JP4608669B2 - 微生物を用いたカルシウムを含む地盤改良方法 - Google Patents

Description

本発明は地盤中に栄養源、多価金属化合物、微生物を投入し、微生物の代謝作用による生成物と多価金属化合物を反応させて地盤を固結させる地盤改良方法に係り、特に、地盤の固結に際して有害物を発生せず、このため環境への悪影響を与えることがなく、しかも大掛かりな装置や有害な薬品を必要とせず、液状化対策工事、構造物基礎下の耐震補強等に適した地盤改良方法に関する。

注入材により地盤を固結して地盤改良を図る方法として、従来、地盤中に注入材として水ガラスや、セメントを注入して地盤を固結する方法が採用されていた。

しかし、この方法では注入材が強アルカリであったり、あるいは強酸を使用したりする等、環境への悪影響を与える恐れがあり、さらには取り扱いに注意が必要であり、また、使用できる地盤が限定されている。

地盤の液状化が発生する可能性のある地盤には、海岸沿いの貝殻等のカルシウムを含む地盤が多い。しかし、地盤改良の際、周辺環境への影響のない地盤改良方法が求められる場合、従来のシリカ化合物等の強アルカリや、反応材として酸では地盤改良後に未反応物質が溶解してしまう可能性があった。また、水ガラスとカルシウムを用いる注入材ではゲル化時間が短いことから地盤中に浸透せず広範囲の地盤改良が困難であった。

本出願人による多価金属化合物を有効成分とするＡ液と、炭酸、重炭酸、硫酸、燐酸およびこれらの多価金属塩の群から選択される一種または複数種を有効成分とするＢ液とを土中に浸透または注入し、または土と混合し、不溶性塩を形成させることにより、アルカリ汚染が少なく、またはシリカ分が溶出しないため水質汚染が生じることのない発明が、すでに公知となっている。（特許文献１）

消石灰または生石灰と糖類とを反応させて得られるカルシウムサッカラートからなるセメント混和剤については、すでに公知となっている（特許文献２、特許文献３、特許文献４）。

本発明者らは、さらに上記方法を改良し、微生物による代謝作用によって二酸化炭素を発生させることにより、酸やアルカリの使用量を少なくしても、ゲル化時間の長い、安定したゲルを得ることを見出し、さらに、栄養源と多価金属化合物をあらかじめ混合することにより地盤中で地盤改良効果が高く、環境に悪影響を与えないグラウトを開発して本発明を完成するに至った。

特開２００４−６７８１９号公報 特開平０８−１８３９５７号公報 特許第３３２５２５０号公報 特許第３３５７６７０号公報 特開２００６−１６９９４０号公報

そこで、本発明の課題はさらに環境への影響の低減を追求し、自然の状態で存在する物質だけを使用して、改良地盤およびその周辺に、また地盤改良後においても有害な物質を発生させず、上述の公知技術に存する欠点を改良した広範囲の地盤を改良する方法を提供することにある。

上述の課題を解決するため、本発明は微生物によって代謝分解される栄養源としての糖類と、多価金属化合物としてのカルシウム、マンガン、マグネシウム、銅、亜鉛、カリウム、アルミニウムまたは鉄、の塩または酸化物からなる金属成分をあらかじめ水に混合して、前記多価金属化合物のサッカラートを生成させることにより多価金属化合物としての溶解度を上げた混合液を地盤中に注入し、前記混合液中に残っている栄養源が地盤中に生息する微生物によって代謝分解されて生成される二酸化炭素と、前記混合液中の溶解度を上げた多価金属化合物や地盤中の多価金属化合物を反応させて、多価金属塩を析出させ、地盤を固結させることを特徴とする。

また、地盤改良の対象となる地盤が多価金属化合物を多く含む場合に、前記地盤に微生物によって代謝分解される栄養源としての糖類を注入し、地盤中に多価金属化合物のサッカラートを生成させることにより地盤中の多価金属化合物の水に対する溶解度を上げ、地盤中に生息する微生物の代謝作用により生成した二酸化炭素と溶解度を上げた多価金属化合物を反応させて、多価金属塩を析出させ、地盤を固結させることを特徴とする。

このとき栄養源としては、糖を用いることができる。

さらに上記方法において、微生物、難溶性珪酸化合物、栄養源、ｐＨ調整剤、または硬化剤のうちの一種または複数種を投入することを特徴とする。

上述の本発明により、あらかじめ微生物によって代謝分解される栄養源と多価金属化合物を混合することにより、多価金属化合物の溶解度を高くし、地盤中への浸透性を高めることができる。

さらに、微生物の代謝により栄養源が消費され、代謝物が生成されると、多価金属化合物の溶解度が低下し、地盤中で析出することにより、止水性の向上や地盤の固結に際して有害物質を発生せず、このため環境への悪影響を与えることがなく、しかも大掛かりな装置や有害な薬品を必要とせず、液状化対策工事、構造物基礎下の耐震補強等に適した地盤改良方法である。

微生物は例えば次式に示されるとおり、代謝活動において栄養源（グルコース）から二酸化炭素を生じる。
Ｃ₆Ｈ₁₂Ｏ₆＋６Ｏ₂→６ＣＯ₂＋６Ｈ₂Ｏ（好気性条件）
Ｃ₆Ｈ₁₂Ｏ₆→２ＣＯ₂＋２Ｃ₂Ｈ₅ＯＨ（嫌気性条件）

このとき地盤中に注入した多価金属化合物としてのカルシウムと微生物の生成した二酸化炭素が反応し、次式のとおり、土粒子間に炭酸カルシウムが析出・沈澱し、地盤を硬化する。
Ｃａ²⁺＋ＣＯ₂→Ｈ₂Ｏ→ＣａＣＯ₃＋２Ｈ⁺

さらに栄養源を注入することで栄養源の種類や量により微生物の代謝速度が変化し、二酸化炭素の生成量の変化に伴いカルシウム塩の析出量が変化することから、地盤の硬化時間および強度、透水係数等を調整できる。地盤においてカルシウム溶解量が少ない場合や、地盤を高強度に改良する場合においては、さらに多価金属化合物を地盤中に注入し、カルシウム塩の析出量を多くすることもできる。

また、微生物の多く存在する地盤においては、有機栄養源により地盤中の微生物の代謝を調整することにより、地盤中の多価金属化合物や注入した多価金属化合物と反応し、金属塩を析出させることができる。

しかし、従来用いられている石灰等の多価金属塩は水への溶解度が低く、地盤中の析出量が小さい。地盤を改良するための十分なカルシウム量を得るには大量の水に溶解しなければならず、その他の注入材を希釈してしまう。そこで、本発明では多価金属化合物が栄養源として例えばスクロースと反応してカルシウムサッカラートを生成させ、水に対する溶解度が大きくする。

カルシウムサッカラートの生成は常温〜１００℃程度の温度で生成可能であり、糖および多価金属化合物を十分に加え、未反応物をろ過し取り除いて使用する。

本発明における多価金属化合物とは多価金属の塩化物、微粒子石灰、および微粒子セメント群の中から選択される一種または複数種であり、好ましくは水溶性化合物である。例えば、カルシウム、マンガン、マグネシウム、銅、亜鉛、カリウム、アルミニウムまたは鉄、の塩または酸化物からなる金属成分を用いることができる。

また、炭酸カルシウムには３つの異なった結晶形（カルサイト、アラゴナイト、バテライト）があり、常温・常圧のカルシウム溶液中からは通常カルサイトが析出するが、Ｍｇ²⁺やある種の有機成分を溶液中に少量添加すると、アラゴナイトやバテライトが析出する。特にアラゴナイトやバテライトは結晶が成長する際に顕著な方向性を有しているため、炭酸カルシウムの結晶形態を制御することができれば、地盤の力学特性や水理学特性の異方性を比較的自由に制御できる可能性がある。

本発明における栄養源とは微生物の栄養源となるものであり、好ましくは土壌中の微生物によって代謝分解されるものがよい。例えば、グルコースやフラクトースなどの単糖類、スクロース、マルトースあるいはガラクトースなどの２糖類、その他のオリゴ糖、デキストロース、でんぷんやマルトデキストリンなどの多糖類、その他糖類を例示することができる。微生物によって、あるいは有機栄養源によって代謝速度が変化するため、施工地盤によって選択する必要がある。

また、多価金属化合物と錯体をつくるものとして、グリシン、リシン、グルタミン酸、およびその他のアミノ酸、ジペプチド、ポリペプチド、蛋白加水分解物、ミルク固形物、クリーム、卵固形物、ゼラチンおよびホエー蛋白からなる群から選択されるアミノ成分を用いてもよい（特開２００５−１４５９６５号公報参照）。これらの栄養源は単体で用いても良いし、複数種を組み合わせてもよい。

また、あらかじめ地盤に、あるいは一度注入した地盤にさらに同種または別の種類の栄養源、多価金属化合物、微生物を繰り返し注入することにより、地盤中の微生物や、注入した微生物の代謝を活性化させ強固に地盤を改良することができる。

本発明に用いられる微生物は人体や環境に影響を与えにくいものならば、使用可能である。特に、乳酸菌やイースト菌等の従来から食品に利用されているものや、一般の地盤中に多く存在するものが利用できる。

また、本発明により析出するカルシウム塩とは炭酸カルシウム、水酸化カルシウム、乳酸カルシウム、硝酸カルシウム、等のカルシウム塩、水酸化アルミニウム等のアルミニウム塩、マグネシウム塩等の多価金属塩で、多価金属化合物および注入する微生物や地盤に生息する微生物に影響される。

さらに、本発明において地盤中の強度増加を図るため、難溶性珪酸化合物として珪藻土、白土、ベントナイト等の粘土鉱物、および珪石粉、火山灰等の天然珪酸鉱物、焼却灰、高炉スラグ等を加えてもよい。

また、微生物の代謝を活性化するために、さらにｐＨ調整剤、硬化剤を用いてもよい。

スクロースと水酸化カルシウムを用いた溶解度の測定
水酸化カルシウムとスクロースを用いたときの水への溶解度の変化を測定した。

１．試験方法
蒸留水１００ｍｌにスクロースを加え、スクロースが溶けるまで攪拌し、その後水酸化カルシウム7.41ｇを加え、70℃まで加熱して24時間攪拌する。その後、液温を室温（25℃）まで冷まし、ろ過した液のカルシウム濃度を測定した。

２．測定装置
ＩＣＰ発光分光分析装置を使用した。

３．試験結果

表1の結果より、スクロースを添加しない場合に比べ、添加した場合の方が、ろ過液のカルシウム含有量が多いことがわかった。また、スクロースの添加量とろ過液のカルシウム含有量の相関は小さいという結果が得られた。

炭酸カルシウム析出試験
実施例１の実験ケースNo.1で得られたカルシウム溶液に、イースト菌を加え、カルシウム濃度を測定した。

１．試験方法
実施例１の実験ケースNo.1で得られたカルシウム溶液のろ過液を４ｍｌ試験管にとり、イースト菌0.1ｇを加えた。そして、24時間後のカルシウム濃度を測定した。

２．試験結果
カルシウム溶液にイースト菌を加えた24時間後のカルシウム濃度は27kg/m³だった。

一方、イースト菌を加える前のカルシウム濃度は実施例１より33.5kg/m³だったことより、溶液中のカルシウム濃度は減少したことがわかった。これより、微生物の代謝により炭酸カルシウムを析出させることが確認できた。

改良された標準砂供試体の透水試験
実施例１の実験ケースNo．2の配合により得られたろ過液とイースト菌（商品名：日清スーパーカメリヤ）２％を攪拌して標準砂供試体に通水した後、透水係数を測定した。また、比較として、実施例１の比較例で得られたろ過液にも同様にイースト菌を添加して標準砂供試体に通水し、透水係数を測定した。

１．試験方法
１ｍのプラスチック製モールドに標準砂を90ｃｍ充填（相対密度60％、透水係数2.02×10^-2ｃｍ／ｓ）し、実施例１の実験ケースNo.2のカルシウム含有液100ｍｌあたりイースト菌２ｇの割合で作成した薬液1500ｍｌを５サイクル通液し、作成した供試体を脱型して10ｃｍに切断後、ラッピング材で密封し室温にて２８日間養生後の透水係数を測定した。

透水試験は地盤工学会基準に準じた加圧透水試験を行った。同様に、実施例１の比較例のろ過液についても透水試験を行った。さらに、ろ過液100ｍｌあたり栄養源としてスクロース68.4ｇを加えた液でも測定した。

２．試験結果
結果を表２に示す。

スクロースなしの水酸化カルシウムろ過液（No.1）では水のみ（No.4）と比較して透水係数の低下がわずかしか見られなかったのに対し、水酸化カルシウムを溶解したろ過液に対してスクロースを加えたろ過液（No.2）では、約一桁の透水係数の低下が見られた。また、水酸化カルシウム溶液に栄養源としてスクロース68.4ｇを加えたろ過液による実験（No.3）では透水係数が大きく低下し、実験ケースNo.2の値より小さくなった。

これより、カルシウム溶液配合時にスクロースを加えることで、カルシウムの溶解度が上がることから、微生物の栄養源は注入時よりも、多価金属化合物配合時に混合することによりカルシウムの溶解度を上げ、効果的に地盤を改良することができる。

Claims (7)

1. 微生物によって代謝分解される栄養源としての糖類と、多価金属化合物としてのカルシウム、マンガン、マグネシウム、銅、亜鉛、カリウム、アルミニウムまたは鉄、の塩または酸化物からなる金属成分をあらかじめ水に混合して、前記多価金属化合物のサッカラートを生成させることにより多価金属化合物としての溶解度を上げた混合液を地盤中に注入し、前記混合液中に残っている栄養源が地盤中に生息する微生物によって代謝分解されて生成される二酸化炭素と、前記混合液中の溶解度を上げた多価金属化合物や地盤中の多価金属化合物を反応させて、多価金属塩を析出させ、地盤を固結させることを特徴とする地盤改良工法。
2. 地盤改良の対象となる地盤が多価金属化合物を多く含む場合に、前記地盤に微生物によって代謝分解される栄養源としての糖類を注入し、地盤中に多価金属化合物のサッカラートを生成させることにより地盤中の多価金属化合物の水に対する溶解度を上げ、地盤中に生息する微生物の代謝作用により生成した二酸化炭素と溶解度を上げた多価金属化合物を反応させて、多価金属塩を析出させ、地盤を固結させることを特徴とする地盤改良工法。
3. 請求項１または２において、前記栄養源としての糖類として、単糖類、２糖類、または多糖類を用いることを特徴とする地盤改良工法。
4. 請求項１から３のいずれか１項において、さらに微生物を投入することを特徴とする地盤改良方法。
5. 請求項１から４のいずれか１項において、さらに難溶性珪酸化合物を投入する地盤改良方法。
6. 請求項１から５のいずれか１項において、ｐＨ調整剤および硬化剤のうちの一方または両方をさらに投入する地盤改良方法。
7. 請求項１から６のいずれか１項において、栄養源、多価金属化合物および微生物のうちの一または複数を地盤中に前もって、あるいは追加注入することを特徴とする地盤改良方法。