JP2016075080A

JP2016075080A - セメントスラリーおよび地盤改良工法

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Publication number: JP2016075080A
Application number: JP2014206117A
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を提供する。
【解決手段】セメント及び海水を含むセメントスラリーに、コンクリート用再生骨材を生成する際に発生する再生微粉をさらに含むことで、フリーデル氏塩、エトリンガイトの生成、およびポゾラン反応を生じさせ、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。
【選択図】図２

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、真水の入手が困難な施工環境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製造するに際し、ポルトランドセメントクリンカー成分、無水石膏、半水石膏及び二水石膏等の様々な状態が混ざった石膏、セメント分散剤及び海水を練り混ぜる方法が開示されている。

特開２００５−８４５０号公報

しかし、上記の海水を使用するセメントスラリーは、流動性の観点から石膏およびポルトランドセメントクリンカー成分に含まれる半水石膏の添加量を調整し、地盤改良工法に好適に採用できるようにしたものである。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。

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、コンクリート用再生骨材を生成する際に発生する再生微粉をさらに含むことを特徴とする。

また、本発明の地盤改良工法は、セメント系固化材、海水及び再生微粉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。

本発明のセメントスラリーによれば、海水と再生微粉を併用することで、炭酸水素イオンを豊富に含有した海水により再生微粉の溶解が促進され、Ｓｉ成分やＡｌ成分が豊富に溶出される。これにより、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、再生微粉と海水によるフリーデル氏塩及びエトリンガイトの生成が生じるだけでなく、セメント水和物と再生微粉とによるポゾラン反応が促進される。

このように、再生微粉を添加した本発明の海水を使用するセメントスラリーは、フリーデル氏塩やエトリンガイトが豊富に生成されるだけでなく、ポゾラン反応も活性化される。このため、海水を使用するセメントスラリーに再生微粉を添加しない場合と比較して、地盤改良体の一軸圧縮強度を大幅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再生微粉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だけでなくポゾラン反応も活性化されるため、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、海水を使用するセメントスラリーにおいて、セメント系固化材と再生微粉を添加することで、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再生微粉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再生微粉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、本発明のセメントスラリーおよび当該セメントスラリーを用いた地盤改良工法を、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り、セメント系固化材及びコンクリート用再生骨材を生成する際に発生する再生微粉を海水にて練り混ぜたものである。

本実施の形態では、セメント系固化材として、海水に含まれる塩化ナトリウムを起源とするナトリウムイオンが多量に存在してもアルカリ骨材反応を抑制することのできる高炉セメント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、コンクリート用再生骨材を生成する際に発生する再生微粉とは、構造物や建築物を解体したときに生じるコンクリートやモルタルを含む、いわゆるコンクリート廃材を用いて粗骨材や細骨材等の再生骨材を製造する際、これら再生骨材を再生するプロセスにおいて大量に発生する粉体をいう。
したがって、再生微粉は、粗骨材や細骨材とともにコンクリート廃材を構成していたセメント水和反応物が破砕されることで生成される粉粒物を大量に含有するものである。なお、本実施の形態にて採用する再生微粉は、破砕、磨砕、加熱、洗浄、篩分け等、再生骨材を再生するいずれのプロセスにて発生した粉体を用いてもよい。

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、養生して行った。

本実施の形態では、図１に示すように、再生微粉を高炉セメントＢ種に対して１０重量％、２０重量％、３０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、再生微粉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、再生微粉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、再生微粉を高炉セメントＢ種に対して１０重量％、２０重量％、３０重量％それぞれ添加し水道水にて練り混ぜた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。

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再生微粉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（Ｐ０％（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（Ｐ０％（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再生微粉を添加した供試体（Ｐ１０％（海水）、Ｐ２０％（海水）、Ｐ３０％（海水））はいずれも、再生微粉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（Ｐ０％（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い。加えて、海水で練り混ぜたセメントスラリーに再生微粉を添加した供試体（Ｐ１０％（海水）、Ｐ２０％（海水）、Ｐ３０％（海水））はいずれも、同量の再生微粉を添加した水道水で練り混ぜたセメントスラリーよりなる供試体（Ｐ１０％（水道水）、Ｐ２０％（水道水）、Ｐ３０％（水道水））各々と比較して、７日養生及び２８日養生の両者で一軸圧縮強度が大きい。

これは、以下の理由によるものと考えられる。すなわち、コンクリート水和反応物は、水分の存在下で炭酸ガスと接触するとカルシウム成分が溶出し、水和物が崩壊しやすい。また、海水は炭酸水素イオンを豊富に含有する。
したがって、再生微粉と海水の両者が添加される本発明のセメントスラリーでは、海水により再生微粉の溶解が促進されることにより、Ｓｉ成分とＡｌ成分がより豊富に生成されることとなる。

その結果、再生微粉のＣａ成分及びＡｌ成分と海水によるＳｏ₄成分によってエトリンガイトが、また再生微粉のＣａ成分及びＡｌ成分と海水によるＣｌ成分によってフリーデル氏塩生成されるとともに、セメント系固化材及び再生微粉のＣａ成分の水和により生成されたセメント水和反応物に、再生微粉に含まれる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促進されるものである。

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、再生微粉を添加することで、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。

さらに図２をみると、海水で練り混ぜたセメントスラリーに再生微粉を添加した供試体（Ｐ１０％（海水）、Ｐ２０％（海水）、Ｐ３０％（海水））において、再生微粉の添加量を増やすほど、７日養生から２８日養生に至るまでの一軸圧縮強度の上昇量が大きい。特に、再生微粉をセメント比で２０重量％以上添加した場合には（Ｐ２０％（海水）、Ｐ３０％（海水））、７日養生から２８日養生に至るまでの一軸圧縮強度の上昇量が大きくなる。

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、再生微粉の添加量を増やすこと及び養生期間を十分取ることにより、海水と再生微粉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はより顕著である。

試料土として山砂を用いた図３のグラフを見ると、海水で練り混ぜたセメントスラリーに再生微粉を添加した供試体（Ｐ１０％（海水）、Ｐ２０％（海水）、Ｐ３０％（海水））はいずれも、水道水で練り混ぜたセメントスラリーに再生微粉を添加した供試体の中で最も一軸圧縮強度の大きい再生微粉を３０％添加した供試体（Ｐ３０％（水道水））よりも、一軸圧縮強度が大きいことがわかる。

特に、海水で練り混ぜた場合において、セメントスラリーに再生微粉を２０重量％以上添加した供試体（Ｐ２０％（海水）、Ｐ３０％（海水））は、セメントスラリーに再生微粉を１０重量％添加した供試体（Ｐ１０％（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著しく大きくなっている。

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、再生微粉を添加する際に、再生微粉の添加量を増やすとともに養生期間を十分取ることにより、より一層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は明らかである。

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、海水と再生微粉を併用することにより、セメント系固化材と海水、及び再生微粉と海水の両者の反応によりエトリンガイト及びフリーデル氏塩が豊富に生成されること、さらには再生微粉によるセメント水和反応物とのポゾラン反応が相まって、その一軸圧縮強度が増すものである。
なお、海水により再生微粉の溶解が促進されることにより、再生微粉中のコンクリート水和物に含有される未水和セメント分の水和反応が促進されることも、一軸圧縮強度が増す要因の一つであることは言うまでもない。

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。
しかし、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。

本発明のセメントスラリーは、上述する効果のみならず、廉価な再生微粉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、構造物の解体時に発生するコンクリート廃材の一部である再生微粉を、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、再生微粉を再度構造物の一部としてリサイクルすることができるため、コンクリート廃材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、
コンクリート用再生骨材を生成する際に発生する再生微粉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。