JP2016074559A

JP2016074559A - セメントスラリーおよび地盤改良工法

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Publication number: JP2016074559A
Application number: JP2014206115A
Authority: JP
Inventors: 三浦　俊彦; Toshihiko Miura; 俊彦三浦; 新村　亮; Akira Niimura; 亮新村
Original assignee: Obayashi Corp
Current assignee: Obayashi Corp
Priority date: 2014-10-07
Filing date: 2014-10-07
Publication date: 2016-05-12

Abstract

【課題】地盤改良方法に適用した場合にも、地盤改良体の一軸圧縮強度を増加させることのできる海水を利用するセメントスラリーの提供。【解決手段】セメント及び海水を含むセメントスラリーに対して、石膏のなかでも二水石膏を添加することで、フリーデル氏塩およびエトリンガイトが豊富に生成されるため、地盤改良体の一軸圧縮強度を増加させることが可能となるセメントスラリーであり、前記セメントスラリーを用いる地盤改良工法。【選択図】なし

Description

本発明は、海水を利用したセメントスラリー、および当該セメントスラリーにて地盤改良を行う地盤改良工法に関する。

従来より、セメント及び練り混ぜ水を含むセメントスラリーを地盤中に吐出させるとともに当該セメントスラリーと現地土とを混合撹拌し、地盤中に地盤改良体を構築する方法が知られている。一般に、練り混ぜ水には真水を使用するが、真水の入手が困難であったり海底を地盤改良する際には、真水に代えて練り混ぜ水に海水を使用する。

例えば、特許文献１には、地盤改良工法に用いるセメントスラリーを、ポルトランドセメントクリンカー成分、石膏、セメント分散剤及び海水を混合して作成する方法が開示されている。

特開２００５−８４５０号公報

しかし、特許文献１では、海水を利用するセメントスラリーに添加する石膏について、単一の状態の石膏を用いるのではなく、無水石膏、半水石膏、二水石膏等、様々な状態が混ざった石膏を用いることを前提としている。

また、これら様々な状態の石膏及びポルトランドセメントクリンカー成分の両者に含まれている半水石膏については、ポルトランドセメントクリンカー成分に対して所定の割合以下に調整することが開示されている。
しかし、このような半水石膏の調整は、海水を利用したセメントスラリーの流動性を安定させ、地盤改良工法に好適に使用するために行うものである。したがって、当該セメントスラリーを用いて構築された地盤改良体の性状、特にその一軸圧縮強度についてはなんら検討されていない。

加えて、半水石膏は、水と水和反応して二水石膏となり、その結晶がからみ合うことで凝固するものである。このため、地盤改良工法に適用するセメントスラリーに対して添加する石膏として半水石膏を用いると、現地土が含有する水分の影響を受けて二水石膏の生成量が変動しやすく、その後の強度発現も安定しないため、その取扱いが煩雑である。なお、二水石膏は、広く建築材料として用いられており、生産コストが比較的安価であることから入手しやすく、また反応が安定して生じる材料であるため取り扱いやすい。

さらに、セメントスラリーに添加した様々な状態の石膏のうち、二水石膏や無水石膏については、その調整方法を明らかにしていない。

本発明は、かかる課題に鑑みなされたものであって、その主な目的は、地盤改良体の一軸圧縮強度を増加させることのできる、海水を使用するセメントスラリー、および当該セメントスラリーにて地盤改良を行う地盤改良工法を提供することである。

かかる目的を達成するため本発明のセメントスラリーは、セメント系固化材及び海水を含むセメントスラリーであって、二水石膏をさらに含むことを特徴とする。
また、前記二水石膏が、セメント系固化材に対して５重量％以上１５重量％以下添加されていることを特徴とする。

さらに、本発明の地盤改良工法は、セメント系固化材、海水及び二水石膏を含むセメントスラリーを地盤中に吐出させるとともに現地土と混合撹拌し、地盤中に地盤改良体を構築することを特徴とする。

上記のセメントスラリーによれば、海水と二水石膏とを添加することから、セメント系固化材と海水によるフリーデル氏塩（３ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃・ＣａＣｌ₂・１０Ｈ₂Ｏ）及びエトリンガイト（３ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃・３ＣａＳｏ₄・３２Ｈ₂Ｏ）の生成に加えて、セメント系固化材と二水石膏によるエトリンガイトの生成が生じる。

そして、セメント系固化材と二水石膏によるエトリンガイトの生成は、二水石膏になる前の半水石膏を採用する場合と比較して安定して行われる。このため、二水石膏をセメントスラリーに添加した地盤改良体は、半水石膏を添加する場合と比較して一軸圧縮強度を着実に増加させることが可能となる。

また、上記のとおりセメント系固化材と海水及びセメント系固化材と二水石膏の両者の反応により豊富に生成されるエトリンガイトは針状結晶を成していることから、当該針状結晶がセメント水和反応物の空隙に入り込むことにより地盤改良体の緻密性を向上させ、ひいては地盤改良体の遮水性を向上させることが可能となる。

さらに、エトリンガイトは、海水が含有しているフッ素を不溶化するとともにホウ素を固定する働きを有している。したがって、エトリンガイトが豊富に生成された地盤改良体は、フッ素及びホウ素の溶出を効率よく抑制できるため、海水を利用して地盤改良を行う際にも、フッ素及びホウ素に関する土壌環境基準の条件を容易に満たすことが可能となる。

加えて、エトリンガイトが豊富に生成されるため、地盤改良体が必要とする一軸圧縮強度に応じて、コンクリート水和反応物の生成に寄与するセメント系固化材の含有量を抑制することも可能となり、セメントスラリーの製造に係るコストを削減することが可能となる。

本発明によれば、セメント系固化材及び海水を含むセメントスラリーに対して、石膏のなかでも二水石膏を添加することで、地盤改良体の一軸圧縮強度を増加させることが可能となる。

一軸圧縮試験に用いる供試体の材料、配合割合および一軸圧縮強度の一覧図である。セメントスラリーに対する二水石膏の添加量と一軸圧縮強度の関係を示す図である（試料土に真砂土を用いた場合）。セメントスラリーに対する二水石膏の添加量と一軸圧縮強度の関係を示す図である（試料土に山砂を用いた場合）。

以下に、本発明の地盤改良工法を、図１〜図３を用いて説明する。

本発明のセメントスラリーは、軟弱な粘性土地盤や緩い砂質土地盤等の軟弱な現地土に対して吐出するとともに混合撹拌し地盤改良体を構築する、いわゆる深層混合処理工法や浅層混合処理工法等の地盤改良工法に適用されるものである。

当該セメントスラリーは、セメント系固化材及び二水石膏を海水にて練り混ぜたものであり、特に、二水石膏をセメント比で５重量％以上１５重量％以下添加したものである。

本実施の形態では、セメント系固化材として石膏などの刺激により水和・硬化が促進されやすい性質を有する高炉セメントＢ種を採用している。しかし、本実施の形態にて採用するセメント系固化材は、必ずしもこれに限定されるものではなく、高炉セメントＢ種以外の混合セメント（例えば、フライアッシュセメント等）やポルトランドセメント等、いずれのセメント系固化材を用いてもよい。

また、二水石膏は、天然に産出される天然原石や、化学工業で副生成・合成される化学石膏など、いずれを用いてもよく、例えば廃石膏ボードから製造されるリサイクル材を用いてもよい。

なお、本実施の形態では添加していないものの、セメントスラリーにシリカヒュームやＡＥ減水剤等、必要に応じて適宜の混和剤を添加してもよい。

上述するセメントスラリーを地盤改良工法に適用し、軟弱な現地土にセメントスラリーを吐出するとともに混合撹拌して地盤改良体を構築した際の、当該地盤改良体の強度を確認するべく一軸圧縮試験を行った。

一軸圧縮試験はＪＩＳＡ１２１６で規定された方法に従うものである。また、一軸圧縮試験に用いる供試体は、試験室内において試料土とセメントスラリーとをソイルミキサにて混合攪拌し、成形用型枠内に充填した後、養生して作成した。

本実施の形態では、図１に示すように、二水石膏を高炉セメントＢ種に対して５重量％、１０重量％、１５重量％それぞれ添加し海水にて練り混ぜた、３種類のセメントスラリーを用意し、これを真砂土及び山砂の２種類の試料土各々に対して混合撹拌し、合計６体の供試体を作製した。

また、比較例として、二水石膏を添加していない高炉セメントＢ種と海水よりなるセメントスラリー、二水石膏を添加していない高炉セメントＢ種と水道水よりなるセメントスラリーを用意し、これを真砂土及び山砂の２種類の試料土各々に対して混合撹拌し、合計４体の供試体を作製した。
同じく比較例として、二水石膏を高炉セメントＢ種に対して１５重量％添加し水道水にて練り混ぜたセメントスラリーを用意し、これを真砂土に対して混合撹拌した１体の供試体を作製した。

図２には、試料土に真砂土を用いた場合の一軸圧縮試験の試験結果を、図３には、試料土に山砂を用いた場合の一軸圧縮試験の試験結果をそれぞれ示す。

試料土に真砂土を用いた図２のグラフを見ると、まずセメントスラリーに二水石膏を添加していない場合において、海水で練り混ぜたセメントスラリーによる供試体（Ｃａ０％（海水））は、水道水で練り混ぜたセメントスラリーによる供試体（Ｃａ０％（水道水））と比較して、７日養生及び２８日養生のいずれの場合にも一軸圧縮強度が約２０００ｋＮ／ｍ²程度大きい。

これは、海水を用いることで、セメント系固化材に含まれるＣａ成分及びＡｌ成分と海水に含まれるＣｌ成分によりフリーデル氏塩（３ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃・ＣａＣｌ₂・１０Ｈ₂Ｏ）の生成が促進されるとともに、セメント系固化材のＣａ成分及びＡｌ成分と海水に含まれるＳｏ₄成分によりエトリンガイト（３ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃・３ＣａＳｏ₄・３２Ｈ₂Ｏ）が生成されることに起因するものと考察できる。

また、海水で練り混ぜたセメントスラリーに二水石膏を添加した供試体（Ｃａ５％（海水）、Ｃａ１０％（海水）、Ｃａ１５％（海水））はいずれも、二水石膏を添加していない海水で練り混ぜたセメントスラリーによる供試体（Ｃａ０％（海水））と比較して、７日養生及び２８日養生の両者で一軸圧縮強度が大きく、また、二水石膏の添加量が多いほど、一軸圧縮強度が大きい。

これは、セメント系固化材のＣａ成分及びＡｌ成分と二水石膏によるＳｏ₄成分によってもエトリンガイトが生成されるとともに、セメント系固化材及び二水石膏のＣａ成分の水和により生成されたセメント水和反応物に、セメント系固化材に含まれるＡｌ成分およびＳｉ成分が反応して新たな水和物を生成する、いわゆるポゾラン反応が生じることに起因するものと考察できる。

これらの結果から、地盤改良工法にセメントスラリーを適用する場合において、練り混ぜ水に水道水を使用するより海水を使用した方が、一軸圧縮強度を大きくできることは明らかである。また、海水を使用するセメントスラリーに、二水石膏を添加することで、よりいっそう一軸圧縮強度の大きい地盤改良体を構築することが可能になることも明らかである。

また、水道水で練り混ぜたセメントスラリーに二水石膏を添加した供試体（Ｃａ１５％（水道水））と比較して、海水で練り混ぜたセメントスラリーに二水石膏を添加した供試体（Ｃａ５％（海水）、Ｃａ１０％（海水）、Ｃａ１５％（海水））はいずれも、７日養生から２８日養生に至るまでの一軸圧縮強度の伸びが大きい。

この結果から、海水を使用するセメントスラリーにおいて、二水石膏を添加するにあたり養生期間を十分取ることにより、海水と二水石膏の両者を併用させることの相乗効果をより得られることは明らかである。

上述するような結果は、試料土に山砂を用いた場合にも、同様の結果が得られる。

試料土に山砂を用いた図３のグラフを見ると、セメントスラリーに二水石膏を添加していない場合において、海水で練り混ぜたセメントスラリーによる供試体（Ｃａ０％（海水））の一軸圧縮強度が、水道水で練り混ぜたセメントスラリーによる供試体（Ｃａ０％（海水））の一軸圧縮強度よりも大きい。

また、海水で練り混ぜたセメントスラリーに二水石膏を５重量％および１０重量％添加した供試体（Ｃａ５％（海水）、Ｃａ１０％（海水））と比較して、海水で練り混ぜたセメントスラリーに二水石膏を１５重量％添加した供試体（Ｃａ１５％（海水））は、７日養生から２８日養生に至るまでの一軸圧縮強度の伸びが著しい。

このことから試料土に山砂を用いた場合にも、セメントスラリーの練り混ぜ水に海水を用いることに加えて、二水石膏を添加する際に養生期間を十分取ることにより、海水と二水石膏の両者を併用することの相乗効果をより得られることは明らかである。

なお、海水を使用するセメントスラリーに添加する二水石膏は、上述のとおりセメント系固化材と反応することで一軸圧縮強度の増加に寄与するものであるから、その添加量はセメント系固化材との配合バランスを考慮する必要がある。そして、発明者らは、セメント系固化材に対して二水石膏を１５重量％添加した場合には二水石膏の過剰添加とならず、二水石膏がセメント系固化材と効率よく反応するという知見を得ている。このため、セメント系固化材に対する二水石膏の添加量は、セメント比で１５重量％以下とすることが好ましい。

また、海水を使用するセメントスラリーに添加する二水石膏の添加量は、セメント系固化材に対して５重量％以上とすることが好ましい。これは以下の結果に基づくものである。
供試体に真砂土を用いた図２をみると、二水石膏を添加していない海水で練り混ぜたセメントスラリーによる供試体（Ｃａ０％（海水））は、水道水で練り混ぜたセメントスラリーに二水石膏を１５重量％添加した供試体（Ｃａ１５％（水道水））と比較して、７日養生の一軸圧縮強度が小さい。しかし、海水で練り混ぜたセメントスラリーに二水石膏を５重量％添加した供試体（Ｃａ５％（海水））は、水道水で練り混ぜたセメントスラリーに二水石膏を１５重量％添加した供試体（Ｃａ１５％（水道水））と比較して、７日養生の一軸圧縮強度が大きい。

この結果から、海水で練り混ぜたセメントスラリーに二水石膏を少なくともセメント比で５重量％添加すると、二水石膏を添加しない場合と比較して７日養生の一軸圧縮強度が大きくなるだけでなく、水道水で練り混ぜたセメントスラリーにセメント比で二水石膏を１５重量％添加した場合と比較しても、７日養生の一軸圧縮強度が大きくなることがわかる。このことから、海水を使用するセメントスラリーに添加する二水石膏の添加量は、セメント比で５重量％以上が好ましい。

このように、本発明の地盤改良工法にて構築された地盤改良体は、海水と二水石膏を併用することにより、セメント系固化材と海水、及びセメント系固化材と二水石膏の両者の反応によりエトリンガイトが豊富に生成されること、セメント系固化材と海水の反応によりフリーデル氏塩が生成されること、さらにはポゾラン反応が生じることが相まって、その一軸圧縮強度が増すものである。

また、上述のとおりエトリンガイトが豊富に生成されることにより、これら豊富に生成されたエトリンガイトの針状結晶が所々コンクリート水和反応物の空隙に入り込み、地盤改良体の緻密性を向上させるため、地盤改良体の遮水性が向上する。

さらに、地盤改良工法に海水を用いると、海水中にはフッ素及びホウ素が豊富に含有されているため、地盤改良体中のフッ素及びホウ素が土壌環境基準を上回る場合が生じる。
これに対し、本発明のセメントスラリーを地盤改良工法に適用すると、先にも述べたように、海水と再生微粉を併用することで、地盤改良体中にエトリンガイトが豊富に存在することとなる。そして、これらエトリンガイトは、海水に含有しているフッ素を不溶化するとともにホウ素を固定するから、本発明のように海水で練り混ぜたセメントスラリーにて地盤改良体を構築しても、土壌環境基準に係る条件を容易に満たすことができるものである。

上記の効果は、海水で練り混ぜたセメントスラリーに対して二水石膏を含有させることにより、顕著に表れるものである。
例えば、二水石膏に代えて半水石膏を採用する場合、半水石膏はまず水と反応して二水石膏に戻り、その後二水石膏が絡み合うことによる生じる凝固と、上述したセメント系固化材と二水石膏によるエトリンガイトの生成が開始される。

この時、セメントスラリーに添加した海水に加えて、改良しようとする現地土が保有している水分も半水石膏と反応することとなる。現地土が保有する水は成分が特定できない場合が多く、このような水が半水石膏と十分に水和反応できず、二水石膏の生成、ひいては二水石膏に起因する地盤改良体の強度発現に悪影響を及ぼす可能性がある。

してみると、本発明の地盤改良に用いるセメントスラリーには、石膏の中でも水和反応が終了している二水石膏を用いることにより、二水石膏の凝固及びエトリンガイトの生成が安定して行われることとなり、地盤改良体に確実に強度発現をもたらすことができるものである。

本発明のセメントスラリーは、上述する効果のみならず、二水石膏に先にも述べた廃石膏ボードより再生された再生材を用いると、廉価な再生材よりなる二水石膏の利用と天然の海水利用とが相まって、地盤改良工法に係る材料コストを大幅に削減することが可能となる。

また、廃石膏ボードより再生された二水石膏を、セメントスラリーに添加して地盤改良体を構築することにより、再生材としての二水石膏をリサイクルすることができるため、廃石膏ボードの再利用に寄与することが可能となるものである。

Claims

セメント系固化材及び海水を含むセメントスラリーであって、二水石膏をさらに含むことを特徴とするセメントスラリー。
請求項１に記載のセメントスラリーにおいて、
前記二水石膏が、セメント系固化材に対して５重量％以上１５重量％以下添加されていることを特徴とするセメントスラリー。
請求項１または２に記載のセメントスラリーを地盤中に吐出させるとともに現地土と混合撹拌し、地盤中に地盤改良体を構築することを特徴とする地盤改良工法。