JP2021161174A - 固化助材、固化処理材及び土の固化処理方法 - Google Patents
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Abstract
Description
前記高炉スラグ微粉末に対する前記硫酸第一鉄の質量比が0.01〜0.49であり、
含水状態であり、且つ腐植物質の含有量が5質量%以上である有機質含有土の固化処理に用いられる、固化助材を提供するものである。
前記セメント系固化材100質量部に対する前記固化助材の割合が20〜70質量部であり、
前記固化助材は、高炉スラグ微粉末と硫酸第一鉄とを含み、前記高炉スラグ微粉末に対する前記硫酸第一鉄の質量比が0.01〜0.49であり、
含水状態であり、且つ腐植物質の含有量が5質量%以上である有機質含有土の固化処理に用いられる、固化処理材を提供するものである。
前記固化処理材は、前記セメント系固化材100質量部に対して、前記固化助材を20〜70質量部含み、
前記固化助材は高炉スラグ微粉末と硫酸第一鉄とを含み、且つ該高炉スラグ微粉末に対する該硫酸第一鉄の質量比が0.01〜0.49であり、
前記セメント系固化材は高炉スラグを含み、
前記土として、含水状態であり、且つ腐植物質の含有量が5質量%以上である有機質含有土を用いる、土の固化処理方法を提供するものである。
以下の説明では、特に断りのない限り、「有機質含有土」はこれらの土の総称として説明する。
このような含水比を有する土に対して、固化助材を固化母材とともに用いることによって、水と固化母材との比を適切な割合に制御困難であることに起因して固化母材のみでは強度発現が困難であった土に対しても、高い強度を発現させることができる。
固化助材は、腐植物質を好ましくは5質量%以上、更に好ましくは7質量%以上であり、好ましくは20質量%以下含む有機質含有土の固化処理に好適に用いられる。腐植物質の含有量は、含水状態の有機質含有土の質量に対する割合とする。
腐植物質をこのような割合で含む土に対して、固化助材を固化母材とともに用いることによって、固化反応が腐植物質によって阻害されにくくなるので、固化母材のみでは強度発現が困難であった土に対しても、固化反応を効率よく進行させて、固化処理後の土に高い強度を発現させることができる。
フミン酸及びフルボ酸をこのような割合で含む土に対して、固化助材を固化母材とともに用いることによって、固化母材中のアルカリと、フミン酸及びフルボ酸等の酸性成分との中和が生じにくくなり、アルカリによる固化反応が阻害されにくくなる。その結果、固化母材のみでは強度発現が困難であった土に対しても、固化反応を効率よく進行させて、固化処理後の土に高い強度を発現させることができる。
このようなブレーン比表面積を有する高炉スラグ微粉末を用いることによって、固化助材の製造コスト及び固化処理に要するコストを低減しつつ、固化処理後の土に高い強度を発現させることができる。
高炉スラグ微粉末の硫化物硫黄の含有量がこのような範囲にあることによって、固化母材としてセメントを含む場合に、セメントに含まれる六価クロム等の重金属類を硫化物硫黄によって、三価クロムに還元して、固化処理後の土からの重金属類の溶出を環境基準以下に抑制することができる。
これに加えて、セメントに含まれる六価クロムを還元し、固化処理後の土からのクロムの溶出を環境基準以下に抑制することができるという利点もある。さらに、有機質含有土中に含有する砒素が固化処理後に溶出することを抑制することができるという利点もある。
硫酸第一鉄がこのような粒径を有する粒子であることによって、高アルカリによる腐植物の溶解の抑制や硫酸イオンの供給が適正な速度で進行し、強度が向上するといった効果が奏される。このような粒径を有する硫酸第一鉄は、例えば市販品を用いたり、あるいは粉砕やふるい分け等を行って得ることができる。
高炉スラグ微粉末と硫酸第一鉄との含有割合がこのような範囲にあることによって、固化処理後の土の強度を更に向上させることができる。これに加えて、固化処理対象となる土に含まれる砒素等の重金属類や、固化助材とともに用いられるセメント等の固化母材に含まれる六価クロム等の重金属類の外部への溶出を環境基準以下となるように抑制することができる。特に、固化処理対象となる土が高有機質土である場合、高有機質土は砒素の含有量が比較的高いので、高炉スラグ微粉末と硫酸第一鉄との含有割合がこのような範囲とすることで、砒素の環境中への溶出を効果的に抑制しつつ、強度を発現させることができる点で有利である。
高炉セメントとしては、ポルトランドセメントと高炉スラグとを含むものであり、例えばJIS R5211:2019に規定されるものを用いることができる。具体的には、高炉セメントは、高炉スラグを5質量%超30質量%以下含む高炉セメントA種、高炉スラグを30質量%超60質量%以下含む高炉セメントB種及び高炉スラグを60質量%超70質量%以下含む高炉セメントC種のうち少なくとも一種を用いることができる。
また、固化処理材中に高炉セメント及び石膏を含む場合、高炉セメントの含有量が好ましくは70〜95質量%であり、且つ石膏の含有量が好ましくは5〜30質量%である。石膏の含有量は無水石膏換算での値とする。
セメント系固化材中に高炉セメントB種を用いることによって、セメント単体のみでは強度発現が困難な含水状態の有機質含有土を処理対象とした場合であっても、高炉セメント中の高炉スラグの潜在水硬性を固化助材中の高炉スラグ微粉末とともに十分に発現させて、セメントのアルカリ水和反応による土の固化性能を更に効率よく発現させることができる。これに加えて、石膏を用いることによって、セメントの水和によって生成するエトリンガイトを処理対象となる土に効率的に生成させることができるので、土の固化性能を一層効果的に向上させることができる。また、固化性能のさらなる向上に伴って、砒素や六価クロム等の重金属類の環境中への溶出をより一層低減することができる。
一般的に、処理対象の土として、含水状態の有機質含有土、特に含水状態の高有機質土を用いてセメント系固化材による固化処理を行う場合、水/セメント比を適切な比率となるようにして所望の強度を発現させるために、通常の粘性土や砂質土を処理する場合と比較して、セメント系固化材の添加量を多くする必要がある。一方で、セメント系固化材の添加量を多くしてしまうと、これに伴ってセメントの含有量も多くなってしまうので、セメント系固化材中のセメントに含まれる六価クロム等の重金属類が固化処理後の土に持ち込まれやすくなる。また、高有機質土等の有機質含有土は、砒素の含有量が多いことが知られている。したがって、高有機質土等の含水状態の有機質含有土を固化処理対象とする場合には、重金属類が固化処理後の土に多く含まれてしまうので、固化処理後の土からの重金属類の溶出を制御する必要がある。
この点に関して、セメント系固化材に加えて固化助材を含む固化処理材を用いて高有機質土等の有機質含有土を固化処理することによって、セメント系固化材単体で使用した場合と比較して、セメント系固化材の使用量を多くしなくとも、エトリンガイトの形成による高い強度を土に発現させることができる。また、含水状態の有機質含有土における含水比を加熱などによって調整する工程を別途行わなくても、処理対象となる土そのものに固化処理材を混合させて、処理効率を高めつつ、所望の高い強度を発現させることができる。これに加えて、固化処理後の土からの重金属類の溶出を環境基準以下に効率よく制御することができる。更に、セメントの使用量も少なくなるので、固化処理後の土への六価クロムの持ち込み量を少なくすることができ、重金属類の溶出抑制に寄与する。
<固化助材及びセメント系固化材の作製>
高炉スラグ微粉末(国産)、硫酸第一鉄(1水和物;中国産)及び硫酸アルミニウム(14水和物;大明化学工業(株)製、工業品)を以下の表1に示す割合で混合して、異なる組成を有する10種類の粉状の固化助材(表1中、「固化助材1〜8」として示す。)を得た。
また、高炉セメントB種(宇部三菱セメント(株)製)と、石膏(無水石膏;タイ産)とを以下の表1に示す割合で混合して、異なる組成を有する2種類の粉状のセメント系固化材(表2中、「固化材a〜b」として示す。)を得た。
高炉セメントB種の化学組成は、JIS R 5202:2010「セメントの化学分析方法」に準拠して測定した。
無水石膏の化学組成は、JIS R9101:2018「せっこうの化学分析方法」準拠して測定した。
高炉スラグ微粉末および硫酸第一鉄1水和物の化学組成は、JIS M8853:1998「セラミックス用アルミノけい酸塩質原料の化学分析方法」に準拠して測定した。
各材料のブレーン比表面積は、JIS R5201:2015「セメントの物理試験方法」に準拠して測定した。
<1.試料土>
固化処理対象となる土として、北海道で採取した泥炭A、B、Cを試料土として使用した。試料土の各物性は以下の表4に示すとおりであった。これらの試料土は、いずれも含水状態の高有機質土であり、有機物を20質量%以上含むものである。
試料土の湿潤密度は、直径5cm、高さ10cmの型枠に試料土を充填し、充填された試料の質量(g)から、型枠の容積(cm3)を除して求めた。
試料土のpHは、JGS 0211−2009「土懸濁液のpH試験方法」に準拠して測定した。
試料土の強熱減量は、JIS A1226:2009「土の強熱減量試験方法」に準拠して測定した。
フミン酸は、ベンゼンとアルコールの混合溶媒に不溶、アルカリに可溶且つ酸に不溶の腐植物質である。フルボ酸は、ベンゼンとアルコールの混合溶媒に不溶、酸及びアルカリに可溶な腐植物質である。ビチューメンは、ベンゼンとアルコールの混合溶媒に可溶で酸及びアルカリに不溶の腐植物質である。
まず、測定対象となる含水状態の試料土をホバート型ミキサーで撹拌して、含水状態における質量を測定した後、該試料土を2mmの標準網篩で裏ごしして室内にて自然乾燥させて、抽出用試料とした。抽出用試料の含水比をJIS A1203:2009にて測定し、土粒子の質量を算出した。
次いで、抽出用試料の一定量(10g)を円筒ろ紙に入れ、湯せん器上のソックスレー抽出装置中でエタノールとベンゼンの混合液(質量比1:1)によって、ビチューメンを抽出した。この抽出は、抽出器中の溶媒が無色になるまで継続して行った。抽出終了後、受器中の抽出液を50℃で恒温乾燥し、その乾燥物を秤量し、ビチューメン量とした。
続いて、ビチューメンを抽出した後の抽出用試料を風乾し、該試料を0.5NのNaOH水溶液中に48時間浸し、その後、0.5NのHCl水溶液を加え、混合液とした。そして、この混合液を遠心分離し、ろ液と沈殿物とに分離した。得られた沈殿物に対し、0.5NのNaOH水溶液と0.5NのHCl水溶液とを用いる上述の工程を繰り返して行った後、再度得られた沈殿物に対して純水による洗浄を行って、フミン酸を含む液相を得た。この液相を90℃の炉で乾燥し、その乾燥物を秤量し、フミン酸量とした。
アルカリ不溶成分は、前述の遠心分離で得られた沈殿物を別途に恒温乾燥後、秤量した。
また、試料土の強熱減量測定値を試料土の有機物含有量とし、この有機物含有量から、ビチューメン、フミン酸及びアルカリ不溶成分(土粒子質量を除く)の各成分量を減じた値をフルボ酸量とした。含水状態の試料土に対する腐植物質の含有質量割合を、以下の表4に示す。
上述の製造例で作成した固化助材とセメント系固化材とを、以下の表5〜表8に示す割合で混合して、粉状の固化処理材を調製した。
次いで、粉状の固化処理材を試料土1m3当たり400kgの割合で、各試料土に添加し、ホバート型ミキサーを用いて90秒間混合した。混合後、掻き落としを行い、さらに90秒間混合して、以下の表5〜表8に示す組成を有する実施例1〜8及び比較例1〜8の固化処理後の土(以下、これを固化処理土ともいう。)を作製した。
実施例及び比較例の固化処理土につき、以下の方法で強度を測定した。
まず、実施例及び比較例の固化処理土をそれぞれ、JGS 0821「安定処理土の締固めをしない供試体作成方法」に準拠して成型し、直径5cm、高さ10cmの円柱供試体を得た。これらの供試体を温度20℃、湿度90%RHで密封した状態で7日間及び28日間養生した。
次いで、養生後の各供試体につき、一軸圧縮強さ(kN/m2)を、JIS A1216「土の一軸圧縮試験方法」に準拠して測定した。一軸圧縮強さの値が高いほど、固化処理土の強度が高いことを示す。結果を以下の表5〜表8に示す。
実施例2〜6及び比較例3〜7の固化処理土につき、上述の方法で28日間養生した各供試体を用いて、環境庁告示第46号に準拠して検液を作製した。その検液の六価クロム濃度および砒素濃度をJIS K0102「工場排水試験方法」に準拠してそれぞれ測定した。結果を表6及び表7に示す。
上述の製造例で作成した固化助材とセメント系固化材とを、以下の表5に示す割合で混合して、粉状の固化処理材を調製した。その後、固化処理材と水とを1:1の質量割合にてミキサーで1分間混合し、固化処理材のスラリーを調製した。
これを所定時間35℃温度条件で静置したあと、回転粘度計(Haake社製、Rotovisco RV−1)を用いて、35℃におけるスラリーの見掛け粘度を経時的に測定した。
本試験では、35℃におけるスラリーの見掛け粘度が125mPa・sとなったときの経過時間をスラリーの可使時間とし、可使時間180分以上であったものを、取り扱い性が良好である(表5中、記号「○」で示す。)とし、可使時間180分未満のものを取り扱い性が不良である(表5中、記号「×」で示す。)とした。結果を以下の表5に示す。
また、表6及び表7に示すように、実施例2〜6の固化処理材は、比較例3〜7の固化処理材と比較して、固化処理土からの六価クロム溶出量及び砒素溶出量をともに環境基準値(六価クロム:0.05mg/L、砒素:0.01mg/L)以下に抑制でき、またその溶出抑制度合が高いことも判る。
更に、硫酸第一鉄を含む固化助材(実施例1)と、硫酸第一鉄に代えて、硫酸アルミニウムを用いた固化助材(比較例2)とを比較すると、実施例1の固化助材は、スラリーとしての取り扱い性が良好となった。したがって、強度の向上と取り扱い性の向上とを両立する点で、硫酸第一鉄を所定量含む固化助材を用いることが有利であることが判る。
Claims (8)
- 高炉スラグ微粉末と硫酸第一鉄とを含み、
前記高炉スラグ微粉末に対する前記硫酸第一鉄の質量比が0.01〜0.49であり、
含水状態であり、且つ腐植物質の含有量が5質量%以上である有機質含有土の固化処理に用いられる、固化助材。 - 前記腐植物質としてフミン酸及びフルボ酸のうち少なくとも一つを含み、
前記フミン酸と前記フルボ酸との合計量の割合が5質量%以上である前記有機質含有土の固化処理に用いられる、請求項1に記載の固化助材。 - 含水比が150質量%以上であり、且つ強熱減量が25質量%以上である前記有機質含有土の固化処理に用いられる、請求項1又は2に記載の固化助材。
- 前記高炉スラグ微粉末のブレーン比表面積が3000〜7000cm2/gである、請求項1〜3のいずれか一項に記載の固化助材。
- 固化助材と、高炉スラグを含むセメント系固化材とを含み、
前記セメント系固化材100質量部に対する前記固化助材の割合が20〜70質量部であり、
前記固化助材は、高炉スラグ微粉末と硫酸第一鉄とを含み、前記高炉スラグ微粉末に対する前記硫酸第一鉄の質量比が0.01〜0.49であり、
含水状態であり、且つ腐植物質の含有量が5質量%以上である有機質含有土の固化処理に用いられる、固化処理材。 - 前記セメント系固化材は、高炉セメントB種と石膏とを含む、請求項5に記載の固化処理材。
- 固化助材及びセメント系固化材を含む固化処理材と、処理対象の土とを混合する工程を有し、
前記固化処理材は、前記セメント系固化材100質量部に対して、前記固化助材を20〜70質量部含み、
前記固化助材は高炉スラグ微粉末と硫酸第一鉄とを含み、且つ該高炉スラグ微粉末に対する該硫酸第一鉄の質量比が0.01〜0.49であり、
前記セメント系固化材は高炉スラグを含み、
前記土として、含水状態であり、且つ腐植物質の含有量が5質量%以上である有機質含有土を用いる、土の固化処理方法。 - 前記土1m3に対して前記固化処理材を100〜500kg混合する、請求項7に記載の固化処理方法。
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