JP3551688B2 - 含水土壌用固化材及び含水土壌の固化改良方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、含水土壌の固化材およびそれを使用する含水土壌の固化改良方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
軟弱土壌の土質改良には、固化材を使用する固化処理が施される。
また、軟弱土壌地域の改良利用でなく、その地域の土木工事等に伴って発生する含水残土を搬出する場合にも、流動性が高いことからそのままでの搬送が困難であり、固化剤を使用して固化処理を施した後、搬出する必要がある。
何れの目的においても、固化材には、固化後の土壌が目的に合った十分な強度を有していること、適度の固化速度を有していること、固化材が化学的に安定であり有害物質が溶出しないこと等の特性が要求されるが、これ等複数機能を要求される固化材として既に多くの技術が開示されている。これ等は、含まれる水硬性成分の種によってセメント系と石膏系に大別できるが、セメント系は強度は得られるものの、セメント自体が強アルカリであるため固化後土壌の高ｐＨ値が問題となり、一方、石膏系は、中性であるためｐＨ値的には問題ないものの、改良後土壌が十分な強度を示さないと云う問題がある。
【０００３】
この問題を解決するために、セメント、石膏双方を成分とし、両系の長所を活かそうとする固化材が幾つか提案されている。
例えば、特開平８−３０２３４６号および特開平８−３１１４４６号の各公報には、半水石膏、セメントおよび石灰、高炉スラグ等の混合材より成る固化材が開示され、特開平６−２２０４５１号公報には、石膏、ポルトランドセメントおよび硫酸アルミニウムより成る固化材が開示されている。また、特開平７−１７９８５４号公報には、無水または半水石膏、セメントおよび硫酸基を有する無機塩よりなる固化材が開示されている。
これ等は、対象土壌、固化材添加量、評価方法等が夫々異なるため、固化材としての比較評価は出来ないが、固化材については更なる改良が要求されていることは事実であり、また、徒に強度向上を図るのではなく、改良後土壌の使用目的に応じて調製された固化材が要求されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、含水土壌の固化改良に優れた性能を示す固化材を提供し、含水土壌の固化改良を可能にする方法の提供を目的とする。具体的には、固化改良後のｐＨ値が植裁に適した６〜９の範囲にあり、且つ、一軸圧縮強度が、人が上を歩ける尺度である０．５ｋｇｆ／ｃｍ^２ 以上である土壌を与える固化材の提供、および該固化材を使用する含水土壌の固化改良方法の提供を目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明では、或る特定の割合のアルミナセメント、硫酸アルミニウムまたは硫酸鉄、および石膏の混合物、およびそれに更にリチウム塩を添加した混合物が、上記課題を解決した優れた固化剤となることを見出し、本発明を完成した。
すなわち、本発明は、固化材全体を１００重量部としたとき、７〜６５重量部のアルミナセメントと、２〜３０重量部の硫酸アルミニウムまたは硫酸鉄と、残部が石膏よりなり、石膏含有量が２０重量部以上である含水土壌用固化材および該固化材を使用した含水土壌の固化改良方法に関する。
また、本発明は、固化材全体を１００重量部としたとき、７〜６５重量部のアルミナセメントと、２〜３０重量部の硫酸アルミニウムまたは硫酸鉄と、０．５〜５重量部のリチウム塩と、残部が石膏よりなり、石膏含有量が２０重量部以上である含水土壌用固化材及び該固化材を使用した含水土壌の固化改良方法に関する。
以下に本発明を説明する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の固化材は水硬性材料としてアルミナセメントと石膏の混合物を使用するものである。石膏は、それ自身が中性であるだけでなく、金属イオンの放出も極めて少なく、固化後土壌が二次公害を引き起こす虞が全くないことから化学的には望ましい材料であるが、強度的には固化材としての十分な性能を有しておらず、固化材として利用するには適当な固化助剤の存在が必要である。
一方、セメントは強度面では優れた固化改良土壌を与えるがそれ自身が強アルカリであり、セメントを固化材の成分として使用するに当たっては、アルカリ溶出の抑制に留意する必要がある。
本発明者等は、石膏に、セメントの中でもアルカリ度の比較的低いアルミナセメントを混合したものに更に中和剤として硫酸アルミニウムを添加した組成物が優れた含水土壌用固化材となることを見出し、本発明を完成した。
【０００７】
本発明の固化材の主成分である石膏は、水和反応による土壌中の水の固定化とその水硬性により、含水土壌の固化を推進すると考えられ、二水物以外であれば履歴に関係なく使用することができる。例えば、半水石膏、無水石膏またはこれ等の混合物を好適に用いる事ができるが、中でも、二水石膏から比較的容易に得られる半水石膏がコスト面で有利であり、且つ性能的にも問題がないことから、最も好ましい材料である。
【０００８】
一方、本発明において、石膏と共に水硬性成分として使用するセメントはアルミナセメントであるが、上述のように、アルミナセメントはセメントの中では比較的低アルカリであり、セメントを添加した固化材としては、固化改良後土壌のｐＨ値上昇抑制に好ましい効果を与えるだけでなく、耐酸性に優れているという長所も有している。
アルミナセメントは改良後土壌の強度向上を目的として添加されるものであることから、ある量以上添加しないと添加効果が十分発現しない。しかし、アルミナセメントを過剰に添加すると、中和剤としての硫酸アルミニウムまたは硫酸鉄の添加必要量も増大するが、これ等の硫酸塩はアルミナセメントの硬化遅延材としての作用も有しており、その添加量には限界がある。
従って、本発明の固化材におけるアルミナセメントの割合は、固化材全体の７〜６５重量部の範囲である必要がある。
【０００９】
アルミナセメントはセメントの中では比較的低アルカリであるが、アルミナセメントを含有する固化材の使用による固化後土壌のｐＨ上昇は避けられない。本発明の固化材では、硫酸アルミニウムまたは硫酸鉄を中和剤として添加し、このｐＨ上昇の抑制を図っている。
しかし、前述のように、硫酸アルミニウム、硫酸鉄は、アルミナセメントの硬化遅延材としての働きも有していることから、その添加量にも限度がある。本発明の固化材中における硫酸アルミニウムまたは硫酸鉄の割合は、もちろんアルミナセメントの量に依存するが、固化材全体の２〜３０重量部とすることにより、固化材として好ましい結果を得ることが出来る。
【００１０】
中和剤として添加される硫酸アルミニウム、および、硫酸第一鉄または硫酸第二鉄の形態の硫酸鉄は何れも、安価で且つ入手が容易な材料であり、中和剤として性能的に問題はないが、硫酸アルミニウムの使用が効果の点で好ましい。
【００１１】
石膏とアルミナセメントよりなる本発明の固化材は、更にリチウム塩を添加することにより、硬化速度を速めることができる。
リチウムイオンがアルミナセメントの硬化促進材として働くことは公知であるが、本発明の固化材においても、リチウム塩を添加することにより、硫酸アルミニウムまたは硫酸鉄添加によるアルミナセメントの硬化遅延を補償することができる。
本発明の固化材で使用されるリチウム塩の例としては、炭酸リチウム、塩化リチウム、硝酸リチウム等の無機塩、または、酢酸リチウム、ぎ酸リチウム等の有機塩を挙げることができるが、入手の容易さで炭酸リチウムの使用が最も好ましい。
リチウム塩の添加量は、固化材全体の０．５〜５重量部とするのが良い。少ないと添加効果が十分に発現せず、多すぎると不経済であるだけでなく、固化後土壌のｐＨ上昇を招くことがあり好ましくない。
【００１２】
本発明の固化材は、前述した様に、石膏、アルミナセメント、および硫酸アルミニウムまたは硫酸鉄を、更に必要に応じてリチウム塩を適量混合することにより十分その性能を発揮するが、これ等の成分に更に無機多孔体系吸水材または有機高分子吸水材を添加することにより、固化材添加後土壌のｐＨ値をほとんど変動させることなく、一軸圧縮強度を更に改善することができる。
吸水材は、土壌中に存在する自由水と結合・固定化して自由水量を減少させる働きを有していることから、吸水材を添加した固化材の使用は、含水比の低い含水土壌の固化改良と同じになり、固化材添加後の一軸圧縮強度が増加すると考えられる。従って、含水比の高い土壌の固化改良においては、吸水材の添加は特に効果的である。
【００１３】
本発明で使用可能な有機高分子吸水材の例としては、ポリアクリルアミド、ポリメタクリルアミド、ポリビニルアルコール、ポリアクリレート、澱粉グラフト共重合体等が挙げられるが、中でも有機高分子吸水材としては最もポピュラーなポリアクリルアミドおよびポリメタクリルアミドが、吸水性能の面で好ましい結果を与える。
一方、本発明で使用可能な無機多孔体吸水材の例としては、パーライト、ゼオライト、シリカ等を挙げることが出来るが、中でもパーライトが、吸水性能、化学的安定性、価格面で最も好ましい材料である。
【００１４】
固化材全体を１００重量部とした吸水材の添加量は、有機高分子系の場合には０．１〜５重量部、無機質多孔体系の場合には５〜４０重量部とするのが良い。有機系、無機系何れにおいても、夫々の範囲より少ないと添加効果が十分発現せず、逆に多いと経済的でなくなるだけでなく、逆に固化改良後土壌の圧縮強度の低下を招く場合がある。
一軸圧縮強度面での固化材の改良は、固化改良に必要な固化材量の低減につながることから、固化材への吸水材の添加量は、改良対象土の含水比、および、目的強度を達成するのに必要な固化材の必要量とを勘案して適宜決めることになる。
【００１５】
本発明の固化材は、前記成分に加え更にアルギン酸ナトリウム、ポリアクリル酸ナトリウム、カルボキシメチルセルロース等の水溶性高分子を添加することも可能であり、水溶性高分子の添加で更に性能が改善される場合がある。
これ等の水溶性高分子は、水の存在とＣａイオン等の多価イオンの存在下では架橋して不溶性のゲルとなるが、土壌−土壌、土壌−石膏または石膏−石膏粒子間に侵入した場合には、生成したゲルが土壌、石膏およびセメント各粒子を結合する作用を有し、結果として水溶性高分子無添加の場合よりも土壌強度が向上すると考えられる。しかし、粒子間に過剰のゲルが介在するとそこが弱点となり逆に強度は低下する。従って水溶性高分子の添加量には最適値が存在するが、本発明の固化材におけるこれ等水溶性高分子の含有量は、水溶性高分子の種によって異なるが、アルギン酸ナトリウム、ポリアクリル酸ナトリウムにおいては、固化材全体の０．１〜１重量部、カルボキシメチルセルロースにおいてはそれより量が若干増え、０．５〜１０重量部である。
【００１６】
本発明の固化材の調製に必要な材料は何れも粉末状であることと、固化材がそれら材料の単なる混合物であることから、その調製に当たっては特別な機器、手段を必要とせず、ミキサー等公知の粉体混合用の機器を使った、公知の粉体混合方法が適用できる。
【００１７】
本発明の固化材を使用して含水土壌の改良を行なうに当たっては、水を加えたスラリー状として土壌中に注入、散布する方法も適用できるが、土壌に余分な水を加えない点で、粉末状態で混合するのが望ましい。その際、一般に行なわれている、対象土壌とミキサーで混合するミキサー混合法や、スタビライザー用いる浅層処理法が効果的に適用できる。
また、含水土壌への添加量は、含水土壌の特性、特に含水量によるが、含水土壌１ｍ^３ 当たり５０〜４００ｋｇ添加することにより目的とする０．５ｋｇｆ／ｃｍ^２ 以上の一軸圧縮強度を有する改良土壌を得ることが出来る。もちろん、必要に応じて固化材添加量を増やすことにより、ｐＨ値の上昇を招くことなく土壌一軸圧縮強度を更に高める事も可能であり、目的、経済性に合わせて適宜添加量を選択することになる。
以下に、具体的例を挙げて本発明を更に詳しく説明する。
【００１８】
【実施例】
（１）固化材の調製
半水石膏粉末に所定量のアルミナセメント、硫酸アルミニウムまたは硫酸鉄、更に必要に応じて炭酸リチウムおよび／または吸水材を添加したものをホバート型ミキサーで３分間混合して固化材を調製した。
（２）改良土壌の調製
上記（１）で調製した固化材の所定量を供試土壌に添加した後、ホバート型ミキサーで３分間混合して改良土壌を調製した。
混合後の土壌を、直径５ｃｍ、高さ１０ｃｍの鋼製の円筒型のモールドに充填し、温度２０℃、湿度９６％の恒温恒湿槽内で７日間養生し、評価用の供試体を得た。
（３）改良土壌の評価：一軸圧縮強度測定
上記（２）で得られた供試体について、ＪＩＳ Ａ１２１６に則った方法でその一軸圧縮強さを測定した。
尚、一軸圧縮強度については、対象土壌１ｍ^３ 当たり１００ｋｇ量の添加で、人がその上を歩く事が可能な強度である０．５ｋｇｆ／ｃｍ^２ 以上の一軸圧縮強度を有する改良土壌を与えるものを良とした。
（４）改良土壌の評価：ｐＨ測定
上記（２）で得られた成形前の土壌について、土質工学会基準ＪＳＦＴ ２１１−１９９０に則り、改良土壌のｐＨを測定した。
ｐＨ値については、９以下のものを良とした。
【００１９】
実施例１〜８および比較例１〜３
半水石膏、アルミナセメント、硫酸アルミニウムの混合比を種々変えた固化材（実施例１〜４、６〜８および比較例１〜３）およびを硫酸アルミニウムに代えて硫酸第二鉄を使用した固化材（実施例５）を調製し、含水比２７％の粘土質砂を対象土壌とした場合の結果を表１に示す。
本発明の範囲に含まれる組成を有する固化材を用いた場合、固化改良後土壌のｐＨ値は何れも８以下であり、且つ、一軸圧縮強度は０．５ｋｇｆ／ｃｍ^２ 以上であり、目的とする基準をクリアしていた。
それに対して、本発明の範囲を外れる組成を有する固化材では、固化改良後土壌のｐＨ値または一軸圧縮強度が目標とした基準に達せず、固化材としては不適であることが分かる。
【００２０】
【表１】

【００２１】
実施例９〜１１
表１には、半水石膏、アルミナセメント、硫酸アルミニウム成分に、更に炭酸リチウム（実施例９）または吸水材（実施例１０、１１）を添加したときの結果を合わせて示す。
炭酸リチウム、または、無機多孔質体系または有機高分子系吸水材の添加により、固化改良後土壌のｐＨ値を７付近に維持したまま、一軸圧縮強度が向上することが分かる。
【００２２】
【発明の効果】
本発明の固化材は石膏、アルミナセメント、および硫酸鉄または硫酸アルミニウムを成分とする簡単な組成より成るものであるが、それを使用した改良後土壌はほヾ中性であり、アルカリ溶出による問題が生じない。また、改良後土壌の一軸圧縮強度は０．５ｋｇ／ｃｍ^２ 以上と歩行可能な強度を有していることから、その上での作業が可能になるだけでなく、植物が根を張るのに適した強度範囲に収まっているため、植裁に適した土壌を得ることが可能となる。

Claims (7)

1. 固化材全体を１００重量部としたとき、７〜６５重量部のアルミナセメントとポルトランドセメントの混合セメントと、２〜３０重量部の硫酸アルミニウム又は硫酸鉄と、残部が石膏よりなり、石膏含有量が２０重量部以上であり、ｐＨ値が６〜９の範囲にある改良土壌を与える含水土壌用固化材。
2. 固化材全体を１００重量部としたとき、７〜６５重量部のアルミナセメントとポルトランドセメントの混合セメントと、２〜３０重量部の硫酸アルミニウム又は硫酸鉄と、０．５〜５重量部のリチウム塩と、残部が石膏よりなり、石膏含有量が２０重量部以上であり、ｐＨ値が６〜９の範囲にある改良土壌を与える含水土壌用固化材。
3. 成分として更に、５〜４０重量部の無機質多孔体吸水材を含む、請求項１または２に記載の含水土壌用固化材。
4. 成分として更に、０．１〜５重量部の有機高分子系吸水材を含む、請求項１または２に記載の含水土壌用固化材。
5. リチウム塩が炭酸リチウムである、請求項２から４までの何れかに記載の含水土壌用固化材。
6. 石膏が半水石膏および／または無水石膏である、請求項１から５までの何れかに記載の含水土壌用固化材。
7. 請求項１から６までの何れかに記載の含水土壌用固化材を、含水土壌１ｍ^３ 当たり５０〜４００ｋｇ添加する、含水土壌の固化改良方法。