JP4548880B2 - 軟弱地盤の深層混合処理方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スラリー施工用セメント組成物を用いた軟弱地盤の深層混合処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来行われている軟弱地盤の深層混合処理は、主としてスラリーの形で軟弱土と攪拌・混合されたセメント系材料が、水和及びポラゾン反応を起こし、軟弱土を固化する事を利用したものである。セメントスラリーと軟弱土の攪拌・混合の方法には、機械式や高圧噴射式が在り、機械式では、セメントスラリーが施工機先端までポンプで圧送され、先端から噴射されたスラリーと周囲の軟弱土とが、攪拌翼によって機械的に混合される。一方、高圧噴射式では、セメントスラリーが加工機先端から高圧噴射され、その圧力によって軟弱地盤の切り崩しとスラリーとの混合が行われる。
【０００３】
これらの施工法における大きな障害は、セメントスラリー中にしばしば発生する数ミリ以上の大きさの塊状物の生成であり、これが一旦多量に発生すると、スラリー圧送経路中のフィルター部や施工機の噴射ノズル部の目詰まりが生じ、施工出来なくなる。この塊状物の発生量は、セメントスラリーの固形分濃度を下げる事によって低減する事が可能であるが、固化処理土の強度不足や処理個所による強度のばらつきを生じる事が在り、好ましい方法とは言えないものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、セメントスラリー中の固形分濃度を下げる事無く塊状物発生量を抑制し、結果としてフィルタ部や噴射ノズル部の目詰まり発生頻度の低減を可能にする、軟弱地盤の深層混合処理方法の提供を目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、セメント組成と該セメントをスラリー化した時のスラリー中における塊状物生成量との関係を検討した結果、セメント組成物を構成するポルトランドセメント成分中の水溶性アルカリ量及び半水せっこう量と塊状物発生量間には強い関係が在る事を知見し、水溶性アルカリ量及び半水せっこう量の規定されたポルトランドセメント成分を含有するセメント組成物が、上記課題を解決するものである事を見出し、本発明を完成した。すなわち、本発明は、水溶性アルカリ量（Ｎａ2Ｏ換算）及び水溶性カリウム量がそれぞれ０．３５重量％未満であり、且つ半水せっこう量が３重量％未満であるポルトランドセメント成分を含有するスラリー施工用セメント組成物を得る工程と、得られたスラリー施工用セメント組成物を用いてセメントスラリーを調製する工程と、調製したセメントスラリーをスラリー圧送経路中のフィルター部及び施工機の噴射ノズル部を通じて噴射し、軟弱土と混合する工程とを含む軟弱地盤の深層混合処理方法に関する。以下に、本発明を詳しく説明する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明においては、ポルトランドセメント成分中の水溶性アルカリ量及び半水せっこう量を低減する事により、スラリー化した際の塊状物発生を抑制しているが、本発明で言うポルトランドセメント成分とは、ポルトランドセメントクリンカーとせっこう混合物の粉砕物であり、ＪＩＳ Ｒ ５２１０で規定される普通、早強、超早強、中庸熱、耐硫酸塩、低熱等のポルトランドセメント、及び、ＪＩＳ Ｒ ５２１１から５２１３で規定される高炉セメント、シリカセメント、フライアッシュ等の混合セメントから高炉スラグ、シリカ、フライアッシュ等を除いた部分、更には、セメント系固化材中のポルトランドセメントクリンカーとせっこうの部分等を指す。
【０００７】
本発明で言うポルトランドセメント成分中の水溶性アルカリは、試料１０ｇに水１００ｇを加え１０分間振盪した際に溶出するナトリウム成分及びカリウム成分であり、その量は、酸化ナトリウム基準（水溶性アルカリ＝Ｎａ2Ｏ＋０．６５８Ｋ2Ｏ）で表される。
このポルトランドセメント成分中の水溶性アルカリは、スラリー中におけるセメント粒子同士の強い凝集をもたらす不定形物質（非晶質ゲル）生成の促進剤として働き、塊状物発生の一要因となっていると推定される。
本発明では、ポルトランドセメント成分中の水溶性アルカリ量を０．３５重量％未満まで低減し、スラリー化時における塊状物発生の一要因を取り除いた事を一つの特徴とする。
【０００８】
また、水溶性アルカリの中では、特に水溶性カリウムがセメントスラリー中の塊状物の生成に与える影響が大きいので、スラリー化時の塊状物生成を抑制するためには、ポルトランドセメント成分中の、前記式で表される水溶性アルカリ量を０．３５重量％未満に低減するのに加え、水溶性カリウム量についても０．３５重量％未満に低減する。
【０００９】
一方、半水せっこうは、スラリー化時に二水せっこうやエトリンガイト等の初期水和物を形成するが、これ等初期水和物の多量の生成は、塊状物の生成量の増加をもたらす要因の一つである。
本発明では、ポルトランドセメント成分中の半水せっこう量については３重量％未満となるようにし、スラリー化時における塊状物発生のもう一つの要因をも取り除いた事も一つの特徴とする。
【００１０】
ポルトランドセメント成分に含まれる水溶性アルカリの主成分は、セメントクリンカー中の間隙質部分に存在する硫酸アルカリである。この硫酸アルカリは、セメントクリンカー製造時にキルンに送入される原料に含まれるアルカリと、燃料中に含まれる硫黄との反応で生成する。従って、水溶性アルカリ量の低いポルトランドセメント成分の製造は、アルカリ含有量の低いキルン送入原料と硫黄含有量の少ない石炭（燃料）を使用するか、アルカリバイパスを装着・稼動させる事によって達成出来る。
【００１１】
一方、ポルトランドセメント成分に含まれる半水せっこうは、主として、セメント製造時に添加された二水せっこうが、仕上ミル内での温度上昇によって脱水されて生成する。従って、ポルトランドセメント成分に含まれる半水せっこう量を低減するには、クリンカークーラーの改善や、仕上げミル内の散水等によってクリンカーやセメントの温度を下げるか、脱水反応を起こさないII型無水せっこう含有量の高いせっこうを使用する方法が採用される。
【００１２】
本発明で使用するセメント組成物は、ポルトランドセメント成分以外に高炉スラグ、フライアッシュ、シリカ、石灰石粉、生石灰、アウイン、アルミナセメント等を添加した混合セメントやセメント系固化材であってもよいが、セメント組成物中のポルトランドセメント成分の量は５０重量％以上とするのが良い。ポルトランドセメント成分の量が５０重量％より少ないと、対象土壌によっては、改良土の強度発現が十分でない事が起こるからである。
【００１３】
本発明で使用するセメント組成物のブレーン比表面積は、２５００〜５０００ｃｍ2／ｇの範囲に在る事が望ましい。ブレーン比表面積が２５００ｃｍ2／ｇより小であるとセメントスラリーの材料分離が生じ、一方、５０００ｃｍ2／ｇより大であるとセメントスラリーの流動性が低下する問題が生じる事が在るからである。ブレーン比表面積２５００〜５０００ｃｍ2／ｇのセメント組成物を得るために原料に粉砕処理が加えられるが、各原料毎の分離粉砕、または、複数個原料又は全原料の混合粉砕の何れでも行う事が出来る。更に、一般のコンクリート製品製造の際使用される凝結速度調節剤や消泡剤等、公知の各種添加剤を添加する事が出来る。
【００１４】
【実施例】
以下に、実施例を挙げ、本発明を更に詳しく説明する。
（１）試料：製造条件を変えることにより得られた、水溶性アルカリ量、水溶性カリウム量、半水せっこう量の異なる普通ポルトランドセメント（ポルトランドセメント成分１００％）１０種、及び、高炉セメントＢ種（ポルトランドセメント６０重量％、高炉スラグ４０重量％のセメント組成物）６種について検討した。
【００１５】
（２）セメント組成物中の水溶性アルカリ、水溶性カリウムの定量
水１００ｇにセメント組成物１０ｇを加え、１０分間振盪した後、ろ過し、ろ液中のナトリウム量及びカリウム量を原子吸光分析法で測定した。
【００１６】
（３）セメント組成物中の半水せっこう量定量
セメント組成物１５ｇに内部標準物質としてマグネシウムフェライト１ｇを加えたものを１３重量％サリチル酸−メタノール溶液５００ｍｌ中で２時間攪拌し、シリケート相を溶解除去した。溶解残差は、９０μｍ以下となるまで粉砕し、半水せっこう量を粉末Ｘ線回折法によって定量した。
【００１７】
（４）セメントスラリー中の塊状物生成量測定
海水１．４４kgにセメント組成物１．８ｋｇを投入し、ファンタービン型の回転翼で３０分間攪拌してセメントスラリーを調製した。注水３０分後にスラリー全量を１．２ｍｍの篩に通し、その残分を乾燥・計量することにより、塊状物発生量を重量として測定した。尚、セメント組成物は、予め８５０μｍの篩を通し、含まれる異物及び固形物を除去している。
【００１８】
実施例１〜３、参考例１、比較例１〜４ 水溶性アルカリ量、水溶性カリウム量、半水せっこう量の異なる普通ポルトランドセメント（ポルトランドセメント成分１００％）８種について、ポルトランドセメント成分分析値と、スラリー化時の塊状物生成量を表１に示す。
【００１９】
【表１】
【００２０】
スラリー化時における塊状物生成量は、セメント中の水溶性アルカリ量及び／又は半水せっこう量の増加に伴い増大する。普通ポルトランドセメント中の水溶性アルカリ量が０．３５重量％未満であり、且つ、半水せっこう量が３重量％未満であるセメント組成物（実施例１〜３、参考例１）では、塊状物生成量は０．２（ｇ／ｋｇ−セメント）以下と少ない。水溶性アルカリ量に加えてカリウム量も０．３５重量未満と低い実施例１〜３のセメント組成物では、塊状物生成量は０．０６（ｇ／ｋｇ−セメント）以下と極めて低い値となる。セメント中の水溶性アルカリ量が０．３５重量％以上または半水せっこう量が３重量％以上になると塊状物生成量は急激に増大する。
【００２１】
実施例４〜６、比較例５〜７ 表２には、ポルトランドセメント成分以外に高炉スラグを４０重量％含む６種の高炉セメントにおける結果を示す。スラリー化時における塊状物の生成量は、普通ポルトランドセメントより若干少ないが、塊状物の生成量が急増する水溶性アルカリ量、水溶性カリウム量更には半水せっこう量の閾値は、普通ポルトランドセメントと夫々同じ値である。
【００２２】
【表２】
【００２３】
実施例７、比較例８ 此処では、水溶性アルカリ量の異なる２種のポルトランドセメントについて、実機を使用した圧送試験の結果を示す。普通ポルトランドセメント１ｔと水道水０．８ｔをミキサーで３０秒間混合した後、アジテータ内で１５分間攪拌した。攪拌後のセメントスラリーはポンプ圧送し、ポンプ直前に設置したフィルター（目開き３ｍｍ）に捕捉された塊状物を採取し、その乾燥重量から塊状物生成量を算出した。結果を、表３に示す。
【００２４】
【表３】
【００２５】
実施例７と比較例８との比較から分かるように、水溶性アルカリ量の影響が実機でのテストでも確認される。尚、比較例８では、施工中にポンプ圧送が出来なくなり、工事を中断せざるを得なかった。
【００２６】
【発明の効果】
以上述べたように、水溶性カリウム量が０．３５重量％未満であり、且つ半水せっこう量が３重量％未満であるポルトランドセメント成分を含有するスラリー施工用セメント組成物を用いる事により、セメントスラリー中における塊状物の生成量が大幅に低減される。その結果、軟弱地盤の深層混合処理する際に、施工機のフィルター部や噴射ノズル部における塊状物による目詰まりが抑制され、工事の作業効率が飛躍的に向上する。
【発明の属する技術分野】
本発明は、スラリー施工用セメント組成物を用いた軟弱地盤の深層混合処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来行われている軟弱地盤の深層混合処理は、主としてスラリーの形で軟弱土と攪拌・混合されたセメント系材料が、水和及びポラゾン反応を起こし、軟弱土を固化する事を利用したものである。セメントスラリーと軟弱土の攪拌・混合の方法には、機械式や高圧噴射式が在り、機械式では、セメントスラリーが施工機先端までポンプで圧送され、先端から噴射されたスラリーと周囲の軟弱土とが、攪拌翼によって機械的に混合される。一方、高圧噴射式では、セメントスラリーが加工機先端から高圧噴射され、その圧力によって軟弱地盤の切り崩しとスラリーとの混合が行われる。
【０００３】
これらの施工法における大きな障害は、セメントスラリー中にしばしば発生する数ミリ以上の大きさの塊状物の生成であり、これが一旦多量に発生すると、スラリー圧送経路中のフィルター部や施工機の噴射ノズル部の目詰まりが生じ、施工出来なくなる。この塊状物の発生量は、セメントスラリーの固形分濃度を下げる事によって低減する事が可能であるが、固化処理土の強度不足や処理個所による強度のばらつきを生じる事が在り、好ましい方法とは言えないものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、セメントスラリー中の固形分濃度を下げる事無く塊状物発生量を抑制し、結果としてフィルタ部や噴射ノズル部の目詰まり発生頻度の低減を可能にする、軟弱地盤の深層混合処理方法の提供を目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、セメント組成と該セメントをスラリー化した時のスラリー中における塊状物生成量との関係を検討した結果、セメント組成物を構成するポルトランドセメント成分中の水溶性アルカリ量及び半水せっこう量と塊状物発生量間には強い関係が在る事を知見し、水溶性アルカリ量及び半水せっこう量の規定されたポルトランドセメント成分を含有するセメント組成物が、上記課題を解決するものである事を見出し、本発明を完成した。すなわち、本発明は、水溶性アルカリ量（Ｎａ2Ｏ換算）及び水溶性カリウム量がそれぞれ０．３５重量％未満であり、且つ半水せっこう量が３重量％未満であるポルトランドセメント成分を含有するスラリー施工用セメント組成物を得る工程と、得られたスラリー施工用セメント組成物を用いてセメントスラリーを調製する工程と、調製したセメントスラリーをスラリー圧送経路中のフィルター部及び施工機の噴射ノズル部を通じて噴射し、軟弱土と混合する工程とを含む軟弱地盤の深層混合処理方法に関する。以下に、本発明を詳しく説明する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明においては、ポルトランドセメント成分中の水溶性アルカリ量及び半水せっこう量を低減する事により、スラリー化した際の塊状物発生を抑制しているが、本発明で言うポルトランドセメント成分とは、ポルトランドセメントクリンカーとせっこう混合物の粉砕物であり、ＪＩＳ Ｒ ５２１０で規定される普通、早強、超早強、中庸熱、耐硫酸塩、低熱等のポルトランドセメント、及び、ＪＩＳ Ｒ ５２１１から５２１３で規定される高炉セメント、シリカセメント、フライアッシュ等の混合セメントから高炉スラグ、シリカ、フライアッシュ等を除いた部分、更には、セメント系固化材中のポルトランドセメントクリンカーとせっこうの部分等を指す。
【０００７】
本発明で言うポルトランドセメント成分中の水溶性アルカリは、試料１０ｇに水１００ｇを加え１０分間振盪した際に溶出するナトリウム成分及びカリウム成分であり、その量は、酸化ナトリウム基準（水溶性アルカリ＝Ｎａ2Ｏ＋０．６５８Ｋ2Ｏ）で表される。
このポルトランドセメント成分中の水溶性アルカリは、スラリー中におけるセメント粒子同士の強い凝集をもたらす不定形物質（非晶質ゲル）生成の促進剤として働き、塊状物発生の一要因となっていると推定される。
本発明では、ポルトランドセメント成分中の水溶性アルカリ量を０．３５重量％未満まで低減し、スラリー化時における塊状物発生の一要因を取り除いた事を一つの特徴とする。
【０００８】
また、水溶性アルカリの中では、特に水溶性カリウムがセメントスラリー中の塊状物の生成に与える影響が大きいので、スラリー化時の塊状物生成を抑制するためには、ポルトランドセメント成分中の、前記式で表される水溶性アルカリ量を０．３５重量％未満に低減するのに加え、水溶性カリウム量についても０．３５重量％未満に低減する。
【０００９】
一方、半水せっこうは、スラリー化時に二水せっこうやエトリンガイト等の初期水和物を形成するが、これ等初期水和物の多量の生成は、塊状物の生成量の増加をもたらす要因の一つである。
本発明では、ポルトランドセメント成分中の半水せっこう量については３重量％未満となるようにし、スラリー化時における塊状物発生のもう一つの要因をも取り除いた事も一つの特徴とする。
【００１０】
ポルトランドセメント成分に含まれる水溶性アルカリの主成分は、セメントクリンカー中の間隙質部分に存在する硫酸アルカリである。この硫酸アルカリは、セメントクリンカー製造時にキルンに送入される原料に含まれるアルカリと、燃料中に含まれる硫黄との反応で生成する。従って、水溶性アルカリ量の低いポルトランドセメント成分の製造は、アルカリ含有量の低いキルン送入原料と硫黄含有量の少ない石炭（燃料）を使用するか、アルカリバイパスを装着・稼動させる事によって達成出来る。
【００１１】
一方、ポルトランドセメント成分に含まれる半水せっこうは、主として、セメント製造時に添加された二水せっこうが、仕上ミル内での温度上昇によって脱水されて生成する。従って、ポルトランドセメント成分に含まれる半水せっこう量を低減するには、クリンカークーラーの改善や、仕上げミル内の散水等によってクリンカーやセメントの温度を下げるか、脱水反応を起こさないII型無水せっこう含有量の高いせっこうを使用する方法が採用される。
【００１２】
本発明で使用するセメント組成物は、ポルトランドセメント成分以外に高炉スラグ、フライアッシュ、シリカ、石灰石粉、生石灰、アウイン、アルミナセメント等を添加した混合セメントやセメント系固化材であってもよいが、セメント組成物中のポルトランドセメント成分の量は５０重量％以上とするのが良い。ポルトランドセメント成分の量が５０重量％より少ないと、対象土壌によっては、改良土の強度発現が十分でない事が起こるからである。
【００１３】
本発明で使用するセメント組成物のブレーン比表面積は、２５００〜５０００ｃｍ2／ｇの範囲に在る事が望ましい。ブレーン比表面積が２５００ｃｍ2／ｇより小であるとセメントスラリーの材料分離が生じ、一方、５０００ｃｍ2／ｇより大であるとセメントスラリーの流動性が低下する問題が生じる事が在るからである。ブレーン比表面積２５００〜５０００ｃｍ2／ｇのセメント組成物を得るために原料に粉砕処理が加えられるが、各原料毎の分離粉砕、または、複数個原料又は全原料の混合粉砕の何れでも行う事が出来る。更に、一般のコンクリート製品製造の際使用される凝結速度調節剤や消泡剤等、公知の各種添加剤を添加する事が出来る。
【００１４】
【実施例】
以下に、実施例を挙げ、本発明を更に詳しく説明する。
（１）試料：製造条件を変えることにより得られた、水溶性アルカリ量、水溶性カリウム量、半水せっこう量の異なる普通ポルトランドセメント（ポルトランドセメント成分１００％）１０種、及び、高炉セメントＢ種（ポルトランドセメント６０重量％、高炉スラグ４０重量％のセメント組成物）６種について検討した。
【００１５】
（２）セメント組成物中の水溶性アルカリ、水溶性カリウムの定量
水１００ｇにセメント組成物１０ｇを加え、１０分間振盪した後、ろ過し、ろ液中のナトリウム量及びカリウム量を原子吸光分析法で測定した。
【００１６】
（３）セメント組成物中の半水せっこう量定量
セメント組成物１５ｇに内部標準物質としてマグネシウムフェライト１ｇを加えたものを１３重量％サリチル酸−メタノール溶液５００ｍｌ中で２時間攪拌し、シリケート相を溶解除去した。溶解残差は、９０μｍ以下となるまで粉砕し、半水せっこう量を粉末Ｘ線回折法によって定量した。
【００１７】
（４）セメントスラリー中の塊状物生成量測定
海水１．４４kgにセメント組成物１．８ｋｇを投入し、ファンタービン型の回転翼で３０分間攪拌してセメントスラリーを調製した。注水３０分後にスラリー全量を１．２ｍｍの篩に通し、その残分を乾燥・計量することにより、塊状物発生量を重量として測定した。尚、セメント組成物は、予め８５０μｍの篩を通し、含まれる異物及び固形物を除去している。
【００１８】
実施例１〜３、参考例１、比較例１〜４ 水溶性アルカリ量、水溶性カリウム量、半水せっこう量の異なる普通ポルトランドセメント（ポルトランドセメント成分１００％）８種について、ポルトランドセメント成分分析値と、スラリー化時の塊状物生成量を表１に示す。
【００１９】
【表１】
スラリー化時における塊状物生成量は、セメント中の水溶性アルカリ量及び／又は半水せっこう量の増加に伴い増大する。普通ポルトランドセメント中の水溶性アルカリ量が０．３５重量％未満であり、且つ、半水せっこう量が３重量％未満であるセメント組成物（実施例１〜３、参考例１）では、塊状物生成量は０．２（ｇ／ｋｇ−セメント）以下と少ない。水溶性アルカリ量に加えてカリウム量も０．３５重量未満と低い実施例１〜３のセメント組成物では、塊状物生成量は０．０６（ｇ／ｋｇ−セメント）以下と極めて低い値となる。セメント中の水溶性アルカリ量が０．３５重量％以上または半水せっこう量が３重量％以上になると塊状物生成量は急激に増大する。
【００２１】
実施例４〜６、比較例５〜７ 表２には、ポルトランドセメント成分以外に高炉スラグを４０重量％含む６種の高炉セメントにおける結果を示す。スラリー化時における塊状物の生成量は、普通ポルトランドセメントより若干少ないが、塊状物の生成量が急増する水溶性アルカリ量、水溶性カリウム量更には半水せっこう量の閾値は、普通ポルトランドセメントと夫々同じ値である。
【００２２】
【表２】
実施例７、比較例８ 此処では、水溶性アルカリ量の異なる２種のポルトランドセメントについて、実機を使用した圧送試験の結果を示す。普通ポルトランドセメント１ｔと水道水０．８ｔをミキサーで３０秒間混合した後、アジテータ内で１５分間攪拌した。攪拌後のセメントスラリーはポンプ圧送し、ポンプ直前に設置したフィルター（目開き３ｍｍ）に捕捉された塊状物を採取し、その乾燥重量から塊状物生成量を算出した。結果を、表３に示す。
【００２４】
【表３】
実施例７と比較例８との比較から分かるように、水溶性アルカリ量の影響が実機でのテストでも確認される。尚、比較例８では、施工中にポンプ圧送が出来なくなり、工事を中断せざるを得なかった。
【００２６】
【発明の効果】
以上述べたように、水溶性カリウム量が０．３５重量％未満であり、且つ半水せっこう量が３重量％未満であるポルトランドセメント成分を含有するスラリー施工用セメント組成物を用いる事により、セメントスラリー中における塊状物の生成量が大幅に低減される。その結果、軟弱地盤の深層混合処理する際に、施工機のフィルター部や噴射ノズル部における塊状物による目詰まりが抑制され、工事の作業効率が飛躍的に向上する。
Claims (2)
- 水溶性アルカリ量（Ｎａ2Ｏ換算）及び水溶性カリウム量がそれぞれ０．３５重量％未満であり、且つ半水せっこう量が３重量％未満であるポルトランドセメント成分を含有するスラリー施工用セメント組成物を得る工程と、
前記得られたスラリー施工用セメント組成物を用いてセメントスラリーを調製する工程と、
前記調製したセメントスラリーをスラリー圧送経路中のフィルター部及び施工機の噴射ノズル部を通じて噴射し、軟弱土と混合する工程と
を含む軟弱地盤の深層混合処理方法。 - 前記スラリー施工用セメント組成物は、前記ポルトランドセメント成分以外に、更に高炉スラグ、フライアッシュ、シリカ、アウイン、アルミナセメント、生石灰、石灰石粉から選ばれる１種または２種以上を５０重量％以下含有する事を特徴とする、請求項１に記載の軟弱地盤の深層混合処理方法。
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