無機粉末を含有する請求項１記載の固化材。
焼成物が、産業廃棄物、一般廃棄物及び建設発生土から選ばれる１種以上を原料として製造した焼成物である請求項１又は２に記載の固化材。