JP2020105029A

JP2020105029A - 速硬性付与用材料

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Publication number: JP2020105029A
Application number: JP2018242645A
Authority: JP
Inventors: 隆人野崎; Takahito Nozaki; 和貴小須田; Kazuki Kosuda; 康秀肥後; Yasuhide Higo
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2018-12-26
Filing date: 2018-12-26
Publication date: 2020-07-09
Anticipated expiration: 2038-12-26
Also published as: JP7278070B2

Abstract

【課題】セメント系固化材に添加することで、セメント系固化材に速硬性を付与することができる材料を提供する。【解決手段】ビーライト及びアウインを含むアウイン系粉末と、亜硫酸塩粉末とからなる速硬性付与用材料であって、上記アウイン系粉末と上記亜硫酸塩粉末の合計量１００質量部中の上記アウイン系粉末の量が６０〜９５質量部である速硬性付与用材料。速硬性付与材料は、さらに、消石灰を含み、アウイン系粉末と亜硫酸塩粉末の合計量１００質量部に対する消石灰の量が１〜１０質量部であることが好ましい。【選択図】なし

Description

本発明は、速硬性付与用材料に関する。

地盤（土壌）の改良方法として、地盤にセメント等の固化材を添加、混合し、これを水和硬化させることで、地盤と固化材の混合物の強度を向上させる方法が知られている。
また、優れた速硬性を有する固化材として、特許文献１には、ビーライト（２ＣａＯ・ＳｉＯ_２）、アウイン（３ＣａＯ・３Ａｌ_２Ｏ_３・ＣａＳＯ_４）、ＩＩ型無水石こう及びフェライト相（４ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・Ｆｅ_２Ｏ_３）を必須成分とし、フリーライム（ｆ・ＣａＯ）量が２重量％未満である建設汚泥用速硬型固化材が記載されている。

特開２００２−２２４６９４号公報

地盤の改良において、速硬性に優れた固化材が求められている。
そこで、本発明の目的は、セメント系固化材に添加することで、セメント系固化材に速硬性を付与することができる材料を提供することである。

本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、ビーライト及びアウインを含むアウイン系粉末と亜硫酸塩粉末を、特定の配合割合で含む速硬性付与用材料によれば、上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成した。
すなわち、本発明は、以下の［１］〜［６］を提供するものである。
［１］ビーライト及びアウインを含むアウイン系粉末と、亜硫酸塩粉末とからなる速硬性付与用材料であって、上記アウイン系粉末と上記亜硫酸塩粉末の合計量１００質量部中の上記アウイン系粉末の量が６０〜９５質量部であることを特徴とする速硬性付与用材料。
［２］さらに、消石灰を含み、上記アウイン系粉末と上記亜硫酸塩粉末の合計量１００質量部に対する上記消石灰の量が１〜１０質量部である前記［１］に記載の速硬性付与用材料。
［３］上記アウイン系粉末１００質量％中、上記ビーライトの割合が１５〜４０質量％であり、かつ、上記アウインの割合が３０〜７０質量％である前記［１］又は［２］に記載の速硬性付与用材料。
［４］上記亜硫酸塩粉末が、亜硫酸のアルカリ金属塩の粉末である前記［１］〜［３］のいずれかに記載の速硬性付与用材料。
［５］前記［１］〜［４］のいずれかに記載の速硬性付与用材料、及び、ポルトランドセメントを含むことを特徴とするセメント系固化材。
［６］上記セメント系固化材１００質量％中、上記速硬性付与用材料の割合が５〜３０質量％である前記［５］に記載のセメント系固化材。
［７］前記［５］又は［６］に記載のセメント系固化材を用いて、地盤を改良することを特徴とする地盤改良方法。

本発明の速硬性付与用材料によれば、該材料をセメント系固化材に添加することで、セメント系固化材に速硬性を付与することができる。
なお、本明細書中、「速硬性の付与」とは、速硬性を有するセメント系固化材に対して、その速硬性を向上させる場合を含む。

本発明の速硬性付与用材料は、ビーライト及びアウインを含むアウイン系粉末と、亜硫酸塩粉末とからなる速硬性付与用材料であって、アウイン系粉末と亜硫酸塩粉末の合計量１００質量部中のアウイン系粉末の量が６０〜９５質量部であるものである。以下、詳しく説明する。
本発明で用いられるアウイン系粉末は、ビーライト（２ＣａＯ・ＳｉＯ_２；以下、「Ｃ_２Ｓ」ともいう。）及びアウインを含むものである。
アウイン系粉末１００質量％中のビーライトの割合は、好ましくは１５〜４０質量％、より好ましくは１８〜３７質量％、さらに好ましくは２０〜３５質量％、特に好ましくは２３〜３２質量％である。該割合が１５質量％以上であれば、セメント系固化材の長期強度発現性がより向上する。該割合が４０質量％以下であれば、セメント系固化材の速硬性（初期材齢（例えば、１〜７日）における強度（例えば、一軸圧縮強さ）発現性）がより向上する。

アウイン系粉末１００質量％中のアウイン（カルシウムサルフォアルミネート：３ＣａＯ・３Ａｌ_２Ｏ_３・ＣａＳＯ_４）の割合は、好ましくは３０〜７０質量％、より好ましくは３５〜６７質量％、さらに好ましくは４０〜６５質量％、特に好ましくは４５〜６０質量％である。該割合が３０質量％以上であれば、セメント系固化材の速硬性がより向上する。該割合が７０質量％以下であれば、セメント系固化材の長期強度発現性がより向上する。

アウイン粉末中のビーライト及びアウインの各含有率は、アウイン粉末全量（１００質量％）中の割合として、アウイン粉末の化学成分に基づき、下記の計算式を用いて算出される。
ビーライト（質量％）＝２．８７×ＳｉＯ₂（質量％）
アウイン（質量％）＝１．９９×（Ａｌ₂Ｏ₃（質量％）−０．６４×Ｆｅ₂Ｏ₃（質量％））

アウイン系粉末は、ビーライト及びアウインの他に、他の材料として、アルミネート相（３ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃）、フェライト相（４ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃・Ｆｅ₂Ｏ₃）、ＭｇＯ、ＣａＳＯ_４、ＣａＯ等を含んでいてもよい。
アウイン系粉末１００質量％中の他の材料の合計量の割合は、好ましくは３０質量％以下、より好ましくは２５質量％以下、さらに好ましくは２０質量％以下、特に好ましくは１５質量％以下である。該割合が３０質量％以下であれば、セメント系固化材の速硬性がより向上する。

アウイン粉末のブレーン比表面積は、好ましくは２，０００〜６，０００ｃｍ^２／ｇ、より好ましくは２，５００〜５，５００ｃｍ^２／ｇ、より好ましくは３，０００〜５，０００ｃｍ^２／ｇ、特に好ましくは３，５００〜４，８００ｃｍ^２／ｇである。該比表面積が２，０００ｃｍ^２／ｇ以上であれば、セメント系固化材の速硬性及び長期強度発現性がより向上する。該比表面積が６，０００ｃｍ^２／ｇ以上のアウイン粉末は、製造にかかるコストが過大となるため好ましくない。

アウイン系粉末と亜硫酸塩粉末の合計量１００質量部中のアウイン系粉末の量は、６０〜９５質量部、好ましくは６５〜９３質量部、より好ましくは７０〜９１質量部、特に好ましくは８０〜９０質量部である。該量が６０質量部未満であると、セメント系固化材の速硬性が低下する。該量が９５質量部を超えると、セメント系固化材の長期強度発現性が低下する。

亜硫酸塩粉末の例としては、亜硫酸ナトリウム（Ｎａ_２ＳＯ_３）、亜硫酸水素ナトリウム（ＮａＨＳＯ_３）、亜硫酸カリウム（Ｋ_２ＳＯ_３）等の亜硫酸のアルカリ金属塩や、亜硫酸カルシウム（ＣａＳＯ_３）等の亜硫酸のアルカリ土類金属塩や、亜硫酸アンモニウム（（ＮＨ_４）_２ＳＯ_３）等の粉末が挙げられる。
中でも、速硬性に優れる観点から、亜硫酸のアルカリ金属塩の粉末が好ましい。また、入手の容易性等の観点から、亜硫酸ナトリウム（Ｎａ_２ＳＯ_３）、及び、亜硫酸カリウム（Ｋ_２ＳＯ_３）の粉末がより好ましい。さらに、原料の入手にかかるコストを低減する観点から、亜硫酸ナトリウム（Ｎａ_２ＳＯ_３）の粉末が特に好ましい。
これらは１種を単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。

アウイン系粉末と亜硫酸塩粉末の合計量１００質量部中の亜硫酸塩粉末の量は、５〜４０質量、好ましくは７〜３５質量部、より好ましくは９〜３０質量部、特に好ましくは１０〜２０質量部である。該量が５質量部未満であると、セメント系固化材の長期強度発現性が低下する。該量が４０質量部を超えると、セメント系固化材の速硬性（初期材齢）が低下する。

本発明の速硬性付与用材料は、セメント系固化材の速硬性をより向上させる観点から、さらに、消石灰を含んでいてもよい。
アウイン系粉末と亜硫酸塩粉末の合計量１００質量部に対する消石灰の量は、好ましくは１〜１０質量部、より好ましくは２〜９質量部、特に好ましくは３〜８質量部である。該量が１質量部以上であれば、セメント系固化材の速硬性がより向上する。該量が１０質量部を超えると、消石灰を添加することによる、セメント系固化材の速硬性向上の効果は頭打ちとなる。

本発明のセメント系固化材は、上述した速硬性付与用材料、及び、ポルトランドセメントを含むものである。
セメント系固化材が、上述した速硬性付与用材料を含むことによって、該速硬性付与材を含まないセメント系固化材（例えば、市販のセメント系固化材）と比較して、セメント系固化材に速硬性を付与するまたはセメント系固化材の速硬性をより向上することができる。
ポルトランドセメントの例としては、普通ポルトランドセメント、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、低熱ポルトランドセメント等の各種ポルトランドセメントが挙げられる。これらは１種を単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい
セメント系固化材１００質量％中、ポルトランドセメントの割合は、好ましくは１５〜９９質量％、より好ましくは２０〜９８質量％、さらに好ましくは２５〜９７質量％、特に好ましくは３０〜９６質量％である。
セメント系固化材１００質量％中、速硬性付与用材料の割合は、好ましくは５〜３０質量％、より好ましくは７〜２５質量％、さらに好ましくは８〜２０質量％、特に好ましくは１０〜１５質量％である。該割合を上記数値範囲内にすることで、セメント系固化材の速硬性をより向上させることができる。

また、セメント系固化材は、ポルトランドセメントの他に、必要に応じて他の材料を含んでもよい。他の材料の例としては、高炉スラグ微粉末、フライアッシュ、石灰石粉末、生石灰、ドロマイト、及び、軽焼ドロマイト等が挙げられる。これらは１種を単独で含んでもよく、２種以上を含んでいてもよい。
セメント系固化材中の他の材料の含有率は、本発明の効果に悪影響を与えない観点から、好ましくは３０質量％以下、より好ましくは２０質量％以下、さらに好ましくは１０質量％以下、特に好ましくは０質量％である。

セメント系固化材を用いた地盤の改良は、改良処理の対象となる地盤にセメント系固化材を用いることで行われる。具体的な方法としては、地盤にセメント系固化材を粉体のまま添加して混合するドライ添加方法や、セメント系固化材（粉体）に水を加えてスラリーとした後に、該スラリーを地盤に添加して混合するスラリー添加方法等が挙げられる。なお、上記スラリーの水／粉体の質量比は、地盤の性状によっても異なるが、好ましくは０．４〜３．０、より好ましくは０．７〜１．４である。該質量比が０．４未満では、施工性が低くなる。該質量比が３．０を超えると、ブリーディングが生じ易くなり、また強度発現性が低下する。
また、セメント用固化材の添加量は、土壌１ｍ^３に対し、好ましくは５０〜６００ｋｇ、より好ましくは１００〜５００ｋｇ、特に好ましくは１５０〜４００ｋｇである。

以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
［使用材料］
（１）市販の固化材（粉体）；ポルトランドセメントを含むもの、太平洋セメント社製
（２）アウイン系粉末；アウイン：５７質量％、ビーライト：３０質量％、ブレーン比表面積：４，５００ｃｍ^２／ｇ
（３）亜硫酸ナトリウム（Ｎａ_２ＳＯ_３）；粉末状の試薬
（４）亜硫酸カリウム（Ｋ_２ＳＯ_３）；粉末状の試薬
（５）亜硫酸カルシウム（ＣａＳＯ_３）；粉末状の試薬
（６）無水石膏
（７）消石灰
（８）土壌；関東ローム、含水比：１７６．１％

［実施例１〜７、比較例１〜６］
上記土壌１ｍ^３に対して、上記材料を、表１に示す添加量で添加・混合して固化改良土を作製した。
得られた固化改良土の材齢１日、７日における一軸圧縮強さを「ＪＩＳＡ１２１６：２００９（土の一軸圧縮試験方法）」に準じて測定した。結果を表１に示す。

表１から、実施例１〜５と、比較例１〜２（市販の固化材のみを使用した場合）、比較例４（亜硫酸のアルカリ金属塩（Ｎａ_２ＳＯ_３）の粉末を使用した場合）及び比較例５（消石灰を使用した場合）を比較すると、実施例１〜５の一軸圧縮強さ（材齢１日：９３．０〜１１４．６ｋＮ／ｍ^２、材齢７日：１４７．５〜１７８．１ｋＮ／ｍ^２）は、比較例１〜２、４〜５の一軸圧縮強さ（材齢１日：６９．２〜７９．０ｋＮ／ｍ^２、材齢７日：１１２．８〜１３５．９ｋＮ／ｍ^２）よりも大きいことがわかる。
また、実施例１〜５と、比較例３（アウイン系粉末と無水石膏を添加した場合）を比較すると、実施例１〜５の材齢１日における一軸圧縮強さ（９３．０〜１１４．６ｋＮ／ｍ^２）は、比較例３の材齢１日における一軸圧縮強さ（９８．９ｋＮ／ｍ^２）と同程度であり、実施例１〜５の材齢７日における一軸圧縮強さ（１４７．５〜１７８．１ｋＮ／ｍ^２）は、比較例３の材齢７日における一軸圧縮強さ（１３８．１ｋＮ／ｍ^２）よりも大きいことがわかる。

また、実施例１〜２（亜硫酸のアルカリ金属塩（Ｎａ_２ＳＯ_３またはＫ_２ＳＯ_３）の粉末を使用した場合）と実施例４（亜硫酸のアルカリ土類金属塩（ＣａＳＯ_３）の粉末を使用した場合）を比較すると、実施例１〜２の一軸圧縮強さ（材齢１日：１０４．０〜１１４．６ｋＮ／ｍ^２、材齢７日：１６０．０〜１６９．９ｋＮ／ｍ^２）は、実施例４の一軸圧縮強さ（材齢１日：９９．１ｋＮ／ｍ^２、材齢７日：１４７．５ｋＮ／ｍ^２）よりも大きいことがわかる。
すなわち、亜硫酸塩粉末として、亜硫酸のアルカリ金属塩の粉末を使用した場合（実施例１〜２）、亜硫酸のアルカリ土類金属塩の粉末を使用した場合（実施例４）と比較して、速硬性をより向上しうることがわかる。

さらに、実施例１と、実施例６〜７（実施例１で使用した速硬性付与用材料（アウイン系粉末及びＮａ_２ＳＯ_３粉末）に、更に消石灰を加えたものを使用した場合）を比較すると、実施例６〜７の一軸圧縮強さ（材齢１日：１２５．５〜１２６．０ｋＮ／ｍ^２、材齢７日：１８４．１〜１８４．５ｋＮ／ｍ^２）は、実施例１の一軸圧縮強さ（材齢１日：１０４．０ｋＮ／ｍ^２、材齢７日：１６０．０ｋＮ／ｍ^２）よりも大きいことがわかる。
すなわち、速硬性付与用材料として、更に消石灰を添加することによって、セメント系固化材の速硬性をより向上しうることがわかる。
なお、実施例６の材齢１日における一軸圧縮強さ（１２５．５ｋＮ／ｍ^２）を、実施例１の材齢１日における一軸圧縮強さ（１０４．０ｋＮ／ｍ^２）と比較した場合の、一軸圧縮強さの上昇の程度（〔（実施例６の材齢１日における一軸圧縮強さ−実施例１の材齢１日における一軸圧縮強さ）／実施例１の材齢１日における一軸圧縮強さ〕×１００（％））は２０．６％である。また、実施例６の材齢７日における一軸圧縮強さ（１８４．１ｋＮ／ｍ^２）を、実施例１の材齢７日における一軸圧縮強さ（１６０．０ｋＮ／ｍ^２）と比較した場合の、一軸圧縮強さの上昇の程度は１５．１％である。

一方、比較例３（アウイン系粉末と無水石膏を使用した場合）と比較例６（比較例３で使用したアウイン系粉末と無水石膏に、更に消石灰を加えたものを使用した場合）を比較すると、比較例６の一軸圧縮強さ（材齢１日：１０３．７ｋＮ／ｍ^２、材齢７日：１４９．１ｋＮ／ｍ^２）は、比較例３の一軸圧縮強さ（材齢１日：９８．９ｋＮ／ｍ^２、材齢７日：１３８．１ｋＮ／ｍ^２）よりも大きいことがわかる。
ここで、比較例６の材齢１日における一軸圧縮強さ（１０３．７ｋＮ／ｍ^２）を、比較例３の材齢１日における一軸圧縮強さ（９８．９ｋＮ／ｍ^２）と比較した場合の、一軸圧縮強さの上昇の程度は４．９％である。また、比較例６の材齢７日における一軸圧縮強さ（１４９．１ｋＮ／ｍ^２）を、比較例３の材齢７日における一軸圧縮強さ（１３８．１ｋＮ／ｍ^２）と比較した場合の一軸圧縮強さの上昇の程度は８．０％である。
すなわち、アウイン系粉末と無水石膏に、更に消石灰を加えたものを使用した場合、セメント系固化材の速硬性が向上するものの、その向上の程度は、アウイン系粉末及びＮａ_２ＳＯ_３粉末に、更に消石灰を加えたものを使用した場合（実施例６）に比べて低いことがわかる。

Claims

ビーライト及びアウインを含むアウイン系粉末と、亜硫酸塩粉末とからなる速硬性付与用材料であって、上記アウイン系粉末と上記亜硫酸塩粉末の合計量１００質量部中の上記アウイン系粉末の量が６０〜９５質量部であることを特徴とする速硬性付与用材料。
さらに、消石灰を含み、上記アウイン系粉末と上記亜硫酸塩粉末の合計量１００質量部に対する上記消石灰の量が１〜１０質量部である請求項１に記載の速硬性付与用材料。
上記アウイン系粉末１００質量％中、上記ビーライトの割合が１５〜４０質量％であり、かつ、上記アウインの割合が３０〜７０質量％である請求項１又は２に記載の速硬性付与用材料。
上記亜硫酸塩粉末が、亜硫酸のアルカリ金属塩の粉末である請求項１〜３のいずれか１項に記載の速硬性付与用材料。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の速硬性付与用材料、及び、ポルトランドセメントを含むことを特徴とするセメント系固化材。
上記セメント系固化材１００質量％中、上記速硬性付与用材料の割合が５〜３０質量％である請求項５に記載のセメント系固化材。
請求項５又は６に記載のセメント系固化材を用いて、地盤を改良することを特徴とする地盤改良方法。