JP2019172900A - セメントスラリー、および地盤改良工法 - Google Patents

Abstract

【課題】効率良く地盤の強度を上げることのできるセメントスラリーならびに地盤改良工法を提供する。【解決手段】地盤を改良するための、セメント、高炉スラグ、塩、および水を含有することを特徴とするセメントスラリーであって、前記セメントと前記高炉スラグとの総重量を１００重量部としたとき、前記高炉スラグは８０重量部以下（０は含まない）であって、さらに、前記塩は２０重量部以下（０は含まない）であることを特徴とする、セメントスラリー。【選択図】図１

Description

本発明は、セメントスラリー、およびそれを用いた地盤改良工法に関する。

従来より、セメントと水とを含むセメントスラリーを地盤中に吐出し、当該セメントスラリーと現地土とを混合攪拌し、地盤中に地盤改良体を構築する方法が知られている。

一方で、セメントスラリーを地盤中に吐出した場合、セメントスラリーの体積分の余剰土（盛上がり土）が発生する。この盛上がり土はセメントを含むため、産業廃棄物として処理する必要がある。さらに、セメントを製造する際には、温室効果ガスといわれるＣＯ₂が発生する。

これに対して、セメントの一部を他の物質に置き換えてセメント量を減らす方法が存在する。たとえば従来技術として、特許文献１には、セメントに高炉スラグを配合する旨が記載されている。さらに、セメント系固化材に塩を配合し、地盤の強度を向上させる旨が記載されている。

特開２００７−３２１００５号公報

しかしながら、地盤の強度を効果的に向上させることのできるセメントと高炉スラグと塩との配合比が明確ではなかった。また、地盤条件によってもその好ましい配合比は厳密には異なるものと考えられる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、効率良く地盤の強度を上げることのできるセメントスラリーならびに地盤改良工法を提供することを目的とする。

本発明者は、前述の目的を達成するため、鋭意検討の結果、本発明に想到した。

すなわち本発明は、地盤を改良するための、セメント、高炉スラグ、塩、および水を含有することを特徴とするセメントスラリーであって、前記セメントと前記高炉スラグとの総重量を１００重量部としたとき、前記高炉スラグは８０重量部以下（０は含まない）であって、さらに、前記塩は２０重量部以下（０は含まない）であることを特徴とする、セメントスラリーである。

上記セメントスラリーの一つの形態として、高炉スラグは５０重量部以下（０は含まない）である。

上記セメントスラリーの一つの形態として、前記地盤材料が粗粒土である場合は、前記塩は２０重量部以下（０は含まない）であり、前記地盤材料が細粒土である場合は、前記塩は３重量部以下（０は含まない）である。なお、前記粗粒土および細粒土については、地盤工学会基準（ＪＧＳ ００５１−２００９）で定義されるものとする。

上記セメントスラリーの一つの形態として、高炉スラグが５０重量部以下であり、前記地盤材料が細粒土である場合は、前記塩は１０重量部以下（０は含まない）である。

また、塩としては塩化ナトリウムや硫酸ナトリウムなどが、セメントとしては、普通ポルトランドセメントなどが、好ましいものとして挙げられる。

本発明は、上記セメントスラリーを地盤中に吐出させるとともに、地盤と混合攪拌し、地盤中に地盤改良体を構築することを特徴とする、地盤改良工法である。

本発明により、効率良く地盤の強度を上げることのできるセメントスラリーならびに地盤改良工法を提供することができる。また、セメントの量も減らすことができるため、環境面においても好ましい。

地盤試料土として粘性土を用いた場合の、セメントスラリーの配合と、セメントスラリーを用いて改良された粘性土の一軸圧縮強度との関係を示す図である。 地盤試料土として砂質土を用いた場合の、セメントスラリーの配合と、セメントスラリーを用いて改良された砂質土の一軸圧縮強度との関係を示す図である。

以下、本発明の形態について説明するが、本発明の範囲は、実施例を含めた当該記載に限定されるものではない。なお、本願において、「％」や比率を表す記載は、特にことわりのない限り、重量％、重量比率を意味する。

＜セメントスラリー＞
本発明におけるセメントスラリーは、セメント、高炉スラグ、塩、および水を含有することを特徴とする。本発明においては、セメントスラリー中のセメント、高炉スラグ、および塩の比率に特徴を有する。

＜セメント＞
セメントは、硬化材として用いられる。セメントは、地盤改良に用いられるセメントとして公知のものを用いることができる。たとえば、普通、早強、低熱等の各種ポルトランドセメント類、シリカセメント、フライアッシュセメントなどが挙げられる。

＜塩＞
塩は、本発明において、ＣｌやＳＯ₄の供給源として用いられる。塩は、たとえば、塩化ナトリウムや硫酸ナトリウム（Ｎａ₂ＳＯ₄）が好ましいが、これに限られない。

＜高炉スラグ＞
高炉スラグは、高炉で鉄鉱石をコークスで溶融・還元する際に、銑鉄と共に発生するものである。この高炉スラグは、鉄鉱石に含まれるシリカやアルミナ、酸化カルシウムなどの鉄以外の成分を主とする。

高炉スラグは、本発明において、主にＡｌの供給源として用いられる。高炉スラグの形態としては、取扱いの容易性から、粉末であることが好ましい。

＜粗粒土および細粒土＞
粗粒土および細粒土の定義については、地盤工学会基準（ＪＧＳ ００５１−２００９）における分類で定義されるものとする。後述するように、地盤条件によって、セメントスラリー中のセメント、高炉スラグ、および塩の好ましい配合比は厳密な点では異なるものとなる。

今回の実施例は砂質土を対象とするが、礫質土等も含んだ粗粒土に広く適用可能である。また、今回の実施例は粘性土を対象とするが、有機質土等も含んだ細粒土に広く適用可能である。

＜その他＞
本発明のセメントスラリーは、本発明の効果を損なわない範囲において、必要に応じて消泡剤、減水剤、硬化促進剤などを配合することができる。

次に、実施例により本発明を説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例に限定されるものではない。

セメントとして普通ポルトランドセメント、高炉スラグとして高炉スラグ微粉末 エスメント（登録商標）４０００（エスメント関東株式会社製）、塩として塩化ナトリウムを用いた。地盤試料土としては、粘性土または砂質土を用いた。粘性土としては木節粘土、砂質土としては山砂を用いた。

セメントと、高炉スラグ（存在する場合）とを、塩（存在する場合）を溶解させた水道水に投入して練り混ぜ、１６種類のセメントスラリーを作製した。

１６種類の内訳としては、セメントと高炉スラグとの配合比が、１００：０、８０：２０、５０：５０、および２０：８０の４種類、この各４種類に対して、塩を、セメントと高炉スラグとの合計を１００としたとき、０、３、１０、２０の４種類の割合で配合を行ったものである。

１６種類のセメントスラリーと、地盤試料土１５００ｇとを、ミキサーにて混合した。具体的には、５Ｌ容量の、フック型の羽を有する２軸ミキサーを用い、３分間混合した後、切り返して３分間混合した。

このようにして混合した地盤試料土を、直径５ｃｍ×高さ１０ｃｍの円柱状のモールドに詰め込み、地盤改良体としての供試体（Ｎｏ．１−３２）を作製した。Ｎｏ．１−１６は粘性土を使用した例であり、Ｎｏ．１７−３２は砂質土を使用した例である。

供試体を２８日間恒温養生した後、一軸圧縮試験を行った。当該試験によって求められる一軸圧縮強度が高いほど、地盤強度が上昇していることを示す。なお、一軸圧縮試験は、ＪＩＳ Ａ １２１６で規定された方法にしたがって行った。

供試体Ｎｏ．１−３２を作成する際に用いられた、セメント、高炉スラグ、塩、および水道水の配合比および配合量は、表１および２に示す通りである。

また、供試体Ｎｏ．１−３２に対する一軸圧縮試験の結果の数値を表１および表２に示す。更に、図１および図２は、試験結果の数値をグラフとして示したものである。図１のグラフは、地盤試料土として粘性土を用いた場合の、セメントスラリーの配合と、それを用いて改良された粘性土の一軸圧縮強度の関係を示す図である。図２のグラフは、地盤試料土として砂質土を用いた場合の、セメントスラリーの配合と、それを用いて改良された砂質土の一軸圧縮強度の関係を示す図である。

＜地盤試料土として粘性土を用いた場合＞
Ｎｏ．１−Ｎｏ．４は、塩を配合していない供試体である。セメントと高炉スラグとの総重量を１００重量部としたとき（以下同様とする）の高炉スラグの配合量は、Ｎｏ．１は０重量部、Ｎｏ．２は２０重量部、Ｎｏ．３は５０重量部、Ｎｏ．４は８０重量部である。これらに対して、塩を３重量部、１０重量部、２０重量部配合した供試体の一軸圧縮強度を考察する。

Ｎｏ．６は、Ｎｏ．２に対して塩を３重量部、Ｎｏ．１０は、Ｎｏ．２に対して塩を１０重量部、Ｎｏ．１４は、Ｎｏ．２に対して塩を２０重量部配合したものである。これらの一軸圧縮強度の値を考察するに、高炉スラグの配合量が２０重量部の場合、塩を配合することによって、１０重量部までは塩の配合量にしたがって一軸圧縮強度が上昇していることがわかる。一方で、塩を１０重量部より多く配合すると、一軸圧縮強度は下降してしまうことがわかる。それでも、塩を２０重量部配合したＮｏ．１４は、塩を全く配合しないＮｏ．２よりは上回っていることから、少なくとも塩の配合量が２０重量部までは、塩を配合することによる地盤強度の上昇効果は確認できる。

Ｎｏ．７は、Ｎｏ．３に対して塩を３重量部、Ｎｏ．１１は、Ｎｏ．３に対して塩を１０重量部、Ｎｏ．１５は、Ｎｏ．３に対して塩を２０重量部配合したものである。これらの一軸圧縮強度の値を考察するに、高炉スラグの配合量が５０重量部の場合、塩を配合することによって、１０重量部までは塩の配合量にしたがって一軸圧縮強度が上昇していることがわかる。一方で、塩を１０重量部より多く配合すると、一軸圧縮強度は下降してしまうことがわかる。それでも、塩を２０重量部配合したＮｏ．１５は、塩を全く配合しないＮｏ．３よりは上回っていることから、少なくとも塩の配合量が２０重量部までは、塩を配合することによる地盤強度の上昇効果は確認できる。

Ｎｏ．８は、Ｎｏ．４に対して塩を３重量部、Ｎｏ．１２は、Ｎｏ．４に対して塩を１０重量部、Ｎｏ．１６は、Ｎｏ．４に対して塩を２０重量部配合したものである。これらの一軸圧縮強度の値を考察するに、高炉スラグの配合量が８０重量部の場合、塩を３重量部配合することによって、一軸圧縮強度が上昇していることがわかる。一方で、塩を１０重量部配合すると、塩を全く配合しないＮｏ．４よりも一軸圧縮強度は若干下降するが、塩を２０重量部配合すると、塩を３重量部配合した場合とほぼ同等の強度となることがわかる。

以上の実験結果より、地盤試料土として粘性土を用いた場合、少なくともセメントと高炉スラグとの総重量を１００重量部としたとき、高炉スラグが２０重量部以上８０重量部以下の範囲においては、塩を配合することによって地盤強度を上昇させることができる。

なかでも、高炉スラグが２０重量部以上５０重量部以下の範囲においては、塩を少なくとも３重量部以上２０重量部以下の範囲で配合することにより、塩を配合しない場合に比べ地盤強度を上昇させることができる。さらに、塩が３重量部以上１０重量部以下の範囲においては、塩の配合量にしたがって地盤強度を上昇させることができる。また、高炉スラグ５０重量部までは、同じ塩の配合量で高炉スラグの配合量を増やすことにより、地盤強度を上昇させることができる。一方、高炉スラグが５０重量部を超える範囲においては、塩の配合量が３重量部より多くなると、塩を全く配合しない場合よりも地盤強度は下がってしまうおそれがある。

なお、高炉スラグの配合量が０の場合、即ちセメントのみの場合においても、Ｎｏ．１、Ｎｏ．５、Ｎｏ．９、およびＮｏ．１３の一軸圧縮強度の結果から、塩を配合することにより、塩を配合しない場合に比べ一軸圧縮強度が上昇していることがわかる。すなわち、高炉スラグの配合量が０を超えて２０重量部未満の範囲においても、高炉スラグの配合量が２０重量部以上８０重量部以下の場合と同様、塩を配合することによって地盤強度を上昇させることができる。

＜地盤試料土として砂質土を用いた場合＞
Ｎｏ．１７−Ｎｏ．２０は、塩を配合していない供試体である。高炉スラグの配合量は、Ｎｏ．１７は０重量部、Ｎｏ．１８は２０重量部、Ｎｏ．１９は５０重量部、Ｎｏ．２０は８０重量部である。これらに対して、塩を３重量部、１０重量部、２０重量部配合した供試体の一軸圧縮強度を考察する。

Ｎｏ．２２は、Ｎｏ．１８に対して塩を３重量部、Ｎｏ．２６は、Ｎｏ．１８に対して塩を１０重量部、Ｎｏ．３０は、Ｎｏ．１８に対して塩を２０重量部配合したものである。これらの一軸圧縮強度の値を考察するに、高炉スラグの配合量が２０重量部の場合、塩を配合することによって、２０重量部までは塩の配合量にしたがって一軸圧縮強度が上昇していることがわかる。

Ｎｏ．２３は、Ｎｏ．１９に対して塩を３重量部、Ｎｏ．２７は、Ｎｏ．１９に対して塩を１０重量部、Ｎｏ．３１は、Ｎｏ．１９に対して塩を２０重量部配合したものである。これらの一軸圧縮強度の値を考察するに、高炉スラグの配合量が５０重量部の場合、塩を配合することによって、２０重量部までは塩の配合量にしたがって一軸圧縮強度が上昇していることがわかる。特に、塩の配合量が２０重量部である場合の一軸圧縮強度の上昇が、高炉スラグの配合量が２０重量部である場合に比べて顕著であることがわかる。

Ｎｏ．２４は、Ｎｏ．２０に対して塩を３重量部、Ｎｏ．２８は、Ｎｏ．２０に対して塩を１０重量部、Ｎｏ．３２は、Ｎｏ．２０に対して塩を２０重量部配合したものである。これらの一軸圧縮強度の値を考察するに、高炉スラグの配合量が８０重量部の場合、塩を３重量部配合することによって、一軸圧縮強度が上昇していることがわかる。一方で、塩を１０重量部以上配合すると、一軸圧縮強度は下降してしまうことがわかる。それでも、塩を１０重量部配合したＮｏ．２８、および、塩を２０重量部配合したＮｏ．３２も、塩を全く配合しないＮｏ．２０よりは上回っていることから、少なくとも塩の配合量が２０重量部までは、塩を配合することによる地盤強度の上昇効果は確認できる。

以上の実験結果より、地盤試料土として砂質土を用いた場合、少なくともセメントと高炉スラグとの総重量を１００重量部としたとき、高炉スラグが２０重量部以上８０重量部以下の範囲においては、塩を配合することによって地盤強度を上昇させることができる。さらに、高炉スラグ２０重量部以上５０重量部以下かつ塩２０重量部以下の範囲においては、塩の配合量にしたがって、地盤強度を上昇させることができる。また、高炉スラグ５０重量部までは、同じ塩の配合量で高炉スラグを増やすことで地盤強度を上昇させることができる。

なお、高炉スラグの配合量が０の場合、即ちセメントのみの場合においても、Ｎｏ．１７、Ｎｏ．２１、Ｎｏ．２５、およびＮｏ．２９の一軸圧縮強度の結果から、塩を配合することにより、塩を配合しない場合に比べ一軸圧縮強度が上昇していることがわかる。すなわち、高炉スラグの配合量が０を超えて２０重量部未満の範囲においても、高炉スラグの配合量が２０重量部以上８０重量部以下の場合と同様、塩を配合することによって地盤強度を上昇させることができる。

セメントに高炉スラグおよび塩を配合することで、セメント中に、高炉スラグ中のＡｌ成分および塩中のＣｌ成分が（Ｃｌ成分を含む塩を用いた場合）追加されることとなる。これにより、フリーデル氏塩（３ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃・ＣａＣｌ₂・１０Ｈ₂Ｏ）が生成されるが、このフリーデル氏塩がセメント水和物の空隙を埋めるため、強度が高くなると考えられる。

一方で、高炉スラグと塩の配合量が共に多すぎると、本来、セメントの強度を発現させるのに必要なエトリンガイト（３ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃・３ＣａＳＯ₄・３２Ｈ₂Ｏ）やＣ−Ｓ−Ｈなどの生成に使われるはずのＣａが、フリーデル氏塩の生成に使われてしまう。そのため、逆に強度が落ちてしまうと考えられる。

以上を総括すると、本発明のセメントスラリーにおける、セメントと高炉スラグと塩との好ましい配合範囲については、セメントと前記高炉スラグとの総重量を１００重量部としたとき、高炉スラグが８０重量部以下（但し０は含まない）であることが必要である。また、塩の配合については、２０重量部以下（但し０は含まない）であることが必要である。

さらに、セメントと高炉スラグとの総重量を１００重量部としたとき、高炉スラグの量が５０重量部以下（但し０は含まない）であることが好ましく、２０重量部以上であることがより好ましい。なお、この場合、塩の量は、地盤の種類に関わらず２０重量部以下（但し０は含まない）であることが好ましい。

また、粗粒土を改良する場合、セメントスラリーに配合する塩の量は、２０重量部以下（但し０は含まない）であることが好ましい。一方、細粒土を改良する場合、セメントスラリーに配合する塩の量は、３重量部以下（但し０は含まない）であることが好ましい。

さらに、同様に細粒土を改良する場合、高炉スラグの量が５０重量部以下（但し０は含まない）である場合は、セメントスラリーに配合する塩の量は、１０重量部以下（但し０は含まない）であることが好ましい。

本願の実施例においては、塩として塩化ナトリウムを配合したが、Ｎａ₂ＳＯ₄を配合しても、同様に地盤強度を上昇させることができる。Ｎａ₂ＳＯ₄を配合することで、エトリンガイト（３ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃・３ＣａＳＯ₄・３２Ｈ₂Ｏ）の生成量が多くなる。エトリンガイトは、多量の水を吸収して生成されるため、水の多い軟弱な地盤を改良するときにエトリンガイトの生成量が多いと、地盤改良効果が大きくなる。

Claims (8)

1. 地盤を改良するための、セメント、高炉スラグ、塩、および水を含有することを特徴とするセメントスラリーであって、前記セメントと前記高炉スラグとの総重量を１００重量部としたとき、前記高炉スラグは８０重量部以下（０は含まない）であって、さらに、前記塩は２０重量部以下（０は含まない）であることを特徴とする、セメントスラリー。
2. 前記高炉スラグは５０重量部以下（０は含まない）であることを特徴とする、請求項１記載のセメントスラリー。
3. 前記地盤材料が粗粒土である場合は、前記塩は２０重量部以下（０は含まない）であることを特徴とする、請求項１または２記載のセメントスラリー。なお、前記粗粒土については、地盤工学会基準（ＪＧＳ ００５１−２００９）で定義されるものとする。
4. 前記地盤材料が細粒土である場合は、前記塩は３重量部以下（０は含まない）であることを特徴とする、請求項１記載のセメントスラリー。なお、前記細粒土については、地盤工学会基準（ＪＧＳ ００５１−２００９）で定義されるものとする。
5. 前記地盤材料が細粒土である場合は、前記塩は１０重量部以下（０は含まない）であることを特徴とする、請求項２記載のセメントスラリー。
6. 前記塩が、塩化ナトリウムまたは硫酸ナトリウムであることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のセメントスラリー。
7. 前記セメントが、普通ポルトランドセメントであることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載のセメントスラリー。
8. 請求項１〜７のいずれか１項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、地盤と混合攪拌し、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。