JP2010159347A

JP2010159347A - 土壌固化材

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Publication number: JP2010159347A
Application number: JP2009002345A
Authority: JP
Inventors: Terutoshi Shigeta; 輝年重田; Hiroyoshi Kato; 弘義加藤
Original assignee: Tokuyama Corp
Current assignee: Tokuyama Corp
Priority date: 2009-01-08
Filing date: 2009-01-08
Publication date: 2010-07-22
Anticipated expiration: 2029-01-08
Also published as: JP5500828B2

Abstract

【課題】消石灰を配合した土壌固化材を、水と混合したスラリーとして使用する場合、該スラリーの流動性が低下するという問題を解決する。
【解決手段】セメントクリンカ、石膏及び消石灰を含んでなる土壌固化材において、消石灰として粒子径３０μｍ以上の粒子を５〜４０体積％、好ましくは１０〜２５体積％の範囲で含有する消石灰を用いる。３０μｍ以上の粒子が少ない消石灰を用いる場合に比べて、流動性（ファンネル流下時間）が大幅に向上する。さらに該消石灰としては、最大粒子径が１０００μｍ以下であり、また粒子径１μｍ以下の粒子が５体積％以上含まれていることが好ましい。また六価クロム溶出を低減するために、土壌固化材にはさらに高炉スラグが含まれていることが好ましい。
【選択図】なし

Description

本発明は土壌固化材に関する。より詳しくは改良対象が火山灰質粘性土等からなる土壌に対して用いる際に、該土壌固化材を水と混合してスラリー状にして用いても、良好な流動性を確保できる土壌固化材に関する。

セメントおよびセメント系固化材を添加混合した土壌において、その改良対象となる土質によっては、セメント成分中の六価クロムが土中に溶出する恐れがある。これは、セメントの主原料であるセメントクリンカの組成に起因している。セメントクリンカは、石灰石、粘土、けい石、鉄原料などのセメント原料をロータリーキルンに投入して、その後、ロータリーキルン内で１４００℃前後まで加熱することによって焼成される。この焼成工程の中でセメント原料中のクロムは、人体に有害な六価クロムに変化する場合がある。六価クロムを含むセメントまたはセメント系固化材を用いて土壌の改良を行うと、その改良土壌から土壌環境基準値を超えて六価クロムが溶出することがある。

そこで、旧建設省、旧運輸省、農林水産省などから、平成１２年３月に「セメントおよびセメント系固化材の地盤改良への使用および改良土の再利用に関する当面の措置について」の通達が出された。また平成１３年４月には、「「セメントおよびセメント系固化材を使用した改良土の六価クロム溶出試験要領（案）」の一部変更について」の通達が出され、その中で火山灰質粘性土については、「配合設計の段階で実施する環境庁告示第４６号溶出試験（試験方法１）の結果に関わらず、施工後に実施する環境庁告示第４６号溶出試験（試験方法２）および施工後に実施するタンクリーチング試験（試験方法３）を実施するものとする。」と明記された。

火山灰質粘性土を改良の対象とした場合に、強度発現性を確保しながら六価クロムの溶出を防止する方法として、セメントと石灰を混合した固化材を使用する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また改良土からの六価クロムの溶出を防止する方法しては、セメントに高炉スラグを混合した固化材を使用する方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。しかしながら、高炉スラグはセメントに比べて初期の水和反応性に劣るため、火山灰質粘性土を改良した場合、強度発現の時期が遅れる傾向にあった。

強度を向上させるために、高炉スラグに加えてさらに石膏を配合する方法も知られている（例えば、特許文献３、４参照）。

また土壌固化材に対して消石灰を加えることにより固化体の強度が向上することも知られている（例えば、特許文献５参照）。

さらに上記以外にも、地盤改良等の目的で土壌を固化する処理材としては、セメント、高炉スラグ、石膏及び石灰（生石灰又は消石灰）の４成分のうちの３成分、又は４成分全てを含むものが多数提案されている（例えば、特許文献５〜８参照）。

特開２００１−２３２３３８号公報特開２０００−８６３２２号公報特開２００１−３４８５７１号公報特開２００７−３１４６６１号公報特開平１１−０３５９３９号公報特開平０８−１０９３７７号公報特開２０００−０９６０５１号公報特開２００６−１１７４６５号公報

上記の如く土壌固化材には、生石灰あるいは消石灰が配合されることが少なくないが、このような土壌固化材は流動性等の点でスラリーとして用いて土壌改良を行う際の作業性に改良の余地があった。

従って本発明は、石灰を配合した土壌固化材において、流動性等の作業性を改善することを目的とする。

本発明者らは上記課題を解決するため鋭意検討を重ねた。そして用いる石灰の粒度分布が流動性に大きな影響を与えることを見出し、本発明を完成した。

即ち、本発明は、セメントクリンカ、石膏及び消石灰を含んでなる土壌固化材において、消石灰として粒子径３０μｍ以上の粒子を５〜４０体積％の範囲で含有する消石灰を用いることを特徴とする土壌固化材である。なお消石灰の粒子径測定は、レーザ回折／散乱法によって測定される値である。

また上記土壌固化材は、固化体からの六価クロムの溶出を防止するために高炉スラグを更に含有することが好ましい。

本発明の土壌固化材によれば、土壌、特に関東ロームなどの火山灰質粘性土を固化する際に強度の向上等の目的で消石灰を添加したものを用いても、流動性の低下が殆どない。そのため高い強度と作業性を両立した土壌固化材を得ることができる。

実施例、比較例で用いた消石灰の粒子径の累積曲線（体積％）。消石灰を８ｗｔ％添加した土壌固化材のファンネル流下時間。消石灰を１０ｗｔ％添加した土壌固化材のファンネル流下時間。

本発明の土壌固化材はセメントクリンカ、石膏及び消石灰を含んでなる。

セメントクリンカとしては、公知のセメントクリンカが特に制限無く使用できる。なかでも、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、超早強ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメントおよび低熱ポルトランドセメントの製造に使用されるセメントクリンカが好適に使用できる。

石膏は良好な固化強度を得るために必要である。当該石膏としては、セメントやセメント系固化材に配合される石膏として公知の石膏が特に制限無く使用できる。例えば、２水石膏、半水石膏、Ｉ型又はII型無水石膏等が挙げられる。また天然石膏、化学石膏のいずれでもよく、化学石膏としては排煙脱硫石膏、リン酸石膏、チタン石膏及びフッ酸石膏等が挙げられる。

上記石膏は必要に応じて単独であるいは複数種を組合わせて使用できる。好ましくは、無水石膏、２水石膏を単独であるいはこれらを組合わせて使用する。

また用いる石膏の粉末度は特に制限されるものではないが、一般的にはブレーン比表面積で２，５００〜１０，０００ｃｍ^２／ｇであり、多くは３，５００〜７，０００ｃｍ^２／ｇである。

消石灰（Ca(OH)₂）もまた良好な固化強度を得るために配合される。特に、対象土壌が関東ロームに代表される火山灰質粘性土である場合には、該土壌中にアロフェンが多量に含まれており、当該アロフェンが多量のカルシウムイオン（Ｃａ^２＋）を吸着する性質があるため、土壌の固化処理の際に、セメントおよびセメント系固化材中のカルシウムイオンが吸着され、セメント水和物を生成しがたくする性質を持つ。そこで、土壌固化材中に消石灰を配合するによって、吸着されるカルシウムイオンを供給することができ、良好な固化強度を得ることができる。

なお、カルシウムイオンの供給源としては生石灰も考えられるが、生石灰は水と迅速に反応するため、本発明の土壌固化材を水と混合したスラリーとして用いようとした場合、スラリー中の水分を多量に消費してしまい、粘性が悪化するという問題を生じる。そのため本発明の土壌固化材では、このような反応を起こさない消石灰を用いる必要がある。

さらに消石灰を配合することによって、該消石灰の経時的な吸水作用による含水比の低下、イオン交換反応、ポゾラン反応等により、土壌中にカルシウムイオンを吸着してしまう成分が含まれていない場合でも固化強度の向上効果が得られる。

しかしながら固化材に消石灰を配合するとスラリーにしたときの流動性が著しく低下する。これは前記の消石灰の吸水作用により、実質的な水分量が低下してしまうためであると考えられる。一方、この水分量の低下を補うため、配合する水量を多くすると固化体強度が低くなる。

本発明においては上記問題点を解決するため、消石灰として粒子径（直径）３０μｍ以上の粒子を５〜４０体積％の範囲で含有する消石灰を用いる。即ち、このような消石灰を用いることにより、消石灰を配合しても流動性の低下が生じない。なおこの消石灰の粒子径は、前述の通りレーザ回折／散乱法によって測定されるものである。

３０μｍ以上の粒子が５体積％未満では、流動性の低下が生じてしまう。より好ましくは１０体積％以上である。一方、４０体積％を超えると大きな粒子が多すぎて、土壌固化材をスラリーとした際にざらつきを生じ、また場合によってはノズルの目詰まり等の問題を生じる場合がある。より好ましくは３０体積％以下であり、特に好ましくは２５体積％以下である。

また用いる消石灰の最大粒子径は特に限定されないが、あまりに巨大な粒子が存在すると目詰まり等の問題を生じる可能性がある。従って、用いる消石灰の最大粒子径は１０００μｍ以下であることが好ましい。さらに、粒子径５００μｍ以上の粒子の含有率は３体積％以下であることが好ましく、１体積％以下であることがより好ましい。

またある程度は粒度分布が広く小さな粒子も存在する方が、流動性やざらつき低減の点から好ましく、粒子径１μｍ以下の粒子が５体積％以上含まれていることが好ましく、１０体積％以上含まれていることがより好ましい。

上記の如き粒度分布特性を有する消石灰を調製する方法は特に限定されないが、例えば、原料消石灰を粉砕し、次いで各種目開きの篩を用いて粒度を調整することにより得ることができる。

本発明で用いる消石灰は、粒子径の大きな粒子を比較的多く含んでいるため、ブレーン比表面積が一般的な消石灰よりも低い傾向にあり、通常は、１２，０００ｃｍ^２／ｇ未満である。なおむろん、後述する実験結果に示すように、ブレーン比表面積が１２，０００ｃｍ^２／ｇ未満であるからといって、３０μｍ以上の粒子の含有率が５〜４０体積％の範囲にあるとは限らない。用いる消石灰のブレーン比表面積は５，０００ｃｍ^２／ｇ以上のものを用いることが好ましく、８，０００ｃｍ^２／ｇ以上のものがより好ましい。

本発明の土壌固化材には、上記セメントクリンカ、石膏及び消石灰に加えて、高炉スラグが含まれていることが好ましい。高炉スラグを配合することにより六価クロムの溶出を防止することができる。

用いる高炉スラグは土壌固化材用途において公知の高炉スラグを特に制限無く使用できる。例えば、ＪＩＳ−Ｒ５２１１：２００３「高炉セメント」に規定される高炉スラグが挙げられる。より具体的には、高炉徐冷スラグ、高炉水砕スラグあるいはこれらの微粉末を単独または２つ以上を組み合わせて使用することができる。六価クロムの溶出抑制効果の点で、高炉水砕スラグまたはその微粉末がより好適に使用できる。

用いる高炉スラグの粉末度は特に制限されるものではないが、一般的にはブレーン比表面積で３，０００〜１５，０００ｃｍ^２／ｇであり、多くは４，０００〜１２，０００ｃｍ^２／ｇである。

また本発明の土壌固化材には、上記４成分に加えて、必要に応じて土壌固化材に配合される公知の他の添加成分を配合してもよい。例えば、ナフタレンスルホン酸ホルマリン縮合物塩系、リグニンスルホン酸塩系、メラミンスルホン酸ホルマリン縮合物塩系、ポリカルボン酸塩系及びポリエーテル系の分散剤等の各種の分散剤・流動化剤、第一鉄塩、３価のチタン酸塩、亜硫酸塩、亜硫酸水素塩、チオ硫酸塩等の還元剤、シリカフューム、フライアッシュ、石灰石等が挙げられる。

本発明において、土壌固化材に配合される上記各成分の配合量は対象土壌等に応じて適宜決定すればよく、例えば前記した特許文献には各々の目的に応じた好適な組成が記載されている。

前述の通り、石膏はその配合量が多いほど、固化体の固化強度が高くなる傾向にあるが一方で固化体を膨張させる傾向がある。消石灰も固化強度を向上させるが、多すぎると土壌固化材をスラリーとした際にスラリー粘度が高くなり、むしろ作業性を低下させる場合がある。六価クロムの溶出防止効果を有する高炉スラグは多すぎると固化体の固化強度を低下させてしまう傾向がある。

従って、良好な作業性、固化体の固化強度、優れた六価クロムの溶出防止効果を有する土壌固化材とすることが可能な好ましい組成としては、セメントクリンカ、高炉スラグ、石膏及び消石灰の合計を１００質量％として、セメントクリンカが４０〜６５質量％、高炉スラグが２０〜４０質量％、石膏が６〜１６質量％及び消石灰が５〜２０質量％であり、さらに好ましくはセメントクリンカが４５〜６０質量％、高炉スラグが２２〜３３質量％、石膏が８〜１４質量％及び消石灰が５〜１５質量％である。なお、上記石膏量は無水石膏換算での量である。

この範囲の組成とすることにより、関東ローム等の火山灰質粘性土を対象とした地盤改良に特に好適に使用できる。

上記本発明の土壌固化材は、公知の使用方法に準じて使用すれば良い。例えば、浅層混合処理工法、深層混合処理工法、ソイルセメント地中連続壁工法等に使用できる。水と混合してスラリーとする際の水／固化材比も特に限定されないが、通常は５０〜２００％である。また土壌１ｍ^２当りの本発明の土壌固化材の使用量も、対象土壌等に応じて適宜決定すればよいが、通常は５０〜３００ｋｇである。

以下、本発明を具体的に説明するため、実施例及び比較例を示すが、本発明はこれらの実施例のみに制限されるものではない。

用いた材料を以下の表１に示す。なお消石灰１〜３は、原料消石灰を粉砕し、次いで各種目開きの篩を用いて粒度を調整して得たものである。

上記の各消石灰の粒度分布を以下の方法により測定した。即ち、１００ｍｌビーカーにエタノール４０ｍｌと、消石灰０．２ｇを入れ、超音波分散機（日本エマソン社製）により分散した。この分散液を、レーザ回折／散乱式粒子径分布測定装置（ＬＡ−９５０：堀場製作所社製）に投入して測定した。

図１に体積頻度分布（％）を縦軸とした粒度分布の結果を、表２に粒子径３０μｍ以上の粒子の含有率及びその他の特性を示す。

実施例１〜６、比較例１〜４
表３に示す組成を有する土壌固化材を調製した。なお、セメントクリンカ量は、原料として用いた普通ポルトランドセメントおよび高炉セメントに含まれていたセメントクリンカの合計量、石膏量は普通ポルトランドセメントおよび高炉セメントに含まれていた石膏量と別途添加した石膏の合計量を無水石膏に換算したものである。また高炉スラグ量は原料として用いた高炉セメントに含まれていた高炉スラグ量から算出したものである。

この土壌固化材の２，０００ｇを、スリーワンモーター（アズワン社製）を用いて回転数６００ｒｐｍで連続混合しているイオン交換水１，２００ｇに２分間かけて投入し、その後５分間混合したときのファンネル流下時間と、さらに回転数４００ｒｐｍで１５分および３０分間混合したときのファンネル流下時間をそれぞれ測定した。これらの結果を表３および図２、図３に示す。

上記表３及び図２，３に明らかなように、本発明の土壌固化材はファンネル流下時間が短く、流動性に優れたものであることが明らかである。

実施例７〜８、比較例５〜６
表４に示す組成を有する土壌固化材を調製し、表１に示す火山灰質粘性土を対象とした改良体の一軸圧縮強さと六価クロム溶出量を検討した。

土壌固化材の添加量は、土量１ｍ^３の火山灰質粘性土に対して２００ｋｇとし、水セメント比１００％とした固化材スラリーを添加したあと、ミキサを用いて５分間攪拌、混合し、地盤工学会基準ＪＧＳ０８２１「安定処理土の締固めをしない供試体作製方法」に準拠して供試体を作製した。ＪＩＳＡ１２１６「土の一軸圧縮試験方法」に従い、供試体の作製から１日後に一軸圧縮強さを測定した。次に、供試体を作製して７日が経過した試料に対して、環境庁告示第４６号に従い六価クロム溶出試験を実施した。これらの結果を表４に示す。

本発明の土壌固化材は、強度発現性と六価クロム溶出抑制効果を兼ね備えていることが分かる。

Claims

セメントクリンカ、石膏及び消石灰を含んでなる土壌固化材において、消石灰として粒子径３０μｍ以上の粒子を５〜４０体積％の範囲で含有する消石灰を用いることを特徴とする土壌固化材（但し、消石灰の粒子径測定は、レーザ回折／散乱法による）。
さらに高炉スラグを含む請求項１記載の土壌固化材。
セメントクリンカ、高炉スラグ、石膏及び消石灰の合計を１００質量％として、セメントクリンカが４０〜６５質量％、高炉スラグが２０〜４０質量％、石膏が６〜１６質量％及び消石灰が５〜２０質量％である請求項２記載の土壌固化材。